一種超臨界航空煤油粘性測量的裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種超臨界航空煤油粘性測量的裝置及方法。其中，該粘性測定方法基于經典毛細管粘性測量法并進行拓展，可有效解決經典毛細管粘性測量法在高溫高壓下所存在的待測流體質量流量難以精確測量的難題。主要通過引入環形截面柱形管的測量結構，不僅使得待測流體在粘性測量中具有較高的壓差測量精度，而且可以顯著提高滿足層流狀態要求的最大流量限，從而達到流體質量流量精確測量的目的。應用該方法的粘性測量裝置，從削弱測量管熱傳導、熱對流和熱輻射三個方面入手，設計了相應的保溫結構來保持測量段溫度恒定，從而獲得較為準確的粘性測量數據。本發明原理簡單，操作方便，可以很好地滿足超臨界航空煤油粘性精確測量的要求。
【專利說明】一種超臨界航空煤油粘性測量的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于未來高性能航空航天動力系統中超臨界燃燒的研究領域，主要涉及一種適用于超臨界航空煤油粘性測量的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]為了獲得更為優異的發動機性能，未來的飛行器發動機需要達到更高的壓氣機壓縮比以及渦輪前燃氣溫度。因此，空氣流經壓氣機后溫度將會顯著升高，導致渦輪部件的冷卻效率急劇降低。針對于這種情況，可以利用發動機燃油對冷卻氣進行冷卻，以提升渦輪部件的冷卻效率，降低高速旋轉渦輪部件的熱負載。
[0003]可以看出，隨著未來高性能發動機燃燒室內環境溫度和壓力逐步提高，噴射燃油的溫度和壓力將超過其臨界點的溫度和壓力，高性能發動機燃燒室的液態燃油都將工作于超臨界狀態，如圖1所示。已有的研究表明，當煤油處于超臨界狀態，它既不屬于液相也不屬于氣相，相的分界面消失了。在臨界點附近，航空煤油的熱力學輸運性質對壓力和溫度的變化很敏感，這時的加熱、蒸發和燃燒特性完全不同于亞臨界狀態。超臨界燃油的獨特性質，使其相當于跨越了亞臨界煤油燃燒時的霧化和蒸發過程直接燃燒，恰好可以滿足未來高速飛行器動力裝置燃燒室在高超聲速來流條件下的急速燃燒要求。只有了解超臨界航空煤油不同溫度和壓力下的物性參數，才能充分研究超臨界態航空煤油的噴射、霧化和燃燒特性，才能設計出適用于未來高性能航空航天發動機的超臨界燃燒室。因此對超臨界燃油物性參數的測定將是未來發動機研究中不可或缺的。
[0004]現在有關超臨界方面的研究大多是化工上針對小分子純凈物的，對于一些單組份的液態碳氫燃料也有較為明確的描述。然而，絕大多數混合物，特別是對典型的液態高碳大分子碳氫燃料來說，它們的超臨界物性參數沒有任何系統的數據，也沒有建立公認的混合規則，尚未建立完整的典型液態碳氫燃料的超臨界物性參數數據庫。目前的研究中，常采用替代燃料法(用分子式和臨界參數相近的純凈物來替代混合物進行物性參數計算)來進行研究，如:可采用物性參數相近的CltlH22(正癸烷)作為航空煤油的替代燃料。但超臨界航空煤油的物性參數與替代燃料的物性參數仍然存在很大的差別，這將對研究的準確度帶來很大的影響。鑒于超臨界航空煤油物性參數的重要性，所以很有必要通過實驗方法來建立航空煤油的物性參數數據庫，為后續研究提供數據儲備。
[0005]結合國內外研究現狀和可用的實驗條件，本裝置擬對超臨界航空煤油不同溫度和壓力下的動力粘度進行測量。我國目前常用航空煤油的臨界點壓力為2.2?2.4MPa，臨界點溫度640?660K。超臨界態航空煤油的粘度在加熱過程中變化劇烈，圖2是2.33MPa壓力下常作為航空煤油替代燃料的CltlH22的粘度隨溫度的變化曲線。由上圖可以明顯發現，隨溫度地升高，其粘度逐漸減小，在臨界點附近，粘度值急劇下降，超臨界狀態下的粘度值可小于常溫狀態下的五分之一。
