3. 1 水射流压力的作用
压力和流量对射流打击力的作用各占多大权重 或比例 ,从以下解析中便可知晓 。 我们利用喷嘴出口动压力 pd 公式
pd =
2 ρ s vs 2
( 16)
式 ( 16) 中 pd — — — 射流在喷嘴出口处动压力 ,N/
m2 。
人们通常把水射流压力理解为清洗机或者水泵 铭牌上的额定压力 ,这是模糊的 , 也是不正确的 。实 际上铭牌上的压力是静压力 , 由压力表可以直接读 出 。而水射流的压力是动压力 , 不可测量 。其静压 力为零 ,即静压力已完全转化为水射流的动压力或 速度能 。喷嘴出口射流速度简要用式 ( 15) 计算 :
2. 4 实际射流打击力的计算
将式 ( 13 ) 代入式 ( 12 ) , 最后可得到实际应用的 射流打击力
Fs =
2 ρ Qs s・ α ・ Az
在计算实际射流打击力时候 , 须考虑射流从喷 嘴喷出时 ,由于喷嘴孔形突然变窄变尖 , 而使射流实
( 14)
第 22 卷
陈玉凡 1 高压水射流打击效率理论分析
Fs = ρ V s Qs
( 7) ( 8)
( 12)
式 ( 12) 中射流流量 Q s 可以用流量计或其它简
3 便方法获得 , 水的密度 ρ s 为 1 000 kg/ m , 只是射流
速度 V s 需要借助连续性条件由式 ( 13) 算出 :
Vs = Qs Qs = As α Az
( 13)
ρ — — 水的密度 ,kg/ m2 。 s —
收稿日期 : 2006 - 04 - 11 作者简介 : 陈玉凡 (1933 - ) , 男 , 辽宁省人 , 教授 , 从事高压水射流研究工作 。
图1 高压水射流结构组成图
1. 原始段 ; 2. 基本段 ; 3. 发散段
流阶段称为原始段 , 亦称核心段 。这段射流的特点 是其沿轴向的动压力值几乎是常数 , 射流尖端的动 压和喷嘴出口的动压是相同的 。另一特点是质地非 常密实 ,质点几乎不和空气相混合 , 因而也不存在雾 化水滴 。射流力的计算符合动量方程规律 。原始段
式 ( 10) 中 V s — — — 射流实际速度 ,m/ s ;
VL — — — 射流理论流速 ,m/ s 。
( 5)
如果将式 ( 9) 与式 ( 10) 合并起来 ,就可得到射流 流量 Qs 的公式
Q s = A s・ V s = A sλ VL
将 mv 用 I 代替 ,式 ( 5) 或改写为 : 6 F- 6 I =0
自由射流即指射流在自由状态下从喷嘴孔口向 低于出口压力方向自由流动的射流。自由流动包括 在空气中流动 ,也包括在介质水中流动 , 两者计算原 理一样 。射流流束的状态参数如压力 、 流量 、 流速不 随时间变化而变化 。同时认为射流流动符合连续性 原则 。因此 ,可用连续性动量方程来计算 。
2. 2 连续性动量方程
A s =α Az
( 9)
2 高压水射流的打击力
高压水射流的打击力即指其对清洗垢物的打击 能力 ,主要由射流的压力 、 流量和高压水的密度决 定 。计算打击力之前 ,先了解射流的基本条件 。
2. 1 自由射流
式 ( 9) 中 A s — — — 射流出口断面积 ,m2 ;
Az — — — 喷嘴出口截面 ,m ;
2. 3 打击力的分析 ( 6)
λ A z VL = μ QL =α
( 11)
如果我们将射流打击力用 Fs 来表示 ,则其值可 作如下表示 : ρ Fs = I = mv = Q sv 或 式 ( 7) 和式 ( 8) 中
Fs 、 I— — — 射流打击力 ,kN ; m— — — 液流质量流量 ,kg/ s ; v— — — 喷嘴出口处射流速度 ,m/ s ; Q— — — 液流容积流量 ,m / s ; Az — — — 喷嘴出口处截面积 ,m ;
2 3 2 Fs = ρ s Az v
式 ( 11) 中 QL — — — 理论流量 ,m3 / s ,即实际射流流 量由式 ( 11) 计算 。 λ为流量系数 ,查表 1 。 式 ( 11) 中质量分数 μ =α 为了获得射流实际打击力 , 将式 ( 11 ) 中 Q s 代 替 Q 代入式 ( 7) ,可得
喷嘴孔径是计算和选择喷射枪具的主要参数 , 决定于压力和流量 ,可用式 ( 4) 计算 :
dz = Q η β pn
( 4)
式 ( 4) 中 , dz — — — 喷嘴孔径 ,mm ;
Q— — — 流量 ,L/ min ; p— — — 压力 ,kg/ cm ;
2
1 高压水射流的主参数
所谓高压水射流的主参数是指决定清洗机打击 效果的优劣 、 清洗效率的大小 、 整机机型以及设备价
2
α— — — 收缩系数 ,值可以从表 1 中查出 。 表1 喷嘴形状系数表
喷嘴孔口形式 尖棱过渡直线 段很短的孔口 入口尖棱的圆 柱形孔口 圆锥形孔口 α
0. 60～0. 64 1 0. 8～1. 0
λ
