1 前 言高速氧 燃料 (ＨＶＯＦ)超音速火焰喷涂由于其优异的涂层性能 ,在热喷涂中占有重要的地位。ＨＶＯＦ制备的涂层具有孔隙率低、结合强度高、硬度高、氧化物含量小、耐磨耐蚀性能好等优点 ,因此在航空航天、原子能、汽车、化工等领域获得了广泛的应用<1> 。特别是氧 煤油喷涂 ,由于其粒子速度高 ,喷涂的涂层性能更加优异 ,涂层中甚至出现压应力 ,可制备厚涂层 ,因而有非常广阔的应用前景。在比较分析现有的超音速火焰喷涂系统优缺点的基础上 ,根据空气动力学、传热学和智能控制理论 ,采用射流雾化喷嘴、高压燃烧室、电火花点火、拉伐尔加速喷嘴和径向送粉方式 ,成功地开发了多功能超音速火焰喷涂系统。该系统既具备氧 煤油超音速火焰喷涂的优点 ,同时又有效地降低了其喷涂ＷＣ金属陶瓷涂层时的分解脱碳 ,制备的金属与合金涂层性能也相当优越。多功能超音速火焰喷涂射流 ,可清晰地看见射流中出现的超音速所特有的马赫锥 ,见图 1。在多功能超音速火焰喷涂系统中 ,煤油与氧的雾化对ＨＶＯＦ的涂层性能有决定性的作用。涂层的性能在很大程度上取决于喷涂粒子的速度和温度 ,而喷涂粒子的速度是气流与喷涂粒子之间动量交换的结果 ,喷涂粒子的温度是气流与喷涂粒子之间热量图 1 多功能超音速火焰喷涂射流交换的结果。因此 ,涂层性能与气流的速度和温度有很大关系 ,而气流的速度和温度主要取决于燃烧的准备过程 ,即雾化过程。雾化越充分 ,表面积越大 ,越易蒸发 ,可燃混合气越易形成 ,燃烧越完全 ,产生的热量越多 ,气流对喷涂粒子的加速与加温效果越好 ,有利于获得高质量的涂层。雾化效果不好 ,可燃混合气难以形成 ,将造成系统点火的困难。可见 ,雾化对氧 煤油超音速火焰喷涂的涂层性能具有非常重要的影响 ,有必要对雾化的机理和影响因素进行研究 ,进而设计出适宜于氧或空气与煤油雾化的喷嘴 ,以取得良好的雾化效果。2 雾化的机理及过程雾化通常分为射流雾化和液膜雾化两种 ,在多功能超音速火焰喷涂系统中 ,煤油的雾化必须经过雾化喷嘴的喷射 ,喷射的作用为 :(1)获得煤油与氧气 (压缩空气或压缩空气与氧气的混合气体 )之间的相对速度差 ,以形成气动压力 ;(2 )使煤油通过喷嘴展开成薄膜或射流。煤油射流或薄膜由于射流紊流、周围气体的气动力作用、液体中可能夹杂气体、喷枪的振动及喷嘴表面不光滑等因素 ,不可避免地要经受扰动。扰动使薄膜或射流产生变形 ,特别是在气动压力和表面张力作用下 ,使得表面变形不断加剧 ,以致于射流或薄膜产生分裂 ,形成液滴或不稳定的液带 ,液带随之也破裂成液滴。若作用在液滴上的作用力相当大 ,足以克服表面张力时 ,较大的液滴就会破裂成较小的液滴 ,这种现象称为“二次雾化”。2 .1 射流雾化射流雾化又分为低速射流雾化与高速射流雾化两种。低速射流雾化的射流破碎是由于受到不稳定的扰动 ,当扰动增大到一定的程度时 ,射流就会破碎成液滴群。当扰动波的波长和射流初始直径之比λ/ｄｈ=4 .5 1时 ,扰动增长率最大 ,可使液体流束破碎成液滴 ,液滴平均直径为 1.89ｄｈ。低速喷射射流是在较长的扰动波作用下被破碎的 ,其液滴的平均直径和射流初始直径成正比。