CN108775969A - 测量超音速火焰喷涂射流温度的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量超音速火焰喷涂射流温度的装置和方法。超音速火焰喷枪固定装在固定板上，超音速火焰喷枪的枪口根部的两侧的固定板上均装有径向调节架，两侧的径向调节架上均安装有轴向调节架和滑块，轴向调节架一端部连接径向调节架上，轴向调节架另一端部上装有滑块，滑块上插装热电偶。本发明测量精度较高，同时对喷涂过程不造成任何影响，能实时测量，实用性强，可靠性强，成本低，安装后对于喷枪没有任何影响。

Description

测量超音速火焰喷涂射流温度的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种火焰温度的测量装置和方法，尤其涉及一种测量超音速火焰喷涂射流温度的装置和方法。
背景技术
热喷涂作为一种表面工程技术是一直存在并不断在发展，其本质是改变物体表面的结构特点，达到令工件表面耐腐蚀、抗氧化、耐摩擦、绝热等目的。
超音速火焰喷涂是利用特殊设计的喷枪，并采用高压和高能燃料，使喷涂的粉末粒子以高速度喷射到工件表面而形成结合强度高和致密涂层的喷涂技术。
对于一般超音速喷涂系统，可以直接设置喷涂过程中燃料和氧气的流量等工艺参数，可以在线检测燃烧室中的燃烧室压力，但是缺少检测喷枪喷出焰流气体(射流)特性的装置，难以确定在喷涂过程中过喷涂的射流温度是否稳定，该温度下的涂层性能是否能够达到要求。因此，在超音速火焰喷涂过程中，一种超音速火焰喷涂射流温度的测量非常重要。现有技术缺少了能测量超音速火焰喷涂射流温度的方式。
发明内容
为了弥补超音速火焰喷涂过程中的不足，本发明提出了一种基于射流理论的超音速火焰喷涂射流温度的测量方法及装置，实现了超音速火焰喷枪亚音速射流段温度的测量。本发明方法只需测量出口火焰的温度就可以推导出整个处于亚音速段的火焰射流任一点的温度值。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一、一种测量超音速火焰喷涂射流温度的装置：
装置包括超音速火焰喷枪、径向调节架、轴向调节架、热电偶、固定板和滑块，超音速火焰喷枪固定装在固定板上，超音速火焰喷枪的枪口根部的两侧的固定板上均装有径向调节架，两侧的径向调节架上均安装有轴向调节架和滑块，轴向调节架一端部连接径向调节架上，轴向调节架另一端部上装有滑块，滑块上插装热电偶。
所述的径向调节架上开有沿垂直于超音速火焰喷枪的射流出射方向的条形槽，轴向调节架端部嵌装于径向调节架的条形槽中并沿条形槽可调整位置地固定，轴向调节架上开有沿平行于超音速火焰喷枪的射流出射方向的条形槽，滑块嵌装于轴向调节架的条形槽中并沿条形槽可调整位置地固定，滑块上插装的热电偶沿垂直于超音速火焰喷枪的射流出射方向布置。
其中一侧的轴向调节架的滑块上插装有第一根热电偶，另一侧的轴向调节架的滑块上插装有第二根和第三根热电偶，共计三根热电偶，三根热电偶分别和超音速火焰喷枪的射流中心轴线之间的距离均不同。
还包括多路巡检仪和上位机，热电偶经多路巡检仪和上位机连接。
二、一种测量超音速火焰喷涂射流温度的方法：以热电偶的末端作为测温点，使得测温点位于火焰射流形成的边界层内，并测量获得测温点和射流中心轴线之间的垂直距离以及测温点和枪口之间的距离；将多根热电偶采集到的多次温度数据结合距离数据进行处理计算得到测温点所在焰流截面的边界层厚度，再通过亚音速段所在的剖面温度分布模型计算得到亚音速段的火焰射流温度场任意一点的温度值。
超音速火焰喷枪喷出的火焰射流沿射流方向分为两段，靠近枪口的一段为超音速段，远离枪口的一段为亚音速段，亚音速段作为射流的基本段。
