喷嘴
高压水射流成套设备以喷嘴为中心，因为喷嘴是形成水射流工况的直接元件，它所造成的结果直接影响到系统的各个部分。人们总习惯于在主机乃至其它部分不惜高额耗资，而往往忽略最小又最重要的元件——喷嘴。实际上，研究出性能良好、材料适宜又与主机匹配的喷嘴，将极大地提高射流的效率。所以，必须重视喷嘴性能、材料、工艺、检测的研究。喷嘴的完善是成套设备技术水平提高的重要标志之一。
7.1射流功率
水射流工艺是电能-机械能-射流能的转换过程，喷嘴是转换射流能的元件。射流作业的目的是破坏材料，从加工表面上剥除单位体积材料所要求的能量称之为比能，它反映了射流作业过程中能量的利用率。
为了清晰地说明射流作业过程中能量的转换，我们给出这样一个实例【1】:
高压泵的配带电动机功率为60kW，其射流工况为压力70MPa、流量为44L/min。泵中的流体经过内径为4.76mm、长度为10m的配管到达三孔喷嘴继而射向工作表面，喷嘴到工作表面的靶距为30cm，每个喷孔直径为1.4mm。为了说明能量的损耗，试验射流要剥除宽度为5cm、深度为2.5cm的岩石材料，喷嘴的相对位移速度为60m/min，根据作业各个阶段的消耗能量来计算比能值。
单位时间从工作表面上剥除的材料量等于切割深度与切割宽度和喷嘴相对位移速度的乘积。每秒钟的作业量可表示如下:
式中 V——岩石剥除速度，mm
3/s；
h——切割深度，mm；
w——切割宽度，mm；
m——单位时间切割长度，mm/s。切割岩石的比能可由下式得到:
E=P/V式中 E——比能，J/cm
3；
P——功率，kW；
V——单位时间剥除的材料量，cm
3/s。
电动机功率60kW，即P1为60kW，则:
这是一个初始能量值，与后来的有效能量相比较，是一个100%的比能值。
如果电动机效率为90%，则泵的输入功率仅有54kW，即:
式中 η
21 能量传递效率。
额定工况下泵出口的水功率计算如下:
式中 P——水功率，kW.
q——泵额定体积流量，L/min；
p
i——泵出口压力，MPa。
流量为44L/min，通过内径为4.76mm的10m长管线，每m的压力损失约为2.5MPa(见第9章)；另外，为得到所要求的射流束，在喷嘴处随喷嘴角度和喷嘴直径变化的压力损失计算值为3.5MPa。这样，高压水自离开泵到喷嘴排出口的全程压力损失
式中 △p——泵到喷嘴的压力损失，MPa；
△p
l——管路沿程压力损失，MPa；
△p
nn——喷嘴压力损失，MPa；
p——射流压力，MPa；
P
i——泵出口压力，MPa；
P
4——射流功率，kW。
至此可见，高压水由泵排出后，经过管线到喷嘴射流，其能量几乎损失了一半。也就是说，对于44L/min流量，喷嘴直径要求1.4mm，喷嘴流阻系数估算为1.0，喷嘴处射流压力为41.5MPa。
如果靶距为30cm，则相当于215倍喷嘴直径。正常射流靶距则为喷嘴直径的150至200倍。因此，这将偏离最大打击力的射流有效靶距。
经验给出了射流打击力随靶距的衰减曲线方程，即
式中 P
im——射流打击力，MPa；
s——喷嘴到工件表面的靶距，cm。
由此，上例中在工件表面上的打击力为23.7MPa。打击力并非常量，随着靶距的增加，打击力下降梯度较大，可将曲线近似成三角函数来简单估算射流能量。由此得出在工件表面上的有效射流功率为8.1kW，同样得出相应的比能和效率。
图7-1所示为这一水射流设备能量损失的图解说明。由计算可知，从工件表面上剥除1cm
3的材料仅需6.48J的能量，但由于系统的损失，电动机输入到泵的动力却要求为48J/cm
3，在射流到达工件之前，86.5%的输入能量都消耗了，只有13.5%的能量用来做功。
为了克服设备系统的影响，剥除材料实际需要的能量约为有效能量的八倍。
如何改进高压水射流设备、提高射流有用功率是设计人员的任务。在做好系统设备每一个部件的设计与制造的同时，必须设计出最佳喷嘴使之与系统匹配。也就是说喷嘴的设计至关重要，而这一点恰恰最为人们所忽视。
7.2喷嘴型式
