空气动力变形工艺、变形喷嘴、喷嘴头及其应用的制作方法

专利名称：空气动力变形工艺、变形喷嘴、喷嘴头及其应用的制作方法
技术领域：
本发明是有关一种长丝的动力变形工艺，变形工艺采用一个带直通型通道的变形喷嘴，其一端输入长丝，另一端则输出变形丝；这时，在中间的加工区段，供入压力为4巴以上的压缩空气进到丝的通道，此喷气流送到一个逐渐扩大的加速通道内并被加速至超音速。本发明还涉及一个变形喷嘴，一只喷头及其应用；喷嘴和喷嘴头有一个直通的并有压缩空气进口的丝通道，在其一端输入长丝纱，在另一端输出变形丝。
现今技术水平两种型号的喷气变形喷嘴已经广泛应用于喷气变形技术中。这些喷嘴是以压缩空气输入纱通道的形式来区分的。其中一种型号是根据径向原理的喷气变形喷嘴。例如专利EP-PS NO.88254，压缩空气是通过一个或多个，主要是径向安置的空气通道输入。径向原理的变形喷嘴主要用于在100％以下的低输送速比的长丝。特殊情况下，即所谓的花式纱可以在短时间内允许最高至200％的超喂率。第二种型号的喷嘴是应用轴向原理。即压缩空气是经过轴向通道送至丝通道的一个扩张室。这种方式的喷嘴已在专利EP-PS NO.441925中有过说明。轴向原理的变形喷嘴主要是成功地应用于要求较高的超喂率，最高至300％，部分甚至达到500％。有关两种喷嘴的实际应用，其主要区别在于喷嘴出口区域内的喷嘴孔的结构。根据EP-PS NO.441925的方法是，在出口端前面有一个符合“拉瓦尔(laval)”喷嘴的喷嘴孔。拉瓦尔喷嘴的特征是有一个很小的孔径角，大约8°最大至10°。如果孔径角等于或小于所谓的理想的拉瓦尔角，则空气速度在喷嘴孔中无冲击地提高到超音极限，但前提是，空气压力在拉瓦尔喷嘴的最狭窄处达到一个临界压缩比例。拉瓦尔已认识到，在一个理想喷嘴中，当降低空气压力时，速度提高的极限区也会向喷嘴内移动。一个冲击面是由已知的压缩冲击形成。在绝缘多数流体技术的专业领域中，如果可能的话要避免压缩冲击。变形过程是综合性的，不仅需要用气体加速成超音气流，同时还要将长丝从中央喂至喷嘴并经过冲击工作面进行加工。为了补偿整个气流损失，喷气变形加工所使用的气压一般为4巴以上，大多数为6巴以上。最大理论空气速度大约为770米/秒(系在温度为20℃条件下，具有一个无限运行的入口压力和一个理想的小于10°的拉瓦尔角)。实际上，最大可能的空气速度在12巴压力时约为500和550米/秒之间，亦即低于马赫2。对此，可参阅德国出版的《化学纤维/纺织工业》期刊1981年5月号发表的一篇科研论文。根据最广泛的专家意见，变形过程应追溯压缩冲击的作用，而压缩冲击即超音气流的现象。长期以来，变形喷嘴是以理想的拉瓦尔角，作为质量标准尺度。在这种给定的质量基础上，曾经探索过其它的喷嘴形式。根据专利EP-PS NO.88254，专利发明者成功地开发出另一种带喇叭形喷嘴入口的喷嘴形式，即所谓的Hemajet喷嘴。喇叭口形一看来似乎是处于拉瓦尔法则之处。另一篇研究论文报导(载于瑞士出版的《International Textil-Bulletin(纱线生产)》期刊，1983年第3期)，使用喇叭口形也能产生超声气流，测出的空气速度大约在400米/秒范围内。此外，纱线染整加工实际表明，喇叭口形喷嘴在特殊应用领域内是较有优点的。Hemajet喷嘴是基于一个可用简单半径来描述的凸拱形出口孔。如果直接检验紧靠最狭窄处的扩展角，则得出，此扩展角起始很短的一段是处于理想的拉瓦尔角的范围内。这就是两种喷嘴型号为什么部分具有相似变形结果的主要原因。因此两种喷嘴都作为标准喷嘴应用于不同用途。
虽然径向原理的变形喷嘴在低超喂率时优于轴向原理的变形喷嘴，上述论文指出，径向原理的纱线张力在提高输送速度时会强烈下降。实际经验是，在变形喷嘴之后纱线张力即为变形工艺的质量标志。一个良好的质量对比(较高值/较低值)变得容易，如果生产速度差至少应为50米/分，100米/分为更好。所谓质量应理解为所有纱线质量的标准。也包括从经验看应予以考虑的那些不直接作为变形丝的产品质量标准可测定的生产条件。例如，一根运行的长丝较强的或轻微的抖动作为测定准则或作为不允许超过一规定值的一个数值。根据本发明理论，对于直接的测量技术对比优先选用变形后的丝线拉伸强力(CN或平均CN)以及瞬间拉力的百分率偏差(sigma％)。