专利名称:磨料供给的制作方法
这个发明涉及在载料液体中的磨料的供给。已发现卷吸进液体中的磨料颗粒可用来切割材料，特别是在不能加热或有火焰的环境中。
本发明涉及在高压时即在至少10巴(1 Megapascal)最好在15、25、35甚至70巴以上的压力时，混合磨料和载料液体。一方面，本发明提供了一种在喷咀上形成一种高压(如前所规定的)切削喷射流的方法。它是由载料液体和磨料的混合物形成混合物，在该高压下供给喷咀所组成的。磨料可以是干的或以浆液供给压力容器，在该容器中在液体的高压下磨料与液体相混合。压力容器的出口可进一步在它上加水。例如为了调节磨料的浓度。但是这不能使压力容器供给的磨料进一步增压。经过这任意添加之后，单一的导管将它导至喷咀。在喷咀上不再混合磨料和进一步加水。仅用一个导管把它导至喷咀，这比用二个或更多的连到喷咀上面的导管控制起来更容易。把高压的液体和磨料的混合物供给喷咀比在载料液体的喷射流中卷吸磨料(如US-A-4478368所描述的)更有效。因为，在喷射流形成时载料液体的压力下降，使得最后的混合物处于比载料液体所升到的原值要低的压力上。上述美国说明书中所述的冲量传输过程的内在低效率，可通过使高压磨料浆液经过一喷咀加以避免，该喷咀产生了直接把潜能或压力能有效地转换成动能或速度能量的作用。
通过压力容器的液流最好安排成，至少在压力容器的中心部分磨料沉淀出而不是浆液形式。由于浆液出口装置四周的局部液流形状，在压力容器的较低部分产生浆液。在最佳实施例中，引导到压力容器顶部的液体替代了穿过沉淀磨料颗粒四周空隙的液体。一个典型的空隙百分比大约是沉淀磨料颗粒的50%。可以用来通过液流的空隙液流面积沿容器的整个横截面扩展，使得液流的平均速度(a)方向向下，和(b)具有相对低的速度，这种速度能使沉淀的磨料颗粒密实，而不会使磨料颗粒在液体中悬浮起来。从磨料浆液入口到出口的范围内，靠近容器的底部，在空隙中的液流从它向下方向偏转，且聚合进导管的面积内。液流的聚合意味着可用空隙面积的减少，然而增加了局部液体流速。因此，液体趋向于使导管的紧靠的附近区域中的颗粒流体化而且把它们流入导管中。局部流体化颗粒的体积是液体流速的函数。也导至在容器中出来的磨料的体积/单位时间和液体流速之间大约成正比例关系。这种关系向下延伸到低流区，但出口管道的设计使流入压力容器的液流的停止导至从该容器供给磨料的迅速停止。这有利于操作和避免阀的磨损。
这种计量方法给出了液体流量和磨料排放量之间的近似常量关系。在容器中磨料的装填量在导管内达到液流化区域沉淀磨料表面的限定条件以前，不考虑磨料在容器中的装填量。
这个方法的优点是在压力容器中的磨料的主要部分保持沉淀状态。如液流化过大，则产生颗粒大小的等级问题;这种情况在反冲洗沙滤同时会遇到。这个颗粒等级会影响磨料切削头的使用。切削速度是一个颗粒大小的函数，因此当压力容器的排出周期变化时，切削速度也变化。
另一方面，本发明也涉及到能避免在输送磨料时阀的磨损。当阀在从关闭状态到开启状态，或从开启状态到关闭状态操作时，本发明提供把磨料卷吸在载料液体中，而通过有阀门的管道的供料方法。这个方法是由在阀之上的导管中装有一个活门和在阀之下的导管中装有一个适合于接受所有的在液流中止时从活门之下的导管中沉淀下来的磨料的容器所组成。假如阀门仅仅在液流中止之后的予定周期动作，磨料在予定周期时已经沉淀在阀门之下，当阀门最后动作时，可在清澈的载料液体中运动，所以不受磨料的磨损。在相反情况下，阀门的相对运动部件就会被磨料档住。公开了各种适用的活门形式。例如一个倒U形，它在液流中止时，可把沉淀磨料分成一部分不防碍阀的沉淀和另一部分通过阀沉淀到阀下面导管中的沉淀。
