CN104674156B - 一种高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴 - Google Patents

一种高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴，包括主腔体，其外壁装配有副腔体，主腔体入口端设有气体入口而出口端设有内腔，内腔内安装有类锥体，类锥体外壁与内腔内壁之间形成从内到外呈喇叭状逐渐向周边扩张的环型主腔室且在主腔体出口端的开口处形成环形主喷口，气体入口经输气通道与主腔室位于主腔体内部的端部连通，副腔体上开设有注油孔，注油孔经输油通道与主腔室中部连通，副腔体上开设有输送二次气流的环型副腔室，副腔室经环形副喷口与外部贯通，副喷口位于主喷口外周侧，以使副喷口喷出的二次气流与主喷口喷出的混合气流以设定夹角交汇发生撞击。本发明依靠气体动力雾化燃油，可实现气体和燃油的均匀混合雾化以及稳定燃烧的功效。

Description

一种高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴
技术领域
本发明涉及一种高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴，属于燃油雾化燃烧技术领域。
背景技术
基于液体燃料燃烧产生高速燃气的热喷涂技术可用于金属或非金属涂层的制备，该技术通常包括氧气助燃高速火焰喷涂和空气助燃高速火焰喷涂两种类型，其共同特点是使煤油等液体燃料发生雾化，同时与氧气或空气混合产生可燃混合气，在外加热源作用下点火燃烧产生高温高速的燃气，燃气加热并加速沉积待喷涂材料形成涂层。
目前应用较多的是氧气助燃煤油高速火焰喷涂技术，这是因为相对空气助燃高速火焰喷涂来说，氧气助燃的燃油点火和稳定燃烧过程要容易许多。以专利号为01246984.X的中国实用新型专利为例说明，煤油通过两个或多个小孔与高压空气呈35°～45°夹角相交汇，在圆形混合室内，煤油借助空气的高速冲击作用雾化成小液滴，进而实现煤油和氧气的点火与燃烧。但是这种喷嘴并不适用于空气助燃高速火焰喷涂技术，原因在于，空气与煤油混合产生高速气液两相流的燃烧过程对喷嘴的要求更高，首先要实现煤油和空气的均匀混合与煤油的充分雾化，然后借助高能热源将其点燃，点燃的高速射流并不稳定，容易熄灭，因而还需要采取特定的稳焰措施来使煤油和空气持续稳定的燃烧。
依靠气体动力雾化的气动喷嘴，按结构形式分类，其主要包括外混式喷嘴和内混式喷嘴。外混式喷嘴主要依靠高速流动的气体和液流在喷嘴外部的撞击作用下发生雾化，通常这种结构的喷嘴还借助机械结构使气流和液流发生旋转来产生离心作用的效果，因而喷嘴的结构较复杂、尺寸较大，并不适合高速火焰喷涂。内混式喷嘴主要依靠气体的高速动能冲击细小液体射流，并在腔室内充分混合后喷出，从而实现液体的雾化，这种结构喷嘴的雾化效果与气体的速度以及气液间的压力差等因素密切相关，控制要求相对较高，因此在空气助燃的高速火焰喷涂技术中应用难度较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴，该燃油雾化喷嘴依靠气体动力雾化燃油，既适用于氧气助燃，又适用于空气助燃，一方面能够实现气体和燃油的均匀混合与雾化，另一方面喷嘴射流形成有低速回流区，对雾化射流的着火燃烧可充当稳焰作用，从而能够保证射流的可靠着火和稳定燃烧。