这两个值可作单独的或作为总值(AT值)采集。为此，可参阅专利申请人与瑞士Retech AG公司合作制订的ATQ测量和分析评定原理。今天长丝速度低于400米/分时加工毫无困难。个别实际应用时，将丝线速度从400提高到600米/分还能获得质量上认可的变形。反之，当丝速度进一步提高到600米/分以上时，即发现质量变坏，表现在变形丝上，即比由于不可解释的原因变形丝上各个交缠圈间隔很大。众所周知的变形喷嘴专门生产气流喷射交缠丝时，只能采用低于400米/分的生产速度，才能获得高质量的变形丝。这里指的生产速度应理解为丝从变形喷嘴输出的速度。因此在变形工序中，在生产速度方面除了可以知道质量的极限外，还可知道一个绝对的变形极限，此极限由于太强的丝线抖动使变形遭到破坏。
本发明的概述本发明提出的任务是，或者在规定的速度下提高变形丝质量，或者提高生产速度，如从400提高至900米/分和更高速度，并在此生产速度下，达到与较低生产速度时所能得到同样好的，或至少接近相当好的质量。此任务的另一方面是，现有的设备只需极少的改造费用就可以在质量和产量上加以改进。
本发明的方法特征在于，丝的张力，特别是作为尽可能恒定的丝线张力，通过这样方法而得到提高，即将加速通道内的喷射气流加速到马赫数2或以上，来达到丝线张力与丝线速度的关系最佳化。
此外，本发明涉及一个带直通丝通道和压缩空气进入丝通道的入口(P)的变形喷嘴，丝通道一个出口端为加速通道丝通道的一端可输入长丝纱，另一端则可输出变形丝。其特征在于，加速通道的加速作用区段，有着大于加速通道起始端处1.5倍以上直径(d)的长度，并且有一个大于理想的拉瓦尔角的总孔径角(α2)。
可以看出，变形喷嘴之后的丝张力是质量的第一关键。只有提高丝张力，才能改进质量。只有将喷射气流提高到马赫数2以上时才可能取得实质性突破。这通过克服专业界的明显偏见，借助本发明的加速通道设计，在结构上来实现。令人惊喜的是，通过许多次系列试验，已经证实不仅质量提高，而且按照本发明的这种结构，提高生产速度，质量只是极轻微地受到负面影响。发明人认识到，只有通过强化变形过程，才能解决这项任务。任务的解决首先借助这样的发现，即马赫数是一个主要影响因素。而专业界至今过份注重气流速度。但是气流速度在已进行的纺织实践中，不能够超过上述较宽区域而提高(低于马赫数2)。现今的技术水平，要末是以拉瓦尔喷嘴定律为指导或是以纯经验获得并认定认定是好的喷嘴形式为引导。只略将马赫数提高到2以上，就已经取得重要的结果。对强化变形过程的最好说明是，应看到在冲击面之前和之后的速度差立即扩大，而它又直接影响空气对长丝相应的冲击力。在冲击面区域内已提高的冲击力导致了丝张力的提高。通过提高马赫数就可实现提高冲击面的力。据此，采用这项新发明可以大大提高丝的张力，并且以目前还不可能达到的程度保证了质量。根据本发明可以认识到这样的规律性较高的马赫数=较强的冲击=强化的变形工艺。
强化的超音气流作用在宽的工作面，并以极强的气流作用到开松的丝线上，这样达到了没有交缠圈从边侧偏移到冲击面的作用区内。由于加速通道内产生超音气流是以膨胀为基础，我们通过较高的马赫数范围，例如以马赫数2.5替代马赫数1.5能提高有效出口截面或者使它接近提高一倍。用第一系列试验已能取得各种惊喜的观察-采用一种用于较高马赫数结构的超音通道，并且以相同的生产速度与当今技术水平作比较，在任何情况下都使变形工艺得到质量上的改进。
-在现有技术的喷嘴中，当增大生产速度时，人们总会看到剧烈的逐步的质量下降，而采用新喷嘴虽然出现质量下降，但在所有实验中只有很小的程度的下降，而且依赖于丝的纤度只在十分高的速度如800米/分上，才有下降。
-进行各纤度排长丝的测定试验表明，生产速度提高到1000至1500米/分，变形工艺并未遭破坏。
-测量技术很快测出，丝张力平均能提高约50％。在较高的速度，如400至700米/分时，这项提高了的值一直接近保持恒定。
-此外可靠地表明，选择压缩空气的供应压力也是一个基本的影响因素。为了保证较高的马赫数，多数情况下需要较高的供气压力。这一喂入压力大约在6至14巴之间，但也可以提高到20巴和20巴以上。
