劉朝暉,宋晨陽,陳 強,封 凡,趙書軍,胡申林,畢勤成

(1.西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室,陜西 西安 710049; 2.中國航天科工集團三十一研究所 高超聲速沖壓發(fā)動機技術重點實驗室,北京 100074)

0 引言

近年來,超燃沖壓發(fā)動機技術[1-4]在國內(nèi)外得到大力發(fā)展。吸氣式高超聲速飛行器的熱防護及熱管理問題,是制約其發(fā)展的瓶頸問題[5-7]?！拔鼰嵝吞細淙剂稀钡母拍钍?971年提出[8],用來描述通過高溫裂解吸收熱量,對發(fā)動機表面或者燃燒室壁面進行再生冷卻的碳氫燃料。再生冷卻過程中,吸熱型碳氫燃料流經(jīng)發(fā)動機壁面小槽道,溫度升高或發(fā)生吸熱裂解反應,帶走發(fā)動機的多余熱量,實現(xiàn)發(fā)動機的熱防護[9]。對于6Ma以上的超聲速燃燒沖壓發(fā)動機,近壁層的燃氣溫度可高達2 727 ℃以上[10-11]。再生冷卻過程,燃料作為冷卻劑被加熱,可能經(jīng)歷(擬)液態(tài)、(擬)氣態(tài)以及高溫裂解,最高溫度可達約750 ℃[12]。在不發(fā)生高溫裂解的條件下,作為冷卻劑的碳氫燃料JP-900最高工作溫度約482 ℃[13],遠低于高超聲速飛行器再生冷卻通道的出口燃料溫度。

熱沉和抗結焦性能是吸熱型碳氫燃料的2個關鍵指標。8Ma的高超聲速飛行器,要求燃料熱沉達到3.5 MJ/kg。此時燃料溫度達到約750 ℃。碳氫燃料高溫裂解產(chǎn)生大量化學熱沉,但同時伴隨著結焦的發(fā)生[14-17]。結焦在微小冷卻通道內(nèi)產(chǎn)生,嚴重影響飛行器的安全：一方面,結焦減小流道流通面積,增加流阻,甚至堵塞流道使系統(tǒng)失效;另一方面,結焦相當于一層熱阻,弱化甚至惡化燃料與冷卻通道之間的流動換熱。因為結焦的存在以及碳氫燃料在并聯(lián)通道中的流量分配不均等問題[18],使得碳氫燃料的熱沉利用受到限制。為充分利用碳氫燃料的熱沉[19],優(yōu)化再生冷卻通道結構設計,近年來吸熱型碳氫燃料的流動換熱特性[20-22]、結焦特性[14-17]和高溫高壓熱物性[23-25]得到廣泛研究,但幾乎不涉及針對燃料的熱沉、結焦和換熱性能進行的吸熱型碳氫燃料再生冷卻性能綜合評估和篩選方法研究。

在碳氫燃料研制過程中,燃料的抗結焦性能是否滿足要求，燃料在再生冷卻結構內(nèi)是否產(chǎn)生了大量結焦，結焦何時產(chǎn)生以及結焦量的多少,是評估結焦特性的主要參數(shù)。如何評估燃料的抗結焦性能、燃料的冷卻能力以及流動換熱特性是吸熱型碳氫燃料再生冷卻性能評估要解決的問題。本文在總結碳氫燃料流動換熱與結焦特性的基礎上,建立了吸熱型碳氫燃料熱沉、結焦和傳熱性能的綜合評價體系,為研制吸熱型碳氫燃料提供篩選方法和途徑。

1 實驗系統(tǒng)

吸熱型碳氫燃料的再生冷卻性能評價實驗系統(tǒng)如圖1所示。詳細的實驗系統(tǒng)介紹請參考文獻[14-15]。試驗段采用高溫合金管,內(nèi)徑1.0 mm或2.0 mm,壁厚0.5 mm。通道長度可根據(jù)測試熱流密度大小以及電加熱阻抗匹配而定。試驗段均采用低電壓大電流交流電加熱,熱流沿通道軸向和周向均勻分布。試驗段內(nèi)表面熱流密度范圍：0.5～5.0 MW/m2。

