CN114279373A - 一种测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统、方法和设备 - Google Patents

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周伟星
刘舸
于开平
韩之雄
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Abstract

本发明提出了一种测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统、方法和设备,所述方法包括提供所述的结焦产物的细长圆形冷却通道;横穿所述管道测量未衰减光子计数;以及分析所测得的未衰减光子计数,以确定所述流动管路沉积物的厚度。本发明可在冷却通道外对结焦层的存在和厚度进行检测,而无需对管路进行切割,充分解决了结焦层不易检测的难题。

Description

一种测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统、方 法和设备
技术领域
本发明属于碳氢燃料结焦检测技术领域,特别是涉及一种测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统、方法和设备。
背景技术
在高马赫数情况下,由于气动加热和燃烧释放的热量,超燃冲压发动机面临着非常严峻的热载荷问题。为了保证发动机稳定可靠的运行,必须对它进行有效的冷却。利用发动机自带燃料为冷却剂的主动再生冷却技术是有效的热防护手段之一,但是这种再生冷却方案也有一定的弊端,其中最主要的问题之一便是燃料的结焦问题。
碳氢燃料在流经冷却通道时会产生化学反应,来自发动机燃烧室内壁的热流将冷却通道加热到很高的温度,碳氢燃料在吸收热量的同时发生反应,在一定温度范围内会有积碳沉积在流体通道表面形成结焦层,结焦层一般不是热量的良导体,因此会增大流体与需要冷却的壁面间的换热热阻,降低冷却效率而导致冷却失效的严重后果。特别是结焦层达到一定厚度可能完全阻塞油路系统,对飞行器的安全造成严重的威胁。因此在超燃冲压发动机冷却系统设计中,碳氢燃料的结焦特性是很重要的考虑因素,对冷却通道结构设计以及高超声速飞行器使用寿命评估都有很重要的指导意义。
通常情况下,燃料的结焦分为氧化结焦和裂解结焦两种,前者在150-450℃发生,后者在450℃以上发生,无论是氧化结焦还是裂解结焦,其反应过程特别复杂,而且结焦不仅仅是一个化学反应的过程,还伴随着传热,传质,流动的过程,影响的因素也有很多,比如压力,温度,流量,表面粗糙程度等等。
当航空发动机通油管路中发生结焦的情况时,结焦颗粒会附着在管路的壁面并且随着时间的推移,沉积量越来越多,这就会导致流通的通道变窄从而增大碳氢燃料流动的沿程阻力,管壁上的焦体会让管壁的热阻增大,影响换热效果,并且结焦情况严重时可能发生燃油管路堵塞。
一旦冷却通道被焦层堵塞,便难以进行管道的恢复,由此一来便可能需要进行管路的更换。在可到达性受到严重限制且干预成本极高的高空环境中,对结焦层的检测会变得更复杂,并且管路无法更换,因此很有必要对结焦层的进行实时监测,这有利于采取紧急补救措施,从而防止流动的冷却通道管路被完全堵塞而带来的发动机停机等安全问题。由于结焦层一般形成在冷却通道的内壁上,因此难以检查管道并对结焦层厚度进行定量。此外,目前通常使用的压差计或热电偶等其它传感器都是侵入式的,常常被安装在流动管路的端部或者外壁面,而冷却通道为长径比大于500的细长管道,因此用这些侵入式传感器覆盖流动管路的每一处是不切实际的。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题,提出一种测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统、方法和设备。本发明是一种非侵入式的测量方法,以确定冷却通道内结焦层的厚度。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明提出一种测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统,所述系统包括由冷却通道与内部结焦层组成的被检测管道和光子检测系统;所述光子检测系统包括密度计,所述密度计包括源和检测器阵列,伽马射线源生成入射光子,检测器阵列是能够以定量方式感测到光子的单个或多个检测器,检测器沿着弦测量未衰减光子数,并计算衰减的光子数与入射的光子数的比率,同时测量和记录弦与通过被检测管道中心的弦的距离,在沿着初始弦完成测量之后,重新定位密度计,并沿着其它弦继续测量伽马射线光子数的衰减,得到结焦层的厚度。
