CN109604078B - 一种双腔室水射流自振喷嘴装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双腔室水射流自振喷嘴装置，属于工业清洗技术领域。该装置包括入口收缩管、风琴管谐振腔体、上喷片、赫姆霍兹谐振腔体和下喷片，入口收缩管和上喷片分别固定在风琴管谐振腔体两端，上喷片和下喷片固定在赫姆霍兹谐振腔体两端。风琴管谐振腔体形成双腔室串联，减小了环境围压对射流振荡特征的干扰，提高了射流的稳定性；赫姆霍兹谐振腔对风琴管谐振腔产生的射流进一步放大，增强了自振效果；赫姆霍兹谐振腔为风琴管谐振腔出流提供了淹没围压，使得射流可以应用于空气中。双腔室喷嘴强烈自振效果与抗干扰能力，为自振射流的进一步推广应用奠定了基础。

Description

一种双腔室水射流自振喷嘴装置
技术领域
本发明涉及工业清洗技术领域，特别是指一种双腔室水射流自振喷嘴装置。
背景技术
自振喷嘴装置可将连续射流转换为具有一定振荡频率的自振射流，从而有效避免水垫效应，伴随产生的水锤及空化作用可以极大地提高射流能量利用效率，产生强烈冲蚀作用大幅提高射流工作效率。
自振喷嘴装置结构直接决定自振射流的产生及其工作效率，而不同应用领域又对喷嘴装置提出了截然不同的要求。从空气中一般工件清洗至淹没条件下的钻井平台及船舶清洗，以及高围压下的石油钻井与深海资源开采，自振射流均得到广泛应用。但在上述不同工况下，射流出流条件大相径庭，环境围压甚至相差数十倍。由自振射流产生机理可知，谐振腔声谐固有频率与射流涡环脱落引起的压力反馈频率相一致，为产生强烈自振效果的必要条件。在现场复杂工况下，射流涡环脱落频率随环境围压等因素实时变化，但谐振腔声谐固有频率调节困难，使得二者很难实时相互匹配。同时，空气中使用时，由于射流对周围气体的卷吸作用，涡环脱落及反馈均难以形成。为此，设计不受出流环境影响，在较低围压乃至空气中仍可以正常使用的自振喷嘴装置对自振射流的进一步推广应用尤为重要。
本课题组已获得1项相关的国家授权发明专利(ZL2014100030975.9)，即一种高压水射流自振喷嘴装置(以下称“原发明”)，原发明能够在较高围压下产生振荡及空化效果强烈的自振射流。但原发明谐振腔为单个风琴管结构，射流产生后随即进入周围环境，受环境干扰大，且在空气中不能产生压力反馈，故其应用领域受到限制。本发明与原发明有以下不同：(一)不同形式的谐振腔相串联，实现了自振射流在空气中的高效生成(二)射流的抗干扰能力得到增强，在不同环境围压下均可以产生振荡效果强烈的自振射流(三)本发明采用风琴管谐振腔与赫姆霍兹谐振腔串联的双腔室结构，实现了压力振荡的二次放大，压力振荡强度得到进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双腔室水射流自振喷嘴装置，通过串联不同结构的谐振腔，使其压力振荡幅值得到进一步放大；同时赫姆霍兹谐振腔提供的淹没环境，使自振射流在空气中也可以产生，拓宽了应用领域；多级谐振腔串联，降低了围压对射流特性的影响，提高了射流的稳定性。本发明为不同环境、工况多变情况下自振射流应用提供了新的解决方案，进一步拓展了射流的应用领域。
该装置包括入口收缩管、风琴管谐振腔体、上喷片、赫姆霍兹谐振腔体、下喷片、连接套管托底座，入口收缩管和上喷片分别固定在风琴管谐振腔体两端，上喷片和下喷片分别固定在赫姆霍兹谐振腔体两端，下喷片下部设置托底座，风琴管谐振腔体外部包裹连接套管。
