CN219454014U - 粉末燃料供料系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种粉末燃料供料系统，系统包括：粉箱；气源供气装置，气源供气装置位于粉箱的进料口处，用于向粉箱内充入气体；活塞，活塞设于粉箱内，活塞的外壁与粉箱的内壁之间有间隙，以使气源供气装置充入的气体通过间隙进入粉箱内，驱动粉箱内的粉末从粉箱的出料口出料。本实用新型减小了活塞与粉箱壁面间的摩擦力，提升了粉末供料的可靠性和稳定性。

Description

粉末燃料供料系统

技术领域

本实用新型涉及粉末发动机技术领域，特别涉及一种粉末燃料供料系统。

背景技术

随着人类对近地空间的开发和对外太空的探索，航天器的任务越来越多样化，工作环境也越来越复杂，这对航天器的动力系统提出了更高的要求。在此背景下，粉末发动机应运而生，该类发动机以粉末燃料为推进剂，兼具液体发动机和固体发动机的优点，如推力可调、多脉冲启动、发射周期短等，具备巨大的应用潜力，因此受到各国研究者的青睐。

粉末燃料供料系统作为粉末发动机的核心部件，不仅要求其具备优异的粉末输运性能，还要考虑系统的集成化和轻量化。因此，其设计一直是粉末发动机发展中的重点与难点。现有的粉末供料系统多采用活塞驱动、流化气夹带的输送方法，即在粉箱尾部增设一个活塞以推动粉末向前，流化气从粉箱前部引入，粉末在活塞推力和气体夹带的双重作用下以气固两相流的形式排出粉箱。这一粉末供料系统最大的问题是可靠性低，由于活塞与粉箱采用强密封结构，活塞边缘与粉箱壁面间具有较强摩擦作用，因此存在系统阻力大、活塞易卡顿等潜在问题，对粉末的连续供给提出了挑战。另一方面，流化气夹带形式要求在粉箱前端引入流化气促流，该股气流与粉末的相互作用会导致出口附近出现强烈的气体湍动和粉末波动，影响粉末供给的稳定性。因此，亟需对现有的粉末燃料供料模式进行创新，发明更加高效的供料系统，以提升粉末供给性能。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中粉末供料系统活塞阻力大导致供料不连续的缺陷，提供一种粉末燃料供料系统。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

提供一种粉末燃料供料系统，系统包括：

粉箱；

气源供气装置，所述气源供气装置位于所述粉箱的进料口处，用于向所述粉箱内充入气体；

活塞，所述活塞设于所述粉箱内，所述活塞的外壁与所述粉箱的内壁之间有间隙，以使所述气源供气装置充入的气体通过所述间隙进入所述粉箱内，驱动所述粉箱内的粉末从所述粉箱的出料口出料。

可选地，所述活塞的外壁有凸起。

可选地，所述活塞的厚度满足以下条件：其中，h为所述活塞的厚度，D为所述粉箱的直径，d为所述活塞的直径，且所述活塞的直径小于所述粉箱的直径。

可选地，所述活塞的内部中空。

可选地，所述粉箱包括锥形的出料组件，所述出料组件上设有出料口。

可选地，所述系统还包括电磁阀、压力检测模块和处理器；

电磁阀，所述电磁阀连通所述粉箱的出料口，所述电磁阀还与所述处理器连接；

压力检测模块，所述压力检测模块设于所述粉箱内且与所述处理器连接，用于检测所述粉箱内的压力，并将所述压力发送至所述处理器。

可选地，所述气源供气装置包括管道以及设于所述管道上的流量计；

所述管道的一端用于输入外接供气设备，另一端与所述粉箱的进料口连接；

所述流量计用于测量所述管道内的气体流量；

所述处理器还与所述流量计电连接。

可选地，所述系统还包括摄像机，所述摄像机位于所述粉箱的出料口处，与所述处理器连接。

可选地，所述系统还包括粉末冶金头，位于所述粉箱的进料口，用于防止所述粉末漏出。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。

本实用新型的积极进步效果在于：通过活塞与粉箱壁面的间隙，减小供料系统供料时的摩擦力，使活塞不易卡顿，提升粉末供料的可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本实用新型一实施例提供的一种粉末燃料供料系统的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的一种粉末燃料供料系统的气源供气装置充入气体的示意图；

