劉朝暉,宋晨陽(yáng),陳 強(qiáng),封 凡,趙書(shū)軍,胡申林,畢勤成

(1.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049; 2.中國(guó)航天科工集團(tuán)三十一研究所 高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100074)

0 引言

近年來(lái),超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)[1-4]在國(guó)內(nèi)外得到大力發(fā)展。吸氣式高超聲速飛行器的熱防護(hù)及熱管理問(wèn)題,是制約其發(fā)展的瓶頸問(wèn)題[5-7]?！拔鼰嵝吞?xì)淙剂稀钡母拍钍?971年提出[8],用來(lái)描述通過(guò)高溫裂解吸收熱量,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)表面或者燃燒室壁面進(jìn)行再生冷卻的碳?xì)淙剂稀Ｔ偕鋮s過(guò)程中,吸熱型碳?xì)淙剂狭鹘?jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)壁面小槽道,溫度升高或發(fā)生吸熱裂解反應(yīng),帶走發(fā)動(dòng)機(jī)的多余熱量,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱防護(hù)[9]。對(duì)于6Ma以上的超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī),近壁層的燃?xì)鉁囟瓤筛哌_(dá)2 727 ℃以上[10-11]。再生冷卻過(guò)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(dá)約750 ℃[12]。在不發(fā)生高溫裂解的條件下,作為冷卻劑的碳?xì)淙剂螶P-900最高工作溫度約482 ℃[13],遠(yuǎn)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(jié)焦性能是吸熱型碳?xì)淙剂系?個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。8Ma的高超聲速飛行器,要求燃料熱沉達(dá)到3.5 MJ/kg。此時(shí)燃料溫度達(dá)到約750 ℃。碳?xì)淙剂细邷亓呀猱a(chǎn)生大量化學(xué)熱沉,但同時(shí)伴隨著結(jié)焦的發(fā)生[14-17]。結(jié)焦在微小冷卻通道內(nèi)產(chǎn)生,嚴(yán)重影響飛行器的安全：一方面,結(jié)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(jié)焦相當(dāng)于一層熱阻,弱化甚至惡化燃料與冷卻通道之間的流動(dòng)換熱。因?yàn)榻Y(jié)焦的存在以及碳?xì)淙剂显诓⒙?lián)通道中的流量分配不均等問(wèn)題[18],使得碳?xì)淙剂系臒岢晾檬艿较拗?。為充分利用碳?xì)淙剂系臒岢羀19],優(yōu)化再生冷卻通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),近年來(lái)吸熱型碳?xì)淙剂系牧鲃?dòng)換熱特性[20-22]、結(jié)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(duì)燃料的熱沉、結(jié)焦和換熱性能進(jìn)行的吸熱型碳?xì)淙剂显偕鋮s性能綜合評(píng)估和篩選方法研究。

在碳?xì)淙剂涎兄七^(guò)程中,燃料的抗結(jié)焦性能是否滿足要求，燃料在再生冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)是否產(chǎn)生了大量結(jié)焦，結(jié)焦何時(shí)產(chǎn)生以及結(jié)焦量的多少,是評(píng)估結(jié)焦特性的主要參數(shù)。如何評(píng)估燃料的抗結(jié)焦性能、燃料的冷卻能力以及流動(dòng)換熱特性是吸熱型碳?xì)淙剂显偕鋮s性能評(píng)估要解決的問(wèn)題。本文在總結(jié)碳?xì)淙剂狭鲃?dòng)換熱與結(jié)焦特性的基礎(chǔ)上,建立了吸熱型碳?xì)淙剂蠠岢?、結(jié)焦和傳熱性能的綜合評(píng)價(jià)體系,為研制吸熱型碳?xì)淙剂咸峁┖Y選方法和途徑。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

吸熱型碳?xì)淙剂系脑偕鋮s性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹請(qǐng)參考文獻(xiàn)[14-15]。試驗(yàn)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(zhǎng)度可根據(jù)測(cè)試熱流密度大小以及電加熱阻抗匹配而定。試驗(yàn)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(yàn)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(jì)量泵。燃料進(jìn)入試驗(yàn)段之前,流經(jīng)科里奧利力質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量,流量大小直接通過(guò)計(jì)量泵控制。在試驗(yàn)段進(jìn)出口,采用鎧裝熱電偶測(cè)量燃料的流體溫度。在試驗(yàn)段壁面點(diǎn)焊熱電偶測(cè)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(cè)量。出口燃料經(jīng)冷卻后,進(jìn)入背壓閥調(diào)節(jié)壓力,之后排出試驗(yàn)系統(tǒng)。所有測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)入工控機(jī)。

圖1 吸熱型碳?xì)淙剂显偕鋮s性能評(píng)估實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 The experimental system for regenerative cooling performance evaluation of endothermic fuels

2 評(píng)估方法

2.1 熱沉測(cè)量原理

熱沉采用熱平衡法測(cè)量。根據(jù)熱力學(xué)第一定律能量守恒原理,達(dá)到熱平衡時(shí),燃料吸收的熱量等于加熱量減去散熱損失。燃料的熱沉計(jì)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(cè)量值,散熱損失在熱沉測(cè)量前標(biāo)定得到。散熱損失的標(biāo)定精度對(duì)燃料熱沉測(cè)量的不確定度影響很大。散熱損失的標(biāo)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(guò)干燒法測(cè)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(xiàng)式函數(shù)。干燒法,即在不通燃料的情況下,對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行加熱,達(dá)到熱平衡時(shí),加熱功率等于散熱損失。通過(guò)熱補(bǔ)償法測(cè)量電加熱極板熱損失,在試驗(yàn)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(jìn)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(guān)系式計(jì)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(jié)構(gòu)中以及不同試驗(yàn)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(jié)構(gòu)熱沉測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,需針對(duì)特定冷卻結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)工況進(jìn)行具體的散熱損失標(biāo)定,以提高測(cè)量精度。

