EP0492384A1 - Düse für eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen - Google Patents

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EP0492384A1
EP0492384A1 EP91121679A EP91121679A EP0492384A1 EP 0492384 A1 EP0492384 A1 EP 0492384A1 EP 91121679 A EP91121679 A EP 91121679A EP 91121679 A EP91121679 A EP 91121679A EP 0492384 A1 EP0492384 A1 EP 0492384A1
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EP
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cooling
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gas
acceleration
region
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Götz Matthäus
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OSU-MASCHINENBAU GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/20—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed by flame or combustion
    • B05B7/201—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed by flame or combustion downstream of the nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/72—Safety devices, e.g. operative in case of failure of gas supply
    • F23D14/78—Cooling burner parts

Definitions

  • the invention is directed to a nozzle for a device for high-speed flame spraying of metallic, metallic-carabid and / or oxide-ceramic materials, the nozzle being equipped with a spray medium supply, a gas mixture supply with combustion chamber and a cooled acceleration area, and a corresponding method.
  • Nozzles for high-speed flame spraying are known in different designs, with the known nozzles having in common that they have water-cooled acceleration or stabilization areas.
  • DE 39 03 887-A1 and European patent applications EP 0 049 915-A1, EP 0 135 826-A1, EP 0 249 790-A2 and EP 0 361 709-A1 are examples of a large number of such solutions.
  • the disadvantage of this solution is that the energy absorbed by the cooling water is lost to the process. Also, the cooling water cannot usually be used for other purposes, i.e. a fluid is moved here, which is used only and exclusively for cooling.
  • the object of the invention is to provide a solution with the temperature of the flame is adjustable, the temperature-regulating fluid being able to be used directly in high-speed flame spraying.
  • this object is achieved according to the invention in that gas cooling channels and / or annular spaces for ambient air as cooling gas with injection openings for sucking the cooling gas into the interior of the nozzle are provided for at least part of the cooling of the acceleration area.
  • this object is achieved according to the invention in that, in order to optimize the temperature and / or speed of the spray flame for cooling at least a part of the acceleration region, ambient air is used in the nozzle and is fed to the flame spray region.
  • Another possibility with the nozzle according to the invention or with the procedure according to the invention is to leave the flame hot by adding the ambient air, but to slow the flow if it is not drawn directly into the interior or is only partially drawn.
  • the nozzles can be equipped with cooling channels in which additional cooling fins are provided.
  • the gas flow can also be selected so that it has a comparatively long flow path from the outside inwards in a meandering shape to the inside of the nozzle in order to absorb a large amount of heat.
  • cooling air there can be several inflow regions into the interior of the flow channel of the nozzle for cooling air, it also being possible to provide cooling ring channels which widen in a cascade fashion towards the tip, but which are provided with separate gas feeds and which extend up to Increase the tip to derive the gas volumes.
  • part of the cooling gases is introduced as jacket gases at the end of the nozzle and only a part is drawn into the interior of the nozzle in the region of the ignition or combustion chamber.
  • FIGS. 1-7 all those parts are provided with the same reference numbers which are functionally the same, possibly supplemented by lower case letters for better identification.
  • the nozzle generally designated 1
  • the acceleration range 4 ends at the actual nozzle mouth, which is denoted by 5 in the example according to FIG. 1.
  • the acceleration area 4 is surrounded by an approximately cylindrical component 6, which partially surrounds the nozzle head 2 with its inner truncated cone in FIG. 1 and is surrounded on the outside by two coupling sleeves 7 and 8 such that, as shown, a flow channel is formed.
  • suction bores 11 are provided distributed around the circumference.
  • a nozzle flow assumed from left to right in FIG. 1 is generated, which is indicated by a large number of small arrows 12.
  • the outer wall of the acceleration area surrounding cylindrical part 6 can also be equipped with cooling fins 14, which the sucked air sweeps past and thus can increase the cooling.
  • FIG. 2 A modified exemplary embodiment is shown in FIG. 2, the component surrounding the acceleration region 4a being formed with two shells and bearing the reference numerals 6a and 6b there.
  • the essentially cylindrical element 6a carries the suction openings 11, while the likewise substantially cylindrical element 6b carries further suction openings 11a in such a way that the surroundings of cooling air can be sucked in in two stages.
  • FIG. 3 shows a somewhat different design in this respect, in which the element 6c leaves a suction ring gap 11c open, the suction openings for ambient air lying outside the cooling channels 9c are designated 11b in FIG. 3.
  • FIG. 4 shows another type of construction, which is used in particular to provide, for example, ambient air as the enveloping gas of the nozzle denoted by 1c, annular cooling channels 9d and 9e being arranged in cascade behind one another and each increasing in diameter.
  • the nozzle body 6d can be designed as a built-in part, corresponding ones lying against inner walls Ring seals are shown and designated 15.
  • FIGS. 2 and 3 which is not shown in FIG.
  • the nozzle 1c can also be used as a cascade injector in such a way that different fuel gases can be mixed in through the suction openings 17 or 17 'or else different fuel gases with cooling gas, the front ring opening 16 also being replaceable by a plurality of outlet bores 16 distributed around the circumference '.
  • FIG. 5 shows cooling channels 9f with a cross-sectional meandering design, with this construction having comparatively small injection bores 11f and a front annular outlet opening 16a, by means of which the cooling gas can be supplied as jacket gas.
  • FIGS. 4 and 5 show that here, too, cooling gas cannot necessarily be supplied from the environment, but e.g. can be given as compressed air.
  • FIGS. 6 and 7 show design options for the nozzles 1e and 1f, in which the ambient air cooling is provided in the region of the nozzle body 2 and 2f, while parts of the acceleration range 4e or 4f have, for example, water cooling, which are designated by the cooling channels here with 17 or 17a and 18.

