CN205746820U - 新型超高音速火焰喷枪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型超高音速火焰喷枪，其主要包括燃烧室壳体及分别同轴固定于燃烧室壳体前、后两端的枪管壳体和同轴尾座，设于燃烧室壳体内的燃烧室，设于枪管壳体内的枪管，两路高压氧气输入管，两路高压液体燃料输入管，催化陶瓷片，点火针，送粉针，水冷套等，与传统超高音速火焰喷枪相比，本实用新型的新型超高音速火焰喷枪独特的结构设计实现了射流速度、粒子速度的大幅提高，可实现11个马赫锥的射流，射流速度达到3500m/s，粒子速度达到1500m/s。

Description

新型超高音速火焰喷枪

技术领域

本实用新型涉及一种超高音速火焰喷枪，尤其涉及一种具有高射流速度及粒子速度的新型超高音速火焰喷枪。

背景技术

超高音速火焰热喷涂技术被广泛应用于工业生产的各个领域，已逐渐成为众多机械产品制造过程中一道必不可少的工艺，如水轮机叶片、阀门，闸门、活塞杆、钢结构桥梁等，能有效提高设备表面耐磨、耐腐蚀、耐疲劳等性能，起到提高使用性能、延长使用寿命等作用。随着近年来的发展，目前国内国际上应用于实际工程中的超高音速火焰热喷涂技术主要分为三大类：第一类是采用气体燃料(如丙烷等)与氧气燃烧的超高音速热喷涂技术，如美国METCO公司研制的DJ-2700等，该技术可以实现粒子速度为500-600m/s。由于粒子速度较低，所获得的涂层孔隙率较高，且结合力不足，易导致涂层局部剥落并且较低的粒子速度会增加涂层的氧化而影响涂层质量；第二类是气体燃料(如丙烷等)与大气燃烧并且通过高压空气提高射流速度的超高音速热喷涂技术，这种技术的优势是适用于低熔点的材料喷涂，若材料熔点提高，则会产生“生粉”，虽然很微量，但是在很大程度上影响了涂层材料的抗磨性能，尤其是抗磨蚀性能；第三类是液体燃烧(如航空煤油等)与氧气燃烧的超高音速热喷涂技术，由于航空煤油等液体燃料的燃烧热喷涂远高于丙烷等气体燃料，因此这种技术可以实现更高的射流速度，其粒子速度达到1100m/s。但是由于液体燃料与氧气的混合及燃烧不够充分，容易产生积碳，积碳被喷射到涂层表面，影响涂层质量，并且在该射流速度下，粉末粒子仍会受到氧化，特别是如WC类的金属陶瓷涂层，氧化脱碳会对涂层造成负面影响。

以上超高音速火焰热喷涂技术的分类主要取决于喷枪的设计与结构，由此可见喷枪是超高音速火焰热喷涂系统中最关键的部分，喷枪的设计水平及结构形式等决定了整个系统的性能，进而决定了涂层的性能。目前检索到的国内外的超高音速火焰喷枪(如CN200920265424.5、CN01246986.6、CN03211072.3等介绍的超高音速火焰喷枪)都未能在粒子速度、液体燃料与氧气的燃烧充分性、结构合理性、安装使用便捷性等方面切实取得突破。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种射流速度及粒子速度均大幅提高的新型超高音速火焰喷枪。

本实用新型的新型超高音速火焰喷枪，包括燃烧室壳体及分别同轴固定于燃烧室壳体前、后两端的枪管壳体和同轴尾座，燃烧室壳体内设有同轴的燃烧室，二者之间形成密闭的第一水冷腔体，枪管壳体内设有同轴的枪管，二者之间形成密闭的第二水冷腔体，枪管壳体外固定有同轴的水冷套，二者之间形成密闭的第一回水腔体，第二水冷腔体与第一回水腔体连通，第一、二水冷腔体间连通形成水冷通路，燃烧室壳体上还开有第二回水腔体，第一、二回水腔体连通形成回水通路；

燃烧室内空腔呈拉瓦尔结构，同轴尾座前端插入燃烧室内并与燃烧室内壁保持密封，同轴尾座前端面开有环形凹槽，凹槽内设有催化陶瓷片及套于催化陶瓷片上的金属套，催化陶瓷片内圆面及金属套的外圆面均与同轴尾座保持密封，催化陶瓷片与同轴尾座的环形凹槽面形成空隙，同轴尾座上安装有通向该空隙的两路高压氧气输入管及与两路高压氧气输入管分别连通的两路高压液体燃料输入管，点火针从轴心穿过同轴尾座插入燃烧室空腔内，所述的催化陶瓷片上围绕轴心环形分布有若干通孔，送粉针穿过燃烧室壳体插入到燃烧室前端空腔，送粉针外壳与燃烧室壳体形成密闭空间，该空间与回水通路连通；

