CN102744173A - 一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置及方法，加速喷嘴采用收缩-直管型或缩放型，通过特殊设计的旋流器或类似装置使主气流在进入加速喷嘴之前产生适度的旋流，通过气流携带方式将固体颗粒直接喷射到喷嘴喉部前处，从细管喷出的固体颗粒沿流向加速的同时因受到旋转气流的拖曳而产生径向扩散，气流旋转动能在与壁面和固体颗粒的相互作用中逐渐耗散，颗粒的空间分布也随着旋流耗散而趋于稳定，最终形成均匀的高速气-固两相射流。本发明不仅改善了颗粒空间分布的均匀性，而且提高了颗粒速度的一致性，对提高材料热喷涂工艺、喷砂处理等工业生产的工艺质量以及固体颗粒冲蚀加速试验等科学研究领域的试验精度具有重要意义。

Description

一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置及方法

技术领域

本发明涉及在固体颗粒气动加速过程中对颗粒进行快速气动掺混和分散的方法，具体涉及一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置及方法。

背景技术

固体颗粒的气动加速装置常常由加料系统、气源和加速喷嘴等组成，其工作流程是：固体颗粒首先通过重力、抽吸或气流携带等方式添加到加速喷嘴的进口或直接注入高速气流，然后在气流力的拖曳下加速和掺混，最终形成高速气固两相射流。类似方法和装置广泛应用于材料热喷涂工艺、喷砂处理以及固体颗粒冲蚀加速试验等工业生产和科学研究领域。

然而，受气动加速扩散段长度和颗粒添加方式的限制，常常出现颗粒集中和空间分布不均等问题，严重影响工艺质量。在材料热喷涂过程中，加热和加速过程中的颗粒空间分布不均引起高浓度区颗粒的温度和速度过低，而低浓度区颗粒的温度和速度过高，均偏离设计参数，导致颗粒结合强度降低、孔隙率增大等涂层工艺质量缺陷。喷砂处理中也存在类似的问题，由于颗粒速度和浓度在空间上的差异，难以保证被处理工件表面质量的均匀性。

对于固体颗粒冲蚀加速试验更是如此，按照ASTM（美国材料与试验协会）的G76-83标准进行的冲蚀试验结果表明，由于颗粒在流道内沿径向扩散较慢，喷嘴中心的颗粒浓度更高，导致冲蚀斑中心区的深度是周边区域的3倍以上。众所周知，这将改变颗粒与试件表面的接触角度，进而大大降低材料冲蚀试验的精度。正因为如此，ASME（美国机械工程师协会）和EPRI（美国电力研究协会）急于发展一个新的冲蚀试验方法和试验标准（参见Erosion Conference2012及相关文献）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置及方法，用于产生稳定、均匀的高速气-固两相射流。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。

一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置，包括进气管以及与进气管相连的加速喷嘴，所述加速喷嘴与进气管的连接处设置有使进入加速喷嘴内的气流产生旋流的气流预旋装置。

所述气流预旋装置为设置于进气管内的导流板，导流板与进气管管壁间形成使气流沿切向流入加速喷嘴入口的楔形流道，楔形流道的面积收缩比为1.5~4。

所述导流板可转动。

所述气流预旋装置为设置于加速喷嘴入口的旋流器。

所述旋流器包括3~8个导向叶片，排气角在35~80度范围内选择。

所述进气管的一侧管壁向内凹陷形成凹槽，凹槽将进气管内部分隔为环腔，加速喷嘴入口与开设于凹槽底部的出气口相连。

所述加速喷嘴采用收缩-直管型或缩放型，加速喷嘴内设置有颗粒喷射管，颗粒喷射管的出口设置于加速喷嘴喉部之前，颗粒喷射管的入口与加料系统相连。

所述颗粒喷射管为直径0.2D~0.4D的细管，颗粒喷射管的出口与加速喷嘴喉部的距离为3D~6D，D代表加速喷嘴喉部的直径。

所述颗粒喷射管的一端与加料位置调整装置相连，加料位置调整装置为设置于进气管管壁上的具有螺纹的套管，颗粒喷射管通过螺纹与套管相连。

一种固体颗粒预旋掺混气动加速方法，包括以下步骤：

使进气管内的气流通过气流预旋装置产生旋流后进入加速喷嘴，然后将固体颗粒通过颗粒喷射管直接喷射入加速喷嘴喉部之前，使固体颗粒在加速喷嘴内沿气流流向加速的同时在旋流的拖曳作用下产生径向扩散得稳定、均匀的高速气-固两相射流。

