DE2064003A1

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Publication number: DE2064003A1
Application number: DE19702064003
Authority: DE
Priority date: 1969-12-29
Filing date: 1970-12-28
Publication date: 1971-07-15
Also published as: FR2074437A5; AU2385170A

Description

Dr.-Ιηπ. f{X',!;· kUSCHKE
D:pi.-Ing. K3 Z AGULAR

C München 8U. ΓΊ ;nzenaueretr. 2
Unser Zeichen Έ 627

Norton Company, Worcester, Massachusetts / V.St.A·

»Sandstrahldüse»

Die Erfindung bezieht sich auf Düsen, wie sie für Strahlmittel in sogenannten Sandstrahlverfahren verwendet werden. Die Erfindung betrifft Düsen, wie sie in derartigen Sandstrahlverfahren mit Sand oder Strahlmitteln unter Verwendung von Gas, insbesondere Luft als Träger für die zu fördernden Strahlmittelteilchen verwendet werden.

Die biuher verwendeten Düsen variieren in weiten Grenzen in ihrer Ausbildung von relativ einfacher Ausbildung bis zu sehr komplexer Ausbildung. Ein BeiapioL für die aehr einf'aone AusblLdung ist die Düse gemäos

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der US-Pä 1 393 562, 3 032 930 und 2 669 809. Beispiele für komplexere Ausbildungen sind in den US-PS 990 409, 3 102 368 und 3 469 642 enthalten* Die Schweiz. PS 131 161 und brit.PS 392 826 beschreiben Düsen mit konvergierender Eintrittszone und divergierender Austritts zone·

Alle diese bekannten Strahldüsen sind offensichtlich willkürlich oder aufgrund von Versuchen und irrtümlichen AusgangsÜberlegungen entworfen» Das hat dazu geführt, daß die Eintrittszonen der bekannten Düsen einen Beschleunigungsgrad auf die Strahlmittelteilcheri übertragen, der von relativ niederer Beschleunigung an der Eintrittsöffnung der Düse zu einem extrem hohen Wert am Eintritt in den engsten Querschnitt variiert. Die Änderung des Beschleunigungsgrades ist in etwa bestimmt durch den Winkel der Seitenwände der Eintrittszone. Die am häufigsten verwendeten Düsen mit konisch geformter Eintrittszone haben Wandflächen, die in ihrem eingeschlossenen Winkel zwischen 15 und 36 Grad variieren, wobei 3o Grad der gebräuchlichste Wert zu sein scheint. Eine Eintrittszone, deren Wand einen Winkel von 3o Grad bildet, erzeugt einen Beschleunigungagrad im Bereich des engsten Querschnittes, der etwa sechsmal grosser ist als die Be-

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schleunigung an der gleieken Stelle» die "bei einer exakt geformten Eintrittszolle erzeugt wird, liegt. Dieser koke Beschleunigungsgrad der Strahlmittelteilohen, wenn sie sich dem engsten Querschnitt nähern, ergibt einen extrem hohen Verschleiß. Darüberhinaus ist die Austrittszone in den üblicherweise benutzten !Düsen nicht so ausgebildet, daß sich eine ideale Expansion des Gemisches aus Luft und Strahlmittelteilchen ergibt, und daher liegt die Geschwindigkeit der Strahlmittelteilehen beim Austritt aus der Austrittsöffnung unterhalb der Schallgeschwindigkeit. Der Wirkungsgrad derartiger Strahldüsen ist selbstverständlich direkt proportional der Geschwindigkeit, mit welcher die Strahlmittelteilchen die Düse verlassen.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Sandstrahldüse so auszubilden, daß die die Düse verlassenden Strahlmittelteilchen Überschallgeschwindigkeit haben.

Es besteht eine weitere Aufgabe für derartige Sandstrahldüsen, eine längere Betriebsdauer als bei den bekannten Arten von Düsen zu erreichen.

