RU2234407C1 - Method and device for thermoabrasive treatment of surfaces - Google Patents
Method and device for thermoabrasive treatment of surfaces Download PDFInfo
- Publication number
- RU2234407C1 RU2234407C1 RU2003108405/02A RU2003108405A RU2234407C1 RU 2234407 C1 RU2234407 C1 RU 2234407C1 RU 2003108405/02 A RU2003108405/02 A RU 2003108405/02A RU 2003108405 A RU2003108405 A RU 2003108405A RU 2234407 C1 RU2234407 C1 RU 2234407C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- combustion chamber
- abrasive
- nozzle
- combustion
- supplying
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретения относятся к струйной термоабразивной обработке металлоконструкций, строительных поверхностей и деталей из различных материалов и могут быть, в частности, использованы при осуществлении процессов шлифования поверхностей из природного камня, искусственных минеральных сред, очистки деталей от различных покрытий, отложений, ржавчины, радиоактивных загрязнений, а также разрушения горных пород.The invention relates to jet thermal abrasive treatment of metal structures, building surfaces and parts from various materials and can be, in particular, used in the process of grinding surfaces of natural stone, artificial mineral media, cleaning parts from various coatings, deposits, rust, radioactive contaminants, and also rock destruction.
На сегодняшний день известны многочисленные способы и устройства для абразивной обработки поверхностей изделий. В частности, в патенте России №2137593 описан способ абразивно-воздушной обработки поверхности, который включает смешение рабочего вещества с потоком сжатого воздуха и последующую подачу полученной смеси в сопло для ускорения и выброса на обрабатываемую поверхность. При этом изначально расширяют сжатый воздух до уровня ниже атмосферного и разгоняют его до сверхзвуковой скорости. Одновременно под давлением плотным слоем с низкой скоростью поступательного движения в ускоренный поток воздуха подают рабочее вещество. Создают абразивно-воздушную смесь и продолжают ее ускорять до фиксированного значения полного давления выше атмосферного уровня. Расход рабочего вещества регулируют давлением его подачи. Пистолет для осуществления способа содержит корпус с патрубками для подвода материалов и камерой. В камере установлено сопло для подачи абразива с критическим сечением, переходящим в выходное сопло. Внутренняя поверхность выходного сопла имеет коническо-цилиндрическую форму. Сопло для подачи абразива выполнено в виде форсунки. Она установлена соосно в критическом сечении с кольцевым зазором относительно критического сечения камеры. Плоскость выходного отверстия сопла совпадает с критическим сечением. Однако известные изобретения не обеспечивают экономичное расходование материалов, производительность устройства недостаточна из-за низкой температуры абразивных частиц и потерь энергии абразивных частиц из-за большой разницы в скоростях при смешении.To date, numerous methods and devices for abrasive surface treatment of products are known. In particular, in Russian patent No. 2137593 a method of abrasive-air surface treatment is described, which involves mixing the working substance with a stream of compressed air and then supplying the resulting mixture to the nozzle to accelerate and discharge onto the surface to be treated. At the same time, compressed air is initially expanded to a level below atmospheric and accelerated to supersonic speed. At the same time, under pressure, in a dense layer with a low speed of translational motion, the working substance is fed into the accelerated air flow. Create an abrasive-air mixture and continue to accelerate it to a fixed value of the total pressure above atmospheric level. The flow rate of the working substance is regulated by the pressure of its supply. The gun for implementing the method includes a housing with nozzles for supplying materials and a camera. A nozzle for supplying an abrasive with a critical section passing into the outlet nozzle is installed in the chamber. The inner surface of the outlet nozzle has a conical-cylindrical shape. The nozzle for feeding the abrasive is made in the form of a nozzle. It is mounted coaxially in a critical section with an annular gap relative to the critical section of the chamber. The plane of the nozzle outlet coincides with the critical section. However, the known inventions do not provide an economical expenditure of materials, the performance of the device is insufficient due to the low temperature of the abrasive particles and the energy loss of the abrasive particles due to the large difference in speeds during mixing.
Известно устройство по патенту РФ №2163864. Изобретение касается комбинированного газоструйного инструмента, основным рабочим органом которого является сверхзвуковая газодинамическая струя. Предлагаемое устройство включает в себя комплекс конструкторских предложений и способно выполнять следующие технологические операции:A device is known according to the patent of the Russian Federation No. 2163864. The invention relates to a combined gas-jet tool, the main working body of which is a supersonic gas-dynamic jet. The proposed device includes a set of design proposals and is able to perform the following technological operations:
нанесение антикоррозионных, восстановительных и декоративных покрытий на металлические и строительные поверхности, высокопроизводительная пескоструйная газодинамическая обработка поверхности металла от коррозии и шлаков, выполнение термоотбойных работ при производстве строительных гранитов. Для производства вышеназванных операций требуется газодинамическое устройство с высокими показателями термостойкости и термонапряженности. Эти цели были достигнуты при увеличении термонапряженности и интенсификации процесса тепломассообмена в камере сгорания за счет того, что комбинированное устройство газодинамического инструмента, содержащее трехканальный коллектор для транспортировки топлива, дополнительного окислителя и рабочего агента, камеру сгорания, завихритель и сопло, согласно изобретению содержит кольцевой радиальный диффузор для подачи топлива в камеру сгорания и создания защитной пленки на стенках камеры сгорания за счет закрутки потока воздуха при входе в камеру сгорания. Устройство имеет полосу-обойму для подачи через магазин в зону сверхзвуковой струи легкоплавкого металла с температурой плавления до 1000°С, при этом магазин встроен на срезе сопла. Однако данная конструкция не обеспечивает необходимую полноту сгорания топлива, что приводит к образованию копоти и снижает качество обработанной поверхности.application of anti-corrosion, restoration and decorative coatings on metal and building surfaces, high-performance sandblasting gas-dynamic treatment of the metal surface against corrosion and slag, heat-breaking operations in the production of building granites. For the above operations, a gas-dynamic device with high indices of heat resistance and thermal stress is required. These goals were achieved with increasing thermal stress and intensification of the heat and mass transfer process in the combustion chamber due to the fact that the combined device of a gas-dynamic tool containing a three-channel manifold for transporting fuel, an additional oxidizing agent and a working agent, a combustion chamber, a swirler and a nozzle, according to the invention, contains an annular radial diffuser for supplying fuel to the combustion chamber and creating a protective film on the walls of the combustion chamber by swirling the air flow at the entrance e into the combustion chamber. The device has a strip-clip for supplying through the magazine to the zone of a supersonic jet of low-melting metal with a melting point up to 1000 ° C, while the magazine is integrated at the nozzle exit. However, this design does not provide the necessary completeness of fuel combustion, which leads to soot formation and reduces the quality of the treated surface.
