一种高压旋转喷杆的喷嘴布局设计方法与流程

本发明涉及高压水射流技术领域，特别涉及一种高压喷嘴布局设计方法。

背景技术：

高压水射流旋转喷杆为高压水射流清洗设备的重要组件，具备结构简单紧凑、清洗效率高、清洗均匀度好等优点，适用于石油化工、船舶修造和车辆等需要清洗的领域。高压喷嘴是高压水射流旋转喷杆组成的核心单元，合适的高压喷嘴布局能在确保安全性的同时极大提升高压水射流设备的清洗性能，提高能量利用率。现有的高压喷嘴布局方式多为经验选择加上实验修正，选择效率低、成本高、且设计结果的能量利用率往往不是最优。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有高压旋转喷杆的喷嘴布局设计方法效率低、成本高、最终效果一般的缺陷，设计一种高压旋转喷杆的喷嘴布局设计方法，从而在保证高压水射流设备安全性以及工作性能的情况下节约其选型成本。

本发明提供的高压旋转喷杆的喷嘴布局设计方法，技术方案如下：

本发明提供了一种高压旋转喷杆的喷嘴布局设计方法，包括了数据预处理、单喷嘴射流速度模型建立、旋转喷杆整体模型建立、评判指标计算、布局方式确定五个环节。其中数据预处理环节考虑了管道压损，对喷嘴入口压力进行了计算。

进一步地，所述的单喷嘴射流速度模型是根据高压水射流核心射流区的物理特性建立的，所述的核心射流区是指高压水射流轴心速度未衰减的区段，也是高压水射流清洗及切割设备的常用区段。

进一步地，所述的旋转喷杆整体模型中，将喷杆的形状用喷嘴的位置分布参数进行简化表示，即喷嘴数量和每个喷嘴距离喷杆旋转中心的距离。

进一步地，所述的旋转喷杆整体模型中，用打击区域内的累计水流量来表示其打击能量分布，所述的累计水流量由各个喷嘴的水流量叠加得到。

进一步的，所示评判指标计算过程中，选取喷杆工作区域累计水流量的平均值和克里斯琴森系数分别作为其打击力度和打击均匀度的评判指标。

进一步地，所述喷嘴布局优化设计过程中，根据前三步所得的射流反冲力，打击力度指标和均匀度指标，从而选择合适喷嘴型号以及分布方式。

本发明的有益效果：本发明提供了一种针对高压旋转喷杆的高效、可靠的喷嘴布局设计方法，具备设计周期短，结果可靠，操作简便等优点。配合ansys仿真以及实验验证可以达到快速，精准的喷杆设计。

附图说明

图1高压水射流结构示意图；

图2喷杆结构示意图；

图3程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处描述的实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供了一种高压旋转喷杆的喷嘴布局设计方法，包括了数据预处理、单喷嘴射流速度模型建立、喷杆打击效果模型建立、评判指标计算、布局方式确定。

1).数据预处理：

根据连接管道的特征参数，以及喷嘴个数，可求得管道压损，从而将管道入口压力转化为喷嘴入口压力。管道压损计算采用数学表达式

式中δp表示管道压损，q表示管道流量，cv表示流量系数。所述的管道管道流量系数计算公式为

式中d为管道内径，l为管道长度，β为已知系数。

对市面上的高压管道具备普遍适用性。

2).单喷嘴射流速度模型建立：

喷嘴入口压力确定后，射流出口速度可用下式表示

式中α由喷嘴型号决定速度系数。

如图1所示，在射流核心区长度内，距离喷嘴轴线y处的速度

vl(y)＝vl,rcl>|y|

rcl≤|y|

其中，dl为射流距离喷嘴l处的直径；rcl为距喷嘴l处的射流核半径为：

rcl＝rc-tgδ·l

rc为初始射流核心区半径，δ为射流发散角。

3).喷杆打击效果模型建立：

根据喷杆的旋转速度和移动速度，以水流打击厚度作为打击效果的衡量指标，将每个喷嘴的打击效果进行叠加，得到整体喷杆打击效果指标。

如图3所示的喷杆，其喷嘴个数为i，则对于第i个喷嘴，其特征可以用下集合表示

{tiviri}

ti为喷嘴扫过某一点时间，取决于喷杆旋转速度及移动速度。

vi为射流打击速度，ri为射流打击点半径，rci为射流初始半径，单个喷嘴某点水流打击厚度

某点总水流打击累加量

4).评判指标计算

选取喷杆工作区域水流累加量的平均值和克里斯琴森系数cu分别作为其打击力度和打击均匀度的评判指标。其中，

式中，hi为第i测点水流叠加高度，为清洗面平均水流叠加高度，n为测点数。cu越接近1，则打击均匀度越好。

5).布局方式确定

如图3所示，根据喷杆材料强度确定喷嘴最小安装间隔，运用matlab中的nchoosek函数列举所有布局方式，建立循环比较，选出平均水流累加量及其克里斯琴森系数最优的喷嘴布局方式。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员可以很容易地对设计实例做出各种修改，应用于其他设计实例中。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的提示，对本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。