喷嘴是水射流设备的重要元件，它最终形成了水射流工况，同时又制约着系统的各个部件。对于喷嘴型式，按形状区分有圆柱形喷嘴、扇形喷嘴、异形喷嘴等；按孔数区分有单孔喷嘴、多孔喷嘴；按压力区分有低压喷嘴、高压喷嘴、超高压喷嘴等。为了表叙的系统性和完整性，本书按压力区分喷嘴，以试图较全面地介绍喷嘴的型式。
7.2.1低压喷嘴
工业用低压喷嘴型式很多。从射流形状设计上，低压喷嘴的成功往往给高压喷嘴许多启示。低压喷嘴的工作压力往往在1MPa至几MPa以内，其射流介质也不仅限于清水，因此液体的温度、粘度、密度、表面张力及其化学腐蚀性能等都是设计时所考虑的因素。
1.空气辅助雾化喷嘴 一定量的压缩空气与液体混合后自喷嘴喷出，从而获得良好的雾化特性。这种典型的两相射流广泛应用于除尘、喷射干燥、湿润、涂装、气体冷却和调节等(见图7-2)。由于空气的辅助雾化特性，这种喷嘴尤其适用于粘度较大液体的喷涂和喷雾。其喷射方式有重力喷射、虹吸喷射和压力喷射三种，每一种方式均对应不同的设备，且均配有不同的手动或自动控制装置，以控制喷雾形状和尺寸。喷雾形状有扁平扇形、大角锥形和小角锥形。在前两种喷射方式中，液位高度和虹吸高度均影响着射流流量和液滴尺寸，而压力喷射由液体调节阀控制压力从而改变了喷射性能，射流流量和液滴取决于液体和气体的耗量，因而也就比前两者的性能更为理想。
图7-3为两种双组分雾化喷嘴结构图，雾化喷嘴压力多在0.4MPa以内。
2.扇形喷嘴 扇形喷嘴直接由喷嘴形状产生平坦均匀的扁平射流，其射流致密性好，扩散角也可在较大范围内变化，其工
业应用依据流量、流速、射流角及覆盖面的不同而不同。这种喷嘴也成功地用在高压水射流中。扇形喷嘴一般包括轴向扇形喷嘴和导向板式扁形喷嘴两类。
轴向扇形喷嘴系液体流经一椭圆喷孔直接形成扇形射流。椭圆喷孔一般由一定角度的“楔”与圆锥形喷孔垂直相贯而成(图7-4)。这种“楔”与圆锥形喷孔的相对尺寸和相关位置决定了扇形射流的形状、厚薄与覆盖面。这一点在高压喷嘴中还要讲到。
图7-5所示为扇形喷嘴的结构。不难看出，它们均是由一个楔形与未通圆锥喷孔相贯而成。其压力大都在1MPa以内。为了加工的方便，很多扇形喷嘴的“楔”不是简单的直槽，而是弧形槽，即在工艺上变水平铣槽为圆弧铣槽(见图7-6)。
导向板式扇形喷嘴也属异形喷嘴，系液体经过一精密加工的导向板表面形成扇形射流。射流经过导向板后基本没有扩散，因而为非渐尖形。其射流截面上具有相对均匀的打击力分布(见图7-1le)。
扇形喷嘴广泛用于清洗、冲刷、喷涂、冷却和表面处理等，将其组合为列式又可用于制作水幕。
3.空心锥形喷嘴 该类喷嘴形成的射流截面为一环形，射流本身具有良好的雾化特性，可广泛用于气体冷却、除尘、喷雾干燥等场合。它又分为轴向进入和切向进入两种。这种喷嘴也已用于高压水射流工况，其特点是集中有限流量大面积作业。
图7-7所示为轴向空心锥形喷嘴，流体自轴向进入锥形插入体旋转，形成空心锥形射流，其压力多在2MPa以内。
图7-8所示为切向空心锥形喷嘴，流体自切向进入一圆柱形空腔旋转，经喷嘴形成空心锥形射流。由于没有插入体，因而安装、加工都相对比较简单，但圆柱形空腔的设计是关键。
4.实心锥形喷嘴 实心锥形喷嘴形成的射流在一圆形或矩形截面上分布特别均匀，因而广泛用于涂装、冷却、静态清洗或漂洗等场合。它也分为轴向进入和切向进入两种。这种喷嘴也已用于高压水射流工况。
图7-9所示为轴向实心锥形喷嘴。喷嘴体内设置一特制的X型叶片，叶片在射流冲击下增加了扰动，从而大大提高了射流分布的均匀度。由于设置阻力，射流扩散性也比较好。
图7-10所示为切向实心锥形喷嘴，它仅用于喷涂作业中，目前这类喷嘴已不采用插入体或叶片，因而已不同于传统的“直角”型实心锥形喷嘴，即使压力波动，其射流分布也特别均匀，喷射角也特别稳定。实心锥形喷嘴压力多在1MPa以内。
5.异形低压喷嘴 图7-11所示为部分异形低压喷嘴。a为螺旋锥形喷嘴，其射流截面形状是两个同心圆，用于塔器的清洗；b为一种可形成锥形射流的多喷嘴喷头，这种方法也常用于高压水射流；c、d为多孔的罐槽清洗喷嘴和园艺喷灌喷嘴，e为导向板式扇形喷嘴。
因为工作压力低，低压喷嘴能以多变的结构产生多变的射流形状。随着技术与工艺的提高，这些喷嘴的工作压力也有不同程度的提高，甚至用至10～30MPa的高压力范围。
