RU2168632C1 - Method of liquid jet formation - Google Patents
Method of liquid jet formation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2168632C1 RU2168632C1 RU2000106759A RU2000106759A RU2168632C1 RU 2168632 C1 RU2168632 C1 RU 2168632C1 RU 2000106759 A RU2000106759 A RU 2000106759A RU 2000106759 A RU2000106759 A RU 2000106759A RU 2168632 C1 RU2168632 C1 RU 2168632C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- jet
- nozzle
- conical
- velocity
- taper angle
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Perforating, Stamping-Out Or Severing By Means Other Than Cutting (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам формирования струи жидкости, а именно к способам гидравлического резания материала с использованием энергии высокоскоростной струи жидкости, в частности для гидравлического разрушения горных пород. The invention relates to methods of forming a jet of liquid, and in particular to methods of hydraulic cutting of a material using the energy of a high-speed jet of liquid, in particular for hydraulic destruction of rocks.
В настоящее время процесс гидрорезания применяется в производственных условиях для обработки очень широкой номенклатуры материалов во многих отраслях промышленности, как в России, так и за рубежом. Такое резание выполняет все требования по точности, быстроте, функционированию и сохранению окружающей среды. Currently, the hydraulic cutting process is used in production conditions for processing a very wide range of materials in many industries, both in Russia and abroad. Such cutting fulfills all the requirements for accuracy, speed, function and preservation of the environment.
Известен способ формирования струи, осуществляемый в насадке гидромонитора [Патент РФ N 1771512 МКИ E 21 C 45/00, 1992], где поток, попадая сначала в проточную полость насадки, приобретает дополнительную скорость за счет сужения конфузора, затем, направляясь к выходному отверстию проточной полости и "стекая" с острия конусного оконечника обтекателя, поток попадает в полость конфузора в виде узкой струи с малым углом расхождения, поперечное сечение которой соизмеримо с сечением выходного отверстия проточной полости насадки. Для дополнительного усиления выходной струи, без увеличения угла расхождения, в диффузоре имеются каналы подсоса, обеспечивающие свободное (без дополнительного давления) проникновение рабочей среды. A known method of forming a jet, carried out in the nozzle of the hydraulic monitor [RF Patent N 1771512 MKI E 21 C 45/00, 1992], where the stream, first entering the flow cavity of the nozzle, acquires additional speed due to the narrowing of the confuser, then, heading to the outlet of the flow cavity and "draining" from the tip of the conical tip of the fairing, the flow enters the cavity of the confuser in the form of a narrow jet with a small angle of divergence, the cross section of which is comparable with the cross section of the outlet of the nozzle flow cavity. For additional amplification of the output stream, without increasing the divergence angle, there are suction channels in the diffuser that provide free (without additional pressure) penetration of the working medium.
Основным недостатком является то, что проходящий через выходное отверстие проточной полости насадки поток жидкости, "стекая" с острия конусного оконечника обтекателя и попадая в полость диффузора в виде струи, имеет неравномерное распределение скорости в профиле данной струи, т.е. наблюдается асимметрия потока, что и приводит к появлению сдвиговых деформаций внутри струи, связанных с завихренностью, а также к искривлению струи в целом. Каналы подсоса, расположенные под углом 90o к оси симметрии диффузора, хотя и уменьшают угол расхождения струи, однако будут приводить не к эффекту усиления выходной струи, а значительному снижению скорости струи за счет столкновения частиц потока, проходящих через конфузор усеченного конуса, и потока, истекающего через диффузор.The main disadvantage is that the fluid flow passing through the outlet of the nozzle’s flow cavity, “draining” from the tip of the cone tip of the fairing and entering the diffuser cavity in the form of a jet, has an uneven velocity distribution in the profile of this jet, i.e. asymmetry of the flow is observed, which leads to the appearance of shear deformations inside the jet associated with vorticity, as well as to the curvature of the jet as a whole. The suction channels located at an angle of 90 o to the axis of symmetry of the diffuser, although they reduce the angle of divergence of the jet, however, will not lead to an effect of amplification of the output jet, but a significant decrease in the speed of the jet due to the collision of the particles of the stream passing through the truncated cone confuser and the stream, flowing through a diffuser.
