（机械设计及理论专业论文）旋转磨料射流喷嘴磨损机理与钻孔试验研究.pdf

摘要 摘要 本论文从喷嘴磨损机理和钻孔效果两大部分对旋转磨料射流进行了探索性的 研究。 通过理论分析，提出在旋转磨料射流喷嘴的磨损中起决定作用的是磨粒磨损 和冲蚀磨损。其中磨粒磨损是喷嘴内壁磨损的主要形式，而冲蚀磨损则在喷嘴入 口端面的磨损中起主要作用，并分别对两种磨损机制进行了探讨。运用有限元法 分析喷嘴的应力状态。结果表明：喷嘴应力最大值出现在锥段结束直段开始处， 锥段应力较小且呈递增趋势，直段平均应力大于锥段，另外，入口端面的应力也 较大。对比了旋转磨料射流喷嘴和普通磨料射流喷嘴的应力情况，结果表明：前 者的最大应力远大于后者，这可以很好地解释旋转磨料射流喷嘴比普通射流喷嘴 磨损严重的现象。 研究各种参数对喷嘴磨损的影响规律，这些参数分别为：磨料的特性( 磨粒 形状、磨粒粒径、磨粒硬度、磨粒浓度) 、喷嘴材质的性能与表面质量( 喷嘴材 料硬度、磨粒硬度日。和喷嘴材料硬度日比、喷嘴j q - 质量) 、喷嘴的结构参数 ( 入口收缩角、喷嘴孔径) 、射流工作参数( 射流工作压力、射流流量) 等。结果 表明：参数的改变，不仅使射流结构带来质的变化，而且会给喷嘴的磨损率带来 显著影响。 为分析旋转磨料射流的钻孔性能，根据其结构特性，进行了一系列实验。考 察了工作压力、靶距、喷嘴孔径、加旋件头数、加旋件螺矩、及加旋件中心孔对 钻孔效果的影响。结果表明：旋转磨料射流的断面为环形，孔的形状近似为圆柱 形且中间带一内锥，工作和结构参数的变化，将使圆环和孔的形状及半径发生规 律性变化，此试验结果与理论分析一致。 m 3 9 】表 1 0 】参 5 3 】 关键词：旋转磨料射流，喷嘴，磨损机理，钻孔 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea r t i c l ee x p l o r e ss w k l i n ga b r a s i v ew a t e rj e tf r o ma n g l e so fn o z z l ew e a r m e c h a n i s ma n dd r i l l i n g b y t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h a tt h ed e c i s i v ef a c t o r si nt h ew e a ro f s w i r l i n ga b r a s i v ew a t e r j e t n o z z l ea r ea b r a s i v ew e a ra n de r o s i o nw c a r a b r a s i v ew e a l i s t h em a i nr e a s o nf o rt h ew e a ro fn o z z l ei n n e rw a l l ，w h i l ee r o s i o nw e a rp l a y st h ek e y r o l ei nt h ew e a ro f n o z z l ee n t r a n c e t h e s et w ow e a rm e c h a n i s m sa r es t u d i e di nd e t a i li n t h i sp a p e rb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st os i m u l a t et h es t r e s ss t a t eo f t h en o z z l e t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h em a x i m u ms t r e s sl i e si nt h ep l a c ew h e r et h e c o n es e c tm e e t st h es t r a i g h ts e c t , s t r e s si nt h ec o n es e c ti sr e l a t i v e l ys m a l la n dg r o w s g r a d u a l l y , t h ea v e r a g es t r e s si nt h es t r a i g h ts e c ti sl a r g e rt h a nt h a to ft h ec o n es e c t , a n d t h es t r e s sa tt h ee n t r a n c ei sq u i t eb i g c o m p a r i s o nb e t w e e nt h es t r e s so fs w i r l i n ga n d c o n l l n o nj e tn o z z l et e l l st h a tt h ef o r m e rm a x i m u ms t r e s si sf a rl a