7.2.2高压喷嘴
射流特性主要用喷射角、喷幅、冲击力、雾滴平均尺寸及分布等参数表征，不同场合要求的侧重点不一样。对喷雾或喷涂主要要求雾滴尺寸细小、均布。为了减小雾滴尺寸，对单纯压力喷嘴可采取降低流量(缩小孔径)、提高工作压力、增加喷射角等方法。对于空气辅助雾化喷嘴，则可采用减少液体流量(缩小孔径)、增加气体耗量、提高工作压力的方法。随着压力的提高，射流用于高难度清洗、剥层、除锈甚至切割，对于细射流，喷射角越小、冲击力越强越好。
高压水射流设备(高压泵为主机)的压力范围通常为10～100MPa，随着设备可靠性的提高，提高压力和功率也就极大地提高了作业效率和功能，因而高压范围也就扩大到150～200MPa，甚至250MPa。实心流喷嘴喷出的射流具有最集中的打击力及稳定的靶距。大多高压、超高压喷嘴的特点正在于此，即集聚能量、集束射流，以获得最大的射流打击力。这样，高压喷嘴的喷孔形状就很简单，基本上就是圆柱形和扇形，但为了集束射流，喷孔的形状设计还是有规律的；到了超高压喷嘴就只用圆柱形喷孔了。
下面介绍几例典型的实用喷嘴。
1.外表面清洗喷嘴 见图7-12。外表面清洗喷嘴由于其轴向尺寸不受限制，外形设计往往最接近理论喷嘴。在图7-12中，a为典型的高压喷嘴，其压力范围可达200MPa。它由喷嘴套与喷管相联接，垫圈与O形圈用作静密封。根据压力，喷嘴可采用不同的材料。这种喷嘴都用于喷枪，收敛段长度和角度保证了射流集束性。b为另一种枪用圆柱形喷嘴，其特点是自身螺纹联接，轴向尺寸较小，使用方便。该喷嘴的工作压力局限在100MPa。为了延长收敛段的尺寸并便于加工，c型喷嘴采取两段组合。这种方式并不常用。d型喷嘴是为了便于0.5mm喷孔直径加工，将喷嘴做成喷嘴孔板嵌于喷嘴体内。e型喷嘴提供了内螺纹联接的型式。
高压扇形喷嘴的成因与低压扇形喷嘴一致，但由于压力的不同，其结构也各有特色(见图7-13)。由于扇形喷嘴的扩散性，并不要求严格的收敛段。在图7-13中，a型喷嘴压力为75MPa，α为20°～90°。这种自带连接螺纹的缺点是不利于扇形射流位置的调整，因为扇形射流是有方向性的。b型喷嘴仅是一个芯体，它的工作压力最高达到200MPa，d=0.8mm，α=10°～20°。该喷嘴圆柱段与a型截然不同，这就是高压力要求所致。c型喷嘴是一个组合型扇形喷嘴，组合喷嘴看似加工复杂一些，但成型可靠、材料各异、适应面广、便于系列化，是最为人们所接受的。
图7-14所示为扇形喷嘴性能图，可以看出在15MPa压力内，扇形喷嘴不同的射流角度与靶距和射流宽度的关系。扇形喷嘴的特色就在于其射流覆盖面远远大于圆柱形喷嘴。
为了提高水射流的集束性能，各种型式的异形喷嘴也开始由实验室走向商品化。尽管它们形状复杂、加工困难，但标新立异的高聚能追求，于研究于应用都是非常有价值的。图7-15所示为美国AQUA-DYNE公司的异形喷嘴。这些定名为Rankin-Shape Jets
【5】的喷嘴标志着射流喷嘴的新水平。这类射流的共性是以具有锐边的平面防止空气卷裹射流。事实上，由于对空气旋涡的消除，具有锐边平面的Rankin-Shape射流在较大靶距条件下保持了射流的凝聚性和超常的效率。其喷嘴结构是将这种不同形状的喷嘴芯置于外螺纹喷嘴体内与喷管联接。试验证明，磨料射流切割采用异形喷嘴比传统的圆柱形喷嘴性能有较大提高，同时异形喷嘴可以降低水射流的压力和功率。
2.内表面清洗喷嘴 对内表面清洗喷嘴最大的约束条件是径向尺寸，也正如此，它的变化特点多在喷嘴孔的数量上而不是形状上。管道内壁清洗是高压水射流技术的主要市场之一，不同直径的管道、不同材料的垢层、不同形式的堵塞，使得内表面清洗喷嘴型式远远多于外表面清洗喷嘴。这里所介绍的只能是只鳞片爪，但不难由此举一反三。
