粉末顆粒氣力加注特性實驗研究*

楊建剛 胡春波? 朱小飛 李悅 胡旭 鄧哲

1) (西北工業(yè)大學, 燃燒、熱結構與內流場重點實驗室, 西安 710072)

2) (西安航天動力技術研究所, 西安 710100)

3) (西安近代化學研究所, 西安 710065)

粉末發(fā)動機是以粉末顆粒為燃料的新型發(fā)動機, 具有多次起動和推力調節(jié)的功能.粉末加注是粉末發(fā)動機實驗組織過程中的重要環(huán)節(jié).本研究通過搭建粉末供應系統(tǒng)開展粉末氣力加注實驗, 研究對比了集粉箱加注位置、流化氣量對粉末氣力加注特性的影響.考慮了供粉過程中儲箱內粉末堆積密度的動態(tài)變化, 并建立了相應的計算方法, 同時還采用控制系統(tǒng)理論揭示了儲箱內粉末堆積密度的變化規(guī)律.結果表明: 在相同條件下, 較大的流化氣量有利于加注過程穩(wěn)定, 但集粉箱加注率較低; 氣力加注方式下集粉箱內的粉末堆積密度大于儲箱內初始堆積密度; 采用較小的流化氣量與集粉箱壁面切向加注方式有利于提高粉末粒徑分布均勻性; 集粉箱壁面切向加注方式下, 流化氣量較小時儲箱內粉末的堆積密度是先增大后減小, 且堆積密度最終值小于初始值, 而流化氣量較大時, 儲箱內粉末的堆積密度是先增大后減小再增大后減小, 且堆積密度最終值大于初始值; 儲箱內粉末堆積密度的動態(tài)變化過程類似于欠阻尼二階系統(tǒng), 流化氣量較小時系統(tǒng)阻尼系數(shù)較小, 而流化氣量較大時系統(tǒng)阻尼系數(shù)較大, 且是一個變阻尼過程.

1 引 言

粉末發(fā)動機是一種以微小粉末顆粒為燃料的新型發(fā)動機, 具備多次起動和推力調節(jié)的功能[1?5].粉末燃料加注是粉末發(fā)動機實驗組織過程中的重要環(huán)節(jié), 其目的是將地面貯存的粉末燃料定量地輸送至粉末發(fā)動機儲箱中.與液體相比[6], 粉末燃料的流動性差、輸送困難、加注過程更加復雜, 同時粉末燃料粒徑較小, 屬于易燃易爆品, 對加注安全性要求很高.目前, 粉末顆粒的加注方式一般可分為機械式加注和氣力式加注[7], 由于機械加注方式是利用旋轉部件來輸送粉末, 因此安全性較差, 而氣力加注方式涉及到粉末供給、流化、輸送與氣固分離, 過程十分復雜, 因此研究粉末顆粒的氣力加注特性對粉末發(fā)動機加注方案的設計與粉末發(fā)動機實驗效率的提高具有重要意義.

在粉末氣力加注過程中, 粉末供給、流化、輸送主要靠粉末供給系統(tǒng)實現(xiàn).粉末供給系統(tǒng)可以通過控制活塞推送粉末的速度實現(xiàn)粉末燃料的定量供給[8?10].就活塞的驅動方式而言, 粉末供給系統(tǒng)可分為氣壓驅動活塞式和電機驅動活塞式[11?13].電機驅動的力量小且系統(tǒng)集成度低, 一般應用于小流量供給系統(tǒng), 因此目前粉末發(fā)動機中多采用氣壓驅動活塞式供粉系統(tǒng).事實上, 在粉末發(fā)動機領域[14,15],不管是電機驅動式還是氣壓驅動式供粉系統(tǒng), 粉末燃料供給均是通過氣體流化輸送實現(xiàn)的, 因此粉末燃料的氣力加注也可以通過粉末供給系統(tǒng)實現(xiàn).

