RU129023U1

RU129023U1 - AEROHYDRODYNAMIC (AGD) PROCESSING INJECTOR

Info

Publication number: RU129023U1
Application number: RU2011146372/05U
Authority: RU
Inventors: Владимир Вячеславович Шпиньков; Вячеслав Алексеевич Шпиньков; Алексей Георгиевич Филипенков
Original assignee: Владимир Вячеславович Шпиньков; Вячеслав Алексеевич Шпиньков; Алексей Георгиевич Филипенков
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-06-20

Abstract

1. Форсунка для аэрогидродинамической обработки на основе сопла Лаваля, обеспечивающая ускорение проходящего через нее рабочего потока, состоящего из воздуха и гидроабразивной суспензии, и подачу образующихся аэрозольных частиц на обрабатываемую поверхность, отличающаяся тем, что на участке расширения потока имеются полости, образованные спиральными направляющими, расположенными под углом к оси форсунки 5-30º, обеспечивающие закручивание выходящего из форсунки потока.2. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что за участком расширения имеются конические направляющие с канавками или спиральными направляющими, расположенными под углом к оси форсунки 5-30º, обеспечивающие создание сходящегося или расходящегося в осевом направлении закрученного потока.1. Nozzle for aerohydrodynamic treatment based on a Laval nozzle, which accelerates the working stream passing through it, consisting of air and a hydroabrasive slurry, and feeds the resulting aerosol particles onto the surface to be treated, characterized in that there are cavities formed by spiral guides in the expansion section of the stream, 5-30º located at an angle to the axis of the nozzle, ensuring twisting of the flow coming out of the nozzle. 2. The nozzle according to claim 1, characterized in that behind the expansion section there are conical guides with grooves or spiral guides located at an angle to the axis of the nozzle 5-30º, ensuring the creation of a swirling stream converging or diverging in the axial direction.

Description

Изобретение относится к механической обработке материалов, а именно к струйной гидроабразивной обработке и, в частности, к ее разновидности - струйной аэрогидродинамической обработке, и может быть использовано для более качественной и интенсивной очистки поверхностей от различных естественных и искусственных загрязнений.The invention relates to the machining of materials, namely to waterjet blasting and, in particular, to its variety - aerohydrodynamic blasting, and can be used for better and more intensive cleaning of surfaces from various natural and artificial contaminants.

Известны конструкции форсунок в основе которых используется сопло Лаваля, обеспечивающее получение на выходе форсунки потока, движущегося со сверхзвуковой скоростью. Этот принцип используется в подавляющем большинстве применяемых форсунок. [1]. Сопло Лаваля состоит из трех участков: участок сужения, где поток газов имеет дозвуковую скорость, критическое сечение, где скорость газового потока равна скорости звука и участок расширения, где скорость потока превосходит скорость звука. Таким образом, проходящий через сопло Лаваля поток ускоряется до сверхзвуковых скоростей, обеспечивая при этом существенное увеличение его кинетической энергии, что в значительной мере определяет эффективность использования потока. Однако, использование при аэрогидродинамической обработке этих форсунок обеспечивает постоянный угол соударения вытекающего из форсунки потока с обрабатываемой поверхностью (который определяется углом расположения оси форсунки к обрабатываемой поверхности) снижая при этом эффективность обработки. В результате - для очистки поверхности, имеющей неровности, необходимо поворачивать форсунку под разными углами. Это снижает производительность обработки поверхностей и в значительной мере затрудняет автоматизацию процесса.Known nozzle designs based on which a Laval nozzle is used, which ensures that the nozzle receives a stream moving at supersonic speed. This principle is used in the vast majority of nozzles used. [one]. The Laval nozzle consists of three sections: a narrowing section, where the gas flow has a subsonic speed, a critical section, where the gas flow velocity is equal to the speed of sound, and an expansion section where the flow velocity exceeds the speed of sound. Thus, the flow passing through the Laval nozzle is accelerated to supersonic speeds, while providing a significant increase in its kinetic energy, which largely determines the efficiency of the flow. However, the use of these nozzles during aerohydrodynamic processing provides a constant angle of impact of the flow from the nozzle to the surface being treated (which is determined by the angle of the nozzle axis to the surface being treated), while reducing the processing efficiency. As a result, to clean a surface with irregularities, it is necessary to turn the nozzle at different angles. This reduces the performance of surface treatment and greatly complicates the automation of the process.