图7-16所示为典型的内表面清洗喷嘴。a型喷嘴的适应工况是压力低(30MPa)、流量大。喷嘴孔一个轴向向前，其它若干个(视流量设计)呈45°向后。其作用是中心喷孔用于打通被堵塞的管道，向后若干喷孔用于径向管壁清洗和自进，即水射流的反冲力拖动高压软管自动沿管程前行。射流向后还利于垢层的排出。b型喷嘴压力在100～140MPa，喷嘴与软管或硬管连接采用紫铜垫圈密封。径向喷孔呈两层布置，适应于高难度管道内壁清洗。c型喷嘴的特点是直径小，同样必须用紫铜垫圈密封。α角度的不同是为适应不同的管径和垢层。d型和e型喷嘴是同一类的变型。其径向前喷射流反冲力可产生一定旋转扭矩，使喷嘴带动旋转喷杆自动旋转。f型喷嘴的特点是以径向射流为主。g型喷嘴是一种纯径向喷嘴，前段堵头与喷嘴呈两体螺纹连接。h型喷嘴的外径仅10mm，工作压力75MPa，可以与小直径软管直接压制成一体。
为了保证内表面清洗喷嘴的喷孔方向，在外形设计上总要为实现钻孔工艺创造条件。
3.引射喷嘴 图7-17所示为引射喷嘴，专用于磨料射流。由这类喷嘴造成的磨料射流称之为会聚式磨料射流，因为它沿圆周布置的水喷嘴孔与中心磨料通道在磨料喷嘴中心会聚。该喷嘴的特点是高压水自径向输入经若干喷嘴孔变为轴向高速射流，由此而产生的真空度引射磨料由轴向中心孔通过，两者进入磨料喷嘴混合形成磨料射流。径向O形圈是为了密封高压水，而端面O形圈是为了确保引射磨料的真空度。
7.2.3超高压喷嘴
超高压喷嘴多用于水切割，其压力范围基本在200～400MPa之间。这种喷嘴的特点是喷嘴芯为人造宝石，形状也与前面讨论的喷嘴有很大差别。
水切割的对象是金属与非金属板材，其原理是超音速超高压水射流引射磨料形成磨料细射流用以破坏材料。
图7-18为人造宝石超高压喷嘴及其安装组件示意图。其喷嘴直径一般为0.25mm，最小可达0.08mm。为了保证喷嘴的定位与密封，常要附以喷嘴套和喷嘴体做成组件(见图8-2)，也就是说喷嘴组件才适应各种场合的装配，因为喷嘴本身的外形尺寸太小。超高压喷嘴结构很简单，但它的制造工艺特殊。
7.3喷嘴的计算
高压水射流用泵是基于正排量而设计的。这就是说单位时间内泵总是以一个固定的流量经排出管线进入喷嘴自喷孔流出形成射流。如果没有旁通的话，射流流量也就是泵的流量。泵所有流量通过喷嘴小孔须具备一定的流速，这就要求泵有足够的压力来驱动(见式2-12)。也就是说，当喷嘴孔口面积确定后，为使泵产生的流量全部经喷嘴流出，则泵必须具备相应的驱动压力；反之，随着泵的流量和额定压力参数的确定，与之相匹配的喷嘴孔径尺寸也就唯一确定下来。
根据式(2-13)及式(214)可得
式中 d——喷嘴孔出口截面直径(简称喷嘴直径)，mm；
q——射流体积流量，L/min；
μ——喷嘴流量系数；
p——射流压力，MPa。
从前面的分析可以得出，如不计泵出口至喷嘴人口的沿程阻力损失，则泵的额定压力pi就等于射流压力p。如假定管路沿程损失为△p1，则
p=p
i-△P
l (7-2)
代人式(7-1)，则
喷嘴流量系数μ是经验常数(参见式2-16)，其确定参见7.4节。泵出口至喷嘴人口的沿程损失△p
l与管路长度、管径及管路沿程布置等有关(参见第9章)。对高压及超高压水射流系统，沿程损失△p
l相比泵压力pi一般很小，即p
i》△P
l，可以忽略。
喷嘴的计算值与圆整后的实际加工值总是有差别的，而且这种差别有时候还很大，不得不引起人们的重视。比如，人们对喷嘴直径计算值1.05mm和1.15mm的喷嘴总是习惯地圆整到1.1mm。而当直径为1.05mm时，20L/min的流量以385m/s的流速通过0.865mm
2出口截面积的喷嘴；当直径为1.15mm时，同样的流量则以321m/s的流速通过1.038mm
2出口截面积的喷嘴。在这一转变过程的同时，压力也由小直径的75MPa转变为大直径的50MPa。可见，喷嘴直径很小的变化反映到泵压力上则有明显的变化，这从式(7-1)可以看出。压力与喷嘴直径的4次方成反比关系，即喷嘴直径增大1倍，则压力要下降15倍。
使用小直径喷嘴，当流量增加时，不难看到流速和压力都有较大的变化。由式(7-1)可得，当流量由20L/min增加到23L/min，即增加15%，对于相同的喷嘴，则要求泵压力增加约30%。
上述讨论仅适用于单喷嘴设计，而实际情况却经常使用多喷嘴。这种情况下，则由每个单独的喷嘴计算出当量喷嘴直径也可由当量喷嘴直径计算每个单独的喷嘴直径，由当量喷嘴直径代入上述表达式进行喷嘴性能计算。当量喷嘴直径表示为:
