用于高生产率的安静的磨料喷射喷嘴的方法和设计技术

对降噪的磨料喷射组件和系统进行了描述。新的组件和系统包括标准喷射管、加速器管、联接件和喷嘴。改进的磨料喷射系统保持磨料颗粒的速度，同时降低出口气体速度，并且因此减少了声音的产生。这通过加速部分来实现，该加速部分具有减少的内径和足够的长度以提供必要的磨料颗粒速度。新系统保持了常规磨料喷射系统的生产率和效率，但极大地减少了噪声的产生，并且由于该系统的承载部分的较小重量而减少了操作者的疲劳。少了操作者的疲劳。少了操作者的疲劳。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高生产率的安静的磨料喷射喷嘴的方法和设计
[0001]关于联邦赞助的研究或开发的声明
[0002]本专利技术部分地由美国政府(“政府”)根据与空军部的合同FA8222
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0006提供支持。本专利技术还部分地由政府根据与海军研究办公室的合同N68335
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0581提供支持。因此，政府对本专利技术拥有一定权利。


[0003]本专利技术涉及用于磨料喷射的设备和方法。更具体地，本专利技术对降噪磨料喷射组件和系统以及对该系统进行构建的方法进行了描述。

技术介绍

[0004]用于将涂料和表面涂层移除的喷射操作对于美国武装部队的船舶、飞机和陆地车辆以及对于工业车辆和机械是必不可少的。但是这些操作使维修人员经常暴露于119dB和更大的声压级(SPL)，这给喷射操作者带来了严重的健康、生产力和合规性问题。许多喷射操作者遭遇了由于长期暴露于喷射噪声而直接导致的听力损失。诸如耳塞和耳罩的个人防护设备(PPE)可以降低直接风险，但是会导致损失态势感知，并且仍然不满足对于噪声暴露限值的OSHA级别要求。OSHA噪声标准(29 CFR 1910.95)将工人允许的噪声暴露限值(PEL)限制为8小时的时间加权平均值为90dBA，并且不认为更好的听力保护会减少工人的噪声暴露。只有通过在声音的源头处减少声音，工人才能体验到无害的噪声。
[0005]图1中所示的是常规的、现有技术的超音速磨料喷射系统10，该系统10包括压缩机12、压缩机管14和磨料罐16，该磨料罐16容纳磨料介质18。磨料计量阀20对将磨料介质18释放到标准喷射管22中的速度进行控制。释放的介质18穿过喷射管22行进至爪状联接件24，然后介质18穿过超音速收敛扩散式喷嘴26，在该超音速收敛扩散式喷嘴26处，介质18以超音速和相当大的噪声被释放到环境中。
[0006]图2中以横截面示出了现有技术的收敛扩散式喷嘴26的细节。喷嘴26包括桶状件28，该桶状件28具有孔30，该孔30具有收敛孔部分32、喉部34和扩散孔部分36。混合有磨料介质18的气体在行进穿过收敛部分32时被压缩，并且然后穿过扩散部分36而被分散，从而使介质18的颗粒在喷嘴26的扩散部分36内加速并且从扩散部分36流出。
[0007]常规的磨料喷射系统设置使用单个1英寸内径的喷射管22和收敛扩散型超音速喷嘴附件26。这些设置中的磨料喷射介质在进入喷嘴26与随后从喷嘴26离开的短距离上进行磨料喷射介质的大部分的加速。
[0008]如Settles的论文(Settles G.，A scientific view of the productivity of abrasive blasting nozzle，1996)中所证明的，当颗粒流动穿过喷嘴的扩散部分和出口时，颗粒从在喷嘴前的相当小的速度加速到较高的速度。这使管中的磨损最小化，特别是对于高磨料介质而言更是如此。在图3中的从Settles的论文复制的曲线图中示出了这种行为，所述曲线图示出了穿过Laval喷嘴的预计和所测得的速度。如所示的，在贯穿整个喷嘴中，颗粒速度始终远低于气体速度的50％。
[0009]如图1和图2中所示的磨料喷射系统的目前可用的磨料喷射系统产生了过大的噪声，该噪声超过由职业安全组织为工作环境噪声所设定的水平，并且因此，需要使用个人防护设备以保护听力以及限制操作者暴露于这种噪声的时间。因此，需要下述磨料喷射系统：该磨料喷射系统产生更少的噪声，从而减少噪声诱发的听力损失和/或耳鸣并且改善嘈杂的操作环境中的态势感知，同时该系统还表现出同等的生产率和效率。
[0010]如图1和图2中所示的磨料喷射系统的目前可用的磨料喷射系统较大且较重，从而对使用者造成了压力和疲劳。因此，需要较小且较轻的磨料喷射系统以便于使用和延长使用时间。