r g e rt h a tt h el a t t e r i t c a r le x p l a i nt h a tt h ew e a ro f s w i r l i n g j e tn o z z l ei sm o r es e v e r et h a nc o m m o n j e tn o z z l e t h ew a yh o wv a r i o u sp a r a m e t e r se f f e c tt h ew e a ro f t h en o z z l ei sc a r e f u l l ys t u d i e d i nt h ea r t i c l e t h e s ep a r a m e t e r si n c l u d e a b r a s i v ep a r t i c l ec h a r a c t e r i s t i c s ( a b r a s i v e p a r t i c l es h a p e ，a b r a s i v ep a r t i c l ed i a m e t e r , a b r a s i v ep a r t i c l eh a r d n e s s ，a b r a s i v ep a r t i c l e c o n c e n t r a t i o n ) ，m a t e r i a lh a r d n e s sa n dq u a l i t yo f n o z z l e ( n o z z l em a t e r i a lh a r d n e s s ，r a t i o o f p a r t i c l e h a r d n e s st on o z z l eh a r d n e s s ，n o z z l e q u a l i t y ) ，n o z z l e s t r u c t u r a l s h a p e s ( e n t r a n c ea n g l e ，n o z z l eh o l ed i a m e t e r ) ，w o r k i n gp a r a m e t e r s ( p r e s s u r ea n df l o w r a t e ) ，e t c t h er e s u l ti n d i c a t e st h ec h a n g eo ft h e s ep a r a m e t e r sc a r ln o to n l ym a k ej e t s t r u c t u r ec h a n g e , b u ta l s oe f f e c tt h ew e a rr a t eo f t h en o z z l e i no r d e rt oa n a l y z ed r i l l i n gp e r f o r m a n c e ，as e r i e so fe x p e r i m e n ta r ec a r r i e do u tt o s t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e r s f o re x a m p l e , p r e s s u r e ，d i s t a n c e ，n o z z l eh o l e d i a m e t e r , l i n e - n u m b e ro fs w i r l i n go b j e c t , s c r e w p i t c ho fs w i r l i n go b j e c ta n dc e n t r a l h o l eo f s w i r l i n go b j e c t t h er e s u l ts h o w st h a tt h es e c t i o no f s w i r l i n ga b r a s i v ew a t e rj e t n o z z l ei sl o o p ，t h es h a p eo f t h ea p e r t u r ei sr o u 曲l yc o l u m nt h em i d d l eo f w h i c hh a sa l l i n n e rc o n e a n dt h es h a p ea n dt h er a d i u so ft h el o o pa n da p e r t u r ev a r i e sw i mt h e w o r k i n ga n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r s t h i sr e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s f i g u r e 3 9 】t a b l e 【1 0 r e f e r e n c e 5 3 】 k e y