9. Strahldüsen

Die Entwicklung der Strahldüsen ist einmal werkstoffseitig, zum anderen von der Form der Sandstrahldüse her zu betrachten. In früheren Zeiten wurden nur kurze Strahldüsen aus Grauguss, später aus Stahl- und Temperguss eingesetzt. Erst die Hartmetalltechnik hat es ermöglicht, verschleißfestere Sandstrahldüsen herzustellen.

Während man früher von Tagesdüsen sprach, wobei die Lebensdauer bereits in dieser Bezeichnung zum Ausdruck gebracht wurde, spricht man heute hauptsächlich von Venturi- oder Laval-Düsen.

Strahldüsen aus Guss waren einem sehr hohen Verschleiß unterworfen, was den Nachteil mit sich brachte, dass die Ausströmöffnungen stündlich größer wurden und somit der angeschlossene Kompressor in seiner Liefermengenleistung nicht mehr ausreichte, sodass der Druck vor der Strahldüse rapide abfiel und damit die Strahlleistung ebenfalls erheblich zurückging. In einer kurzen Übergangsphase wurden dann Sandstrahldüsen aus Porzellan eingesetzt, die eine Standzeit von 20 – 25 Stunden hatten.

Ein weiterer Nachteil von Strahldüsen mit kurzer Standzeit besteht darin, dass die Ausströmöffnung nicht gleichmäßig rund, sondern meist oval verschleißt, wodurch der Sandstrahl erheblich in seiner laminaren Strömung beeinflusst wird. Mit der Verwendung von Hartmetallen wie Wolframcarbid und Borcarbid ist der Verschleiß der Düsenbohrung des An- und Ausströmkanals erheblich verzögert worden. Standzeiten von 500 – 1.000 Stunden sind heute durchaus üblich, vorausgesetzt, dass die Düsen vor Erschütterungen durch Klopfen bewahrt werden. Das sehr spröde Hartmetall bekommt durch Schlagwirkung feinste Haarrisse, die durch den scharfen Strahl sofort ausgewaschen werden.

Die Herstellungsmethode des Hartmetallkörpers ist das Sintern. Mit der Einführung der Sintertechnik konnte die Strahldüse so ausgebildet werden, dass ein entsprechender Einlaufkonus (Anströmwinkel) und ein entsprechender Auslaufkonus aus einem Stück hergestellt werden konnten. Da erinnerte man sich der Theorie von Laval, der bewiesen hatte, dass nur eine unendlich lange Strahldüse es möglich machte, Druck völlig in Geschwindigkeit umzusetzen, weil eine 100% Umwandlung von Druck in Geschwindigkeit nicht schlagartig möglich ist.

Für die Auswahl der optimalen Strahldüse sind drei Kriterien besonders wichtig:
1. Die Größe der Einlassöffnung und die Länge der Sandstrahldüse
2. Die Form des Düsenkanals
3. Die Verschleißfestigkeit der Strahldüse

Die höchste Austrittsgeschwindigkeit ergäbe sich durch einen Düsenkanal, der unendlich lang wäre und eine Expansion des Druckes auf den absoluten Austrittsdruck von 0 bar ermöglichen würde.

Das ist in der Praxis natürlich nicht möglich.

Eine lange Strahldüse hat immer eine bessere Strahlleistung als eine vergleichbare kurze Düse. Da die kurze Düse eine flexiblere Handhabung ermöglicht, wird diese gerne für komplizierte und flexible Strahlaufgaben verwendet und die geringere Strahlleistung akzeptiert.

Gustav de Laval hat hierzu die Laval-Form, d.h. die theoretisch optimale Form einer Sandstrahldüse entwickelt, mit der höhere Austrittsgeschwindigkeiten als die kritische Geschwindigkeit für Strahlmittel erzielt werden können, weil im Auslaufkonus eine weitere Expansion erfolgt. Dieses Prinzip wurde in der „Venturi – Düsen – Technik“ aufgegriffen.

Venturi Prinzip:

Die Funktionsweise ist relativ einfach:
Die Luft strömt durch einen Luftkanal. Der Luftkanal verengt sich zur Mitte hin und weitet sich dann wieder zu einem größeren Durchmesser auf.

Der Luft, die durch diesen Venturi-Kanal hindurchströmt, stellt sich in der Mitte der Querschnittsverengung ein Widerstand entgegen. Die Geschwindigkeit der durchströmenden Luft nimmt mit zunehmender Verengung des Querschnitts zu und erreicht an der engsten Stelle ihren bisher höchsten Wert.

Wenn sich an der engsten Stelle der Strahldüse ein so genannter kritischer Druck einstellt, muss der Querschnitt der Düse ab hier wieder zunehmen, um die bisher erreichte Geschwindigkeit weiter zu erhöhen.

Luft-Austrittsgeschwindigkeiten bei Strahldüsen

   mit geradem Austritt liegt bei ca. 120 – 150 m/s
   mit lavalförmigen Austritt liegt bei über 330 m/s

bei einem Betriebsdruck von 7 bar an der Düsenöffnung.

Das beigemischte Strahlmittel kann jedoch diese Geschwindigkeit des Luftstromes infolge seiner Form und Masse nicht annehmen, sodass die tatsächliche Ausströmgeschwindigkeit des Strahlmittels geringer ist.

Strahlmittel-Austrittsgeschwindigkeiten bei Sandstrahldüsen

Damit die optimale Strahlmittel-Austrittsgeschwindigkeit erreicht wird, muss sichergestellt sein, dass die Strahldüsen entsprechend ihrem Durchmesser mit ausreichend Druckluft versorgt werden. Wie hoch die mindestens erforderliche Druckluftmenge (Volumenstrom) in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck und Düsendurchmesser sein muss, wird in der Düsentabelle dargestellt.

Düsentabelle

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Beispiele unterschiedlicher Strahldüsen

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