本发明所述固体颗粒预旋掺混气动加速装置采用气流预旋装置（比如旋流器或类似装置）使气流在进入加速喷嘴之前产生适度的旋流，或称为预旋，使固体颗粒在加速喷嘴内沿流向加速的同时因受到旋转气流的拖曳而产生径向扩散，气流旋转动能在与壁面和固体颗粒的相互作用中逐渐耗散，颗粒的空间分布也随着旋流耗散而趋于稳定，最终形成均匀的高速气-固两相射流；本发明能使气动加速过程中颗粒尽可能早地与气流充分接触，不仅改善了颗粒空间分布的均匀性，而且提高了颗粒速度的一致性，对提高材料热喷涂工艺、喷砂处理等工业生产的工艺质量以及固体颗粒冲蚀加速试验等科学研究领域的试验精度具有重要意义。

附图说明

图1是现有固体颗粒气动加速装置示意图；

图2是采用预旋掺混后加速喷嘴的横截面流场结构，其中图2（a）为喉部前10D处流场结构，图2（b）为喉部前4D处（掺混区）流场结构，图2（c）为喉部流场结构，图2（d）为喉部后10D流场结构；

图3是实施例1所述固体颗粒预旋掺混气动加速装置的结构示意图之一；

图4是实施例1所述固体颗粒预旋掺混气动加速装置的结构示意图之二；

图5是实施例2所述固体颗粒预旋掺混气动加速装置的结构示意图之一；

图6是实施例2所述固体颗粒预旋掺混气动加速装置的结构示意图之二；

图7是固体颗粒冲蚀角度为90°和30°的材料冲蚀疤痕示意图；

图8是未采用预旋掺混方法的材料冲蚀疤痕图片；

图9是预旋掺混加速冲蚀试验后的材料冲蚀疤痕图片；

图中：进气管1、加速喷嘴2、导流板3、旋流器4、环腔5、颗粒喷射管6、加速喷嘴喉部7、加料位置调整装置8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

鉴于目前固体颗粒气动加速装置（参见图1）存在的问题，申请人依据加速冲蚀试验和热喷涂工艺的实践和研发经验，基于固体颗粒在旋转气流场中的加速扩散规律，提出一种固体颗粒预旋掺混气动加速方法，用于提高高速气-固两相射流中颗粒空间分布和运动参数的均匀性。

本发明所述加速喷嘴可以采用收缩-直管型或缩放型，通过设计的旋流器或类似的气流预旋装置使进气管内的主气流在进入加速喷嘴之前产生适度的旋流，或称为预旋，如图2（a）所示；进入加速喷嘴后，流道收缩和气流加速拉伸使涡强度迅速增大，与此同时，涡耗散也随着气流速度的提高而增强，两者的共同作用使预旋气流演化成横断面为外部收缩（稳定焦点）和内部发散（非稳定焦点）的Hopf分叉型旋拧涡，如图2（b）所示；但涡强度总体上呈上升趋势，直到气流到达喷嘴喉部时达到极值，如图2（c）所示；随后，气流进入直管段或扩张段，促使涡强度增大的因素大大减弱，而气流速度和涡耗散仍维持在较高水平，因此旋流强度越来越弱，Hopf分叉将经历失稳、振荡、扩张，最终形成如图2（d）所示的弱同心旋流。

固体颗粒添加和扩散的特征在于，使用直径为0.2D~0.4D（D是加速喷嘴喉部直径）的细管，通过气流携带方式将固体颗粒直接喷射到加速喷嘴喉部前3D~6D处，从细管喷出的固体颗粒沿流向加速的同时还受到旋转气流的拖曳而产生径向扩散，并在气流的Hopf分叉、失稳、振荡、扩张和颗粒的翻滚、碰撞、反弹等共同作用下趋于均匀。在加速喷嘴出口处，颗粒次流动能小于总动能的1%，对工艺质量和实验研究的影响可以忽略。

