устройство для нанесения металлического покрытия

Формула изобретения

Устройство для нанесения металлического покрытия, содержащее материальный патрубок, головку для распределения топливовоздушной смеси на основной и вспомогательный потоки, закрепленный на этой головке цилиндрический кожух с патрубками подачи окислителя и горючего, установленную коаксиально цилиндрическому кожуху регенеративную трубу, соединенную с головкой одним торцом жаровую трубу с радиальными отверстиями, установленный на материальном патрубке завихритель, имеющий винтовые каналы на наружной поверхности для сообщения внутренней полости жаровой трубы и полости регенеративной трубы, и сверхзвуковое сопло, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительной камерой смешения, размещенной внутри завихрителя и выполненной в виде эллипсовидной в сечении торообразной полости, установленным на выходе дополнительной камеры смешения коническим соплом с кольцевой эжекционной насадкой, размещенной эквидистантно коническому соплу с зазором относительно завихрителя, коническим кожухом с насадкой, закрепленной на открытом срезе сверхзвукового сопла и выполненной с коническим кольцевым каналом по периферии сверхзвукового сопла, стенки жаровой трубы в части, примыкающей к сверхзвуковому соплу, выполнены с наклонными каналами, а на внутренней поверхности завихрителя выполнены дополнительные винтовые каналы, направленные встречно внешним винтовым каналам и соединяющие канал подачи вспомогательного потока топливовоздушной смеси с дополнительной камерой смешения, при этом конструктивные размеры устройства определяют по следующим зависимостям:

L (15,8 16,8)D,

где L расстояние от вертикальной оси дополнительной камеры смешения до горловины сверхзвукового сопла, мм;

D диаметр горловины сверхзвукового сопла, мм,

d d₀ (1,1 1,2)D,

где d и d_o соответственно наружный и внутренний диаметры тороидальной плоскости дополнительной камеры смешения, мм,

а (0,6 0,7)D,

где а малая ось элемента поперечного сечения тороидальной полости дополнительной камеры смешения, мм;

₁ = (0,08 0,1)D,

₂ = (0,13 0,15)D,

где ₁ и ₂ определяются при = 15 18^o и при следующих соотношениях:

r/D 0,3 0,4;

l/r 0,6 0,7,

где ₁ - расстояние от нижнего среза конической эжекционной насадки до открытого торца завихрителя, мм;

₂ - расстояние от верхнего среза конической эжекционной насадки до верхнего среза конического сопла, мм;

- угол наклона образующей конической эжекционной насадки конического сопла к оси устройства;

r радиус кривизны наружного /внутреннего/ желобов открытого торца завихрителя, мм;

l расстояние от центра сферической поверхности наружного (внутреннего) кольцевидного желоба завихрителя до открытого торца завихрителя, мм;

D диаметр горловины сверхзвукового сопла, мм;

d²₂ - d²₁ = (3,0-3,3)D²

d²₄ - d²₃ = (4,8-5,2)D²,

где d₁, d₂ соответственно внутренний и наружный диаметры входа эжекционной насадки, мм;

d₃, d₄ соответственно внутренний и наружный диаметры выхода эжекционной насадки, мм,

при

n 2, S₁ (0,01 0,02)S²,

где S площадь горловины сверхзвукового сопла, мм²;

S₁ площадь проходного сечения дополнительного винтового канала, мм²;

n количество дополнительных винтовых каналов, шт,

при

L₃ (1,3 1,8)m,

где L₃ длина образующей внутренней цилиндрической поверхности завихрителя с дополнительными винтовыми каналами, м;

m шаг винта дополнительных винтовых каналов, мм,

d₀ (0,14 0,25)D,

d₀ определяется при = 50 60^o,

p 0,35m _общ.к, m_общ.к. 60 шт.

и при следующих зависимостях:



L_жт (9 11)D,

где d_o диаметр наклонного канала (радиального отверстия), мм;

- угол наклона оси наклонного канала к оси устройства, град.