本发明还提出一种测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统的测量方法,确定碳氢燃料结焦层的冷却通道,测量横穿所述冷却通道的未衰减光子数,分析所测得的未衰减光子数,通过计算得出所述碳氢燃料结焦层厚度。
进一步地,所述检测器阵列围绕冷却通道进行布置,其布置方式为平行射束布置,所述平行射束布置方式利用单个源和单个检测器,所述光子检测系统还包括控制密度计相对方位的移动臂,所述单个源和单个检测器沿着直线布置,使得从源发射的光子到检测器的轨迹沿着弦的方向,且源和检测器通过可移动臂连接,通过移动臂让测量位置顺着冷却通道的横截面上下移动,由此可以测量与冷却通道中心的距离有所不同的多个弦处的未衰减光子数,从而得到冷却通道内结焦层厚度。
进一步地,所述检测器阵列围绕冷却通道进行布置,其布置方式为扇形射束布置,所述扇形射束布置方式利用单个源和多个检测器;源和多个检测器分别沿着直线布置,使得从源发射的光子到检测器阵列中的单个检测器的轨迹能够沿着弦的方向,源和/或检测器阵列可沿着位于平面中心的轴旋转,使得检测器阵列中的每个检测器可以检测到沿着不同弦测量的未衰减光子数,从而得到冷却通道内结焦层厚度。
进一步地,测量横穿所述冷却通道的未衰减光子数包括测量在冷却通道的第一侧产生的入射光子数以及测量在冷却通道的第二侧接收到的未衰减光子数。
进一步地,在测量横穿所述冷却通道的未衰减光子数时是利用沿着多个冷却通道横截面的弦来测量未衰减光子数的。
进一步地,定义测量弦与通过被检测管道中心的弦的距离为h,将测得的横穿冷却通道的未衰减光子数描绘为h的函数并生成曲线,并通过该曲线得到冷却通道内结焦层的厚度。
进一步地,在不同弦的位置计算结焦层的厚度lcoking,所述结焦层厚度通过下面公式进行计算:
Figure BDA0003412950590000031
其中,lair是管外空气部分的弦长度,lpipe是管道部分的弦长度,R1是管道的内半径,I0是入射光子数,I是衰减光子数,μair是空气的衰减系数,μpipe是管道的衰减系数,μcoking是结焦层的衰减系数,μfuel是航空煤油的衰减系数;
对于确定的冷却通道,μair、μpipe、μcoking、μfuel为已知量或者通过检测冷却通道得到;lair、lpipe则可以通过下面公式进行计算:
lair、lpipe=2[Rout sin(a cos(h/Rout)-Rin sin(a cos(h/Rin)]
其中,Rout是管外空气的外半径或管道部分的外半径,Rin是管外空气的内半径或管道部分的内半径,a是检测器和源之间的仰角,h是测量弦与通过被检测管道中心的弦的距离;
在不同的h下得到各个位置的结焦层厚度lcoking后,对各个位置的结焦层厚度值进行比较,其中的最小值就是所求的冷却通道的结焦层厚度。
进一步地,所需测量的弦的数量取决于管道的大小和所需测量的精确程度。
本发明还提出一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统的测量方法的步骤。
本发明所述的一种非侵入式检测碳氢燃料在细长冷却通道内产生结焦层的厚度方法,相比于传统方法,其优点在于不必侵入冷却通道内部安装传感器或是切割管道,且能够更准确地确定细长冷却通道内结焦层的存在和厚度。
附图说明
图1为本发明所述一种使用平行射束布置方法测量结焦层厚度的示意图;
图2为本发明所述一种使用扇形射束布置方法测量结焦层厚度的示意图;
图3为本发明所述管道系统各部分长度标注的示意图;
图4为在不同的h下得到的各个位置的结焦层厚度示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
结合图1-图4,本发明提出一种使用伽马射线密度测量法来测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统,所述系统包括由冷却通道与内部结焦层组成的被检测管道和光子检测系统;所述光子检测系统包括密度计,所述密度计包括源和检测器阵列,伽马射线源生成入射光子,检测器阵列是能够以定量方式感测到光子的单个或多个检测器,检测器沿着弦测量未衰减光子数,并计算衰减的光子数与入射的光子数的比率,同时测量和记录弦与通过被检测管道中心的弦的距离,在沿着初始弦完成测量之后,重新定位密度计,并沿着其它弦继续测量伽马射线光子数的衰减,得到结焦层的厚度。
