一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置制造方法及图纸

技术编号:15543040 阅读:197 留言:0更新日期:2017-06-05 12:08
本发明专利技术实施例提供了一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置,所述装置包括:金属颗粒离散装置、供粉细管、高温燃气点火系统、观测系统和粒子取样装置;所述金属颗粒离散装置位于所述高温燃气点火系统下方,通过供粉细管与所述高温燃气点火系统连接;所述观测系统设置在所述高温燃气点火系统上方;粒子取样装置在所述高温燃气点火系统上方移动实现取样。本发明专利技术能够直接获得单个微米级的金属颗粒点火燃烧状态,同时,通过平面火焰炉营造的金属颗粒点火燃烧环境更接近于实际金属颗粒的点火燃烧环境,所获实验数据的工程应用价值高。

Micron scale metal particle ignition combustion test device

The embodiment of the invention provides a micron metal particle ignition and combustion test device, the device comprises a metal particle discrete device, powder tube, high temperature gas ignition system, observation system and particle sampling device; the metal particles in the discrete device of high temperature gas ignition system is connected by a powder supply tube and the high temperature gas ignition system; the observation system is arranged on the top of high temperature gas ignition system ignition system; particle sampling device moves above in the high temperature gas sampling. The invention can obtain direct ignition and combustion state, single micron metal particles and metal particles through the flat flame burner to create ignition combustion environment more close to the actual metal particle combustion environment, the engineering application of experiment data of high value.