图3为本实用新型一实施例提供的一种粉末燃料供料方法的气体流量和粉箱内的压力的对应关系示意图；

图4为本实用新型一实施例提供的一种使用新型透气活塞的粉末供料系统与使用传统密封活塞的粉末供料系统的粉末供料流量对比图；

图5为本实用新型一实施例提供的一种使用新型透气活塞的粉末供料系统与使用传统密封活塞的粉末供料系统的相对固体浓度时间序列曲线图；

图6为本实用新型一实施例提供的一种使用新型透气活塞的粉末供料系统与使用传统密封活塞的粉末供料系统的相对标准偏差折线图。

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型。

图1为本实用新型实施例提供的一种粉末燃料供料系统的结构示意图，该粉末燃料供料系统包括粉箱14、气源供气装置11和活塞13；气源供气装置11位于粉箱14的进料口处，与粉箱14通过管道110连接，用于从粉箱的进料口(也即粉箱的尾部)向粉箱14内充入气体，活塞13设于粉箱14内，且活塞13的外壁与粉箱14的内壁之间有间隙，以使气源供气装置11充入的气体通过间隙进入粉箱14内并驱动粉箱14内的粉末从粉箱14的粉箱的出料口出料。

活塞与粉箱之间有间隙，可称之为新型透气活塞。以往的传统密封活塞采用强密封结构，活塞的边缘与粉箱壁面之间具有较强的摩擦力，存在阻力大、活塞易卡顿等问题，影响粉末供料的连续性。而本实用新型实施例提出透气活塞新概念，利用新型透气活塞代替传统的密封活塞，减小活塞与粉箱壁面之间的摩擦阻力，减小供料系统供料时的摩擦力，突破了活塞易卡顿的难题，提高粉末供料的连续性。

且本实用新型实施例中，气源供气装置11充入的气体可以通过活塞与粉箱壁面的间隙进入粉箱14内以使气体与粉末作用，采用该气体充压的方式，强化了粉箱内的气固作用效果，提升了粉末供料流速，从而无需在粉箱的出料口(也即粉箱前端)设置用于在粉箱前端引入流化气促流的供气支路，即可实现提升粉末供料流速的效果，简化了供气支路，使粉末燃料供料系统更加轻质化；进一步地，由于无需在粉箱前端引入流化气促流，从而可以避免该股气流与粉末的相互作用导致出口附近出现强烈的气体湍动和粉末波动，进而可以提高粉末供给的稳定性。

活塞与粉箱之间的间隙的形状根据实际情况自行设置，例如为环形。

在一个实施例中，活塞的外壁有凸起，凸起的分布包括均匀分布和分散分布，凸起的形状根据实际情况自行设置，例如为轮齿状，减少活塞和粉箱的接触面积，从而减小活塞与粉箱内壁的摩擦力，使活塞不易卡顿，较易被气体驱动。

在一个实施例中，活塞的厚度满足以下条件：其中，h为活塞的厚度，D为粉箱的直径，d为活塞的直径，保证活塞不会在粉箱内发生倾倒，避免活塞倾倒导致粉末溢出。

在一个实施例中，活塞的直径小于粉箱直径，活塞直径与粉箱直径之比根据实际情况自行设置，例如为0.9～0.99，保证活塞与粉箱内壁之间有间隙，使气源供气装置充入的气体可以通过间隙进入粉箱内部，从而驱动粉末出料。

在一个实施例中，活塞的内部中空，降低活塞的质量，进一步降低活塞和粉箱之间的摩擦阻力，使得活塞较易被气体驱动。

粉末燃料供料系统的活塞与粉箱内壁之间有环形间隙，活塞为透气活塞，活塞不用于密封而用于维持粉末形态，气源供气装置充入的气体不仅推动活塞运动，且能通过活塞边缘的间隙进入粉箱内，减小活塞与粉箱内壁间的摩擦力，使活塞不易卡顿，使粉末在活塞推力和气体夹带的双重作用下，以气体夹带固体颗粒物料的形式排出粉箱，气体夹带固体颗粒物料形式的动量和能量的交换更加直接，提高粉末供料的性能。

在一个实施例中，如图1所示，粉箱包括锥形的出料组件和圆柱形筒仓，出料组件上设有出料口。其中，锥形的出料组件的出口为粉箱14的出料口，出料口为圆孔用于粉末出料，减小粉末流动死区和粉末流动的阻力，有利于提高输送效率；锥形出料组件的角度α根据实际情况自行设置，例如为15～75°，或者为30～60°。

