ES2554642T3

ES2554642T3 - Pistola de combustible de oxígeno de alta velocidad (HVOF) y diseño de quemador

Info

Publication number: ES2554642T3
Application number: ES06405015.6T
Authority: ES
Inventors: William P. Rusch; Mark Spaulding; Martin Hacker
Original assignee: Oerlikon Metco US Inc
Current assignee: Oerlikon Metco US Inc
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2015-12-22
Anticipated expiration: 2026-01-17
Also published as: CA2533253C; EP1696176B8; EP1696176A1; JP4908854B2; US8747101B2; CA2533253A1; JP2006200884A; EP1696176B1; US20060166153A1; JP2010261714A

Abstract

Un quemador para uso en una pistola pulverizadora térmica de combustible de oxígeno de alta velocidad (HVOF) incluyendo un cuerpo (8) que tiene al menos un tubo de distribución de combustible líquido (6) y un medio para proporcionar un flujo de oxígeno y una cámara de combustión (2), caracterizado porque cada tubo de distribución de combustible líquido (6) descarga a un orificio de inyección situado hacia abajo (1), teniendo el orificio de inyección (1) una abertura (9) conectada al medio para proporcionar el flujo de oxígeno, proporcionando el orificio de inyección (1) una zona de mezcla adyacente a la abertura (9) para premezclar oxígeno precalentado y combustible precalentado en el quemador y descargando el orificio de inyección (1) a la cámara de combustión (2), donde el quemador se realiza de tal manera que el oxígeno sea precalentado usando calor obtenido de la combustión del combustible o una fuente de calentamiento externa separada y el combustible sea precalentado usando calor obtenido de la combustión del combustible o una fuente de calentamiento externa separada u oxígeno precalentado.

Description

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DESCRIPCION

Pistola de combustible de ox^geno de alta velocidad (HVOF) y diseno de quemador

Esta invencion se refiere a un metodo y aparato mejorados para pistolas pulverizadoras termicas de combustible de oxfgeno de alta velocidad (HVOF), y mas en concreto a un diseno de quemador para mejorar la combustion de oxfgeno y combustible lfquido dentro de una camara de combustion de pistola pulverizadora.

El proceso de combustible de oxfgeno de alta velocidad (HVOF) se usa para producir estructuras de recubrimiento duro denso en varios sustratos y para varias aplicaciones, como sustitucion de cromo. Los recubrimientos HVOF tienden a tener bajo esfuerzo de traccion residual o en algunos casos tienen esfuerzo de compresion, que permiten aplicar recubrimientos mas gruesos de lo que es tfpicamente posible con los otros procesos. La alta energfa cinetica de las partfculas que chocan en una superficie de sustrato permite la formacion de recubrimientos HVOF de alta calidad incluso cuando las partfculas pulverizadas no se funden completamente.

Hay varias pistolas HVOF que usan diferentes metodos para lograr rociado a alta velocidad. El uso de estas pistolas implica por lo general el uso de combustibles gaseosos o lfquidos. Para pistolas de combustible lfquido, por lo general se inyecta un combustible lfquido (primariamente queroseno disponible en el mercado, aunque tambien se usan diesel y aceites ligeros similares) y oxfgeno a una camara de combustion mediante un quemador y el material de recubrimiento es inyectado radialmente al canon de salida hacia abajo de la camara de combustion y hacia abajo de una boquilla convergente/divergente a velocidades superiores a 700 m/s. Una de las limitaciones del proceso HVOF usando tecnologfa de quemador existente es el exceso de carbono en el proceso de combustion debido a combustion ineficiente. La presencia de zonas de mezcla rica en combustible hace que se formen partfculas de carbono que no se quemaran por completo y pueden acumularse en las paredes de la camara de combustion o ser expulsadas del soplete y se alojan en el recubrimiento.

