CN1263487A - 产生高速颗粒流的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

通过在每一级采用不同介质的多级加速法低成本地产生高速磨料粒流的方法和装置,上述的磨料粒先用一股或多股气流低成本地加速到亚音速(相对于声音在空气中的速度),然后用水流进一步加速到更高的速度。另外,为了增强磨料粒的加速,建立了涡流运动,并将磨料粒引入具有涡流运动的流体中,从而更有力地将磨料粒喷射到工件上。

Description

产生高速颗粒流的方法和装置
本发明涉及产生适用于各种修整、包括(但不限于)表面清理、切割和喷涂的高速颗粒流的方法和装置。
运送表面清理(例如清除船身、贮罐、管道等的涂层、锈蚀和轧制铁鳞等)用的高速颗粒流的传统做法是将颗粒夹带在高速气流(例如空气流)中并通过加速喷嘴将它们喷到待清理的工件上。这种装置通常是压缩空气驱动的，并含有：一台空气压缩机、一个贮存磨料粒的容器、一个控制磨料粒流量的计量器、一根运送空气-磨料粒流的软管、和一个喷出空气-磨料粒流的收敛-发散或收敛-直筒式的喷嘴。
运送切割材料例如切割合金、陶瓷、玻璃和层压板等的“冷切割”(与气炬、等离子和激光切割等在高温下进行的“热切割”不同)用的高速颗料粒流的传统做法是将颗粒夹带在高速液流(例如水流)中并通过会聚型喷嘴将它们喷到待切割的工件上。这种装置通常由高压水驱动，并含有：一台高压水泵、一个贮存磨料粒的容器、一个控制磨料粒流量的计量器、一根输送磨料粒的软管、一根输送高压水的软管、和一个会聚型的喷嘴，在该喷嘴内形成高速流体流以夹带和加速喷向待切割工件上的磨料粒流。
喷出的磨料粒流无论是用于清理表面还是用于切割工件、其工作原理本质上是一样的，熟悉本技术的人们称之为“微加工”。其他的效应也有，但严格说来是次要的效应。微加工的基本原理是简单的。具有动量(I)(它是其质量(m)与其速度(V)的乘积)的磨料粒撞击被加工表面。撞击时产生的随时间变化的动量(m×dv/dt)产生一种力(F)。作用在尖锐颗粒的小撞迹上的这种力产生了远超过材料临界性能的局部压力、应力和剪切力，从而使局部材料破坏和去除，也就是微加工效应。
由上讨论可知，由于市场出售的大多数磨料粒的比重的范围较窄，故要明显提高其打磨或切割的性能必须增大其速度。其次，不仅速度很重要，而且，在清理表面时，磨料粒还必须以均匀扩散的方式与表面相接触，也就是说，高度聚集的磨料粒流仅能处理一个撞击点的面积，因此要费很多工时和大量的磨料来处理给定的表面。第三，从理想的情况来说，磨料粒应撞击待清理表面而不彼此碰撞。还有，对于切割应用来说，要求有聚集的磨料粒流，以便不断深入地侵入待加工的材料内，而在某些用途中要将工件切断。
颗料粒流表面清理和磨料切割技术的专业技术人员想要获得完善的表面清理或切割用的装置或方法，面临着许多挑战。首先，清除单位涂层面积所需的磨料粒量很大，这又意味着不仅使用成本较高，而且清理和处理磨料的成本也较高。
其次，在所述的常规干喷砂工艺中应用磨料粒会产生数量惊人的灰尘，这些灰尘既来自磨料粒本身，又来自磨料粒撞击工件时被粉碎的工件材料，这些灰尘既损害人体健康又污染环境，因此很令人讨厌，它对附近的机械和设备的安全和操作也有影响。为了改善这种情况，某些装置添加了低压水以便刚好在磨料粒从装置的喷嘴喷出之前将其打湿。但是，加水又会降低磨料粒的喷出速度，从而降低预定目的(即清除涂层或切割工件)的工作效率。这是不希望有的次要影响。添加水还有一个不希望的附带影响，即它会造成磨料粒聚集的结块而严重地降低工作效率。在工业上共同的看法是不可能对干的空气/磨料粒流加水而不降低磨料粒的速度。这种看法已被许多试验所确证。但是，对于许多要抑制灰尘产生的用途来说，对空气/磨粒流加水是重要的，并且，事实上也是遵守应用环境、人体健康、职业的/操作的安全法则的唯一补救办法。
第三，现有的磨料粒流切割装置(用磨料粒切割低成本材料如钢、混凝土、木材等)要消耗比其他现有方法(如：气炬法、等离子法、激光法或金刚石刀片法等)高得多的动力。因此，磨料切割法不如其他方法之处不是切割效率问题而是成本问题。用空气流或水流驱动的磨料切割装置需要较高的功率消耗，这对于多数用途(除了热敏感材料特指的冷切割和/或外形切割等特殊情况外)来说，其成本是难以接受的。
因此，本专业的技术人员面临的问题就是要设计出可以以最高的速度、最低(可能)的功耗消耗并在不会在空气中产生超过标准的灰尘的情况下对待清理的表面喷出均匀分布的磨料粒扩散流(或对待切割的工件喷出磨料粒的聚集流)的装置和方法。
上述的提高磨料粒速度的较简单的解决办法还是有问题的。这种方法通常是用空气流夹带磨料粒，但空气是在短距离内加速颗粒的低效率介质，因为它的密度低，而且操作者可用的输送/加速喷嘴的实际长度有限制。这就是说，超过一定速度后，颗粒就不能继续被空气加速，而是以滑流状移动得比空气更缓慢。当由空气流带动时，颗粒速度会进一步降低，因为通常必须加水到空气/颗粒流中“打湿”颗粒以减少空气中的灰尘。加入的水混入颗粒/空气流时将进一步降低颗粒/空气流的速度-常常是降低很多。
因此，需要研制出可以在最大(可能的)磨料粒速度、最低(可能的)功率消耗并且空气中不会产生超过标准量的灰尘的情况下对待清理的表面喷出均匀分布的磨料粒的扩散流或对待切割表面喷出聚集型磨料粒流的方法或装置来满足现有技术的迫切要求。
本发明的一个目的是提供一种可通过用一股或多股气流加速磨料粒、然后用一股或多股液体流使该磨料粒加速到更高速度来产生高速流过一个腔室的磨料粒流的方法。
本发明的第二个目的是提供一种通过用一股或多股气体流使磨料粒加速到亚音速然后用一股或多股液体流使上述磨料粒加速到更高的速度并使磨料粒产生径向运动而获得高速流过一个腔室的磨料粒流的方法。
本发明的第三个目的是提供一种通过将磨料粒引入具有径向运动的流体流中、然后使该磨料粒与高速流体流相接触来增加高速流体流中磨料粒的浓度使之具有比周围流体更高密度的方法。
本发明的第四个目的是提供一种用于产生夹带在主流体中的磨料粒流体喷射流的装置。
按照本发明的第一方面，提出一种在一个腔室内产生高速流动的磨料粒流的方法，包含如下步骤：用一股或多股气流将上述磨料粒加速到亚音速，然后，通过在上述腔室内使上述磨料粒/气体流与一股或多股超高压水流呈一倾斜角度相接触的办法用一股或多股液体流使上述磨料粒加速至更高的速度。
在上述方面的一个最佳实施例中，所述方法还包含另一步骤：通过在下游喷入一股或多股流体流使上述磨料粒产生径向运动。
在上述方面的另一个最佳实施例中，所述方法还含有另一个步骤：通过使上述腔室的内径变窄的方法使上述磨料粒产生径向运动。
在本发明的上述方面的又一个实施例中，上述方法还包含另一个步骤：通过使上述腔室的内径变窄的方法增强上述磨料粒的上述径向运动。
在本发明的上述方面的又一个实施例中，上述方法还包含另一个步骤：通过采用半径变化的腔室来增强上述磨料粒流的上述径向运动。
在本发明的上述方面的又一个最佳实施例中，上述的方法还含有另一个步骤：增大超高速流体流中的磨料粒浓度使其密度高于其周围流体的密度，该步骤进一步分为如下步骤：将上述磨料粒引入具有径向流动的流体流中，然后使上述磨料粒与高速流体流相接触。
按照本发明的另一个方面，提出一种在一个腔室内产生一种高速流动的磨料粒流的方法，包含如下步骤：用一股或多股气体流使上述磨料粒加速到亚音速；然后，通过在上述腔室内使上述磨料粒流与一股或多股超高压水流呈一个倾斜角度相接触的办法用一股或多股液体流使上述磨料粒加速到更高的速度；然后在下游喷入一股或多股流体流使上述的磨料粒产生径向运动。
