阅读说明：本技术 一种高温燃气中金属粉末点火燃烧试验装置 (Metal powder ignition combustion test device in high-temperature gas ) 是由 冯运超 马立坤 夏智勋 黄利亚 陈斌斌 杨大力 张家瑞 李明泰 于 2020-04-02 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种高温燃气中金属粉末点火燃烧试验装置,包括非预混燃烧器以及燃烧室,非预混燃烧器和燃烧室密封连接在一起；非预混燃烧器包括炉体以及彼此独立设置在炉体内的氧化剂通道、燃料通道和粉末通道,氧化剂、燃料以及金属粉末分别通过氧化剂通道、燃料通道和粉末通道进入到燃烧室中点火燃烧；所述燃烧室下游的出口段为收缩结构,最末端的燃气出口处的截面积最小；燃烧室壁面上安装有透明观察窗。本发明能够为金属粉末的点火燃烧提供更接近实际的高温高压多种氧化性气体混合的环境,同时,采用先进的燃烧诊断设备可以对金属粉末整个点火燃烧过程进行分析,所获实验数据的工程应用价值高。(The invention provides a test device for ignition and combustion of metal powder in high-temperature gas, which comprises a non-premixed burner and a combustion chamber, wherein the non-premixed burner and the combustion chamber are hermetically connected together; the non-premixed burner comprises a furnace body, and an oxidant passage, a fuel passage and a powder passage which are independently arranged in the furnace body, wherein the oxidant, the fuel and the metal powder respectively enter a combustion chamber through the oxidant passage, the fuel passage and the powder passage to be ignited and combusted; the outlet section at the downstream of the combustion chamber is of a contraction structure, and the sectional area of a gas outlet at the tail end is the smallest; the wall surface of the combustion chamber is provided with a transparent observation window. The invention can provide an environment which is closer to the actual mixing of a plurality of oxidizing gases at high temperature and high pressure for the ignition combustion of the metal powder, and simultaneously, the whole ignition combustion process of the metal powder can be analyzed by adopting advanced combustion diagnosis equipment, and the engineering application value of the obtained experimental data is high.)

一种高温燃气中金属粉末点火燃烧试验装置

技术领域

本发明涉及一种金属粉末点火燃烧试验装置，特别涉及一种工况宽范围可调节的燃气环境中金属粉末点火燃烧试验装置。

背景技术

镁、铝等金属粉末在固体推进剂、炸药等含能材料中具有十分广泛的应用。在这些含能材料中，金属粉末蕴含的能量是通过其与高温氧化性燃气之间的化学反应释放出来的。高温氧化性燃气通常是含能材料中金属粉末以外的组分快速点火燃烧的产物，主要成分为氧气、水蒸气以及二氧化碳等氧化性气体的混合物，并且具有一定压强。因此，研究金属粉末在高温高压燃气环境中的点火燃烧过程，对于精准优化含能材料的配方组成、准确预示固体火箭发动机的工作性能和炸药的爆炸效果具有十分重要的意义。