Los disenos de pistolas HVOF convencionales han utilizado tubos mezcladores coaxiales para lograr atomizacion de combustible lfquido y posterior combustion. Algunos otros disenos HVOF utilizan la inyeccion de un gas combustible junto con el combustible lfquido para asistir la atomizacion y fijacion de la llama en la camara de combustion.

EP 0 361 710 A describe un aparato de pistola pulverizadora termica HVOD incluyendo un cuerpo que tiene un agujero central para recibir una materia prima y un gas portador inerte. El cuerpo incluye ademas una camara conica convergente que comunica con la salida de agujero. El cuerpo tambien incluye un paso anular de combustible rodeando el agujero y un paso anular de gas oxidante rodeando el paso de combustible. Los pasos de combustible y gas asf como el agujero central estan unidos directamente a la camara convergente donde el combustible y el gas oxidante se mezclan en una posicion suficientemente distanciada de las salidas de paso para permitir la mezcla y la combustion del combustible y gas oxidante dentro de la camara convergente.

US 5.328 355 A describe un combustor para un aparato de turbina de gas incluyendo un atomizador para el combustible lfquido, un torbellinador para proporcionar un flujo arremolinado del aire de combustion y una camara de evaporacion separada en la que el combustible lfquido atomizado es evaporado y premezclado con aire de combustion.

EP 1 136 134 A describe un metodo para la atomizacion de fluidos altamente viscosos principalmente, en particular fluidos conteniendo particulados. El metodo requiere un dispositivo de atomizacion incluyendo un tubo central para el fluido atomizable y un paso anular coaxial con el tubo central para el gas caliente. El fluido atomizable que pasa a traves del tubo central es expulsado del tubo central a un volumen de atomizacion. El gas caliente fluye dentro del paso anular coaxialmente con el flujo de fluido atomizable y a continuacion pasa a traves de una boquilla para aceleracion del gas caliente. La corriente de gas caliente acelerado entra en contacto con el flujo de fluido atomizable en el volumen de atomizacion.

Subsiste en la tecnica la necesidad de un sistema de rociado de combustible de oxfgeno de alta velocidad con una eficiencia mejorada, depositos de carbono reducidos, y equipo de menor tamano. La presente invencion proporciona un quemador para uso en una pistola termica HVOF que tiene las caractensticas definidas en la reivindicacion 1.

El quemador segun la presente invencion satisface dicha necesidad proporcionando un diseno de quemador para una pistola de combustible lfquido de alta velocidad que genera atomizacion turbulenta y usa uno o mas chorros como un metodo de inyeccion para que el combustible lfquido y el oxfgeno mejoren la combustion dentro de la camara de combustion. Un aspecto de la invencion es una alteracion del diseno general de la pistola acortando la longitud de la camara de combustion y general de la pistola que permita el uso del diseno de quemador mejorado. Algunas realizaciones pueden realizar una reduccion superior al 50% de la longitud de la camara de combustion con respecto a los disenos de pistola HVOF convencionales.

Segun un aspecto, la invencion proporciona un quemador para uso en una pistola pulverizadora termica de combustible de oxfgeno de alta velocidad que tiene al menos un orificio de inyeccion que premezcla oxfgeno y combustible lfquido y una camara de combustion situada hacia abajo del orificio de inyeccion. Una realizacion

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preferida del quemador usa al menos uno de ox^geno precalentado y combustible precalentado para mejorar la vaporizacion antes de la combustion del combustible. Se puede usar multiples orificios de inyeccion que incluyan un medio para atomizar el combustible lfquido en gotitas pequenas.

Segun otro aspecto de la invencion se facilita una pistola pulverizadora termica HVOF segun la reivindicacion 8. Segun otro aspecto de la invencion se facilita un metodo de realizar combustion continua en una pistola pulverizadora termica de combustible de oxfgeno de alta velocidad que tiene las caractensticas de la reivindicacion 10. El metodo mejora ventajosamente la operacion del proceso de recubrimiento reduciendo o eliminando depositos de carbono en el recubrimiento e incrementando la presion de la camara de combustion mediante una eficiencia de combustion incrementada (es decir, temperaturas de combustion mas altas producida por combustion mas rapida y mas completa). La pistola pulverizadora termica incluye un quemador HVOF, donde el quemador usa preferiblemente al menos uno de oxfgeno precalentado y/o combustible lfquido precalentado para mejorar la vaporizacion antes de la combustion del combustible. El calor obtenido de la combustion del combustible puede ser usado para precalentar el oxfgeno y/o el combustible.

