CN201913040U

CN201913040U - 一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置

Info

Publication number: CN201913040U
Application number: CN2011200304333U
Authority: CN
Inventors: 卢义玉; 葛兆龙; 汤积仁; 左伟芹; 刘勇; 章文峰
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2021-01-28

Abstract

本实用新型公开一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置，包括上游喷嘴、下游喷嘴、调节螺杆、共振筒、第一端盖和第二端盖，其特征是：上游喷嘴套内壁腔的左部设有一金属螺纹套，其外壁与共振筒的内壁配合；调节螺杆筒穿过连接螺帽并依次与第一端盖的中心孔、锁紧螺帽和金属螺纹套配合连接；上游喷嘴装在上游喷嘴套内壁腔的中右部，下游喷嘴装在共振筒的右端和第二端盖之间；上游喷嘴的右端、下游喷嘴的左端与位于两者之间的共振筒的内壁构成一共振腔室，设在共振筒上的进气孔和调节螺栓安装孔与该共振腔室相通。本实用新型结构简单，操作方便；具有多种测试功能，与其他射流发生装置相比，不仅能够大量缩短实验时间，同时还能节省实验经费。

Description

一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置

技术领域

本实用新型涉及水射流测试装置，具体涉及一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置，适用于煤层割缝切割头、PCD（Polycrystalline diamond：聚晶金刚石）钻头、牙轮钻头配套以及石材切割、冲洗等用自激振荡磨料水射流喷嘴结构参数优化。

背景技术

自激振荡脉冲磨料水射流是一种利用多相流体动力学、紊流力学、流体边界层理论、流体共振和液体弹性的原理而发展起来的一种新型高效磨料水射流，已经广泛地应用于煤矿采掘、石油钻井、岩石切割和清洗等领域。它不需要激振源，无运动件的密封，而是靠喷嘴的材料和自身结构特性（耐磨材料，腔室形状，上下游喷嘴的结构、尺寸及相互间的距离等），使通过喷嘴的高压磨料水射流在自激振荡作用下变成高压脉冲磨料水射流。基于以上原因，要设计出一种结构简单、节省能量、耐磨损、使用寿命长的自激振荡磨料水射流发生装置，只要选择适当的材料、结构尺寸和合适的碰撞壁形状即可。CN 2198041Y公告的《自激振荡空化射流发生器》、CN 2261300Y公告的《定向自振射流喷嘴》、CN 2699997Y公告的《一种震荡脉冲射流喷嘴》、CN 2094396U公告的《自激振荡脉冲射流喷嘴》、CN 2054479U公告的《牙轮钻头用振荡脉冲射流喷嘴》、CN 2353451Y公告的《聚能振荡射流喷嘴》、CN 2124339U公告的《自激振荡气蚀结构射流发生器》、CN 1073376A公告的《低频自激振荡空化脉冲射流喷嘴及其生产方法》都是目前常用水射流振荡喷嘴，但是，存在以下缺点：

（1）由于采用整体成型，因而存在加工困难、谐振腔形体精度低、成品率低，生产成本较高，而且重复使用率低，一经损坏即直接报废；

（2）工程上破岩、切割大都采用自激振荡磨料水射流，以上公开专利大都只涉及纯水射流，一旦改用磨料射流，上下游喷嘴易磨损变形、出口射流冲蚀切割效率大大降低，使用寿命变短；

（3）对于安装位置具有限制的自激振荡喷嘴，无法进行重新设计。

因此，限制了自激振荡磨料射流喷嘴在工程上更为广泛的应用，也不利于展开自激振荡磨料水射流喷嘴的实验室测试研究。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置，既能够通过调节装置本身结构对多个影响射流效果的因素进行测试，优化自激振荡喷嘴的结构，又能实现不同流体介质对喷嘴磨损效果的研究，获得不同喷嘴结构的使用寿命，能缩短实验时间，同时节省实验经费，满足工程实际需要。

本实用新型所述的一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置，包括共振筒、分别通过螺纹连接在共振筒左端和右端的第一端盖和第二端盖，其特征是：

一上游喷嘴套内壁腔呈阶梯孔状，其内壁腔的左部设有一金属螺纹套、外壁上设有环槽，环槽内设有“O”型密封圈，该上游喷嘴套的外壁与共振筒的内壁配合；

一调节螺杆筒穿过连接螺帽并依次与第一端盖的中心孔、锁紧螺帽和设在上游喷嘴套内壁腔左部的金属螺纹套螺纹配合连接；

一被测试的上游喷嘴装在上游喷嘴套内壁腔的中右部，一被测试的下游喷嘴装在共振筒的右端和第二端盖之间；上游喷嘴的右端、下游喷嘴的左端与位于两者之间的共振筒的内壁构成一共振腔室，设在共振筒的右端部上的进气孔和流量计与该共振腔室相通。