w o r d s ：s w i r l i n ga b r a s i v ew a t e r j e t , n o z z l e ，w e a rm e c h a n i s m ，d r i l l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意 学位论文作者签名：隘砬日期：俎年j 月三b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀垄三太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞筮堡王太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：翟氨向签字日期：劢d 7 年钥夕日 导师签名：；侈金也签亨吼节占月罗日 1 绪论 i 绪论 水射流技术是近代发展起来的- - f - j 新技术，其应用日益广泛。目前已在煤炭、 石油、航空、建筑、交通、化工、机械、建材、市政工程、水利及轻工业等部门 应用，主要用来对物料进行切割、破碎和清洗。尤其近年来，随着高、新科技的 迅速发展，激光束、电子束、等离子体和水射流，已成为新型的切割工具。其中 激光束、电子束和等离子体属于热切割加工而水射流是唯一一种冷切割加工手 段。在对许多材料的切割、破碎及表面预加工中，水射流有其独特的优越性。 1 1 水射流技术概述 人们虽用滴水穿石形容持之以恒必有所得，但滴水的确可以穿石。中国古代 已发现了液滴凭借自由落体运动赋予的质量打击力来击穿岩石这一漫长的现象。 随着科技的发展，人们给液滴赋予了比自由落体运动大得多的打击能量，使持之 以恒才能观察的滴水穿石现象在瞬间便可以完成，这就是水射流。 水射流是由喷嘴喷出，形成不同形状的高速水流束，射流的流速取决于喷嘴 出口截面前后的压力降最早人们只利用水射流做一些破碎的粗加工，如成功地 利用水射流进行采煤。1 9 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5 0 年代初，苏联和我国的水力采煤就是利用水射流的冲击和输 送作用。随着水力采煤技术的推广，人们意识到只有提高水射流的工作压力才能 使其广泛应用于大工业部分1 3 2 1 7 0 年代，高压水清洗和超高压水切割在同步发展。8 0 年代，高压清洗己日趋 完善，普及应用。自1 9 7 2 年在美国i n g e r s o l l - - r a n d 公司的m ec a r t n e y m a n u f a c t u r i n g 公司诞生了第一台4 0 0 m p a 的水切割机，继之美国f l o wi n d u s t r i e s 公司的水切割机( 3 5 0 m p a 、3 5 l m i n ) i 可世，超高压水射流切割工艺一直是水射流 行业研究、追踪的热点。经过多年的发展，高压水射流( w a t e rj e t ) 切割技术和 设备有了长足进步，其应用遍及工业生产和人们生活各个方面，例如清洗、除锈、 破碎、切割、钻孔、降尘等领域。另外，为了改善高压水射流技术对物料的切割 效果，各国研究人员进行了大量的研究，相继出现了脉冲射流、空化射流、摆振 射流、共振射流、聚能射流和磨料射流等新的射流技术，尤以磨料射流技术发展 最为迅速【lj 。 安徽理工大学硕士论文 1 2 磨料射流技术概述 磨料射流是磨料和高速流动的水相互混合而形成的液固两相介质射流，具有 许多独特的优点，由于磨料射流技术是以高压水射流为载体，将磨料粒子与水射 流混合加速后实现对物料的作用，因此它对物料的冲击力和磨削力要比高压纯水 射流大得多，在同等工作条件下，系统需要的工作压力也远远小于纯水射流的压 力。磨料射流按水与磨料的混合方式可分为后混合式磨料射流和前混合式磨料射 流两种类型。 后混合式磨料射流系统原理如图1 所示： 高 图1后混合式磨料射流系统原理图 f i g 1 t h ep r i n c i p l eo f m b d n gb e h i n ds t y l ea b r a s i v ew a t e r j e t 高压水从喷嘴喷出，其轴向速度很高，靠抽吸作用吸入的磨料很难进入射流 的中心部分，射流能量的利用率很低，磨料得不到很好的加速，且与水的混合效 果较差，这种磨料射流的使用压力很高，射流的能量未得到充分的发挥。例如在 切割金属时仍需2 0 0 m p a 以上的压力，这就限制了其应用范围。 由于后混合磨料射流切割效率较低，并且容易导致堵塞。为了提高切割效率， 降低泵压，人们又提出了前混合式磨料射流。1 9 8 2 年我校高压水射流研究所设计 了前混合式磨料射流试验台【4 8 】，如图2 所示： 其工作特点是：从泵站出来的高压水，一股通往磨料罐的上部；一股通往混 合室。到达磨料罐上部的高压水，由于磨料向下流的速度很慢，因此基本上以静 压形式作用在磨料上，磨料在静水压力和自重的联合作用下通过供料阀进入混合 室。经节流阀流入混合室的高压水流，在混合室与磨料均匀混合后，经管路至磨 料喷嘴喷出形成磨料射流。磨料供给量通过供料阀进行调节。 