【技术实现步骤摘要】
一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置
本专利技术涉及一种点火燃烧试验装置,特别涉及一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置。
技术介绍
为提高发动机性能,现有技术通常会在推进剂中添加高能金属添加剂。添加高能金属添加剂,不仅可以提高推进剂的能量密度和发动机的比冲,还可以显著抑制推进系统的不稳定燃烧。因此,金属添加剂在固体推进系统中有着广泛应用。另外,面对日益严峻的能源安全问题,人们越来越重视新能源的开发利用。相比氢能、生物燃料和电池等,金属粉末燃料具有来源丰富、携带安全可靠、燃烧热值高以及环保等特点,有望成为未来化石燃料替代的解决方案。目前,研究以金属粉末为燃料的新型内燃机和外燃机已经成为新的重要研究方向。由于镁、铝金属颗粒的能量密度较高、燃烧温度高等优点,在固体推进剂中有着较为广泛的应用;由于铝颗粒和铁颗粒的来源广泛、价格低廉等优点,有望成为未来新型内燃机和外燃机的高能燃料。不论是固体推进装置还是新型的内燃机、外燃机,其内部流场都是高温燃烧火焰场。金属颗粒作为上述发动机的主要燃料,其很大一部分能量是来自于金属颗粒在高温流场中点火燃烧过程释放出来的。因此,深入认识金属颗粒的点火燃烧特性,探究金属颗粒点火延迟、点火温度、燃烧时间、燃烧温度等性能参数的变化规律,对准确预示发动机的性能具有重要意义。目前针对金属颗粒点火燃烧的研究主要有数值仿真和试验两种研究方法。数值仿真相对试验研究耗时较短、成本低,但由于在建模过程中进行了相应的简化处理,计算结果的准确度难以保证。试验研究是获得金属颗粒点火燃烧特性最直接的方法,目前常用的金属颗粒点火燃烧试验研究方法有采用高能激光/氙灯点火、激波点火、电加热点火以及热分析法等。高能激光/氙灯点火方式是利用激光或氙灯辐射处的能量进行加热颗粒并使其温度升高至着火点进而实现颗粒的点火燃烧。由于这种加热方式是通过光源的辐射进行加热的,因此使得金属颗粒的加热不均匀,且受颗粒表面吸收率影响较大,难以有效模拟发动机中金属颗粒的加热过程。此外,由于只有在光源焦点处存在较高的热流密度,难以对运动过程中的颗粒进行持续加热。激波点火方式是利用激波波后的高温高压气体使颗粒迅速升至高温并点燃。此试验方法可以有效模拟颗粒点火的高压环境,但是由于瞬间点火,难以清楚观测到金属颗粒点火的详细过程。电加热点火方式是利用电流热效应将金属颗粒点火。但通常由于金属颗粒处于电热片上通过热传导实现温度升高,这使得颗粒点火过程受到干扰,同时也存在受热非均匀的问题。热分析法主要是通过热重特性来间接反映金属颗粒的点火燃烧特性,颗粒是在密闭燃烧器内加热,无法观测其点火和燃烧过程中颗粒和火焰形态,难以获得丰富的试验数据。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种高温燃气环境中单个微米级金属颗粒点火燃烧试验装置,它能够模拟不同燃气组分、不同燃烧温度的工作环境,实现不同粒径的单个金属颗粒在火焰场中的点火燃烧;获得颗粒的运动轨迹、点火延迟时间、燃烧时间等参数以及不同时刻的金属颗粒燃烧中止状态。本专利技术“一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置”主要包括:金属颗粒离散装置、供粉细管、高温燃气点火系统、观测系统和粒子取样装置。所述金属颗粒离散装置主要包括高压直流电源、正极板、负极板、正极板保护壳、负极板保护壳、电极板隔离圈以及流化气供应系统。正极板在下方,负极板在上方;在负极板的中心处开有圆形的通孔,此孔为流化气携带金属颗粒的出口。高压直流电源正、负极分别连接到正极板和负极板上。电极板隔离圈安装在两个电极板之间。电极板隔离圈侧壁上开有圆形通孔,作为流化气供应系统中流化气进入金属颗粒离散装置的入口。正极板下方还安装有正极板保护壳,负极板上方还安装有负极板保护壳。在负极板保护壳上开有颗粒出口和供粉细管接口。金属颗粒离散装置未开始工作时,金属粉末放置在正极板上。优选的,负极板的中心处的通孔直径为0.2~1.0mm。优选的,负极板的中心处的通孔直径为0.5mm。优选的,为保证良好的绝缘性,正/负极板保护壳和电极板隔离圈均采用聚四氟乙烯材料。优选的,正极板和负极板的材料相同,均为紫铜。所述金属颗粒离散装置的工作原理为:将粒径为几微米至几十微米的金属颗粒置于金属颗粒离散装置的正极板上,当施加高电压后,金属颗粒会携带正电荷。在两极板间的电场作用下,金属颗粒克服重力并向上运动;当运动到负极板并与其接触后,金属颗粒释放其所携带的正电荷;之后,在重力作用下向下运动。金属颗粒在两极板间往复运动的过程中会将原本聚集在一起的金属粉末振荡离散成独立的颗粒,并弥散在正负极板之间。通过在两个电极板之间通入一股由气体质量流量器严格控制的流化气,可以将其中弥散的金属颗粒从负极板的颗粒出口处依次携带出来,实现单个金属颗粒的离散。所述金属颗粒离散装置通过供粉细管与所述高温燃气点火系统连接,金属颗粒经由供粉细管从金属颗粒离散装置进入高温燃气点火系统。优选的,供粉细管的内径大于等于所述负极板中心处的通孔直径。优选的,供粉细管外径为1.6mm,内径为0.8mm。优选的,供粉细管的材质为陶瓷。所述高温燃气点火系统主要由平面火焰炉、点火火花塞以及供气系统组成。所述平面火焰炉的整体为圆柱状,主要包括炉盘、炉体、底座、进气接嘴、预混腔支架、钢珠、供粉细管保护管以及供粉细管密封帽等。炉盘表面均匀布置有数个圆形通孔;炉体中设置有三个氧化剂和燃料混合区域,由下至上分别是预混腔、大钢珠区和小钢珠区;钢珠区由数个钢珠填充而成;大钢珠区和小钢珠区之间由不锈钢钢丝网隔离,所述钢丝网的孔径小于小钢珠区内钢珠的直径;大钢珠区和预混腔之间安装有钢珠支撑板,支撑板上设置有数个孔径小于大钢珠区内钢珠直径的通孔;预混腔内安装有预混腔支架;进气接嘴位于炉体下端壁面上,与预混腔连通;所述进气接嘴的数量为2,一个用于供应氧化剂,一个用于供应燃料;供粉细管密封帽安装在平面火焰炉底座表面,供粉细管密封帽上开通孔,供粉细管从所述通孔进入平面火焰炉。供粉细管从所述供粉细管密封帽插入,穿过炉体,从炉盘几何中心处的圆形通孔穿出;供粉细管外层装有不锈钢的保护套管。所述供气系统通过进气接嘴给高温燃气点火系统提供氧化剂和燃料。所述点火火花塞位于炉盘上方,用于点火,形成高温燃烧火焰。优选的,大钢珠区内的钢珠直径为4mm,小钢珠区内的钢珠直径为2mm。优选的,炉盘表面均匀布置有直径为0.3~0.5mm的通孔,相邻通孔之间的中心距离为0.5~1.0mm,并且在炉盘几何中心处开有方便供粉细管穿过的圆形通孔,所述炉盘几何中心处的通孔的直径大于等于供粉细管的外径。优选的,炉盘表面均匀布置有直径为0.5mm的通孔,相邻通孔之间的中心距离为1.0mm,并且在炉盘几何中心处开有方便供粉细管穿过的直径为1.8mm的通孔。优选的,供粉细管密封帽上通孔的直径大于等于供粉细管的外径。优选的,供粉细管密封帽上开有直径为1.8mm的细孔,并在密封帽内填充704白胶,保证良好的密封。优选的,高温燃气点火系统采用质量流量严格控制的甲烷和空气/氧气分别为燃料和氧化剂。高温燃气点火系统的工作原理:通过三个氧化剂和燃料混合区域实现燃料和氧化剂充分混合。利用电火花塞点火燃烧形成高温燃烧火焰,建立金属颗粒点火所需的高温燃气环境。观测系统主要包括高速摄影仪和长焦显微放大镜头。装有长焦显微放大镜本文档来自技高网
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一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置

