一种旋流进气式粉末推进剂供给装置

1.本发明涉及粉末发动机、mg/co2粉末火箭发动机以及粉末冲压发动机等航天动力系统，诸多此类动力装置广泛应用在深空探测和火星探索等技术领域，主要涉及一种旋流进气式粉末推进剂供给装置。


背景技术：

2.随着深空探测和近地采样技术的不断发展，对于航天器的要求也在提高，尤其是航天器中的动力系统，即要求自身能够适应复杂多变的恶劣环境，还要求具备能量高、比冲大等机动特性。在如此苛刻的要求下，一种结构简单可靠、推力可调控的粉末发动机应运而生。粉末发动机以高能金属粉末(镁、铝、硼等)为燃料，以液体或固体或气体为氧化剂，由于粉末推进剂形式和形状的特殊性，使得粉末发动机能够实现推进剂流量的灵活调节，从而让发动机具备多脉冲启停点火等优点，正成为研究和关注的热点之一。通过搭配不同比例的推进剂与氧化剂，或者与传统的发动机结合，目前国内外已开发了很多种类型的粉末发动机，比如粉末冲压发动机、al/ap粉末火箭发动机、mg/co2粉末火箭发动机、al/h2o 火箭发动机以及粉末水冲压发动机等。以上所述不同类型的粉末发动机广泛应用在航空、航天和航海领域。
3.粉末推进剂供给系统作为上述发动机中的关键部分，能否实现粉末推进剂的流量精准调节和稳定输送，对粉末发动机的高效率工作有直接影响，这就存在了一个共性问题：如何提高粉末推进剂的输送稳定性。
4.在已存在的研究中表明，按照活塞工作原理来说，粉末推进剂供给装置的类型主要分为电机驱动式和气压驱动式。在电机驱动式粉末推进剂供给装置中，虽然活塞速度能够实现精准调节，但是由于推动导杆结构的存在，降低了电机的功率转调性能。在气压驱动式粉末推进剂供给装置中，使用气体代替导杆来推动活塞运动，很大程度上降低了供给装置的结构复杂性。气压驱动式粉末推进剂供给装置的工作原理是平板活塞在驱动气体压力的作用下开始运动时，向流化腔内通入气体，以使粉末流态化，以气固两相流动的形式输出粉末推进剂，进入到燃烧室。在上述气压驱动式粉末推进剂供给装置中，流化气体的流入方式为环缝或环孔，很容易造成粉末堆积现象，降低了粉末流态化性能，进而影响粉末推进剂的输送特性。综上所述，为实现粉末推进剂的高效流化和提高输送稳定性，需要开发一种新型粉末推进剂供给装置，这对于后续发展高效的粉末推进剂流态化技术以及提高粉末发动机的工作机动性十分重要。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种旋流进气式粉末推进剂供给装置，流化气体通入粉末储箱内，在流化腔内会形成气相旋涡结构，此时粉末在旋流作用下能够更快的启动，极大增加了与流化气体的接触范围，更容易实现粉末流态化；在旋流进气构型下，气体的湍流脉动更强，这对于堆积状态下的粉末推进剂具有一定的扰动作用，也会实
现部分粉末流态化，很大程度上提高了粉末流态化性能。
6.本实用新型通过如下技术方案实现。
7.一种旋流进气式粉末推进剂供给装置，其特征在于，包括圆筒后端盖、圆筒直段端盖、锥形流化腔端盖、锥形套筒，所述圆筒后端盖通过等长螺柱固定在圆筒直段端盖后端，所述锥形套筒内侧通过等长螺柱固定在圆筒直段端盖的前端，所述锥形流化腔端盖位于锥形套筒的内侧并与锥形套筒贴合，所述圆筒后端盖、圆筒直段端盖、锥形流化腔端盖和锥形套筒共同组成粉末储箱，所述圆筒直段端盖内部设置有平板活塞，所述圆筒后端盖设置有驱动气体进气孔，粉末储箱中自平板活塞至锥形流化腔端盖处以一定的装填率静置贮存有粉末推进剂，锥形流化腔端盖设置有粉末推进剂的出口，所述锥形套筒上设有旋流式进气装置，所述旋流式进气装置包括若干旋流供气管，若干所述旋流供气管以切向方式安装在锥形流化腔端盖和锥形套筒的环状壁面上，旋流供气管一端伸入粉末储箱内形成圆形进气孔，旋流供气管连接气源。
8.进一步，驱动气体进气孔均匀的布置在圆筒后端盖的端面上，数量为4-9个。
9.进一步，圆筒后端盖与圆筒直段端盖通过等长螺柱连接并固定，在等长螺柱处增加螺母和弹簧垫圈部件用来拧紧和防松，并用不同规格大小的矩形橡胶密封圈一、矩形橡胶密封圈二密封，以防驱动气体泄漏。
10.进一步，锥形套筒和圆筒直段端盖通过等长螺柱连接并固定，在等长螺柱处增加螺母和弹簧垫圈部件用来拧紧和防松，并用矩形橡胶密封圈三密封，以防流化气体泄漏。
