[发明专利]一种超临界航空煤油粘性测量的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于未来高性能航空航天动力系统中超临界燃烧的研究领域，主要涉及一种适用于超临界航空煤油粘性测量的装置及方法。

背景技术

为了获得更为优异的发动机性能，未来的飞行器发动机需要达到更高的压气机压缩比以及涡轮前燃气温度。因此，空气流经压气机后温度将会显著升高，导致涡轮部件的冷却效率急剧降低。针对于这种情况，可以利用发动机燃油对冷却气进行冷却，以提升涡轮部件的冷却效率，降低高速旋转涡轮部件的热负载。

可以看出，随着未来高性能发动机燃烧室内环境温度和压力逐步提高，喷射燃油的温度和压力将超过其临界点的温度和压力，高性能发动机燃烧室的液态燃油都将工作于超临界状态，如图1所示。已有的研究表明，当煤油处于超临界状态，它既不属于液相也不属于气相，相的分界面消失了。在临界点附近，航空煤油的热力学输运性质对压力和温度的变化很敏感，这时的加热、蒸发和燃烧特性完全不同于亚临界状态。超临界燃油的独特性质，使其相当于跨越了亚临界煤油燃烧时的雾化和蒸发过程直接燃烧，恰好可以满足未来高速飞行器动力装置燃烧室在高超声速来流条件下的急速燃烧要求。只有了解超临界航空煤油不同温度和压力下的物性参数，才能充分研究超临界态航空煤油的喷射、雾化和燃烧特性，才能设计出适用于未来高性能航空航天发动机的超临界燃烧室。因此对超临界燃油物性参数的测定将是未来发动机研究中不可或缺的。

现在有关超临界方面的研究大多是化工上针对小分子纯净物的，对于一些单组份的液态碳氢燃料也有较为明确的描述。然而，绝大多数混合物，特别是对典型的液态高碳大分子碳氢燃料来说，它们的超临界物性参数没有任何系统的数据，也没有建立公认的混合规则，尚未建立完整的典型液态碳氢燃料的超临界物性参数数据库。目前的研究中，常采用替代燃料法(用分子式和临界参数相近的纯净物来替代混合物进行物性参数计算)来进行研究，如：可采用物性参数相近的C₁₀H₂₂(正癸烷)作为航空煤油的替代燃料。但超临界航空煤油的物性参数与替代燃料的物性参数仍然存在很大的差别，这将对研究的准确度带来很大的影响。鉴于超临界航空煤油物性参数的重要性，所以很有必要通过实验方法来建立航空煤油的物性参数数据库，为后续研究提供数据储备。

结合国内外研究现状和可用的实验条件，本装置拟对超临界航空煤油不同温度和压力下的动力粘度进行测量。我国目前常用航空煤油的临界点压力为2.2～2.4MPa，临界点温度640～660K。超临界态航空煤油的粘度在加热过程中变化剧烈，图2是2.33MPa压力下常作为航空煤油替代燃料的C₁₀H₂₂的粘度随温度的变化曲线。由上图可以明显发现，随温度地升高，其粘度逐渐减小，在临界点附近，粘度值急剧下降，超临界状态下的粘度值可小于常温状态下的五分之一。

由于常规的液体粘度测量方法如滚球法和沉子法等很难应用于高温高压下的液体粘度测量，故需要尝试新的测量方案。目前，多采用经典毛细管测量流体粘性的方法对超临界航空煤油的粘性进行测量，但是由于受限于层流流动雷诺数的要求以及压降测量的精度，质量流量必须进行限定，而当下的工艺技术水平很难满足高压系统下小流量的测定。鉴于这种情况，要准确测量超临界航空煤油的粘度，必须采用其他的方法，以解决待测流体流量精确测定的难题。

发明内容

本发明的主要创新是解决了上述流量难以精确测量的问题，主要目的是进行超临界航空煤油的粘性测量。针对航空煤油在超临界状态下粘性急剧降低的特点，基于经典毛细管粘性测量的原理并对其进一步扩展，提出了一种环形截面柱形管粘性测量法，解决了层流状态下由于流体质量流量太小而导致的难以进行精确测量的难题，并设计了测量装置，为超临界航空煤油的科学研究以及粘性数据库的扩展提供了有力的帮助。

本发明所描述的粘度测量装置不仅充分考虑了高温高压环境下测量仪器的耐压、耐热强度以及密封问题，而且主要针对测量管内流体的保温性进行了相关设计，以保持测量管中流体的温度恒定。其包括：环形截面测量管、测量腔左端盖、测量腔右端盖、真空泵接口、环形套筒、导压管、石棉垫片、差压变送器、过滤网、压力表、热电偶、密封圈、金属遮热板、四通接头和三通接头。