在本发明的上述方面的一个特别有利的实施例中，上述的方法还含有另一个步骤：通过使上述腔室的内径变窄的方法增强上述磨料粒流的上述径向流动。
在本发明的上述方面的另一个最佳实施例中，上述的方法还包含另一个步骤：通过在下游加宽上述腔室的内径的方法使上述磨料粒流散开。
在本发明的上述方面的又一个最佳实施例中，上述的磨料粒流被加速到高于约600英尺/秒的速度。
在本发明的上述方面的又一实施例中，上述的磨料粒流被加速到高于约1000英尺/秒的速度。
在本发明的上述方面的又一个实施例中，上述的磨料粒流被加速到高于约2000英尺/秒的速度。
在本发明的上述方面的又一个实施例中，上述的磨料粒流被加速到高于约3000英尺/秒的速度。
按照本发明的又一个方面，提出一种增大高速流体流中的磨料粒的浓度使其密度高于其周围流体的密度的方法，该方法包含如下步骤：将上述磨料粒引入具有径向流动的流体流中，然后，使上述磨料粒与高速流体流相接触。
在本发明的上述方面的一个特别有利的实施例中，上述的方法还包含另一个步骤：使上述磨料粒通过半径逐渐减小的腔室。
在本发明的上述方面的一个特别有利的实施例中，上述的方法还包含另一个步骤：使上述磨料粒通过半径逐渐减小的腔室，然后，使该磨料粒通过半径逐渐增大的腔室。
按照本发明的再一方面，提出一种可产生夹带在主流体中的磨料粒流体喷射流的装置，该装置含有：一个混合室；一个位于上述混合室的一端、用来将空气/磨料粒流送入混合室内的空气/磨料粒入口机构；一个或多个与上述混合室倾斜地流体连接的、用来加速上述空气/磨料粒流的超高压水入口机构；和一个或多个位于水流入口机构处或其上游或其下游处并与上述混合室流体连接的、用于产生或加强上述磨料粒流的径向流动的空气入口机构。
在本发明的上述方面的一个最佳实施例中，上述的混合室具有一个收敛部分和一个发散部分。
在本发明的上述方面的另一个最佳实施例中，上述的混合室具有一个收敛部分。
在本发明的上述方面的又一个实施例中，上述的混合室具有一个发散部分。
在本发明的上述方面的又一实施例中，上述的混合室具有一个收敛部分和一个聚束管。
本发明的装置和方法与现有技术相比具有许多的优点。而且，本专业的人们面临的中心问题是如何用一种实用尺寸的装置在消耗最少功率的情况下使磨料粒加速到实际可能的最高速度。首先，本发明在实用尺寸的实施例中用较低的功率消耗量达到了上述的最大的磨粒速度的目标。在本发明中，磨料粒被加速到高于现有技术可能达到的速度，但消耗的功率比常规装置低得多。
本发明的第二个优点(针对表面清理或消除涂层的实施例)是达到了均匀的磨料粒散布。这就增大了每磅磨料粒可清理的表面积，从而使生产率更高和单位清理面积的成本更低，而且降低了用过的磨料的净化和处理成本(处理含有危险废料的用过的磨料的成本是很高的)。
本发明的几个实施例都具有上述优点，这些实施例可产生和利用涡流，对磨料粒除了施加轴向向前的动量外，还施加可控的径向动量。这就使混合室喷出的磨料粒产生可控的散布效应，因此有较大的表面积暴露在磨料粒流中，从而提高了生产率、降低了表面清理成本，相应地也降低了单位清理面积所消耗的磨料量。
本发明的第三个优点与水下切割的清理有关，或者说，一般适合于从混合室喷出的高速磨料粒流在向着预定目标运动时必须穿过除了气体或空气以外的流体的情况。本专业技术人员都很明白，高速水流和磨料粒流水下清理和切割的效率随投射距离(即喷嘴出口与喷射目标之间的距离)的增加而明显降低。原因是存在液体介质(例如水)，它们在混合室出口与工件表面间的区域内的密度是空气的800倍左右。通常的高速流体流在穿过上述液体介质到达其预定目标后，便被裹夹在周围的水中。因此，在短至0.5英寸的距离内，射流损失了许多能量，并降低了它们预定的清理和切割作业的效率。按照本发明，空气以旋动的方式排出混合室，形成一种从混合室出口喷出的旋转的因而也是稳定的气体区。在喷嘴与被加工工件之间形成一种由涡流驱动的稳定而旋转的气囊式的局部空气环境。因此，高速磨料粒与水的射流在水下仍可穿过上述的稳定的气囊，而不降低“在空气中”的切割和清理性能。
本发明的第四个优点是消除了灰尘的产生以及相关的在大气中进行干磨料粒流表面清理(通常称为吹砂)作业所固有的环境、健康、职业的和操作安全性的公害问题。众所周知，吹砂会产生可散布几英里的灰尘雾，这种灰尘雾含有小到足以不仅对操作者而且对附近的人构成重大呼吸健康公害和引起眼睛发炎的微粒。这种灰尘不仅含有破碎了的磨料粒，而且还可含有从清理表面上清除下来的材料微粒，还可能含有也许在几年前或更长的时间前涂在工件表面上的失效的颜料和其他表面腐蚀和防污化合物例如重金属氧化物(如：氧化铅)、金属有机化合物(尤其是锡的有机化合物)和其他有毒的化合物。干吹砂虽然快速而且成本体，并且除了本发明外没有其他经济的可替换方案，但是它正在受到环境保护和卫生公害控制部门的严格监督和管制。
常规的装置企图用密封的办法来改善上述的问题，这就意味着要用大量的塑料板将吹砂工位包围起来，并在吹砂室内造成轻微的负压。但是这样做是异常昂贵的。例如，通常的吹砂表面清理的成本大约为0.5美元/英尺2，但用了上述的密封后，该成本提高到2美元/英尺2或更高。
本发明既控制灰尘的产生又控制灰尘的排放。首先，由于使用超高压水流在第2级处使磨料粒加速，全部磨料粒都是湿透的，而且在喷嘴出口上和磨料粒飞向待清理的表面的轨道上基本上不产生灰尘。其次，喷出的磨料粒伴有由于超高压水与磨料粒和空气在混合室内互相作用而产生的细小水雾珠。这种雾珠可从根本上除去由于磨料粒在被清理工件上的碰撞和粉化而产生的微粒和灰尘或者来源于被微加工的被清理的工件材料的任何微粒和灰尘。
本发明的第五个优点在于，使用本发明的装置和方法产生的向后的牵引力低得多。这是由于所用的磨料粒较少但快得多而使单位清理(或切割)面积所需的磨料粒流量低得多的缘故。因此使用本发明装置的操作者不太疲劳，并且可获得较安全的工作条件。而且，也使本发明的方法和装置更适合于与低成本的自动化系统相结合。
下面通过详细说明本发明的最佳实施例和附图、结合所附权利要求书，更详细地说明本发明。
通过参看下面结合附图的详细说明将会更好地理解及更容易地明白上述本发明的各个方面及其所带来的许多优点，附图中：
图1是说明本发明的一个最佳实施例的喷嘴的剖视图；
图2是示出图1的喷嘴之内部特征的剖视图，但重点说明喷嘴内腔的几何形状和磨料粒通过喷嘴内腔的路线；
图3是示出本发明另一个最佳实施例的喷嘴的内部特征的剖视图，但也是重点说明喷嘴内腔的几何形状和磨料粒通过喷嘴内腔的路线；
图4是本发明的一个替换实施例所提供的喷嘴的剖视图。
本发明涉及通过高速流体流运送磨料粒以便清理或切割工件表面的方法和装置。首先，通过由压缩气体(例如压缩空气)夹带磨料粒或由一根引入到具有中空腔室或者说“混合室”的喷嘴中的软管导引/吸入磨料粒的办法运送磨料粒(例如石英砂)，此时，磨料粒的速度达到大约600～640英尺/秒，该速度接近于某些实际的最大速度。更具体地说，空气由于其密度低是运送磨料粒的较差介质，这就是说，当空气的速度高于某一值时，进一步增大空气速度对磨料粒的速度几乎没有作用。但是，空气又是可使磨料粒加速到大约上述速度值的十分经济的介质，不过，不会使磨料粒加速到比这一速度高许多。
