QK-脉冲射流技术的原理及其应力特性研究

收稿日期:2005-01-21

作者简介:刘小健(1965-),女,山东省济南市人,山东轻工业学院副教授,硕士,从事磨料射流技术及其机理研究。脉冲射流技术的原理及其应力特性研究

刘小健

(山东轻工业学院机械工程学院,山东济南　250100)摘要:本文概括介绍了几种脉冲射流技术的原理,探讨了各自的优势与不足,归纳了脉冲射流打击靶体

的规律,并分析总结了脉冲射流的应力特点。

关键词:脉冲;射流;原理

中图分类号:TH12 文献标识码:A 文章编号:1004-4280(2005)02-0005-05

1　水炮主要类型

19世纪中叶,在北美洲第一次使用了高压水射流开采非固结的矿床。本世纪50年代初,苏联和中国的水利采煤就是利用水射流的冲击和输送作用。随着水利采煤技术的推广,人们开始对高压水射流技术产生了浓厚的兴趣。进入60年代,大批高压柱塞泵和增压器的问世,大大推动了高压水射流的研究工作。到70年代末,水射流技术出现了高频冲击射流、共振射流和磨料射流,这些射流的水压并不算太高,但它们的威力却大大高于同样压力下的普通连续水射流。高频冲击射流共振射流及后来发展起来的自振射流均属脉冲水射流,其独特的优势越来越引起研究者的重视,并逐步走向成熟。

水流体系一旦受到外力作用中就会产生水力冲击———水锤。一般认为,水锤作用是有危害、具有破坏性的因素。例如封闭管路中的水锤作用可能使管路破裂或阀门损坏,因此在水流体系中应尽力避免水锤作用。然而,脉冲水射流却恰恰要利用水力冲击———水锤作用产生的巨大瞬态能量,来达到切割或破碎材料等目的。

脉冲射流发生的原理是通过一定的装置将动力源提供的能量储存起来,间断地传递给水,使水获得巨大的能量经过喷嘴射出,形成类似于炮弹的脉冲射流。由于是间断发射的,因此脉图1　纯挤压式水炮结构原理图冲射流发生装置又被称作水炮。水炮主要有

三种类型纯挤压式、冲击挤压式和冲击聚能

式。

1.1　纯挤压式水炮

图1是纯挤压式水炮的工作原理图。它

的压力的形成是通过一个用液压油驱动的单

级单作用或两级双作用的增压器。油压驱动

第19卷第2期

2005年6月山　东　轻　工　业　学　院　学　报JOURNA L OF SHANDONG INSTIT UTE OF LIGHT INDUSTRY Vol.19No.2Jun.2005

活塞作往复运动,使活寒的小端挤压高压缸中的水,水从喷嘴中喷出形成射流。该脉冲射流的几何结构是细长,实质上是一种间断发射的连续射流。

图2　冲击挤压式水炮结构原理图1.2　冲击挤压式水炮

图2是冲击挤压式水炮的工作

原理图。在图中大活塞的右侧腔室

内存储有氮气,活寒左侧周期性地

以正常流速供给压力水,压缩右侧

的氮气。当氮气达到规定的压力

后,左侧快速排水,降低其压力。同

时,右侧压缩的氮气膨胀,推动活塞

组件高速运动,小活塞缸体里处于

静止状态的水受到活塞的初始冲击级挤压作用,经喷嘴射出形成脉冲射流

。

1.3　冲击聚能式水炮

图3是冲击聚能式水炮的工作原理图。与冲击挤压式水炮相比,水炮的发射机构基本相同,不同之处在于喷嘴的结构。冲击聚能式喷嘴采用的是聚能喷嘴,而冲击挤压式水炮使用的是普通收敛型喷嘴。普通收敛型的喷嘴对压力波的能量传输效率较低,能量耗散较大。而聚能喷嘴内部特有的几何结构则能降低能量耗散,在喷嘴内形成激波,有聚能的效果,从而使射流的峰值压力激最大打击力显著提高,而有效冲击时间大大减少。

