УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УЛУЧШЕННОГО СМЕШИВАНИЯ ПРИ ОСЕВОЙ ИНЖЕКЦИИ В ПИСТОЛЕТЕ-ТЕРМОРАСПЫЛИТЕЛЕ
DEVICE AND METHOD OF IMPROVED MIXING IN AXIAL INJECTION IN THERMAL SPRAYER GUN

Область изобретения
Изобретение в целом относится к улучшенным устройствам - термораспылителям, предназначенным, в частности, для распыления исходного материала коаксиально с выходящим потоком нагретого газа.
Описание предшествующего уровня техники
Термпораспыление может в целом быть описано как метод нанесения покрытия, при котором порошок или иной исходный материал подается в поток газа с повышенной энергией - нагретого, находящегося в движении или отвечающего обоим этим требованиям. Исходный материал улавливается потоком газа с повышенной энергией, от которого он получает тепловую и/или кинетическую энергию. Исходный материал с повышенной энергией затем подается на поверхность, к которой он прилипает и отвердевает, формируя относительно толстый термораспыленный слой повторным нанесением относительно тонких слоев.
Было предварительно установлено, что в случае нескольких вариантов применения термораспыления распыление исходного материала по оси в поток нагретого газа представляет определенные преимущества по сравнению с другими методами распыления сырья. Обычно исходный материал подается в поток газа по преимуществу в радиальном направлении, то есть в направлении, по существу перпендикулярном направлению потока. Радиальное впрыскивание является общепринятым, поскольку оно обеспечивает эффективное перемешивание частиц в выходящем потоке, и, таким образом, частицам передается энергия за короткий промежуток времени. Так, для плазмы, малые расстояния распыления и высокая тепловая нагрузка требуют быстрого перемешивания и эффективного теплообмена для процесса, обеспечивающего нужное качество напыления. Осевое распыление может предоставить преимущества перед радиальным распылением из-за высокого потенциала в области выдерживания линейности и направления движения частиц сырья при осевом впрыскивании. Другие преимущества включают в себя размещение частиц в центральном районе исходящего потока, где плотность энергии - наивысшая, таким образом, частицы могут приобрести наибольшую энергию. И, в конце концов, осевое впрыскивание меньше нарушает исходящий поток, чем обычное радиальное впрыскивание.
Таким образом, у многих пистолетов, предназначенных для термораспыления, осевое распыление исходного материала предпочтительнее для распыления частиц. При этом используется несущий газ и распыление в нагретый газ, и/или газ, движущийся с большой скоростью, который в данном описании характеризуется как выходящий газ.
Выходящий газ может находиться в виде плазмы, нагретой электрическим путем, газа, нагретого в результате сгорания, холодного распыляемого газа или в виде комбинации упомянутых видов газа. Энергия передается от выходящего газа к частицам в потоке газа. В соответствии с природой двухфазного потока, это смешивание и последующая передача энергии ограничены в осевых потоках и требуется, чтобы два потока, выходящий и несущий частицы, находились вместе некоторое время и прошли достаточное расстояние для того, чтобы пограничный слой между двумя потоками разрушился и, таким образом, произошло бы смешивание. Во время прохождения этого расстояния энергия теряется в окружающую среду при помощи теплообмена, а также происходит трение. В результате эффективность снижается. Многие термораспылительные пистолеты, использующие осевое впрыскивание, поэтому имеют длину больше обычной, чтобы произошло указанное смешивание и последующая передача энергии.
Эти ограничения на смешивание несущего частицы носителя и выходящего потока становятся еще больше, если среда, несущая частицы, является жидкостью, и во многих случаях приходится избегать использования жидкости в термораспылительных пистолетах с осевым смешиванием. Для технологии впрыскивания жидкости пульверизация при помощи газа с образованием потока мелких частиц жидкости помогает в смешивании жидкости с выходящим потоком и позволяет использовать впрыскивание жидкости, однако и этот способ требует определенного расстояния, с тем чтобы газовый поток, поток мелких частиц и выходящий поток смешивались и участвовали бы в передаче энергии. Этот способ также приводит к определенной турбулизации потоков.
