一种稳焰器位置可调的粉末发动机及其稳焰器的安装方法

摘要

本发明提供一种稳焰器位置可调的粉末发动机及其火焰稳定器的安装方法，所述发动机包括粉末燃料供给装置、粉末氧化剂供给装置、燃烧室36和喷管34，所述粉末燃料供给装置和粉末氧化剂供给装置与燃烧室36分别通过管路与燃烧室36的前端连接，所述燃烧室36的后端与喷管34连接，所述燃烧室36内设置有火焰稳定器29，且所述火焰稳定器29在所述燃烧室36内轴向位置可调节。本发明稳焰器的位置可调，可根据发动机的不同运行工况的需求调节稳焰器的轴向位置，从而可以实现燃料的更为充分的燃烧，并且稳焰器的可拆卸的固定装置结构简单，实用和调节非常方便。

说明书

技术领域

本发明属于粉末火箭发动机技术领域，具体涉及一种稳焰器位置可调的粉末发动机及其稳焰器的安装方法。

背景技术

Al/AP(铝/高氯酸铵)粉末火箭发动机是一种利用超细铝粉作为燃料，高氯酸铵作为氧化剂的的火箭发动机，粉末发动机包括燃料流化供应段和燃料燃烧段两个部分，采用活塞推进配合高速气流将储箱中的粉末送入燃烧室内，在火焰稳定器的扰流作用下稳定燃烧，通过改变活塞推进速度及流化气气流速度改变流量，达到推力可调的效果。Al/AP粉末火箭发动机自身可携带氧化剂和燃料的特点使其可以在真空中工作，在航空航天领域具有良好的应用前景。

粉末供给技术是Al/AP粉末火箭发动机的关键技术之一，实现粉末燃料及氧化剂的连续、稳定、可控的供应是发动机稳定工作的前提。粉末的供应技术主要思想在于将储箱中的粉末流态化，在气力输送的同时配合活塞推进实现燃料的连续稳定供应，最终以气固两相流的形式喷入燃烧室。

火焰的稳定燃烧室Al/AP粉末火箭发动机成功工作的关键之一，在发动机顺利点火后燃料稳定燃烧才能实现推力的可调节。火焰稳定器的位置影响燃烧室内气流回流区域的位置，对火焰稳定的效果具有重要影响。

国防科学技术大学的孔龙飞在粉末燃料冲压发动机的粉末燃料供应装置流化喷管处增设了扰流锥体，并针对了扰流锥体不同构型和位置对流场中离散相颗粒浓度进行了计算分析，参考文献(粉末燃料供应装置中增设扰流锥体数值模拟研究，火箭推进，2012年第2期)；哈尔滨工程大学的贺征发明了一种预装填药柱的粉末燃料供应装置(专利号CN102644932A)，其使用电机驱动活塞，利用高温燃气切削药柱并对金属粉末进行单次流化。现有的粉末发动机的流化装置实现了推力可调，但是需要预先在储箱内装填燃料，结构的封闭性给燃料的再次装填带来不便，需要拆卸流化腔和储箱的连接部分进行装填，因此，粉末发动机流化供粉装置的优化是十分必要的。为了提升燃料粉末在发动机中的燃烧效率，需要在燃烧室内安装火焰稳定器(稳焰器)，而现有装置的火焰稳定器焊接在螺杆上固定的位置，稳定器的位置无法自由调节，为了满足不同工况下的要求，需要耗费大量的材料将火焰稳定器焊接在螺杆上不同的位置，造成材料的大量消耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种易稳焰器位置可调的粉末发动机及其稳焰器的安装方法以实现粉末的灵活高效装填以及稳焰器的位置可调。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种稳焰器位置可调的粉末发动机，所述发动机包括粉末燃料供给装置、粉末氧化剂供给装置、燃烧室和喷管，所述粉末燃料供给装置和粉末氧化剂供给装置与燃烧室分别通过管路与燃烧室的前端连接，所述燃烧室的后端与喷管连接，所述燃烧室内设置有火焰稳定器，且所述火焰稳定器在所述燃烧室内轴向位置可调节。

进一步地，所述燃烧室内固定有M个(M≥2)沿燃烧室中心轴线对称设置的金属滑轨，所述火焰稳定器通过可拆卸的固定装置与所述金属滑轨固定，且所述火焰稳定器的中心轴线与燃烧室的中心轴线重合。