在一个实施例中，粉箱的进料口处设置有粉末冶金头，防止粉末从粉箱内漏出。

在一个实施例中，如图1所示，系统还包括电磁阀15、压力检测模块17和处理器18；电磁阀15连通粉箱14的出料口，电磁阀15还与处理器18电连接，电磁阀15用于控制粉箱的出料口的开关，压力检测模块17设于粉箱14内且与处理器18电连接，用于检测粉箱14内的压力，处理器18获取压力检测模块17的压力数据，并在粉箱14内的压力达到目标压力后，控制电磁阀15打开粉箱的出料口，以使粉末从粉箱的出料口出料，粉末在气体携带作用下喷射而出，保证粉末在目标压力下出料，确保粉末出料的准确性。

其中，目标压力根据实际情况自行设置。

在一个实施例中，如图1所示，系统还包括称重模块16，称重模块16位于粉箱的出料口的下方，与处理器电连接，用于称取粉箱出料的粉末质量并输送至处理器18，处理器根据粉末质量的变化计算粉末的供料流量，其中，粉末的供粉流量表征粉末质量与出料时长的对应关系，具体为出料的粉末质量与出料时长的比值。

在一个实施例中，如图1所示，气源供气装置包括管道110以及设于管道上的流量计12，管道110的一端用于输入外接供气设备，另一端和粉箱14的进料口连接，流量计12用于测量管道110内的气体流量，处理器18与流量计12电连接，以使供气设备注入粉箱14的气体流量达到目标流量。其中，目标流量根据实际情况自行设置，且该目标流量应能维持粉体顺畅出料。

在一个实施例中，气源供气装置包括储气罐，储气罐设置于管道上，用于存储并缓冲气体，气源供气装置提供的气体可以为压缩机或钢瓶提供的加压气体，稳定提供气体，以使粉箱内的压力保持平衡。

在一个实施例中，如图1所示，系统还包括摄像机19，摄像机19与处理器18连接，用于实时获取粉箱的出料口的图像并输送给处理器18，本实用新型实施例使用的摄像机为高速摄像机，处理器18用于根据摄像机19获取的图像进行处理分析，确定粉箱的出料口的粉末浓度，根据粉箱的出料口的粉末浓度和初始供料的粉末浓度的对应关系，进一步获得相对固体浓度，其中，相对固体浓度为粉箱的出料口的粉末浓度与初始供料的粉末浓度之比，相对固体浓度体现粉末供料的稳定性。

在一个实施例中，如图1所示，称重模块上设置有粉末收集器111，用于汇聚出料的粉末，以使称重模块16称取的粉末质量准确，有利于实时检测粉末质量变化。

与前述粉末燃料供料系统相对应，本实用新型实施例还提供一种粉末燃料供料方法，应用于前述粉末燃料供料系统，方法包括以下步骤：

S21、向填充有粉末的粉箱的进料口充入气体，以使气体从活塞与粉箱的间隙进入粉箱的同时驱动活塞向粉箱的出料口运动，以驱动粉箱内的粉末从粉箱的出料口出料。

充入气体之前需要放置粉箱以填充粉末，其中，粉箱放置的方式根据实际情况自行设置，例如竖直、倾斜。

其中，气源供气装置充入气体的方式参考图2，气体从粉箱的进料口注入，驱动活塞运动的同时，气体还经过活塞13和粉箱的间隙进入粉箱14直接作用在粉末上。

以往的粉末供料系统多采用活塞驱动、流化气夹带的输送方法，流化气夹带形式要求在粉箱出料口引入流化气促流，该股气流与粉末的相互作用会导致出口附近出现强烈的气体湍动和粉末波动，影响粉末供给的稳定性。

而本实用新型实施例提出了粉末充压新方法，气体从粉箱的进料口处注入并通过活塞与粉箱面的间隙进入粉末床层对粉末充压，替代了以往利用活塞对粉末加压，采用气体充压的方式，增加气体与粉箱内的粉末作用，强化了粉箱内的气固作用效果，提升了粉末供料流率。

且本实用新型实施例无需在粉箱的出料口引入流化气，简化了供气支路，使粉末燃料供料系统更加轻质化，提升了粉末供料稳定性。

在一个实施例中，气源供气装置对粉箱进行充压，粉箱内的压力与气源供气装置充入的气体流量呈正相关，对应关系表达式为：P＝f(Q)，其中，P为充入气体的目标流量，Q为粉箱内的压力，对应关系根据标定实验获得的数据进行线性拟合获得。

