RU219684U1 - Горелка для устройства термоабразивной обработки поверхностей изделий и материалов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к струйной термоабразивной обработке поверхностей. Горелка для устройства термоабразивной обработки поверхностей изделий и материалов содержит трубообразной формы корпус, внутри которого на тыльной стороне корпуса сформирована камера сгорания с подводом в нее по отдельным каналам жидкого топлива и воздуха, внутри которой расположен воспламенитель топливной смеси и на выходе из которой размещено сопло с сужением проходного канала на входе и расширением этого канала на выходе. Канал этого сопла сообщен с полостью приемной камеры для частиц абразива, выполненной в виде эжектора для всасывания подаваемых по отдельному каналу выбрасываемых в сторону поверхности обработки частиц материала. На выходе из эжектора установлен соосно с ним ускоритель частиц этого материала, который выполнен в виде сопла Лаваля. Камера сгорания отделена от стенки корпуса металлической обечайкой, протянутой вдоль стенки камеры сгорания для образования первой кольцевой полости вдоль стенки камеры сгорания и второй кольцевой полости, сообщенной с первой и образованной между обечайкой и стенкой корпуса для подачи воздуха под давлением 7-9 бар в полость у камеры сгорания и охлаждения рядом расположенного сопла. А воспламенитель выполнен в виде форсунки, сообщенной с каналом подачи жидкого топлива, и свечи. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Полезная модель относится к струйной термоабразивной обработке поверхностей изделий и материалов и может быть также использована в устройствах для очистки поверхностей изделий и нанесения термостойких покрытий на поверхность материала и др.

Для очистки поверхностей и подготовки их под нанесение покрытий используется термоабразивный метод, который заключается в одновременном термическом и ударно-абразивном воздействии на поверхность двухкомпонентной сверхзвуковой высокотемпературной струей, состоящей из газового потока и частиц абразивного материала. Термоабразивная очистка является аналогом абразивоструйной (пескоструйной) обработки, отличие в температуре и скорости газового потока. Эта технология воздействия на очищаемую поверхность высокотемпературной сверхзвуковой струи, несущей частицы абразивного материала.

Газовая струя образована продуктами сгорания топлива, сжигаемого в сжатом воздухе в камере сгорания горелки. Горелка обеспечивает ввод в газовый поток абразивных частиц и оборудована разгонным каналом, позволяющим разогнать их до максимально возможных скоростей. Характерные значения скорости и температуры газовой фазы потока в выходном сечении разгонного канала составляют 1250 м/с и 1400 К соответственно. При этом скорость абразивных частиц составляет 100-300 м/с в зависимости от их фракции и происхождения. Скорость частиц в 2,5-3,5 раза превосходит скорость при традиционной струйноабразивной обработке, а энергия соударения с поверхностью - соответственно в 6-10 раз. Именно высокая кинетическая энергия абразивных частиц определяет эффективность технологии термоабразивной очистки. Технология позволяет производить очистку металлических поверхностей от всех видов загрязнений и наслоений, таких как металлургическая окалина, продукты коррозии, лакокрасочные, гальванические и газотермические покрытия, известковые и иные отложения. При термоабразивном способе очистки одновременно обеспечивается обезжиривание, обеспыливание и активация поверхности, что исключает необходимость каких-либо дополнительных операций перед нанесением покрытий любого типа. После очистки с использованием термоабразивной технологии поверхность становится равномерно шероховатой, обезжиренной, подогретой до температуры 50-60°С и химически активной. Такие свойства поверхности обеспечивают высокую степень адгезии с наносимым на нее защитным покрытием.

Известна горелка для газопламенной обработки изделий, содержащая камеру сгорания в виде стакана с форсуночной головкой и системой охлаждения, сверхзвуковое сопло, продольная ось которого направлена под углом к продольной оси камеры сгорания, и систему подвода топлива (US 4416421, В05В 7/20, 1983).

Значительные радиальные габариты, которые определяются особенностями системы подачи порошка в поток продуктов сгорания и не позволяют наносить покрытия на поверхность отверстий небольшого диаметра, что существенно сужает область использования горелки. Dвод порошка в дозвуковой поток, несмотря на его равномерное распределение по потоку, существенно ограничивает возможность работы устройства при повышенных давлениях в камере сгорания (а следовательно, при высоких скоростях и температурах продуктов сгорания), поскольку в этом случае в емкости с порошком давление должно быть больше, чем в камере сгорания, и необходимо вводить в состав установки специальную систему наддува емкости, что резко усложняет и удорожает установку. Отмечается сложность конструкции горелки и высокие потери энергии, поскольку разгон продуктов сгорания до сверхзвуковых скоростей осуществляется при свободном расширении струи. Но в этом случае в сверхзвуковом потоке формируется система прямых и косых скачков уплотнения, на которых (и в первую очередь на прямых скачках) имеют место существенные потери энергии потока