所述的一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置，在所述共振筒的右端与第二端盖之间还设有一垫圈。

所述的一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置，其所述进气孔与一压力传感器配合，该传感器与数显表相连，用来测试、读取共振腔室内的负压值，所述调节螺栓安装孔与一带调节阀门的流量计（图中未标）配合，用来调节进气量。

所述的一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置，其所述上游喷嘴套、上游喷嘴和下游喷嘴采用硬质合金材料制作，其余部件采用不锈钢制作。

本实用新型解决了振荡磨料水射流喷嘴性能优化测试难的问题，因为普通材料加工磨损太快，结构易变，极易损坏，磨料喷嘴必须用硬质合金材料加工；无需加工大量不同尺寸结构的振荡喷嘴进行试验，只需根据工程实际要求，利用本实用新型装置在泵压一定条件下测试上游喷嘴直径、下游喷嘴直径、共振腔室的腔长、进气量、下游喷嘴结构等因素对脉冲射流峰值的影响，取得最优结构参数，再进行加工磨料振荡喷嘴进而开展现场试验；另外，通过使用不同结构的下游喷嘴能够获得磨料振荡射流的空化效应，结合自行设计的围压综合测试、切割系统、高速摄像机（500万像素，拍摄速度5000fps）、三维示踪粒子测速系统（3DPIV，无干扰地实时测量平面上的二维或三维瞬时流速场、涡量场和变形速度及浓度场和粒径分布，测量面积：60×60 cm² ，分辨率：小于1mm，测速范围：0-700m/s，速度精度：0.5% ~ 1%，粒径范围：0.01m-0.4mm）、皮托管和压力传感器等测试仪器，可测得磨料振荡空化射流的流场特性及冲蚀、切割物料的能力。

本实用新型的有益效果：结构简单，操作方便，节省成本，减少工作量；由于本实用新型的连接方式是以螺纹方式连接的，故研究上游喷嘴、下游喷嘴直径、腔径对射流效果的影响时，只需要旋开调节螺杆，更换不同直径上游喷嘴、下游喷嘴、振荡腔即可；而研究腔长对脉冲磨料射流影响时，只需要通过旋转调节螺杆来改变共振腔室的长度即可；由于具有多种测试功能，与其他射流测试装置相比，应用本实用新型不仅能够大量缩短实验时间，同时还能节省实验经费。

附图说明

图1.是本实用新型的总装图；

图2.是上游喷嘴的结构示意图；

图3.是一种下游喷嘴的结构示意图；

图4.是另一种下游喷嘴的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

参见图1所示的一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置，包括分别通过螺纹连接在共振筒4左端和右端的第一端盖3和第二端盖13；

一上游喷嘴套6内壁腔呈阶梯孔状，其内壁腔的左部设有一金属螺纹套7、外壁上设有两道环槽，两道环槽内分别设有“O”型密封圈8，该上游喷嘴套6的外壁与共振筒4的内壁配合；

一调节螺杆筒2穿过连接螺帽1并依次与第一端盖3的中心孔、锁紧螺帽5和设在上游喷嘴套6内壁腔左部的金属螺纹套7螺纹配合连接；

一被测试的上游喷嘴9装在上游喷嘴套6内壁腔的中右部，一被测试的下游喷嘴11装在共振筒4的右端和第二端盖13之间；

上游喷嘴9的右端、下游喷嘴11的左端与位于两者之间的共振筒4的内壁构成一共振腔室14，设在共振筒4的右端部上的进气孔10和调节螺栓安装孔15与该共振腔室相通。

在所述共振筒4的右端与第二端盖13之间还设有一垫圈12。

所述进气孔10与一压力传感器配合，该传感器与数显表相连，用来测试、读取共振腔室14内的负压值，所述调节螺栓安装孔15与一带调节阀门的流量计（图中未画出）配合，用来调节进气量。

为了测试磨料射流以及上下游喷嘴的使用寿命，上游喷嘴套6、上游喷嘴9和下游喷嘴11采用硬质合金材料（其牌号为YG6 、YG8M 、YG8或YG15）制作，其余部件采用不锈钢制作。

连接螺帽1用于连接高压管路，调节螺杆筒2用于调节上游喷嘴和下游喷嘴之间的距离，第一端盖3用于连接调节螺杆筒和共振筒，另外可防止腔室内高压水反冲伤人；共振筒4用于测试负压和射流偏振效应；锁紧螺帽5用于固定上游喷嘴和下游喷嘴之间的距离，设在上游喷嘴套6的金属螺纹套7用于加工螺纹，因为用硬质合金制作的上游喷嘴套难于加工螺纹。

