清洗噴槍用扇形霧噴嘴的選型分析

孫 敢，黃建清，季國(guó)煒，張瑞宏

（1.蘇州農(nóng)業(yè)藥械有限公司，江蘇 蘇州 215129；2.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225127）

噴嘴是清洗噴槍產(chǎn)生水射流的關(guān)鍵部件，其原理是利用噴嘴內(nèi)孔面積的變化使高壓水聚集起來(lái)，并轉(zhuǎn)化成動(dòng)能再以高速射流的形式噴出，從而對(duì)物料進(jìn)行擊碎、剝離、沖刷等，使其達(dá)到應(yīng)有的洗消效果[1]。扇形霧噴嘴是清洗噴槍常用的一種噴嘴，具有流量范圍寬、霧角幅度大的特點(diǎn)，常用于清洗火車(chē)、汽車(chē)、飛機(jī)、輪船等設(shè)備。但扇形霧噴嘴結(jié)構(gòu)復(fù)雜于圓孔噴嘴，許多從業(yè)者對(duì)扇形霧噴嘴的選型過(guò)程存在困惑。本文旨在對(duì)扇形霧噴嘴選型過(guò)程進(jìn)行總結(jié)，與大家分享。

1 扇形霧噴嘴霧化原理

壓力液流經(jīng)扇形霧噴嘴碎裂和霧化，包括平面液膜形成與液膜霧化兩個(gè)過(guò)程。壓力液流進(jìn)入噴嘴，經(jīng)端部狹長(zhǎng)縫隙，受切槽面的擠壓，噴出成平面液膜。平面液膜從噴嘴噴出后，受液體流動(dòng)特性、流動(dòng)邊界和氣液物理性質(zhì)等影響。平面液膜受外界氣體的擾動(dòng)作用形成表面振動(dòng)波，該波波幅逐漸增大而逐漸碎裂成線(xiàn)、帶或環(huán)狀，液體的線(xiàn)、帶或環(huán)受氣體的壓力作用再次霧化成大量細(xì)小的液滴[2]。

蘇州農(nóng)業(yè)藥械有限公司試驗(yàn)研究扇形霧噴嘴的霧化原理：壓力液流進(jìn)入扇形霧噴嘴，從噴嘴端部狹長(zhǎng)縫隙中噴出而形成霧幕的過(guò)程，可以看成為等壓條件下的孔口出流，液流經(jīng)孔口噴出形成擴(kuò)散射流的同時(shí)，還受兩側(cè)切槽的擠壓，向兩邊延展，形成了具有一定厚度的液體薄片，液體薄片又在壓力作用下被分裂破碎，形成具有一定霧角的平面霧粒[3]。

2 扇形霧噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)

液體經(jīng)過(guò)噴嘴噴出的霧滴的大小、速度及分布情況等決定于噴嘴的類(lèi)型、大小及制造質(zhì)量[4]。不同類(lèi)型的噴嘴往往有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，扇形霧噴嘴就是如此。按結(jié)構(gòu)不同，扇形霧噴嘴分為兩種：軸向扇形霧噴嘴和導(dǎo)板式扇形霧噴嘴。其中，軸向扇形霧噴嘴為橢圓形截面出口，常用于手持式清洗噴槍?zhuān)簧淞餮貦E圓形長(zhǎng)軸擴(kuò)展，而在橢圓形短軸受限，形成扇面射流。

扇形霧噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有噴孔入射直徑、噴孔終端形狀、V 形切槽及出口截面等。其中，出口終端形狀一般為橢球形；一定角度的V 形切槽與橢球形噴孔終端垂直相貫，形成橢圓形出口截面[5]。圖1為扇形霧噴嘴的出口端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖1 中4 個(gè)幾何參數(shù)決定扇形霧噴嘴的性能。

圖1 扇形霧噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

上述決定扇形霧噴嘴性能的幾何參數(shù)可引申理解為：噴孔終端形狀、切槽至噴孔中心的距離、切槽角度及出口截面面積等。由圖1 可知，噴孔終端形狀由d 和a2兩參數(shù)決定，正常情況下d＜a2，為長(zhǎng)橢球面形終端噴嘴，霧量分布趨于均勻型；當(dāng)d=a2時(shí)，噴孔終端形狀為球形，噴嘴霧量分布形狀為正態(tài)曲線(xiàn)。噴孔終端形狀決定扇形霧噴嘴霧量分布狀。切槽至噴孔中心的距離對(duì)噴嘴霧量霧角有顯著影響。切槽角度（即2α）是噴嘴產(chǎn)生平面霧的關(guān)鍵，扇形霧角度隨著切槽角度的增加而減??；保持出口截面不變，噴嘴噴霧量隨切槽角度增加而增加。

3 水射流水力參數(shù)間的關(guān)系式

工程應(yīng)用中，描述射流特征的參數(shù)很多，就連續(xù)水射流而言，人們最關(guān)心主要基本參數(shù)，它們是射流壓力、射流流量、流速、功率及反沖力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)[6]。

清洗噴槍用扇形霧噴嘴出流可認(rèn)為連續(xù)水射流，在噴嘴出口界面內(nèi)外兩點(diǎn)應(yīng)用伯努利方程，忽略?xún)牲c(diǎn)間高度差，可得關(guān)系式：

