一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴的制作方法
【专利摘要】一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴，属于射流技术的高速冲击射流领域。本发明为了解决现有的射流技术中尚无将金属泡沫用于改善射流装置的射流性能的问题。高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴的混合腔和射流管外侧固定有喷嘴套，固定轴位于混合腔内，混合腔由周围的混合腔器壁围合而成，喷嘴套上设置有射流孔；金属泡沫层的外缘直径与射流管的内径相同，金属泡沫层安装在射流管的内壁上，金属泡沫层设有空心区，混合腔与射流管连接段为横截面积渐缩的圆台形状，固定轴、混合腔、射流管、金属泡沫层及其空心区、喷嘴套及其上开设的射流孔均同轴设置。本发明拓宽射流装置射流速度范围，有效改善喷嘴的射流能力。
【专利说明】一种高速射流装置的环状金属泡沬直孔喷嘴
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属泡沫喷嘴，具体涉及一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴，属于射流技术的高速冲击射流领域。
【背景技术】
[0002]流体在流动时，其动压能可以产生动能。如果流体发生高速流动，流束周边存在一个低压区，因此流束周围的低压区会席卷低压区附近的物质沿着流动方向一起向前运动，这就是冲击射流的基本原理，而射流管就是形成流束的基本器件。因此射流在实际工业和生产过程中有大量应用，如射流泵、高压水枪、喷气式飞机、油气资源中的射流孔、汽轮机叶片冷却、表面工程、电子器件冷却、材料热处理、火灾防护等等。
[0003]以高温表面的冷却为例，由于冲击射流可以在单位时间内及时提供大量的高速低温流体，湍动特性较强的低温流体从射流装置发出之后以极高速度冲向高温表面，在与高温表面接触时带走大量热量，而其传热量与射流流体的流速有很大关系，如果射流速度很高，不仅可以提供大量低温流体，而且可以在高温表面滞止点周围形成大量湍动漩涡，这种二次流漩涡可极大增强换热。可见，射流速度范围是衡量射流装置性能的重要指标。此外，不同工业应用对射流流速和流量的要求不同，这要求喷嘴结构形式在射流流速和流量方面需要具备良好可设计性。
[0004]金属泡沫是近十年来新兴的一类具有优良传热学、声学、力学、电磁学性能的多功能材料，具有高通透性、高比表面积、良好流体混合能力、低密度、高通透性等优点，在强化传热、隔音、吸能、过滤等方面具有很大的应用潜力。金属泡沫的通透性使得该材料较大的流体阻力，因此在部分填充金属泡沫管道内，无泡沫的流体区的流速可以得到极大的增强，将该材料用于射流装置的喷嘴可以极大的提高射流的速度，同时金属泡沫的存在可以过滤流体中的部分杂质。此外，由于金属泡沫的孔隙参数(孔隙率和孔密度)的可调性会增强采用金属泡沫的喷嘴的可设计性。然而在将金属泡沫用于改善射流装置的射流性能方面，尚无相关研究的报道。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决现有的射流技术中尚无将金属泡沫用于改善射流装置的射流性能的问题，进而提供一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴。以拓宽射流装置射流速度范围，有效改善喷嘴的射流能力。
[0006]本发明为了解决上述技术问题所采取的技术方案是:
[0007]本发明的一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴，包括固定轴、混合腔、射流管和喷嘴套，其中混合腔和射流管外侧固定有喷嘴套，固定轴位于混合腔内，混合腔由周围的混合腔器壁围合而成，喷嘴套上设置有射流孔；一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴还包括金属泡沫层，金属泡沫层的外缘直径与射流管的内径相同，金属泡沫层安装在射流管的内壁上，金属泡沫层设有空心区，混合腔与射流管连接段为横截面积渐缩的圆台形状，所述固定轴、混合腔、射流管、金属泡沫层及其空心区、喷嘴套及其上开设的射流孔均同轴设置。
[0008]流体在固定轴周围的混合腔内流动，流体经混合腔流入射流管后，在金属泡沫层和空心区内都有流体流过，但空心区流动阻力特性比金属泡沫层内的流动阻力特性要好，因此在这段环状金属泡沫喷嘴内进行流动参数再分配，使得最后流出射流孔的流体流速极大。