进一步地，所述燃烧室包括燃烧室前面板，所述燃烧室前面板通过螺栓与燃烧室前端面连接，所述燃烧室前面板与燃烧室前端面之间设置有金属圆环垫片，所述金属圆环垫片上开设有M个通孔，M个所述金属滑轨的前端与金属圆环垫片上的M个通孔配合固定，所述燃烧室的末端内部固定有金属环，所述金属环的外环面与所述燃烧室的内壁贴合固定，所述金属环上开设有M个通孔，M个所述金属滑轨的末端与金属环上的M个通孔配合固定。

进一步地，所述可拆卸的固定装置包括M个套设在所述金属滑轨上的开口金属环，每个金属滑轨上套设一个开口金属环，所述开口金属环通过连接件固定于中心圆环，所述火焰稳定器的底部中间位置具有一内螺纹盲孔，所述火焰稳定器通过一穿过中心圆环的中心孔和所述火焰稳定器的内螺纹盲孔螺纹配合的螺栓与中心圆环固定连接，所述开口金属环的开口部分设置有从两个开口端面横向延伸出的两个金属片，两个所述金属片上均具有通孔，通过穿过所述金属片的通孔的螺栓螺母组件可实现开口金属环在金属滑轨上的夹紧和松懈。

进一步地，点火头通过穿过所述燃烧室壁面的空心金属管的通孔伸入燃烧室内，所述点火头位于所述金属滑轨之间。

进一步地，所述点火头为高能火花塞。

进一步地，所述M为2-4。

进一步地，所述粉末燃料供给装置包括储箱、活塞、粉末燃料供给装置前面板、流化腔、粉末燃料供给装置后面板、第一软管、空心金属管、活塞杆和漏斗，所述储箱的前端与粉末燃料供给装置前面板固定连接，所述活塞设置于所述储箱内，所述活塞包括沿其轴向中心线贯穿所述活塞的活塞通孔以及与所述活塞通孔平行设置的N个(N≥2)螺纹孔，所述空心金属管与所述活塞固定连接并与所述活塞通孔对接且所述空心金属管内部包括一段内螺纹，所述活塞杆的一端与电机连接另一端通过外螺纹与所述空心金属管的内螺纹配合连接，所述粉末燃料供给装置前面板开设有前面板中心孔和N个前面板通孔，所述第一软管为N个，每个第一软管穿过所述前面板通孔连接至所述螺纹孔，所述漏斗的小口端固定连接一长管，所述长管的末端包括一外螺纹段，所述外螺纹段的外螺纹能够与所述内螺纹配合，所述流化腔前端与储箱的后端固定连接，所述流化腔后端与所述粉末燃料供给装置后面板固定连接，所述粉末燃料供给装置后面板开设有通孔，所述粉末氧化剂供给装置的结构与粉末燃料供给装置相同。

进一步地，所述流化腔的腔体上开设有多个孔，每个所述流化腔的腔体上的孔上设置有一个第二气动接头，第二软管与所述第二气动接头连接。

一种如上述所述的粉末发动机的火焰稳定器的安装方法，包括以下步骤：

(1)将金属滑轨末端伸入金属环的通孔，使得金属圆环与金属滑轨相连；

(2)将火焰稳定器底部的螺纹盲孔与中心圆环的通孔对齐后，用与螺纹盲孔相匹配的螺栓旋入，将火焰稳定器固定在中心圆环上；

(3)将开口金属环套入金属滑轨并移动使得与金属环相连的火焰稳定器移动到实验工况所需要的位置，使用螺栓穿过金属环的金属片上的通孔后拧上螺母从而实现金属环紧固于金属滑轨上；

(4)将固定有火焰稳定器的金属滑轨从燃烧室后端开口伸入燃烧室并使得金属环进入并紧贴于燃烧室的内壁，并且所述空心金属管与金属滑轨的位置错开，将金属圆环垫片上的通孔与金属滑轨的前端配合安装后将燃烧室前面板与燃烧室前端面进行连接固定；

(5)发动机工作完毕后，拆下燃烧室前面板，取出火焰稳定器和金属滑轨，旋松金属片上的螺栓，使得火焰稳定器可滑动，调整到另一工况下的位置旋紧，再按照上述步骤重新安装在燃烧室内。