例如，有两个0.8mm和一个1.2mm直径的喷嘴，则其当量直径
这个直径则为喷嘴性能的计算值。
为了使用方便，人们将喷嘴性能列成图表，使得喷嘴的各性能参数一目了然，值得推荐。见表7-1、表7-2。
这两个表列出的是实用喷嘴，可以看出两个问题:一是相同直径的喷嘴，在相同压力下，扇形喷嘴的流量低于圆柱形喷嘴，这是缘于扇形喷嘴相对相贯位置不在圆柱喷孔最大直径处所致；二是计算喷嘴直径的表达式中，变量间存在着一个常量的关系，而实际喷嘴变量间并非有个常量关系，它虽在常量上下存在着规律，但也不排除该系数有时会出现异常奇点，这就是实际与理论的差异。
异形喷嘴的计算应采用当量直径。
图7—19为德国WOMA公司喷嘴性能曲线图。其特点是将功率、喷嘴直径、反冲力、压力和流量五个参数坐标融为一图，使用非常方便。下面给出几个用图实例:
(1)已知流量150L/min、射流压力10MPa，不难查到两轴交点的功率坐标为30kW/40HP；
(2)由上述已知条件求喷嘴直径，很容易查到两轴交点在5mm的喷嘴直径坐标上；
(3)已知流量150L/min、射流压力50MPa、喷嘴直径3.4mm，求反冲力，由3.4mm的喷嘴直径与q、p两值三线交点对应作用力坐标即800N。
(4)已知喷嘴直径5mm、射流压力10MPa，求流量，同上，从流量坐标上得出q=150L/min。
图720所示为多孔喷嘴因喷孔方向影响到射流反冲力的降低，这对设计多孔喷嘴是有意义的。
表7-3为美国JetEdge公司超高压 (140～385MPa)喷嘴性能表，从表中可直接查出超高压喷嘴的直径、射流压力及流量值。
7.4喷嘴性能及其失效判据
从7.3节的喷嘴性能表达式和图表中都不难看出，对于一个给定直径的喷嘴，其流量与压力成正比，也就是更高的压力对应更高的流量。而往复式高压泵的特点是正排量，即其流量随压力的变化基本趋于常量。泵和喷嘴的这种性能不一致性，就要求两者之间有一个适量的匹配。图7-21所示为高压泵与喷嘴的性能曲线。
1.喷嘴的流量系数
【2】 通过喷嘴的实际流量q取决于喷嘴的几何造型、内表面粗糙度及其内部流动状态，主要由试验确定。它与其理论流量q
t的比值定义为喷嘴的流量系数(参见式2-16)。该流量系数表征了喷嘴的能量传输效率。
图7-22所示为涉及水射流应用的主要喷嘴型式。试验给出了这些喷嘴的阻力系数、收缩系数、速度系数和流量系数(见表7-4)。
2.喷嘴性能 尽管喷嘴型式很多，但出于性能和加工的综合考虑，工程实际应用的大多是圆锥收敛型喷嘴。
圆锥收敛型喷嘴
【2】的几何参数主要有喷嘴的收缩角α，人口和出口过渡形状及倒角的曲率半径r
1和r
2，出口直径d，圆柱段长度l与直径d的比值，还有喷嘴长度L及内壁表面粗糙度等(见图7-23)。
通常，喷嘴的出口直径d取决于射流的流量与压力，是设计喷嘴的原始数据。需要优选的几何参数有α、l/d、r
1和r
2，尤其是前两项。
图7-24给出五种典型的试验测试结果
【3】。其中，喷嘴A的出口为一个l/d=2.5的圆柱段，喷嘴收缩角α=13°，收缩段与人口和出口圆柱段采取平滑过渡(不倒角)；喷嘴B实际上是一个细长的圆管，l/d=10，人口圆柱段与出口圆柱段之间用118°钝角过渡；喷嘴C为传统的消防喷嘴型式；喷嘴D和E与A属于同一类型，但喷嘴D和E都不带出口圆柱段，且喷嘴D的收缩角较小。
图7-24为在60MPa压力下这五种喷嘴的试验结果，横坐标代表量纲1靶距(s代表靶距，mm)，纵坐标是无因次打击力 (p为所测得的射流打击力，pd为射流出口动压力，即
υ为射流出口速度)。由图可见，喷嘴A的性能最佳，这类喷嘴最早由前苏联G.P.Nikonov设计，其基本特征是α=13°、l/d=2～4。
图7-25为在中等压力和大流量工况下的试验。结果表明，α=13°的有效靶距最大。
图7-26和图7-27说明了喷嘴出口圆柱段长度l的影响。前者是在大流量条件下检验l/d的合理比值；后者则是在小流量条件下做的试验。它的合理靶距是指射流打击力损失25%的靶距，两者试验都表明l/d=2～4为最佳值。