Из международной заявки WO 01/81044 известен способ механической обработки каменной облицовки зданий, включающий непрерывную подачу под давлением твердых частиц рабочего вещества в транспортирующий поток сжатого воздуха с образованием взвеси, подачу ее в рабочий орган, разгон ее в нем воздействием вспомогательного потока газообразного рабочего тела, имеющего скорость истечения и давление, превышающие скорость истечения и давление разгоняемой им взвеси, и динамическое силовое воздействие твердыми частицами рабочего вещества на обрабатываемую поверхность. Размер твердых частиц рабочего вещества составляет 0,01-20,0 мм в поперечнике. В качестве вспомогательного потока газообразного рабочего тела используют сверхзвуковую струю горячих отходящих газообразных продуктов сгорания, которая одновременно с передачей кинетической энергии взвешенным твердым частицам рабочего вещества производит разогрев и расширение воздуха во взвеси за счет перемешивания ее со сверхзвуковой струей горячих отходящих газообразных продуктов сгорания. Температура продуктов сгорания превышает температуру воздуха во взвеси на 350-900°С, при этом скорость и давление сверхзвуковой струи отходящих газообразных продуктов сгорания, взаимодействующей со взвесью твердых частиц рабочего вещества, превышают аналогичные параметры последней соответственно в 500-1100 и 75-125 раз. Для осуществления этого способа используют устройство, содержащее корпус, внутри которого размещена камера сгорания с форкамерой, концентрично расположенные завихрители потока воздуха и форсунка. Устройство снабжено охватывающим корпус и образующим охлаждающую полость кожухом и установленным на выходном конце корпуса сменным соплом в виде сопряженных криволинейной поверхностью конфузора и диффузора. Причем диаметр критического сечения сменного сопла меньше диаметра поперечного сечения камеры сгорания в 1,2-2,5 раза, причем охлаждающая полость соединена через вспомогательный завихритель с источником сжатого воздуха и сообщается с камерой сгорания через образованные в корпусе радиальные отверстия. Диаметр внутренней поверхности кожуха превышает диаметр поверхности камеры сгорания в 1,2-1,7 раза, а угол закрытия конфузора меньше угла раскрытия диффузора сменного сопла в 1,2-3,5 раза. Радиус кривизны поверхности сопряжения конфузора и диффузора равен 0,5-2,5 диаметра критического сечения сменного сопла. В известных решениях невозможно достичь высокой теплонапряженности из-за подачи охлаждающего воздуха в охлаждающую полость в одном направлении с потоком внутри камеры сгорания, т.е. более горячий участок камеры сгорания охлаждается более горячим воздухом.From the international application WO 01/81044, a method for machining stone cladding of buildings is known, comprising continuously supplying solid particles of a working substance under pressure into a conveying stream of compressed air to form a suspension, supplying it to a working body, dispersing it therein by an auxiliary stream of a gaseous working fluid, having a flow rate and pressure exceeding the flow rate and pressure of the suspension dispersed by it, and the dynamic force action of the working substance with solid particles on the processing surface. The size of the solid particles of the working substance is 0.01 to 20.0 mm in diameter. As an auxiliary flow of the gaseous working fluid, a supersonic jet of hot exhaust gaseous products of combustion is used, which simultaneously with the transfer of kinetic energy to suspended solid particles of the working substance heats and expands the air in suspension by mixing it with a supersonic jet of hot exhaust gaseous products of combustion. The temperature of the combustion products exceeds the air temperature in suspension by 350-900 ° C, while the speed and pressure of a supersonic jet of exhaust gaseous products of combustion interacting with a suspension of solid particles of the working substance exceed the corresponding parameters of the latter by 500-1100 and 75-125 times, respectively. To implement this method, use is made of a device containing a housing, inside which a combustion chamber with a pre-chamber, concentrically arranged air flow swirls and a nozzle are located. The device is equipped with a housing covering the housing and forming a cooling cavity and a replaceable nozzle mounted on the outlet end of the housing in the form of a confuser and a diffuser conjugated by a curved surface. Moreover, the diameter of the critical section of the replaceable nozzle is 1.2-2.5 times smaller than the diameter of the cross section of the combustion chamber, the cooling cavity being connected through a secondary swirler to a source of compressed air and communicating with the combustion chamber through radial openings formed in the housing. The diameter of the inner surface of the casing exceeds the diameter of the surface of the combustion chamber by 1.2-1.7 times, and the closure angle of the confuser is less than the opening angle of the diffuser of the replaceable nozzle by 1.2-3.5 times. The radius of curvature of the interface surface of the confuser and the diffuser is 0.5-2.5 times the diameter of the critical section of the replaceable nozzle. In the known solutions, it is impossible to achieve high thermal stress due to the supply of cooling air to the cooling cavity in one direction with the flow inside the combustion chamber, i.e. the hotter section of the combustion chamber is cooled by hotter air.
