CN103551969A - 二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴，包括依次连通的高压给水管、一次混合室、导流装置、二次混合室和磨料喷嘴，所述的导流装置包括导流叶片固定环、混合浆体输送管道及沿混合浆体输送管道外表面分布的导流叶片，导流叶片固定环内壁设置有与导流叶片相啮合的沟槽，混合浆体输送管道和导流叶片位于导流叶片固定环内，混合浆体输送管道两端分别与一次混合室和二次混合室连通。本发明结构简单，成本低廉，对设备内壁磨损小，能大幅度提高磨料与工作流体混合程度，切割效果好；稳定性强，能适应各种工作压力的工作流体，适于大规模推广使用。

Description

二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴

技术领域

本发明属于高压磨料水射流切割技术领域，具体涉及一种二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴。

背景技术

高压磨料水射流切割（abrasive water jet）是指在水射流过程中，往高压工作流体中注入磨料，形成液固两相流的高速射流，对目标进行切割。其主要特点是在切割过程中不产生热变形，不残留热应力，能够精密的切割各种材料，并且由于射流附带磨料，能够有效的降低切割的门限压力，大幅提高切割效率。

工作流体与磨料的混合方式可将高压磨料水射流分为前混合式和后混合式。前混合式磨料水射流是指，部分高压工作流体先注入磨料罐，与磨料在罐中初步混合，形成磨料浆体，然后进入混合室，与另外一路进入的高压工作流体混合后，再经喷嘴出口喷出。后混合式磨料水射流是指，高压工作流体经喷嘴喷出，并在混合室内形成高压水射流，高压水射流在混合室内形成负压，出现局部真空，产生卷吸作用，将磨料吸入混合室。磨料在混合室中经高压工作流体作用不断加速，最后通过喷嘴出口喷出，形成磨料射流。

前混合方式中磨料与水混合均匀，磨料与水具有相同的速度，切割效果相对较好，并且所需的工作压力相对后混合方式较低。后混合方式中磨料颗粒需要与射流经过多次作用才能进入射流内部，大多数磨料只能聚集在射流表层，因此混合不理想，同等功率条件下其切割效果不及前混合方式。然而前混合设备中，大部分管路为液固混合两相流动，一方面管壁需要承受高压水流作用，一方面磨料颗粒对管壁形成摩擦挤压，降低管路稳定性，大大缩短使用寿命。相反后混合设备中管路仅受纯水流体作用，其管路能量损失远低于前混合方式。

因此在高压磨料水射流切割过程中，喷嘴结构设计至关重要，直接关系到切割效果、参数控制以及装置寿命。如何减少设备管路损失，提高系统寿命，同时增强磨料与水的掺混程度，提高磨料射流切割效果，是磨料射流的关键问题。

 

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种能大幅度提高磨料与工作流体混合程度的二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴，该二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴属于后混合式喷嘴。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴，包括依次连通的高压给水管、一次混合室、导流装置、二次混合室和磨料喷嘴，所述的导流装置包括导流叶片固定环、混合浆体输送管道及沿混合浆体输送管道外表面分布的导流叶片，导流叶片固定环内壁设置有与导流叶片相啮合的沟槽，混合浆体输送管道和导流叶片位于导流叶片固定环内，混合浆体输送管道两端分别与一次混合室和二次混合室连通。

上述一次混合室包括磨料输送通道、一次混合喷嘴、一次混合管和环形通道，环形通道两端分别连通高压给水管和导流装置，一次混合喷嘴和一次混合管置于环形通道内；磨料输送通道连通外部与一次混合管；一次混合管一端连接有一次混合喷嘴，另一端与混合浆体输送管道连通。

上述导流装置还包括磨料控制管，所述的磨料控制管一端连接混合浆体输送管道，另一端连接二次混合室。

上述导流叶片沿混合浆体输送管道外表面呈螺线形分布。

上述二次混合室包括二次混合管，所述的二次混合管断面从一次混合室至磨料喷嘴方向逐渐减小。所述的二次混合管为锥形或喇叭形。

本发明还包括保护套，所述的保护套一端套接二次混合室，另一端套接磨料喷嘴。

上述二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴在使用时竖直或倾斜布置。

 

