水刀實際應用的水射流大致可以分為3種類型:連續射流、脈沖射流、空化射流。
1.連續射流
連續射流是最普通的射流形式,又是一個龐大的家族,可以細分為如下幾類。
(l)根據射流性質分為:
①液體射流(包括水射流和其他液體射流);
②液體一固體射流(即磨料射流);
③液體一氣體一固體射流(氣壓輸送磨料)。
(z)根據射流壓力分為:
①低壓力射流:工作壓力不大于1OMPa的水射流,其系統主機多
為離心泵或低壓往復泵;
②高壓力射流:工作壓力在1OOMPa的水射流,其系統主機多為高
壓往復泵。
◎超高壓力射流:工作壓力不小于1OOMPa的水射流,其系統主機
多為超高壓往復泵和增壓器。
上述劃分依據中國有關標準。由于水射流作業的高壓化、大型化發展趨勢,高壓水射流的概念逐漸認同到150 - 200MPa;超高壓水射流的概念則已認同到工作壓力不小200MPa,因為這是一般水切割作業壓力的下限。對此,水射流設備標準正在修訂。連續射流又可加溫加化學清洗劑、加長鏈聚合物以提高其性能。
(3)根據射流周圍介質分為:
①淹沒射流——水射流在水中或其他液體中噴射;
②非淹沒射流——水射流在空氣中噴射。
(4)根據射流用途分為:
①霧化射流(降塵、噴灌等);
②造型射流(噴泉、人造瀑布、水幕等);
③真空射流(水射流抽吸);
④圓柱射流(消防、清洗等);
⑤細射流(清洗、切割等)。
連續射流的最大壓力p與射流速度U有著下述關系式:
p=pv2/2
式中p——射流液體的質量密度。
這樣,射流壓力與靶距成反比,最大射流壓力也就在初始速度處。若一束水射流的初始速度為915m/s,那么它要求泵的壓力約為410MPa。
在水射流作用下,材料的失效形式主要為剝蝕和斷裂。水射流在200MPa下能切割0.2mm的薄鋼板材,如果加入磨料,這個壓力將大幅度地降低。
2.脈沖射流
脈沖射流是非連續射流,這種間斷射流的形象很類似于子彈射出,它由以下幾種方式產生:
(1)聚能驟放,或日“水炮”;
(2)壓力擠出;
(3)流量調節,又稱“水擊”。
這些射流的性能取決于水擊形成的頻率、水擊長度L與射流直徑D之比和水擊的能量。
脈沖壓力(或稱水擊壓力)導致材料的初期失效 式中c-——聲音在射流流體中的速度,在水里約為l500m/s。
由此可見,為了達到最佳效果,脈沖壓力要比射流打擊力大。然而,基于脈沖射流形式、靶件材料特性,失效可能由沖擊或打擊力作用造成,也可能由兩者綜合作用造成。
聚能驟放型和壓力擠出型都有個共同特性,那就是足夠高的能量產生了脈沖;與此相對應的是流量調節型,它產生了許許多多的脈沖,而每個脈沖僅需很小的能量。
(l)聚能驟放型脈沖射流的特性如下
①速度衰減迅速,脈沖持續相對短促;
@每次脈沖噴射的流量足夠小;
③最大射流速度取決于噴嘴面積比(噴嘴入口截面面積與出口截面面積之比)及噴嘴長度與水擊長度之比而不是噴嘴直徑;
④速度衰減時間是水擊速度的可逆函數。
(2)壓力擠出型脈沖射流的特性如下:
①持續的射流速度與時間和長脈沖有關;
②大流量脈沖特征,脈沖流量取決于泵機組高壓缸容積和行程;
③最大射流速度取決于噴嘴直徑而不是噴嘴面積比;
④相對于壓力隨時間變化關系,靶件負荷接近于階躍函數。
由于這些脈沖射流產生的失效形式不完全控制裂縫延展,結果使靶件表面材料的剝除量大且無規則。
流量調節型脈沖沖射流基本上是間斷連續射流,其結果形成分離間距較小的流體束來沖擊材料表面。這種形式的射流有以下特性:
①每個脈沖所需能量小;
②高頻率的脈沖沖擊;
③脈沖沖擊類似液滴沖擊,不產生持續的靶件負荷,動量作用占主
導地位。
在這種形式的射流沖擊下材料失效與疲勞有關,失效規模比前兩種都要小。這樣,它的尺寸控制就比較好。
將一列共振腔或“風琴管”在共振器里分置,對射流的諧波或副諧波基本頻率產生作用,在噴嘴出口和共振器之間相互作用的蠕動使得壓力波動增大和持續,典型的頻率范圍可達10_20kHz’極大地提高了相同壓力與流量下連續射流的清洗能力。
3.空化射流
空化射流是一種在射流中自然產生空化氣泡的連續射流,空泡或采用空氣或采用淹沒方式產生,采用多種方法在流體中形成一個壓力低于當地蒸汽壓力的區域,這樣也就激發了空化核的生長(流體中的氣泡),這些氣泡被卷入射流進一步生長,直到它們接近被清洗或切割的
表面由于受阻滯而引起破裂。在破裂過程中,產生非常高的壓力和微射流,靶面應力高于大多數材料的抗拉強度。雖然單獨的空泡破裂造成的破壞程度較小,但持續漸增的此類現象使得材料的失效延展擴大。
(1)相對于連續射流,空化射流的優點如下;
①硬質物品所需工作壓力大幅度降低;
②噴嘴和其他高壓部件壽命延長;
@切縫比連續射流要寬得多,這對表面清洗來說是一個優點;
④在水下相對于連續射流性能有所提高。
(2)相對于連續射流,空化射流的缺點如下;
①切縫極大;
②流量比連續射流要大10倍左右;
③切割質量相對不好控制;
④靶距的局限性。
水刀射流系統在清洗與彈藥回收應用方面已有業績。