N число рядов наклонных каналов и радиальных отверстий, шт.

L_жт длина жаровой трубы, мм;

m_общ.к. общее количество наклонных каналов и радиальных отверстий;

Р количество наклонных каналов, шт,

d²₆ - d²₅ = (0,76-0,78)D²,

d²₈ - d²₇ = (0,23-0,25)D²,

при d₉/D 1,6 1,8,

= 9 11,

где d₅, d₆ внутренний и наружный диаметры входа конического кольцевого канала, мм;

d₇, d₈ внутренний и наружный диаметры выхода конического кольцевого канала, мм;

d₉ средний диаметр выхода конического кольцевого канала, мм;

- угол наклона образующей конического кольцевого канала к оси устройства, град.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике нанесения покрытий и используется для нанесения металлических защитно-декоративных покрытий на поверхности металлических и железобетонных конструкций.

Наиболее близким из известных является устройство для нанесения металлического покрытия, содержащее материальный патрубок, головку для распределения топливовоздушной смеси на основной и вспомогательный потоки, закрепленный на этой головке цилиндрический кожух с патрубками подачи окислителя и горючего, установленную коаксиально цилиндрическому кожуху регенеративную трубу, соединенную с головкой одним торцом жаровую трубу с радиальными отверстиями, установленный на материальном патрубке завихритель, имеющий винтовые каналы на наружной поверхности для сообщения внутренней полости жаровой трубы и полости регенеративной трубы, и сверхзвуковое сопло [1]

Потоки топливовоздушной смеси, вытекающие в полость жаровой трубы из радиальных отверстий, недостаточно эффективны как при охлаждении этой трубы, так и при отжимании напыляемого материала от внутренних поверхностей стенки жаровой трубы и сверхзвукового сопла для предотвращения оседания металлических частиц. Применяемое в устройстве принудительное охлаждение сверхзвукового сопла топливовоздушной смесью неэффективно из-за отсутствия развитой наружной поверхности сопла, а также в связи с тем, что температура этой смеси при подходе к соплу уже повышена (больше температуры окружающего воздуха) за счет предварительного контакта смеси с раскаленной поверхностью регенеративной трубы.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы устройства путем улучшения смесеобразования, а также охлаждения сверхзвукового сопла жаровой трубы.

Это достигается тем, что в устройстве для нанесения металлического покрытия, содержащем материальный патрубок, головку для распределения топливовоздушной смеси на основной и вспомогательный потоки, закрепленный на этой головке цилиндрический кожух с патрубками подачи окислителя и горючего, установленную коаксиально цилиндрическому кожуху регенеративную трубу, соединенную с головкой одним торцом жаровую трубу с радиальными отверстиями, установленный на материальном патрубке завихритель, имеющей винтовые каналы на наружной поверхности для сообщения внутренней полости жаровой трубы и полости регенеративной трубы, и сверхзвуковое сопло согласно изобретению устройство снабжено дополнительной камерой смешения, размещенной внутри завихрителя и выполненной в виде эллипсовидной в сечении торообразной полости, установленным на выходе дополнительной камеры смещения коническим соплом с кольцевой эжекционной насадкой, размещенной эквидистантно коническому соплу с зазором относительно завихрителя, коническим кожухом с насадкой, закрепленной на открытом срезе сверхзвукового сопла и выполненной с коническим кольцевым каналом по периферии сверхзвукового сопла, стенки жаровой трубы в части, примыкающей к сверхзвуковому соплу, выполнены с наклонными каналами, а на внутренней поверхности завихрителя выполнены дополнительные винтовые каналы, направленные встречно винтовым каналам и соединяющие канал подачи вспомогательного потока топливовоздушной смеси с дополнительной камерой смещения, при этом конструктивные размеры устройства определяют по следующим зависимостям:

L (15,8-16,8)D, мм,

где L расстояние от вертикальной оси дополнительной камеры смещения до горловины сверхзвукового сопла, мм; D диаметр горловины сверхзвукового сопла, мм.