本发明的工作原理如下：

高压工作流体通过高压给水管进入一次混合室，在一次混合室内分成两股。一股通过一次混合喷嘴进入一次混合管，形成射流，射流在一次混合管内对磨料输送通道中的磨料进行卷吸，并与之混合，实现第一次掺混得到一次混合浆体；另一股通过环形通道进入导流装置，经旋转的导流叶片加旋后形成环形旋转射流，进入二次混合室，在二次混合室内对一次混合浆体进行卷吸，使得一次混合浆体通过混合浆体输送管道及磨料控制管进入二次混合室。二次混合室内环形旋转射流与一次混合浆体实现二次混合，然后经磨料喷嘴喷出，实现磨料射流。

使用时，本发明竖直或倾斜放置，一次混合室内的混合浆体可借助自重进入二次混合室。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）结构简单，成本低廉，对设备内壁磨损小，能大幅度提高磨料与工作流体混合程度，切割效果好；稳定性强，能适应各种工作压力的工作流体，适于大规模推广使用。

（2）通过导流装置产生环形旋转射流卷吸磨料浆体，因为环形旋转射流，一方面，环形旋转射流能将磨料浆体包裹在中心，通过磨料喷嘴喷出大大提高了射流流束的切割能力；另一方，环形旋转射流可大幅提高工作流体与磨料浆体的掺混效率。

（3）实现了工作流体与磨料浆体的两次混合，与传统后混式喷嘴相比，大大提高混合效率，对磨料形成二次卷吸，大幅提高了磨料的输送能力。

（4）可控性好，可通过更换导流装置及磨料控制管的型号来实现不同工况的控制。

附图说明

图1为本发明的一种具体结构的剖视图；

图2为本发明一次混合室的具体结构示意图，其中，图（a）为一次混合室的剖视图，图（b）为图（a）的A-A剖视图；

图3为本发明导流装置的具体结构示意图，其中，图（a）为导流装置的剖视图，图（b）为图（a）的B-B剖视图；

图4为本发明导流叶片的具体结构示意图，其中，图（a）为剖视图，图（b）为图（a）的A-A剖视图，图（c）为立体图；

图5为本发明二次混合室的具体结构示意图。

其中，1-高压给水管；2-一次混合室；3-导流装置；4-二次混合室；5-保护套；6-磨料喷嘴；21-一次混合喷嘴；22-环形外套；23-磨料输送通道；24-一次混合管；25-环形通道；31-导流叶片固定环；32-导流叶片；33-磨料控制管；34-混合浆体输送管道；41-前套管，42-二次混合管，43-后套管。

具体实施方式

本发明使用时垂直布置，下面将结合本发明使用时状态及附图进一步说明本发明的具体实施方式。

见图1，本具体实施包括高压给水管1、一次混合室2、导流装置3、二次混合室4、保护套5和磨料喷嘴6，高压给水管1、一次混合管2、导流装置3、二次混合室4、磨料喷嘴6依次连通，保护套5一端通过螺纹套接二次混合室4外侧，另一端通过螺纹套接磨料喷嘴6外侧，用于将磨料喷嘴6与二次混合室4固定，还可以保护磨料喷嘴6。

高压给水管1一端连接提供高压工作流体的高压流体输送系统，另一端连接一次混合室2，高压给水管1用来将高压工作流体输入一次混合室2。一次混合室2用来实现工作流体与磨料的第一次混合，并获得一次混合浆体。导流装置3用来生成环形旋转射流，并输送一次混合浆体，环形旋转射流卷吸一次混合浆体并在二次混合室4内进行二次混合。

见图2，本具体实施的一次混合室2包括一次混合喷嘴21、环形外套22、磨料输送通道23和一次混合管24。磨料输送通道23连通磨料输送系统，用来将磨料输送至一次混合管24。一次混合管24与环形外套22同轴布置，环形外套22套于一次混合管24外侧，并在环形外套22与一次混合管24之间形成环形通道25，一次混合喷嘴21和一次混合管24置于环形通道25内。一次混合管24一端连有一次混合喷嘴21，另一端与混合浆体输送管道34连通。进入一次混合室2的高压工作流体，一部分通过一次混合喷嘴21进入一次混合管24，形成射流对磨料输送通道23内的磨料实现抽吸并完成第一次混合；另一部分通过环形通道25直接进入导流装置3。

