用于高生产率的安静的磨料喷射喷嘴的方法和设计

关于联邦赞助的研究或开发的声明

本发明部分地由美国政府(“政府”)根据与空军部的合同FA8222-14-M-0006提供支持。本发明还部分地由政府根据与海军研究办公室的合同N68335-17-C-0581提供支持。因此，政府对本发明拥有一定权利。

技术领域

本发明涉及用于磨料喷射的设备和方法。更具体地，本发明对降噪磨料喷射组件和系统以及对该系统进行构建的方法进行了描述。

背景技术

用于将涂料和表面涂层移除的喷射操作对于美国武装部队的船舶、飞机和陆地车辆以及对于工业车辆和机械是必不可少的。但是这些操作使维修人员经常暴露于119dB和更大的声压级(SPL)，这给喷射操作者带来了严重的健康、生产力和合规性问题。许多喷射操作者遭遇了由于长期暴露于喷射噪声而直接导致的听力损失。诸如耳塞和耳罩的个人防护设备(PPE)可以降低直接风险，但是会导致损失态势感知，并且仍然不满足对于噪声暴露限值的OSHA级别要求。OSHA噪声标准(29 CFR 1910.95)将工人允许的噪声暴露限值(PEL)限制为8小时的时间加权平均值为90dBA，并且不认为更好的听力保护会减少工人的噪声暴露。只有通过在声音的源头处减少声音，工人才能体验到无害的噪声。

图1中所示的是常规的、现有技术的超音速磨料喷射系统10，该系统10包括压缩机12、压缩机管14和磨料罐16，该磨料罐16容纳磨料介质18。磨料计量阀20对将磨料介质18释放到标准喷射管22中的速度进行控制。释放的介质18穿过喷射管22行进至爪状联接件24，然后介质18穿过超音速收敛扩散式喷嘴26，在该超音速收敛扩散式喷嘴26处，介质18以超音速和相当大的噪声被释放到环境中。

图2中以横截面示出了现有技术的收敛扩散式喷嘴26的细节。喷嘴26包括桶状件28，该桶状件28具有孔30，该孔30具有收敛孔部分32、喉部34和扩散孔部分36。混合有磨料介质18的气体在行进穿过收敛部分32时被压缩，并且然后穿过扩散部分36而被分散，从而使介质18的颗粒在喷嘴26的扩散部分36内加速并且从扩散部分36流出。

常规的磨料喷射系统设置使用单个1英寸内径的喷射管22和收敛扩散型超音速喷嘴附件26。这些设置中的磨料喷射介质在进入喷嘴26与随后从喷嘴26离开的短距离上进行磨料喷射介质的大部分的加速。

如Settles的论文(Settles G.，A scientific view of the productivity ofabrasive blasting nozzle，1996)中所证明的，当颗粒流动穿过喷嘴的扩散部分和出口时，颗粒从在喷嘴前的相当小的速度加速到较高的速度。这使管中的磨损最小化，特别是对于高磨料介质而言更是如此。在图3中的从Settles的论文复制的曲线图中示出了这种行为，所述曲线图示出了穿过Laval喷嘴的预计和所测得的速度。如所示的，在贯穿整个喷嘴中，颗粒速度始终远低于气体速度的50％。

如图1和图2中所示的磨料喷射系统的目前可用的磨料喷射系统产生了过大的噪声，该噪声超过由职业安全组织为工作环境噪声所设定的水平，并且因此，需要使用个人防护设备以保护听力以及限制操作者暴露于这种噪声的时间。因此，需要下述磨料喷射系统：该磨料喷射系统产生更少的噪声，从而减少噪声诱发的听力损失和/或耳鸣并且改善嘈杂的操作环境中的态势感知，同时该系统还表现出同等的生产率和效率。

如图1和图2中所示的磨料喷射系统的目前可用的磨料喷射系统较大且较重，从而对使用者造成了压力和疲劳。因此，需要较小且较轻的磨料喷射系统以便于使用和延长使用时间。

发明内容

在本发明的降噪磨料喷射组件和系统中实现了这些和其他目的。新的组件和系统以与现有技术相比明显更少的噪声提供了有效的磨料喷射，同时使来自系统承载部分的尺寸和重量的人体工程学压力减少。

新的组件和系统在管、喷嘴或者管与喷嘴两者中提供了更大的长度——颗粒在出口之前在该长度上被加速——从而在出口处使颗粒的速度更接近于气体的速度，并且能够使用更低的气体出口速度，以在保持或甚至提高颗粒速度并且因此保持或甚至提高生产率的同时降低系统的噪声。虽然喷射操作者被允许的喷射时间量与噪声暴露有关(由于例如法规遵从性问题)，但与磨料离开喷嘴的速度有关的喷嘴生产率在磨料喷射中同样受到关注。更高的速度意味着喷射操作者单位平方米喷射可以花费更少的时间。更少的时间转化为更高的工人生产力和更低的操作成本。

在一些实施方式中，新的组件和系统包括标准的喷射管、新型加速器管部分、包括过渡联接件的联接件、和喷嘴。该改进的喷射系统在降低出口气体速度并且因而减少声音产生的同时保持所需的磨料颗粒速度。这通过将现有技术的喷射系统中不存在的直的加速部分并入来实现，该直的加速部分具有足够的长度以提供必要的磨料颗粒速度。新的系统保持常规磨料喷射系统的生产率和效率，但极大地减少了噪声产生并且由于系统的承载部分的较低重量而减少了操作者的疲劳。

本发明的一方面是磨料喷射设备，该磨料喷射设备与常规的超音速磨料喷射系统相比产生明显更少的噪声，同时在与现有技术的超音速磨料喷射设备相比时表现出同等或更高的效率和喷射结果。

本发明的另外方面是磨料喷射设备，该磨料喷射设备在表现出同等或更高的效率和结果的同时具有比常规超音速磨料喷射系统更小且更轻的承载部分。

本发明的另一个方面是磨料喷射系统，该磨料喷射系统采用具有比常规的标准喷射管更小的内径的一段加速器管，该加速器管采用附加的长度以在颗粒进入喷射喷嘴之前使介质颗粒加速到所需的速度。

本发明的另外方面是使用过渡联接件以使从标准喷射管到加速器管的介质路径的内径逐步减少。

本发明的另一个方面是磨料喷射系统，该磨料喷射系统采用具有直的部分的喷嘴，该直的部分在扩散部分之后，以在颗粒离开喷射喷嘴之前使介质颗粒加速到所需的速度。

本发明的另外方面是，随着能量被传递到颗粒，离开在扩散部分之后的直的部分的空气速度降低，从而使喷嘴产生较低的声音。

在一些实施方式中，新的组件和系统包括管与喷嘴组件，该管与喷嘴组件具有：第一部分，该第一部分具有第一内径；收缩部分，该收缩部分具有比第一内径小的内径；收敛部分，该收敛部分将第一部分连接至收缩部分并且具有收敛的内径；以及位于收缩部分的下游处的直的部分，该直的部分具有比第一部分的内径小的恒定的内径。直的部分具有下述长度：该直的部分的长度使得在喷砂喷嘴组件以预定的气体/颗粒混合物和预定的压力操作时，相对于在没有直的部分的情况下的喷射喷嘴组件，气体离开喷射喷嘴组件的速度降低了至少30％。任何不影响系统的生产率或者不使喷嘴笨重或难以控制的噪声降低都是可取的。出口气体速度仅降低7％就使得噪声减少3dB，这是明显的改进。在各种实施方式中，在以预定的气体/颗粒的混合物和预定的压力操作时，直的部分的长度有效地使出口气体速度降低了7％至43％，在一些实施方式中降低了30％至40％，以及在一些实施方式中降低了35％。在操作中，流体依次流动穿过第一部分、收敛部分、收缩部分和直的部分。

在一些实施方式中，收缩部分、收敛部分和直的部分都是喷嘴的部分，该喷嘴还可以具有将收缩部分与直的部分连接的扩散部分。收敛部分、收缩部分、扩散部分和直的部分可以一起组成喷嘴，并且收缩部分可以是喷嘴的喉部。直的部分的长度可以是该直的部分的内径的至少2/10并且小于该直的部分的内径的10倍。直的部分在一些实施方式中具有恒定的内径，而在其他实施方式中具有略微扩散的轮廓或略微收敛的轮廓(在直的部分的长度上内径变化5％或更少)。在对直的部分计算适当长度时，可以考虑略微扩散或收敛的轮廓，以在直的部分内实现所需的流动(即在直的部分的出口处或在直的部分的出口附近的马赫(Mach)数为1)。在一些实施方式中，直的部分至少具有直径交替变化、例如变化1/8英寸的部分，从而产生隆起部，所述隆起部将该部分的内部上的表面摩擦增大并且影响所需长度(在对直的部分的长度进行确定时这可以并入到摩擦计算中)，但可能使颗粒速度降低一些。对于具有可变内径的直的部分，本文对该直的部分的直径的引用可以视为对直的部分的平均内径的引用或者对直的部分在其出口处的内径的引用。喷嘴可以是6号喷嘴。在其他实施方式中，喷嘴可以是任何直径的喷嘴，包括但不限于4号喷嘴、5号喷嘴、7号喷嘴、9号喷嘴和10号喷嘴。

