CN106525627A - 一种超音速喷砂枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超音速喷砂枪，包括拉瓦尔管、连通拉瓦尔管的扩张管、连通拉瓦尔管的加速管。混砂管采用气流减速，砂粒增速的设计方法，以使砂粒与气体在通过拉瓦尔管之前能混合均匀；加速管采用具有微小扩张角的形面的设计方法，这样既能使砂粒持续获得较大推力进而加速至设定超声速，又能降低气流受沿程阻力的影响。拉瓦尔管采用曲面设计方法，这样既能减轻砂粒对喉道的磨损，又能在拉瓦尔管出口处获得轴向速度梯度为零的高品质气流，使砂粒尽可能保持沿轴线运动减少砂粒与管壁碰撞，从根本上提高喷枪的耐磨性。

Description

一种超音速喷砂枪

技术领域

本发明涉及喷砂枪结构设计领域。

背景技术

近十多年来，材料抗砂粒冲蚀性能的相关研究不断取得进步。目前，砂粒冲蚀研究主要通过气体或者液体为砂粒加速冲蚀撞击靶材。前者为气固冲蚀后者为液固冲蚀。金属材料的抗冲蚀试验通常采用干燥空气加速砂粒的冲蚀方式，原因是空气相对于液体更能减少除开砂粒之外的因素对金属研究对象的影响。而靠空气推动砂粒使其加速，效率十分有限。要获得更大的砂粒速度，只能提高空气的流速来实现。

对于提高空气流速，一种方式是利用环状拉瓦尔管在一定气流总压下形成一股固定马赫数的超音速气流，靠超音速气流对砂粒形成引射效应，进而实现喷砂。该方法有一些不足之处：第一，该结构的内腔有一环状楔形面与装入内腔的截锥柱形进砂嘴组成的一个环状拉瓦尔管；靠截锥柱肩部与楔形面形成拉瓦尔管的喉道；靠截锥柱形进砂嘴端部形面与楔形面形成拉瓦尔管的收缩与扩张面，且均为锥形。由此可知该拉瓦尔管出口处的流场品质必定较差，形成散射，这使得砂粒几乎都会与管道壁面发生碰撞，严重影响砂粒速度。第二，由单一进气口提供高压气体，而又靠环状拉瓦尔管作输出，且形成超音速气流之后再流向收缩管道，这使得拉瓦尔管出口处轴对称位置形成的激波能量相互抵消，影响气流速度，进而影响砂粒速度。第三，该方法是先形成超音速气流，再通过引射原理吸入砂粒进而对其加速。因为靠引射吸入的砂粒具备的初速度很低，加上该结构设计的导流管很短，说明砂粒加速行程短，所以理论上来说，该方法很难使砂粒加速至音速，要跨越音速则难上加难。

有一种方式是通过向由薄膜隔断的容器中不断填充气体，待压力到达一定值时，薄膜破裂，容器中的带压力气体流向一段激波管，进而形成激波，其带动波后气体驱动砂粒，最终使砂粒获得一定速度。此方法操作复杂；由于薄膜材料的分散性，让其作隔断以使气体增压的方法将给安放试验件的人员带来极大的安全隐患；更重要的在文献中没有提及该方法能使砂粒实现超音速。

有一种方式是通过燃料在喷枪内燃烧室燃烧而使气体产生膨胀，从而使粒子在高温高压焰流的带动下加速，以超音速状态喷出。此方法虽然能使固体颗粒实现超音速，可由于燃烧传热的作用，喷出的高温焰流将不可避免地对冲蚀试验受件造成影响；由于该方法产生的气流速度受燃烧、传热和气力输送等多种复杂因素影响，要精确控制气流和固体颗粒速度必定不会简单；该方法所涉及的元器件较多，设备结构复杂，操作繁琐。

综合以上说明，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明公开的超音速喷砂枪在结构简单的前提下能够将砂粒加速至超音速，并且能形成良好品质的流场气流。