Попытки улучшить смешивание, такие как неоднородность потока и бомбардировка мелкими частицами, также приводят к появлению турбулентности. Радиальное впрыскивание, обычно используемое в процессах термического смешивания, таких как проводимые с применением плазмы, чтобы обеспечить смешивание на коротком расстоянии, также приводит к турбулизации потоков, смешивающихся под прямым углом. Фактически, наиболее приемлемые способы впрыскивания, которые обеспечивают быстрое смешивание - способы принудительной турбулизации потоков и способы, улучшающие смешивание. Турбулентность позволяет разрушить пограничный слой между потоками, после чего может иметь место смешивание.
Дополнительная турбулентность часто приводит к непредсказуемому переносу энергии между выходящим потоком и потоком, несущим частицы, если сравнивать постоянное распределение потоков в течении и вариации в распределении потоков, что влияет на передачу энергии. Турбулентность является хаотическим процессом и вызывает образование вихрей различного размера. Наибольшая кинетическая энергия турбулентного движения соответствует элементам большого размера. Энергия имеет «ступеньки» между крупноразмерными элементами благодаря инерционному и фактически невязкому механизму. Этот процесс приводит к образованию все более мелких вихрей, образуя их иерархию. Окончательно этот процесс создает достаточно мелкие структуры, чтобы важными стали силы молекулярной диффузии и окончательно имела место вязкая диссипация энергии. Масштаб, при котором это происходит, называется размером Колмогорова. При этом турбулентность приводит к превращению части кинетической энергии в тепловую энергию. Результатом является процесс, при котором образуется больше тепловой энергии, чем кинетической, для передачи частицам, при этом эффективность данных устройств снижается. В случае наличия более одного турбулентного потока процесс усложняется, а результат его становится непредсказуемым.
Турбулентность также повышает потери энергии в окружающую среду, потому что турбулентность имеет результатом снижение скорости по крайней мере части пограничного слоя выходящего потока, и, таким образом, усиливается передача энергии в окружающую среду, а также вязкость внутри потока влияет на него, когда поток заключен между стенками. При потоке в трубе потеря давления в ламинарном потоке пропорциональна скорости потока, в то время как для турбулентного потока потеря давления пропорциональна квадрату скорости потока. Это - хорошая иллюстрация для масштаба потерь энергии в окружающую среду и за счет внутреннего трения.
Таким образом, остается необходимость улучшений в области изобретения, с тем чтобы найти улучшенный способ и устройство для обеспечения быстрого смешивания впрыскиваемого по оси материала для пистолета - термораспылителя, а также обеспечения ограничения возникновения турбулентности в потоках.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описываемое изобретение представляет улучшенные устройство и способ для обеспечения смешивания подаваемых по оси частиц в несущем потоке с нагретым и/или ускоренным выходящим потоком без ввода существенной турбулентности как в выходящий, так и в несущий поток. В качестве примера изобретения используется устройство-термораспылитель, использующий в качестве распылителя сопло с шевронным краем. Для данного применения термин шевронный край означает любой неровный край сопла.
Один из вариантов осуществления изобретения предлагает способ для выполнения термораспыления (где, для целей описания изобретения, термин «процесс термораспыления» может означать также холодное распыление). Способ включает шаги по нагреву и/или ускорению выходящего газа, с тем чтобы образовать выходящий поток газа высокой скорости; подаче потока, несущего частицы через канал осевого впрыскивания в выходящий поток газа, при этом канал осевого впрыскивания имеет ряд шевронных выступов, расположенных на дальнем конце коаксиального осевого канала и соударение смешанного потока с подложкой для образования покрытия.
В ином примере осуществления изобретение представляет собой устройство для термораспыления, которое включает в себя средство для нагрева и/или ускорения выходящего потока газа, канал распыления, предназначенный для создания осевого потока, несущего частицы в указанном выходящем потоке газа, причем канал распыления имеет ряд шевронных выступов, образованных на дальнем конце указанного канала распыления и сопло, соединенное по текучей среде средством нагрева и/или ускорения и указанным каналом впрыскивания.