在粉末供給系統(tǒng)工作過程中, 儲箱內的粉末一般為松裝狀態(tài)[16], 研究者們常認為粉箱內的粉末堆積密度保持不變[17], 采用活塞移動速度來表征粉末質量流率, 因此可以通過調節(jié)活塞移動速度來實現(xiàn)粉末流量調節(jié).實際上, 當活塞推送粉末時,活塞會對粉末產(chǎn)生擠壓作用[18,19], 改變粉末堆積密度, 因此為了實現(xiàn)粉末氣力加注精確控制必須弄清粉末的壓縮機理, 考慮活塞擠壓作用對粉末流量的影響.

氣固兩相流的分離方式有慣性分離法, 旋風分離法、過濾法和靜電分離法等.慣性分離法[20]的分離效率較低, 通常用于氣固兩相的預分離階段.旋風分離法[21]可分離10—20 μm顆粒, 分離效率可達97%—99%, 但旋風分離設備較大.過濾分離是最有效的分離方法[22], 其分離效率可達99%以上.靜電法[23]會使得粉末燃料或粉末氧化劑帶電, 安全性較差.Loftus等[8]在研究Al/AP粉末火箭發(fā)動機時, 通過在粉末推進儲箱端蓋上方開設排氣口, 首次成功地采用氣力輸送的方式將粉末推進劑從一個獨立的儲箱輸送至粉末發(fā)動機推進劑儲箱中, 但他們并未對粉末顆粒的氣力加注特性進行詳細研究.

為了揭示粉末顆粒氣力加注特性與儲箱內粉末堆積密度的動態(tài)變化規(guī)律, 本研究將搭建粉末供給系統(tǒng)與設計粉末收集裝置來開展粉末顆粒氣力加注實驗, 研究加注位置、流化氣量對粉末顆粒氣力加注特性的影響, 同時采用電子天平對粉末加注質量進行實時測量, 通過對比天平測量值與活塞位移換算值, 分析活塞擠壓作用對儲箱內粉末堆積密度的影響規(guī)律.

2 實 驗

2.1 粉末樣品

在粉末發(fā)動機中, 為保證粉末推進劑的點火、燃燒性能, 實際使用的粉末推進劑粒徑一般為1—100 μm, 同時為提高粉末推進劑的裝填率, 通常會將不同粒徑的顆粒按一定比例混合[25,26], 但由于不同粒徑的顆粒慣性和隨流性不同, 采用氣力加注方式可能會對集粉箱內的粉末粒徑分布均勻性造成影響.因此為了研究氣力加注方式對級配粉末粒徑分布均勻性的影響, 本研究使用的Al2O3粉末顆粒標稱粒徑分別為5 μm和100 μm, 其激光粒度分析結果如圖1所示.在圖1中, D[4, 3]和D[3, 2]分別代表顆粒的體積平均直徑和表面積平均直徑,它們之間的差異越大, 粒度分布越寬.另外,d(0.1)、d(0.5)和 d(0.9) 分別為粒度儀的 10值、50值和90值(達到該百分比的粒度), 即粒徑按從小到大排列, 10%, 50% 和90% 處顆粒的粒徑大小, 因而d(0.5)值就代表中間粒徑的大小.

圖1 單一粉末樣品粒度分布Fig.1.Particle size distribution of single powder sample.

實驗前對兩種粉末樣品的松裝密度進行了測量, 得到5 μm和100 μm的Al2O3松裝密度分別為0.896 g/cm3和0.969 g/cm3.由于Al2O3的理論密度為3.97 g/cm3, 因此5 μm和100 μm的Al2O3的裝填率分別為22.6%和24.4%, 根據(jù)粉末致密裝填理論[27], 5 μm和100 μm的Al2O3的理論最佳質量配比為1∶1.43, 但由于5 μm的Al2O3流化性較差, 含量過高會導致供粉系統(tǒng)流化輸送困難, 因此本研究采用的5 μm和100 μm的Al2O3質量配比為1∶4.實驗前還采用JHX50型雙運動混合機對兩種粉末進行充分混合, 同時為驗證所得混合粉末的均勻性, 從混合粉中隨機取三個樣品進行粒度分析, 結果如圖2所示.可以看出混合粉具有較好的粒徑分布均勻性.最終測量得到Al2O3混合粉樣品的松裝密度為1.031 g/cm3.