为了模拟金属粉末点火燃烧过程中所处的高温氧化环境，通常采用一种预混的平面火焰燃烧器作为高温氧化性燃气的生成装置，记为A装置，如图1所示。它主要由多孔炉盘、预混腔以及供粉管道等组成。A装置的炉盘为多孔结构，可以采用预制的蜂窝状结构材料，也可以采用耐高温的金属材料机械加工而成。预混腔中设置有两层钢珠形成的空隙结构，燃料和氧化剂进入平面火焰燃烧器预混腔后，在两层钢珠区域进行充分混合。混合均匀的气体经过多孔炉盘以后，形成均匀的高温燃气。金属粉末通过供粉管道进入高温燃气中，进行点火燃烧。A装置工作时通常采用的燃料为碳氢化合物，氧化剂通常为空气、氧气。采用A装置可以获得金属粉末点火燃烧特性参数，为认识金属粉末的点火燃烧过程奠定了基础。但是在使用过程中，由于燃料和氧化剂在点火之前已经充分混合，安全性较差。为防止火焰器发生回火，燃料和氧化剂混合物的流速必须大于火焰传播速度，因此燃料的种类、燃料和氧化剂的配比以及压强需要控制在安全范围以内，导致难以实现燃气组分、温度、压强等参数的宽范围调节。例如，当研究金属粉末在水蒸气环境下点火燃烧特性时，A装置需要以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，此时由于预混氢氧的火焰传播速度很高，采用A装置难以营造高温高压的水蒸气环境。此外，由于在试验时A装置中的炉盘会直接暴露在高温氧化性燃气环境中，容易被烧蚀，因此需要频繁更换，经济性不好。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种高温燃气中金属粉末点火燃烧试验装置。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种高温燃气中金属粉末点火燃烧试验装置，包括非预混燃烧器以及燃烧室，非预混燃烧器和燃烧室密封连接在一起；非预混燃烧器包括炉体以及彼此独立设置在炉体内的氧化剂通道、燃料通道和粉末通道，氧化剂、燃料以及金属粉末分别通过氧化剂通道、燃料通道和粉末通道进入到燃烧室中点火燃烧；所述燃烧室下游的出口段为收缩结构，最末端的燃气出口处的截面积最小；燃烧室壁面上安装有透明观察窗。

进一步地，本发明所述炉体为可以设计为分体结构，包括首尾密封相连的多段炉体单元。分体结构便于整体的生产、运输、维修更换和安装。

进一步地，本发明所述炉体也可以设计为一体成型的整体结构。一体成型的结构，在整体性上以及整体的密封、承压等方面表现更出色。

作为本发明的优选方案，所述粉末通道为一根从炉体外部穿设到燃烧室的粉末导管。

作为本发明的优选方案，所述炉体内设有独立的燃料集气腔，燃料集气腔联通燃料入口，燃料从燃料入口进入到燃料集气腔，燃料集气腔通过管路联通燃烧室，将燃料集气腔内的燃气引入到燃烧室。所述炉体内设置有独立的氧化剂集气腔，氧化剂集气腔联通氧化剂入口，氧化剂从氧化剂入口进入到氧化剂集气腔，氧化剂集气腔通过管路联通燃烧室，将氧化剂引入到燃烧室。

作为本发明的优选方案，所述燃料入口以及氧化剂入口均设置有多个，多个燃料入口均匀分布在燃料集气腔的外围炉壁上，多个氧化剂入口均匀分布在氧化剂集气腔的外围炉壁上。

作为本发明的优选方案，所述燃料集气腔联通多根燃料导管，各燃料导管的出气口伸入到燃烧室，通过燃料导管将燃料集气腔内的燃气引入到燃烧室。

作为本发明的优选方案，所述炉体内的底壁上方设置有隔离板，隔离板与底壁之间的密闭空间即为燃料集气腔，所述隔离板上开设有用于穿设燃料导管的通孔，隔离板的上方设置有多孔泡沫板，隔离板与多孔泡沫板之间的空腔即为氧化剂集气腔，所述多孔泡沫板上开设有与隔离板上通孔一一对应的通孔，各燃料导管的进气口联通燃料集气腔，各燃料导管依次穿过隔离板以及多孔泡沫板上的通孔其出气口伸入到燃烧室，各燃料导管与隔离板之间设有密封结构，隔离板与炉体内侧壁之间以及多孔泡沫板与炉体内侧壁之间设有密封结构。

作为本发明的优选方案，所述燃料导管与多孔泡沫板上的通孔间隙配合，氧化剂集气腔中的氧化剂通过间隙进入到燃烧室。

作为本发明的优选方案，所述燃料集气腔内部设有钢珠支板，所述钢珠支板位于各燃料入口的上方，钢珠支板将燃料集气腔分为上下两个腔体，钢珠支板的板面开设有大量的通气孔且钢珠支板上的上腔体内填充有大量钢珠，燃料从燃料入口进入到燃料集气腔的下腔体，通过钢珠支板上的通气孔进入到燃料集气腔的上腔体，在填充有钢珠的上腔体充分混合。

