ВОДОСТРУЙНАЯ ГОЛОВКА Российский патент 1994 года по МПК B29B11/02 B05B1/02 

Изобретение относится к устройствам для разделения материалов высоконапорной струей жидкости.

Известно сопло для получения режущей струи жидкости, содержащее штуцер с осевым каналом, держатель с вкладышем, втулку и завихритель в виде пружины.

Однако установка завихрителя приводит к разбрызгиванию жидкости сразу же после выхода из сопла вследствие завихренности жидкости. Угол разлета частиц определяется отношением окружной и осевой скоростей. В результате режущая способность струи в непосредственной близости от сопла становистя выше, поскольку капельное воздействие вызывает более интенсивное разрушение твердых материалов. Однако по мере удаления от сопла эффективность разрушения резко падает вследствие тормозного действия воздуха (оно особенно велико при сверхзвуковой скорости полета капель) и вследствие увеличения ширины разрушаемого участка. Это делает энергетически невыгодным резку особенно толстых листов.

Наиболее близким из известных решений является водоструйная головка, содержащая корпус с выполненным в нем подводящим каналом с конической частью и установленным в нем успокоителем струи, закрепленный на корпусе держатель и сопло.

Однако в этой головке турбулентность несколько меньше, но не устранена полностью.

Большой радиус, на который разнесены каналы, увеличивает момент количества движения. По закону сохранения количества движения при уменьшении радиуса (при подходе жидкости к соплу) возрастает поперечная скорость.

Техническим результатом, который достигается в изобретении, является повышение эффективности процесса гидрорезания путем ламинаризации режущей струи.

Это достигается тем, что водоструйная головка содержит корпус с выполненным в нем подводящим каналом с конической частью и установленным в нем успокоителем струи, закрепленный на корпусе держатель и сопло. Согласно изобретению, она снабжена установленной в подводящем канале корпуса решеткой, а успокоитель струи выполнен в виде обоймы с установленными в ней параллельно оси канала капиллярными трубками, смещенными друг относительно друга по длине с образованием со стороны сопла выступающего конуса, расположенного в конической части канала, при этом капиллярные трубки выполнены по концам с внутренними фасками.

Установка решетки обеспечивает выравнивание профиля потока, он становится плоским по всему диаметру, т. е. выравнивается скорость частиц потока. С целью ликвидации турбулентности поток затем пропускается через установленные в обойме капиллярные трубки.

Пульсации будут гаситься, если
Re = <2000(Re_кр) (1) где Re - число Рейнольдса;
u - скорость воды;
ν = 10^-6 м²/с - кинематическая вязкость воды;
d - диаметр трубки.

Если задан секундный объемный расход воды Q, то скорость воды при протекании через n-трубок будет
u = ; отсюда
n = , но при заданном d из (1)
u ≈ - , тогда n = ≈ 6·10^-2
Например, при Q = 8 ˙ 10^-5 м³/с, d = = 8 ˙ 10^-4 м, n = 60.

Отсюда можно определить поперечные размеры обоймы, в которой размещаются капиллярные трубки.

Выполнение внутренних фасок по концам капиллярных трубок и расположение их относительно друга друга с образованием конуса в выходной части также обеспечивает улучшение гидродинамических характеристик потока.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема устройства в рабочем положении, продольный разрез; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид по стрелке Б на фиг. 1; на фиг. 4 - узел I на фиг. 1.

Водоструйная головка состоит из корпуса 1 с подводящим каналом с конической частью. На корпусе закреплен держатель 2 с соплом 3. В корпусе 1 в канале размещен успокоитель струи в виде обоймы 4, в которой установлены параллельно оси капиллярные трубки 5. Перед обоймой в подводящем канале корпуса закреплена решетка 6. Трубки смещены друг относительно друга по длине с образованием со стороны сопла выступающего конуса, расположенного в конической части канала.

Работает устройство следующим образом.

При прохождении высоконапорной струи жидкости через решетку 6 скорость ее выравнивается по сечению. Затем, проходя через капиллярные трубки, поток приобретает ламинарное течение.

Что касается распада струи после выхода из сопла, то можно сказать следующее. При движении капля пораждает в воздухе ударные волны, которые воздействуют на струю. Частотный спектр импульсов Фурье достаточно широк и ультразвуковые частоты могут резонансно воздействовать на струю.

По порядку величины скорость звука в окрестности струи с > 10² м/с, а линейный размер, т. е. диаметр струи d ≅ 10^-3 м; отсюда характерное время прохождения звукового импульса.

τ ≈ ~ 10^-5÷10^-6c
Следовательно, на струю резонансно воздействуют частоты в диапазоне 10⁵Гц ≅ ν ≅ 10⁶Гц
Это возбуждает периодические колебания параметров струи с характерной длиной λ ≈ ~ 0.1 мм, что в итоге приводит к распаду струи на части размером порядка λ .

Известно, что распавшаяся на капли струя разрушает материал эффективнее вследствие ударного воздействия отдельных капель (частиц).

P_max = Sc, где P_max - динамическое воздействие;
S - плотность жидкости;
с - скорость звука.

То есть прошедшая через успокоитель струя существенно более компактна и после распада имеет меньший диаметр сечения, чем обычная.

Таким образом, вследствие того, что частицы жидкости меньше затормаживаются и выше удельная (на единицу площади) энергия, воздействия струи жидкости на материал более эффективно.

Использование: разделение материалов высоконапорной струей жидкости. Сущность изобретения: водоструйная головка снабжена установленной в подводящем канале корпуса решеткой. Успокоитель струи выполнен в виде обоймы с установленными в ней параллельно оси канала капиллярными трубками, смещенными одна относительно другой по длине с образованием со стороны сопла выступающего конуса, расположенного в конической части канала. Капиллярные трубки выполнены по концам с внутренними фасками. Головка позволяет повысить эффективность гидроструйной резки. 4 ил.

ВОДОСТРУЙНАЯ ГОЛОВКА, содержащая корпус с выполненным в нем подводящим каналом с конической частью и установленным в нем успокоителем струи, закрепленный на корпусе держатель и сопло, отличающаяся тем, что она снабжена установленной в подводящем канале корпуса решеткой, а успокоитель струи выполнен в виде обоймы с установленными в ней параллельно оси канала капиллярными трубками, смещенными одна относительно другой по длине с образованием со стороны сопла выступающего конуса, расположенного в конической части канала, при этом капиллярные трубки выполнены по концам с внутренними фасками.