磨料粒加速到亚音速(相对于空气中的声音速度而言)之后，空气/磨料粒流通过混合室，在这里它碰到用于导引超高速流体流(例如水流)进入空气/磨料粒流内的一个或多个入口。与由气流预先加速的磨料粒(以高达大约600～640英尺/秒的速度运动)的相对速度高达4000英尺/秒的水流通过直接的动量转换和夹带作用使磨料粒进一步加速到更高的速度。
超高速水的入口设置成可使该水流沿与空气/磨料粒流的轴线成一倾斜角度冲击上述的空气/磨料粒流。通过使水流与空气/磨料粒流会聚的方法，或从混合室内部的几何结构方面，或者上述二者相结合使混合室内形成空气/磨料粒/水流的涡流或者说旋动。这种旋动使磨料粒沿径向向外运动，由于它们的质量比空气和水大，故在离心力的作用下形成了一个粒子浓度高的环形区。超高速水流直接冲向该环形区，对磨料粒进行有效的动量转换和运送，有效地加速磨料粒使其达到最大速度。因此，引入超高速水流有三个功能：(1)对磨料粒进行第二级加速；(2)在空气/磨料粒/水流内形成涡流；和(3)形成一个磨料粒浓度高的区域，以便使磨料粒流与超高速水流优先地和有效地接触，从而更有效地使磨料粒加速到更高的速度。
另外，在几个最佳实施例中也按几种方法中之一种方法使流体流中形成更强的涡流运动。在一个实施例中，流体流(这里包含空气、磨料粒和水)通过沿切向引入空气的喷嘴的最后部分。引入的空气由于流体流的运动使腔室内形成负压而进入喷嘴腔室内。或者，也可以在大于一个大气压的条件下将空气喷入喷嘴的腔室中。在另外的实施例中，混合室的内径变小，以增大磨料粒的径向速度，从而增强涡流运动。在这些实施例的一个子实施例中，混合室的内径随后加大，以形成均匀的磨料粒散布。从喷嘴喷出的是均匀分布的高速磨料粒流，高速传送的磨料粒按两个加速阶段加速到上述的高速，第一阶段由气体(压缩空气)加速，第二阶段由液体(超高压水)加速。这种使用两种不同介质(一是气体和一是液体)进行的两级加速不仅可克服只用空气作为加速剂加速磨料粒不能超过约600英尺/秒的基本限制，而且加速过程的总的能量效率都优于使用一种单一介质(例如仅用气体、或仅用液体)的单级或多级磨料粒加速。
因此，工件表面清理速率(或切割速率)与两级主要参数有关。第一组参数(除磨料粒本身以外)与下列因素有关，输送磨料粒进入混合室的空气的初始速度、超高速水流与空气/磨料粒流会聚的部位和角度、以及引发涡流的空气流(如果在特殊实施例中采用的话)的类似参数。第二组参数与混合室本身的几何形状、尺寸有关。例如，混合室内的一个部位具有小的直径可能对于增大磨料粒的旋转速度从而增强磨料粒与超高速水流的相互作用是有利的。混合室可以向下游加宽以产生可控分散的磨料粒流，可对给定的空气/水/磨料粒的流量和流速从经验上确定混合室的最佳的具体几何尺寸(内径)。
本文所用的“倾斜的”一词指的是一个角度，该值大于0°，但小于90°。
本文所用的“偏斜的”一词的意思是指沿与具有“倾斜”值的角度的轴线不同的轴线测量的角度，该值大于0°但小于90°。例如，若两个物体沿X轴线形成的角度具有“倾斜的”值，那么，由两个物体沿不平行于上述轴线的轴线形成的角度便称之为“偏斜”(只要角度值为0～90°则可)。
本文所用的“超高压”一词指的是可在高于大约15000～60000磅/英寸2的压力下输送水的特殊类型的泵。
本文所用的“超高速”一词指的是具有大于600英尺/秒至高达约4000英尺/秒的速度的流体流(例如水流)的速度。
一文所用的“磨料粒”一词，一般是指在喷砂清理业中常用来从一种装置中喷出的任何类型的颗粒物，这些物质通常有：石英砂、煤渣、铜渣、和金刚砂。“BB2049”是一种常用磨料粒的工业名称，其字尾2049指的是颗粒尺寸，这种颗粒属于美国标准筛号系列的20-49目。另一种常用磨粒是StarBlast。
图1示出本发明的一个最佳实施例，所示的装置最好由通常为本专业技术人员公知的可购得的材料构成。空气/磨料粒流通过一根引入软管10引入到喷嘴20的混合室40内。上述装置可从功能上再分成两级：第一级12和第二级14。概括地说，在第一级12内，磨料粒由增压气体(最好是压缩空气，但不限于此)加速。在第二级14内，磨料粒由超高压水进一步加速。从喷嘴20喷出的磨料粒流的大致速度约为600英尺/秒。当空气/磨料粒流通过混合室40时，便碰到一个或多个超高压水流的喷口52、54，这些喷口以相对于空气/磨料粒流运动的中心轴线成一倾斜角度将一股或多股超高速水流引入混合室。通过入口50和环形通道101将超高压流体引到位于每个喷口52、54的小孔100而形成上述的水流。上述流体流与空气/磨料粒流相会聚，从而使磨料粒加速到更高的速度。超高速水流的第二个作用是通过它的倾斜的和/或偏斜的位置将磨料流的方向从单纯的轴向运动改变为涡流或者说旋动，从而加强流体流内的磨料粒的相互作用。
在本发明的一个实施例中，含有空气、磨料粒和水的流体流从喷嘴80的下游端喷出。在另外的特别好的实施例中，在流体流从喷嘴喷出之前进一步控制该流体流以加强它们的涡流运动。在一个特别有利的实施例中，空气/磨料粒/水的流体流流到喷嘴内的下游并在此进一步与空气混合。
可通过若干机构中的一种将空气引入混合室40中。在一个最佳实施例中，通过一个或多个位于喷嘴内的可使周围空气穿入混合室的小孔60、62而简单地吸入或者说被动引入的办法使空气进入混合室40。更具体地说，在这个最佳实施例中，空气是由于流体流通过混合室的运动所产生的负压而将其从小孔60、62引入混合室的。
在另外的实施例中，空气可以主动地(在压力下)喷入混合室40中。另外，在所示的实施例中，空气通过位于可将超高压水从入口50引入混合室的超高压水流喷口52、54上游的小孔60、62进入混合室40。在另外的实施例中，空气从超高压水喷口52、54的下游处进入混合室。在其他的实施例中，空气和水可同时进入混合室。因此，空气沿着从外面至混合室内的正压力梯度通过被动运动进入混合室，并与空气/磨料粒/水的流体流混合，进一步增强涡流运动，从而促进磨料粒加速。在另一个特别有利的实施例中，空气不是被动地进入混合室，而是在压力(例如压力约为10～150磅/英寸2表压)下主动地泵入混合室。
在另一个最佳实施例中，通过改变混合室的几何形状而形成涡流运动(无需借助进入混合室40的空气流)或增强涡流运动。在上述的这类实施例中，如图2所示，流过混合室40的空气/水/磨料粒流进入一个收敛的通道42(也就是混合室直径减小)，其结果是磨料粒的径向速度由于角动量守恒原理而增大。该径向速度的增大使超高速水流直接喷射的区域中的磨料粒浓度增加，加强在混合室内的磨料流的碰撞和运送，从而加强磨料粒的加速过程。从混合室的该狭窄部分进一步往下游，在44处半径增大，这就使磨料粒分散，也就是说，由于作用在磨料粒上的径向动量而造成磨料粒向着混合室的内壁的方向运动。因此，混合室由收敛部分42与随后的发散部分44组成。而且，对于表面清理的用途来说，需要可控而均匀的颗粒散布，因为这样可增大被磨料粒冲击的表面积。在其他的实施例中，在混合室的内壁的全部或部分区域设置凹槽或凸脊或翼片来形成或加强涡流运动。
在一个最佳实施例中，其混合室还具有一个或多个附加的与化学物质源流体连通的入口。虽然各种化学物质都可以用，但是，必须视装置使用情况而定，在一个最佳实施例中，将防腐蚀剂引入混合室内。
图3示出本发明的另一个最佳实施例。图中的混合室如图2那样逐渐减小直径(收敛部分42)以增大径向速度和该区的磨料粒浓度，使磨料粒有效地与超高速水流相互作用。但是，该混合室随后并不为使磨料粒散布而扩大。而是将喷嘴做成锥形而成为聚束管72。因此，该实施例与图2的实施例(较适合于表面清理作业)有所不同，它更适合于切割作业。
