一种均匀高效的吸入式喷砂枪的基本结构和设计方法
【专利摘要】本专利公开了一种均匀高效的吸入式喷砂枪的基本结构和设计方法。形状相同、相互平行、均匀分布的多个喷气孔组成的多孔喷气嘴结合喷砂混合嘴、喷砂枪体和吸砂口的合理设计形成了一种新型的吸入式喷砂枪结构。按照本专利公开的基本结构和设计方法设计的这种喷砂枪对比现有的单孔喷气嘴的喷砂枪，在同样喷气流量条件下能够产生同样的负压，但喷砂混合嘴口径和喷砂流量更大，喷砂射流内部的速度分布和密度分布更加均匀，喷砂效率明显提高。
【专利说明】一种均匀高效的吸入式喷砂枪的基本结构和设计方法
[0001]本专利涉及特殊设计的吸入式喷砂枪。可应用于喷砂、喷丸和物料输送等【技术领域】。
[0002]吸入式喷砂枪是采用文丘里喷射器原理，利用喷气嘴喷出的高速气体射流产生负压效应将砂料通过吸砂口吸入到喷砂枪(喷射器)中，再通过喷砂混合嘴形成喷砂做功射流。喷气嘴和喷砂混合嘴的几何形状和相对位置对气动喷砂过程和效果有直接影响。大量使用的吸入式喷砂枪内外形状虽有所不同，但都是由喷气嘴、喷砂混合嘴、封闭枪身以及枪身上安装的吸砂口等四个基本部分组成。
[0003]现有技术的吸入式喷砂枪采用两种常规的喷气嘴形式，一种是常用的中心单孔喷气嘴形式，另一种是同轴吸入式喷砂枪所采用的环缝喷气嘴形式(ZL03279845.8)。采用以上两种喷气嘴的喷砂枪在实际使用中仍表现有不足之处。主要表现在射流中砂粒速度和砂粒密度不均匀，喷砂混合嘴偏心磨损严重，喷砂效率低下等。
[0004]高速气体射流边界层产生负压并对被吸砂料及气体产生卷吸作用是气体喷射器和吸入式喷砂枪的主要工作机理，边界层的大小和结构对喷砂射流性能会产生根本性的影响。已有技术中，喷砂枪的喷气嘴普遍采用中心单孔喷气嘴。保障喷砂效率的关键在于喷砂枪身内部产生或获得较高的负压。所以，吸入式喷砂枪设计要领是:喷气射流的扩张喇叭状气流(通常测得的单孔喷气射流的初始半扩张角等于小于2度)边界层必须和喷砂混合嘴内壁接触，使得喷气射流在喷砂混合嘴内部的某段区间塞满内径空间，从而保持射流的单向性以保证枪身内部获得较高的真空度。这就意味着喷气嘴和喷砂混合嘴之间存在空间位置和口径大小等几何要素的制约关系。现有技术的喷气嘴喷砂枪普遍采用单孔喷气嘴，受制于几何要素的制约关系，喷砂混合嘴口径普遍较小。不能放开喷砂混合嘴口径，也就限制了吸砂(喷砂)流量和喷砂效率。现有技术的喷砂枪存在的另一个问题是，从吸砂口吸入的砂流在进入喷气混合嘴时处于偏心状态。而单孔喷气射流结构简单，无法将喷气射流的能量充分传递给被引射砂流和气流。这种喷砂枪喷出的喷砂射流内部的粒砂速度分布和砂粒密度分布存在不均匀性。这种不均匀性一方面影响喷砂表面质量的均匀性，另一方面造成喷砂混合嘴的偏心磨损。偏心磨损加快了气动参数变化，很容易造成不同时段喷砂质量的波动。所以，现有单孔喷气射流的喷砂枪存在的问题有:1)受到“吸入式喷砂枪设计要领”的制约，采用单孔喷气嘴的吸入式喷砂枪的喷砂混合嘴口径普遍较小，喷砂流量和喷砂效率较低；2)被吸砂流进入喷气射流存在非对称性，喷砂射流内部的砂粒速度和密度存在明显的不均匀现象，影响工件表面喷砂质量均匀性；3)喷砂射流内部砂粒速度和密度的不均匀性加快了喷砂混合嘴的偏心磨损，容易导致不同时段的喷砂质量出现波动。
