不同粒度級配的硼基粉末燃料裝填特性和流動性

2024-02-21 00:52:18張力鋒楊建偉李曉航郝茂森

火炸藥學報 2024年1期

張力鋒,楊建偉,呂璽,李曉航,石川,郝茂森,游膺

(1.陸裝駐西安地區軍事代表局,陜西西安 710032;2.西安工業大學,陜西西安 710021)

引言

隨著高超聲速飛行器等研究領域的日益興起,超音速沖壓發動機也在不斷向更高的飛行馬赫數(Ma>6)發展,而傳統的碳氫燃料由于在高溫下燃燒產物容易離解,導致比沖性能降低[1]。為此,提出了一種以高能金屬或硼等粉末為燃料,沖壓空氣為氧化劑和工質的粉末燃料沖壓發動機[2]。粉末燃料(Al、Mg、B等)具有高的能量熱值和體積熱值,因此以其為燃料的沖壓發動機有較高的比沖和密度比沖,有助于提高飛行器的航程,并且在高馬赫數下,粉末燃料的燃燒產物穩定,不會離解吸熱,對發動機比沖性能影響較小,是未來高超聲速動力的重要發展方向之一。

粉末燃料的裝填密度是影響粉末沖壓發動機密度比沖性能的一個關鍵因素,因此為獲得更高的粉末燃料裝填密度,通常需要進行顆粒粒度級配,由此衍生出兩種顆粒堆積理論:一是不連續尺寸顆粒堆積理論[3];二是連續尺寸顆粒堆積理論[4]。其中經典的不連續尺寸顆粒堆積理論認為當小粒徑顆粒正好進入到大顆粒之間的空隙時,顆粒體系可形成最密堆積,但現實中制備得到的硼基粉末燃料粒度往往為連續分布形式,因此便有了另一種基于連續尺寸分布的顆粒堆積理論。雖然上述兩種理論所持觀點不同,但都認為大小粒徑的顆粒相互填充可以提高顆粒裝填密度。然而,由于小粒徑顆粒受范德華力作用影響會發生團聚,無法進入到大粒徑顆粒的間隙中,難以提高粉末燃料裝填密度,而且還會降低顆粒體系的流動性能。

綜上,本研究將利用重結晶法對無定形硼粉進行團聚處理,通過測量對比團聚前后顆粒的流動性能,明確團聚處理對顆粒流動性能的提升效果,并研究顆粒物性參數(如顆粒粒徑、形貌等)對顆粒流動性能的影響,進而提出改進硼基粉末燃料流動性能的方法,并研究不同級配方式以及級配工藝對粉末燃料裝填密度的影響規律,最后開展粉末供給實驗驗證級配粉末燃料的流動性,為闡明粒度級配對硼基粉末燃料裝填特性和流動性的影響規律提供參考。

1 實驗

1.1 實驗樣品

無定形硼具有能量特性高和兩相流損失小等優異性能,是粉末沖壓發動機的理想燃料之一,但由于其結構疏松多孔,粘附力強,難以流化輸送,因此實際使用過程中通常需要團聚處理。本研究采用的硼基粉末燃料樣品由無定形硼(營口遼濱精細化工有限公司,標稱粒徑為1～2μm)和黏合劑(HTPB)團聚造粒制備而成[5],微觀形貌和粒度分布分別如圖1和圖2所示。密度瓶法測量得到硼基粉末燃料的平均顆粒密度為1.78g/cm3。為保證團聚顆粒具有較高的機械強度,HTPB的質量分數為10%[6]。不同粒徑的硼基粉末燃料可以利用不同相鄰目數的篩網進行篩分獲得。

圖2 硼基粉末燃料的粒度分布Fig.2 Particle size distribution of boron-based powder fuel

粉末燃料的流動性采用壓縮度(Ys)來進行表征。Ys表示振實密度和松裝密度之差與振實密度之比,壓縮度越大,粉末燃料的流動性能越差。

1.2 實驗方法

粉末供給實驗系統示意圖如圖3所示。該系統由氣源、粉末供給系統、采集控制系統和壓強模擬器等組成。氣源主要用于給粉末供給系統提供驅動氣和流化氣以及向壓強模擬器內充氣。粉末供給系統的作用是將粉末顆粒以氣固兩相流的形式輸送至壓強模擬器中,通過調節氣體調節閥和粉末調節閥開度可以調節粉末流量大小,該系統的詳細組成如圖4所示。