圖2 混合粉粒度分布Fig.2.Particle size distribution of mixed powder sample.

2.2 實驗系統(tǒng)

粉末氣力加注實驗系統(tǒng)如圖3所示.該系統(tǒng)由氣源, 粉末供給系統(tǒng), 測控系統(tǒng)和集粉箱等組成.氣源主要用于給粉末供給系統(tǒng)提供驅動氣和流化氣.粉末供給系統(tǒng)的作用是將粉末顆粒以氣固兩相流的形式輸送至集粉箱中, 該系統(tǒng)的詳細組成如圖4所示.測試系統(tǒng)可以采集驅動腔、流化腔和集粉箱的壓強, 活塞位移以及集粉箱內收集的粉末質量.控制系統(tǒng)用于控制實驗系統(tǒng)的啟動和關閉.

圖3 粉末氣力加注系統(tǒng)Fig.3.Powder pneumatic filling system.

圖4 粉末供給系統(tǒng)Fig.4.Powder feeding system.

本研究采用的集粉箱如圖5所示.該裝置主要包含粉箱筒體、端蓋、壓強傳感器、進粉接口、排氣口、篩網(wǎng).集粉箱設計直徑為80 mm, 深度為256 mm, 根據(jù)混合粉末樣品松裝密度, 得到集粉箱的理論最大裝粉量約為1286 g.集粉箱進粉口共兩個, 一個位于筒體壁面切向位置, 另一個在端蓋垂直位置, 可研究不同加注位置對粉末加注的影響.篩網(wǎng)共有兩層, 布置在端蓋排氣通道中, 篩網(wǎng)目數(shù)為10000, 對應孔徑為1.3 μm, 可防止小粒徑粉末顆粒逸出集粉箱, 提高加注率.

圖5 集粉箱Fig.5.Powder collection box.

粉末氣力加注實驗的工作過程為: 首先, 將減壓閥和可調節(jié)流閥調節(jié)至設定開度, 然后同時打開驅動氣路、流化氣路的電磁閥和氣動球閥.此時,活塞在驅動氣的作用下將儲箱中的粉末顆粒推送至流化腔, 而粉末顆粒在流化氣的作用下形成氣固兩相流經(jīng)氣動球閥輸送至集粉箱中, 最后氣固兩相流在集粉箱中分離, 氣體從排氣口逸出, 粉末則留在集粉箱中.活塞位移信號可以用來監(jiān)測粉末氣力加注過程, 當活塞不在向前移動時, 認為加注過程結束, 關閉加注系統(tǒng).實驗結束后, 將集粉箱打開,測量內部裝粉高度.

2.3 實驗工況

實驗工況如表1所示.本研究以工況1#為基準, 通過對比研究工況1#和工況2#以獲得流化氣體的質量流量對粉末氣力加注特性的影響.其次, 通過對比研究工況1#和工況3#以獲得集粉箱加注位置對粉末氣力加注特性的影響.表1中所有工況的驅動腔、流化腔和集粉箱的初始壓力相同.

表1 實驗工況Table 1.Experiment conditions.

3 結果與分析

3.1 粉末氣力加注穩(wěn)定性分析

圖6 不同加注方式對工作參數(shù)的影響: (a)工況1#;(b)工況2#; (c) 工況3#Fig.6.Working parameters of different tests: (a) Test 1#;(b) test 2#; (c) test 3#.