技术实现思路

[0011]在本专利技术的降噪磨料喷射组件和系统中实现了这些和其他目的。新的组件和系统以与现有技术相比明显更少的噪声提供了有效的磨料喷射，同时使来自系统承载部分的尺寸和重量的人体工程学压力减少。
[0012]新的组件和系统在管、喷嘴或者管与喷嘴两者中提供了更大的长度——颗粒在出口之前在该长度上被加速——从而在出口处使颗粒的速度更接近于气体的速度，并且能够使用更低的气体出口速度，以在保持或甚至提高颗粒速度并且因此保持或甚至提高生产率的同时降低系统的噪声。虽然喷射操作者被允许的喷射时间量与噪声暴露有关(由于例如法规遵从性问题)，但与磨料离开喷嘴的速度有关的喷嘴生产率在磨料喷射中同样受到关注。更高的速度意味着喷射操作者单位平方米喷射可以花费更少的时间。更少的时间转化为更高的工人生产力和更低的操作成本。
[0013]在一些实施方式中，新的组件和系统包括标准的喷射管、新型加速器管部分、包括过渡联接件的联接件、和喷嘴。该改进的喷射系统在降低出口气体速度并且因而减少声音产生的同时保持所需的磨料颗粒速度。这通过将现有技术的喷射系统中不存在的直的加速部分并入来实现，该直的加速部分具有足够的长度以提供必要的磨料颗粒速度。新的系统保持常规磨料喷射系统的生产率和效率，但极大地减少了噪声产生并且由于系统的承载部分的较低重量而减少了操作者的疲劳。
[0014]本专利技术的一方面是磨料喷射设备，该磨料喷射设备与常规的超音速磨料喷射系统相比产生明显更少的噪声，同时在与现有技术的超音速磨料喷射设备相比时表现出同等或更高的效率和喷射结果。
[0015]本专利技术的另外方面是磨料喷射设备，该磨料喷射设备在表现出同等或更高的效率和结果的同时具有比常规超音速磨料喷射系统更小且更轻的承载部分。
[0016]本专利技术的另一个方面是磨料喷射系统，该磨料喷射系统采用具有比常规的标准喷射管更小的内径的一段加速器管，该加速器管采用附加的长度以在颗粒进入喷射喷嘴之前使介质颗粒加速到所需的速度。
[0017]本专利技术的另外方面是使用过渡联接件以使从标准喷射管到加速器管的介质路径的内径逐步减少。
[0018]本专利技术的另一个方面是磨料喷射系统，该磨料喷射系统采用具有直的部分的喷嘴，该直的部分在扩散部分之后，以在颗粒离开喷射喷嘴之前使介质颗粒加速到所需的速度。
[0019]本专利技术的另外方面是，随着能量被传递到颗粒，离开在扩散部分之后的直的部分的空气速度降低，从而使喷嘴产生较低的声音。
[0020]在一些实施方式中，新的组件和系统包括管与喷嘴组件，该管与喷嘴组件具有：第一部分，该第一部分具有第一内径；收缩部分，该收缩部分具有比第一内径小的内径；收敛部分，该收敛部分将第一部分连接至收缩部分并且具有收敛的内径；以及位于收缩部分的下游处的直的部分，该直的部分具有比第一部分的内径小的恒定的内径。直的部分具有下述长度：该直的部分的长度使得在喷砂喷嘴组件以预定的气体/颗粒混合物和预定的压力操作时，相对于在没有直的部分的情况下的喷射喷嘴组件，气体离开喷射喷嘴组件的速度降低了至少30％。任本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，包括：收敛部分，所述收敛部分具有收敛的内径；喉部，所述喉部连接至所述收敛部分；扩散部分，所述扩散部分连接至所述喉部；以及直的部分，所述直的部分连接至所述扩散部分并且紧靠在所述扩散部分之后；其中，所述直的部分具有下述长度：所述直的部分的所述长度使得当所述喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时，气体离开所述喷射喷嘴的速度相对于在所述直的部分被移除的情况下的所述喷射喷嘴而言降低了至少30％；以及其中，在操作中，流体依次流动穿过所述收敛部分、所述喉部、所述扩散部分和所述直的部分。2.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述直的部分的内径小于所述扩散部分的最大内径。3.一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴组件，包括根据权利要求1所述的降噪的磨料喷射喷嘴。4.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述喷嘴构造成使得：对于所述预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力，所述气体的超音速流被隔离至所述喷嘴的内部，并且所述超音速气体流对所述直的部分中的所述磨料颗粒进行加速。5.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述喷嘴构造成使得：对于所述预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力，在所述直的部分的出口处的气体马赫数小于在所述扩散部分的出口处的气体马赫数，从而使操作噪声降低。6.根据权利要求5所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述喷嘴构造成使得：对于所述预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力，气体马赫数从所述扩散部分的出口处的大于1的气体马赫数降低至所述直的部分的出口处的为1的气体马赫数。7.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述直的部分的所述长度是所述直的部分的内径的至少十分之二。8.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述直的部分的所述长度小于所述直的部分的内径的十倍。9.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述直的部分的所述长度介于1英寸与10英寸之间。10.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述直的部分的所述长度是2.5英寸。11.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述直的部分构造成被附接至所述扩散部分以及从所述扩散部分拆卸。12.根据权利要求11所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，还包括一个或更多个附加的直的部分，所述一个或更多个附加的直的部分构造成被附接至所述扩散部分以及从所述扩散部分拆卸，其中，所述直的部分和所述一个或更多个附加的直的部分各自具有不同的长度和/或不同的内径。13.根据权利要求12所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述一个或更多个附加的直的部分中的每个附加的直的部分具有下述长度：所述一个或更多个附加的直的部