[0006]由于常規的液體粘度測量方法如滾球法和沉子法等很難應用于高溫高壓下的液體粘度測量，故需要嘗試新的測量方案。目前，多采用經典毛細管測量流體粘性的方法對超臨界航空煤油的粘性進行測量，但是由于受限于層流流動雷諾數的要求以及壓降測量的精度，質量流量必須進行限定，而當下的工藝技術水平很難滿足高壓系統下小流量的測定。鑒于這種情況，要準確測量超臨界航空煤油的粘度，必須采用其他的方法，以解決待測流體流量精確測定的難題。
【發明內容】
[0007]本發明的主要創新是解決了上述流量難以精確測量的問題，主要目的是進行超臨界航空煤油的粘性測量。針對航空煤油在超臨界狀態下粘性急劇降低的特點，基于經典毛細管粘性測量的原理并對其進一步擴展，提出了一種環形截面柱形管粘性測量法，解決了層流狀態下由于流體質量流量太小而導致的難以進行精確測量的難題，并設計了測量裝置，為超臨界航空煤油的科學研究以及粘性數據庫的擴展提供了有力的幫助。
[0008]本發明所描述的粘度測量裝置不僅充分考慮了高溫高壓環境下測量儀器的耐壓、耐熱強度以及密封問題，而且主要針對測量管內流體的保溫性進行了相關設計，以保持測量管中流體的溫度恒定。其包括:環形截面測量管、測量腔左端蓋、測量腔右端蓋、真空泵接口、環形套筒、導壓管、石棉墊片、差壓變送器、過濾網、壓力表、熱電偶、密封圈、金屬遮熱板、四通接頭和三通接頭。
[0009]環形套筒兩端分別與測量腔左端蓋和測量腔右端蓋進行連接，形成封閉容腔，容腔內沿徑向均勻分布雙層金屬遮熱板；環形截面測量管水平穿過測量腔端蓋的中心孔，其進出口穩定段開有沉孔，用于同差壓變送器兩端的導壓管進行連接；環形截面測量管左端連接有四通接頭，右端與一個三通接頭進行連接；四通接頭入口處放置有過濾網，另外兩口分別與熱電偶以及壓力表進行連接；三通接頭另外兩口分別為熱電偶接口和待測流體出口 ；環形套筒和環形截面測量管上均設有真空泵接口。
[0010]測量時當高溫高壓燃油流經測量管后，由于流體的粘性將會在測量管兩端產生壓力降，可以通過測量管兩端連接的差壓變送器進行測量，從而根據環形截面管流摩擦定律，利用該壓差即可反算出粘度數據。差壓變送器通過毛細導壓管連接到測量管的兩端，導壓管內填充耐高溫導壓硅油。為了保證測量管內煤油的粘度測量精度，于測量管入口前設有過濾網，對航空煤油內的雜質進行一定的過濾，既可以降低由于雜質產生的額外壓力降，同時又保證了航空煤油的純潔度。
[0011]測量管中流體壓力值以及溫度值的保持是一定狀態下粘度測量的關鍵。由于管內流體的溫度很高，故主要從降低熱輻射的方面來減少熱量的損失，采取的措施是:一方面，對測量管表面進行高度磨光處理，可以顯著降低表面的發射率，從而降低管壁向外的熱輻射。另一方面，在測量管外部的封閉容腔內，沿徑向嵌入雙層金屬遮熱板，選取具有高反射性的金屬lCr-18N1-9Ti為遮熱板材料，這也是減少測量管內流體通過熱輻射向外進行熱量散失的一種措施。同時，本發明還通過真空泵在封閉容腔內營造出高度真空的環境，以降低熱對流與熱傳導。以上采取的保溫措施，分別從降低熱輻射，熱對流，熱傳導三個方面入手，可以很好地保持測量管內流體的溫度值。
[0012]為了在超臨界狀態下測量較寬廣溫度范圍(1.0〈T/2.0，其中I；表示煤油的溫度與煤油臨界點溫度比值的無量綱參數)內航空煤油的粘度值，要求所選熱電偶測量范圍為O?1000K，耐壓極限不低于6MPa，所以熱電偶的測量端要做耐壓處理。
[0013]為了測量寬廣的超臨界壓力范圍(1.0〈Ρ/2.0，其中Pr表示煤油的壓力與煤油臨界點壓力比值的無量綱參數)內航空煤油的粘度值，要求壓力表的量程為O~6MPa，耐溫極限不低于1000K，所以適合于該物性測量裝置的高溫壓力表需加裝隔熱膜和散熱系統。
[0014]環形套筒內部與測量腔端蓋間以及環形截面測量管與端蓋中心孔之間的間隙均采用可以耐高溫高壓的橡膠圈來密封，以保證封閉容腔內部真空環境的營造。