d d₀ (1,1-1,2), мм,

где d и d₀ соответственно, наружный и внутренний диаметры тороидальной полости дополнительной камеры смешения, мм.

a (0,6-0,7)D, мм,

где a малая ось эллипса поперечного сечения тороидальной полости дополнительной камеры смещения, мм:



₁ и ₂ определяются при =1518 и при следующих отношениях:



где ₁ расстояние от нижнего среза конической эжекционной насадки до открытого торца завихрителя, мм;

₂ расстояние от верхнего среза конической эжекционной насадки до верхнего среза конического сопла, мм;

угол наклона образующей конической эжекционной насадки (конического сопла) к оси устройства, град;

r радиус кривизны наружного (внутреннего) желоба открытого торца завихрителя, мм;

l-расстояние от центра сферической поверхности наружного (внутреннего)кольцевого желоба завихрителя до открытого торца завихрителя, мм;



где d₁, d₂-соответственно, внутренний и наружный диаметры входа конической эжекционной насадки, мм;

d₃, d₄ соответственно, внутренний и наружный диаметры выхода конической эжекционной насадки, мм;

При числе дополнительных винтовых каналов и внешних винтовых каналов завихрителя по 2 шт. площадь проходного сечения дополнительного винтового канала S₁ выражается зависимостью:

S₁ (0,01-0,02)S, мм²,

где S площадь горловины сверхзвукового сопла, мм²;

L_з (1,3-1,8)m, мм,

где L_з длина образующей внутренней цилиндрической поверхности завихрителя с дополнительными винтовыми каналами, мм;

m шаг винта дополнительных винтовых каналов, мм;

d_k (0,14-0,25)D, мм

d_k определяется при =(5060) m_общ.к. (58-62) шт; p 0,35m_общ.к. и при следующих зависимостях:



где d_к-диаметр наклонного канала (радикального отверстия), мм;

угол наклона оси наклонного канала к оси устройства, град;

N число рядов наклонных каналов и радиальных отверстий, шт.

L_ж.т. длина жаровой трубы, мм;

m_общ.к общее количество наклонных каналов и радиальных отверстий, шт.

P количество наклонных каналов, шт.

при

где d₅, d₆ соответственно, внутренний и наружный диаметры входа конического кольцевого канала, мм;

d₇, d₈ внутренний и наружный диаметры выхода конического кольцевого канала, мм;

d₉ средний диаметр выхода конического кольцевого канала, мм;

угол наклона образующей конического кольцевого канала к оси устройства, град.

На фиг. 1 представлено устройство для нанесения металлического покрытия (общий вид); на фиг. 2 завихритель (аксонометрическое изображение); на фиг. 3 устройство для нанесения металлического покрытия (фрагмент).

Устройство для нанесения металлического покрытия содержит материальный патрубок 1 для подачи напыляемого материала, жаровую трубу 2 с радиальными отверстиями 3 и наклонными каналами 4. Угол b наклонного канала 4 к оси устройства составляет 50 60^o. Жаровая труба 2 сообщена одним концом со сверхзвуковым соплом 5 с горловиной 6; на наружной поверхности сверхзвукового сопла 5 выполнены ребра охлаждения 7. Расстояние "a" от торца материального патрубка 1 до горловины 6 сверхзвукового сопла 5 определяют, также как и большинство других конструктивных параметров устройства, относительно основного параметра устройства диаметра "D" горловины 6 сверхзвукового сопла 5; это расстояние описывается выражением b (4-5)D, мм. Диаметр d_к наклонного канала 4 (радиального отверстия 3) определяют из соотношения d_к (0,14-0,15)D, мм.

При общем числе наклонных каналов 4 и радиальных отверстий 3 m_общ.к (58-62) шт и угле =(5060), число наклонных каналов 4 "p" составляет p 0,35m_общ.к, а число рядов наклонных каналов 4 и радиальных отверстий 3 "N" определяется выражением



где

L_ж.т. длина жаровой трубы 2, мм, в свою очередь

L_ж.т. (9-11)D, мм.

