CN116103601A - 一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料表面改性和涂层技术领域，公开了一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪及其系统，包括燃烧室，燃烧室由收缩段、燃烧段和入口段组成，收缩段与喷管连接，入口段处依次设有多孔催化陶瓷板、气体分配单元、喷枪尾座，燃烧室外设有喷枪外壳，喷管外设有喷管外壳，送粉针设于喷枪尾座中部，喷枪尾座设有弯曲的压缩空气通道且与气体分配单元连接，靠近收缩段的燃烧段一侧设有冷却气体分配环，另一侧设有点火口，燃气通道依次穿设于多孔催化陶瓷板、气体分配单元、喷枪尾座中部与燃气接口连接。本发明的喷枪使喷涂温度降低，从而有效抑制粒子在喷涂过程中发生氧化、分解。
Description
技术领域
本发明属于材料表面改性和涂层技术领域，具体涉及一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪及其系统。
背景技术
超音速火焰喷涂是20世纪80年代初在普通火焰喷涂的基础上发展起来的一种新型热喷涂技术。它是利用氢、乙炔、丙烯、煤油等做燃料，用氧气或者压缩空气作助燃剂，在燃烧室或特殊的喷嘴中燃烧，产生温度2000℃以上、速度高于音速的超音速焰流，从而将粉末送进火焰中加热成熔化或半熔化的粒子，并高速撞击在基体表面上沉积形成高强度和高致密度的涂层。超音速火焰喷涂技术植被的涂层具有结合强度较高、结构较为致密的特点，为涂层制备及部件维修等提供了更多的选择，但是由于火焰焰流温度过高，如容易导致WC-CO、Ti等粒子发生较大程度氧化、分解，限制了超音速火焰喷涂技术在这些粉末涂层上的使用。
目前，本领域常通过在超音速火焰喷枪燃烧室外加装混合室，并通过向混合室内注入冷却气体以降低焰流的温度；或者在燃烧室的入口轴向送入冷却气体对焰流进行冷却。这两种方式可以一定程度上降低喷涂温度，但是对于轴向送粉而言，前者粒子在温度很高的燃烧室中出现过热，不能有效抑制粒子的氧化分解；而后者在不影响燃烧的情况下调节范围较窄，对温度的控制范围有限，对于易氧化的粒子氧化抑制程度有限。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪及其系统，解决了现有技术中对于轴向送粉不能有效抑制粒子的氧化的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，包括燃烧室，燃烧室由收缩段、燃烧段和入口段组成，收缩段与喷管连接，入口段处依次设有多孔催化陶瓷板、气体分配单元、喷枪尾座，燃烧室外设有喷枪外壳，喷管外设有喷管外壳，送粉针设于喷枪尾座中部，喷枪尾座设有弯曲的压缩空气通道且与气体分配单元连接，靠近收缩段的燃烧段一侧设有冷却气体分配环，另一侧设有点火口，燃气通道依次穿设于多孔催化陶瓷板、气体分配单元、喷枪尾座与燃气接口连接。
优选的，所述冷却气体分配环和燃烧室内设有冷却气流动槽，冷却气流动槽与冷却气体注入口连接，冷却气体注入口与点火口位于同一水平线。
优选的，所述冷却气体分配环上设有多个冷却气流入孔，冷却气流入孔穿设于冷却气流动槽与燃烧室相通。
优选的，所述多个冷却气流入孔设于冷却气体分配环一周，多个冷却气流入孔以冷却气注入口所在轴向为对称轴。
优选的，所述冷却气流入孔的数量为2n，冷却气体注入口一侧冷却气流入孔的数量为n，n≥4。
优选的，所述冷却气体注入口轴向一侧第i个孔孔径是冷却气体注入口轴向一侧紧挨第一个孔孔径的
优选的，所述冷却气流动槽的横截面积S1是冷却气流入孔口面积S2之和的8倍以上。
优选的，所述冷却气体注入口中心线距离收缩段的长度l1为燃烧段长度l2的1/10～1/5。
优选的，所述燃气通道在入口段处截面收缩，燃气通道在入口段处孔径d1为燃气通道在喷枪尾座内孔径d2的0.2-0.6倍。
本发明还公开了一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪的喷涂系统，包括：
气体模块用于为喷枪输送压缩空气、冷却气体以及燃气，包括空气压缩机依次与储气罐、干燥机连接，干燥机通过管路依次与控制柜模块、气体加热器连接，冷却气体瓶通过管路依次与控制柜模块、喷枪连接，燃气瓶、汽化器通过管路依次与控制柜模块、气体加热器连接，气体加热器与喷枪连接；
送粉模块用于为喷枪送粉，包括送粉载气瓶通过管路与控制柜模块连接，控制柜模块通过管路依次与送粉器、喷枪连接；
控制柜模块用于控制气体和粉末的流量；