对现今水平的变形工艺技术与新发明所作的对比试验得出以下很广范围的规律性较高生产速度下的变形丝质量，与采用较低马赫数范围设计的超音通道并以较低的生产速度下变形丝质量作比较，前者至少是与后者相同或者更好。在冲击面内的空气速度为马赫数2以上，如马赫数2.5至5时，变形过程是强化的，即使在最高丝通过速度下，几乎无例外地捕获全部缠结圈并良好地交缠在丝上。加速通道内产生的高马赫数范围的空气速度起到两种作用。一是较强的开松了各根丝条并以较大的力拉扯至喷嘴内。变形工艺直到最高的速度也不再中断。二是长丝束始终在干净的外部通道边界以内均匀地被引入冲击面区域内。
此外，新发明对于工艺和设备方面，允许作出一系列特有优点的设计形式。对此，亦参照权利要求2至10项以及12至17项。在加速通道内，长丝受到正在加速的喷气流的牵引，经过相当的路段，并经开松后传送到相邻的变形区内。变形技术中最根本点在于，加工用于能在以后的生产中始终得到良好的质量。稳定的相同的质量始终是最高准则。这方面采用新的方法特别能够达到，因为它比现今的技术水平能更好地掌握对变形工艺起决定性的因素。其主要点是，控制纱线张力，特别是丝张力的稳定性以及变形质量恒定。加速通道中的压缩空气加速所经过的长度至少为1.5倍，优先采用至少2倍于最狭窄的直径，出口截面与进口截面的比例应大于2。喷气流的总孔径角应大于10°，即大于理想的拉瓦尔角。至今，只有在喷气流处于持久加速状态下取得最好结果。曾经也采用不同的加速度进行过各种改进方案的试验，其结果是一部分较好，相同于采用锥形直通加速通道不断加速的情况。喷射气流沿着加速通道不径转向直通过一个不连续的和强扩张的区段。一根或多根长丝可以按相同的或不同的超喂率喂入，并以400至1200米/分以上的生产速度进行变形。超音通道的压缩空气流加速到2至6马赫，最好选择2.5至4马赫数。最好的结果是在丝通道的出口一端受到一个阻挡球体的限制下取得，其方式是，变形长丝大致与丝通道轴呈直角地通过一个间隙输出。
此外更优先采用的是，喷射空气从输入处进到丝通道的一个圆锥形区段是按轴向方向和大致恒定的速度直接进入加速通道为止，此时压缩空气经过一个或多个，较好方式为3个或多个孔(或通道)进到丝通道内，这样，压缩空气呈带输送方向速度分量的一个角度(β)向着加速通道方向喷射。较为惊奇的是，径向原理的空气变形喷嘴按照新发明加以修改，即根据专利EP-PS NO.88254的变形喷嘴，其技术方案已明确为本专利申请的组成部份，便可取得很好的结果。与此同时，压缩空气优先方式是通过3个孔输入到丝通道内，压缩空气处于一相应的带输送方向分量分力的角度，按超音通道方向喷射。如现今技术一样，采用新的方法，一根或多根复丝也可以使用不同的输出速度比进行变形。超音通道的理论有效总扩张角，从最小到最大直径应是大于10°并低于40°，优先选用12°至30°以内，最好选用12°至25°。根据目前通行的光洁度值，得出一最高的极限角(总角度)为35°至36°，处于以上角度之上超音气流中断。压缩空气在锥形加速通道中是连续的加速，紧连超音通道前面的喷嘴通道区段，优先选择圆柱形结构，这样压缩空气带输送分力朝超音通道方向喷射至圆柱形区段。对丝的牵引力是以加速通道的长度来增大的。喷嘴的扩张或提高马赫数使变形过程强化。加速通道至少具有1∶2的一个横截面扩大区域，用1∶2.5或更大比例更好。此外建议，加速通道的长度应大于加速通道起始端的丝通道直径的3至15倍，优先选择4至12倍。加速通道可以全部或部分地设计成连续扩张，成为锥形区段或近似球体形状。加速通道也可以设计成阶梯式，具有不同的加速区，至少有一个压缩空气流较强的加速区，以及至少有一个弱的加速区。此外，加速通道的出口区可以扩张成圆柱形或近似圆柱形，而进口区则呈较强的扩张，但应小于36°。如果加速通道的边缘条件能按本发明遵守的话，上述的加速通道改进方案近乎是等值的或至少是等价的。丝通道在紧靠超音通道处有一很凸的，最好为喇叭形大于40°扩张的丝通道口，在此情况下，超音通道过渡到丝通道口较好的方式是突变的。其中发现了一个决定性因素，主要是采用一个阻挡球体也能对变形室内的压力状态起到正面作用并保持稳定。根据本发明的变形喷嘴优先采用的结构，其特征在于，它有一个直通的丝通道，压缩空气输送到通道中间的圆柱形区段，并在丝运行方向紧靠圆柱形区段有一个优先采用的锥形加速通道，其孔径角(α2)大于10°，以及有一个相连接的扩张区段，其扩张角(α)大于40°，此扩张区段被设计成锥形或喇叭形。