Повышение качества очистки может быть достигнуто за счет использования двух форсунок, расположенных под углом 45-135 градусов друг к другу, и гидроабразивную обработку осуществляют одновременно с двух сторон пульсирующими гидроабразивными струями, при этом пульсацию гидроабразивной струи из каждой форсунки осуществляют попеременно [2]. Однако этот вариант обработки также имеет недостаточную производительность из-за попеременного действия двух форсунок. Кроме того, неровности поверхности хорошо очищаются лишь с двух сторон, на которые направлены сопла, тогда как для лучшей очистки всей поверхности неровности необходимо дополнительно поворачивать систему форсунок, направляя поток суспензии на неровности с различных сторон. Это также приводит к снижению производительности процесса очистки.Improving the quality of cleaning can be achieved through the use of two nozzles located at an angle of 45-135 degrees to each other, and waterjet processing is carried out simultaneously on both sides by pulsating waterjet jets, while the pulsation of the waterjet from each nozzle is carried out alternately [2]. However, this processing option also has insufficient productivity due to the alternating action of the two nozzles. In addition, surface irregularities are well cleaned only on the two sides on which the nozzles are directed, while for better cleaning of the entire surface of the irregularities, it is necessary to further rotate the nozzle system, directing the suspension flow to irregularities from different sides. This also leads to a decrease in the performance of the cleaning process.

Наиболее близким к предлагаемому является использование в конструкции форсунки сопла с изменяемым вектором тяги [3]. В этом случае появляется возможность менять угол выхода потока из форсунки. Рабочий поток, проходя через сопло Лаваля, ускоряется в нем и затем на выходе из сопла происходит изменение направления выходящего потока в одном направлении. Однако применение в конструкции форсунок для аэрогидродинамической обработки принципа изменения вектора тяги, наряду с появлением возможности автоматизации процесса обработки, одновременно снижает производительность, так как, чтобы обработать неровность, угол выхода потока из форсунки должен повернуться относительно ее оси на 360 градусов (иначе различные части неровностей будут обрабатываться с различной интенсивностью, что приведет к нестабильному качеству обработанной поверхности). Кроме того, использование принципа изменения вектора тяги требует создания сложной и надежной системы управления поворотом выходящей из сопла струи. Эта конструкция также не позволяет получить на выходе закрученный поток, как это предусматривает патент РФ №2413602.Closest to the proposed is the use in the design of the nozzle nozzle with a variable thrust vector [3]. In this case, it becomes possible to change the angle of the flow exit from the nozzle. The working stream, passing through the Laval nozzle, is accelerated in it and then at the exit from the nozzle, the direction of the outgoing stream changes in one direction. However, the use of the principle of changing the thrust vector in the design of nozzles for aero-hydrodynamic processing, along with the appearance of the possibility of automating the processing process, simultaneously reduces productivity, since in order to process unevenness, the angle of exit of the stream from the nozzle must rotate 360 degrees relative to its axis (otherwise different parts of the irregularities will be processed with different intensities, which will lead to unstable quality of the processed surface). In addition, the use of the principle of changing the thrust vector requires the creation of a complex and reliable control system for the rotation of the jet emerging from the nozzle. This design also does not allow to obtain a swirling stream at the output, as provided for by RF patent No. 2413602.

Указанные недостатки существующих конструкций форсунок для аэрогидродинамической обработки могут быть устранены за счет создания конструкции, обеспечивающей получение на выходе из форсунки не прямого потока, направленного вдоль оси форсунки или под углом к ней, а потока, закрученного по спирали к оси форсунки. Такая конструкция форсунки позволит реализовать перспективный способ обработки по патенту РФ №2413602. Так как на выходе струи создается закрученный поток, то при прямолинейном перемещении форсунки вдоль обрабатываемой поверхности последняя подвергается воздействию рабочего потока с разных сторон, обеспечивая высококачественную обработку без дополнительного перемещения форсунки.The indicated drawbacks of existing nozzle designs for aero-hydrodynamic processing can be eliminated by creating a design that ensures that at the exit from the nozzle it is not a direct flow directed along the axis of the nozzle or at an angle to it, but a stream spirally twisted to the axis of the nozzle. This nozzle design will allow you to implement a promising processing method according to the patent of the Russian Federation No. 2413602. Since a swirling flow is created at the jet outlet, when the nozzle moves rectilinearly along the surface to be treated, the nozzle is exposed to the working flow from different sides, providing high-quality processing without additional nozzle movement.