本发明具有以下有益效果：

(1)稳焰器的位置可调，可根据发动机的不同运行工况的需求调节稳焰器的轴向位置，从而可以实现燃料的更为充分的燃烧，并且稳焰器的可拆卸的固定装置结构简单，实用和调节非常方便；

(1)储箱内的粉末燃料耗尽时，可将活塞杆卸下，将金属漏斗与活塞上的空心金属管对接，直接向储箱内添加粉末，无需拆卸流化腔和储箱的连接部分；

(2)粉末在离开储箱后增设了流化腔，在侧向进气的二次扰动下改善了粉末流态化的效果。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明稳焰器位置可调的粉末发动机结构示意图。

图2是本发明燃烧室和喷管部分的结构示意图。

图3是本发明金属滑轨的结构和安装示意图。

图4是本发明可拆卸的固定装置和火焰稳定器的结构和安装示意图。

图5是本发明粉末燃料供给装置和粉末氧化剂供给装置的工作状态示意图。

图6是本发明粉末燃料供给装置和粉末氧化剂供给装置的装填状态示意图。

图7是本发明金属漏斗的结构示意图。

图8是本发明活塞的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图说明如下。

结合图1，一种稳焰器位置可调的粉末发动机，所述发动机包括粉末燃料供给装置、粉末氧化剂供给装置、燃烧室36和喷管34，所述粉末燃料供给装置和粉末氧化剂供给装置与燃烧室36分别通过管路39与燃烧室36的前端连接，所述燃烧室36的后端与喷管34连接，所述燃烧室36内设置有火焰稳定器29，且所述火焰稳定器29在所述燃烧室36内轴向位置可调节。

进一步地，所述燃烧室36内固定有M个M≥2沿燃烧室36中心轴线对称设置的金属滑轨20，所述火焰稳定器29通过可拆卸的固定装置与所述金属滑轨20固定，且所述火焰稳定器29的中心轴线与燃烧室36的中心轴线重合。

进一步地，结合图2，所述燃烧室36包括燃烧室前面板35，所述燃烧室前面板35通过螺栓与燃烧室前端面连接，所述燃烧室前面板35与燃烧室前端面之间设置有金属圆环垫片19，所述金属圆环垫片19上开设有M个通孔，M个所述金属滑轨20的前端与金属圆环垫片19上的M个通孔配合固定，所述燃烧室36的末端内部固定有金属环33，所述金属环33的外环面与所述燃烧室36的内壁贴合固定，所述金属环33上开设有M个通孔31，M个所述金属滑轨20的末端与金属环33上的M个通孔31配合固定。

进一步地，结合图3-4，所述可拆卸的固定装置包括M个套设在所述金属滑轨20上的开口金属环24，每个金属滑轨20上套设一个开口金属环24，所述开口金属环24通过连接件27固定于中心圆环30，所述火焰稳定器29的底部中间位置具有一内螺纹盲孔26，所述火焰稳定器29通过一穿过中心圆环30的中心孔28和所述火焰稳定器29的内螺纹盲孔26螺纹配合的螺栓与中心圆环30固定连接，所述开口金属环24的开口部分设置有从两个开口端面横向延伸出的两个金属片25，两个所述金属片25上均具有通孔，通过穿过所述金属片25的通孔的螺栓螺母组件可实现开口金属环24在金属滑轨20上的夹紧和松懈。