Otro aspecto de la invencion se refiere a un nuevo metodo de lograr la vaporizacion del combustible lfquido durante la atomizacion y antes de la combustion por precalentamiento del oxfgeno y combustible lfquido antes de la atomizacion. El metodo realiza combustion continua en una pistola pulverizadora termica HVOF precalentando al menos uno de oxfgeno y/o combustible lfquido, atomizando el combustible lfquido a gotitas pequenas y quemando el combustible atomizado. Se prefiere usar el oxfgeno precalentado para atomizar el combustible lfquido a gotitas pequenas. El calor procedente del paso de combustion puede ser usado para precalentar el oxfgeno, que, a su vez, puede ser usado para precalentar el combustible lfquido.

Objetos y ventajas adicionales de la invencion se expondran en la descripcion que sigue, y en parte seran obvios por la descripcion, o se pueden conocer por la puesta en practica de la invencion. Los objetos y ventajas de la invencion se pueden realizar y obtener por medio de las instrumentalidades y combinaciones expuestas en concreto a continuacion.

Los dibujos acompanantes, que se incluyen para proporcionar una mejor comprension de la invencion y que se incorporan y constituyen una parte de esta memoria descriptiva, ilustran realizaciones de la invencion y conjuntamente con la descripcion sirven para explicar los principios de la invencion. En los dibujos:

La figura 1 proporciona una vista en seccion transversal de una pistola de combustible lfquido HVOF segun una realizacion de la presente invencion.

La figura 2 proporciona una vista detallada en seccion transversal de la seccion de quemador de la pistola de combustible lfquido HVOF segun una realizacion de la presente invencion.

La figura 3 proporciona una vista en seccion transversal detallada de los orificios de inyeccion y la zona circundante de la seccion de quemador segun una realizacion de la presente invencion.

Y la figura 4 proporciona un diagrama de flujo de un metodo de un proceso de combustion HVOF segun la presente invencion.

Ahora se hara referencia en detalle a las realizaciones preferidas de la presente invencion, de la que se ilustran ejemplos en los dibujos acompanantes. La figura 1 proporciona una vista en seccion transversal de una pistola de combustible lfquido de oxfgeno de alta velocidad (HVOF) que incluye una seccion de quemador segun una realizacion de la presente invencion. La figura 2 proporciona una vista detallada en seccion transversal de una realizacion de la seccion de quemador. El diseno de quemador representado en la figura 2 mejora el proceso de la inyeccion de combustible y oxfgeno usando orificios de inyeccion 1 que premezclan el oxfgeno y combustible formando chorros que entran en la camara de combustion 2 que incluye una camara de transferencia de calor 3. La camara de transferencia de calor 3 puede ser una subseccion de la camara de combustion 2 o un compartimiento contiguo separado. El numero de chorros/orificios 1 usados en el diseno ejemplar es ocho, estando los orificios 1 espaciados a igual distancia circunferencialmente alrededor de un eje central. Se ha hallado que este numero proporciona buenos resultados sin introducir una complejidad excesiva. Sin embargo, tambien se puede usar otros numeros de chorros, incluyendo un solo chorro centrado a lo largo del eje de la pistola. Tambien se contemplan otras disposiciones, incluyendo una pluralidad de orificios con diferente espaciacion y/o en radios diferentes de un eje central.