在一个实施例中，系统还包括称重模块，位于粉箱的出料口的下方，用于称取粉箱出料的粉末质量，当粉箱内的压力达到目标压力，出料口处电磁阀打开时，获取粉箱内出料的粉末质量。保证粉末在目标压力下出料，确保粉末出料的准确性和获取的粉末质量的精确性。

在一个实施例中，处理器还用于根据粉末质量变化确定粉末的供粉流量，其中，粉末的供粉流量表征粉末质量与出料时长的对应关系，具体为供粉流量为出料的粉末质量与出料时长之比，是衡量粉末燃料供料系统的指标，流量增量为供粉流量的增量，流量增量越大则表示供料效果越好。

本实用新型实施例采用单路供气，使用粉箱的进料口充入气体作为粉箱内流动的载体，减小气体湍流和粉箱的出料口处粉末的波动，该路气体既可驱动活塞及粉末又承担了流动载体的功能，通过强化气固接触和优化供气方式提升了粉末供料性能，在不降低粉末供料性能的前提下，提高供料的稳定性且简化了气路设计，有利于系统的集成化和轻质化。本实用新型实施例设备、操作简单，既增强了粉末供给性能，又优化了粉末供给系统，为粉末燃料高效输送提供了新思路，有利于推动新型粉末发动机的发展。下面结合图1的粉末燃料供料系统对粉末燃料供料方法作进一步的说明：

将粉箱14竖直放置，采用压缩装填的方式向粉箱14内加入一定质量的粉末，以获得初始致密料柱，随后将活塞13放置在粉末上，并将粉箱14水平放置，由气源供气装置11从粉箱的进料口处向粉箱14内充入气体；活塞13将粉箱内部分隔为气室与料室，气室充满通入的气体，料室放置粉末，气体通过管道110流入粉箱，流量计12在气体流动期间测量管道110内的气体流量，在气体流量达到目标流量时停止充入气体，控制进入粉箱14内的气体流量为目标流量，在目标流量作用下粉箱内的压力达到目标压力，压力检测模块17实时检测粉箱14内的压力，当粉箱14内的压力达到目标压力后，控制电磁阀15打开粉箱的出料口，粉末在气体携带作用下喷射而出，从粉箱的出料口出料，汇聚于称重模块16，称重模块16称取出料的粉末质量并输送给处理器18，处理器18获取称重模块16称取的粉末质量，并根据粉末质量变化确定粉末的供粉流量，其中，供粉流量为出料的粉末质量与出料时长之比。

本实用新型实施例中，气源供气装置充入的气体可以通过活塞与粉箱壁面的间隙进入粉箱内以使气体与粉末作用，采用该气体充压的方式，强化了粉箱内的气固作用效果，提升了粉末供料流速，从而无需在粉箱的出料口(也即粉箱前端)设置用于在粉箱前端引入流化气促流的供气支路，即可实现提升粉末供料流速的效果，简化了供气支路，使粉末燃料供料系统更加轻质化；进一步地，由于无需在粉箱前端引入流化气促流，从而可以避免该股气流与粉末的相互作用导致出口附近出现强烈的气体湍动和粉末波动，进而可以提高粉末供给的稳定性。

且以往传统料仓中依赖重力出料，出料方式为竖直向下下料，而本实用新型实施例中粉箱粉末依赖活塞推动以及气体驱动出料，出料方向以水平为主，粉末供料不受重力影响，提高粉末供料的稳定性。下面结合实验数据对粉末燃料供料系统和粉末燃料供料方法的效果作进一步说明：

选取一种平均粒径约33μm，密度为2490kg/m³的玻璃微珠粉末，该玻璃微珠粉末与常见的某粉末燃料具有相似的粒径分布、特征密度等，常被用作为粉末燃料代替介质。

粉箱由透明有机玻璃制成，圆柱形筒仓内径D为50mm，锥形出料组件直径为5mm，其中，锥形出料组件的出料口为粉箱的出料口。

活塞的结构参数如表1所示，其中活塞I为传统密封活塞，直径d为50mm，活塞II为本实用新型实施例提供的新型透气活塞，直径d为48mm，活塞I和活塞II的厚度H均为24mm。