高压喷嘴的设计依循着这一经典试验结果不断地发展，虽因某些结构与尺寸的制约，其喷嘴形状会有某些变化，但万变不离其宗，偏离点的参照物仍是这一理论，即α=13～15°、l/d=2～4。
3.清洗机效率分析
【6】 清洗机效率也就是机组能量的利用率。单讲泵的效率容易理解，通常认为清洗机效率为喷嘴出口处的水射流功率与泵出口处的水功率之比值(泵的输出功率需单独测试)，亦即
式中 μ——喷嘴流量系数；
p——射流压力；
q——射流流量；
p
i——泵出口处压力；
q
i——泵出口流量。
虽然目前对清洗机的效率指标缺乏经验数据，但从公式可以定性地认为清洗机效率与清洗机的基本参数及系统配置有关。由于泵出口至喷嘴人口管路压力损失相对较小，但两处的流量变化很大，如果喷嘴太小，则溢流阀必须溢流，此时清洗机效率主要由溢流流量决定；如果喷嘴直径合适，则泵排出的所有流体均经喷嘴，清洗机效率基本上仅与管路损失及喷嘴能量损失有关，因而清洗机效率极高。所以，提高清洗机效率也要求喷嘴与泵参数匹配。
4.喷嘴的匹配 众所周知，喷嘴直径造成了射流工况，式(7-3)设计喷嘴是依据泵的参数。然而，由于经验系数、计算圆整和加工误差等因素的影响，喷嘴直径与泵额定工况相匹配的实际值与理论值便出现了误差，这就形成了所谓的“初始工况”。对这种误差的控制也就是对初始工况的限制。对于合格匹配的喷嘴，规定其射流工况与额定工况相比较，压力或者流量可以单参数下降在10%以内(详见第18章)。对于一个给定的喷嘴，尽管理论上压力和流量的变化梯度不一样，但这样的规定直观、明确，而且对喷嘴也容易保证。
5.喷嘴的失效判据 喷嘴在高压下使用必然存在摩擦磨损，这就是人们关心的喷嘴寿命问题。不同压力喷嘴的寿命指标将在第18章讨论，但寿命指标仅仅是个经验参照，如何测定喷嘴的寿命值，就需要提出一个喷嘴失效判据。当喷嘴在高压工况下摩擦磨损使得射流压力比初始工况下降了10%，则该喷嘴判废，即它已不可能与泵的额定工况相匹配，必须予以更换。此时的累积运行时间就是它的寿命值。以该时间寿命值与标准规定值相比较，确定该喷嘴是否合适。这种试验也可以作为同一批量喷嘴的寿命依据。
7.5空化喷嘴
【2】 从1.3节中我们知道，当水流系统内的局部压力(指绝对压力)降低到蒸汽压力以下，则能产生瞬态的相变过程，并可能导致空化和气蚀，即产生空化射流。
空化射流的过程描述如下:从喷嘴出来的水射流内诱发含有空气(或水蒸气，或混合气体)的空泡初生；适当地控制射流的靶距，使空泡发展壮大；当射流冲击到靶件上(或附近)时发生溃灭，使靶材引起空蚀破坏。对于任何一个空化喷嘴，都存在着一个相应的最佳靶距。
图7-28所示为空化射流与普通射流打击力的比较。在水中的气体含量(φ为1/6～1/10范围内，空化射流的打击力与普通射流的打击力相比为
式中 F
c——空化射流打击力；
F
g——普通射流打击力。
通过上述的初步估算，如果用空化喷嘴取代普通喷嘴，则泵压可以降低至少一个数量级。但是，由于射流的敛散性不同，空化射流显然在很多应用(如射流切割)中不能取代普通喷嘴。
典型的空化喷嘴是建立在流体力学绕流现象形成的卡门涡街基础上的，也就是说，在喷嘴中人为引起绕流，这就是中心体式空化喷嘴(见图7-29)。中心体有旋叶式a或圆柱体式b。中心体平端可以与喷嘴出口截面保持齐平，也可伸出或缩进喷嘴出口截面。试验证明以缩进为好，伸出则空泡易与大气串通。这种通气现象将消失空泡，使射流粉碎成为液滴。空化喷嘴的工作原理在于流体绕过中心体时出现液体的分离现象。喷嘴出口截面的下游出现充满了旋涡的尾流，空泡在旋涡的中心孕育而初生；在 定射程内，空泡发育长大；临近靶件表面时，由于滞止压力场的影响，空泡迅速收缩以至溃灭。
图7-30所示为中心体式空化喷嘴的靶距与冲蚀深度的特性曲线。中心体和喷嘴尺寸见图的右下方；每个试验点是定点冲击5min所得出的深度。与冲蚀深度的峰值相应的靶距就是最佳靶距，图中出现了两次峰值。
图7-31所示为一中心体式空化喷嘴实例，图7-32为其性能曲线。图a表明当x=-3mm，即中心体的平端位于喷嘴内部时性能最佳；图b表明喷嘴圆柱段长度对性能的影响。