在一些实施方式中，直的部分的内径选择成产生磨料作用的预定“热点”直径。

在其他实施方式中，直的部分的内径选择成与扩散部分的出口相匹配。

在一些实施方式中，降噪磨料喷射喷嘴组件还包括介质罐、磨料介质和携带磨料介质的压缩气体，并且管与喷嘴组件包括一个或更多个管部分。

本发明通过更大的加速距离在具有较低出口速度的气流中实现了足够的磨料颗粒速度，从而使从超音速喷射喷嘴体验的喷嘴所产生的噪声降低。可以通过对磨料质量流速进行调节来调节喷射生产率。

本发明的至少一个实施方式是高生产率的安静的磨料喷嘴，该喷嘴包括：收敛部分，该收敛部分具有收敛的内径；喉部，该喉部连接至收敛部分；扩散部分，该扩散部分连接至喉部；以及直的部分，该直的部分连接至扩散部分并且紧靠在该扩散部分之后。直的部分具有下述长度：该直的部分的长度使得假定两个喷射喷嘴均以相同的预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力来操作，气体离开喷射喷嘴的速度相对于在直的部分被移除的情况下的相同喷射喷嘴而言降低了至少30％。此外，在高生产率的安静磨料喷嘴的操作中，流体依次流动穿过收敛部分、喉部、扩散部分和直的部分。在优选的实施方式中，流体从收敛部分直接流向喉部，流向扩散部分，流向直的部分，流向喷嘴的外部(大气/环境)，而没有任何其他的中间部分。

在一些实施方式中，直的部分的内径小于收敛部分的最大内径。在一些实施方式中，直的部分具有恒定的内径，以及在其他实施方式中，直的部分的内径可以在直的部分的长度上变化达5％。

在某些实施方式中，直的部分的长度是该直的部分的内径的至少十分之二。在其他实施方式中，直的部分的长度小于该直的部分的内径的十倍。在另外的实施方式中，直的部分的长度在介于1英寸与10英寸之间。在又一实施方式中，直的部分的长度是2.5英寸。

在一些实施方式中，喷嘴构造成使得：对于预定的气体与颗粒的混合物和预定的压力来说，气体的超音速流被隔离至喷嘴的内部并且超音速气体流在直的部分中对磨料颗粒进行加速。

在一些实施方式中，喷嘴还构造成使得：对于预定的气体与颗粒的混合物和预定的压力来说，在直的部分出口处的气体马赫数低于在扩散部分出口处的气体马赫数，从而使操作噪声降低。

在一些实施方式中，喷嘴还构造成使得：对预定的气体与颗粒混合物和预定的压力来说，气体马赫数从在扩散部分的出口处的大于1的气体马赫数降低至在直的部分的出口处的为1的气体马赫数。

在本发明的至少一个实施方式中，直的部分构造成被附接至扩散部分以及从扩散部分拆卸。一些实施方式还包括一个或更多个附加的直的部分，所述一个或更多个附加的直的部分构造成被附接至扩散部分和从扩散部分拆卸。直的部分和所述一个或更多个附加的直的部分可以各自具有不同的长度和/或不同的内径。在一些实施方式中，所述一个或更多个附加的直的部分中的每个附加的直的部分具有下述长度：所述一个或更多个附加的直的部分的长度使得在喷射喷嘴以不同的预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时，气体离开喷射喷嘴的速度相对于在直的部分被移除的情况下的喷射喷嘴而言降低了至少30％。在一些实施方式中，直的部分中的一个或更多个直的部分可以构造成彼此附接，以使得直的部分的总长度可以通过将这种直的部分附接或移除来快速修改。

在一些实施方式中，直的部分的形状是筒状的。

在一些实施方式中，喷嘴是4号喷嘴、5号喷嘴、6号喷嘴、7号喷嘴或8号喷嘴。在一些实施方式中，喷嘴由选自以下各者的材料制成：碳化钨、碳化硅、碳化硼、丙烯酸、陶瓷、不锈钢、硬化钢、铝或上述各者的组合。在又一实施方式中，喷嘴还包括至少一个保护抓持件。

本发明的一些实施方式还包括流动穿过扩散部分且在从扩散部分到直的部分的出口处的马赫数大于1的流体。

本发明的一些实施方式还包括流动穿过直的部分且在直的部分的出口处的马赫数为1的流体。

本发明的一些实施方式包括在喷嘴内部的超音速流体流中的多个磨料颗粒，该超音速流体流动在直的部分经受正冲击波。

在一些实施方式中，直的部分的长度使得：喷射喷嘴在以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时具有90dbA或更低的噪声级。在另外的实施方式中，直的部分的长度使得：在喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时，喷射喷嘴与没有直的部分的喷射喷嘴相比具有降低了3dBA或更多的噪声级。在另外的实施方式中，直的部分的长度使得：当喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时，喷射喷嘴具有与没有直的部分的喷砂喷嘴相比降低了6dBA或更多的噪声级。

在一些实施方式中，直的部分的长度L是至少L

其中，对于预定的气体与磨料颗粒的混合物，D是直的部分的直径，M是流体在直的部分的入口处的马赫数，

在一些实施方式中，直的部分的长度L是根据背压与出口压力的比率来进行调节的至少L

其中，对于预定的气体与磨料颗粒的混合物，D是直的部分的直径，M是流体在直的部分的入口处的马赫数，

本发明在其各种实施方式中还包括用于对高生产率的安静磨料喷射喷嘴进行制造的方法，该喷嘴比方说例如本文上述的高生产率的安静喷射喷嘴，该喷嘴包括：收敛部分，该收敛部分具有收敛的内径；喉部，该喉部连接至收敛部分；扩散部分，该扩散部分连接至喉部；以及直的部分，该直的部分连接至扩散部分，其中，直的部分具有下述长度：该直的部分的长度使得假定两个喷射喷嘴均以相同的预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力来操作，气体离开喷射喷嘴的速度相对于在直的部分被移除的情况下的相同的喷射喷嘴降低了至少30％；以及其中，在喷嘴的操作中，流体依次流动穿过收敛部分、喉部、扩散部分和直的部分。这种方法包括：对于预定的气体与磨料颗粒的混合物以及预定的压力，对直的部分所需的最小长度进行确定，该最小长度是对于气体在从直的部分的出口之前在一个直的部分内径处或在一个直的部分内径内而言产生为1的马赫数的长度；以及，对具有长度等于或大于最小长度的直的部分的喷嘴进行制造。

在一些实施方式中，该方法还包括：对直的部分的最佳长度进行确定，以使得气体马赫数在直的部分的出口之前从第一点处、即扩散部分的末端处的峰值降低至在与直的部分的内径相等的长度处或在与直的部分的内径相等的长度内的第二点处的为1的马赫数，而在第一点与第二点之间不进入亚音速；以及对具有最佳长度的直的部分的喷嘴进行制造。

在一些实施方式中，对最佳长度进行确定的步骤包括：对来自直的部分的壁的摩擦的影响进行分析；以及/或者，对多个磨料颗粒使直的部分中的气流速度降低的影响进行分析。

在一些实施方式中，该方法还包括：根据特定操作状态来调节直的部分的长度，以产生所需的声音降低与生产率的组合的长度进行确定；以及对具有该长度的喷嘴进行制造。

在一些实施方式中，该方法还包括：在一系列直的部分长度的范围内对本文上述的高生产率的安静磨料喷射喷嘴进行反复的计算机模拟，以找到具有所需的声音降低与生产率的组合的长度；以及对具有该长度的喷嘴进行制造。

本发明在其各种实施方式中另外包括用于高生产率的安静磨料喷射的喷嘴附件，该喷嘴附件包括直的管状部，该直的管状部适于连接至喷砂喷嘴的出口。直的管状部具有下述长度：该直的管状部的长度使得在磨料喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时，气体离开附接有直的管状部的磨料喷射喷嘴的速度相对于没有连接直的管状部的磨料喷射喷嘴而言降低了至少30％。在优选的实施方式中，直的管状部具有沿其整个长度的恒定的内径。在一些实施方式中，直的管状部的内径可以在其长度上变化达5％。在优选的实施方式中，直的管状部的内径(特别是在进口处)设置成与准备使用该直的管状部的给定的磨料喷射喷嘴或成组的磨料喷射喷嘴的出口处的内径相匹配。在优选的实施方式中，直的管状部没有扩散部分或收敛部分或附件，并且当喷嘴附件安装在磨料喷射喷嘴上时，流体流直接从喷嘴的发散部分进入到直的管状部喷嘴附件中并且从直的管状部直接进入到大气/环境中(例如，朝向用于磨料喷射的目标表面)。类似地，对于将直的部分嵌入到磨料喷射喷嘴的端部中的实施方式、例如上述实施方式，流体可以直接从扩散部分流动到直的部分中并且从直的部分流动到大气/环境中，而没有任何中间部分。