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— Δ. —

Gemäß der Erfindung wird eine Sandstrahldüse zum Richten und Beschleunigen eines Strahlmittel enthaltenden Druckluftatromes geschaffen, die eine konvergierende Eintrittszone aufweist, deren Kontur in einer Kurve konstanter Beschleunigung verläuft und ferner einen engsten Querschnitt und eine divergierende Austrittszone aufweist, wobei der Querschnittsbereich der Austrittszone in einem solchen Verhältnis zum engsten Querschnitt steht, daß eine im wesentlichen isentropische Expansion des die Strahlmittelteilchen enthaltenenen Luftstromes erreicht wird.

Diese Sandstrahldüsen haben überragende Verschleißeigenschaften und bewirken, daß die Strahlmittelteilchen die Düse mit etwa Schallgeschwindigkeit verlassen, wenn der Druck in der Eintrittsöffnung der Düse im Bereich von etwa 2,1 kg/cm. (30 psi) oder darüber liegt. Dies wird durch eine speze]ille Konstruktion des Austrittsabschnittes der Düse auf der Basis der isentropischen Strömung eines Gasstromes durch die Düse erreicht. Die Eintrittszone hat eine Ausbildung, daß eine lineare Erhöhung der Geschwindigkeit der Strahlmittelteilchen von dem Eintritt in die Eingangszone bis.zu dem engsten Querschnitt erreicht wird, wobei die Austrittszone, die auf diesen engsten Querschnitt folgt,

10 i s % Q /11 ^:i Q

Γ;¹¹¹: : ■■■' ■ :■■■■ ■■

eine isentropisehe Expansion der Mischung aus Gas und Strahlmittelteilchen "bewirkt. Die Austrittszone der Düse ist so ausgebildet, daß die Teilchen dae Ende der Düse mit maximaler Geschwindigkeit verlassen.

Die Eintrittszone ist konvergierend, wobei die Kontur der Wandfläche im Eingangsbereich konvex iat, so daß der Querschnittsbereich von einer Einjigangsöffnung zu dem engsten Bereich mit relativ geringem Querschnitt sich vermindert. Die Kurve der die Wandfläche folgt, ist im wesentlichen so ausgebildet, daß der Bereich der Düse an jedem Punkt eine lineare Punktion dee reziproken Wertes dee Abstandes dieses Punktes vom Einlaß der Düse iat.

Die Austrittszone ist konisch ausgebildet und hat eine im wesentlichen nicht gekrümmte Wandfläohe. Der Querschnittsbereich der Austrittsöffnung am Ende der Austrittszone steht in einem aolchen Verhältnis zum engsten Querschnitt, daß sich für jeden gegebenenen Gasdruck an der Eintrittsöffnung der Düse eine isentropiache Expansion ergibt, und dadurch eine maximale Geschwindigkeit auf die aus der Düse austretenden Teilchen übertragen wird.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen?

Fig. 1 einen Achsialschnitt entlang der Linie 1-1 in Fig. 2 durch eine Strahldüse gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 eine Stirnansicht auf das Austrittsende der Düse.

Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Düse gemäß der Erfindung muß ein integriertes Verhältnis zwischen der Eintrittszone, dem engsten Querschnitt und der Austrittszone bestehen, wenn auch die Gesamtabmessungen der Düse nicht wesentlich sind. Die Düse gemäß Fig. 1 und 2 besteht aus einer konvergierenden konvex gekrümmten Eintrittszone H, die mit ihrem weitesten Teil die Eintrittsöffnung 20 für den durch die gekrümmte Wand 18 gebildeten Durchgang darstellt, wobei die Wand zu dem engsten Querschnitt 12 mit einem vorbestimmten Querschnittsbereich verläuft. Die Krümmung der Wand 18 istso ausgelegt, daß sie, wenn dieser Strom zam engsten Querschnitt 12 strömt, eine lineare Erhöhung der Ge-