0. 97 0. 82 0. 95～0. 97
μ
0. 60～0. 62 0. 82 0. 97～1. 0
( 2)
主参数功率 N 决定水射流系统中高压水泵 、 高 压胶管和控制阀组等水力装置的选择 , 同时也决定 了所用原动机 — — — 电动机或柴油机的大小和选型 , 最终决定了该清洗机系统价格的高低 。
1. 3 喷嘴孔径
式 ( 2) 中 , L j — — — 基本段射流长度 ,mm ;
dz — — — 喷嘴孔径 ,mm
3. 3 压力和流量对射流打击力影响的权重
3 高压水射流主参数对射流打击力的
影响权重
高压水射流主参数中最重要和最基本的是压力 和流量 ,它们决定射流打击力的大小 , 决定清洗生产 率的高低 ,决定着设备的制造成本 。 在清洗行业 , 部分清洗机用户在购置清洗机的 时候 ,不知道如何正确选用压力和流量两个基本参 数 ,甚至产生压力越高清洗效率越大的误解 。在此 , 对两个参数的作用加以解析 。
・3 5 ・
α值可从喷嘴形状系数表 1 中查出 。如果喷嘴 有多个嘴孔 , 需将总流量 Q s 平均分配到每一个嘴 孔 ,算出每一个嘴孔射流打击力 , 其总和即为整体喷 嘴或喷头的打击力 。
15 MPa 超高压清洗机 。 3. 2 水射流流量的作用
在射流动压力足以破坏垢物强度基础上 , 管道 清洗效率的提高主要靠射流流量 。从式 ( 14) 可以看 出 ,射流打击力 Fs 与射流流量 Q s 的平方成正比 。 故清洗排污管道和上下水管道应该使用低压力和大 流量 ( 75～150 L/ min) 清洗机 。
另外 ,因射流的截面积在出口处的变窄 , 使液流 在喷嘴内部的流动摩擦系数增加 , 故使射流在喷嘴 出口处的流速下降 ,还要考虑一速度损失系数 λ:
V s =λ VL
( 10)
因为射流的连续性 , 必符合动力方程的平衡条 件 ,冲量与动量相等 。可用下式表示其平衡条件 :
Fd t = d ( mv)
L j = ( 90～600) dz
射流功率是由压力和流量两个基本参数决定 的 ,其计算公式简化为 :
N=
1000η
pQ
× 2
( 3)
式 ( 3) 中 , p — — — 水泵额定压力 ,kg/ cm2 ;
Q— — — 水泵额定流量 ,L/ min ;
η— — — 系统系数。由使用经验和系统结 构决定 ,一般在 0. 85～0. 95之间。
1. 2 射流功率
这段射流的速度和压力都很大 , 但由于它们的 长度和断面积都不大 ,故主要用在物料的切割上 , 也 用在热交换器和锅炉列管中坚硬结垢物的清洗中 , 超过 100 mm 直径的大管道清洗基本不用此段射流 。 基本段 : 图 1 中 2 所示的一段射流称为基本段 射流 。此段射流亦称密实段射流 。其特点是在此段 空气开始与水射流相混合 , 因此空穴和涡流也开始 形成 。随着密实段的延长 , 射流速度和动压都逐步 减小 。应当指出 ,此段开始时 , 由于空穴气泡的爆裂 作用 ,出现了动压的短暂局部增长现象 。只是随着 此段距离的加长 , 有效打击力才又渐渐降下去 。由 于基本段总长度比原始段大得多 , 故它是管道清洗 的主要射流段 。 基本段与喷嘴孔径的长度关系如式 ( 2) 所示 :
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陈玉凡 1 高压水射流打击效率理论分析
・3 3 ・
的长度可以通过喷嘴直径来计算 , 随着喷嘴孔径的 增加 ,此核心段的长度也增加 。即
L y = ( 70～140) dz
格高低的几个主要参数 , 即压力 p 、 流量 Q 、 射流功 率 N 和喷嘴孔径 d 等 。
Байду номын сангаас
( 1)
1. 1 压力和流量
The oretical analysis of beat efficiency of high pressure water - jet
CHEN Yuf an
(Beijing Hengbitong Water - jet Cleaning Technology Co. , Ltd. , Beijing 100029) Abstract : In order to make choice of high pressure water — jet cleaner ,the effect of the main parameters ,pres2 sure and flow rate of high pressure water - jet cleaner on the cleaning efficiency was theoretically analysed. Key words : high pressure water - jet ; beat power ; main parameter ; pressure ; flow rate