喷砂除锈机理及参数优化研究Word格式.docx
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somesuggestiontoimprovethederustingefficiencywasgiven.
Keywords:
ship;
shipconstructiontechnics,"
derustingbysandblast;
spraygunbore,"
sandblastmachine;
parameteroptimization
0前言
喷砂除锈是船舶喷涂前主要的表面处理方法,除
锈质量直接影响到喷涂的效果和质量,因此,喷砂除
锈在造船和修船过程中都有着重要的应用.与其他除
锈方式相比,喷砂除锈具有劳动强度低,机械程度高,
除锈质量好等优点,适用于室内,室外等多种场合,
除锈等级可控制在Sa2.5NSa3之间lJJ.
1除锈机理及喷枪长度计算
喷砂除锈设备借助于压缩空气或高压水所形成的
高速气流(或气液两相流)将一定浓度,一定粒径的
磨料(如砂粒,刚丸,陶粒等)喷射到船体或其他工
件表面,利用磨料的冲击,磨削作用将其表面的氧化
皮,油漆,油渍等清除干净.适当的调节气体(液体)
流速,流量,磨料类型以及磨料含量和其他参数,可
以在不同的工件表面达到指定等级的除锈效果.
为了扩大工作半径,大多喷砂机和喷枪之间都由
一
定长度的软管连接,由于软管的长度及弯曲状态不
固定,管中的流固两相流动状态十分复杂,因此,选
择从喷枪入口处开始对磨料的运动情况进行分析.
喷砂机正常工作时,磨料均匀悬浮流动,如图1
所示,设喷枪倾角为,内径为D,以长度为△,的磨料
颗粒群为研究对象,进行受力分析可知(以气力喷砂
为例),颗粒群受气体推动力尺,喷枪管壁阻力卿重
力的作用.其中,气体推动力R为[21:
收稿日期:
2007-08-23;
修回日期:
2007.10-29
作者简介:
周晓君(1963一),男,博士,教授,主要研究方向:
海洋石油工程,采油技术与理论
66—
尺=c
(1)为定常流动,即=v?
dv
则式(6)可改写为:
式中,c为绕流阻力系数,无量纲;
为嘏粒群
的总的迎风面积,m2;
为空气密度,kg/m3;
Va为空
气在喷枪中的流速,nVs;
为,处磨料的运动速度,
ngs.
图1磨料在喷枪中的运动示意图
喷枪内壁对磨料粒群的阻力劝嘲:
=tA=
萼c2
式中,为△,段的压力差,Pm为喷枪内过流
面截面积,m2;
为粒群阻力系数,无量纲;
为悬
浮状态下粒群的密度,kg/m3.
△,段的粒群重力则可表示为:
G:
g:
g△,(3)
V
式中,为△假的磨料的质量,kg;
g为重力加速
度,ngs.;
为磨料质量流量,kg/s;
式
(1)中的绕流阻力系数C为:
==—
Fo'
~—-v1Rek(4)
L-J
式中,Re为雷诺数,无量纲;
为磨料颗粒粒径,
m;
k为待定系数和指数,无量纲,不同阻力区内
取值不同.
根据牛顿第二定律可得到磨料颗粒群在喷枪轴向
上的运动方程为:
:
尺一T,一Wsin(5)
dl
引入颗粒自由悬浮时绕流阻力系数,列和行
简化圈.同时考虑磨料利群密度=/Av,则式
(5)可表示为:
生:
f1一_sin(6)
gdtVJ2gD
在喷砂机稳定工作时,认为磨料在喷枪中的运动
f一_sin(7)gd/IV/』2gD
这样,式(6)和式(7)就建立起了磨料颗粒群
在喷枪中的运动速度与运动时间f和v与运动距离,的
关系式.它们是研究磨料在喷枪中运动规律的基本微
分方程.如果确定了磨料喷射运动所在的阻力区,即确
定了参数Ij},积分即可得Nv与喷射距离,的关系式.以
牛顿阻力区为例,此时=0,式(7)可改写为:
f}df}
dl:
.(8)
g(一~g.v.:
llv.I一2()+(一毒122sn)
式(8)为速度比v/v与磨料移动距离,的关系式,
对上式进行积分并考虑边界条件,==0时,vv=P.(Po
为喷枪入口处,在喷枪轴向上磨料流速与气体流速的
比值),可得:
=2gM?
rln,
()一2+Ⅳ
VdVd
Mp0一2p0+N
1I
n
(M
v
l,,
_
1
+
-
Z)(Mp
.
o
l
z
Z
)
1z)(Mp
lV
(9)
式中,_1一笳;
Jv_l一V2sin;
Z:
x]—l-M—N.
