CN102847621A - 一种组合式中心体空化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式中心体空化喷嘴，涉及高压水射流喷嘴领域。本发明设置半椭圆柱状中心体、中心体固定座和喷嘴座，中心体对来流液体产生的阻力较小，液体的能量较高，来流液体进入喷嘴内流道后，由于半椭圆柱状中心体的作用，过流断面面积突然减小，流体被加速，两股高速流体在收缩通道内进行混合，中心体的扰流作用产生内部空化泡，而后主流经出流直通道后流出，出口处高速流体和空气的剪切作用产生外围空泡。因此空化泡不但存在于射流束外围，也存在于射流束内部，高速流体的动量变化和空化泡溃灭时产生的瞬时压力对被作用物体产生双重作用。该喷嘴的高效作业区域较大，对被作用物体的侵蚀和打击效果更好。

Description

一种组合式中心体空化喷嘴

技术领域

本发明涉及高压水射流喷嘴领域，特指一种应用在高压清洗行业中的中心体式空化射流喷嘴。

背景技术

高压水射流技术是近些年发展起来的一门新技术，目前已渗透到采矿、机械制造等多个行业。目前应用于大型换热器、火车机车、船舶的水下部分的清洗作业中的高压射流设备均体现出了它们独特的优势。在高压清洗作业过程中，经增压器增压后，流体压力可达数十兆帕，当喷嘴出口直径为1mm左右时，射流的初始速度可达220米/秒以上，具有很强的冲击力。

喷嘴是整个射流系统的关键部件，喷嘴的内流道形状决定着射流束的集聚性与能量特征，而喷嘴内流道内发生空化的可能性极大，产生的空化泡随主流喷出后，由于环境压力较高，空化泡将发生溃灭，产生的瞬时压强作用于物体表面，将对局部表面产生很大的冲击压力，对物体表面造成侵蚀。将高速射流的动量变化与空化泡侵蚀两种效应相结合将产生很好的清洗效果。目前的喷嘴存在的问题在于：(1)如现在石油钻探行业沿用的类似于文献[1]研究的空化喷嘴，其喷嘴出口前为一空腔，流体流出喷嘴前，在空腔内产生剧烈撞击、回弹和旋涡，出口处可以产生空化现象，但其产生的空化射流不连续，若应用于清洗作业，作业效率和可操作性都会大大降低 ([1]Jonhnson V E Jr，Conn A F et al. Self-resonating cavitating jets. Proceedings of 6th International Symposium on Water Jet Technology, England, 1982.)；(2) 如类似于文献[2]研究的喷嘴，出口附近的流道形状由断面面积收缩过渡到断面面积突然扩大，由于流体被加速，空化现象会发生在低压区，并向下游延伸，但其产生的射流流束中，空化泡多集中在流束外围，射流流体与环境介质发生剪切作用而导致大量空化泡在未到达被作用物体表面前即发生溃灭，起不到侵蚀被作用物体表面的作用 ([2]Akira Sou, Shigeo Hosokawa, Akio Tomiyama. Effects of cavitation in a nozzle on liquid jet atomization. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007,50:3575-3582.)； （3）如文献[3]中提到的圆柱状中心体空化喷嘴中，圆柱状的中心体的下端凸起使得滞止区的面积较小，空化效果不明显（[3]杨敏官，肖胜男，康灿,出口形状对中心体喷嘴射流性能的影响, 流体机械,2011,39卷第五期，13-19.），而三角形中心体空化喷嘴中，中心体两个侧面对来流流体产生的阻力较大，减弱了射流的冲击效果。

基于高速流体的流动机理以及上述喷嘴的缺点，发明了一种组合式中心体空化喷嘴。

发明内容

为了在对来流流体产生阻力较小的情况下增加连续空化射流中的空化泡密度，克服射流束空化泡分布偏向流束外围的不足，本发明提供一种组合式中心体空化喷嘴。

本发明所采取的技术方案是，包括喷嘴外套、中心体、中心体固定座、喷嘴座；中心体呈半椭圆柱状，中心体固定座为圆筒状，分为上、下两部分，上、下两部分的内、外径相同，上半部分沿底面对称开设两个椭圆形孔，中心体设于椭圆形孔内，中心体固定座两部分和中心体用胶水粘接固定，中心体的矩形平面垂直于固定座的轴线方向横向安放在中心体固定座上，且中心体的矩形平面朝下，中心体的两个半椭圆柱状的平面为竖直设置；中心体固定座安放在喷嘴座上且无相对运动，流体通过中心体固定座后依次通过喷嘴座的收缩通道和出流直通道；喷嘴座放置在喷嘴外套上。考虑到喷嘴的尺寸和中心体固定座的强度要求，中心体固定座下半部分的厚度为1～3毫米。为了减小中心体对来流流体动能的损耗以及喷嘴的尺寸，中心体的长、短径之比x为1＜x≤2，中心体的短径与中心体固定座内径之比为0.5～0.8，比值过大会增大流体能量的损失并且是减小空化段的长度，使得空泡提起溃灭；比值太小则会降低空化的程度，减小了空化的打击效果。中心体的矩形平面为沿短径方向切割。喷嘴座内的收缩断面与轴线夹角为25～30度，角度太小则会使中心体至喷嘴出口的距离增大，导致空泡在喷嘴座内溃灭，达不到空蚀效果，角度过大则会增大喷嘴座内的流体能量损失，出口速度降低，从而降低了空化喷嘴的效率。