Расстояние "c" от первого ряда наклонных каналов 4 до торца жаровой трубы 2, обращенной к сверхзвуковому соплу 5, составляет:



Другим концом жаровая труба 2 соединена с завихрителем 8, снабженным осевым каналом 9, через который проходит материальный патрубок 1. На открытой торцевой части завихрителя 8, выполнены наружный и внутренний желобы (без позиций) для плавного изменения направления завихрителя 8, соответственно, d_з.в. и d_з.н. связаны с диаметром горловины 6 сверхзвукового сопла 5 зависимостью

d²_з.н.-d²_з.в.= (1,41,6)D², мм².

В завихрителе 8 размещена дополнительная камера смешения 10 топливовоздушной смеси в виде торообразной камеры эллипсоидного сечения с выходящим в жаровую трубу 2 коническим соплом 11 кольцевой формы. Конструктивные параметры дополнительной камеры смешения 10 определяют по следующим зависимостям:

L (15,8-16,8)D, мм;

d d₀ (1,1-1,2)D, мм;

a (0,6-0,7)D, мм.

Угол наклона образующей конического сопла 11 к оси устройства составляет 15-18^o, а внутренний и наружный диаметры входа конического сопла 11, соответственно d_вн.к.вх и d_н.к.вх и внутренний и наружный диаметры выхода конического сопла 11, соответственно, d_в.к.в. и d_н.к.в. связаны с диаметром D горловины сверхзвукового сопла 5 следующими зависимостями:



Эквидистантно наружной поверхности конического сопла 11 с зазором относительно него размещена коническая эжекционная насадка 12, соединенная с коническим соплом 11 при помощи шпилек (без позиций).

Конструктивные параметры конической эжекционной насадки 12 определяют по следующим соотношениям:



Расстояние "e" от открытого торца материального патрубка 1 до верхнего среза конической эжекционной насадки 12 определяют из соотношения e (11-13)D, мм.

Внутренний и наружный диаметры входа эжекционной насадки 12, соответственно, d₁ и d₂ и внутренний и наружный диаметры выхода эжекционной насадки 12, соответственно, d₃ и d₄ связаны с диаметром горловины сверхзвукового сопла 5 зависимостями:



На внутренней поверхности осевого канала 9 завихрителя 8 и на внешней цилиндрической поверхности завихрителя 8 выполнены направленные встречно друг другу, соответственно, дополнительные винтовые каналы 13 и внешние винтовые каналы 14, связывающие линии подачи топливовоздушной смеси с дополнительной камерой смешения 10 топливовоздушной смеси. Площади проходных сечений дополнительных винтовых каналов 13 и внешних винтовых каналов 14, при числе каналов по 2 шт. каждого, связаны с площадью горловины 6 сверхзвукового сопла 5 S зависимостями:

S₁ (0,01-0,02)S, мм²;

S₂ (0,04-0,08)S, мм²,

где S₁ площадь проходного сечения дополнительного винтового каканла 13, м²;

S₂ площадь проходного сечения внешнего винтового канала 14, мм².

Длина "L_з" образующей внутренней цилиндрической поверхности завихрителя 8 с дополнительными винтовыми каналами 13 относительно шага винта "m" этих каналов составляет L_з (1,3-1,8)m, мм.

Устройство снабжено регенеративной трубой 15, расположенной коаксиально кожуху 16 и жаровой трубе 2 соответственно с зазорами 17 и 18. Кожух 16 и регенеративная труба 15 прикреплена к распределительной головке 19, выполненной в виде катушки и образующей вместе с кожухом 16 топливораспределительную камеру 20, которая сообщена с прикрепленными на кожухе 16 патрубками 21 и 22 подачи соответственно горючего и окислителя. На участке патрубка 21 подачи горючего, расположенного в полости распределительной головки 19, выполнены в сторону сверхзвукового сопла с торцевым отверстием 24.