[0005]同轴吸入式喷砂枪采用环缝喷气嘴形式(ZL03279845.8)。由于环缝喷气嘴喷出的喷气射流具有汇聚性和封闭性，当喷砂混合嘴喉径放大后这种喷砂枪仍能得到较大的负压，而且吸入砂流形成的喷砂射流内部的砂粒速度和密度较均匀，喷砂射流的流量和喷砂效率也有所提高。但是，环缝喷气射流是薄膜状射流，能量不如圆孔嘴喷出的圆截面喷气射流的能量集中，获得的砂粒速度有所降低，仍一定程度限制了喷砂效率的提高。
[0006]本专利的目的是:用改进的多孔喷气嘴替换吸入式喷砂枪现有的单孔喷气嘴，保留中心单孔喷气嘴和环缝喷气嘴的技术优点，同时克服它们的不足，谋求进一步提高吸入式喷砂枪的喷砂均匀性、一致性和喷砂效率。
[0007]本专利将在公开这种均匀高效的吸入式喷砂枪基本结构的基础上，进一步阐述了该喷砂枪的设计方法。
[0008]本专利的目的是这样实现的:在现有技术的吸入式喷砂枪的基础上，将原单孔喷气嘴改为多孔喷气嘴。这些喷气孔的形状相同，以喷砂混合嘴轴线为核心均匀分布并且每个喷气孔轴线平行于喷砂混合嘴轴线。与喷气嘴配合设计的喷砂混合嘴依次由较短的收缩段、较长的柱状中间段和较长的小角度扩张段组成。喷砂混合嘴的截面形状也与喷气嘴的孔分布形状相一致。这样设计遵从这样的设计思想:从多孔喷气嘴喷出的多个扩张喇叭状喷气射流在喷砂混合嘴的柱状中间段内部汇合并自然混合成为一个喷气射流。在喷气射流合成之前，多个独立的喷气射流存在较大面积的卷吸表面，而且绝大部分卷吸结构不和喷砂混合嘴内的固体表面发生接触，而是彼此交叉融合。通过建立合理的几何关系，可以迫使合成的喷气射流的外围边界层和喷砂混合嘴固体内壁相接触，使得合成的喷气射流“塞满”喷砂混合嘴的柱状中间段。
[0009]这种多孔喷气嘴的喷砂枪设计思想仍然符合前面提出的“吸入式喷砂枪的设计要领”。
[0010]与单一喷气射流喷砂枪相比，本专利涉及的均匀高效的吸入式喷砂枪有如下特点。
[0011]I)在合成为统一的喷气射流之前，存在更大面积的喷气射流边界层，有利于增加被吸引的砂料量和气流量；
[0012]2)多股喷气射流边界层在喷砂混合嘴柱状中间段的径向空间内相互接触和彼此融合，而单孔喷气嘴喷出的一个喷气射流边界层只与喷砂混合嘴内壁的固体表面接触。两种喷气射流结构中，吸入砂料混合成为喷砂射流的过程，前者更主要发生在喷砂混合嘴柱状中间段的内径空间当中，而后者则主要发生在喷砂混合嘴的内壁周边。不难看出，多股喷气射流结构更有利于能量的充分交换，有利于砂粒速度和密度在混合后的喷砂射流中均匀分布，有利于形成均匀性更好、速度更高的喷砂射流；
[0013]3)由多个独立喷气射流混合而成的喷气射流具有较大的截面积，有利于在同样耗气量和产生同样负压前提下放大喷砂混合嘴口径，有利于提高喷砂流量和喷砂效率；
[0014]4)由于吸引砂料大部分发生在径向空间，喷砂射流中砂粒密度比较均匀，而单孔喷气嘴喷砂枪吸引砂料主要发生在喷砂嘴内壁。所以在多孔喷气嘴的作用下，参与碰撞和冲刷喷砂混合嘴环形内壁的砂粒数量将减少，沿喷砂混合嘴周边的冲刷磨损程度也趋于均匀，偏心磨损现象得以减轻，喷砂混合嘴寿命得到延长；