但是图2 的系统还很不完善，该系统存在一个明显的缺点，随着磨料罐内磨 料的减少，其流动阻力较少，流量增大，造成射流中磨料浓度不断增大，不能实 2 - 1 绪论 现磨料的均匀供给。 9 6 1 一高压泵2 一单向阀3 一磨料罐4 一供砂阀5 一压力表 6 一喷嘴7 一混合室8 一节流阀9 一安全阀 图2 前混合式磨料射流系统图 f i g 2 t h es y s t e mo f f o r m e rm i x i n gs t y l ea b r a s i v ew a t e r j e t 1 9 8 2 年，英国b h r a 研制出引射注入式前混合磨料射流系统，如图3 所示。 供磨料装置主要由高压磨料罐、引射器、控制阀和供水系统等组成。 1 - - 水箱2 一高压泵3 一压力表+ 4 一节流阀5 一引射器6 一闸阀； 7 - 流量计8 一单向阀9 一安全阀1 0 - 磨料罐1 1 一喷嘴 图3 引射注入式前混合磨料射流系统 f i g 3 t h es y s t e mo f i m m i t t i n gf o r m e rm i x i n gs t y l ea b r a s i v ew a t e r j e t 从高压泵出来的高压水分为三股：一股水经闸阀后再经节流阀通到高压磨料 罐的顶端，对磨料产生一个向下压注的正压力；一股水到闸阀后经节流阀通往高 3 一 安徽理工大学硕士论文 压磨料罐的锥底部，使磨料流态化，以便注入到高压水管路中去；另一股水经节 流阀至引射器。三股水的流量由各支路上的节流阀来调节。高压水从引射器喷出 时，导致混合室的压力降低，同时，磨料罐锥底处被流态化的磨料，在上面的压 力作用下注入引射器的混合室，并被卷入到高速水流中，与水均匀混合，夹带着 磨料的高速水经输送管道至磨料喷嘴，经磨料喷嘴喷出，形成前混合磨料射流。 大量的试验表明，上述两种前混合式磨料射流系统都存在着磨料供给不均匀 的问题。磨料罐上方的供水系统，不可能实现磨料的均匀供给。磨料供给量不仅 与时间有关，而且与磨料罐内的装料量有关。这是由于：在系统开始工作之前， 磨料罐内的磨料处于静压状态，速度为零。当射流开始喷射之后，磨料罐内的磨 料在上下压差的作用开始作加速流动，很快就达到一个相对稳定的给料量，这就 是磨料供料供给的启动过程。磨料罐中的磨料量越多，这个启动过程就越长随 后，由于磨料罐中磨料量的减小，其流动阻力逐步减小，流入到磨料罐内的水流 量增加。磨料供给量也就不断增大。 基于上述思想，设计出图4 所示新型前混合式磨料射流系统。其主要改进是 取消磨料罐上方的高压水进口，从根本上改变了磨料供给原理。磨料罐完全脱离 了流路，其内部各点压力的差异仅是由高度差造成的静水力压力。也就是说，磨 料间隙内的流体所承受的压力梯度恒定，为夕g ，并在p 一缈g 作用下作向上 渗流运动，与磨料罐内的磨料的高度无关( p 是磨料与水的混合密度) 。换句话 说，磨料罐内的磨料量的多少并不会对磨料产生影响。 l 一高压泵2 一截止阀3 一节流阀4 一喷嘴5 一磨料罐6 一混合腔 图4 新型的磨料供给系统 f i g 4 n e w s t y l es y s t e mo f a b r a d i n ga g e n ts u p p l y i n g 与纯水射流相比，磨料射流将纯水射流对物料的静压连续作用改变为磨料粒 子流对物料的高频撞击与冲蚀作用，其作用效果大为改观。前混合磨料射流与后 混合磨料射流相比，因磨料与水混合的均匀、充分、磨料粒子的加速时间长、获 得的能量高、对物料的作用效果更加突出，故其工作压力可以大大降低。试验表 4 1 绪论 明，对同样的物体进行切割或除锈，前混合磨料射流所需的工作压力仅为引射式 磨料射流工作压力的1 7 1 1 0 。如表l 所示嘲p 1 ，在相同的切害口条件下，前混合 式磨料射流所需的工作压力要低的多。 表l 三种射流切割特性的对比表 t a b l e1 c o m p a r i s i o no f c u t t i n gc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h r e ek i n d so f j a 切割钢板 压力( m p a )钢板除锈清洗( 除垢) ( 切深2 0 r 咖) 前混合式磨料射流 3 51 07 后混合式磨料射流 3 5 05 02 0 纯水射流 7 0 0l o o4 0 前混合磨料射流是安徽理工大学机械系高压水射流研究所的专利技术( 发明 专利号：8 8 1 0 9 1 4 9 9 ) 。经不断努力，目前已基本上解决了磨料的收集、筛分及灌 装等配套技术问题，使该项技术具备了实用性【1 】【3 】【6 l 。 1 3 旋转射流的研究现状 所谓旋转射流是指在射流喷嘴不旋转的条件下产生的具有三维速度的、射流 质点沿螺旋线轨迹运动而形成的扩散式射流，也称之为旋动射流。这种射流其外 形呈明显扩张的喇叭状，具有较强的扩散能力和卷吸周围介质参与流动的能力， 并能够形成较大的冲击面积，产生良好的雾化效果。 