射流預(yù)冷試驗防水溫度傳感器設(shè)計

耿 欣，王曉良，薛秀生

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

近年來高速飛行器已經(jīng)成為航空領(lǐng)域的重要研究方向，射流預(yù)冷技術(shù)是其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。該技術(shù)通過在發(fā)動機進口前的射流段內(nèi)噴入適量冷卻水降低壓氣機進口溫度，使氣流溫度下降，密度增大，從而增加進入發(fā)動機的空氣流量，進而增大推力[2]。噴水量是否合適極大程度決定著射流預(yù)冷技術(shù)的實施效果。國內(nèi)外對射流預(yù)冷技術(shù)開展了大量研究。該技術(shù)理論在20世紀(jì)50年代由Wilcox等[3]首次提出；60年代，Jones等[4]嘗試在組合發(fā)動機進口將噴射水霧化來增大發(fā)動機的推力；90年代，Meher-Homji等[5]和Bhargava等[6]對推力技術(shù)和組合發(fā)動機設(shè)計進行了詳盡的研究；2002年以來，Chaker等[7-9]對組合發(fā)動機的射流段內(nèi)的霧化過程進行了大量的理論和試驗研究，建立了水滴霧化計算模型并闡述了噴嘴設(shè)計方案；Sanaye等[10]和Kim等[11]在不同水氣比下對射流蒸發(fā)過程進行了建模分析；Daniel Golden等[12]在前人研究的基礎(chǔ)上，側(cè)重對小壓氣比的發(fā)動機進行不同噴水量下發(fā)動機的燃?xì)馀欧藕屯屏Φ难芯俊鴥?nèi)對該技術(shù)的研究多集中在理論研究方面。李成等[13]建立了射流預(yù)冷卻吸氣式渦輪火箭發(fā)動機性能計算模型，在給定航跡和控制規(guī)律下分析了不同壓氣機進口限制溫度對噴水量、凈推力和比沖的影響；商旭升等[14]通過理論分析對射流預(yù)冷過程進行建模，但該計算模型建立在噴入壓氣機前的水完全蒸發(fā)這一假設(shè)前提上，而在實際試驗中，受流場不均勻性的影響，純水未必完全轉(zhuǎn)化；涂洪妍等[15]通過計算流體力學(xué)技術(shù)對射流預(yù)冷過程進行了數(shù)值模擬，在試驗過程中遇到了射流段內(nèi)總溫耙子遇水測試值偏低的問題。目前，射流預(yù)冷技術(shù)的測試研究尚不成熟，有必要通過試驗對射流段內(nèi)的實際溫度進行測試研究。

射流預(yù)冷試驗伴隨著復(fù)雜的氣動力學(xué)和熱動力學(xué)過程，在試驗中會發(fā)生水滴蒸發(fā)、溫度畸變和氣體成分改變等現(xiàn)象，給測試帶來了很大困難。常規(guī)的溫度測試采用熱電偶進行接觸式測溫，偶絲接點不可避免地與水接觸而影響測試結(jié)果。本文設(shè)計防水傳感器可用于射流預(yù)冷試驗的溫度測試，為該技術(shù)的研發(fā)提供必要的技術(shù)保障。

圖1 防水傳感器結(jié)構(gòu)

1 探針結(jié)構(gòu)設(shè)計

為降低噴水對測量結(jié)果的干擾，需要在熱電偶接點處將水與氣體分離，設(shè)計的防水傳感器如圖1（a）所示。通過焊接在支桿側(cè)面的測試探頭實現(xiàn)濾水和隔熱，正對來流測溫。測試探頭的結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。

1.1 濾水結(jié)構(gòu)設(shè)計

防水傳感器的濾水功能通過濾水罩和滯止室實現(xiàn)。濾水罩的結(jié)構(gòu)進口小出口大，呈喇叭形擴張。試驗中濾水罩正對來流測試溫度。氣流中混有的水進入濾水罩后被分流為沿內(nèi)壁流出和中心流出2部分:內(nèi)壁附近的液滴受到張力作用而吸附在內(nèi)壁上，并在氣流作用下由喇叭形擴張端排出；因為水滴密度遠(yuǎn)大于空氣，所以中心處水滴會因慣性保持直線運動穿過濾水罩。設(shè)計滯止室內(nèi)徑ΦDz略大于進氣濾水罩內(nèi)徑ΦD，在一定程度上防止從濾水罩中心穿過的液滴附著到滯止室內(nèi)壁，流入殼體2中。同時，在殼體2與滯止室連接的位置設(shè)計尖角，進一步避免部分附著在滯止室內(nèi)壁的水滴流入殼體2中。內(nèi)壁的水滴運動到達(dá)尖角上后，在氣流作用下被劈開，形成更細(xì)小的水滴，隨氣流運動至ΦD0孔排出。通過上述方法濾除水滴。