在喷嘴附件的至少一个方面中，磨料喷射喷嘴是4号喷嘴、5号喷嘴、6号喷嘴、7号喷嘴或8号喷嘴。喷嘴(6号、8号等)的数字分级是基于孔口尺寸(出口处的内径)的公知的分级测量。

在一些实施方式中，喷嘴附件还包括固定装置，该固定装置用于将直的管状部连接至磨料喷射喷嘴。

在一些实施方式中，喷嘴附件还包括固定装置，该固定装置嵌入到直的管状部中，以帮助将直的管状部连接至磨料喷射喷嘴。

在喷嘴附件的另外方面中，直的管状部的内径小于磨料喷射喷嘴的收敛部分的最大内径。

在喷嘴附件的其他方面中，直的管状部构造成使得：对于预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力，当直的管状部连接至磨料喷射喷嘴时，气体的超音速流不持续超出直的管状部的出口，并且超音速气体流对直的管状部中的磨料颗粒进行加速。

在喷嘴附件的其他方面中，直的管状部构造成使得：当直的管状部连接至磨料喷射喷嘴时，对于预定的气体与颗粒的混合物以及压力，气体马赫数在直的管状部出口处低于喷砂喷嘴的扩散部分出口处，从而使操作噪声降低。

在喷嘴附件的另外方面中，直的管状部构造成使得：当直的管状部连接至喷砂喷嘴时，对于预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力，气体马赫数从喷砂喷嘴的扩散部分出口处的大于1的气体马赫数降低到直的部分的出口处的为1的气体马赫数。

在喷嘴附件的其他方面中，直的管状部的长度是直的管状部直径的至少十分之二。在一些实施方式中，直的管状部的长度小于直的管状部直径的10倍。在另外的实施方式中，直的管状部的长度在介于1英寸与10英寸之间。在另外的实施方式中，直的管状部的长度是2.5英寸。

在喷嘴附件的其他方面中，直的管状部的形状是筒状的。在一些实施方式中，直的管状部由选自以下各者的材料制成：碳化钨、碳化硅、碳化硼、丙烯酸、陶瓷、不锈钢、硬化钢、铝或上述各者的组合。

在喷嘴附件的另外方面中，直的管状部的长度使得：当直的管状部连接至磨料喷射喷嘴时，喷射喷嘴在以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时具有90dBA或更少的噪声级。在喷嘴实施方式的又一方面中，直的管状部的长度使得：当直的管状部连接至磨料喷射喷嘴时，在喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时，喷砂喷嘴的噪声级与没有直的管状部的喷射喷嘴相比降低了3dBA或更多。在喷嘴实施方式的另外方面中，直的管状部的长度使得：当直的管状部连接至磨料喷射喷嘴时，在喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时，喷砂喷嘴的噪声级与没有直的管状部的喷砂喷嘴相比降低了6dBA或更多

喷嘴附件的其他方面具有直的管状部的长度L，其中，L是至少L

其中，在直的管状部连接至喷砂喷嘴的情况下，对于预定的气体与磨料颗粒的混合物，D是直的管状部的直径，M是流体在直的部分的入口处的马赫数，

喷嘴附件的一些方面具有直的管状部的长度L，其中，L至少是根据背压与出口压力的比率来调节的L

其中，当直的管状部连接至喷砂喷嘴时，对于预定的气体与磨料颗粒的混合物，D是直的管状部的直径，M是流体在直的部分的入口处的马赫数，

本发明在其各种实施方式中还包括用于对本文上述的喷嘴附件进行制造以在不降低喷嘴生产率的情况下使所连接的磨料喷射喷嘴的噪声降低的方法。该方法包括：对于预定的气体与磨料颗粒的混合物以及预定的压力，对本文上述的喷嘴附件所需的最小长度进行确定，该最小长度对于气体在直的部分的出口之前在一个直的管状部内径处或在一个直的管状部内径内而言产生为1的马赫数；以及对具有长度等于或大于最小长度的直的管状部进行制造。

在一些实施方式中，用于对本文上述的喷嘴附件进行制造的方法还包括：对本文上述的喷嘴附件的直的管状部的最佳长度进行确定，以使得气体马赫数在直的管状部出口之前从第一点处、即所连接的喷砂喷嘴的扩散部分的末端处的峰值降低至在与直的管状部内径相等的长度处或在与直的管状部内径相等的长度内的第二点处的为1的马赫数，而在第一点与第二点之间不进入亚音速；以及对具有最佳长度的直的管状部进行制造。

在一些实施方式中，对最佳长度进行确定的步骤包括：对来自直的管状部的壁的摩擦的影响进行分析；以及/或者，对多个磨料颗粒使直的管状部中的气流速度降低的影响进行分析。

在一些实施方式中，用于对本文上述的喷嘴附件进行制造的方法还包括：根据特定操作状态来调节直的管状部的长度，以对产生所需的声音降低与生产率的组合的长度进行确定；以及对具有该长度的直的管状部进行制造。

在一些实施方式中，用于对本文上述的喷嘴附件进行制造的方法还包括：在一系列直的管状部长度的范围内对本文上述的喷嘴附件的直的管状部进行反复的计算机模拟，以找到具有所需的声音降低与生产率的组合的长度；以及对具有该长度的直的管状部进行制造。

通常，任何已知的磨料喷射喷嘴均可以调整为根据本发明的实施方式的喷嘴。例如，现有的2号喷嘴、3号喷嘴、4号喷嘴、5号喷嘴、6号喷嘴、7号喷嘴、8号喷嘴、9号喷嘴、10号喷嘴、11号喷嘴或12号喷嘴可以调整成在喷嘴的扩散部分的端部处具有直的部分，如本文所述，以实现本发明的实施方式。类似地，根据本发明的实施方式的喷嘴附件可以适于附接至任何已知的磨料喷射喷嘴。当喷嘴附件安装在现有的喷嘴上时，作为一个整体的该组件(即现有的喷嘴与所附接的喷嘴附件相结合)可以被视为高生产率的安静磨料喷射喷嘴。此外，根据本发明的实施方式的磨料喷射喷嘴和喷嘴附件可以适用于多种应用和多种操作状态——包括压力、颗粒负载、磨料颗粒与流体的类型、喷嘴材料等。特别地，根据本发明的实施方式的任何给定喷嘴或喷嘴附件可以适于：对于预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力或对于预定范围的气体与颗粒的混合物以及预定压力，取得一定的结果或取得一定范围内的结果。根据本发明的实施方式的喷嘴或喷嘴附件可以例如适于：对于预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力——包括介于20psi与200psi之间的喷嘴压力和每小时50磅至10,000磅的磨料消耗率的颗粒负载或者在这些范围内的任何范围的压力和颗粒负载，相对于现有技术的磨料喷射喷嘴，实现将噪声降低至少3dB。例如，这种条件适于2号喷嘴、3号喷嘴、4号喷嘴、5号喷嘴、6号喷嘴、7号喷嘴、8号喷嘴、9号喷嘴、10号喷嘴、11号喷嘴和12号喷嘴。颗粒负载可以部分地由喷射者想具有什么类型的粗糙度轮廓以及所使用的喷射压力来决定。预定的气体与颗粒的混合物可以例如是压缩空气与沙和/或任何其他的磨料颗粒。短语“预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力”可以包括气体类型、颗粒类型、喷嘴压力、背压和颗粒负载。背压通常是大气压，并且如果没有特别提及则可以假定为大气压。例如，带有沙粒的压缩空气、100psi的喷嘴压力和1,000磅/小时的颗粒负载是一个示例性的预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力。

本发明的另外的实施方式包括高生产率的安静磨料喷射喷嘴组件，该生产率的安静磨料喷射喷嘴组件包括本文上述的生产率的安静磨料喷射喷嘴。

本发明所述的原理可以应用于磨料喷射之外的流体流动声级有问题的应用，甚至不使用喷嘴的应用也是如此。特别地，在超音速流体流导致高噪声级的应用中，在进入大气/环境之前使流体流动穿过直的管状部可以降低流体速度。在直的管状部定尺寸成在流体排放到环境中时或即将排放到环境之前诱发冲击波的情况下，噪声级被特别地降低。即使在非超音速流中，直的管状部也使速度和噪声级降低。直的管状部的使用在流体用于对流体流内的处于速度低于流体的颗粒或其他物体进行加速的应用中特别有用，这是因为直的部分可以在提高夹带物体速度的同时降低流体速度，从而在不牺牲生产率的情况下降低噪声级。

