CN111974237A - 一种具有异形流道的空化发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有异形流道的空化发生器，包括外管、内管和连接块，所述的外管和内管之间为环形流道，内管的中心为中心流道；所述的外管和内管通过连接块构成双流道整体，所述的双流道整体通过3D打印技术打印制成；所述的中心流道由入口段、渐缩段、保持段和渐扩段组成，中心流道的横截面为不规则多边形；所述的环形流道沿轴向为阶梯式流道，由两级减速腔室组成。本发明采用的异形流道经过探究在渐缩段和渐扩段可大幅增强湍流强度，在其渐缩段流体会从流道的燕尾形部分向正方形部分挤压流动，在渐扩段流体会从流道的正方形部分向燕尾形部分扩散，形成强烈的湍流和漩涡。空化强度明显增强，所需供水压力明显下降，更加高效节能。

Description

一种具有异形流道的空化发生器
技术领域
本发明涉及空化水射流清洗、抛光和微加工技术，特别是一种具有异形流道的空化发生器。
背景技术
流体内存在较大速度梯度的位置，流体发生速度扩散，产生负压区。由于负压区的存在使射流中蕴含的溶解气核得以生长成为饱含蒸汽的空化泡，这些空化泡经历长大和压缩过程后，在流经高压区或是与物体表面发生碰撞时会立即溃灭，大量空泡溃灭使得水体产生超声波和微射流，继而形成高温、高压区，最终使巨大的能量在狭小的范围内频繁释放，产生的冲击波可清洗物体表面污垢。在一定程度上空化的本质就是旋涡，所以增强湍流的强度即可以增强空化的强度。
此外，空化现象在切割、抛光、微加工领域中得到广泛应用，而喷嘴式空化发生器在生产实践中应用最为广泛。目前主要有风琴管和亥姆霍兹喷管这一类自振激励空化发生器，文丘里管和内外层包裹喷嘴这一类湍流空化发生器。
现有空化发生器流道截面大多采用规则的圆形流道，流体在其中流动近似层流，只有在空化发生器出口处和流道截面面积突变处可以产生一定程度的湍流，且只有在流速较高的情况下才能达到产生空化所需要的负压条件，效率较低。综上所述，现有空化发生器往往需要较高的来流压力和流速才能产生足够的空化，在低压和低速状态下空化效率低。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种在低压来流和低速来流工况下可以产生较强空化效果的具有异形流道的空化发生器，能够应用于多种场合。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具有异形流道的空化发生器，包括外管、内管和连接块，所述的外管和内管之间为环形流道，内管的中心为中心流道；所述的外管和内管通过连接块构成双流道整体，所述的双流道整体通过3D打印制成；
所述的中心流道由入口段、渐缩段、保持段和渐扩段组成，中心流道的横截面为不规则多边形；
所述的环形流道沿轴向为阶梯式流道，由两级减速腔室组成，按来流方向顺序设置一级减速腔室和二级减速腔室；所述的一级减速腔室由细长流道和空腔组成，所述的二级减速腔室由细长流道和扩张流道组成；
所述的外管来流端设置有连接孔，通过螺栓与来流管道相连。
进一步地，所述的外管来流端加工有密封槽并放置密封圈。
进一步地，所述的中心流道的渐缩段锥角范围为30°-60°，渐扩段锥角范围为90°-120°。
进一步地，所述的中心流道的横截面为正方形与燕尾形的组合形，即正方形的四边各对应一个燕尾形。
进一步地，所述的一级减速腔室的细长流道的外径和内径之差与空腔的内外径之差的比例为1:5至1:10之间；所述的二级减速腔室的细长流道的外径和内径之差和扩张流道的内外径之差的比例为1:4至1:8之间。
进一步地，所述的连接块设置于外管和内管的来流端，并在环形流道的入口处形成多个环形流道入口。
本发明工作原理如下：本发明的环形流道的一级减速腔室由细长流道和空腔组成，细长流道保证压力降，空腔室形成湍流，消耗来流能量。环形流道的二级减速腔室由细长流道和扩张流道组成，细长流道保证压力降，扩张流道可以进一步降低流速。整体通过3D打印技术加工而成，自成一体，不再设置内外层连接件，防止因湍流造成振动使零件松脱，保证使用寿命。