不同加注方式下粉末氣力加注系統(tǒng)工作過程中的參數(shù)變化如圖6所示.當工況1#采用小流化氣量壁面切向加注方式時, 如圖6(a)所示, 驅動腔、流化腔和集粉箱內壓強均不斷上升, 活塞位移速率也在不斷下降, 而在工況2#大流化氣量切向加注條件下, 如圖6(b)所示, 驅動腔、流化腔和集粉箱壓強在上升一段時間后趨于穩(wěn)定, 活塞位移速率較平穩(wěn), 說明在壁面切向加注方式下, 大流化氣量有利于加注系統(tǒng)工作穩(wěn)定.這是因為粉末樣品中小粒徑顆粒在進入到集粉箱后會隨著氣流向集粉箱出口流動, 但由于篩網(wǎng)的阻隔, 小粒徑顆粒會附著在篩網(wǎng)上, 導致集粉箱出口等效通徑減小, 壓強上升.而當流化氣量較大時, 由于氣流湍動能較強,小粒徑粉末不易附著在篩網(wǎng)上, 集粉箱出口等效通徑能夠保持恒定, 因此集粉箱腔內壓力狀態(tài)相對穩(wěn)定.

當工況3#采用小流化氣量垂直端蓋進氣方式時, 如圖6(c)所示, 供粉系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律基本與工況1#類似, 但在工況3#條件下, 驅動腔、流化腔和集粉箱壓強的上升幅度更大, 且集粉箱壓強在加注初始階段便迅速上升, 導致活塞的移動速度更慢, 這是因為采用壁面切向加注方式會產(chǎn)生類似旋風分離器的氣固兩相分離效果[21], 使得粉末不易跟隨氣流向集粉箱排氣通道運動, 降低了篩網(wǎng)的堵塞程度, 所以工況1#的集粉箱壓強在初始加注階段的上升幅度較低, 活塞移動速度更快, 但隨著集粉箱內裝粉高度增加, 壁面切向加注方式的氣固分離效果減弱, 系統(tǒng)壓強迅速上升, 致使活塞速度減慢.

跟隨以前的模型[6]，每個節(jié)點v都有一個容量Cv，這是節(jié)點在每個時間步中可以處理的最大負載量.在人造網(wǎng)絡中，容量受到成本的限制.因此，很自然地假定節(jié)點v的容量Cv正比于其初始負載Lv(0)，即

3.2 粉末加注率及均勻性分析

粉末加注性能參數(shù)主要包括粉末加注時間(t)、粉末加注量(m)、平均加注速率()、加注高度(H)、集粉箱內粉末堆積密度(ρc)、集粉箱加注率(η)和加注均勻性等.本文根據(jù)集粉箱的理論裝粉高度(Ho)和實際加注高度定義了粉末加注率(η =H/Ho).為了方便分析, 將不同加注方式下天平測量得到的粉末質量放在同一圖中比較, 并且將其加注起點統(tǒng)一, 如圖7所示.實驗數(shù)據(jù)處理結果如表2所示.由圖7和表2可知, 工況1#的平均加注速率最大, 工況3#的平均加注速率最小, 但其粉末加注量最大.與儲箱內Al2O3混合粉樣品的松裝密度(1.031 g/cm3)相比, 集粉箱內粉末的堆積密度均有所增大, 這是由于集粉箱內粉末顆粒受氣流壓迫引起的, 如圖8所示.

圖7 不同加注方式下的粉末加注質量曲線Fig.7.Mass curves measured by electronic balance at dif?ferent filling methods.

表2 部分加注性能參數(shù)Table 2.Some performance parameters of powder filling.

圖8 集粉箱內的粉末壓實現(xiàn)象Fig.8.Compacted powder in collection box.

