一种粉末喷注压降和速度无级调控的方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于粉末喷注技术领域，特别涉及一种粉末喷注压降和速度无级调控的方法与装置，解决了现有喷注器喷注时，在发动机点火和推力调节过程中易发生喷嘴回火的问题。该方法包括以下步骤：步骤一：估算针栓式粉末喷注器的初始针栓开度，并将目标喷注速度转换为目标喷注压降；步骤二：控制电机和针栓移动，直至针栓移动到对应的针栓开度达到初始针栓开度；步骤三：获取针栓式粉末喷注器在工作状态时上、下游的喷注压降实际值；步骤四：对喷注压降实际值与目标喷注压降差分运算，依据差分运算结果向电机控制模块发送调节行程，以使电机带动针栓再次移动；步骤五：反复执行步骤三和步骤四，直至喷注压降实际值与目标喷注压降的差值小于设定误差。于设定误差。于设定误差。

【技术实现步骤摘要】
一种粉末喷注压降和速度无级调控的方法与装置


[0001]本专利技术属于粉末喷注
，特别涉及一种粉末喷注压降和速度无级调控的方法与装置。

技术介绍

[0002]粉末燃料由于热值和体积能量密度高，广泛应用于粉末火箭发动机、粉末冲压发动机和固体粉末组合冲压发动机等航天动力系统中。在发动机燃烧室中，粉末燃料往往通过流化气体以一定的喷注压降和速度喷射进入燃烧室中，进而组织高效稳定的燃烧。当喷注压降或喷注速度过低时，火焰容易回传至喷嘴中，造成喷嘴烧蚀、堵塞，甚至火焰回传至粉末供给系统引发爆炸。而当喷注速度过高时，火焰可能被吹熄，使得发动机无法成功点火或工作中止而失败。特别是，发动机点火或者推力调节过程中，燃烧室压强往往发生数倍至十数倍的变化，进而造成喷注压降和喷注速度远远偏离稳定燃烧条件，可能造成上述回火、点火失败或熄火等问题。
[0003]目前，常用的粉末喷注器多为固定面积的单孔或者环形结构，为了优先确保点火启动成功，其低压条件下喷注压降和喷注速度接近设计点，导致其高压条件下喷注压降和速度远低于设计点，易造成喷嘴回火或其他安全性问题。因此，亟需开发一种可对喷注压降和喷注速度进行主动调节的方法与装置，以确保喷注压降和喷注速度始终处于设计点，进而避免发动机点火和推力调节过程中发生上述安全性问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种粉末喷注压降和速度无级调控的方法与装置，以解决采用现有的粉末喷注器喷注燃料时，在发动机点火和推力调节过程中易发生喷嘴回火，存在安全隐患的技术问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，一种粉末喷注压降和速度无级调控的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0006]步骤一：依据气相流量和目标喷注速度，估算针栓式粉末喷注器的初始针栓开度，同时将目标喷注速度转换为目标喷注压降；
[0007]步骤二：向电机控制模块发出动作行程，以通过电机控制模块依次控制电机和针栓移动，直至针栓移动到对应的针栓开度达到所述初始针栓开度；
[0008]步骤三：获取压差传感器测量的所述针栓式粉末喷注器在工作状态时上、下游的喷注压降实际值；
[0009]步骤四：对所述喷注压降实际值与所述目标喷注压降进行差分运算，然后依据差分运算结果向电机控制模块发送调节行程，以使电机带动针栓再次移动；
[0010]步骤五：反复执行步骤三和步骤四，直至喷注压降实际值与目标喷注压降的差值小于设定的误差。
[0011]进一步地，步骤一中所述估算针栓式粉末喷注器的初始针栓开度时，假设针栓式
粉末喷注器的粉末出口处于均相流状态，估算针栓式粉末喷注器的初始针栓开度的计算过程为：