Известно устройство для термоабразивной очистки поверхностей изделий, выполненное в виде горелки, содержащее тракты подвода окислителя, горючего и частиц абразива, форкамеру, камеру сгорания, сопло и воспламенитель, и приемную камеру для частиц абразива, установленную на выходе из сопла и соосно с ним, выполненную в виде эжектора, на выходе из которого установлен соосно с ним газодинамический ускоритель частиц абразива, выполненный в виде цилиндрического патрубка, геометрические размеры которого выбраны из условий исключения образования внутри ускорителя скачков уплотнения, тормозящих газовый поток до скорости, меньшей скорости звука, и нагрева частиц абразива до перехода в аморфное состояние (RU 2201329, В24С 5/04, опубл. 27.03.2003 г.).

Это решение принято в качестве прототипа.

Окислитель и горючее поступают по трактам подвода в форкамеру и камеру сгорания, в которой после срабатывания воспламенителя и выхода горелки на рабочий режим происходит процесс сгорания компонентов топлива. Образовавшиеся продукты сгорания истекают через сверхзвуковое сопло в полость разрежения эжектора. Замыкаясь на цилиндрическую поверхность эжектора, сверхзвуковая струя ПС создает разрежение в полости эжектора, необходимое для стабильной подачи частиц абразива по тракту его подвода при условии, что в расходном баке абразива давление равно давлению окружающей среды. Таким образом, подача частиц абразива производится за счет перепада давлений в расходном баке абразива и в эжекторе, и работа горелки не связана с подачей абразива. На выходе из эжектора соосно с ним установлен газодинамический ускоритель частиц абразива в виде цилиндрического патрубка, геометрические размеры которого выполнены таким образом, чтобы на всем его протяжении имело место сверхзвуковое течение газа.

Недостаток известного устройства заключается в применении в качестве газодинамического ускорителя частиц абразива патрубка в виде трубчатого цилиндра.

Разгон абразивных частиц в таком газодинамическом ускорителе будет иметь место в том случае, если скорости газа в нем будут максимальными, а следовательно, сверхзвуковыми (U≈800…1700 м/с). Получение этих параметров формируется на сопле, имеющем сужение в просвете. А что касается цилиндрического патрубка, то указано, что его геометрические размеры должны быть выбраны из условий исключения образования внутри ускорителя скачков уплотнения, тормозящих газовый поток до скорости, меньшей скорости звука, и нагрева частиц абразива до перехода в аморфное состояние.

На сужающемся докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями, в самом узком, критическом сечении сопла локальная скорость газа достигает звуковой, а на расширяющемся закритическом участке газовый поток движется со сверхзвуковыми скоростями. Перемещаясь по соплу, газ расширяется, его температура и давление падают, а скорость возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения. При выходе из сопла в эжекторную камеру газ захватывает частицы абразива и перемещает их по каналу цилиндрической трубы. При этом падает давление в этой трубе (из-за подтормаживания при трении абразива о стенку трубы, пристенная зона турбулентного движения смесевого потока) и скорость на выходе из цилиндрической трубы снижается. Это может приводить к скачкам уплотнения, за которыми реализуется повышение температуры и давления газа и снижение скорости газа до величины, меньшей скорости звука (400-650 м/с). Наличие скачков уплотнения внутри газодинамического ускорителя абразивных частиц приводит к снижению скорости частиц на выходе из него и, как следствие, к снижению эффективности очистки поверхностей изделий.

Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности функционирования горелки за счет повышения на выходе скорости перемещения частиц материала в нагретом потоке газа при проведении операций по очистке поверхностей и нанесения на них металлизированных покрытий.

Указанный технический результат достигается тем, что в горелке для устройства термоабразивной обработки поверхностей изделий и материалов, содержащей трубообразной формы корпус, внутри которого на тыльной стороне корпуса сформирована камера сгорания с подводом в нее по отдельным каналам жидкого топлива и воздуха, внутри которой расположен воспламенитель топливной смеси и на выходе из которой размещено сопло с сужением проходного канала на входе и расширением этого канала на выходе, при этом канал сопла сообщен с полостью приемной камеры для частиц абразива, выполненной в виде эжектора для всасывания подаваемых по отдельному каналу выбрасываемых в сторону поверхности обработки частиц материала, на выходе из которого установлен соосно с ним ускоритель частиц этого материала, ускоритель частиц порошкового материала выполнен в виде сопла Лаваля, воспламенитель выполнен в виде форсунки, сообщенной с каналом подачи жидкого топлива, и свечи накаливания, камера сгорания отделена от стенки корпуса металлической обечайкой, протянутой вдоль стенки камеры сгорания для образования первой кольцевой полости вдоль стенки камеры сгорания и второй кольцевой полости, сообщенной с первой и образованной между обечайкой и стенкой корпуса для подачи воздуха под давлением 7-9 бар в полость у камеры сгорания и охлаждения рядом расположенного сопла.