Наиболее близкими аналогами для заявляемых способа и устройства являются изобретения по патенту РФ 2167756. Согласно известному способу формируют двухфазный поток рабочего тела, разгон его осуществляют путем подачи в камеру сгорания абразивной аэросмеси и горючего, смешанного с частью окислителя, другую часть которого подают в камеру сгорания через радиальные отверстия в две зоны камеры сгорания - в зону выгорания горючего и в зону смешения, а абразивную аэросмесь подают за зону смешения в область сформированного профиля скорости и температуры потока. Устройство для осуществления этого способа содержит трубопровод для абразивной смеси, вокруг которого расположен завихритель, кожух, регенеративную трубу, камеру сгорания, образованную жаровой трубой с радиальными отверстиями и завихрителем, и корпус с каналом для подачи горючего и каналом для подачи окислителя в пространство между кожухом, регенеративной и жаровой трубой, в корпусе выполнена камера смешения, соединенная с каналом подачи горючего и сообщающаяся с каналом для подачи окислителя и с завихрителем, а радиальные отверстия в жаровой трубе выполнены в зоне выгорания горючего и в зоне смешения окислителя с продуктами сгорания.The closest analogs to the claimed method and device are inventions according to the patent of the Russian Federation 2167756. According to the known method, a two-phase flow of the working fluid is formed, its acceleration is carried out by feeding abrasive air mixture and fuel mixed with a part of the oxidizing agent, the other part of which is fed into the combustion chamber through radial holes in two zones of the combustion chamber — into the fuel burn-up zone and into the mixing zone, and the abrasive aerosol is fed beyond the mixing zone into the region of the formed velocity profile and temperature atura flow. A device for implementing this method comprises a pipe for abrasive mixture, around which a swirl, a casing, a regenerative pipe, a combustion chamber formed by a flame tube with radial holes and a swirl, and a body with a channel for supplying fuel and a channel for supplying oxidizer to the space between the casing, are located, regenerative and flame tube, in the housing there is a mixing chamber connected to the fuel supply channel and communicating with the oxidizer supply channel and the swirl, and the radial holes in the flame tube is made in the combustion zone of the fuel and in the mixing zone of the oxidizer with the combustion products.
Однако этим изобретениям присущ ряд недостатков, которые не позволяют эффективно использовать их для осуществления поставленных задач.However, these inventions have a number of disadvantages that do not allow them to be used effectively for the implementation of the tasks.
Во-первых, известный способ имеет недостаточную эффективность, так как организация процесса сгорания при условиях, близких к стехиометрическим на небольшой длине камеры сгорания, приводит к термическому разрушению трубопровода для подачи абразивной аэросмеси, расположенного в центре камеры сгорания, а также к спеканию частиц абразива внутри трубопровода в результате его перегрева. Подача абразивной аэросмеси по трубопроводу со скоростью, равной скорости смеси продуктов сгорания и окислителя за зоной смешения, не обеспечивает условия поддержания оптимальной температуры трубопровода подачи абразивной аэросмеси, при которой он не выгорает и остается работоспособным в течение длительного времени. Кроме того, не обеспечиваются условия надежной транспортировки абразива без прилипания к стенкам трубопровода и его закупоривания. Это приводит к снижению производительности очистки из-за перебоев в подаче абразива. Кроме того, не обеспечивается необходимый разогрев самих абразивных частиц. Температура абразивных частиц должна быть такой, чтобы происходило их очищение от влагомасляных загрязнений, но сами частицы не размягчались и не плавились. Размягчение частиц приводит к потере абразивных свойств и прилипанию к очищаемой поверхности.Firstly, the known method has insufficient efficiency, since the organization of the combustion process under conditions close to stoichiometric over a short length of the combustion chamber leads to thermal destruction of the pipeline for supplying the abrasive air mixture located in the center of the combustion chamber, as well as to sintering of the abrasive particles inside pipeline as a result of overheating. The feed of the abrasive air mixture through the pipeline at a speed equal to the speed of the mixture of products of combustion and the oxidizing agent behind the mixing zone does not provide the conditions for maintaining the optimum temperature of the supply line of the abrasive air mixture, at which it does not fade and remains operational for a long time. In addition, the conditions for reliable transportation of the abrasive without sticking to the walls of the pipeline and its clogging are not ensured. This leads to a decrease in cleaning performance due to interruptions in the supply of abrasive. In addition, the necessary heating of the abrasive particles themselves is not ensured. The temperature of the abrasive particles must be such that they are cleansed of water-oil contaminants, but the particles themselves do not soften and do not melt. The softening of the particles leads to a loss of abrasive properties and adhesion to the surface being cleaned.
Недостатком известного устройства является отсутствие переходного конуса между завихрителем и жаровой трубой, что резко снижает эффективность стабилизации пламени с помощью завихрителя и приводит к трудностям при запуске устройства и его неустойчивой работе. Кроме того, описанная смесительная камера горючего и окислителя неустойчиво работает при малых скоростях окислителя из-за появления пленки нераздробленного топлива на стенках камеры. В дальнейшем эта часть топлива не может сгореть и выбрасывается из устройства в виде капель топлива и сажи, снижая качество обрабатываемой поверхности.A disadvantage of the known device is the lack of a transition cone between the swirl and the flame tube, which sharply reduces the efficiency of stabilization of the flame with the swirl and leads to difficulties in starting the device and its unstable operation. In addition, the described mixing chamber of fuel and oxidizer is unstable at low oxidizer speeds due to the appearance of a film of non-fragmented fuel on the walls of the chamber. In the future, this part of the fuel cannot be burned and is thrown out of the device in the form of droplets of fuel and soot, reducing the quality of the processed surface.
Таким образом, до настоящего момента не существовало средств и методов, которые бы позволили производить быструю и эффективную очистку обрабатываемых поверхностей, в том числе и сложной конфигурации, при экономном расходовании рабочего вещества и длительной стабильной эксплуатации оборудования.Thus, until now there were no tools and methods that would allow quick and efficient cleaning of the treated surfaces, including complex configurations, with economical use of the working substance and long-term stable operation of the equipment.
Мы предлагаем новый способ термоабразивной обработки поверхностей и устройство для его осуществления, которые лишены вышеуказанных недостатков.We offer a new method of thermoabrasive surface treatment and a device for its implementation, which are devoid of the above disadvantages.
