[发明专利]改善轴向喷射在热喷枪中的混合的设备和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及改进的热喷涂涂布装置，尤其是涉及用于将原材料在轴向上喷射到下游热气流中的原料喷射器。

背景技术

热喷涂工艺一般可以说成是涂装方法，其中将粉体或其它原材料送到经加热、加速、或兼具二者的增能气流中。原材料被增能气流捕集，从中接收热能和/或动能。然后将增能原料冲击到表面上，在表面上增能原料粘附并固化，同时通过重复包覆连续的薄层形成较厚的热喷涂涂层。

从上面所述可以意识到，在某些热喷涂应用的情况下，将原料在轴向上喷射到增能气流中有某些优于其它原料喷射方法的优点。通常，原料是朝一般说成径向喷射的方向，换句话说朝或多或少垂直于气流行进方向的方向送到气流中。径向喷射通常用作它提供将粒子混合到排放流中并因此以短跨距将能量传递到粒子上的有效手段。在用等离子体的情况下正是这样，此处短喷涂距离和高热载荷要求用于合适涂布涂层的方法快速的混合和能量传递。轴向喷射可以提供优于径向喷射的优点，因为当轴向喷射时可以更好地控制原料粒子轨迹的线性和方向。另一些优点包括在排放流的中心区域中具有颗粒物，此处能量密度可能最高，并因此为能量加到颗粒物中提供最大可能。最后，轴向喷射往往会比目前实用的径向喷射技术较少中断排放流。

因此，在许多热喷涂工艺喷枪中，原料粒子的轴向喷射优选的是利用载气将粒子喷射到经过加热和/或加速的气体中，所述经过加热和/或加速的气体在本公开中简称之为排放气体。排放气体可以是等离子体、电加热气体、燃烧加热气体、冷喷涂气体、或它们的组合。能量从排放气体传递到载气流中的粒子。由于排放气流流动和两相流动的性质，所以这种混合和随后的能量传递限于轴向流中，并要求规定两种流即排放气流和含颗粒物载体流足够的时间和行进距离，以便能使两种流动之的边界层能中断并因此产生混合。在这个行进距离期间，能量通过热传递和摩擦作用耗散到周围，同时造成损失效率。利用轴向喷射的许多热喷涂工艺喷枪因而设计得比通常要求的更长，以便可供这种混合和随后的能量传递发生。

当含颗粒物的载体流是液体时，这些对混合含颗粒物载体流和排放气流的限制甚至变得更显著，且在许多情况下，它们防止使用液体送到轴向喷射热喷涂工艺喷枪中。对液体喷射技术来说，采用气体雾化作用产生细液滴流帮助液体变得更容易与排放气流混合，以便使液体喷射能几乎不工作，但这种方法仍要求某种相当大的距离，以便使气体和细液滴流及排放流混合并传递能量。在混合流动时，这种方法还产生一定量的湍动。

在促进混合如引入流动的不连续和碰撞时的试验也产生湍动。通常与热喷涂工艺如等离子体一起使用的以保证在短距离内混合的径向喷射也产生湍动，如成直角相交的两个流。实际上，促进快速混合的最容易达到的喷射方法目前使用下述方法，即有意引入湍动作为促进混合的手段。湍动用来破坏各流动之间边界层，且一旦完成这点就可能发生混合。

随着流场一直变化，外加的湍动经常造成排放气流和含颗粒的载体流之间不可预知的能量传递，同时在影响能量传递的流场内产生变化。湍动代表不规则的过程，并引起形成不同长度量的涡流。湍动运动的大部分动能都包含在大规模结构中。能量通过惯性和基本上无粘性的机构从大规模结构“级联”到较小规模结构。这个过程持续形成产生涡流层次的越来越小的结构。最后这个过程形成下述结构，所述结构足够小，以致分子扩散变得重要和最后发生能量的粘性消散。发生这种情况的规模是Kolmogorov长度量。因此湍动导致一部分动能转变成热能。结果是下述过程，即产生更多的热能而不是动能来传递到粒子，同时限制了这些装置的性能。由于由一个以上湍流而使过程复杂化，且结果如上所述不可预期。

湍动还增加能量耗散到周围，因为湍动造成排放流场中至少一部分边界层损失，并因此促进能量传递到周围及当流体是包含在壁内时流体内的摩擦作用。对于在管子内流动来说，层流的压降与流动速度成正比，而湍流压降与速度的平方成正比。这提供能量耗散到周围的规模和内部摩擦的良好指示。

因此，在该技术中仍然需要改进的方法和设备，以便促进将轴向喷射物快速混合到热喷涂工艺喷枪中，并且作为结果还限制产生湍动。

发明内容

如上所述，本发明提供一种改进的设备和方法，用于促进载体流中轴向进给的粒子与经过加热和/或加速的排放流的混合，同时不把有效的湍动引入到排放流或载体流二者中。本发明的实施例利用一种热喷涂设备，所述热喷涂设备具有一带V形喷嘴的轴向喷射口。对本申请来说，术语“V形喷嘴”可以包括任何在圆周上非均匀类型的喷嘴。