清洗噴槍用扇形霧噴嘴的選型分析

孫 敢，黃建清，季國煒，張瑞宏

（1.蘇州農業藥械有限公司，江蘇 蘇州 215129；2.揚州大學，江蘇 揚州 225127）

噴嘴是清洗噴槍產生水射流的關鍵部件，其原理是利用噴嘴內孔面積的變化使高壓水聚集起來，并轉化成動能再以高速射流的形式噴出，從而對物料進行擊碎、剝離、沖刷等，使其達到應有的洗消效果[1]。扇形霧噴嘴是清洗噴槍常用的一種噴嘴，具有流量范圍寬、霧角幅度大的特點，常用于清洗火車、汽車、飛機、輪船等設備。但扇形霧噴嘴結構復雜于圓孔噴嘴，許多從業者對扇形霧噴嘴的選型過程存在困惑。本文旨在對扇形霧噴嘴選型過程進行總結，與大家分享。

1 扇形霧噴嘴霧化原理

壓力液流經扇形霧噴嘴碎裂和霧化，包括平面液膜形成與液膜霧化兩個過程。壓力液流進入噴嘴，經端部狹長縫隙，受切槽面的擠壓，噴出成平面液膜。平面液膜從噴嘴噴出后，受液體流動特性、流動邊界和氣液物理性質等影響。平面液膜受外界氣體的擾動作用形成表面振動波，該波波幅逐漸增大而逐漸碎裂成線、帶或環狀，液體的線、帶或環受氣體的壓力作用再次霧化成大量細小的液滴[2]。

蘇州農業藥械有限公司試驗研究扇形霧噴嘴的霧化原理：壓力液流進入扇形霧噴嘴，從噴嘴端部狹長縫隙中噴出而形成霧幕的過程，可以看成為等壓條件下的孔口出流，液流經孔口噴出形成擴散射流的同時，還受兩側切槽的擠壓，向兩邊延展，形成了具有一定厚度的液體薄片，液體薄片又在壓力作用下被分裂破碎，形成具有一定霧角的平面霧粒[3]。

2 扇形霧噴嘴內部結構

液體經過噴嘴噴出的霧滴的大小、速度及分布情況等決定于噴嘴的類型、大小及制造質量[4]。不同類型的噴嘴往往有其獨特的結構，扇形霧噴嘴就是如此。按結構不同，扇形霧噴嘴分為兩種：軸向扇形霧噴嘴和導板式扇形霧噴嘴。其中，軸向扇形霧噴嘴為橢圓形截面出口，常用于手持式清洗噴槍；射流沿橢圓形長軸擴展，而在橢圓形短軸受限，形成扇面射流。

扇形霧噴嘴內部結構主要有噴孔入射直徑、噴孔終端形狀、V 形切槽及出口截面等。其中，出口終端形狀一般為橢球形；一定角度的V 形切槽與橢球形噴孔終端垂直相貫，形成橢圓形出口截面[5]。圖1為扇形霧噴嘴的出口端的內部結構，圖1 中4 個幾何參數決定扇形霧噴嘴的性能。

圖1 扇形霧噴嘴的內部結構

上述決定扇形霧噴嘴性能的幾何參數可引申理解為：噴孔終端形狀、切槽至噴孔中心的距離、切槽角度及出口截面面積等。由圖1 可知，噴孔終端形狀由d 和a2兩參數決定，正常情況下d＜a2，為長橢球面形終端噴嘴，霧量分布趨于均勻型；當d=a2時，噴孔終端形狀為球形，噴嘴霧量分布形狀為正態曲線。噴孔終端形狀決定扇形霧噴嘴霧量分布狀。切槽至噴孔中心的距離對噴嘴霧量霧角有顯著影響。切槽角度（即2α）是噴嘴產生平面霧的關鍵，扇形霧角度隨著切槽角度的增加而減??；保持出口截面不變，噴嘴噴霧量隨切槽角度增加而增加。

3 水射流水力參數間的關系式

工程應用中，描述射流特征的參數很多，就連續水射流而言，人們最關心主要基本參數，它們是射流壓力、射流流量、流速、功率及反沖力等動力學參數[6]。

清洗噴槍用扇形霧噴嘴出流可認為連續水射流，在噴嘴出口界面內外兩點應用伯努利方程，忽略兩點間高度差，可得關系式：

式中：p1、p2—噴嘴內外靜壓力；v1、v2—噴嘴內外流體平均流速；ρ1、ρ2—噴嘴內外液體密度。

在噴嘴出口界面內外兩點應用連續性方程，可得關系式：

表1 水射流水力參數間的關系式

上述關系式中，水射流速度與流量是噴嘴選型的最原始依據，因為水射流清洗主要依靠射流攜帶的動能對目標物造成的沖擊力。在保證沖擊力情況下，扇形霧噴嘴能夠獲得更大的清洗面積，提高清洗效率。

