一种非浸没式中心体异形喷嘴空化射流除锈装置

技术领域

本发明涉及水射流除锈技术领域，具体涉及一种非浸没式中心体异形喷嘴空化射流除锈装置。

背景技术

船体除锈是船舶涂装施工的第一步骤，只有对船体表面进行良好的前处理才能使涂层达到预期的保护效果。由于船体框架制造完成后放置在空气中，会与空气中的氧气发生反应，形成氧化皮、铁锈，以及附着垃圾等物，在涂漆前需要进行除锈处理。船舶除锈是船舶建造过程中的重要环节，贯穿船舶建造的整个过程。除锈不合理不仅对船舶自身带来巨大的直接和间接损失，而且对海洋环境可能有着很大的污染影响。

除锈的目的是使被涂物表面光滑、清洁、增加涂料与被涂物表面的附着能力，充分发挥涂料的抗腐蚀性能，以此延长船舶的使用寿命。水射流除锈是船舶除锈的主流，不会造成二次污染，清洗过后无特殊要求不需进行清洁处理，无有害物质排放与环境污染问题。此外，水射流除锈还可以清洗形状和结构复杂的物件，能在空间狭窄、恶劣的场合进行作业，清洗快速、彻底。水射流技术环保、无污染、工作环境友好。

为达到理想的除锈效果，目前广泛采用的超高压水射流除锈装置的水射流内喷嘴位于低压外喷嘴，通过在喷嘴的中间注入高速高压水流、外层注入低速低压水流。由于输入压力高达280MPa，射流温度达到80℃以上，射流在真空腔内会迅速变成水蒸气，导致除锈成本过高、喷嘴寿命过短。

因此，有必要针对射流除锈装置提出改进方案，以解决目前的技术缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种非浸没式中心体异形喷嘴空化射流除锈装置。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

本阀门提供了一种非浸没式中心体异形喷嘴空化射流除锈装置，包括套筒结构的喷嘴本体，具有同轴布置的中央水流通道和环形水流通道；前者用于输送高速水流，后者用于输送低速水流，两个通道的出水口汇聚在喷嘴嘴尖处；该装置还包括套装在喷嘴本体外侧的环形盒状的外壳，以及沿喷嘴本体周向均匀布置的若干组低速水流速度控制系统；其中，每组低速水流速度控制系统均由动力传动系统和速度调控系统组成；动力传动系统设于外壳中，包括依次连接的液压马达、蜗轮蜗杆减速器和传动轴，传动轴上设有自锁器；速度调控系统设于环形水流通道中，包括内圈、外圈和挡水板；内圈套装在中央水流通道的外侧壁上，外圈紧贴环形水流通道外侧壁的内表面安装；所述传动轴依次穿过设于外壳内侧壁、外圈和内圈上的通孔，挡水板位于外圈和内圈之间且固定在传动轴上。

作为本发明的优选方案，所述低速水流速度控制系统共有四组，且对称地布置在喷嘴本体的同一截面上。

作为本发明的优选方案，在每组低速水流速度控制系统中设有多个挡水板，其中一个挡水板固定在传动轴上，其余挡水板分别固定在各自对应的从动轴上，各挡水板之间以同步带活动相连；各从动轴与传动轴平行布置，且从动轴的两端分别活动安装在外圈和内圈上的通孔中。

作为本发明的优选方案，所述传动轴或从动轴与通孔之间为间隙配合，能在通孔中自由转动；

所述外圈和内圈具有以下的任意一种结构：外圈和内圈分别是一体式结构；外圈和内圈分别有多个，且与传动轴及从动轴一一对应；外圈是一体式结构，内圈有多个且与传动轴及从动轴一一对应；或者，内圈是一体式结构，外圈有多个且与传动轴及从动轴一一对应。

作为本发明的优选方案，在喷嘴本体的轴线方向上，所述中央水流通道的出水口相对地内缩在环形水流通道的出水口之中(即后者在喷嘴本体的中轴线上的投影长于前者更长)。

作为本发明的优选方案，所述环形水流通道由环形直通道和环锥形通道组成，其中环形直通道的头部与外部水管相连，环锥形通道的尾部作为出水口；所述环形盒状的外壳固定在环形直通道的外部，速度调控系统布置在环形直通道的内部。

作为本发明的优选方案，所述中央水流通道由中央直通道和中央锥形通道组成，其中中央直通道的头部与外部水管相连，中央锥形通道的尾部作为出水口；在中央锥形通道起始部位的中轴线上设有挡水块，挡水块是一个半球体，与中央锥形通道的内壁之间保持间距。

作为本发明的优选方案，在中央水流通道的出水口内部于中央锥形通道的尾部设有一个限流圈，其中央通孔面积小于出水口的末端开孔。

作为本发明的优选方案，所述中央水流通道的出水口具有正方形的末端开孔。

作为本发明的优选方案，所述装置还包括供水系统；供水系统包括水池和安置在其中的水泵、柱塞泵，分别通过水管连接至环形水流通道和中央水流通道；在水管上设有压力表和用于旁路的阀门。

发明原理描述：

本发明提供的空化射流除锈装置能够直接以手持方式使用，能够满足实际应用场景中各种除锈工作的需求。相对于需浸没在水中的射流装置而言，本发明毫无疑问是一种“非浸没式”的喷嘴。考虑到在浸没环境下喷嘴射流能够获得更好的空化效果，因此创造性地提出在喷嘴结构的改进：在套筒结构的喷嘴本体内部同轴布置中央水流通道和环形水流通道，利用外圈的低速水流为中间的高速水流人为制造了一个浸没的环境。其中，中央水流通道由直通道、锥形通道和喷嘴嘴尖构成，其中直通道与锥形通道相连，在锥形通道的前端设置限流圈，使流通孔径极速缩小。

空化是指液体内局部压力降低时液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴的形成、发展和溃灭的过程。空化泡是液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴(空泡)。空化泡内部压力降低就意味着形成了局部的真空腔。半球体的挡水块位于锥形通道的中央，高速水流由挡水块绕流后流速进一步得到增加。此时压力降低到汽化压力以下，所产生的空化泡中集中了舌形空化泡。其原理是水流经过半球体产生舌形空化泡，在流速增加的情况下舌形空化泡进一步集中，其爆炸效果更有威力，造成的冲击作用会加强射流带来的击打效果。高速水流通过限流圈后进入扩张段，进一步产生附着型空化，使空泡进一步生长、增强空化效应。因限流圈所承受的水压很大，需要使用结强度较高的结构钢。喷嘴嘴尖采用了正方形出水口，能产生较多的初生空泡，同时能保持空化射流的稳定性，射流距离更长。

环形水流通道的环形直通道中装有能调节水流速度的挡水板，环锥形通道末端的出水口比中央水流通道的出口水更突出，使高速水流在刚离开喷嘴嘴尖后就与低速水流相遇。两种水流由于速度及压力差形成漩涡剪切型空化，与之前的附着型空化作用加和之后，使空化效应达到最大化。

低速水流控制系统可以通过控制环形水流通道中的低速水流的速度大小，来调节喷嘴嘴尖的喷速和喷出形态，以适应不同强度的船舶除锈需求。速度调控系统布置在环形水流通道中，动力传动系统安置在管道以外，并用外壳包裹，也方便拆卸。其中，速度调控系统中的挡水板直接与水流接触，通过控制挡水板的角度能调节低速水流的速度。挡水板的角度控制通过动力传动系统实现驱动，其中液压马达提供旋转动力，蜗轮蜗杆减速器用于提高传动轴的旋转力矩。自锁器用于锁定挡水板的角度，防止挡水板的角度被水流冲击力改变。同一组速度调控系统中可以设有多片挡水板，并通过同步带连接达到同步转动的效果。

本发明利用供水系统为喷嘴提供水源。其中环形水流通道的低速水流由水泵加压输送，示例性的可控制的流速为0.2-0.4m3/min、压力不超过0.5MPa；中央水流通道的高速水流由柱塞泵加压输送，示例性的可控制的流速为0.01-0.09m3/min、压力为15-35MPa。在实际的应用场景中，低速水流和高速水流的具体流速与压力值应由技术人员根据现场的设备状况和除锈工艺要求自行设定。在输送管道上分别安装有旁通阀和压力表，可以调节水路的压力大小。通过控制低速水流的速度大小，可以调节不同的喷速状态，以适应不同强度的船舶除锈情景。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过营造喷头高速水流喷出时的浸没环境，使得高速水流与低速水流相遇后由于速度及压力差形成漩涡剪切型空化，与之前的附着型空化一起，使空化效应达到最大化。

2、本发明通过设置低速水流控制系统来控制喷头环形水流通道的水流速度大小，调节不同的喷速状态，适应不同强度的船舶除锈情景。

3、本发明在高速水流锥形通道中设计有挡水块，当液体经过半圆柱绕流，高速水流的射流流速增加，压力降低到汽化压力以下，产生舌形空化泡集中的空化泡更有利于射流的打击作用。

4、本发明的高速水流出水口采用正方形出口，在出口截面积相同的情况下，正方形出口相比于圆形出口能产生较多的初生空泡，同时其空化射流稳定性较好，射流距离更长。

附图说明

图1为本发明中射流除锈装置的整体结构图；

图2为图1中装置的局部剖视图；

图3为喷嘴本体的内部结构示意图；

图4为喷嘴本体中水流方向的示意图；

图5为喷嘴本体的出水口截面示意图；

图6为低速水流速度控制系统的结构示意图；

图7为图6中的动力传动系统的结构示意图；

图8为图6中的速度调控系统的结构示意图；

图9为供水系统的示意图。

图中的附图标记为：1喷嘴本体，1-1环形水流通道，1-1-1环形直通道，1-1-2环锥形通道，1-2中央水流通道，1-2-1中央直通道，1-2-2中央锥形通道，1-3限流圈，1-4喷嘴嘴尖，1-5中央出水口，1-6环形出水口，1-7挡水块，2低速水流速度控制系统，2-1挡水板，2-2同步带，2-3液压马达，2-4蜗轮蜗杆减速器，2-4-1箱体，2-4-2蜗轮，2-4-3蜗杆，2-5自锁器，2-6外圈，2-7传动轴，2-8外壳，2-9内圈，3供水系统，3-1水泵、3-2旁通阀、3-3柱塞泵、3-4压力表、3-5阀门、3-6水池、3-7目标船壳。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例详细地描述本发明的技术方案。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

本发明的非浸没式中心体异形喷嘴空化射流除锈装置，包括套筒结构的喷嘴本体1，具有同轴布置的中央水流通道1-2和环形水流通道1-1；前者用于输送高速(高压)水流，后者用于输送低速(低压)水流，中央出水口1-5和环形出水口1-6汇聚在喷嘴嘴尖1-4处。环形水流通道1-1由环形直通道1-1-1和环锥形通道1-1-2组成，其中环形直通道1-1-1的头部与外部水管相连，环锥形通道1-1-2的尾部作为出水口。中央水流通道1-2由中央直通道1-2-1和中央锥形通道1-2-2组成，中央直通道1-2-1的头部与外部水管相连，中央锥形通道1-2-2的尾部作为出水口；在中央锥形通道1-2-2起始部位的中轴线上设有挡水块1-7，挡水块1-7是一个半球体，其两侧(或两端)通过杆件固定在低速通道的管道壁内，半球体与中央锥形通道1-2-2的内壁之间保持间距。

该装置还包括套装在环形直通道1-1-1外侧的环形盒状的外壳2-8，以及沿喷嘴本体1周向均匀布置的若干组低速水流速度控制系统2；低速水流速度控制系统2的数量可根据实际情况配置，如图6中共有4组，且对称地布置在喷嘴本体1的同一截面上。

其中，每组低速水流速度控制系2均由动力传动系统和速度调控系统组成。动力传动系统设于外壳2-8中，包括依次连接的液压马达2-3、蜗轮蜗杆减速器2-4和传动轴2-7，传动轴2-7上设有自锁器2-5；速度调控系统布置在环形直通道1-1-1的内部，包括内圈2-9、外圈2-6和挡水板2-1；内圈2-9套装在中央直通道1-2-1的外侧壁上，外圈2-9紧贴环形直通道1-1-1外侧壁的内表面安装。传动轴2-7依次穿过设于外壳2-8内侧壁、外圈2-6和内圈2-9上的通孔，挡水板2-1位于外圈2-6和内圈2-9之间且固定在传动轴2-7上。

在每组速度调控系统中设有多个挡水板2-1，其中一个挡水板2-1固定在传动轴2-7上，其余挡水板2-1则分别固定在各自对应的从动轴上，各挡水板2-1之间以同步带2-2活动相连；各从动轴与传动轴2-7平行布置，且从动轴的两端分别活动安装在外圈2-6和内圈2-9上的通孔中。传动轴2-7或从动轴与通孔之间为间隙配合，能在通孔中自由转动。外圈2-6和内圈2-9具有多种结构形式可选，例如：外圈2-6和内圈2-9分别是一体式结构；外圈2-6和内圈2-9分别有多个，且与传动轴2-7及从动轴一一对应；外圈2-6是一体式结构，内圈2-9有多个且与传动轴2-7及从动轴一一对应；或者，内圈2-9是一体式结构，外圈2-6有多个且与传动轴2-7及从动轴一一对应。

在喷嘴本体1的轴线方向上，中央出水口1-5相对地内缩在环形出水口1-6之中。中央出水口1-5具有正方形的末端开孔。在中央出水口1-5内部于中央锥形通道1-2-2的尾部设有一个限流圈1-3，其中央通孔面积小于中央出水口1-5的末端开孔。

该装置的供水系统3包括水池3-6和安置在其中的水泵3-1和柱塞泵3-3，分别通过水管连接至环形水流通道1-1和中央水流通道1-2；在水管上设有压力表3-4和用于旁路的阀门3-5。在目标船壳3-7的下方可以设置水槽回收喷出的水，通过水槽下方的管线回流至水池3-6中，管线上设阀门3-5。

更为细化的描述内容如下：

本发明提供的非浸没式空化射流除锈方法和装置，包括：如图1所示的喷嘴本体1、低速水流速度控制系统2，以及如图9所示的供水系统3。图2中为喷嘴本体1和低速水流控制系统2的局部剖视图。其中低速水流速度控制系统2由挡水板2-1、同步带2-2、液压马达2-3、蜗轮蜗杆减速器2-4、自锁器2-5、内圈2-9、外圈2-6、传动轴2-7、外壳2-8组成。其中挡水板2-1直接与水流接触，通过控制挡水板2-1与水流方向之间的倾斜角度，就能够调节水流的速度。挡水板2-1的角度控制利用到液压马达2-3和蜗轮蜗杆减速器2-4，其中液压马达2-3提供旋转的动力，蜗轮蜗杆减速器2-4可以提高传动轴的旋转力矩。自锁器2-5能锁定挡水板2-1的角度位置，同一组中的各挡水板2-1之间通过同步带2-2连接，达到同步转动的效果。挡水板2-1布置在环形直通道1-1-1中，将其动力系统安置在管道以外，并用外壳2-8包裹住整个低速水流控制系统2，方便拆卸。通过低速水流控制系统2的控制，可以实现环形水流通道中水流速度的控制，从而调节不同的喷速和射流状态，以适应不同强度的船舶除锈需求。

如图3所示，喷嘴本体1包括环形水流通道1-1、中央水流通道1-2、限流圈1-3，喷嘴嘴尖1-4、中央出水口1-5、环形出水口1-6，利用外圈3-6的低速水流为中间的高速水流制造一个浸没的环境。环形水流通道1-1由环形直通道1-1-1和环锥形通道1-1-2两部分组成，在环形直通道1-1-1中装有能调节不同水流速度的挡水板2-1，该通道的首端外接水管。环锥形通道1-1-2部分连接环形直通道1-1-1的前端，如使用拼接方式应在连接部分采用密封材料(或者直接采用一体式铸造)。环锥形通道1-1-1的末端为环形出水口1-6，是低速水流的出口，相对而言比中央出水口1-5处的高速水流更突出(更靠近目标船壳)，使得高速水流出口处喷出的水流能在喷头前端相遇。高速水流与低速水流相遇后由于速度及压力差形成漩涡剪切型空化，与之前的附着型空化一起，使空化效应达到最大化。

如图4所示，中央水流通道由中央直通道1-2-1、中央锥形通道1-2-2、挡水块1-7、限流圈1-4和喷嘴嘴尖1-5构成。中央直通道1-2-1直接和中央锥形通道1-2-2相连，在锥形通道末端极速缩小且设有限流圈1-4和喷嘴嘴尖1-5结构。高速水流通过中央水流通道中的中央直通道1-2-1后，经中央锥形通道1-2-2收缩段发生空化。当高速水流经过挡水块1-7绕流使射流流速增加，压力降低到汽化压力以下，产生舌形空化泡集中的空化泡更有利于射流的打击作用。水流经限流圈1-3到达喷嘴嘴尖1-4，中央出水口1-5使用的正方形出口和出口处的后续扩张段产生附着型空化，使空泡进一步生长，增强空化效应。

如图5所示，喷嘴的出水口由中央出水口1-5和环形出水口1-6组成。中央水流通道的中央出水口1-5采用的是正方形出水口，能产生较多的初生空泡，且空化射流稳定性较好，射流距离更长。

如图6所示，低速水流速度控制系统2中包括挡水板2-1、同步带2-2、液压马达2-3、蜗轮蜗杆减速器2-4、自锁器2-5、外圈2-6、内圈2-9、传动轴2-7。其中挡水板2-1直接与水流接触，通过控制挡板的角度来调节低速水流区的速度大小。挡水板的角度控制利用到液压马达2-3和蜗轮蜗杆减速器2-4，其中液压马达2-3提供旋转的动力，蜗轮蜗杆减速器2-4可以提高传动轴的旋转力矩，自锁器2-5能锁定挡水板的角度位置，不同位置的挡水板通过同步带2-2连接，达到同步转动的效果。

如图7所示，为低速水流速度控制系统2的动力系统图，其动力系统由液压马达2-3、蜗轮蜗杆减速器2-4、自锁器2-5，传动轴2-7组成，其中蜗轮蜗杆减速器2-4由箱体2-4-1、蜗轮2-4-2、蜗杆2-4-3组成。此动力系统的动力来源于液压马达2-3，经过液压马达2-3的动力输出后，在蜗轮蜗杆减速器2-4经过蜗轮2-4-2和蜗杆2-4-3配合进一步加大传动轴2-7的旋转力矩，在确定好对应挡水板2-1的角度之后，可以控制环形水流通道1-1内的水流速度，同时通过自锁器2-5固定挡水板2-1的角度，维持环形水流通道1-1中水流速度的恒定。

如图8所示，低速水流速度控制系统2中的减速挡板结构图，其由挡水板2-1、外圈2-6组成。其中挡水板2-1主要负责对环形水流通道1-1中的水流速度进行控制，外圈2-6和内圈2-9配合用于挡水板2-1的安装。

如图9所示，供水系统3包括水泵3-1、旁通阀3-2、柱塞泵3-3、压力表3-4、阀门3-5、水池3-6、水管组成，为喷嘴提供水源。其中环形水流通道1-1的水由水泵3-1加压输送，中央水流通道1-2水通过柱塞泵3-3从水池3-6中加压输送。两条管道上都安装有旁通阀3-2，可以调节水路的压力大小。同时，在环形水流通道1-1和中央水流通道1-2都安装有用来测试水流压力的的压力表3-4。调节喷嘴本体1与目标船壳3-7之间的距离后，保持目标船壳3-7不动，通过移动喷嘴本体1，实现对整个表面的清洗。

本发明的非浸没式空化射流除锈装置，通过创新设计使喷嘴内部高速水流经锥形收缩段发生空化，并经后续扩张段产生附着型空化，使空泡进一步生长从而增强空化效应。经实际应用场景下的测试实验，在低于180MPa的输入压力和使用常温水体的情况下，内直径2mm、外直径20mm的喷嘴在输入压力为160MPa的情况下，水射流的功率为13KJ,产生大量的空化泡，达到较强的除锈效果。而现有技术中类似产品如果想要达到类似效果，则通常需要至少280MPa的输入压力和80℃的射流温度。

因此，本发明的射流除锈装置解决了传统技术在进行超高压水射流除锈时必须使用超高压发生装置的问题，能够极大地节约设备投入，也能够为操作人员提供相对更加安全的操作环境。