Топливораспределительная камера 20 соединена с кольцевой камерой смешения 25 образованной распределительной головкой 19, материальным патрубком 1 и завихрителем 8, посредством радиального канала 26, выполненного в распределительной головке 19 напротив торцевого отверстия 24 в патрубке 21 подачи горючего. Кольцевая камера смешения 25 соединена с дополнительной камерой смешения 10 посредством дополнительных винтовых каналов 13 завихрителя 8. Свободный конец регенеративной трубы 15 установлен с зазором 27 по отношению к коническому кожуху 28, образующему совместно с жаровой трубой 2 и сверхзвуковым соплом 5 с ребрами охлаждения 7 камеру охлаждения. Торцевая часть конического кожуха 28, обращенная к завихрителю 8 выполнена цилиндрической, снабжена радиальной щелью 29 и прикрепляется при помощи резьбового соединения со свободным концом жаровой трубы 2 и при помощи накидной гайки 30 с кожухом 16. Накидная гайка 30 снабжена воздушным штуцером (без позиции), соединенным при помощи металлорукава с воздушным вентилятором 31, установленном на патрубке 22 подачи окислителя, другая торцевая часть конического кожуха 28, размещенная в зоне среза сверхзвукового сопла 5, снабжена кольцевой выточкой для размещения среза сверхзвукового сопла 5 и коническим кольцевым каналом 32, состоящим из двух частей соединенных между собой шпильками (без позиции) конического кольцевого канала 32. Угол наклона осевой конического кольцевого канала 32 к оси устройства составляет (9-11)^o. Внутренний и наружный диаметры входа конического кольцевого канала 32 соответственно, d₅ и d₆ внутренний и наружный диаметры выхода этого канала 32, соответственно, d₇ и d₈ и средний диаметр d₉ выхода конического кольцевого канала 32 связаны с диаметром D горловины 6 сверхзвукового сопла 5 следующими зависимостями:



Все металлические теплонапряженные детали устройства: материальный патрубок 1, жаровая труба 2, сверхзвуковое сопло 5, завихритель 8, коническая эжекционная насадка 12, изготавливаются из жаростойких нержавеющих сплавов, например, остальные детали из сплавов, стойких к агрессивным средам.

Устройство изготавливают с габаритными показателями и массой, соответствующими параметрам широко применяемых в технике пистолетов для напыления металлов (электрометаллизаторам) и обработки поверхности с помощью абразивных материалов (дробе- и пескоструйные пистолеты), а именно длиной 240-320 мм, массой 1,1-1,5 кг. Диаметр горловины 6 сверхзвукового сопла 5 составляет 10-16 мм, а диаметр жаровой труды 2 35-46 мм.

Устройство работает следующим образом. По патрубкам 21 и 22 горючее (керосин) и окислитель (сжатый воздух) поступают в топливораспределительную камеру 20. При этом горючее разделяется на два потока вспомогательный и основной. Первый, вспомогательный, поток горючего, вытекая из торцевого отверстия 24 патрубка 21 и, обжимаемый потоком окислителя, через радиальный канал 26 распределительной головки 19 поступает в кольцевую камеру смещения 25, где происходит перемешивание и горючего и окислителя с образованием топливовоздушной смеси. Далее топливовоздушная смесь по дополнительным винтовым каналам 13 завихрителя 8 поступает в торообразную эллипсоидную в сечении дополнительную камеру смешения 10. При прохождении топливовоздушной смеси по дополнительным винтовым каналам 13 завихрителя 8 происходит ее закручивание и перемешивание с образованием однородной смеси.