在上述三種加注方式中, 大流化氣量壁面切向加注過程最穩(wěn)定, 但其粉末加注總量卻是最低的,這是因為隨著加注實驗的進行, 集粉箱中的粉量在持續(xù)增加, 當其裝粉高度到達一定值后, 這種速度較大的氣固兩相流反而更容易造成篩網(wǎng)堵塞, 導致加注實驗終止.雖然小流化氣量垂直端蓋加注方式的加注量最大, 但加注時間卻是最長的, 這是因為垂直端面進入到集粉箱中的氣固兩相流會直接撞擊在集粉箱底部并反彈, 因此粉末會隨氣流向集粉箱排氣口流動, 造成篩網(wǎng)堵塞, 導致集粉箱壓強迅速升高, 減緩粉末加注速度.

在集粉箱不同深度位置取樣并進行粒度分析,獲得樣本粒徑分布與加注高度之間的關系如圖9所示.可見, 工況1#中各樣本粒徑分布差異較小,各層粉末粒度分布較為均勻, 而工況3#的粒度分布均勻性最差, 說明切向加注位置對粉末粒度分布的影響較小, 對比工況2#和工況3#發(fā)現(xiàn)加注位置對粉末粒度分布均勻性的影響大于流化氣量, 因此為保證粉末加注的均勻性宜采用小流化氣量切向加注方式.

圖9 集粉箱內粉末粒度均勻性: (a)工況1#; (b)工況2#; (c)工況3#Fig.9.Uniformity of powder in collection box: (a) Test 1#;(b) test 2#; (c) test 3#.

3.3 儲箱內粉末堆積密度動態(tài)變化分析

為證明儲箱內粉末堆積密度存在動態(tài)變化過程, 本研究先采用文獻[17]中的供粉質量計算方法, 將實驗工況1#獲得的活塞位移曲線換算成質量曲線, 再將其與天平測量曲線進行對比, 如圖10所示.可以發(fā)現(xiàn), 活塞位移換算得到的粉末質量始終大于天平實際測量得到的粉末質量, 兩者的質量之差先快速增加后緩慢降低, 同時在加注初始階段, 活塞換算質量曲線曲率逐漸降低, 而天平測量質量曲線曲率卻逐漸增大, 說明活塞位移換算的累積量與真實值具有較大差別, 活塞擠壓作用會對儲箱內粉末的堆積密度造成較大影響.

圖10 位移換算與天平測量質量曲線Fig.10.Mass curves converted by position displacement and measured by electronic balance.

根據(jù)上述分析, 可假設活塞位移 s 由兩部分組成, 一是粉末壓縮量(x); 二是實際供粉距離(l),因此三個參數(shù)的微分表達式為:

假設任意時刻儲箱內粉末顆粒堆積密度分布均勻, 儲箱裝粉深度為 D , 粉末初始堆積密度為 ρ0,則儲箱內粉末受壓后的堆積密度表示為:

綜上, 供粉系統(tǒng)的實際加注質量流率可用(3)式表示.在活塞位移s和粉末質量 m 已知的情況下, 上述三個方程僅有 x 、 l 、 ρ 三個未知量, 方程組可解.

聯(lián)立(1)式—(3)式, 可求解得到工況1#和工況2#實驗過程中儲箱內部粉末堆積密度的變化規(guī)律, 如圖11所示.可以看出, 當采用小流化氣量壁面切向加注方式時, 粉末堆積密度是一個先增大后減小的過程, 且最終密度小于初始堆積密度, 而當采用大流化氣量壁面切向加注方式時, 粉末堆積密度的變化過程是先增大后減小, 再增大再減小, 最終密度大于初始堆積密度.

圖11 儲箱內粉末堆積密度變化曲線: (a) 工況1#;(b) 工況 2#Fig.11.Powder bulk density in tank of test 1# and test 2#: (a) Test 1#; (b) test 2#.

