CN113266821A - 一种金属粉末燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属粉末燃烧装置，包括导流管，导流管的顶部设置有燃烧装置，底部设置有金属粉末流化输送装置；燃烧装置为层流燃烧器或者湍流燃烧器；金属粉末流化输送装置包括粉末储存器，粉末储存器中开设有贯通的粉末储存腔，粉末储存腔中设置有可上下运动的活塞，活塞底部的活塞杆与伸缩驱动装置连接，粉末储存器的顶部设置有流化器；流化器中开设有贯通的流化腔。本发明的燃烧装置为研究金属粉末提供了良好的实验设备，既可以研究层流火焰的特性还可以借助此装置来研究湍流火焰的特性，为进一步的探究金属粉末燃料的燃烧现象做好了铺垫。

Description

一种金属粉末燃烧装置

技术领域

本发明涉及粉末燃料气相层流、湍流燃烧领域，尤其涉及一种金属粉末燃烧得到燃料气相层流、湍流火焰传播速度、火焰的形态以及燃烧产物分布的燃烧装置。

背景技术

近年来，各国在军事领域发展较为迅速，尤其是在固体、液体发动机的研究中更是硕果累累，但是想要进一步发展壮大本国的航空航天事业，仅仅是靠目前发动机所具备的性能还远远不够，于是各国的一些专家提出了一种新概念发动机——金属粉末发动机。这种发动机使用纯金属粉末作为燃料，兼具液体发动机和固体发动机的优点，在未来航空航天领域占有不可替代的地位，而且金属粉末燃料(Mg、Al、Be、B等)是一种新型燃料，其高热值和高密度的特点使添加了金属颗粒的推进剂能够有效提高发动机比冲，在军事科技领域有着广泛应用。20世纪50年代美国研究人员提出了金属粉末燃料冲压发动机和水冲压发动机的概念，由于当时研究人员没有认识到金属粉末燃料的重要性，所以此项研究被搁置。随着近十多年来高超声速飞行器和火星探测等领域的兴起，金属粉末发动机又重新引起了人们的研究兴趣。由于金属粉末燃料具有易于存储、抗老化、燃料流量可调性强、密度比冲高、燃烧产物高温下稳定不易离解的特性，所以它是发动机理想的燃料替代品。不仅仅如此，金属燃料作为能量载体在新能源领域同样具有潜在的巨大应用前景。新能源发电(太阳能、风能、水能等)的生产过程受气候、季节、昼夜的影响，导致电能产出不稳定，异地输运困难。相较于能量密度低的电池储能，金属燃料可以将新能源产出的电能进行大规模的储存和转移。某些金属在氧化层的保护下化学性能稳定，易于存储和长距离运输的优点被认为是新能源的理想能量载体之一。

由以上的研究可知，金属粉末燃料在未来的发展过程中将会尤为重要，能够深入理解金属粉末燃料的燃烧现象，对其精确测量的结果可以为燃烧机理模型的验证和发展提供数据支撑，为燃烧机理的预测精度提供有据可依的评价标准，基于此，设计一种金属粉末燃烧装置，为研究金属粉末的燃烧提供试验基础。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的是提供一种金属粉末燃烧装置，采用如下技术方案：

本发明一种金属粉末燃烧装置，包括导流管，所述导流管的顶部设置有燃烧装置，底部设置有金属粉末流化输送装置；

所述燃烧装置为层流燃烧器或者湍流燃烧器；

所述金属粉末流化输送装置包括粉末储存器，所述粉末储存器中开设有贯通的粉末储存腔，所述粉末储存腔中设置有可上下运动的活塞，所述活塞的外壁与所述粉末储存腔的内壁密封配合，所述活塞底部的活塞杆与伸缩驱动装置连接，所述粉末储存器的顶部设置有流化器；

所述流化器中开设有贯通的流化腔，所述流化腔的上端口与所述导流管连通，下端口与所述粉末储存腔连通；

所述流化腔的中部呈缩口状；

所述流化器的上开设有吹除通道和流化通道，所述吹除通道的一端口延伸连通至所述流化腔的上部，另一端口延伸至所述流化器的外壁；所述流化通道的一端口延伸连通至所述流化腔的下部，另一端口延伸至所述流化器的外壁。