目前，国内对于旋转水射流的研究现状如下： 一 l 石油大学高压水射流研究中心的研究人员采用叶轮式的加旋方式进行研 究，考察不同的水力参数和叶轮的结构参数对旋转射流的形成，以及旋转射流用 于钻孔和清洗除锈时实验结果的影响，并获得较好的实验结果【3 1 j m f 5 1 】。 2 安徽理工大学高压水射流研究所的研究人员对前混合式的旋转磨料射流进 行了探索，已取得了一些突破性的进展。其采用的一套实验设备可以形成旋转射 流，并进行了一系列的射流断面与钻孔试验【2 6 i 例。 3 太原理工大学刑茂等研究了叶轮导引射流喷嘴内部流场的流动特性，编制 了流体的三维有限元数值模拟软件，介绍了此软件的编制原理及其构成，并通过对 一实例的计算，揭示了喷嘴内流动的一些特点【2 卯 5 2 1 。 国外对于旋转水射流的研究现状如下： 1 加拿大的y i j a ymm ，b r i e r l e ywh 等研究员用高压旋转水射流在岩石上进 5 安徽理工大学硕士论文 行钻孔，考察了一系列双孔喷嘴的最佳结构和岩石特性对实验结果的影响【3 3 j p 4 1 2 美国g a 莎尔瓦尼等研究人员研制了一种磨科水射流钻机，这种钻机主要 由后混合磨料射流系统、准直管、射流导偏装置、无压旋转接头等组成【2 6 1 。 3 新奥尔良和加利福尼亚的研究人员也分别进行旋转射流的不同角度的研 究，包括对旋转射流的形成、钻孔技术以及它的工业应用等内容p 7 】。 总的来说，对旋转射流的研究，前人已做了大量的工作，并且由于试验测试手段 的不断改进和计算机处理能力的不断提高，对旋转射流的研究也在不断发展中但 在对旋转射流的研究中，前人的研究主要是在试验和数值模拟的基础上得到一些 结论在理论上没有真正解决旋转射流的流场分布问题 1 4 课题来源、主要内容及意义 1 4 1 课题来源 本课题来自导师张东速教授的科研项目旋流磨料射流喷嘴磨损机理及旋 转接头研究。该项目委托方为中国石油集团科学技术研究院江汉机械研究所。 作者在项目中以旋转磨料射流的喷嘴磨损机理和钻孔试验为研究方向，探讨 各种参数对旋转磨料射流喷嘴磨损机理和钻孔效果的影响。本文是作者结合上述 课题进行研究的理论成果和工作总结。 1 4 2 课题的主要内容 1 对旋转射流的理论基础进行分析，初步讨论混合流的运动情况。 2 从理论和有限元应力分析两个方面，探讨各种工作及结构参数对旋转磨料 射流喷嘴磨损机理的影响。其中与旋转磨科射流喷嘴磨损相关的因素大致包括： 喷嘴的结构参数、喷嘴材质的性能与表面质量、磨料的特性、工作参数等。 3 在单因素改变的情况下，考察加旋元件结构( 头数、螺距、中心孔) 、- i 作 压力、喷嘴孔径、及靶距等参数对旋转磨料射流钻孔效果的影响。 1 4 ，3 课题的意义 旋转磨料射流是一项新兴的、重要的技术，在石油、煤矿等行业都有广泛的 应用。与机械式钻机相比，利用旋转磨料水射流钻孔，既不会引起材料崩裂，又 避免了高旋转密封问题；与纯水射流相比大大提高了钻进速度和深度i 高压水射 流成套设备以喷嘴为中心，因为喷嘴是形成水射流工况的直接元件，它所造成的 6 1 绪论 结果直接影响到系统的各个部分，研究出性能良好、材料适宜又与主机匹配的喷 嘴，将极大地提高射流的效率；而喷嘴在使用时，由于受到高速磨粒的冲击，磨 损很严重，寿命很短，所以必需重视对喷嘴寿命和可靠性的研究。因此，对旋转 磨料射流的钻孔效果和其喷嘴磨损机理进行分析，是- r - j t e 常重要的课题。本文 采用理论分析和试验相结合的方式，对上述两点进行系统的探讨，这对完善旋转 磨料射流的喷嘴机理的研究，及提高旋转磨料射流的钻孔效率非常有实际意义。 7 安徽理工大学硕士论文 2 旋转磨料射流的理论分析 旋转射流是指喷嘴不旋转的条件下产生的、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，是自由射流加旋转的一种复合流动，其流动 情形较为复杂，大多处于紊流状态。旋转射流与普通射流的区别在于有切向速度， 使喷嘴内的流体旋转起来以使从喷嘴出射的流体具有切向速度分量。除了在无旋 动射流中存在的轴向、径向速度分量外，旋转速度( 切向速度) 使径向、轴向产 生压力梯度并影响到整个流场。旋转射流出射后在周围环境流体中的扩展比相应 的非旋转射流快，其卷吸能力、掺混作用、轴线速度的衰减均比普通射流大 4 11 2 4 1 。 2 1 旋转射流的理论基础 2 1 1 旋转射流的形成 旋转射流的形成一般都需要在喷口的上游采用一定的加旋措施，不同的加旋 方式所得的射流出口轴向速度和旋动速度的分布各不相同，紊动特性也有差异。 常用的加旋方式有四种 5 1 ： 1 采用切向注入法：通过改变切向注入与轴向注入喷嘴内的流体的比例来调 节旋转射流的强度。此法使喷嘴内气流迅速掺混，出口紊动度较高。 2 采用固定导叶加旋法：该方法使用导向元件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。在这种方式中，因叶片表 面附近的流动较慢，导叶对流动的干扰作用较小，出口紊动度较小，扩散程度中 等，基本属于势流涡。 3 采用管内导流法：在喷管内装斜叶导流。此法调节旋度不太方便，出口紊 动度也较高。 