CN102513237A - 空化型超高压水锤式水枪喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空化型超高压水锤式水枪喷头，该喷头的喷嘴处在高压下喷出的是带有空蚀潜能的水锤射流。该喷头包括喷头腔体，所述喷头腔体包括沿喷头轴向贯通的风琴腔体、亥姆霍兹腔体和一锥形的喷嘴出口控制段，自所述风琴腔体至所述亥姆霍兹腔体之间形成有一锥形的腔体过渡段，高速流体自风琴腔体流至喷嘴出口形成具有自激振荡的水锤流，在喷嘴出口控制段产生旋涡附壁效应从而在该喷嘴出口控制段诱发空化现象。喷头喷出的水射流属于间断性的空化水锤流，水击力度一张一弛，对打击物体表面产生交变应力，加上空蚀作用，容易使得打击物体表面由于疲劳强度而破坏或屈服。适合用于除锈，清洗，混凝土表面凿毛等应用场景。

Description

空化型超高压水锤式水枪喷头

技术领域

本发明专利涉及一种超高压水射流的水枪装置，尤其涉及一种空化型超高压水锤式水枪喷头。

背景技术

物体表面受到物理、化学或生物的作用而形成的污染层或覆盖层称作污垢，去除这些污染物或覆盖层而使其恢复原表面状况的过程称为清洗。按清洗作用和原理：化学清洗，物理清洗，微生物清洗。为使金属表面有良好的清洁度和粗糙度，必须对金属结构表面进行除锈等预处理，防腐蚀界有“七分除锈，三分涂装”，可见除锈的重要性。鉴于金属结构的特殊性，施工环境基本为露天等，先阶段依然采用喷砂除锈的方法，若想获得良好的除锈效果，通常有以下几方面的控制：前期控制、磨料控制、工具控制、环境控制、工艺控制好质量控制，在喷砂除锈施工中，工作环境较为恶劣，环境污染大；磨料等的使用，使得施工成本高；而且喷砂过程中沙石的气压大，非常容易人员的伤害和设备的损伤，存在安全隐患。当然，也有用机械设备进行金属表面清除。传统的喷砂式或者机械式清除技术，喷头的震荡力较大，在对混凝土表面造成裂缝，甚至并会出现边角脱落损伤。

凿毛是在筑路后贴瓷砖或者粉的时候，为了更加牢固的粘贴，将混凝土表面根据需要将混凝土表面凿毛，凿毛深度5～10毫米，凿毛痕的间距为30毫米左右，之后，还需要清净浮灰，砂浆、油渍等。凿毛是用一种″斩斧″的工具把已经完成的混凝土结构面凿出一条条凹痕，其作用是使两个施工阶段的施工面粘结牢固。通常在现浇结构中，在现浇板浇注完毕后，要凿毛，进行下一层柱墙的浇注。让混凝土粘结牢固。简单的说就是砼表面用钻子打毛糙，然后用水冲洗干净，主要是增加后浇砼和它的粘结力。在大型水泥混凝土工程铺装层间进行凿毛时慎用大型铣刨机或抛丸机进行凿毛处理。因铣刨机的铣刨刀头与其铣刨转子为刚性连接，铣刨转子又非常沉重，其刀头密度又比较少，所以在铣刨切屑时，接触工作面的点数少，其转子的冲击力就非常大，铣刨机铣掉的不仅是浮浆和部分骨料，还会将有些骨料振松使整体结构受到影响。再如抛丸机，其钢丸打毛时撞击力到是不太大，施工后工作面平整也好看，但凿毛深度浅，凹凸麻面不明显，因此新老水泥混凝土之间的黏结就比较差了。

高压水枪是让水通过高压水泵获得巨大的能量以后，以一种高速水流运动的方式从一定的喷嘴喷射出来，能量高度集中的一股水流。其中，水枪的喷头是高压水射流发生装置的执行元件，其作用是通过喷头内孔横截面的收索，将高压水的压力能聚集起来，并转化为动能，最后以高速水射流的形式向外喷出。水枪性能的好坏，喷头的设计是个关键。市场上一般的单孔固定式水枪喷头如图1-1和图1-2所示，主要由喷头体，喷管和喷嘴组成。一般喷头的水射流的特征是如图2所示的连续射流，其基本特征是射流边界层逐步均匀发展。

