NO159580B - Apparat til frembringelse av en skjaerende vaeskestraale medhoey hastighet. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et apparat til frembringelse av en skjærende væskestråle, spesielt en væskestråle omfattende slipemidler, og mer spesielt en skjærende væskestråle med høy hastighet og omfattende slipemidler.

Det er lenge blitt foreslått å akselerere slipepartikler med en stråle av høyhastighetsfluid. Slike stråler kan benyttes til rengjøringsformål og behandling av overflater. Sandblåsing med tørr og fuktig sand er eksempler på slike anvend-elser. I forbindelse med alle slike fremgangsmåter, blir bare overflaten av objektmaterialet fjernet og der fremkommer ikke noen dyp inntrengning. Det fluid som benyttes ved slike anvend-elser, er vanligvis luft eller gass.

Det er foreslått at der kan fremskaffes en væskestråle med innførte slipepartikler som kan brukes til å skjære harde materialer. Ved riktig valg av materialer og omhyggelig konstruksjon er det funnet mulig å fremskaffe væskestråler med hastigheter så høye som 900 m/s. Slike stråler kan benyttes til å skjære en lang rekke forholdsvis bløte materialer. Dersom en slik stråle kunne bli ladet med slipepartikler, kunne den til og med skjære meget harde materialer, f.eks. stål eller glass, med stor hastighet. Forsøk på å fremskaffe en slik strøm har imidlertid av forskjellige grunner ikke vært vellykkede. For det første er en høyhastighet-slipestrøm meget eroderende og bevirker ødeleggelse av dysene i en grad som er tilstrekkelig til å gjøre prosessen upraktisk. For det annet har eksisterende dysekonstruksjoner, ikke tillatt at slipepartiklene når strålehastigheten eller en vesentlig brøkdel av denne, noe som resulterer i adskillig lavere enn teoretisk skjæreevne. Sluttelig skaffer eksisterende dyser, f.eks. av den art som er omtalt i US-PS 4 449 332, ikke en koherent strøm ladet med slipepartikler, noe som resulterer i util-strekkelig skjærekraft og en stor fure.

Man har kommet frem til det at for å skaffe en brukbar dyse for skjæring med slipemiddel-væskestråle, er det nødven-dig først å fremskaffe en koherent strøm av slipemiddelholdig væske, for det annet å maksimere hastigheten av partiklene i strømmen og sluttelig å fullføre de to første krav med mini-mal dyseslitasje.

Oppfinnelsen skaffer et apparat til frembringelse av

en koherent væskestråle omfattende slipemiddel og med høy hastighet. Oppfinnelsen sørger for maksimal utløpshastighet for slipepartiklene og reduserer dyseslitasje for derved å skaffe et langt bruksliv.

Hensikten med apparatet i henhold til oppfinnelsen er først å skaffe en væskestrøm med høy hastighet. Strømmen blir ført gjennom et kammer hvor slipepartikler med lav hastighet og tilfeldig retning blir tilsatt. Luftstrøm i kammeret retter partiklene inn i innløpet til blanderøret hvor de på slump slår inn i væskestrålen, f.eks. en vannstråle, med høy hastighet. Resultatet er en blanding av høyhastighetsvæske og partikler med slipeegenskap med tilfeldig retning og hastighet. Denne blanding fortsetter deretter inn i en reorienterings-sone hvor slipepartiklene blir tillatt å orientere sin retning i forhold til den for væsken. Det resulterer i en væskestrøm med slipepartikler innesperret i sitt kjerneområde. Hensikts-messig får denne strøm lov å fortsette sin bevegelse i en dyseenhet, inntil partiklene blir akselerert til en hastighet som nærmer seg den for væsken. Sluttelig blir væskestrømmen og de raskt bevegelige partikler ført ut av dysen.

De ovennevnte hensikter oppnås ved et apparat i henhold til oppfinnelsen med de i karakteristikken av kravet angitte trekk.

Apparatet i henhold til oppfinnelsen innbefatter en dyse med partier som har avbøyning og profil som er nødven-dig til utførelse av fremgangsmåten. Innføringssonen er en konvergerende konisk seksjon som kan fremskaffes ved virk-ningen av selve partiklene. En endring av konturen danner begynnelsen av reorienteringssonen. Deretter følger en aksel-erasjonssone som kan være et rett parti.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli nærmere beskrevet under henvisning til tegningen. Fig. 1 er et tverrsnitt gjennom en konvergerende/divergerende dyse. Fig. 2 er et tverrsnitt gjennom en konvergerende dyse. Fig. 3 er et skjematisk snitt gjennom et høyhastighet-vannstråle-skjæresystem som omfatter oppfinnelsen. Fig. 4 er et skjematisk snitt gjennom et høyhastighet-

vannstråle-skjæresystem som omfatter oppfinnelsen.

