CN113333191A

CN113333191A - 旋转剪切空化喷嘴

Info

Publication number: CN113333191A
Application number: CN202110604992.9A
Authority: CN
Inventors: 李登; 姚致远; 巫世晶; 康勇; 罗文悦; 熊杰
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2021-05-31
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2041-05-31
Also published as: CN113333191B

Abstract

本发明提供一种旋转剪切空化喷嘴，属于水射流技术领域，其包括:喷嘴主体、第一支架、第二支架、中心体、旋转剪切筒、驱动电机和万向轴；喷嘴主体为中空旋转体结构，进水端内径大于出水端内径；第一支架和第二支架相对的可转动安装在喷嘴主体内，中心体两端分别可转动安装在第一支架和第二支架上；旋转剪切筒套设在中心体外，且其两端分别固定在第一支架和第二支架上；驱动电机输出端与万向轴输入端连接，万向轴的输出端与第二支架连接。该喷嘴在中心体式喷嘴中心体外部同轴套叠一个旋转剪切筒，由于旋转剪切筒的高速旋转，使得旋转剪切筒和中心体之间的射流沿径向产生速度梯度，从而使得液体中最大主应力成为张力，液体发生剧烈空化。

Description

旋转剪切空化喷嘴

技术领域

本发明涉及水射流技术领域，尤其是涉及一种旋转剪切空化喷嘴。

背景技术

水射流是用高压或超高压泵将普通水介质增压，然后使其通过喷嘴以亚声速，声速或超声速喷出，从而形成高速水流，在清洗，切割等方面的表现优异，越来越得到人们的青睐。

空化是指由于液体的局部压力低于该液体的饱和蒸汽压而产生气化形成气泡，即爆发性生长的气核，空泡在溃灭的瞬间会产生高温高压和微射流，伴随着复杂的物理化学和电化学反应。在现有技术中，采用该原理制成的空化喷嘴在清洗方面具有效率高、使用方便等优势。对于所有不可压缩的流体而言，其应力状态并非为平均值，故流体是否发生空化的判别标准应该基于主应力而不是压力。液体的应力状态通过应力张量T来描述。对于不可压缩液体，张量可分为两部分，压力p和偏分量r，偏分量使液体产生变形和流动。当一个或多个方向上的主应力成为正值时，液体中出现张应力，主应力σ1、σ2和σ3是T的特征值，并满足det(T-σI)＝0，式中Ⅰ为单位张量。当最大主应力为张应力时，由于液体不能自动平均它的应力，液体将可能发生空化。

随着近年来国家对环保的要求越来越严格，传统的化学清洗方法已经不再适应绿色发展的需要，而空化射流清洗因为其独特的物理清洗方法而具有广泛的应用前景。但现有的空化喷嘴存在空化效果差，空化区域面积较小等问题，发明一种空化效果强，空化区域面积大的空化喷嘴意义重大。

传统的中心体式空化喷嘴，其空化的发生方式主要为绕流型空化，空化仅发生在中心体末端，而在射流喷出喷嘴后，由于外部环境发生变化，空化效应难以维持，导致空化效果较差，空化云体积小。这无疑极大限制了空化射流的高效应用。

因此，实有必要设计一种旋转剪切空化喷嘴，以克服上述问题。

发明内容

为了避免上述问题，提供了一种旋转剪切空化喷嘴，通过在中心体式喷嘴中心体外部同轴套叠一个旋转剪切筒，由于旋转剪切筒的高速旋转，使得旋转剪切筒和中心体之间的射流沿径向产生速度梯度，从而使得液体中最大主应力成为张力，液体发生剧烈空化。

本发明提供的一种旋转剪切空化喷嘴，包括：喷嘴主体、第一支架、第二支架、中心体、旋转剪切筒、驱动电机和万向轴；

喷嘴主体为中空旋转体结构，进水端内径大于出水端内径；第一支架和第二支架相对的可转动安装在喷嘴主体内，中心体两端分别可转动安装在第一支架和第二支架上，中心体轴心与第一支架和第二支架两支架的转动中心及喷嘴主体的轴心重合；旋转剪切筒套设在中心体外，且其两端分别固定在第一支架和第二支架上，旋转剪切筒内径大于中心体外径；驱动电机输出端与万向轴输入端连接，万向轴的输出端与第二支架连接。

优选地，喷嘴主体为锥直型，第一支架、第二支架分别安装在喷嘴主体两端的直线段。

优选地，第一支架和第二支架两支架均包括内环、外环及连接杆，外环同轴套在内环外，外环和内环之间连接有至少一个连接杆，外环转动安装在喷嘴主体内，中心体左端或右端可转动安装在内环内，连接杆上设有容旋转剪切筒端部卡入的缺口。

