CN110552813B - 旋转切削式供粉系统及其粉末燃料冲压发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种粉末燃料冲压发动机的旋转切削式供粉系统，包括：控制段和流化段；控制段包括罐体和底盖，底盖上设置有控制气接嘴，罐体内设置有活塞腔体和燃料药柱，活塞腔体和燃料药柱之间设置有活塞盘，控制气接嘴和活塞腔体相连通；流化段包括壳体，壳体外侧设置有流化气接嘴，壳体内形成流化腔体，流化腔体内设置有导流组件和切削轮，导流组件和切削轮相连；导流组件上设置有流化气布气孔，流化气布气孔、流化气接嘴、以及流化腔体相联通；底盖前端设置有驱动轮，驱动轮通过传动轴与切削轮相连。本发明能实现对粉末燃料和流化气的精确供给。

Description

旋转切削式供粉系统及其粉末燃料冲压发动机

技术领域

本发明涉及航空航天领域，具体为一种旋转切削式供粉系统及其粉末燃料冲压发动机。

背景技术

粉末燃料冲压发动机采用高能金属或硼粉为燃料，兼具液体燃料冲压发动机推力可调、比冲高及固体火箭冲压发动机安全可靠、结构简单等优点，尤其是固体/粉末或液体/粉末燃料组合冲压发动机，粉末燃料的加入不仅可大幅提高传统冲压发动机的比冲等性能，还能改善并增加其原有功能，是极具发展潜力的新一代导弹动力装置之一。

粉末燃料冲压发动机使用高能固体粉末(铝、镁、硼、碳等)为燃料、冲压空气为氧化剂和工质，其主要部件有粉末燃料、储箱、燃料供应系统、进气道、预燃室、燃烧室、点火装置和喷管。粉末燃料经粉末燃料供应系统流化后进入预燃室和燃烧室与冲压空气燃烧反应，最后燃烧产物从喷管喷出产生推力。

粉末燃料供应系统是实现粉末燃料冲压发动机稳定燃烧和推力调节的关键，其供应性能的优劣直接影响发动机性能的好坏。当前主要有两类粉末燃料供应方案。一类是流化床式粉末燃料供应系统。Bell航空公司所设计的粉末供应装置，其结构类似于工业生产中的流化床，工作原理为：粉末装填在燃料储箱中，流化气从活塞杆引入，经活塞表面的布风板进入粉末床体，并携带粉末从出口喷出，活塞在另一路控制气作用下将储箱内的粉末压紧。活塞表面均匀分布的小孔，可使气固混合物均匀分散，同时可防止粉末回流。之后诸多学者都在该装置基础上进行改进，实现了粉末燃料的流化供应。1993年M.L.Meyer提出的粉末供应系统铝粉贮存在圆柱形容器中，粉末之间的空隙由氮气填充。打开运行阀，活塞杆引入气体进入圆筒将粉末带走。工作过程中，活塞依靠气体推动始终压紧粉末。

文献公开了一种流化床式粉末燃料供应装置，流化气可用惰性气体或有利于着火和燃烧的气体，活塞可由电机、压缩气体或机械机构推动。试验证明，该装置可获得较稳定的流量，其试验中粉末供应装置最大尺寸结构可装填59kg的铝粉，供应时间最高达1小时，粉末流量调节通过改变活塞压力和喷射孔直径实现；还提出粉末燃料可做特殊包覆处理，使燃料的装填率和流化特性更优。

另一类气流夹带式粉末燃料供应系统。为体现粉末燃料冲压发动机构型简单的优势，文献提出了一种结构更简单的粉末燃料供应系统。其基本工作原理为：流化气从头部的环形切缝中吹入，高速掠过粉体表面，储箱内的粉末燃料在气相拖曳力的作用下被卷起并喷出，实现了燃料的流化。储箱尾部的活塞杆不断将燃料向前推动，因此保证了燃料的连续供应，且其燃料流量可以依靠活塞运动速度控制。在其试验中该供应系统可实现粉末燃料稳定供应3-6分钟。

国防科技大学的韩超设计了一套粉末燃料供应系统，其原理与上述粉末燃料供应系统相似，并可在高压条件下工作，活塞由直线电机推动前进。

粉末燃料供给技术是粉末燃料冲压发动机的核心技术，实现粉末燃料的连续、稳定、可控供给是发动机可靠工作的前提。

发明内容

本发明的目的是提供一种粉末燃料冲压发动机的旋转切削式供粉系统，采用机械旋转切削方式实现对粉末燃料和流化气的精确供给。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供一种粉末燃料冲压发动机的旋转切削式供粉系统，包括：控制段、以及和所述控制段相连的流化段；