燃烧室壳体上设有冷却进水口及冷却出水口，冷却进水口与第一水冷腔体底端连通，冷却出水口与第二回水腔体底端连通。

上述技术方案中，所述的催化陶瓷片上的通孔均为朝向燃烧室轴心的斜通孔。

所述的水冷通路上设有多处孔筛，所述孔筛设置于燃烧室壳体及枪管壳体上，由绕燃烧室轴心呈环形分布的若干小孔构成。

所述的水冷套与枪管壳体间、同轴尾座与燃烧室壳体间、枪管壳体与燃烧室壳体间均采用金属螺套锁紧。

所述的冷却进水口及冷却出水口均设置于燃烧室壳体的后端。

一种新型超高音速火焰喷涂装置，包括上述的新型超高音速火焰喷枪。

本实用新型的有益效果在于：

(1)与传统超高音速火焰喷枪相比，本实用新型的新型超高音速火焰喷枪独特的结构设计实现了射流速度、粒子速度的大幅提高，可实现11个马赫锥的射流，射流速度达到3500m/s，粒子速度达到1500m/s。

(2)本实用新型取消了传统超高音速火焰喷枪中燃烧室与枪管之间的连接体，采用带拉瓦尔管的燃烧室直接与枪管相连，使得喷枪的结构更加简单，稳定性更好，并且能够获得更高的枪膛压力，可以促进射流速度的提高。

(3)采用双路氧气和液体燃料输入，液体燃料以一定压力进入氧气管路中，并且高压的氧气对液体燃料还具有一定的虹吸作用，使得液体燃料顺利进入氧气管路中，防止倒流。

(4)在氧气管路中液体燃料与氧气可以进行较好的混合，并且通过催化陶瓷片与同轴尾座的环形凹槽面形成的空隙后可进一步获得充分混合，充分混合的氧气-燃料再通过催化陶瓷片上环形分布的小孔(尤其是斜通孔)进入燃烧室中，进行充分稳定的燃烧，可以获得更高、更稳定、更充分的燃烧能量，并且避免产生积碳，获得更加洁净的涂层，提高涂层质量。

(5)目前的超高音速火焰喷枪的回水主要采用两种形式：设置回水枪套，回水枪套一端安装在枪管前端，通过一根水管金属管插到燃烧室壳体中，安装时需要将枪管、回水枪套以及燃烧室壳体上安装孔这三者的相对位置调整到完全匹配，才能完成安装，这给安装带来了诸多不便；取消回水枪套上的这根金属管，将回水口直接设置在枪管壳体前端，并将冷却水管接在回水口上，此回水管路在喷涂的过程中容易与工件及工装等发生干涉、碰撞；

而本实用新型采用冷水套的形式作为冷却水的回水，并采用螺套固定，具有稳定、安装便捷等特点，避免了传统喷枪采用的回水枪套存在安装困难等问题，并且也解决了一些喷枪由于采用枪管前端回水在喷涂过程中回水管路容易与工件及工装发生干涉等问题。

(6)在水冷通路上设置多处孔筛，可使冷水流速更加均匀，与燃烧室及枪管外表面的接触更加均匀，从而能够实现更好的冷却效果，此外，冷却水的回水通路还可以对送粉针进行冷却，防止送粉针由于高温引起损坏。

附图说明

图1为超高音速火焰喷枪结构示意图；

图2为同轴尾座和催化陶瓷片结构示意图；

图3为A-A剖面图；

图4为B放大图；

图5为F-F剖面图；

图6为C放大图；

图7为D放大图；

图8为E放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施例作进一步说明。

图1所示为本实用新型新型超高音速火焰喷枪的一种较佳实施案例，但不仅限于此。如图1所示，包括两路高压氧气输入管1，两路高压液体燃料输入管2，同轴尾座3，催化陶瓷片4，点火针5，燃烧室6，枪管7，送粉针8，燃烧室壳体9，枪管壳体10，水冷套11，冷却进水口12，冷却出水口13，水冷通路14，回水通路15，锁紧螺套16、17、18。

同轴尾座3安装在喷枪的最尾端，前端部分插进燃烧室6，并与燃烧室内壁保持密封。同轴尾座3与燃烧室壳体9之间通过锁紧螺套18锁紧。

如图2所示为同轴尾座3与催化陶瓷片4的结构示意图，两路高压氧气输入管1、两路高压液体燃料输入管2及催化陶瓷片4均安装在同轴尾座上。

高压氧气管从同轴尾座后部插入，高压氧气管路上设置有一个小孔，与高压液体燃料管路连通，高压液体燃料进入氧气管路中与氧气进行混合，一起进入环形催化陶瓷片4的一个端面与同轴尾座前端面的凹槽形成的环形的空间中获得进一步混合，并通过安装在同轴尾座3前端的环形凹槽中的催化陶瓷片4上环形分布的若干斜通孔(如图3)进入燃烧室中，液体燃烧和氧气的混合物在通过催化陶瓷片时获得了充分的混合，并且由催化陶瓷片上的斜通孔均匀的进入燃烧室中，并且保持轴心的方向。

在催化陶瓷片外圆面套有金属套，催化陶瓷片4内圆面与同轴尾座保持密封，金属套外圆面也与同轴尾座3保持密封，确保不会引起回火。

经过充分混合的燃料及氧气的混合物进入燃烧室6的中心位置后，由从同轴尾座后端轴心插入燃烧室的点火针5点燃，液体燃料与氧气充分燃烧产生高速的燃气射流，燃气射流经过燃烧室中的拉瓦尔结构以及枪管7的进一步加速后从枪管出口喷出，射流速度可达到3500m/s。