优选地，外环和内环之间连接有多个连接杆。

优选地，中心体两端均设有台阶柱，分别间隙配合安装在第一支架和第二支架的内环内。

优选地，喷嘴主体两端的直线段分别设有第一凸台和第二凸台，第一凸台抵接于第一支架，第二凸台抵接于第二支架。

优选地，喷嘴主体两端的直线段分别安装有第一套筒和第二套筒，第一套筒抵接于第一支架，第二套筒抵接于第二支架。

优选地，喷嘴主体上靠近进水端的一端开设有容万向轴穿过的安装孔。

优选地，旋转剪切筒为圆筒形结构，旋转剪切筒表面设有微小凸起结构。

优选地，第一支架和第二支架均为三辐式结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过圆筒间的旋转产生剪切空化射流；同时，剪切射流包裹在中心体尾端产生的空化绕流外部，增大了空化区域体积和空化效果；且通过控制驱动电机的转速和进口水压力可控制剪切空化的效果以适应工作需要。

附图说明

图1为本发明一优选实施例的旋转剪切空化喷嘴的剖视图；

图2为本发明一优选实施例的喷嘴主体的结构示意图；；

图3为本发明一优选实施例的喷嘴主体的剖视图；

图4为本发明一优选实施例的第一支架的结构示意图；

图5为本发明一优选实施例的第二支架的结构示意图；

图6为本发明一优选实施例的旋转剪切筒的结构示意图；

图7为本发明一优选实施例的中心体的结构示意图；

具体实施方式的附图标号说明：

1、喷嘴主体，11、第一凸台，12、第二凸台，13、安装孔，14、密封圈，

2a、第一支架，2b、第二支架，21、内环，22、外环，23、连接杆，24、缺口，

3、中心体，31、台阶柱，

4、旋转剪切筒，

5、驱动电机，

6、万向轴，

7、第一套筒，

8、第二套筒。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚，完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”，“上”，“下”，“左”，“右”，“竖直”，“水平”，“内”，“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”，“第二”，“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”，“相连”，“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图7所示，本实施例提供的一种旋转剪切空化喷嘴，包括：喷嘴主体1、第一支架2a、第二支架2b、中心体3、旋转剪切筒4、驱动电机5和万向轴6。

其中，喷嘴主体1为中空旋转体结构，其右端内径大于左端内径，右端为进水端，左端为出水端。第一支架2a和第二支架2b左右相对的可转动安装在喷嘴主体1内，中心体3左右两端分别可转动安装在第一支架2a和第二支架2b上，中心体3轴心与第一支架2a和第二支架2b两支架的转动中心及喷嘴主体1的轴心重合。同时，旋转剪切筒4套设在中心体3外，且其左右两端分别固定在第一支架2a和第二支架2b上，旋转剪切筒4内径大于中心体3外径，即旋转剪切筒4和中心体3之间有间隙。另，驱动电机5输出端与万向轴6输入端连接，万向轴6的输出端与第二支架2b连接。

如图1至图3所示，喷嘴主体1为锥直型，第一支架2a、第二支架2b分别安装在喷嘴主体1左右两端的直线段。喷嘴主体1左右两端的直线段分别设有第一凸台11和第二凸台12，第一凸台11抵接于第一支架2a右端，第二凸台12抵接于第二支架2b左端，有限位定位的作用。

喷嘴主体1右端开设有容万向轴6穿过的安装孔13。万向轴6从安装孔13中穿过，万向轴6一端与驱动电机5输出轴相连，另一端与第二支架2b右端连接，喷嘴工作时，驱动电机5通过万向轴6带动第一支架2a、第二支架2b和旋转剪切筒4转动形成剪切空化射流。其中，安装孔13处安装有密封圈14，防止渗漏。

如图1、图4和图5所示，第一支架2a和第二支架2b两支架均包括内环21、外环22及连接杆23；外环22同轴套在内环21外，外环22和内环21之间连接有至少一个连接杆23，外环22转动安装在喷嘴主体1内，中心体3左端或右端可转动安装在内环21内，连接杆23上设有容旋转剪切筒4左端或右端卡入的缺口24。本实施例中，外环22和内环21之间均匀分布的连接有三个连接杆23，即第一支架2a和第二支架2b均为三辐式结构。

