用于流动态金属燃料离散颗粒的点火装置的制作方法

本发明涉及一种金属燃料的点火装置，特别涉及一种流动态金属燃料离散颗粒点火的装置。

背景技术：

金属燃料具有极高的理论热值，已成为化学火箭推进剂配方中重要的含能组分之一。常见的金属燃料既包括镁、铝、钛、硼等金属或类金属单质，也包括两种及两种以上金属、类金属组成的化合物、合金和复合物等。为改善其点火燃烧特性，绝大多数的金属燃料会被加工成微米或纳米级的颗粒使用，称为金属燃料颗粒或粉末。为实现金属燃料颗粒在火箭发动机中的充分燃烧和释能，需要对其点火燃烧特性进行研究，以便科学地设计推进剂配方和发动机结构，合理地组织燃烧。

金属燃料颗粒在火箭发动机中的点火燃烧伴随着高速流动。因此，对流动态的金属燃料颗粒进行点火试验，比静止状态下的点火试验更接近工程实际，但也更加困难。目前，相关领域的研究学者通常利用平焰燃烧器等装置进行试验，将带有金属燃料的载气通入预混火焰中实现点火。然而，这种装置存在三方面缺陷：一是将载气通入预混火焰，会对原先的火焰结构产生干扰，影响其稳定性和均匀性；二是预混火焰和金属燃料颗粒燃烧的火焰重叠在一起，会为燃烧诊断带来不便；三是这种装置只能在开放环境中进行试验，未能实现流动态金属燃料颗粒在压力环境中的点火。因此，需要开发新的流动态金属燃料离散颗粒点火试验装置和方法，来克服这些缺陷。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供了一种用于流动态金属燃料离散颗粒的点火装置，该装置解决了金属燃料燃烧火焰结构稳定性和均匀性差、燃烧诊断不便的问题；同时，解决了只能在开放环境中试验的问题。

技术方案：本发明的用于流动态金属燃料离散颗粒的点火装置，包括射流燃烧器模块、氙灯点火模块和燃烧诊断模块。

所述射流模块包括压力燃烧器、以及用于向压力燃烧器内注入金属燃料颗粒的样品注射器。

所述压力燃烧器主体为横置的t型三通管，且所述三通管的三个端口均密封、且其顶部及侧边的端口分别设有透明的视窗，所述三通管未设端口的一侧开设有若干测孔和分别用于对压力燃烧器内部加压和泄压的进气通道和排气通道，且所述压力燃烧器设有用于对其冷却的第一冷却机构。所述压力燃烧器为不锈钢材质，三个端口均通过法兰盘密封，并具有良好密封性，能承受0-5mpa的内部压力，可使用氧气、空气、氮气、氦气、二氧化碳等不可燃气体对压力燃烧器进行加压，所述视窗为耐压石英玻璃视窗。其中，所述测孔设有三个，并分别水平贯通至三通管内部不同位置。使用时可开启，不使用时则密封。

所述样品注射器包括气流通道，所述气流通道其中一端连接用于盛放金属燃料颗粒的前端平台、另一端连接能够通入载气的电磁阀，其中所述前端平台能够插入压力燃烧器的其中一测孔，所述气流通道为不锈钢圆管。

所述氙灯点火模块用于对压力燃烧器内部加热至高温并点火，包括冷光镜、设于所述冷光镜第一焦点位置的氙灯，所述氙灯设有对其冷却的第二冷却机构。

所述燃烧诊断模块用于对压力燃烧器内部进行监测，包括光纤光谱仪、红外测温仪、高速摄影仪和红外热像仪，其中，光纤光谱仪的探头可插入压力燃烧器的其中一测孔，红外测温仪、高速摄影仪和红外热像仪能够透过视窗对压力燃烧器内部进行监测。

所述点火装置还包括用于控制燃烧诊断模块和储存数据的控制模块，包括分别控制氙灯和第二冷却机构启停、功率输出和转速的电源，还包括用于控制光纤光谱仪、红外测温仪、高速摄影仪和红外热像仪的启停、并对获取的测量数据进行采集和存储的计算机和数据采集卡，以及控制压力燃烧器加压气和样品载气的种类和压力的气瓶组和减压阀。

为方便氙灯点火模块在压力燃烧器内聚焦并产生高温点火，所述压力燃烧器内部设有凸台，所述凸台上端位于压力燃烧器中间，下端固定于三通管的底部端口的中心，且所述氙灯点火模块的光线能够透过压力燃烧器侧边的视窗聚焦，并使凸台上端位于冷光镜的第二焦点。