作为本发明的优选方案，所述粉末通道从炉体底壁中心穿入炉体内后依次穿过燃料集气腔、氧化剂集气腔进入到燃烧室，粉末通道与炉体底壁以及隔离板之间设有密封结构。

作为本发明的优选方案，所述燃烧室包括承压罩，承压罩与非预混燃烧器的炉体密封连接；所述承压罩一侧壁上布置有火花塞和压力传感器；所述承压罩一侧壁设有一个大观察窗实现外部燃烧诊断设备对金属粉末的点火燃烧过程进行观测；所述承压罩两个相对的侧壁上设有中心对齐的两小观察窗，两小观察窗对应粉末通道出口位置，其中一个窗口用来作为外部光源的入口，另一个窗口用来对粉末射流的初始状态进行观察。

作为本发明的优选方案，所述燃烧室的出口段连接有喷喉，喷喉为石墨材料，喷喉通过喷喉卡套与收缩段进行连接，喷喉内的喷孔也为收缩结构，喷孔最末端的喷口处的截面积最小。

与现有方法相比，本发明具有的优点和有益效果包括：

本发明能够为金属粉末的点火燃烧提供更接近实际的高温高压多种氧化性气体混合的环境，同时，采用先进的燃烧诊断设备可以对金属粉末整个点火燃烧过程进行分析，所获实验数据的工程应用价值高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是A装置结构图；

图2是本发明试验系统总体图；

图3是本发明中非预混燃烧器剖视图；

图4是本发明中非预混燃烧器外观图；

图5是本发明中高压燃烧室剖视图一；

图6是本发明中高压燃烧室剖视图二；

图7是本发明中高压燃烧室外观图；

图8是本发明中金属粉末点火燃烧试验装置局部剖视图；

图9是本发明中金属粉末点火燃烧试验装置外观图；

图中标号：

1、燃气出口；2、大观察窗；3、多孔泡沫板；4、燃料导管；5、氧化剂入口；6、燃料入口；7、燃料集气腔；8、粉末导管；9、火花塞；10、上炉体；11、隔离板；12、下炉体；13、钢珠；14、钢珠支板；15、粉末导管密封腔；16、粉末导管密封盖；17、粉末导管保护管；18、氧化剂集气腔；19、泡沫板固定螺钉；20、紫铜密封垫；21、喷喉卡套；22、喷喉；23、收缩段；24、紫铜垫片；25、石棉垫片；26、方形压板；27、承压罩；28、火花塞密封垫；29、压力传感器；30、密封圈；31、圆形压板；32、小观察窗；33、密封槽；34、燃烧室。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参照图2，本实施例提供一种高温燃气中金属粉末点火燃烧试验装置，包括非预混燃烧器以及燃烧室34，非预混燃烧器和燃烧室34密封连接在一起。

非预混燃烧器包括炉体以及彼此独立设置在炉体内的氧化剂通道、燃料通道和粉末通道，氧化剂、燃料以及金属粉末分别通过氧化剂通道、燃料通道和粉末通道进入到燃烧室34中点火燃烧。氧化剂可以选择氧气、空气及其混合物，燃料可以选择碳氢化合物、氢气、一氧化碳及其混合物等。由于氧化剂和燃料是通过独立的通道供入到燃烧室中的，因此该燃烧器可以设置宽范围的燃烧工况，且安全性高。

非预混燃烧器中的氧化剂和燃料是通过不同的通道供入燃烧室的，两股气体在燃烧室中点火燃烧，形成高温燃气环境。所述炉体内设有独立的燃料集气腔7，燃料集气腔7联通燃料入口6，燃料从燃料入口6进入到燃料集气腔7，燃料集气腔7通过管路联通燃烧室34，将燃料集气腔7内的燃气引入到燃烧室34。所述炉体内设置有独立的氧化剂集气腔18，氧化剂集气腔18联通氧化剂入口5，氧化剂从氧化剂入口5进入到氧化剂集气腔18，氧化剂集气腔18通过管路联通燃烧室34，将氧化剂引入到燃烧室34。

