清洗喷枪用扇形雾喷嘴的选型分析

孙 敢，黄建清，季国炜，张瑞宏

（1.苏州农业药械有限公司，江苏 苏州 215129；2.扬州大学，江苏 扬州 225127）

喷嘴是清洗喷枪产生水射流的关键部件，其原理是利用喷嘴内孔面积的变化使高压水聚集起来，并转化成动能再以高速射流的形式喷出，从而对物料进行击碎、剥离、冲刷等，使其达到应有的洗消效果[1]。扇形雾喷嘴是清洗喷枪常用的一种喷嘴，具有流量范围宽、雾角幅度大的特点，常用于清洗火车、汽车、飞机、轮船等设备。但扇形雾喷嘴结构复杂于圆孔喷嘴，许多从业者对扇形雾喷嘴的选型过程存在困惑。本文旨在对扇形雾喷嘴选型过程进行总结，与大家分享。

1 扇形雾喷嘴雾化原理

压力液流经扇形雾喷嘴碎裂和雾化，包括平面液膜形成与液膜雾化两个过程。压力液流进入喷嘴，经端部狭长缝隙，受切槽面的挤压，喷出成平面液膜。平面液膜从喷嘴喷出后，受液体流动特性、流动边界和气液物理性质等影响。平面液膜受外界气体的扰动作用形成表面振动波，该波波幅逐渐增大而逐渐碎裂成线、带或环状，液体的线、带或环受气体的压力作用再次雾化成大量细小的液滴[2]。

苏州农业药械有限公司试验研究扇形雾喷嘴的雾化原理：压力液流进入扇形雾喷嘴，从喷嘴端部狭长缝隙中喷出而形成雾幕的过程，可以看成为等压条件下的孔口出流，液流经孔口喷出形成扩散射流的同时，还受两侧切槽的挤压，向两边延展，形成了具有一定厚度的液体薄片，液体薄片又在压力作用下被分裂破碎，形成具有一定雾角的平面雾粒[3]。

2 扇形雾喷嘴内部结构

液体经过喷嘴喷出的雾滴的大小、速度及分布情况等决定于喷嘴的类型、大小及制造质量[4]。不同类型的喷嘴往往有其独特的结构，扇形雾喷嘴就是如此。按结构不同，扇形雾喷嘴分为两种：轴向扇形雾喷嘴和导板式扇形雾喷嘴。其中，轴向扇形雾喷嘴为椭圆形截面出口，常用于手持式清洗喷枪；射流沿椭圆形长轴扩展，而在椭圆形短轴受限，形成扇面射流。

扇形雾喷嘴内部结构主要有喷孔入射直径、喷孔终端形状、V 形切槽及出口截面等。其中，出口终端形状一般为椭球形；一定角度的V 形切槽与椭球形喷孔终端垂直相贯，形成椭圆形出口截面[5]。图1为扇形雾喷嘴的出口端的内部结构，图1 中4 个几何参数决定扇形雾喷嘴的性能。

图1 扇形雾喷嘴的内部结构

上述决定扇形雾喷嘴性能的几何参数可引申理解为：喷孔终端形状、切槽至喷孔中心的距离、切槽角度及出口截面面积等。由图1 可知，喷孔终端形状由d 和a2两参数决定，正常情况下d＜a2，为长椭球面形终端喷嘴，雾量分布趋于均匀型；当d=a2时，喷孔终端形状为球形，喷嘴雾量分布形状为正态曲线。喷孔终端形状决定扇形雾喷嘴雾量分布状。切槽至喷孔中心的距离对喷嘴雾量雾角有显著影响。切槽角度（即2α）是喷嘴产生平面雾的关键，扇形雾角度随着切槽角度的增加而减小；保持出口截面不变，喷嘴喷雾量随切槽角度增加而增加。

3 水射流水力参数间的关系式

工程应用中，描述射流特征的参数很多，就连续水射流而言，人们最关心主要基本参数，它们是射流压力、射流流量、流速、功率及反冲力等动力学参数[6]。

清洗喷枪用扇形雾喷嘴出流可认为连续水射流，在喷嘴出口界面内外两点应用伯努利方程，忽略两点间高度差，可得关系式：

式中：p1、p2—喷嘴内外静压力；v1、v2—喷嘴内外流体平均流速；ρ1、ρ2—喷嘴内外液体密度。

在喷嘴出口界面内外两点应用连续性方程，可得关系式：

表1 水射流水力参数间的关系式

上述关系式中，水射流速度与流量是喷嘴选型的最原始依据，因为水射流清洗主要依靠射流携带的动能对目标物造成的冲击力。在保证冲击力情况下，扇形雾喷嘴能够获得更大的清洗面积，提高清洗效率。

