一种双阶高压水射流自振喷嘴装置的制作方法

本实用新型涉及工业清洗技术领域，特别是指一种双阶高压水射流自振喷嘴装置。

背景技术：

自振射流由于具有脉冲射流及空化射流优点，可产生强烈冲蚀作用极大的提高射流工作效率而受到广泛关注，并成功应用于石油钻井、深海资源开采，钻井平台及船舶清洗等领域。

自振喷嘴装置是自振射流产生的核心，其谐振腔尺寸及出口结构直接决定射流的工作效果。自振喷嘴产生强烈自激振荡射流的前提为谐振腔声谐固有频率与射流涡环脱落频率相一致，此时空化及水锤作用最明显。但实际应用过程中，射流涡环脱落频率随射流流速、环境围压等因素实时变化，而且谐振腔声谐固有频率单一且参数调节困难，使得二者很难实时相互匹配，从而无法在时变工况下高效产生振荡强烈的自振射流。为此，设计具有多重声谐固有频率，工作范围广的自振射流喷嘴转置尤为重要。

本课题组已获得1项相关的国家授权专利(ZL2014100030975.9)，即一种高压水射流自振喷嘴装置(以下称“原实用新型”)，原实用新型能够产生振荡效果强烈的自振射流，并通过管路压力信号检测高频振荡效果。但原实用新型谐振腔构成为一阶模式，且采用硬质合金喷片，存在射流振荡峰值工作范围较窄、无法实现不同工况的自适应调节、喷片寿命短等问题。本实用新型与原实用新型有以下不同：(一)本实用新型采用二阶谐振腔，扩展了谐振腔声谐频率的频段，从而大幅提高射流对自激频率的动态响应范围，实现了对不同工况的自适应。(二)不同谐振腔相串联，增加了射流振荡模态，提高了振荡强度。(三)本实用新型对喷片结构进行了创新设计，在原有硬质合金基础上嵌套聚晶金刚石，使喷片寿命及连续工作时间得到大幅提升。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种双阶高压水射流自振喷嘴装置，通过增加谐振腔阶数，使其具有多阶声谐固有频率，实现射流在较宽工况下自振模态的自适应调整，从而大幅提高喷嘴及所产生射流的工作范围；同时在出口喷片处嵌套聚晶金刚石，提高了射流稳定性，并延长了喷嘴使用寿命及连续工作时间。本实用新型为不同围压、工况多变情况下射流调制并获得最佳自振效果提供了保障，也为进一步拓展自振射流的应用范围奠定基础。

该装置包括入口收缩管、一阶谐振腔体、二阶谐振腔体、出水口喷片、托底座和连接套管，入口收缩管固定在一阶谐振腔体上端，出水口喷片固定在二阶谐振腔体下端，托底座位于装置底部，连接套管包裹一阶谐振腔体和二阶谐振腔体。

其中，一阶谐振腔体为空心圆柱形，入口收缩管前部设有螺纹与进水管路相连接，入口收缩管后部连接一阶谐振腔体。

二阶谐振腔体为空心圆柱形，一阶谐振腔体下部与二阶谐振腔体上部相连，出水口喷片中部设有出水口，出水口置于二阶谐振腔体底部。

入口收缩管通过外螺纹和连接套管固定在一阶谐振腔体的一端，一阶谐振腔体位于连接套管内，出水口喷片通过托底座的外螺纹和连接套管固定在二阶谐振腔体的另一端。

入口收缩管、一阶谐振腔体、二阶谐振腔体和出水口喷片串联，配合构成谐振腔。

一阶谐振腔体上端端头处设有沟槽，沟槽内环置有O形橡胶密封圈一与入口收缩管配合密封；二阶谐振腔体上端端头处设有沟槽，沟槽内环置有O形橡胶密封圈二与一阶谐振腔体配合密封；二阶谐振腔体与出水口喷片连接面处设有沟槽，沟槽内设置有O形橡胶密封圈三配合密封。

由于自振射流具有强烈空化作用与高频自激振荡，自身工作条件亦十分恶劣，因而，出水口喷片由硬质合金基体与聚晶金刚石内孔嵌套而成。

入口收缩管、一阶谐振腔体、二阶谐振腔体的内径按一定比例依次减小。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