图7-33所示为利用自激共振现象连续产生环状涡流、促进空泡现象产生的各种喷嘴
【6】。可见，空化喷嘴之所以多处于研究阶段，主要是因其形状复杂。
7.6喷嘴的材料与工艺
高压水射流的压力范围很广，因而喷嘴的材料种类也就很多。现阶段制造喷嘴的材料主要有黄铜、不锈钢、优质碳素钢、工具钢、硬质合金、陶瓷、人造宝石、金刚石(由拉丝模转用)等。喷嘴压力越高，要求其材料处理后的硬度也就越高。最常用的高压喷嘴材料为工具钢(如T10)、硬质合金(如WC)，超高压喷嘴材料为人造宝石(如Al
2O
3)等。
人们把直径在1mm以下的孔加工称之为微孔加工，其工艺主要分为机械加工和特种加工两类(见表7-5)
【7】。值得重视的是，机械加工仍得到较广泛应用。
本节主要介绍金属喷嘴和宝石喷嘴的加工工艺。
金属喷嘴多采用传统的机械加工。小孔加工的正确方法是:首先用比要求孔径稍小些、刃沟长度较短的(不超过直径4倍)粗柄钻头中心钻钻出一初始孔，然后采用一般粗柄钻头(刃沟长度为直径的5～7倍)继续钻削，第二把钻头到达孔底之前轴向力减少50%，以防止钻头弯曲。钻头到孔底，轴向力引起的钻头弯曲受孔本身限制，加工质量和表面的尺寸精度都很好。
这里要注意工件材料尽量避免表面硬化；工件的定位要可靠，保证钻削表面与钻头轴线垂直；每次安装钻头后都要检查主轴和钻头的回转精度；要采用较低的切削速度，适当控制进给量。
常用的高速钢直柄麻花钻(图34a)最小直径为0.2mm，其切削部分长度为直径的10～12倍，主要用于在已加工的初始孔上继续加工、扩孔或加长孔的深度；粗柄钻头(图34b)、高速钢钻头最小直径为0.05mm；硬质合金钻头最小直径为0.5mm；适应于非金属材料加工的为外圆有倒锥的钻头(图34c)和背部有凸起的钻头(图34d)。
中心钻为粗柄形式，其切削长度仅为直径的2～4倍。中心钻刚度较大，最适合孔的初始加工。
超硬的金钢石钻头主要用于钻削硬质合金、陶瓷等材料。钻1mm直径的孔，主轴转速为20000r/min，进给量200mm/min，加工精度为5μm。
小孔加工常用机床为小型高精度台式钻床，转速在1700～10000r/min，手动进给。该钻床的钻削主轴和初加工零件都回转，钻头和工件之间有很高的相对速度，可以加工直径为0.04mm的微孔。常用的主轴转速为2000～6000r/min，进给量为0.015～0.05mm/min。表7-6为加工微孔转速推荐值。
微孔加工容易发生排屑不畅、堵断钻头的后果，所以钻孔时一般都采用多次进退钻头的排屑方式。退钻的次数与孔深有关，见表7-7。
红宝石(即人造刚玉)以其它材料无可比拟的硬度(莫氏9级)、耐磨性、耐高温性(在1200°C时仍可正常工作)和化学稳定性，在工业领域应用价值极大
【8】。首先，用环氧树脂与聚酰胺混合物(质量比1:1.5)将宝石粘在玻璃上，然后在切割机上进行切片、切条、断粒(切片用虫胶)。为降低成本，多用多晶宝石，其硬度略低于单晶宝石。
采用激光机打孔，最小孔径可达0.04mm，公差0.02mm。激光打孔采用外圆定位。激光打出的孔并不光滑，且孔壁有烧焦层，需在扩孔机上进行粗扩孔和精扩孔。扩孔质量主要取决于钢丝(T10Mn)的内在质量、几何尺寸(经专门拉拔以后公差0.001mm)和腐蚀质量(要求锥度均匀、表面光滑、无竹节)。钢丝经腐蚀机(腐蚀液)作用后形成一定的锥度。小孔粗扩用钢丝锥度为0.01/1000，精扩用钢丝锥度为0.005/1000。粗精扩用钢丝的不同锥度是由腐蚀液浓度配比不同来实现的。腐蚀液成份为H
2O
2·HNO
3·H
2O。
小孔扩孔在小扩孔机上进行(见图7-35)。图中绕线轮I为钢丝小端。钢丝调整适当后，在宝石粒子上加磨料(小孔粗扩用W5或W2钴粉，钻粉∶花生油=2:150；精扩用W1.5钴粉，钴粉:花生油=2:80)。开车后，轮I与轮Ⅱ的可逆45°转动，使得钢丝相对挡板做往复运动，总趋势是钢丝相对宝石粒子从小头走到大头。钢丝锥度表面把磨料压向宝石孔壁，使其得以研磨。待钢丝走到定位尺(进入无锥度段)再空走300～500mm，取下工件清洗即完成扩孔。