粘性射流的最大不稳定性λ/ｄｈ 可计算为<2 > :λｄｈ=4 .4 41+ 3ηρ1σｄｈ0 .5式中 η———煤油的动力粘度 ,ρ1———煤油的密度 ,σ———煤油的表面张力 ,ｄｈ———喷嘴直径。而煤油液滴的平均直径表示为 :ｄ =1.88ｄｈ(1+ 3ηρ1σｄｈ) 16高速射流雾化时 ,射流的紊流作用在射流表面的气动力起主要作用 ,形成短波扰动 ,引起部分流体不断从射流表面剥离而形成细小的液滴。随着射流速度增加 ,会在波长较短的扰动波作用下产生射流破碎 ,比低速射流破碎得更快 ,形成的液滴更细 ,且液滴从射流表面分离的时间比低速射流时整个流束破碎的时间短得多 ,几乎是在射流喷出后就立即开始雾化 ,并在整个射流长度上连续进行。2 .2 液膜雾化液膜雾化通常按液体流速大小分为 3类 :流速较低、流速较大和流速很大。流速较低时 ,气动力作用不大 ,主要是液体表面张力及惯性力起作用。从离心喷嘴喷出空心锥形液膜具有向外扩张的惯性 ,而表面张力克服不了此惯性 ,于是液膜继续向外扩张 ,液膜越来越薄 ,同时 ,表面张力形成的表面位能也越来越高 ,使液膜越不稳定。结果表明 ,液膜破裂成液丝或液带 ,并在表面张力作用下继续分裂成液滴 ;流速较大时 ,除了表面张力、惯性力及粘性力起作用外 ,由于相对于周围气体的运动速度加大 ,气动力对液膜的作用也加大 ,致使液膜扭曲和起伏形成波纹 ,再被甩成细丝 ,继而形成小滴 ;流速很大时 ,液体离开喷口便立即被雾化。2 .3 煤油液滴二次雾化所谓二次雾化 ,是指从射流分离后形成的煤油液滴在气体介质中运动时 ,继续分裂成更细小的液滴现象。液滴在气体中运动时 ,主要受到两种力的作用 :气动压力 ,使液滴变形破碎 ;表面张力 ,使液滴维持原状。当液滴直径较大、运动较快时 ,气动压力就可能大于表面张力 ,使液滴发生变形 ,继而分裂成更小的液滴。二次破裂所需的气动力条件可用韦伯数表示 :Ｗｅ =ｐｇｗ2 ｄｈσ式中 ｗ———相对速度 ,ｐｇ———气体密度。韦伯数的物理意义为气动压力与液体表面张力之比 ,液滴开始变形、破碎时的韦伯数称为临界韦伯数。当Ｗｅ大于 14时 ,大液滴均破碎为小液滴。韦伯数越大 ,液滴就越细。煤油经过雾化喷嘴雾化后进入喷枪的燃烧室 ,在燃烧室的头部 ,大液滴可能进一步雾化为小液滴。3 雾化的影响因素(1)喷嘴类型和喷口尺寸 一般离心式喷嘴的雾化较细 ,喷雾角较大 ,雾化质量较高 ;单个直流式喷嘴雾化较粗 ,喷雾角小。但离心式喷嘴结构复杂、尺寸大 ,并要求燃烧室直径大。而采用两股或多股射流相击的直流式喷射单元 ,在适当的撞击角下 ,其雾化质量也能满足要求。采用何种喷嘴类型 ,应视雾化质量的要求和燃烧室设计尺寸而定。对同一类型的喷嘴而言 ,喷孔越小 ,射流越细 ,雾化越细。(2 )喷嘴压降 喷嘴压降越大 ,射流的出口流速越大 ,因而紊流度和韦伯数就大 ,有利于射流和液滴的破裂 ,对雾化有利。但压降超过一定值后 ,液雾平均直径下降不明显。(3)氧、空气与煤油的性质 氧与煤油的密度、粘度及表面张力对雾化有直接影响 ,试验证明 ,密度大、粘度大、表面张力越大 ,雾化质量越差。冷却套温升能使煤油的密度、粘度及表面张力减小 ,对雾化有利。