燃料供給采用小流量計量泵。燃料進入試驗段之前,流經(jīng)科里奧利力質(zhì)量流量計進行流量測量,流量大小直接通過計量泵控制。在試驗段進出口,采用鎧裝熱電偶測量燃料的流體溫度。在試驗段壁面點焊熱電偶測量通道沿程壁面溫度。通道的出口壓力及通道壓差采用壓力壓差表測量。出口燃料經(jīng)冷卻后,進入背壓閥調(diào)節(jié)壓力,之后排出試驗系統(tǒng)。所有測試數(shù)據(jù)經(jīng)IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進入工控機。

圖1 吸熱型碳氫燃料再生冷卻性能評估實驗系統(tǒng)Fig.1 The experimental system for regenerative cooling performance evaluation of endothermic fuels

2 評估方法

2.1 熱沉測量原理

熱沉采用熱平衡法測量。根據(jù)熱力學第一定律能量守恒原理,達到熱平衡時,燃料吸收的熱量等于加熱量減去散熱損失。燃料的熱沉計算式為

(1)

式中：Qm為燃料某溫度下的質(zhì)量熱沉, kJ/kg;QUI為焦耳加熱功率,W;Qloss為散熱損失, W;m為質(zhì)量流量, g/s。加熱功率和質(zhì)量流量為測量值,散熱損失在熱沉測量前標定得到。散熱損失的標定精度對燃料熱沉測量的不確定度影響很大。散熱損失的標定,同樣采取熱平衡法。散熱損失分為管道熱損失和電加熱極板熱損失兩部分。通過干燒法測量加裝保溫層的管道散熱損失,將散熱損失擬合成管道壁面溫度與環(huán)境溫度之差的多項式函數(shù)。干燒法,即在不通燃料的情況下,對試驗段進行加熱,達到熱平衡時,加熱功率等于散熱損失。通過熱補償法測量電加熱極板熱損失,在試驗段后增加保溫絕熱段(具有一定散熱損失),給絕熱段加一定功率,使絕熱段進口流體溫度和出口流體溫度相等。絕熱段的極板熱損失等于加熱功率減去管道熱損失,管道熱損失采用干燒法得到的散熱損失函數(shù)關系式計算得到。將極板熱損失擬合成流體溫度的函數(shù)。

不同冷卻結構中以及不同試驗工況下(尤其是不同質(zhì)量流量,不同加熱功率),散熱損失占總加熱功率的比重不同,約5%～20%。在不同冷卻結構熱沉測試實驗中,需針對特定冷卻結構和試驗工況進行具體的散熱損失標定,以提高測量精度。

2.2 結焦評價的流動阻力法

碳氫燃料在小通道內(nèi)的結焦考核主要采用流動阻力法[14]。流動阻力法是根據(jù)結焦前后測試通道的流動阻力變化,定量求取結焦測量通道內(nèi)結焦層當量厚度的一種方法。流動阻力法的基本假設：結焦試驗后,結焦層沿測試通道軸向和徑向均勻分布。該假設帶來一定誤差,但是通過不同燃料的比較,能基本反映出結焦的嚴重程度[15]。

結焦實驗前后,測試常溫常壓下不同質(zhì)量流速,即不同雷諾數(shù)Re數(shù)下的流動阻力。在相對粗糙度Δ/D<0.05范圍內(nèi),管內(nèi)層流壓降與粗糙度無關。應用定常不可壓縮流體在水平均直管內(nèi)的充分發(fā)展流動阻力公式,可以得到管道的達西摩擦阻力特性曲線,即莫迪圖(摩擦系數(shù)與Re的關系圖)，計算式為：

(2)

結焦前后,層流條件下,結焦導致管徑變化,流通面積發(fā)生變化,使得流動阻力發(fā)生變化。如果試驗后管徑減小為原來的1/2,壓降為試驗前的16倍。通過測量試驗前后壓差的變化,可以得到結焦試驗前后試驗通道內(nèi)徑的變化,從而得到結焦層的當量厚度。