进一步的，所述伸缩驱动装置包括步进电机-，所述步进电机-的驱动轴竖直朝下并且与丝杆-的上端部连接，所述丝杆-通过螺纹连接在丝杆座-上；所述步进电机-壳体侧壁上设置有多个导向杆-，所述导向杆-的下端滑动连接在所述丝杆座-上；所述步进电机-的底部与所述活塞杆下端连接。

进一步的，所述步进电机-的外壳体上设置有位移传感器-；

所述丝杆-的上端通过联轴器-与所述步进电机-的驱动轴连接。

进一步的，所述金属粉末流化输送装置还包括壳体、上压盖和下底盖，所述粉末储存器和流化器设置在所述壳体中，所述粉末储存器的下端抵在所述下底盖上，所述下底盖与所述壳体通过螺栓固定；

所述上压盖套设在所述导流管上，所述导流管下端的外壁上设置有压环，所述上压盖挤压所述压环，并通过螺栓与所述壳体固定。

进一步的，所述壳体的外壁上设置有两个接头，两个所述接头分别与所述吹除通道、流化通道连通。

进一步的，所述燃烧装置的外围设置有保护罩，所述保护罩的顶部设置有排气口，侧部设置有观察窗，所述观察窗的底部通过第一底板连接在所述导流管上。

进一步的，所述第一底板的周围呈环形布置有多个第一连接柱，所述第一连接柱的上端与所述第一底板连接，下端与第二底板连接；

所述第二底板连接在所述下底盖的底部，所述第二底板的周围呈环形布置有多个第二连接柱，所述第二连接柱的上端与所述第二底板连接，下端与第三底板连接；

所述丝杆座-设置在所述第三底板的顶面。

进一步的，所述层流燃烧器为空心柱形管结构；所述层流燃烧器设置在所述导流管的顶部端口，所述层流燃烧器的外壁上设置有稳流器,所述稳流器能够为金属粉末在所述层流燃烧器中燃烧时，提供稳定均匀的空气气流；

所述湍流燃烧器包括湍流燃烧器外壁管-，所述湍流燃烧器外壁管-的内壁上设置有能够让气流发生紊乱以便能形成湍流火焰的的涡扇叶片-。

进一步的，所述稳流器包括主管体-，所述主管体-套设在层流燃烧器的外壁上，底部为封闭结构，所述主管体-的侧壁上设置有通气口-；所述主管体-上端口设置有顶板-，所述顶板-的中部设置有避让所述层流燃烧器上端口的预留孔-，所述顶板-在预留孔-的周围均布开设有环形布置的稳流气孔-。

进一步的，所述粉末储存器的顶端设置有环状凹槽，所述环状凹槽与所述流化通道的下端口连通，所述环状凹槽的内圈通过坡形斜面结构与所述流化腔连通。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明一种金属粉末燃烧装置，具有可以观察层流火焰和湍流火焰形态的功能，整体操作简单安全，加工成本较低，本发明的燃烧装置为研究金属粉末提供了良好的实验设备，为进一步的探究金属粉末燃料的燃烧现象做好了铺垫。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明金属粉末燃烧装置的立体结构示意图；

