установка для сверхзвукового газопламенного напыления покрытий

Формула изобретения

1. УСТАНОВКА ДЛЯ СВЕРХЗВУКОВОГО ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ, содержащая камеру сгорания, охлаждаемое сверхзвуковое сопло с внутренней и наружной стенками, систему подачи горючего и окислителя в камеру сгорания, магистраль подвода порошка в поток продуктов сгорания, узел смешения последних с порошком ивтулку из теплопроводного материала с кольцевым наружным выступом на одном из торцов, примыкающую к срезу сопла с образованием с соплом единого проточного тракта при этом внутренняя стенка сопла выполнена из теплопроводного материала, имеет кольцевую наружную отбортовку на срезе сопла и спрофилирована в виде сопла Лаваля, наружная изготовлена в виде обечайки, охватывающей внутреннюю стенку с образованием между ними охлаждающего тракта, и соединена герметично с отбортовкой, поверхность, ограничивающая проточный тракт, в месте расположения среза сопла имеет излом, а втулка поджата выступом к отбортовке посредством гайки, отличающаяся тем, что в боковой стенке втулки за изломом со стороны выхода втулки выполнен поперечный сквозной канал, наружная стенка выведена за пределы отбортовки с образованием кольцевого пояска, гайка ввернута в поясок, а узел смешения порошка с потоком продуктов сгорания образован втулкой, для чего магистраль подвода порошка сообщена с каналом.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена кольцевым вкладышем с ребрами на наружной поверхности, а обечайка выполнена цилиндрической, при этом вкладыш размещен между обечайкой и соплом с контактом последних с ребрами.

3. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность втулки выполнена цилиндрической, а отношение внутреннего диаметра втулки к внутреннему диаметру сопла на срезе лежит в диапазоне 1,0 1,25.

4. Установка по п. 1 или 2, или 3, отличающаяся тем, что втулка подпружинена относительно гайки посредством пружины сжатия, установленной между гайкой и выступом втулки с частичным охватом последней.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для сверхзвукового напыления покрытий.

Известна установка для сверхзвукового напыления покрытий, содержащая охлажденную камеру сгорания с соплом, систему подачи горючего и окислителя в камеру сгорания и магистраль подвода порошка в поток продуктов сгорания [1]

Сверхзвуковое сопло выполнено по- лутепловым (разгон потока продуктов сгорания до скорости звука осуществляется на цилиндрическом участке сопла за счет подвода тепла к потоку, а перевод последнего через скорость звука на расширяющемся участке сопла), порошок вводится в дозвуковой поток, а камера сгорания охлаждается водой.

Несмотря на определенные достоинства установки (достаточно равномерное распределение частиц по поперечному сечению потока продуктов сгорания, высокая степень нагрева частиц порошка вследствие их большого времени пребывания в высокотемпературном дозвуковом потоке), она обладает и существенными недостатками. Прежде всего это высокая вероятность попадания частиц порошка на стенки сверхзвукового участка сопла (в силу появления на нем радиальной составляющей скорости потока, направленной к стенкам сопла), их напыление, после достижения определенной толщины слоя срыв потоком со стенки конгломератов из частиц порошка и их вынос на покрываемое изделие, что в конечном счете приводит к ухудшению качества покрытий. При этом следует указать и на эрозионное воздействие частиц порошка на стенки сопла. Однако конструктивные особенности установки таковы, что очистка тех или иных ее элементов или их замена для изменения, например, условий ввода частиц порошка, их распределения по поперечному сечению потока, разгона и нагрева (что требуется, в частности, в случае необходимости нанесения покрытий с существенно различными свойствами) требует разборки установки и замены всей камеры сгорания. Помимо указанных к недостаткам установок подобного типа следует отнести и то, что использование одного из весьма эффективных путей улучшения скоростных и энергетических параметров, а именно проведения процесса сгорания при высоких давлениях, затруднено, если вообще практически возможно, так как при повышении давления в камере сгорания в той же степени будет возрастать давление в емкости для хранения порошка (поскольку последний вводится непосредственно в дозвуковую часть потока), что потребует включения в состав установки специальной системы наддува емкости и существенного увеличения толщины ее стенок.