La figura 3 proporciona una vista mas detallada de la zona alrededor de los orificios de chorro 1. Con referencia a las figuras 2 y 3, que muestran una implementacion preferida, cada orificio produce un flujo de oxfgeno de corte en la abertura 9 del orificio 1 donde el combustible y oxfgeno se unen. El flujo de oxfgeno choca radialmente sobre una corriente estrecha del combustible lfquido 4 que es inyectado axialmente por el centro del orificio 1. Se suministra combustible lfquido al orificio desde el paso de combustible 5. El flujo de oxfgeno choca con la corriente de combustible sustancialmente desde todas las direcciones. La accion de corte turbulento resultante del oxfgeno contra la corriente de combustible lfquido descompone el combustible en gotitas de lfquido muy pequenas,

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incrementando el area superficial para vaporizacion.

Cada orificio 1 proporciona una zona de mezcla para que las gotitas de combustible Kquido se mezclen y vaporicen con el flujo turbulento de oxfgeno. La velocidad de la corriente de gas en cada orificio de mezcla 1 es superior a la velocidad de combustion de la mezcla de combustible y oxfgeno, creando una llama. La llama esta montada en la salida del orificio de mezcla 1 a la camara de combustion 2/camara de transferencia de calor 3.

Con referencia a la figura 2, antes de entrar en la camara de combustion principal 2, la llama que sale del orificio 1 puede pasar a traves de una camara corta de transferencia de calor 3 que se usa para capturar y transferir parte del calor de combustion de nuevo al oxfgeno entrante antes de entrar en el(los) orificio(s) 1. El oxfgeno entra en la seccion de quemador en la admision 10 y pasa por un deflector 11 y por un cuerpo 8 que conduce calor desde la camara de transferencia de calor 3. El efecto es precalentar el oxfgeno entrante a una temperatura proxima o superior a la temperatura de vaporizacion del combustible lfquido. Con referencia a la figura 3, el oxfgeno precalentado se pasa por los tubos de distribucion de combustible lfquido 6 antes de que el combustible contacte el oxfgeno para aumentar la temperatura del combustible antes de la mezcla. El contacto del oxfgeno precalentado con el combustible precalentado hace que el combustible se vaporice facilmente antes de ser inyectado a la camara de transferencia de calor 3/camara de combustion 2.

Tambien se puede usar otros metodos de precalentar el oxfgeno y/o combustible lfquido. Por ejemplo, se puede facilitar una fuente separada de calor para el oxfgeno entrante, usando al mismo tiempo el oxfgeno para precalentar el combustible como se ha descrito anteriormente. Alternativamente, se podna facilitar una fuente de calor separada tanto para el oxfgeno como para el combustible lfquido.

Como se ha indicado en los antecedentes, la presencia de zonas de mezcla rica en combustible en los sistemas de rociado de combustible lfquido HVOF previos hace que se formen partfculas de carbono que no se quemaran por completo y pueden acumularse en las paredes de la camara de combustion o ser expulsadas del soplete y alojarse en el recubrimiento. En la presente invencion, la mezcla sustancialmente homogenea de oxfgeno y combustible vaporizado permite una mejor combustion dado que se minimiza la presencia de zonas de combustible/oxfgeno ricas y pobres dentro de la mezcla. La mejor combustion permite ventajosamente acortar considerablemente la longitud general de la camara de combustion (por ejemplo, aproximadamente la mitad o menos de la longitud usada previamente) puesto que la combustion tiene lugar en una longitud mas corta de la camara. En la realizacion representada en las figuras 1 y 2, la camara de combustion se ha acortado a la mitad de la longitud usada en sopletes de combustible lfquido convencionales.

Un orificio central o situado axialmente 7 representado en las figuras 1-3 es para un piloto de hidrogeno que contribuye al encendido de la pistola. Se usa tfpicamente hidrogeno puesto que se inflama facilmente en combinacion con oxfgeno en un amplio rango estequiometrico y tiene una alta velocidad de destello. Un ignitor de chispa estandar enciende el hidrogeno delante de la pistola, que entonces entra dentro de la camara de combustion para encender el combustible lfquido cuando se introduzca. Tambien se puede usar otras tecnicas tales como, por ejemplo, una bujfa situada en el centro que tenga un electrodo adyacente o sobresaliendo a la camara de combustion.