因此，基于上述和继续的描述，本发明在其各种实施方式中可以以任何的非互相排斥的组合的方式包括以下特征中的一个或更多个特征：

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，该喷嘴具有收敛部分，该收敛部分具有收敛的内径；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，该喷嘴具有喉部，该喉部连接至收敛部分；

·一种高生产率的安静的喷砂喷嘴，该喷嘴具有扩散部分，该扩散部分连接至喉部；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，该喷嘴具有直的部分，该直的部分连接至扩散部分并且紧靠在该扩散部分之后；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，该喷嘴具有直的部分，该直的部分具有下述长度：该直的部分的长度使得当喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时，气体离开喷射喷嘴的速度相对于在直的部分被移除的情况下的喷砂喷嘴而言降低了至少30％；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，在操作中，流体依次流动穿过收敛部分、喉部、扩散部分和直的部分；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，直的部分的直径小于扩散部分的最大内径；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，该喷嘴构造成使得：对于预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力，气体的超音速流被隔离至喷嘴的内部，并且超音速气体流对直的部分中的磨料颗粒进行加速；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，该喷嘴构造成使得：对于预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力，在直的部分出口处的气体马赫数低于在扩散部分出口处的气体马赫数，从而降低操作噪声；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，该喷嘴构造成使得：对于预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力，气体马赫数从在扩散部分出口处的大于1的气体马赫数降低到在直的部分出口处的为1的气体马赫数；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，直的部分的长度是直的部分的内径的至少十分之二；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，直的部分的长度小于直的部分的内径的十倍；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，直的部分的长度介于1英寸与10英寸之间；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，直的部分的长度是2.5英寸；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，直的部分构造成被附接至扩散部分以及从扩散部分拆卸；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，还包括一个或更多个附加的直的部分，所述一个或更多个附加的直的部分构造成被附接至扩散部分以及从扩散部分拆卸，其中，直的部分和所述一个或更多个附加的直的部分具有不同的长度和/或不同的内径；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，所述一个或更多个附加的直的部分中的每个附加的直的部分具有下述长度：所述一个或更多个附加的直的部分的长度使得当喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及压力操作时，气体离开喷射喷嘴的速度相对于在直的部分被移除的情况下的喷射喷嘴而言降低了至少30％；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，直的部分的形状是筒状的；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，该喷嘴是4号喷嘴、5号喷嘴、6号喷嘴、7号喷嘴或8号喷嘴；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，该喷嘴由选自以下各者的材料制成：碳化钨、碳化硅、碳化硼、丙烯酸、陶瓷、不锈钢、硬化钢、铝或上述各者的组合；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，该喷嘴还包括至少一个保护抓持部；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，还包括流动穿过扩散部分且在从扩散部分到直的部分的出口处的马赫数大于1的流体；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，还包括流动穿过扩散部分且在直的部分的出口处的马赫数为1的流体；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，还包括在喷嘴内部的超音速流体流中的多个磨料颗粒，该超音速流体流在直的部分中经受正冲击波；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，直的部分的长度使得：喷射喷嘴在以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时具有90dBA或更低的噪声级；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，直的部分的长度使得：在喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时，喷射喷嘴具有与在没有直的部分的情况下的喷射喷嘴相比降低了3dBA或更多的噪声级；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，直的部分的长度使得：在喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及压力操作时，喷射喷嘴具有与在没有直的部分的情况下的喷砂喷嘴相比降低了6dBA或更多的噪声级；

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，直的部分的长度L是至少L

其中，对于预定的气体与磨料颗粒的混合物来说，D是直的部分的直径，M是流体在直的部分的入口处的马赫数，

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴，其中，直的部分的长度L是根据背压与出口压力的比率来调节的至少L

其中，对于预定的气体与磨料颗粒的混合物，D是直的部分的直径，M是流体在直的部分的入口处的马赫数，

·一种用于对本文上述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴进行制造以在不降低喷嘴效率的情况下使喷嘴噪声降低的方法。该方法包括：对于预定的气体与磨料颗粒的混合物以及预定的压力，对本文上述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴的直的部分的最小长度进行确定，该最小长度是对于气体在直的部分的出口之前在一个直的部分内径处或在一个直的部分内径内而言产生为1的马赫数所需的长度；以及，对具有长度等于或大于最小长度的直的部分的喷嘴进行制造；

·一种用于对本文上述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴进行制造的方法，该方法还包括：对本文上述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴的直的部分的最佳长度进行确定，以使得气体马赫数在直的部分的出口之前从第一点处、即扩散部分的端部处的峰值降低至在与直的部分的内径相等的长度处或在与直的部分的内径相等的长度内的第二点处的1马赫数，而在第一点与第二点之间不进入亚音速；以及对具有最佳长度的直的部分的喷嘴进行制造；

·一种用于对本文上述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴进行制造的方法，其中，对最佳长度进行确定的步骤包括：对来自直的部分的壁的摩擦的影响进行分析；以及/或者，对多个磨料颗粒使直的部分中的气流速度降低的影响进行分析；

·一种用于对本文上述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴进行制造的方法，该方法还包括：根据特定操作状态来调节直的部分的长度以对产生了所需的声音降低与生产率的组合的直的部分的长度进行确定；以及对具有该长度的喷嘴进行制造；

·一种用于对本文上述的高生产率的安静的磨料喷射嘴进行制造的方法，该方法还包括：在一系列直的部分长度范围内对本文上述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴进行反复的计算机模拟，以找到具有所需的声音降低与生产率的组合的长度；以及对具有该长度的喷嘴进行制造；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，该喷嘴包括直的管状部，该直的管状部用于连接至喷砂喷嘴的出口，其中，直的管状部的长度使得：当喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作时，气体离开喷射喷嘴的速度降低了至少30％；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，磨料喷射喷嘴是4号喷嘴、5号喷嘴、6号喷嘴、7号喷嘴或8号喷嘴；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，喷嘴还包括固定装置，该固定装置用于将直的管状部连接至磨料喷射喷嘴；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，喷嘴还包括固定装置，该固定装置嵌入到直的管状部中，以帮助将直的管状部连接至磨料喷射喷嘴；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部的内径小于磨料喷射喷嘴的收敛部分的最大内径；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部构造成使得：对于预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力，当直的管状部连接至磨料喷射喷嘴时，气体的超音速流不会超出直的管状部的出口并且超音速气体流对直的管状部中的磨料颗粒进行加速；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部构造成使得：当直的管状部连接至喷砂喷嘴时，对于预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力，在直的管状部出口处的气体马赫数低于喷砂喷嘴的扩散部分出口处的气体马赫数，从而使操作噪声降低；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部构造成使得：当直的管状部连接至喷砂喷嘴时，对于预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力，气体马赫数从在喷砂喷嘴的扩散部分的出口处的大于1的气体马赫数降低至在直的部分的出口处的为1的气体马赫数；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部的长度是直的管状部直径的至少十分之二；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部的长度小于直的管状部直径的十倍；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部的长度介于1英寸与10英寸之间；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部的长度是2.5英寸；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部的形状是筒状的；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部由选自以下各者的材料制成：碳化钨、碳化硅、碳化硼、丙烯酸、陶瓷、不锈钢、硬化钢、铝或上述各者的组合；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部的长度使得：当直的管状部连接至磨料喷射喷嘴时，喷射喷嘴在以预定的气体与颗粒的混合物以及预定的压力操作的情况下具有90dBA或更小的噪声级；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部的长度使得：当直的管状部连接至磨料喷射喷嘴时，在喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及预定压力操作时，喷射喷嘴具有与在没有直的管状部的情况下的喷砂喷嘴相比降低了3dBA或更多噪声级；

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部的长度使得：当直的管状部连接至喷砂喷嘴时，在喷射喷嘴以预定的气体与颗粒的混合物以及压力操作时，喷射喷嘴具有与在没有直的管状部的情况下的喷砂喷嘴相比降低了6dBA或更多的噪声级；

·一种喷嘴附件，对于20psi与200psi之间的喷嘴压力和单位小时50磅至10,000磅的磨料消耗率的颗粒负载或者在这些范围内的任何值或任何范围的值，该喷嘴附件实现了预定的噪声级降低。

