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“依诺维特”杯机电工程及相关专业研究生学术论文集新型旋转锥形射流的断面形状研究李光荣龚光容李光荣女1978年生博士研究生龚光容南京理工大学机械工程学院江苏省南京市210094电话025-4315613摘要在参考以前的旋转射流获得方式的基础上，采用一种特殊的加旋方式。并通过改变部分参数对所获得的旋转射流的断面形状进行初步的研究和探索。介绍通过一种特制的加旋件——螺旋装置来形成新型的旋转射流，在理论上分析这种旋转射流在喷嘴前后的受力情况，建立混合流体在螺旋通道里的柱坐标方程；通过实验考察工作参数，如工作压力、喷嘴直径、喷头的圆锥收缩角等对旋转射流断面形状的影响，以及加旋件结构参数如加旋件的头数、加旋件的中心孔大小、加旋件的螺距等对旋转射流断面形状的影响；得出在该实验条件下这些参数的较佳范围。为对旋转射流进行研究提供一些依据；为推广应用奠定基础。关键词旋转锥形射流磨料射流加旋件螺旋装置中国图书分类法分类号TDTransversalProfileResearchoftheNewSpiralandConicalAbrasiveWaterJetLiGuangrongGongGuangrongLiGuangrongfemalebornin1978DoctoralstudentGongGuangrongSchoolofMechanicalEngineering，NanjingUniversityofScienceandTechnologyNanjingJiangsu210094Tel025-4315613AbstractThepaperusedaspecialmethodofrotatingbasedonthepreviousmethods,andperformedtheprimaryresearchandexplorationoftransversalprofileofthewaterjetbyalteringsomeparameters.Atfirst,anewspiralandconicalabrasivewaterjethavebeenmadethroughspeciallyspiralobject——spireequipment.Thenpressureanalysisoffluidhasmainlybeengivenbeforeandafterthenozzleaccordingtothetheory.Thereisthepillarcoordinate-equationoffluidinthepartthree.Anddifferenttransversalprofileofthiswaterjetcouldbeachievedbyalteringthestructureoftheobjectinthelargeamountsexperiments.Someparametershavebeen-1-“依诺维特”杯机电工程及相关专业研究生学术论文集examinedtotheexperimentaleffectofdrillingatthesametime,whichincludesworkparameterssuchasworkingpressure、nozzlediameter、conicalangleandstructureparameterssuchasthenumberofspiralobject、thesizeofhole、whorldistance.Therangesoftheseparametershavebeenfoundintheseexperiments.Allhavebeenprovidedforthefurtherresearchofthespirewaterjetandforthefar-rangingapplicationsofthiswaterjet.Keywordsspiralandconicalabrasivewaterjetabrasivejetrotatingobjectspireequipment1引言当今，高压水射流技术已广泛应用于清洗、除锈、切割、钻孔、破碎等场合，成为一项令人十分关注的通用工艺。