高压水射流具有清洁，无污染，节能，无损等特点，正在被广泛地用于除锈，清洗和破碎工程。目前市场上的高压水枪技术，基本上是运用高压水流通过变小管径产生的高速连续水流对物体表面的冲击达到除锈，清洗，凿毛等目的。这种连续射流缺少对物体表面一种一张一弛的“疲劳效应”，在同样的打击力，如果没有“疲劳效应”，很难使得贴服在物体表面的污垢，锈斑，附着层等物体屈服。换句话说，把同样强度的污垢去除，如果没有“疲劳效应”，就需要更强大的功率设备。

由于高速水流的不稳定性，如何在狭小喷头腔体内控制自激振荡的产生，控制空化产生的位置和漩涡脱离和发展一直是本技术领域内的难题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种空化型超高压水锤式水枪喷头，将空化机理运用到高压水射流中，可以利用空化能加强对物体表面的剥蚀力度，从而达到对物体表面进行高效除锈，清洗，以及对水泥面凿毛和凿碎的目的。

为了解决上述技术问题，本发明一种空化型超高压水锤式水枪喷头予以实现的技术方案是：包括喷头腔体，所述喷头腔体包括沿喷头轴向贯通的风琴腔体、亥姆霍兹腔体和一锥形的喷嘴出口控制段，自所述风琴腔体至所述亥姆霍兹腔体之间形成有一锥形的腔体过渡段，高速流体自风琴腔体流至喷嘴出口形成具有自激振荡的水锤流，在喷嘴出口控制段产生旋涡附壁效应从而在该喷嘴出口控制段诱发空化现象。

进一步讲，本发明空化型超高压水锤式水枪喷头，其特征在于，由上游流入所述风琴管腔的来流压力为20～100Mpa，所述喷头腔体的射流流量为每分钟10～70升。

另外，本发明空化型超高压水锤式水枪喷头，其中，所述喷头腔体中各段的尺寸特征如下：所述风琴腔体和所述亥姆霍兹腔体，两者之间的直径比D2∶D1为0.65～0.85，两者之间的长度比L1∶L2不小于4∶1；所述亥姆霍兹腔体的出口直径d2与所述风琴腔体出口处的直径d1之比d2∶d1不大于0.85；所述喷嘴出口控制段的长度L4与所述亥姆霍兹腔体的出口直径d2的比L4∶d2不小于4；所述亥姆霍兹腔体的直径D1与其长度L2的比D1∶L2不小于1；所述风琴腔体至亥姆霍兹腔体之间的腔体过渡段的壁面有一个向外侧扩散的角度β，该β角度不大于8度；所述腔体过度段的长度L3与所述风琴腔体出口处的直径d1之比L3∶d1不小于2；所述喷嘴出口控制段的壁面有一个向外侧扩散的角度α，该α角度不小于5度。

还有，本发明空化型超高压水锤式水枪喷头，其中，喷头的形式为单头固定式喷头，其整体的材料的硬度不低于布氏硬度HB300。

本发明空化型超高压水锤式水枪喷头的应用是，由喷头出口喷出的水射流为间断性的水锤流，所产生的水击力度一张一弛，所述水射流打击物体表面可产生交变应力，具有空蚀作用，使该打击物体表面由于疲劳强度而破坏或屈服；因此，本发明非常适用于物体表面的除锈和清洗及混凝土表面的凿毛。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明空化型超高压水锤式水枪喷头运用到了空化技术。所谓空化，是指水中的微小气核在经过负压区(接近真空)时，液体内部或液固交界面突然发生相变，气泡突然膨胀。而当气泡顺着水流流入正压区的时候，气泡又突然溃灭。空化馈灭时，会释放出来巨大能量，即可以达到1000-5000大气压和5000-15000K的温度。在液体中形成激波或高速微射流。如果空化的溃灭靠近物体表面，物体表面受到冲击后，表面晶体结构被扭曲，出现化学不稳定性，使邻近晶粒具有不同的电势，从而加速电化学腐蚀过程，这种现象称为空蚀。上世纪90年代以前，人们是要尽量防止空蚀的产生了。而本世纪初，人们逐渐将重点从以前的空化预防转为空化的利用，利用空化溃灭时所产生的新型能源为人类服务。

本发明空化型超高压水锤式水枪喷头是在对现有水枪喷头结构基础上进行创新性改造，使得高压水流在通过本发明喷头的喷头腔体内产生临界空化，进而利用空化剥蚀的巨大能量将打击力度得到很大的提高，同时利用空化效应在喷头喷口处形成空化型水锤流，如图3所示，其基本特征是由大尺度涡团组成水流颗粒，形成水锤流，其所产生的水锤效应更加大了对物面的打击效果，从而解决了在工程上运用较小功率的设备也能达到所要求的打击效果的目的，节省了能源，提高了工作效率。