技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：

一种超音速喷砂枪，包括进砂装置；还包括连通进砂装置出砂孔的扩张管、连通扩张管的拉瓦尔管、连通拉瓦尔管的加速管；所述扩张管包括与出砂孔连接的逐渐扩张的过渡管及自过渡管向前延伸的主管体，所述主管体的直径大于出砂孔、拉瓦尔管及加速管的直径；所述拉瓦尔管的收缩段连接扩张管，拉瓦尔管的扩张段连接加速管，所述加速管的内径是逐渐扩张的。

有益效果：相对于现有技术，本发明在拉瓦尔管及出砂孔之间设置了扩张管，过扩张管将通道管径扩大，使管径适应拉瓦尔管的推荐收缩比(收缩前的管径与收缩后管径的比值)，储备适当的势能；同时能够使从管道出砂孔中出来的气流有一定减速，以使试验砂粒与高速气流能混合均匀。加速管沿出口方向微小扩张，这样既能使砂粒持续获得较大推力进而加速至设定超声速，又能避免气流受沿程阻力的影响。

进一步的，拉瓦尔管采用曲面设计方法，这样既能减轻砂粒对喉道的磨损，又能在拉瓦尔管出口处获得轴向速度梯度为零的高品质气流，使砂粒尽可能沿轴线运动减少砂粒与管壁碰撞，从根本上提高喷枪的耐磨性。

优选的，所述进砂装置包括进气管、垂直进气管向上延伸的入砂管、同样垂直进气管向上延伸的分压管，所述入砂管中设有第一电磁阀，所述分压管与入砂管连通且连通处位于第一电磁阀上方；所述分压管上设有第二电磁阀；所述入砂管的上部设有阀体，所述阀体位于上述分压管与入砂管的连通处的上方。

而上述超音速喷砂枪的的使用方法，可采用以下技术方案，包括以下步骤：

(1)、关闭第一电磁阀及第二电磁阀，打开阀体并将砂粒自阀体放置入入砂管中；砂粒掉入第一电磁阀上后，关闭阀体；

(2)、打开第二电磁阀，且进气管开始进气，

(3)、加速管出口处气流稳定后，打开第一电磁阀，砂粒通过第一电磁阀进入进气管并被送入扩张管。

附图说明

图1是本发明超音速喷枪的结构示意图。

图2是本发明中使用的拉瓦尔管示意图。

图3是Foelsch解析方法的拉瓦尔管扩张段型面示意图。

具体实施方式

请参阅图1级图2所示，一种超音速喷砂枪，包括进砂装置1、连通进砂装置1出砂孔17的扩张管2、连通扩张管2的拉瓦尔管3、连通拉瓦尔管3的加速管4；所述扩张管2包括与出砂孔连接的逐渐扩张的过渡管21及自过渡管21向前延伸的主管体22(也可称为混砂管)，所述主管体22的直径大于出砂孔、拉瓦尔管3及加速管4的直径。该扩张管22将通道管径扩大，从而可以适应拉瓦尔管3的推荐收缩比(收缩前的管径与收缩后管径的比值)以使中的气流能在拉瓦尔管3中减速增压，储备适当的势能；同时能够使从管道出砂孔中出来的气流有一定减速，以使试验砂粒与高速气流能混合均匀。所述拉瓦尔管3的收缩段31连接扩张管2，拉瓦尔管3的扩张段32连接加速管4。收缩段31与扩展段32之间形成喉道33。所述加速管4的内径是逐渐微小扩张的，加速管4采用具有一定扩张角的形面的设计方法，使得空气在通过拉瓦尔管之后继续保持加速状态，进而持续为砂粒提供较大加速度，以使气体对砂粒的推力继续保持明显大于自身重力的状态，如此，砂粒将跟随具备良好流场品质的气流保持沿管道轴线运动，几乎不与管道壁面发生碰撞。采取该结构设计的方式增加喷枪的抗磨损能力。其中，为了所述拉瓦尔管的内壁、扩张管的内壁、加速管的内壁均涂覆有陶瓷耐磨涂层材料以增强管壁的抗磨损能力。

