горелка для газопламенного напыления порошковых материалов

Формула изобретения

ГОРЕЛКА ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, содержащая узел смешения газов, каналы подвода газа и охладителя, мундштук с порошковым и газовыми каналами, камеру сгорания, соединенную с расширительным соплом и камеру охлаждения, аксиально охватывающую камеру сгорания и расширительное сопло, отличающаяся тем, что полость камеры охлаждения представляет собой сопло Лаваля, открытое со стороны выходного торца горелки и охватывающее своей расширяющейся частью камеру сгорания и расширительное сопло, а полость камеры сгорания и расширительное сопло выполнены в виде одного монотонно сужающегося к выходному торцу горелки канала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оборудования для газотермического нанесения покрытий, в частности к горелкам для напыления порошковых материалов газопламенным способом.

Важнейшими показателями, характеризующими свойства газотермических покрытий, являются их адгезионная прочность и пористость.

Известна горелка для порошкового газопламенного напыления, смонтированная в установке УГПУ, которая содержит узел смешивания газов, каналы подвода газов и мундштук с порошковым и газовыми каналами.

Основным недостатком этой горелки является низкая адгезионная прочность получаемых покрытий (до 100 кгс/см²) и относительно высокий уровень их пористости (до 30%), имеющие место вследствие того, что горелка может обеспечить сравнительно низкий уровень кинетической энергии расплавленных частиц в момент их соударения с поверхностью.

Более качественные покрытия позволяет получить горелка, которая содержит узел смешивания газов, каналы подвода газов и охладителя, мундштук с порошковым и газовыми каналами, камеру сгорания, переходящую в расширительное сопло и камеру охлаждения, аксиально охватывающую камеру сгорания и расширительное сопло.

Это техническое решение, наиболее близкое к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату, выбрано в качестве прототипа.

Величина адгезионной прочности покрытий, получаемых с помощью горелки-прототипа, достигает 1200 кгс/см² при пористости до 0,5%. Такой эффект достигается за счет того, что пламя с порошком, попадая в камеру сгорания, ускоряется до 1000 м/с, увеличивая при этом скорость движения расплавленных частиц. Высокий уровень кинетической энергии частиц, соударяющихся с поверхностью напыляемого объекта, обусловливает высокое качество покрытий, не требующих дальнейшего оплавления.

Однако данная горелка имеет неоправданно высокие расходы горючей смеси и охладителя на 1 кг напыляемого порошка, низкий коэффициент использования порошка при напылении и небезопасна в работе из-за повышенных давлений, подаваемых в узел смешения газов - кислород до 0,8 МПа, а горючий газ - до 0,4 МПа.

Перечисленные недостатки являются следствием совокупного действия выбранной в горелке-прототипе схемы охлаждения и конструкции камеры сгорания, предопределяющей для расплавляемых частиц порошка, необходимость преодоления газодинамического сопротивления длинного и узкого цилиндрического канала расширительного сопла.

Из вышеизложенного следует, что повышение экономичности горелки, обеспечивающей получение качественных покрытий, т.е. задача напыления таких покрытий возможно малыми расходами горючего газа, окислителя и охладителя, при возможно большем коэффициенте использования порошка, является на сегодняшний день актуальной задачей.

Целью изобретения является повышение экономичности работы горелки при сохранении качества получаемых с ее помощью покрытий.

Указанная цель достигается тем, что в горелке для газопламенного напыления порошковых материалов, содержащей узел смешения газов, каналы подвода газов и охладителя, мундштук с порошковым и газовыми каналами, камеру сгорания, переходящую в расширительное сопло и камеру охлаждения, аксиально охватывающую камеру сгорания и расширительное сопло, полость камеры охлаждения выполнена в виде сопла Лаваля, открытого со стороны выходного торца горелки и охватывающего своей расширяющейся частью камеру сгорания и расширительное сопло, а полость камеры сгорания и расширительное сопло выполнены в виде одного сужающегося к выходному торцу горелки канала.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема горелки.

Горелка содержит узел 1 смешения газов, каналы подвода горючего газа 2, окислителя 3 и охладителя 4, мундштук 5 с порошковым каналом 6 и газовыми каналами 7, камеру сгорания 8 с полостью 9, являющуюся объединенной полостью камеры сгорания и расширительного сопла и камеру охлаждения 10 с полостью 11.

Предлагаемая горелка работает следующим образом.

По каналам 2 и 3 горючий газ и окислитель после смешивания в узле 1 попадают в каналы 7 на выходе, из которых в полость 10 происходит воспламенение смеси; через канал 6 подается порошок, транспортируемый газом; далее движение пламени и порошка происходит в полости 9 камеры сгорания 8, где частицы порошка разгоняются за счет увеличения скорости пламени; в полость 11 камеры охлаждения 10 через каналы 4 подается охлаждающий газ, который, пройдя полость 11, свободно истекает из нее со стороны выходного торца горелки; расплавленные в полости 9 частицы порошка с большой скоростью вылетают из горелки и, соударяясь с поверхностью детали, образуют покрытие.