其中，风琴管谐振腔体为空心圆柱形，入口收缩管、风琴管谐振腔体、上喷片与下喷片依次串联，构成风琴管谐振腔。
赫姆霍兹谐振腔体为空心圆柱形，上喷片、赫姆霍兹谐振腔体及下喷片依次串联，构成赫姆霍兹谐振腔。
入口收缩管通过外螺纹和连接套管固定在风琴管谐振腔体的一端，风琴管谐振腔体位于连接套管内，下喷片通过托底座的外螺纹和连接套管固定在赫姆霍兹谐振腔体的另一端，上喷片夹紧固定于风琴管谐振腔体和赫姆霍兹谐振腔体之间。
风琴管谐振腔体上端端头处设有沟槽，沟槽内环置O形橡胶密封圈一与入口收缩管配合密封；风琴管谐振腔体下端端头沟槽内的O形橡胶密封圈二和赫姆霍兹谐振腔体上端端头沟槽内的O形橡胶密封圈三与上喷片配合密封；赫姆霍兹谐振腔体与下喷片连接面处设有沟槽，沟槽内设置O形橡胶密封圈四配合密封。
上喷片和下喷片上均有扩张角度为15°-25°的圆孔，且下喷片上的圆孔直径大于上喷片上的圆孔。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明提供了一种具有两个谐振腔的水射流自振喷嘴装置，实现了自振射流在不同工况下的稳定工作。通过串联不同特点的谐振腔，进一步放大了压力振荡幅值；下端赫姆霍兹谐振腔提供的淹没环境，确保了自振射流在空气环境中的使用；多级谐振腔串联，降低了围压对射流特性的影响，提高了射流的适用性。
附图说明
图1为本发明的双腔室水射流自振喷嘴装置结构示意图；
图2为单腔室风琴管喷嘴与双腔室喷嘴低围压淹没条件下射流振荡频谱图，其中(a)为围压0.5MPa，(b)为围压1.5MPa；
图3为不同围压下双腔室喷嘴自振射流压力振荡频谱图，其中(a)为围压0.5MPa，(b)为围压1.5MPa。
其中：1-入口收缩管；2-风琴管谐振腔体；3-上喷片；4-赫姆霍兹谐振腔体；5-下喷片；6-连接套管；7-O形橡胶密封圈一；8-O形橡胶密封圈二；9-O形橡胶密封圈三；10-O形橡胶密封圈四；11-托底座。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种双腔室水射流自振喷嘴装置。
如图1所示，该装置包括入口收缩管1、风琴管谐振腔体2、上喷片3、赫姆霍兹谐振腔体4、下喷片5、连接套管6和托底座11，入口收缩管1和上喷片3分别固定在风琴管谐振腔体2两端，上喷片3和下喷片5分别固定在赫姆霍兹谐振腔体4两端，下喷片5下部设置托底座11，风琴管谐振腔体2外部包裹连接套管6。
风琴管谐振腔体2为空心圆柱形，入口收缩管1、风琴管谐振腔体2、上喷片3与下喷片5依次串联，构成风琴管谐振腔。
赫姆霍兹谐振腔体4为空心圆柱形，上喷片3、赫姆霍兹谐振腔体4及下喷片5依次串联，构成赫姆霍兹谐振腔。
入口收缩管1通过外螺纹和连接套管6固定在风琴管谐振腔体2的一端，风琴管谐振腔体2位于连接套管6内，下喷片5通过托底座11的外螺纹和连接套管6固定在赫姆霍兹谐振腔体4的另一端，上喷片3夹紧固定于风琴管谐振腔体2和赫姆霍兹谐振腔体4之间。
风琴管谐振腔体2上端端头处设有沟槽，沟槽内环置O形橡胶密封圈一7与入口收缩管1配合密封；风琴管谐振腔体2下端端头沟槽内的O形橡胶密封圈二8和赫姆霍兹谐振腔体4上端端头沟槽内的O形橡胶密封圈三9与上喷片3配合密封；赫姆霍兹谐振腔体4与下喷片5连接面处设有沟槽，沟槽内设置O形橡胶密封圈四10配合密封。