Мы разработали способ и конструкцию устройства, обеспечивающие повышение качества обработки поверхности, улучшение условий труда, повышение производительности термообразивной обработки, повышение ресурса работы изделия, уменьшение загрязнения окружающей среды. Причем при использовании заявленных изобретений обнаружен неожиданный синергетический результат, который проявляется в высокой полноте сгорания топлива с одновременным поддержанием стабильной некритической для работоспособности конструкции температуры трубопровода для транспортировки абразива, что обуславливает стабильный горячий поток абразивной смеси на выходе из устройства.We have developed a method and design of the device that provides an increase in the quality of surface treatment, improvement of working conditions, increase in the productivity of thermoobjective processing, increase the service life of the product, and reduce environmental pollution. Moreover, when using the claimed inventions, an unexpected synergistic result was found, which manifests itself in a high completeness of fuel combustion while maintaining a stable non-critical temperature design of the pipeline for transporting the abrasive, which leads to a stable hot flow of the abrasive mixture at the outlet of the device.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящих изобретений по сравнению с ближайшими аналогами, заключается в обеспечении стабильного и равномерного потока абразивной смеси на выходе из устройства и, следовательно, в обеспечении высокого качества обрабатываемых поверхностей и высокой производительности обработки.The technical result achieved when using the present inventions in comparison with the closest analogues is to ensure a stable and uniform flow of abrasive mixture at the outlet of the device and, therefore, to ensure high quality of the processed surfaces and high processing productivity.
Дополнительный технический результат заключается в экономии расходных и вспомогательных материалов - абразива, топлива и окислителя.An additional technical result is to save consumables and auxiliary materials - abrasive, fuel and oxidizing agent.
Дополнительный технический результат заключается в повышении надежности оборудования: не происходит быстрого выгорания частей устройства и таким образом повышается долговечность и экономичность его эксплуатации.An additional technical result is to increase the reliability of the equipment: there is no rapid burnout of parts of the device and thus increases the durability and efficiency of its operation.
Другой дополнительный технический результат заключается в том, что происходит практически полное сгорание топлива и таким образом повышаются экологические характеристики, наносится минимальный урон окружающей среде.Another additional technical result is that almost complete combustion of the fuel occurs and thus the environmental characteristics are increased, and minimal environmental damage is caused.
Технический результат достигается за счет того, что в способе термоабразивной обработки поверхностей, включающем формирование двухфазного сверхзвукового потока рабочего тела, разгон которого осуществляется путем подачи в камеру сгорания топлива, смешанного с частью окислителя, подачи другой части окислителя в камеру сгорания через радиальные отверстия и подачи абразивной смеси в камеру сгорания, окислитель через радиальные отверстия подают по всей длине камеры сгорания с многократным чередованием зон сгорания и смешения, абразивную смесь подают за последнюю по ходу потока зону смешения, при этом осуществляют разгон продуктов сгорания до выравнивания со скоростью потока транспортирующего газа абразивной смеси и регулируют длину пути абразивной смеси по камере сгорания и ускорительному соплу из условия нагрева абразивных частиц до температуры ниже температуры их плавления.The technical result is achieved due to the fact that in the method of thermoabrasive surface treatment, which includes the formation of a two-phase supersonic flow of a working fluid, the acceleration of which is carried out by supplying fuel mixed with a part of the oxidizer to the combustion chamber, supplying another part of the oxidizer to the combustion chamber through radial openings and feeding abrasive mixtures into the combustion chamber, the oxidizing agent through radial holes serves along the entire length of the combustion chamber with multiple alternation of the combustion and mixing zones, abrasive mixture was fed for the last downstream of the mixing zone, the combustion is carried out acceleration to align with the carrier gas flow rate of the abrasive mixture and adjusting the path length of the abrasive mixture of the combustion chamber and the accelerating nozzle of the heating conditions of abrasive particles to a temperature below their melting temperature.
Кроме того, предварительно осуществляют регулировку степени распыления топлива.In addition, pre-adjust the degree of atomization of the fuel.
В устройство для термоабразивной обработки поверхностей, содержащее корпус, установленные концентрически трубопровод для подачи абразивной смеси, камеру сгорания, образованную жаровой трубой с радиальными отверстиями, регенеративную трубу и кожух, образованную между кожухом, жаровой и регенеративной трубами полость, сообщенную с каналом для подачи окислителя, а также завихритель, распылительную камеру и ускоряющее сопло с цилиндрической и конической частями, установленное на выходе камеры сгорания соосно с трубопроводом для подачи абразивной аэросмеси, введена форсунка для подачи горючего, размещенная с кольцевым зазором в канале для подачи в распылительную камеру окислителя, трубопровод для подачи абразивной аэросмеси установлен с возможностью перемещения в камере сгорания и расположения его выходного среза в полости конфузора для ускорения потока продуктов сгорания, установленного на выходе камеры сгорания, радиальные отверстия для подачи окислителя выполнены по всей длине жаровой трубы, заявихритель установлен на входном участке камеры сгорания вблизи отверстий, соединяющих распылительную камеру с камерой сгорания, и снабжен переходным конусом.In a device for thermoabrasive surface treatment, comprising a housing, a concentric pipe for supplying an abrasive mixture, a combustion chamber formed by a flame tube with radial openings, a regenerative pipe and a casing formed between the casing, the flame and regenerative pipes, a cavity in communication with the channel for supplying the oxidizing agent, as well as a swirl, a spray chamber and an accelerating nozzle with a cylindrical and conical parts mounted at the outlet of the combustion chamber coaxially with the supply pipe of an aerosol mixture, a nozzle for supplying fuel is introduced, placed with an annular gap in the channel for feeding an oxidizing agent into the spray chamber, a pipeline for supplying an abrasive aerosol is installed with the possibility of moving in the combustion chamber and arranging its outlet cut in the cavity of the confuser to accelerate the flow of combustion products mounted on the output of the combustion chamber, radial openings for the supply of oxidizer are made along the entire length of the flame tube, the notifier is installed at the inlet section of the combustion chamber near the opening TIFA connecting the spray chamber with the combustion chamber, and is provided with a transition cone.
Форсунка для подачи топлива установлена с возможностью изменения положения ее выходного среза в распылительной камере.The nozzle for supplying fuel is installed with the possibility of changing the position of its outlet cut in the spray chamber.
Дополнительный технический результат обеспечивается за счет того, что трубопровод для подачи абразивной смеси содержит резьбовую часть, сопряженную с резьбой на корпусе, форсунка также имеет резьбовую часть, сопряженную с резьбой на корпусе.An additional technical result is provided due to the fact that the pipeline for supplying an abrasive mixture contains a threaded portion mated to a thread on the housing, the nozzle also has a threaded portion mated to a thread on the housing.