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，直的管状部的长度L是至少L

其中，在直的管状部连接至磨料喷射喷嘴的情况下，对于预定的气体与磨料颗粒的混合物，D是直的管状部的直径，M是流体在直的部分的入口处的马赫数，

·一种用于高生产率的安静的磨料喷射的喷嘴附件，其中，L是根据背压与出口压力的比率来调节的至少L

其中，在直的管状部连接至磨料喷射喷嘴的情况下，对于预定的气体与磨料颗粒的混合物，D是直的管状部的直径，M是流体在直的部分的入口处的马赫数，

·多个喷嘴附件构造成彼此连接以对所述多个喷嘴附件的长度进行组合；

·一种用于对本文上述的喷嘴附件进行制造以在不降低喷嘴生产率的情况下使所连接的磨料喷射喷嘴的噪声降低的方法，该方法包括：对于预定的气体与磨料颗粒的混合物以及预定的压力，对本文上述的喷嘴附件的直的管状部最小长度进行确定，该最小长度是对于气体在直的部分的出口之前在一个直的管状部内径处或在一个直的管状部内径内而言产生为1的马赫数所需的长度；以及，对具有长度等于或大于最小长度的直的管状部进行制造；

·一种用于对本文上述的喷嘴附件进行制造以在不降低喷嘴生产率的情况下使所连接的磨料喷射喷嘴的噪声降低的方法，该方法还包括：对本文上述的喷嘴附件的直的管状部的最佳长度进行确定，以使得气体马赫数在直的管状部出口之前从第一点处、即所连接的喷砂喷嘴的扩散部分的端部处的峰值降低至在与直的管状部内径相等的长度处或在与直的管状部内径相等的长度内的第二点处的为1的马赫数，而在第一点与第二点之间不进入亚音速；以及对具有最佳长度的直的管状部进行制造；

·一种用于对本文上述的喷嘴附件进行制造以在不降低喷嘴生产率的情况下使所连接的磨料喷射喷嘴的噪声降低的方法，其中，对最佳长度进行确定的步骤包括：对来自直的管状部的壁的摩擦的影响进行分析；以及/或者，对多个磨料颗粒使直的管状部中的气流速度降低的影响进行分析；

·一种用于对本文上述的喷嘴附件进行制造以在不降低喷嘴生产率的情况下使所连接的磨料喷射喷嘴的噪声降低的方法，该方法还包括：根据特定操作条件来调节直的管状部的长度以对所需的声音降低与生产率的组合的直的部分的长度进行确定；以及对具有该长度的直的管状部进行制造；

·一种用于对本文上述的喷嘴附件进行制造以在不降低喷嘴生产率的情况下使所连接的磨料喷射喷嘴的噪声降低的方法，该方法还包括：在一系列直的管状部长度范围内对本文上述的喷嘴附件的直的管状部进行反复的计算机模拟，以找到具有所需的声音降低与生产率的组合的长度；以及对具有该长度的直的管状部进行制造；以及

·一种高生产率的安静的磨料喷射喷嘴组件，该组件包括本文上述的高生产率的安静的磨料喷射喷嘴；

·一种具有末端的直的部分的喷嘴或喷嘴附件，该直的部分具有在该直的部分的长度上变化5％或更少的内径。

附图说明

图1示出了常规的现有技术的超音速磨料喷射系统。

图2以横截面图示出了图1中所示的磨料喷射系统中所使用的常规的现有技术的超音速收敛扩散式喷嘴。

图3从Settles的论文(Settles G.，A scientific view of the productivityof abrasive blasting nozzles，1996)复制了曲线图，所述曲线图示出了穿过常规的Laval喷嘴的预计和所测得的速度以及磨料速度与出口空气速度之间的较大差异。

图4是示出了两个雷诺数下球体的阻力系数作为马赫数的函数的曲线图。

图5是示出了基于射流出口速度与产生的射流噪声的关系而为实现所期望的声压级(SPL)降低的所需要的射流出口速度降低的曲线图；

图6是显示了在345m/s加速器部分中的对于20/30目V型丙烯酸介质的模拟的颗粒速度与距离的曲线图。

图7是用于根据雷诺数和管道粗糙度来估计摩擦系数的穆迪图(Moody Diagram)。

图8示出了根据本发明的实施方式的改进的降噪磨料喷射系统。

图9以横截面示出了用于将图8中所示的降噪磨料喷射系统中所采用的磨料介质路径的内径逐步减小的过渡联接件的细节。

图10是根据本发明的实施方式的原型降噪磨料喷射加速器管和喷嘴的照片。

图11是通过将V型介质在一半暴露的经涂覆的烤盘上喷射30秒来以对比形式示出了根据本发明的实施方式的降噪磨料喷射喷嘴(左侧)以及使用8号喷嘴的常规喷射(右侧)的生产率的照片，降噪磨料喷射喷嘴和8号喷嘴两者均使用4圈的磨料计量阀旋钮。

图12是对使用以附加的磨料来操作的根据本发明的实施方式的降噪磨料喷射系统的结果与用标准8号喷嘴来操作的常规系统的结果进行比较的照片。

图13是使用V型介质和40psi操作压力的具有标准8号喷嘴的现有技术的超音速磨料喷射设备与本发明的原型的自频谱以及来自喷射压缩机单元的背景噪声级。

图14A至图14B分别是标准6号喷嘴的侧视图和立体透视图。

图15是XL6号喷嘴的截面图。

图16A至图16B是根据本发明的实施方式的改进的喷射喷嘴的侧透视图(图16A)和截面图(图16B)。

图17A至图17B是根据本发明的实施方式的将长度延长的改进的喷射喷嘴的侧透视图(图17A)和截面图(图17B)。

图18是示出了收敛扩散式喷嘴膨胀的示意图。

图19A至图19B是示出了通过对标准6号喷嘴(图19A)和根据本发明的实施方式的改进喷嘴(图19B)使用ANSYS Fluent的在67psig喷嘴压力下的马赫数分布的CFD结果。

图20A至图20B是示出了通过对标准6号喷嘴(图20A)和根据本发明的实施方式的改进喷嘴(图20B)使用ANSYS Fluent的在100psig喷嘴压力下的马赫数分布的CFD结果。

图21A至图21B是示出了在增加壁阻力的情况下通过对标准6号喷嘴(图21A)和根据本发明的实施方式的改进喷嘴(图21B)使用ANSYS Fluent的在67psig喷嘴压力下的马赫数分布的CFD结果。

图22是示出了各种喷嘴的平均1/3倍频程声频谱的曲线图。

图23是标准的收敛扩散式磨料喷射喷嘴的横截面图。

图24示出了根据本发明的实施方式的磨料喷射喷嘴的横截面。

图25示出了根据本发明的实施方式的磨料喷射喷嘴的横截面，其中，磨料颗粒在流中。

图26示出了根据本发明的实施方式的磨料喷射喷嘴的横截面，其中，长度等于L

图27示出了将喷嘴压力提高或降低对喷嘴直的部分的出口状态的影响。

具体实施方式

如下文中所阐述的，发现了对来自现有技术的超音速磨料喷射系统的过大噪声问题的解决方案。

流中颗粒的加速度可以使用前述提出(Settles&Geppert,1997)的基于来自Bailey和Hialt的数据而根据经验所确定的阻力系数来模拟。质量m的颗粒的加速度可以根据阻力D求得为

其中，A是球体的横截面积，以及U

以前的研究已经证明的是，射流的噪声功率P与速度的八次方和射流直径的平方成比例为(Powell,1959)：

P∝U

此外，声压级SPL与声功率级SWL成正比，其中

因此，可以推断出SPL、速度和直径成比例为：

在图5中以曲线图形式示出了这种关系。因此，如果喷嘴的出口速度降低例如30％，则预计SPL下降12.5dB，而出口速度降低43％会导致SPL预计下降20dB。

为了具有与现有技术的喷嘴磨料喷射系统相同的产量，必须保持颗粒的速度。如图2中所示的常规的喷嘴具有比颗粒速度高得多的气体速度，并且这些高气体速度是产生较高声级的原因。本发明在使喷嘴出口气体速度降低并且因此减少声音的产生的同时保持颗粒速度。相对于现有技术喷嘴磨料喷射系统，这需要更长的加速长度。

球体的质量是颗粒的密度ρ

可以用逐步的方式找到解决方案并且图6中示出了对于具有345m/s的速度的气流中的20/30目V型丙烯酸介质而言的解决方案。这表明了为实现275m/s的颗粒速度而在管中需要4米的加速器部分。

基于来自在40psi压力下运行的标准8号喷嘴的以前的模型的预计出口速度483m/s，出口速度降低30％至345m/s(大致是音速)，345m/s的出口速度使SPL降低12.5dB。因此，管的长度需要足够长以与8号喷嘴在40psi下的颗粒速度相匹配。

当前发明通过更大的加速距离在具有较低出口速度的气流中实现了足够的磨料颗粒速度，从而使用超音喷射喷嘴来使喷嘴所产生的噪声感受降低。可以通过对磨料质量流速进行调节来调节喷射生产率。

压力损失或压头损失是不可避免的并且必须加以考虑。随着管的长度增加，压力将下降并且最终使流速降低。但是这种损失可以被计算出。由于沿管道的摩擦的压头损失或压力损失由Darcy-Weisbach方程给出为：