从图3还可看到，单一的超高压流体流与出口喷嘴的纵轴线位于一根直线上，以增强切割性能。该装置还具有多个偏离纵轴线和超高压流体流的喷嘴20，以便向装置均匀地输送磨料。
通过使混合室的内部几何形状(即内径、增强涡流的几何形状、增强涡流的空气引入结构或喷射口、以及收敛/发散部分相对于水和空气入口的位置)的最佳化，可以获得最合适的清理或切割速度。
在本发明的另一个实施例中，(见图4)，作了几种改进，以减轻装置的重量、简化操作、和降低制造成本。在图4所示的最佳实施例中，磨料粒的第二级加速是通过由设置在喷口52中的入口50和小孔100导引超高压流体而引入一种单一的超高压流体而实现的。入口50和通道102沿超高压流体流离开喷口52而进入混合室40的路线直接与小孔100对准。上述的单一超高压流体流呈一倾斜角度进入混合室，并在此夹带和加速磨料流。同理，只设置一个单一空气入口孔60，使空气沿切向进入混合室。按照图4所示实施例的装置可使应用和制造简化，从而降低成本，为了进一步减轻装置的重量，可用铝或氮化硅或其他类似材料来制造混合室。
按照本发明的任一个最佳实施例的装置可以是一个通常称之为喷枪的手持装置。在一个最佳实施例中(如图4简单所示)，在喷嘴上具有多个阀90、92、94，这就使操作者可以有选择地关闭水流和/或磨料流。例如，操作者希望停止磨料流时，就可使喷嘴只喷出流体流和空气流，操作者便可洗涤被加工的工件上的残留物。另外，操作者也可能希望既停止水流又停止磨料流，又可使喷嘴只喷出空气流，这样操作者便可吹干被加工的工件。如果操作者要进行干喷砂，就可停止通过喷嘴的超高压流体流。因此，操作者可在不拆下喷嘴的情况下或者不用走到靠近磨料源或超高压流体源处而远距离地选择改变喷嘴的功能。虽然各种阀都可以用，但是，在一个最佳实施例中，阀90、92、94是可启动超高压流体源和磨料源处的阀的控制阀。
在正确控制的条件下进行了许多工业规模的比较实验，以便在性能和经济性方面对本发明的方法和装置与常规的装置和方法进行比较。下面说明部分实验结果。选择从钢件表面上去除锌基底漆或轧制氧化皮而使其露出金属表面来评价本发明与常规方法相比较的效益。虽然本说明部分的下文是谈表面清理，但是，我们的本意不仅要说明本发明在这种用途上的优点，而且也要说明在其他用途(例如切割、机加工、铣削、涂漆，简言之，任何需要对工件表面吹喷高速颗粒的用途)上的优点。通过在相同的参数下比较去除工件表面涂层的速度可以说明本发明的装置和方法具有比常规的装置/方法优越的性能。上述的实验设计为：(a)确认通过两级加速而提高磨料粒的速度的性能和经济性，(b)确认使磨料粒产生涡流运动的性能和经济性。
下面列出与各实验相关的参数。而且还示出每个参数能进一步改善本发明方法和装置的范围，关于参数的定义、部位、尺寸和比率参看图1。
表1列出的第一个参数是“喉部直径之比”，它是两个直径D1与D2之比。图1示出了这两个值，D1是在接近空气/磨料粒入口软管10的远上游处测量的，D2是在第2级的喉部最窄处之远下游处测量的。表1示出的第2个参数是长度与直径之比，即D1与L2(图1也示出L2)之比值。下一个参数是“第一级与第二级的连接角”，对于图1所示的装置而言、该角度为0°，因为第一级12与第二级14是同轴对准的。列在表1的下一个参数是“第一级转入第二级的偏斜角”，图1所示装置的该偏斜角为零，但在图1无法示出。这个参数与前一个参数是相似的，但后者说明在垂直于图纸的平面上两级之间彼此的相对位置的空间(立体)关系。“功率比”是第二级的马力与第一级的马力之比，或者说液压功率与空气功率之比。这个参数是指示性的，因为，如图1所示，磨料粒由两个源加速：一个是通过第1级中的入口软管10的空气，另一个是通过第2级中的喷口52、54的水。每个输入都要求一个动力源，因此存在上述的“功率比”参数。“涡流功率比”与刚才提到的参数相似，它是比第1级功率(空气功率)高的用于产生或者增强涡流的功率。下一个参数是“涡流空气喷口”，意思是引入产生/增强涡流的空气的入口的数目，图1示出两个入口60、62。“涡流锥形夹角”指的是第2级14内径的收敛角度。更具体地说，它是指从第2级14之始端至D2测出的由第2级之内壁的横截面的追迹线构成的角度。“涡流空气入口偏斜角”是指空气入口60、62的位置，空气相对于一个平行于图纸面的平面进入装置之内部的角度就是“涡流空气入口偏斜角”。下一个参数是“超高压水流轨迹交会”，图1以L1表示。如图1所示，L1是从各股超高压水(从喷口50、52喷出的)的会聚点至第2级端部(与L2的边界相同)的距离。表中超高压水流轨迹相交值“@D2”的意思是各水流在D2处(见图1)会聚。该参数值基于D2的乘积，因此，“+10×D2”表示水流在从测出D2处的下游“10×D2”的距离处会聚。下一个参数是超高压水喷口52、54的数目，图1示出两个这样的喷口。表1所列的下一个参数是“超高压水流喷口直径”，仅仅是指喷口52、54的内径。再下一个参数是“超高压水流夹角”，是指从喷口52、54喷出的两股水流构成的角度。表1的最后一个参数是“超高压水流的偏斜角”，该参数部分地限定了各喷口52、54在垂直于图1纸面的平面上的位置。
                             表1
    参数   最佳实施例的参数范围值 实验值
喉部直径之比(D1/D2)     1-3.5   2.33
长度与直径之比(L2/D1)     ＞5   23
第1级与第2级的连接角   轴向(0°)-30°   0°&15°
第1级进入第2级的偏斜角   轴向(0°)-30°   0°
功率比：第2级超高压水/第1级空气 0.5-5.0 1.2-1.7
涡流功率比：涡流空气/
    第1级空气     0.05-1.0   0.17
  涡流空气喷口(#)     1-20   1-4；6
  涡流锥形夹角     -30-+30°   16°
  涡流空气入口偏斜角     0-30°   0°
  超高压水流轨迹相交(L1)     +/-10×D2   @D2
  超高压水流喷口(#)     1-10   3，4，6
  超高压水喷口直径
    (英寸/1000)     8-40   7-13
  超高压水流夹角     0-30°   16°
  超高压水流偏斜角     0-30°   0°，2°，6°
实例1(清除锌基底漆)本发明的一个实施例与常规的
                    表面清理装置/方法的比较
常规的装置具有一个工业上常用的3/16英寸(或者说3#)的收敛/发散型的干磨料喷嘴，该喷嘴由压力100磅/英寸2、流量50英尺3/分的空气带动、将粒度为16～40目的磨料以260磅/h的流量喷到试件的表面上。
本发明的装置也含有上面所述的常规装置、用作其第1级加速装置，由同样的空气压力、同样的空气流量驱动，并将同等粒度的同种磨料粒流送到第2加速级。第2加速级由喷射速度约为2200英尺/秒的水流驱动。涡流运动不是从外部促使的，就是说，未从侧面喷入附加流体到混合室来增强混合室内的涡流运动。还必须注意，虽然没有故意造成涡流运动，但是，由于混合室内部几何形状的固有特性，无论如何都可产生这种涡流运动。
试验结果综述如下：
参数 本发明 常规装置
清理速度 180英尺2/小时 60英尺2/小时