Для предотвращения эрозийнного воздействия частиц на стенки и обеспечения ввода порошка в зону пониженного (по отношению к атмосферному) давления предложен ряд установок, в которых порошок вводится в сверхзвуковую струю на ее свободном участке. Так, известна установка [2] для сверхзвукового напыления покрытий, содержащая камеру сгорания со сверхзвуковым соплом, систему подачи горючего и окислителя в камеру сгорания, магистраль подвода порошка в сверхзвуковой поток продуктов сгорания и узел смешения последних с порошком. Преимущество такой системы очевидно, исключено попадание порошка на стенки сопла и имеется возможность использования высокого давления в камере сгорания, поскольку порошок вводится в зону потока с давлением ниже атмосферного, что исключает создание в емкости с порошком избыточного давления. Однако недостатком установок подобного типа являются весьма большие энергетические затраты на разгон потока, что объясняется высокими потерями энергии, которые будут иметь место вследствие формирования на сверхзвуковом участке струи системы косых и прямых скачков уплотнения уже на расстоянии от среза сопла порядка нескольких диаметров потока. С другой стороны, недостатком подобного рода установок является то, что конфигурация возникающих скачков уплотнения такова, что в потоке при его переходах через скачки уплотнения будут иметь место радиальные составляющие скорости потока, направленные к его центру, так и к его периферии. И в результате поступление частиц порошка в центральную высокотемпературную зону потока будет практически отсутствовать, что приведет к снижению КПД установки в целом, так как при этом для нагрева и разгона частиц порошка не будет использована центральная часть потока, то есть та его часть, в которой и скорость потока, и его температура существенно выше, чем на периферии.

Известна установка [3] для газопламенного напыления покрытий, принятая за прототип, содержащая камеру сгорания, охлаждаемое сверхзвуковое сопло с внутренней и наружной стенками, систему подачи горючего и окислителя в камеру сгорания, узел смешения последних с порошком и втулку из теплопроводного материала с кольцевым наружным выступом на одном из торцев, примыкающую к срезу сопла с образованием с соплом единого проточного тракта, при этом внутренняя стенка сопла выполнена из теплопроводного материала, имеет кольцевую наружную отбортовку на срезе сопла и спрофилирована в виде сопла Лаваля, наружная изготовлена в виде обечайки, охватывающей внутреннюю стенку с образованием между ними охлаждающего тракта, и соединена герметично с отбортовкой, поверхность, ограничивающая проточный тракт, в месте расположения сопла имеет излом, а втулка поджата выступом к отбортовке посредством гайки. Однако и это устройство, несмотря на наличие сверхзвукового охлаждаемого сопла, что уменьшает вероятность налипания частиц на его стенках, не свободно полностью от недостатков (в том числе и в силу ввода порошка непосредственно в камеру сгорания), присущих описанному выше устройству по авт. св. N 1554986 [1] таких, как эрозионный износ стенок сопла и сложность проведения процесса сгорания при высоких давлениях в камере сгорания (в силу причин, указанных выше). Кроме того, в рассматриваемом устройстве высока вероятность "зашлаковки" (вследствие налипания частиц стенки) критического сечения сопла и уменьшения его проходного сечения, что может привести к изменению режима работы вплоть до выхода ее из строя.

Цель изобретения обеспечение равномерного распределения частиц по поперечному сечению потока, снижение вероятности попадания частиц порошка на его стенки установки, уменьшение потерь энергии на разгон и нагрев частиц порошка, возможность изменения и регулирования параметров установки.