2.2 結(jié)焦評(píng)價(jià)的流動(dòng)阻力法

碳?xì)淙剂显谛⊥ǖ纼?nèi)的結(jié)焦考核主要采用流動(dòng)阻力法[14]。流動(dòng)阻力法是根據(jù)結(jié)焦前后測(cè)試通道的流動(dòng)阻力變化,定量求取結(jié)焦測(cè)量通道內(nèi)結(jié)焦層當(dāng)量厚度的一種方法。流動(dòng)阻力法的基本假設(shè)：結(jié)焦試驗(yàn)后,結(jié)焦層沿測(cè)試通道軸向和徑向均勻分布。該假設(shè)帶來(lái)一定誤差,但是通過(guò)不同燃料的比較,能基本反映出結(jié)焦的嚴(yán)重程度[15]。

結(jié)焦實(shí)驗(yàn)前后,測(cè)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(dòng)阻力。在相對(duì)粗糙度Δ/D<0.05范圍內(nèi),管內(nèi)層流壓降與粗糙度無(wú)關(guān)。應(yīng)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(dòng)阻力公式,可以得到管道的達(dá)西摩擦阻力特性曲線,即莫迪圖(摩擦系數(shù)與Re的關(guān)系圖)，計(jì)算式為：

(2)

結(jié)焦前后,層流條件下,結(jié)焦導(dǎo)致管徑變化,流通面積發(fā)生變化,使得流動(dòng)阻力發(fā)生變化。如果試驗(yàn)后管徑減小為原來(lái)的1/2,壓降為試驗(yàn)前的16倍。通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)前后壓差的變化,可以得到結(jié)焦試驗(yàn)前后試驗(yàn)通道內(nèi)徑的變化,從而得到結(jié)焦層的當(dāng)量厚度。

2.3 單通道內(nèi)的流動(dòng)換熱

在試驗(yàn)段壁面沿著試驗(yàn)段長(zhǎng)度方向布置熱電偶,測(cè)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(shí)際工程應(yīng)用條件,流體溫度750 ℃時(shí),管道外壁溫應(yīng)控制在1 000 ℃以內(nèi),如果管道外壁溫大量超過(guò)1 000 ℃,其換熱性能將不能滿足要求。在進(jìn)行單管換熱試驗(yàn)時(shí),要求燃料在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能穩(wěn)定運(yùn)行,若存在幅度較大的試驗(yàn)參數(shù)(流體溫度,壁面溫度,系統(tǒng)壓力,試驗(yàn)段壓差等)波動(dòng),燃料的性能將不利于在實(shí)際工程中的應(yīng)用,燃料的有效熱沉將受到影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 燃料的熱沉曲線

2種碳?xì)浠衔?環(huán)己烷、正己烷)和2種吸熱型碳?xì)淙剂?EHF1、EHF2)在內(nèi)徑2 mm通道內(nèi)的熱沉測(cè)試結(jié)果如圖2所示。測(cè)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(shí) 的熱沉值約2.0 MJ/kg,出口溫度為750 ℃時(shí)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(xué)反應(yīng),化學(xué)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(shì) Fig.2 The heat sink results with the increasing fueltemperature for four different fuels

3.2 結(jié)焦的流阻效應(yīng)分析方法

在常溫常壓下,對(duì)結(jié)焦實(shí)驗(yàn)前后的冷卻通道在不同流量下進(jìn)行流阻測(cè)試,并繪制流阻曲線,如圖3所示。其中橫坐標(biāo)H的計(jì)算方法如公式(2)所示,因?yàn)榻Y(jié)焦試驗(yàn)前后流阻測(cè)試過(guò)程中,除了流體流量發(fā)生變化外,溫度變化將導(dǎo)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(gè)變量納入1個(gè)參數(shù)H中,使得壓差是H的比例函數(shù),且多次測(cè)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(lái)計(jì)算結(jié)焦前后的管道內(nèi)徑

(3)

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

3.3 碳?xì)淙剂狭鲃?dòng)換熱結(jié)果的對(duì)比

圖4為8種不同碳?xì)淙剂?代號(hào)A-H)的壁溫分布趨勢(shì),試驗(yàn)段內(nèi)徑1 mm,加熱長(zhǎng)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(wú)出口流體溫度750 ℃的壁溫?cái)?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(duì)應(yīng)的壁面溫度在入口附近的差異最大,達(dá)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(gè)試驗(yàn)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(dá)到約500 ℃。出口流體溫度750 ℃,不同燃料在進(jìn)口第一個(gè)熱電偶處的差別達(dá)到250 ℃。在出口附近,個(gè)別燃料的壁面溫度超過(guò)1 000 ℃,換熱溫差達(dá)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(jié)論

建立了吸熱型碳?xì)淙剂系脑偕鋮s性能評(píng)價(jià)體系,對(duì)其熱沉、結(jié)焦、和流動(dòng)傳熱綜合性能進(jìn)行評(píng)估,并得到如下結(jié)論：

1)吸熱型碳?xì)淙剂蠠岢猎u(píng)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(jié)焦對(duì)碳?xì)淙剂显谛⊥ǖ纼?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(yīng)用于碳?xì)淙剂辖Y(jié)焦嚴(yán)重程度的評(píng)估。

3)相同出口流體溫度下的試驗(yàn)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(guò)1 000 ℃。