圖3 粉末供給實驗系統Fig.3 Powder supply experimental system

圖4 粉末燃料供給系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of powder fuel supply system

控制系統用于控制實驗系統的啟動、調節和關閉。壓強模擬器的作用主要用于模擬供粉系統的輸送環境壓強,其工作原理是提前向壓強模擬器進氣管路充氣將其內部充至模擬壓強,為了保證壓強模擬器內部壓強穩定,調節壓強模擬器出口管路上氣體調節閥的開度,使得壓強模擬器出氣量與進入到壓強模擬器的粉末流化氣量相等。采集系統可以測量活塞位移(s),采集驅動腔、流化腔、壓強模擬器等壓強,采樣頻率為5000Hz,通過分析上述壓強和位移曲線的穩定性可以判斷粉末燃料的流化輸運性能。

2 結果與分析

2.1 粒徑的影響

不同粒徑下單分散粉末燃料和連續粒徑粉末的裝填密度和壓縮度(Ys)如表1所示。由表1單分數粉末(樣品1～4)可見,隨著粒徑增大,粉末燃料的松裝密度(ρs)、振實密度(ρz)和振實裝填率(η)也隨之增大。這是因為在粉末燃料的自然堆積和振實過程中,顆粒的粒徑越大,顆粒受范德華力的影響越小,顆粒相互之間越容易發生相對運動,進而填充顆粒間的空隙。從表1還可以看出,粉末燃料的壓縮度隨著粒徑的增大而減小,表明隨著粒徑的增大,粉末的流動性變得越來越好,也越有利于粉末供給系統穩定輸送。

表1 單分散粉末和連續粒徑粉末的裝填密度與壓縮度Table 1 Loading density and compressibility of monodisperse powder fuel and continuous particle size powder

由表1中樣品5～7的裝填密度和壓縮度可以看出,105μm以下的硼基粉末燃料的松裝密度最小,這是因為該粒徑范圍的粉末樣品中含有較多的小粒徑粉末,這些小粒徑顆粒容易團聚,從而降低粉末裝填密度。同樣的,受小粒徑顆粒的影響,105～212μm的硼基粉末燃料松裝密度甚至略微高于212μm以下的硼基粉末燃料,與文獻[7]研究結果類似,但由于顆粒間的級配作用以及振動對顆粒間作用力的削弱,前者的振實密度仍然要小于后者。相比于粒徑單分散的硼基粉末燃料,連續粒度分布的硼基粉末燃料的致密裝填率有一定的提升,但提升幅度不大。這可能是因為初始制備得到的硼基粉末燃料間的級配效果不明顯,還需要對其粒度配比進行優化。從表2還可以看出,不同粒度分布的硼基粉末燃料壓縮度也表現出較大的差異,105μm以下的硼基粉末燃料壓縮度最大,105～212μm的硼基粉末燃料壓縮度最小,而212μm以下的硼基粉末燃料壓縮度在兩者之間,表明將小粒徑的粉末顆粒加入到大粒徑顆粒中可以提高粉末的裝填密度,但同時也會增大粉末燃料的壓縮度,對粉末燃料的流化輸送造成影響。

表2 硼基粉末燃料級配裝填實驗結果Table 2 Experimental results of boron-based powder fuel grading and filling

2.2 多級級配

根據多級級配理論[8],相鄰兩級顆粒粒徑比應在6.5以上,因此本研究選取的一級粉末樣品為樣品4(200～212μm),二級粉末樣品為樣品1(25～32μm)。此外,級配顆粒還需要滿足一定的質量配比,計算方式如下:

md1∶md2=(1-ε1)∶ε1(1-ε2)

(1)

式中:md1和md2表示兩種粒徑粉末的質量,g;ε1和ε2表示兩種粒徑粉末的孔隙率,可以通過1—η計算得到。根據表1的結果,計算得到樣品4與樣品1的質量配比為2∶1。

表2給出了裝填方式對級配顆粒裝填密度的影響。其中預混裝填方式是先將兩種顆粒預先攪拌混合后再裝填;分批裝填是指先裝填大粒徑顆粒,然后再裝填小粒徑硼基粉末燃料,最后通過振動的方式使小粒徑顆粒進入到大顆粒間隙中以達到密實裝填的效果。