[0009]为了保证射流速度与射流流量的协调性及喷嘴的良好可设计性，对本发明的技术方案进一步优化:所述金属泡沫层上的空心区为圆柱形空心区域；圆柱形空心区域的半径rj与射流管内半径rQ之比的范围为0.1<^<0.9，Ri = T1Zr00
[0010]为了在流体流量与射流速度之间取得平衡，对本发明的技术方案进一步优化:金属泡沫层的孔隙率ε和孔密度ω范围分别为0.7< ε〈0.99，5ΡΡΙ〈 ω〈300ΡΡΙ。
[0011]为了在流体流量与射流速度之间取得平衡，对本发明的技术方案进一步优化:射流管内半径范围为ImnKrciUOOmn^
[0012]由于具有承力和过滤性能的金属泡沫层的存在，使得射流管厚度可设计的较小，进一步对本发明的射流管的几何参数进行设计，射流管的外半径1^与内半径Γ(1之比的范围为 1.05 W〗.95。
[0013]为了增强本发明的可设计性，金属泡沫层的材料为铜、铝、镍、铁及其合金，优选的金属泡沫材料为不锈钢。本发明的金属泡沫层是可拆卸的，可以定期更换。
[0014]所述射流管的管材采用无缝钢管。
[0015]优选的:所述圆柱形空心区域的半径巧与射流管内半径Γ(ι之比为0.16，金属泡沫层的孔隙率ε和孔密度ω范围分别为0.8和20ΡΡΙ。如此设置，最大射流速度可达300m/
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[0016]本发明与现有技术相比具有以下效果:
[0017]本发明的一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴是一种通过间接减小直接流动面积来增大射流速度的，由于金属泡沫流动阻力较大但入口效应较短，因此喷嘴段长度不宜过长。为了验证本发明的实际应用效果，发明人对喷头流速和空心区半径比进行了研究，如图所示。以射流孔的入口流速为lOm/s为例，金属泡沫环状烧结喷头出口的中心最大射流速度可高达300m/s，可见本发明能大幅提高冲击射流的速度。本发明利用多孔介质具有一定通透性但渗透率较低的特点，流体从中心无泡沫区域流过时流速更大，但金属泡沫环状烧结喷头出口的中心最大射流速度与空心区半径比的关系并不是单调的，存在一个最大值，该最大值位于0.1-0.4之间，为了保证射流速度与射流流量的协调性及喷头的良好可设计性，本发明推荐的空心区半径比范围为0.1<^<0.9。由于金属泡沫的孔隙参数及填充参数具有良好的可设计性，因此本发明具有良好的可设计性，可以根据不同的射流参数设计不同的几何尺寸和金属泡沫孔隙参数，以在流体流量和射流速度之间取得平衡；本发明所涉及的射流装置结构简单耐用，射流效率高，且具有防堵、力学承载、过滤、喷嘴管壁磨损替代、良好可设计性等多功能特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴的结构示意；
[0019]图2是最大射流速度与空心区半径的关系图；
[0020]图中:1-固定轴；2_混合腔；3_混合腔器壁；4_射流管；5_金属泡沫层；6_喷嘴套；7_空心区；8-射流孔。
【具体实施方式】
[0021]【具体实施方式】:结合图1和图2进行说明，本实施方式的一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴包括固定轴1、混合腔2、射流管4和喷嘴套6，其中混合腔2和射流管4外侧固定有喷嘴套6，固定轴I位于混合腔2内，混合腔2由周围的混合腔器壁3围合而成，喷嘴套6上设置有射流孔8 ;高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴还包括金属泡沫层5，金属泡沫层5的外缘直径与射流管4的内径相同，金属泡沫层5安装在射流管4的内壁上，金属泡沫层5设有空心区7，混合腔2与射流管4连接段为横截面积渐缩的圆台形状，所述固定轴1、混合腔2、射流管4、金属泡沫层5及其空心区7、喷嘴套6及其上开设的射流孔8均同轴设置。图1所示的所有部件都是回转体。
[0022]所述金属泡沫层5上的空心区7为圆柱形空心区域；圆柱形空心区域的半径&与射流管4内半径Γ(ι之比的范围为0.1〈民〈0.9，Ri = IyVcit5金属泡沫层5的孔隙率ε和孔密度ω范围分别为0.7< ε〈0.99，5ΡΡΙ〈 ω〈300ΡΡΙ。最大射流速度可达300m/s (参见图2)。
[0023]射流管4内半径范围为lmm〈rQ〈200mm。