喷嘴流量系数由喷嘴内部结构决定，流量系数可由伯努利方程根据喷嘴内部结构进行计算[7]。

射流反冲力与射流流量及射流压力的平方根成正比，即射流流量的变化要比射流压力变化对射流反冲力的影响大；或者射流反冲力与喷嘴直径的二次方及射流压力成正比，即喷嘴直径的变化要比射流压力变化对反冲力的影响大[8]。工程应用中，作业人员手持清洗喷枪进行作业，水射流的反冲力直接由个人承担；根据实际使用经验，操作者所能承受的反冲力不应大于150 N[9]。喷嘴选型时，应充分考虑反冲力，切勿超过作业员的承受极限。

4 喷嘴出口截面面积

扇形雾喷嘴的选型应根据清洗设备选用的容积泵来进行。喷嘴配套用于清洗喷枪，归根结底是配套用于容积泵，而容积泵是正排量泵，如果没有旁通，射流流量即为容积泵全流量。为容积泵安装调压卸荷阀，在容积泵安全工作条件下，只要有足够的驱动力，流量和压力即可确定下来。随着泵的流量和额定压力参数的确定，与之相匹配的喷嘴出口截面面积也就唯一确定下来[10]。

液流经扇形雾喷嘴喷出的雾流可以看成为等压条件下的孔口出流，其射流出口的投影截面积由下述关系式表示：

其中，q—射流流量（L/min）；μ—喷嘴流量系数；g—重力加速度（m/s2）；p—射流压力（MPa）。

该关系式可以直接应用于扇形雾喷嘴。在扇形雾喷嘴的选型中，只要外部系统参数已经确定，就可以直接计算出常数Ap，然后来确定扇形雾喷嘴的几何参数。

然而，通过公式计算出的扇形雾喷嘴出口椭圆的几何参数往往有很多位小数，因此需要根据实际加工情况进行一定的圆整。这时，需要注意的是，圆整后的数值计算出的喷嘴出口面积值与原面积值存在误差，应根据表1 中的公式，充分分析是否可以应用于实际。

关系式为不仅适用于单喷嘴，也适用于多喷嘴，只要所有喷嘴的面积之和等于上述计算面积Ap即可。此时，更应注意通过上述公式计算出的几何参数值的圆整问题，不应使累计误差影响喷雾嘴性能。

5 射流对清洗对象的作用力

使用清洗喷枪清洗时，主要依靠水射流携带的动能对目标物造成的冲击力。这里的冲击力应理解为射流对清洗对象总作用力（即打击力）和射流对清洗对象的平均作用力（打击压力或称轴向动压）两个方面的内容。

打击力与靶距（即喷嘴至目标的距离）有关，可以用半经验公式进行估算。公式为Fd=（1.2～1.7）Ft，Ft为上述射流反冲力。

打击压力随着射流轴心线沿径向方向逐渐减小，射流对目标物作用边缘区域，通常认为打击压力为零。

然而，实际应用过程中，许多从业人员往往只关注打击力，一味追求打击力超过某一设定值，而忽略了更为关键的打击压力。殊不知，选用扇形雾喷嘴进行清洗作业的前提：在相同的打击压力下，水射流通过扇形雾喷嘴形成的扩散角能形成较大面积的液体覆盖率。也就是，扇形雾喷嘴打击力大，清洗效率高，还有一个前提，即满足清洗要求的打击压力。

6 结 语

从业者选用扇形雾喷嘴于清洗喷枪，不仅要吃透扇形雾喷嘴的雾化原理，还应重点关注一下几点内容：

（1）充分认识扇形雾喷嘴的内部结构，并掌握内部结构对喷嘴雾化性能的影响。

（2）理解记忆水射流水力参数关系式及扇形雾喷嘴出口截面计算关系式，并掌握各参数之间的关系。

（3）准确理解射流对清洗对象的作用力，并正确处理打击力与打击压力在喷嘴选用中关系。