4 机械旋转法：这种方法一般专用于实验，用机械的方法旋转长管可以产生 弱旋流动，使用内转盘则可产生强旋流动，但转盘产生的次流使流场更为复杂。 2 1 2 旋度 旋转射流的旋动程度，简称旋度( 或称旋流数) ，是区别于一般射流的一个重 要运动参数【4 】o 在早期的研究中曾采用射流出1 2 1 最大切向速度，即旋转速度。与最大轴向 速度u 。之比来表征旋流的程度： 8 i 旋转磨料射流的理论分析 g ：w 。o o ( 2 一1 ) 但g 值在某种程度上受加旋方式的影响，不能完全代表旋动的总体特性。后 来多用旋转射流切向动量矩m 与轴向动量髟之比来表示，并为了便于应用，将旋 流强度处理成无因次值，用s 表示。耳前比较通用的表达示为： s ；彤k 。m = r r 2 p u w d r ；k = r ( p + p u 2 ) r d r ( 2 - 2 ) 式中： r 喷嘴出口半径；p 射流出口处的压力； p 射流流体的密度。 此外，也可用下面无量纲数来定义旋转射流的旋度s ，即： 肚d ( 2 - 3 ) 式中： 互转矩；g f 推力； d 喷嘴特征直径。 在实际运用中可以跟据喷嘴内加旋件流道的几何形状，推导出加旋件几何参 数与旋度的关系，以导向叶轮为例： 若取导向叶轮叶片的入口角口l = 0 ，即与喷嘴轴线平行，最终导向角即叶片的 出口角为a ，。叶片为不变截面的等厚度叶片，厚度为t 。并假定在喷嘴内腔的流 动为： 1 理想流体，不可压缩，稳定流动。 2 来流均匀，进入时轮流道后均沿叶轮叶片壁面平行流动。 图5 喷嘴内叶轮的流道几何形状 f i g 5 c h a n n e lg e o m e t r ys h a p eo f i m p e l l e r si nn o z z l e 如图5 示，流体流经导向角为呸的叶轮出口处时，流速为屹，沿与轴线夹角 9 安徽理工大学硕士论文 为口：的方向前进，此时可分解为轴向速度匕和周向速度屹，由简单的几何关系即 可得出： k 2 v 2 c o s a 2 ；。v 2s i n a 2 即：7 兰= t g a 2 屹 设在由甩个叶片均匀分布组成的叶轮任一流道的任一半径r 处，取一流体微元 进行分析，此微元体的面积可由几何关系确定： pt $ 1 n + 22 r 则 微元体面积 口：2 a r c s i n 二 2 ， 阳( 等一z 伽s m 寺r 西以 上 叶轮出口处，此侃俸，傲兀网砌同明萤为：。 d k = 以2 车一2 a r c s i n 寺r ) r d r 流体微元动量矩为： 删= 嗍年一z a r c s 证争2 毋 若叶轮半径为，轮毂半径为，；，出口处流体总的动量和旋转动量矩分别为： k = 聆r 以2 等一2 a r c s i n2 去) r d r = 撑以2 s 2 口2r 以2 ( 等一2 警如争腑 ( 2 4 ) 肘= 帆2 s i n a ：c o s 呸r 雕2 阜一2 a r c s i n 寺m ( 2 - s ) 积分后便可得出该旋转射流喷嘴的旋流数为： s = = a t g a 2 ( 2 - 6 ) 式申 1 0 2 旋转磨料射流的理论分析 a = a 为一系数，它取决于叶片数、叶片厚度、叶轮外径和轮毂直径。式( 2 6 ) 表 明了在导向叶轮式旋转射流喷嘴的设计中，几何参数对旋度的影响关系，当系统彳 确定之后，旋度与叶轮导向角的正切成正比，因此在喷嘴和叶轮的几何参数确定 之后，便可计算出具体的旋度。 旋度的大小不同，旋动射流的特性也有差异，人们按旋度大小将旋动射流分 为弱旋、中旋和强旋三类。但划分的界限尚不一致，b e e r 和c h i 西e f 分析运动方 程的性质，认为s 0 2 为弱旋，0 2 j o 6 为强旋。而l i l l e y 按断面上轴向速度分布的自相似情况，将弱旋与中旋的界限定在s = o 4 ，即s 0 4 为弱旋，0 4 s o 6 为强旋。目前较流行的还是按流体 力学的流速分布特点分类，将旋转射流分为两大类：弱旋射流旋流强度不大， 不出现轴向逆流，即轴向速度到处都为正值：强旋射流旋流强度足够大，以 致轴向逆流出现嘲。 2 1 2 吸卷能力 作为普通射流的推广，在喷嘴内假定流动没有径向速度分量，切向速度分量 引起角动量通量，并可用喷嘴的转矩来表征。角动量轴向通量在自由射流区应当 保持常数。射流的卷吸能力西取决于射流的推力q 、密度p 、转矩互和喷嘴特 征直径d 。其数学表达示为【4 】： i dr = 厂( q ，鹏d ) ( 2 - 7 ) 式中： 柳质量流量。 由量纲分析，得： 式中： s 旋动数。 警= 丌) 铀 ( z - s ) 由( 2 3 ) 式r m p s = d 5 指数g 可取任意值。由前人实验研究知，式( 2 - 8 ) 为 安徽理工大学硕士论文 线性并可表示为： 竺= ( 岛+ 毛研要 ( 2 9 ) m o 口 式中： 肌。喷嘴出口处的质量流量。 c h i g i e r 和c h e v i n s k y 绘出屯- - 0 3 2 ，毛= 0 8 。另外，通过积分剖面亦可得 到质量流量，即： 一m = 屯言 ( 2 - 1 0 ) m o d 式中： 屯卷吸系数即： 屯= 0 3 2 + 0 8 s ( 2 。