La figura 4 proporciona un diagrama de flujo para un metodo 100 de un proceso de combustion HVOF segun una realizacion de la presente invencion. En el paso S102, el combustible lfquido y oxfgeno son calentados antes del proceso de combustion. A continuacion, en el paso S104, el combustible lfquido es atomizado por la accion de corte turbulento del oxfgeno precalentado cuando el oxfgeno choca en la corriente de combustible lfquido y el combustible es vaporizado. En el paso S106 se quema la mezcla de combustible atomizado y oxfgeno. Durante el proceso de combustion, en el paso S108, parte del calor del proceso de combustion es recuperado y usado para precalentar el oxfgeno para continuar el metodo 100 en el paso S102. Alternativamente, el paso S102 se puede dividir en pasos secundarios (no representados), de modo que el oxfgeno sea precalentado en un primer paso secundario del paso S102 y luego -todavfa antes de la combustion- el oxfgeno precalentado se usa para precalentar el combustible lfquido en un paso secundario separado del paso S102.

El diseno de quemador segun una realizacion de la invencion se fabrico como se ha detallado en la seccion anterior y se comprobo contra un diseno de quemador estandar en dos pistolas de combustible lfquido para comparacion. La pistola original usa un diseno de quemador convencional y una camara de combustion de longitud estandar mientras que la pistola mejorada usa el nuevo diseno de quemador aqrn descrito y una camara de combustion de longitud mas corta. Para referencia, la relacion de la abertura radial de oxfgeno al orificio en funcion del diametro del orificio de combustible lfquido era aproximadamente 1. Se registraron datos y se produjeron muestras de recubrimiento con ambas pistolas operando en condiciones normales usando los mismos controles y parametros.

La diferencia en las caractensticas de la llama eran claramente evidentes, puesto que el diseno de quemador original produjo una llama de coloracion amarilla y naranja, y el nuevo diseno de quemador produjo una llama con una coloracion significativamente mas azul. Una llama azul es mas caliente y mas eficiente que una llama amarilla. Amarillo indica la presencia de carbono sin reaccionar. El caudal de oxfgeno era 2000 SCFH y el caudal de combustible era 26.49 litros (7 galones) por hora para ambas pistolas.

Pruebas a largo plazo, operando ambos disenos de quemador durante 60 minutos a los mismos caudales indicadas anteriores, exhibieron una diferencia mensurable en la cantidad de carbono depositado en la camara de combustion. El diseno de quemador de la presente invencion tema una camara limpia sin carbono depositado en comparacion 5 con el diseno de quemador convencional, que dejo una capa gruesa negra de carbono depositado en el interior de las paredes de la camara de combustion.

Los expertos en la tecnica pensaran facilmente en ventajas y modificaciones adicionales. Por lo tanto, la invencion en sus aspectos mas amplios no se limita a los detalles espedficos y las realizaciones representativas aqu 10 mostradas y descritas. Consiguientemente, se puede hacer varias modificaciones sin apartarse del alcance del concepto general de la invencion definido por las reivindicaciones anexas y sus equivalentes.

La presente invencion proporciona un diseno de quemador y metodo para una pistola de combustible lfquido de oxfgeno de alta velocidad (HVOF) que genera atomizacion turbulenta y usa uno o mas chorros como un metodo de 15 inyeccion para combustible lfquido y oxfgeno para mejorar la combustion dentro de la camara de combustion. El quemador usa oxfgeno precalentado y combustible precalentado para mejorar la vaporizacion antes de la combustion del combustible.