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schwindigkeit in dem Strahlinittelteilchen und luft enthaltenden Strom erzeugt, der unter einem gegebenen Druck in die.Eintrittsöffnung 20 aufgegeben wird» Eine divergierende Austrittszone 10, die in einer öffnung 22 endet, führt vom engsten Querschnitt weg, wobei der Querschnittsbereich dieser öffnung 22 zu dem Bereich des engsten Querschnittes so abgestimmt ist, daß eine isentropisohe Expansion in der Austrittszone 10 auftritt. Die Wandfläohen der Austrittszone sind im wesentlichen gradlinig und die länge der Austrittszone ist in ihrem Maximum durch wirtschaftliche Überlegungen und in ihrem Minimum dadurch begrenzt, daß der Erweiterungswinkel nicht mehr als 15 Grad betragen darf, da ein größerer Winkel eine starke lur-bulenz erzeugt, welche die erreichbare Austrittsgeschwindigkeit der Strahlmittelteilchen vermindert.

Die Außenabmessungen der Düse sind durch die Größe des Düsenhalters oder äei: Düsenbüchse, in welche die Düse eingesetzt ist bestimmt. Wenn z. B. der Düsenhalter oder die Düsenbüchse einen Innendurchmesser von 31 mm und eine Länge von 100 mm hat, und mit einem Luftschlauch von 25 mm Durchmesser verbunden ist, wird eine Übersohalldüse in fol-

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gender Weise ausgelegt. Es wird zuerst die Länge der Eintrittszone H (Fig. 1) auf 25 πιπί ausgelegt und der

ρ Bereich des engsten Querschnittes 12 auf 0,2 cm (0,05H squ. inch) ausgelegt und zwar aufgrund therraodynamischer Betrachtungen, wie sie für eine Düse mit

f den vorstehenden Abmessungen der Eintrittszone anzuwenden sind (S". Applied thermodynamics, F.M. Faires, 1947, Seiten 168-178), wobei die Geschwindigkeit im engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit oder etwa 312 m/sec. (1040 ft/sec) beträgt, wenn der Eingangsdruck 2,1 Atü oder mehr beträgt, wobei etwa 7 Atü der häufigst verwendete Druck ist. Die Kontur konstanter Beschleunigung in der Eintrittszone kann dann mittels der Gleichung A = Q/Y berechnet werden, wobei A der Querschnittsbereich an jeden

fe Punkt der Eintrittszone und Q eine willkürlich mit 10 pi festgelegte Konstante ist und V durch die Erhöhung der Geschwindigkeit einer Einheitsmenge von Gas durch einen konstanten Grad von Geschwindigkeitserhöhung von 12 m/sec am Eintritt zu 305 m/sec am engsten Querschnitt berechnet wird, wenn diese Menge von Gas Q von der Öffnung der Eintrittszone auf den engsten Querschnitt zuströmt. Wenn dann die Konstante 10 pi für Q gesetzt wird und die berechneten Werte für die Geschwindigkeit für V in der Gleichung A. = Q/V eingesetzt werden, ergeben si el} cH e Quer sennit+-Sb

BAD ORIGINAL

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A an den verschiedenen Punkten der Eintrittszone, um die Bedingungen für einen konstanten Beschleunigungsgrad zu schaffen. Die Ergebnisse dieser Berechnungen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt;

Durohmesser Querschnitts-p !Theoretische Ge- Abstand von der ι (mm) bereich A (cm ) schwindigfceit V Einläßöffnung (mm)

304.8 25,40

250.5 20,74 217,7 17,35

192.6 14,66

132.9 10,48 121,9 9,32 105,5 8,07

91,7 7,09

85,9. 6,25

76,5 5,64

55.1 3,99 30,7 1,75

19.2 0,58 16,4 0,02 12,2 0

5,08	0,203
5,59	0,246
6,10	0,292
6,60	0,342
7,62	0,464
8,13	0,517
8,64	P,587
9,H	0,657
9,65	0,741
10,20 "	0,806
11,70	1,071
15,20	1,897
20,30	3,289
22,90	4,097
25,40	5,065

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Die Kontur der Eintrittszone ist also durch die vorstehend aufgeführten Querschnittsbereiche definiert.

