一种漩涡引导型超音速火焰喷涂喷枪装置

摘要

本发明设计了一种漩涡引导型超音速火焰喷涂喷枪装置，包括燃烧室部分，拉伐尔喷管部分和喷枪枪管部分。燃烧室部分包括燃烧室主体、点火器、煤油输送通路接口、氧气输送通路接口和氮气输送通路接口，采用更加可控的氮气冷却方式，简化了喷枪结构，改善了焰流的均匀性。在拉伐尔喷管部分的压缩段内壁，本发明设计有漩涡状凸起，用以引导火焰在压缩的同时形成漩涡，并利用漩涡的特性使送粉时避免粉末与枪管内壁接触且均匀分布于焰流中。在喷枪枪管部分，本发明采用四个环形等距分布的送粉口进行送粉，使粉末更均匀地进入焰流中。本发明解决了现有技术存在的几个问题，提高了超音速焰流及送粉方式的均匀性，改进了喷涂效果与涂层质量。

说明书

技术领域

本发明属于热喷涂技术领域，具体涉及一种漩涡引导型超音速火焰喷涂喷枪装置的设计方案。

背景技术

超音速火焰喷涂是热喷涂技术中的一种，是指利用氢、乙炔、丙烯、煤油等作为燃料，以氧气或空气作为助燃剂，通过在燃烧室中燃烧形成高压，经拉伐尔喷嘴产生超音速焰流；同时向焰流中送入粉末，使粉末粒子被加热加速，从而以熔化或半熔化的状态高速撞击基体表面，最终形成高质量涂层的一种表面强化技术。该技术具有涂层与基体结合强度高，涂层孔隙率低，涂层耐磨性优越等优点。

现今，已知的超音速火焰喷枪构造是将喷枪壳体内枪管、拉伐尔喷管和燃烧室等结构依次连接，同时喷枪壳体内含有水冷通路、送粉通路和燃料输送通路。而实践得出，上述构造在燃烧室结构方面、送粉方面和冷却方式方面都具有明显缺点，具体如下。

在燃烧室结构方面，传统结构是于燃烧室轴向设置单管燃料输送通路，此种结构的单管输送容易导致燃烧室内温度及压力场不均，所产生的超音速焰流同样具有不均匀性，从而对粉末的加热加速效果不均匀，最终导致涂层不均匀，影响喷涂效果。

在送粉方面，目前常见的送粉方式为径向送粉法，即在枪管内壁开设径向送粉口，用以连接气动送粉系统，这种单送粉口的设置易使粉末进入焰流后分布不均匀，影响涂层质量；而且径向送粉方向与焰流方向垂直，故对运载气体的气压要求严格，过高或过低均易使粉末触及枪管内壁，既损伤枪管内壁又影响涂层质量。而相对少见的轴向送粉方式，指送粉方向与焰流方向平行的送粉法，虽改善了粉末在焰流中的分布均匀性，但也未能完全改善加热加速后的粉末触及枪管内壁的缺点。

在冷却方式方面，因为水冷方式对液体控制的需求，导致对喷枪结构的要求更高，使其结构更加复杂，不利于喷枪的制造，故而并非最佳的冷却方式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种漩涡引导型超音速火焰喷涂喷枪装置的设计方案，以此解决上述相关问题，提高超音速焰流及送粉方式的均匀性，改善冷却方式与喷枪结构，进而改进喷涂效果与涂层质量。

为实现上述目的，本发明提供如下设计方案：一种漩涡引导型超音速火焰喷涂喷枪装置，包括燃烧室部分，拉伐尔喷管部分和喷枪枪管部分，以下为各部分结构与安装的具体设计方案。