单位清理面积所用磨料量 1.4磅/英尺2 4.3磅/英尺2
单位清理面积所耗功率 0.19马力/英尺2 0.21马力/英尺2
单位清理面积的总成本(含工时、燃料、磨料和设备费用) 0.18美元/英尺2 0.38美元/英尺2
喷嘴上存积的灰尘 测不出 明显
被清理表面上存积的灰尘(目视检测) 测不出 明显
                  实例2(清除锌基底漆)
              本发明的一个实施例与常规的
                表面清理装置/方法的比较常规装置具有一个工业上常用的直径为4/16英寸(或者说4#)的收敛/发散型的干磨料喷嘴，该喷嘴由压力为100磅/英寸2、流量为90英尺3/分的空气驱动，将粒度为16～40目的磨料以500磅/小时的流量喷到试件的表面上。
本发明的装置也具有上面所述的常规装置、用作其第一级加速装置，并由同样的空气压力、同样的空气流量驱动、将同等粒度的同种磨料粒流送到第2加速级，该第2加速级由喷射速度约2200英尺/秒的水流驱动。涡流运动不是从外部促使的，就是说，没有从侧面将附加流体喷入混合室来增强混合室内的涡流运动。
试验结果综合如下：
参数 本发明 常规装置
清理速度 283英尺2/小时 75英尺2/小时
单位清理面积所用的磨料量 1.8磅/英尺2 6.6磅/英尺2
单位清理面积所耗的功率 0.18马力/英尺2 0.30马力/英尺2
单位清理面积的成本 0.15美元/英尺2 0.42美元/英尺2
喷嘴上存积的灰尘 测不出 明显
被清理表面上存积的灰尘 测不出 明显
                     实例3(清除轧制件的氧化皮)
                     本发明的一个实施例与常规的
                       表面清理装置/方法的比较
常规的装置具有一个工业上常用的直径为4/16英寸(或者说4#)的收敛/发散型的干磨料喷嘴，该喷嘴由压力为100磅/英寸2、流量为90英尺3/分的空气驱动，将粒度为16～40目的磨料以500磅/小时的流量喷到试件的表面上。
本发明的装置也具有上面所述的常规装置、用作其第1级加速装置，并由同样的空气压力、同样的空气流量驱动、将同等粒度的同种磨料粒流喷到第2加速级，该第2加速级由喷射速度约2200英尺/秒的水流驱动。涡流运动不是外加促使的，就是说没有从侧面喷入附加的流体到混合室来增强混合室内的涡流运动。
试验结果综合如下：
参数 本发明 常规装置
清理速度 165英尺2/小时 55英尺2/小时
单位清理面积所用磨料量 3.0磅/英尺2 9.1磅/英尺2
单位清理面积消耗功率 0.30马力/英尺2 0.41马力/英尺2
单位清理面积的成本 0.26美元/英尺2 0.58美元/英尺2
喷嘴上存积的灰尘 测不出 明显
被清理表面上存积的灰尘 测不出 明显
                         实例4(清除锌基底漆)
                     本发明的一个实施例与常规的
                      表面清理装置/方法的比较
常规装置具有一个工业上常用的直径为3/16英寸(或者说3#)的收敛/发散型的干磨料喷嘴，该喷嘴由压力为100磅/英寸2、流量为50英尺3/分的空气将粒度为16～40目的磨料以260磅/小时的流量喷到试件的表面上。
本发明的装置也具有上面所述的常规装置、用作其第1级加速装置，并以同样的空气压力、同样的空气流量驱动、将同等粒度的同种磨料粒流送至第2加速级，该第2加速级由喷射速度约为2200英尺/秒的水流驱动。通过喷入附加的压缩空气产生占进入第1加速级的空气的0.17英寸-磅/磅的旋动效应而形成涡流运动。
试验结果综合如下：
参数 本发明 常规装置
清理速度 210英尺2/小时 60英尺2/小时
单位清理面积所用的磨料量 1.2磅/英尺2 4.3磅/英尺2
单位清理面积消耗的功率 0.17马力/英尺2 0.21马力/英尺2
单位清理面积的成本* 0.15美元/英尺2 0.38美元/英尺2
喷嘴上存积的灰尘 测不出 明显
被清理表面上存积的灰尘 测不出 明显
                 实例5(清除MIR-氧化皮)
               本发明的一个实施例与常规的
                 表面清理装置/方法的比较
常规装置具有一个工业上常用的直径为4/16英寸(或者说4#)的收敛/发散型的干磨料喷嘴，该喷嘴由压力为100磅/英寸2、流量为90英尺3/分的空气驱动，将粒度为16～40目的磨料以流量为500磅/小时喷到试件的表面上。
本发明的装置也具有上面所述的常规装置、用作其第1级加速装置，并由同样的空气压力、同样的空气流量驱动、将同等粒度的同种磨料粒流喷送到第2加速级。该第2加速级由喷射速度约为2200英尺/秒的水流驱动。通过喷入附加的压缩空气产生占进入第一级加速的空气的0.17英寸-磅/磅的旋动效应而形成涡流运动。
试验结果综合如下：
参数 本发明 常规装置
清理速度 205英尺2/小时 55英尺2/小时
单位清理面积所用的磨料量 2.4磅/英尺2 9.1磅/英尺2
单位清理面积消耗的功率 0.26马力/英尺2 0.41马力/英尺2
单位清理面积的成本* 0.21美元/英尺2 0.58美元/英尺2
喷嘴上存积的灰尘 测不出 明显
被清理表面上存积的灰尘 测不出 明显
                    实例6(清除AM-氧化皮)
                  本发明的一个实施例与常规的
                    表面处理装置/方法相比较
常规装置具有一个由压力为35000磅/英寸2驱动的传输25液压马力(HHP)的水喷嘴。由水流产生的真空将流量为500磅/小时的磨料(其粒度为40～60目)吸入混合室中(而不是像实例1～5那样在第1级喷嘴中由压缩空气传送和预加速)。本发明装置也具有与上述相同的常规装置，以及增强涡流的气流，该气流使系统的功率增加7液压马力，从而使系统的总功率增至32液压马力。
试验结果综合如下：
参数 本发明 常规装置
清理速度 150英尺2/小时 90英尺2/小时
单位清理面积所用的磨料量 3.3磅/英尺2 5.6磅/英尺u2
单位清理面积消耗的功率 0.23马力/英尺2 0.31马力/英尺2
单位清理面积的成本* 0.27美元/英尺2 0.43美元/英尺2
喷嘴上存积的灰尘 测不出 明显
被清理表面上存积的灰尘 测不出 明显
                            实例7
                    两级加速的良好能量及成本效益
水和空气都可用来加速磨料粒。作用在流体中运动的颗粒上的力是其牵引力(FD)，该牵引力的方程是：
        FD＝CD×ρv2A/2式中FD是牵引力，CD是颗粒的牵引系数，ρ是流体的密度，V是颗粒相对于其周围流体的相对速度，A是颗粒的横截面积、或者在颗粒形状不规则的情况下的颗粒投影面积。
CD是试验确定的颗粒雷诺数(NR)的函数，雷诺数的定义为：
       NR＝ρVd/μ式中ρ是流体的密度，V是颗粒的相对速度，d是颗粒直径，μ是流体的动态粘度。对于NR约等于500～200000和球形颗粒而言，为了描述用较高速流体流加速的颗粒的典型速度范围，对于亚音速的空气取牵引系数CD为约0.4～0.5。