由表2可知,預混裝填方式可以有效提高硼基粉末燃料的裝填密度和致密裝填率,但分批裝填方式的提升效果卻不明顯,這有可能是由于小粒徑硼基粉末燃料的結構不規則,顆粒間的相對移動困難導致的,特別是分批裝填方式下小顆粒填充到大顆粒空隙中需要的相對移動量遠遠大于預混裝填方式,因此該方式的提升效果較弱。

為證實上述分析,本研究選用粒徑相近、球形度良好的鋁顆粒來替代上述實驗中的小粒徑硼基粉末燃料,并且鋁顆粒與硼基粉末燃料的顏色反差明顯,便于觀察,其微觀形貌如圖5所示。

圖5 25～32μm鋁粉微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of 25—32μm aluminum powder

實驗測得鋁粉的振實密度為1.572g/cm3,裝填率為0.582。由于鋁顆粒的密度與硼基粉末燃料的顆粒密度不同,因此在計算級配顆粒的質量配比時需要考慮密度的影響,其計算式為:

md1∶md2=ρ1(1-ε1)∶ρ2ε1(1-ε2)

(2)

式中:ρ1表示硼基粉末燃料的密度(g/cm3);ρ2表示鋁顆粒密度(g/cm3)。經計算硼基粉末燃料與鋁顆粒的質量配比為1.35∶1,若鋁顆粒完全進入到硼基粉末燃料間隙中,則理論上可達到的裝填密度為1.34g/cm3。

硼基粉末燃料與鋁顆粒的預混裝填過程如圖6所示。由圖6可見,由于硼基粉末燃料與鋁顆粒的粒徑差別較大且鋁顆粒具有較好的流動性,兩種粉末在攪拌預混過程中,小粒徑的鋁顆粒能夠通過大粒徑硼基粉末燃料的間隙滲透到底層,導致兩種顆粒無法實現完全均勻混合。同樣的,在裝填過程中,不管是軸向還是徑向方向,兩種顆粒的分布都不均勻,單獨對試驗樣品進行豎直方向的振動無法保證徑向方向的級配效果,因此還需要進行適當的徑向振動。但在實際應用過程中,粉末儲箱并非透明物體,難以獲悉儲箱內級配顆粒的分布情況,從而無法制定相應的振動策略。從圖6(c)還可看出,粉末樣品上層出現有少部分的硼基粉末燃料,出現顆粒分層現象。這是因為垂直振動過程中,小粒徑鋁粉會向下滲透,從而將大粒徑顆粒擠到上層,這種現象也被稱為“巴西干果效應”[9]。實驗測得預混裝填方式下級配顆粒的裝填密度為1.12g/cm3,低于理論值。

圖6 硼基粉末燃料與鋁顆粒的預混裝填過程Fig.6 Premixing and loading process of boron-based powder fuel and aluminum particles

硼基粉末燃料與鋁顆粒的分批裝填過程如圖7所示。

圖7 硼基粉末燃料與鋁顆粒的分批裝填過程Fig.7 Batch loading process of boron-based powder fuel and aluminum particles

由圖7可見,分批裝填的兩種粉末具有明顯的分界面,上層的小粒徑鋁粉已經有向下滲透的趨勢。事實上,分批裝填的方式正是利用“巴西干果效應”來實現兩種顆粒的級配。振動過程中,上層的鋁粉通過硼基粉末燃料之間的空隙逐漸向下滲透,下層硼基粉末燃料的棕黃色逐漸被鋁粉的灰白色掩蓋,隨著振動時間加長,大粒徑的硼基粉末燃料同樣會從上層析出,如圖7(b)所示,導致兩種顆粒混合不均勻,因此并不是振動時間越長越好,其最佳振動時間可以近似認為是大粒徑的硼基粉末燃料恰好從上層析出的時刻。實驗測得分批裝填方式下級配顆粒的裝填密度為1.22g/cm3,高于預混裝填方式,但仍低于理論值,這是因為硼基粉末燃料恰好從上層析出的時刻,底層混合均勻的顆粒可能已經發生分離。

綜上所述,采用顆粒級配的方式能提高粉末燃料的裝填密度,當小粒徑顆粒的流動性較差時,預混裝填的裝填方式能獲得更高的裝填密度,而當小粒徑顆粒的流動性較好時,分批裝填方式的級配顆粒裝填密度更高,顆粒分布也更加均勻。