从目前市售的高压喷头产品看，市场上的喷头技术基本上是属于“连续流”；而本发明喷头属于“空化型水锤流”喷头，水射流的打击力大，而且整个射流中是一松一驰，对物体表面的剥蚀和凿毛功效非常好。另外，与传统的机械式或者喷砂式清除技术相比，本发明喷头也具有水力喷头震荡力小，因此，在施工中不会对混凝土造成裂缝，同时避免了边角裂。本发明喷头所产生的超高压水射流不会对建筑物产生声波传递，属于无损式除锈和清洗。

本发明空化型超高压水锤式水枪喷头，由喷头出口喷出的水射流为间断性的水锤流，所产生的水击力度一张一弛，所述水射流打击物体表面可产生交变应力，具有空蚀作用，使该打击物体表面由于疲劳强度而破坏或屈服；用于物体表面的除锈和清洗及混凝土表面的凿毛等应用场景。诸如：可广泛地用于公路，桥梁，船舶、飞机场跑道、高层建筑、碎林、高塔、雕塑、以及石化厂、炼油厂、造纸厂、汽车制造厂、核能发电站等多种领域中的除锈、路面凿毛和清洗。

附图说明

图1-1是传统的单孔固定喷头的A-A旋转剖视示意图；

图1-2是图1-1所示单孔固定喷头结构的端向示意图；

图2是传统单孔固定喷头形成的连续射流的基本特征示意图；

图3是本发明喷头形成的射流的基本特征示意图；

图4-1是风琴管的纵剖面构造图；

图4-2是亥姆霍兹管和风琴管结合的纵剖面构造图，其中的上半部分是风琴管，下半部分是亥姆霍兹管；

图5是本发明中喷头腔体的结构示意图；

图6是利用计算流体动力学得出本发明水锤式水枪喷头射流速度场示意图；

图7是利用计算流体动力学得出本发明水锤式水枪喷头射流的水流密度分布示意图；

图8是利用计算流体动力学得出本发明水锤式水枪喷头射流的空化效应示意图。

上述图4-1、图4-2和图5中：

D1-亥姆霍兹腔体直径    D2-风琴腔体直径          D3-上游来流直径

d1-风琴腔体出口直径    d2-亥姆霍兹腔体出口直径  L1-风琴腔体长度

L2-亥姆霍兹腔体长度    L4-喷嘴出口控制段长度    L3-腔体过度段长度。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

本发明喷头的设计原理是：由于一般喷头的水射流的特征是如图2所示的连续射流，为了增强打击力的效果，要让水射流成为图3所示的水锤射流，并加上空蚀效应，因此，本发明喷头采用流体自激振荡原理让腔体内的高速水流产生脉冲式震荡水流。产生自激振荡的原理是采用类似于风琴管形状或者亥姆霍兹管的形状设计，并且在腔体壁面曲线设计时，设法让流体在边界层产生分离漩涡并形成流体力学激励。由此，高速水流通过腔体时，就产生流体自激振荡。本发明喷头中涉及到了风琴管和亥姆霍兹管的原理，图4-1和图4-2是本发明中所涉及到的风琴管和亥姆霍兹管的原理性示意图，为了便于理解本发明的设计原理，进一步讲，所谓风琴管原理是指：风琴管腔体是用一个长度为L1、直径为D2的一端开口，另一端有一个小孔的腔体，当稳定流体通过时，其收缩面既能使流体产生初始压力激荡，又能将压力激动反馈回谐振腔，形成反馈压力振荡，如图4-1所示。所谓亥姆霍兹管原理是指：当流体通过一个由刚体构成的密闭空腔时，并在空腔的表面开一个面积相对于空腔表面积很小的孔，这就形成了一个亥姆霍兹共振腔，见图4-2下面的L2部分。流体在通过亥姆霍兹共振腔时，由于谐振腔出口收缩断面时产生压力激荡，这种压力激荡反射回入口处与来流的压力脉动叠加形成驻波，当激振频率与射流本身的固有频率匹配时产生共振。如上所述，利用风琴管和亥姆霍兹管的结构特征可以解决如何在狭小喷头腔体内控制自激振荡的产生。而另一方面，是如何让空化的产生控制在临界状态(即在风琴管内没有空化，而在亥姆霍兹管腔体末端产生临界空化)，最终目的是尽量能让空化在目标物体表面馈灭，这就需要首先根据上述原理进行结构的初步设计，然后是根据多项流计算流体力学的数值模拟结果给出喷头腔体的详细设计，经过反复实验的验证最终确定腔体各个部位的尺寸关系，如图5所示。