从上面分析可得出结论：水(不是空气)是加速磨料粒的有效介质，因为牵引力与运动流体的密度成正比，水与空气密度之比约为800。但是，仅用水作为驱动流体价格太高。使用工业规模的压缩机以流量为1英尺3/分、压力为100磅/英寸2送出空气，其主要成本仅为60美元，而对于1英尺3/分、100磅/英寸2的空气流所得到的发动机功率总计为0.25马力(净功率)。上述的空气流可将磨料粒的速度提到约600英尺/秒，但不会超过太多，因为在较高速度下会出现滑流效应。为了用水来完成上述任务，必须使用由约25马力的发动机带动的、能在输送速度为1英尺3/分(7.5加仑/分)下产生约5400磅/英寸2的压力的高压水泵来将磨料粒加速到约600英尺/秒(或者说加速到流体速度的70％左右)，其主要成本约为6000美元。主要成本及所需能量的比较表明，空气可以在主要成本约为用水时的1/100、能量消耗约为用水时的1/100的情况下将磨料粒加速到约600英尺/秒。因此，空气是将磨料粒初始加速(第1级加速)至约600英尺/秒的极为经济且能量效率高的优选介质，而超高速水流则是在600英尺/秒以上加速磨料粒(第2级加速)至约3000英尺/秒及更高速的优选介质。使用空气作为第1级加速的介质的附带原因是磨料粒容易在软管或者说管道内的管状空气流中传递和输送到远距离和高处。因此，可以使用大的磨料粒容器，这就可以极少中断作业来为磨料粒容器补加磨料，并且不必接近向清理或切割表面喷射磨料粒的喷嘴。
                         实例8
               通过产生涡流造成良好的磨料粒传送
                 而降低切割材料所需的能量消耗
在本发明的一个实施例中，通过使流体流内产生涡流或者说旋动并使磨料粒经受这种涡流或者说旋动，可以进一步增大用高速水流加速磨料粒的好处。用上述的方案进行的试验已产生良好结果(按表面清理测定)，这表现在通过驱动超高速水流，对磨料粒进行良好的动量转换和夹带。当磨料粒与具有涡流运动的流体接触时，就被离心力径向向外推动，在本发明的一个实施例中，按如下方式利用上述的力及所产生的颗粒运动。由于磨料粒被离心力向外推动，它们便浓集在优先与有意导入该区的超高速水相接触的区域内。结果明显加快磨料粒从混合室喷出的速度，能量效益更好的加速过程和引入更大的磨料粒浓度的能力与驱动的超高速水流有关。在本申请支持下进行的试验表明，现有的技术只能将大约12％的磨料粒引入推进流体中。与此不同，本发明通过产生涡流或者说旋动可使浓度高达50％(相对于驱动用的水介质而言)的磨料粒有效地加速到超高速。这一进展已被试验确定源于如下两点：1.通过涡流运动增加了与水流接触的磨料粒的数目，这就可将最大量的磨料粒带入水流的路线上。2.作用在磨料粒上的离心力在大致垂直于水流的方向上的向量十分低。如果，例如，水流与由大致垂直于水流方向的大的合力移动的磨料粒相接触，则磨料粒就无法实现沿水流方向的加速。本发明通过由离心力将磨料粒浓集于水的流道上并使沿垂直于水流的方向上的合力低的方法克服了上述的限制，但仍保持使磨料粒达到最大的加速。
可通过熟悉本技术的人们所公知的各种装置来产生涡流运动。例如，可以用半径变化的腔室，也就是腔室的半径向下游增大。另外，也可在腔室内部加工出凹槽；或者添加一些翼片，或者也可以沿着与腔室的纵轴线成一定的倾斜角度或沿切线的方向将流体引入或吸入腔室内。
                             实例9
                    通过提高磨料粒的速度、浓度和
                  聚集量达到良好的切割性能和效率
在本发明的说明中业已表明，增大磨料粒的速度(超过一定的门槛值)可显著地增加表面清理和切割应用中材料的去除速度。事实上，材料的去除速度随磨料粒的速度的平方值的增大而增加。在本发明中，磨料粒的速度可比现有技术的磨料粒流切割机达到的速度提高40～50％，从而使切割性能提高两倍。还有两个其他因素也明显地有利于使磨料粒流切割过程的效率更加提高，即(a)单位时间喷出的速度最大的磨料粒的数量或者说浓度Mt(磅/秒)，(b)将上述磨料粒流聚集于直径为D0(微米级)的可能达到的最小的点上。
正如本申请人已在实例4、5和6所说明的那样，迫使磨料粒产生涡流运动或者说旋动可显著增强加速过程，并显著提高每单位超高速水中夹带更多的磨料粒(称为磨料粒浓度)的能力(从现有技术的12％左右提高到约50％，即增加到4倍)。涡流运动也有助于将磨料粒流集中到较小面积D0上，因此提高了工件上单位碰撞面积的磨料粒浓度。对于现有技术的磨料粒流装置，若达到聚集直径为DC，单位面积的磨料粒浓度随直径比的平方(DC/D0)2而增大。按照本发明的方法和装置，聚集直径可比常规的磨料粒流切割机减小约25％，这就使切割性能提高两倍。上述讨论的综合效果如下：
    变量     切割性能乘数
    磨料粒速度     2×
    水流中磨料粒浓度     4×
    聚集性     2×
    综合效果：2×4×2＝     16×
实际地说，上述的切割性能乘数具有很大的重要性。具体地说，常规的磨料粒流切割机现行需要的投资约为每马力(HP)2000美元，或者说，一般的30HP的工业装置约需60000美元。按乘数16减小，则可将成本降低到约4000美元。这就使本发明的方法和装置可以与在例如切割钢板、建筑材料、玻璃、木材等广泛而大量的常规应用中所用的气炬和等离子切割方法和装置相竞争。
因此，本发明很适合于实现本发明的目的，并且获得了上述的和其它固有的结果和优点。虽然为了说明本发明的显著特征而示出了本发明的最佳实施例。但是，熟悉本技术的人们本身将很容易提出在结构的细节、部件的排列、操作的步骤等方面可能进行的许多改变，这些改变均应包含在本发明的精神和所附权利要求的范围之内。

Claims (75)

1.一种在腔室内产生高速流动的磨料粒流的方法，包含如下步骤：
(i)用一股或多股气流将上述磨料粒加速到亚音速；然后
(ii)在上述腔室内通过使上述磨料粒流沿一个倾角与一股或多股超高压水流相接触的方法由一股或多股液体流使上述磨料粒加速到更高的速度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包含另一个步骤：通过在下游喷入一股或多股流体流使上述磨料粒产生径向运动。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，还包含另一个步骤：通过使上述腔室的内径变窄的方法增强上述磨料粒的径向运动。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包含另一个步骤：通过使上述腔室的内径变窄的方法使上述磨料粒产生径向运动。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，还包含另一个步骤：增加磨料粒的浓度，使其在高速流体流中的密度比周围流体高，该步骤进一步分为如下步骤：
(i)将上述磨料粒引入具有径向流动的流体流中；然后
(ii)使上述磨料粒与高速流体流相接触。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，还包含另一个步骤：采用变化半径的腔室增强上述流体流内的上述径向流动。
7.一种在腔室内产生高速流动的磨料粒流的方法，包含如下步骤：
(i)用一股或多股气流使上述磨料粒加速到亚音速；然后