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Abstract

Mit einer Düse (1) für eine Vorrichtug zum Hochgeschwindigkeitsflammen von metallischen, metallisch-carbidischen und/oder oxidkeramischen Werkstoffen, wobei die Düse (1) mit einer Spritzmedienzufuhr, einer Gasgemischzufuhr mit Brennkammer und einem gekühlten Beschleunigungsbereich (4) ausgerüstet ist, soll eine Lösung geschaffen werden, mit der die Temperatur der Flamme einstellbar ist, wobei das temperaturregelnde Fluid unmittelbar beim Hochgeschwindigkeitsflammenspritzen eingesetzt werden kann. Dies wird dadurch errreicht, daß wenigstens für einen Teil der Kühlung des Beschleunigungsbereiches (4) Gaskühlkanäle (9) und /oder -ringräume für Umgebungsluft als Kühlgas mit Injektionsöffnungen (11) zum Ansaugen des Kühlgases in das Innere der Düse (1) vorgesehen sind.

Description

  • Die Erfindung richtet sich auf eine Düse für eine Vorrichtung zum Hochgeschwindigkeitsflammenspritzen von metallischen, metallisch-carabidischen und/oder oxidkeramischen Werkstoffen, wobei die Düse mit einer Spritzmedienzufuhr, einer Gasgemischzufuhr mit Brennkammer und einem gekühlten Beschleunigungsbereich ausgerüstet ist, sowie auf ein entsprechendes Verfahren.
  • Düsen zum Hochgeschwindigkeitsflammenspritzen sind in unterschiedlichen Gestaltungen bekannt, wobei den bekannten Düsen gemeinsam ist, daß diese wassergekühlten Beschleunigungs- bzw. Stabilisierungsbereiche aufweisen. Als Beispiel für eine Vielzahl derartiger Lösungen seien hier angeben die DE 39 03 887-A1 sowie die europäischen Patentanmeldungen EP 0 049 915-A1, EP 0 135 826-A1, EP 0 249 790-A2 und EP 0 361 709-A1. Nachteilig an dieser Lösung ist, daß die vom Kühlwasser aufgenommene Energie dem Prozeß verloren geht. Auch kann das Kühlwasser zu sonstigen Zwecken in der Regel nicht eingesetzt werden, d.h. hier wird ein Fluid bewegt, das nur und ausschließlich zur Kühlung herangezogen wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der die Temperatur der Flamme einstellbar ist, wobei das temperaturregelnde Fluid unmittelbar beim Hochgeschwindigkeitsflammenspritzen eingesetzt werden kann.
  • Mit einer Düse der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens für einen Teil der Kühlung des Beschleunigungsbereiches Gaskühlkanäle und/oder Ringräume für Umgebungsluft als Kühlgas mit Injektionsöffnungen zum Ansaugen des Kühlgases in das Innere der Düse vorgesehen sind.
  • Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Optimierung der Temperatur und/oder Geschwindigkeit der Spritzflamme zur Kühlung wenigstens eines Teiles des Beschleunigungsbereiches Umgebungsluft der Düse eingesetzt und dem Flammenspritzbereich zugeführt wird.
  • Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise bzw. der erfindungsgemäßen Düse läßt sich mit einfachen Mitteln eine sehr vielfältige Einflußnahme auf das Flammenspritzen ermöglichen. So besteht bei kurzen Düsen die Möglichkeit auf eine Wasserkühlung gänzlich zu verzichten. Die Kühlluft wird von der Düse in das Innere gesaugt und steht daher mit ihrer gesamten Energie unmittelbar dem Flammenspritzen zur Verfügung, d.h. die einzusetzende Energie kann reduziert werden. Umgekehrt kann bei Aufrechterhaltung der gleichen Energie durch die Kühlung die Geschwindigkeit des Gasstromes durch die angesogene Kühlluft vergrößert werden.