喷枪加热模块用于为一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷枪进行点火前预热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明公开的一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，喷涂粉末在靠近收缩段的燃烧段处被加热最严重，需在此处设置冷却气体分配环进行冷却，冷却气体分配环将冷却气体径向送入燃烧室中，使粒子在温度显著升高处获得及时的冷却。弯曲的压缩空气通道能够破坏层流状态，压缩空气在弯曲的压缩空气通道内流速更为均匀。喷枪采用非预混方式，形成燃气在入口段混合不充分燃烧、燃烧段充分燃烧的形式；进而保证粒子刚进入燃烧室时速度和焰流温度都较低，从而不至于温升过高；燃烧段焰流温度较高，但是粒子速度也已得到提升，同时由于冷却气体的加入，避免粒子表面附近大范围区域温度大幅度提升，从而抑制粒子的氧化、分解。本发明的喷枪使喷涂温度降低1000℃，实现了喷涂温度较大范围的调节，粒子的温度降低至750℃以下，从而有效抑制粒子在喷涂过程中发生氧化、分解。
进一步地，冷却气流入孔的数量至少为8个，对焰流的冷却才会均匀。
进一步地，通过限定冷却气流入孔中靠近冷却气体注入口第i个孔的孔径，，保证每个孔的流量相等。
进一步地，冷却气流动槽横截面积是冷却气流入孔面积的8倍以上，使得每个冷却气流入孔流入的冷却气流量与压力近似相同，提高焰流的稳定性，同时避免粉末束流被吹偏造成对燃烧室的黏附。
进一步地，冷却气体注入口中心线距离收缩段的长度l1为燃烧段长度l2的1/10～1/5，距离的限定使得粉末在温度升高最显著的位置及时对焰流进行冷却。
进一步地，燃气通道在入口段处孔径d1为燃气通道在气体分配单元内孔径d2的0.2-0.6倍，能够提高进入燃烧室燃气的速度。
本发明还公开了一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂系统，利用气体加热器对燃气和压缩空气进行加热，使得气体的流速加快，保证了点火与燃烧的稳定性；利用加热包套对喷枪进行加热，保证气体大点火环境维持在80℃以上，保证在非预混的情况下喷枪仍具有较好的点火性能；在喷枪运行中，压缩空气被加热到60℃以上，保证燃烧稳定，实现了喷涂温度较大范围的调节，粒子的温度降低至750℃以下，从而有效抑制粒子在喷涂过程中发生氧化、分解。
附图说明
图1为本发明提供的一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪结构图；
图2为本发明提供的燃烧室的结构示意图；
图3为冷却气流动槽的局部放大图；
图4为图2的A-A面剖视图；
图5为本发明提供的一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂系统结构示意图；
其中：1-喷管外壳；2-喷管；3-喷枪外壳；4-冷却气体分配环；5-燃烧室；51-收缩段；52-燃烧段；53-入口段；6-多孔催化陶瓷板；7-气体分配单元；8-喷枪尾座；9-送粉针；10-冷却气流动槽；11-冷却气流入口；12-冷却气体注入口；13-点火口；14-空气压缩机；15-储气罐；16-干燥机；17-冷却气体瓶；18-燃气瓶；19-汽化器；20-控制柜；21-送粉器；22-气体加热器；23-送粉载气瓶；24-加热包套；25-喷枪。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，参见图1和图2，包括燃烧室5，燃烧室5由收缩段51、燃烧段52和入口段53组成，收缩段51与喷管2连接，入口段53处依次设有多孔催化陶瓷板6、气体分配单元7、喷枪尾座8，燃烧室5外设有喷枪外壳3，喷管2外设有喷管外壳1，送粉针9设于喷枪尾座8中部，喷枪尾座8设有弯曲的压缩空气通道且与气体分配单元7连接，靠近收缩段51的燃烧段52一侧设有冷却气体分配环4，另一侧设有点火口13，燃气通道依次穿设于多孔催化陶瓷板6、气体分配单元7、喷枪尾座8中部与燃气接口连接。
参见图4，多个冷却气流入孔11以冷却气注入口12所在径向为对称轴，冷却气注入口12两侧均匀地开着10个冷却气流入孔11，冷却气到燃烧室5当中，冷却气注入口12两侧5个小孔的孔径分别为1mm，1.02mm，1.17mm，1.31mm，1.58mm；燃烧段52的长度为36mm，冷却气体注入孔12的中心线距离收缩段51一侧的长度为6mm，参见图3，冷却气流动槽10的横截面积为32mm2。
燃气通道与弯曲的压缩空气通道用于将燃气与压缩气体在未经预混后分别独立送入燃烧室5内，燃气通道在入口段53处截面收缩，提高燃气流速，燃气通道在入口段53处截面孔径为d1为4mm，燃气通道在喷枪尾座8内孔径d2为7mm。
不注入冷却气的情况下，使用粒度为15～45μm的Ti粉末进行沉积试验，测得喷枪出口处的温度为2000℃，使用DPV-2000热喷涂在线监测仪测量到的粒子的平均温度为1550℃，测得涂层的含氧量为9.8at.％。