Это достигается тем, что в установке для сверхзвукового газопламенного напыления покрытий, содержащей камеру сгорания, охлаждаемое сверхзвуковое сопло с внутренней и наружной стенками, систему подачи горючего и окислителя в камеру сгорания, магистраль подвода порошка в поток продуктов сгорания, узел смешения последних с порошком и втулку из теплопроводного материала с кольцевым наружным выступом на одном из торцев, примыкающую к срезу сопла с образованием с соплом единого проточного тракта, при этом внутренняя стенка сопла выполнена из теплопроводного материала, имеет кольцевую наружную отбортовку на срезе сопла и спрофилирована в виде сопла Лаваля, наружная изготовлена в ввиде обечайки, охватывающей внутреннюю стенку с образованием между ними охлаждающего тракта и соединена герметично с отбортовкой, поверхность, ограничивающая проточный тракт, в месте расположения среза сопла имеет излом, а втулка поджата выступом к отбортовке посредством гайки, согласно изобретению в боковой стенке втулки за изломом со стороны выхода втулки выполнен поперечный сквозной канал, наружная стенка выведена за пределы отбортовки с образованием кольцевого пояска, гайка ввернута в поясок, а узел смешения потока с потоком продуктов сгорания образован втулкой, для чего магистраль подвода порошка сообщена с каналами. Обечайка может быть выполнена цилиндрической, а между ней и внутренней стенкой сопла может быть установлен кольцевой вкладыш с ребрами, которые установлены с контактом с обечайкой и внутренней стенкой. Втулка может быть подпружинена относительно гайки посредством пружины сжатия, установленной между гайкой и выступом с частичным охватом втулки, а последняя может иметь цилиндрическую внутреннюю поверхность с отношением ее внутреннего диаметра к внутреннему диаметру сопла на срезе в диапазоне 1,0.1,25.

На фиг. 1 представлена установка, продольный разрез; на фиг. 2 схема формирования скачка уплотнения на изломе в месте стыка сопла и втулки; на фиг. 3 вариант выполнения излома в виде уступа.

Установка для сверхзвукового газопламенного напыления покрытий содержит камеру 1 сгорания со сверхзвуковым соплом 2, систему 3 подачи горючего и окислителя в камеру 1 сгорания, магистраль 4 подвода порошка в поток продуктов сгорания и узел смешения последних с порошком. Сопло 2 выполнено охлаждаемым с внутренней 5 и наружной 6 стенками, внутренняя стенка 5 спрофилирована в виде сопла Лаваля, выполнена из теплопроводного материала и имеет кольцевую наружную отбортовку 7 на срезе, наружная стенка 6 изготовлена в виде охватывающей внутреннюю стенку 5 обечайки, соединенной герметично с отбортовкой 7 с образованием между последней, внутренней 5 и наружной 6 стенками охлаждающего тракта 8, втулка 9 из теплопроводного материала с кольцевым наружным выступом 10 на одном из торцев и сквозным каналом 11 в боковой стенке образует узел смешения порошка с потоком продуктов сгорания, канал 11 сообщен с магистралью 4 подачи порошка, наружная стенка 6 выведена за пределы отбортовки 7 с образованием кольцевого потока 12, а втулка 9 выступом 10 герметично поджата к отбортовке 7 посредством гайки 13, ввернутой в поясок 12, и образует с соплом 2 единый проточный тракт 14, при этом поверхность, ограничивающая тракт 14, в месте стыка втулки 9 и среза сопла 2 имеет излом 15. Установка снабжена кольцевым вкладышем 16 с ребрами 17 на наружной поверхности, установленным между обечайкой (наружной стенкой 6) и соплом 2 с контактом последних с ребрами 17, причем обечайка может быть выполнена цилиндрической, втулка 9 может быть подпружинена относительно гайки 13 посредством пружины 18 сжатия, установленной между гайкой 13 и выступом 10 втулки 9, внутренняя поверхность втулки 9 может быть выполнена цилиндрической с отношением ее внутреннего диаметра к внутреннему диаметру сопла 2 на срезе в диапазоне 1,0.1,25.

Установка для газопламенного напыления покрытий работает следующим образом.