[0015]5)随着喷砂混合嘴偏心磨损现象降低，喷砂混合嘴全寿命期间的气动参数波动性相应减少，有利于提闻不同时间段喷砂质量的一致性。
[0016]均匀高效的吸入式喷砂枪基本结构在遵从“吸入式喷砂枪的设计要领”的同时。为了充分利用喷气射流的初始动能，喷砂枪内部尺寸和结构必须围绕喷气射流紧凑设计。
[0017]具体设计方法阐述如下:
[0018]I)喷气嘴喷出的扩张喇叭状喷气射流彼此汇合相交的发生位置应在喷砂混合嘴的柱状中间段。根据高压喷气射流初始扩张半角小于等于2度进行结构尺寸设计；
[0019]2)为保证喷砂砂粒具有较高的速度的同时要留出卷吸砂流的空间。喷气嘴与喷砂混合嘴之间的轴向距离应略大于喷砂混合嘴的柱状中间段的口径，但要小于该口径的2倍;
[0020]3)多孔喷气嘴的相邻孔之间距离在不影响喷气孔的收缩角和扩张角加工的前提下，尽量紧凑。原则上不应大于喷气嘴喉径的3倍；
[0021]4)为保证产生较高的负压，从外围圆孔喷气嘴喷出的扩张喇叭状喷气射流的外侧边界层必须和喷砂混合嘴的柱状中间段内表面相接触。为此，多孔喷气嘴的外围喷孔和喷砂混合嘴柱状中间段内表面的间距应不大于喷气孔喉径的3倍；
[0022]5)喷砂混合嘴由短的大角度收缩入口段，较长的柱状中间段段和较长的小角度扩张段组成。根据“吸入式喷砂枪设计要领”，喷砂混合嘴入口采用较短的、收缩半角大于30度的收缩段设计，收缩段轴向长度通常不大于小端口径(柱状中间段直径)尺寸；
[0023]6)喷砂混合嘴采用较长的柱状中间段，以保证混和喷砂射流塞满喷砂混合管的内部空间。所以，采用较长的柱状中间段设计，但长度和口径之比不应大于6 ;
[0024]7)喷砂混合嘴采用较长的小角度扩张的出口段，目的是配合混和喷砂射流的进一步扩张和加速，有效减少磨擦损失。扩张段的扩张半角与喷气合成射流扩张角有关，一般不大于3度。扩张段长度和柱状中间段口径之比也不大于6。
[0025]将常规喷砂枪的单孔喷气嘴分解成多个较小孔径的喷气嘴，在等效口径和耗气量基本相同时，设计的喷砂混合嘴的柱状中间段的内径面积势必明显增大，而获得的负压不低于常规喷砂枪。这样的结果有利于提高喷砂流量和砂粒速度以及射流内部参数的均匀一致性。
[0026]本专利涉及的均匀高效吸入式喷砂枪从以下几方面改进了喷砂机理和喷砂效果:
[0027]I)喷气射流仍保留了圆截面喷气射流能量集中的优点。
[0028]2)多股喷气射流增加了与被引射气流的接触界面，边界层等效截面面积约为单孔喷气射流的士倍，(η是喷气孔数量)
[0029]3)喷砂混合嘴大角度收缩入口段有利于减少砂料和喷砂混合嘴的碰撞磨损。
[0030]4)多股喷气射流自然汇合并充满喷砂混合嘴的柱状中间段内部空间，在增大喷砂管口径的同时，仍能保持较高负压。而在使用单孔喷气嘴的喷砂枪中，如果要扩大喷砂混合嘴口径，试图提高喷砂流量则会影响负压，而要提高负压就必须减小喷砂混合嘴口径。使用多孔喷气嘴则成功调和了这对矛盾。
[0031]5)多股喷气射流在喷砂混合嘴内部空间的自然汇合，有利于气固两相流能量的充分交换和传递，提高了喷砂射流内部砂粒速度和密度分布的均匀性。这不仅提高了喷砂效率，也有效缓解了喷砂混合嘴的偏心磨损。不仅延长了喷砂混合嘴的使用寿命，也提高了喷砂质量在空间和时间上的稳定性和一致性。