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴，其特征在于：它包括主腔体，主腔体的外壁装配有副腔体，主腔体的入口端开设有气体入口而出口端设有与外部贯通的内腔，内腔内安装有类锥体，类锥体的锥头置于内腔在主腔体出口端上形成的开口处，类锥体的外壁与内腔的内壁之间形成从内到外逐渐呈喇叭状向周边扩张的环型主腔室且在主腔体出口端的开口处形成环形主喷口，以用于实现向外发散扩张式地倾斜喷射混合气流，气体入口经由输气通道与主腔室位于主腔体内部的端部连通，副腔体上开设有用于输送燃油的注油孔，注油孔经由输油通道与主腔室的中部连通，副腔体上开设有用于输送二次气流的环型副腔室，副腔室经由环形副喷口与外部相贯通，副喷口位于主喷口的外周侧，以使副喷口喷出的二次气流与主喷口喷出的混合气流以设定夹角交汇而发生撞击。
本发明的优点是：
1、本发明喷嘴一方面能够实现气体和燃油的均匀混合与雾化，另一方面喷嘴射流形成有低速回流区，对雾化射流的着火燃烧可充当稳焰作用，从而能够保证射流的可靠着火和稳定燃烧。
2、燃油在雾化前基本呈油膜状与高速气流掺混，并非以简单的液体射流与气体掺混，这样可以较大程度地细化燃油的粒度，并提高燃油与气体混合的均匀性。
3、本发明喷嘴结构紧凑，易于加工和安装，在气体压力低至3巴、燃油压力低至3.5巴时也能产生良好的雾化效果，这样对供油设备和供气设备便可降低要求，控制也更容易。
4、本发明喷嘴集成了雾化与稳焰的功能于一体，不仅可提高空气助燃高速火焰喷涂时的点火可靠性和燃烧稳定性，还可用在氧气助燃高速火焰喷涂等情形下，可在更大范围内调节氧气和燃油的混合比。
附图说明
图1是本发明喷嘴实施例1的装配结构示意图。
图2是图1的A-A向剖面示意图。
图3是本发明喷嘴实施例2的装配结构示意图。
图4是图3的B-B向剖面示意图。
图5是本发明喷嘴的结构原理图。
图6是图5的C-C向剖面示意图。
图7是本发明喷嘴实现的雾化流场示意图。
具体实施方式
本发明高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴包括主腔体，主腔体的外壁装配有副腔体，主腔体的入口端开设有气体入口而出口端设有与外部贯通的内腔，内腔内安装有类锥体，类锥体的锥头置于内腔在主腔体出口端上形成的开口处，类锥体的外壁与内腔的内壁之间形成从内到外逐渐向周边扩张(呈喇叭状)的环型主腔室且在主腔体出口端的开口处与开口之间形成环形主喷口，以用于实现向外发散扩张式地倾斜喷射混合气流(主气流与燃油的混合)，主腔室位于主腔体内部的端部的流通截面积大于主喷口的流通截面积，例如，主腔室的流通截面积可逐渐减小或先增大后减小，当然还可有其它变化形式。主腔室与气体入口不直接连通，而是气体入口经由输气通道与主腔室位于主腔体内部的端部连通，主腔室位于主腔体内部的端部与主喷口分别位于主腔室的两端，副腔体上开设有用于输送燃油的注油孔，注油孔经由输油通道与主腔室的中部连通，主腔室的中部介于主腔室位于主腔体内部的端部与主喷口之间，副腔体上开设有用于输送二次气流的环型副腔室，副腔室经由环形副喷口与外部相贯通，副喷口位于主喷口的外周侧而包围主喷口，以使副喷口喷出的二次气流与主喷口喷出的混合气流以设定夹角交汇而发生撞击，副喷口平行于主腔体的轴线喷出二次气流。
在本发明中，类锥体类似锥体，可视为锥体，类锥体的一端为锥头而另一端为锥尾，锥头的截面积大于锥尾的截面积，类锥体的结构为本领域的熟知结构，故不在这里详述。
实施例1：