Кроме того, в этом случае воздушный поток, вследствие большей длины пути по спирали, приобретает большую скорость, что увеличивает эффективность процесса. Одновременно, спиральная направленность рабочего потока (суспензии) обеспечивает не неуправляемое выбивание из обрабатываемой поверхности частиц (как это имеет место при прямых ударах суспензией), а их скрайбирование (микрорезание), вследствие чего появляется возможность удаления только загрязненных поверхностных слоев практически без повреждения материала основы. Изменяя угол закручивания рабочего потока, можно управлять качеством и производительностью обработки.In addition, in this case, the air flow, due to the longer path length in a spiral, acquires a greater speed, which increases the efficiency of the process. At the same time, the spiral orientation of the working flow (suspension) provides not uncontrolled knocking out of the treated surface of the particles (as is the case with direct impacts with a suspension), but scribing (micro cutting), which makes it possible to remove only contaminated surface layers with virtually no damage to the base material. By changing the twist angle of the work flow, you can control the quality and productivity of processing.

С целью проверки возможности повышения производительности и качества аэрогидродинамической обработки за счет создания спиральных потоков суспензии были изготовлены форсунки, внутренняя поверхность которых имела на участке расширения спиральные канавки, обеспечивающие закручивание потока суспензии под разными углами по отношению к оси. Угол расположения канавок составлял 3, 5, 10, 20, 30 и 40 градусов к оси форсунки. Обрабатывались плитки из керамогранита, закрашенные акриловой краской. В процессе обработки форсунка располагалась под прямым углом к обрабатываемой поверхности. Для оценки эффективности предлагаемого способа измерялось время обработки одной плитки керамогранита и с помощью профилографа производства завода “Калибр” измерялась шероховатость обработанной поверхности.In order to verify the possibility of increasing the productivity and quality of aerohydrodynamic treatment by creating spiral slurry flows, nozzles were made whose inner surface had spiral grooves on the expansion section, which ensured that the slurry flow was twisted at different angles with respect to the axis. The angle of the grooves was 3, 5, 10, 20, 30, and 40 degrees to the axis of the nozzle. Porcelain tiles painted with acrylic paint were processed. During processing, the nozzle was located at right angles to the surface to be treated. To assess the effectiveness of the proposed method, the processing time of one porcelain tile was measured and the roughness of the processed surface was measured using a profilograph manufactured by the Caliber plant.

Воздушный поток от компрессора производительностью 3,5 куб. метра в минуту при давлении 2,8 атмосферы смешивался с суспензией и смесь поступала в форсунку, имеющую на участке расширения спиральные канавки, расположенные под указанными выше углами. Для сравнения применялась также обычно используемая при гидроабразивной обработке форсунка, не имеющая канавок и не создающая закручивания суспензии (в таблице 1 угол закручивания потока суспензии - 0 градусов). Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 1. Как видно из материалов таблицы, закручивание потока суспензии под углом к оси от 5 до 30 градусов сокращает время, необходимое для снятия дефектного слоя и одновременно уменьшает шероховатость обработанной поверхности. При угле канавок к оси форсунки 3 градуса практически не наблюдалось изменения как производительности обработки, так и шероховатости обработанной поверхности. При закручивании струи под углом 40 градусов наблюдалось возрастание давления в подающей воздух системе до 3,4 атмосфер, что приводило к возрастанию шероховатости обработанной поверхности.Air flow from a compressor with a capacity of 3.5 cubic meters. meters per minute at a pressure of 2.8 atmospheres was mixed with the suspension and the mixture entered the nozzle, which has spiral grooves located at the above angles on the expansion section. For comparison, we also used a nozzle usually used in waterjet processing, which does not have grooves and does not create swirling of the suspension (in table 1, the swirling angle of the suspension flow is 0 degrees). The results of the tests are presented in table 1. As can be seen from the table materials, swirling the suspension flow at an angle from the axis of 5 to 30 degrees reduces the time required to remove the defective layer and at the same time reduces the roughness of the treated surface. When the angle of the grooves to the nozzle axis was 3 degrees, there was practically no change in both the processing productivity and the roughness of the treated surface. When the jet was twisted at an angle of 40 degrees, an increase in pressure in the air supply system to 3.4 atmospheres was observed, which led to an increase in the roughness of the treated surface.

ТаблицаTable Угол закручивания потока суспензии, град.The angle of swirling the suspension stream, deg. Время обработки одной плитки керамогранита, мин.Processing time of one tile of porcelain tile, min. Шероховатость обработанной поверхности, Ra, мкмThe surface roughness, Ra, microns 00 2,72.7 3,13,1 33 2,52,5 2,92.9 55 1,81.8 2,22.2 1010 1,61,6 2,12.1 20twenty 1,51,5 1,91.9 30thirty 1,31.3 1,91.9 4040 1,81.8 2,72.7

Таким образом, испытания показали существенное повышение эффективности гидроабразивной обработки при спиральном закручивании подаваемой в зону обработки струи в пределах 5…30 градусов.Thus, the tests showed a significant increase in the efficiency of waterjet processing with spiral twisting of the jet supplied to the treatment zone within 5 ... 30 degrees.

