RU2026118C1

RU2026118C1 - Gas-flame burner for supersonic spray-coating

Info

Publication number: RU2026118C1
Application number: RU93025262A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Воронецкий; Зоя Ивановна Воронецкая; Борис Сергеевич Адамов; Софья Степановна Адамова; Анастасия Ивановна Рачеткина; Наталья Николаевна Бабченкова
Original assignee: Андрей Владимирович Воронецкий; Зоя Ивановна Воронецкая; Борис Сергеевич Адамов; Софья Степановна Адамова; Анастасия Ивановна Рачеткина; Наталья Николаевна Бабченкова
Priority date: 1993-05-06
Filing date: 1993-05-06
Publication date: 1995-01-09

Abstract

FIELD: coating. SUBSTANCE: burner has connection positioned so that its end and the nozzle cut are separated by and axial gap adjoining a powder delivery line. The connection has ledge arranged on its inner surface so as to increase the flow section area. The connection has intermediate cylindrical section and an expanding outlet one disposed between the nozzle cut and the ledge on its inner surface with the outlet cylindrical section being located beyond the ledge. Additional cylindrical sections of various diameters are provided on the inner surface so as to precede the intermediate cylindrical section. The sections of larger diameter alternate with those of smaller one. The intermediate cylindrical section is preceded by a narrowed inlet one disposed on the inner surface of the connection and having alternating conical and cylindrical sections on its inner surface. The mentioned narrowed inlet section is preceded by an initial cylindrical segment located on the inner surface of the connection. The latter surface has one or more expanded or narrowed cylindrical sections extra which are disposed in tandem and follow the expanded outlet section as far as the ledge. Ledges are disposed on the connection so as to circumscribe a circle about its side wall in the intermediate section and/or in the narrowed outlet one as viewed from the flow channel. EFFECT: increased performance reliability achieved by keeping the powder from falling within the flow channel. 8 cl, 10 dwg

Description

Полезная модель относится к установкам для нанесения покрытий, а именно к конструкциям горелок для сверхзвукового газопламенного напыления покрытий. The utility model relates to installations for coating, namely, the design of burners for supersonic gas-flame spraying of coatings.

Известна горелка газопламенная для сверхзвукового напыления покрытий, содержащая камеру сгорания с соплом, магистраль подачи порошка в поток продуктов сгорания, и патрубок, установленный за срезом сопла с образованием с последним единого проточного тракта, поверхность которого имеет излом в месте расположения среза сопла, принятая за прототип (смотри например авторское свидетельство СССР 1291215, МКИ В 05 В 7/20, опубл. в 1987 г.). Однако это устройство наряду с преимуществами, присущими ему вследствие использования для разгона частиц сверхзвуковой струи, что позволяет обеспечить повышенные скорости частиц порошка и тем самым улучшить характеристики напыляемого покрытия, имеет и ряд недостатков, которые ограничивают его использование. Большинство из этих недостатков обусловлены прежде всего принятой в данном устройстве схемой подачи порошка, а именно вводом частиц непосредственно в камеру сгорания в дозвуковой поток. При такой схеме ввода порошка частицы будут попадать на стенки камеры сгорания и сопла, что может вызвать их налипание на стенках и эрозионный износ последних с одной стороны и изменение площади проточного тракта в критическом сечении сопла, с другой. Эрозия уменьшает ресурс и надежность работы горелки, а налипание частиц на стенках будет приводить к периодическому отрыву от налипшего слоя конгломератов частиц, их выносу потоком на поверхность покрываемого изделия и ухудшению качества покрытия. Изменение площади проточного тракта вызывает нарушение режима работы горелки, вплоть до выхода ее из строя, и поэтому рассматриваемая схема ввода порошка в поток продуктов сгорания может быть использована только для горелок с относительно большими диаметрами критического сечения сопла, что существенно ограничивает их область использования вследствие больших потребных расходов компонентов топлива для реализации требуемого режима работы горелки. Known gas-flame burner for supersonic spraying of coatings containing a combustion chamber with a nozzle, a powder supply line to the combustion product stream, and a nozzle installed behind the nozzle exit with the formation of a single flow path with the latter, the surface of which has a kink at the nozzle exit location, adopted as a prototype (see, for example, USSR copyright certificate 1291215, MKI B 05 V 7/20, published in 1987). However, this device, along with the advantages inherent in it due to the use of a supersonic jet to disperse particles, which allows for increased speeds of powder particles and thereby improve the characteristics of the sprayed coating, has several disadvantages that limit its use. Most of these disadvantages are due primarily to the powder supply scheme adopted in this device, namely, the introduction of particles directly into the combustion chamber in a subsonic flow. With this scheme of powder injection, particles will fall on the walls of the combustion chamber and the nozzle, which can cause them to stick to the walls and erosion of the latter on one side and a change in the area of the flow path in the critical section of the nozzle, on the other. Erosion reduces the life and reliability of the burner, and the adhesion of particles on the walls will lead to periodic separation from the adhering layer of conglomerates of particles, their removal by the flow to the surface of the coated product and the deterioration of the quality of the coating. Changing the area of the flow path causes a disruption of the burner operation mode, up to its failure, and therefore the considered scheme for introducing powder into the stream of combustion products can be used only for burners with relatively large diameters of the nozzle critical section, which significantly limits their area of use due to the large the cost of fuel components to implement the required burner operating mode.

