鄭州中天建筑節(jié)能有限公司
新型中天自激蕩磨料脈沖水射流
自激振蕩磨料射流是在自激振蕩脈沖射流和混合磨料射流基礎(chǔ)上，提出的新型射流。為此，對(duì)自激振蕩磨料射流噴嘴的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了脈沖頻率和幅值等參數(shù)對(duì)磨粒加速效果的影響。根據(jù)初步研究表明，磨粒速度受脈沖頻率和幅度影響很大，磨粒速度可超過(guò)前混合磨料射流中磨粒的速度，最大鉆孔速度比前混合磨料射流提高41%。這一成果有望用于堅(jiān)硬物料的切割和特種加工、石油鉆井、大洋采礦、難采礦體的開(kāi)采、堅(jiān)硬巖石巷道（遂道）掘進(jìn)、表面清洗等領(lǐng)域。
從本世紀(jì)60年代開(kāi)始，各國(guó)專(zhuān)家對(duì)脈沖水射流進(jìn)行了大量的理論探討和試驗(yàn)研究，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于石油鉆井、表面清洗等場(chǎng)合。脈沖水射流分阻斷式、擠壓沖擊式和激勵(lì)式三種類(lèi)型，其中自激振蕩脈沖射流最有發(fā)展前途。自激振蕩脈沖射流是利用射流的不穩(wěn)定流動(dòng)特性，通過(guò)調(diào)整連續(xù)水射流的流動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)射流的渦量擾動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)反饋和放大，將連續(xù)射流改變?yōu)閴毫γ}動(dòng)的沖擊式射流，射流作用在靶體材料上的力為按一定頻率周期性變化的高頻沖擊載荷。試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，這種沖擊力是連續(xù)水射流滯止壓力的(1.5～2.5)倍，大大地提高了對(duì)靶體材料的沖蝕破壞作用。80年代后期，我國(guó)石油工業(yè)中采用自激振蕩脈沖射流噴嘴的牙輪鉆頭，在相同條件下可提高油井鉆速(15～50)%，提高鉆頭進(jìn)尺(10～15)%，每只噴嘴節(jié)省直接鉆井成本為(1.40～2.5)萬(wàn)元。
80年代出現(xiàn)了磨料射流，磨料射流對(duì)靶體材料的沖蝕和切割性能大幅度提高，其中前混合磨料射流的切割效果尤為顯著，系統(tǒng)壓力可降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
自激振蕩磨料射流（自激振蕩脈沖射流和混合磨料射流相結(jié)合）的研究成果：射流中磨粒的最大速度提高了2.5倍，卷吸能力提高1倍，磨料粒子能夠進(jìn)入射流束中心，與連續(xù)磨料射流相比切割速度提高2倍，大大地提高了射流的工作能力。
眾所周知，后混合磨料射流的切割能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于前混合磨料射流，為了進(jìn)一步提高射流的切割和沖蝕效果，我公司研制一種自激振蕩脈沖射流和前混合磨料射流相結(jié)合而形成的新型射流——自激振蕩磨料射流。
1 自激振蕩磨料射流噴嘴的結(jié)構(gòu)及工作原理
圖1所示為自激振蕩磨料射流噴嘴實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖。自激振蕩磨料射流噴嘴，主要由前噴嘴1、過(guò)渡體2、腔體3和后噴嘴4等組成。
試件試驗(yàn)工作條件：泵壓5MPa，d1=2.2mm，后噴嘴直徑3mm，腔徑18mm，磨料：#100河砂，供料量1.5kg/min，靶體：灰?guī)r，鉆孔時(shí)間120s，靶距20mm。
圖6為鉆孔后靶體試件，圖7所示為自激振蕩磨料射流鉆孔試驗(yàn)曲線(xiàn)。
圖6 鉆孔后石灰石
●前混合磨料射流
○自激振蕩磨料射流
圖7 孔深與腔長(zhǎng)的關(guān)系
從圖7可以看出，當(dāng)振蕩腔長(zhǎng)度與前噴嘴直徑之比L/d1=(2.27～7.73)時(shí)，鉆孔深度為前混合磨料射流的(1.15～1.41)倍，L/d1=5.68時(shí)比值最大為1.41倍。
自激振蕩磨料射流在小靶距下切槽寬度和鉆孔直徑都小于前混合磨料射流，大靶距下切槽寬度和鉆孔直徑都遠(yuǎn)大于前混合磨料射流。
5 初步結(jié)論
自激振蕩磨料射流噴嘴的特點(diǎn)和工作原理，初步給出了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和在振蕩射流中磨粒速度的表達(dá)式。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，磨粒速度受振蕩頻率和幅度影響很大，磨料越細(xì)、頻率越低，磨粒加速效果越好。初步試驗(yàn)結(jié)果表明，自激振蕩磨料射流鉆孔深度優(yōu)于前混合磨料射流，L/d1=5.68時(shí)，最大鉆孔速度提高41%，顯示了自激振蕩磨料射流優(yōu)越性。
自激振蕩磨料射流是一種十分有應(yīng)用前景的新型射流，有望用于石油鉆井、大洋采礦、難采礦體的開(kāi)采、堅(jiān)硬巖石巷道（遂道）的掘進(jìn)、設(shè)備表面清洗、及對(duì)堅(jiān)硬的金屬及非金屬材料進(jìn)行切割和特種加工等場(chǎng)合。
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