其中，L是管道部分的长度，D是管道直径，ρ是流体的密度，V是平均流体速度，以及，f

在接近“阻扼”条件下运行的内径为3/4英寸的喷射管具有230m/s至340m/s的速度和300,000至436,000的雷诺数。管长度上的阻力引起压力损失，这使管道中的平均速度降低。

如果在下游压力降低到临界值以下的情况下存在阻扼流动条件，则管中的速度将是音速，

其中，热容比K对于空气来说是1.4，即

p

对于40psi的表压或54.7的绝对压力来说，p*是28.9psia或14.2psig。

基于以上讨论的分析模型的结果，本发明的优选实施方式设计成：将气载颗粒物从示例性的1英寸管中取出，并且通过较小直径的管将气载颗粒物加速足够的距离，以使得获取高生产率的颗粒速度。将管的内径逐步减小的过渡联接件在不同的管截面直径之间提供了平滑的过渡，并且使压力损失最小化。

根据图8中所示的本发明的降噪磨料喷射系统的优选实施方式，压缩机112将气体加压至接近120psi。经压缩的气体通过起始管部分114被泵送到对磨料介质118进行容纳的磨料介质罐116中。磨料计量阀120对磨料介质118的释放速度进行控制。标准的1英寸内径的喷射管124在一个端部处附接至计量阀120并且在另一个端部处附接至过渡联接件122。一段例如3/4英寸的内径减小的加速器管130将过渡联接件122通过爪状联接件132连接至喷嘴134。过渡联接件122用于将磨料介质118从1英寸直径的喷砂管124到较小直径的加速管130所走的路径的内径逐步减小。

图9中以横截面的方式示出了过渡联接件122与喷嘴134的细节。联接件122包括将孔(未示出)围封的壳体128。过渡联接件122的喷射管侧部125具有1英寸内径的孔，而过渡联接件122的加速器侧部130具有3/4英寸直径的孔。过渡联接件122的每个侧部都使用常规的爪状联接件132技术与相应的管连接。

喷嘴134的出口直径136定尺寸成对所需的磨料“热点”直径进行控制，以使得降噪磨料喷射系统的有效喷射区域可以与常规的超音速喷嘴的有效喷射区域相匹配。

本发明的降噪磨料喷射系统的其他优选实施方式是下述系统：该系统包括多于一个的加速管部分并且采用多于一个的过渡联接件，加速管中的每个部分具有减小的内径。在不偏离本发明的范围的情况下，在当前发明的系统中可以采用其他类型的联接件、喷嘴、计量阀和磨料介质。

下文给出了关于如何在本发明的各种实施方式中将根据本发明的喷嘴设计成下述构型的更多细节：该构型依次使用收敛部分、喉部部分、扩散部分和直的部分。具有摩擦的管道中的一维超音速流动可以通过以下方程式来表示，其中x

其中，壁剪应力τ与摩擦系数相关成：

如果L

其中，平均摩擦系数限定为：

与音速的喉部处的局部温度、静压力、密度和总压力有关的局部温度、静压力、密度和总压力分别由以下方程式给出：

为了产生常规喷嘴的降噪版本，可以检查常规的出口面积与喉部面积比，该出口面积与喉部面积比是出口直径与喉部直径比的平方A

然后将收敛部分的出口马赫数M

将之前的方程式重新排列以求解L

磨料喷射喷嘴使用一些类型的磨料，该磨料在朝向出口移动时在喷嘴中被加速。随着磨料颗粒被加速，能量从流传递到颗粒。向流添加磨料的效果类似于使直的部分的摩擦系数增大，并且因此使在出口处或紧邻出口前实现正冲击波所需的长度减少。通常，添加到流的磨料越多，在出口处或紧邻出口前实现正冲击波所需的直线管道部分的长度就越短。对磨料的影响进行更详细地估算可以从来自一个磨料颗粒的阻力开始计算，

其中，U

F

虽然更精确的计算会包括整个体积的变化，但是平均值可以用于近似计算。长度为L的直的部分中的n

其中，Q

则

根据这个对体积、例如安静的喷嘴的直的部分的体积的阻力值，流体上的来自磨料的等效附加力作为壁面积的函数可通过以下方程式计算：

虽然这不是剪切力，但因为流体体积上的力除以壁面积而不是除以流动横截面积，所以使用了与剪切力相同的符号，以使得该力最终可以并入L

然后，可以基于以下方程式对马赫数变成1的大约长度进行计算，其中，M指代在直的部分的开始处的马赫数：

因此，该长度被认为是在扩散部分之后的直的部分的最小长度，该扩散部分在喉部之后，该喉部在收敛部分之后。该长度假设出口压力等于背压或出口后的压力。偏离该假设将导致：冲击波在直的部分的出口压力大于背压的情况下向外移动或者在直的部分的出口压力小于背压的情况下向内移动。这些偏差可以使用基于喷嘴入口处的压力、喷嘴喉部面积与喷嘴出口面积的比率以及背压(通常是当地大气压)的已知方法来量化。通常，在流动是音速、即马赫数为1的情况下，出口压力是喉部上游处的压力和扩散部分的出口面积与喉部面积的比率的函数。因此，对收敛部分入口处的上游压力的控制对出口压力进行了控制。

降噪磨料喷射喷嘴还可以采用具有附件的标准喷嘴的形式，该附件经由螺纹或夹持件或其他已知的固定方法或装置来连接至端部。因此，本文所述的降噪磨料喷射喷嘴的直的部分的特性中的任何特性均可以应用到这种附件的直的部分，反之亦然。对于在扩散部分的出口处缺乏螺纹的标准喷嘴来说，可以将螺纹机加工到扩散部分中以与附件(或固定装置)上的螺纹配合，或者可以使用夹持件或其他固定装置。用于将相邻管状物体连接的许多不同类型的夹持件是公知的。实施方式中的这种附件除了可以与喷嘴的其他部件分开外，与本文所述的喷嘴的“直的部分”相同。通过这种方式，标准喷嘴可以重新构造成安静的降噪磨料喷射喷嘴。这些附件和对这些附件的尺寸进行确定的方法遵循与本文已经概述的设计原理和步骤相同的设计原理和步骤。附件可以单独提供以及/或者与固定装置一起提供，以在对现有的标准喷嘴进行改装中方便应用，或者附件可以与喷嘴的其余部分和可选的固定装置一起提供。喷嘴的其余部分可以是标准喷嘴，或者可以是已经特别适合于将附件以可移除的方式、例如通过在扩散部分的端部上设置螺纹而固定至喷嘴的扩散部分的定制喷嘴或标准喷嘴。喷嘴的附件和扩散部分可以具有内置的各种已知的固定结构，以帮助将附件以可移除的方式固定至扩散部分。在实施方式中，可以提供多种附件(带有或不带有喷嘴的其余部分)，以用于与各种对应的气体/磨料颗粒的混合物和/或压力一起使用。

示例

包括图8和图9中所示的零部件的原型被制造成如图10中所示，该原型具有以下用于测试的特性：

·四米的具有3/4英寸内径的加速器部分以获得音速条件(345m/s)

·具有0.79孔径的直的孔喷嘴，以与8号喷嘴的输出直径相匹配，从而获得与当前的标准8号设置相同的“热点”

·联接件等。

声压级通过使用手持式集成声压计和独立的麦克风数据采集系统两者而被测量。在1英寸管的在联接件之前的端部附近测得的喷嘴压力为40psi。V型介质通过将介质阀打开4整圈而引入。以dB为单位的声压级测试结果如下：

生产率通过在暴露一半的经涂覆的烤盘上使用8号喷嘴和本主题的原型两者达30秒来进行定性地评估，如图11所示。对磨料计量阀的旋钮进行调节的效果通过将用于原型的旋钮调节至六圈并且将该设置的产量与使用四圈设置的标准8号喷嘴进行比较来检查。

图12示出了以六圈设置来操作的原型显然比以四圈设置来操作的标准8号更有效率。这些结果表明，与标准8号喷嘴相比，本发明可以用相等或更好的生产率来操作，同时如在操作者处所测得的，产生16dB的低噪声。

还执行了对与标准8号喷嘴相比原型的总声压级以及声谱进行检查的测试，标准8号喷嘴和原型两者均在40psi下运行。测试结果证明降噪是广谱的，如图13所示。

本发明的降噪磨料喷射系统的其他优选实施方式是采用新喷嘴的系统，该新喷嘴具有在扩散部分之后的直的部分，以在颗粒离开喷射喷嘴之前将介质颗粒加速到所需的速度。这种低噪声磨料喷射喷嘴适于代替诸如标准6号喷嘴之类的喷嘴，并且提高喷射生产率且使噪声产生减少。新喷嘴的出口冲击波条件设计成使来自离开喷嘴的流的射流噪声显著降低。新喷嘴与现有商业喷嘴之间的比较测试实现了17dB(A)的噪声降低，同时在使用石榴石的测试中表明提高了生产率。CFD建模示出了改进的颗粒加速区。此外，用钢丸来使用新喷嘴与使用标准6号喷嘴相比，评估表明：提高了生产率；减少了噪声；并且提高了生产率；减少了声学噪声；以及减少了操作疲劳。

