一種高溫高壓燃料流量的控制裝置及其構(gòu)造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天、航空發(fā)動機燃料輸運與控制的技術領域，具體地涉及一種高溫 高壓燃料流量的控制裝置，以及這種控制裝置的構(gòu)造方法。
【背景技術】
[0002] 碳氫燃料（如煤油）是航天、航空發(fā)動機的主要燃料形式，并且在很多發(fā)動機運行 中充當了冷卻介質(zhì)。這一類燃料首先充當冷卻介質(zhì)冷卻發(fā)動機壁面，而后再經(jīng)過壓力、流量 調(diào)節(jié)被噴注到燃燒室混合、燃燒的運行方式被稱為燃料冷卻或者再生冷卻技術。例如，錢學 森在其論著《星際航行概論》中介紹了美國H-I液體火箭發(fā)動機在噴管喉道區(qū)域采用燃料 冷卻技術。近幾十年來，再生冷卻技術也被運用于高超聲速吸氣式發(fā)動機。例如，1971年， Lander在《飛機雜志》發(fā)表的論文中詳細描述了碳氫燃料在高超聲速飛行器熱防護領域的 應用前景。與火箭發(fā)動機的燃料冷卻相比，超燃沖壓發(fā)動機由于燃料總量少，但需要冷卻的 面積卻很大；因此，燃料的溫升幅度大，在冷卻結(jié)構(gòu)出口燃料處于高溫、高壓狀態(tài)。燃料的高 溫、高壓狀態(tài)給流量調(diào)節(jié)與控制帶來了極大的困難。
[0003] 眾所周知，目前各類流量控制裝置主要通過多層金屬結(jié)構(gòu)的限流元件來實現(xiàn)流量 的連續(xù)調(diào)節(jié)。因此，流量控制器只能工作在較低的溫度范圍內(nèi)（常溫至200°C)。當流體溫 度過高、壓力過大時，限流元件將失效甚至損壞。目前，國內(nèi)外對于高溫、高壓燃料如何實現(xiàn) 流量的精確控制處于研究階段，尚未形成成熟的技術與器件。因此，研制燃料在高溫、高壓 條件下的流量控制裝置具有重要的應用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種高溫高壓燃料流量的 控制裝置，其能夠?qū)崿F(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)流量的精確控制，并且結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低， 易于實現(xiàn)。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案是：這種高溫高壓燃料流量的控制裝置，其包括一系列不 同喉道直徑的音速噴管，通過閥門控制各個音速噴管的開啟，燃料的流量與喉道直徑的平 方呈正比，該系列音速噴管的喉道面積按照2倍的關系逐次增大，從而確保最大喉道面積 與最小喉道面積的連續(xù)變化，并且變化量的精度等于最小喉道面積，從而獲得 1 的流量控制精度。
[0006] 本發(fā)明基于流量與喉道直徑的關系以及等比數(shù)列原理，通過不同尺寸的音速噴管 組合來實現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)流量的精確控制，并且結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，易于實現(xiàn)。
[0007] 還提供了這種高溫高壓燃料流量的控制裝置的構(gòu)造方法，包括以下步驟：
[0008] (1)開始；
[0009] (2)基于燃料種類與管道入口壓力、溫度來確定流量系數(shù)C;
[0010] (3)根據(jù)流量的調(diào)節(jié)精度要求來確定音速噴管數(shù)目N;
[0011] (4)基于最大流量需求確定最小音速噴管的喉道直徑d1;
[0012] (5)確定各音速噴管的喉道直徑d1;
[0013] (6)確定控制各個噴管流通的截止閥尺寸；
[0014] (7)結(jié)束。
【附圖說明】
[0015] 圖1是收縮/擴張管道的流動示意圖。
[0016] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖3是基于等比數(shù)列特征的喉道面積變化的示意圖。
[0018] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0019] 碳氫燃料的臨界溫度一般在330°C左右。當溫度高于臨界值時，燃料將進入氣態(tài)或 者超臨界態(tài)。處于氣態(tài)或者超臨界態(tài)的燃料具有一個重要的特征，即通過變截面管道可以 加速，從而在管道截面最小處形成聲速流動。圖1給出了收縮/擴張管道的流動特征。對 于最小截面（即喉道）形成聲速的管道流動，其質(zhì)量流量與喉道直徑具有確定的數(shù)學關系， 如公式⑴所示。
[0021] 其中，d是變截面管道（也稱為音速噴管）喉道直徑；PQ、T。是變截面管道入口處壓
=0. 628〇
[0022] 由公式⑴可知，當管道內(nèi)壓力、溫度相同時，燃料的流量與喉道直徑的平方呈正 比，即
[0026] 該系數(shù)由溫度、壓力與燃料種類決定。
[0027] 這就給控制流量提供了新思路。如果采用不同直徑的音速噴管，通過優(yōu)化組合與 噴管的開關，可以實現(xiàn)流量從小到大的連續(xù)調(diào)節(jié)，并且能夠保證流量調(diào)節(jié)的快響應和精度。 該技術的核心是如何優(yōu)化組合不同尺寸的噴管，從而實現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。
[0028] 如圖2所示，這種高溫高壓燃料流量的控制裝置，其包括一系列不同喉道直徑的 音速噴管，通過閥門控制各個音速噴管的開啟，燃料的流量與喉道直徑的平方呈正比，該系 列音速噴管的喉道面積按照2倍的關系逐次增大，從而確保最大喉道面積與最小喉道面積 的連續(xù)變化，并且變化量的精度等于最小喉道面積，從而獲得 1的流量控制精度， 如圖3所示。
[0029] 本發(fā)明基于流量與喉道直徑的關系以及等比數(shù)列原理，通過不同尺寸的音速噴管 組合來實現(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)流量的精確控制，并且結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，易于實現(xiàn)。
[0030] 另外，如圖2所示，噴管上游安裝截止閥與電磁閥，通過電磁閥控制截止閥的開 關，從而控制噴管流通與否。同時，噴管上游安裝壓力、溫度傳感器以測量壓力、溫度，作為 控制流量的輸入?yún)?shù)（即C的確定）。另外，噴管外壁均需要隔熱保溫，以確保燃料在通過 喉道時溫度不變。
[0031] 每個音速噴管通過隔熱管道連接在一起，每條隔熱管道上均設有溫度傳感器和壓 力傳感器。
[0032] 另外，該系列音速噴管數(shù)量小于等于8個，各個音速噴管的喉道直徑分別為山、 d2=dpd3=I. 414d"d4= 2d"d5= 2. 828d"d6= 4dpd7= 5. 66dpd8= 8d!，就可以
[0034] 由公式（4)可知，當噴管數(shù)為8時調(diào)節(jié)精度為0.78%，優(yōu)于1%。當然，如果進一 步增加噴管，還可以獲得更大的調(diào)節(jié)范圍與更高的調(diào)節(jié)精度。這里給出的噴管組合方案已 經(jīng)可以滿足目前實際工程問題對燃料連續(xù)調(diào)節(jié)的要求。
[0035] 另外，根據(jù)