本发明是一种带预旋掺混的固体颗粒气动加速方法，该方法是在目前常用的固体颗粒气动加速系统的基础上通过增加喷嘴前气流预旋装置来强化颗粒的径向扩散，以达到颗粒均匀化的目的，其技术关键是气流预旋强度、加料位置与加速喷嘴的最佳匹配。为此，本发明提出两种可调的旋流-加料匹配方案，如下：

实施例1

参见图3、图4，一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置，包括进气管1以及与进气管1相连的加速喷嘴2，所述加速喷嘴2与进气管1的连接处设置有使进入加速喷嘴2内的气流产生旋流的气流预旋装置，所述气流预旋装置为设置于进气管1内的导流板3，导流板3与进气管1管壁间形成使气流沿切向流入加速喷嘴2入口的楔形流道，所述导流板3可转动，所述进气管1的一侧管壁向内凹陷形成凹槽，凹槽将进气管1内部分隔为环腔5，加速喷嘴2入口与开设于凹槽底部的出气口相连，环腔的作用为，一方面稳定气流，另一方面辅助旋流的产生，所述加速喷嘴2采用收缩-直管型，加速喷嘴2内设置有颗粒喷射管6，颗粒喷射管6的出口设置于加速喷嘴喉部7之前，颗粒喷射管6的入口与加料系统相连，所述颗粒喷射管6为直径0.35D（取值范围为0.2D~0.4D）的细管，颗粒喷射管6的出口与加速喷嘴喉部7的距离L为5D（取值范围为3D~6D），加速喷嘴直管段的长度L1为30D（取值范围为20D~40D），D代表加速喷嘴喉部7的直径，所述颗粒喷射管6的一端与加料位置调整装置8相连，加料位置调整装置8为设置于进气管1管壁上的具有螺纹的套管，颗粒喷射管6通过螺纹与套管相连。

其工作流程是：主气流从导流板和进气管管壁形成的楔形流道沿切向流入加速喷嘴外的环腔，并以低强度旋流进入加速喷嘴，如图2（a）所示，改变导流板与进气管管壁的夹角β，即改变楔形流道的面积收缩比，就可以获得不同的旋流强度。导流板与进气管管壁形成的楔形流道的面积收缩比为1.5~4，来自加料系统的加料器的固体颗粒通过气流携带方式从颗粒喷射管直接喷射到距加速喷嘴喉部距离L=3D~6D处，L的大小可通过加料位置调整装置调节。

由于该方案的气流旋流强度和颗粒喷射位置连续可调，适用于科学实验和产品中试，通过参数组合对比实验可以获得用户参数与气流旋流强度和颗粒喷射位置的最优匹配。

实施例2

参见图5、图6，一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置，包括进气管1以及与进气管1相连的加速喷嘴2，所述加速喷嘴2与进气管1的连接处设置有使进入加速喷嘴2内的气流产生旋流的气流预旋装置，所述气流预旋装置为设置于加速喷嘴2入口的旋流器4，所述旋流器4包括5个（可取3~8个）导向叶片，排气角为60°（取值范围为35°~80°），所述进气管1的一侧管壁向内凹陷形成凹槽，凹槽将进气管内部分隔为环腔5，加速喷嘴2入口与开设于凹槽底部的出气口相连，环腔的作用为，一方面稳定气流，另一方面辅助旋流的产生，所述加速喷嘴2采用收缩-直管型，加速喷嘴2内设置有颗粒喷射管6，颗粒喷射管6的出口设置于加速喷嘴喉部7之前，颗粒喷射管6的入口与加料系统相连，所述颗粒喷射管6为直径0.35D（取值范围为0.2D~0.4D）的细管，颗粒喷射管6的出口与加速喷嘴喉部7的距离L为5D（取值范围为3D~6D），加速喷嘴直管段的长度L1为30D（取值范围为20D~40D），D代表加速喷嘴喉部7的直径，所述颗粒喷射管6的一端与加料位置调整装置8相连，加料位置调整装置8为设置于进气管1管壁上的具有螺纹的套管，颗粒喷射管6通过螺纹与套管相连。

工作流程与实施例1基本相同，只是用旋流器代替导流板，在加速喷嘴进口处产生初始旋流，通过更换不同的旋流器来改变旋流的强度，旋流器由3~8个导向叶片组成，根据工况参数的不同，排气角可在35°~80°范围内选择。颗粒的添加方式和位置，以及颗粒与气流的掺混、扩散和加速方式都与实施例1相同。