А выбрасываемый в сторону поверхности обработки материал может представлять собой частицы абразивного материала в виде порошка или частицы в виде порошка металлов с меньшим электрическим потенциалом по отношению к электрическому потенциалу обрабатываемой поверхности.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 - продольное сечение горелки с демонстрацией конструктивных элементов.

Согласно настоящей полезной модели, рассматривается конструкция горелки для устройства термоабразивной обработки поверхностей изделий и материалов: очистки и нанесения напылением металлизированных покрытий в режиме термической обработки. В качестве выбрасываемых в сторону поверхности обработки частиц материал могут рассматриваться частицы абразивного материала в виде порошка (например, кварцевый песок) или частицы в виде порошка металлов (Zn, Аl) с меньшим электрическим потенциалом по отношению к электрическому потенциалу обрабатываемой металлической поверхности.

Конструктивно горелка для устройства термоабразивной обработки поверхностей изделий и материалов содержит трубообразной формы корпус 1 из металла, внутри которого на тыльной стороне корпуса сформирована камера 2 сгорания с подводом в нее по отдельным каналам 3 и 4, соответственно, жидкого топлива и воздуха. Камера сгорания выполнена трубчатой формы с перфорацией в боковой стенке. В торцевой стенке камеры сгорания и одновременно в теле корпуса (внутри камеры) закреплена форсунка 5 для ввода жидкого топлива и свеча 6 накаливая, относящиеся к воспламенителю топливной смеси. Форсунка сообщена с каналом 3 подвода жидкого топлива и обеспечивает аэрозольную подачу топлива в камеру сгорания.

На выходе камеры сгорания размещено сопло с сужением проходного канала на входе и расширением этого канала на выходе, представляющее собой первое сопло Лаваля 7.

Камера сгорания отделена от стенки корпуса металлической обечайкой 8, протянутой вдоль стенки этой камеры для образования первой кольцевой полости вдоль стенки камеры сгорания и второй кольцевой полости, сообщенной с первой и образованной между обечайкой и стенкой корпуса. В наружную полость подается воздух под давлением 7-9 бар из ресивера компрессора. В области сообщения этих полостей расположено первое сопло Лаваля так, что при подаче воздуха под давлением в полость у стенки корпуса воздух проходит по этой полости, охлаждает обечайку, проходит далее, огибает тело сопла Лаваля, охлаждая его, и далее поступает в полость у камеры сгорания, из которой по перфорационным отверстиям поступает внутрь камеры сгорания.

Выбор давления подаваемого воздуха в камеру сгорания обусловлен приданием процессу воспламенения топливной смеси признаков, сходных с процессом воспламенения смеси в дизельном двигателе. Смесь воспламеняется с помощью свечи накаливания. Способ поджига топлива в горелке аналогичен способу возгорания топлива в цилиндре дизельного двигателя. В автомобильном двигателе поршень поднимается вверх, совершая этим резкое сжатие и одновременно повышение температуры топливно-воздушной смеси, что при наличии дополнительного источника тепла в виде свечи накаливания обеспечивает поджиг смеси. При давлении 7-9 бар в камере создается давление, аналогичен давлению поршня в верхней его позиции в цилиндре. Воздух подается из ресивера компрессора открытием быстродействующего клапана на установке, перемещается с большой скоростью по каналу в горелку. По пути проходит отверстие в первом сопле Лаваля, но из-за его небольших размеров это отверстие в сопле рассматривается как дроссель, то есть сопротивление, обеспечивающее рост давления в камере.

Этому способствует так же то, что в камере в момент поджига образуется стехиометриическая горючая смесь (когда окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего).

Рядом с первым соплом 7 Лаваля и по ходу направления газовых продуктов сгорания выполнена приемная камера 9 для частиц абразива или металлического порошка. Эта камера выполнена в виде эжектора для всасывания подаваемых по отдельному каналу 10 выбрасываемых в сторону поверхности обработки частиц порошкового материала. При выходе из первого сопла 7 Лаваля газовый поток с высокой скоростью образует область низкого давления по отношению к давлению в канале подвода абразивного порошка или порошкового металла. Благодаря этому образуется всасывающий эффект, обеспечивающий поступление порошка из емкости хранения в полость эжектора, где порошок подхватывается газовым потоков и перемещается в сторону выхода из горелки.