确定了喷枪入口和出口处的流固两相的速度比,
即可确定喷枪的最佳长度.如果喷枪入口处软管轴向
和喷枪轴向垂直,则认为在该处磨料颗粒沿喷枪轴向
的速度为0,因此0==0,式(9)将得到简化.
2除锈效率及影响因素
除锈效率即单位时间内清洗的船体表面面积,其
表达式为:
f=A,xv,(10)
其中,为喷枪的有效清洗面积,Vp;
b喷枪的移
动速度.以图2所示的操作为例,喷枪倾角为,喷距
为,,喷嘴直径为D,出喷枪后磨料的有效扩散角度为
7.磨料束喷射到船体上的有效面积为一椭圆.
椭圆的长,短轴直径可近似表示为:
=D+x+=D+————一+
COSCOS(O~+y)COS
67—
b:
D+tgy
则椭圆面积可表示为:
=a6=(pg,+(p+q)Dl+D)(11)
式中:
p:
;
C0SC0S
g=
[+1COSCOSCOSj.g——I——+——■——l?
\(+}7
将式(11)代入式(10)中,则除锈效率为:
/:
(pql+(p+q)Dl+DVp(12)
喷枪移动速度与磨料喷射速度,锈渍物性,磨
料类犁,喷射倾角,喷射距离以及其他人为因素有关.
图2磨料喷射示意图
2.1喷嘴直径对除锈效率的影响
从式(11)中可以看到,随着喷嘴直径D的增大,
喷嘴的清洗面积将随之增加.在一定的范围内除锈效
率也将随之提高,与此同时,喷枪中的气体流量也将
随之增加,当所有喷枪中的总体气体流量超过压气机
的额定工作量时,喷枪中的气体流速将迅速减小,磨
料的喷射速度,磨料所获取的能量也随之减小,除单
位面积的锈渍所需要的时间将增加,即在达到同一除
锈等级要求时,喷枪的移动速度v必须减小.最终将影
响除锈效率.因此,如果喷砂机所配备的压气机供,z只
喷枪同时工作,压气机额定排量为,为达到某一除
锈效果所需的最低气体流速为V,则还应满足如下关
系式:
D:
g=Dv:
Q
则:
D
因此,为了获取最大的除锈效率可取喷嘴内径
需要注意的是,在计算最低气体喷速v
时,应该考虑到磨料从喷枪出口到船体表面这一喷射
过程中的能量损失.
2.2喷枪倾角对除锈效率的影响
仅从式(11)可以看到,随着喷枪倾角的增加,
P,q值均增加,因此,除锈面积增加,除锈效率也随
之提高.但是,磨料颗粒出喷枪后的运动距离也随之增
加,能量损失增大,因此,在一定的工况下,会存在
个最优倾角.假设一个质量为m的磨料颗粒,以与
水平方向夹角为的速度v冲击到船体表面,如图3
所示.
图3磨料颗粒对锈渍的力学作用分析
磨料颗粒对锈渍的冲击力可以分解为一个主应力
口一个切应力设磨料碰撞到船体表面锈渍后的速
度降为0,则根据冲量定理可知,磨料对锈渍的冲击
力为F=mv,则z分别表示为:
仃=FC0S=ml;
c0s
f=Fsin=mvsin
则锈渍单元体所受到的最大正应力为:
一导+
将玳入式(13)中并整理化简,有:
厂——一,
=
F【C0SCg+√卜∞J4)
可以求得当a=54.7.时,的值最大.即在该倾
角下工作时,锈渍最容易破裂变形,而被清除掉.考虑
到磨料从喷枪中喷射出来后,存在一定角度的扩散,
喷枪倾角应该控制在45~~70.之间.