本实用新型的测试过程如下：

（1）通过更换上游喷嘴和下游喷嘴，即选择不同直径的上游喷嘴和下游喷嘴，获得磨料射流振荡效果较好的上下游喷嘴尺寸；

（2）通过旋转调节螺杆，调节上游喷嘴所处的位置来改变共振腔室的腔长，获得磨料射流振荡效果较好的共振腔室的腔长；

（3）通过改变进气口的进气量，可测试磨料射流偏振效应，或者在进气口安装压力传感器，测试磨料振荡射流在不同工况的负压值；

（4）通过改变磨料浓度，可以测得振荡上、下游合金喷嘴的使用寿命；

（5）选择不同结构的下游喷嘴，可测试磨料振荡射流的空化效果。

根据煤层割缝切割头、PCD钻头、牙轮钻头以及石材切割等工程配套喷嘴工作条件，如泵压、围压、流量、安装尺寸等，初步计算磨料振荡喷嘴的直径和长度，根据计算结果制定实验方案，通过实验考查影响脉冲磨料射流性能的主要因素（腔径D、腔长L、上游喷嘴直径d₁、上游喷嘴长L₁、下游喷嘴直径d₂、下游喷嘴长L₂）间的关系，利用三维粒子测速系统、压力传感器以及冲蚀标准岩石试件试验结果比较，最终确定脉冲磨料射流冲蚀能力和效率最强的喷嘴结构；

上游喷嘴的规格见下表：

直径d₁（mm）	长度L₁（mm）	件数
			1.0~8.0	4~18.0	3~5

第一种结构的下游喷嘴的规格见下表：

直径d₂（mm）	长度L₂（mm）	件数
			1.5~8.5	5.0~14.0	3~5

第二种结构的下游喷嘴的规格见下表：

直径d₂（mm）	长度L₂（mm）	件数
			1.5~8.5	3.0~10.0	3~5

更换下游喷嘴，连接高压管路，可测试脉冲磨料射流的空化效应，主要通过高速摄影仪、三维粒子测速系统以及冲蚀标准岩石试件测试空泡云的长度、射流速度以及空蚀物件的能力；

自激振荡脉冲磨料射流喷嘴的使用寿命对于工程应用来说至关重要，本测试装置可通过更换上游、下游喷嘴，重复测试不同喷嘴结构的使用寿命，安装好某一喷嘴结构之后固定不动，在现场工作条件下，使其一直通过磨料射流，观察上、下游喷嘴的磨损情况和脉冲磨料射流性能，从开始通过磨料射流到上下游喷嘴破坏或者脉冲磨料射流性能变差的时间即为该结构喷嘴的使用寿命。

Claims

1.一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置，包括共振筒（4）、分别通过螺纹连接在共振筒左端和右端的第一端盖（3）和第二端盖（13），其特征是：

一上游喷嘴套（6）内壁腔呈阶梯孔状，其内壁腔的左部设有一金属螺纹套（7）、外壁上设有环槽，环槽内设有“O”型密封圈（8），该上游喷嘴套（6）的外壁与共振筒（4）的内壁配合；

一调节螺杆筒（2）穿过连接螺帽（1）并依次与第一端盖（3）的中心孔、锁紧螺帽（5）和设在上游喷嘴套（6）内壁腔左部的金属螺纹套（7）螺纹配合连接；

一被测试的上游喷嘴（9）装在上游喷嘴套（6）内壁腔的中右部，一被测试的下游喷嘴（11）装在共振筒（4）的右端和第二端盖（13）之间；上游喷嘴（9）的右端、下游喷嘴（11）的左端与位于两者之间的共振筒（4）的内壁构成一共振腔室（14），设在共振筒（4）的右端部上的进气孔（10）和调节螺栓安装孔（15）与该共振腔室相通。

2.根据权利要求1所述的一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置，其特征是：在所述共振筒（4）的右端与第二端盖（13）之间还设有一垫圈（12）。

3.根据权利要求1或2所述的一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置，其特征是：所述进气孔（10）与一压力传感器配合，所述调节螺栓安装孔（15）与带调节阀门的流量计配合。

4.根据权利要求1或2所述的一种多功能自激振荡磨料水射流发生装置，其特征是：所述上游喷嘴套（6）、上游喷嘴（9）和下游喷嘴（11）采用硬质合金材料制作，其余部件采用不锈钢制作。