Второй основной поток горючего, вытекая из бокового отверстия 23 патрубка 21 подачи горючего попадает в топливораспределительную камеру 20, где смешивается с окислителем, образуя поток, разворачивается и движется в обратном направлении по зазору 18 к завихрителю 8. При этом часть топливовоздушной смеси поступает в полость жаровой трубы 2 через выполненные в ее стенке наклонные каналы 4 (15%)и через радиальные отверстия (20%). Другая часть топливовоздушной смеси (65%) по наружным винтовым каналам 14 завихрителя 8 попадает в дополнительную камеру смешения 10 в виде потока, закрученного встречно потоку, выходящему в эту же камеру из дополнительных винтовых каналов 13. Проходные сечения наклонных каналов 4 и радиальных отверстий 3 выбраны с учетом обеспечения необходимой скорости и дальности впрыска топливовоздушной смеси в движущийся поток, интенсивного перемешивания потока и его устойчивого горения. Кроме того, поток топливовоздушной смеси, подаваемый по наклонным каналам 4, способствует более интенсивному, по сравнению с потоком смеси из радиальных отверстий 3, охлаждению жаровой трубы 2 и сверхзвукового сопла 5, а также препятствует оседанию напыляемого материала на внутреннюю поверхность сверхзвукового сопла 5.

В дополнительной камере смешения 10 завихрителя 8 за счет торообразной конструкции происходит взаимодействие двух противоположно направленных потоков топливовоздушной смеси и их эффективное смешение благодаря более продолжительному течению процесса смешения с турбулентной диффузией. Из дополнительной камеры смешения 10 топливовоздушная смесь через коническое сопло 11 попадает в полость жаровой трубы 2 со скоростью примерно равной скорости распространения пламени. В процессе горения топливовоздушной смеси часть ее, находящаяся у открытого торца завихрителя, где обычно наблюдаются застойные зоны, попадает в зазор между коническим соплом 11 и конической эжекционной насадкой 12. При этом происходит интенсивное смешивание продуктов сгорания и топливовоздушной смеси, что в конечном итоге способствует интенсификации горения. Высокотемпературные продукты сгорания, проходя через горловину 6 сверхзвукового сопла 5, приобретают скорость звука. После выхода устройства на режим работы по материальному патрубку 1 механизмом подачи подают напыляемый материал в виде проволоки или порошка в полость жаровой трубы 2. В этой полости напыляемый материал подвергается воздействию высокотемпературного скоростного потока продуктов сгорания, который нагревает его и сообщает аэродинамическое ускорение. Частицы напыляемого материала пролетают, проходя полость жаровой трубы 2, на высокой скорости, не успевают расплавиться и выходят из сверхзвукового сопла 5 в тугопластичном состоянии (их температура в 2 2,5 раза ниже температуры плавления). На выходе из сверхзвукового сопла 5 формируется двух- компонентная струя, состоящая из частиц напыляемого материала и продуктов сгорания. С большой энергией струя воздействует на обрабатываемую поверхность и при соударении частиц напыляемого материала с поверхностью происходит их оплавление и внедрение в обработанную поверхность, предварительно нагретую воздействующей на нее струей. Частицы напыляемого материала образуют на поверхности плотное покрытие с высокой адгезией.

При эксплуатации устройства, после выхода его на режим работы, включают приспособление для охлаждения горелки и повышения эффективности использования напыляемого материала. С этой целью для подачи окислителя в приспособление открывают воздушный вентиль 31. Окислитель по металлорукаву подводится к камере охлаждения и через радиальную цель 29 попадает во внутреннюю полость конического кожуха 28, охлаждая часть жаровой трубы 2, примыкающей к сверхзвуковому соплу 5. Далее окислитель, проходя по винтовому каналу, образованному ребрами охлаждения 7, сверхзвуковым соплом 5 и коническим кожухом 28 выходит, охлаждая сверхзвуковое сопло, через конический кольцевой канал 32 в зоне среза этого сопла. При этом нагретый окислитель обжимает двухкомпонентную струю, вытекающую из сверхзвукового сопла 5, повышая коэффициент использования частиц, а также снижает теплоотдачу двухкомпонентной струи в окружающую среду, повышая в конечном итоге качество напыляемого покрытия.