А на выходе из эжектора установлен соосно с ним ускоритель частиц материала, выполненный в виде второго сопла 11 Лаваля, к которому подсоединена цилиндрическая направляющая насадка 12 для организации направленности вектора смешанного с газом порошка.

Горелка служит для создания сверхзвуковой реактивной струи. Для этого в форсунку по каналу подачи топлива подается жидкое топливо под давлением: керосин, уайт спирит, дизельное топливо. По каналу подачи воздуха воздух подается под давлением 7-9 бар. Воздух проходит по образованным обечайкой полостям, что позволяет одновременно охладить первое сопло Лаваля и подать воздух в камеру сгорания. Смесь воспламеняется с помощью свечи накаливания. В камере сгорания образуются газовые продукты сгорания, проходящие через критическое сечение первого сопла Лаваля, получая дополнительное ускорение, после чего попадают в инжектор. Абразивный материал или металлические порошки подаются в инжекционную камеру инжекцией с помощью всасывания большого количества воздуха. Этот воздух выполняет сразу две функции, как транспортирующая среда для порошков и абразивов и как дополнительный окислитель несгоревшего топлива. То есть если после прохождения первого сопла Лаваля в струе газов остается несгоревшее топливо, получаемое путем излишнего обогащения смеси в камере сгорания, то оно имеет возможность догореть в инжекционной камере и придать дополнительное ускорение с помощью второго сопла Лаваля.

Продукты сгорания камеры сгорания напрямую поступают в первое сопло Лаваля и разгоняются (до сверхзвуковой скорости). Порошок из канала подачи порошка засасывается в газовый поток продуктов сгорания, нагревается, приобретает скорость потока газов. При этом поступление порошка вызывает некоторое снижение скорости потока газов. Смесь порошка и газов продуктов сгорания направляется во второе сопло Лаваля, где скорость истечения существенно увеличивается. Проходя второе сопло Лаваля поток смеси проходит через полость цилиндрической направляющей насадки и переносится на поверхность изделия для формирования покрытия, либо очистки (в последнем случае в качестве порошка могут быть использованы абразивные частицы или порошок может не вводиться в поток вообще). При этом ввод порошка в сверхзвуковой поток (в закритическую часть сопла) в его зону с давлением ниже атмосферного позволяет осуществить развязку по давлению камеры сгорания и емкости для порошка (не показана) и сжигать топливо при высоких давлениях без повышения при этом давления в емкости для порошка, что дает возможность повысить эффективность горелки за счет достижения более высоких температур и скоростей продуктов сгорания. Следует также отметить, что перевод потока через скорость звука в сверхзвуковых соплах Лаваля исключает формирование прямых скачков уплотнения в потоке и тем самым приводит к снижению затрат энергии на обработку изделий.

Настоящая полезная модель промышленно применима и позволяет повысить эффективность функционирования горелки за счет повышения на выходе скорости перемещения абразивных частиц в нагретом потоке газа для проведения операций по очистке поверхностей и нанесения на них металлизированных покрытий.

Claims (3)

1. Горелка для устройства термоабразивной обработки поверхностей изделий и материалов, содержащая трубообразной формы корпус, внутри которого на тыльной стороне корпуса сформирована камера сгорания с подводом в нее по отдельным каналам жидкого топлива и воздуха, внутри которой расположен воспламенитель топливной смеси и на выходе из которой размещено сопло с сужением проходного канала на входе и расширением этого канала на выходе, при этом канал сопла сообщен с полостью приемной камеры для частиц порошкового материала, выполненной в виде эжектора для всасывания подаваемых по отдельному каналу выбрасываемых в сторону поверхности обработки частиц порошкового материала, на выходе из которого установлен соосно с ним ускоритель частиц данного материала, отличающаяся тем, что ускоритель частиц порошкового материала выполнен в виде сопла Лаваля, воспламенитель выполнен в виде форсунки, сообщенной с каналом подачи жидкого топлива, и свечи накаливания, при этом камера сгорания отделена от стенки корпуса металлической обечайкой, протянутой вдоль стенки камеры сгорания для образования первой кольцевой полости вдоль стенки камеры сгорания и второй кольцевой полости, сообщенной с первой и образованной между обечайкой и стенкой корпуса для подачи воздуха под давлением 7-9 бар в полость у камеры сгорания и охлаждения рядом расположенного сопла.

2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что выбрасываемый в сторону поверхности обработки материал представляет собой частицы абразивного материала в виде порошка.

3. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что выбрасываемый в сторону поверхности обработки материал представляет собой частицы в виде порошка металлов с меньшим электрическим потенциалом по отношению к электрическому потенциалу обрабатываемой поверхности.