为实现对压力燃烧器的冷却，所述第一冷却机构包括绕设于所述压力燃烧器外周并能够外接冷却水源的水冷管。

所述前端平台上刻有细槽，用于盛放金属燃料样品颗粒。

为方便调节射流模块的位置和高度，所述射流模块还包括能够放置压力燃烧器并调节其高度和位置的升降台，同时便于聚光调焦。

为实现压力燃烧器内压力环境下点火，所述冷光镜为棱面椭球冷光镜，且所述冷光镜内表面镀有对可见光高反射、对红外光高透过的冷反光干涉膜；所述氙灯为球形短弧氙灯。短弧球形氙灯的额定输出功率为7kw，可将压力燃烧器内部最高温度(第二焦点处)加热至2000℃以上。其中，控制氙灯的大功率氙灯电源可实现短弧球形氙灯的输出功率在0-7kw范围内调节。

为实现对氙灯的冷却，所述第二冷却机构包括分别设于氙灯灯管正极端两侧及负极端后侧的冷却风机。所述冷却风机为轴流风机，额定转速为3000r/min。所述冷却风机电源可实现冷却风机的转速在0-3000r/min范围内调节。

为稳固氙灯点火模块，保证聚焦点位置的固定，所述氙灯点火模块还包括能够固定冷光镜、氙灯和冷却风机的支架，所述支架由不锈钢材质制成。

有益效果：1、本发明采用样品注射器进样，利用载气分散金属燃料颗粒并为其提供初速度，可有效实现颗粒离散化，同时可严格控制金属燃料颗粒流量和流速；2、本发明采用压力燃烧器作为金属燃料颗粒燃烧环境，可实现金属燃料颗粒在0-5mpa压力范围内的点火；3、本发明采用压力燃烧器作为金属燃料颗粒燃烧环境，可实现金属燃料颗粒在氧气、空气、氮气、氦气、二氧化碳等不可燃气体环境气氛下进行点火；4、本发明采用球形短弧氙灯对压力燃烧器内部环境进行加热，可压力燃烧器内部最高温度(第二焦点处)加热至2000℃以上，且不会对金属燃料颗粒的燃烧火焰产生干扰，不会产生火焰重叠；5、本发明采用棱面椭球冷光镜对氙灯光线进行聚光，由于棱面椭球冷光镜对可见光高反射，对红外光高透过，加热光线主要为可见光，不会对红外测温仪、红外热像仪等利用红外波段光线进行燃烧诊断的仪器设备产生干扰；6、本发明在压力燃烧器内部设置了凸台，便于聚光调焦，同时设置了多个测孔和耐压石英玻璃视窗，便于燃烧诊断设备对压力燃烧器内部进行监测；7、本发明采用移动式液压升降台放置压力燃烧器，可对其高度和位置进行连续调节，便于聚光调焦；8、本发明采用个人计算机和数据采集卡对燃烧诊断设备及测试数据进行集中控制和存储，为实验操作提供了极大便利。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中压力燃烧器的结构示意图；

图3为本发明中样品注射器的结构示意图。

具体实施方式

参见图1至图3，本发明一实施例所述的用于流动态金属燃料离散颗粒的点火装置，该装置能在压力环境中实现流动态金属燃料离散颗粒的点火，由射流燃烧器模块、氙灯点火模块、燃烧诊断模块和控制模块组成。

射流燃烧器模块包括压力燃烧器32、样品注射器15和升降台31，压力燃烧器32主体为横置的t型不锈钢三通管，三通管的三个端口分别由法兰盘ⅰ7、法兰盘ⅱ10和法兰盘ⅲ12密封，其中顶部端口与法兰盘ⅰ7间装配有耐压石英玻璃ⅰ8视窗，侧身端口与法兰盘ⅱ10间装配有耐压石英玻璃ⅱ11视窗；压力燃烧器侧身无端口的一侧竖直布置有三个测孔14，测孔14水平贯通至三通管内部不同位置，使用时可开启，不使用时则密封；测孔正下方设有进气通道13，测孔14正上方设有排气通道5，分别用于对压力燃烧器32内部的加压和泄压；压力燃烧器32周身布置有水冷管9，使用时需外接冷却水源；压力燃烧器32内部设有凸台6，凸台6上端位于压力燃烧器32中间，下端固定于三通管底部法兰盘ⅲ12中心；样品注射器15由气流通道3、前端平台4和电磁阀2组成，气流通道3为不锈钢圆管，一端接前端平台4，另一端接电磁阀2；使用时前端平台4可插入压力燃烧器32测孔14之一，并使用螺母密封；使用时从电磁阀2一端通入样品载气1；升降台31为移动式液压升降台，用于放置压力燃烧器32并调节其高度和位置。