Fig. 5 er et snitt gjennom en dysesammenstilling som omfatter oppfinnelsen. Fig. 6 er et blokkdiagram over fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

I forbindelse med apparater for sandblåsing eller slipe-stråler, blir der vanligvis benyttet to typer dyser. På fig.

I er der illustrert den første dysétype, dvs. en konvergerende-divergerende dysetype eller av typen venturi. Denne dysetype ér funnet ikke anvendelig til bruk i forbindelse med høyhastighet-slipemiddél-vannstråleskjæring på grunn av ekstreme dyseeroderingsproblemer. En annen type dyse vist på fig. 2 har vist seg noe mere lovende. Denne dyse som kalles en rett dyse innbefatter et konvergerende parti 1 og et rett parti 2 méd en lengde a og en diameter d. Summen av lengden av det rette parti 2 og det konvergerende parti 1 utgjør den totale lengde L av dysen. I forbindelse med foreliggende dyser er forholdet a/d mindre enn 20 og meget mindre for de dyser hvor det dreier seg om dimensjoner på 1,5 og 3,175 mm. Fig. 3 viser et typisk arrangement av komponenter som blir brukt i forbindelse med slipemiddel-vannstråleskjæring. Figuren er brutt for oversiktens skyld. En høytrykks-vannstrå-ledyse med en munning 7 med diameter dj mottar høytrykksvæske med et trykk P fra en ikke vist kilde med høytrykksvæske som kan være en hydraulisk forsterker eller lignende. En stråle 8 kommer ut fra munningen 7 og føres inn i det konvergerende parti 9 av en dyse 11. Det konvergerende parti 9 av dysen II er også forbundet med én ikke vist kilde for slipepartikler 10 méd en forhåndsbestemt størrelse dp og en strømningshastig-het m. Innføringen av strålen 8 i det konvergerende parti 9 av dysen 11 skaffer et område med lavt trykk 12 ved åpningen til dysen 11. Det materiale som blir benyttet og apparatets geometri, må tilpasses de parametre som ér definert ovenfor for å fremskaffe én tilfredsstillende dyse.

Fig. 4 viser egenskapene hos fluidstrømmen i en høy-trykks-fluxdstrålédyse 21. Figuren er brutt for oversiktens skyld. Eri stråle 22 med høytrykksfluid kommer ut fra én munning 23V Typiské 'munningsdiamétre ligger i området fra

0,025-1,27 mm ved driftstrykk fra 3447 N/cm<2> til 68950 N/cm<2 >eller mer. Dette er en stråle i likhet med den som blir benyttet for vannstråleskjæring, og munningen 23 er typisk tildannet av syntetisk safir. Det skal forstås at strålen 22 diverge-rer noe når den kommer ut fra munningen 23. Ved innløpet 26 til dysen 21 blir der ført inn slipepartikler 10'. Slipepartiklene 10' vil typisk ha en tilfeldig fordeling med hensyn til retning og hastighet, men det er ønskelig å minimere turbulen-sen og prøve å rette partiklene mot utløpspunktet 29. Når strålen 22 føres inn i dysen 21, vil der oppstå et område med , .. lavt trykk i det konvergerende område av dysen 21 mellom punktene 26 og 27. Det reduserte trykk i dette område bevirker at slipepartiklene 10' trekkes inn i strålen 22. Retningen og hastigheten av slipepartiklene mellom punktene 27 og 28 i dysen 21 har fremdeles en tilfeldig komponent, og dersom strålen 22 fikk lov å komme ut ved punktet 27, ville skjærevirknin-gen være lav. Mellom punktene 27 og 28 i dysen 21 blir retningen av slipepartiklene orientert ved hjelp av strålen 22 for

sikring av en dominerende aksial hastighet, dvs. mot punktet 29, samtidig som tilfeldigheten av retningen blir slettet. Slipepartiklene beveger seg fremdeles meget saktere enn strålen 22 fordi det kreves tid til å overføre treghetsmoment fra en forholdsvis lett stråle til slipepartikler med større densi-tet. Følgelig må man skaffe et parti av dysen 21 fra punktet 28 til 29. Lengden av dette parti mellom punktet 28 og 29