粗扩时孔公差可达0.008mm，粗糙度Ra为0.4～0.1μm，粗扩给精扩的留余量为0.015mm；精扩时孔公差可达0.005mm，粗糙度Ra为0.05～0.025μm。
喷嘴的外圆加工在内基外圆磨上进行。加工出的喷嘴外圆公
差可达0.006mm，粗糙度R
a为0.8～0.2μm，同轴度可达0.003mm。
喷嘴收缩角的加工在专门为加工手表钻石的油槽而设计的油槽机上由磨杆磨出。磨杆配方为钴粉(W
5、W
3各半)∶瓷粉(粘接剂)=1:1。收缩角的检验是用二碘甲烷滴在宝石孔中造影在100倍投影仪上用样板检验。
喷嘴上下平面则由平磨机磨出，即用顶针将喷嘴压紧在磨盘上，以碳化硼磨料(碳化硼:甘油:水=1∶2∶1)磨平喷嘴端面。校磨后的粗糙度Ra达0.2～0.1μm，厚度公差士0.01mm，单面给下道精磨工序留0.01mm加工余量。
接下来的工序是倒棱和精磨。前者以刷子蘸碳化硼磨料刷棱，后者则在纯锡盘上以W1.5玛瑙粉水剂(质量分数为25%～30%)精磨，精磨(又叫压光)后粗糙度Ra可达0.025μm。最后，喷嘴经清洗、检验包装。
7.7射流性能的检测
射流性能的检测项目主要有射流边界、射流工况及射流打击力。
1.射流边界检测 可采用电测法或摄影法。
电测法如图7-36所示。以四根不锈钢探针均布安装在绝缘环上，除针尖外，其它部分都有绝缘套。绝缘环安装在基架上，并用两个千分表指示绝缘环的二维方位。测量时，首先使射流轴心线与水平千分表的中心线对正，并通过不断地调节使电路内的电流降到零，此时的针尖位置就是射流边界。
图7-37所示为平行光照明摄影测量射流边界。射流的速度决定了这种闪光摄影所需闪光设备的闪频，否则射流图象就会模糊。闪光灯的一次曝光时间为0.5μs，这样可使射流运动“冻结”，依次摄取射流结构和边界线的清晰图像(见图3-20)。
2.射流工况检测 射流工况即压力、流量、功率、温度、靶距等可视参数，唯有流量测量较为特殊。流量分为两部分:射流流量和溢流量。后者可直接测量；前者则将射流引入一根相当长度直线段的弯管，用以收集导出流量，然后测取。流量测量既可用容积法，也可用质量法。射流流量是流量中的有效流量，它的大小与持续时间是系统匹配和易损件(如密封、喷嘴等)可靠性的重要标志。
射流工况的测试，详见第18章。
3.打击力检测 打击力(又称作用力)是水射流作功的形式。虽然打击力与反冲力是一对共轭反向力，但是打击力表现在工件上，还受到射流直径、靶距、入射角等因素的影响，因此这两者并非是简单的对等关系。
打击力由皮托管或应变仪接受。若采用不锈钢皮托管，要保证皮托管与射流中心线平行。测量时，皮托管将压力信号输送到压力传感器，经过放大和滤波，再由示波器及记录仪显示出测量结果。压力信号也可以直接用压力表读出。当动压读数为零时，测定出皮托管探头位置，就可得出射流边界。
图7-38所示为采用应变片式压力传感器测取射流打击力
【9】。将喷嘴固定夹持，并保持射流的水平方向。在轴向表面硬化的中碳钢靶板中心有一个0.3mm的测压孔。测压靶板沿射流缓慢移动并穿过射流束中心以改变靶距。压力传感器嵌在硬质金属套内，其上钻有一0.5mm小孔接受射流，为使压力传感器读取到最大值，每次靶距改变时，应使靶板沿垂直射流方向上下运动，以保证其通
过射流轴心而得到准确的打击力分布图。实测结果可反映出脱离喷嘴后的射流结构与变化。
图7-39所示为一次射流打击力实测试验，采用3个BH型荷重传感器、3个MFF-501型数字万用表，以及一个6V电源稳压器和一个测量架。
打击力通过承压板传给三个荷重传感器，压力信号转换成电压信号输出，再由标定好的压力-电压关系曲线查出压力数值，三个传感器所受压力的总和即为射流打击力。结论是打击力和最佳靶距(即最大打击力处靶距)随喷嘴直径d增大而增大；d一定，打击力随压力增大而增大；靶距为100d～125d时，打击力最大(试验工况:p=25～32MPa，q=45～70L/min)。图7-40为不同喷嘴在32MPa压力下打击力随靶距的变化情况。
参考文献
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