2.3 單通道內(nèi)的流動換熱

在試驗段壁面沿著試驗段長度方向布置熱電偶,測量外壁溫。在流體溫度相同的條件下,外壁溫越高,傳熱性能越差。且根據(jù)實際工程應用條件,流體溫度750 ℃時,管道外壁溫應控制在1 000 ℃以內(nèi),如果管道外壁溫大量超過1 000 ℃,其換熱性能將不能滿足要求。在進行單管換熱試驗時,要求燃料在整個實驗過程中能穩(wěn)定運行,若存在幅度較大的試驗參數(shù)(流體溫度,壁面溫度,系統(tǒng)壓力,試驗段壓差等)波動,燃料的性能將不利于在實際工程中的應用,燃料的有效熱沉將受到影響。

3 實驗結果與討論

3.1 燃料的熱沉曲線

2種碳氫化合物(環(huán)己烷、正己烷)和2種吸熱型碳氫燃料(EHF1、EHF2)在內(nèi)徑2 mm通道內(nèi)的熱沉測試結果如圖2所示。測試壓力為5 MPa,質(zhì)量流量為1.0 g/s。4種燃料出口溫度在600 ℃時 的熱沉值約2.0 MJ/kg,出口溫度為750 ℃時的熱沉值約3.5 MJ/kg。燃料在600～750 ℃溫度區(qū)間發(fā)生劇烈化學反應,化學熱沉急劇增加,總熱沉也迅速上升。

圖2 4種燃料的單位質(zhì)量熱沉隨溫度變化趨勢 Fig.2 The heat sink results with the increasing fueltemperature for four different fuels

3.2 結焦的流阻效應分析方法

在常溫常壓下,對結焦實驗前后的冷卻通道在不同流量下進行流阻測試,并繪制流阻曲線,如圖3所示。其中橫坐標H的計算方法如公式(2)所示,因為結焦試驗前后流阻測試過程中,除了流體流量發(fā)生變化外,溫度變化將導致流體的密度尤其是黏度發(fā)生較大變化,因此將質(zhì)量流量、密度和黏度3個變量納入1個參數(shù)H中,使得壓差是H的比例函數(shù),且多次測量擬合壓差p(kPa)與參數(shù)H(kPa·mm4)直線的斜率slop[p-H]可直接用來計算結焦前后的管道內(nèi)徑

(3)

結焦前管道內(nèi)徑為1.830 mm,結焦后管道內(nèi)徑為1.663 mm,可推算結焦層厚度83.5m。

3.3 碳氫燃料流動換熱結果的對比

圖4為8種不同碳氫燃料(代號A-H)的壁溫分布趨勢,試驗段內(nèi)徑1 mm,加熱長度410 mm,出口壓力3 MPa,燃料冷態(tài)流速約2 m/s。燃料G在550 ℃發(fā)生爆管,故無出口流體溫度750 ℃的壁溫數(shù)據(jù)。從圖中可以看出,不同燃料的換熱性能存在顯著差異。出口流體溫度300 ℃,不同燃料對應的壁面溫度在入口附近的差異最大,達到約300 ℃。在入口附近,流體溫度較低,沿著軸向壁溫很快上升到整個試驗段的壁溫最大值,在此位置,最小換熱溫差約200 ℃,而最大換熱溫差達到約500 ℃。出口流體溫度750 ℃,不同燃料在進口第一個熱電偶處的差別達到250 ℃。在出口附近,個別燃料的壁面溫度超過1 000 ℃,換熱溫差達到300 ℃,而換熱好的燃料的壁面不到900 ℃,換熱溫差不到150 ℃,換熱能力相差一倍。

4 結論

建立了吸熱型碳氫燃料的再生冷卻性能評價體系,對其熱沉、結焦、和流動傳熱綜合性能進行評估,并得到如下結論：

1)吸熱型碳氫燃料熱沉評估采用熱平衡法。作為參考：流體溫度600 ℃,燃料熱沉約2.0 MJ/kg;流體溫度750 ℃,燃料熱沉約3.5 MJ/kg。

2)結焦對碳氫燃料在小通道內(nèi)的流阻產(chǎn)生明顯影響,層流條件下的流阻法可方便快捷地應用于碳氫燃料結焦嚴重程度的評估。

3)相同出口流體溫度下的試驗段壁溫能很好地反映出不同燃料的換熱性能差異。作為參考：燃料出口溫度750 ℃,壁溫不超過1 000 ℃。