所述粉末通道为一根从炉体外部穿设到燃烧室34的粉末导管8。所述粉末导管8从炉体底壁中心穿入炉体内后依次穿过燃料集气腔7、氧化剂集气腔18进入到燃烧室34。

本实施例中燃料集气腔7和燃烧室34的联通方式是：所述燃料集气腔7联通多根燃料导管4，各燃料导管4的出气口伸入到燃烧室34，通过燃料导管4将燃料集气腔7内的燃气引入到燃烧室34。具体地，所述炉体内的底壁上方设置有隔离板11，隔离板11与底壁之间的密闭空间即为燃料集气腔7，所述隔离板11上开设有用于穿设燃料导管4的通孔，隔离板11的上方设置有多孔泡沫板3，隔离板11与多孔泡沫板3之间的空腔即为氧化剂集气腔18。所述多孔泡沫板3上开设有与隔离板11上通孔一一对应的通孔，各燃料导管4的进气口联通燃料集气腔7，各燃料导管4依次穿过隔离板11以及多孔泡沫板3上的通孔其出气口伸入到燃烧室34，各燃料导管4与隔离板11之间密封设计，隔离板11与炉体内侧壁之间以及多孔泡沫板3与炉体内侧壁之间密封设计。密封结构设计可以采用橡胶密封垫/圈、密封胶、密封槽或/和紫铜密封垫中的一种或者两种配合实现。

本实施例中氧化剂集气腔18和燃烧室34的联通方式是：所述燃料导管4与多孔泡沫板3上的通孔间隙配合，氧化剂集气腔18中的氧化剂通过间隙进入到燃烧室34。氧化剂集气腔18中的氧化剂在燃料导管外部空隙之间进一步混合，最后混合均匀的氧化剂通过多孔泡沫板进入燃烧室。

所述燃烧室一侧壁上布置有火花塞9，所述燃烧室下游的出口段为收缩结构，最末端的燃气出口1处的截面积最小，使气流处于雍塞状态，保证燃烧室内的气体压强恒定。燃烧室壁面上安装有透光的大观察窗2，方便对燃烧中的金属粉末进行观测。利用该装置可以开展金属粉末在高温燃气环境中的点火燃烧特性试验研究。

实施例2：

参照图3和图4，本实施例提供一种非预混燃烧器，包括上炉体10、下炉体12、隔离板11、多孔泡沫板3、燃料导管4、钢珠13、粉末导管8、粉末导管保护管17、粉末导管密封盖16以及氧化剂和燃料的供应管道等。下炉体12的内部腔体为燃料集气腔7。下炉体12的四面侧壁上均设有燃料入口6，燃料为一种或多种燃料，外部的燃料在管道中进行初步混合后通入各燃料入口6，从下炉体12的4个侧壁方向进入燃料集气腔7。所述燃料集气腔7内部设有钢珠支板14，所述钢珠支板14位于各燃料入口6的上方，钢珠支板14将燃料集气腔7分为上下两个腔体，钢珠支板14的板面开设有大量的通气孔且钢珠支板14上的上腔体内填充有大量钢珠13，燃料从燃料入口6进入到燃料集气腔7的下腔体，通过钢珠支板14上的通气孔进入到燃料集气腔7的上腔体，在填充有钢珠13的上腔体充分混合，最后通过燃料导管4进入燃烧室34。

上炉体10的内部腔体为氧化剂集气腔18。上炉体10的四面侧壁上均设有氧化剂入口5，氧化剂为一种或多种氧化剂，外部的氧化剂在管道中进行初步混合后通入各氧化剂入口5，从上炉体10的4个侧壁方向进入氧化剂集气腔18，在燃料导管4外部空隙之间进一步混合，最后混合均匀的氧化剂通过多孔泡沫板3进入燃烧室34。