图14A至图14B分别是标准6号喷嘴1400的侧视图和立体透视图。所示喷嘴的总长度是6.53英寸，其中，收敛部分1410的长度是2.80英寸，喉部1420的长度为0.5英寸，以及扩散部分1430的长度为3.13英寸，开口的内径为1.25英寸，喉部直径为0.38英寸，以及出口直径为0.55英寸。出口部分1440的长度是0.10英寸并且也是扩散的。喷嘴是磨料喷射操作的标准。常规的喷嘴是诸如标准6号之类的收敛/扩散式喷嘴。所示的特定版本具有较宽的入口，这意味着增强了颗粒分布的均匀性。该特定版本具有在进口处的收敛部分、直径为6/16英寸(因此被命名为6号)的直的喉部部分以及然后持续至出口的扩散部分。这种设计的峰值速度出现在出口处(以及之后)。图15是XL6号喷嘴1500的截面图，如所示的，该喷嘴1500具有11.71英寸的总长度以及与图14A至图14B中所示的标准6号喷嘴相比更长的扩散部分1530(8.31英寸而不是3.13英寸)。收敛部分1510、喉部1520以及出口1540是相同的。

图16A至图16B分别是根据本发明的实施方式的改进喷射喷嘴1600的侧透视图和截面图。所示喷嘴的总长度为9.07英寸，其中，喉部1620的长度为0.50英寸，扩散部分1630的长度为3.13英寸，以及直的部分1650的长度为2.56英寸，其中，收敛部分1610构成剩余长度。开口的内径为1.25英寸，喉部的直径为0.375英寸，以及直的部分的直径为0.55英寸。收敛角度为8.88度，以及扩散的出口部分1640的角度为50度。图17A至图17B分别是根据本发明的实施方式的将长度延长的改进喷射喷嘴1700的侧透视图和截面图，该喷嘴1700具有收敛部分1710、喉部1720、扩散部分1730、直的部分1750和出口部分1740。与图16A至图16B中所示的喷嘴1600相比，该喷嘴1700具有更长的直的部分1750，并且该喷嘴1700的总长度类似于图15中所示的XL 6号喷嘴的总长度，该喷嘴1700的总长度为11.71英寸。除了直的部分1750的长度为5.20英寸外，尺寸与图16A至图16B中所示的喷嘴1600的尺寸相同。

由于从离开喷嘴的空气所产生的声音很大程度上取决于空气速度，因此具有较低空气出口速度而不降低磨料颗粒速度的设计允许相等或更高的生产率，同时极大地降低音量。应用这种方法的新喷嘴为常规喷嘴设计的扩散部分的端部增加了直的部分(既不收敛也不扩散)。这将颗粒加速部分延伸，同时随着能量从空气传递到颗粒而使出口马赫数减少。加速部分的延长基于在扩散部分的端部处达到的最大马赫数。在各种实施方式中，该直的部分的长度介于从喷嘴喉部直径的1/5到喷嘴喉部直径的十倍的范围内，但还可以延伸到直的部分直径的10倍。流动中较慢的磨料与空气之间增加的相互作用距离以类似于壁摩擦的方式使空气减速，从而更有效地对磨料颗粒进行加速，同时使喷嘴出口速度降低。

图18是示出了在过度膨胀1810状态下、完全膨胀1820状态下和膨胀不足1830状态下的收敛扩散式喷嘴膨胀的示意图。常规的喷射喷嘴通常在被认为是过度膨胀的状态下进行操作，这意味着当流在喷嘴出口后排出和收缩时1840，流穿过倾斜的冲击波1870。流在贯穿喷嘴的扩散部分以及在出口处是超音速的，并且射流压力借助于在出口平面外部的斜冲击波1840调整至大气压力。相反，完全膨胀的流1850在出口后并不膨胀或收缩，而膨胀不足的流1860在出口后以膨胀扇形1880膨胀。

考虑6号喷嘴，具有出口与喉部面积比为A/A*＝2.15的完全膨胀喷嘴将由183psi压力贮存器驱动并且实现2.3的出口马赫数。在适当的情况下，降低贮存器压力可以在喷嘴的出口平面处诱发正冲击波，从而显著降低气体在离开喷嘴时的速度。然而，将常规磨料喷射喷嘴的贮存器压力降低使颗粒速度降低并且使这种设置不切实际。然而，当超音速部分被均匀地延伸时，喷射介质对超音速流动结构的影响导致在高于预计贮存器的压力下形成正冲击波。在喷嘴出口处跟随有正冲击波的较长的高马赫数喷嘴部分使空气的出口速度降低并且因此使噪声的产生减少。这与在足够低的压力下运行无磨料喷嘴以在出口处产生正冲击波具有相同的效果。在出口处具有正冲击波使空气出口速度显著降低，而对净磨料速度的影响很小。

直的筒状部分也仅由于壁表面粗糙度而导致一些摩擦损失，这导致朝向喷嘴端部的马赫数略低。例如，对于2.56英寸的直的部分的长度上的0.005的名义摩擦系数来说，这会导致马赫数从M＝2.3下降到M＝1.8。这种情况甚至是更加过度膨胀的，并且在输出为亚音速且安静的情况下更有可能导致正冲击波。

图19A至图19B是CFD结果1900、1901，所述CFD结果1900、1901示出了对标准6号喷嘴(图19A)和根据本发明的实施方式的改进喷嘴(图19B)使用ANSYS Fluent的对于无介质单相可压缩气流在67psig喷嘴压力下的马赫数分布。图20A至图20B是CFD结果2000、2001，所述CFD结果2000、2001示出了对标准6号喷嘴(图20A)和根据本发明的实施方式的改进喷嘴(图20B)使用ANSYS Fluent的在100psig喷嘴压力下的马赫数分布。结果清楚地表明，与标准6号喷嘴相比，改进的喷嘴在各种条件下具有延伸的加速部分。在该模型中，在67psig的情况下，改进喷嘴具有与标准6号喷嘴相比略低的最大马赫数(2.21对2.26)，但具有更长的截面，在该截面上存在有超音速流动来加速颗粒。在100psig的喷嘴压力下发现了类似的结果。

图21A至图21B是CFD结果2100、2101，所述CFD结果2100、2101示出了在增加壁阻力的情况下对标准6号喷嘴(图21A)和根据本发明的实施方式的改进喷嘴(图21B)使用ANSYSFluent的在67psig喷嘴压力下的马赫数分布。增加的壁阻力使用增大的壁摩擦系数来模拟颗粒对流动的阻力。来自这个结果的主要启示是，改进喷嘴的较长的直的喷嘴部分对流动结构产生了更大的影响。

图22是示出了各种喷嘴的平均1/3倍频程声谱的曲线图，并且在下文进行更详细的讨论。

图23是现有技术的标准的收敛扩散式磨料喷射喷嘴2300的横截面图，该图示出了喉部2304处的马赫数为1以及出口2310处的马赫数大于1。收敛部分2303从喷嘴的入口延伸到喉部的开始处2303，并且扩散部分2306从喉部的端部2305延伸到喷嘴的端部2307。

图24示出了根据本发明的实施方式的喷嘴2400的横截面，其中，收敛部分2402从喷嘴的入口2401延伸到喉部2404的开始处2403，该喉部2404在2405处结束，并且在喉部2404之后是扩散部分2406，该扩散部分在点2407处过渡到直的筒状部分2408，该直的筒状部分2408延伸到喷嘴的端部2409。扩散部分的出口2407处的马赫数是大于1的M1。L

图25示出了根据本发明的实施方式的喷嘴2500的横截面，其中，收敛部分2502从入口2501延伸到喉部2504的开始处2503，在喉部2504之后是扩散部分2506，该扩散部分2506从喉部的端部2505延伸到直的筒状部分2508的开始处2507，直的筒状部分2508持续到喷嘴的端部2509。磨料颗粒2512在穿过该喷嘴2500的流动中，ΔL表示L

图26示出了根据本发明的实施方式的喷嘴2600的横截面，其中，收敛部分2602之后是喉部2604，该喉部2604从喉部进口2603延伸到喉部出口2605，该喉部2604之后是扩散部分2606，该扩散部分2606从喉部出口2605延伸到直的筒状部分2608的进口2607，该直的筒状部分2608终止于喷嘴的端部2609，其中，磨料颗粒2612在流动中，以及马赫数曲线图2620表示沿喷嘴的轴向尺寸(x)的马赫数(M)。对于根据本发明设计的优化喷嘴来说，马赫数保持在1以上直到出口，这由标记为“L＝L

