本发明公开的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法及装置，属于流化粉末输送领域。本发明包括粉末存储及供应段和粉末流化段。粉末存储及供应段包括活塞和储罐。粉末流化段包括外旋流流化气入口、流化腔、内旋流流化气入口、喷头、喷头安装块和收缩出口。本发明结合机械式供粉与气动式供粉的优点，通过外力驱动粉末储罐末端的活塞，利用活塞推动储罐内的粉末精确控制粉末的输送量，保证粉末物料的连续稳定供应。在流化腔内，外旋流沿粉末外层剪切粉末并冲刷流化腔内壁面，且内旋流喷头在切向气流的反作用力下产生自旋，即利用内外双旋流对粉末充分流化，防止出现不良流化现象，粉末经收缩出口加速后高效稳定地输送至有着较高压强的目标环境中。
1.一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法，其特征在于：结合机械式供粉与气动式供粉的优点，通过外力驱动粉末储罐末端的活塞，利用活塞推动储罐内的粉末精确控制粉末的输送量，保证粉末物料的连续稳定供应粉末流化腔；在流化腔内，外旋流沿粉末外层剪切粉末并冲刷流化腔内壁面，且内旋流喷头在切向气流的反作用力下产生自旋，即利用内外双旋流对粉末充分流化，防止出现不良流化现象，粉末经收缩出口加速后高效稳定地输送至有着较高压强的目标环境中；
2.一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置，用于实现如权利要求1所述的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法，其特征在于：用于实现所述一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法；所述稳定供粉装置，包括粉末存储及供应段和粉末流化段；粉末存储及供应段包括活塞(1)和储罐(2)；活塞(1)与储罐(2)之间设置有密封结构，活塞(1)设有用于与外部动力装置相连接的连接杆，储罐(2)内存储粉末物料；粉末流化段包括外旋流流化气入口(3)、流化腔(4)、内旋流流化气入口(5)、喷头(6)、喷头安装块(7)和收缩出口(8)；
流化腔(4)的内腔为锥形，锥形底部四周设置有切向分布的外旋流流化气入口(3)，锥形顶部安装有喷头安装块(7)；安装块(7)四周设置有径向分布的内旋流流化气入口(5)，外旋流流化气入口(3)和内旋流流化气入口(5)与流化气进气管路相连接；喷头安装块(7)固定于流化腔(4)与收缩出口(8)之间；喷头(6)连接旋喷头安装块(7)中心，并与内旋流流化气入口(5)相连通，喷头(6)通过自身的切向出气孔能够在流化腔(4)内产生内侧气旋。
3.如权利要求2所述的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置，其特征在于：为了进一步改善对粉末的流化效果，原固定于喷头安装块(7)的喷头(6)采用自旋式的喷头(6)；
自旋式喷头(6)包括切向出气孔(6.1)、台阶式转轴(6.2)、套筒(6.3)和固定螺母(6.4)；套筒(6.3)通过螺纹固定于自旋式喷头安装块(7)的中心；台阶式转轴(6.2)通过套筒(6.3)、固定螺母(6.4)及台阶式转轴(6.2)自身的台阶式结构实现轴向固定，通过套筒(6.3)实现径向固定；切向出气孔(6.1)与台阶式转轴(6.2)通过螺纹固连；在切向出气孔(6.1)出气时，切向出气孔(6.1)和台阶式转轴(6.2)在切向气流的反作用力下一起产生自旋，使随台阶式转轴(6.2)旋转的切向出气孔(6.1)能够与内部气旋同步变化，使粉末流化段的内部流场连续变化，进一步扰乱外旋流的流场结构，改善对粉末的流化效果。
4.如权利要求2所述的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置，其特征在于：通过调节气孔大小、气体流量、活塞的位移、活塞的速度、装置结构尺寸实现对粉末输送量的精确控制和充分流化。
5.如权利要求4所述的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置，其特征在于：粉末输送的质量流量与活塞速度、粉末储罐内径之间的关系表示为：
其中， 为粉末质量流量，Di为储罐(2)内径，为粉末装填系数，ρ为粉末真实密度，v为活塞(1)的推进速度。
6.如权利要求2所述的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置，其特征在于：采用活塞(1)和圆筒形的储罐(2)之间的多个密封圈，实现活塞(1)与储罐(2)之间的动密封，保证活塞(1)在储罐(2)中运动时的稳定性。