1.2 隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

防水傳感器的隔熱功能主要通過殼體1、2嵌套，形成空氣隔熱層實現(xiàn)。防水傳感器探頭氣流流路如圖2所示。從圖中可見，來流氣體經(jīng)過濾水罩進入滯止室后，受滯止室出口ΦD0縮小的影響，壓力升高。部分氣流回流至殼體2中。經(jīng)殼體2排氣孔ΦD2排出至殼體1中，再經(jīng)殼體1排氣孔ΦD1排出至試驗器流道中。殼體1、2在裝配后存在空腔，氣體在運動到殼體2的末端ΦD2孔后排出到殼體1中，在殼體1一端逆向運動到另一端的ΦD1孔，在空腔內(nèi)形成氣體隔熱層。這樣相較于常規(guī)單層殼體結(jié)構(gòu)，提高了電偶的外屏蔽罩（殼體2）的溫度，減小了單層結(jié)構(gòu)中附著液態(tài)水的支桿殼體對測溫元件造成的傳熱誤差[16]。

圖2 防水傳感器探頭氣流流路

1.3 測溫設(shè)計

為了減小傳熱誤差，在測量氣流溫度的熱電偶外通常裝有滯止室。通過調(diào)節(jié)滯止室進出口面積比調(diào)節(jié)速度誤差和輻射誤差。在噴水試驗中，氣流溫度往往較低，所以屏罩和熱電偶之間的輻射誤差較小，主要需要控制速度誤差。氣流進入滯止室后將沿運動方向由ΦD0孔排出。因排氣出口內(nèi)徑縮小，導(dǎo)致出口壓力升高。所以，在主流路中一部分氣體將被滯止，并回流至殼體2中。相較于進入濾水罩的來流速度，殼體2內(nèi)分流的氣流速度已經(jīng)減小，所以速度誤差較小。設(shè)計殼體1的排氣孔ΦD1和殼體2的排氣孔ΦD2與殼體2直徑ΦD20相同，以提高殼體2的排氣速度，并防止混進殼體2的細(xì)小水滴的堆積。

2 試驗設(shè)備

為研究組合發(fā)動機射流段內(nèi)的霧化過程，在小型射流段內(nèi)進行模擬試驗。小型射流段如圖3所示，試驗件兩端與試驗臺連接，測試截面直徑為300 mm。在前測量段設(shè)置射流預(yù)冷裝置。在射流預(yù)冷裝置后依次間隔700 mm設(shè)置3個溫度測試截面。試驗中射流段噴出冷卻水，將0截面進入高溫氣體冷卻。射流水作軟化處理，防止噴嘴堵塞。

圖3 小型射流段

3 校準(zhǔn)試驗

利用油槽在靜態(tài)環(huán)境下對防水傳感器進行標(biāo)定，滿足I級允差要求。為了衡量防水傳感器在試驗中的測溫效果，在小型射流預(yù)冷裝置上，使用帶罩溫度探針與其對比，進行現(xiàn)場校準(zhǔn)，帶罩溫度探針結(jié)構(gòu)如圖4所示。在迎氣流方向，每個測試截面均布4支測試探針，探針角向裝配結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，探針1與水平方向夾角為45°，按順時針順序編號。

圖4 帶罩溫度探針結(jié)構(gòu)

圖5 探針角向裝配結(jié)構(gòu)

校準(zhǔn)工作分2個階段進行。在每個階段，達(dá)到目標(biāo)氣源總溫后，保持狀態(tài)點溫度穩(wěn)定并采集3 s溫度數(shù)據(jù)，采樣率10 Hz；在不噴水的條件下，按照50℃的梯度，在80～420℃內(nèi)進行進氣加溫試驗。第1階段，在1和2截面的探針1～探針4都裝配溫度探針。第2階段，在1和2截面的探針1和探針3裝配溫度探針，探針2和探針4裝配防水傳感器。第1階段主要研究流場溫度是否均勻，第2階段對防水傳感器和帶罩溫度探針測試效果進行對比分析。