如图1和图2所示，本发明喷嘴实施例1包括主腔体2，主腔体2的外壁装配有副腔体15，主腔体2的入口端开设有气体入口1而出口端设有与外部贯通的内腔，内腔中心安装有类锥体9，类锥体9的锥头91置于内腔在主腔体2出口端上形成的开口处而锥尾92位于主腔体2内部，类锥体9的外壁与内腔的内壁之间形成从内到外逐渐呈喇叭状向周边扩张的环型主腔室6且在主腔体2出口端的开口处与开口之间形成环形主喷口8，用于实现向外发散扩张式地倾斜喷射混合气流，如图1，主腔室6位于主腔体2内部的端部的流通截面积要大于主喷口8的流通截面积。气体入口1经由开设在主腔体2上的斜孔3(斜孔3倾斜于主腔体2的轴线，与气体入口1连通)、环形流道16、垂直孔4(垂直孔4与主腔体2的轴线相垂直，与主腔室6连通)与主腔室6位于主腔体2内部的端部连通，副腔体15上开设有环型副腔室7，副腔室7经由副腔体15上开设的水平孔5(水平孔5平行于主腔体2轴线)与环形流道16连通，并且副腔室7经由环形副喷口17与外部相贯通，副喷口17位于主喷口8的外周侧而包围主喷口8，副喷口17平行于主腔体2的轴线喷出二次气流，副喷口17喷出的二次气流与主喷口8喷出的混合气流以设定夹角交汇而发生撞击，副腔体15上开设有注油孔12，注油孔12经由开设在主腔体2上的环形集油槽13、主腔体2上开设的多个微型偏心孔10与主腔室6的中部连通。如图2，多个微型偏心孔10以相同的偏心距离环绕主腔体2的轴心O均布，微型偏心孔10的偏转设计使得其延长线不贯穿主腔体2的轴心O，这样的结构设计可以实现燃油在主腔室6内的旋转流动。如图1，在注油孔12的两侧，介于主腔体2与副腔体15之间设有O型密封圈11和14，以达到在燃油进入主腔室6之前与高压气流之间的隔离，避免发生相互渗漏。
高压气体从主腔体2的气体入口1进入，再通过均布的斜孔3进入主腔体2与副腔体15之间形成的环形流道16内，然后气体分两路，一路通过主腔体2上均布的垂直孔4进入主腔室6的端部，另一路通过副腔体15上分布的水平孔5进入副腔室7。燃油通过副腔体15上的注油孔12流入主腔体2上形成的集油槽13，随后通过均布的微型偏心孔10进入主腔室6中，燃油在主腔室6内产生旋转流动，旋转的燃油在平行于主腔室6轴线方向的主气流推动作用下形成一层均匀的油膜，且油膜紧贴主腔室6内壁呈螺旋状地向主喷口8运动，从主喷口8倾斜向外扩张加速喷射出，燃油和主气流混合后形成的混合气流与通过副喷口17喷射出的二次气流以一定角度交汇，发生撞击而破碎，以将油膜均匀雾化成细小的液滴，完成燃油与气体均匀掺混的同时保证了燃油的高效雾化。
如图1，环型主腔室6的设计一方面可使混合气流在主喷口8附近产生加速效果，使射流高速喷出，另一方面，如图7，可在主喷口8外形成较大的低速回流区，进入低速回流区的混合气流的速度很低，这样即使混合气流外侧着火后因射流速度过高被吹灭，低速回流区内的混合气流由于速度低而仍然能够可靠燃烧，燃烧产生的热量足够引燃外侧的混合气流，进而保证整个射流区域的稳定燃烧，实现稳定火焰的功能。
实施例2：
如图3和图4所示，本发明喷嘴实施例2包括主腔体21，主腔体21的外壁装配有副腔体28，主腔体21的入口端开设有气体入口22而出口端设有与外部贯通的内腔，内腔中心安装有类锥体27，类锥体27的锥头271置于内腔在主腔体21出口端上形成的开口处而锥尾272位于主腔体21内部，类锥体27的外壁与内腔的内壁之间形成从内到外逐渐呈喇叭状向周边扩张的环型主腔室24且在主腔体21出口端的开口处与开口之间形成环形主喷口26，用于实现向外发散扩张式地倾斜喷射混合气流，如图1，主腔室6位于主腔体2内部的端部的流通截面积要大于主喷口8的流通截面积。气体入口22经由开设在主腔体21上的直孔23(直孔23平行于主腔体21轴线)直接与主腔室24位于主腔体21内部的端部连通。副腔体28上开设有环型副腔室30，副腔室30经由副腔体28上开设的二次气体入口29与外部贯通，并且副腔室30又经由环形副喷口31与外部相贯通，副喷口31位于主喷口26的外周侧而包围主喷口26，副喷口31平行于主腔体21的轴线喷出二次气流，副喷口31喷出的二次气流与混合气流以设定夹角交汇而发生撞击。副腔体28上开设有注油孔33，注油孔33经由开设在主腔体21上的环形集油槽34、主腔体21上开设的多个微型偏心孔35与主腔室24中部连通。如图4，多个微型偏心孔35以相同的偏心距离环绕主腔体21的轴心O均布，微型偏心孔35的偏转设计使得其延长线不贯穿主腔体21的轴心O，这样的结构设计可以实现燃油在主腔室24内的旋转流动。如图3，介于主腔体21与副腔体28之间设有密封垫32，以达到在燃油进入主腔室6之前与高压气流之间的隔离，避免发生相互渗漏。
