供應(yīng)壓力對(duì)氣體管路充填特性的影響研究

陳 波，陸 巖，賈衛(wèi)民，羅 軍

(西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100)

0 引言

為模擬高溫高壓熱燃?xì)猓孛嬖囼?yàn)系統(tǒng)通常采用燃?xì)獍l(fā)生器組織燃燒的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，參與燃燒的氧化劑和燃料大部分屬于氣體介質(zhì)，如空氣、氧氣、甲烷、氫氣等。試驗(yàn)系統(tǒng)在進(jìn)行正式點(diǎn)火前，需進(jìn)行大量的冷態(tài)調(diào)試工作，其中系統(tǒng)管路充填特性調(diào)試的目的是得到介質(zhì)供應(yīng)主閥動(dòng)作時(shí)間與燃?xì)獍l(fā)生器介質(zhì)入口壓力變化的關(guān)系，為確定試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)時(shí)序提供依據(jù)，是關(guān)系到燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火成功和安全燃燒的重要環(huán)節(jié)。試驗(yàn)系統(tǒng)為適應(yīng)燃?xì)獍l(fā)生器工況的變化，經(jīng)常需要改變供應(yīng)壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，在孔板不變的情況下，供應(yīng)壓力越大，說(shuō)明供應(yīng)流量越大；相反，供應(yīng)壓力越小，說(shuō)明供應(yīng)流量越小。本文通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析，研究系統(tǒng)供應(yīng)壓力與氣體管路充填特性的關(guān)系，揭示出供應(yīng)壓力對(duì)氣體管路充填特性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)原理

目前，普遍的氣體介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)主要由氣源、調(diào)壓器、主閥、文氏管、燃?xì)獍l(fā)生器(即產(chǎn)品)、電點(diǎn)火器、測(cè)控系統(tǒng)和管路組成。氣源通過(guò)落壓的方式供應(yīng)氣體介質(zhì)；總閥負(fù)責(zé)供應(yīng)介質(zhì)的通斷；高壓氣體經(jīng)過(guò)調(diào)壓器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，得到所需的壓力；主閥用于控制進(jìn)入產(chǎn)品氣體的通斷；文氏管作為氣體流量的計(jì)量裝置，當(dāng)文氏管前后壓比小于臨界壓比時(shí)，文氏管喉部氣體流速等于音速，此時(shí)氣體的質(zhì)量流量只取決于文氏管入口的壓力值，與出口壓力無(wú)關(guān)，從而可以通過(guò)控制文氏管入口壓力得到所需要的氣體流量；電點(diǎn)火器負(fù)責(zé)提供高頻率和高能量的電火花；燃?xì)獍l(fā)生裝置用于將燃料和氧化劑混合燃燒產(chǎn)生熱燃?xì)?。圖1中p1為氣源壓力，p2為供應(yīng)壓力，p0為參與文氏管流量計(jì)算的壓力，T為參與文氏管流量計(jì)算的溫度，p3為燃?xì)獍l(fā)生裝置噴前壓力。

對(duì)于地面燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)，準(zhǔn)確地得到系統(tǒng)管路充填特性對(duì)于確定系統(tǒng)的自動(dòng)點(diǎn)火和關(guān)機(jī)工作時(shí)序至關(guān)重要，氣體在管路中的充填特性是指從控制系統(tǒng)給主閥發(fā)送開關(guān)電信號(hào)到噴前壓力p3變化到某一比例的時(shí)間，在實(shí)際調(diào)試中，通過(guò)采集燃?xì)獍l(fā)生器噴前壓力p3的變化來(lái)判讀建壓或泄壓時(shí)間。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of system