[0024]射流管4的外半径1^与内半径rQ之比的范围为1.05^/1^2.950
[0025]金属泡沫层的材料为铜、铝、镍、铁及其合金，优选的金属泡沫材料为不锈钢。金属泡沫层是可拆卸的，可以定期更换。
[0026]射流管4的管材采用无缝钢管。
[0027]本实施方式中可根据射流速度和流量要求确定射流管管径、空心区直径及金属泡沫层孔隙参数及其他装配参数。将一层外缘直径与射流管内径相同的金属泡沫层安装到射流管内，射流管前段连接混合腔，流体流经混合腔后流入射流管后截面上金属泡沫区和空心区流速重新分配，由于金属泡沫渗透率较低，因此沿流动方向空心区流速很大。在混合腔前端中心位置有一个固定轴，流体在固定轴周围流动，在射流管外侧固定一个喷嘴套，流体从喷嘴套中间的射流孔流出。由于金属泡沫流动阻力较大但入口效应较短，因此射流管长度不宜过长。本发明的重要作用之一就是根据多孔介质和流体的渗透率差别较大的特点通过间接减小直接流动面积来增大中心流体射流速度。金属泡沫虽然渗透率较低，但仍有一定通透性，因此高通透性金属泡沫层的存在可以防止中间有堵塞物时会将渗流孔卡死。此夕卜，流体中杂质会在金属泡沫层的金属骨架表面吸附沉积，金属泡沫具有一定过滤功能；金属泡沫本身具有较好的机械强度，因此本发明采用金属泡沫环状结构还具有力学承载和替代管道磨损的作用，因此喷嘴管壁的厚度较薄。
[0028]本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
【权利要求】
1.一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴，包括固定轴(I)、混合腔(2)、射流管(4)和喷嘴套(6)，其中混合腔⑵和射流管⑷外侧固定有喷嘴套(6)，固定轴(I)位于混合腔⑵内，混合腔⑵由周围的混合腔器壁⑶围合而成，喷嘴套(6)上设置有射流孔(8);其特征在于:一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴还包括金属泡沫层(5)，金属泡沫层(5)的外缘直径与射流管(4)的内径相同，金属泡沫层(5)安装在射流管(4)的内壁上，金属泡沫层(5)设有空心区(7)，混合腔(2)与射流管(4)连接段为横截面积渐缩的圆台形状，所述固定轴(I)、混合腔(2)、射流管(4)、金属泡沫层(5)及其空心区(7)、喷嘴套(6)及其上开设的射流孔(8)均同轴设置。
2.根据权利要求1所述的一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴，其特征在于:所述金属泡沫层(5)上的空心区(7)为圆柱形空心区域；圆柱形空心区域的半径&与射流管(4)内半径r。之比的范围为0.1〈民〈0.9，Ri = ivV
3.根据权利要求2所述的一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴，其特征在于:金属泡沫层(5)的孔隙率ε和孔密度ω范围分别为0.7〈 ε〈0.99，5ΡΡΙ〈ω〈300ΡΡΙ。
4.根据权利要求3所述的一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴，其特征在于:射流管(4)内半径范围为lmm〈rQ〈200mm。
5.根据权利要求4所述的一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴，其特征在于:射流管⑷的外半径A与内半径Γ(ι之比的范围为1.05^/1^2.95。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴，其特征在于:金属泡沫层的材料为铜、铝、镍、铁及其合金。
7.根据权利要求6所述的一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴，其特征在于:所述射流管(4)的管材采用无缝钢管。
8.根据权利要求1所述的一种高速射流装置的环状金属泡沫直孔喷嘴，其特征在于:所述圆柱形空心区域的半径A与射流管(4)内半径Γ(ι之比为0.16，金属泡沫层(5)的孔隙率ε和孔密度ω范围分别为0.8和20ΡΡΙ。
【文档编号】B05B7/04GK104226512SQ201410527293
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】徐会金, 赵长颖, 徐治国 申请人:中国石油大学