此外，本发明涉及到一个带丝通道的变形喷嘴头，该丝线通道沿输送方向有一输入区段，一个使压缩空气输入的圆柱形中间区段，以及一个扩张的空气加速区段，出口端有一个可调节的阻挡球体，其特征是，空气加速区段具有一长度(l2)大于加速通道起始端处直径的多倍，并具有一个大于10°的总孔径角(α2)。丝通道宁可设计成在一只可装拆的喷嘴芯内的成带中间区段和空气加速区段。
此外，本发明的任务是为了改进现有一台设计的质量和/或生产速度。本发明的解决方法的特征是，应用一只喷嘴芯来替代现有的一只喷嘴芯(或替代包括喷嘴芯在内的整套喷嘴头)，来提高生产速度和/或改进变形丝质量。喷嘴芯或整套喷嘴头与当今技术水平的喷嘴芯或喷嘴头具有相同的装配尺寸。新的备用喷嘴芯有一个空气加速区段，其长度(l2)是加速通道(11)起始端直径的1.5倍以上，并拥有一个大于10°的总孔径角(α2)。
至今已进行的试验表明，采用新的发明，长丝在进入变形区之前加湿也取得较好效果。但是对于专业界已熟知的冷凝冲击的影响还未能最终搞清楚。
发明简介现就借助几个例子对发明作进一步细节说明。
其中

图1为现今技术水平的一个喷嘴口；图2为根据本发明设计的加速通道例子；图3系根据图2的一只本发明的喷嘴芯；图4一个带喷嘴芯的变形喷嘴头与一台质量检测仪相连接；图4a为短时间内AT值测量曲线；图5根据专利EP-PS NO.88254的一只现今技术水平的喷嘴芯；图6根据本发明具有相同外部安装尺寸的喷嘴芯；图7系有关本发明加速通道的一些有优点的结构；图8为变形喷嘴头的部分截面图；图8a系图8变形喷嘴出口区域的部分放大图；图9根据现今技术水平/新发明生产的变形丝在丝线张力方面的对比；图10以表格形式列出的现今技术水平和本发明的不同喷嘴的质量测量值对比；图11系现今技术水平的变形丝对比图片(右图)；图11a根据本发明所加工的变形丝对比图片(右图)；图12为现今技术/新发明对比测定的测量位置布置图；图13,13a和图14系现今技术水平(图13,13a)与新发明(图14)的变形丝各个应力应变曲线。
本发明的方法和实施按顺序就图1来说，它只表示相当于EP-PS NO.88254的一个变形喷嘴入口区域，这种变形喷嘴1有为首的一个圆柱形区段2，它与直径为d的最狭窄截面3相应。丝通道4从最窄的截面3开始逐步扩张成喇叭形，其形状可以用R半径定义。根据能自行调节超音气流，计算出一个相适应的冲击面直径Das。在冲击直径Das的基础上，可相对精确地求得分离点或断裂点A，它略小于喷嘴的内径。如果在分离点A的区域在两侧做一切线，则得出一个约22°孔径角a1的包裹锥体。这表明，在上述的带相应表面特性的喷嘴形状下，冲击面在22°孔径角即分离。关于冲击面的特征可参阅开头所述的有关科学研究文献。压缩空气的加速区域也可以通过最窄截面3的位置和断裂点A的长度l1加以确定。因为关系到一个真实的超音气流，所以可以由此大致计算出空气速度。Vda是最大空气速度。Vd是最窄位置3的超音速度。提高的例子中计算出了下列数值DASd≅1,225;FAF3≅1,5;L1d<1.0;]]>如果在Vd时，空气速度是330米/秒(马赫1)，则得出超音区域在出口处A大约是马赫数1.8(MDa)。这些值接近于《TextilBulletin》期刊发表的测量值。超音通道内的实质加速区段是很短的，根据新发明来认识，则是太短。
图2展示本发明中一个相当长度l2的加速通道例子。在展示的例子中，本发明变形喷嘴10，只和图1中最狭窄横截面3之前的部分是相同的，之后则是不同的。孔径角α2设定为20°。分离点A2标明在超音通道的终端，该处的丝通道是按孔径角α＞40°过渡到一个不连续的，强锥形或喇叭形的扩张角12。在几何学的基础上，给出冲击面直径DAE它比图1中的直径大得多。从图2得出下列的比例L2/d=4.2；Vd=330米/秒(马赫数1)；DAEd-2.5→MDE=Mach3.2]]>根据新发明，带相应孔径角的加速通道11的延长，起到放大冲击面直径DAE的效果。各种研究表明，目前为止的假设，大概根据纺织实践，认为变形工艺是长丝多次冲击面穿过的结果，至少一部分是不正确的。在冲击面形成的区域内直接产生。最大可能的压缩冲击面13，紧接着突然的压力增高区14。真正的变形过程是位于压缩冲击面13区域内。压缩空气运动大约比长丝快50倍。通过许多次试验可以得知，当供气压力下降后，分离点A3,A4也能移向加速通道11内。实际的办法是，要对长丝求得最佳的喂入压力，需考虑到不适当情况下的加速通道长度(l2)，长度先选择得较长些。对此，现今技术水平的解决方法下，提高供气压力起到的作用很小，因压力对分离点几乎不起作用。