Die Konstruktion des Einlaßabschnittes der Düse geht aus von der Annahme, daß das strömende Medium inkompressibel ist. Überraschenderweise ergibt diese Annahme eine Konstruktion, bei welcher ein minimaler Verschleiß auftritt, und zwar gleichgültig, ob oder ob nicht die Erhöhung der Geschwindigkeit tatsächlich direkt proportional dem Abstand vom Einlaß ist. Diese Annahme führt zu der folgenden Gleichung des Verhältnisses zwischen d (dem Abstand entlang der Düse vom Einlaß zum engsten Querschnitt) und A (dem Querschnittsbereich an jedem Punkt d entlang dem Einlaßabschnitt).

^At ^V

wobei A^ der Bereich am engsten Querschnitt, V. die Gesohwindigkeit am engsten Querschnitt, der Grenzabstand ist der Abstand des engsten Querschnittes vom Einlaß, und V die Geschwindigkeit am Einlaß ist. Da A und d die einzigen Variablen in dieser Gleichung sind, folgt daraus, daß A eine lineare Funktion des reziproken Wertes von d ist.

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Die Geschwindigkeit am Auslaß wird durch die folgende Formel berechnet:

( ■ r /ρ \ k-i~h ^1/2

V_S2 = 223.7 VGpT₁ (J - (2) \)

wobei ists

die Austrittsgeschwindigkeit,

C die spezifische Wärmegaskonstante (für Luft 0,24) T₁ die absolute Temperatur,

P₂ der Austrittsdruck (in diesem Fall 1,05 kg/om ) (15 rbs/squ. inch)

P₁ der Anfangsdruck, und

k das Verhältnis der spezifischen Wärme bei konstantem Druck zur spezifischen Wärme bei konstantem Volumen ist (für luft 1,4).

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Der Austrittabereieh wird durch folgende Formeln berechnet.

WV _o

^VS2

wobei ist:

der Ausgangsbereich

W das Gewicht des die Düse durchströmenden Mediums, das Volumen der Luft bei Austrittsdruck, Austrittsgeschwindigkeit

wobei Vp berechnet wird aus der !Formel:

P₂ k

wobei V₁ = RT₁ ist,

^P1

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ⁿ ; ¹¹¹¹¹WiIi: ρ»ΐ"ρ||ΐ|ΐΗ " ⁿⁿ

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R die spezifische Gaskonstante (für Luft 53»3), und

W wird berechnet aus der formeli

^At^P1

1/2

wobei A, der Bereich des engsten Querschnittes ist.

Bei Verwendung von 7 atü (100 lbs/sq> inch) als Anfangsdi^rck: am Eintritt der Düse, wie er üblicherweise verwendet wird, hat der Austrittsbereich der Düse einen Querschnitt von 0,2027 cm² (0,03H sq.. inch), d.· h. 7,3 mm (0,29 inch), wobei A₂ mit 0,374 cm² (0,058 sq.. inch), d.h. 6,9 mm 0 (0,272 inch) berechnet wurde, und wobei das Ver- I hältnis des Austrittsbereiohes und des engsten Querschnittes eine theoretische Austrittsgeschwindigkeit von 4'94 m/sec. (1620 ft/sec) ergibt.

Für eine Gesamtlänge der Düse von 101 mm, mit einer 25,4 mm langen Eintrittszone, hat die divergierende Austrittszone beginnend von einem ^uerschnittsbereich am engsten Queraohnitt von 0,2028 cm bis zur Austrittsöffnung mit .einem Querschnittsbereich von 0,3742 cm eine Länge von 76,2 mm.