Дополнительный технический результат обеспечивается за счет того, что отношение длины цилиндрического участка сверхзвукового сопла к его диаметру составляет 2-4, а угол схождения конуса сопла α=(0,9÷1,1)2arctg(D/L).An additional technical result is provided due to the fact that the ratio of the length of the cylindrical section of the supersonic nozzle to its diameter is 2-4, and the angle of convergence of the nozzle cone α = (0.9 ÷ 1.1) 2arctg (D / L).
Сущность изобретения будет более понятна из дальнейшего описания со ссылками на чертеж, где приведен общий вид заявленного устройства в разрезе.The invention will be better understood from the further description with reference to the drawing, which shows a General view of the claimed device in section.
Устройство для осуществления заявленного способа содержит корпус 1 с форсункой 2 для подачи горючего и каналом 3 для подачи окислителя, кожух 4, регенеративную трубу 5, жаровую трубу 6, образующую камеру сгорания 13 с радиальными отверстиями 7 для подачи окислителя в камеру сгорания, конфузор 8 для увеличения скорости потока продуктов сгорания в месте смешения с абразивной смесью, ускоряющее сопло 9 с цилиндрической частью 10, конической частью 21, завихритель 11, переходный конус завихрителя 20, трубопровод 12 с резьбовой частью для изменения длины и контргайкой (не показана), камеру сгорания 13, распылительную камеру 15, отверстия 16 для подачи топливной смеси в камеру сгорания, кольцевой зазор 17 распылительной камеры. Форсунка 2 установлена в резьбовом отверстии корпуса 1 и может перемещаться внутри распылительной камеры 15.A device for implementing the inventive method comprises a housing 1 with a nozzle 2 for supplying fuel and a channel 3 for supplying an oxidizer, a casing 4, a regenerative pipe 5, a flame tube 6 forming a combustion chamber 13 with radial openings 7 for supplying an oxidizer to the combustion chamber, a confuser 8 for increasing the flow rate of combustion products at the place of mixing with the abrasive mixture, the accelerating nozzle 9 with the cylindrical part 10, the conical part 21, the swirler 11, the transition cone of the swirler 20, the pipe 12 with a threaded part for changing the length and a lock nut (not shown), the combustion chamber 13, the spray chamber 15, the holes 16 for supplying the fuel mixture to the combustion chamber, the annular gap 17 of the spray chamber. The nozzle 2 is installed in the threaded hole of the housing 1 and can move inside the spray chamber 15.
Кольцевой зазор 17 сообщен с полостью 19, куда через канал 3 подают окислитель. Полость между жаровой 6 и регенеративной 5 трубами также сообщена с каналом 3. Трубопровод 12 установлен соосно с ускорительным соплом 9 и перемещается в резьбовом отверстии корпуса 1 за счет резьбы, выполненной на его поверхности. На внешнем конце трубопровода 12 установлена контргайка, которая фиксирует положение трубопровода после регулировки. Соотношения размеров элементов ускорительного сопла 9 (см. далее) подобраны специальным образом с тем, чтобы обеспечить максимальную энергию струи рабочего вещества на выходе при минимальном износе сопла от абразивного материала. Конфузор 8 установлен на выходе из камеры сгорания и служит для разгона продуктов сгорания до скорости транспортирующего абразив газа при их смешении.The annular gap 17 is in communication with the cavity 19, where an oxidizing agent is supplied through the channel 3. The cavity between the flame 6 and regenerative 5 pipes is also communicated with the channel 3. The pipe 12 is installed coaxially with the accelerating nozzle 9 and moves in the threaded hole of the housing 1 due to the thread made on its surface. A lock nut is installed at the outer end of the pipe 12, which fixes the position of the pipe after adjustment. The aspect ratios of the elements of the accelerator nozzle 9 (see below) are selected in a special way in order to ensure maximum energy of the jet of the working substance at the outlet with minimal wear of the nozzle from abrasive material. The confuser 8 is installed at the outlet of the combustion chamber and serves to accelerate the combustion products to the speed of the gas transporting the abrasive when they are mixed.
Описанный способ реализуется следующим образом. Через отверстие 3 в полость 19 подается окислитель. В полости 19 окислитель разделяется на два потока. Первый поток через кольцевой зазор 17 с большой скоростью (до 100 м/с) поступает в распылительную камеру 15, в то время как скорость истечения топлива из канала форсунки 2 ничтожно мала. При высокой относительной скорости возникает трение между струями окислителя и распыляемого топлива, вследствие чего струя топлива, как бы закрепленная с одной стороны, вытягивается в отдельные тонкие струи, которые затем распадаются из-за возникающих колебаний на множество полидисперсных капель - топливный аэрозоль. В камере 15 возникает облако полидисперсных капель диаметром 1-100 мкм и паров топлива. Через отверстие 16 эта гетерогенная смесь топлива и окислителя поступает в камеру сгорания 13.The described method is implemented as follows. Through the hole 3 in the cavity 19 is fed an oxidizing agent. In the cavity 19, the oxidizing agent is divided into two streams. The first flow through the annular gap 17 with high speed (up to 100 m / s) enters the spray chamber 15, while the rate of flow of fuel from the channel of the nozzle 2 is negligible. At a high relative speed, friction arises between the jets of the oxidizer and the sprayed fuel, as a result of which the jet of fuel, as it were fixed on one side, is pulled into separate thin jets, which then decay due to arising vibrations into many polydisperse droplets - a fuel aerosol. In the chamber 15, a cloud of polydisperse droplets with a diameter of 1-100 μm and fuel vapor arises. Through the hole 16, this heterogeneous mixture of fuel and oxidizer enters the combustion chamber 13.
Второй поток поступает в полость между кожухом 4 и регенеративной трубой 5, охлаждает наружную поверхность сопла 9 и поступает в полость между регенеративной трубой 5 и жаровой трубой 6. Далее окислитель поступает в камеру сгорания 13 через радиальные отверстия 7 и завихритель 11. Количество рядов радиальных отверстий определяется многими факторами, но, как экспериментально было доказано, должно быть не менее 5.The second stream enters the cavity between the casing 4 and the regeneration tube 5, cools the outer surface of the nozzle 9 and enters the cavity between the regeneration tube 5 and the flame tube 6. Next, the oxidizer enters the combustion chamber 13 through the radial openings 7 and the swirl 11. The number of rows of radial openings determined by many factors, but, as has been experimentally proven, should be at least 5.