见图3~4，本具体实施的导流装置3包括导流叶片固定环31、导流叶片32、磨料控制管33和混合浆体输送管道34，导流叶片32沿混合浆体输送管道34外表面分布。导流叶片固定环31与环形通道25键连接。导流叶片固定环31内壁设有与导流叶片32相配合的螺线型沟槽，用于固定导流叶片32。环形通道25输送的高压工作水流进入导流叶片固定环31内，导流叶片32高速旋转对高压工作水流加旋，形成环形旋转射流。混合浆体输送管道34用来传输一次混合管24内的一次混合浆体。混合浆体输送管道34未与一次混合管24相连的一端通过螺纹连接方式与磨料控制管33相连通，磨料控制管33另一端连接二次混合室4。磨料控制管33分为两段，与二次混合室4相连的一段采用收缩式设计，收缩角度视具体工况而定，即，磨料控制管33与二次混合室4相连的端面面积最小，用于控制高压流体与一次混口浆体的混合比。

导流叶片32沿混合浆体输送管道34外壁呈螺线形分布，本具体实施中，导流叶片32数目优选4-8个，螺线旋转角度30-60度，螺距为导流叶片固定环31内径的3-6倍，导流叶片32厚度视工作流体压力而定。混合浆体输送管道34两端采用螺纹分别与一次混合管24和磨料控制管33相连。

见图5，二次混合室4主要包括前套管41、二次混合管42及后套管43。本具体实施中，二次混合管42呈锥形，其断面从上至下逐渐减小。前套管41通过螺纹连接一次混合室2，并套接导流装置3将其固定于前套管41内部；后套管43通过螺纹连接磨料喷嘴43。

下面将介绍具体本发明的使用过程。

1、装配阶段

高压给水管1套接于环形外套22尾端，然后，一次混合管24上依次套接导流叶片32、磨料控制管33。将导流片固定环31沿导流叶片32逐步旋入，直至顶住环形外套22。二次混合室4的前套管41套接一次混合室2和导流装置3，并将导流装置3固定于前套管41内。将磨料喷嘴6接入二次混合室4的后套管43，并用保护套5套接后套管43以固定磨料喷嘴6，至此完成装配。

2、安装阶段

装配完毕后，将本发明垂直布置，将高压给水管1尾部接入提供高压工作流体的高压流体输送系统，磨料输送管道23通过管道与磨料输送系统相连。

3、使用阶段

使用过程中，可根据实际需求，通过更换不同型号的导流叶片32、磨料控制管33来控制磨料与高压流体的混合比。

 

本具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

本发明涉及的术语高压给水管、一次混合室、-导流装置、二次混合室、-保护套、磨料喷嘴、一次混合喷嘴、环形外套、磨料输送通道、一次混合管、环形通道、导流叶片固定环、导流叶片、磨料控制管、混合浆体输送管道、前套管、二次混合管、后套管等，并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把他们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.    二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴，其特征在于，包括：

依次连通的高压给水管、一次混合室、导流装置、二次混合室和磨料喷嘴，所述的导流装置包括导流叶片固定环、混合浆体输送管道及沿混合浆体输送管道外表面分布的导流叶片，导流叶片固定环内壁设置有与导流叶片相啮合的沟槽，混合浆体输送管道和导流叶片位于导流叶片固定环内，混合浆体输送管道两端分别与一次混合室和二次混合室连通。

2.如权利要求1所述的二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴，其特征在于：

所述的一次混合室包括磨料输送通道、一次混合喷嘴、一次混合管和环形通道，环形通道两端分别连通高压给水管和导流装置，一次混合喷嘴和一次混合管置于环形通道内；磨料输送通道连通外部与一次混合管；一次混合管一端连有一次混合喷嘴，另一端与混合浆体输送管道连通。

3.如权利要求1所述的二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴，其特征在于：

所述的导流装置还包括磨料控制管，所述的磨料控制管一端连接混合浆体输送管道，另一端连接二次混合室。

4.如权利要求3所述的二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴，其特征在于：

所述的磨料控制管分为两段，其中，与二次混合室相连的一段采用收缩式设计，且与二次混合室相连的端面面积最小。

5.如权利要求1所述的二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴，其特征在于：

所述的导流叶片沿混合浆体输送管道外表面呈螺线形分布。

6.如权利要求1所述的二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴，其特征在于：

所述的二次混合室包括二次混合管，所述的二次混合管断面从一次混合室至磨料喷嘴方向逐渐减小。

7.如权利要求6所述的二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴，其特征在于：

所述的二次混合管为锥形或喇叭形。

8.如权利要求1所述的二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴，其特征在于：

还包括保护套，所述的保护套一端套接二次混合室，另一端套接磨料喷嘴。

9.二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴的使用方法，其特征在于：

权利要求1~9所述的二次混合式环形旋转磨料射流喷嘴在使用时竖直或倾斜布置。

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