图2为本发明金属粉末燃烧装置的主视结构示意图；

图3为图2中B-B方向的剖视图；

图4为本发明燃烧装置的剖视结构示意图；

图5为本发明稳流器的主视剖视图；

图6为本发明稳流器的俯视。

图7为本发明金属粉末流化输送装置的剖视结构示意图；

图8为图7中A处的局部放大图；

图9为图8中B处的局部放大图；

图10为本发明伸缩驱动装置的结构示意图；

图11为本发明保护罩的结构示意图；

图12为本发明湍流燃烧器的半剖结构示意图；

附图标记说明：1、导流管；2、燃烧装置；201、层流燃烧器；202、稳流器；202-1、顶板；202-2、预留孔；202-3、稳流气孔；202-4、主管体；202-5、通气口；203、湍流燃烧器；203-1、湍流燃烧器外壁管；203-2、涡扇叶片；3、金属粉末流化输送装置；301、粉末储存器；302、粉末储存腔；303、活塞；304、活塞杆；305、伸缩驱动装置；305-1、步进电机；305-2、丝杆；305-3、丝杆座；305-4、导向杆；305-5、位移传感器；305-6、联轴器；306、流化器；307、流化腔；308、吹除通道；309、流化通道；310、环状凹槽；311、壳体；312、上压盖；313、下底盖；314、接头；4、保护罩；401、排气口；402、观察窗；5、第一底板；6、第一连接柱；7、第二底板；8、第二连接柱；9、第三底板。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1至3所示，本实施例中公开了一种金属粉末燃烧装置，包括导流管1，导流管1的顶部设置有燃烧装置2，底部设置有金属粉末流化输送装置3。

燃烧装置2为层流燃烧器201或者湍流燃烧器203。金属粉末在层流燃烧器201中燃烧会出现层流火焰，金属粉末在湍流燃烧器203中燃烧会出现湍流火焰。

如图4所示，在本实施例中，燃烧装置2为层流燃烧器201，层流燃烧器201为空心柱形管结构，层流燃烧器201插接在导流管1的顶部端口，层流燃烧器201的外壁上设置有稳流器202，稳流器202能够为金属粉末在层流燃烧器201中燃烧时，提供稳定均匀的空气气流。

作为一种可能实现的方式，如图5和6所示，稳流器202包括主管体202-4，主管体202-4套设在层流燃烧器201的外壁上，其底部为封闭结构，主管体202-4的侧壁上设置有通气口202-5；主管体202-2上端口设置有顶板202-1，顶板202-1的中部设置有避让层流燃烧器201上端口的预留孔202-2，顶板202-1在预留孔202-2的周围均布开设有环形布置的稳流气孔202-3。

作为一种可能实现的方式，如图7所示，金属粉末流化输送装置3包括粉末储存器301，粉末储存器301中开设有贯通的粉末储存腔302，粉末储存腔302中设置有可上下运动的活塞303，活塞303的外壁与粉末储存腔302的内壁密封配合，活塞303的底部一体成型有活塞杆304，活塞杆304的下端与伸缩驱动装置305连接，伸缩驱动装置305驱动活塞303在粉末储存腔302中上下运动。

如图7和8所示，粉末储存器301的顶部设置有流化器306，流化器306中开设有贯通的流化腔307，流化腔307的上端口与导流管1连通，下端口与粉末储存腔302连通。流化腔307的中部呈缩口状，设计成缩口状是为了使气体和金属粉末加速混合，混合更均匀。当燃料混合物通过中部缩口后会降低流速，使燃料混合物最后到燃烧装置2的时的速度处于层流速度范围之内。

流化器306上设置有吹除通道308和流化通道309。吹除通道308的一端口延伸连通至流化腔307的上部，另一端口延伸至流化器306的外壁。流化通道309的一端口延伸连通至流化腔307的下部，另一端口延伸至流化器306的外壁。

为了提高金属粉末流化的均匀性，如图9所示，粉末储存器301的顶端设置有环状凹槽310，环状凹槽310与流化通道309的下端口连通，环状凹槽310的内圈通过坡形斜面结构与流化腔307连通。在本实施例中，坡形斜面结构向上偏5°，使下面的金属粉末燃料能被很好的吹起。

作为一种可能实现的方式，如图10所示，伸缩驱动装置305包括步进电机305-1，步进电机305-1的驱动轴竖直朝下并且与丝杆305-2的上端部连接，丝杆305-2通过螺纹连接在丝杆座305-3上；步进电机305-1壳体侧壁上固定有多个导向杆305-4，导向杆305-4的下端滑动连接在丝杆座305-3上；步进电机305-1的底部与活塞杆304下端连接。

为了精确控制活塞303上下移动的距离，在步进电机305-1的外壳体上设置有位移传感器305-5。

在本实施例中，丝杆305-2的上端通过联轴器305-6与步进电机305-1的驱动轴连接。

为了能够将导流管1、储存器301和流化器306有效固定在一起，作为一种可能实现的方式，如图1和5所示，金属粉末流化输送装置3还包括壳体311、上压盖312和下底盖313，粉末储存器301和流化器306设置在壳体311中，粉末储存器301的下端抵在下底盖313上，下底盖313与壳体311通过螺栓固定。上压盖312套设在导流管1上，导流管1下端的外壁上设置有压环101，上压盖312挤压压环101，并通过螺栓与壳体311固定。