[0012]先采用下式[1]计算针栓式粉末喷注器所需的初始喷注面积A
j0
；
[0013]A
j0
＝q
m,g
/(ρ
g
v
js
)
ꢀꢀ
[1]；
[0014]式[1]中：q
m,g
为气相流量；ρ
g
为粉末喷注器出口处的气体密度，可根据粉末喷注器出口压力求出；v
js
为粉末目标喷注速度，均相流状态条件下等于气相喷注速度；
[0015]然后根据针栓式粉末喷注器的几何结构，建立针栓式粉末喷注器的喷注面积与针栓开度的函数关系式，将式[1]计算得到的初始喷注面积A
j0
代入该函数关系式，求解得到初始针栓开度。
[0016]进一步地，步骤一中所述将目标喷注速度转换为目标喷注压降时，通过喷注器喷注动力学模型进行转换；
[0017]所述喷注器喷注动力学模型如下式[2]所示：
[0018][0019]式[2]中：Δp
j
为目标喷注压降；q
m,s
为粉末流量；A0为粉末喷注器入口面积；Δp
s
为沿程压降，可通过下式[3]计算；Δp
*
为局部压降，可通过下式[4]计算；
[0020]所述式[3]为：
[0021][0022]式[3]中：Fr为弗劳德数，其中：v为气流速度，ρ
p
为粉末颗粒材料密度，g为重力加速度，d
p
为粉末颗粒直径；m为粉末颗粒和流化气质量流量比；l为喷注器粉末流道长度，与喷注器几何结构有关；d为喷注器粉末流道通流截面的水力直径，与喷注器几何结构有关；
[0023]所述式[4]为：
[0024][0025]式[4]中：ξ为局部损失系数；ε
u
为粉末与气相速度比。
[0026]本专利技术还提供了一种实现上述方法的粉末喷注压降和速度无级调控的装置，其特殊之处在于：
[0027]包括计算机；
[0028]所述计算机用于执行权利要求1所述方法。
[0029]进一步地，该装置还包括针栓式粉末喷注器、压差传感器以及电机控制模块；
[0030]所述针栓式粉末喷注器包括电机、与电机输出轴连接的针栓、以及套装在针栓上与针栓滑动连接的壳体；所述针栓可在电机的带动下在壳体内伸缩移动，用以调整针栓式粉末喷注器的针栓开度，进而改变喷注面积；在所述针栓式粉末喷注器的粉末入口或向其输送粉末的上游管路的出口端设置有第一测压口；在所述针栓式粉末喷注器的粉末出口或与其连接的相邻下游装置上设置有第二测压口；
[0031]所述压差传感器的两个压力输入接口分别与第一测压口和第二测压口连接，所述
压差传感器的输出端与所述计算机连接；所述压差传感器用于测量针栓式粉末喷注器在工作状态时上、下游的喷注压降实际值，并将该喷注压降实际值传输给计算机；
[0032]所述电机控制模块用于控制电机运动；
[0033]所述计算机与电机控制模块连接。
[0034]进一步地，为了结构简单，并且能非常方便地对针栓开度进行调节，进而实现喷注面积调节，所述电机连接在针栓的一端端部；
[0035]所述壳体套装在针栓的另一端上，与针栓之间形成沿针栓轴向延伸的环形粉末流道；壳体靠近电机的一端与针栓密封滑动连接，形成封闭端；壳体远离电机的另一端为所述针栓式粉末喷注器的粉末出口，且壳体内表面位于针栓式粉末喷注器粉末出口一端的端部为由端头向内渐缩的第一锥台状，针栓位于针栓式粉末喷注器粉末出口一端的端部为与所述第一锥台状相适配的由端头向内渐缩的第二锥台状；所述电机带动针栓在壳体内伸缩移动，通过改变第二锥台与第一锥台沿轴向的相对位置，对针栓式粉末喷注器的针栓开度进行调节；
[0036]在靠近所述封闭端的壳体侧面上设置有与所述环形粉末流道相通的粉末入口流道，该粉末入口流道与外部连通的一端即为所述针栓式粉末喷注器的粉末入口。
[0037]进一步地，为了使针栓式粉末喷注器适用于流动性相对液体较差的粉末的喷注，定义所述环形粉末流道中位于第一锥台与第二锥台之间的粉末流道为所述环形粉末流道的锥环扩张段；
