一种稳定工作的高温高压环境金属粉末点火燃烧试验装置

技术领域

本发明涉及火箭发动机试验设备技术领域，尤其涉及一种稳定工作的高温高压环境金属粉末点火燃烧试验装置。

背景技术

镁、铝等金属粉末通常作为固体火箭发动机中的高能添加剂，以提高发动机比冲性能。同时，金属粉末还可以作为一种新型绿色能源，有着广阔的应用前景。铝、镁金属粉末化学性质活泼，不仅可以与氧气发生反应，还可以与弱氧化剂比如水、二氧化碳发生反应放热，适合使用的场景丰富。但是金属粉末的点火条件相较于碳氢燃料更为苛刻，通常需要达到几百甚至上千摄氏度的高温环境，而且在发动机中通常为高压环境。因而在高温高压环境中对金属粉末的点火燃烧特性进行研究的试验装置，对金属粉末的工程使用具有十分重要的理论指导意义。以往对于金属粉末的点火燃烧试验，通常有高能激光点火、激波点火、高温火焰炉点火等方式，其中高温火焰炉点火更能模拟实际的点火环境，但是对高压环境的营造相对更为困难。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种稳定工作的高温高压环境金属粉末点火燃烧试验装置，解决已有装置的火焰不稳定、温度较低和高压环境难以营造的问题。

为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：

一种稳定工作的高温高压环境金属粉末点火燃烧试验装置，包括火焰炉和燃烧室；

火焰炉包括炉盘、第一集气腔、第二集气腔以及供粉通道，第一集气腔、第二集气腔均设置在炉盘下方，炉盘中心设置有供粉通道，供粉通道穿过炉盘、第二集气腔、第一集气腔伸出火焰炉之外；供粉通道外围的炉盘上均匀布设有混合气体出口，每个混合气体出口内对应设置有导气通道，导气通道内同轴设置有导气管，导气通道穿过炉盘伸入到第二集气腔内，导气管穿过炉盘、第二集气腔伸入到第一集气腔内，导气管内为第一气体通道，导气管外壁与导气通道内壁之间的环形通道为第二气体通道，第一集气腔内的第一气体进入第一气体通道，第二集气腔内的第二气体进入第二气体通道，从第一气体通道和第二气体通道出来的第一气体和第二气体经混合气体出口混合输出；

燃烧室设置在火焰炉的上方；靠近炉盘的燃烧室一侧开设有用于安装火花塞的火花塞接口，燃烧室设有观察窗，远离火焰炉的燃烧室一端设有高压氮气进气阀，通过高压氮气进气阀通入高压氮气实现燃烧室内的高压环境，燃烧室上设置有稳压阀和排气阀。

作为本发明的进一步改进，所述第一集气腔为燃料集气腔，第二集气腔为氧化剂集气腔，第一集气腔设有第一进气口，燃气经第一进气口进入第一集气腔。第二集气腔设有第二进气口，氧化剂(如空气)经第二进气口进入第二集气腔。

作为本发明的进一步改进，还包括用于冷却炉盘的水冷结构。进一步地，所述水冷结构包括水冷腔，所述水冷腔设置在炉盘产生高温火焰区的正下方，水冷腔联通进水口和出水口。进水口设置在水冷腔的下方侧壁上，水冷腔的出水口从炉盘一侧引出。为了进一步提升冷却效果，位于水冷腔中的炉盘下侧面开设有冷却槽，以增大冷却面积，加强对炉盘的冷却效果。

作为本发明的进一步改进，水冷腔的下方依次设置有第二集气腔、第一集气腔，水冷腔和第二集气腔之间设置有第一密封结构，第二集气腔和第一集气腔之间设置有第二密封结构，通过第一密封结构、第二密封结构实现水冷腔与第二集气腔、第二集气腔与第一集气腔之间的密封性，解决导气通道以及供粉通道而带来的密封问题。第一密封结构为密封板，密封板实现水冷腔与导气通道以及供粉通道之间的密封，避免水冷腔中的冷却水进入到第二集气腔中。

作为本发明的进一步改进，火焰炉为分体设置结构，包括炉盘以及炉体，炉盘与炉体密封连接，水冷腔、第二集气腔、第一集气腔设置在炉盘下方的炉体内，炉体由多个炉体单元首尾密封连接而成。

作为本发明的进一步改进，供粉通道为金属粉末的供粉通道，供粉通道包括保护管和供粉管，供粉管为耐高温陶瓷管，供粉管设置在保护管内。进一步地，炉盘处，供粉通道中的保护管位于炉盘上表面以下，供粉管穿出炉盘伸至燃烧室，供粉管其顶端出粉口位置处的燃烧室侧壁上开设有观察窗。

作为本发明的进一步改进，燃烧室内设置有透明石英观察管，透明石英观察管位于炉盘上方，使得炉盘产生的火焰位于透明石英观察管内。透明石英观察管避免了通入的高压氮气流对火焰流场造成不稳定影响，同时限制金属颗粒在管内运动，有利于对金属颗粒燃烧现象的观测。