2 試驗(yàn)方法

首先確保系統(tǒng)管路、閥門、設(shè)備、溫度測(cè)點(diǎn)和壓力測(cè)點(diǎn)按照系統(tǒng)原理圖正確安裝到位，系統(tǒng)內(nèi)部潔凈無(wú)多余物，各單元測(cè)試工作正常。本次試驗(yàn)氣源選擇空氣作為介質(zhì)，文氏管喉部截面積為2.98 mm2，試驗(yàn)前，確?？諝鈿庠磯毫Σ恍∮?5 MPa，緩慢打開總閥，控制調(diào)壓器將高壓空氣減壓到所需的供應(yīng)壓力p2，待p2壓力穩(wěn)定以后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，打開主閥開始試驗(yàn)，待噴前壓力p3穩(wěn)定后關(guān)閉主閥，每個(gè)供應(yīng)壓力點(diǎn)進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)束后停止數(shù)據(jù)采集。由于產(chǎn)品空氣入口設(shè)有喉道，當(dāng)主閥打開后，空氣會(huì)在產(chǎn)品入口建壓，當(dāng)主閥關(guān)閉后，閥后空氣會(huì)經(jīng)過(guò)產(chǎn)品排到系統(tǒng)外，產(chǎn)品入口壓力自然降低。所有試驗(yàn)按照供應(yīng)壓力由低到高進(jìn)行，通過(guò)調(diào)壓器不斷提高供應(yīng)壓力，最終對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得出從主閥打開或關(guān)閉到產(chǎn)品噴前壓力p3達(dá)到一定建壓或泄壓比例的時(shí)間。

3 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)氣體介質(zhì)和文氏管喉部截面積不變時(shí)，改變供應(yīng)壓力，得到不同供應(yīng)壓力下噴前建壓時(shí)間，選取5%，30%，60%和95%四個(gè)建壓比例，得到建壓時(shí)間和供應(yīng)壓力關(guān)系曲線如圖2所示。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，建壓比例較小時(shí)，不同供應(yīng)壓力下噴前建壓時(shí)間與平均值的偏差較小，可以認(rèn)為供應(yīng)壓力的變化對(duì)建壓時(shí)間影響不大，即不同供應(yīng)壓力下噴前建壓初始階段的時(shí)間相同，但是隨著建壓比例的增加，噴前建壓時(shí)間開始受供應(yīng)壓力的影響與平均值的偏差較大。

同樣，保持氣體介質(zhì)和文氏管喉部截面積不變，改變供應(yīng)壓力，得到不同供應(yīng)壓力下噴前泄壓時(shí)間，選取95%，60%，30%和5%四個(gè)泄壓比例，得到泄壓時(shí)間和供應(yīng)壓力關(guān)系曲線如圖3所示。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泄壓比例較小時(shí)，不同供應(yīng)壓力下噴前泄壓時(shí)間與平均值的偏差很小，可以認(rèn)為供應(yīng)壓力的增加對(duì)泄壓時(shí)間影響不大，即不同供應(yīng)壓力下噴前泄壓初始階段的時(shí)間相同，但是隨著泄壓比例的增加，噴前泄壓時(shí)間開始受供應(yīng)壓力的影響，與平均值的偏差較大。

圖2 不同建壓比例下建壓時(shí)間與供應(yīng)壓力的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between pressure buildup time and supply pressure at different ratios of pressure buildup

圖3 不同泄壓比例下泄壓時(shí)間與供應(yīng)壓力的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between pressure release time and supply pressure at different ratios of pressure relief

4 理論分析

根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，文氏管兩端壓比小于臨界壓比時(shí)，流過(guò)文氏管的氣體質(zhì)量流量由文氏管的有效流通面積、文氏管的入口壓力和溫度決定，有效流通面積由流量系數(shù)和喉部截面積兩部分組成，可以通過(guò)試驗(yàn)得到。因此，只要測(cè)量出文氏管的入口壓力和溫度，就可以按式(1)計(jì)算出通過(guò)文氏管的氣體質(zhì)量流量：

(1)

式中：qm為氣體質(zhì)量流量，kg/s；μ為流量系數(shù)；A為喉部截面積，mm2；p0為文氏管入口壓力(絕壓)，MPa；T為文氏管入口溫度(絕溫)，K；k為氣體絕熱系數(shù)；R為氣體常數(shù)，J/(kg·K)。上式等號(hào)兩邊各除以p0壓力下的氣體密度，可得到氣體體積流量的計(jì)算式(2)：

(2)