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REIVINDICACIONES

1. Un quemador para uso en una pistola pulverizadora termica de combustible de ox^geno de alta velocidad (HVOF) incluyendo un cuerpo (8) que tiene al menos un tubo de distribucion de combustible lfquido (6) y un medio para proporcionar un flujo de oxfgeno y una camara de combustion (2),

caracterizado porque cada tubo de distribucion de combustible lfquido (6) descarga a un orificio de inyeccion situado hacia abajo (1), teniendo el orificio de inyeccion (1) una abertura (9) conectada al medio para proporcionar el flujo de oxfgeno, proporcionando el orificio de inyeccion (1) una zona de mezcla adyacente a la abertura (9) para premezclar oxfgeno precalentado y combustible precalentado en el quemador y descargando el orificio de inyeccion (1) a la camara de combustion (2), donde el quemador se realiza de tal manera que el oxfgeno sea precalentado usando calor obtenido de la combustion del combustible o una fuente de calentamiento externa separada y el combustible sea precalentado usando calor obtenido de la combustion del combustible o una fuente de calentamiento externa separada u oxfgeno precalentado.
2. El quemador de la reivindicacion 1, donde el quemador incluye una pluralidad de orificios de inyeccion (1) circunferencialmente alrededor de un eje central longitudinal del quemador, y cada orificio de inyeccion (1) descarga a la camara de combustion (2).
3. El quemador de la reivindicacion 2, donde el quemador incluye ocho orificios de inyeccion (1).
4. El quemador de la reivindicacion 2 o 3, donde los orificios de inyeccion (1) estan igualmente espaciados alrededor del eje central longitudinal del quemador.
5. El quemador segun una de las reivindicaciones 1 a 4, donde el medio para proporcionar el flujo de oxfgeno esta dispuesto para proporcionar un choque radial del combustible lfquido (4) en la abertura (9).
6. El quemador de la reivindicacion 5, donde el medio para proporcionar el flujo de oxfgeno esta dispuesto para proporcionar un choque radial del combustible lfquido (4) sustancialmente desde todas las direcciones.
7. El quemador segun una de las reivindicaciones 1 a 6, donde la camara de combustion (2) incluye una camara de transferencia de calor (3), y el cuerpo (8) es un cuerpo de intercambio termico hecho de un material conductor de calor, donde la camara de transferencia de calor (3) esta situada adyacente y hacia abajo de dicho cuerpo de intercambio termico (8), y donde la camara de transferencia de calor (3) y el cuerpo de intercambio termico (8) estan conectados termicamente.
8. Una pistola pulverizadora termica incluyendo un quemador de combustible de oxfgeno de alta velocidad (HVOF) segun una de las reivindicaciones 1 a 7.
9. Una pistola pulverizadora termica segun la reivindicacion 8, donde la pistola pulverizadora incluye al menos una fuente de calentamiento separada para precalentar el oxfgeno y/o el combustible lfquido.
10. Un metodo de realizar combustion continua en una pistola pulverizadora termica de combustible de oxfgeno de alta velocidad (HVOF) incluyendo un medio de distribucion de combustible lfquido y un medio para proporcionar un flujo de oxfgeno, caracterizado porque un flujo de oxfgeno de corte choca en el combustible lfquido (4) que pasa a traves del medio de distribucion de combustible lfquido (1, 6) de tal manera que se genere una corriente turbulenta de oxfgeno y combustible lfquido atomizado a gotitas pequenas mientras la mezcla turbulenta de combustible y oxfgeno es descargada a la camara de combustion (2, 3), y donde el oxfgeno y el combustible son precalentados antes de que el flujo de oxfgeno choque en el combustible lfquido (4).
11. El metodo de la reivindicacion 10, donde el oxfgeno choca en la corriente de combustible lfquido (4) radialmente, y en particular radialmente desde todas las direcciones.
12. El metodo de la reivindicacion 10 o 11, donde el combustible atomizado es vaporizado antes de ser suministrado a la camara de combustion (2, 3).
13. El metodo de la reivindicacion 10, donde se usa oxfgeno precalentado para precalentar el combustible lfquido.
14. El metodo de la reivindicacion 10, donde el oxfgeno y/o el combustible lfquido es/son precalentado(s) por conduccion de calor usando calor del proceso de combustion.