Цель изобретения - повышение надежности работы горелки за счет исключения попадания частиц порошка на стенки проточного тракта. The purpose of the invention is to increase the reliability of the burner by eliminating the ingress of powder particles on the walls of the flow path.

Указанная цель достигается тем, что в горелке газопламенного напыления покрытия содержащей камеру сгорания со сверхзвуковым соплом, магистраль подачи порошка в потоке продуктов сгорания и патрубок, установленный за срезом сопла с образованием с последним единого проточного тракта, причем поверхность, ограничивающая проточный тракт имеет излом в месте расположения среза сопла, патрубок установлен с образованием между его торцем и срезом сопла осевого зазора, сообщенного с магистралью подачи порошка. This goal is achieved by the fact that in a gas-flame spraying burner of a coating containing a combustion chamber with a supersonic nozzle, a powder supply line in the flow of combustion products and a nozzle installed behind the nozzle exit with the formation of a single flow path with the latter, the surface limiting the flow path having a kink in place the location of the nozzle exit, the nozzle is installed with the formation between its end and the nozzle exit of the axial clearance in communication with the powder supply line.

При этом внутренняя поверхность патрубка выполнена с уступом и увеличением площади проходного сечения патрубка на нем и имеет за срезом сопла до уступа последовательно размещенные промежуточный цилиндрический и выходной расширяющийся, а за уступом - выходной цилиндрический участки. In this case, the inner surface of the pipe is made with a step and an increase in the area of the passage section of the pipe on it and has an intermediate cylindrical and expanding outlet sequentially placed behind the nozzle exit to the step, and an exit cylindrical section behind the step.

Внутренняя поверхность патрубка до промежуточного цилиндрического участка может иметь несколько дополнительных цилиндрических участков разного диаметра, чередующихся между собой. The inner surface of the pipe to the intermediate cylindrical section may have several additional cylindrical sections of different diameters, alternating between each other.

Перед промежуточным участком внутренняя поверхность патрубка может иметь входной сужающийся участок, а перед последним начальный цилиндрический участок. Кроме того, внутренняя поверхность патрубка за расширяющимся выходным участком до уступа может иметь один или несколько последовательно расположенных расширяющихся или сужающихся участков, а на боковой стенке патрубка со стороны проточного тракта на промежуточном цилиндрическом И/ИЛИ входном сужающимся участках могут быть выполнены выступы. Внутренняя поверхность сужающихся и расширяющихся участков может быть конической, а поверхность сужающегося участка может быть выполнена в виде чередующихся конических и цилиндрических участков. Before the intermediate section, the inner surface of the pipe may have an inlet tapering section, and before the last, the initial cylindrical section. In addition, the inner surface of the pipe behind the expanding outlet section to the ledge may have one or more consecutively expanding or narrowing sections, and protrusions can be made on the side wall of the pipe from the flow path on the intermediate cylindrical AND / OR inlet narrowing sections. The inner surface of the tapering and expanding sections can be conical, and the surface of the tapering section can be made in the form of alternating conical and cylindrical sections.

