CN104368820A - 一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，包括导液腔，导液腔的下方设有喷嘴口，导液腔的周围环绕有环形高压进气腔，在高压进气腔内侧壁上开设有进气通道，高压进气腔通过进气通道与喷嘴口连通，进气通道为由入口导管、出口导管、一级共振管及二级共振管连通形成的十字交叉的hartmann双级共振管结构，其中入口导管与一级共振管位于同于一直线上，出口导管与二级共振管位于同一直线上，且一级共振管与二级共振管的末端封闭，的入口导管为具有laval管特征的变径通道，的出口导管为具有压缩管特征的变径通道。与现有技术相比，本发明将laval管特征与十字交叉hartmann共振管相融合形成环孔结构的进气通道，可以显著增加喷嘴雾化效率，降低雾化颗粒的直径并窄化粒径分布。

Description

一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴

技术领域

本发明涉及一种雾化喷嘴，尤其是涉及一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。

背景技术

目前，随着现代粉末冶金工艺和高性能粉末冶金材料的研制以及球栅阵列封装、金属注射成型、热喷涂、金属快速成型3D打印等先进制备技术的发展都对金属粉末提出了更为苛刻的要求，如粉末粒径大小及均匀性、流动性等等。现在，适用于这些先进制备技术的粉末市场与技术大部分都为国外粉末制品公司所垄断，如钛合金粉、铝合金粉、镁合金粉、不锈钢粉等等，而且，其售价高达常规粉末冶金要求粉末的5倍以上。昂贵的国外原料和国内粉末制备技术的落后，阻碍了这些先进制备技术在国内的快速发展，所以，发展粉末制备相关技术依然迫切需求。

纵观粉末制备技术，气雾化制粉仍然是大批量制取高质量金属粉末的主要工艺方法之一。气雾化制粉就是利用高速压缩气流冲击熔融金属或合金流，将其碎裂的过程。而雾化喷嘴结构直接关系到雾化过程、粉末性能及生产效率，因此，喷嘴结构上的改良与创新对于雾化制粉的发展意义深远。

Laval超音速喷嘴是现行最常用的气雾化喷嘴形式，它主要能使喷嘴获得超音速气流，这有利于粉末的细化。

中国专利CN 201807737 U公布了一种用于制备金属粉末的雾化喷嘴，包括进气管、上盖、下盖、导液管。上盖沿铅垂方向自上而下压合于下盖上。下盖的横向中心部位沿铅垂方向的下端沿与上盖之间设置成拉瓦尔型环缝。进气管与拉瓦尔型环缝相连通。导液管于上盖横向中心部位穿过上盖后进入拉瓦尔型环缝围成的区域。导液管内腔横截面呈圆形。在平行于铅垂方向的截面上，拉瓦尔型环缝所喷射的气流束的方向与从导液管中流出的金属液流柱之间的夹角a为0～10°。

国内现在还有较多收缩型或者Iaval型的环孔或环缝喷嘴，但是包括上述引用专利在内的这些雾化喷嘴的雾化效率较低，雾化颗粒的直径较大，且粒径分布较宽。

而具有Hartmann共振管结构的超音速喷嘴主要能使雾化气流得到稳定的压力振动，这有利于粉末粒径均匀性提高。所以，本专利设想喷嘴结构能两相结合，从理论上可以制备出粒径较细，均匀性较好的高质量粉末颗粒。但是从已查阅的国内外研究报告来看，还未见同时具备这两种结构的喷嘴样式。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种雾化效率高、雾化颗粒较小、雾化颗粒粒径分布较窄的融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，包括导液腔，导液腔的下方设有喷嘴口，导液腔的周围环绕有环形高压进气腔，在高压进气腔内侧壁上开设有进气通道，高压进气腔通过进气通道与喷嘴口连通，所述进气通道为由入口导管、出口导管、一级共振管及二级共振管连通形成的十字交叉的hartmann双级共振管结构，其中入口导管与一级共振管位于同于一直线上，出口导管与二级共振管位于同一直线上，且一级共振管与二级共振管的末端封闭，所述的入口导管为具有laval管特征的变径通道，所述的出口导管为具有压缩管特征的变径通道。

所述入口导管从入口端沿气流方向先收缩成喉部，再沿气流方向，从喉部扩张至四管的连通处，所述出口导管从四管的连通处沿气流方向收缩至收缩口，再沿气流方向，从收缩口等径延长至出口端。