送粉针8穿过燃烧室壳体9进入燃烧室前端喇叭口区域，将粉末均匀送到焰流的中心，如图6所示，经过高温、高速射流的熔融及加速后，粉末粒子可以1500m/s的速度喷射到工件表面，形成涂层。

采用循环水冷的方式对喷枪进行冷却，包含由进水口到喷枪前端的水冷部分以及由喷枪前端到出水口的回水部分。

燃烧室壳体9与燃烧室6之间形成密闭空间即第一水冷腔体，冷却水进水口12设置在燃烧室壳体9上与这个腔体连通，这个腔体中的冷却水对燃烧室6以及送粉针8前端进行冷却后继续往前进入枪管7与枪管壳体10之间的腔体(第二水冷腔体)中，对枪管进行冷却，然后通过枪管壳体10前端的环形孔进入枪管壳体10与水冷套11之间的腔体(第一回水腔体)中，往燃烧室壳体9的方向回流至燃烧室壳体上的第二回水腔体，送粉针8外壳与燃烧室壳体间形成密闭空间，与回水通路连通，回流的冷却水同时对送粉针8的后半部分进行冷却，最后从出水口13流出。

在水冷通路上设置有多处孔筛，如图4、5、7、8所示，即在燃烧室壳体9、枪管壳体10上均设置有环形分布的若干小孔，这些小孔处于水冷通路中，冷却水通过这些环形分布的小孔，流速能保持更加均匀，与燃烧室6及枪管7外表面表面的接触更加均匀，能够实现更好的冷却效果。

进水口12及出水口13均设置在燃烧室壳体9上，均处于喷枪的后部，避免水冷的管路在喷涂的过程中造成干涉。

水冷套11通过金属螺套16可以便捷的安装在枪管壳体10上，避免了常规喷枪中回水枪套与燃烧室壳体之间安装困难的情况。

同轴尾座3与燃烧室壳9的接触部位、枪管壳体10与燃烧室壳体9的接触部位、水冷套11与枪管壳体10的接触部位分别采用金属螺套15、16、17进行锁紧。

Claims (5)

1.一种新型超高音速火焰喷枪，其特征在于，包括燃烧室壳体(9)及分别同轴固定于燃烧室壳体(9)前、后两端的枪管壳体(10)和同轴尾座(3)，燃烧室壳体内同轴的设有燃烧室(6)，二者之间形成密闭的第一水冷腔体，枪管壳体(10)内同轴的设有枪管(7)，二者之间形成密闭的第二水冷腔体，枪管壳体(10)外固定有同轴的水冷套(11)，二者之间形成密闭的第一回水腔体，第二水冷腔体与第一回水腔体连通，第一、二水冷腔体间连通形成水冷通路(14)，燃烧室壳体(9)上还开有第二回水腔体，第一、二回水腔体连通形成回水通路(15)；

燃烧室内空腔呈拉瓦尔结构，同轴尾座(3)前端插入燃烧室(6)内并与燃烧室内壁保持密封，同轴尾座前端面开有环形凹槽，凹槽内设有催化陶瓷片(4)及套于催化陶瓷片上的金属套，催化陶瓷片内圆面及金属套的外圆面均与同轴尾座(3)保持密封，催化陶瓷片(4)与同轴尾座的环形凹槽面形成空隙，同轴尾座上安装有通向该空隙的两路高压氧气输入管(1)及与两路高压氧气输入管分别连通的两路高压液体燃料输入管(2)，点火针(5)从轴心穿过同轴尾座插入燃烧室空腔内，所述的催化陶瓷片(4)上围绕轴心环形分布有若干通孔，送粉针(8)穿过燃烧室壳体插入到燃烧室前端空腔，送粉针外壳与燃烧室壳体形成密闭空间，该空间与回水通路连通；

燃烧室壳体(9)上设有冷却进水口(12)及冷却出水口(13)，冷却进水口(12)与第一水冷腔体底端连通，冷却出水口(13)与第二回水腔体底端连通。

2.根据权利要求1所述的新型超高音速火焰喷枪，其特征在于，所述的催化陶瓷片(4)上的通孔均为朝向燃烧室轴心的斜通孔。

3.根据权利要求1所述的新型超高音速火焰喷枪，其特征在于，所述的水冷通路(14)上设有多处孔筛，所述孔筛设置于燃烧室壳体(9)及枪管壳体(10)上，每处孔筛均由绕燃烧室轴心呈环形分布的若干小孔构成。

4.根据权利要求1所述的新型超高音速火焰喷枪，其特征在于，所述的水冷套(11)与枪管壳体(10)间、同轴尾座(3)与燃烧室壳体(9)间、枪管壳体(10)与燃烧室壳体(9)间均采用金属螺套锁紧。

5.一种新型超高音速火焰喷涂装置，其特征在于，该装置包括如权利要求1-4任一项所述的新型超高音速火焰喷枪。