В известном гидромониторе [Патент N 68372, МКИ E 21 C 45/00, 1947 г.] способ формирования высокоскоростной струи осуществляется за счет уменьшения площади поперечного сечения выбрасываемой кольцевой струи воды, проходящей между двумя входящими одна в другую коническими трубами, конусности которых подобраны так, чтобы кольцевое пространство между ними суживалось к выходу. При этом поток воды, выбрасываемый из кольцевого отверстия гидромонитора в виде полого конуса, своей вершиной упирается в материал. In the well-known hydraulic monitor [Patent N 68372, MKI E 21 C 45/00, 1947], the method of forming a high-speed jet is carried out by reducing the cross-sectional area of the ejected annular jet of water passing between two conical pipes entering one another, the tapers of which are selected so so that the annular space between them tapers towards the exit. At the same time, the water flow ejected from the annular opening of the hydraulic monitor in the form of a hollow cone rests against its material with its peak.
К недостаткам данного изобретения можно отнести то, что максимально разрушительное действие потока достигается за счет воздействия вершины конусного потока на ограниченную площадку материала, причем обеспечение фокусировки кольцевой струи на определенном расстоянии, позволяющем осуществлять воздействие вершиной конусного потока на материал, бывает затруднительно, при этом уровень удельной энергии этого потока в месте воздействия остается неизменным. The disadvantages of this invention include the fact that the maximum destructive effect of the flow is achieved due to the impact of the top of the conical flow on a limited area of the material, and it is difficult to ensure that the ring jet focuses at a certain distance, which makes it possible to effect the top of the conical flow on the material the energy of this flow at the site of exposure remains unchanged.
Наиболее близким к заявляемому и взятым в качестве прототипа является способ разрушения твердых материалов струей жидкости и устройство для его осуществления [Патент РФ N 1798504 A1, МКИ E 21 C 45/00, 1979]. Способ разрушения материалов струей жидкости осуществляется за счет использования кавитационного воздействия, причем расслаивание струи жидкости производят с образованием изолированной от окружающей среды кавитационной полости и ее последующим схлопыванием, а разрушение твердых материалов производят на участке схлопывания кавитационной полости. Closest to the claimed and taken as a prototype is a method of destruction of solid materials by a liquid stream and a device for its implementation [RF Patent N 1798504 A1, MKI E 21 C 45/00, 1979]. The method of destruction of materials by a liquid stream is carried out through the use of cavitation, moreover, the separation of the liquid stream is carried out with the formation of a cavitation cavity isolated from the environment and its subsequent collapse, and the destruction of solid materials is carried out at the site of collapse of the cavitation cavity.
К недостаткам данного изобретения можно отнести то, что использование кавитационной струи приводит к разрушению материала только в точке схлопывания кольцевой струи и только относительно непрочных материалов при нестабильной ширине реза. Использование в данной насадке переменной площади поперечного сечения кольцевых зазоров приводит к увеличению гидравлических потерь и увеличению градиента скорости в поперечном сечении потока, что оказывает неблагоприятное влияние на формирование устойчивой струи жидкости и приводит к снижению эффективности работы насадки, таких как уменьшение скорости потока на некотором расстоянии от точки схлопывания и нестабильность струи жидкости за счет создания условий для кавитационных процессов [Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Физматгиз, 1962. - 302 с.; Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. - М.: Энергоиздат, 1985. - 320 с.]. The disadvantages of this invention include the fact that the use of a cavitation jet leads to the destruction of the material only at the point of collapse of the annular jet and only relatively fragile materials with an unstable cutting width. The use of a variable cross-sectional area of annular gaps in this nozzle leads to an increase in hydraulic losses and an increase in the velocity gradient in the cross section of the flow, which adversely affects the formation of a stable liquid stream and leads to a decrease in the efficiency of the nozzle, such as a decrease in the flow velocity at a certain distance from collapse points and instability of a liquid stream by creating conditions for cavitation processes [Schlichting G. Theory of a boundary layer. - M .: Fizmatgiz, 1962. - 302 p .; Kutateladze S.S., Leontiev A.I. Heat and mass transfer and friction in a turbulent boundary layer. - M.: Energoizdat, 1985. - 320 p.].