(4)燃烧室压力和温度 燃烧室压力对液滴平均直径有两方面的影响 :室压增高 ,燃气密度增加 ,使雾化的气动力增加 ;但室压的增加会使煤油射流或液膜遇到的阻力增加 ,气体的相对速度下降 ,同时气动力降低。喷雾实验数据表明 ,室压越大 ,液雾直径就越小。但室压过高 ,雾化过细 ,也会引起小液滴的结合。燃烧室温度增高 ,液滴温度也增高 ,使其粘度和表面张力下降 ,促进大液滴的二次雾化 ,对雾化有利。4 雾化喷嘴的设计多功能超音速火焰喷涂系统设计了独特的高性能射流雾化喷嘴 ,从煤油破碎的物理过程来看 ,基本上属于射流雾化 ,同时又有射吸作用促进雾化。射流雾化喷嘴的结构见图 2。射流雾化喷嘴的原理为 :氧气从喷嘴的顶端进入混合室 ,煤油从喷嘴侧面的两个或多个 (视流量而定 )喷孔按一定的角度进入混合室 ,在混合室内雾化混合 ,然后从喷口喷出 ,进入燃烧室 ,参与燃烧过程。喷嘴的结构参数主要有 :氧气入口直径ｄ1,煤油入口直径ｄ2 ,混合室直径Ｄ ,混合室长度Ｌ ,煤油入口角度α等 ,其对喷嘴的雾化性能都有显著的影响。氧气入口直径和煤油入口直径保护在一定的压差下 ,通过相应流量的氧气和煤油 ,保证燃烧时的油气混合比。适当的煤油入口角度保证煤油射流与氧气射流间强烈的破碎作用 ,适当的混合室长度和直径保证良好的雾化混合 ,并促进燃烧的稳定性。图 2 射流雾化喷嘴示意图5 结 论多功能超音速火焰喷涂系统在点火阶段时 ,煤油、氧气的流量与压力都较小 ,属于低速射流雾化。在喷涂阶段时 ,煤油、氧气的流量与压力较大 ,属于高速射流雾化。设计了独特的射流雾化喷嘴 ,选择了合适的喷嘴压降 ,喷嘴对煤油破碎作用强 ,混合充分。试验证明 ,无论是在点火阶段 ,还是在喷涂阶段 ,雾化喷嘴都能产生良好的雾化效果 ,使喷枪喷出的射流形成分布均匀的雾状。多功能超音速火焰喷涂雾化喷嘴的设计@王汉功$西安第二炮兵工程学院维修工程研究所!陕西西安710025
@查柏林$西安第二炮兵工程学院维修工程研究所!陕西西安710025
雾化;;
喷嘴;;喷涂对多功能超音速火焰喷涂系统的雾化原理与影响因素进行了分析 ,采用专门设计的射流雾化喷嘴 ,加工安装方便、雾化效果好。雾化的影响因素有 :喷口大小、喷嘴压降、雾化介质的理化性质和燃烧室的压力与温度等。点火阶段为低速射流雾化 ,喷涂阶段为高速射流雾化。1> 马小斌.高速火焰喷涂技术生产优质航空发动机涂层
.热喷涂技术,1998,4(2):31～35.
<2> 刘国球.液体火箭发动机原理.北京:宇航出版社,1993ｐｇｗ2 ｄｈσ式中 ｗ———相对速度 ,ｐｇ———气体密度。韦伯数的物理意义为气动压力与液体表面张力之比 ,液滴开始变形、破碎时的韦伯数称为临界韦伯数。当Ｗｅ大于 14时 ,大液滴均破碎为小液滴。韦伯数越大 ,液滴就越细。煤油经过雾化喷嘴雾化后进入喷枪的燃烧室 ,在燃烧室的头部 ,大液滴可能进一步雾化为小液滴。3 雾化的影响因素(1)喷嘴类型和喷口尺寸 一般离心式喷嘴的雾化较细 ,喷雾角较大 ,雾化质量较高 ;单个直流式喷嘴雾化较粗 ,喷雾角小。但离心式喷嘴
More abstracts about the 多功能超音速火焰喷涂雾化喷嘴的设计