所述控制段包括罐体、以及和所述罐体相连的底盖，所述底盖上设置有控制气接嘴，所述罐体内设置有活塞腔体和燃料药柱，所述活塞腔体和燃料药柱之间设置有活塞盘，所述控制气接嘴和所述活塞腔体相连通；

所述流化段包括壳体，所述壳体内形成流化腔体，所述流化腔体内设置有导流组件和切削轮，所述导流组件和切削轮相连；

所述壳体和罐体相连，所述壳体的后端或者罐体的前端设置有流化气接嘴；

所述导流组件上设置有流化气布气孔，所述流化气布气孔、流化气接嘴、以及所述流化腔体相联通；

所述底盖后端设置有驱动轮，所述驱动轮通过传动轴与所述切削轮相连；

所述传动轴贯穿所述燃料药柱，且所述传动轴外侧周围套设有轴承套筒，所述传动轴和所述轴承套筒之间设置有支撑轴承；

所述壳体的前端设置有流化混合气出口。

可选的，所述切削轮包括轮毂和切削刀片，所述切削刀片设于所述轮毂的外侧；所述燃料药柱的前端表面与切削刀片相接触。

可选的，所述罐体前端和末端分别沿外侧周围形成前凸缘和后凸缘,所述壳体后端沿外侧周围形成凸起；

所述罐体通过后凸缘和所述底盖相连，所述前凸缘与凸起相连。

可选的，所述导流组件包括导流锥、支撑盘以及导流锥支架，所述支撑盘设于导流锥支架的后端，所述导流锥设于导流锥支架的前端，所述导流锥支架用以支撑所述导流锥；

所述支撑盘安装于前凸缘处或者凸起处，所述流化气布气孔设于所述支撑盘表面。

可选的，所述轮毂和所述导流锥相连。

可选的，驱动轮通过传动轴与切削轮的轮毂相连。

可选的，所述底盖和驱动轮之间设置有锁紧螺母；

所述轴承套筒向底盖后端外部延伸，且所述锁紧螺母设于轴承套筒靠近底盖的一端，且所述锁紧螺母与底盖的后端相接触；

所述传动轴向所述底盖后端外部延伸，传动轴的延伸长度大于轴承套筒的延伸长度，所述驱动轮设于所述传动轴的末端，且所述驱动轮和锁紧螺母间隔设置。

本发明提供一种粉末燃料冲压发动机，所述粉末燃料冲压发动机包括上述任意所述的旋转切削式供粉系统。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供一种粉末燃料冲压发动机的旋转切削式供粉系统，采用机械旋转切削方式实现对粉末燃料和流化气的精确供给。

2、本发明提出一种粉末燃料冲压发动机的旋转切削式供粉系统，能够实现对粉末燃料量和流化气的精确调制供给。通过控制切削速度和粉末药柱的推挤压力来控制粉末剥离量。该技术便于在试验条件下对粉末和流化段的进行单路流量和流化形态控制，可实现对燃烧室燃烧过程的参数定量化研究，并提高粉末流量的调控精度。该方法可避免常规气动流化技术的技术受背压影响的不足，解决过载、振动以及声场作用下粉末流化过程相互耦合和气固输送的稳定性问题，同时解决粉末流量调节比低等问题。

3、本发明可以通过以下两种途径控制粉末燃料量的供给：(1)通过调控控制气接嘴的空气进入量，从而控制流化腔体内的气压，达到控制活塞盘推力的目的，以控制粉末燃料剥离量；(2)通过控制驱动轮的转动速度，从而控制切削轮的切削刀片的切削速度，控制控制粉末燃料剥离量。本发明通过可以控制流化气接嘴的流化气进入量，从而控制流化气的供给。

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对本发明的实施例，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，还可根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种粉末燃料冲压发动机的旋转切削式供粉系统立体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种粉末燃料冲压发动机的旋转切削式供粉系统主视结构示意图；

图3是图2中A-A面剖视示意图；

图4是图3中A处局部放大示意图；

图5是图2中B-B面剖视示意图；

图6是图2中C-C面剖视示意图；

图7是本发明实施例中另一角度立体结构示意图(弃去了底盖、罐体、壳体)，主要展示燃料药柱、导流组件、切削轮的连接关系。

附图标记：1控制段；10罐体；100后凸缘；101前凸缘；11底盖；12活塞腔体；13控制气接嘴；14传动轴；15轴承套筒；16活塞盘；17燃料药柱；2流化段；20壳体；200凸起；201流化腔体；21导流组件；210导流锥；211支撑盘；212导流锥支架；2110流化气布气孔；22流化气接嘴；23切削轮；230轮毂；231切削刀片；24流化混合气出口；3支撑轴承；4止推轴承；5驱动轮；6锁紧螺母。