После воспламенения и вывода устройства в рабочий режим процесс сгорания происходит следующим образом. Через отверстие 16 в камеру сгорания 13 поступает гетерогенная смесь, состоящая из окислителя, паров и капель топлива различного диаметра. Пары топлива в смеси с окислителем воспламеняются и сгорают. Одновременно окислитель, поступая через завихритель 11 в камеру сгорания 13, приобретает вращательное движение и под действием центробежных сил движется вдоль внутренней поверхности конуса 20. В центре камеры сгорания образуется зона пониженного давления, в которую возвращается часть воспламененной смеси, истекающей из отверстий 16. Происходит воспламенение свежей смеси.After ignition and putting the device into operation, the combustion process occurs as follows. Through the opening 16, a heterogeneous mixture consisting of an oxidizing agent, vapors, and fuel droplets of various diameters enters the combustion chamber 13. Fuel vapors mixed with an oxidizing agent ignite and burn. At the same time, the oxidizing agent, entering through the swirler 11 into the combustion chamber 13, acquires a rotational movement and, under the action of centrifugal forces, moves along the inner surface of the cone 20. In the center of the combustion chamber, a zone of reduced pressure is formed, into which part of the ignited mixture flowing out of the holes 16 is returned. fresh mix.
Таким образом, завихритель и переходной конус служат стабилизатором (дежурным источником) пламени. Далее воспламененная смесь продвигается вдоль жаровой трубы. Из-за повышения температуры некоторая часть наиболее мелких капель топлива испаряется, затем перемешивается с чистым окислителем из первого ряда радиальных отверстий 7 жаровой трубы, воспламеняется и сгорает. Температура повышается, испаряется следующая часть капель топлива, на некоторой длине жаровой трубы происходит перемешивание смеси, затем подача чистого окислителя через следующий ряд радиальных отверстий и сгорание. Цикл работы повторяется до тех пор, пока не испарятся и не сгорят самые крупные капли топлива. Расстояние между рядами радиальных отверстий подобрано так, что одновременно происходит как повышение температуры за счет сгорания паров топлива, так и снижение температуры за счет испарения следующей порции капель топлива и за счет смешения с холодным окислителем.Thus, the swirler and the transition cone serve as a stabilizer (duty source) of the flame. Further, the ignited mixture advances along the flame tube. Due to the temperature increase, some of the smallest droplets of fuel evaporate, then mix with a clean oxidizer from the first row of radial openings 7 of the flame tube, ignite and burn. The temperature rises, the next part of the fuel droplets evaporates, the mixture mixes over a certain length of the flame tube, then the pure oxidizer is fed through the next row of radial openings and combustion. The cycle of work is repeated until the largest drops of fuel evaporate and burn out. The distance between the rows of radial holes is selected so that both an increase in temperature due to the combustion of fuel vapor and a decrease in temperature due to the evaporation of the next portion of droplets of fuel and due to mixing with a cold oxidizer occur simultaneously.
Как известно, сгорание смеси углеводородного топлива с окислителем происходит по двум основным законам: диффузному и турбулентному. При сгорании по диффузному закону скорость сгорания определяется теплопроводностью смеси топлива и окислителя. При организации процесса сгорания по турбулентному закону скорость сгорания существенно более высокая и определяется скоростью турбулентного массообмена в воспламененной смеси топлива и окислителя. В зоне выгорания топлива продольный поток продуктов неполного сгорания обтекает струи окислителя, подаваемого через радиальные отверстия. В результате высокой степени турбулентного массообмена на границе втекающих струй горючее выгорает вокруг струй с высокой скоростью и полнотой. Распространение пламени внутрь струи невозможно т.к. там нет горючего, оно происходит наружу по диффузному закону. При движении продуктов неполного сгорания после струй окислителя, поданного через радиальные отверстия, сгорание происходит с более низкой скоростью по диффузному закону. Основным процессом становится перемешивание продуктов сгорания с непрореагировавшим окислителем и испарение капель топлива, что приводит к уменьшению температуры. При такой организации процесса сгорания топлива количеством втекающего через радиальные отверстия окислителя, определяемого сечением, количеством радиальных отверстий и подобранным расстоянием между рядами отверстий вдоль всей камеры сгорания, удается достичь высокой полноты сгорания топлива при обеспечении безопасной температуры для трубопровода подачи абразива, расположенного в центре камеры сгорания и стенок самой камеры сгорания.As you know, the combustion of a mixture of hydrocarbon fuel with an oxidizing agent occurs according to two basic laws: diffuse and turbulent. During combustion according to the diffuse law, the combustion rate is determined by the thermal conductivity of the mixture of fuel and oxidizer. When organizing the combustion process according to the turbulent law, the combustion speed is significantly higher and is determined by the speed of turbulent mass transfer in the ignited mixture of fuel and oxidizer. In the zone of fuel burnout, a longitudinal stream of products of incomplete combustion flows around the jet of oxidizer supplied through radial openings. As a result of a high degree of turbulent mass transfer at the boundary of the inflowing jets, fuel burns out around the jets with high speed and completeness. Flame propagation inside the jet is not possible because there is no fuel, it goes out according to the diffuse law. During the movement of products of incomplete combustion after the jets of oxidizer supplied through radial openings, combustion occurs at a lower speed according to the diffuse law. The main process is mixing the combustion products with an unreacted oxidizing agent and the evaporation of fuel droplets, which leads to a decrease in temperature. With this organization of the fuel combustion process by the amount of oxidizing agent flowing through the radial holes, which is determined by the cross-section, the number of radial holes and the selected distance between the rows of holes along the entire combustion chamber, it is possible to achieve a high completeness of fuel combustion while ensuring a safe temperature for the abrasive supply pipe located in the center of the combustion chamber and walls of the combustion chamber itself.