本发明提供一个磨料切削装置，它由一个接受液体和磨料在一起的漏斗，一个位于低于漏斗底部水平面的喷咀，一个把液体和磨料从漏斗引到喷咀的导管所组成，除了在这种装置中液体的重力效应外，没有给这装置中液体加压的装置，本发明的这个方面特别适用于导管向下延伸大的深度。因此，液体和磨料的二相流的水头，由于重力的作用，在喷咀上产生高的压力。
另一方面，本发明提供了一个从漏斗流出颗粒材料的液流控制方法，漏斗具有一个圆柱形的上部和连着出口的内锥形的下部。这个方法是在压力下把液体引导到圆柱部分中颗粒材料之上，使那部分中的材料产生塞状流，液体的局部速度由于较低部分的形状而增加，在此处流体化的材料，促使液流从该出口流出。
本发明和现有技术的实施例现在参照如下。
图1是磨料供给装置的简图。
图2和图3是图1装置放大的详图。
图4是现有技术高压磨料卷吸装置的方框图。
图5是一个分批的液体卷吸磨料系统的方框图。
图6是一个连续高压磨料浆液供给系统图。
图7表示带有磨料活门的冲洗阀。
图8是水头的磨料悬浮液供给系统。
图9是图8装置的详细的方框图。
图10和图11是图8装置的详图。
图12是一个磨料水喷射切割装置的图解式图形。
图13是图12的一个侧视图的局部剖视图。
图14和图15是两个可变换的流体化装置的纵剖面图。
图16是一个图15装置的俯视图。
图17是一个图16的装置在运转时的局部剖视图。
图18表示图17的装置位于颗粒材料容器中。
在图1的装置中，供给磨料，或是干的或是悬浮形式放入加满水的漏斗205中，由溢流管207控制水的最大深度。漏斗底部的材料能被吸入，向上通过垂直管206经阀门211通到活门208的。
阀门的位置应当这样来布置，使阀门下部管内的容积大于该阀门与活门之间的管内的容积，即考虑这样一个因素，磨料载流液所含的磨料工作时到达该管子内部，当载流液停止流动时，磨料在管中沉淀的最大高度要低于阀门。这样，阀门在工作时，是处于清澈的载流液体中，阀门在不用把磨料抽到它的工作部件中就能够动作。该因素的最小值取决于载料液体中磨料的浓度，但该装置按照适合大多数工作浓度的因素进行设计即可。
压力容器201在它的上端有两个，如图2中放大的详图中所示的同轴导管和它的下端有一个如图3中放大的详图中所示的活门型的出口。内同轴导管225是通过活门208和阀211连结到管206上。一个高压水泵209在两条支管上供水，一条支管通过可调节流阀217，流量计216，单向阀220和阀213通过对着容器201的入口装有过滤器227的同轴外导管226。在阀213和同轴导管226之间的一个接点，通过一个阀门，联到把水供给漏斗205顶部的一个抽水泵210。另一支管从泵209的出口接点连接单向阀219把水供给一个接点，该接点的一个分管通过阀门212联到压力容器201的外导管204上，而另一分管联到排出喷咀上。单向阀219和220要加以选择，要产生足够的压力差，以能够经压力容器201通过所需液流，剩余的泵的流量经阀219通过与压力容器201的旁路排掉。所安装的溢流阀218为安全阀。
在运转开始时，压力容器201用水加满。抽水泵210与电源接通，水从压力容器201的顶部的导管226经过打开的阀221，阀212和阀213关闭，进入漏斗205而且从漏斗底部经管206回到容器201的导管225中循环。给漏斗加磨料，且沉淀到底部。
在管206内产生的压力差和局部增加的液体流速，在管206的入口处磨料流体化，盛在漏斗205中的水和颗粒材料的浆液被抽入压力容器201中。在那里，成分和流速的选择，要使得水流经导管226到泵210连续循环，磨料从浆液中沉淀出来。最后，沉淀材料达到了对着容器顶部的同轴外导管226的入口处的滤网227的水平面。当滤网眼阻塞时，液流停止流动。磨料要在颗粒大小的狭长带中选择，使容器201中的材料间有充足的空隙能使液体流过。这种细颗粒材料的存在能够阻塞通过沉淀的液流，而且近一步这种颗粒在磨料卷吸进载料液体的喷射流中，这对于切削是不起作用的。