Еще в одном примере изобретения представлено термораспыляющее устройство, которое включает в себя средство для ускорения газа и образует выходящий поток газа, канал впрыскивания, предназначенный для создания осевого потока в указанном выходящем потоке газа, причем указанный канал впрыскивания имеет ряд шевронных выступов, образованных на дальнем конце указанного канала распыления и сопло, соединенное с указанными средствами для нагрева и/или ускорения и указанного канала расширения.
Еще в одном примере осуществления изобретения имеется канал осевого впрыскивания для термораспылительного пистолета. Канал впрыскивания включает в себя цилиндрическую трубу, имеющую вход и выход. Указанный вход сконструирован таким образом, что осуществляется прием потока жидкости, проходящего через указанную трубу, а указанный выход имеет ряд шевронных выступов, расположенных радиально по окружности указанного выхода.
Дополнительные преимущества изобретения будут описаны в последующем описании. Они будут очевидны, исходя из описания, или могут быть более ясными из практики осуществления изобретения. Преимущества изобретения могут быть получены при помощи средств и их комбинаций, описанных ниже.
КОРОТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сопровождающие чертежи включены в описание изобретения для его лучшего понимания и составляют часть настоящего описания. Они иллюстрируют примеры осуществления изобретения и вместе с описанием служат для разъяснения принципов изобретения.
На чертежах:
на фиг.1 приведена схема пистолета термического распыления для использования в варианте настоящего изобретения;
на фиг.2 приведена схема с вырезом, на которой показана камера сгорания и выходное сопло термораспылительного пистолета в соответствии с примером осуществления изобретения;
на фиг.3 показана схема обыкновенного удаленного конца канала осевого впрыскивания;
на фиг.4 приведена детальная схема удаленного конца канала осевого впрыскивания с включением шевронных выступов в соответствии с примером осуществления изобретения;
на фиг.5 приведена детальная схема конца канала осевого впрыскивания с включением шевронных выступов в соответствии с другим примером осуществления изобретения;
на фиг.6 показано изменение пограничной зоны между двумя потоками на расстоянии прохождения потоков из сопла в соответствии с примером осуществления изобретения;
на фиг.7 показана схема скоростей потока частиц без использования шевронных выступов;
на фиг.8 показана схема скоростей потока частиц с использованием не отклоненных шевронных выступов в соответствии с вариантом осуществления изобретения; а также
на фиг.9 показана схема скоростей потока частиц с использованием отклоненных на 20 градусов наружу шевронных выступов в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Здесь будут детально описаны возможности осуществления настоящего изобретения, примеры которого проиллюстрированы на прилагаемых чертежах.
На фиг.1 приведена схема типичного термораспылительного пистолета 100, который может быть выполнен в соответствии с настоящим изобретением. В пистолет включен корпус 102, который, в свою очередь, включает линию подачи горючего газа 104 и линию подачи кислорода (или иного газа) 106. Линия подачи горючего газа 104 и линия подачи кислорода 106 поступают в смесительную камеру 108, где топливо и кислород смешиваются и поступают в камеру сгорания 110 через набор каналов 112, которые обычно расположены радиально вокруг канала осевого впрыскивания исходного материала и несущего газа 114. Корпус пистолета 102 также включает линию подачи исходного материала и несущего газа 116. При этом линия подачи исходного материала и несущего газа открывается в камеру сгорания 110 с каналом осевого впрыскивания 114, обычно выровненным вдоль оси выходного сопла 118 термораспылительного пистолета 100.