må være tilstrekkelig, slik at hastigheten av de partikler som trekkes med, nærmere seg den for strålen ved punktet 29. Dersom dysen 21 blir forlenget utover punktet 29, vil frik-sjonstap oppstå, hvilket resulterer i retardasjon av slipepar-tiklenes hastighet og tap av skjærekraft. Tidligere dysekonstruksjoner har gått ut på å forsøke å blande og akselerere partiklene med vann i området mellom 23 og 26.og tillate utløp av strålen enten før aksialorientering har forekommet, eller før slipepartiklene har nådd den tilnærmede hastighet av væskestrålen. Det skal forstås at ved punkt 28 vil strålen 22 be-røre veggen av dysen 21. Med en gang der opptrer berøring,

vil strålen 22 anta strømningskarakteristikkene for et, fluid som strømmer nedover et rør med høy hastighet. Følgelig

vil fluidet ha en forholdsvis lav hastighet i"dette område som er i berøring med dyseveggen på grunn av dannelsén av et grenséskikt. Strømningshastigheten vil være mye høyere jo nærmere man befinner seg midtpartiet av dysediameteren. Denne hastighetsgradient vil bevirke at slipepartiklene kon-sentrerer seg i sentrum av strålen 22. Dannelsen av et grenséskikt med forholdsvis lav hastighet og mindre omfang av slipepartikler tillater en adskillig lenger levetid for dysen og kan tillate fremstilling av partiet av dysen 21 mellom punktene 28 og 29 av forholdsvis rimelig materiale. Tidligere konstruksjoner har tillatt strålen å strømme ut før konsen-trasjonen av partikler i sentrum av strålen og følgelig erfart høye grader av slitasje.

På grunn av komplikasjonene med høyhastighetsstrøm med blandet fase i og utenfor vegger er det ennå ikke funnet mulig å bestemme en generell ligning som tillater konstruksjon av en dyse som tilfredsstiller ovennevnte krav. Man kan imidlertid definere områder for de ovennevnte parametre og således fremskaffe tilfredsstillende dyser. For det første må dysen 22 være tilstrekkelig lang for at slipemidlene kan akselerere til i det minste 80% av hastigheten av strålen 22 og til å ha en retning tilnærmet parallelt med rørveggen i den hensikt å skaffe en koherent og tilnærmet parallell kohesiv slipende stråle ved punkt 29. For det annet må diameteren av partiet mellom punktene' 27 og 29 være tilstrekkelig liten slik at slipepartiklene blir tvunget til å' forbli i berøring méd væsken, men stor nok til å føre frem slipemidlene og væsken. Der er fremstilt rør så små som med diameter på 1,5 mm for gjennom-slipp av 0,76 mm store stråler og slipemidler av størrelsesor-den 16 mesh. Denne boring bør være rett, og materialet i røret bør ha en Knoop-hardhet på over 1000 for reduksjon av slitasje. For å tilfredsstille de ovenstående krav er det funnet at lengden av dysen 22 mellom punktene 27 og 29 burde være 25-100 ganger diameteren. Diameterén av dette parti burde i det minste være 1,1 ganger diameteren av de slipende partikler (D > l,ldp). Sluttelig bør diameteren av dette parti være mellom 1,1 og 10 ganger diameteren av munningen 23

(10dj > d > l,ldj). Dette krever f.eks. en dyselengde mellom

punkt 27 og 29 på i det minste 100 mm for en munning 23 med diameter på mer enn eller lik 0,9 mm. På lignende måte vil et 50 mm rør være nødvendig for en 0,5 mm eller større munning 23. For en munningsdiameter på 0,025 mm må lengden av dysen mellom punktene 27.og 29 være minst 12,25 mm. Som angitt tidligere kan partiet av dysen 21 mellom punktene 28 og 29 være fremstilt av et materiale med en Knoop-hardhet på over 1000, noe som innbefatter karbider, keramikker o.l. materialer.

Det øvre parti av dysen 21 mellom punktene 2 6 og 28

bør være tykkvegget, slik at slipepartiklene kan erodere inn-løpspartiet mellom punktene 26 og 27 til en dyseinnløpsform.

Fig. 5 viser et snitt gjennom en dyse som innbefatter den foreliggende oppfinnelse. Høytrykksvæske føres inn via et tilførselsrør 31 fra en høytrykksforsterker e.l. (ikke vist). Tilførselsrøret 31 er forbundet med dysekroppen 32

ved hjelp av en pakningsgland 33 og en krave 34, ennskjønt en hvilken som helst annen forbindelsesinnretning som passer for de anvendte trykk, kan brukes isteden. Høytrykksfluidet strømmer således nedover det indre av dysekroppen 3 2 som er lukket ved den ende som er motsatt tilførselsrøret 31 ved hjelp av en juvelholder 36. Juvelholderen 36 aytetter mot dysekroppen 32 og innbefatter en uttagning som inneholder en juvelmunning 37. Juvelmunningen 37 er tildannet av hardt materiale, f.eks. syntetisk safir med en munningsdiameter på 0,025-1,27 mm og er make til de juveler som benyttes i forbindelse med høytrykks-vannstråleskjæring. Tilførselsvannet kommer ut fra juvelmunningen 37 som en høytrykksstråle 38