图27示出了根据本发明的实施方式的喷嘴2700的横截面，其中，收敛部分2702之后是喉部2704，该喉部2704从喉部进口2703延伸到喉部出口2705，该喉部2704之后是扩散部分2706，该扩散部分2706从喉部出口2705延伸到直的筒状部分2708的进口2707，该直的筒状部分2708终止于喷嘴的端部2709，其中，磨料颗粒2712在流动中，以及马赫数曲线图2720表示沿喷嘴的轴向尺寸(x)的马赫数(M)。轮廓2722、2724、2726示出了将喷嘴压力提高或降低对喷嘴直的部分的出口条件的影响。当出口压力p

上述的新喷嘴的生产率和噪声性能与标准的在市场上可获得的6号喷嘴——包括标准6号喷嘴和超长(XL)喷嘴——进行了比较。在测试之前，20个18英寸x18英寸的14号钢的面板被均匀地粉末涂覆(涂覆厚度为10密耳至12密耳)，以被用于对喷嘴的生产率(将面板清洁至设定水平所需的时间)进行评估。所有的测试都用新的30/40石榴石介质在67psi喷嘴压力下进行。

对于所测试的每个喷嘴来说，在露天操作喷嘴时，用声级计在操作者的左肩处测量声级(以避免在实际喷射期间由沙撞击金属而产生的声音)。1/3倍频带的声级被测量了10秒钟的时间，并且MIN声级、MAX声级和AVG声级被自动计算和存储。还记录了背景声级以确认背景噪声不会对所测得的喷嘴噪声级产生影响。

接下来，当喷嘴用于对经粉末涂覆的测试面板的一个侧部进行喷射时，记录每个喷嘴的录像。录像用于对每个喷嘴的生产率进行量化(对将测试面板清洁至所需光洁度需要的时间进行确定)。还记录了喷射者在使用每个喷嘴之后的反馈、包括对声级和生产率的印象。

表1总结了测试的主要结果以及一些操作者的评论。根据第一轮测试，最安静和最高生产率的喷嘴是被称为Oceanit BN6V1或Oceanit Short SS的改进喷嘴，该喷嘴是在图17A至图17B中示意性示出的喷嘴。该喷嘴安静了16dB，并且在51秒内清洁了测试面板，而标准长喷嘴则为69秒。XL喷嘴(XL 6号)在声音性能方面表现出一些改进，但生产率没有提高，而且被认为对日常使用来说太大且太重。

表1，测试结果总结(30/40石榴石，在70psi喷嘴压力下)

基于第一轮的结果，对标准6号喷嘴和两个具有直的部分的Oceanit喷嘴进行了第二次试验(也在表1中示出)。同样，Oceanit Short SS是操作者最喜欢的喷嘴，并且比标准6号喷嘴安静15.2dB并且在39秒内清洁了测试面板(而标准6号喷嘴为41秒)。Oceanit BN6-V1明显比标准的6号喷嘴更安静，以至于操作者感觉没有必要保护耳朵，Oceanit BN6-V1更有生产效率、反冲更少、以及使测试面板的热翘曲更少。

图22中示出了为1/3倍频带测得的平均声级2200。这些确认了两个新的具有直的部分的喷嘴2230(BNG-V1)、2240(BNG-V2)的声级在整个频谱上都与标准喷嘴2210相比更低并且在大部分频谱上也显著低于XL喷嘴2220。同样值得指出的是，标准喷嘴(标准6号)的尖峰2250以4000赫兹为中心，这可能与高速射流和/或射流尖锐声——这通过在喷嘴出口处正冲击波之后的亚音速出口速度来避免——产生的更大湍流相关联。

在约90psi的喷嘴压力下使用钢丸介质对具有较短直的部分的新喷嘴(OceanitBN6V1)与标准6号喷嘴进行了另外的测试。为以上测试所述的相同的经涂覆面板被用来对喷嘴的生产率(喷射清洁面板的时间)进行测量。每个喷嘴都进行了两次试验。结果如下表2所示。在第一次试验中，新喷嘴的表现与标准喷嘴相同(每个喷嘴清洁面板的时间为约53秒)。在第二次试验中，新喷嘴优于标准喷嘴(30秒对47秒)。通常，第二次试验更可靠，这是因为使用者有时间来适应特定的喷嘴。

表2：钢丸，90psi。

因此，新的降噪产生磨料喷射喷嘴在商业磨料喷射环境中被证明是优越的。高颗粒速度产生高生产率的喷嘴。低出口空气速度产生低噪声喷嘴。新喷嘴保持或提高了离开喷嘴的磨料颗粒速度，同时使出口空气速度降低。新喷嘴(基于6号喷嘴)使用延伸的出口部分，该出口部分将喷嘴的高马赫数加速区域延长，同时部分地(在一些实施方式中)通过在喷嘴端部处形成正冲击波而产生低得多的出口速度。在使用石榴石和钢丸的测试中，新喷嘴的生产率被表明优于标准6号喷嘴，同时实现了比商用喷嘴降低17dB的噪声，减少了反冲和由此导致的使用者疲劳，并且改善了操作特性。CFD建模示出了改进的颗粒加速区域。

将员工暴露于危险噪声降低到OSHA 8小时时间加权平均值以下，减轻了雇主修改员工当前做法的需要，减少了对个人防护设备(PPE)的需求，降低了在PPE失效情况下受伤的可能性，并且确保相邻的“安全区域”中的人员保证免受暴露。最重要的是，将喷射设施中的噪声降低到90dBA或更低允许工人在符合OSHA的情况下操作达8小时标准工作日。还应当理解的是，将噪声降低最小3dBA将有利于使用这种更安静喷嘴的工人。实际上，将噪声降低例如6dBA对于降低工人受伤的风险将是非常重要的。

尽管上文对6号喷嘴的实施方式的测试进行了描述，但其他实施方式可以是包括8号喷嘴、7号喷嘴和5号喷嘴或6号90度喷嘴或其他90度喷嘴的任何尺寸。相同的设计可以应用至使用包括煤渣、石榴石、丙烯酸等的任何类型的磨料介质/材料的任何收敛扩散式喷嘴。通常，使用压缩空气。在一些实施方式中可以使用水蒸汽。新喷嘴可以由例如碳化钨、碳化硅、碳化硼、丙烯酸、陶瓷、不锈钢、硬化钢、铝、任何其他已知的喷嘴材料或上述各者的组合来制成(具有或不具有耐磨陶瓷衬垫)。喷嘴可以具有保护手柄，以改善操作以及消除对不锈钢版本的静电的担心。喷嘴可以设计成用于各种管压力和喷射模式并且与各种管压力和喷射模式一起使用。

如从以上所述和本文所引用的描述、附图和示例中将理解的，本发明的降噪磨料喷射系统允许在明显降低结果噪声的情况下进行磨料喷射，同时与常规的磨料喷射系统相比，提供等同或改进的生产率和效率。这种改进的降噪磨料喷射系统促进工人的健康和安全并且为附近的人员提供更安静的环境。

改进的磨料喷射系统的实施方式利用管和/或喷嘴中的加长的加速器部分，以在降低气体出口速度的同时保持颗粒速度。直的孔喷嘴可以用于产生所需的有效磨料区域。所保持的颗粒速度提供等同的磨料生产率，而降低的气体速度则提供了降低的结果噪声。

虽然已经对本发明的制造和测试的具体优选实施方式和示例进行了示出和描述，但明显的是，本发明并不限于此。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员将会想到许多的改型或改变、变化、变型、替换和等同方案，并且这些都被视为本文所公开的本发明的一部分。

以示例的方式而非限制性地，喷嘴与管的尺寸和联接件类型以及管、联接件、喷嘴和加速器部分的具体构型和尺寸可以根据如本文所述的本发明的一般原理而变化，以适应不同的工作条件、目标材料、项目规格、预算考虑和使用者偏好。喷嘴可以具有例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等的任何喉部直径，这些喉部直径包括在以具有直的部分的新喷嘴为特征的实施方式中。此外，在本发明的系统中可以采用多于一个的过渡联接件和加速器管部分以及内径。本文所述的本发明包括所有这些改型和变型。

此外，本发明应被认为包括在当前说明书、所附权利要求书和/或附图中所述的每个特征的所有可能组合，这些特征可以被认为是新的、有创造性的和在工业上适用的。

这里描述的本发明的实施方式中可以有多种变型和改型。尽管这里已经对本发明的某些说明性的实施方式进行了示出和描述，但在上述公开中考虑了广泛的改型、变化和替代。虽然上述描述包含许多细节，但这些不应当被解释为对本发明范围的限制，而是应当被解释为本发明的一个或另一个优选实施方式的示例。在一些情况下，本发明的一些特征可以在没有对应地使用其他特征的情况下被采用。

因此，上述描述应当被广义地解释并且理解为仅以说明和示例的方式给出，本发明的精神和范围仅由最终发布的权利要求所限制。