11.进一步，锥形流化腔端盖和锥形套筒之间通过圆锥销定位、连接并固定，同时锥形套筒的左端面与圆筒直段端盖之间通过等长螺柱连接并固定。
12.进一步，锥形流化腔端盖的出口设置类似节流阀的内凹型喉道，该内凹型喉道即为粉末推进剂的出口，目的是方便控制粉末的输出流量。
13.进一步，平板活塞内置在圆筒直段端盖内，且与圆筒直段端盖间隙配合，同时用o型橡胶密封圈密封，以防止驱动气流和流化气体泄漏，平板活塞包括含外置倒角面和无外置倒角面，其中无外置倒角的一端与驱动气体接触，用于平板活塞受力，含外置倒角的一端与粉末推进剂接触，用于推送粉末推进剂向前运动。
14.与现有技术相比，本实用新型的优点是：流化气体通入粉末储箱内，在流化腔内会形成气相旋涡结构，此时粉末在旋流作用下能够更快的启动，极大增加了与流化气体的接触范围，更容易实现粉末流态化；在旋流进气构型下，气体的湍流脉动更强，这对于堆积状态下的粉末推进剂具有一定的扰动作用，也会实现部分粉末流态化，很大程度上提高了粉末流态化性能。
附图说明
15.图1为本发明实施设计并开发的旋流进气式粉末推进剂供给装置的三维立体构型示意图；
16.图2为本发明实施设计并开发的旋流进气式粉末推进剂供给装置的完整几何构型示意图；
17.图3为本发明实施设计并开发的旋流进气式粉末推进剂供给装置的组成部件工作示意图；
18.图4为本发明实施设计并开发的旋流进气式粉末推进剂供给装置的旋流供气管装置的几何构型示意图；
19.图5为本发明实施设计并开发的旋流进气式粉末推进剂供给装置的单个旋流供气管装置的几何构型示意图；
20.图示说明：1-驱动气体进气孔、2-圆筒后端盖、3-矩形橡胶密封圈一、4-矩形橡胶密封圈二、5-螺母、6-弹簧垫圈、7-等长螺柱、8-圆筒直段端盖、9-o型橡胶密封圈、10
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平板活塞、11-粉末推进剂、12-矩形橡胶密封圈三、13-锥形流化腔端盖、14-锥形套筒、 15-圆形进气孔、16-圆锥销、17-旋流供气管、18-倒角。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为本实用新型的限定。
22.如图1至图4所示，一种旋流进气式粉末推进剂供给装置，其特征在于，包括圆筒后端盖2、圆筒直段端盖8、锥形流化腔端盖13、锥形套筒14，所述圆筒后端盖2通过等长螺柱7固定在圆筒直段端盖8后端，所述锥形套筒14内侧通过等长螺柱7固定在圆筒直段端盖8的前端，所述锥形流化腔端盖13位于锥形套筒14的内侧并与锥形套筒14贴合，所述圆筒后端盖2、圆筒直段端盖8、锥形流化腔端盖13和锥形套筒14共同组成粉末储箱，所述圆筒直段端盖8内部设置有平板活塞10，所述圆筒后端盖2设置有驱动气体进气孔1，粉末储箱中自平板活塞10至锥形流化腔端盖13处以一定的装填率静置贮存有粉末推进剂11，锥形流化腔端盖13设置有粉末推进剂11的出口，所述锥形套筒14上设有旋流式进气装置，所述旋流式进气装置包括若干旋流供气管17，若干所述旋流供气管17以切向方式安装在锥形流化腔端盖13和锥形套筒14的环状壁面上，旋流供气管17一端伸入粉末储箱内形成圆形进气孔15，旋流供气管17连接气源。
23.进一步，驱动气体进气孔1均匀的布置在圆筒后端盖2的端面上，数量为4-9个。
24.进一步，圆筒后端盖2与圆筒直段端盖8通过等长螺柱7连接并固定，在等长螺柱7 处增加螺母5和弹簧垫圈6部件用来拧紧和防松，并用不同规格大小的矩形橡胶密封圈一 3、矩形橡胶密封圈二4密封，以防驱动气体泄漏。
25.进一步，锥形套筒14和圆筒直段端盖8通过等长螺柱7连接并固定，在等长螺柱7 处增加螺母5和弹簧垫圈6部件用来拧紧和防松，并用矩形橡胶密封圈三12密封，以防流化气体泄漏。
26.进一步，锥形流化腔端盖13和锥形套筒14之间通过圆锥销16定位、连接并固定，同时锥形套筒14的左端面与圆筒直段端盖8之间通过等长螺柱7连接并固定。
27.进一步，锥形流化腔端盖13的出口设置类似节流阀的内凹型喉道，该内凹型喉道即为粉末推进剂11的出口，目的是方便控制粉末的输出流量。