在炉体内部的粉末导管8外套有粉末导管保护管17。粉末导管8从下炉体12的炉体底壁中心穿入炉体内后依次穿过燃料集气腔7、氧化剂集气腔18进入到燃烧室34，粉末导管8与炉体底壁以及隔离板11之间设有密封结构。下炉体的炉体底壁外侧设置有粉末导管密封盖16，粉末导管密封盖16上开有直径为1.8mm的细孔，粉末导管8穿过此孔，并在粉末导管密封盖16其内侧的粉末导管密封腔15内填充704白胶，保证粉末导管8、粉末导管密封盖16以及炉体底壁之间良好的密封。

多孔泡沫板3的材质为316L不锈钢，其表面均匀布置有直径为1.2mm的通孔，相邻通孔之间的中心距离为2.0mm，多孔泡沫板3正中心位置通孔直径为2.5mm，为粉末导管保护管17的安装孔。隔离板的材料为不锈钢，其表面也均匀布置有直径为1.2mm的通孔，相邻通孔之间的中心距离为2.0mm，正中心位置通孔直径为2.5mm，为粉末导管保护管17的安装孔。

在燃烧器长时间工作后，燃料导管4和多孔泡沫板3存在被烧蚀的风险。因此本发明中，将多孔泡沫板3、燃料导管4和隔离板11组成燃烧器可更换的内芯。上炉体10、隔离板11和下炉体12之间通过装有橡胶密封圈的密封槽进行密封。隔离板11与燃料导管4和供粉导管保护管17之间通过甲基丙烯酸酯类耐高温胶水固定和密封。多孔泡沫板3通过泡沫板固定螺钉19限制在上炉体10内，泡沫板固定螺钉19与上炉体10之间安装有紫铜密封垫20，防止燃气泄漏。为防止多孔泡沫板3被高温燃气烧蚀，其被安装在距离燃烧器上表面10mm处。

实施例3：

参照图5、6和7，本实施例提供一种燃烧室，为高压燃烧室，包括承压罩27、收缩段23、喷喉22、大观察窗2、小观察窗32、2个圆形观察窗、火花塞9、压力传感器29等。高压燃烧室的主体为矩形承压罩27，在其侧壁面上布置有观察窗，方便外部燃烧诊断设备对金属粉末的点火燃烧过程进行观测。具体的，燃烧室34的一个侧面安装有长方形的石英玻璃的大观察窗2，两个相对的侧壁面上安装有中心对齐的圆形小观察窗2，另外一个侧壁面上布置有火花塞9和压力传感器29。大观察窗2其方形石英玻璃厚度10mm，采用方形压板26固定，石英玻璃与方形压板26和承压罩27之间安装有石棉垫片25，保证密封。方形压板26与承压罩27之间有多层的紫铜垫片24，防止方形压板26上的螺钉安装过程中受力不均匀引起压板变形，导致石英玻璃被挤压损坏。大观察窗2用来观测金属粉末点火燃烧的整个过程。两个圆形小观察窗处的石英玻璃采用与大观察窗相同的密封和固定方式。小观察窗32位于金属粉末的出口位置，一个小观察窗用来作为外部光源的入口，另一个小观察窗用来对粉末射流的初始状态进行观察。

所述燃烧室的出口段连接有喷喉，喷喉为石墨材料，喷喉通过喷喉卡套与收缩段进行连接，喷喉内的喷孔也为收缩结构，喷孔最末端的喷口处的截面积最小。

所述燃烧室34下游的出口段为收缩结构，即出口段也为燃烧室的收缩段23，其最末端的燃气出口处的截面积最小。所述燃烧室34的出口段连接有喷喉22，喷喉22为石墨材料，喷喉22通过喷喉卡套21与收缩段23进行连接，喷喉22内的喷孔也为收缩结构，喷孔最末端的喷口处的截面积最小。收缩段为不锈钢材料，喷喉为石墨材料。石墨材料的喷喉具有自润滑功能，防止燃烧产物沉积。喷喉可以根据实验工况进行更换，调整内型面结构和喷孔尺寸。压力传感器用来检测燃烧室压强，当燃烧室内部压强超过阈值时，通过控制系统切断氧化剂和燃料，保证试验装置的安全。

