Page 134 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 陈源捷，等： 基于ESGA遗传算法的水射流自驱旋转喷头优化设计 第 2 期

Rotating body
Bearing
Nozzle Shell

Water inlet

Rotating shaft
Runner

图 5 自驱旋转射流喷头结构
Fig. 5 Structure of self-driven rotary water jet sprayer

1.2 直圆锥型喷嘴结构
直圆锥型喷嘴是一种高效的直喷式喷嘴，产生的射流速度分布均匀，其中心轴线速度的聚集性和稳
定性均优于其他类型喷嘴，已被广泛应用于水射流领域 [13] 。本文中均选用如图 3 所示的直圆锥型喷嘴，
其中 d 为喷嘴出口直径，D 为喷嘴入口直径，β 为收敛角，l 为入口段长度，l 为过渡段长度，l 为出口段
1
3
2
长度。当长径比 l /d=2～3 时，直圆锥型喷嘴的水动力性能处于最佳状态 [14] 。
3
喷嘴孔径 d 是水射流除锈喷嘴的关键参数之一，随着泵的流量和额定压力参数的确定，便可计算出
与之相匹配的喷嘴孔径尺寸。泵的流量和额定压力与喷嘴孔径之间的关系为 [10] ：

q
d m = 0.69 √ (1)
µ p
式中：d 为匹配的喷嘴孔径，mm；p 为泵的压力，MPa；µ为喷嘴流量系数，其值小于 1；q 为泵的流量，
m
L/min。通过式（1）可以看出，喷嘴孔径微小的变化会对泵压产生明显的改变。对于多喷嘴的射流旋转喷
头，由当量喷嘴孔径代入式（1）进行喷嘴性能计算，当量喷嘴孔径表示为 [10] ：

Ã
n
∑
d e = d i 2 i = 1,2,··· ,n (2)
i=1
式中：d 为当量喷嘴孔径，d 为第 i 个喷嘴的孔径，n 为喷嘴的数量。通过对喷嘴孔径的分析可以看出，对
e
i
于一个给定孔径的喷嘴，其流量与压力成正比。
1.3 喷头空间布局分析
随着超高压水射流技术的发展，为适应多场景作业要求，对成套设备的喷头轻量化提出了更高要
求，一字形水射流自驱旋转喷头成为基于中小灵活型移动载体平台的船壁除锈设备的首选方案。目前
一字形自驱旋转喷头一般内嵌多个射流喷嘴，喷嘴数量的增加使得喷头结构越来越复杂。随着喷嘴
数量的增加，喷嘴的布置形式尤为重要 [15] ，如图 6 所示。喷嘴数量太少，射流冲击力不足，无法完全剥
离锈层；过多的喷嘴虽然有助于射流剥离锈层，但是射流之间的相互影响也由此增大，使喷嘴在除锈
过程中射流的冲击能量不能得到充分的利用，因
1 2 3 Rotation center
此喷嘴数量不宜过多也不宜过少 [16] 。当喷嘴冲
击角过小时，会导致射流反冲力产生的旋转力矩
无法抵消旋转轴上的摩擦力矩，使得喷头无法旋
转起来；过大的偏转角虽然有助于克服摩擦力
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矩，使喷头加速旋转，但是过快的转速容易导致
水射流雾化，降低水射流的打击力 ，从而降低 图 6 常规旋转射流喷头布置
[2]
水射流的效率，因此选择合适的冲击角至关重 Fig. 6 Layout of conventional rotary water jet sprayer

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