火焰射流(即焰流)进入静止的大气中后，会被卷入大量空气，各个分子间的复杂的湍流运动会形成涡流。但从宏观来说，随着空气的卷入，射流沿出射方向会不断扩张形成沿射流方向厚度不断增加的边界层，边界层的轮廓线将射流与空气中静止的气流分别开来，这个轮廓线内属于射流部分，边界层外是周围的大气环境，边界层内外的温度存在明显的梯度。
本发明在测温过程中，热电偶的测温点必须在射流的边界层内。本发明测量的射流段为处于空气中的亚音速段，通过实验发现亚音速段在垂直于焰流的剖面上具有自相似性，亚音速段的火焰射流在任意垂直于射流方向的剖面上的温度、速度等分布具有其特定规律。
方法具体步骤为：
1)以热电偶的末端作为测温点，通过两根热电偶测量获得温度值采用以下公式计算获得边界层厚度：
其中，rb为测温点所在截面的边界层厚度，测温点所在截面为热电偶末端所位于的垂直于射流中心轴线的平面，T1、T2分别表示两个热电偶测得的温度值，r1和r2分别表示两个测温点和射流中心轴线之间的垂直距离，Te是环境温度；
2)在垂直于射流中心轴线的两个平面处采用步骤1)方式获得边界层厚度，再计算获得系数K，从而用以下公式计算任意测温点处对应的边界层厚度rb：
rb＝r0+KL
其中，K为边界层轮廓线扩散系数，r0表示超音速火焰喷枪的枪口半径，L表示热电偶的末端沿射流中心轴线到枪口的轴向距离(即热电偶的末端所在截面到枪口的距离)；
3)再采用以下公式表示的亚音速段的剖面温度分布模型计算获得：
其中，Te是环境温度，T是测温点的测温值，r为测温点距射流轴中心线的距离，Tm是测温点所在截面和射流轴中心线交点处的温度值，测温点所在截面为测温点所位于的垂直于射流中心轴线的平面，rb为测温点所在截面的边界层厚度，rb是通过步骤2)获得。
上述公式中，射流轴中心线上的不同处的温度值Tm为通过热电偶末端放置在垂直于射流轴中心线的不同平面处进行测量，以获得的温度值代入步骤3)的剖面温度分布模型中计算获得。
所述步骤1)中的两根热电偶的末端布置在垂直于射流中心轴线的同一平面上，并且两根热电偶的末端到射流中心轴线的垂直距离不同。
本发明在测量过程中热电偶不能发生位移，因此在具体实施中，测温的前后都会对热电偶的位置进行测量。若测温前后热电偶的位置发生轻微的位移也要重新测量，这是因为射流的温度变化率比较大，轻微的位置也会对测温产生影响。
本发明的有益效果是：
本发明方法是一种接触式测量，其测量精度较高，同时对喷涂过程不造成任何影响。
本发明具有实时性，能够在采集过程中进行实时测量，实用性强。
本发明安全无害，性能好，可靠性强，成本低。
本发明的装置采用铝合金材料，质量较轻，安装后对于喷枪没有任何影响。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面详细的描述，能够更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：
图1为本发明整体装置示意图；
图2为本发明热电偶位置调节装置示意图。
图中：超音速火焰喷枪1、径向调节架2、轴向调节架3、热电偶4、固定板6、滑块7、多路巡检仪8、上位机9、边界层10、射流中心轴线11。
具体实施方式
下面根据附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。但这个实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这个实施例的限制。
如图1和图2所示，本发明包括超音速火焰喷枪1、径向调节架2、轴向调节架3、热电偶4、固定板6和滑块7，超音速火焰喷枪1固定装在固定板6上，超音速火焰喷枪1的枪口根部的两侧的固定板6上均装有径向调节架2，两侧的径向调节架2上均安装有轴向调节架3和滑块7，轴向调节架3一端部连接径向调节架2上，轴向调节架3另一端部上装有滑块7，滑块7上插装热电偶4。