为满足市场和企业的要求，随着实验研究的深入，产生了磨料射流和旋转射流。磨料射流（AbrasiveJet）是在水射流束中引入了磨料颗粒而形成的射流。根据磨料的引入方式磨料射流可分为前混合式、后混合式及外混合式磨料射流等。前混合式磨料射流是将磨料先与从高压泵泵出的水在高压输水管路中混合均匀，形成磨料与水相混合的固液两相流，再经喷嘴喷出。旋转射流的产生方法通常有两种，一种是采用具有回转接头的偏心安装或与中轴线成一角度的单股或多股射流的喷嘴。第二种是采用喷嘴不旋转的方式，可在喷嘴上游采取一定的措施让水流喷出后扩散成大尺寸的旋转射流以钻大直径的孔。旋转射流是指在喷嘴不旋转的条件下产生的射流具有三维速度的、射流质点沿螺旋线轨迹运动而形成的扩散式射流。前人曾经所用的加旋方式有以下四种：(1)采用切向注入法通过改变切向注入与轴向注入喷嘴内流体的比例来调节旋转射流的强度；即液体以喷头的切线方向进入喷头内，从而产生旋转运动；由于喷嘴内流体迅速掺混，出口紊动度较高，容易形成较强的雾化和扩散。(2)采用固定导叶加旋法该方式使用导向件（螺旋导叶）导引流体改变流动方向，使流入时的纯轴向流动变为具有一定切向速度的三维流动。(3)采用管内导流法在喷管内装斜叶导流，液体以一定的速度流经斜叶时，就可产生旋转运动；此法调节旋度和结构参数不太方便，出口紊动度也较高；对实验研究甚为不便。(4)采用机械旋转法，即通过机械的方式使得射流旋转，一般用于实验；用旋转长管可以产生弱旋流动，用内旋转盘则可产生强旋流动；这种方式需要密封，而且增加部件使结构复杂。2实验装置系统普通的前混合磨料射流喷头一般由圆管进液段、圆锥收缩段、及喷嘴等组成。本实验中所采取的加旋方式是：通过在普通的前混合磨料射流喷头的圆锥收缩段前端（即直管进液段）加上一特制的螺旋装置，即增加流槽加旋段而形成，使得流体从高压胶管中经管接头进入喷头的圆管进液段，之后受到加旋件的阻挡被迫进入流槽内和中心孔内，从而形成螺旋运动，再经圆锥收缩段和喷嘴喷出。此时从喷嘴喷出的射流能形成中心几乎成中空的扩散喇叭状，使大部分能量集中在所形成的圆锥状周边上，这就是所谓旋转锥形射流。若在水中加入磨料-2-“依诺维特”杯机电工程及相关专业研究生学术论文集就可获得旋转锥形磨料射流。这种特制的加旋件是在螺旋槽式加旋件上钻一中心孔，如图1所示。从理论上分析，流体除了在螺道里流动外还通过中心小孔喷出，很有可能会形成非环形的射流断面，这种射流断面对钻孔非常有利。这种产生旋转射流的方式不同于其他各种方式，因为它不需要组成该实验装置的某些或某个机械部件进行机械式的旋转，而是直接通过旋流部件获得旋转的射流。本实验采用的是前混合磨料射流系统，因为在同等条件下，它比后混合磨料系统所需的压力要低得多，该系统由高压水射流发生装置、磨料供给装置、管路、喷头等组成。磨料为天然金刚砂，磨料重量比浓度经测得是30%。实验台主要由工作仓、试件固定装置、喷头固定装置、传动机构、控制机构等组成，试件置于封闭式工作仓内的试块固定装置上，根据喷嘴的位置可调整试块在固定装置上的位置，使之中心对准喷嘴；固定于喷头固定装置上的喷头尾部接磨料供给装置，通过直流电动机的转动可驱动螺旋传动机构从而带动喷头作轴线运动。3喷嘴前后流体的受力分析3.1加旋段内流体的受力分析在加旋段内流体所受的力有：惯性离心力P、流体动压力F和重力Q、摩擦力T，其中前两个力对流体起主要作用。