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第 1 卷
2013 年
6 月刊
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科学新讯


第 1 卷- 2013 年 6 月刊
关于难以进入区域的喷射清理



图1:去除机制(上图),CO2雪喷射喷嘴(下图)


图2:90°喷嘴(A-C)的连接方式和上图所示的连接方式从入口(0%)到出口(100%)的气流和颗粒模拟速度


图3:带有压缩空气源(3-5)的90°弯曲(6)喷嘴(2)垂直连接到膨胀和团聚室(4)


图4:比较CO2雪喷射设备90°弯度连接方式变量以及膨胀室与加速喷嘴间不同直径缩小变量


图5:有额外垂直压缩空气源的CO2雪喷射设备的连接方式变量

1. 简介

1.1 清理

  近来,清理工艺变得日益重要,尤其是在质量保证方面,清理后的洁净度是验证表面是否符合质量或安全标准的一个重要指标,技术产品的各个使用寿命阶段都需要清理工艺的实施[1]。

  要达到有效的清理,必须满足不同的具体条件需求,除要除去的污染物,如清理后所残留的材料或化学改性后的表面材料,还需确定清洁程度以及相应的测定方法,除此之外,应用环境也尤为重要,就详细的产品信息而言,制造、再制造或回收使用过的产品会表现出显著的差异,此外,也与设备构造的不同而不同。

1.2 维护、修理和大修

  维护、修理和大修在具有高投资成本和较长寿命周期的产品中发挥着重要作用,如航空发动机和用于发电的燃气涡轮机。在安全相关方面,在维护、修理和大修领域中,清理过程对于这些产品的检查过程十分重要,对于影响安全方面的操作条件的信息管理也是一项挑战。

  内部/外场检查一般是为了阻止关键故障,并不影响更为仔细的外部检查的周期,选择检查方法的一般原则是需适合难以进入的区域,由于必须提供设备和人力,拆卸后再重新装配,以进行仔细的外部检查是既耗时又耗资。

1.3 二氧化碳

  固态二氧化碳(CO2)是一种单向喷射介质。由于升华作用,在除去的污染物中不会再存有喷射介质的其他固体残留物,CO2是一种惰性气体,在外界压力下的温度为-78.5℃,其固态时称为干冰,干冰颗粒的硬度相当于石膏,用于喷射的CO2不会导致全球变暖,因为其是化工行业的副产品或源于天然资源[2]。

1.4 干冰喷砂,去除机制

  使用固态CO2进行喷射清理是以结合机械和热机制为基础,依托喷射介质的升华作用,如图1所示,必须区分使用固态CO2进行喷射清理的两种形式:CO2雪喷射和干冰颗粒喷射,此外,通过压缩空气或旋转叶轮抛射机而进行加速的方法,也会影响能源效率以及喷射范围。

2. 目的

  航空发动机或用于发电的燃气涡轮机等昂贵的产品需进行定期检查,适合内部难以进入区域的高周疲劳破坏的检查方法有助于节省进行拆卸和重新组装的时间与费用。根据检查结果,可以调整更仔细的外部检查周期或甚至不检查,为此,指定了一个应用场景,以制定具体的解决方案,来清理涡轮机内正在运行的叶片关键底部并进行故障检查。

3. CO2雪喷射的90°喷嘴

  内表面难以进入区域的清理通常不适合采用喷射工艺,尤其是高效的离心叶片式抛射清理,而本就低效的传统压缩空气式喷射清理[3]会更加低效,因此,与表面形成理想的90°喷射角度的高效弯曲喷嘴设计应运而生。

3.1 分离功能

  机械作用依赖于表面上粒子的垂直动力,而其平行动力并未发挥作用。因此,90°喷嘴为基本问题提供了解决方案,参考图1示例的CO2雪喷嘴设计,可以发现CO2雪的生成和对需清理的表面的加速将被分离,在另一项研究中探讨的雪生成的方向将会改变。为节省空间,将膨胀室和团聚室设计为平行于表面,因此,在90°喷嘴处需连接一个弯管。

  图2显示此连接的三种基本方式,其参数是直径、弯曲角度和半径以及工艺参数,例如,CO2的流量、压缩空气的压力和消耗。由于改变方向时对表面的冲击,这些因素影响了雪花的团聚以及升华的损耗,此90°弯度的设计参考了采用干冰颗粒的旋转叶片抛射对冲击与升华关系的研究经验。