高压气体从主腔体21的气体入口22进入，通过直孔23进入主腔室24的端部，作为二次气流喷出的气体通过副腔体28上的二次气体入口29进入副腔室30。燃油通过副腔体28上的注油孔33流入主腔体21上形成的集油槽34，随后通过均布的微型偏心孔35进入主腔室24中，燃油在主腔室24内产生旋转流动，旋转的燃油在平行于主腔室24轴线方向的主气流推动作用下形成一层均匀的油膜，且油膜紧贴主腔室24内壁呈螺旋状地向主喷口26运动，从主喷口26倾斜向外扩张加速喷射出，燃油和主气流混合形成的混合气流与通过副喷口31喷射出的二次气流以一定角度交汇，发生撞击而破碎，以将油膜均匀雾化成细小的液滴，完成燃油与气体均匀掺混的同时保证了燃油的高效雾化。
本发明实施例2实现的加速喷射、稳焰等效果与本发明实施例1相同，可参见图7来理解，不在这里赘述。
对于本发明实施例2，由于气体入口22和二次气体入口29彼此互不相通，因此主气流和二次气流可以使用同一种助燃气体，如氧气或空气，也可以使用不同种类的气体，以实现组合气体燃烧效果，例如可以是空气和氧气两种不同助燃气体的组合，或者是助燃气体和燃料气体的组合，这样可极大丰富应用场合。
为了能够达到优良的掺混、雾化性能，需对本发明各部件的关键结构参数进行研究。如图5和图6所示，设定类锥体9(或27)的锥头91(或271)直径为d1而锥尾92(或272)直径为d6，主喷口8、26的直径为d2，副喷口17、31的直径为d3，主腔室6(或24)位于主腔体2(或21)内部的端部直径为d4，类锥体9(或27)的锥头91(或271)张角为α，主喷口8、26的张角为β，注油孔12(或33)与主喷口8(或26)之间的垂直距离为L，微型偏心孔10、35的孔直径为d5，微型偏心孔10(或35)距主腔体2(或21)轴心O的偏心距离为r1，微型偏心孔10、35的个数为n。
主喷口直径d2和类锥体的锥头直径d1关系到主气流的流量。副喷口的直径d3和主喷口的直径d2关系到二次气流的流量。微型偏心孔的孔直径d5和微型偏心孔的个数n关系到燃油的流量。类锥体的锥头张角α关系到油膜的破碎效果和形成喷雾的张角。注油孔与主喷口之间的垂直距离L和主喷口的张角β关系到油膜的稳定性，过大或过小的垂直距离L、张角β都有可能造成油膜不能附壁运动而提前与主气流发生掺混。
燃油的质量流量mf由下式1)确定：
式1)中：μ为系数且取值为0.6～1.0，r为气体比热比，ρf为燃油密度，pf为燃油进口压力，δ为系数且取值为0.85～0.95，pg1为主腔室气体进口压力。
主气流的质量流量mg1由下式2)确定：
式2)中：ε为系数且取值为1.32～1.76，R为摩尔气体常数，Tg1为主气流温度。
二次气流的质量流量mg2由下式3)确定：
式3)中：pg2为副腔室气体进口压力，Tg2为二次气流温度。
主气流入口流量应满足下式4)：
d42-d62＝β0(d22-d12) 4)
式4)中：β0为系数且取值要大于1。
经过反复理论计算和试验验证得出，类锥体的锥头直径d1为8mm～20mm为宜，类锥体的锥尾直径d6为2mm～5mm为宜，主喷口的直径d2为8mm～22mm为宜，副喷口的直径d3为9mm～23mm为宜，主腔室位于主腔体内部的端部直径d4为6mm～20mm为宜，类锥体的锥头张角α为60°～120°为宜，主喷口的张角β为70°～110°为宜，注油孔与主喷口间的垂直距离L为15mm～35mm为宜，微型偏心孔的孔直径d5为0.1mm～0.6mm为宜，微型偏心孔的轴线距主腔体轴心O的偏心距离r1为3mm～10mm为宜，微型偏心孔的个数n为3～8个为宜。