壳体311的外壁上设置有两个接头314，两个接头314分别与吹除通道308和流化通道309。

为了提高燃烧装置2燃烧时的安全性，作为一种可能实现的方式，如图1、4和11所示，燃烧装置2的外围设置有保护罩4，保护罩4的顶部设置有排气口401，侧部设置有观察窗402，观察窗402的底部通过第一底板5连接在导流管1上。

为了提高整体结构的紧凑性、牢固性，如图1所示，在第一底板5的周围呈环形布置有多个第一连接柱6，第一连接柱6的上端与第一底板5连接，下端与第二底板7连接。

第二底板7通过螺栓连接在下底盖313的底部，第二底板7的周围呈环形布置有多个第二连接柱8，第二连接柱8的上端与第二底板7连接，下端与第三底板9连接；在本实施例中，丝杆座305-3固定在第三底板9的顶面。

本发明的流化燃烧过程为：

丝杆座305-3是固定不动的，步进电机305-1的输出轴带动丝杆305-2转动，由于丝杆座305-3固定，所以步进电机305-1在驱动丝杆305-2转动的同时做上下运动，同时，步进电机305-1的底部通过活塞杆304带动活塞303推动粉末储存腔302中的金属粉末进入流化腔307中。

外部气源(氮气)通过接头314进入流化通道309中，外部气体通过环状凹槽310与金属粉末在流化腔307混合并加速，使得金属粉末快速通过导流管1到达燃烧装置2。

通过引燃装置(点火器)将金属粉末在层流燃烧器201为的上端口处点燃，同时，外部空气通过管道从主管体202-4上的通气口202-5进入到主管体202-4内，由于顶板202-1上均布有稳流气孔202-3，使得空气在层流燃烧器201的周围均匀分布，进而金属粉末在层流燃烧器201中燃烧出现稳定的层流火焰。

此时，借助外部光学仪器来观察火焰的形态，并测量燃烧产物的组分以及燃烧温度。

实验结束后，外部气源(氮气)通过接头314进入吹除通道308中，将导流管1中残余的金属粉末吹除干净，防止回火现象的发生，进一步的提高了试验装置的安全性。

实施例二

如图12所示，在本实施例中，燃烧装置2为湍流燃烧器203，湍流燃烧器203包括湍流燃烧器外壁管203-1，湍流燃烧器外壁管203-1的内壁上设置有能够让气流发生紊乱以便能形成湍流火焰的的涡扇叶片203-2，各涡扇叶片203-2的中部与中心轴固定。

金属粉末在湍流燃烧器203中的点燃过程与层流燃烧器201相同，不同点是金属粉末在湍流燃烧器203中燃烧出现湍流火焰。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种金属粉末燃烧装置，其特征在于：包括导流管(1)，所述导流管(1)的顶部设置有燃烧装置(2)，底部设置有金属粉末流化输送装置(3)；

所述燃烧装置(2)为层流燃烧器(201)或者湍流燃烧器(203)；

所述金属粉末流化输送装置(3)包括粉末储存器(301)，所述粉末储存器(301)中开设有贯通的粉末储存腔(302)，所述粉末储存腔(302)中设置有可上下运动的活塞(303)，所述活塞(303)的外壁与所述粉末储存腔(302)的内壁密封配合，所述活塞(303)底部的活塞杆(304)与伸缩驱动装置(305)连接，所述粉末储存器(301)的顶部设置有流化器(306)；

所述流化器(306)中开设有贯通的流化腔(307)，所述流化腔(307)的上端口与所述导流管(1)连通，下端口与所述粉末储存腔(302)连通；

所述流化腔(307)的中部呈缩口状；

所述流化器(306)的上开设有吹除通道(308)和流化通道(309)，所述吹除通道(308)的一端口延伸连通至所述流化腔(307)的上部，另一端口延伸至所述流化器(306)的外壁；所述流化通道(309)的一端口延伸连通至所述流化腔(307)的下部，另一端口延伸至所述流化器(306)的外壁。