分的所述长度使得当所述喷射喷嘴以不同的预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时，气体离开所述喷射喷嘴的速度相对于在所述直的部分被移除的情况下的所述喷射喷嘴而言降低了至少30％。14.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述直的部分的形状是筒状的。15.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述喷嘴是4号喷嘴、5号喷嘴、6号喷嘴、7号喷嘴或8号喷嘴。16.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，还包括流动穿过所述扩散部分且在从所述扩散部分到所述直的部分的出口处的马赫数大于1的流体。17.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，还包括流动穿过所述直的部分且在所述直的部分的出口处的马赫数为1的流体。18.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，还包括在所述喷嘴的内部的超音速流体流中的多个磨料颗粒，所述超音速流体流在所述直的部分中经受冲击波。19.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述喷嘴由选自以下各者的材料制成：碳化钨、碳化硅、碳化硼、丙烯酸、陶瓷、不锈钢、硬化钢、铝或上述各者的组合。20.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述喷嘴还包括至少一个保护抓持部。21.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述直的部分的所述长度使得：所述喷射喷嘴在以所述预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时具有90dBA或更小的噪声级。22.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述直的部分的所述长度L是至少L
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，所述L
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由以下方程式给出：其中，对于预定的气体与磨料颗粒的混合物，D是所述直的部分的直径，M是所述流体在所述直的部分的入口处的马赫数，是所述直的部分的平均摩擦系数，f
abrasives
是所述流体流中的颗粒的摩擦系数，以及，γ是所述流体流的比热比。23.根据权利要求1所述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述直的部分的所述长度L是至少L
*
，所述L
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是根据背压与出口压力的比率来调节的，其中，L
*
由以下方程式给出：其中，对于预定的气体与磨料颗粒的混合物，D是所述直的部分的直径，M是所述流体在所述直的部分的入口处的马赫数，是所述直的部分的平均摩擦系数，f
abrasives
是所述流体流中的颗粒的摩擦系数，以及，γ是所述流体流的比热比。24.一种用于对根据权利要求1所述的喷嘴进行制造以在不降低所述喷嘴生产率的情况下使所述喷嘴的噪声降低的方法，所述方法包括：
对于所述预定的气体与磨料颗粒的混合物以及预定的压力，对根据权利要求1所述的直的部分的最小长度进行确定，所述直的部分的所述最小长度是对于气体在从所述直的部分的出口之前在一个直的部分内径处或在一个直的部分内径内而言产生为1的马赫数所需的长度；以及对具有长度等于或大于所述最小长度的直的部分的所述喷嘴进行制造。25.根据权利要求24所述的方法，还包括：对根据权利要求1所述的直的部分的最佳长度进行确定，以使得气体的马赫数在所述直的部分的出口之前从作为所述扩散部分的端部的第一点处的峰值降低至在与所述直的部分的内径相等的长度处或与所述直的部分的内径相等的长度内的第二点处的为1的马赫数，而在所述第一点与所述第二点之间不进入亚音速；以及对具有所述最佳长度的直的部分的所述喷嘴进行制造。26.根据权利要求25所述的方法，其中，对最佳长度进行确定的步骤包括：对来自所述直的部分的壁的摩擦的影响进行分析，以及/或者对多个磨料颗粒使所述直的部分中的气流速度降低的影响进行分析。27.根据权利要求24所述的方法，还包括：根据特定的操作状态来调节所述直的部分的长度，以对产生了所需的声音降低与生产率的组合的所述直的部分的长度进行确定；以及对具有所述长度的所述喷嘴进行制造。28.根据权利要求24所述的方法，还包括：在一系列直的部分的长度范围内对根据权利要求1所述的喷嘴进行反复的计算机模拟，以找到具有所需的声音降低与生产率...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗，
申请(专利权)人：赫艾纳医疗公司，
类型：发明
国别省市：