再按次序以图3来说，它展示了一个完整喷嘴芯5优先采用的一种结构形状剖面。外部装配形状可精确选择以适配于现今技术水平的喷嘴芯。主要是指关键安装尺寸，孔径B0，总长度L，喷嘴头高度KH以及压缩空气连接P的间距LA。试验表明，可以保留迄今最佳的喷气角β以及相应的压缩空气孔15的长度。在箭头16的丝线送入区域内，丝线通道4有一个丝线引入锥体6。由斜的压缩空气孔15进入的并按丝运输方向(箭头16)行进的压缩空气将逆行方向的废气流减少。尺寸“X”(图6)表示，压缩空气孔优先地向后错开约一段选择放在最狭窄截面3的直径尺寸的距离面。从运输方向看(箭头16)，变形喷嘴10或喷嘴芯5有一个丝引入锥体6，一个圆柱形中央区段，一个同时兼作加速通道11的锥体8，以及一个扩张的变形空间9。变形空间在横对着气流方向受到喇叭形口的限制，此喇叭形也可以设计成敞开的锥形漏斗。
图4表示一个装有喷嘴芯5的完整变形喷嘴头20。未加工的长丝21通过一个输送装置22进入变形喷嘴，并以变形丝21形式连续运行。在变形喷嘴的出口区域13，装有一个阻挡球体13。压缩空气接管24配置在喷嘴头20上。变形丝21′是以输送速度VT通过第二个输送装置25。变形丝21′还经过一个质量传感器26，例如商标为Hema Quality的ATQ监测仪，可以测量变形丝21′的拉伸强力(CN)和瞬间拉力的偏差(sigma％)。测量信号输入到一台计算机27。相应的质量检测是最佳监督生产的前提。这些测量数据首先也是变形丝质量的一个尺度。当没有产生明确的交缠圈数量时，则对喷气变形过程中质量测定变得困难。更好的确定方法是，确定与用户所认定的好质量之间的偏差。这样，使用ATQ测量装置能够将长丝结构及其差异，通过一个纱线张力传感器26予以确定和分析计算，并通过单个特征值来显示AT值。丝张力传感器26收集模拟的电气信号，特别是变形喷嘴之后的丝拉伸强力。此时AT值连续地从平均值和丝拉伸强力测量值的方差计算出AT值。AT值的大小取决于丝的结构，并由用户按照自己的质量要求来测定。如果生产时丝拉伸力或丝张力的均匀性变动，则AT值亦随之变动。上限值和下限值位于何处，可以用绕丝线样板对比、做成针织品或机织物试样来求出。根据质量要求采取不同的检验方法。变形丝的ATQ监测的特殊优点是，能同时收集到生产过程中的不同类型缺陷。例如变形的位置均匀性、丝给湿、丝条断裂、喷嘴沾污、阻挡球体间距、热棒温度、空气压力波动、Poy牵伸区、长丝喂入，等等。图4a是短测量时间内所显示的AT值曲线图例。
图5和图6展示按实际尺寸放大了许多倍的喷嘴芯，图5系一只现今技术水平的喷嘴芯，而图6为一只本发明的喷嘴芯。由于应用新发明似乎能在喷嘴芯内解决其任务，因此新的喷嘴芯能设计为供目前使用的喷嘴芯用的替换喷嘴芯。因此特别是尺寸Bd，作为安装长度的EL,LA+KHeyKH不仅同样地制作，而且其公差也相同。此外，喇叭形也按现今技术水平以相同的半径R进行制造。阻挡球体可以是任意的一种形状如球形、圆珠形、扁平或甚至半圆球形(图8a)。阻挡球体在出口区域的精确位置是通过保持外部尺寸而保持，相当于一相同的输出缝隙Sp1。变形空间18(在图5中用17标志)向外尺寸保持不变，但是向后方向则以本发明的加速通道11加以确定。如图6中的两个箭头18所示，变形空间也可以根据所选择的空气压力值扩大到加速通道里面。喷嘴芯将按现今技术水平用高档材料如陶瓷、硬金属或特种钢制成，它是一只变形喷嘴的贵重部件。新喷嘴重要的一点是，在加速通道的区域内，圆柱形壁面21和22具有最高的质量。喇叭形扩张的性能视丝的摩擦情况来确定。