上述密度變化類似于阻尼彈簧振子作受迫振動時的運動規(guī)律, 其區(qū)別在于兩者的阻尼系數(shù)不同, 從圖11中可以看出小流化氣量壁面切向加注方式的阻尼系數(shù)較小, 近似作等幅壓縮膨脹, 但由于粉末是離散型物質, 氣量較小時無法將膨脹后的粉末再次壓縮, 因此儲箱內粉末堆積密度減小后不會再次增加; 而大流化氣量壁面切向加注方式阻尼系數(shù)較大, 近似為減幅振蕩, 這是因為較大的流化氣量可以將膨脹后的粉末再次壓縮, 所以該工況下的粉末堆積密度表現(xiàn)為振蕩衰減過程.

上述物理變化過程與欠阻尼二階系統(tǒng)的響應過程類似, 其響應函數(shù)表示可用(4)式表示.式中ρmin為密度波動變化過程中的最小值; K 為放大系數(shù), 數(shù)值上等于粉末顆粒處于穩(wěn)定狀態(tài)時, 密度變化量與粉體受力變化量之比; ζ 為阻尼系數(shù), 與活塞兩側壓差力、粉體與儲箱壁面摩擦力、流化氣體氣動力和粉體孔隙率等參數(shù)有關; ωn為無阻尼波動振動頻率; τ 為時間常數(shù).

實際上, 儲箱內活塞推送粉末顆粒是一個復雜的變阻尼過程[27,28], 本研究根據(jù)圖11中儲箱內粉末堆積密度計算值和響應函數(shù)關系(4)式, 擬合得到工況1#和工況2#的密度變化曲線和系統(tǒng)參數(shù)分別如圖11和表3所示.根據(jù)擬合結果可知, 工況1#密度近似為零阻尼等幅波動, 而工況2#系統(tǒng)的阻尼系數(shù)分為兩個階段.對于工況1#, 由于粉末是離散型物質, 氣量較小時無法將膨脹后的粉末再次壓縮, 因此50 s后儲箱內粉末堆積密度的擬合值與計算值差異較大; 對于工況2#, 可將其分為低阻尼和高阻尼兩個階段, 這是因為儲箱內活塞在擠壓粉體的過程中, 粉末會表現(xiàn)出類似流體的性質, 向粉箱內壁面產(chǎn)生側壓力[29?31], 增大粉體與壁面之間的摩擦, 由于在第一階段粉末堆積較為疏松, 粉體對儲箱內壁面的側壓力較小, 因此阻尼系數(shù)較小, 但隨著粉體堆積密度的增大, 粉末對儲箱內壁面的側壓力增大, 因此第二階段阻尼系數(shù)較大.

表3 工況1#和工況2#下二階系統(tǒng)參數(shù)Table 3.Second?order system parameters of test 1# and test 2#.

4 結 論

通過本文研究, 主要獲得以下結論:

1)采用較大流化氣量的加注方式有利于加注系統(tǒng)工作參數(shù)穩(wěn)定, 但加注后期對集粉箱內粉末擾動較大, 集粉箱加注率較低, 僅有68.1%.雖然采用較小流化氣量的加注方式加注參數(shù)穩(wěn)定性較差, 但集粉箱加注率更高, 可達93.9%;

2)與集粉箱端蓋加注方式相比, 壁面切向加注方式對集粉箱內已有粉末的擾動較小, 所以均勻性較好.氣力加注方式下集粉箱內粉末堆積密度大于儲箱內初始堆積密度;

3)加注過程中儲箱內粉末的堆積密度會發(fā)生動態(tài)變化.采用較小流化氣量加注時, 儲箱內粉末的堆積密度是先增大后減小, 最終堆積密度小于初始值, 而采用較大流化氣量加注時, 儲箱內粉末堆積密度的密度變化是先增大后減小再增大再減小,最終堆積密度大于初始值;

4)儲箱內的粉末密度變化類似于阻尼彈簧振子作受迫振動時的運動規(guī)律, 流化氣量較小時系統(tǒng)的阻尼系數(shù)較小, 而流化氣量較大時系統(tǒng)阻尼系數(shù)較大, 且是一個變阻尼過程.