本发明的优点是：本发明喷嘴依靠气体动力雾化燃油实现高速喷射，一方面能够实现气体和燃油的均匀混合与雾化，另一方面喷嘴射流形成有低速回流区，对雾化射流的着火燃烧可充当稳焰作用，保证了射流的可靠着火和稳定燃烧。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴，其特征在于：它包括主腔体，主腔体的外壁装配有副腔体，主腔体的入口端开设有气体入口而出口端设有与外部贯通的内腔，内腔内安装有类锥体，类锥体的锥头置于内腔在主腔体出口端上形成的开口处，类锥体的外壁与内腔的内壁之间形成从内到外逐渐呈喇叭状向周边扩张的环型主腔室且在主腔体出口端的开口处形成环形主喷口，以用于实现向外发散扩张式地倾斜喷射混合气流，气体入口经由输气通道与主腔室位于主腔体内部的端部连通，副腔体上开设有用于输送燃油的注油孔，注油孔经由输油通道与主腔室的中部连通，副腔体上开设有用于输送二次气流的环型副腔室，副腔室经由环形副喷口与外部相贯通，副喷口位于主喷口的外周侧，以使副喷口喷出的二次气流与主喷口喷出的混合气流以设定夹角交汇而发生撞击，其中：输油通道包括开设在主腔体上、与注油孔连通的环形集油槽，集油槽经由主腔体上开设的多个微型偏心孔与主腔室连通；主腔室位于主腔体内部的端部的流通截面积大于主喷口的流通截面积。
2.如权利要求1所述的高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴，其特征在于：
所述副腔室经由所述副腔体上开设的输气孔与所述输气通道连通。
3.如权利要求2所述的高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴，其特征在于：
所述输气通道由开设在所述主腔体上的斜孔、垂直孔以及连通斜孔与垂直孔的环形流道构成，所述输气孔为平行于所述主腔体轴线、连通环形流道与所述副腔室的水平孔。
4.如权利要求1所述的高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴，其特征在于：
所述副腔室与所述副腔体上开设的、和外部贯通的二次气体入口连通。
5.如权利要求4所述的高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴，其特征在于：
所述输气通道为开设在所述主腔体上、平行于所述主腔体轴线的直孔。
6.如权利要求1所述的高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴，其特征在于：
所述多个微型偏心孔以相同的偏心距离环绕所述主腔体的轴心均布。
7.如权利要求1所述的高速燃气热喷涂用燃油雾化喷嘴，其特征在于：
所述类锥体的锥头直径d1为8mm～20mm，所述类锥体的锥尾直径d6为2mm～5mm，所述主喷口的直径d2为8mm～22mm，所述副喷口的直径d3为9mm～23mm，所述主腔室位于所述主腔体内部的端部直径d4为6mm～20mm，所述类锥体的锥头张角α为60°～120°，所述主喷口的张角β为70°～110°，所述注油孔与所述主喷口间的垂直距离L为15mm～35mm，所述微型偏心孔的孔直径d5为0.1mm～0.6mm，所述微型偏心孔的轴线距所述主腔体轴心的偏心距离r1为3mm～10mm，所述微型偏心孔的个数n为3～8个。
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