利用泵209在压力下把水经阀213加到同轴外导管226，关闭阀211和221时，从压力容器201中排出磨料。这个水流与先前的水流方向相反，清洗了滤器227的磨料，而且水通过沉淀材料到压力容器的底部。靠近输出活门204的局部液流的形状流体化了的材料，通过在图3中放大的详图所示的活门204和阀门212供给喷咀222。可通过关闭阀门213在任何时候都可以停止压力容器201的排放，使得由泵209来的水转向通过单向阀219而且在活门204以下的导管中的磨料通过阀212沉淀进阀212和单向阀219的导管接点之间的导管中。因此，阀212在一个予定进时之后可关闭在纯载料液体中，没有磨料卷吸进阀的工作部件之中的危险。如从图3所能看到的，在漏斗底部流体化的材料通过入口隙缝241进入外导管242，然后向上到活门顶部243。由243处输出导管244同心向下通向阀212。在阀213关闭和通过压力容器的液流停止时，磨料仅仅从活门的顶部的磨料沉淀回处导管242中，而不通过阀212沉淀。因此，磨料通过阀沉淀的仅仅是很小的体积(导管244的体积)，这样可相对容易地安排阀212以下的导管，使其具有足够的容积来容纳全部的磨料而没有沉淀的磨料达到阀212的高度的危险。对活门来说没有必须是两个垂直走向的通道。例如，入口通道可以是水平的或可防止材料从漏斗通过它沉淀到阀212上的任何取向。在设计这个活门时，必须考虑磨料的安置角度和整个装置的取向的任何变化。例如它是潜入水下的回程上进行的。
在磨料达到压力容器201的顶部时，滤器227的阻塞能够被检测，以自动开关阀212和213，而且接通泵209和210以把加料变成排放周期。在相当于加料周期的排放周期，通过产生在相反方向上流经滤器227的水，磨料阻塞的滤器227自动地进行了清洗。
图5表示本发明实施例的基本流程图。它能够与图4所表示的用水卷吸磨料系统的现有技术相对照。在图4的现有技术的设置中，用水作为一载液，形成一较低压力的浆液，该浆液与更高流速的清水相混合。磨料浆和高流速清水的该种混合在设计适当的喷射泵中发生，在那里，高流速流中的一小部分能量通过吸卷和冲量的变化传输到该磨料浆。所产生的磨料流能用于切削多种材料。从理论上讲，一喷射泵的最大效率为50%。该效率在第一和第二流的相当高的比例情况下将进一步降低。至今为至，所有已知的商用磨料喷流切削系统都用这个原则(a)避免在高压下泵磨料浆液，如果象这样使用，高压水泵将受到快速和严重的磨损(b)避免由在高压下把磨料浆输到一般的喷咀所产生的快速磨损，在图4的装置中，由于磨料供应源16和低压水泵17在浆液部件11中形成浆液。混合是通过压力器或液压泵13实现的。而且磨料浆液由浆液部件11供给喷枪14，高压水是由700巴的泵供给喷枪，以便卷吸磨料，在高流速下喷向工件。与浆液部件11相同由同样低压水系统17加给泵12。因此在磨料浆液由高压水加在单独导管中时喷枪难于使用，因为喷枪必须装有两个导管使它难于操纵对准目标。