如图1、图4至图7所示，第一支架2a和第二支架2b的外环22与喷嘴主体1之间是间隙配合的。且，缺口24宽度与旋转剪切筒4厚度相等，通过缺口24将第一支架2a、第二支架2b与旋转剪切筒4连接为一个整体。中心体3左右两端均设有台阶柱31，分别间隙配合的安装在第一支架2a和第二支架2b的内环21内，第一支架2a和第二支架2b的内环21外径与中心体3直径相等。第一支架2a及第二支架2b的外环22与喷嘴主体1之间采用间隙配合，第一支架2a的外环22内径与第一套筒7内径相等，第二支架2b的外环22内径与第二套筒8内径相等。当喷嘴工作时，液体进入两支架与喷嘴主体1之间的间隙内，随着第一支架2a和第二支架2b的转动，通过运动形成液体动压，起到润滑作用，减小摩擦阻力，避免与喷嘴内壁相撞。

如图1所示，喷嘴主体1左右两端的直线段分别安装有第一套筒7和第二套筒8，第一套筒7抵接于第一支架2a左端，第二套筒8抵接于第二支架2b右端，第一套筒7和第二套筒8与喷嘴主体1均是采用过盈配合，更好的限制定位第一支架2a和第二支架2b。且第一套筒7左端与喷嘴主体1左端平齐，第二套筒8右端与喷嘴主体1右端平齐。

如图6所示，旋转剪切筒4为圆筒形结构，旋转剪切筒4表面设有微小凸起结构。采用这种结构可以极大增大壁面粗糙度，从而增大边界层速度，使得旋转剪切筒4和中心体3及喷嘴主体1之间的流体径向速度梯度增大，提高剪切空化效应。也就是，这些凸起结构能更好的带动表面附近的液体运动，使得液体之间产生较大速度差，通过主应力理论可得，速度差越大，空化越剧烈，通过这一结构可产生剧烈的空化。同时，旋转剪切筒4末端也会因为绕流而产生空化，这进一步提高了空化效果。

喷嘴工作时，液体由喷嘴主体1右端进入，由于旋转剪切筒4和中心体3及喷嘴主体1之间存在间隙，当液体进入喷嘴主体1时，间隙中将充满液体；此时打开驱动电机5，动力经万向轴6输出带动第一支架2a、第二支架2b和旋转剪切筒4一体转动；此时在中心体3与旋转剪切筒4之间，旋转剪切筒4和喷嘴主体1之间的液体沿径向存在速度梯度，发生剪切空化；配合中心体3左端端部产生的绕流型空化，产生剧烈的空化效应，进一步提高了空化效果。当液体通过相对旋转的圆筒间，由于液体内部的主应力的存在，使得在主应力为正值时，液体内部出现拉应力产生空化。通过剪切空化与绕流空化的共同作用，使空化效果极大增强。

该喷嘴在中心体3式喷嘴中心体3外部同轴套叠一个旋转剪切筒4，由于旋转剪切筒4的高速旋转，使得旋转剪切筒4和中心体3之间的射流沿径向产生速度梯度，从而使得液体中最大主应力成为张力，液体发生剧烈空化；同时，通过控制驱动电机5的转速和进口水压力可控制剪切空化的效果以适应工作需要。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种旋转剪切空化喷嘴，其特征在于，包括:喷嘴主体、第一支架、第二支架、中心体、旋转剪切筒、驱动电机和万向轴；

2.如权利要求1中所述旋转剪切空化喷嘴，其特征在于：喷嘴主体为锥直型，第一支架、第二支架分别安装在喷嘴主体两端的直线段。

3.如权利要求2中所述旋转剪切空化喷嘴，其特征在于：第一支架和第二支架两支架均包括内环、外环及连接杆，外环同轴套在内环外，外环和内环之间连接有至少一个连接杆，外环转动安装在喷嘴主体内，中心体左端或右端可转动安装在内环内，连接杆上设有容旋转剪切筒端部卡入的缺口。

4.如权利要求3中所述旋转剪切空化喷嘴，其特征在于：外环和内环之间连接有多个连接杆。

5.如权利要求3中所述旋转剪切空化喷嘴，其特征在于：中心体两端均设有台阶柱，分别间隙配合安装在第一支架和第二支架的内环内。

6.如权利要求2中所述旋转剪切空化喷嘴，其特征在于：喷嘴主体两端的直线段分别设有第一凸台和第二凸台，第一凸台抵接于第一支架，第二凸台抵接于第二支架。

7.如权利要求2中所述旋转剪切空化喷嘴，其特征在于：喷嘴主体两端的直线段分别安装有第一套筒和第二套筒，第一套筒抵接于第一支架，第二套筒抵接于第二支架。

8.如权利要求1中所述旋转剪切空化喷嘴，其特征在于：喷嘴主体上靠近进水端的一端开设有容万向轴穿过的安装孔。

9.如权利要求1中所述旋转剪切空化喷嘴，其特征在于：旋转剪切筒为圆筒形结构，旋转剪切筒表面设有微小凸起结构。

10.如权利要求1中所述旋转剪切空化喷嘴，其特征在于：第一支架和第二支架均为三辐式结构。