陳 波，陸 巖，賈衛(wèi)民，羅 軍

(西安航天動力研究所，陜西 西安710100)

0 引言

為模擬高溫高壓熱燃氣，地面試驗系統(tǒng)通常采用燃氣發(fā)生器組織燃燒的方法來實現(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。試驗系統(tǒng)在進行正式點火前，需進行大量的冷態(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)供應主閥動作時間與燃氣發(fā)生器介質(zhì)入口壓力變化的關系，為確定試驗系統(tǒng)自動點火和關機時序提供依據(jù)，是關系到燃氣發(fā)生器點火成功和安全燃燒的重要環(huán)節(jié)。試驗系統(tǒng)為適應燃氣發(fā)生器工況的變化，經(jīng)常需要改變供應壓力來實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，在孔板不變的情況下，供應壓力越大，說明供應流量越大；相反，供應壓力越小，說明供應流量越小。本文通過試驗研究和理論分析，研究系統(tǒng)供應壓力與氣體管路充填特性的關系，揭示出供應壓力對氣體管路充填特性的影響規(guī)律。

1 試驗原理

目前，普遍的氣體介質(zhì)供應系統(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、燃氣發(fā)生器(即產(chǎn)品)、電點火器、測控系統(tǒng)和管路組成。氣源通過落壓的方式供應氣體介質(zhì)；總閥負責供應介質(zhì)的通斷；高壓氣體經(jīng)過調(diào)壓器進行壓力調(diào)節(jié)，得到所需的壓力；主閥用于控制進入產(chǎn)品氣體的通斷；文氏管作為氣體流量的計量裝置，當文氏管前后壓比小于臨界壓比時，文氏管喉部氣體流速等于音速，此時氣體的質(zhì)量流量只取決于文氏管入口的壓力值，與出口壓力無關，從而可以通過控制文氏管入口壓力得到所需要的氣體流量；電點火器負責提供高頻率和高能量的電火花；燃氣發(fā)生裝置用于將燃料和氧化劑混合燃燒產(chǎn)生熱燃氣。圖1中p1為氣源壓力，p2為供應壓力，p0為參與文氏管流量計算的壓力，T為參與文氏管流量計算的溫度，p3為燃氣發(fā)生裝置噴前壓力。

對于地面燃燒試驗系統(tǒng)，準確地得到系統(tǒng)管路充填特性對于確定系統(tǒng)的自動點火和關機工作時序至關重要，氣體在管路中的充填特性是指從控制系統(tǒng)給主閥發(fā)送開關電信號到噴前壓力p3變化到某一比例的時間，在實際調(diào)試中，通過采集燃氣發(fā)生器噴前壓力p3的變化來判讀建壓或泄壓時間。

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

2 試驗方法

首先確保系統(tǒng)管路、閥門、設備、溫度測點和壓力測點按照系統(tǒng)原理圖正確安裝到位，系統(tǒng)內(nèi)部潔凈無多余物，各單元測試工作正常。本次試驗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壓力p2，待p2壓力穩(wěn)定以后，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，打開主閥開始試驗，待噴前壓力p3穩(wěn)定后關閉主閥，每個供應壓力點進行三次重復試驗，結束后停止數(shù)據(jù)采集。由于產(chǎn)品空氣入口設有喉道，當主閥打開后，空氣會在產(chǎn)品入口建壓，當主閥關閉后，閥后空氣會經(jīng)過產(chǎn)品排到系統(tǒng)外，產(chǎn)品入口壓力自然降低。所有試驗按照供應壓力由低到高進行，通過調(diào)壓器不斷提高供應壓力，最終對試驗數(shù)據(jù)進行分析整理，得出從主閥打開或關閉到產(chǎn)品噴前壓力p3達到一定建壓或泄壓比例的時間。

3 試驗結果

當氣體介質(zhì)和文氏管喉部截面積不變時，改變供應壓力，得到不同供應壓力下噴前建壓時間，選取5%，30%，60%和95%四個建壓比例，得到建壓時間和供應壓力關系曲線如圖2所示。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，建壓比例較小時，不同供應壓力下噴前建壓時間與平均值的偏差較小，可以認為供應壓力的變化對建壓時間影響不大，即不同供應壓力下噴前建壓初始階段的時間相同，但是隨著建壓比例的增加，噴前建壓時間開始受供應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，改變供應壓力，得到不同供應壓力下噴前泄壓時間，選取95%，60%，30%和5%四個泄壓比例，得到泄壓時間和供應壓力關系曲線如圖3所示。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，當泄壓比例較小時，不同供應壓力下噴前泄壓時間與平均值的偏差很小，可以認為供應壓力的增加對泄壓時間影響不大，即不同供應壓力下噴前泄壓初始階段的時間相同，但是隨著泄壓比例的增加，噴前泄壓時間開始受供應壓力的影響，與平均值的偏差較大。

圖2 不同建壓比例下建壓時間與供應壓力的關系曲線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間與供應壓力的關系曲線Fig.3 Relationship between pressure release time and supply pressure at different ratios of pressure relief

4 理論分析

根據(jù)氣體動力學原理，文氏管兩端壓比小于臨界壓比時，流過文氏管的氣體質(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，可以通過試驗得到。因此，只要測量出文氏管的入口壓力和溫度，就可以按式(1)計算出通過文氏管的氣體質(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間與氣體的體積流量有關，體積流量越大，管路充填時間越短。文氏管的長度較短而氣流的速度較高，故氣流經(jīng)過文氏管所需的時間很短，氣體和管壁的熱交換可以忽略不計，因此文氏管中氣體的流動可以看成一個等熵絕熱過程，溫度T可以認為不變，該系統(tǒng)試驗介質(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壓力無關。

氣體在管路中的充填特性表現(xiàn)為噴前壓力p3隨時間的變化規(guī)律，與凈流入這段管路的氣體體積流量有關，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，下游為燃氣發(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。

對試驗數(shù)據(jù)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，對于不同的供應壓力，在噴前壓力變化比例較小時，建壓時間和泄壓時間相同，但隨著噴前壓力變化比例的增加，建壓時間和泄壓時間偏差開始增大，這是因為在壓力變化比例較小時，氣體的流態(tài)相對穩(wěn)定，可以認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壓力無關，所以在不同的供應壓力下，對于不同壓力變化比例，氣體建壓時間和泄壓時間基本相同，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，此時噴前壓力變化時間受系統(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間有所變化。

5 結論

通過試驗驗證和理論分析，揭示了不同供應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)，噴前壓力變化時間的平均誤差基本在±3%以內(nèi)，可以認為壓力變化時間與供應壓力大小無關，建壓時間和泄壓時間相同。因此建議取建壓和泄壓比例較小的時間作為點火和關機時間點，以方便制定出統(tǒng)一的試車時序。

此外，根據(jù)上述結論，對于包含多個不同供應壓力的試驗系統(tǒng)來說，可選取其中一個或幾個壓力點進行冷調(diào)，得到的氣體管路充填特性同樣也滿足其他供應壓力，從而可以大大縮減系統(tǒng)調(diào)試的時間和成本。