如果加旋件具有中心孔，且中心孔直径较大（如3—4毫米或更大）时，则当流体刚进到加旋段的顶端时，流体所受的力有：流体动压力F、重力Q、摩擦力T1、加旋件的阻力T2、螺旋通道前后的压力差△P2、中心孔前后的压力差△P1；对于流体，除了△P1、△P2以外，其它受力都是一样的，因为此时中心孔较大，△P1、△P2所造成力的值相差不多，方向是垂直于流体表面而指向流体前进的反方向，但其值的大小仍然是△P1＞△P2，所以其中大部分流体在△P2所引起的力等各综合作用力下而进入加旋件的螺旋通道里作螺旋流运动，有一小部分流体在△P1所引起的力等各综合作用力下而从中心孔射出；当流体进入正常的流动状态时，在螺旋通道里的流体所受的力有：惯性离心力P、、流体动压力F和重力Q、摩擦力T，在中心孔中的流体所受的力有：流体动压力F和重力Q、摩擦力T，其中流体动压力F起主要作用。对于中心孔直径较小（如2毫米或更小）的加旋件，由于内外的压力差△P1≥△P2，其它综合作用力克服△P2所引起的力容易些，也就是说使得流体从小孔中射出的力比促使液体进入螺旋通道的总力（使得流体作旋转运动的力）小的多，所以流体在流体动压力等各综合作用力下几乎全部进入螺旋通道而未从小孔中流出，成扩散状的圆锥形射出。3.2喷出喷嘴后流体的受力分析流体在离开喷嘴后很短的时间内，由于惯性继续作螺旋流运动，而实验证明螺旋水流的紊流度比直线水流的紊流度要小，流体质点的轨迹为一空间螺旋线；因整个流体受到重力、惯性离心力的作用，所以流体将在离心力的作用下作扩散运动，同时流体在不断前进，故从外观上看就形成了独特的喇叭形状；而磨料颗粒则主要在流体动压力的作用下，同时还受到重力Q和惯性离心力P的作用，也在前进中形成一定的扩散；但随着时间的延长，流体作螺旋运动的圆半径逐渐增大，同时射流将本身的动量传给周围的气体，则离心力将逐渐变小，流体速度也渐渐的减小，相应的流体能量也慢慢地减少。因为从整体上看，流体在螺旋通道里作螺旋流运动，对于某一个流体的质点来说，按照图2建立的坐标系，则流体运动的轨迹近似于一螺旋线，柱坐标方程为：-3-“依诺维特”杯机电工程及相关专业研究生学术论文集θcosrx=，θsinrz=，θπ2Hy=或αθtgry=其中r---为加旋件的半径；πθ20≤≤；α---为加旋件的升角20πα≤≤4各参数对射流断面形状的影响4.1工作压力对射流断面形状的影响实验条件：加旋件的头数为两头、三头，螺距为8mm，喷嘴直径1.7mm，圆锥收缩角30°，工作压力为4MPa、7MPa、13Mpa，工作靶距80mm，打击时间7秒，试验结果表明：随着工作压力p升高，在其它相同条件下，所得圆或圆环的外径D变大，而内径d受其影响较小，但也是上升趋势，其中加旋件中心有孔的效果为基本上个圆，中间有一很小的孔未打；加旋件中心无孔的效果为一标准圆环，即形状不变，但断面大小相应增大，即圆或圆环的直径增大。4.2喷嘴直径对射流断面形状的影响实验条件：加旋件的头数分别为两头、三头，螺距为8mm，喷嘴直径分别为1.7mm、2.0mm、2.3mm，圆锥收缩角为30°，工作压力8Mpa，工作靶距为80mm，打击时间7秒，试验结果表明：随着喷嘴直径增大，打击出断面形状（即圆环）不变，但圆环的大小相应增加，外径D的增加趋势较内径d的增加趋势陡一些，对于两头加旋件增加的幅度比三头加旋件的要大。4.3圆锥收缩角β对射流断面形状的影响实验条件：加旋件的头数为两头、三头，螺距8mm，喷嘴直径1.7mm，圆锥收缩角分别为20°、30°，工作压力13Mpa，工作靶距80mm，打击时间7秒，试验结果表明：(由于实验条件限制，只进行了两种锥角的实验)随着收缩角β的增大，则在一定断面上射流打击出的圆或圆环的直径会相应增大，且外径的增大程度比内径的要大，而内径几乎不受锥角变化的影响；但并不是圆锥收缩角β可以无限地增大，它的范围为0°＜β＜90°。4.4加旋件结构对射流断面形状的影响4.4.1加旋件头数对射流断面形状的影响实验条件：加旋件的头数分别为1t、2t、3t，螺距为8mm，喷嘴直径为2.0mm，圆锥收缩角为30°，工作压力为8Mpa，工作靶距为80mm，打击时间为7秒，试验结果表明：单头的加旋件打击出的断面形状为大半圆环，而两头、三头的加旋件则为一圆环或圆，头数对圆环的外径和内径影响较大，相同螺距不同头数的条件下得到的