Задачей настоящего изобретения является увеличение величины ударной силы струи в результате использования, наряду с кинетической энергией взаимодействия потока жидкости с разрезаемым материалом, кумулятивного эффекта схлопывания струи жидкости. The objective of the present invention is to increase the magnitude of the impact force of the jet as a result of using, along with the kinetic energy of the interaction of the fluid flow with the material being cut, the cumulative effect of the collapse of the fluid jet.
Это достигается тем, что в способе формирования струи жидкости скоростной поток пропускают через кольцевое сопло, образованное конической поверхностью насадки и поверхностью вставки, причем поверхность вставки выполнена конической с углом конусности α , обеспечивающей площадь поперечного сечения кольцевых зазоров между поверхностями насадки и вставки постоянной. При этом образованное двумя коническими поверхностями сопло обеспечивает схлопывание сформированной струи жидкости с образованием вторичной высокоскоростной струи. Струю жидкости в виде полого конуса формируют с углом конусности α =15...120o, а торцевую поверхность сопла выполняют конусной с углом конусности β = 180o - α таким образом, чтобы торцевая поверхность была перпендикулярна оси профиля кольцевого сопла, что позволяет выравнивать профиль продольной скорости струи.This is achieved by the fact that in the method of forming a liquid jet, a high-speed flow is passed through an annular nozzle formed by a conical surface of the nozzle and the surface of the insert, the surface of the insert being conical with a taper angle α, which provides a constant cross-sectional area of the annular gaps between the surfaces of the nozzle and the insert. At the same time, the nozzle formed by two conical surfaces ensures the collapse of the formed liquid jet with the formation of a secondary high-speed jet. A liquid jet in the form of a hollow cone is formed with a taper angle α = 15 ... 120 o , and the end surface of the nozzle is tapered with a taper angle β = 180 o - α so that the end surface is perpendicular to the axis of the profile of the annular nozzle, which allows alignment longitudinal stream velocity profile.
Рассмотрим процесс формирования вторичной струи. На некотором расстоянии от торцевой поверхности сопла полая конусная оболочка струи жидкости со скоростью V0 схлопывается и образуется вторичная высокоскоростная струя радиусом Rо, имеющая градиент скорости по своему радиусу. В момент схлопывания потока рабочей среды скорость вторичной высокоскоростной струи Vc возрастает приблизительно на порядок по отношению к скорости Vо, что вытекает из гидродинамической теории струй, по которой скорость по оси определяется по известной зависимости [В. В. Майер. Кумулятивный эффект в простых опытах.- М.: Наука, 1989]:
Vc=Vо/tq(90- α/2),
где Vо - скорость потока рабочей среды до схлопывания;
α - угол конусности кольцевого потока.Consider the process of secondary jet formation. At a certain distance from the end surface of the nozzle, the hollow conical shell of the liquid jet collapses at a speed of V 0 and a secondary high-speed jet of radius R о is formed , having a velocity gradient in its radius. At the time of the collapse of the flow of the working medium, the velocity of the secondary high-speed jet V c increases by approximately an order of magnitude with respect to the velocity V о , which follows from the hydrodynamic theory of jets, according to which the velocity along the axis is determined by the known dependence [V. W. Mayer. The cumulative effect in simple experiments. - M .: Nauka, 1989]:
V c = V o / tq (90 - α / 2),
where V about the flow rate of the working medium before collapse;
α is the taper angle of the annular flow.