根据流体动力学原理，喷嘴进口和出口间存在着压差，造成流体从喷嘴进口向出口的流动，流体流经中心体时，中心体与中心体固定座两侧的间隙成为对称过流通道，过流断面面积的突然减小导致流体加速，根据能量守恒原理，流体的动压增加，静压相应减小，根据相变理论，流体静压减小导致流体内空化核的长大，并且由于中心体的扰流作用，产生流动滞止区，高速流体与流动滞止区外围存在较强的剪切作用，从而致使产生空化泡的速度更加剧烈，流体继续经过收缩通道时，由于过流断面的逐渐减小，流体被进一步加速，夹带空化泡的主流中的空化泡数量进一步增加，小的空化泡有长大的趋势。空化现象的发生表现为不同尺度空化泡的出现，高速流体将空化泡夹带至混合直通道后，流体间发生掺混，流动的湍流度增大。高速流体夹带空化泡流出喷嘴，由于高速流体与空气的剪切作用，在射流束外围也产生一定的空化泡，在一定喷射距离内，高速流体动量变化产生的冲击力和空化泡溃灭产生的局部打击力是对被作用物体的双重作用。

本发明的优点在于合理地利用了流体动力学原理与相变理论，两股高速射流夹带空化泡，且在混合流道内充分混合，通过喷嘴断面的收缩，主流被二次加速，经过喷嘴出口断面时的空化泡数量较多，且出口射流流束中靠近流束中心线的空化泡数量较多，对被作用物体的侵蚀和打击作用较强。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的细部结构示意图。

图中，1.喷嘴外套，2.锥形面，3.收缩通道，4 .出流直通道，5.中心体，6.中心体固定座，7.喷嘴座，8.上游段，9.过流通道，10.中心体轴截面。

具体实施方式

设有与高压系统连接的喷嘴外套1，中心体5呈半椭圆柱状，为增强互换性，设置中心体固定座6，为了便于加工，将固定座分为上下两部分分别加工，两部分的内外径相同，下面部分的厚度为1～3毫米，上半部分沿底面对称地开设两个椭圆形孔，以便喷嘴安装，固定座两部分和中心体用胶水固定。中心体5垂直于固定座的轴线方向横向安放在中心体固定座上6，中心体固定座6与中心体之间的间隙为过流通道9，中心体的上游段8正对来流方向，将中心体固定座6沿轴向安放在喷嘴座7上，中心体固定座6与喷嘴座7采用间隙配合，喷嘴座7的下端为圆锥形，与喷嘴外套1配合安装，喷嘴座7与喷嘴外套1间无相对运动。

根据流体动力学原理和相变理论，经增压系统增压后的流体流入喷嘴后，此种中心体上游端造成的流动阻力很小，流体经由过流通道9时，过流断面面积突然减小，流速增加，流体的静压减小，空化泡出现。而流体流出过流通道9后，过流断面面积突然增大，流速降低，流体静压升高，而中心体5和中心体固定座6连接处出现流动滞止区，高速运动的流体和流动滞止区之间存在着很大的速度梯度，由于剪切作用造成局部涡量产生，因此空化泡产生，进入收缩通道3后，由于断面收缩，主流被二次加速，夹带着不同尺度空化泡的主流在出流直通道4内剧烈掺混，湍流度急剧增大，掺混的过程中，空化泡数量进一步增加，射流束流出喷最后与空气的剪切作用使得射流束外围也产生一定量的空化泡。

Claims (4)

1. 一种组合式中心体空化喷嘴，其特征在于，包括喷嘴外套（1）、中心体（5）、中心体固定座（6）、喷嘴座（7）；中心体(5)呈半椭圆柱状，中心体固定座（6）为圆筒状，分为上、下两部分，上、下两部分的内、外径相同，上半部分沿底面对称开设两个椭圆形孔，中心体(5)设于椭圆形孔内，中心体固定座 (6)两部分和中心体(5)用胶水粘接固定，中心体（5）的矩形平面垂直于固定座的轴线方向横向安放在中心体固定座(6)上，且中心体（5）的矩形平面朝下；中心体固定座(6)安放在喷嘴座（7）上且无相对运动，流体通过中心体固定座 (6)后依次通过喷嘴座（7）的收缩通道（3）和出流直通道（4）；喷嘴座(7)放置在喷嘴外套(1)上。

2.如权利1要求所述的一种组合式中心体空化喷嘴，其特征在于，所述中心体固定座 (6)下半部分的厚度为1～3毫米。

3.如权利1要求所述的一种组合式中心体空化喷嘴，其特征在于，所述中心体（5）的长、短径之比x为1＜x≤2，中心体的短径与中心体固定座内径之比为0.5～0.8，中心体（5）的矩形平面为沿短径方向切割。

4.如权利1或2要求所述的一种组合式中心体空化喷嘴，其特征在于，所述喷嘴座（7）内的收缩断面与轴线夹角为25～30度。

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