Наряду со спиральными канавками, форсунка может иметь специальные спиральные направляющие, обеспечивающие создание закрученного потока аэрозоли на выходе.Along with the spiral grooves, the nozzle may have special spiral guides that ensure the creation of a swirling flow of aerosols at the exit.

Дополнительный эффект может быть достигнут за счет оснащения форсунки на выходе специальной конической или горообразной насадкой со спиральными канавками на внутренней конической поверхности, которая обеспечивает создание сходящегося или расходящегося в осевом направлении спирального потока суспензии, то есть регулируя угол расположения спирали в осевом направлении появляется возможность управления процессом обработки (осуществлять более интенсивное удаление загрязнений-при сходящемся потоке или производить более щадящую обработку-при расходящемся потоке).An additional effect can be achieved by equipping the outlet nozzle with a special conical or mountain-shaped nozzle with spiral grooves on the inner conical surface, which ensures the creation of a spiral flow of suspension converging or diverging in the axial direction, i.e., by adjusting the angle of the spiral in the axial direction, it becomes possible to control the process processing (carry out more intensive removal of contaminants with a converging flow or produce a more gentle treatment otku, with a diverging flow).

Проверка возможности управления эффективностью обработки за счет создания сходящегося или расходящегося в осевом направлении спирального потока аэрозоли опробована при помещении на сопло с углом закручивания суспензии 30 градусов специальных насадок, длиной 10 мм, внутренняя поверхность которых имела коническую форму: одна-сужающая с углом конуса 60 (для создания сходящегося потока), другая-расширяющая с углом конуса 120 (для создания расходящегося потока) градусов. На внутренней конической поверхности насадок также имелись спиральные канавки, расположенные под углом 30 градусов к оси, причем угол спирали совпадал с углом спирали на форсунке. Очищаемая плитка располагалась на расстоянии 75 мм от торца насадки. Результаты испытаний представлены в таблице 2.Verification of the possibility of controlling the processing efficiency by creating a converging or diverging axially spiral aerosol flow was tested when placing special nozzles with a 10-mm length on the nozzle with an angle of twisting of the suspension, whose inner surface had a conical shape: one narrowing with a cone angle of 60 ( to create a convergent flow), another expanding with a cone angle of 120 degrees (to create a divergent flow) degrees. On the inner conical surface of the nozzles there were also spiral grooves located at an angle of 30 degrees to the axis, and the angle of the spiral coincided with the angle of the spiral on the nozzle. The tile to be cleaned was located at a distance of 75 mm from the end of the nozzle. The test results are presented in table 2.

Таблица 2table 2 Угол конуса насадки, град.Angle of the nozzle cone, deg. Время обработки одной плитки керамогранита, мин.Processing time of one tile of porcelain tile, min. Шероховатость обработанной поверхности, Ra, мкмThe surface roughness, Ra, microns 6060 1,11,1 2,72.7 120120 1,81.8 1,61,6 без насадкиwithout nozzle 1,31.3 1,91.9

Как видно из данных таблицы 2, результаты испытаний подтвердили возможность управления производительностью и качеством обработанной поверхности за счет изменяя угол схождения или расхождения рабочего потока.As can be seen from the data in table 2, the test results confirmed the ability to control the performance and quality of the treated surface by changing the angle of convergence or divergence of the workflow.

Источники информацииInformation sources

1. М.В.Радченко, Д.А.Нагорный «Расчет сопла Лаваля при разработке аппаратуры для сверхзвуковой наплавки» Ползуновский вестник №3, 2008 г.1. MV Radchenko, D. A. Nagorny “Calculation of the Laval nozzle in the development of equipment for supersonic surfacing” Polzunovsky Bulletin No. 3, 2008

2. Способ гидроабразивной обработки. Патент РФ №23230782. The method of waterjet processing. RF patent No. 2323078

3. Сопло с отклоняемым вектором тяги. Патент РФ №21680473. Nozzle with deflected thrust vector. RF patent №2168047

Claims

1. Nozzle for aerohydrodynamic treatment based on a Laval nozzle, providing acceleration of the working stream passing through it, consisting of air and a hydroabrasive slurry, and supplying the generated aerosol particles to the treated surface, characterized in that there are cavities formed by spiral guides in the expansion section of the stream, located at an angle to the axis of the nozzle 5-30º, ensuring the twisting of the flow coming out of the nozzle.

2. The nozzle according to claim 1, characterized in that behind the expansion section there are conical guides with grooves or spiral guides located at an angle to the axis of the nozzle 5-30º, ensuring the creation of a swirling stream converging or diverging in the axial direction.