第1階段試驗結(jié)果表明，2個截面內(nèi)流場溫度均勻。第2階段試驗結(jié)果表明，2個截面相同探針的溫度偏差在0.5℃內(nèi)，數(shù)據(jù)具有一致性。探針1、3溫度平均值t24和探針2、4溫度平均值 在2個階段測量結(jié)果見表1。

表1 1截面數(shù)據(jù) ℃

以t13為橫坐標(biāo)，t24為縱坐標(biāo)，進行函數(shù)擬合，比較帶罩溫度探針和防水傳感器測溫差異。將2個階段的數(shù)據(jù)建立擬合曲線，1截面探針溫度分布如圖6所示。從圖中可見，散點近似呈線性關(guān)系，在被測試區(qū)間100～450℃內(nèi)的擬合效果較好，可以反映數(shù)據(jù)分布情況。防水傳感器的測溫值tF始終低于溫度探針測溫值tw，2種探針的溫度差值隨著溫度升高而增大，受防水傳感器探頭結(jié)構(gòu)的影響，傳感器測溫值tF比帶罩熱電偶測溫值tw低1.0%～1.1%。

4 射流預(yù)冷試驗驗證

為檢驗防水傳感器在射流預(yù)冷試驗中的測溫效果，使用帶罩溫度探針測點背對氣流進行反向測試。通過對其總溫估算值與防水傳感器測溫值的對比，來檢驗防水傳感器的測溫效果。測試效果受環(huán)境水氣比的直接影響，試驗水氣比范圍3%～6%。各截面測試儀表分布如圖7所示。在每個測試截面均布4支插入式探針，分別為3支溫度探針1、2、3和1支總壓探針。探針1與水平方向夾角為45°。壁面上均布4支靜壓探針。3個截面上的測試儀表分布相同。

圖6 1截面探針溫度分布

圖7 各截面測試儀表分布

5 理論溫度計算方法

為了對測試結(jié)果進行判斷，需要在不同水氣比下計算氣體理論溫降。在射流段0截面到射流段出口，假設(shè)射流水完全轉(zhuǎn)化為水蒸氣，則這個過程中水和空氣的能量交換方程為

式中:hw1為液態(tài)水的初始焓；hw2和hv2為飽和蒸汽和飽和液態(tài)水的標(biāo)準(zhǔn)焓；r為汽化潛熱，其數(shù)值可根據(jù)溫度和壓力數(shù)據(jù)在水和水蒸氣表中確定；hv3為完全蒸發(fā)為水蒸氣后水蒸氣的焓；Ww和Wa分別為水和來流干空氣的質(zhì)量流量；ΔhA為計算得到干空氣焓的變化，由此可求出最終空氣的溫度。

6 結(jié)果與討論

試驗結(jié)果表明:在一定水氣比下防水傳感器可以有效防水，但隨著水氣比增大，防水傳感器的防水能力降低。在進氣總溫為343.3℃、進氣總壓為124 kPa、空氣流量為4.88 kg/s、水氣比為5.5%的條件下，防水傳感器測試效果達(dá)到了臨界狀態(tài)，僅就此工況對溫度測試結(jié)果進行分析。

6.1 防水能力

在試驗中的3個截面內(nèi)，總壓探針和壁面靜壓探針的轉(zhuǎn)接透明尼龍引氣管內(nèi)都流入了水滴，且在3截面防水傳感器有1個測點示數(shù)明顯低于水的沸點，說明在3截面射流裝置噴出的水仍未完全蒸發(fā)，試驗環(huán)境可用于檢驗防水傳感器的防水能力。本試驗水氣比為5.5%，3截面距離射流預(yù)冷裝置的距離約為7～8倍小型射流段內(nèi)徑。這與文獻(xiàn)[15]中數(shù)值研究的結(jié)論一致，即在水氣比為3%時的完全蒸發(fā)距離為試驗器內(nèi)徑的10倍，隨水氣比的增大，完全蒸發(fā)距離增加。

測溫探針需要在射流預(yù)冷試驗過程中避免測點與水接觸，以免帶來不可修復(fù)的損失。在試驗過程中測點溫度明顯低于水的沸點，且在停止噴水后，測點溫度恢復(fù)至氣流入口溫度，以此作為測點遇水的判斷依據(jù)。試驗結(jié)果表明:將溫度探針反向測試后，各測點均未遇水。而防水傳感器在1截面有8個測點遇水，2、3截面也分別有1個測點遇水，說明在當(dāng)前水氣比下該結(jié)構(gòu)的防水能力已達(dá)上限。