本发明采用水作为工作介质。工作时，在同一来流的条件下，中心流道因为采用异形结构设计，在其渐缩段流体会从流道的燕尾形部分向正方形部分挤压流动，在渐扩段流体会从流道的正方形部分向燕尾形部分扩散流动，形成强烈的湍流和漩涡，空化产生。在出口处中心流道和环形流道中的流体存在较大的速度差，喷出后两股水流接触产生速度扩散，产生湍流和漩涡进一步加强了空化，此区域可产生大量的空泡群，并通过空泡溃灭产生巨大的冲击力达到清洗或加工目的。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用的异形流道经过探究在渐缩段和渐扩段可大幅增强湍流强度，在其渐缩段流体会从流道的燕尾形部分向正方形部分挤压流动，在渐扩段流体会从流道的正方形部分向燕尾形部分扩散，形成强烈的湍流和漩涡。空化强度明显增强，所需供水压力明显下降，更加高效节能。
2、本发明的环形流道采用了两级减速腔，在同一来流的情况下，环形流道中流体速度远低于中心流道中流体速度。在出口处流体喷出空化发生器，两股水流接触产生速度扩散，产生湍流，促使空化发生。本发明进一步增强空化，并且可以在同一来流状态下工作，更加便捷。
3、本发明利用3D打印技术加工而成，空化发生器本身为一体，不设任何连接件，可避免工作中振动导致的零件松脱。
附图说明
图1是本发明的来流端端面视图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是本发明的正视图。
图4是图3的B-B剖视图。
图5是图4的C-C剖视图。
图6是图4的D-D剖视图。
图7是图4的E-E剖视图。
图8是图4的F-F剖视图。
图9是中心流道形状示意图。
图中：1、连接孔，2、密封槽，3、连接块，4、外管，5、内管，6、空腔，7、扩张流道。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。如图1-9所示，一种具有异形流道的空化发生器，包括连接块3、外管4和内管5，所述的外管4和内管5之间为环形流道，内管5的中心为中心流道；所述的外管4和内管5通过连接块3构成双流道整体，所述的双流道整体通过3D打印技术打印制成；
所述的中心流道由入口段、渐缩段、保持段和渐扩段组成，中心流道的横截面为不规则多边形；
所述的环形流道沿轴向为阶梯式流道，由两级减速腔室组成，按来流方向顺序设置一级减速腔室和二级减速腔室；所述的一级减速腔室由细长流道和空腔6组成，所述的二级减速腔室由细长流道和扩张流道7组成；
所述的外管4来流端设置有连接孔1，通过螺栓与来流管道相连。
进一步地，所述的外管4来流端加工有密封槽2并放置密封圈。
进一步地，所述的中心流道的渐缩段锥角范围为30°-60°，渐扩段锥角范围为90°-120°。
进一步地，所述的中心流道的横截面为正方形与燕尾形的组合形，即正方形的四边各对应一个燕尾形。
进一步地，所述的一级减速腔室的细长流道的外径和内径之差与空腔的内外径之差的比例为1:5至1:10之间；所述的二级减速腔室的细长流道的外径和内径之差和扩张流道的内外径之差的比例为1:4至1:8之间。
进一步地，所述的连接块3设置于外管4和内管5的来流端，并在环形流道的入口处形成多个环形流道入口。
本发明工作原理如下：本发明的环形流道的一级减速腔室由细长流道和空腔6组成，细长流道保证压力降，空腔6室形成湍流，消耗来流能量。环形流道的二级减速腔室由细长流道和扩张流道7组成，细长流道保证压力降，扩张流道7可以降低流速。整体通过3D打印而成，自成一体，不再设置内外层连接件，防止因湍流造成振动使零件松脱，保证使用寿命。