该方案采用固定式的旋流器，其流动效率高、工作可靠、操作简单，更适用于成型产品。在运行中，可以通过改变颗粒喷射位置来满足对应旋流器特定工况范围的参数匹配；当运行参数超过其调节范围时，可更换旋流器。

将实施例1和实施例2的预旋掺混加速方法应用于材料冲蚀实验，并与未采用预旋掺混方法的冲蚀实验进行对比。三种方法的加速喷嘴喉部直径D均为9mm，冲蚀参数完全相同。实验结果表明，未采用预旋掺混方法的冲蚀核心区直径D₀为3mm，深度达到1.2mm，扩散区直径D₁为20mm，冲蚀分布极不均匀；而采用预旋掺混(实施例1或实施例2)后，基本消除了颗粒集中问题，冲蚀核心区直径D₀为11mm，平均深度为0.09mm，扩散区直径D₁为16mm，冲蚀疤痕非常均匀，大大提高了实验精度（参见图7）。

图9展示了将实施例1应用于材料冲蚀实验时的靶材冲蚀表面宏观形貌。与图8进行对比可以看到，采用预旋掺混后，消除了颗粒集中问题，冲蚀疤痕非常均匀，大大提高了实验精度。

本发明通过上述预旋掺混措施增强颗粒在气动加速的过程中的径向扩散，使颗粒尽可能早地与气流充分接触，不仅改善了颗粒空间分布的均匀性，而且提高了颗粒速度的一致性，对提高工艺质量和试验精度具有重要意义。

Claims (10)

1.一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置，其特征在于：包括进气管（1）以及与进气管（1）相连的加速喷嘴（2），所述加速喷嘴（2）与进气管（1）的连接处设置有使进入加速喷嘴（2）内的气流产生旋流的气流预旋装置。

2.根据权利要求1所述一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置，其特征在于：所述气流预旋装置为设置于进气管（1）内的导流板（3），导流板（3）与进气管（1）管壁间形成使气流沿切向流入加速喷嘴（2）入口的楔形流道，楔形流道的面积收缩比为1.5~4。

3.根据权利要求2所述一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置，其特征在于：所述导流板（3）可转动。

4.根据权利要求1所述一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置，其特征在于：所述气流预旋装置为设置于加速喷嘴（2）入口的旋流器（4）。

5.根据权利要求4所述一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置，其特征在于：所述旋流器（4）包括3~8个导向叶片，排气角在35~80度范围内选择。

6.根据权利要求1所述一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置，其特征在于：所述进气管（1）的一侧管壁向内凹陷形成凹槽，凹槽将进气管（1）内部分隔为环腔（5），加速喷嘴（2）入口与开设于凹槽底部的出气口相连。

7.根据权利要求1所述一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置，其特征在于：所述加速喷嘴（2）采用收缩-直管型或缩放型，加速喷嘴（2）内设置有颗粒喷射管（6），颗粒喷射管（6）的出口设置于加速喷嘴喉部（7）之前，颗粒喷射管（6）的入口与加料系统相连。

8.根据权利要求7所述一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置，其特征在于：所述颗粒喷射管（6）为直径0.2D~0.4D的细管，颗粒喷射管（6）的出口与加速喷嘴喉部（7）的距离为3D~6D，D代表加速喷嘴喉部（7）的直径。

9.根据权利要求7所述一种固体颗粒预旋掺混气动加速装置，其特征在于：所述颗粒喷射管（6）的一端与加料位置调整装置（8）相连，加料位置调整装置（8）为设置于进气管（1）管壁上的具有螺纹的套管，颗粒喷射管（6）通过螺纹与套管相连。

10.一种固体颗粒预旋掺混气动加速方法，其特征在于包括以下步骤：

使进气管内的气流通过气流预旋装置产生旋流后进入加速喷嘴，然后将固体颗粒通过颗粒喷射管直接喷射入加速喷嘴喉部之前，使固体颗粒在加速喷嘴内沿气流流向加速的同时在旋流的拖曳作用下产生径向扩散得稳定、均匀的高速气-固两相射流。

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