[0038]所述环形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种粉末喷注压降和速度无级调控的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：依据气相流量和目标喷注速度，估算针栓式粉末喷注器(1)的初始针栓开度，同时将目标喷注速度转换为目标喷注压降；步骤二：向电机控制模块(4)发出动作行程，以通过电机控制模块(4)依次控制电机(11)和针栓(12)移动，直至针栓(12)移动到对应的针栓开度达到所述初始针栓开度；步骤三：获取压差传感器(2)测量的所述针栓式粉末喷注器(1)在工作状态时上、下游的喷注压降实际值；步骤四：对所述喷注压降实际值与所述目标喷注压降进行差分运算，然后依据差分运算结果向电机控制模块(4)发送调节行程，以使电机(11)带动针栓(12)再次移动；步骤五：反复执行步骤三和步骤四，直至喷注压降实际值与目标喷注压降的差值小于设定的误差。2.根据权利要求1所述的粉末喷注压降和速度无级调控的方法，其特征在于：步骤一中所述估算针栓式粉末喷注器(1)的初始针栓开度时，假设针栓式粉末喷注器(1)的粉末出口处于均相流状态，估算针栓式粉末喷注器(1)的初始针栓开度的计算过程为：先采用下式[1]计算针栓式粉末喷注器(1)所需的初始喷注面积A
j0
；A
j0
＝q
m,g
/(ρ
g
v
js
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
[1]；式[1]中：q
m,g
为气相流量；ρ
g
为粉末喷注器出口处的气体密度，可根据粉末喷注器出口压力求出；v
js
为粉末目标喷注速度，均相流状态条件下等于气相喷注速度；然后根据针栓式粉末喷注器(1)的几何结构，建立针栓式粉末喷注器(1)的喷注面积与针栓开度的函数关系式，将式[1]计算得到的初始喷注面积A
j0
代入该函数关系式，求解得到初始针栓开度。3.根据权利要求2所述的粉末喷注压降和速度无级调控的方法，其特征在于：步骤一中所述将目标喷注速度转换为目标喷注压降时，通过喷注器喷注动力学模型进行转换；所述喷注器喷注动力学模型如下式[2]所示：式[2]中：Δp
j
为目标喷注压降；q
m,s
为粉末流量；A0为粉末喷注器入口面积；Δp
s
为沿程压降，可通过下式[3]计算；Δp
*
为局部压降，可通过下式[4]计算；所述式[3]为：式[3]中：Fr为弗劳德数，其中：v为气流速度，ρ
p
为粉末颗粒材料密度，g为重力加速度，d
p
为粉末颗粒直径；m为粉末颗粒和流化气质量流量比；l为喷注器粉末流道长度，与喷注器几何结构有关；d为喷注器粉末流道通流截面的水力直径，与喷注器几何结构有关；
所述式[4]为：式[4]中：ξ为局部损失系数；ε
u
为粉末与气相速度比。4.一种实现权利要求1所述方法的粉末喷注压降和速度无级调控的装置，其特征在于：包括计算机(5)；所述计算机(5)用于执行权利要求1所述方法。5.根据权利要求4所述的粉末喷注压降和速度无级调控的装置，其特征在于：还包括针栓式粉末喷注器(1)、压差传感器(2)以及电机控制模块(4)；所述针栓式粉末喷注器(1)包括电机(11)、与电机(11)输出轴连接的针栓(12)、以及套装在针栓(12)上与针栓(12)滑动连接的壳体(13)；所述针栓(12)可在电机(11)的带动下在壳体(13)内伸缩移...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡加明，胡颖，杨建刚，李俊杰，魏荣刚，胡春波，李超，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：