本发明采用水作为工作介质。工作时，在同一来流的条件下，中心流道因为采用异形结构设计，在其渐缩段流体会从流道的燕尾形部分向正方形部分挤压流动，在渐扩段流体会从流道的正方形部分向燕尾形部分扩散流动，形成强烈的湍流和漩涡，空化产生。在出口处中心流道和环形流道中的流体存在较大的速度差，喷出后两股水流接触产生速度扩散，产生湍流和漩涡进一步加强了空化，此区域可产生大量的空泡群，并通过空泡溃灭产生巨大的冲击力达到清洗或加工目的。
本发明的中心流道采用如图9所示的异形截面形状，经过试验研究，此形状在渐缩段和渐扩段可产生较强的湍流，可以大幅度提升空化的强度。
本发明结构简单，易于加工制造，拆装方便。压力水进入内管5后，压力水流经过中心流道渐缩段时，流道截面积迅速变小，水的流速增加，当水的压力低至水在对应温度下的饱和蒸气压时，即可形成空化。而压力水经过一级减速腔室和二级减速腔室后形成低速水射流。在扩张流道7的出口处中心流道产生的高速水与环形流道产生的低速水之间形成剪切扩散作用，造成湍流效应使水进一步产生空化。
本发明所述的中心流道的渐缩段锥角范围为30°-60°，渐扩段锥角范围为90°-120°。渐缩段锥角的作用是在来流压力条件一定的情况下减小截面积，提高内管5中水流的速度，渐扩段锥角的作用是使水流扩散低速水流产生剪切，增强湍流效应。
本发明所述环形流道的一级减速腔室由细长流道和空腔6组成，细长流道保证压力降。空腔6处形成湍流，消耗来流能量。所述环形流道的二级减速腔室由细长流道和扩张台阶部分组成，细长流道保证压力降，扩张台阶部分可以降低流速。
本发明的外管4和内管5处于相同的水压环境下，低速射流不需要额外在连接低压来流管道。此设计使得空化清洗、抛光或微加工更加高效便捷。
本发明为一体式结构，本身没有任何连接件，可避免振动导致零件松脱。
为了方便本发明喷嘴的拆装及更换，外管4和内管5与一压力水管可拆卸连接，具体实施方式中，可拆卸连接为螺纹连接。为了密封设置密封槽2用于放置密封圈。
本发明可增强湍流从而增强空化的技术特点,突出了二次空化过程的高效性。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有异形流道的空化发生器，其特征在于：包括外管(4)、内管(5)和连接块(3)，所述的外管(4)和内管(5)之间为环形流道，内管(5)的中心为中心流道；所述的外管(4)和内管(5)通过连接块(3)构成双流道整体，所述的双流道整体通过3D打印技术打印制成；
所述的中心流道由入口段、渐缩段、保持段和渐扩段组成，中心流道的横截面为不规则多边形；
所述的环形流道沿轴向为阶梯式流道，由两级减速腔室组成，按来流方向顺序设置一级减速腔室和二级减速腔室；所述的一级减速腔室由细长流道和空腔(6)组成，所述的二级减速腔室由细长流道和扩张流道(7)组成；
所述的外管(4)来流端设置有连接孔(1)，通过螺栓与来流管道相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有异形流道的空化发生器，其特征在于：所述的外管(4)来流端加工有密封槽(2)并放置密封圈。
3.根据权利要求1所述的一种具有异形流道的空化发生器，其特征在于：所述的中心流道的渐缩段锥角范围为30°-60°，渐扩段锥角范围为90°-120°。
4.根据权利要求1所述的一种具有异形流道的空化发生器，其特征在于：所述的中心流道的横截面为正方形与燕尾形的组合形，即正方形的四边各对应一个燕尾形。
5.根据权利要求1所述的一种具有异形流道的空化发生器，其特征在于：一级减速腔室的细长流道的外径和内径之差与空腔的内外径之差的比例为1:5至1:10之间；所述的二级减速腔室的细长流道的外径和内径之差和扩张流道的内外径之差的比例为1:4至1:8之间。
6.根据权利要求1所述的一种具有异形流道的空化发生器，其特征在于：所述的连接块(3)设置于外管(4)和内管(5)的来流端，并在环形流道的入口处形成多个环形流道入口。
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