喷枪14是一喷射泵，在其中，磨料浆液被径向输入一腔室，沿该腔室的轴线高压水从喷咀中喷出，这与上述美国说明书所述相似。冲量从驱动流液传输到混合管中的第二流液。这种装置的内在效率不高，图5所示方式通过在高压下把磨料和驱动水作为浆液输到喷咀23，避免了这低效率。在混合物在高压下实际被制成时，如图5所示，在被导管24分开的混合容器22和喷咀23之间没有进一步加压输送，导管24如需要为了有利于导向喷咀可以是挠性的。磨料从供应源27以或是干的或是浆液形式被加到压力容器22上。而且一个高压泵21把来自28所加的水加压到例如35到70巴的压力(虽然对某些应用可以达到10，000巴)，和把它供给压力容器22，在高压下发生混合。可以要求在它到达喷咀23之前稀释由压力容器22所形成的高压浆液，而且这是由通过一个可调节流阀26的旁路导管25来实现的。但这个旁路对所加的磨料不进一步加压，仅仅把它稀释成为特定切削目的所需的浓度。导管25在靠近容器24而且远离喷咀23处连接导管24。已发现喷咀23所喷出的喷射流能整齐精确切割薄钢板，而磨料卷吸系统一般产生粗糙不准的切割。
在图6中，在低压下磨料与水混合以把它输入压力容器，然后在高压下水被加到混合物中，以增加施加到喷咀上的最后混合物的压力。这是一个分批投料的过程，便是为了使它连续输料，提供了一对压力容器，装有适于开关从一个混合室到另一个混合室的喷咀的供应源的阀门。来自供应源27的磨料在室31中与压力容器32和33排出的水相混合，而且由重力经阀34和35添加到平行的压力容器32和33中。来自28的水被加到高压泵36中，它的输出通过阀37和38被加到压力容器32和33中。压力容器32和33的输出经阀41和42，经过磨料浓度均衡装置43被加到喷咀23上。压力容器32和33经阀46和45把水排回到室31中，为制造浆液加水，偶数阀一起打开，奇数阀时反相。当压力容器32从室31中经阀34加满低压浆液时，阀门改变位置，使得高压水经阀门37加到压力容器32中，把高压浆液驱向喷咀，低压浆液经阀门35灌入压力容器33中。当压力容器32的浆液空了而且压力容器33的浆液是满的时候，阀门再次改变位置而且这个过程是连续的，磨料浓度均衡装置43是由一个涡流室组成，在涡流室中随水量改变的浆液量成切线流入，螺旋地经过该室，到达一出口，该流速的变化和螺旋的路径确保了水和浆液在该出口的适当的混合，以给喷咀23提供一均匀的浆液浓度，达到均匀的切削性能，把当阀的状态变化时会产生的浆液中的磨料的浓度的变化减小到最小值。没有装置43，喷咀会切削成孔而不成连续的槽。
阀门组件34、35、41、42、45和46是特殊结构，因为它们载着磨料颗粒。45和46不是特殊结构的。图7详细说明了这个设计。磨料悬浮液在134处经捕获室或具有通向球133的高起的出口136的活门135进入阀。
图7表示打开的阀。当它通过球133旋转90°，它就关闭了。在131处的普通水把磨料冲出球133，避免了阀座的磨损。
在图8的方案中，磨料和水一起加到长的竖直管48的入口49，该管的下端直通喷咀。这个方案供给喷咀23的水和磨料的混合物处于管48中磨料和水的重量产生的高压之下而没有使用任何泵施加压力。图9中，中间磨料捕获站47装有向下的管48的长度，以防止在通过喷咀的浆液流停止时全部的磨料沉淀到管底。这样一个站的图形表示在图10中。室61有一个入口导管62与比入口导管62稍大的口径的出口63在一直线上，两个管在室61中与垂直方向倾斜成一个角度，在入口管和出口管之间有一个间隙64。在入口管和出口管之间有一浆液流时，磨料的动量把它载过间隙64进入出口管。在液流停止时，入口管中的浆液中的磨料通过间隙落入室61的底部，而且由出口不连续地落入主管中。通过打开阀门65能够把室放空，而且在浆液流通过这系统时，这样做很方便，避免下面的另一个室溢出。室61做得大的足以捕获留在磨料捕获站以上管里的任何磨料。磨料捕获站能够用在前面描述过的实例中的活门的位置上。
在许多喷咀的供料需连接垂直管时，要装有一个复合相位液流分流器70，如图11所示。具有垂直入口导管72的室71直向下通到在室的底部的冲击板表面73而且出口74径向环绕室并在入口导管72的端面之上安置。这个方案保证了磨料保持悬浮在浆液中而且加到各种出口74的浆液中，磨料的浓度保持均匀一致。冲击板表面容易制成可换的，因为它被磨料的碰撞下要磨损。在管48的底部装有排泄阀85(见图9)通到捕获箱86，磨料和/或不要的浆液可排放进该箱之中。