所述入口导管、出口导管、一级共振管或二级共振管为截面呈圆形或方形的孔状结构；所述一级共振管与二级共振管均为等孔径通道，且所述一级共振管与二级共振管孔径相等；

入口导管扩张后端的孔径与一级共振管孔径相等，为喉部处孔径的1.3～2倍；

出口导管收缩前端的孔径与二级共振管孔径相等；

出口导管的收缩口的孔径与出口端孔径相等，为喉部处孔径的1～1.15倍，且大于喉部处孔径。

所述入口导管收缩部分的锥度为40～90°，扩张部分的锥度为5～30°；出口导管收缩部分的锥度小于90°。

所述一级共振管的长度与二级共振管的长度相等，且长度取为喉部直径的1.40-2.57倍。

所述入口导管与一级共振管的方向倾斜向上，且入口导管位于下侧，所述出口导管与二级共振管的方向倾斜向下，且出口导管位于下侧，所述入口导管的中心线与出口导管的中心线垂直。

所述出口导管的中心线与导液腔中心线之间的夹角为20～35°。

所述出口导管的出口端中心距导液腔中轴线的垂直距离为0.95～2.95(喉部孔径+导液腔下部直径)。

所述进气通道的数量大于18。

所述高压进气腔的外侧壁上连接有多个进气管，且进气管与高压进气腔的外侧壁相切，所有的进气管相对于高压进气腔中轴线呈同一旋转方向布置，即顺时针方向或逆时针方向；同时进气管的入口切点为高压进气腔所在圆周上的等分点。

与现有技术相比，本发明将laval管特征与十字交叉hartmann共振管相融合形成环孔结构的进气通道。入口导管上的Laval管特征使高压气流成为超音速射流，出口导管上的压缩管特征使超音速来流获得一定较强的压力波动，出口导管的收缩口的孔径与喉部孔径比可以使射流具有固定波节长度的压力波动，而且，出口导管结构设置使得压力波第一波节位置达到尽量远，压力波强度尽量大，使压力波动最有效地作用于金属液流的雾化；而hartmann共振管又使射流形成固定频率的另一压力波动，通过设置一级共振管与二级共振管的长度使射流上述两种压力波动的频率相匹配而压力波动振幅得到加强。相比传统的超音速雾化喷嘴，该效应可以使该喷嘴获得更高的雾化效率、更细的雾化颗粒以及更窄的颗粒粒径分布。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为进气通道的结构示意图；

图3为高压进气腔与进气管的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，如图1所示，包括导液腔1，导液腔1的下方设有喷嘴口2，导液腔1的周围环绕有环形高压进气腔3，在高压进气腔3内侧壁上开设有进气通道4，高压进气腔3通过进气通道4与喷嘴口2连通，进气通道4的数量大于18。

参考图1、图2，进气通道4为由入口导管5、出口导管6、一级共振管7及二级共振管8连通形成的十字交叉的hartmann双级共振管结构，其中入口导管5与一级共振管7位于同于一直线上，出口导管6与二级共振管8位于同一直线上，且一级共振管7与二级共振管8的末端封闭，入口导管5为具有laval管特征的变径通道，出口导管6为具有压缩管特征的变径通道。入口导管5从入口端Si沿气流方向先收缩成喉部S1，再沿气流方向，从喉部S1扩张至四管的连通处(即扩张后端S2)，出口导管6从四管的连通处(即收缩前端S3)沿气流方向收缩至收缩口S4，再沿气流方向，从收缩口S4等径延长至出口端Se。

入口导管5、出口导管6、一级共振管7或二级共振管8为截面呈圆形或方形的孔状结构；一级共振管7与二级共振管8均为等孔径通道，且一级共振管7与二级共振管8孔径相等；入口导管5扩张后端S2的孔径与一级共振管7孔径相等，为喉部S1处孔径的1.3～2倍；出口导管6收缩前端S3的孔径与二级共振管8孔径相等；出口导管6的收缩口S4的孔径与出口端Se孔径相等，为喉部S1处孔径的1～1.15倍，且大于喉部S1处孔径。入口导管5收缩部分的锥度θ1为40～90°，扩张部分的锥度θ2为5～30°，出口导管6收缩部分的锥度小于90°。一级共振管7的长度LH1与二级共振管8的长度LH2相等，且长度取为喉部S1直径的1.40-2.57倍。

入口导管5与一级共振管7的方向倾斜向上，且入口导管5位于下侧，出口导管6与二级共振管8的方向倾斜向下，且出口导管6位于下侧，入口导管5的中心线与出口导管6的中心线垂直。出口导管6的中心线与导液腔1中心线之间的夹角α为20～35°。出口导管6的出口端Se中心距导液腔1中轴线的垂直距离为0.95～2.95(喉部孔径+导液腔下部直径)。