进一步地，点火头23通过穿过所述燃烧室36壁面的空心金属管21的通孔22伸入燃烧室36内，所述点火头23位于所述金属滑轨20之间。

进一步地，所述点火头23为高能火花塞。

进一步地，所述M为2-4，优选为2。

进一步地，开口金属环24的内壁面需要经过磨砂处理，金属滑轨20前端及末端与金属圆环垫片19及金属环33的连接处的内壁面需磨砂处理，保证贴合。

进一步地，结合图5-7，所述粉末燃料供给装置包括储箱10、活塞15、粉末燃料供给装置前面板16、流化腔11、粉末燃料供给装置后面板17、第一软管2、空心金属管、活塞杆1和漏斗13，所述储箱10的前端与粉末燃料供给装置前面板16固定连接，所述活塞15设置于所述储箱10内，所述活塞15包括沿其轴向中心线贯穿所述活塞15的活塞通孔8以及与所述活塞通孔8平行设置的N个(N≥2)螺纹孔9，所述空心金属管与所述活塞15固定连接并与所述活塞通孔8对接且所述空心金属管内部包括一段内螺纹5，所述活塞杆1的一端与电机连接另一端通过外螺纹与所述空心金属管的内螺纹5配合连接，所述粉末燃料供给装置前面板16开设有前面板中心孔和N个前面板通孔，所述第一软管2为N个，每个第一软管2穿过所述前面板通孔连接至所述螺纹孔9，所述漏斗13的小口端固定连接一长管，所述长管的末端包括一外螺纹段14，所述外螺纹段14的外螺纹能够与所述内螺纹5配合，所述流化腔11前端与储箱10的后端固定连接，所述流化腔11后端与所述粉末燃料供给装置后面板17固定连接，所述粉末燃料供给装置后面板17开设有通孔18，所述粉末氧化剂供给装置的结构与粉末燃料供给装置相同。

进一步地，所述流化腔11的腔体上开设有多个孔，每个所述流化腔11的腔体上的孔上设置有一个第二气动接头，第二软管12与所述第二气动接头连接。

进一步地，结合图5、8，每个所述螺纹孔9上设置有一个第一气动接头7，所述第一软管2与第一气动接头连接。

进一步地，所述粉末燃料供给装置前面板16通过螺栓与储箱10连接，所述储箱10通过螺栓与流化腔11连接，所述流化腔11通过螺栓与粉末燃料供给装置后面板15连接。

进一步地，所述N为2。

进一步地，所述活塞13的外壁面套有橡胶套保证其气密性。

进一步地，所述粉末为铝粉。

进一步地，所述储箱10的内壁经过抛光处理。

进一步地，空心金属管长度为粉末储箱10长度的五分之一，空心金属管内部中点处为起点向活塞侧切削内螺纹段5，切削长度为空心金属管的三分之一。在活塞杆1和金属漏斗13尾端切削与内螺纹段5匹配的外螺纹段，切削长度相同。

所述第一和第二软管为PVC软管。

本发明的粉末流化装置装填和供送燃料粉末或氧化剂粉末的方法，包括以下步骤：

(1)利用电机通过活塞杆1将活塞15拉至储箱10的前端，转动活塞杆1将其从空心金属管中旋出(活塞杆1与电机连接的部分随活塞杆1一起转动)；

(2)将漏斗13的长管末端的外螺纹段14旋入空心金属管中的内螺纹段5，实现漏斗13与活塞15的螺纹连接；

(3)通过漏斗13向储箱10内添加粉末，粉末沿漏斗13的长管通过空心金属管进入储箱10实现粉末的装填；

(4)粉末装填完毕后将漏斗13旋下再将活塞杆1旋入空心金属管；

(5)打开与第一软管2和第二软管12连接的气源和所述电机，流化气体通过第一软管2进入储箱10吹送粉末同时活塞15在电机的驱动下向储箱10后端移动，粉末在气力驱动和活塞驱动双重作用下，以气固两相流的形式进入流化腔11，侧向进气通过第二软管12进入流化腔11，在二次进气的扰动下，粉末进一步流态化后通过所述后面板17的通孔进入燃烧室。

本发明的粉末发动机的火焰稳定器的安装方法，包括以下步骤：

(1)将金属滑轨20末端伸入金属环33的通孔31，使得金属圆环33与金属滑轨20相连；

(2)将火焰稳定器29底部的螺纹盲孔26与中心圆环30的通孔28对齐后，用与螺纹盲孔26相匹配的螺栓旋入，将火焰稳定器29固定在中心圆环30上；

(3)将开口金属环24套入金属滑轨20并移动使得与金属环24相连的火焰稳定器29移动到实验工况所需要的位置，使用螺栓穿过金属环24的金属片25上的通孔后拧上螺母从而实现金属环24紧固于金属滑轨20上；

(4)将固定有火焰稳定器29的金属滑轨20从燃烧室后端开口伸入燃烧室36并使得金属环33进入并紧贴于燃烧室36的内壁，并且所述空心金属管21与金属滑轨20的位置错开，将金属圆环垫片19上的通孔与金属滑轨20的前端配合安装后将燃烧室前面板35与燃烧室前端面进行连接固定；

(5)发动机工作完毕后，拆下燃烧室前面板35，取出火焰稳定器29和金属滑轨20，旋松金属片25上的螺栓，使得火焰稳定器29可滑动，调整到另一工况下的位置旋紧，再按照上述步骤重新安装在燃烧室36内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。