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一部分，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，“前”、“后”方位或位置关系为基于本发明中粉末燃料冲压发动机的正常使用状态，需要理解的是，这些方位术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

参见图1-7，本发明实施例1提供一种粉末燃料冲压发动机的旋转切削式供粉系统，包括：控制段1、以及和所述控制段1相连的流化段2；

所述控制段1包括罐体10、以及和所述罐体10相连的底盖11，所述底盖11上设置有控制气接嘴13，所述罐体10内设置有活塞腔体12和燃料药柱17，所述活塞腔体12和燃料药柱17之间设置有活塞盘16，所述控制气接嘴13和所述活塞腔体12相连通；

所述流化段2包括壳体20，所述壳体20内形成流化腔体201，所述流化腔体201内设置有导流组件21和切削轮23，所述导流组件21和切削轮23相连；

所述壳体20和罐体10相连，所述壳体20的后端或者罐体10的前端设置有流化气接嘴22；本实施例在罐体10的前端设置有流化气接嘴22；

所述导流组件21上设置有流化气布气孔2110，所述流化气布气孔2110、流化气接嘴22、以及所述流化腔体201相联通；

所述底盖11后端设置有驱动轮5，所述驱动轮5通过传动轴14与所述切削轮23相连。驱动轮5外接驱动机构(附图未示)，诸如电机等。

本发明实施例提供一种粉末燃料冲压发动机的旋转切削式供粉系统，采用机械旋转切削方式实现对粉末燃料和流化气的精确供给。

本实施例中，控制气接嘴13与外部的空气联通，用以控制活塞腔体12内的气压。外部空气通过控制气接嘴13进入到活塞腔体12内，使活塞腔体12内气压增大，从而给活塞盘16提供推力，从而向前推动燃料药柱17。

驱动轮5在驱动机构的带动下转动，然后驱动轮5通过传动轴14将动力传递给切削轮23，使得切削轮23将燃料药柱17切削成粉末燃料。

流化气通过流化气接嘴22，随后经过流化气布气孔2110，进入到流化腔体201内，与切削后的粉末燃料混合，进行流化。

从而使得燃料药柱17一边切削成粉末燃料与流化气进行流化，一边在活塞盘16的推力下向前推动，由此实现对粉末燃料和流化气的精确供给。

需要说明的是，本实施例燃料药柱17可以采用高能固体粉末(铝、镁、硼、碳等)通过现有的工艺制成。

进一步，所述切削轮23包括轮毂230和切削刀片231，所述切削刀片231设于所述轮毂230的外侧；所述燃料药柱17的前端表面与切削刀片231相接触。驱动轮5通过传动轴14与切削轮23的轮毂230相连。燃料药柱17为中空设置的柱体，本实施例将燃料药柱17设置为圆柱形状。

本实施例中，通过切削轮23的切削刀片231将燃料药柱17切削成粉末燃料。经削刀片231切削后的粉末燃料在流化腔体201内会形成弥漫状态，与流化气混合流化。

进一步，所述罐体10前端沿外侧周围形成前凸缘101，罐体10末端沿外侧周围形成后凸缘100，所述壳体20后端沿外侧周围形成凸起200；

请参见图3，所述罐体10通过后凸缘100和所述底盖11相连，所述前凸缘101与凸起200通过螺钉或者螺栓相连，从而将罐体10和壳体20连接起来。

参见图3-4以及图7，所述导流组件21包括导流锥210、支撑盘211以及导流锥支架212，所述支撑盘211设于导流锥支架212的后端，所述导流锥210设于导流锥支架212的前端，所述导流锥支架212用以支撑所述导流锥210；

所述支撑盘211安装于前凸缘101处或者凸起200处，本实施例支撑盘211安装于所述前凸缘101处，所述流化气布气孔2110设于所述支撑盘211表面。可选的，所述流化气布气孔2110均匀分布在支撑盘211圆周表面，用以将从流化气接嘴22通入的流化气均匀的分散在流化腔体201内，以使流化气与粉末燃料在流化腔体201内混合流化。

本实施例中，流化气可以为有利于着火和燃烧的气体，诸如空气等。

进一步，所述轮毂230和所述导流锥210相连，更进一步，轮毂230和导流锥210之间设置有止推轴承4。

优选的，所述壳体20、导流锥210、轮毂230的外侧型面采用圆弧过渡，用于整流。

参见图3-4，所述传动轴14贯穿所述燃料药柱17，且所述传动轴14外侧周围套设有轴承套筒15，所述传动轴14和所述轴承套筒15之间设置有支撑轴承3。本实施例支撑轴承3设置两个，一个设置在底盖11处，另一个设置在传动轴14与轮毂230相连接处。