如图2所示，本发明中采用拉瓦尔管对砂粒加速，其先收缩后扩张的结构设计是能否实现超音速气流的关键。原因是当气流速度无限接近声速时，通过单位面积的气体流量达到最大；若对于平直管道，此时就已形成壅塞效应，而管道下游气体流量又绝不可能比上游小，所以平直管道中的气流不论具备多大的压力，均无法实现超音速。然而当管道经过适当的收缩，使其中的气体储备适宜的势能；使收缩段最窄处气流无限接近音速，然后管道立即进行扩张使气体势能再转化为动能，以此突破音速，达到超音速状态。需要强调的是，要使气体实现超音速，必须满足的前提条件是气体静压与大气压之比大于1.892。

请参阅图1所示，所述进砂装置1包括进气管11、垂直进气管11向上延伸的入砂管12、同样垂直进气管11向上延伸的分压管13。所述入砂管12中设有第一电磁阀14。所述分压管13与入砂管12连通且连通处位于第一电磁阀14上方。所述分压管13上设有第二电磁阀15。所述入砂管12的上部设有阀体16，所述阀体16位于上述分压管13与入砂管12的连通处的上方。

在本实施方式中，为了能够减轻砂粒对喉道的磨损并且在拉瓦尔管出口处获得轴向速度梯度为零的高品质气流。在本实施方式中采用的拉瓦尔管采用特殊曲面设计方法。包括以下分别对拉瓦尔管收缩段、喉道、扩张段的设计。

其中，拉瓦尔管的收缩段采用的曲面设计方法具体为：

收缩段的性能主要取决于收缩比和收缩曲线。

收缩形面的设计采用双三次曲线的方法，双三次曲线可用下式表示：

式中：x_m为两曲线前后连接点；D_i为轴向距离为x处的截面直径，一般取x_m/L＝0.52，并适当加长使其留有一定的安全余量；D为收缩段入口直径；D_t为喉部的直径；L为收缩段长度。

用该方法得到的收缩段，其出口可以得到较为均匀的一维流动，能获得较好的气流品质，且方法灵活可以控制收缩段尺寸。

所述拉瓦尔管的收缩段与扩张段之间形成喉道；该喉道采用Sauer的一次近似解方法设计，具体为：

喉部曲率计算方法如下：

式中：δ＝1，对应轴对称流动；L＝ρ_t+r_t；r_t为喉道半径；α为待定常数；γ为气体比热容比。

一般情况下α是未知的，而喉部上游型面的曲率半径是已知的，由式(2)可以得到用ρ_t表示α的方程为：

通过采用这种方法能将喷管喉部区的速度分布式、声速线方程和起始线方程都用喉部几何参数r_t和ρ_t进行表示。

该方法益处在于通过控制几何参数的方式，较为精确地控制拉瓦尔管喉部的流动参数分布，进而为扩张超声速段设计提供良好的初始条件。

拉瓦尔管的扩张段采用Foelsch解析设计方法，具体为：

Foelsch假设气流经过初始膨胀段后在末端BB′线上形成一均匀源流。所谓在BB′线上气流为均匀源流的意思是BB′线是以O′点为中心的圆弧，BB′线上任意点D处的流速是沿半径O′D方向，BB′弧线上各点具有相同马赫数。Foelsch解析方法的拉瓦尔管扩张段型面如图3所示。

Foelsch方法是以假设在转折点B处能得到源流为基础的。经验表明，在喉部与转折点之间用一条解析曲线，要能在转折点得到近似的源流。此曲面必须满足以下条件：

当x＝0(喉道处)时，有

y＝y^*,y′＝0 (4)

当x＝x_B(转折点)时，有

y＝r_B sinβ_B,y′＝tanβ_B,y″＝0 (5)