1
2
Во время работы смесь кислорода с горючим газом поступает в камеру сгорания через каналы 112. Одновременно исходный материал и несущий газ выходят из канала осевого распыления 114. Смесь кислорода с горючим газом поджигается в камере сгорания и ускоряет подачу исходного материала в направлении выходного сопла 118. Надлежащее смешивание двух потоков - подожженный газ, выходящий из радиальных каналов 112, обозначенный как F, и поток несущего газа/исходного материала из канала осевого впрыскивания 114, обозначенный как F, - влияет на эффективность процесса термораспыления. Смешивание потоков исходного материала и подогретого газа и последующая передача энергии могут быть оптимизированы при использовании сопла с шевронными выступами в канале осевого впрыскивания 114.
В варианте осуществления изобретения, согласно фиг.1, линия подачи горючего газа 104, линия подачи кислорода 106, камера смешивания 108 и камера сгорания 110, а также набор каналов 112 могут применяться для ускорения потока выходящего газа. Другие процессы термораспыления могут использовать иные компоненты и газы, предназначенные для ускорения потока выходящего газа, которые также применимы к данному изобретению. Варианты осуществления настоящего изобретения применимы к широкому диапазону термораспылительных процессов, в которых используется или может быть использовано осевое впрыскивание. Примеры процессов, в которых может использоваться настоящее изобретение, включают (но не ограничиваются этим): холодное впрыскивание, впрыскивание с пламенем, впрыскивание высокоскоростного кислородного топлива (HVOF), высокоскоростного жидкого топлива (HVLF), высокоскоростного воздушного топлива (HVAF), дуговое впрыскивание, плазменное впрыскивание, детонационное впрыскивание с использованием пистолета, а также гибридное впрыскивание, включающее один или более процессов термовпрыскивания. Несущие газы - типичные, используемые в термовпрыскивающих пистолетах, включающие следующие газы (но не ограниченные ими): аргон и азот, которые содержат типичные частицы для термораспыления различных размеров - от приблизительно одного мкм до более 100 мкм в зависимости от процесса. Одним из преимуществ данного изобретения, которое имеет причиной улучшенное смешивание, - это применение в процессе больших массовых расходов частиц, поскольку улучшенное смешивание увеличивает теплообмен при меньших потерях энергии. Жидкие носители, содержащие частицы или раствор исходного материала или жидкий предшественник также улучшают работу при улучшенном смешивании. В особенности эти преимущества заметны при использовании потока газа, образующегося непосредственно перед выходным каналом осевого распыления.
1
2
На фиг.2 показан схематический вид суживающейся камеры 110 и расширяющегося выходного сопла 118 пистолета холодного распыления. Канал осевого впрыскивания 114 показан с рядом шевронных выступов 120 на дальнем конце канала, образующем выход. Каждый из шевронных выступов имеет по существу треугольную форму. Шевронные выходы расположены радиально и в некоторых вариантах осуществления изобретения расположены через равные промежутки по окружности дальнего конца канала осевого впрыскивания 114. Введение шевронных выступов в канал осевого впрыскивания 114 улучшает смешивание двух потоков F и F при их встрече. Энергия выходящего потока, проходящего через камеру 110 и ускоряющегося в сопле 118, лучше передается при помощи термических и кинетических параметров от выходящего потока несущему потоку и потоку частиц при использовании указанных шевронных выступов.
На фиг.3 представлен вид дальнего конца обычного канала осевого впрыскивания. В противоположность этому, на фиг.4 представлен вид дальнего конца канала 114 осевого впрыскивания, включающего четыре шевронных выступа 120, в соответствии с вариантом воплощения данного изобретения. В некоторых вариантах исполнения изобретения каждый шевронный выступ 120 имеет по существу треугольную форму и продолжает канал осевого впрыскивания 114. В соответствии с вариантом, представленным на фиг.4, каждый выступ 120 по существу параллелен стенке канала осевого впрыскивания 114, к которому он присоединен. Другое исполнение, показанное на фиг.5, включает шевронные выступы, которые расширяются, искривлены, отогнуты или иным способом направлены наружу относительно поверхности, определяющей дальний конец канала осевого впрыскивания 114.