一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂系统在使用实施例1所用的方式对气体预热和喷枪预热后进行点火，如图5所示，燃烧稳定后，冷却气体以流量线性增大的形式注入到燃烧室5中对焰流进行冷却；在喷涂过程中，冷却气流量设置为0.5mm3/min。
气体模块用于为喷枪输送压缩空气、冷却气体以及燃气，包括空气压缩机14依次与储气罐15、干燥机16连接，干燥机16通过管路依次与控制柜模块、气体加热器22连接，冷却气体瓶17通过管路依次与控制柜模块、喷枪连接，燃气瓶18、汽化器19通过管路依次与控制柜模块、气体加热器22连接，气体加热器22与喷枪25连接；
送粉模块用于为喷枪送粉，包括送粉载气瓶23通过管路与控制柜模块连接，控制柜模块通过管路依次与送粉器21、喷枪连接；
控制柜模块用于控制气体和粉末的流量，包括控制柜20；
喷枪加热模块用于为一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷枪进行点火前预热，包括喷枪25，喷枪25外设有加热包套24。
使用粒度为15～45μm的Ti粉末进行沉积试验，测得喷枪出口处的温度为1600℃，使用DPV-2000热喷涂在线监测仪测量到的粒子的平均温度为1325℃,测得涂层的含氧量为6.4at.％。
实施例2
一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，参见图1和图2，包括燃烧室5，燃烧室5由收缩段51、燃烧段52和入口段53组成，收缩段51与喷管2连接，入口段53处依次设有多孔催化陶瓷板6、气体分配单元7、喷枪尾座8，燃烧室5外设有喷枪外壳3，喷管2外设有喷管外壳1，送粉针9设于喷枪尾座8中部，喷枪尾座8设有弯曲的压缩空气通道且与气体分配单元7连接，靠近收缩段51的燃烧段52一侧设有冷却气体分配环4，另一侧设有点火口13，燃气通道依次穿设于多孔催化陶瓷板6、气体分配单元7、喷枪尾座8中部与燃气接口连接。
参见图4，多个冷却气流入孔11以冷却气注入口12所在径向为对称轴，冷却气注入口12两侧均匀地开着16个冷却气流入孔11，冷却气到燃烧室5当中，冷却气注入口12两侧8个小孔的孔径分别为1mm，1.03mm，1.07mm，1.12mm，1.19mm,1.24mm，1.35mm，1.58mm；燃烧段52的长度为36mm，冷却气体注入孔12的中心线距离收缩段51一侧的长度为4mm，冷却气流动槽10的横截面积为36mm2，参见图3。
燃气通道与弯曲的压缩空气通道用于将燃气与压缩气体在未经预混后分别独立送入燃烧室5内，燃气通道在入口段53处截面收缩，提高燃气流速，燃气通道在入口段53处截面孔径为d1为4mm，燃气通道在喷枪尾座8内孔径d2为10mm。
一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂系统对气体预热和喷枪预热后进行点火，如图5所示，燃烧稳定后，冷却气体以流量线性增大的形式注入到燃烧室5中对焰流进行冷却；在喷涂过程中，冷却气流量设置为1mm3/min。
使用粒度为15～45μm的Ti粉末进行沉积试验，测得喷枪出口处的温度为1320℃，使用DPV-2000热喷涂在线监测仪测量到的粒子的平均温度为1045℃，测得涂层的含氧量为1.2at.％。
实施例3
一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，参见图1和图2，包括燃烧室5，燃烧室5由收缩段51、燃烧段52和入口段53组成，收缩段51与喷管2连接，入口段53处依次设有多孔催化陶瓷板6、气体分配单元7、喷枪尾座8，燃烧室5外设有喷枪外壳3，喷管2外设有喷管外壳1，送粉针9设于喷枪尾座8中部，喷枪尾座8设有弯曲的压缩空气通道且与气体分配单元7连接，靠近收缩段51的燃烧段52一侧设有冷却气体分配环4，另一侧设有点火口13，燃气通道依次穿设于多孔催化陶瓷板6、气体分配单元7、喷枪尾座8中部与燃气接口连接。
参见图4，多个冷却气流入孔11以冷却气注入口12所在径向为对称轴，冷却气注入口12两侧均匀地开着20个冷却气流入孔11，冷却气到燃烧室5当中，冷却气注入口12两侧10个小孔的孔径分别为1mm，1.02mm，1.05mm，1.09mm，1.13mm，1.19mm，1.25mm，1.33mm，1.44mm，1.58mm；燃烧段52的长度为36mm，冷却气体注入孔12的中心线距离收缩段51一侧的长度为8mm，冷却气流动槽10的横截面积为48mm2，参见图3。
燃气通道与弯曲的压缩空气通道用于将燃气与压缩气体在未经预混后分别独立送入燃烧室5内，燃气通道在入口段53处截面收缩，提高燃气流速，燃气通道在入口段53处截面孔径为d1为4mm，燃气通道在喷枪尾座8内孔径为5mm。