(ii)通过在上述的腔室内使上述粒流沿一个倾斜角与一股或多股超高压水流相接触的方法用一股或多股液体流使上述磨料粒加速到更高速度；和
(iii)通过引入一股或多股流体流使上述磨料粒产生径向运动。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，通过在上游喷入一股或多股流体流产生上述的径向运动。
9.根据权利要求7的方法，其特征在于，通过在下游喷入一股或多股流体流产生上述的径向运动。
10.根据权利要求7的方法，其特征在于，通过喷射加压流体引入上述的一股或多股流体流。
11.根据权利要求7的方法，其特征在于，通过被动地吸入流体的方法引入上述的一股或多股流体流。
12.根据权利要求7的方法，其特征在于，上述的流体是空气。
13.一种在腔室内产生高速流动的磨料粒流的方法，包含如下步骤：
(i)用一股或多股气流使上述的磨料粒加速到亚音速；然后
(ii)通过在上述腔室内使上述磨料粒流与一股或多股超高压水流相接触的方法用一股或多股流体流使上述磨料粒加速到更高速度；和
(iii)通过引入一股或多股流体流使上述磨料粒产生径向运动。
14.一种在腔室内产生高速流动的磨料粒流的方法，包含如下步骤：
(i)用一股或多股气体流使上述磨料粒加速到亚音速；然后
(ii)通过在上述腔室内使上述磨料粒流沿一倾斜角与一股或多股超高压水流相接触的方法用一股或多股液体流使上述磨料粒加速到更高速度，然后
(iii)通过改变上述腔室的内部结构使上述磨料粒产生径向运动。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于，通过在上述腔室的内壁上设置多个翼片产生上述的径向运动。
16.根据权利要求14的方法，其特征在于，通过在上述腔室的内壁上设置多个凹槽产生上述的径向运动。
17.根据权利要求14的方法，其特征在于，通过改变上述腔室的内部几何形状产生上述的径向运动。
18.根据权利要求14的方法，其特征在于，还含有另一个步骤：通过使上述腔室的内径变窄增强上述的径向运动。
19.根据权利要求14的方法，其特征在于，还包含另一个步骤：通过在下游加宽上述腔室的内径使上述磨料粒流散开。
20.根据权利要求14的方法，其特征在于，上述磨料粒流被加速到高于约600英尺/秒的速度。
21.一种增加磨料粒的浓度使其在高速流体流中的密度高于其周围流体的密度的方法，包含如下步骤：
(i)将上述磨料粒引入具有径向流动的流体流中；和
(ii)使上述的磨料粒与高速流体流相接触。
22.根据权利要求21的方法，其特征在于，还包含另一个步骤：使上述磨料粒通过半径逐渐减小的腔室。
23.根据权利要求21的方法，其特征在于，还包含另一个步骤：使上述磨料粒通过半径逐渐减小的腔室，然后又使上述磨料粒通过半径逐渐增大的腔室。
24.一种产生夹带在主流体中的磨料粒流体喷射流的装置，含有：
(i)一个混合室；
(ii)一个位于上述混合室的一端、用来在亚音速下输送空气/磨料粒流进入上述混合室内的空气/磨料粒入口机构；
(iii)一个或多个与上述混合室流体连接的、用于使上述空气/磨料粒流加速到更高速度的超高压水入口机构；
(iv)一个或多个位于水流入口处或在其上游或在其下游的、与上述混合室流体连接的、用于使上述空气/磨料粒流产生或加强径向运动的空气入口机构。
25.一种产生夹带在主流体中的磨料粒流体喷射流的装置，含有：
(i)一个混合室；
(ii)一个位于上述混合室的一端、用于在亚音速下将空气/磨料粒流输送入上述混合室的入口机构；
(iii)一个或多个倾斜地与上述混合室流体连接的、用于使上述空气/磨料粒流加速到更高速度的超高压液体的入口机构；和
(iv)使上述空气/磨料粒流产生或加强径向流动的机构。
26.根据权利要求25的装置，其特征在于，上述的产生或加强径向流动的机构是设置在上述混合室内壁上的翼片。
27.根据权利要求25的装置，其特征在于，上述的产生或加强径向流动的机构是设置在上述混合室内壁上的凹槽。
28.根据权利要求25的装置，其特征在于，上述的混合室具有一个收敛部分和一个发散部分。
29.根据权利要求25的装置，其特征在于，上述的混合室含有一个收敛部分。
30.根据权利要求25的装置，其特征在于，上述的混合室含有一个发散部分。
31.根据权利要求25的装置，其特征在于，上述的混合室具有一个收敛部分和一个聚束管。
32.根据权利要求25的装置，其特征在于，
上述的混合室由第1级和第2级组成，上述的每一级都具有一个内径和一个长度；
上述的第1级与上述的第2级相连接构成一个连接角和一个偏斜角，其特征还在于，为第1级和第2级供给功率，使通过上述每一级的磨料粒加速；
对空气供给功率使空气通过上述的空气入口机构；
上述的空气入口机构具有多个空气喷口，每个喷口位于一个内径上，并且在位置上由一个涡流锥形夹角和一个涡流空气入口偏斜角限定；和
上述的超高压水入口机构含有一个或多个喷口，每个喷口位于一个内径上，并且其位置由轨迹交会来限定。
33.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述第1级的上述内径与上述第2级的上述内径之比约为1～4。
34.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述第1级的上述内径与上述第2级的上述内径之比约为2.3。
35.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述第2级的上述长度与上述第1级的上述内径之比约大于5。
36.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述第2级的上述长度与上述第1级的上述内径之比约为23。
37.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的连接角约为0°～30°。
38.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的连接角为0°。
39.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的连接角约为15°。
40.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的偏斜角为0°～30°左右。
41.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的偏斜角为0°。
42.根据权利要求32的装置，其特征在于，供给上述第2级的上述功率与供给上述第1级的上述功率之比约为0.5～5.0。
43.根据权利要求32的装置，其特征在于，供给上述第2级的上述功率与供给上述第1级的上述功率之比约为1.2～1.7。
44.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的供给空气的功率与上述的供给第1级的功率之比约为0.05～1。
45.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的供给空气的功率与供给上述第1级的上述功率之比约为0.17。
46.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的空气入口机构含有大约1～20个空气喷口。