[0032]6)自然汇合的多股喷气射流在喷砂混合嘴小角度扩张段内进一步加速，有利于提高砂粒速度，内部气动能量损耗也相应减小。
[0033]本专利的具体结构由以下的实施例及其附图进一步说明。
[0034]附图1是采用本专利基本结构的吸入式喷砂枪的实施例。它采用了圆周均匀分布的七孔喷气嘴及其它配套设计。
[0035]均匀高效的吸入式喷砂枪由多孔喷气嘴(I)，喷砂混合嘴(2)，枪身(3)和吸砂口
(4)组成。此实例中，高压气体经过7孔喷气嘴(I)后，在喷砂枪枪身(3)内部产生7个独立的喷气射流。前方的喷砂混合嘴由收缩段(5)、柱状中间段(6)和扩张段(7)构成。彼此独立的具有自然小扩张角的喷气射流在喷砂混合嘴的柱状中间段(6)内部自然汇合成为合成的喷气射流。外围的空气和砂流从喷砂枪身(3)的吸砂口(4)吸入到7股独立喷气射流边界层之间，并被引入到合成的喷气射流中间，形成喷砂射流。砂流和高速气流在柱状中间段(6)汇合形成的喷砂射流内部进行充分的能量交换，在扩张段(7)进一步加速。最终获得砂粒速度和密度分布更加均匀的速度较高的喷砂射流。
【权利要求】
1.一种均匀高效的吸入式喷砂枪，其特征是吸入式喷砂枪由特别设计的多孔喷气嘴、喷砂混合嘴、枪身和安装在枪身上的吸砂口等组成。
2.根据权利要求1所述的均匀高效的吸入式喷砂枪，其特征是特别设计的多孔喷气嘴是形状相同、围绕喷砂混合嘴轴线均匀分布并平行于该轴线的多个喷气孔组成的多孔喷气嘴。
3.根据权利要求1所述的均匀高效的吸入式喷砂枪，其特征是多孔喷气嘴的相邻喷气孔间距不大于喷气孔喉径的3倍。
4.根据权利要求1所述的均匀高效的吸入式喷砂枪，其特征是喷砂混合嘴由较短的大角度收缩入口段，较长的柱状中间段和较长的小角度扩张段组成。
5.根据权利要求1所述的均匀高效的吸入式喷砂枪，其特征是喷砂混合嘴的截面形状和喷气孔排列形状相一致。
6.根据权利要求1所述的均匀高效的吸入式喷砂枪，其特征是多孔喷气嘴的外围喷气孔的孔中心和喷砂混合嘴柱状中间段内表面之间的距离不大于喷气嘴喉径的3倍，以保证外围圆孔喷气嘴喷出的扩张喇叭状喷气射流边界层外侧和喷砂混合嘴柱状中间段内表面相接触，从而保证合成的喷气射流充满喷砂混合嘴柱状中间段的内径空间。
7.根据权利要求1所述的均匀高效的吸入式喷砂枪，其特征是多孔喷气嘴和喷砂混合嘴之间的轴向间距大于喷砂混合嘴柱状中间段口径的I倍，但小于2倍。
8.根据权利要求1所述的均匀高效的吸入式喷砂枪，其特征是喷砂混合嘴入口段收缩半角大于30度，收缩段轴向长度小于柱状中间段的口径尺寸。
9.喷砂混合嘴的柱状中间段长度和口径之比应小于等于6，以保证多股喷气射流在柱状中间段自然汇合成为一股合成射流，并充满内径空间。
10.根据权利要求1所述的均匀高效的吸入式喷砂枪，其特征是喷砂混合嘴的扩张段长度与柱状中间段口径之比小于等于6，扩张半角不大于3度。
【文档编号】B24C5/04GK104070460SQ201410288796
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】刘毅 申请人:刘毅