一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂系统对气体预热和喷枪预热后进行点火，如图5所示，燃烧稳定后，冷却气体以流量线性增大的形式注入到燃烧室中对焰流进行冷却；在喷涂过程中，冷却气流量设置为2mm3/min。
使用粒度为15～45μm的Ti粉末进行沉积试验，测得喷枪出口处的温度为1000℃，使用DPV-2000热喷涂在线监测仪测量到的粒子的温度为750℃，测得涂层的含氧量为0.3at.％。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，其特征在于，包括燃烧室(5)，燃烧室(5)由收缩段(51)、燃烧段(52)和入口段(53)组成，收缩段(51)与喷管(2)连接，入口段(53)处依次设有多孔催化陶瓷板(6)、气体分配单元(7)、喷枪尾座(8)，燃烧室(5)外设有喷枪外壳(3)，喷管(2)外设有喷管外壳(1)，送粉针(9)设于喷枪尾座(8)中部，喷枪尾座(8)设有弯曲的压缩空气通道且与气体分配单元(7)连接，靠近收缩段(51)的燃烧段(52)一侧设有冷却气体分配环(4)，另一侧设有点火口(13)，燃气通道依次穿设于多孔催化陶瓷板(6)、气体分配单元(7)、喷枪尾座(8)与燃气接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，其特征在于，所述冷却气体分配环(4)和燃烧室(5)内设有冷却气流动槽(10)，冷却气流动槽(10)与冷却气体注入口(12)连接，冷却气体注入口(12)与点火口(13)位于同一水平线。
3.根据权利要求1所述的一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，其特征在于，所述冷却气体分配环(4)上设有多个冷却气流入孔(11)，冷却气流入孔(11)穿设于冷却气流动槽(10)与燃烧室(5)相通。
4.根据权利要求3所述的一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，其特征在于，所述多个冷却气流入孔(11)设于冷却气体分配环(4)一周，多个冷却气流入孔(11)以冷却气注入口(12)所在轴向为对称轴。
5.根据权利要求4所述的一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，其特征在于，所述冷却气流入孔(11)的数量为2n，冷却气体注入口(12)一侧冷却气流入孔(11)的数量为n，n≥4。
6.根据权利要求5所述的一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，其特征在于，所述冷却气体注入口(12)轴向一侧第i个孔孔径是冷却气体注入口(12)轴向一侧紧挨第一个孔孔径的
7.根据权利要求2所述的一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，其特征在于，所述冷却气流动槽(10)的横截面积S1是冷却气流入孔口(11)面积S2之和的8倍以上。
8.根据权利要求2所述的一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，其特征在于，所述冷却气体注入口(12)中心线距离收缩段(51)的长度l1为燃烧段(52)长度l2的1/10～1/5。
9.根据权利要求1所述的一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪，其特征在于，所述燃气通道在入口段(53)处截面收缩，燃气通道在入口段(53)处孔径d1为燃气通道在喷枪尾座(8)内孔径d2的0.2-0.6倍。
10.采用如权利要求1-9任意一项所述的一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷涂喷枪的喷涂系统，其特征在于，包括：
气体模块用于为喷枪输送压缩空气、冷却气体以及燃气，包括空气压缩机依次与储气罐、干燥机连接，干燥机通过管路依次与控制柜模块、气体加热器连接，冷却气体瓶通过管路依次与控制柜模块、喷枪连接，燃气瓶、汽化器通过管路依次与控制柜模块、气体加热器连接，气体加热器与喷枪连接；
送粉模块用于为喷枪送粉，包括送粉载气瓶通过管路与控制柜模块连接，控制柜模块通过管路依次与送粉器、喷枪连接；
控制柜模块用于控制气体和粉末的流量；
喷枪加热模块用于为一种对燃烧室内焰流冷却的高速低温喷枪进行点火前预热。
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