图7展示不同布置的超音通道。只是部分地标明了超音通道一个区段的孔径角度。与预料相反，在这些变化之间，试验结果差别不很大。作为最好的形状是纯锥形加速通道，其孔径角为12°以上，介于15°和25°之间(见图中最左边图)。纵列a表示为纯锥体形，列b和c是锥体形和短圆柱形区段的一个组合，而列d具有一个抛物线形的加速通道。列c则是锥形和喇叭形的组合。列f和g中的加速通道头一个区段呈强的扩张，然后过渡到一个圆柱形部分。所有型号的测试试验取得了明显的好结果，目前为止测得最好的结果是列a和d。对于理解来说，重要的是，中央圆柱形区段有着数毫米或者甚至小于1毫米的直径。加速通道的长度是大约1cm或更小。
图8展示了一个完整的喷嘴头20，带有一只喷嘴芯5和一个阻挡球体14，该球体用一个柄23可调节地插立在一个大家所熟知的箱体24内。在长丝穿引时，带柄23的阻挡球体14以已知的方式按箭头25从变形喷嘴的工作区域13移开或转开。压缩空气从箱室27内的压缩空气孔输入。喷嘴芯5通过一个夹紧装置28卡紧在箱体24上。阻挡球体也可以用截圆球形31代替球形30。
图8a表示根据本发明的变形喷嘴带有几种阻挡球体14形状的组合。阻挡球体14方便地进入喇叭形的喷嘴开口。图6中用实线绘出的球体表示一正常的工作位置，而用虚线所示的阻挡球体是和喇叭口12相接触。虚线划的位置可以用作精确确定工作位置的初始位置。藉助喇叭口12和阻挡球体14获得一个位于里面的变形空间18以及一个为了变形气流溢出和变形丝输出的敞开缝隙Sp1。缝隙Sp1是领先经验根据丝的质量而计算并最佳化，为生产过程而确定。变形空间18是根据球体直径和阻挡体的形状得到一个起作用的构形和尺寸。发明者确定，输出间隙的大小主要能够调节加速通道的压力比。通过缩小输出间隙Sp1可变更变形空间的流通阻力和静压力。对于压力调节来说，间隙宽度只需变更十分之几毫米范围就起到决定作用。至今所作的试验，都使用圆形横截面和纵截面对称的超音通道。但新的方法，超音通道也可以应用非对称的和与圆形有偏离的横截面，例如设计成矩形横截面或近似的长方形或近似椭圆形。此外，喷嘴又可以设计这样分体的构形，即它在丝穿引(生头)时可打开。对此可参阅国际专利权申请PCT/CH 96/03311，该专利就其技术内容来说被宣布为本申请的组成部分。
图9的下左图表示现今技术水平的变形示意图。这里有两个主要参数值得强调，从直径d出发，一个开孔区Oe-Z1和一个冲击面直径Das，相应于如图1所示的这个喷嘴。相比之下，右上图展示了一个新的变形喷嘴。从图上清楚看出，Oe-Z2以及DAE较明显的更大。此外还看到更为有趣的是，丝开松已开始于压缩空气输入P区域中的加速通道之前，即开始在圆柱形区段内，以称为前开口区的VO来标志。VO容量宁可选择较大的d。
图9基本说明了两种喷嘴的丝张力比较，一个是按现今技术水平喷嘴(曲线T311)，其马赫数＜2。另一个是按本发明的变形喷嘴(曲线S315)，马赫数＞2。曲线图的纵座标内是表示丝的张力(CN)。横坐标表示生产速度(米/分)。可以看出，T311曲线在生产速度超过500米/分以上时，丝张力明显下降。大约在650米/分以上生产速度时，变形过程中断。反之，曲线S315是使用本发明的喷嘴，显示出生产速度不仅提高了很多，特别是在400至700米/分范围内，丝张力接近稳定，在更高的生产速度范围内丝张力只逐渐地下降。提高马赫数是应用新发明取得进步的最主要“密秘”之一。
图10表述了ATQ质量检测。最上面的表给出了平均拉伸应力(CN)，中间表是瞬时拉伸强力的百分比偏差(Sigma％)，下面表是相应的AT值。每个表第一横行均是标准变形喷嘴，即现今技术水平的变形喷嘴各个数值。余下从上向下横行列出了带不同孔径角，即19°至30.6°的本发明S型号喷嘴的各数值。所有本发明的喷嘴均有相同的超音通道长度。表格中0.00数值表示，不是变形过程不可能，就是未曾进行过该项试验。
图11和图11a展示用变形丝作一个自测的对比。图11(右边的图)表示使用现今技术水平喷嘴生产的变形丝，生产速度分别为400,600和800米/分。在800米/分时，压力也提高到12巴。对此结果是，生产速度至400米/分时可评为好，600米/分时为一定条件下好。在左边的图(图11a)展示了用一只本发明喷嘴所进行的5次试验结果。从图明显看出，即使在800米/分的生产速度，还总是达到一定条件下的好结果。相比之下，虽然喂入空气压力应用到12巴，用户拒绝了用现今技术水平加工的变形丝(见右下图例子)。
