Газопламенная горелка для сверхзвукового напыления покрытий

 

Использование: изобретение относится к установкам для нанесения покрытий, а именно к конструкциям горелок для сверхзвукового газопламенного напыления покрытий, и может быть использовано для повышения надежности работы горелки за счет исключения попадания частиц порошка на стенки проточного тракта. Сущность изобретения: патрубок установлен с образованием между его торцом и срезом сопла осевого зазора, сообщенного с магистралью подачи порошка. Согласно дополнительным пунктам внутренняя поверхность патрубка выполнена с уступом и увеличением площади проходного сечения патрубка на нем и имеет за срезом сопла до уступа последовательно размещенные промежуточный цилиндрический и выходной расширяющийся, аза уступом - выходной цилиндрический участок. Внутренняя поверхность патрубка до промежуточного цилиндрического участка имеет несколько дополнительных цилиндрических участков разного диаметра, при этом участки большего диаметра чередуются с участками меньшего диаметра. Внутренняя поверхность патрубка перед промежуточным цилиндрическим участком имеет входной сужающийся участок. Внутренняя поверхность входного служающего участка выполнена в виде чередующихся конических и цилиндрических участков. Внутренняя поверхность патрубка до входного сужающегося участка имеет начальный цилиндрический участок. Внутренняя поверхность патрубка за расширяющимся выходным участком до уступа дополнительно имеет один или несколько последовательно расположенных цилиндрических расширяющихся и сужающихся участков. На боковой стенке патрубка на промежуточном участке и/или на входном сужающемся участке со стороны проточного тракта по окружности выполнены выступы. 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

Полезная модель относится к установкам для нанесения покрытий, а именно к конструкциям горелок для сверхзвукового газопламенного напыления покрытий.

Известна горелка газопламенная для сверхзвукового напыления покрытий, содержащая камеру сгорания с соплом, магистраль подачи порошка в поток продуктов сгорания, и патрубок, установленный за срезом сопла с образованием с последним единого проточного тракта, поверхность которого имеет излом в месте расположения среза сопла, принятая за прототип (смотри например авторское свидетельство СССР 1291215, МКИ В 05 В 7/20, опубл. в 1987 г.). Однако это устройство наряду с преимуществами, присущими ему вследствие использования для разгона частиц сверхзвуковой струи, что позволяет обеспечить повышенные скорости частиц порошка и тем самым улучшить характеристики напыляемого покрытия, имеет и ряд недостатков, которые ограничивают его использование. Большинство из этих недостатков обусловлены прежде всего принятой в данном устройстве схемой подачи порошка, а именно вводом частиц непосредственно в камеру сгорания в дозвуковой поток. При такой схеме ввода порошка частицы будут попадать на стенки камеры сгорания и сопла, что может вызвать их налипание на стенках и эрозионный износ последних с одной стороны и изменение площади проточного тракта в критическом сечении сопла, с другой. Эрозия уменьшает ресурс и надежность работы горелки, а налипание частиц на стенках будет приводить к периодическому отрыву от налипшего слоя конгломератов частиц, их выносу потоком на поверхность покрываемого изделия и ухудшению качества покрытия. Изменение площади проточного тракта вызывает нарушение режима работы горелки, вплоть до выхода ее из строя, и поэтому рассматриваемая схема ввода порошка в поток продуктов сгорания может быть использована только для горелок с относительно большими диаметрами критического сечения сопла, что существенно ограничивает их область использования вследствие больших потребных расходов компонентов топлива для реализации требуемого режима работы горелки.

Цель изобретения - повышение надежности работы горелки за счет исключения попадания частиц порошка на стенки проточного тракта.

Указанная цель достигается тем, что в горелке газопламенного напыления покрытия содержащей камеру сгорания со сверхзвуковым соплом, магистраль подачи порошка в потоке продуктов сгорания и патрубок, установленный за срезом сопла с образованием с последним единого проточного тракта, причем поверхность, ограничивающая проточный тракт имеет излом в месте расположения среза сопла, патрубок установлен с образованием между его торцем и срезом сопла осевого зазора, сообщенного с магистралью подачи порошка.

При этом внутренняя поверхность патрубка выполнена с уступом и увеличением площади проходного сечения патрубка на нем и имеет за срезом сопла до уступа последовательно размещенные промежуточный цилиндрический и выходной расширяющийся, а за уступом - выходной цилиндрический участки.

Внутренняя поверхность патрубка до промежуточного цилиндрического участка может иметь несколько дополнительных цилиндрических участков разного диаметра, чередующихся между собой.

Перед промежуточным участком внутренняя поверхность патрубка может иметь входной сужающийся участок, а перед последним начальный цилиндрический участок. Кроме того, внутренняя поверхность патрубка за расширяющимся выходным участком до уступа может иметь один или несколько последовательно расположенных расширяющихся или сужающихся участков, а на боковой стенке патрубка со стороны проточного тракта на промежуточном цилиндрическом И/ИЛИ входном сужающимся участках могут быть выполнены выступы. Внутренняя поверхность сужающихся и расширяющихся участков может быть конической, а поверхность сужающегося участка может быть выполнена в виде чередующихся конических и цилиндрических участков.