На фиг.1 представлена схема горелки; на фиг.2, фиг.3, 4, 5, 6, 7 - варианты выполнения патрубка; на фиг.8 - схема течения продуктов сгорания внутри патрубка; на фиг. 9 и 10 - соответственно разрезы А-А и Б-Б на фиг. 3. Figure 1 presents the diagram of the burner; figure 2, figure 3, 4, 5, 6, 7 - embodiments of the pipe; on Fig - diagram of the flow of combustion products inside the pipe; in FIG. 9 and 10, respectively, sections aa and bb in FIG. 3.

Горелка газопламенная для сверхзвукового напыления покрытий содержит камеру сгорания 1 со сверхзвуковым соплом 2, магистраль 3 подачи порошка в поток продуктов сгорания, и патрубок 4, устанавливаемый за срезом 5 сопла 2 с образованием с последним единого проточного тракта 6, причем поверхность, ограничивающая проточный тракт 6, имеет излом 7 в месте расположения среза 5 сопла 2. Патрубок 4 установлен с образованием между его торцем 8 и срезом 5 сопла 2 осевого зазора 9, сообщенного с магистралью 3 подачи порошка. Внутренняя поверхность патрубка 4 выполнена с уступом 10 и увеличением площади проходного сечения патрубка 4 на нем, и имеет за срезом 5 сопла 2 до уступа выходной расширяющийся участок 11, и за уступом выходной цилиндрический 12 участки. До выходного расширяющегося участка 11 выполнен промежуточный цилиндрический участок 13, а перед последним могут быть выполнены несколько дополнительных цилиндрических участков большего 14 и меньшего 15 диаметра, чередующихся между собой. Перед промежуточным цилиндрическим участком 13 может быть выполнен входной сужающийся участок 16, а перед последним - начальный цилиндрический участок 17. Внутренняя поверхность патрубка 4 за выходным расширяющимся участком 11 может иметь несколько последовательно расположенных цилиндрических 18, сужающихся 19 или расширяющихся 20 участков. Кроме того, на боковой стенке патрубка 4 со стороны проточного тракта 6 на промежуточном цилиндрическом 13 И/ИЛИ входном сужающимся 16 участках могут быть выполнены выступы 21, а вокруг осевого зазора 9 может быть размещен кольцевой коллектор 22, сообщенный с магистралью 3. Внутренняя поверхность входного сужающегося участка 16 может быть выполнена в виде чередующихся конических 23 и цилиндрических 24 участков. Кроме того, на фиг.8 поз. 25, 26, 27 и 28 обозначены формирующиеся в патрубке 4 скачки уплотнения. The gas-flame burner for supersonic spraying of coatings comprises a combustion chamber 1 with a supersonic nozzle 2, a powder supply line 3 to the combustion product stream, and a nozzle 4 mounted behind the nozzle cut 5 and forming a single flow path 6 with the latter, the surface bounding the flow path 6 has a kink 7 at the location of the slice 5 of the nozzle 2. The pipe 4 is installed with the formation between its end 8 and the slice 5 of the nozzle 2 of the axial clearance 9 in communication with the powder supply line 3. The inner surface of the pipe 4 is made with a ledge 10 and an increase in the area of the passage section of the pipe 4 on it, and has an outlet expanding section 11 behind the cut 5 of the nozzle 2 and an exit cylindrical 12 section behind the ledge. Prior to the output expanding section 11, an intermediate cylindrical section 13 is made, and before the last, several additional cylindrical sections of a larger 14 and a smaller 15 diameter alternating between themselves can be made. Before the intermediate cylindrical section 13, an inlet tapering section 16 can be made, and before the last, an initial cylindrical section 17. The inner surface of the pipe 4 behind the outlet expanding section 11 can have several cylindrical 18 in series, tapering 19 or expanding 20 sections. In addition, protrusions 21 can be made on the side wall of the pipe 4 from the side of the flow path 6 on the intermediate cylindrical 13 AND / OR inlet narrowing 16 sections, and an annular manifold 22 connected to the highway 3 can be placed around the axial clearance 9. The inner surface of the inlet tapering section 16 can be made in the form of alternating conical 23 and cylindrical 24 sections. In addition, in Fig.8 pos. 25, 26, 27, and 28 indicate the shock waves forming in the pipe 4.