7.如权利要求2所述的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置，其特征在于：储罐(2)、流化腔(4)、喷头安装块(7)、收缩出口(8)各部件之间采用法兰连接便于密封，提高粉末流化段腔内压强，能够实现向高压环境中输送粉末。
8.如权利要求2、3、4、5、6或7所述的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置，其特征在于：通过外力推动活塞(1)，活塞(1)将储罐(2)内的粉末供应至粉末流化段，通过在流化腔(4)的底端均布设置的多个外旋流流化气入口(3)，在外部气源提供流化气后，在粉末流化段的锥形内腔中形成外侧气旋，外侧气旋不断剪切储罐(2)中被活塞(1)推来的粉末，并冲刷粉末流化段的内壁面，使粉末在气体拖曳力的作用下被初步流化，有效防止壁面粉末供给过程中出现粘结、沟流现象；自旋式喷头(6)通过设置在自旋式喷头安装块(7)上的内旋流流化气入口(5)通入内旋流流化气，内旋流流化气进入自旋式喷头(6)后由切向出气孔(6.1)进入流化腔(4)，从而充分流化粉末；粉末被流化后形成稠密的气固两相流，在收缩出口(8)的加速作用下，稠密的气固两相流被输送至目标环境。
一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法及装置
技术领域
[0001] 本发明属于流化粉末输送领域，尤其涉及航空天领域的流化粉末输送方法及装置，具体为向高压环境中大流量输送超细粉末的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法及装置。
背景技术
[0002] 工业领域中常见的粉末输送装置大致可以分为机械式、气动式和复合式。螺旋式、刮板式属于机械式，引射式、文丘里管式、流化床式属于气动式，复合式常见螺旋气动式、叶片气动式的组合形式。机械式供粉偏重于粉末物料供给，可满足大输送量的要求，但结构复杂、密封困难、不易于向高背压环境中输送粉末；气动式供粉偏重于粉末流化输送，但通常耗气量大且出粉不稳定。常见的复合式供粉装置结构较为复杂，多含有较复杂的运动部件，在粉体环境中易损坏失效。
[0003] 在粉末燃料发动机中应用的粉末输送方案常见通过活塞推动圆筒内粉末，活塞由气力或电机等提供动力，从活塞处或圆筒靠近粉末出口处引入流化气，利用气体拖曳力输送粉末。目前此类供粉装置应用于供应粒径在几十到一百微米左右的铝粉、镁粉。
[0004] 无定形硼粉粒径在1至5微米左右，这类颗粒属于超细颗粒或粘性颗粒，颗粒间的作用力大，粉末粘度高、易团聚、难流化，在气力输送过程中容易产生粘结、沟流、团聚等不良流化现象，难以进行长时间稳定均匀的大流量供应。
发明内容
[0005] 本发明的主要目的是提供一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法及装置，实现超细粉末的连续稳定供给，粉末在流化腔中被流化气体充分流化，避免出现粘结、沟流、团聚等不良流化现象，精确控制粉末的输送量，且能够向有着较高压强的目标环境中输送粉末。
[0006] 本发明通过下述技术方案实现：
[0007] 本发明公开的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法，结合机械式供粉与气动式供粉的优点，通过外力驱动粉末储罐末端的活塞，利用活塞推动储罐内的粉末精确控制粉末的输送量，保证粉末物料的连续稳定供应粉末流化腔。在流化腔内，外旋流沿粉末外层剪切粉末并冲刷流化腔内壁面，且内旋流喷头在切向气流的反作用力下产生自旋，即利用内外双旋流对粉末充分流化，防止出现不良流化现象，粉末经收缩出口加速后高效稳定地输送至有着较高压强的目标环境中。
[0008] 所述不良流化现象包括粘结、沟流、团聚。
[0009] 本发明还公开的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置，用于实现所述一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法。所述稳定供粉装置，包括粉末存储及供应段和粉末流化段。粉末存储及供应段包括活塞和储罐。活塞与储罐之间设置有密封结构，活塞设有用于与外部动力装置相连接的连接杆，储罐内存储粉末物料。粉末流化段包括外旋流流化气入口、流化腔、内旋流流化气入口、喷头、喷头安装块和收缩出口。
[0010] 流化腔的内腔为锥形，锥形底部四周设置有切向分布的外旋流流化气入口，锥形顶部安装有喷头安装块。安装块四周设置有径向分布的内旋流流化气入口，外旋流流化气入口和内旋流流化气入口与流化气进气管路相连接。喷头安装块固定于流化腔与收缩出口之间；喷头连接旋喷头安装块中心，并与内旋流流化气入口相连通，喷头通过自身的切向出气孔能够在流化腔内产生内侧气旋。