Процесс образования вторичной высокоскоростной струи объясняется с позиций гидродинамической теории кумуляции, использующей теорию струй и модель идеальной несжимаемой жидкости, имеющей постоянную плотность ρo . Согласно этой теории, поток жидкости приобретает за счет кумулятивного эффекта скорость Vc, существенно превосходящую скорость кольцевого потока Vо, что приводит к соответствующей концентрации кинетической энергии осевой части образующегося потока и соответствующему повышению режущей способности образующейся высокоскоростной вторичной осевой струи за счет существенного увеличения, приблизительно на два порядка, удельной энергии осевой части струи.The process of formation of the secondary high-speed jet is explained from the standpoint of the hydrodynamic theory of cumulation, using the theory of jets and a model of an ideal incompressible fluid with a constant density ρ o . According to this theory, due to the cumulative effect, the fluid flow acquires a velocity V c significantly exceeding the annular flow velocity V о , which leads to a corresponding concentration of kinetic energy of the axial part of the resulting flow and a corresponding increase in the cutting ability of the resulting high-speed secondary axial jet due to a substantial increase, approximately two orders of magnitude, specific energy of the axial part of the jet.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена установка для резки твердого материала, на фиг. 2 - схема формирования высокоскоростной вторичной осевой струи, на фиг. 3 и 4 - соответственно кольцевые зазоры поперечных сечений сопла по. А-А и В-В фиг. 2. The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows an apparatus for cutting solid material, FIG. 2 is a diagram of the formation of a high-speed secondary axial jet; FIG. 3 and 4, respectively, annular gaps of the nozzle cross sections along. A-A and B-B of FIG. 2.
Установка для резки твердого материала включает в себя насадку 1, металлическую вставку 2 с конической поверхностью, закрепляемую в насадке 1 с помощью резьбового соединения, и уплотнительную манжету 3. Кольцевая поверхность конической насадки 1 и металлической вставки 2 образуют кольцевое сопло 4, которое обеспечивает постоянство площади поперечного сечения F=const, что позволяет обеспечить постоянство всех гидравлических характеристик, а именно скорости потока и постоянство давления. Кроме того, гидравлические потери при движении в канале постоянного сечения минимальны. Постоянство скорости потока обеспечивает благоприятные условия для отсутствия турбулентности при выходе жидкости из насадки. The installation for cutting solid material includes a nozzle 1, a
С боковой стороны к насадке 1 подведена соединительная трубка 7, по которой подается от насосной системы поток жидкости. Торцевая поверхность 8 кольцевого сопла 4 выполняется перпендикулярно оси 9 профиля кольцевого зазора. На выходе из насадки 1 кольцевой поток, имеющий ширину h, образует полый конус жидкости 10 с формированием после его схлопывания высокоскоростной вторичной осевой струи 11, которая подается на поверхность обрабатываемого материала 12. On the side, a connecting pipe 7 is connected to the nozzle 1, through which a fluid flow is supplied from the pumping system. The
Процесс формирования высокоскоростной вторичной осевой струи осуществляется следующим образом (фиг.1, 2). The process of forming a high-speed secondary axial jet is as follows (Fig.1, 2).