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Die Erfindung ist nicht auf die Größe der Düse, wie sie als Beispiel in der vorstehenden Beschreibung erläutert wurde, mit 101 mm Länge beschränkt, deren Ein-

2 trittszone zwischen einer Eintrittsöffnung von 5,065 cm

2 und einem engsten Querschnitt von 0,2028 cm konvergierend 25,4 mm lang ist und dann auf einer länge von 76,2 cm in der Austrittszone divergiert und an einer Öffnung mit einem Querschnitt von 0,3774 cm endet. Jedoch ergeben sich bei Sandstrahlgebläsen, die durch eine Bedienungsperson von Hand bedient werden, einige praktische Begrenzungen. Die Gesamtlänge der Düse soll 300 mm nicht überschreiten, wobei die Eintrittszone nicht kürzer als 25 mm und nicht länger als 280 mm sein soll und einen Querschnittsbereich an ihrem breitesten Teil zwischen

2 2

0,28 cm und 6,7 cm aufweist, wobei die bevorzugte Länge der Düse zwischen 50 und 150 ram liegt, und der Eintrittsbereich 25 bis 125 mm lang ist. Der engste Querschnitt

2 2

kann zwischen 0,077 om und 2,839 cm vorzugsweise 0,316 cm

p
bis 1,26 cm betragen, mit einer zugeordneten Endöffnung in der divergierenden Austrittszone mit einem Querschnitt, der gegeben ist duroh die Formel A₂ = ^Vp/Vgo' ^ureh welche eine im wesentlichen isentropische Expansion in der Austritts zone erreicht wird.

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Die erfindungsgemäße Sandstrahldüse kann aus einem beliebigen gegen Verschleiß widerstandsfähigen Werkstoff, wie er üblicherweise zur Herstellung von Sandstrahldüsen verwendet wird, hergestellt sein. Die Auswahl eines speziellen Werkstoffes hängt ab von den Sandstrahlbedingungen, dem Strahlmittel, der Wirtschaftlichkeit und der ι Komplexibilität der Düsenform. Für die Herstellung der Düsen geeignete Werkstoffe sind Eisen, Stahl, Wolframcarbid, Borcarbid, Aluminiumoxid, Silizium-Carbid oder dergleichen. Zur Erzielung der längsten Lebensdauer mit Aluminiura-Oxyd-Strahlmittel in einen Druckluftstrom mit 7 atü Druck wird vorzugsweise heißverpreßtes Borcarbid zur Düsenherstellung verwendet, wie es in der üblichen Heißpreßtechnik benutzt wird.

Im folgenden wird ein Beispiel einer Wolfram-Carbid-Sandstrahldüse, die gemäß der Erfindung ausgebildet ist, beschrieben, und zwar im Vergleich mit einer Wolfram-Oarbid-Sandstrahldüse üblicher Venturi-Ausbildung. Darüberhinaus kann zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit die Düse gemäß der Erfindung 50 $ kürzer als die übliche Venturi-Düsen sein, so daß sich geringere Kosten ergeben.

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Beispiel·

Beschreibung einer Wolfram-Oarbid-Düse

a) übliche VentUri-Puse

Gesamtlänge 225 mm, Weite 31,8 mm, Eintrittszone 25,4 ram 0, 66,7 mm l·ang, mit einer geraden Wand, die auf 12,7 mm 0 am engsten Querschnitt konvergiert, wobei der engste Querschnitt 12,7 mm lading ist, die Austrittszone 144,5 mm lang ist und von dem 12,7 mm 0 am engsten Querschnitt mit einer geraden Wandlinie divergiert bis zu 19 mm 0 an der Austrittsöffnung.

b) erfindungsgemäße Düse

Gesamtlänge 101,6 mm, Außendurchmesser 31»8 mm, Eintrittsbereich 31,8 mm 0·, 50,8 mm lang, konvergierend zu einem engsten Querschnitt mit 9»65 mm 0, wobei die gekrümmte Wand durch die Gleichung A = QV wie oben beschrieben bestimmt ist, mit einer Austrittszone, die 50,8 mm lang ist und von dem Durchmesser am engsten Querschnitt divergiert und grade Wandflachen hat, und bei einer Austrittsöffnung mit einem Durchmesser von 11,9 mm endet.