[0011] 为了进一步改善对粉末的流化效果，作为优选，原固定于喷头安装块的喷头采用自旋式的喷头。自旋式喷头包括切向出气孔、台阶式转轴、套筒和固定螺母。套筒通过螺纹固定于自旋式喷头安装块的中心。台阶式转轴通过套筒、固定螺母及台阶式转轴自身的台阶式结构实现轴向固定，通过套筒实现径向固定。切向出气孔与台阶式转轴通过螺纹固连。在切向出气孔出气时，切向出气孔和台阶式转轴在切向气流的反作用力下一起产生自旋，使随台阶式转轴旋转的切向出气孔能够与内部气旋同步变化，使粉末流化段的内部流场连续变化，进一步扰乱外旋流的流场结构，改善对粉末的流化效果。
[0012] 作为优选，通过调节气孔大小、气体流量、活塞的位移、活塞的速度、装置结构尺寸实现对粉末输送量的精确控制和充分流化。
[0013] 粉末输送的质量流量与活塞速度、粉末储罐内径之间的关系表示为：
[0014]
[0015] 其中， 为粉末质量流量，Di为储罐内径， 为粉末装填系数，ρ为粉末真实密度，v为活塞的推进速度。
[0016] 作为优选，采用活塞和圆筒形的储罐之间的采用多个密封圈，实现活塞与储罐之间的动密封，保证活塞在储罐中运动时的稳定性。
[0017] 作为优选，储罐、流化腔、喷头安装块、收缩出口各部件之间采用法兰连接便于密封，提高粉末流化段腔内压强，能够实现向高压环境中输送粉末。
[0018] 本发明还公开的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置的工作方法为：
[0019] 通过外力推动活塞，活塞将储罐内的粉末供应至粉末流化段，通过在流化腔的底端均布设置的多个外旋流流化气入口，在外部气源提供流化气后，在粉末流化段的锥形内腔中形成外侧气旋，外侧气旋不断剪切储罐中被活塞推来的粉末，并冲刷粉末流化段的内壁面，使粉末在气体拖曳力的作用下被初步流化，有效防止壁面粉末供给过程中出现粘结、沟流现象。自旋式喷头通过设置在自旋式喷头安装块上的内旋流流化气入口通入内旋流流化气，内旋流流化气进入自旋式喷头后由切向出气孔进入流化腔，从而充分流化粉末。粉末被流化后形成稠密的气固两相流，在收缩出口的加速作用下，稠密的气固两相流被输送至目标环境。
[0020] 有益效果：
[0021] 1、本发明公开的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法及装置，结合机械式供粉与气动式供粉的优点，通过外力驱动粉末储罐末端的活塞，利用活塞推动储罐内的粉末精确控制粉末的输送量，保证粉末物料的连续稳定供应粉末流化段。在流化段内，外旋流沿粉末外层剪切粉末并冲刷内壁面，且内旋流喷头在切向气流的反作用力下产生自旋，即利用内外双旋流对粉末充分流化，防止出现不良流化现象，经出口收缩段加速后高效稳定地输送至有着较高压强的目标环境中。
[0022] 2、本发明公开的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法及装置，台阶式转轴通过套筒、固定螺母及自身的台阶式结构实现轴向固定，通过套筒实现径向固定。切向出气孔与台阶式转轴通过螺纹固连。在切向出气孔出气时，切向出气孔和台阶式转轴在切向气流的反作用力下一起产生自旋，使随台阶式转轴旋转的切向出气孔能够与内部气旋同步旋转，使粉末流化段的内部流场连续变化，进一步扰乱外旋流的流场结构，通过不断变化的高速气流流场使粉末充分流化，改善对粉末的流化效果。
[0023] 3、本发明提供的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法及装置，通过建立粉末输送的质量流量与活塞速度、粉末储罐内径之间的关系，通过调节气孔大小、气体流量、活塞的位移、活塞的速度实现对粉末输送量的精确控制和充分流化。
[0024] 4、本发明提供的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉方法及装置，采用活塞和圆筒形的储罐，各部件使用法兰、螺纹连接，便于密封。提高粉末流化段腔内压强，能够实现向高压环境中输送粉末。
附图说明
[0025] 图1为内外气旋流化粉末的稳定供粉装置原理示意图。
[0026] 图2为本发明中内外气旋流化粉末的稳定供粉装置结构图；
[0027] 其中：1—活塞、2—储罐、3—外旋流流化气入口、4—流化腔、5—内旋流流化气入口、6—喷头、7—喷头安装块、8—收缩出口。
[0028] 图3为外旋流流化气入口剖面B‑B及外旋流示意图；
[0029] 图4为自旋式喷头结构示意图；
[0030] 其中：6.1—切向出气孔、6.2—台阶式转轴、6.3—套筒、6.4—固定螺母。
[0031] 图5为自旋式喷头横向剖面C‑C及内旋流示意图；
具体实施方式
[0032] 为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