Другое исполнение включает шевронные выступы, которые сужаются, искривлены, отогнуты или иным способом направлены внутрь относительно поверхности, определяющей дальний конец канала осевого впрыскивания 114. Углы наклона выступов могут достигать до 90 градусов внутрь или наружу. При этом они улучшают смешивание, причем предпочтительный угол наклона может лежать в пределах от 0 до 20 градусов. Углы наклона большие 20 градусов, хотя и обеспечивают лучшее смешивание, могут образовывать нежелательные завихрения и возможную турбулентность в зависимости от относительной скорости потока и плотности среды.
Хотя на фиг.5 показаны шевронные выступы, расположенные равномерно, возможны также другие варианты изобретения с несимметрично расположенными выступами, которые соответствуют несимметричной форме термопистолета, компенсирующей закручивание потока, которое часто имеет место у термораспылительных пистолетов или по другой причине, определяющей асимметричность конструкции. В иных вариантах изобретения могут использоваться другие формы и расположение выступов по сравнению с показанными на фиг.4 и 5. Для целей настоящей заявки термин «сопло с шевронными выступами» может включать любые неравномерно организованные по окружности формы сопла. Не ограничиваемые данным описанием примеры включают в себя выступы прямоугольной формы, наклонные выступы, выступы в виде полукруга и так далее. Для целей настоящей заявки все эти формы выступов объединены под названием «выступ» или «шевронный выступ». В иных вариантах осуществления изобретения толщина стенки каждого выступа уменьшается по направлению к его краю.
Практически любое количество выступов может использоваться для помощи в смешивании. Четыре шевронных выступа 120, 130 показаны на фиг.4 и 5 соответственно. Для большинства применений идеальным является число выступов от 4 до 6. Однако для некоторых вариантов осуществления изобретения может использоваться как меньшее, так и большее число выступов без отклонения от формулы настоящего изобретения. Для распылительного термопистолета, показанного на фиг.2, число выступов на дальнем крае канала осевого впрыскивания 114 может совпадать с числом радиальных каналов впрыскивания 112, чтобы соблюдать симметрию в потоке для обеспечения равномерного и предсказуемого смешивания в камере сгорания 110.
2
1
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
В некоторых вариантах осуществления изобретения выступы, показанные на различных фигурах, по существу равномерно продолжают канал осевого впрыскивания. В других вариантах выступы могут соединяться с существующими каналами впрыскивания, например, механически. При этом могут использоваться, например, зажимы, полосы, сварные швы, заклепки, винты либо иные механические приспособления, используемые в технике. Хотя обычно выступы изготавливаются из того же материала, что и канал осевого впрыскивания, не обязательно применять те же самые материалы. Выступы могут быть изготовлены из множества материалов, известных в технике, которые подходят для расходов, температур и давлений, при которых работает канал осевого впрыскивания. На фиг.6 представлены схематические сечения, рассчитанные на компьютере, распрыскиваемого потока распылительного термопистолета в качестве варианта исполнения данного изобретения. Внизу показан боковой вид сопла 218 и канала осевого впрыскивания 114, а выше приведены поперечные сечения 204а, 204b, 204c, 204d выходящего и несущего потоков в различных точках. В соответствии с фиг.6, когда несущий частицы поток F и нагретый и/или ускоряющийся выходящий поток F достигнут выступов 120, разница физических характеристик, таких как давление, плотность и т.п., приведет к тому, что граница между потоками будет отклоняться от первоначального сечения, показанного как сечение 202, которое первоначально будет цилиндрическим, как определяется формой канала осевого впрыскивания 114. Далее сечение будет иметь форму цветка или звездочки, как показано в сечении 204а. При этом площадь контакта между потоками F и F будет увеличиваться. Разница давлений, которая существует между потоками F и F, вызовет радиальное ускорение потока с повышенным давлением - либо выходящего F, либо несущего F- в зависимости от дифференциала давлений, пока поток идет вдоль шевронных выступов для выравнивания давления. Это радиальное ускорение также будет искажать движение потока вокруг выступа для выравнивания давления также над выступом. Как показано в последующих поперечных сечениях 204b, 204c и 204d, эта форма в виде звездочки будет распространяться, по мере того как потоки F и Fдвижутся вместе, далее увеличивая площадь границы между потоками Fи F. Поскольку смешивание потоков зависит от площади их границы, увеличение площади контакта ведет к улучшению смешивания, как проиллюстрировано на фиг.6. Использование отклоненных внутрь или наружу выступов увеличивает эффект смешивания, поскольку увеличивается разница давления между потоками, что приводит к более быстрому образованию и степени выраженности формы границы между ними. Выступы могут быть наклонены внутрь или наружу в зависимости от относительных качеств двух потоков и желательного эффекта.