Горелка работает следующим образом. The burner operates as follows.

В камеру сгорания 1 подается топливная смесь, в качестве которой могут быть использованы, например, керосин - кислород, пропан (ацетилен) - кислород (воздух) и т.д. После воспламенения и сгорания топливной смеси продукты сгорания разгоняются в сопле 2 до сверхзвуковых скоростей, в патрубке 4 по магистрали 3 через зазор 9 в поток продуктов сгорания вводится порошок, частицы которого далее потоком разгоняются, нагреваются и подаются на изделие для формирования на нем покрытия. Как уже было указано выше, одной из основных проблем, от решения которой зависит как надежность работы горелки, так и качество получаемого покрытия, является проблема исключения (либо сведения к минимуму) взаимодействия частиц со стенками проточного тракта. Решение этой задачи достигается следующим образом. При обтекании сверхзвуковым потоком излома 7 на нем формируется система косых скачков уплотнения (здесь и далее для простоты, но без искажения физических основ процесса показан только один скачок) 25. Вектор скорости потока после прохождения скачки 25 изменяет свое направление по отношению к вектору скорости до скачка 25 (здесь и на всех фигурах символами VBar₁ и VBar₂ обозначены скорости потока до и после скачка уплотнений вне зависимости от местоположения скачка по длине патрубка 4), в результате чего появляется радиальная составляющая скорости VBar_r, направленная к оси потока. Поскольку частицы порошка вводятся в поток за изломом 7 (в направлении к выходу из проточного тракта 6), то они будут захватываться потоком и переноситься в его центральную зону, что существенно снизит вероятность попадания частиц на стенки патрубка 4. Весьма важным представляется также и то, что при разгоне и нагреве частиц порошка центральной части потока будет полно использоваться энергия продуктов сгорания, поскольку периферийные участки струи вследствие торможения о стенку и отвода в нее тепла имеют более низкие (по отношению к центральной области потока) скорость и температуру. Выполнение вокруг осевого зазора 9 кольцевого коллектора 22 позволяет более равномерно распределить частицы порошка по окружности и тем самым обеспечить более однородную их концентрацию по поперечному сечению потока. Для снижения вероятности попадания частиц на стенки патрубка 4 и более полного перераспределения частиц порошка из периферийной зоны потока в его центральную область патрубка 4 может иметь специальным образом спрофилированную внутреннюю поверхность. Так на фиг.2-7 представлены возможные ее выполнения. Внутренняя поверхность трубопровода 4 перед уступом 10 может иметь выходной расширяющийся 11 участок, на котором будет иметь место расширение потока и частичное восстановление его скорости после того, как поток затормозится в косом скачке уплотнения при обтекании излома 7 на промежуточном цилиндрическом участке 13. Изменение длины последнего позволяет дополнительно без изменения газодинамических параметров потока увеличить время пребывания частиц порошка в нем и тем самым повысить их скорость и температуру. На входном сужающемся участке 16 поток будет дополнительно разворачиваться к центру, увлекая частицы порошка в том же направлении. Поскольку сверхзвуковой поток при течении на сужающемся участке будет тормозиться, то наличие за участком 16 промежуточного цилиндрического 13 и выходного расширяющегося участков 11 будет способствовать восстановлению скорости потока, поскольку при обтекании границы между участками 16 и 13 поток будет расширяться и разгоняться (аналогично тому, как это имеет место при обтекании тупого угла), и попадая далее на выходной расширяющийся участок 11, дополнительно ускоряться. Выполнение на внутренней поверхности патрубка 4 уступа 10 позволяет сформировать на нем интенсивный скачок уплотнения 28, проходя через который поток приобретает дополнительную радиальную составляющую скорости, направленную к его центру, что приведет к переносу частиц к оси потока аналогично тому, как это имеет место при переходе потока через скачок уплотнения 25. Выполнение за участком 11 двух цилиндрических участков 18, сужающихся участков 19 и расширяющихся участков 20 позволяет дополнительно развернуть частицы порошка к центру потока, поскольку при обтекании потоком границы между участками 20 и 18 картина течения будет аналогична той, которая имеет место при обтекании потоком излома 7 (с формированием на границе косых скачков уплотнения 26 и 27), а при попадании потока после участка 18 на сужающийся участок 19 частицы будут дополнительно отжиматься к центру потока. При выполнении между цилиндрическими участками 18 расширяющегося участка 20 поток на нем будет дополнительно ускоряться, а после него на цилиндрическом участке 18 разворачиваться к центру при прохождении через косой скачок уплотнения 26, формирующийся на границе между участками 18 и 20. Выполнение выступов 21 на внутренней стенке патрубка 4 (на входном сужающемся 16 и/или промежуточном цилиндрическом 13, а также выполнении внутренней поверхности входного сужающегося участка 16 в виде чередующихся конических 23 и цилиндрических 24 участков позволяет дополнительно внести возмущения в поток, и тем самым обеспечить более равномерное распределение частиц порошка по поперечному сечению потока. Наличие перед входным сужающимся участком 16 начального цилиндрического участка 17 дает возможность дополнительно развернуть частицы порошка к центру потока, а выполнение перед промежуточным цилиндрическим участком 13 дополнительных цилиндрических участков 14 и 15 большего и меньшего диаметров, чередующихся между собой, дает возможность сформировать в потоке сложную систему косых скачков уплотнения и воздействовать тем самым на распределение частиц порошка по поперечному сечению потока.In the combustion chamber 1, a fuel mixture is supplied, for example, kerosene - oxygen, propane (acetylene) - oxygen (air), etc., can be used. After ignition and combustion of the fuel mixture, the combustion products are accelerated in the nozzle 2 to supersonic speeds, in the pipe 4 along the line 3 through the gap 9 a powder is introduced into the stream of combustion products, the particles of which are then accelerated by the stream, heated and fed to the product to form a coating on it. As already mentioned above, one of the main problems, on the solution of which depends both the reliability of the burner and the quality of the resulting coating, is the problem of eliminating (or minimizing) the interaction of particles with the walls of the flow path. The solution to this problem is achieved as follows. When a supersonic stream flows around kink 7, a system of oblique shock waves forms on it (hereinafter, for simplicity, but without distorting the physical basis of the process, only one jump is shown) 25. The flow velocity vector after passing through jump 25 changes its direction with respect to the velocity vector before the jump 25 (here and in all figures, the symbols VBar ₁ and VBar ₂ indicate the flow rates before and after the shock wave, regardless of the location of the shock along the length of the nozzle 4), as a result, a radial component of the velocities appears and VBar _r directed to the flow axis. Since the powder particles are introduced into the flow behind the fracture 7 (towards the exit from the flow path 6), they will be captured by the flow and transferred to its central zone, which will significantly reduce the probability of particles falling onto the walls of the nozzle 4. It is also very important that that during acceleration and heating of powder particles in the central part of the flow, the energy of the combustion products will be fully used, since the peripheral sections of the jet, due to braking against the wall and heat removal into it, are lower (relative to the center flow area) speed and temperature. Performing around the axial clearance 9 of the annular collector 22 allows you to more evenly distribute the powder particles around the circumference and thereby provide a more uniform concentration over the cross section of the flow. To reduce the likelihood of particles falling onto the walls of the pipe 4 and to more fully redistribute the powder particles from the peripheral zone of the flow into its central region, the pipe 4 may have a specially profiled inner surface. So figure 2-7 presents its possible implementation. The inner surface of the pipeline 4 in front of the step 10 may have an outlet expanding section 11, on which there will be expansion of the flow and partial restoration of its velocity after the flow is braked in the oblique shock wave during the flow around the break 7 in the intermediate cylindrical section 13. Changing the length of the latter allows Additionally, without changing the gas-dynamic parameters of the flow, increase the residence time of the powder particles in it and thereby increase their speed and temperature. At the inlet tapering portion 16, the flow will further unfold toward the center, entraining the powder particles in the same direction. Since the supersonic flow during the flow in the narrowing section will be slowed down, the presence of the intermediate cylindrical 13 and the expanding outlet sections 11 for section 16 will help to restore the flow velocity, since when flowing around the boundary between sections 16 and 13, the flow will expand and accelerate (similar to how takes place when flowing around an obtuse angle), and getting further on the output expanding section 11, further accelerated. The implementation on the inner surface of the pipe 4 of the step 10 allows you to form an intense shock of the seal 28 on it, passing through which the flow acquires an additional radial velocity component directed to its center, which will lead to the transfer of particles to the flow axis in the same way as when the flow passes through the shock wave 25. Performing section 11 of two cylindrical sections 18, tapering sections 19 and expanding sections 20 allows you to further deploy the powder particles to the center of the stream, when flowing around the boundary between sections 20 and 18, the flow pattern will be similar to that which occurs when breaking around fracture 7 (with the formation of oblique jumps 26 and 27 at the boundary), and if the flow after section 18 reaches the tapering section 19, the particles will additionally push up to the center of the stream. When the expanding section 20 is executed between the cylindrical sections 18, the flow on it will additionally accelerate, and after it on the cylindrical section 18 it will turn to the center when passing through the oblique shock of the seal 26, which forms at the boundary between the sections 18 and 20. The protrusions 21 are formed on the inner wall of the pipe 4 (on the inlet tapering 16 and / or intermediate cylindrical 13, as well as the execution of the inner surface of the inlet tapering section 16 in the form of alternating conical 23 and cylindrical 24 sections allows t additionally introduce disturbances into the flow, and thereby ensure a more uniform distribution of powder particles over the cross section of the flow.The presence of an initial cylindrical section 17 in front of the inlet tapering section 16 makes it possible to further expand the powder particles to the center of the flow, and additional cylindrical 13 in front of the intermediate cylindrical section sections 14 and 15 of larger and smaller diameters, alternating between each other, makes it possible to form a complex system of oblique shock waves in the stream eniya and thereby affect the distribution of the powder particles over the cross section of flow.