[0033] 实施例1：
[0034] 本实施例的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉供给方法应用在以粉末为燃料之一的发动机点火实验中，向试验发动机的燃烧室中供给粉末燃料，通过设计合理的装置尺寸、活塞推进速度、流化气流量和压强，能够实现在高背压环境下对超细、粘性粉末的高效稳定输送，其原理示意如图1所示。
[0035] 所述的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置如图2所示，包括粉末存储及供应段与粉末流化段：粉末存储及供应段包括活塞1、储罐2；粉末流化段包括外旋流流化气入口3、流化腔4、内旋流流化气入口5、喷头6、喷头安装块7和气体—粉末两相流的收缩出口8。
[0036] 圆筒形储罐2的后端活塞1通过多层密封圈与储罐2密封连接，通过外部动力装置可使活塞1在储罐2内移动；储罐2前端与流化腔4通过法兰固定连接，储罐2前端法兰与流化腔4之间做密封连接。
[0037] 所述的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置的流化腔4的大端内径与储罐2内径相等；喷头安装块7固定在流化腔4与收缩出口8之间，喷头安装块7内径与流化腔4小端内径、收缩出口8大端内径相等；储罐2、流化腔4、喷头安装块7和收缩出口8所构成的内腔平滑过渡。
[0038] 所述的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置的喷头安装块7通过流化腔4的法兰与收缩出口8的法兰夹紧；喷头安装块7设置有3个沿径向分布的椭圆截面通气管，将内旋流流化气入口5与自旋式喷头6连通。
[0039] 所述的自旋式喷头6的结构如图3所示，包括切向出气孔6.1，台阶式转轴6.2，套筒6.3及固定螺母6.4。自旋式喷头6的套筒6.3通过螺纹固定于喷头安装块7的中心，台阶式转轴6.2通过套筒6.3与固定螺母6.4实现轴向与径向固定，切向出气孔6.1通过螺纹与台阶式转轴6.2相连接。
[0040] 所述的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置通过在流化腔4的底端均布设置的多个外旋流流化气入口3，在外部气源提供流化气后，在流化腔4的锥形内腔中形成外侧旋流如图4所示，不断剪切储罐2中被活塞1推来的粉末并冲刷流化腔4的内壁面，防止壁面粉末供给过程中出现粘结现象；自旋式喷头6通过内旋流流化气入口5通入流化气，在流化腔4中形成不断自转的内旋流如图5所示，使粉末流化段内腔中的流场连续变化，从而充分流化粉末。粉末被流化后形成稠密的气固两相流，在收缩出口8的加速作用下，稠密的气固两相流被输送至目标环境。
[0041] 所述的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置在内外气旋的作用下能够避免粉末流化过程中出现不良流化现象，使得粉末被充分流化从而有利于粉末的气力输送；并且装置结构紧凑，储罐2、流化腔4、喷头安装块7、收缩出口8各部件之间采用法兰连接便于密封，提高流化腔4内的压强，能够实现向高背压环境中高效稳定地输送粉末。
[0042] 所述不良流化现象包括粉末流化过程中的粘结、沟流、团聚。
[0043] 本实施例中，使用粒径为1‑5微米的无定形硼粉作为需要供给的粉末物料，使用氮气作为流化气气源，向内部压强为0.5MPa的试验发动机燃烧室中供给粉末。
[0044] 本实施例中公开的一种基于内外气旋流化粉末的稳定供粉装置，包扩如下操作步骤：
[0045] 步骤一：首先，将硼粉装满粉末供给装置的储罐2及流化腔4；
[0046] 步骤二：进行管路安装，将流化气气源管路安装于4个外旋流流化气入口3和内旋流流化气入口5，并将粉末供给装置出口与试验发动机燃烧室的粉末燃料入口做密封连接；
[0047] 步骤三：设置流化气供气压强高于燃烧室压强0.4‑0.6MPa，设置流量为1000L/min；
[0048] 步骤四：设置活塞1的推进速度为2mm/s，供粉开始；
[0049] 步骤五：停止供粉时，先停止推动活塞1，再停止外旋流流化气入口3和内旋流流化气入口5的流化气供应。
[0050] 本实施例通过调节活塞1推进速度、流化气体的压强和流量、气体入口大小、气体—粉末两相流的收缩出口8的大小，能够控制粉末输送量和输送的气体固体质量比，且能够应用于不同压强的目标环境。
[0051] 以上所述的描述对本发明的目的、方法及装置方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施过程，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