1 1 ) 由上式可知，丸一s 的变化是线性的，但这只适用于低旋度和中等旋度，而 对于较高旋度，则不满足这一规律。 2 2 旋转磨料射流的速度分析 旋转磨料射流的速度分布与普通磨料射流有明显的不同。混和流体在管道内 绕圆柱体的轴线作旋转运动，流动轨迹近似为一螺旋线，每个流体质点的速度矢 量是一空间矢量。建立如图6 所示的坐标系，按三个分速度来研究其性质，即与y 轴平行的轴向速度u ；与圆柱半径足一致的径向速度v ；在与y 轴垂直的面上并与 圆柱半径足相垂直的切向速度，。 图6 流体质点的速度图 f i g 6v e l o c i t y o f f l u i d p a r t i c l e 2 旋转磨科射流的理论分析 2 1 1 切向速度 旋转射流与普通射流的区别就在与其有切向速度，在主速度矢量的三个分速 度中，一般来说，除了在z 轴中心附近以外，数值最大的是切向速度，其值的大 小将表征流体承载固体质点运动的能力，以及对所承载的质点形成离心效应的能 力。其值取决于进口流体的初速度w t 值及离旋转轴心的距离，的大小。 根据前人的实际观察及试验发现，沿旋转半径方向上，切向速度数值的变化 是非常显著的。按照其不同变化规律，可以将流体分成为两个旋转区域：势流旋 转区及似固体旋转区 在圆柱形旋流设备的边周，切向速度随半径的减少而不断增加的区域称为势 流旋转区1 5 】。如图7 所示，在旋流设备边周截面上，取一微元流体，单位质量微 元的离心力为户w 么，应与压力梯度相平衡，即：挈：旦生。 图7 旋流微元体 假定各流线上伯努利常数均相同，则： p + 吆= 常数 ， ( 2 1 2 ) 把此式对，进行微分得： 孚：叫娑 ( 2 1 3 ) o r 由式( 2 - 1 2 4 ) 和式( 2 1 3 ) 得： 娑十一w = 0 ( 2 1 4 ) f i g 7m i c r o u n i to f s w i r l i n g j e t 绕图7 中微元面积一周的速度环量为： f = w r d l 5 0 一( w + 挲们( ，+ d r ) d 矿( 2 1 5 ) ( 矿 展开上式，并略去高阶无穷小项，考虑式( 2 1 4 ) 得： r = 删妒( 掣+ 与= 0 ( 2 - 1 0 口r 所以在旋转流体边界，沿任何小的微元体其速度环量均等于零。因此旋转流 体在这一区域的流动为无旋流动，就是势流。流体微元只是沿曲线移动，而不会 沿本身的轴旋转。由此可见，前面所做的假设是合适的。由式( 2 1 4 ) 积分得： 1 3 安徽理工大学硕士论文 w r = g( 2 - 1 7 ) 式( 2 1 7 ) 表明在这一区域内，切向速度w 值与半径r 成反比。越靠近旋转轴心， 切向速度w 越大旋转流体这一区域称为势流旋转区，相当于纯环流运动。 若按势流旋转区式( 2 1 7 ) ，当接近旋转中心，啼0 时，因而w _ o o 。根据伯努 力方程能量转换原则，此处压力必然是p _ o o 。实际上是不可能的。当压力降到 与旋流设备出口外的压力相等( 或略低) 时，势流旋转区即告结束此时流体的 粘性将起很大作用，而形成似固体旋转区。 其切向速度分布规律为：7 w ，= = c 2 ( 2 - t 8 ) 式中： 旋转角速度；c l ，g 常数值。 沿半径的切向速度变化规律可用下式来归纳： w r - = c、 ( 2 - 1 在式( 2 1 9 ) 中，若聆= l ，则为势流旋转区；若行= 一1 ，则为似固体旋转区。常 数值c 在没有各种流动损失的理想情况下，应等于入口速度与旋转轴心距离盖 的乘积，也即是等于单位流体质量的进1 2 1 动量矩w i r 。因此，势流旋转区的切向 速度变化规律在理想流动情况下是符合动量矩守恒原则的。 2 1 2 径向速度 在理想情况下，旋转流体可以看成是由平面环形流( 势涡) 与平面点汇所组 成的，如汇环流动一样，因而径向速度v 的方向是向中心的，其值等于： v = q 2 ，r r ( 2 - 2 0 ) 式中： q 通过单位长度、半径为r 的圆柱面的流量。 由式( 2 2 0 ) 可知，y 随，的减小而增大。 由式( 2 1 7 ) 及式( 2 - 2 0 ) 可得： w r = w o r o ：矿= v o r o 又合速度与圆周切线夹角的正切为： t g a = v w = v o w o = c l 另外：t g a = d r # d o = c l 即：d r r = c 1 d g 积分得：l n r = c l 口+ c 2 - 1 4 2 旋转磨料射流的理论分析 当伊= 0 时，r = r o ，g = l n r o ，则流线方程为： r = r o e c p 将式( 2 2 1 ) 和汇环滚动的流线方程，= e - “砷即”比较，可得： i o = e - c l r 或c r = 一q o r - i n r 即：一q 护- f l n r = c 式( 2 2 2 ) l l p 汇环流动的流线方程。 式中： r 速度环量。 而：c ；= 一量，r = 2 ，r r v 2 x m = , w 由此可见流线是对数螺旋线。