47.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的空气入口机构含有4～6个空气喷口。
48.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的涡流锥形夹角约为-30°～+30°。
49.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的涡流锥形夹角约为15°。
50.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的涡流空气入口偏斜角约为0°～30°。
51.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的涡流空气入口偏斜角约为15°。
52.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的轨迹交会测量值为约+10倍于上述第2级的内径到约-10倍于上述第2级的内径。
53.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的轨迹交会测量值约为上述第2级之内径值。
54.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的超高压水的入口机构含有约1～10个喷口。
55.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的超高压水的入口机构含有3～6个喷口。
56.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的超高压水的入口机构具有多个喷口，每个上述喷口的内径约为0.008-0.040英寸。
57.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的超高压水的入口机构具有多个喷口，每个上述喷口的内径约为0.007～0.013英寸。
58.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的超高压水的入口机构具有多个喷口，其特征还在于，从上述喷口喷出的水构成一个水流夹角和一个水流偏斜角。
59.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的水流夹角约为0°～30°。
60.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的水流夹角约为15°。
61.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的水流偏斜角约为0°～30°。
62.根据权利要求32的装置，其特征在于，上述的水流偏斜角约为0°～6°。
63.根据权利要求32的装置，其特征在于，
上述第1级的内径与上述第2级的内径之比约为2～3；
上述第2级的长度与上述第1级的内径之比约为15～25；
上述的连接角约为0°～15°；
上述的偏斜角约为0°～15°；
供给上述第2级的上述功率与供给上述第1级的上述功率之比约为1～2；
供给上述空气的上述功率与供给上述第1级的上述功率之比约为0.1～0.2；
上述的空气入口机构具有1～10个空气喷口；
上述的涡流锥形夹角约为-15°～+15°；
上述的涡流空气入口偏斜角约为-15°～+15°；
上述的轨迹交会测量值约为+2倍于上述第2级的上述内径～-2倍于上述第2级的上述内径；
上述的超高压水入口机构含有1～6个喷口；
每个上述的喷口的内径约为0.008～0.04英寸；
上述的水流夹角约为-15°～+15°；
上述的水流偏斜角约为-15°～+15°。
64.根据权利要求32的装置，其特征在于，
上述第1级的上述内径与上述第2级的上述内径之比约为2.3；
上述第2级的上述长度与上述第1级的上述内径之比约为23；
上述的连接角为0°；
上述的偏斜角为0°；
供给上述第2级的上述功率与供给上述第1级的上述功率之比约为1.2～1.7；
供给上述空气的上述功率与供给上述第1级的上述功率之比约为0.17；
上述的空气入口机构含有4～6个空气喷口；
上述的涡流锥形夹角约为15°；
上述的涡流空气入口偏斜角约为15°；
上述的轨迹相交测量值约为+1.2倍于上述第2级的上述内径～-1.2倍于上述第2级的上述内径；
上述的超高压水入口机构含有3～6个喷口；
每个上述的喷口的内径约为0.007～0.013英寸；
上述的水流夹角约为15°；和
上述的水流偏斜角约为0°～6°。
65.根据权利要求25的装置，其特征在于还含有：一个与空气/磨料粒入口机构相连接的第一阀和一个与超高压液体入口机构相连接的第2阀，使操作者可以有选择地启动或关闭混合室上游的磨料粒和/或超高压液体流。
66.一种产生超高压流体-磨料流的方法，包含如下步骤：
向喷嘴入口提供加压的磨料粒和空气流；
使上述加压的磨料粒流加速到第一速度，并使上述加压的磨料粒流进入混合室；
将超高压液体流引入混合室，该超高压液体流与上述加压的磨料粒流相接触并将其加速到高于第一速度的第二速度，以产生一个超高压的流体-磨料流；和
通过出口孔喷出上述的超高压流体-磨料流。
67.根据权利要求66的方法，其特征在于，还包含有选择地允许和阻止磨料粒流过喷嘴入口。
68.根据权利要求66的方法，其特征在于，还包含有选择地允许和阻止超高压液体流从上游喷入混合室。
69.一种用于产生含有磨料粒的流体流的装置，含有：
一个由气体加压并与第一喷嘴的入口相连接的、向第一喷嘴的入口供给加压的磨料粒流的磨料粒源。
一个与第一喷嘴的出口流体连通的混合室，上述加压的磨料粒流通过上述第一喷嘴并被加速，然后进入上述混合室；
一个与混合室和超高压液体源流体连通地相连接的流体入口喷嘴；一股超高压液体流以足够高的速度从上述流体入口喷嘴喷出以运送和加速上述加压的磨料粒流；和
一根具有一个与混合室流体连通的入口和一个可供排出含有磨料粒的超高压流体流的出口的出口管。
70.根据权利要求69的装置，其特征在于，上述的混合室具有与气体源连接以便向混合室供入气体流的第一入口，用于改善磨料粒在超高压流体流中的分布。
71.根据权利要求70的装置，其特征在于还含有：
一个与第一喷嘴相连接以便有选择地起动和关闭进入第一喷嘴的加压的磨料粒流的第一阀；
一个与上述流体入口喷嘴相连接以便有选择地启动和关闭进入混合室内的超高压液体流的第二阀；和
一个与上述第一入口相连接以便有选择地启动和关闭进入混合室的气体流的第三阀。
72.根据权利要求69的装置，其特征在于，上述的流体入口喷嘴含有一个对准一个通道的小孔，所述通道从该小孔沿超高压流体流进入混合室的路线延伸到装置上的一个开口。
73.根据权利要求69的装置，其特征在于，还含有一个与多个流体入口喷嘴流体连通的环形供料环，上述喷嘴又与混合室流体连通，大量的超高压液体供入环形供料环中，然后通过多个流体入口喷嘴进入混合室。
74.根据权利要求69的装置，其特征在于，上述混合室具有一个与化学物质源流体连通的第二小孔。
75.根据权利要求74的装置，其特征在于，上述的化学物质源是防腐剂。
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