如图1和图2所示，径向调节架2上开有沿垂直于超音速火焰喷枪1的射流出射方向的条形槽，轴向调节架3端部嵌装于径向调节架2的条形槽中并沿条形槽可调整位置地固定，轴向调节架3上开有沿平行于超音速火焰喷枪1的射流出射方向的条形槽，滑块7嵌装于轴向调节架3的条形槽中并沿条形槽可调整位置地固定，滑块7上插装的热电偶4沿垂直于超音速火焰喷枪1的射流出射方向布置。
通过调节轴向调节架3端部固定嵌装于径向调节架2的条形槽中的位置和滑块7固定嵌装于轴向调节架3的条形槽中的位置，使得热电偶4末端的测温点位于火焰射流形成的边界层内。
固定板6与径向调节架2之间通过螺栓相连接，径向调节架2与轴向调节架3之间也是通过紧定螺钉连接，每对调节架的组合是对称分布的，热电偶4通过自带的螺纹与滑块7固定在一起。
其中一侧的轴向调节架3的滑块7上插装有第一根热电偶4，另一侧的轴向调节架3的滑块7上插装有第二根和第三根热电偶4，共计三根热电偶4，三根热电偶4分别和超音速火焰喷枪1的射流中心轴线11之间的距离均不同。
第一根热电偶4与第二根第三根热电偶4和第三根热电偶4中其中一根位于同一垂直于火焰射流方向(即射流中心轴线11)的平面上。
本发明具体实施还包括多路巡检仪8和上位机9，热电偶4经多路巡检仪8和上位机9连接。
本发明中，主要由径向调节架2、轴向调节架3和滑块7构成了用来精确调节测温热电偶位置的调节机构，多路巡检仪8为用于温度显示的二次仪表，上位机9用来记录热电偶测温。
本发明的实施例及其实施过程如下：
本发明如图1主要由固定测温热电偶的装置、用来精确调节测温热电偶位置的辅助装置、用于温度显示的二次仪表以及用来记录热电偶测温的上位机组成。
在操作过程中首先调节热电偶固定装置如图2，热电偶位置调节装置它包括一块固定板6、轴向调节架3、径向调节架2、滑块7、热电偶4。在结构上包括：固定板6的一端与喷枪1固定、另一端与径向架2通过螺栓相连接，径向调节架2与轴向调节架3之间也是通过紧定螺钉连接，每对调节架的组合是对称分布的，热电偶4通过自带的螺纹与滑块7固定在一起。
具体实施时，在喷管内径r0为5.5mm的超音速火焰喷枪的工艺参数设为煤油20L/h，氧气800L/min。喷涂环境温度Te为24℃时，通过本方法在距离枪口L1为2.7cm测得两点温度分别T1为310.6℃T2为254.6℃，两个测温点与中心轴线的距离分别r1 0.6cm，r2为0.7cm。
热电偶跟随滑块在滑轨内滑动，使得热电偶处于射流的边界层内，同时使得热电偶1和2处于同一焰流截面其边界层厚度为rb，距离枪口轴向距离为L1但测温点与焰流中心轴线的距离不同分别为r1和测得温度为T1、T2，另一热电偶处于距离枪口轴向距离为L2的边界层半径为rb2的温度为T3，测得的环境温度为Te，根据射流的边界层厚度公式：
可以得到此热电偶1和2所处的焰流截面的边界层厚度rb。实施例得到此位置的边界层半径rb为0.98cm，此位置的焰流截面轴线点的温度值Tm为671.7℃。
已知喷口的半径r0，边界层厚度和剖面到枪口的距离L1足下面的计算关系：
rb＝r0+KL
其中K是一个常数，将由T1～T2所求的rb＝rb1带入上式，即可得K的值。
实施例计算获得K为常数0.159，当距离L2为1.5cm测得温度T3为201.4℃时，此处的边界层半径rb2为0.78cm，此位置的焰流截面轴线点的温度值为1338.9℃。
由此可以得到距离枪口任意距离所在位置的边界层厚度，同时根据射流的亚音速取剖面的温度分布模型即可得到热电偶3所处焰流截面轴线点的温度值Tm再采用以下公式表示的亚音速段的剖面温度分布模型计算获得：
得到整个截面的温度分布。