На фиг.1 представлена схема горелки; на фиг.2, фиг.3, 4, 5, 6, 7 - варианты выполнения патрубка; на фиг.8 - схема течения продуктов сгорания внутри патрубка; на фиг. 9 и 10 - соответственно разрезы А-А и Б-Б на фиг. 3.

Горелка газопламенная для сверхзвукового напыления покрытий содержит камеру сгорания 1 со сверхзвуковым соплом 2, магистраль 3 подачи порошка в поток продуктов сгорания, и патрубок 4, устанавливаемый за срезом 5 сопла 2 с образованием с последним единого проточного тракта 6, причем поверхность, ограничивающая проточный тракт 6, имеет излом 7 в месте расположения среза 5 сопла 2. Патрубок 4 установлен с образованием между его торцем 8 и срезом 5 сопла 2 осевого зазора 9, сообщенного с магистралью 3 подачи порошка. Внутренняя поверхность патрубка 4 выполнена с уступом 10 и увеличением площади проходного сечения патрубка 4 на нем, и имеет за срезом 5 сопла 2 до уступа выходной расширяющийся участок 11, и за уступом выходной цилиндрический 12 участки. До выходного расширяющегося участка 11 выполнен промежуточный цилиндрический участок 13, а перед последним могут быть выполнены несколько дополнительных цилиндрических участков большего 14 и меньшего 15 диаметра, чередующихся между собой. Перед промежуточным цилиндрическим участком 13 может быть выполнен входной сужающийся участок 16, а перед последним - начальный цилиндрический участок 17. Внутренняя поверхность патрубка 4 за выходным расширяющимся участком 11 может иметь несколько последовательно расположенных цилиндрических 18, сужающихся 19 или расширяющихся 20 участков. Кроме того, на боковой стенке патрубка 4 со стороны проточного тракта 6 на промежуточном цилиндрическом 13 И/ИЛИ входном сужающимся 16 участках могут быть выполнены выступы 21, а вокруг осевого зазора 9 может быть размещен кольцевой коллектор 22, сообщенный с магистралью 3. Внутренняя поверхность входного сужающегося участка 16 может быть выполнена в виде чередующихся конических 23 и цилиндрических 24 участков. Кроме того, на фиг.8 поз. 25, 26, 27 и 28 обозначены формирующиеся в патрубке 4 скачки уплотнения.

Горелка работает следующим образом.