3.2 能源效率

  压缩空气产生的效率依赖于压力和消耗的压缩空气,此效率并不在调查范围内,但可结合空压机供应商的提供信息进行判定。因此,颗粒及压缩空气的速度(图2所示),可用于识别该连接方式是否具有最高的效率C,并且A与其十分接近,与压缩空气消耗相关的颗粒动能代表着效率,在下文中,压缩空气的速度及其相应距离被作为能源效率的定性指标。

4. 模拟加速

  如图3所示,基于A到C的连接方式,使用喷射设备验证了压缩空气的消耗。选择的模块化设置可以轻松地改变各种气源的尺寸和连接方式。首先,采用计算流体动力学(CFD)开展了该验证。因此,在内部应用和传统的外部场景中确认了初步的连接方式和参数,这些实验室研究的结果仍有待进一步验证。

5. 结果与讨论

  图4显示了(110°-20°)弯度(A)与90°弯度(B)的比较结果,此外,两种连接方式在膨胀室与喷嘴间的直径上也有不同程度的缩小,(A)的膨胀室与加速喷嘴间的直径是不断缩小的,而(B)的直径缩小段主要集中于喷嘴前的90°弯度后,这形成了不同的颗粒速度,以及设备内不同的流量特性。

  在相同的工艺参数设置下,连接方式(A)显示的速度为294 m/s,较高于连接方式(B)的126 m/s。据调查,此结果可能是由于持续缩小直径形成的,因此,喷嘴的加速更为有效。

  与内表面的接触不同,可能是由不同的弯曲特性形成的。较大的B(90°)弯曲半径形成了颗粒的连续接触,而较小的A(110°弯度结合20°转动弯度)弯曲半径则显示了集中的接触区域,此外,转动特性形成了不同的喷嘴喷射范围。

  如图所示,A的喷射范围比B均匀,其显示了到转动中心和转动外侧的两个集中颗粒分布。

  图5显示了有额外垂直压缩空气源的另外两个90°弯度变量C和D,其仅标示了连接方式差异。这样可以转动颗粒方向到要喷射,以及进行CO2颗粒加速的表面。C和D的比较显示出额外的压缩空气源与图4所示的连接方式对接触特性的影响类似,D类似于B(不考虑速度),C比A的接触区域集中。

  该设备连接方式的能源效率相当于CO2雪颗粒(J/s)的动能率除以给定喷射压力下的压缩空气消耗率(g/s)。这形成了一个效率指标(J/g);该指标不适用于比较不同的压力设置,也不依赖于压气机的效率,根据此指标,该效率最大值为5.5 kJ/kg,最小值为3.9 kJ/kg,相差41%。

6. 结论与展望

  内部或外场清理和检查方法在节省拆卸和重新组装的时间与费用方面具有很大的潜力,对于难以进入的区域,需要开发一种特殊的喷射工艺,以提供垂直于表面的有效加速法,喷射设备的连接方式和工艺参数的设置对于颗粒的速度和动能以及流量特性都具有重要影响。

  尤其在涉及到固态CO2等非持久单向喷射介质时,对内表面的冲击是关注点所在。这些冲击是否会增加团聚效应和生成更耐磨的较大雪颗粒,或导致较早的升华损耗仍待调查。由于此多功能关系,应开发一种特殊的设备和喷嘴连接来代替在某一范围内每个工艺参数变化的通用连接。

  该研究项目由德国研究协会(DFG)资助开展。

7. 参考文献

[1] Uhlmann, E.; Hollan, R.; Veit, R.; El Mernissi, A.:《表面清理的激光辅助干冰喷射法》。摘自:2006年鲁汶的LCE第13届国际会议会议记录
[2] Hollan, R. Uhlmann, E.:《含敏感的喷砂介质的离心式喷砂机的节能清理与预处理》 摘自:2008年悉尼的LCE第15届国际会议会议记录
[3] Hollan, R. Uhlmann, E.:《可持续发展的工艺链 – 清理技术与节能工艺》。摘自:2009年开罗的LCE第16届国际会议会议记录



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