由上述实施可见，本发明接触式测量下能够实时测量火焰中心射流的温度，测量精度较高，实用性强，具有其突出显著的技术效果。

Claims (7)

1.一种测量超音速火焰喷涂射流温度的装置，其特征在于：包括超音速火焰喷枪(1)、径向调节架(2)、轴向调节架(3)、热电偶(4)、固定板(6)和滑块(7)，超音速火焰喷枪(1)固定装在固定板(6)上，超音速火焰喷枪(1)的枪口根部的两侧的固定板(6)上均装有径向调节架(2)，两侧的径向调节架(2)上均安装有轴向调节架(3)和滑块(7)，轴向调节架(3)一端部连接径向调节架(2)上，轴向调节架(3)另一端部上装有滑块(7)，滑块(7)上插装热电偶(4)。
2.根据权利要求1所述的一种测量超音速火焰喷涂射流温度的装置，其特征在于：所述的径向调节架(2)上开有沿垂直于超音速火焰喷枪(1)的射流出射方向的条形槽，轴向调节架(3)端部嵌装于径向调节架(2)的条形槽中并沿条形槽可调整位置地固定，轴向调节架(3)上开有沿平行于超音速火焰喷枪(1)的射流出射方向的条形槽，滑块(7)嵌装于轴向调节架(3)的条形槽中并沿条形槽可调整位置地固定，滑块(7)上插装的热电偶(4)沿垂直于超音速火焰喷枪(1)的射流出射方向布置。
3.根据权利要求1所述的一种测量超音速火焰喷涂射流温度的装置，其特征在于：其中一侧的轴向调节架(3)的滑块(7)上插装有第一根热电偶(4)，另一侧的轴向调节架(3)的滑块(7)上插装有第二根和第三根热电偶(4)，共计三根热电偶(4)，三根热电偶(4)分别和超音速火焰喷枪(1)的射流中心轴线(11)之间的距离均不同。
4.根据权利要求1所述的一种测量超音速火焰喷涂射流温度的装置，其特征在于：还包括多路巡检仪(8)和上位机(9)，热电偶(4)经多路巡检仪(8)和上位机(9)连接。
5.应用于权利要求1所述装置的一种测量超音速火焰喷涂射流温度的方法，其特征在于：以热电偶的末端作为测温点，使得测温点位于火焰射流形成的边界层内，并测量获得测温点和射流中心轴线(11)之间的垂直距离以及测温点和枪口之间的距离；将多根热电偶采集到的多次温度数据结合距离数据进行处理计算得到测温点所在焰流截面的边界层厚度，再通过亚音速段所在的剖面温度分布模型计算得到亚音速段的火焰射流温度场任意一点的温度值。
6.根据权利要求5所述的一种测量超音速火焰喷涂射流温度的方法，其特征在于方法具体步骤为：
1)以热电偶的末端作为测温点，通过两根热电偶测量获得温度值采用以下公式计算获得边界层(10)厚度：
其中，rb为测温点所在截面的边界层厚度，T1、T2分别表示两个热电偶测得的温度值，r1和r2分别表示两个测温点和射流中心轴线(11)之间的垂直距离，Te是环境温度；
2)在垂直于射流中心轴线(11)的两个平面处采用步骤1)方式获得边界层(10)厚度，再计算获得系数K，从而用以下公式计算任意测温点处对应的边界层(10)厚度rb：
rb＝r0+KL
其中，K为边界层轮廓线扩散系数，r0表示超音速火焰喷枪的枪口半径，L表示热电偶的末端沿射流中心轴线(11)到枪口的轴向距离(即热电偶的末端所在截面到枪口的距离)；
3)再采用以下公式表示的亚音速段的剖面温度分布模型计算获得：
其中，Te是环境温度，T是测温点的测温值，r为测温点距射流轴中心线的距离，Tm是测温点所在截面和射流轴中心线交点处的温度值，rb为测温点所在截面的边界层厚度。
7.根据权利要求6所述的一种测量超音速火焰喷涂射流温度的方法，其特征在于：所述步骤1)中的两根热电偶的末端布置在垂直于射流中心轴线(11)的同一平面上，并且两根热电偶的末端到射流中心轴线(11)的垂直距离不同。
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