在燃烧室部分，本发明装置取消水冷方式，采用在燃烧室内注入氮气的冷却方式，且采用煤油等作为燃料，以氧气作为助燃剂。所以，燃烧室部分的结构包括燃烧室主体、点火器、煤油输送通路接口、氧气输送通路接口和氮气输送通路接口。整个燃烧室主体为圆柱罐体结构，一端用以与拉伐尔喷管的压缩段相连接，另一端为圆形平底，设有上述三个接口，以环形等距分布，并在平底圆心位置安装点火器。由于氮气是一种比水更可控、不可燃且能够吸收火焰热量的降温介质，故在保证较高注入压力的情况下，向燃烧室内注入氮气，有利于在降温的同时也使得火焰与氮气在燃烧室内充分掺混，能够产生更均匀的低温射流，既保护了喷枪也改善了超音速焰流的均匀性。

在拉伐尔喷管部分，本发明装置保留组成该喷管的压缩段、喉部和膨胀段不变，仅对压缩段的内壁做相关设计。在拉伐尔喷管的压缩段内壁，本发明设计有漩涡状凸起，在燃烧室火焰进入该喷管压缩段时，漩涡状凸起能够引导火焰在压缩的同时形成漩涡。由于漩涡具有汇聚、旋转等物理特性，所以能够进一步提高焰流的均匀性，且在火焰经过压缩后膨胀，能够保留漩涡的上述特性，有利于避免在送粉时粉末与枪管内壁接触，使粉末在焰流中的均匀分布，提高涂层质量。

在喷枪枪管部分，本发明装置采用切向送粉方式，即送粉方向与超音速焰流方向夹角为锐角，且本发明装置采用四个环形等距分布的送粉口进行送粉，分布于喷枪枪管的前段。环形等距分布的四个送粉口能够降低对运载气体压力控制的要求，同时使粉末更均匀地进入焰流中，产生均匀的双相流，进一步改善喷涂效果。

本发明具有以下明显优势：1.采用更加可控的氮气冷却方式，简化了喷枪结构，氮气与火焰在燃烧室内充分掺混，既保护了喷枪也改善了焰流的均匀性；2.在拉伐尔喷管的压缩段内壁部分设计有漩涡状凸起，能够引导火焰在压缩的同时形成具有汇聚、旋转等特性的漩涡，有利于避免粉末与枪管内壁接触，产生更加均匀的超音速射流；3.采用四个环形等距分布的送粉口进行送粉，有利于使粉末更均匀地进入焰流，产生均匀的双相流。

附图说明

图1为本发明装置的总装配示意图。

图2为本发明装置的燃烧室部分示意图。

图3为本发明装置的拉伐尔喷管部分示意图。

图4为本发明装置的喷枪枪管部分示意图。

具体实施方式

本发明装置提高了超音速焰流及送粉方式的均匀性，改进了喷涂效果与涂层质量。结合上述附图，本发明的具体实施方式如下：

一种漩涡引导型超音速火焰喷涂喷枪装置，由燃烧室部分，拉伐尔喷管部分和喷枪枪管部分组成。在燃烧室部分，本发明装置采用煤油等作为燃料，以氧气作为助燃剂，并采用注入氮气的冷却方式，具体由燃烧室圆形底部的煤油输送通路接口、氧气输送通路接口和氮气输送通路接口注入燃烧室，如图2所示。经点火器点火后，燃烧室内产生火焰，并与氮气进行均匀掺混，进入拉伐尔喷管部分。

拉伐尔喷管部分由压缩段、喉部和膨胀段组成。本发明装置在压缩段内壁设计有漩涡状凸起，如图3所示，火焰进入压缩段后，在压缩的同时会被引导形成漩涡，具有汇聚、旋转等物理特性。由于拉伐尔喷管的特殊结构，火焰经过会发生能量转换，从而被加速形成保留漩涡物理特性的超音速焰流，进入喷枪枪管部分。

在喷枪枪管部分，本发明装置采用四个环形等距分布的送粉口进行送粉，如图4所示。粉末由运载气体经四个送粉口被均匀送入超音速焰流，形成均匀超音速双相流，经过枪管末端喷出，实现高质量的均匀喷涂效果。