2
1
Формы выходного распыляющего сопла, показанные на фиг.3, 4 и 5, были смоделированы для пистолета с холодным распылением, аналогичного показанному на фиг.2. На фиг.7 показаны результаты динамического расчета среды (ДРС) впрыскиваемого потока частиц для осевого впрыскивания частиц процесса холодного распыления, показанного на фиг.2, без использования шевронных выступов, как показано на фиг.3. На фиг.8 показаны результаты ДРС для осевого впрыскивания частиц процесса холодного распыления, показанного на фиг.2, с использованием шевронных выступов, как показано на фиг.4, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Применение ДРС к осевому впрыскиванию пистолета с холодным распылением показывает значительное улучшение смешивания потока носителя с частицами F и нагретого и/или ускоренного выходящего потока F и улучшение передачи энергии выходящего газа непосредственно частицам исходного материала. На фиг.7 получающиеся скорости частиц и ширина распыления меньше получающихся скоростей частиц и ширины распыления, показанных на фиг.8, как результат улучшенного смешивания, вызванного добавлением шевронных выступов. Далее, на фиг.9 показаны результаты ДРС для осевого впрыскивания частиц процесса холодного распыления, показанного на фиг.2, с использованием шевронных выступов с отклонением наружу, как показано на фиг.5, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.9, скорости частиц возросли даже более чем в случае применения прямых шевронных выступов (см. фиг.8), обеспечивая более полный обмен энергией между выходящим газом и частицами при применении шевронных выступов с отклонением наружу. Таким образом, применение выступов и еще более в случае выступов с отклонением увеличивает среднюю скорость частиц и обеспечивает более полное проникновение частиц в выходящий поток.
Введение шевронных выступов в каналы осевого впрыскивания может улучшить любой процесс термораспыления, использующий осевое впрыскивание. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения применимы для осевых потоков жидкости, несущих частицы, а также потоков газа, несущих частицы. В ином исполнении могут смешиваться два потока несущих частиц. Еще в одном варианте исполнения изобретения два или более газовых потока могут смешиваться в последовательно расположенных каналах осевого впрыскивания с дополнительной ступенью для подмешивания потока, несущего частицы. Еще в одном варианте исполнения изобретения выступы могут быть применены к каналу ввода выходящего газа, входящего в камеру под наклоном, если выполнить один или более шевронных выступа на ведущем крае канала, когда он входит в камеру выходящего газа.
В другом исполнении поток, смешиваемый в соответствии с настоящим изобретением, может быть выпущен в окружающий воздух, в среду с низким давлением, в вакуум или в контролируемую атмосферу. Также поток, смешиваемый в соответствии с настоящим изобретением, может иметь любую температуру, подходящую для процесса термовпрыскивания.
Любой специалист, сведущий в данной области техники, может предусмотреть улучшение устройства или предложить форму выступов, отличную от треугольной. Данное устройство может работать с любым распылительным термопистолетом, используя осевое впрыскивание для введения газа, несущего частицы, а также для введения жидкости, дополнительного выходящего газа, а также газа, способного к реакции.
Дополнительные преимущества и модификации может предложить любой инженер, сведущий в настоящей области техники. Поэтому данное изобретение в своих более широких аспектах не ограничивается конкретными деталями, показанными и описанными в данной заявке. Соответственно, может быть сделано много усовершенствований без отклонения от основной концепции изобретения, описанной в формуле изобретения.