可满足以上条件的曲线形式如下：

y＝y^*+C₁x²+C₂xⁿ (6)式中：C₁，C₂根据所需要满足的条件确定后，得到：

式中：

式中：h为拉瓦尔管出口处的半高；A_B/A^*与A_T/A^*为转折点以及喉部点马赫数对应的一维流管的面积比，当n＝3时，为三次曲线，即：

式中：

对于β_B角，在出口处马赫数Ma<5时，Foelsch建议

该方法益处在于能在拉瓦尔管出口处形成均匀流，在过渡区域内轴线上的速度梯度从源流处开始减小，到达均匀流动区域时减小到0，以此获得良好品质的气流。

上述超音速喷枪的使用方法可以包括以下步骤：

(1)、关闭第一电磁阀及第二电磁阀，打开阀体并将砂粒自阀体放置入入砂管中；砂粒掉入第一电磁阀上后，关闭阀体。

(2)、打开第二电磁阀，且进气管开始进气，此时第一电磁阀的上下两端所受气压一致。

(3)、加速管出口处气流稳定后，打开第一电磁阀，砂粒此时砂粒将受自身重力及管道内的流动气体通过第一电磁阀进入进气管并被送入扩张管。

另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种超音速喷砂枪，包括进砂装置；其特征在于，还包括连通进砂装置出砂管的扩张管、连通扩张管的拉瓦尔管、连通拉瓦尔管的加速管；所述扩张管包括与出砂孔连接的逐渐扩张的过渡管及自过渡管向前延伸的主管体，所述主管体的直径大于出砂孔、拉瓦尔管及加速管的直径；所述拉瓦尔管的收缩段连接扩张管，拉瓦尔管的扩张段连接加速管，所述加速管的内径是逐渐扩张的。

2.根据权利要求1所述的超音速喷砂枪，其特征在于：所述进砂装置包括进气管、垂直进气管向上延伸的入砂管、同样垂直进气管向上延伸的分压管，所述入砂管中设有第一电磁阀，所述分压管与入砂管连通且连通处位于第一电磁阀上方；所述分压管上设有第二电磁阀；所述入砂管的上部设有阀体，所述阀体位于上述分压管与入砂管的连通处的上方。

3.根据权利要求1或2所述的超音速喷砂枪，其特征在于，所述拉瓦尔管的收缩段采用的曲面设计方法具体为：

收缩形面的设计采用双三次曲线的方法，双三次曲线用下式表示：

$\frac{D_i-D_t}{D-D_t}=\left\{\begin{array}{cc}1-\frac{1}{x_m^2}{\left(\frac{x}{L}\right)}^3,& (x/L)\&le;x_m\\ \frac{1}{{(1-x_m)}^2}{\&lsqb;1-\frac{x}{L}\&rsqb;}^3,& (x/L)>x_m\end{array}\right.$

式中：x_m为两曲线前后连接点；D_i为轴向距离为x处的截面直径，一般取x_m/L＝0.52，并适当加长使其留有一定的安全余量；D为收缩段入口直径；D_t为喉部的直径；L为收缩段长度。

4.根据权利要求1或2所述的超音速喷砂枪，其特征在于，所述拉瓦尔管的收缩段与扩张段之间形成喉道；该喉道采用Sauer的一次近似解方法设计，具体为：

喉部曲率计算方法如下：

${\mathrm{\&rho;}}_t=\frac{(1+\mathrm{\&delta;})L^2}{(\mathrm{\&gamma;}+1){\mathrm{\&alpha;}}^2{r}_t}$

式中：δ＝1，对应轴对称流动；L＝ρ_t+r_t；r_t为喉道半径；α为待定常数；γ为气体比热容比；

α是未知的，而喉部上游型面的曲率半径是已知的，由上可以得到用ρ_t表示α的方程为：

$\mathrm{\&alpha;}={\&lsqb;\frac{1+\mathrm{\&delta;}}{(\mathrm{\&gamma;}+1)r_t{\mathrm{\&rho;}}_t}\&rsqb;}^{\frac{1}{2}}L$

通过采用这种方法能将喷管喉部区的速度分布式、声速线方程和起始线方程都用喉部几何参数r_t和ρ_t进行表示。

5.根据权利要求3所述的超音速喷砂枪，其特征在于，拉瓦尔管的扩张段采用Foelsch解析设计方法。

6.根据权利要求1或2所述的超音速喷砂枪，其特征在于：所述拉瓦尔管的内壁、扩张管的内壁、加速管的内壁均涂覆有陶瓷耐磨涂层材料。

7.根据权利要求2所述的超音速喷枪的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、关闭第一电磁阀及第二电磁阀，打开阀体并将砂粒自阀体放置入入砂管中；砂粒掉入第一电磁阀上后，关闭阀体；

(2)、打开第二电磁阀，且进气管开始进气，

(3)、加速管出口处气流稳定后，打开第一电磁阀，砂粒通过第一电磁阀进入进气管并被送入扩张管。