本发明喷头实施例是以如图1-1和图1-2所示的现有技术中的一款高压水枪喷头为对比，在此基础上对喷头腔体的内部结构和尺寸进行了优化设计，从而可达到由喷头出口喷出的水射流为间断性的水锤流，所产生的水击力度一张一弛，所述水射流打击物体表面可产生交变应力，具有空蚀作用，使该打击物体表面由于疲劳强度而破坏或屈服。从而解决了如何在狭小喷头腔体内控制自激振荡的产生，并可以控制空化产生的位置和漩涡脱离和发展。

如图5所示，本发明一种空化型超高压水锤式水枪喷头，包括喷头腔体，所述喷头腔体包括沿喷头轴向贯通的风琴腔体51、亥姆霍兹腔体53和一锥形的喷嘴出口控制段54，自所述风琴腔体51至所述亥姆霍兹腔体53之间形成有一锥形的腔体过渡段52，高速流体自风琴腔体51流至喷嘴出口形成具有自激振荡的水锤流，如图3所示，在喷嘴出口控制段54产生旋涡附壁效应，从而在该喷嘴出口控制段54诱发空化现象。发明使用中，由上游流入所述风琴管腔的来流压力在20～100Mpa，所述喷头腔体的射流流量在每分钟10～70升，喷头的喷嘴处在高压下喷出的是带有空蚀潜能的水锤射流，具有本发明喷头腔体结构的喷头使得高速水流在流过喷头腔体时，引起流体的自激振荡，形成水锤流，并且在处于风琴腔体51与亥姆霍兹腔体53之间的腔体过度段52不产生空化，而是在喷嘴出口控制段54有漩涡附壁效应并开始产生空化。本发明喷头的形式为单头固定式喷头，为了保证空化效果，对其整体材料的硬度要求是应不低于布氏硬度HB300。

在本发明中，为了对空化发生的控制，让空化发生在所述亥姆霍兹腔体之后，这样可以有效地防止水流的阻塞现象，并可以利用空蚀的能量增强打击效果。因此，对所述喷头腔体中各段的尺寸进行了如下具体的限制，参见图5，所述喷嘴出口控制段54，位于风琴腔体51至亥姆霍兹腔体53之间形成的锥形腔体过渡段52为两个不可缺少的组成部分。所述喷头腔体中各段的尺寸特征如下：

(1)所述风琴腔体51和所述亥姆霍兹腔体53，两者之间的直径比D2∶D1为0.65～0.85，两者之间的长度比L1∶L2不小于4∶1；

(2)所述亥姆霍兹腔体53的出口(即所述喷嘴出口控制段54的进口)直径d2与所述风琴腔体53的出口(即所述腔体过渡段54的进口)处的直径d1之比d2∶d1不大于0.85；

(3)所述喷嘴出口控制段54的长度L4与所述亥姆霍兹腔体53的出口(即所述喷嘴出口控制段54的进口直径)直径d2的比L4∶d2不小于4；

(4)所述亥姆霍兹腔体53的直径D1与其长度L2的比D1∶L2不小于1；

(5)所述风琴腔体51至亥姆霍兹腔体53之间的腔体过渡段52的壁面有一个向外侧扩散的角度β，该β角度不大于8度；所述腔体过度段52的长度L3与所述风琴腔体51出口(即所述腔体过渡段54的进口)处的直径d1之比L3∶d1不小于2；

(6)所述喷嘴出口控制段54的壁面有一个向外侧扩散的角度α，该α角度不小于5度。

本发明喷头内部的流线，使得高压水流中经过喷头内部的腔体后产生自激振荡，同时在末端产生空化，并且在空化末端形成周期性的漩涡脱落，产生强有力的水锤效应。利用空化能加水锤效应增强打击能力。由于高速水流的不稳定性，如何在狭小喷头腔体内控制自激振荡的产生，控制空化产生的位置和漩涡脱离和发展一直是国内外的难题。而本发明喷头克服了这个难题，实现了用同等的水泵压力下，效率达到了同类水枪的2到3倍的效果。

以下通过对实施例的实验可以印证本发明喷头所具有的特点，提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。

表1和续表1是对本发明喷头3个实施例打击力的实验结果。对于水锤效应，我们最关心的打击力的脉动情况，也就是最大打击力和平均打击力的比值。对于连续流，这个比值基本是1。而对于水锤流，该比值就会远大于1。本发明中对实施例1-3的实验中得出：F_最大/F_平均的值接近3(291％)。说明本发明的喷头完全进入水锤流的范围。另外，表1的数据表明本发明的最大打击力在50Mpa泵压下为可以达到近426N，其打击力是现有技术中高压水枪喷头打击力的2倍。现有市场上比较好的喷头的最大打击力在50Mpa泵压下为F_最大＝180N，F_平均＝134N，F_最大/F_平均的值为1.3。