2.根据权利要求1所述的金属粉末燃烧装置，其特征在于：所述伸缩驱动装置(305)包括步进电机(305-1)，所述步进电机(305-1)的驱动轴竖直朝下并且与丝杆(305-2)的上端部连接，所述丝杆(305-2)通过螺纹连接在丝杆座(305-3)上；所述步进电机(305-1)壳体侧壁上设置有多个导向杆(305-4)，所述导向杆(305-4)的下端滑动连接在所述丝杆座(305-3)上；所述步进电机(305-1)的底部与所述活塞杆(304)下端连接。

3.根据权利要求2所述的金属粉末燃烧装置，其特征在于：所述步进电机(305-1)的外壳体上设置有位移传感器(305-5)；

所述丝杆(305-2)的上端通过联轴器(305-6)与所述步进电机(305-1)的驱动轴连接。

4.根据权利要求3所述的金属粉末燃烧装置，其特征在于：所述金属粉末流化输送装置(3)还包括壳体(311)、上压盖(312)和下底盖(313)，所述粉末储存器(301)和流化器(306)设置在所述壳体(311)中，所述粉末储存器(301)的下端抵在所述下底盖(313)上，所述下底盖(313)与所述壳体(311)通过螺栓固定；

所述上压盖(312)套设在所述导流管(1)上，所述导流管(1)下端的外壁上设置有压环(101)，所述上压盖(312)挤压所述压环(101)，并通过螺栓与所述壳体(311)固定。

5.根据权利要求4所述的金属粉末燃烧装置，其特征在于：所述壳体(311)的外壁上设置有两个接头(314)，两个所述接头(314)分别与所述吹除通道、流化通道连通。

6.根据权利要求5所述的金属粉末燃烧装置，其特征在于：所述燃烧装置(2)的外围设置有保护罩(4)，所述保护罩(4)的顶部设置有排气口(401)，侧部设置有观察窗(402)，所述观察窗(402)的底部通过第一底板(5)连接在所述导流管(1)上。

7.根据权利要求6所述的金属粉末燃烧装置，其特征在于：所述第一底板(5)的周围呈环形布置有多个第一连接柱(6)，所述第一连接柱(6)的上端与所述第一底板(5)连接，下端与第二底板(7)连接；

所述第二底板(7)连接在所述下底盖(313)的底部，所述第二底板(7)的周围呈环形布置有多个第二连接柱(8)，所述第二连接柱(8)的上端与所述第二底板(7)连接，下端与第三底板(9)连接；

所述丝杆座(305-3)设置在所述第三底板(9)的顶面。

8.根据权利要求1所述的金属粉末燃烧装置，其特征在于：所述层流燃烧器(201)为空心柱形管结构；所述层流燃烧器(201)设置在所述导流管(1)的顶部端口，所述层流燃烧器(201)的外壁上设置有稳流器(202),所述稳流器(202)能够为金属粉末在所述层流燃烧器(201)中燃烧时，提供稳定均匀的空气气流；

所述湍流燃烧器(203)包括湍流燃烧器外壁管(203-1)，所述湍流燃烧器外壁管(203-1)的内壁上设置有能够让气流发生紊乱以便能形成湍流火焰的的涡扇叶片(203-2)。

9.根据权利要求8所述的金属粉末燃烧装置，其特征在于：所述稳流器(202)包括主管体(202-4)，所述主管体(202-4)套设在层流燃烧器(201)的外壁上，底部为封闭结构，所述主管体(202-4)的侧壁上设置有通气口(202-5)；所述主管体(202-2)上端口设置有顶板(202-1)，所述顶板(202-1)的中部设置有避让所述层流燃烧器(201)上端口的预留孔(202-2)，所述顶板(202-1)在预留孔(202-2)的周围均布开设有环形布置的稳流气孔(202-3)。

10.根据权利要求1所述的金属粉末燃烧装置，其特征在于：所述粉末储存器(301)的顶端设置有环状凹槽(310)，所述环状凹槽(310)与所述流化通道(309)的下端口连通，所述环状凹槽(310)的内圈通过坡形斜面结构与所述流化腔(307)连通。

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