[0015]鑒于經典毛細管粘性測量法無法準確測量超臨界航空煤油的動力粘度，故提出環形截面柱形管粘性測量法，以實現層流狀態下小流量待測流體粘性的精確測量。同時，需根據所述的新型粘性測量法，推導準確的粘性計算公式。如圖3所示，環形截面柱形管的內環半徑為R1，外環半徑為R2，流體在管內沿軸向(X軸為正方向)流動會產生水平切應力τ。
[0016]
[0017]理想絕熱等溫水平環形截面柱形管的粘性計算公式推導:
[0018]環形截面柱形管中定常流動的微分方程:
【權利要求】
1.一種超臨界航空煤油粘性測量的裝置，其特征在于:包括環形截面測量管、測量腔左端蓋、測量腔右端蓋、真空泵接口、環形套筒、導壓管、石棉墊片、差壓變送器、過濾網、壓力表、熱電偶、密封圈、金屬遮熱板、四通接頭和三通接頭； 環形套筒兩端分別與測量腔左端蓋和測量腔右端蓋進行連接，形成封閉容腔，容腔內沿徑向均勻分布雙層金屬遮熱板；環形截面測量管水平穿過測量腔端蓋的中心孔，其進出口穩定段分別開有沉孔，用于同差壓變送器兩端的導壓管進行連接；環形截面測量管左端連接有四通接頭，右端與一個三通接頭進行連接；四通接頭入口處放置有過濾網，另外兩口分別與熱電偶以及壓力表進行連接；三通接頭另外兩口分別為熱電偶接口和待測流體出口 ；環形套筒和環形截面測量管上均設有真空泵接口。
2.根據權利要求1所述的一種超臨界航空煤油粘性測量的裝置，其特征在于:所述的環形截面測量管內芯外徑外環內徑12mm〈D2〈16mm,以保證在滿足壓差測量精度的同時符合層流流動狀態的要求。
3.根據權利要求1所述的一種超臨界航空煤油粘性測量的裝置，其特征在于:所述的環形截面測量管長度300mm〈L〈500mm，以避免測量中產生過大的壓力損失。
4.根據權利要求1所述的一種超臨界航空煤油粘性測量的裝置，其特征在于:環形套筒與測量腔端蓋之間以及環形截面測量管與測量腔端蓋中心孔的間隙均采用可以耐高溫高壓的硅橡膠圈來進行密封。
5.根據權利要求1所述的一種超臨界航空煤油粘性測量的裝置，其特征在于:采用熱電偶溫度測量范圍為O~1000K，耐壓極限不低于6MPa ;壓力表的測量范圍為O~6MPa，耐溫極限不小于1000K。
6.一種超臨界航空煤油粘性測量的方法，其特征在于，包括以下幾個步驟: 步驟一:選取環形截面柱形管為粘性測量段，準確測量并記錄測量段長度L ； 步驟二:準確測量并記錄測量段內芯外徑D1以及外環內徑D2，對超臨界航空煤油的粘
性進行預估，根據
確定固定的質量流量A，以保證測量段內流體的流動狀態為層流； 步驟三:對測量段以及壓力變送器進行排氣處理，以提高測量的精度； 步驟四:檢查壓力變送器、熱電偶以及壓力傳感器是否工作正常； 步驟五:對超臨界航空煤油的粘性進行測量: 首先固定待測流體壓力，控制待測流體的質量流量為滿足層流流動要求的合適值，將待測流體加熱至測定溫度，進行粘性測量。待壓力、流量、溫度均穩定后，對其進行記錄，可得測量段的總流量A，測量段進出口壓差△ P，根據環形截面柱形管粘性測量公式:
可以得到該溫度工況下待測流體的動力粘度； 步驟六:改變測量段進口溫度，重復步驟五，進行下一溫度工況粘性的測量，直至待測流體溫度達到所需測量的上限； 步驟七:調節壓力，重復步驟五、六，進行下一個壓力工況的粘性測量，直至待測流體壓力達到所需測量的上限，由此得到不同壓力下流體粘性隨溫度的變化關系。
7.根據權利要求6所述的一種超臨界航空煤油粘性測量的方法，其特征在于:粘性測量中，待測流體溫度上限為1000K，待測流體壓力上限為6MPa。
【文檔編號】G01N11/04GK104198332SQ201410226648
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年5月22日 優先權日:2014年5月22日
【發明者】范瑋, 周舟, 靳樂 申請人:西北工業大學