本发明还提出一种测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统的测量方法,确定碳氢燃料结焦层的冷却通道,测量横穿所述冷却通道的未衰减光子数,分析所测得的未衰减光子数,通过计算得出所述碳氢燃料结焦层厚度。
所述检测器阵列围绕冷却通道进行布置,其布置方式为平行射束布置,所述平行射束布置方式利用单个源和单个检测器,如图1中所示,图1中包括两部分,第一部分是由冷却通道1与内部结焦层2组成的被检测管道,第二部分是由移动臂6、源3和检测器4构成的的光子检测系统。所述光子检测系统还包括控制密度计相对方位的移动臂,所述单个源和单个检测器沿着直线布置,使得从源发射的光子到检测器的轨迹沿着弦的方向,且源和检测器通过可移动臂连接,通过移动臂让测量位置顺着冷却通道的横截面上下移动,由此可以测量与冷却通道中心的距离有所不同的多个弦5处的未衰减光子数,从而得到冷却通道内结焦层厚度。
所述检测器阵列围绕冷却通道进行布置,其布置方式为扇形射束布置,所述扇形射束布置方式利用单个源和多个检测器;如图2所示,图2中包括两部分,第一部分是由冷却通道1与内部结焦层2组成的的被检测管道,第二部分是由源7和检测器阵列10构成的的光子检测系统。检测器阵列10可包括多个检测器8。源和多个检测器分别沿着直线布置,使得从源发射的光子到检测器阵列中的单个检测器的轨迹能够沿着弦的方向,源和/或检测器阵列可沿着位于平面中心的轴旋转,使得检测器阵列中的每个检测器可以检测到沿着不同弦9测量的未衰减光子数,从而得到冷却通道内结焦层厚度。
在扇形射束布置方法或平行射束布置方法中,都可以通过旋转源和检测器来进行检测器和源(密度计)的重新定位。
测量横穿所述冷却通道的未衰减光子数包括测量在冷却通道的第一侧产生的入射光子数以及测量在冷却通道的第二侧接收到的未衰减光子数。
在冷却通道的给定位置处,一旦从与参考点的距离有所不同的足够数量的弦得到测量的数据,便可以对数据进行处理,分析所测得的未衰减光子数,最终确定冷却通道内结焦层的厚度。具体所需测量的弦的数量取决于管道的大小和所需测量的精确程度。在测量横穿所述冷却通道的未衰减光子数时是利用沿着多个冷却通道横截面的弦来测量未衰减光子数的。
分析所测得的未衰减光子数并得到结焦层厚度的方法,具体为:定义测量弦与通过被检测管道中心的弦的距离为h,将测得的横穿冷却通道的未衰减光子数描绘为h的函数并生成曲线,并通过该曲线得到冷却通道内结焦层的厚度。
在不同弦的位置计算结焦层的厚度lcoking,所述结焦层厚度通过下面公式进行计算:
Figure BDA0003412950590000051
其中,lair是管外空气部分的弦长度,lpipe是管道部分的弦长度,R1是管道的内半径,I0是入射光子数,I是衰减光子数,μair是空气的衰减系数,μpipe是管道的衰减系数,μcoking是结焦层的衰减系数,μfuel是航空煤油的衰减系数;
对于确定的冷却通道,μair、μpipe、μcoking、μfuel为已知量或者通过检测冷却通道得到;lair、lpipe则可以通过下面公式进行计算:
lair、lpipe=2[Rout sin(a cos(h/Rout)-Rin sin(a cos(h/Rin)]
其中,Rout是管外空气的外半径或管道部分的外半径,Rin是管外空气的内半径或管道部分的内半径,a是检测器和源之间的仰角,h是测量弦与通过被检测管道中心的弦的距离;
在不同的h下得到各个位置的结焦层厚度lcoking后,对各个位置的结焦层厚度值进行比较,其中的最小值就是所求的冷却通道的结焦层厚度。如图4所示。当测量的弦经过横截面中心时,所测得的lcoking便是准确的结焦层厚度(也就是图4中的lcoking0)。
本发明还提出一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统的测量方法的步骤。