作为本发明的进一步改进，还包括多个热电偶，各热电偶穿过燃烧室侧壁以及透明石英观察管侧壁对其不同高度位置进行温度测量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

现有技术中的供气方式，氧化剂和燃料气路是通过多孔介质分开的，可能有的地方氧化剂和燃气混合充分，而有的地方混合效果不好，有的地方气流速度快，有的地方气流速度相对慢一点，不能保证每个气孔都混合均匀，这就容易使得火焰不稳定。本发明中导气管内为第一气体通道，导气管外壁与导气通道内壁之间的环形通道为第二气体通道，这样气路固定，每个孔的流速、流量都是一样的，混合效果稳定，形成的火焰就会稳定得多。因此，本发明火焰炉能有效改善燃气和氧化剂气体的掺混效果，实现更加稳定的燃烧，火焰温度也显著提高。

本发明中设计了冷却炉盘的水冷结构，水冷结构能保证炉盘上表面不被烧蚀，使得试验装置更加可靠。

本发明中的燃烧室加压方式是通过给燃烧室内充高压氮气创造高压环境，能实现宽压力工况下的试验，稳压阀能保证燃烧室内压力稳定。

在燃烧室内增设透明石英观察管保证了高压氮气气流不会对火焰流场造成较大影响，也使金属颗粒的运动范围限制在透明石英观察管内，更有利于对金属颗粒燃烧现象的观测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的结构示意图；

图2是本发明一实施例其火焰炉的结构示意图；

图3是本发明一实施例其火焰炉的剖视图

图4是本发明一实施例其燃烧室的侧视图；

图5是本发明一实施例其燃烧室的后视图；

图6是本发明一实施例其燃烧室的剖视图；

图中标号：

1、炉盘；2、上炉体；3、下炉体；4、供粉管；5、出水口；6、进水口；7、第二进气口；8、第一进气口；9、多孔隔离板；10、固定螺栓孔；11、水冷腔；12、第二集气腔；13、第一集气腔；14、保护管；15、导气管；16、导气通道；17、冷却槽；18、密封板；19、混合气体出口；20、方形压板；21、方形玻璃；22、稳压阀；23、高压氮气进气阀；24、火花塞接口；25、圆玻璃；26、圆形压板；27、紫铜垫片；28、燃烧室；29、冷却板；30、热电偶；31、测压孔；32、石英观察管；33、出气板。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1至6，一种稳定工作的高温高压环境金属粉末点火燃烧试验装置，包括火焰炉和燃烧室28，燃烧室28设置在火焰炉的上方。

参照图2和3，火焰炉包括炉盘1、水冷腔11、第一集气腔13、第二集气腔12以及供粉通道，水冷腔11、第二集气腔13、第一集气腔12设置在炉盘1下方的炉体内。火焰炉为分体设置结构，包括炉盘1以及炉体，炉盘1与炉体密封连接，炉体由多个炉体单元首尾密封连接而成。本实施例中，炉体由上炉体2和下炉体3密封连接而成，其中上炉体2与炉盘1通过多个固定螺栓孔10以及设置在上炉体2与炉盘1之间的密封件(如密封垫圈等)密封连接起来。上炉体2和下炉体3之间设置有多孔隔离板9，多孔隔离板9与上炉体2、下炉体3之间通过多个固定螺栓孔10以及设置在多孔隔离板9与上炉体2之间、多孔隔离板9与下炉体3之间的密封件(如密封垫圈等)密封连接起来。上炉体2内设有隔板，隔板将上炉体内部分隔成上下两个腔体，其中上面的腔体为水冷腔11，下面的腔体为第二集气腔12。多孔隔离板9将第二集气腔12和位于下炉体3内的第一集气腔13分隔开。

所述水冷腔11设置在炉盘1产生高温火焰区的正下方，水冷腔11联通进水口6和出水口5，进水口6设置在水冷腔11的下方侧壁上，水冷腔11的出水口5从炉盘1一侧壁引出。位于水冷腔11中的炉盘下侧面开设有冷却槽17，冷却槽17的设置，能够提高炉盘的冷却效果。水冷腔11能保证炉盘1长时间稳定工作。

炉盘1的中心设置有供粉通道，供粉通道穿过炉盘1、水冷腔11、第一集气腔13、第二集气腔12伸出火焰炉之外。供粉通道为金属粉末的供粉通道，供粉通道包括保护管14和供粉管4，供粉管4为耐高温陶瓷管，供粉管4设置在保护管14内，保护管14起密封和保护供粉管4的作用。炉盘1处，供粉通道中的保护管14位于炉盘上表面以下，供粉管4穿出炉盘伸至燃烧室28内，供粉管4其顶端出粉口位置处的燃烧室侧壁上开设有圆形观察窗，圆形观察窗包括圆玻璃25和圆形压板26。