表1

开展粉末供料实验，具体步骤为：

将粉箱旋转至竖直方向，将粉末通过筛子均匀填进粉箱中以获得初始致密料柱，此时粉箱内粉末浓度约为1370kg/m³，圆柱形筒仓的初始料柱装填长度L₀＝400mm，随后将活塞放置于料柱的上表面，并密封粉箱气室的进料口，将粉箱缓慢旋转至水平方向，气源供气装置充入气体，气体流量为Q，压力检测模块实时检测粉箱内的压力，当粉箱内的压力P达到目标压力后，控制电磁阀打开粉箱的出料口进行出料，粉末在气体携带作用下喷射而出，称重模块称取出料的粉末质量，摄像机实时记录粉箱的出料口处的图像，处理器获取压力检测模块检测到的压力、称重模块称取的粉末质量以及摄像机获取的图像，根据粉末质量变化确定粉末的供粉流量，并利用ImageJ软件对拍摄图片进行处理分析，获得粉箱的出料口处的粉末浓度，根据粉箱的出料口处的粉末浓度和供料的粉末浓度的对应关系，进一步获得相对固体浓度，其中，相对固体浓度为粉箱的出料口的粉末浓度与初始供料的粉末浓度之比。

其中，气体流量Q和粉箱内的压力P的对应关系通过开展标定实验获得的数据进行线性拟合获得，对应关系的表达式为：P＝f(Q)，对应关系如图3所示，对于本实验而言，P＝6.72Q-1.47，拟合的相关系数R2为0.99。

粉末的供料流量为粉末燃料供料系统的关键参数，也是衡量其性能优异的重要指标，如图4所示，通过对使用传统密封活塞和使用新型透气活塞的粉末供料流量在不同粉箱压力下的情况进行比较，得出本实用新型实施例提供的新型透气活塞可以显著提升粉末供料流量，且流量增量达到60％以上，流量增量为相对于传统密封活塞，新型透气活塞的供料流量的增量，流量增量越大则表示供料效果越好，且由图可知，新型透气活塞在高压条件下优势更加明显。

使用新型透气活塞的粉末燃料供料系统无需在粉箱的进料口处引入流化气流，出料口附近不会出现气体湍动和粉末波动，出料的稳定性更佳，如图5所示，本实用新型实施例将使用两种活塞的粉末燃料供料系统实验得到的相对固体浓度随时间的变化进行了对比，传统密封活塞的相对固体浓度不稳定，在0.4～1.0之间波动，随时间变化产生的波动较大，而新型透气活塞的相对固体浓度较为稳定，在0.8～1.0之间波动，波动较小，表明使用新型透气活塞的粉末燃料供料系统有更好的稳定性。

本实用新型实施例还对使用两种活塞的粉末燃料供料系统实验得到的相对固体浓度的RSD(相对标准偏差)进行了分析，如图6所示，新型透气活塞的RSD较小，表明波动较小，传统密封活塞的RSD较大，表明波动较大，因此可以据此得出使用新型透气活塞的粉末燃料供料系统的稳定性高。本实用新型实施例可以显著地提升粉末供给性能，并具有操作简单、原理简单和装置简易等特点。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种粉末燃料供料系统，其特征在于，所述系统包括：

粉箱；

气源供气装置，所述气源供气装置位于所述粉箱的进料口处，用于向所述粉箱内充入气体；

活塞，所述活塞设于所述粉箱内，所述活塞的外壁与所述粉箱的内壁之间有间隙，以使所述气源供气装置充入的气体通过所述间隙进入所述粉箱内，驱动所述粉箱内的粉末从所述粉箱的出料口出料。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述活塞的外壁有凸起。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述活塞的厚度满足以下条件：其中，h为所述活塞的厚度，D为所述粉箱的直径，d为所述活塞的直径，且所述活塞的直径小于所述粉箱的直径。

4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述活塞的内部中空。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述粉箱包括锥形的出料组件，所述出料组件上设有出料口。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电磁阀、压力检测模块和处理器；

电磁阀，所述电磁阀连通所述粉箱的出料口，所述电磁阀还与所述处理器连接；

压力检测模块，所述压力检测模块设于所述粉箱内且与所述处理器连接，用于检测所述粉箱内的压力，并将所述压力发送至所述处理器。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述气源供气装置包括管道以及设于所述管道上的流量计；

所述管道的一端用于输入外接供气设备，另一端与所述粉箱的进料口连接；

所述流量计用于测量所述管道内的气体流量；

所述处理器还与所述流量计电连接。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括摄像机，所述摄像机位于所述粉箱的出料口处，与所述处理器连接。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括粉末冶金头，位于所述粉箱的进料口，用于防止所述粉末漏出。