噴嘴流量系數由噴嘴內部結構決定，流量系數可由伯努利方程根據噴嘴內部結構進行計算[7]。

射流反沖力與射流流量及射流壓力的平方根成正比，即射流流量的變化要比射流壓力變化對射流反沖力的影響大；或者射流反沖力與噴嘴直徑的二次方及射流壓力成正比，即噴嘴直徑的變化要比射流壓力變化對反沖力的影響大[8]。工程應用中，作業人員手持清洗噴槍進行作業，水射流的反沖力直接由個人承擔；根據實際使用經驗，操作者所能承受的反沖力不應大于150 N[9]。噴嘴選型時，應充分考慮反沖力，切勿超過作業員的承受極限。

4 噴嘴出口截面面積

扇形霧噴嘴的選型應根據清洗設備選用的容積泵來進行。噴嘴配套用于清洗噴槍，歸根結底是配套用于容積泵，而容積泵是正排量泵，如果沒有旁通，射流流量即為容積泵全流量。為容積泵安裝調壓卸荷閥，在容積泵安全工作條件下，只要有足夠的驅動力，流量和壓力即可確定下來。隨著泵的流量和額定壓力參數的確定，與之相匹配的噴嘴出口截面面積也就唯一確定下來[10]。

液流經扇形霧噴嘴噴出的霧流可以看成為等壓條件下的孔口出流，其射流出口的投影截面積由下述關系式表示：

其中，q—射流流量（L/min）；μ—噴嘴流量系數；g—重力加速度（m/s2）；p—射流壓力（MPa）。

該關系式可以直接應用于扇形霧噴嘴。在扇形霧噴嘴的選型中，只要外部系統參數已經確定，就可以直接計算出常數Ap，然后來確定扇形霧噴嘴的幾何參數。

然而，通過公式計算出的扇形霧噴嘴出口橢圓的幾何參數往往有很多位小數，因此需要根據實際加工情況進行一定的圓整。這時，需要注意的是，圓整后的數值計算出的噴嘴出口面積值與原面積值存在誤差，應根據表1 中的公式，充分分析是否可以應用于實際。

關系式為不僅適用于單噴嘴，也適用于多噴嘴，只要所有噴嘴的面積之和等于上述計算面積Ap即可。此時，更應注意通過上述公式計算出的幾何參數值的圓整問題，不應使累計誤差影響噴霧嘴性能。

5 射流對清洗對象的作用力

使用清洗噴槍清洗時，主要依靠水射流攜帶的動能對目標物造成的沖擊力。這里的沖擊力應理解為射流對清洗對象總作用力（即打擊力）和射流對清洗對象的平均作用力（打擊壓力或稱軸向動壓）兩個方面的內容。

打擊力與靶距（即噴嘴至目標的距離）有關，可以用半經驗公式進行估算。公式為Fd=（1.2～1.7）Ft，Ft為上述射流反沖力。

打擊壓力隨著射流軸心線沿徑向方向逐漸減小，射流對目標物作用邊緣區域，通常認為打擊壓力為零。

然而，實際應用過程中，許多從業人員往往只關注打擊力，一味追求打擊力超過某一設定值，而忽略了更為關鍵的打擊壓力。殊不知，選用扇形霧噴嘴進行清洗作業的前提：在相同的打擊壓力下，水射流通過扇形霧噴嘴形成的擴散角能形成較大面積的液體覆蓋率。也就是，扇形霧噴嘴打擊力大，清洗效率高，還有一個前提，即滿足清洗要求的打擊壓力。

6 結 語

從業者選用扇形霧噴嘴于清洗噴槍，不僅要吃透扇形霧噴嘴的霧化原理，還應重點關注一下幾點內容：

（1）充分認識扇形霧噴嘴的內部結構，并掌握內部結構對噴嘴霧化性能的影響。

（2）理解記憶水射流水力參數關系式及扇形霧噴嘴出口截面計算關系式，并掌握各參數之間的關系。

（3）準確理解射流對清洗對象的作用力，并正確處理打擊力與打擊壓力在噴嘴選用中關系。