28.进一步，平板活塞10内置在圆筒直段端盖8内，且与圆筒直段端盖8间隙配合，同时用o型橡胶密封圈9密封，以防止驱动气流和流化气体泄漏，平板活塞10包括含外置倒角面和无外置倒角面，其中无外置倒角的一端与驱动气体接触，用于平板活塞10受力，含外置倒角的一端与粉末推进剂接触，用于推送粉末推进剂向前运动。
29.在本发明所实施的案例中，所描述的圆筒后端盖2中安装法兰孔，数量为4-8个，在
圆筒后端盖2的端面上均匀分布，整体呈现中心对称分布结构。
30.所描述的圆筒后端盖2中设计驱动气体进气孔1，数量为4-9个，所设计的进气孔横截面积相等、轴向尺寸相同，均匀的布置在圆筒后端盖2中的端盖面上。此外，驱动气体的进气方式是垂直进气。
31.所描述的圆筒直段端盖8两端设有螺纹孔8-16个，即与圆筒后端盖2相连接的4-8 个螺纹孔和与锥形套筒14相连接的4-8个螺纹孔。其布置方式是均匀分布，整体呈现中心对称分布结构。
32.所描述的锥形套筒14中设有法兰孔4-8个，布置方式是均匀分布，整体呈现中心对称分布结构。
33.所描述的平板活塞10的数量为1个，内置在圆筒直段端盖8内部，且平板活塞10与圆筒直段端盖8垂直布置，实现整体的平移运动。
34.所描述的锥形流化腔端盖13和锥形套筒14的数量各为1个，二者通过圆锥销16紧固连接。
35.所描述的锥形流化腔端盖13与圆筒直段端盖8之间的连接角度，根据应用的对象不同，可以在120
°‑
160
°
范围内灵活调节。
36.所描述的圆形进气孔15和旋流供气管17共同组成旋流式进气装置，数量为4-8个，并以切向方式安装在锥形流化腔端盖13和锥形套筒14的环状壁面上，并通过焊接方式紧固连接。
37.所描述的矩形橡胶密封圈一3、矩形橡胶密封圈二4、矩形橡胶密封圈三12和o型橡胶密封圈9的数量为8-20个。具体使用数量根据实际情况而定。主要用在圆筒后端盖2、圆筒直段端盖8、锥形套筒14以及平板活塞10之间，布置方式为周向布置，作用是防止驱动气体和流化气体泄漏，影响平板活塞10的运动速度和粉末推进剂的流化性能。值得注意的是，在对平板活塞10和圆筒直段端盖8之间使用o型橡胶密封圈时，数量不应过多，防止摩擦力过大造成平板活塞的不稳定运动。
38.本发明提供的旋流进气式粉末推进剂供给装置，详细的工作原理是：在供给装置启动之初，平板活塞10位于圆筒后端盖2的尾部，粉末推进剂11以一定的装填率静置贮存在流化腔中。通过向圆筒后端盖2中的驱动气体进气孔1通入驱动气体，待流入驱动腔内部后，平板活塞10在驱动气压作用下平缓运动，与此同时，通过旋流供气管17和圆形进气孔15向流化腔内通入流化气体，与粉末储箱内的粉末推进剂11进行掺混流化，并以气固两相流动的形式流经锥形流化腔端盖13中的内凹形喉道，并顺利输出粉箱，完成整个粉末流化和输送过程。
39.旋流进气式粉末推进剂供给装置，其优点是流化气体通入粉末储箱内，在流化腔内会形成气相旋涡结构，此时粉末在旋流作用下能够更快的启动，极大增加了与流化气体的接触范围，更容易实现粉末流态化。其次，在平板活塞的推动和粉末重力共同影响下，在粉末储箱底部很容易发生粉末沉积现象，这就导致一部分粉末很难实现流态化，从而无法输出粉末储箱，十分不利于粉末推进剂的稳定输送。在旋流进气构型下，气体的湍流脉动更强，这对于堆积状态下的粉末推进剂具有一定的扰动作用，也会实现部分粉末流态化，很大程度上提高了粉末流态化性能。另外，本发明所设计的旋流供气管长度、数量、布置位置以及圆形进气孔的尺寸可根据粉末推进剂的粒径以及装填率的大小而事先调节，极大提高了
旋流供气管的自适应能力。通过本发明所设计的旋流进气式粉末推进剂供给装置可解决传统供粉装置产生的一系列问题，比如说；粉末流态化不充分，大量粉末沉积，粉末输送不稳定等，倘若将该粉末推进剂供给装置应用在实际工程中，其前景十分广阔，同时本发明的提出也为后续发展高效的粉末推进剂供给装置提供了很好的思路和参考。
40.以上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非因此限制本实用新型的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本实用新型说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本实用新型的保护范围内。