  • Eine andere Möglichkeit besteht mit der erfindungsgemäßen Düse bzw. mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise darin, die Flamme heiß zu belassen durch das Hinzufügen der Umgebungsluft, aber die Strömung zu verlangsamen, wenn sie nicht unmittelbar in das Innere eingesogen oder nur teilweise angesogen wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowohl der Düse als auch der erfindungsgemäßen Verfahrensweise ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Düsen können dabei mit Kühlkanälen ausgerüstet sein, in denen zusätzliche Kühlrippen vorgesehen sind. Die Gasführung kann auch so gewählt werden, daß sie von außen nach innen querschnittlich meanderförmig einen vergleichsweise langen Strömungsweg bis in das Innere der Düse zur Verfügung hat, um eine große Menge an Wärme aufzunehmen.
  • Es können mehrere Einströmungsbereiche in das Innere des Strömungskanales der Düse für Kühlluft vorgesehen sein, wobei es auch möglich ist, Kühlringkanäle vorzusehen, die sich kaskadenartig zur Spitze hin erweitern, allerdings mit getrennten Gaszuführungen versehen sind und die sich bis zur Spitze hin vergrößern, um die Gasvolumina ableiten zu können.
  • Zweckmäßig kann es auch sein, wenn ein Teil der Kühlgase als Mantelgase am Ende der Düse aufgegeben wird und nur ein Teil im Bereich der Zünd- bzw. Brennkammer in das Innere der Düse eingesogen wird.
  • Je nach Betriebsart kann es sinnvoll sein, sich nicht nur auf das Ansaugverhalten zu verlassen, sondern gezielt zusätzlich als Kühlluft Preßluft aufzugeben, wie dies die Erfindung ebenfalls vorsieht.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt jeweils im Schnitt in den Fig. 1 - 7 einen Querschnitt durch unterschiedliche Düsenformen nach der Erfindung.
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Fig. 1 - 7 werden alle diejenigen Teile mit den identischen Bezugsziffern versehen, die funktionsmäßig gleich sind, ggf. zur besseren Identifizierung ergänzt durch Kleinbuchstaben.
  • Zunächst sei am Beispiel der Fig. 1 der grundsätzliche Aufbau einer Düse nach der Erfindung beschrieben. Die allgemein mit 1 bezeichnete Düse weist einen Düsenkopf 2 auf, wobei in Strömungsrichtung stromabwärts, d.h. in Fig. 1 nach rechts, dem mit 3 bezeichneten Brennerdüsenmund ein Beschleunigungs- bzw. Bündelungsbereich 4 folgt. Der Beschleunigungsbereich 4 endet am eigentlichen Düsenmund, der im Beispiel nach Fig. 1 mit 5 bezeichnet ist.
  • Der Beschleunigungsbereich 4 ist von einem etwa zylindrischen Bauteil 6 umgeben, das mit seiner in Fig. 1 kegelstumpfförmig ausgebildeten Innenbohrung teilweise den Düsenkopf 2 umgibt und außen von zwei Überwurfhülsen 7 bzw. 8 derart umgeben ist, daß sich, wie dargestellt, ein Strömungskanal bildet. Am äußeren inneren, mit 10 bezeichneten Ende der Düse 2, sind am Umfang verteilt Ansaugbohrungen 11 vorgesehen.
  • Bei Betrieb der Düse 1 wird eine in Fig. 1 von links nach rechts angenommene Düsenströmung erzeugt, die mit einer Vielzahl von kleinen Pfeilen 12 angedeutet ist. Damit wird in dem Beschleunigungsbereich 4 ein Unterdruck erzeugt, derart, daß über die ringförmigen Gaskühlkanäle 9 von außen Umgebungsluft durch die Injektionsöffnungen bzw. Ansaugöffnungen 11 angesogen wird, der Verlauf der Umgebungsluftströmung ist ebenfalls durch kleine Pfeile wiedergegeben, im Bereich der Ansaugung ist einer der Pfeile mit 13 bezeichnet.