1截面防水傳感器的防水能力較差，這可能是受防水傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗噴嘴霧化效果共同影響所致。在小型射流段中，1截面距離噴嘴較近，水滴的直徑相對較大，易堵塞在滯止室中，造成測點遇水，在傳感器設(shè)計和噴嘴選型上對此問題進行改善。而在整機試驗中，射流段直徑增大，該問題會隨著測量截面到噴嘴的距離與直徑等比例增大而改善。相對而言，在2、3截面，液滴與氣流混合充分，受噴嘴直接噴水影響較小。在這2個截面，防水傳感器各有1個測點防水失效，這主要與防水傳感器探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)。可對探頭上濾水罩直徑ΦD、滯止室出口直徑ΦD0和濾水罩排水尺寸h等進行優(yōu)化，提升防水傳感器的防水能力。

6.2 測溫效果

分別應(yīng)用防水傳感器和帶罩溫度探針進行射流預(yù)冷試驗測試，剔除測點遇水的溫度點，對所有測點取算術(shù)平均值。測試結(jié)果和水完全蒸發(fā)理論計算結(jié)果見表2。

表2 溫度試驗數(shù)據(jù) ℃

從表2中可見，防水傳感器在1截面平均溫度明顯低于在2、3截面的，這與理論上氣體溫度逐漸降低相矛盾，測試結(jié)果并不能表明氣流溫度。試驗結(jié)果表明:防水傳感器在1截面的9個測點中有8個遇水，僅有1個測點在100℃以上。但整個傳感器都受到了水極大的影響，所以該測點也很可能受到水傳熱誤差的影響，造成較大測試誤差。

除1截面外，防水傳感器獲取的溫度數(shù)據(jù)高于溫度探針的反向測試值，最大差值為24.1℃。熱電偶的溫度誤差主要包括速度誤差、輻射誤差、導(dǎo)熱誤差和靜態(tài)誤差4部分。在射流預(yù)冷試驗環(huán)境中，上述誤差的綜合影響只會造成測量的溫度低于氣體實際溫度。所以相較于溫度探針，防水傳感器測量溫度更接近于氣體真實溫度。說明防水傳感器結(jié)構(gòu)具有相對較好的隔熱作用。這是因為在殼體1、2之間形成了氣流隔熱層，減小了水的傳熱誤差。而溫度探針則因為支桿上附著的水膜產(chǎn)生顯著的導(dǎo)熱誤差。防水傳感器在2、3截面的測試值相差較小，說明水蒸發(fā)造成的氣體降溫量已經(jīng)接近穩(wěn)定。該測試值略小于完全蒸發(fā)后的氣流理論溫度，考慮到測試誤差的存在，該測試結(jié)果在一定程度上是合理的。

使用溫度探針反向測試結(jié)果對截面總溫進行估算。在試驗中氣流馬赫數(shù)Ma=0.22，反向測試值與靜溫差別不大。假設(shè)溫度探針的反向測試值為靜溫，根據(jù)總溫計算公式[16]

式中:T*為氣流總溫；T為氣流靜溫；k為絕熱指數(shù)，是氣體定壓比熱與定容比熱的比值，對于空氣，k=1.4。

7 結(jié)論

本文從工程實際出發(fā)，針對射流預(yù)冷試驗的氣液兩相流環(huán)境設(shè)計了1種防水溫度傳感器，為射流預(yù)冷技術(shù)試驗運行提供了必需的測試手段。

（1）現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗結(jié)果表明:在100～450℃，防水傳感器的測溫值比帶罩溫度探針的低1.0%～1.1%。

（2）在射流預(yù)冷試驗中，防水傳感器在一定水氣比下可以有效防水，隨著水氣比的增大，部分測點無法保證防水，可以通過對濾水罩直徑和濾水罩排水尺寸等方面做進一步優(yōu)化。

（3）防水傳感器具有的較好隔熱結(jié)構(gòu)，可以有效減小傳熱誤差。與帶罩溫度探針反向測試的截面平均總溫估算對比表明:在來流343.3℃、水氣比為5.5%工況下，在霧化充分的測量截面，剔除個別遇水測點，防水傳感器測溫值明顯比熱電偶的高，差值最多高達(dá)11.8%。