og føres inn i det indre av dyseholderen 39. Dyseholderen 39 innbefatter et gjenget festepunkt 41 for dysekroppen 32

og en innføringsåpning 42 for slipepartikler. Slipepartiklene strømmer nedover langs en ikke vist linje som er festet til åpningen 42 fra en ikke vist lagringstank. Strålen 38 og slipepartiklene føres deretter forbi en krave 43 i det indre av dyseholderen 39. Kraven 43 forhindrer eroderende slitasje av dyseholderen 39. Slipepartiklene og strålen 38 føres deretter inn i en skrå hylse 44 før de kommer inn i dysen 46. Dysen 46 er fremstilt av karbid eller hardt materiale og er fra 50 til 200 mm lang og har en innvendig diameter på 0,76 mm

til 3,8 mm og en ytterdiameter på 9,22 mm. Dysen 46 er festet til en ståladapter 47 ved hjelp av en kompresjonstilpasnings-mutter 48 og kompresjonstilpasningshylse 49. Adapteren 47 er gjengeforbundet med dyseholderen 39, skjønt der kan benyttes ekvivalente festeorganer. Kraven 43, den skrå hylse 44 og det øvre parti av dysen 4 6 danner blandekammeret for innretningen. Væskestrømmen 50 med slipemidler vil tilslutt komme ut ved enden 51 av dysen 4 6 og kan benyttes til skjæring av slike harde materialer som stål eller glass.

Fig. 6 er et blokkdiagram over fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Ved 61 vil der først bli fremskaffet en høyhas-tighets-vannstråle. Det kan gjøres stort sett på samme måte som før i forbindelse med vannstråleskjæring. Ved 62 blir slipepartikler ført sammen med strømmen 62 til et orienterende rør. Ved 63 blir partiklene orientert i retning av strømmen. Deretter vil partiklene få tid til å akselerere til en vesentlig brøkdel av strømhastigheten slik det er vist ved 64. Akse-lerasjonen realiseres ved å tvinge strømmen inn i en ytter-ligere lengde av dysen for der å anta en rørstrømning hvor grenseskiktet av fluidet har en redusert hastighet som bevirker konsentrasjon av partikler i sentrum av strålen. Ved 65 vil endelig den partikkelholdige stråle komme ut for å utføre arbeid.

Claims (1)

1. Apparat til frembringelse av en skjærende væskestråle med høy hastighet og med et utløpstrykk på omkring 3500-70000 2 N/cm , idet apparatet har en rettlinjet utløpsdyse (21) med

   en i gjennomstrømningsretningen konvergerende del (26-27) fulgt av en sylindrisk del (27-29), som slutter ved dysens munning, et innløpsmunnstykke (23) plassert oppstrøms for utløpsdysens konvergerende del og innrettet til å utsende en med dysen koaksial, divergerende væskestråle (22) med høy hastighet og mindre starttverrsnitt enn utløpsdysens sylindriske del, samt et organ til innføring av slipepartikler i denne høyhastighetsstråle,

   karakterisert ved at innløpsmunnstykket (23) har en typisk munningsdiameter på mellom 0,025-1,27 mm og avhengig av utløpstrykket og strømningsbetingelsene for. strålen er plassert slik i forhold til utløpsdysen (21) at den partikkelbærende, divergerende stråle (22) med sin periferi treffer innerveggen av utløpsdysen så langt inne (ved 28) i dennes sylindriske del at partiklene ved sammenstøt med veggen avbøyes innover mot strålens sentrum i tilstrekkelig grad til å bli konsentrert i strålens sentrumsområde ved dyse-munningen (29), at diameteren av utløpsdysens sylindriske del er minst 1,1 ganger diameteren av væskestrålen ved inn-løpsmunnstykket, at diameteren av den sylindriske del av dysen er høyst 10 ganger væskestrålens diameter ved innløpsmunn-stykket, at diameteren av utløpsdysens sylindriske del er minst 1,1 ganger diameteren av den største forekommende slipe-partikkel, og at dysens sylindriske del har en lengde som avhengig av utløpstrykket, væskestrålens medrivende egen-skaper, partikkelbelastningen samt partiklenes form og stør-relse, ligger mellom 20-100 ganger dens innerdiameter slik at slipepartiklene kan akselereres til en utstrømningshastighet som i det minste nærmer seg væskehastigheten.