Открытая со стороны выходного торца горелки, сужающе-расширяющаяся конструкция камеры охлаждения, предполагая в качестве охладителя, омывающего наружную поверхность камеры сгорания 8 - газ (воздух, азот), позволяет повысить скорость этого омывания до сверхзвуковых величин в расширяющейся части полости 11 согласно законам газодинамики, причем степень сужения и расширения канала, обеспечивающего такой уровень скорости охладителя зависит от его температуры, давления и скорости на входе в полость 11.

Сверхзвуковая скорость струи газа-охладителя, концентрично охватывающей струю напыляемого порошка на выходе из горелки, предполагает возможность получения следующих положительных эффектов:

увеличение коэффициента теплоотдачи от внешней поверхности камеры сгорания в камеру охлаждения, по сравнению с прототипом, поскольку этот коэффициент почти прямо пропорционален скорости охладителя, и, как следствие этого, уменьшение потребного расхода охладителя; такая схема охлаждения существенно экономичнее, чем в горелке-прототипе, где скорость обтекания камеры сгорания водой не превышает 2 м/с, а, как известно, коэффициент теплоотдачи для воды при прочих равных условиях охлаждения примерно в 10³ раз выше, чем у воздуха, и, следовательно, расход охлаждающей воды, равный в горелке-прототипе 2700 кг/ч эквивалентен расходу 2700 м³/ч воздуха; при замене схемы охлаждения устройства прототипа на предлагаемую потребуется 90-120 м³/ч воздуха, т.е. почти на два порядка меньше;

возможность обжима струи с расплавленным порошком на участке свободного истечения по выходе ее из полости 9, что уплотняет поток и, следовательно, способствует повышению коэффициента использования порошка;

уменьшение, по сравнению с прототипом, теплоотвода от пламени в окружающую среду за счет уменьшения затормаживания пламени, что также обуславливает повышение коэффициента использования порошка и сокращение удельных расходов горючего газа и окислителя; в горелке-прототипе свободная струя пламени имеет скорость порядка 10³ м/с и контактирует с неподвижным воздухом, при этом рассогласование скоростей, определяющее коэффициент теплоотдачи от пламени к окружающему воздуху, равно скорости пламени; в предлагаемом устройстве скорость охладителя по выходе в атмосферу составляет 450-500 м/с, что практически в 2 раза снижает скорость рассогласования, существенно уменьшая затормаживание пламени. Однако, необходимые для эффективного охлаждения камеры сгорания горелки-прототипа по предлагаемой схеме охлаждения 90-120 м³/ч воздуха, попадая на напыляемую поверхность вызывают ее захолаживание и, следовательно, снижение качества получаемых покрытий (адгезионная прочность таких покрытий падает, а пористость возрастает).

Выполнение полости камеры сгорания и расширительного сопла в виде одного суживающегося к выходному торцу горелки канала обеспечивает возможность разрешения вышеуказанных противоречий между требованиями к экономичности создаваемой горелки и качеству получаемых с ее помощью покрытий;

предлагаемая конструкция полости 9 обеспечивает независимое снижение удельных расходов горючего газа и окислителя, причем их суммарный расход оказывается достаточным для расплавления потока напыляемых частиц и придания им необходимой для получения качественного покрытия скорости; это предполагает меньший разогрев камеры сгорания при работе предлагаемого устройства при том же расходе порошка, что и в горелке-прототипе, а это в свою очередь позволяет сократить расход охладителя до величин, влияние которых на качество покрытия практически равно нулю (в предлагаемом устройстве расход охладителя составляет 15-20 м³/ч).

Снижение удельных расходов газа и окислителя, а также давления горючей смеси, требующихся для создания критической скорости продуктов сгорания на выходе из горелки в предлагаемом устройстве достигается вследствие расширения продуктов сгорания с одновременным увеличением их скорости не только за счет сил трения, но, главным образом, за счет естественного расширения дозвукового потока в суживающемся канале.

Снижение давления в магистрали горючего газа повышает безопасность работы горелки: в данном устройстве для обеспечения эффективной работы достаточно, чтобы избыточное давление на выходе из мундштука составляло 0,1 МПа, при давлении окислителя на выходе в горелку - не выше 0,6 МПа, а горючего газа - 0,1 МПа. При этом имеется возможность подачи больших, по сравнению с прототипом, расходов порошка в камеру сгорания, поскольку снижение необходимого давления в магистрали горючего газа снижает образуемый этим газом подпор в месте поступления порошка в камеру сгорания.

По сравнению с горелкой-прототипом предлагаемая горелка позволяет снизить удельный расход горючей смеси газа в 2-3 раза, окислителя - в 4-7 раз, расход условного охладителя примерно в 100 раз, поднять коэффициент использования порошка при напылении на 10-15% и обеспечить уровень безопасности, который допускается при работе с оборудованием данного типа.