【技术保护点】
一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置,其特征在于,所述装置包括:金属颗粒离散装置、供粉细管、高温燃气点火系统、观测系统和粒子取样装置;所述金属颗粒离散装置位于所述高温燃气点火系统下方,通过供粉细管与所述高温燃气点火系统连接;所述观测系统设置在所述高温燃气点火系统上方;粒子取样装置在所述高温燃气点火系统上方移动实现取样;所述金属颗粒离散装置主要包括高压直流电源、正极板、负极板、正极板保护壳、负极板保护壳、电极板隔离圈以及流化气供应系统;正极板在下方,负极板在上方;电极板隔离圈安装在两个电极板之间;高压直流电源正、负极分别连接到正极板和负极板上;在负极板的中心处设置颗粒出口;电极板隔离圈侧壁上开有流化气入口;流化气供应系统通过流化气入口与正负极板之间的空间连通;正极板下方还安装有正极板保护壳,负极板上方还安装有负极板保护壳;在负极板保护壳上开有颗粒出口和供粉细管接口。

【技术特征摘要】
1.一种微米级金属颗粒点火燃烧试验装置,其特征在于,所述装置包括:金属颗粒离散装置、供粉细管、高温燃气点火系统、观测系统和粒子取样装置;所述金属颗粒离散装置位于所述高温燃气点火系统下方,通过供粉细管与所述高温燃气点火系统连接;所述观测系统设置在所述高温燃气点火系统上方;粒子取样装置在所述高温燃气点火系统上方移动实现取样;所述金属颗粒离散装置主要包括高压直流电源、正极板、负极板、正极板保护壳、负极板保护壳、电极板隔离圈以及流化气供应系统;正极板在下方,负极板在上方;电极板隔离圈安装在两个电极板之间;高压直流电源正、负极分别连接到正极板和负极板上;在负极板的中心处设置颗粒出口;电极板隔离圈侧壁上开有流化气入口;流化气供应系统通过流化气入口与正负极板之间的空间连通;正极板下方还安装有正极板保护壳,负极板上方还安装有负极板保护壳;在负极板保护壳上开有颗粒出口和供粉细管接口。2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述高温燃气点火系统主要由平面火焰炉、点火火花塞以及供气系统组成;所述平面火焰炉的整体为圆柱状,主要包括炉盘、炉体、底座、进气接嘴、预混腔支架、钢珠、供粉细管保护管以及供粉细管密封帽;炉盘在炉体上方,底座在炉体下方;炉盘表面均匀布置有数个圆形通孔;炉体中设置有三个氧化剂和燃料混合区域,由下至上分别是预混腔、大钢珠区和小钢珠区;钢珠区由数个钢珠填充而成;大钢珠区和小钢珠区之间由不锈钢钢丝网隔离,所述钢丝网的孔径小于小钢珠区内钢珠的直径;大钢珠区和预混腔之间安装有钢珠支撑板,支撑板上设置有数个孔径小于大钢珠区内钢珠直径的通孔;预混腔内安装有预混腔支架;进气接嘴位于炉体下端壁面上,与预混腔连通;所述进气接嘴包括一个氧化剂进气接嘴和一个燃料进气接嘴,两个接嘴对称分布在炉体壁面上;供粉细管密封帽安装在平面火焰炉底座表面,供粉细管密封帽上开有一个通孔;供粉细管一端插入所述金属颗粒离散装置的供粉细管接口,一端从所述供粉细...

【专利技术属性】
技术研发人员:冯运超夏智勋黄利亚马立坤刘龙杨大力
申请(专利权)人:中国人民解放军国防科学技术大学
类型:发明
国别省市:湖南,43

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