式中qv為氣體體積流量，m3/s。氣體在管路中的充填時(shí)間與氣體的體積流量有關(guān)，體積流量越大，管路充填時(shí)間越短。文氏管的長(zhǎng)度較短而氣流的速度較高，故氣流經(jīng)過(guò)文氏管所需的時(shí)間很短，氣體和管壁的熱交換可以忽略不計(jì)，因此文氏管中氣體的流動(dòng)可以看成一個(gè)等熵絕熱過(guò)程，溫度T可以認(rèn)為不變，該系統(tǒng)試驗(yàn)介質(zhì)和文氏管不變，所以氣體絕熱系數(shù)k和文氏管流量系數(shù)μ可認(rèn)為是一固定常數(shù)，因此由式(2)可以得出：氣體的體積流量與供應(yīng)壓力無(wú)關(guān)。

氣體在管路中的充填特性表現(xiàn)為噴前壓力p3隨時(shí)間的變化規(guī)律，與凈流入這段管路的氣體體積流量有關(guān)，噴前壓力p3所在管路的容腔體積是不變的，凈流入體積流量越大，壓力升高的越快，管路充填時(shí)間越短，反之則反；該段管路上游文氏管為氣體流入口，其流量特性固定不變，下游為燃?xì)獍l(fā)生裝置空氣入口，即該段管路的氣體流出口，也可以看作一個(gè)流量特性固定的節(jié)流元件，流出該節(jié)流元件的體積流量同樣滿足式(2)。因此，凈流入該段管路容腔的氣體體積流量Δqv可以表示成式(3)：

(3)

式中：Δqv為凈流入氣體體積流量，m3/s；qv1為流入氣體體積流量，m3/s；qv2為流出氣體體積流量，m3/s；μ1為流入口文氏管流量系數(shù)；μ2為流出口節(jié)流元件流量系數(shù)；A1為流入口文氏管喉部截面積，m2；A2為流出口節(jié)流元件流通截面積，m2。由式(3)可以看出，一旦系統(tǒng)各組件確定，文氏管和節(jié)流元件的流量特性參數(shù)不變，凈流入管路的氣體體積流量為常數(shù)C。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的供應(yīng)壓力，在噴前壓力變化比例較小時(shí)，建壓時(shí)間和泄壓時(shí)間相同，但隨著噴前壓力變化比例的增加，建壓時(shí)間和泄壓時(shí)間偏差開始增大，這是因?yàn)樵趬毫ψ兓壤^小時(shí)，氣體的流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，可以認(rèn)為氣體屬于理想流體，其特性符合理論公式，凈流入氣體體積流量與供應(yīng)壓力無(wú)關(guān)，所以在不同的供應(yīng)壓力下，對(duì)于不同壓力變化比例，氣體建壓時(shí)間和泄壓時(shí)間基本相同，系統(tǒng)充填特性不隨壓力改變；但隨著壓力變化比例的增加，氣體狀態(tài)發(fā)生變化，不可作為理想氣體處理，此時(shí)噴前壓力變化時(shí)間受系統(tǒng)前端調(diào)壓特性和氣體壓縮因子的影響，所以噴前建壓和泄壓時(shí)間有所變化。

5 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析，揭示了不同供應(yīng)壓力下氣體管路的充填特性，在建壓比例0%～30%和泄壓比例100%～60%的范圍內(nèi)，噴前壓力變化時(shí)間的平均誤差基本在±3%以內(nèi)，可以認(rèn)為壓力變化時(shí)間與供應(yīng)壓力大小無(wú)關(guān)，建壓時(shí)間和泄壓時(shí)間相同。因此建議取建壓和泄壓比例較小的時(shí)間作為點(diǎn)火和關(guān)機(jī)時(shí)間點(diǎn)，以方便制定出統(tǒng)一的試車時(shí)序。

此外，根據(jù)上述結(jié)論，對(duì)于包含多個(gè)不同供應(yīng)壓力的試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可選取其中一個(gè)或幾個(gè)壓力點(diǎn)進(jìn)行冷調(diào)，得到的氣體管路充填特性同樣也滿足其他供應(yīng)壓力，從而可以大大縮減系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)間和成本。