Посредством соединительной трубки 7 жидкость поступает в насадку 1. Скоростной поток жидкости, обладающий скоростью Vо, пропускают через кольцевой зазор, образованный между наружной конической поверхностью вставки 2 и внутренней конической поверхностью насадки 1. Кольцевой зазор имеет постоянную площадь поперечных сечений (F=const), причем струя жидкости, сформированная в виде полого конуса 10, имеет возможность схлопывания в вершине конуса с образованием высокоскоростной вторичной осевой струи 7, имеющей радиус Rо и обладающей скоростью Vс, которая остается постоянно на некотором расстоянии В. Торцевая поверхность 8 сопла выполняется конусной (с углом конусности β= 180o-α) таким образом, чтобы ее поверхность была перпендикулярна оси 9 профиля кольцевого зазора. Выполнение кольцевого сопла, имеющего постоянную площадью поперечного сечения, а также выполнение торцевой поверхности насадки перпендикулярно выходной струе жидкости позволяет получать на выходе из насадки более компактную струю, т.е. имеющую более выровненный по толщине градиент скоростей, не приводящих к искривлению струи в целом и обладающей, следовательно, большей энергетикой, обеспечивающий более благоприятные условия схлопывания струи в виде полого конуса, с образованием высокоскоростной вторичной осевой струи.Through the connecting tube 7, the fluid enters the nozzle 1. A high-speed fluid flow having a speed of V about is passed through an annular gap formed between the outer conical surface of the
Сформированный поток жидкости приобретает за счет кумулятивного эффекта скорость Vс, существенно превосходящую скорость кольцевого потока Vо, что приводит к соответствующей концентрации кинетической энергии осевой части образующего потока и повышению режущей способности образующейся вторичной осевой струи. Кроме того, использование данного способа позволяет прорезать щели большей глубины, так как скорость вторичной струи жидкости по мере удаления от точки схлопывания кольцевого потока хотя и падает, однако на некотором расстоянии она имеет достаточные энергетические характеристики для разрушения твердых материалов.Due to the cumulative effect, the formed fluid flow acquires a velocity V s significantly exceeding the velocity of the annular flow V о , which leads to a corresponding concentration of kinetic energy of the axial part of the generating flow and an increase in the cutting ability of the resulting secondary axial jet. In addition, the use of this method allows you to cut through the cracks of greater depth, since the speed of the secondary liquid stream as it moves away from the collapse point of the annular flow, although it decreases, however, at a certain distance, it has sufficient energy characteristics to break up solid materials.
Для создания скорости струи жидкости такой величины обычным способом потребовалось бы давление, во много раз превышающее давление, используемое в данном случае. To create a velocity of a liquid stream of such a magnitude in the usual way, a pressure would be many times higher than the pressure used in this case.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ
Скоростной поток жидкости предварительно пропускали через кольцевой зазор, образованный между наружной поверхностью металлической вставки, с внешним диаметром на торце D1=50 мм, и внутренней поверхностью конической насадки, с внутренним диаметром на торце D2=48 мм, имеющий постоянную площадь поперечного сечения F=28 мм2, при этом на выходе сопла формировалась струя в виде полого конуса, имеющая угол конусности α =80o. Торцевая поверхность сопла была выполнена перпендикулярно оси профиля выходящей струи жидкости, с углом конусности β=100o, что позволяло получить на выходе более компактную струю по толщине. Толщина выходного кольцевого зазора составляла h=1 мм. При этом на выходе сопла кольцевой поток жидкости имел скорость V0=100 м/с. Кольцевой поток на расстоянии А= 10 мм от торцевой поверхности насадки схлопывался с образованием высокоскоростной вторичной осевой струи, имеющей радиус R0= 0,54 мм, кинетическую энергию Ес=652 МПа и скорость Vс=1143 м/с, которая превышает начальную скорость кольцевого потока V0 в 11,4 раза. Воздействие на разрушаемый материал производили начиная с расстояния В=5 мм от точки схлопывания кольцевой струи. Глубина прорезаемой струей щели L при воздействии на материал (битум, плотность ρ = 1600 кг/м3) составляет 118 мм. Эта глубина достигается за время воздействия t= 1,5-3 с. Дальнейшее увеличение времени воздействия t на разрушаемый материал не представляется необходимым, т.к. струя быстро теряет свои кинематические характеристики с увеличением расстояния до обрабатываемой поверхности за счет выравнивания скорости в ее поперечном сечении.EXAMPLE OF IMPLEMENTATION
The high-speed fluid flow was previously passed through an annular gap formed between the outer surface of the metal insert with an outer diameter at the end face D 1 = 50 mm and an inner surface of the conical nozzle, with an inner diameter at the end face D 2 = 48 mm, having a constant cross-sectional area F = 28 mm 2 , while at the nozzle exit a jet was formed in the form of a hollow cone having a taper angle α = 80 o . The end surface of the nozzle was made perpendicular to the axis of the profile of the outgoing liquid stream, with a taper angle β = 100 o , which made it possible to obtain a more compact stream in thickness at the exit. The thickness of the output annular gap was h = 1 mm. Moreover, at the nozzle exit, the annular fluid flow had a velocity V 0 = 100 m / s. An annular flow at a distance of A = 10 mm from the end surface of the nozzle collapsed with the formation of a high-speed secondary axial jet having a radius R 0 = 0.54 mm, kinetic energy E c = 652 MPa and velocity V c = 1143 m / s, which exceeds the initial the annular flow velocity V 0 is 11.4 times. The impact on the destructible material was performed starting from a distance of B = 5 mm from the collapse point of the annular jet. The depth of the slot cut by the jet L when exposed to the material (bitumen, density ρ = 1600 kg / m 3 ) is 118 mm. This depth is achieved during the exposure time t = 1.5-3 s. A further increase in the exposure time t on the material to be destroyed is not necessary, since the jet quickly loses its kinematic characteristics with increasing distance to the surface being treated due to the equalization of velocity in its cross section.