上式分析只适应于理想情况， 径向速度分布规律应是： i t - ，= c ， 2 1 3 轴向速度 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 对于实际情况， f 2 2 3 ) 。 旋转流体的轴向速度甜为沿轴心线运动的分速度：“沿径向及轴向的分布规律 要比w 及v 复杂得多。因为实际工程设备结构的多样化，而轴向速度主要决定于 设备的结构形式，所以不能进行简单的理论分析，目前主要靠试验测定。 前人试验结果表明，对于混合流体的轴向速度交化：旋转射流在射流主体段 上，其轴向速度明显存在低值区，呈现“m ”形分布特点，随着射流的发展前进， 其轴向分布越来越平缓。随着旋流强度的增大，相同条件下旋转射流的轴向速度 值减小，而切向速度值增大。而且旋流强度越大，射流离开喷嘴之前加旋件传递 给流体的旋转角速度的角动量矩也就越大，形成的旋转射流获得的切向速度越大， 轴向速度也就越小【4 2 1 。 对于磨料颗粒的轴向速度变化：磨料颗粒轴向速度沿半径的变化趋势与流体 质点的变化趋势相同，最大速度出现在射流轴心线上，随半径增加速度降低，且 射流中磨料颗粒的速度低于流体质点的速度。与磨料在非旋转射流中的轴向速度 分布规律相比，磨料在旋转射流中的轴向速度较低；与此对应，旋转射流中磨料 速度的扩散角度，大于非旋转射流速度的扩散角度3 1 l 5 1 1 。 2 3 旋转磨料射流的运动方程 对于不可压缩轴对称紊流旋转射流，可用圆柱坐标下的雷诺方程来表示。在 忽略粘性应力及紊动的正应力项，并作边界层的近似之后，可得到下列简化的基 1 5 安徽理工大学硕士论文 本微分方程组【1 i 】： 式中： 、 q2 一p u7 v 7 ； 锄 a r 1o p1 勿f ， “瓦w o r 石衰+ 万彳 1 , v 2 1 印 - - 一一一_ 一 r po r 却i ) w w 1a 0 20 l , l 一+ v 一+ 4 + 一 瓠拼r p 西p t 塑+ 塑：o 缸毋 o = - - p v 7 w 7 ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) r 2 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) 将式( 2 2 4 ) 两端各乘，并积分得： l 砖p + l 即= 一警玉tl 挚( 2 - 2 8 ) 式中： r - r d r = i l 夏dr 肛2 胁 r 争= i 删r l ；一f 挚= - d r , - 2 胁 f 挚= 川：= o a r o 丢r g + 2 胁= o + ( 2 - 2 9 ) 上式表示压力与轴向动量之和沿x 方向守恒，将压力项改写为： r 蚤协= 匕2 到& l 。o 一广2 旦o r f l 塑缸) 1 毋= 。一广2 旦c 3 x 望o r 西 由式( 2 - 2 5 ) 有： f 争= 一f - 7 7 2 - 瓦a c - ；- 2 - k j = 一圭丢f 2 衙 1 6 2 旋转磨料射流的理论分析 则积分方程( 2 - 2 9 ) 成为： 丢r 七2 一争= 。 此式没有压力项只包括速度，有时应用更方便 将式( 2 - 2 6 ) 乘以p r 2 并对，积分得： f ，2 罢办+ f r 2 警西+ r 哪= r ，2 誓西+ f 2 - 办c z s ) 式中： f r 2 筹办= f 例丢炒= 丢r r 2 胛胁+ r 参 f 嘞警办= l ，2 叫；一w 掣西= 一j o 缈挚一f 脚 f ，2 争+ f 2 r r # 毋= f 导( ，2 。谚札即 故积分方程( 2 3 1 ) 成为： 墨r 肛n 坩2 办= o ( 2 - 3 2 )n x 哪 此式表示切向动量矩通量或角动量沿轴向守恒。 式( 2 - 2 9 ) 、式( 2 3 0 ) 及式( 2 3 2 ) 就是旋转射流的积分方程组。 2 4 旋转磨料射流中磨料颗粒的受力分析 磨料颗粒在旋转流场中的受力，一般来说，可将其分为三大类f 8 】： i 与流体的相对运动无关的力，即使相对运动的速度和加速度为零，该力仍 然存在，属于这类的力有：重力、浮力、惯性离心力和压差力。 2 与流体间相对运动有关的力，属于这类的力有：阻力、附加质量力、b a s s e t 力、m a g n u s 力和s a f f r a a n 力。 3 与管壁之间的作用力，属于这类的力有：正压力的反作用力、摩擦力。 假设磨料颗粒为规则的理想球体，尺寸大小基本一致，不考虑颗粒之间的相 互作用，单颗料质量为m 。、直径为以、密度为以，则各项力的物理意义计算表 达示如下【9 】【1 0 】 2 8 1 ： 1 重力： f i = 专d ：粥( 2 - 3 3 ) 一1 7 安徽理工大学硕士论文 2 浮力： e = 一- 2 = d = 1 p , g v ( 2 0 4 ) 式中。 见水流密度。 3 ：惯性离力心： 由于切向速度的存在，颗粒在作螺旋线轨迹移动时，产生惯性离心力e e 。= m mu 乞e = 以等 ( 2 - 3 5 ) 22 o 式中： 越。磨料颗粒的切向速度；，c 旋转半径 4 压差力： 颗