上喷片3和下喷片5均有带扩张角度的圆孔，且下喷片5上的圆孔直径大于上喷片3上的圆孔，用以提高射流的空化作用，并促进压力反馈的形成。
本发明装置工作原理如下：由高压泵系统提供的高压水通过管路接入喷嘴装置，由入口收缩管1进入风琴管谐振腔体2并经上喷片3喷入由赫姆霍兹谐振腔体4提供的围压环境中，在该围压环境中涡环脱落并产生压力振荡，该压力振荡反馈回风琴管谐振腔体2并得到放大，进一步促进了赫姆霍兹腔内涡环产生。同时当由风琴管谐振腔体2产生的压力振荡频率与赫姆霍兹谐振腔体4谐振频率一致时，压力振荡会得到二次放大。经过两次放大的振荡流体最终由下喷片5喷出，形成自振射流。因此，喷嘴设计关键在于风琴管谐振腔体的腔径D2、腔长L2与赫姆霍兹腔腔径D1、腔长L1所具有的固有频率相一致。同时，上喷片d2与下喷片d1的比值介于0.8-1之间。
图2为相同来流条件下，谐振腔长为L2的单腔室风琴管喷嘴及具有相同风琴管谐振腔的双腔室喷嘴，在淹没条件围压为大气压下时的压力振荡频谱图。由图可见，单腔室风琴管喷嘴在仅淹没较低围压下几乎没有产生振荡；但双腔室喷嘴依然能够产生数10k的高频振荡。
图3为图2提及的双腔室自振喷嘴在不同围压下所产生射流的压力振荡频谱图，(a)为围压0.5MPa，(b)为围压1.5MPa，对比图2(b)围压为0时可见，自振射流压力振荡基本不受围压影响，不会围压改变时射流压力振荡频谱与幅值均为发生明显变化。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种双腔室水射流自振喷嘴装置，其特征在于：包括入口收缩管（1）、风琴管谐振腔体（2）、上喷片（3）、赫姆霍兹谐振腔体（4）、下喷片（5）、连接套管（6）和托底座（11），入口收缩管（1）和上喷片（3）分别固定在风琴管谐振腔体（2）两端，上喷片（3）和下喷片（5）分别固定在赫姆霍兹谐振腔体（4）两端，下喷片（5）下部设置托底座（11），风琴管谐振腔体（2）外部包裹连接套管（6）；
所述风琴管谐振腔体（2）为空心圆柱形，入口收缩管（1）、风琴管谐振腔体（2）、上喷片（3）与下喷片（5）依次串联，构成风琴管谐振腔；
所述赫姆霍兹谐振腔体（4）为空心圆柱形，上喷片（3）、赫姆霍兹谐振腔体（4）及下喷片（5）依次串联，构成赫姆霍兹谐振腔；
所述入口收缩管（1）通过外螺纹和连接套管（6）固定在风琴管谐振腔体（2）的一端，风琴管谐振腔体（2）位于连接套管（6）内，下喷片（5）通过托底座（11）的外螺纹和连接套管（6）固定在赫姆霍兹谐振腔体（4）的另一端，上喷片（3）夹紧固定于风琴管谐振腔体（2）和赫姆霍兹谐振腔体（4）之间。
2.根据权利要求1所述的双腔室水射流自振喷嘴装置，其特征在于：所述风琴管谐振腔体（2）上端端头处设有沟槽，沟槽内环置O形橡胶密封圈一（7）与入口收缩管（1）配合密封；风琴管谐振腔体（2）下端端头沟槽内的O形橡胶密封圈二（8）和赫姆霍兹谐振腔体（4）上端端头沟槽内的O形橡胶密封圈三（9）与上喷片（3）配合密封；赫姆霍兹谐振腔体（4）与下喷片（5）连接面处设有沟槽，沟槽内设置O形橡胶密封圈四（10）配合密封。
3.根据权利要求1所述的双腔室水射流自振喷嘴装置，其特征在于：所述上喷片（3）和下喷片（5）上均有扩张角度为15°-25°的圆孔，且下喷片（5）上的圆孔直径大于上喷片（3）上的圆孔。
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