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c) Beschreibung der Yerauclisbedingtmgen

Strahlmittel: Schwarzglasschrot mit

40-60 Korngröße

Luftdruck:

Durchmesser des Luftschlauches: 19 mm Innendurchmesser

33 mm Außendurchmesser Gestrahltes Material: Schiffsbaubleche

d) Ergebnis:

Mir die gleiche Menge verbrauchten Strahlmittels wurde 15 i° mehr Oberflächenbereioh der Bleche durch Sandstrahlen gereinigt für die die erfindungsgemäße Düse verwendet wurde.

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Claims

Ansprüche

1.) Sandstrahldüse für einen Druckgas-Sandstrahlstrom mit einer Eintrittsseite, die bis zu einem engsten Querschnitt konvergiert und einer divergierenden Austrittsseite, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittszone (H) die Kontur einer Kurve mit konstanter Beschleunigung aufweist, und die Austrittszone (10) einen Querschnitt an der Endöffnung (22) hat, der in einem solchen Verhältnis zum Querschnittsbereich der engsten Stelle (12) steht, daß eine isentropische Expansion des Stromes gewährleistet ist.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnittsbereich an jedem Punkt zwischen dem Einlaß (20) und der engsten Stelle (12) eine lineare Punktion des umgekehrten Wertes des Abstandes vom. Einlaß (20) bis zu diesem Punkt ist, wobei die engste Stelle einen Querschnittsbereich zwischen 0,077 und 2,85 cm² (0,012 bis 0,441 sq..inch) hat, und die divergierende Austrittszone in einer Öffnung endet, deren Querschnittsbereich sich aus der Formel Ap = WV₂/

V₀₀ erreohnet, wobei W das Gewicht des durch die Düse Strobe

menden Gasgemisches, Vn das Volumen der luft beim Austrittsdruck und Von die ^ustrittsgeschwindigkeit ist.

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3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge der Düse 50 - 300 mm (2-12 inch) ist, wobei die Länge der konvergierenden Eintrittszone (H) zwischen 25 und 280 mm (1-11 inch) und die Länge der divergierenden Austrittszone (10) zwischen 25 und 280 mm (1-11 inch) liegt.

4. Düse nach einem der Ansprüche 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge der Düse 50-150 mm (2-6 inch) beträgt, und der Querschnittsbereich am weitesten Teil (20) der konvergierenden Eintrittszone (H) zwischen 2,85 und 7,9 cm (0,441 bis 1,23 sq..inch) ist, und eine Länge vom weitesten Teil (20) zu der engsten Stelle (12) zwischen 25 und 127 mm (1-5 inch) hat, während die Lange der divergierenden Austrittszone (10) 25-127 mm

M-5 inch) beträgt und die Düse aus einem verschleißfe- "

sten Material wie Eisen, Stahl, Wolfram-Carbid, Aluminiumoxyd, Silizium-Carbid, Borcarbid oder dergleichen hergestellt ist.

5. Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge der Düse 100 mm (4 inch) beträgt, wobei die konvergierende Eintrittszone (H) einen Querschnittsbereich

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am weitesten Teil (20) von 5,065 cm .(o,785'eq. inch) und eine Lange von diesem weitesten Teil (20) zum engsten Querschnitt (12) von 50 mm (2 inch) aufweist, während die engste Stelle (12) einen Querschnitt zwischen 0,32 und 1,26 cm (0,049-0,196 sq.. inch) auf v/eist und die divergierende Austrittszone (10) in einer Öffnung (22) endet, deren Querschnitt zwischen 0,49 und 1,89 cm (0,077-0,307 sq.. inch) liegt, und eine Gesamtlänge von der engsten Stelle (12) his zur Ausgangsöffnung (22) von 50 mm (2 inch) aufweist.

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