图11和11a表明相同丝质量和相同条件的测试。芯纱锦纶丝PAdtex 78f66×1；花式纱锦纶丝PA dtex 78f66×1；超喂率OF 12/13％。图12表示根据图11的对比试验之测试布置。试验所得测量值(设定数据和测量数据)，请见图10中的现今技术水平/新发明喷嘴对比试验数据表。
有关图11和图12的类似说明，也可以参看图13，13a和14。各图的左边展示许多根丝的单强力F CN/dtex(纵坐标)及伸长E(％)(横坐标)曲线图。图13是属于表格栏12a，图13属于表12b以及图14属于表12c。上述图示均为各根丝的应力-应变曲线。
本发明采取较小的措施，特别是通过按本发明的加速通道区构形获得许多令人惊喜的效果。例如-不需修改任何现有的工艺参数，安装上本发明的喷嘴芯来替代现今技术水平的喷嘴芯，即能使质量稳定和得到改进；-或者用户要求略微提高一些生产速度。安装上新的喷嘴即能够提高生产速度，而质量不受损害；
-或者用户要求较大地提高生产速度。这里可提高空气喂入压力来达到，质量同样予以保证；-在任何情况下，即可以采取只替换喷嘴芯，也可以替换整套喷嘴头。现今技术水平新发明T-喷嘴 T-喷嘴S-喷嘴变形工艺 12b12b12C喷嘴芯 T311k T311K S-315Z压力(巴) 9 9 9丝给湿(升/小时) 2 2 2PK-间距(毫米) 3.83.83.8变形区W1.1芯纱超喂率(％)12 12 12米/分 560784784W1.2花式纱超喂率(％) 30 30 30米/分 650910910W2样机速度米/分(％) 500700700稳定区W3(米/分) 500700700与W2的％0热定型区W4(米/分) 500700700与W3的％0定型温度(℃)卷绕WW(米/分) 535758756与W4的％ 7 8 8丝拉伸强力F 2CN喷嘴之后 4.22.95.9F-3 CN稳定区F-4 CN定型前F-5 CN WW之前A-TQ AT值 234627变形丝检测理论纤度(dtex)实际纤度(dtex) 170 170170断裂伸度(％)26.2 23.5 32.7断裂强度(CN/dtex) 2.99 2.84 3.49绝对断裂强度(克)507 483593迄今最好的变形喷嘴有一个直通的丝通道，并在出口端带有一个加速通道和压缩空气进入丝通道的入口(P)，在丝通道的一端可输入长丝，另一端可输出变形丝，，其特征在于喷嘴有一个带圆柱形中央区段的直通丝，压缩空气输入此区段内；此外，在丝输送方向有一个直接连接在圆柱形区段后的优先采用大于10°孔径角(α2)的锥形加速通道，以及一个大于40°孔径角的扩张区段，它的结构为锥形或喇叭形。
变形喷嘴设计成在喷嘴头内可装入和取下的喷嘴芯，组装好的情况下即为喷嘴头，但也可以设计成带有喷嘴芯的喷嘴头，并在喷嘴芯的出口端装配有一个可调节的阻挡球体，用它来限制变形空间。
权利要求
1．采用一个带有直通丝通道2的变形喷嘴的长丝的空气动力变形工艺，通道一端输入长丝，另一端则输出变形丝，同时在中央的区段供给压力为4巴以上压缩空气进入丝通道内，并在逐渐扩张的加速通道中，此喷射气流被加速到超音速，其特征在于，丝张力这样提高，即加速通道内的喷射气流加速到马赫2以上，以达到丝张力与丝速度的关系最佳化。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于，当预定给定的压缩空气喂入压力为6和14巴之间或以上时，一给定丝质量条件的丝张力，在生产速度为400至600米/分范围时是接近稳定的。
3．根据权利要求1和2的方法，其特征在于，加速通道内的压缩空气加速经过的长度，至少是最狭窄直径的1.5倍，最好选用2倍。此时相应的通道区段的出口横截面与进口横截面比例是大于2。
4．根据权利要求1至3的方法，其特征在于，喷射气流的总孔径角应是大于10°或大于理想的拉瓦尔角，优先选用12°至30°，尤其优先选用15°至25°。
5．根据权利要求1至4的方法，其特征在于，喷射气流的加速是不断的或增加的或间断的，或以不同的加速和/或以零加速区段进行。
6．根据权利要求1至5的方法，其特征在于，喷射空气从输入口进入丝通道是直接以轴向方向和大致恒定速度进入加速通道内，这时压缩空气通过一个或多个，最好经过三个孔输入到丝通道；这样压缩空气以输送分力的一个角度(β)向着加速通道方向喷射。
7．根据权利要求1至6的方法，其特征在于，加速通道后的喷射气流紧接着不转向地即通过一强扩张的区域。
8．根据权利要求1至7的方法，其特征在于，一根或多根长丝纱以相同的或不同的超喂率输入，并以400至500米/分的生产速度或宁可采用更高的500至1200米/分速度进行变形加工。
9．根据权利要求1至8的方法，其特征在于，超音通道内的压缩气流加速到马赫数2.0至6，优先选用2.5至4马赫。
10．根据权利要求1至9之一项的方法，其特征在于，丝通道的出口端受到一个阻挡球体的限制，即变形丝与丝通道轴大致呈长方形经过间隙输出。
11．一个带直通丝通道的变形喷嘴，丝通道出口这一侧有一个加速通道和一个压缩空气进入丝通道的入口(P)，丝通道的一端可输入长丝，而另一端可输出变形丝，其特征在于，加速通道11的有效加速区段有一个大于加速通道(11)起始端直径1.5倍以上的长度(l2)以及一个大于10°的总孔径角(α2)。
12．根据权利要求11的变形喷嘴，其特征在于，加速通道的有效扩张角(α2)是大于10°，但小于40°，优先采用12°至30°，更为优先选择用15°至25°。
13．根据权利要求11或12的变形喷嘴，其特征在于，加速通道最少具有一个1∶20或更大的横截面扩张区域和一个大于10°的总孔径角(α2)。
14．根据权利要求11至13之一的变形喷嘴，其特征在于，加速通道(11)的结构是锥形，并优先选用过渡到一个很强扩张的喇叭形孔。
15．根据权利要求11至14之一项的变形喷嘴，其特征在于，加速通道的长度(l2)最少应是大于加速通道起始端处丝通道直径(d)的两倍，或优先选择3至15倍，特别优先选择4至12倍。
16．根据权利要求11至15项之一的变形喷嘴，其特征在于，加速通道的进口区域是圆柱形或近似圆柱形(VO)，出口区域则是大于40°的强扩张角。
17．根据权利要求11至16项中之一的变形喷嘴，其特征在于，喷气变形喷嘴有一个径向原理的压缩空气入口(P)。
18．一个带变形喷嘴和一个直通丝通道的喷嘴头，其通道按丝输送方向有一个入口区段，一个带压缩空气入口的圆柱形中央区段，一个扩张的空气加速区段以及出口远端有一个优先采用的可调节阻挡球体，其特征在于，空气加速区段的长度(l2)是大于加速通道区段起始端处直径(d)，并有一个大于10°的总孔径角(α2)。
19．根据权利要求18的带一个变形喷嘴和直通丝通道的喷嘴头，其丝通道按丝输送方向有一个入口区段，一个带压缩空气进口的圆柱形中央区段和一个扩张的空气加速区段以及出口远端有一个优先选用的阻挡球体，其特征在于，可装入和取下的喷嘴芯的这个丝通道，设计成有一个中央区段以及空气加速区段。
20．应用根据权利要求1至18项中之一项所述一只设计成喷嘴芯的变形喷嘴，作为现有喷嘴芯或整套喷嘴头的替换件，以便提高生产速度和/或改进变形丝的质量，这样喷嘴芯或整套喷嘴头具与现今技术水平的喷嘴芯或喷嘴头相同的装配尺寸，同时该备用喷嘴芯有一个空气加速区段，其长度(l2)是大于加速区段起始端处的直径(d)以及有一个大于10°的总孔径角(α2)。
21．特别是根据权利要求1,11或20中之一项的喷嘴芯，其特征在于，它有一个直通丝通道和一个圆柱形中央区段，压缩空气进入此区段内，此外按丝输送方向直接在锥形区段后有一个大于10°的总孔径角以及一个锥形或喇叭形扩张区段。
全文摘要
本发明建议,借助喷嘴通道结构使空气流保持在马赫数2以上,从而提高变形强度。喷嘴通道在紧靠变形区之前的张角设计成大于理想的拉瓦尔角,其有效长度优选地为喷嘴最窄处直径的许多倍。本新发明首先提高了变形质量,特别是在高生产速度时的变形质量。生产速度可达600至1000米/分及更高。已经令人吃惊地证明,新喷嘴芯可这样地构造,即它具有新发明所有优点,而且可以用作现有技术喷嘴芯的替换件。这一点也同样适用于复杂的喷嘴头,因为本新发明可以在同样外部几何尺寸、同样压力、同样空气量的范围内使用。
文档编号D02J1/00GK1211293SQ97192307
公开日1999年3月17日 申请日期1997年2月12日 优先权日1996年2月15日
发明者G·贝特施, E·施瓦兹 申请人:希伯莱因纤维技术公司