Преимущество предложенной технологии заключается в увеличении величины ударной силы струи в результате использования наряду с кинетической энергией взаимодействия потока жидкости с разрезаемым материалом кумулятивного эффекта схлопывания струи жидкости. The advantage of the proposed technology is to increase the magnitude of the impact force of the jet as a result of using, along with the kinetic energy, the interaction of the fluid flow with the cut material, the cumulative effect of the collapse of the fluid jet.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000106759A RU2168632C1 (en) | 2000-03-20 | 2000-03-20 | Method of liquid jet formation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000106759A RU2168632C1 (en) | 2000-03-20 | 2000-03-20 | Method of liquid jet formation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2168632C1 true RU2168632C1 (en) | 2001-06-10 |
Family
ID=20232063
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000106759A RU2168632C1 (en) | 2000-03-20 | 2000-03-20 | Method of liquid jet formation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2168632C1 (en) |
-
2000
- 2000-03-20 RU RU2000106759A patent/RU2168632C1/en active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5437578B2 (en) | Method and apparatus for generating a fluid jet for material processing, and fluid nozzle for use in such apparatus | |
| JPH0443712B2 (en) | ||
| CA2035702C (en) | Ultrasonically generated cavitating or interrupted jet | |
| EP2529843B1 (en) | Reverse-flow nozzle for generating cavitating or pulsed jets | |
| US5542486A (en) | Method of and apparatus for single plenum jet cutting | |
| CA1128582A (en) | Cavitation nozzle assembly | |
| CA1231235A (en) | Method and apparatus for forming a high velocity liquid abrasive jet | |
| RU2376193C1 (en) | Method of hydrodynamic underwater cleaning of surfaces and related device | |
| JPH04362124A (en) | Residual stress improvement by water jet peening | |
| JP3343371B2 (en) | Cavitation injection device | |
| KR101946898B1 (en) | Laser processing nozzle | |
| RU2168632C1 (en) | Method of liquid jet formation | |
| JP3301322B2 (en) | Submerged nozzle device for cavitation bubble generation | |
| WO2022170696A1 (en) | Jet nozzle for strengthening surface of limited part of aviation component | |
| WO2023087585A1 (en) | Bottom-supported wind power mounting platform submerged cavitation nozzles and design method therefor | |
| JP2991545B2 (en) | Residual stress improving method, residual stress improving device, and nozzle for water jet peening | |
| CA2010083C (en) | Cutting method and apparatus | |
| JP5996348B2 (en) | Cavitation nozzle | |
| RU2307938C1 (en) | Liquid jet generation method and device | |
| RU196666U1 (en) | UNDERWATER LASER CUTTING NOZZLE | |
| RU2055652C1 (en) | Hydrobarodynamic method of cleaning internal surface of pipelines | |
| JP2000167497A (en) | Water jet nozzle | |
| JPH10113871A (en) | Method and nozzle for improving residual stress of metallic material | |
| CN115814976A (en) | Rust removal equipment and jet nozzle | |
| RU2072454C1 (en) | Liquid-gas ejector |