После подачи горючего и окислителя (на фиг. 1 условно обозначены: горючее "Г", окислитель "О") и их воспламенения продукты сгорания из камеры 1 сгорания поступают в сопло 2, где разгоняются до сверхзвуковой скорости. Излом 15 при его обтекании сверхзвуковым потоком будет являться источником возмущений, что приведет к формированию косых скачков уплотнения (на фиг. 2 для простоты показан один из них, обозначенный позицией 19). При переходе через скачок 19 уплотнения вектор скорости потока будет изменять величину и направление (()), что приведет к возникновению радиальной составляющей скорости (). В силу того, то на изломе 15 будет формироваться система косых (либо преимущественно косых) скачков уплотнения, скорость потока за скачком будет выше скорости звука, а давление ниже атмосферного (при течении с перерасширением). Порошок вводится в поток по магистрали 4 через канал 11 за скачком 19 уплотнения, частицы порошка захватываются продуктами сгорания, разгоняются, нагреваются и далее направляются на изделие для формирования покрытия. Наличие за скачком 19 уплотнения радиальной составляющей скорости, направленной к центру потока, дает возможность с одной стороны обеспечить равномерное распределение частиц порошка по поперечному сечению потока, а с другой резко снизить вероятность их налипания на стенке втулки 9. Достаточно простой, но эффективный метод воздействия на структуру скачков уплотнения, а следовательно, на параметры установки в целом (включая энергозатраты, которые также будут определяться структурой скачков уплотнения) формирование излома 15 в виде уступа (фиг. 3) путем увеличения внутреннего диаметра втулки 9 в месте ее примыкания к срезу сопла 2 по сравнению с внутренним диаметром сопла 2 на срезе. Как показало экспериментальное исследование, при изменении величины отношения внутреннего диаметра втулки 9 в месте ее стыка с соплом 2 к внутреннему диаметру сопла 3 на срезе в диапазоне от 1,0 до 1,25 отрицательное воздействие вихревой зоны, формирующейся на излом 15, на характеристики установки невелико, в то же время воздействие излома 15 на поток таково, что оно позволяет в широком диапазоне изменять интенсивность и структуру формирующихся на изломе 15 скачков уплотнения и достаточно простым способом обеспечить требуемые характеристики покрытия.

Для обеспечения надежной работы всех соприкасающихся с высокотемпературным потоком продуктов сгорания элементов необходимо их охлаждение либо выполнение этих элементов из специальных материалов, что применительно к установкам данного типа вряд ли целесообразно, поскольку ведет к их удорожанию. С другой стороны, в силу того, что конфигурация и диаметр проточной части втулки 9, как было указано выше, являются очень эффективным средством воздействия на поток для обеспечения наиболее приемлемых параметров при нанесении покрытий из различных материалов и с различными свойствами, желательно втулку 9 выполнить съемной. Установка по данному изобретению позволяет обеспечить эти трудносовместимые требования. Для обеспечения сборки и разборки с заменой втулки 9 (в случае необходимости) последняя выполнена в виде съемного элемента, который фиксируется в рабочем положении посредством гайки 13. Надежное охлаждение втулки 9 достигается ее выполнением из теплопроводного материала и развитием поверхности контакта с внутренней стенкой 5 сопла 2, для чего на втулке 9 выполнен кольцевой наружный выступ 10, а на внутренней стенке 5 наружная отбортовка 7. Отвод тепла от втулки 9 осуществляется через выступ 10 и отбортовку 7 к охлаждающей жидкости, подаваемой в тракт 8 охлаждения. Для повышения надежности контакта втулка 9 может быть поджата не непосредственно гайкой 13, а через пружину 18. Для интенсификации течения в области критического сечения сопла 2, а также повышения жесткости конструкции, в охлаждающем тракте 8 может быть размещен кольцевой вкладыш 16 с ребрами 17, которые контактируют со стенками 5 и 6 сопла.

Использование изобретения позволяет обеспечить широкий диапазон применения установки как по виду наносимого покрытия, так и по материалам, из которых оно может быть нанесено при минимальных потерях энергии, повысить надежность ее работы и улучшить эксплуатационные характеристики (удобство обслуживания, регулировки, ремонта и т. д.).