实施例4：

参照图8和9，本实施例提供一种高温燃气中金属粉末点火燃烧试验装置，其包括实施例2中所提供的非预混燃烧器和实施例3提供的燃烧室。

实施例4中非预混燃烧器如图3和4所示，主要包括上炉体10、下炉体12、隔离板11、多孔泡沫板3、燃料导管4、钢珠13、粉末导管8、粉末导管保护管17、粉末导管密封盖16以及氧化剂和燃料的供应管道等。首先采用工装件将多孔泡沫板3和隔离板11进行固定，保证两个零件上的孔对齐。之后将长度为75mm的燃料导管4插入到两个零件对齐的孔中，同时在隔离板11的下表面涂覆甲基丙烯酸酯类耐高温胶水，固定燃料导管4，并密封其与隔离板11之间的缝隙。由多孔泡沫板3、燃料导管4和隔离板11组成的整体安装到上炉体10中，并通过泡沫板固定螺钉19进行限位，防止多孔泡沫板移动。泡沫板固定螺钉19与上炉体10之间安装有紫铜垫片24，通过固定螺钉压紧，保证螺纹孔的密封。在下炉体12中，首先填充直径4mm的钢珠13，之后将上炉体10、隔离板11等部分安装到下炉体12上面，粉末导管8直接穿过下炉体12。上炉体10、隔离板11和下炉体12之间通过橡胶圈密封，三者通过螺钉压紧固定。最后在燃烧器中心位置的粉末导管保护管17中插入外径1.7mm，内径0.8mm的粉末导管8。同时，在燃烧器下炉体的底部安装粉末导管密封盖16，并在粉末导管密封腔15中灌入704胶。粉末导管密封盖16与下炉体12之间通过橡胶圈密封，通过螺钉紧固。待704胶固化以后，可以实现粉末导管与粉末导管密封盖之间的密封。如图4所示，上炉体10和下炉体12周围安装有两圈供气导管，将氧化剂和燃料分别从上炉体和下炉体的侧壁面均匀供入燃烧器中。

实施例4中的燃烧室如图5、6、7所示，主要包括包括承压罩27、收缩段23、喷喉22、大观察窗2、小观察窗32、2个圆形观察窗、火花塞9、压力传感器29等。高压燃烧室的主体为承压罩27，通过承压罩27上的法兰与非预混燃烧器连接。方形观察窗的长度为294mm，宽度54mm，石英玻璃厚度10mm。圆形观察窗的直径为15mm，石英玻璃厚度10mm，两个圆形观察窗的中轴线位于金属粉末出口附近，用来观测金属粉末点火之前的参数。燃烧室出口处为一小直径的通孔，以此来阻塞燃气，建立燃烧室内压强。在给定预设燃烧室压强、氧化剂和燃料配比、流量后，利用热力计算结果和流量公式，可以计算出燃烧室出口直径。燃烧室出口处安装有可更换的石墨喷喉，通过更换喷喉，可以实现燃烧室出口直径的调节。石墨喷喉通过喷喉卡套21固定在燃烧室出口。火花塞9通过螺纹孔固定在燃烧室侧壁下方，火花塞9与侧壁之间安装有火花塞密封垫28，保证密封。其中火花塞密封垫28为紫铜垫圈。压力传感器29与燃烧室侧壁面通孔连接，用来监测燃烧室内压强。

如图8和9所示，非预混燃烧器和高压燃烧室之间通过法兰连接，并用紫铜垫圈密封。该试验装置的氧化剂和燃料采用气体流量控制器精确控制，保证燃烧室压强稳定。

采用实施例4所提供的高温燃气中金属粉末点火燃烧试验装置，其试验过程如下：

1、根据试验工况，选用合适尺寸的喷喉，并预设气体流量控制器的流量值；

2、打开氧化剂阀门，打开火花塞，之后再打开燃料阀门；

3、待燃烧室内燃气压强稳定，关闭火花塞；

4、供入金属粉末，打开燃烧诊断设备，记录金属粉末的点火燃烧过程；

5、关闭金属粉末供应；

6、关闭燃料供应，再关闭氧化剂供应；

7、对燃烧室进行氮气吹除，确保无燃料残留。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。