图3　冲击聚能式水炮结构原理图

2　脉冲水射流的工作原理及其规律

如前所述,在上述脉冲射流中,当对水介质进行冲击压缩时,会产生水锤现象。水锤现象产生的主要原因是水具有惯性和可压缩性。由动量定理可知,流体速度或动量的降低必然引起压力升高,此压力增量即谓水锤压力P H ,是一种压力阶跃,它以声速a 在液体介质内传播。

对于脉冲水射流打击靶体这类开放的水力冲击体系,水锤压力在射流冲击靶面时才出现,其计算公式为:

P H =ρau

1+(ρa /ρs a s )

其中:u 为射流速度,ρ为液体密度,a 为水中声速,ρs 为靶材密度,a s 为靶材中声音传播速度。

6山　东　轻　工　业　学　院　学　报 第19卷

事实上,在脉冲水射流打击靶体的开放水力冲击体系中,脉冲峰值压力与水锤波的传播和发展密切相关。当液柱的平端面与靶体表面接触时,它处于一种封闭的压缩态。只有当释压图4　水锤压力波随时间的变化曲线波向内传播到接触区的中心点的瞬间,液体内部压

力释放并开始出现液体的径向流动,于是,液体对靶

体的加载压力降低为通常的滞止压力。这个过程中

水锤压力波随时间的变化曲线如图4所示。由图4可见,脉冲峰值压力pH 大大高出其后续

的滞止压力p 。例如,若冲击速度u =300m/s ,水中

音速a =1500m/s ,水密度ρ=1000kg/m 2,水柱半径

R =1mm ,则水锤压力峰值为450MPa ,而后续滞止

压力仅为45MPa ,比前者低了一个数量级,显然,峰

值水锤压力是个可利用的巨大能量,这也充分显示了脉冲击射流的潜在优势。

另一方面,在脉冲射流的几何结构中存在先锋部分。由于压力波向前传递的原因,先锋部分的速度在离开喷嘴的一段距离内速度时增加的,因此,脉冲射流对靶体的打击力也与距离有关。试验证明,随着与靶体距离的增大,打击力一时间曲线将越高越尖。最大打击力在靶距

1.5m ～2m 之间得到。

3　调制式脉冲射流

前面介绍的脉冲射流的发生机构(水炮结构)过于复杂,实际应用范围受到一定限制。为此,英国研究学者A.Lichitatuwitz 又设计出新型的脉冲射流发生方法:使用特制的机构将连续水射流进行间断,即机械式截断方法。其存在的主要缺点是:间断器的磨损和截断时的高频噪音。还有学者利用间断发射的激光将射流中的部分流体介质气化,从而形成水流间断,形成脉冲射流。

上述截断式的脉冲射流有着很大的一个缺陷,即浪费了相当一部分高压水,即浪费了很多的能量,效率太低。由此,调制式脉冲射流相继问世。

所谓调制,是指在高压水从喷嘴喷出之前,使其压力或流量产生较小的波动,这样形成的射流尽管是连续的,但流体质点的速度却存在差异,而射流在喷射过程中,速度快的质点会赶上速度慢的质点,从而使射流间断,最终分离成离散脉冲,这种射流称为高频冲击射流或调制冲击射流。

3.1　调制射流出口速度常用的方法

3.1.1　管系共振法

流体管路是一个弹性系统,具有确定的自然共振频率。当外界周期性激励的频率与管路的自然频率相等时,那么外界激励在沿管路传播时放大。这在通常情况下总是要力求避免,但调制射流却要利用这一点产生管系共振射流。但管系共振法有其自身的缺点,第一,设计的管路一般都较长,实际应用有困难;第二,在管系共振过程中,需要一个外激励源,而这个外激励源需由一个凸轮振荡器实现,该振荡器需做往复运动,这就使得提高射流喷射频率和压力变得相当困难。这两个缺点的存在,影响了共振射流的应用。

3.1.2　自激振荡法

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第2期刘小健:脉冲射流技术的原理及其应力特性研究