参考图3，高压进气腔3的外侧壁上连接有多个进气管9，且进气管9与高压进气腔3的外侧壁相切，所有的进气管9相对于高压进气腔3中轴线呈同一旋转方向布置，即顺时针方向或逆时针方向；同时进气管9的入口切点为高压进气腔3所在圆周上的等分点，图3中是3等分点。

使用本实施例的雾化喷嘴时，进气管9设置1个。设置入口导管5上的喉部S1孔径大小为1mm。

选择1MPa压力，氮气雾化时，相比原有的Laval超音速雾化喷嘴细粉率提高26％，粉末粒径分布峰的峰宽长度缩小了21％。

选择3MPa压力，相比原有的Laval超音速雾化喷嘴细粉率提高35％，粉末粒径分布峰的峰宽长度缩小了32％。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，包括导液腔(1)，导液腔(1)的下方设有喷嘴口(2)，导液腔(1)的周围环绕有环形高压进气腔(3)，在高压进气腔(3)内侧壁上开设有进气通道(4)，高压进气腔(3)通过进气通道(4)与喷嘴口(2)连通，其特征在于，所述进气通道(4)为由入口导管(5)、出口导管(6)、一级共振管(7)及二级共振管(8)连通形成的十字交叉的hartmann双级共振管结构，其中入口导管(5)与一级共振管(7)位于同于一直线上，出口导管(6)与二级共振管(8)位于同一直线上，且一级共振管(7)与二级共振管(8)的末端封闭，所述的入口导管(5)为具有laval管特征的变径通道，所述的出口导管(6)为具有压缩管特征的变径通道。

2.根据权利要求1所述的一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，其特征在于，所述入口导管(5)从入口端沿气流方向先收缩成喉部(S1)，再沿气流方向，从喉部(S1)扩张至四管的连通处，所述出口导管(6)从四管的连通处沿气流方向收缩至收缩口(S4)，再沿气流方向，从收缩口(S4)等径延长至出口端(Se)。

3.根据权利要求2所述的一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，其特征在于，所述入口导管(5)、出口导管(6)、一级共振管(7)或二级共振管(8)为截面呈圆形或方形的孔状结构；所述一级共振管(7)与二级共振管(8)均为等孔径通道，且所述一级共振管(7)与二级共振管(8)孔径相等；

入口导管(5)扩张后端(S2)的孔径与一级共振管(7)孔径相等，为喉部(S1)处孔径的1.3～2倍；

出口导管(6)收缩前端(S3)的孔径与二级共振管(8)孔径相等；

出口导管(6)的收缩口(S4)的孔径与出口端(Se)孔径相等，为喉部(S1)处孔径的1～1.15倍，且大于喉部(S1)处孔径。

4.根据权利要求2所述的一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，其特征在于，所述入口导管(5)收缩部分的锥度(θ1)为40～90°，扩张部分的锥度(θ2)为5～30°；

出口导管(6)收缩部分的锥度小于90°。

5.根据权利要求2所述的一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，其特征在于，所述一级共振管(7)的长度与二级共振管(8)的长度相等，且长度取为喉部(S1)直径的1.40-2.57倍。

6.根据权利要求1所述的一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，其特征在于，所述入口导管(5)与一级共振管(7)的方向倾斜向上，且入口导管(5)位于下侧，所述出口导管(6)与二级共振管(8)的方向倾斜向下，且出口导管(6)位于下侧，所述入口导管(5)的中心线与出口导管(6)的中心线垂直。

7.根据权利要求1所述的一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，其特征在于，所述出口导管(6)的中心线与导液腔(1)中心线之间的夹角(α)为20～35°。

8.根据权利要求1所述的一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，其特征在于，所述出口导管(6)的出口端(Se)中心距导液腔(1)中轴线的垂直距离为0.95～2.95(喉部孔径+导液腔下部直径)。

9.根据权利要求1所述的一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，其特征在于，所述进气通道(4)的数量大于18。

10.根据权利要求1所述的一种融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，其特征在于，所述高压进气腔(3)的外侧壁上连接有多个进气管(9)，且进气管(9)与高压进气腔(3)的外侧壁相切，所有的进气管(9)相对于高压进气腔(3)中轴线呈同一旋转方向布置，即顺时针方向或逆时针方向；同时进气管(9)的入口切点为高压进气腔(3)所在圆周上的等分点。