В качестве топлива могут использоваться различные виды жидких углеводородных горючих материалов, например керосин, дизельное топливо или их смеси. Для обеспечения высокой полноты сгорания осуществляют регулировку степени распыления топлива. Более легкое топливо, например керосин, быстрее испаряется и требует меньшей степени распыления, т.е. преобладает крупная размерная фракция капель. Тяжелые топлива, например дизельное, менее летучие и требуют высокой степени распыления. Степень распыления определяется величиной относительной скорости топлива и окислителя в зоне выходного среза форсунки. При расположении выходного среза форсунки с небольшим выступанием из кольцевого зазора распылительной камеры относительная скорость максимальна и соответственно максимальна степень распыления. При углублении выходного среза форсунки внутрь распылительной камеры относительная скорость падает и уменьшается степень распыления. Экспериментально установлено, что для различных видов топлива выступание выходного среза форсунки внутрь распылительной камеры должно составлять 0,2-1,5 мм.As the fuel, various types of liquid hydrocarbon combustible materials can be used, for example kerosene, diesel fuel or mixtures thereof. To ensure high completeness of combustion, the degree of atomization of the fuel is adjusted. Lighter fuels, such as kerosene, evaporate faster and require less atomization, i.e. a large size fraction of droplets prevails. Heavy fuels such as diesel are less volatile and require a high degree of atomization. The degree of atomization is determined by the relative speed of the fuel and oxidizer in the area of the nozzle exit cut. When the nozzle exit section is located with a small protrusion from the annular gap of the spray chamber, the relative speed is maximum and, accordingly, the maximum degree of spraying. When the nozzle exit cut is deepened inside the spray chamber, the relative speed drops and the degree of spraying decreases. It has been experimentally established that for different types of fuel, the protrusion of the nozzle exit cut into the spray chamber should be 0.2-1.5 mm.
Абразивная смесь это взвесь абразивных частиц в каком-либо газе. Условием устойчивого существования этой взвеси является наличие относительной скорости абразивных частиц и газа. Перемещение абразивных частиц в заданном направлении осуществляется потоком газа, имеющим скорость в заданном направлении, превышающую скорость абразивных частиц. Этот газ является транспортирующим для абразивной смеси. Таким образом, абразивная смесь характеризуется двумя скоростями: скоростью транспортирующего газа и скоростью абразивных частиц. Чем выше разница между этими скоростями, тем устойчивее смесь. Поэтому абразивная смесь подается в трубопровод 12 со скоростью транспортирующего абразив газа (например, воздуха), обеспечивающей бесперебойную подачу абразива в устройство, а в целях уменьшения потерь энергии на смешение потоков транспортирующего абразив газа и продуктов сгорания для выравнивания их скоростей в камере сгорания 13 установлен конфузор 8.An abrasive mixture is a suspension of abrasive particles in a gas. The condition for the stable existence of this suspension is the presence of a relative velocity of abrasive particles and gas. The movement of abrasive particles in a given direction is carried out by a gas stream having a speed in a given direction greater than the speed of the abrasive particles. This gas is a carrier for the abrasive mixture. Thus, the abrasive mixture is characterized by two speeds: the speed of the conveying gas and the speed of the abrasive particles. The higher the difference between these speeds, the more stable the mixture. Therefore, the abrasive mixture is fed into the pipe 12 at the speed of the gas transporting the abrasive (for example, air), which ensures uninterrupted supply of the abrasive to the device, and in order to reduce the energy loss for mixing the gas transporting the abrasive and combustion products, a confuser is installed in the combustion chamber 13 to equalize their velocities 8.
Разгон абразивных частиц происходит как в конической, дозвуковой 21, так и цилиндрической, сверхзвуковой 10 частях сопла 9. В конической части сопла разгон более эффективен, т.к. происходит при высоком давлении и соответственно при высокой плотности разгоняющего газа, но скорость разгоняющего газа невысока. При разгоне в цилиндрической, сверхзвуковой части скорость газа высока, но меньше его плотность. Таким образом, существует оптимальное соотношение размеров цилиндрической и конической частей ускоряющего сопла для обеспечения максимальной эффективности передачи кинетической энергии от продуктов сгорания к абразивным частицам.Acceleration of abrasive particles occurs both in the conical, subsonic 21, and cylindrical, supersonic 10 parts of the nozzle 9. In the conical part of the nozzle, acceleration is more effective, because occurs at high pressure and, accordingly, at a high density of the accelerating gas, but the speed of the accelerating gas is low. During acceleration in a cylindrical, supersonic part, the gas velocity is high, but its density is lower. Thus, there is an optimal ratio of the sizes of the cylindrical and conical parts of the accelerating nozzle to ensure maximum efficiency of the transfer of kinetic energy from the combustion products to abrasive particles.
Экспериментально установлено, что отношение длины цилиндрической части сопла L к его диаметру D должно находиться в пределах 2-4. При большей длине происходит потеря кинетической энергии абразивных частиц вследствие трения о стенки и существенно увеличивается износ сопла. Более короткая цилиндрическая часть ускоряющего сопла (L/D=2-3) используется для мелких абразивов, которые разгоняются быстрее (средний диаметр абразивных частиц 0,2-1,0 мм). Более длинная цилиндрическая часть ускоряющего сопла (L/D=3-4) используется для крупных абазивов (средний диаметр абразивных частиц более 1 мм). Входной конус сопла должен иметь такой угол, чтобы линии продолжения его образующих пересекали противоположные стенки цилиндрической части в точке, близкой к срезу сопла, т.е. α=(0,9÷1,1)2arctg (D/L). При таком угле входного конуса сопла абразивные частицы, которые в процессе разгона соприкасаются со стенками конической части сопла и движутся вдоль них, не могут достичь стенки цилиндрической части, что резко снижает износ сопла.It was experimentally established that the ratio of the length of the cylindrical part of the nozzle L to its diameter D should be in the range of 2-4. With a longer length, the kinetic energy of the abrasive particles is lost due to friction against the walls and nozzle wear is significantly increased. The shorter cylindrical part of the accelerating nozzle (L / D = 2-3) is used for small abrasives that accelerate faster (average diameter of abrasive particles is 0.2-1.0 mm). The longer cylindrical part of the accelerating nozzle (L / D = 3-4) is used for large abases (the average diameter of the abrasive particles is more than 1 mm). The nozzle inlet cone must have such an angle that the continuation lines of its generators intersect the opposite walls of the cylindrical part at a point close to the nozzle exit, i.e. α = (0.9 ÷ 1.1) 2arctg (D / L). At such an angle of the nozzle inlet cone, abrasive particles that, in the process of acceleration, come into contact with the walls of the conical part of the nozzle and move along them, cannot reach the wall of the cylindrical part, which drastically reduces the wear of the nozzle.