本实用新型提供了一种具有多个声谐固有频率的自振射流喷嘴，实现了自振射流在不同工况下的自振频率的自适应调整，拓展了自振喷嘴的参数调整范围，提高了单一喷嘴的工作范围；同时采用嵌套有聚晶金刚石的出水口喷片，极大提高了喷嘴的使用寿命，延长了喷嘴连续工作时间并降低了工作成本，为自振射流的进一步推广应用奠定了基础。

附图说明

图1为本实用新型的双阶高压水射流自振喷嘴装置结构示意图；

图2为单阶喷嘴与双阶喷嘴随不同工况振荡强度变化对比；

图3为某一工况下单阶喷嘴与双阶喷嘴压力振荡频谱图，其中，(a)为双阶喷嘴，(b)为单阶喷嘴。

其中：1-入口收缩管；2-一阶谐振腔体；3-二阶谐振腔体；4-出水口喷片；5-托底座；6-连接套管；7-O形橡胶密封圈一；8-O形橡胶密封圈二；9-O形橡胶密封圈三。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种双阶高压水射流自振喷嘴装置。

如图1所示，该装置包括入口收缩管1、一阶谐振腔体2、二阶谐振腔体3、出水口喷片4、托底座5和连接套管6，入口收缩管1固定在一阶谐振腔体2上端，出水口喷片4固定在二阶谐振腔体3下端，托底座5位于装置底部，连接套管6包裹一阶谐振腔体2和二阶谐振腔体3。

其中，一阶谐振腔体2为空心圆柱形，入口收缩管1前部设有螺纹与进水管路相连接，入口收缩管1后部连接一阶谐振腔体2。

二阶谐振腔体3为空心圆柱形，一阶谐振腔体2下部与二阶谐振腔体3上部相连，出水口喷片4中部设有出水口，出水口置于二阶谐振腔体3底部。

入口收缩管1通过外螺纹和连接套管6固定在一阶谐振腔体2的一端，一阶谐振腔体2位于连接套管6内，出水口喷片4通过托底座5的外螺纹和连接套管6固定在二阶谐振腔体3的另一端。

入口收缩管1、一阶谐振腔体2、二阶谐振腔体3和出水口喷片4串联，配合构成谐振腔。

一阶谐振腔体2上端端头处设有沟槽，沟槽内环置有O形橡胶密封圈一7与入口收缩管1配合密封；二阶谐振腔体3上端端头处设有沟槽，沟槽内环置有O形橡胶密封圈二8与一阶谐振腔体2配合密封；二阶谐振腔体3与出水口喷片4连接面处设有沟槽，沟槽内设置有O形橡胶密封圈三9配合密封。

设计中，出水口喷片4由硬质合金基体与聚晶金刚石内孔嵌套而成。

下面结合具体实施例予以说明。

该装置中，由入口收缩管、一阶谐振腔体、二阶谐振腔体、出水口喷片串联，配合构成的二阶谐振腔，一阶谐振模态下均具有三个不同谐振频率，对应腔长分别为L1、L2及L1+L2，高阶模态下谐振频率则更为丰富，从而当工作条件改变，自激频率变化时，自振射流可以自适应选择相接近的自振频率，达到强烈的峰值共振状态。

该装置工作原理如下：工作系统提供的高压水通过高压管路接入喷嘴装置，由入口收缩管1进入，高压水流进入由一阶谐振腔体2及二阶谐振腔体3组成的谐振腔，经出水口喷片4收缩断面后形成自振射流由出水口喷片4的出水口喷出。进一步地，当环境围压及来流压力改变时，自激频率相应发生变化，而谐振腔可以对自激频率进行自适应选择，并放大。

图2为相同来流条件下，谐振腔长为L1的单阶喷嘴及谐振腔长为L1+L2的双阶喷嘴，在不同空化数下的压力振荡均方根值。由图可见，双阶喷嘴相对于单阶喷嘴，在较宽空化数范围内具有较高的压力振荡幅值。

图3为图2中，空化数为0.08条件下的不同喷嘴自振射流压力振荡频谱图，(a)为双阶喷嘴，(b)为单阶喷嘴，图3(a)中存在两个共振峰值，且幅值相对图3(b)均较高。由对比可见，双阶喷嘴相对于单阶喷嘴，由于其具有多阶声谐固有频率，可对不同范围的自激频率选择放大。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。