2.3 分形級配

根據現有實驗研究[10],團聚造粒制備得到的硼基粉末燃料初始粒度分布具有分形分布特征,因此可以利用粒度分布分形維數來表征本研究中硼基粉末燃料的粒度分布情況,而顆粒的裝填密度又與顆粒的粒度分布密切相關,因此可以用顆粒的粒度分布分形維數來表征硼基粉末燃料的裝填密度。根據顆粒粒度分布的自相似分形定律,基于顆粒累積體積分數的粒度分布分形公式為:

(3)

式中:d表示顆粒的粒徑,μm;dmax表示樣品中最大的顆粒粒徑,μm;D表示顆粒粒度分布分形維數,且0≤D≤3;V(

對式(3)兩邊取對數,顆粒粒度分布分形維數可以表示為:

(4)

根據式(4),顆粒粒度分布的分形維數D可以通過lny—lnd雙對數坐標系下的直線斜率求得。研究表明[10],顆粒粒度分布分形維數越接近2.63,顆粒裝填密度越大,且在分形維數為2.63時達到最大裝填密度,因此可以通過調整粉末樣品的粒度分布分形維數來提升硼基粉末燃料的裝填密度。

根據圖2所示的硼基粉末燃料樣品的粒度分布,利用式(4)獲得累積體積分數與粒徑的雙對數關系曲線如圖8所示。由圖8可見,累積體積分數與粒徑在雙對數坐標下線性擬合的擬合優度R2=0.91016,具有較好的線性關系,因此本研究制備的硼基粉末燃料的粒度分布具備分形特征。

圖8 累積體積分數與粒徑的雙對數關系及擬合結果Fig.8 Double logarithmic relationship between cumulative volume fraction and particle size and fitting results

上述擬合結果表明,經過團聚造粒工藝獲得的硼基粉末燃料的粒度分布分形維數D=1.85,遠小于理想分形維數2.63,因此為提高硼基粉末燃料的分形維數,需要對粉末顆粒的粒度組成進行改進。

由于200μm以下的硼基粉末燃料粒度組分數較多,現實中不可能對每種粒徑比例加以控制,因此現有研究通常是對一定粒度范圍內的顆粒含量進行調配。通過圖8,觀察到lny—lnd關系曲線分為三段,所以采用粒徑范圍分別為0～32μm、32～105μm和105～212μm的硼基粉末燃料進行級配,其裝填方式采用預混裝填。取分形維數D=2.63,根據式(3),計算得到粒度范圍為0～32μm、32～105μm、105～212μm的顆粒質量分數分別為49.6%、30.6%、19.8%。相比于多級級配方式,分形級配方式的小粒徑顆粒的體積分數明顯高于多級級配方式,并且小粒徑顆粒的點火燃燒性能優于大粒徑顆粒[11],因此分形級配粉末樣品的點火燃燒性能更好。

分形級配后的lny—lnd關系曲線和擬合結果如圖9所示。由圖9可見,分形級配后的硼基粉末燃料的粒度分布分形維數D=2.33,接近于2.63,測量得到其裝填密度為0.957g/cm3,裝填率為53.8%,與級配之前相比,提升幅度約15.7%,略高于2級的顆粒級配方式。

圖9 分形級配后的擬合曲線Fig.9 Fitting curve after fractal grading

2.4 流化輸運性能驗證

多級級配顆粒的流化輸送性能已在文獻[8]獲得驗證,但分形級配方式中小粒徑顆粒更多,流化輸送性能還需要通過粉末供給實驗進一步驗證。

分形級配硼基粉末燃料供給實驗曲線如圖10所示。由圖10可見,在實驗初期,活塞的位移曲線出現短暫的下降,這是由于氣壓驅動粉末供給系統驅動腔側采用導桿連接活塞,導致活塞在流化腔側的壓力作用面積更大,致使活塞位移(S)出現略微的后退。實驗過程中,由于球閥打開滯后、背壓模擬器充氣提前,導致驅動腔(Pqd)、流化腔(Plh)和背壓模擬器(Pby)的壓強在啟動階段出現短時間的突躍,但在整個實驗過程中上述壓強參數基本保持穩定,雖然活塞位移曲線有略微的抖動,但未出現明顯的波動,表明分形級配方式的硼基粉末燃料依然具有較好的流化輸送性能,可以滿足粉末沖壓發動機的供粉需求。