在图12和图13所表示的方案中，水箱311的水，由喷射泵312抽上来，沿经供应管313，连结压力计314，并通过可调阀315供给喷射器316。喷射器316的出口连到压力计317上，而且通过一柔性导管318连到喷咀319上。喷咀对准所要切掉的材料。从供应源323，通过阀322供给喷射器磨料浆液。
磨料供应源323，包括一个有上圆柱部分324和下圆锥部分325的漏斗，它的出口经阀322连到喷射器316上。由导管313来的水经阀326放入两平行臂中，每一个均由液流调节器327、液量计328和单向阀329所组成。在上平行臂中的液体供给漏斗的圆柱部分324的顶部区域，以使圆柱部分324中含有的静止的磨料向圆锥部分325运动。从图13能很好地看到，水331保持平行于圆锥部分325的壁332，而且在垂直平面内。由管331的内部出口通道导向平行于壁332而且至少向下与水平面倾斜30°。流经通道333的水由于局部增加速度流体化了，圆锥部分325中的磨料把它导向出口。下部分325圆锥的精确角度和通道333的倾斜度能够调整到适合于使用时的材料和液体。没有必要为了如所说明过的横着漏斗延伸，从低的平行通道把导管334连到管331上。
供给喷咀319的浆液量能够由两个调节器327和阀315相对调节来控制。可以安装压力计监视流量。
所说明的装置的变型属于本发明的范围。例如，可装有许多331管。圆锥部分的锥的半角能够与所说明的30°不同。因为漏斗323的输出已经是浆液，它能够直接连到喷咀上。当浆液与来自管313的高压液体进一步混合时，一个简单的接头可装在喷射器的板上。
图14说明一个流体化装置，它具有在下端开有一轴向孔的圆柱体261而且由轴向不锈钢264分成两个同轴室262和263。管264可滑动地安装在靠近圆柱体上端而且能够通过无头螺丝268把管子紧固。O形环266或267把管子密封在孔上，螺丝可在任一边。管264的轴向位置能够调整到适合于装置的使用，一个切向入口269装在靠近至262的上端。在使用时，通过入口269导入室262的液体以涡旋运动通过到圆柱体开端，在这里它卷吸而且流体化了在邻近范围内的颗粒材料。然后，流体化的材料经管264出口(没有划)抽出。由施加到出口的负压或在圆柱体四周的容器中施加到颗粒材料的压力产生运动。
图15表示一个类似于图14的装置，除了仅有一个室271是构制在圆柱体272内。室271在下端有一个减少直径部分273，带有一个钟形进出口274，而且在顶部也装有空气排气道275，在室271中的空气可能不需要的情况下使用。在空气排气道275中可装上一个单向阀。除了装到室的上部的切向入口276之外，在减少直径部分之上，在室的下部还有一个切向出口277。出口277具有比入口更大的尺寸，而且安在接受通过入口276在室内产生回转的液体的位置上。圆柱体的上部是锥形的，以利于颗粒材料流动。在上面，通过圆柱体的底部轴向延伸的空气通道275和减少直径部分虽然不是必不可缺少的，它们也可以合并在图14的装置中。
参照图16，水经入口276引入室中而且回转，在圆柱体内的回转水流，象一个形成外、内核的水利旋流器一样作用。任何进入系统的空气都被压到旋流器的中心而且通过排气道275排出。旋转水流由室271排出，而且扩展形成水锥，它能够搅动和悬浮在圆锥的局限面积内的任何磨料。室的下端减少直径部分有助于液流分布。然后悬浮的磨料由于减压被抽进旋转核而且被抬高到室的顶部在此遇上外旋转液流。在这液流中磨料被加速而且当它旋转到对着室的壁时被抽出。在钟形进出口和出口277之间装置的横向上可施加压力差。这个压力差能够通过对出口加一负压或通过采取把圆柱体放入磨料贮存器加压来获得。在后一种情况中，出口咀277必须从压力容器引到低压范围外边。