氙灯点火模块包括冷光镜25、球形短弧氙灯24、冷却风机ⅰ23、冷却风机ⅱ28、冷却风机ⅲ30、支架ⅰ22和支架ⅱ27；冷光镜25为棱面椭球冷光镜，内表面镀有冷反光干涉膜，对可见光高反射，对红外光高透过；通过调节安装位置将球形短弧氙灯24固定在冷光镜25椭球的第一焦点，光线透过压力燃烧器32侧身耐压石英玻璃ⅱ11聚焦，使压力燃烧器32内部凸台6上端位于冷光镜25椭球的第二焦点；球形短弧氙灯24灯管正极端两侧分别布置冷却风机ⅰ23和30冷却风机ⅲ30，负极端后侧布置冷却风机ⅱ28；支架ⅰ22和支架ⅱ27均使用不锈钢搭建，用于固定冷光镜25、球形短弧氙灯24、冷却风机ⅰ23、冷却风机ⅱ28和冷却风机ⅲ30。

燃烧诊断模块包括光纤光谱仪17、红外测温仪19、高速摄影仪20和红外热像仪21；使用时光纤光谱仪17探头可插入压力燃烧器32测孔14之一，并使用螺母密封；红外测温仪19、高速摄影仪20和红外热像仪21通过压力燃烧器32顶部耐压石英玻璃ⅰ8对其内部进行监测。

控制模块包括大功率氙灯电源29、冷却风机电源30、个人计算机16、数据采集卡18、气瓶组33和减压阀34；大功率氙灯电源29和冷却风机电源30分别用于控制球形短弧氙灯24、冷却风机ⅰ23、冷却风机ⅱ28和冷却风机ⅲ30的启停、输出功率或转速；个人计算机16和数据采集卡18用于控制光纤光谱仪17、红外测温仪19、高速摄影仪20和红外热像仪21的启停，并对获取的测量数据进行采集和存储；气瓶组33和减压阀34用于控制压力燃烧器32加压气和样品载气1的种类和压力。

本发明的工作原理为：

试验时预先开启冷却风机ⅰ23、冷却风机ⅱ28和冷却风机ⅲ30，并使压力燃烧器32的水冷管9通水，随后开启球形短弧氙灯24，通过调节升降台31位置使氙灯光线聚焦于压力燃烧器32内部凸台6上端，通过红外热像仪21监测压力燃烧器32内部温度，直至内部温度场稳定。

为保障金属燃料颗粒样品分散性，将金属燃料颗粒与惰性颗粒(二氧化硅)进行掺混，随后将样品注射器15取出水平放置，在前端平台4细槽中放置适量掺杂了惰性颗粒的金属燃料颗粒样品，关闭电磁阀2，将样品注射器15前端平台4插入压力燃烧器32测孔14，并拧紧螺母密封，将样品载气管路接入样品注射器15气流通道3的电磁阀2一端。

将光纤光谱仪17探头插入压力燃烧器32测孔14，并拧紧螺母密封，关闭压力燃烧器32进气通道13和排气通道5，将加压气管路接入进气通道13，依次开启进气通道13和排气通道5，对压力燃烧器32内部进行洗气，洗气完成后关闭排气通道5，保持进气通道13开启，对压力燃烧器32内部进行加压，直至燃烧器内部压力达到试验工况设定值。

开启光纤光谱仪17、红外测温仪19、高速摄影仪20和红外热像仪21，随后开启样品注射器15电磁阀2，使样品载气1流入气流通道3，将掺杂了惰性颗粒的金属燃料颗粒样品携带至压力燃烧器32内部，在压力环境中实现流动态金属燃料离散颗粒点火，利用光纤光谱仪17、红外测温仪19、高速摄影仪20和红外热像仪21对金属燃料离散颗粒的点火燃烧过程进行在线监测。

利用个人计算机16和数据采集卡18对获得的测量数据进行采集和存储。

完成测试后依次关闭球形短弧氙灯24、冷却风机ⅰ23、冷却风机ⅱ28和冷却风机ⅲ30，并断开压力燃烧器32水冷管9水源，随后开启排气通道5对压力燃烧器32内部进行泄压。