以上对本发明所提出的一种测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统、方法和设备进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统,其特征在于,所述系统包括由冷却通道与内部结焦层组成的被检测管道和光子检测系统;所述光子检测系统包括密度计,所述密度计包括源和检测器阵列,伽马射线源生成入射光子,检测器阵列是能够以定量方式感测到光子的单个或多个检测器,检测器沿着弦测量未衰减光子数,并计算衰减的光子数与入射的光子数的比率,同时测量和记录弦与通过被检测管道中心的弦的距离,在沿着初始弦完成测量之后,重新定位密度计,并沿着其它弦继续测量伽马射线光子数的衰减,得到结焦层的厚度。
2.一种如权利要求1所述的测量碳氢燃料在冷却通道内产生结焦层厚度的系统的测量方法,其特征在于:确定碳氢燃料结焦层的冷却通道,测量横穿所述冷却通道的未衰减光子数,分析所测得的未衰减光子数,通过计算得出所述碳氢燃料结焦层厚度。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述检测器阵列围绕冷却通道进行布置,其布置方式为平行射束布置,所述平行射束布置方式利用单个源和单个检测器,所述光子检测系统还包括控制密度计相对方位的移动臂,所述单个源和单个检测器沿着直线布置,使得从源发射的光子到检测器的轨迹沿着弦的方向,且源和检测器通过可移动臂连接,通过移动臂让测量位置顺着冷却通道的横截面上下移动,由此可以测量与冷却通道中心的距离有所不同的多个弦处的未衰减光子数,从而得到冷却通道内结焦层厚度。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:所述检测器阵列围绕冷却通道进行布置,其布置方式为扇形射束布置,所述扇形射束布置方式利用单个源和多个检测器;源和多个检测器分别沿着直线布置,使得从源发射的光子到检测器阵列中的单个检测器的轨迹能够沿着弦的方向,源和/或检测器阵列可沿着位于平面中心的轴旋转,使得检测器阵列中的每个检测器可以检测到沿着不同弦测量的未衰减光子数,从而得到冷却通道内结焦层厚度。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:测量横穿所述冷却通道的未衰减光子数包括测量在冷却通道的第一侧产生的入射光子数以及测量在冷却通道的第二侧接收到的未衰减光子数。
6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:在测量横穿所述冷却通道的未衰减光子数时是利用沿着多个冷却通道横截面的弦来测量未衰减光子数的。
7.根据权利要求3或4所述的方法,其特征在于:定义测量弦与通过被检测管道中心的弦的距离为h,将测得的横穿冷却通道的未衰减光子数描绘为h的函数并生成曲线,并通过该曲线得到冷却通道内结焦层的厚度。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于:在不同弦的位置计算结焦层的厚度lcoking,所述结焦层厚度通过下面公式进行计算:
Figure FDA0003412950580000021
其中,lair是管外空气部分的弦长度,lpipe是管道部分的弦长度,R1是管道的内半径,I0是入射光子数,I是衰减光子数,μair是空气的衰减系数,μpipe是管道的衰减系数,μcoking是结焦层的衰减系数,μfuel是航空煤油的衰减系数;
对于确定的冷却通道,μair、μpipe、μcoking、μfuel为已知量或者通过检测冷却通道得到;lair、lpipe则可以通过下面公式进行计算:
lair、lpipe=2[Routsin(acos(h/Rout)-Rinsin(acos(h/Rin)]
其中,Rout是管外空气的外半径或管道部分的外半径,Rin是管外空气的内半径或管道部分的内半径,a是检测器和源之间的仰角,h是测量弦与通过被检测管道中心的弦的距离;
在不同的h下得到各个位置的结焦层厚度lcoking后,对各个位置的结焦层厚度值进行比较,其中的最小值就是所求的冷却通道的结焦层厚度。
9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于:所需测量的弦的数量取决于管道的大小和所需测量的精确程度。
10.一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求2至9中任一项所述方法的步骤。
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