可获得自动调节，因为能够在任何时候流体化和用泵吸磨料的量取决于经入口276所加的水和在室内减少的回转速度。这个影响了把悬浮颗粒抽入室的内核中的压力的减少。在压力上的这个减少也受室中磨料浓度的影响，因此，进一步调节进入室中的磨料液流。这些因素最终由流体化装置的实际尺寸和几何形状来决定。
贮存器设计成使磨料自由流向容器的底部。流体化装置设置于如图15所示的靠近容器底部的位置上。除产生流体化之外，颗粒材料被密封装在固定的环绕圆柱体272的栓中。在装置和容器之间应当给适当的间隙，以允许不受阻碍的颗粒环流进入装置。位于该装置底平板之上的短垂直距离处，呈现水的锥形流体化效应。因为这个原因，容器的锥边是主要部分，但装置设置于一个平底上似乎最有利。
以上所述的任何流体化装置和单向装置能够用于任何上面描述过的混合装置。
权利要求
1.高压(如本文所规定的)喷射装置由一个喷嘴，在远离喷嘴的一点上形成磨料和载料液体的混合物的装置，以及在该高压下把混合物导向喷嘴以便形成高速喷射流的导管所组成。
2.一个在喷嘴上形成高速切削喷射流的方法，由形成磨料和载料液体的混合物，该混合物在高压下(如在前所规定的)供给喷嘴所组成。
3.一个如权项2所要求的方法由在该高压下形成该混合物所组成。
4.一个如权项2或3所要求的方法，其中混合物在一压力容器中形成，载料液体的速度在靠近压力容器的出口处增强，流体化了毗邻的磨料，供给从压力容器中出来的混合物。
5.一个如权项4所要求的方法，其中磨料沉淀在压力容器中
6.一个如权项4或权项5所要求的方法，其中载料液体流经压力容器。
7.一个如权项6所要求的方法，其中载料流体向下流经压力容器。
8.一个如权项2到5中任一个所要求的方法，其中，载料液体仅仅在邻近出口被引导进入压力容器。
9.通过一个含有阀的导管，把磨料卷吸进载料液体的供料方法，由在阀之上的导管中装有一个活门和在阀之下的导管中装有一个适合于接受所有的在液流停止时从活门以下的导管沉淀下来的磨料的容积所组成。
10.一个磨料切削装置由一个用于接受液体和磨料在一起的漏斗，一个位于低于漏斗底部水平面的喷嘴和一个把液体和磨料从漏斗引到喷嘴的导管所组成，除了在这装置中液体的重力效应外，没有给这装置中液体加压的装置。
11.控制压力容器颗粒材料的液流方法，该方法是在压力下，把液体引导到沉淀的颗粒材料之上，使那部分的材料产生塞状流，液体的局部速度在较低部分处而增加，因此，在此处的材料液流化了，液流容易从出口流出。
12.一个如权项11所要求的方法，把附加液体引进漏斗的底部，这有助于液流的形成。
专利摘要
高压磨料喷射流是通过把载料液体磨料的混合物在高压下经导管供给喷嘴产生的。这混合物可以在该高压下形成。输送高压混合物的阀在上面装有一个活门，在下面装有一个沉淀物的容器，使得液流停止时，磨料从活门之下完全沉淀进沉淀物容器之中。因此，使阀门可在清澈的载料液体中动作。高压磨料喷射流能够在通过把载料液体和磨料给一个垂直延伸的它的下端通到喷嘴的导管中形成。高压是由导管中的水位差产生的。
文档编号B24C7/00GK86107567SQ86107567
公开日1987年9月2日 申请日期1986年10月10日
发明者罗杰·阿丁戴尔·赫伦, 戴维·亨利·桑德斯, 罗伯特·马克·费尔赫斯特 申请人:英国流体力学研究公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan