鄭州中天建筑節能有限公司
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上，提出的新型射流。為此，對自激振蕩磨料射流噴嘴的結構和工作原理，分析了脈沖頻率和幅值等參數對磨粒加速效果的影響。根據初步研究表明，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、堅硬巖石巷道（遂道）掘進(jìn)、表面清洗等領(lǐng)域。
從本世紀60年代開(kāi)始，各國專(zhuān)家對脈沖水射流進(jìn)行了大量的理論探討和試驗研究，現已廣泛應用于石油鉆井、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定流動(dòng)特性，通過(guò)調整連續水射流的流動(dòng)參數和結構參數，對射流的渦量擾動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)反饋和放大，將連續射流改變?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。試驗和現場(chǎng)應用證明，這種沖擊力是連續水射流滯止壓力的(1.5～2.5)倍，大大地提高了對靶體材料的沖蝕破壞作用。80年代后期，我國石油工業(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)%，每只噴嘴節省直接鉆井成本為(1.40～2.5)萬(wàn)元。
80年代出現了磨料射流，磨料射流對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(zhù)，系統壓力可降低兩個(gè)數量級。
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遠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構及工作原理
圖1所示為自激振蕩磨料射流噴嘴實(shí)驗裝置簡(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：灰巖，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(cháng)的關(guān)系
從圖7可以看出，當振蕩腔長(cháng)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大于前混合磨料射流。
5 初步結論
自激振蕩磨料射流噴嘴的特點(diǎn)和工作原理，初步給出了主要結構參數和在振蕩射流中磨粒速度的表達式。數值計算結果表明，磨粒速度受振蕩頻率和幅度影響很大，磨料越細、頻率越低，磨粒加速效果越好。初步試驗結果表明，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、堅硬巖石巷道（遂道）的掘進(jìn)、設備表面清洗、及對堅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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