表1喷头在30Mpa和50MPa泵压下的打击力实验结果

续表1

续表1

利用本发明喷头进行工作时，由动力设备(柴油机或电机)驱动高压柱塞泵和增压器、节流阀等，经高压管喷枪喷头产生高速流体喷射到物体表面。通过本发明喷嘴构造的几个腔体，水流在腔体内部产生水锤式振动，并产生效应空化能，加强喷射到物体表面的打击力。这时的高速水流变已经变成脉冲式的水锤流，并在高压射水流的空蚀和冲蚀的作用下使物体表面迅速剥落或呈粗糙面。当用于破碎水泥混凝土表面时，在高压水流的正压力和切向力的反复作用下将水泥表面捣碎。并且由于水流打击并不会对固体深处造成破坏，并不会使物深层内部产生裂缝，属于无损凿毛。

图6、图7、图8给出了速度场的数值模拟结果。其中，图6是利用计算流体动力学对本发明水锤式水枪喷头形成的射流速度场的计算结果示意图，从速度冲力的变化上能够看出水锤效应；图7是利用计算流体动力学得出本发明水锤式水枪喷头射流的水流密度分布示意图；图8是利用计算流体动力学得出本发明水锤式水枪喷头射流的空化效应示意图，图8中浅色部分所示范围为空化部分。从这些图中可以看出射流的水锤效应和空化效应。通过对不同尺寸的喷头的计算，给出一组水锤效应明显，并且使得设计对空化发生位置有控制，让空化发生在亥姆霍兹腔体之后。这样防止水流的阻塞现象，并可以利用空蚀的能量增强打击效果。

综上，本发明喷头由喷头出口喷出的水射流为间断性的水锤流，所产生的水击力度一张一弛，所述水射流打击物体表面可产生交变应力，具有空蚀作用，使该打击物体表面由于疲劳强度而破坏或屈服；用于物体表面的除锈和清洗及混凝土表面的凿毛。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种空化型超高压水锤式水枪喷头，包括喷头腔体，其特征在于，所述喷头腔体包括沿喷头轴向贯通的风琴腔体、亥姆霍兹腔体和一锥形的喷嘴出口控制段，自所述风琴腔体至所述亥姆霍兹腔体之间形成有一锥形的腔体过渡段，高速流体自风琴腔体流至喷嘴出口形成具有自激振荡的水锤流，在喷嘴出口控制段产生旋涡附壁效应从而在该喷嘴出口控制段诱发空化现象。

2.根据权利要求1所述的空化型超高压水锤式水枪喷头，其特征在于，由上游流入所述风琴管腔的来流压力为20～100Mpa，所述喷头腔体的射流流量为每分钟10～70升。

3.根据权利要求1所述的空化型超高压水锤式水枪喷头，其特征在于，所述喷头腔体中各段的尺寸特征如下：

所述风琴腔体和所述亥姆霍兹腔体，两者之间的直径比D2∶D1为0.65～0.85，两者之间的长度比L1∶L2不小于4∶1；

所述亥姆霍兹腔体的出口直径d2与所述风琴腔体出口处的直径d1之比d2∶d1不大于0.85；

所述喷嘴出口控制段的长度L4与所述亥姆霍兹腔体的出口直径d2的比L4∶d2不小于4；

所述亥姆霍兹腔体的直径D1与其长度L2的比D1∶L2不小于1；

所述风琴腔体至亥姆霍兹腔体之间的腔体过渡段的壁面有一个向外侧扩散的角度β，该β角度不大于8度；所述腔体过度段的长度L3与所述风琴腔体出口处的直径d1之比L3∶d1不小于2；

所述喷嘴出口控制段的壁面有一个向外侧扩散的角度α，该α角度不小于5度。

4.根据权利要求1所述的空化型超高压水锤式水枪喷头，其特征在于，喷头的形式为单头固定式喷头，其整体的材料的硬度不低于布氏硬度HB300。

5.一种空化型超高压水锤式水枪喷头的应用，其特征在于，由喷头出口喷出的水射流为间断性的水锤流，所产生的水击力度一张一弛，所述水射流打击物体表面可产生交变应力，具有空蚀作用和水锤作用，使该打击物体表面由于疲劳强度而破坏或屈服；用于物体表面的除锈和清洗及混凝土表面的凿毛。

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