В камеру сгорания 1 подается топливная смесь, в качестве которой могут быть использованы, например, керосин - кислород, пропан (ацетилен) - кислород (воздух) и т.д. После воспламенения и сгорания топливной смеси продукты сгорания разгоняются в сопле 2 до сверхзвуковых скоростей, в патрубке 4 по магистрали 3 через зазор 9 в поток продуктов сгорания вводится порошок, частицы которого далее потоком разгоняются, нагреваются и подаются на изделие для формирования на нем покрытия. Как уже было указано выше, одной из основных проблем, от решения которой зависит как надежность работы горелки, так и качество получаемого покрытия, является проблема исключения (либо сведения к минимуму) взаимодействия частиц со стенками проточного тракта. Решение этой задачи достигается следующим образом. При обтекании сверхзвуковым потоком излома 7 на нем формируется система косых скачков уплотнения (здесь и далее для простоты, но без искажения физических основ процесса показан только один скачок) 25. Вектор скорости потока после прохождения скачки 25 изменяет свое направление по отношению к вектору скорости до скачка 25 (здесь и на всех фигурах символами VBar₁ и VBar₂ обозначены скорости потока до и после скачка уплотнений вне зависимости от местоположения скачка по длине патрубка 4), в результате чего появляется радиальная составляющая скорости VBar_r, направленная к оси потока. Поскольку частицы порошка вводятся в поток за изломом 7 (в направлении к выходу из проточного тракта 6), то они будут захватываться потоком и переноситься в его центральную зону, что существенно снизит вероятность попадания частиц на стенки патрубка 4. Весьма важным представляется также и то, что при разгоне и нагреве частиц порошка центральной части потока будет полно использоваться энергия продуктов сгорания, поскольку периферийные участки струи вследствие торможения о стенку и отвода в нее тепла имеют более низкие (по отношению к центральной области потока) скорость и температуру. Выполнение вокруг осевого зазора 9 кольцевого коллектора 22 позволяет более равномерно распределить частицы порошка по окружности и тем самым обеспечить более однородную их концентрацию по поперечному сечению потока. Для снижения вероятности попадания частиц на стенки патрубка 4 и более полного перераспределения частиц порошка из периферийной зоны потока в его центральную область патрубка 4 может иметь специальным образом спрофилированную внутреннюю поверхность. Так на фиг.2-7 представлены возможные ее выполнения. Внутренняя поверхность трубопровода 4 перед уступом 10 может иметь выходной расширяющийся 11 участок, на котором будет иметь место расширение потока и частичное восстановление его скорости после того, как поток затормозится в косом скачке уплотнения при обтекании излома 7 на промежуточном цилиндрическом участке 13. Изменение длины последнего позволяет дополнительно без изменения газодинамических параметров потока увеличить время пребывания частиц порошка в нем и тем самым повысить их скорость и температуру. На входном сужающемся участке 16 поток будет дополнительно разворачиваться к центру, увлекая частицы порошка в том же направлении. Поскольку сверхзвуковой поток при течении на сужающемся участке будет тормозиться, то наличие за участком 16 промежуточного цилиндрического 13 и выходного расширяющегося участков 11 будет способствовать восстановлению скорости потока, поскольку при обтекании границы между участками 16 и 13 поток будет расширяться и разгоняться (аналогично тому, как это имеет место при обтекании тупого угла), и попадая далее на выходной расширяющийся участок 11, дополнительно ускоряться. Выполнение на внутренней поверхности патрубка 4 уступа 10 позволяет сформировать на нем интенсивный скачок уплотнения 28, проходя через который поток приобретает дополнительную радиальную составляющую скорости, направленную к его центру, что приведет к переносу частиц к оси потока аналогично тому, как это имеет место при переходе потока через скачок уплотнения 25. Выполнение за участком 11 двух цилиндрических участков 18, сужающихся участков 19 и расширяющихся участков 20 позволяет дополнительно развернуть частицы порошка к центру потока, поскольку при обтекании потоком границы между участками 20 и 18 картина течения будет аналогична той, которая имеет место при обтекании потоком излома 7 (с формированием на границе косых скачков уплотнения 26 и 27), а при попадании потока после участка 18 на сужающийся участок 19 частицы будут дополнительно отжиматься к центру потока. При выполнении между цилиндрическими участками 18 расширяющегося участка 20 поток на нем будет дополнительно ускоряться, а после него на цилиндрическом участке 18 разворачиваться к центру при прохождении через косой скачок уплотнения 26, формирующийся на границе между участками 18 и 20. Выполнение выступов 21 на внутренней стенке патрубка 4 (на входном сужающемся 16 и/или промежуточном цилиндрическом 13, а также выполнении внутренней поверхности входного сужающегося участка 16 в виде чередующихся конических 23 и цилиндрических 24 участков позволяет дополнительно внести возмущения в поток, и тем самым обеспечить более равномерное распределение частиц порошка по поперечному сечению потока. Наличие перед входным сужающимся участком 16 начального цилиндрического участка 17 дает возможность дополнительно развернуть частицы порошка к центру потока, а выполнение перед промежуточным цилиндрическим участком 13 дополнительных цилиндрических участков 14 и 15 большего и меньшего диаметров, чередующихся между собой, дает возможность сформировать в потоке сложную систему косых скачков уплотнения и воздействовать тем самым на распределение частиц порошка по поперечному сечению потока.

Варьируя длиной, степенью расширения и сужения участков и их взаимным положением, можно в широких пределах менять распределение частиц по поперечному сечению потока, их скорость и температуру и тем самым существенно расширить диапазон использования горелки как по применяемым порошкам и материалам, из которых могут быть выполнены покрываемые изделия, так и по характеристикам самого покрытия.

Формула изобретения

1. ГАЗОПЛАМЕННАЯ ГОРЕЛКА ДЛЯ СВЕРХЗВУКОВОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ, содержащая камеру сгорания со сверхзвуковым соплом, магистраль подачи порошка в поток продуктов сгорания и патрубок, установленный за срезом сопла с образованием с последним единого проточного тракта, причем поверхность, ограничивающая проточный тракт, имеет излом в месте расположения среза сопла, отличающаяся тем, что патрубок установлен с образованием между его торцом и срезом сопла осевого зазора, сообщенного с магистралью подачи порошка.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность патрубка выполнена с уступом и увеличением площади проходного сечения патрубка на нем и имеет за срезом сопла до уступа последовательно размещенные промежуточный цилиндрический и выходной расширяющийся, а за уступом - выходной цилиндрический участки.

3. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность патрубка до промежуточного цилиндрического участка имеет несколько дополнительных цилиндрических участков разного диаметра, при этом участки большего диаметра чередуются с участками меньшего диаметра.

4. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность патрубка перед промежуточным цилиндрическим участком имеет входной сужающийся участок.

5. Горелка по п.4, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность входного сужающегося участка выполнена в виде чередующихся конических и цилиндрических участков.

6. Горелка по п.4 или 5, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность патрубка до входного сужающегося участка имеет начальный цилиндрический участок.

7. Горелка по пп. 2 - 6, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность патрубка за расширяющимся выходным участком до уступа дополнительно имеет один или несколько последовательно расположенных цилиндрических расширяющихся и сужающихся участков.

8. Горелка по пп.3 - 7, отличающаяся тем, что на боковой стенке патрубка на промежуточном цилиндрическом участке и/или на входном сужающемся участке со стороны проточного тракта по окружности выполнены выступы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10