进一步，所述底盖11和驱动轮5之间设置有锁紧螺母6；

所述轴承套筒15向底盖11后端外部延伸，且所述锁紧螺母6设于轴承套筒15的末端，且所述锁紧螺母6与底盖11的后端相接触，用以锁紧轴承套筒15。

所述传动轴14向所述底盖11后端外部延伸，传动轴14的延伸长度大于轴承套筒15的延伸长度，所述驱动轮5设于所述传动轴14的末端，且所述驱动轮5和锁紧螺母6间隔设置，以避免干涉。

进一步，所述壳体20的前端设置有流化混合气出口24，切削后的粉末燃料与流化气在流化腔体201内混合流化后，经流化混合气出口24排出。

实施例2

本发明实施例2提供一种粉末燃料冲压发动机，包括实施例1所述的旋转切削式供粉系统。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种粉末燃料冲压发动机的旋转切削式供粉系统，其特征在于，包括：控制段(1)、以及和所述控制段(1)相连的流化段(2)；

所述控制段(1)包括罐体(10)、以及和所述罐体(10)相连的底盖(11)，所述底盖(11)上设置有控制气接嘴(13)，所述罐体(10)内设置有活塞腔体(12)和燃料药柱(17)，所述活塞腔体(12)和燃料药柱(17)之间设置有活塞盘(16)，所述控制气接嘴(13)和所述活塞腔体(12)相连通；

所述流化段(2)包括壳体(20)，所述壳体(20)内形成流化腔体(201)，所述流化腔体(201)内设置有导流组件(21)和切削轮(23)，所述导流组件(21)和切削轮(23)相连；

所述壳体(20)和罐体(10)相连，所述壳体(20)的后端或者罐体(10)的前端设置有流化气接嘴(22)；

所述导流组件(21)上设置有流化气布气孔(2110)，所述流化气布气孔(2110)、流化气接嘴(22)、以及所述流化腔体(201)相联通；

所述底盖(11)后端设置有驱动轮(5)，所述驱动轮(5)通过传动轴(14)与所述切削轮(23)相连；

所述传动轴(14)贯穿所述燃料药柱(17)，且所述传动轴(14)外侧周围套设有轴承套筒(15)，所述传动轴(14)和所述轴承套筒(15)之间设置有支撑轴承(3)；

所述壳体(20)的前端设置有流化混合气出口(24)。

2.根据权利要求1所述的旋转切削式供粉系统，其特征在于，所述切削轮(23)包括轮毂(230)和切削刀片(231)，所述切削刀片(231)设于所述轮毂(230)的外侧；

所述燃料药柱(17)的前端表面与切削刀片(231)相接触。

3.根据权利要求2所述的旋转切削式供粉系统，其特征在于，所述罐体(10)前端和末端分别沿外侧周围形成前凸缘(101)和后凸缘(100),所述壳体(20)后端沿外侧周围形成凸起(200)；

所述罐体(10)通过后凸缘(100)和所述底盖(11)相连，所述前凸缘(101)与凸起(200)相连。

4.根据权利要求3所述的旋转切削式供粉系统，其特征在于，所述导流组件(21)包括导流锥(210)、支撑盘(211)以及导流锥支架(212)，所述支撑盘(211)设于导流锥支架(212)的后端，所述导流锥(210)设于导流锥支架(212)的前端，所述导流锥支架(212)用以支撑所述导流锥(210)；

所述支撑盘(211)安装于所述前凸缘(101)处或者凸起(200)处，所述流化气布气孔(2110)设于所述支撑盘(211)表面。

5.根据权利要求4所述的旋转切削式供粉系统，其特征在于，所述轮毂(230)和所述导流锥(210)相连。

6.根据权利要求2所述的旋转切削式供粉系统，其特征在于，驱动轮(5)通过传动轴(14)与切削轮(23)的轮毂(230)相连。

7.根据权利要求1所述的旋转切削式供粉系统，其特征在于，所述底盖(11)和驱动轮(5)之间设置有锁紧螺母(6)；

所述轴承套筒(15)向底盖(11)后端外部延伸，且所述锁紧螺母(6)设于轴承套筒(15)的末端，且所述锁紧螺母(6)与底盖(11)的后端相接触；

所述传动轴(14)向所述底盖(11)后端外部延伸，传动轴(14)的延伸长度大于轴承套筒(15)的延伸长度，所述驱动轮(5)设于所述传动轴(14)的末端，且所述驱动轮(5)和锁紧螺母(6)间隔设置。

8.一种粉末燃料冲压发动机，其特征在于，所述粉末燃料冲压发动机包括权利要求1-7任意一项所述的旋转切削式供粉系统。