式中：p1、p2—噴嘴內(nèi)外靜壓力；v1、v2—噴嘴內(nèi)外流體平均流速；ρ1、ρ2—噴嘴內(nèi)外液體密度。

在噴嘴出口界面內(nèi)外兩點(diǎn)應(yīng)用連續(xù)性方程，可得關(guān)系式：

表1 水射流水力參數(shù)間的關(guān)系式

上述關(guān)系式中，水射流速度與流量是噴嘴選型的最原始依據(jù)，因?yàn)樗淞髑逑粗饕揽可淞鲾y帶的動(dòng)能對(duì)目標(biāo)物造成的沖擊力。在保證沖擊力情況下，扇形霧噴嘴能夠獲得更大的清洗面積，提高清洗效率。

噴嘴流量系數(shù)由噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，流量系數(shù)可由伯努利方程根據(jù)噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算[7]。

射流反沖力與射流流量及射流壓力的平方根成正比，即射流流量的變化要比射流壓力變化對(duì)射流反沖力的影響大；或者射流反沖力與噴嘴直徑的二次方及射流壓力成正比，即噴嘴直徑的變化要比射流壓力變化對(duì)反沖力的影響大[8]。工程應(yīng)用中，作業(yè)人員手持清洗噴槍進(jìn)行作業(yè)，水射流的反沖力直接由個(gè)人承擔(dān)；根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，操作者所能承受的反沖力不應(yīng)大于150 N[9]。噴嘴選型時(shí)，應(yīng)充分考慮反沖力，切勿超過(guò)作業(yè)員的承受極限。

4 噴嘴出口截面面積

扇形霧噴嘴的選型應(yīng)根據(jù)清洗設(shè)備選用的容積泵來(lái)進(jìn)行。噴嘴配套用于清洗噴槍?zhuān)瑲w根結(jié)底是配套用于容積泵，而容積泵是正排量泵，如果沒(méi)有旁通，射流流量即為容積泵全流量。為容積泵安裝調(diào)壓卸荷閥，在容積泵安全工作條件下，只要有足夠的驅(qū)動(dòng)力，流量和壓力即可確定下來(lái)。隨著泵的流量和額定壓力參數(shù)的確定，與之相匹配的噴嘴出口截面面積也就唯一確定下來(lái)[10]。

液流經(jīng)扇形霧噴嘴噴出的霧流可以看成為等壓條件下的孔口出流，其射流出口的投影截面積由下述關(guān)系式表示：

其中，q—射流流量（L/min）；μ—噴嘴流量系數(shù)；g—重力加速度（m/s2）；p—射流壓力（MPa）。

該關(guān)系式可以直接應(yīng)用于扇形霧噴嘴。在扇形霧噴嘴的選型中，只要外部系統(tǒng)參數(shù)已經(jīng)確定，就可以直接計(jì)算出常數(shù)Ap，然后來(lái)確定扇形霧噴嘴的幾何參數(shù)。

然而，通過(guò)公式計(jì)算出的扇形霧噴嘴出口橢圓的幾何參數(shù)往往有很多位小數(shù)，因此需要根據(jù)實(shí)際加工情況進(jìn)行一定的圓整。這時(shí)，需要注意的是，圓整后的數(shù)值計(jì)算出的噴嘴出口面積值與原面積值存在誤差，應(yīng)根據(jù)表1 中的公式，充分分析是否可以應(yīng)用于實(shí)際。

關(guān)系式為不僅適用于單噴嘴，也適用于多噴嘴，只要所有噴嘴的面積之和等于上述計(jì)算面積Ap即可。此時(shí)，更應(yīng)注意通過(guò)上述公式計(jì)算出的幾何參數(shù)值的圓整問(wèn)題，不應(yīng)使累計(jì)誤差影響噴霧嘴性能。

5 射流對(duì)清洗對(duì)象的作用力

使用清洗噴槍清洗時(shí)，主要依靠水射流攜帶的動(dòng)能對(duì)目標(biāo)物造成的沖擊力。這里的沖擊力應(yīng)理解為射流對(duì)清洗對(duì)象總作用力（即打擊力）和射流對(duì)清洗對(duì)象的平均作用力（打擊壓力或稱(chēng)軸向動(dòng)壓）兩個(gè)方面的內(nèi)容。

打擊力與靶距（即噴嘴至目標(biāo)的距離）有關(guān)，可以用半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。公式為Fd=（1.2～1.7）Ft，F(xiàn)t為上述射流反沖力。

打擊壓力隨著射流軸心線(xiàn)沿徑向方向逐漸減小，射流對(duì)目標(biāo)物作用邊緣區(qū)域，通常認(rèn)為打擊壓力為零。

然而，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，許多從業(yè)人員往往只關(guān)注打擊力，一味追求打擊力超過(guò)某一設(shè)定值，而忽略了更為關(guān)鍵的打擊壓力。殊不知，選用扇形霧噴嘴進(jìn)行清洗作業(yè)的前提：在相同的打擊壓力下，水射流通過(guò)扇形霧噴嘴形成的擴(kuò)散角能形成較大面積的液體覆蓋率。也就是，扇形霧噴嘴打擊力大，清洗效率高，還有一個(gè)前提，即滿(mǎn)足清洗要求的打擊壓力。

6 結(jié) 語(yǔ)

從業(yè)者選用扇形霧噴嘴于清洗噴槍?zhuān)粌H要吃透扇形霧噴嘴的霧化原理，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注一下幾點(diǎn)內(nèi)容：

（1）充分認(rèn)識(shí)扇形霧噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并掌握內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)噴嘴霧化性能的影響。

（2）理解記憶水射流水力參數(shù)關(guān)系式及扇形霧噴嘴出口截面計(jì)算關(guān)系式，并掌握各參數(shù)之間的關(guān)系。

（3）準(zhǔn)確理解射流對(duì)清洗對(duì)象的作用力，并正確處理打擊力與打擊壓力在噴嘴選用中關(guān)系。