Варьируя длиной, степенью расширения и сужения участков и их взаимным положением, можно в широких пределах менять распределение частиц по поперечному сечению потока, их скорость и температуру и тем самым существенно расширить диапазон использования горелки как по применяемым порошкам и материалам, из которых могут быть выполнены покрываемые изделия, так и по характеристикам самого покрытия. By varying the length, degree of expansion and narrowing of the sections and their relative position, it is possible to widely vary the distribution of particles over the cross section of the flow, their speed and temperature, and thereby significantly expand the range of use of the burner as applied to powders and materials from which coatings can be made products, and according to the characteristics of the coating itself.

Claims

1. GAS-FLAME BURNER FOR SUPERSONIC COATING SPRAYING, containing a combustion chamber with a supersonic nozzle, a powder supply line to the combustion products stream and a nozzle installed behind the nozzle exit with the formation of a single flow path with the latter, and the surface limiting the flow path has a kink at the location nozzle cut, characterized in that the nozzle is installed with the formation between its end and the nozzle cut of the axial clearance in communication with the powder supply line.

2. The burner according to claim 1, characterized in that the inner surface of the nozzle is made with a step and an increase in the area of the passage section of the pipe on it and has an intermediate cylindrical and expanding outlet sequentially placed behind the nozzle exit to the step, and an exit cylindrical section behind the step.

3. The burner according to claim 2, characterized in that the inner surface of the pipe to the intermediate cylindrical section has several additional cylindrical sections of different diameters, while sections of a larger diameter alternate with sections of a smaller diameter.

4. The burner according to claim 2, characterized in that the inner surface of the pipe in front of the intermediate cylindrical section has an inlet tapering section.

5. The burner according to claim 4, characterized in that the inner surface of the inlet tapering section is made in the form of alternating conical and cylindrical sections.

6. The burner according to claim 4 or 5, characterized in that the inner surface of the pipe to the inlet tapering section has an initial cylindrical section.

7. The burner according to paragraphs 2 to 6, characterized in that the inner surface of the pipe behind the expanding outlet section to the step further has one or more successively cylindrical expanding and tapering sections.

8. The burner according to claims 3 to 7, characterized in that the protrusions are made on the side wall of the pipe in the intermediate cylindrical section and / or in the inlet narrowing section from the side of the flow path.