  • Dargestellt ist in Fig. 1 noch, daß die Außenwand des den Beschleunigungsbereich umgebenden zylindrischen Teiles 6 zusätzlich mit Kühlrippen 14 ausgestattet sein kann, an denen die angesogene Luft vorbeistreicht und damit die Kühlung erhöhen kann.
  • In Fig. 2 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei dort das den Beschleunigungsbereich 4a umgebende Bauteil zweischalig ausgebildet ist und dort die Bezugszeichen 6a und 6b trägt. Das im wesentlichen zylindrische Element 6a trägt die Ansaugöffnungen 11, während das ebenfalls im wesentlichen zylindrische Element 6b weitere Ansaugöffnungen 11a trägt, derart, daß die Umgebung von Kühlluft zweistufig angesaugt werden kann.
  • Eine etwas andere Gestaltung zeigt diesbezüglich die Fig. 3, bei der das Element 6c einen Ansaugringspalt 11c freiläßt, die außerhalb der Kühlkanäle 9c liegenden Ansaugöffnungen für Umgebungsluft sind in Fig. 3 mit 11b bezeichnet.
  • In Fig. 4 ist eine andere Art der Konstruktion dargestellt, die insbesondere dazu dient, beispielsweise Umgebungsluft als Hüllgas der mit 1c bezeichneten Düse zur Verfügung zu stellen, wobei dort ringförmige Kühlkanäle 9d und 9e kaskadenartig hintereinander angeordnet sind und sich jeweils im Durchmesser vergrößern. Der Düsenkörper 6d kann als Einbauteil gestaltet sein, entsprechende, sich an Innenwände anlegende Ringdichtungen sind eingezeichnet und mit 15 bezeichnet. Vor dem mit 5a bezeichneten Düsenmund können noch weitere Elemente etwa nach den Fig. 2 und 3 vorgesehen sein, was in Fig. 4 nicht näher dargestellt ist.
  • Die Düse 1c kann auch als Kaskadeninjektor eingesetzt werden, in der Weise, daß durch die Ansaugöffnungen 17 oder 17' unterschiedliche Brenngase zumischbar sind oder aber auch unterschiedliche Brenngase mit Kühlgas, wobei die vordere Ringöffnung 16 auch ersetzbar ist durch eine Mehrzahl am Umfang verteilte Austrittbohrungen 16'.
  • Die Fig. 5 zeigt bei Anlauf querschnittlich meanderförmig gestaltete Kühlkanäle 9f, wobei bei dieser Konstruktion vergleichsweise kleine Injektionsbohrungen 11f vorgesehen sind und eine vordere ringförmige Austrittsöffnung 16a, mittels der das Kühlgas als Mantelgas zuführbar ist.
  • Durch Pfeile 17 bzw. 17a in den Fig. 4 bzw. 5 ist dargestellt, daß hier auch Kühlgas nicht zwingend von der Umgebung zuführbar ist, sondern z.B. als Preßluft aufgegeben werden kann.
  • Schließlich zeigen die Fig. 6 und 7 Gestaltungsmöglichkeiten der Düsen 1e und 1f, bei denen im Bereich des Düsenkörpers 2 bzw. 2f die Umgebungsluftkühlung vorgesehen ist, während Teile des Beschleunigungsbereiches 4e bzw. 4f beispielsweise eine Wasserkühlung aufweisen, was mit deren Kühlkanäle hier mit 17 bzw. 17a und 18 bezeichnet sind.
  • Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So sei insbesondere darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten vereinfacht wiedergegebenen Düsenformen beschränkt ist. Die Art der Konstruktion ist dort nur angedeutet. Je nach Einsatz kann auch ein Wechsel zwischen Gas- und Flüssigkeitskühlung vorgenommen werden und dgl. mehr.