2.3软管对除锈效率的影响
喷枪入口处的空气压力称为工作压力,该压力越
大,磨料颗粒就越容易获取大的喷射速度,除锈效率
也将随之提高.记压缩空气储气罐内的压力为,喷枪
工作压力为,则根据伯诺利方程I3】可得:
Po=yah+P+V+P(15
式中,为两点高度差;
为气体重度,值很小,
所以的值可以忽略;
vl为喷枪入口处的空气流速;
为从储气罐到喷枪入口的压力损失.该压力损失包
括软管入口等处的局部压力损失,沿程压力损失,流
固混合压力损失等其他形式的压力损失,故
(下转第29页)
~
68一
夏
,¨
Y
V
的比转速进行了计算,计算结果如下:
1)普通导管桨比转速,z在1600至3500之间;
2)
带前置导叶的导管桨LLgSgns在2700至3800之间;
3)
带后置导叶的导管桨比转速,z在1100左右.
计算结果进一步表明导管桨是高比转速轴流
泵.经比较还发现,导管桨与同样比转速的轴流泵相比
效率要低,因而提高导管桨的性能存在着较大空间.
/-/=365
√(?
)nD)
513
8975341-d)4JZKr
j
Ko
(13)
4结论
翻阅所有关于导管桨的文献资料,都没有相应的
理论推导和详细的设计方法介绍,只有为数不多的导
管螺旋桨系列试验及设计图谱介绍.文献I6】对导管桨
的工作原理作了探讨,但忽略了尾流中水流的旋转,
不考虑周向诱导速度的回收,因而没有导叶,得出的
结果显然比较粗糙,尚可用以定性地分析导管螺旋桨
的性能.另外叶轮和导管的配合间隙取得太大,所有
这些致使率效下降.
既然导管桨是高比转速轴流泵,就可借鉴叶片泵的
理论体系,设计方法以及成熟的经验来完善导管桨的研
究和设计.有两条途径可走:
第一条途径是按导管桨的
(上接第68页)
,12
P=PgI++J一(16)/zg
式中,,D为软管的长度和内径,m;
备,墨
为沿程阻力系数,局部阻力系数,其他阻力系数,无
量纲.从式(16)中可以看到,在满足工作要求的情况
下,缩短软管长度,采用大内径软管有利于降低压力
损失,提供喷枪工作压力,以提高除锈效率.此外,还
要尽量保持软管顺直,以减小因管内流向发生改变而
导致的压力损失.另外,从式(9)中可以看到,在喷
枪长度一定的情况下,如果入口处的固流速度Lepo增
大,则喷枪出口处的固流速度比也将增大.即磨料颗粒
的喷射速度得到了提高,有利于提高除锈效率.软管与
喷枪的轴向夹角越小,越能提高喷枪入口处的固流速
度比,因此在喷砂除锈操作中应尽量减小夹角
设计思路,先确定进速系数,推力系数和扭矩系数,再
通过式(12)计算得到流量,扬程等泵的参数,按轴流
泵的设计方法设计叶轮或者有必要时设计导叶;
第二条
途径是完全按喷水推进泵的设计思路和方法,优化选取
推进泵的主要参数后,再按轴流泵的设计方法进行设
计.上述两条途径都可用螺旋桨升力面理论来进行力特
性的预测和评估.这样既能进行流量,扬程等性能的
宏观调控,又能进行流场和压力分布微观细节的把
握.这是一种结合了导管桨和轴流泵各自设计长处新
的工程应用设计思路和方法.
参考文献:
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[6】王国强,盛振邦.船舶推进[M1.北京:
国防工业出版社,
198S.
3结论
1)根据压气机的额定排量及该压气机所供喷枪的
数目,可以确定除锈效率最佳的喷枪内径;
2)喷射倾
角影响除锈效率,54.7.时除锈效率最佳,实际操作中
喷枪水平倾角应该控制在45~~70.之间;
3)根据喷枪
出入口的固流速度比确定喷枪长度;
4)在满足生产要
求的情况下,采用小长径比的软管,保持软管顺直,
减小喷枪入口倾角,有利于提高除锈效率.
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[2】李诗久,周晓君.气力输送理论与应用[M].北京:
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工业出版社,1992.
[3】袁恩熙.工程流体力学[M].北京:
石油工业出版社,
2006.
29—
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