供粉通道外围的炉盘1上均匀布设有混合气体出口19，每个混合气体出口19内对应设置有导气通道16，导气通道16内同轴设置有导气管15，导气通道16穿过炉盘1伸入到第二集气腔12内，导气管15穿过炉盘1、第二集气腔12伸入到第一集气腔13内，导气管15内为第一气体通道，导气管外壁与导气通道内壁之间的环形通道为第二气体通道，第一集气腔内的第一气体进入第一气体通道，第二集气腔内的第二气体进入第二气体通道，从第一气体通道和第二气体通道出来的第一气体和第二气体经混合气体出口19混合输出到燃烧室28内。本发明所述炉盘1的混合气体出口19同时出氧化剂和燃料气体，在导气通道中，导气管将氧化剂气体和燃料气体分隔开来，氧化剂气体从导气管与导气通道间的间隙流动，燃料气体从导气管中流动，这样的导气方式有利于燃料气体和氧化剂气体的掺混燃烧。

水冷腔11和第二集气腔12之间设置有第一密封结构，本实施例中第一密封结构为密封板18，通过密封板18实现水冷腔11与第二集气腔12之间的密封性，解决导气通道以及供粉通道而带来的密封问题。密封板18实现水冷腔与导气通道以及供粉通道之间的密封，避免水冷腔中的冷却水进入到第二集气腔中。第二集气腔12和第一集气腔13之间的密封结构即多孔隔离板9，多孔隔离板9的对应位置开设有供导气管15穿过的通孔，同时通过通过密封材料如密封胶或其他密封材料保证密封。

靠近炉盘1的燃烧室18一侧开设有用于安装火花塞的火花塞接口24，燃烧室28设有方形观察窗，方形观察窗能够观察整个燃烧室内的燃烧情况，方形观察窗包括方形压板20和方形玻璃21。远离火焰炉的燃烧室一端设有高压氮气进气阀23，通过高压氮气进气阀23通入高压氮气实现燃烧室内的高压环境，燃烧室上设置有稳压阀22，稳压阀22用来稳定燃烧室内压强。

本实施例中，所述第一集气腔13为燃料集气腔，第二集气腔12为氧化剂集气腔，第一集气腔13设有第一进气口8，燃气经第一进气口8进入第一集气腔13；第二集气腔12设有第二进气口7，氧化剂如空气经第二进气口7进入第二集气腔12。

参照图4、5和6，燃烧室28内设置有透明石英观察管32，透明石英观察管32位于炉盘上方，使得炉盘产生的火焰位于透明石英观察管32内。透明石英观察管相当于火焰的防护罩，防止氮气直接对火焰产生冲击。因为高压氮气能够产生燃烧室的高压环境，但是高压氮气的流速较快，容易对燃烧室流场造成较大影响，可能会使火焰发生剧烈晃动，这样就会引起颗粒运动的不可预测性，造成颗粒飞出观察视场，本发明通过在燃烧室内增设石英观察管，防止氮气流对火焰造成直接冲击，颗粒也不会因此偏离中心线很多，便于透过观察窗以及透明石英观察管观测燃烧情况。燃烧室28的上下紫铜垫片加石棉垫片起密封和隔热

多个热电偶30穿过燃烧室侧壁以及透明石英观察管侧壁对其不同高度位置进行温度测量。燃烧室28上设置有用于安装测压元件的测压孔31，可以实现对燃烧室内压力的实时监控。燃烧室28顶部设置有出气板33。燃烧室28与出气板33之间、燃烧室28与炉盘1之间通过增设紫铜垫片27以及石棉垫片等实现密封和隔热的目的。

进一步地，燃烧室28两侧壁面设有冷却板29，冷却板内设置有冷却水通道，往冷却板内循环供应冷却水实现对燃烧室壁面的降温，保证试验装置能长时间稳定工作。

本发明一实施例中，炉盘1由316高温不锈钢制成，导气通道16是直径为2mm的圆形通道，导气通道16中插有外径1.5mm、内径1.0mm的导气管5，导气管5的长度为90mm，也由316不锈钢制成。供粉通道由保护管14和供粉管4组成，保护管14为316不锈钢材质，外径为2.5mm，内径为2.1mm，长度为120mm。供粉管4为刚玉陶瓷管，外径为2mm，内径为1mm，长度为160mm。保护管14在多孔隔离板9处和下炉体3的出口处都用密封胶粘连，保证燃料集气腔的密封性。

本发明一实施例中的试验过程如下：

(1)打开冷却水泵开关，给水冷腔、水冷板循环供水；

(2)打开氧化剂阀门，设定氧化剂流量，然后打开燃料阀门，设定燃料流量，点火花塞点火，产生高温燃气；

(3)打开高压氮气进气阀，给燃烧室加压；

(4)通入供粉流化气，金属颗粒由供粉管进入燃烧室；

(5)打开观测系统，记录试验数据；

(6)依次关闭供粉流化气阀门、燃料阀门、氧化剂阀门和高压氮气进气阀；

(7)关闭冷却水泵开关。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。