Как было отмечено выше, абразивные частицы должны нагреваться до температуры, обеспечивающей выгорание влагомаслянных загрязнений, но не приводить к размягчению и потере абразивных свойств. Возможно использование различных абразивных материалов (например, кварцевого песка, корунда), имеющих различную температуру плавления. Кроме того, более мелкие абразивные частицы нагреваются быстрее крупных. При обработке изделий необходимо обеспечивать заданную шероховатость поверхностей, что обеспечивается использованием абразива соответствующей размерной фракции. Для того чтобы не допустить перегрева, температуру абразивных частиц необходимо регулировать. Температуру частиц абразива регулируют за счет изменения времени нахождения в горячих продуктах сгорания, определяемого длиной пути абразива по камере сгорания и ускорительному соплу, т.е. регулировкой положения среза патрубка трубопровода для подачи абразива в камере сгорания. Изменение расстояния осуществляется выкручиванием или закручиванием резьбы патрубка в резьбе корпуса.As noted above, the abrasive particles must be heated to a temperature that ensures the burning of moisture-oil contaminants, but not lead to softening and loss of abrasive properties. It is possible to use various abrasive materials (for example, quartz sand, corundum) having different melting points. In addition, smaller abrasive particles heat faster than large ones. When processing products, it is necessary to provide a given surface roughness, which is ensured by the use of an abrasive of the corresponding size fraction. In order to prevent overheating, the temperature of the abrasive particles must be regulated. The temperature of the abrasive particles is controlled by changing the residence time in the hot combustion products, determined by the path length of the abrasive through the combustion chamber and the accelerator nozzle, i.e. adjusting the cutoff position of the pipe nozzle for feeding the abrasive in the combustion chamber. The distance is changed by twisting or twisting the thread of the nozzle in the thread of the housing.
Причем регулировка осуществляется в процессе работы, а контроль ведут по цвету и качеству частиц абразива (они не должны терять абразивных свойств, размягчаться и прилипать к поверхности обрабатываемой конструкции). Цвет свечения абразивных частиц должен быть ярко-красным. Отсутствие свечения или темно-красный цвет свидетельствует о недостаточном нагреве. Желтое свечение свидетельствует о перегреве частиц.Moreover, the adjustment is carried out during operation, and the control is carried out by the color and quality of the particles of the abrasive (they must not lose abrasive properties, soften and adhere to the surface of the workpiece). The glow color of the abrasive particles should be bright red. Lack of light or dark red color indicates insufficient heating. A yellow glow indicates overheating of the particles.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003108405/02A RU2234407C1 (en) | 2003-03-27 | 2003-03-27 | Method and device for thermoabrasive treatment of surfaces |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003108405/02A RU2234407C1 (en) | 2003-03-27 | 2003-03-27 | Method and device for thermoabrasive treatment of surfaces |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2234407C1 true RU2234407C1 (en) | 2004-08-20 |
| RU2003108405A RU2003108405A (en) | 2005-01-10 |
Family
ID=33414194
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003108405/02A RU2234407C1 (en) | 2003-03-27 | 2003-03-27 | Method and device for thermoabrasive treatment of surfaces |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2234407C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2494020C1 (en) * | 2012-05-05 | 2013-09-27 | Александр Абрамович Часовской | Aircraft |
-
2003
- 2003-03-27 RU RU2003108405/02A patent/RU2234407C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2494020C1 (en) * | 2012-05-05 | 2013-09-27 | Александр Абрамович Часовской | Aircraft |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2003108405A (en) | 2005-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5283985A (en) | Extreme energy method for impacting abrasive particles against a surface to be treated | |
| EP0049915B1 (en) | Highly concentrated supersonic liquified material flame spray method and apparatus | |
| US4431403A (en) | Burner and method | |
| US5520334A (en) | Air and fuel mixing chamber for a tuneable high velocity thermal spray gun | |
| EP0124146A1 (en) | Method and apparatus for fuel combustion with low NOx, soot and particulates emission | |
| US5071068A (en) | Atomizer | |
| US7101266B2 (en) | Abrasive blasting device | |
| KR20150140659A (en) | Burner for submerged combustion melting | |
| JPH085018A (en) | Liquid fuel atomizer having small angle of atomization for combustion | |
| EP0163776A2 (en) | Highly concentrated supersonic flame spray method and apparatus with improved material feed | |
| CN101490473B (en) | Burner and method for the alternate implementation of oxycombustion and aerocombustion | |
| US5681162A (en) | Low pressure atomizer | |
| RU2234407C1 (en) | Method and device for thermoabrasive treatment of surfaces | |
| US5531590A (en) | Shock-stabilized supersonic flame-jet method and apparatus | |
| RU2724069C1 (en) | Low-thrust rocket engine on non-self-inflammable liquid fuel and gaseous oxidant | |
| RU2338638C2 (en) | Method of thermo abrasive treatment and machine "castor" for its implementation | |
| JPS5710011A (en) | Combustion method and device therefore | |
| US8455056B1 (en) | Rapidly-mixing high velocity flame torch and method | |
| RU2222420C1 (en) | Nozzle tool of apparatus for abrasive-jet treatment of surface | |
| RU2167756C2 (en) | Method for thermoabrasive working of surfaces and apparatus for its embodiment | |
| RU2806459C1 (en) | Device for thermal abrasive treatment of surfaces of products and materials | |
| RU2158197C1 (en) | Method for mechanical treatment, mainly stone facing, of buildings and device for production of hot gaseous working medium in the form of supersonic stream used in the method | |
| Gorlach | High velocity thermal gun for surface preparation and treatment | |
| CN108700287B (en) | Method for injecting particulate solid fuel and oxidant and injector therefor | |
| WO2001081045A1 (en) | Materials treatment apparatus and process |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050328 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190328 |