Claims (12)

  1. Düse für eine Vorrichtung zum Hochgeschwindigkeitsflammenspritzen von metallischen, metallisch-carbidischen und/oder oxidkeramischen Werkstoffen, wobei die Düse mit einer Spritzmedienzufuhr, einer Gasgemischzufuhr mit Brennkammer und einem gekühlten Beschleunigungsbereich ausgerüstet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß wenigstens für einen Teil der Kühlung des Beschleunigungsbereiches (4) Gaskühlkanäle (9) und/oder -ringräume für Umgebungsluft als Kühlgas mit Injektionsöffnungen (11) zum Ansaugen des Kühlgases in das Innere der Düse (1) vorgesehen sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß im Strömungsbereich (9) des Kühlgases Kühlrippen (14) vorgesehen sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die zum Inneren der Düse (1a) weisenden Ansaug- bzw. Injektionsöffnungen (11,11a) für Kühlgase in unterschiedlichen Düsenebenen vorgesehen sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Gaskühlkanäle querschnittlich (9f) etwa meanderförmig ausgebildet sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß im Düsenmundbereich (5) eine Ringöffnung (16) zum Austritt von als Mantel ausgebildetem Kühlgas vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Teilbereich der gekühlten Beschleunigungsdüsenstrecke (4e,4f) mit einer Flüssigkeitskühlung (17,18) ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Kühlung kaskadenartig sich zur Spitze hin erweiternde Ringkanäle (9d,9e) mit getrennten Gaszuführungen vorgesehen sind.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Düse als Kaskadeninjektor (Fig. 4) ausgebildet ist mit einer Mehrzahl von Zuführungen für Brenngas, Kühlgas und/oder Brenngase unterschiedlicher Zusammensetzungen, wobei im Düsenmundbereich (5a) am Umfang verteilt Austrittsbohrungen (16') oder eine Ringöffnung (16) vorgesehen sind.
  9. Verfahren zum Hochgeschwindigkeitsflammenspritzen unter Einsatz von gekühlten Beschleunigungsbereichen von Spritzdüsen,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Optimierung der Temperatur und/oder Geschwindigkeit der Spritzflamme zur Kühlung wenigstens eines Teiles des Beschleunigungsbereiches Umgebungsluft der Düse eingesetzt und dem Flammspritzbereich zugeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Umgebungsluft über Injektionsöffnungen unmittelbar in das Innere der Düse eingesogen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß wenigstens ein Teil der Kühlgase über Ringöffnungen im Düsenmundbereich als Mantelgas aufgegeben wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 9 oder einem der folgenden,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zusätzlich Druckluft als Kühlluft eingesetzt wird.
EP91121679A 1990-12-22 1991-12-18 Düse für eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen Expired - Lifetime EP0492384B1 (de)

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