陳 姣，袁舒欣，楊 剛，唐亞鳴

(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022)

0 引言

空氣霧化是霧化的另一種手段，其原理是借助于高速空氣射流與液體的摩擦、剪切等作用，產(chǎn)生非常均勻和最細(xì)密的霧化效果。一般空氣霧化噴嘴的平均的霧化液滴直徑可達(dá)50μm以下。但空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，必須根據(jù)具體的用途進(jìn)行特定的設(shè)計?？諝忪F化噴嘴主要包括氣體輔助霧化噴(Air－assist Atomizers)、氣泡霧化噴嘴(Effervescent Atomizers)和氣哨噴嘴幾種形式［1～2］。通過對水霧捕塵的分析，干霧噴嘴必須滿足以較低的氣耗率得到細(xì)微的霧化液滴，在此借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，筆者將進(jìn)行理論計算和數(shù)值求解，具體設(shè)計干霧噴嘴結(jié)構(gòu)。

1 噴嘴總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)氣霧噴嘴的性能參數(shù)與功能要求，其設(shè)計需要滿足以下要求。

(1)具有良好的霧化性能，霧化顆粒粒徑要≤10 μm，分布盡可能均勻。

(2)氣耗率是衡量噴嘴使用經(jīng)濟(jì)性的一個重要指標(biāo)。因此在保證霧化性能的前提下，要盡可能地降低氣耗率。

(3)合適的霧化角和射程。霧化角和射程對噴嘴的數(shù)量與布置有著很大影響，一定的霧化角度和射程可以使得噴霧覆蓋除塵空間。

(4)防堵性能，保證長期連續(xù)工作。從防堵的角度，噴嘴結(jié)構(gòu)要簡單，出口口徑不能過小，最好還可以實現(xiàn)自清洗防堵的功能。

(5)滿足一定的強(qiáng)度要求，足以承受工作中的壓力載荷。

(6)具有較長的使用壽命。當(dāng)水與壓縮空氣進(jìn)行動量交換，會對噴嘴進(jìn)行磨損，特別是水氣混合口及噴嘴出口處，所以噴嘴的材料應(yīng)具有一定的抗磨損能力以保證使用壽命。

圖1展示了氣泡式霧化噴嘴的示意圖，國內(nèi)外已經(jīng)對氣泡霧化噴嘴做了較多的研究，從文獻(xiàn)［3］劉聯(lián)勝和文獻(xiàn)［4］梁曉燕所研究的氣泡霧化噴嘴來看，其最小SMD都在20μm左右，尚不能滿足干霧抑塵的要求，故本文不采用氣泡式霧化噴嘴。圖2是Y型噴嘴結(jié)構(gòu)簡圖，屬于氣助式噴嘴，氣耗率高，SMD也不滿足。

圖3、圖4是氣動噴嘴，依靠氣體強(qiáng)大的速度動能對液滴破碎霧化，也可以得到很好的霧化效果。A型噴嘴是液體走中間通道，空氣走環(huán)形周向;B型則正好相反。為了得出更細(xì)微的水霧，滿足設(shè)計要求，需要充分利用高速氣體射流，因此氣體走中間通道，保證氣體流向不變，選擇B型結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)必須改進(jìn)，以大大減少液體額定流量，增強(qiáng)霧化性能。最終，確定噴嘴總體結(jié)構(gòu)如圖5所示，中間氣體通道采用文丘里管［5］。

圖1 氣泡式霧化噴嘴

圖2 Y型噴嘴

圖3 氣動型噴嘴A

圖4 氣動型噴嘴B

圖5 總體結(jié)構(gòu)示意圖

為了得出更細(xì)微的水霧，滿足設(shè)計要求，需要充分利用高速氣體射流，因此選擇氣體走中間通道，所以選擇B型結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)必須改進(jìn)。為了減少液體額定流量，使液氣兩相進(jìn)行充分混合，并增強(qiáng)霧化性能，所以中間氣體通道選擇文丘里管形式。

文丘里管構(gòu)造有多種形式。按斷面形狀分為圓形、環(huán)形和方形三種;按供水方式可分為徑向內(nèi)噴、軸向噴水和溢流供水三類;按喉管直徑的可調(diào)節(jié)性分為可調(diào)的和固定的兩類;按液體霧化方式可分為預(yù)霧化型和非霧化型。文丘里管的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 文丘里管示意圖

2 斷面形狀的選擇

為使水流噴射達(dá)到一定的距離，喉管應(yīng)根據(jù)需要選擇不同的截面。常用的截面形狀有圓形，環(huán)形和矩形，如圖7所示，圖7(a)是圓形，(b)是環(huán)形，(c)是矩形，后兩種主要適用于大風(fēng)量的情況下，因此，本設(shè)計采用圓形的喉管形狀如圖7(a)。文丘里管的內(nèi)表面是一個對稱于旋轉(zhuǎn)軸線的旋轉(zhuǎn)表面，該軸線與管道軸線同軸。對于文丘里管的其他部分的設(shè)計，收縮段是一個圓錐形管道，錐度根據(jù)工作情況而定，擴(kuò)散段也是一個圓錐形管道，但是錐度沒有收縮段大，因為擴(kuò)散段錐度和長度會影響液氣混合體的狀態(tài)，也會影響整個管道的效率。

圖7 文丘里喉管斷面形狀

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為使分散的液滴與氣流的相對速度最大，對供水方式的主要要求是使液滴在喉部整個截面上盡可能快地均勻分布，供水方式主要分為徑向內(nèi)噴、軸向噴水和溢流供水三類，研究發(fā)現(xiàn)，徑向內(nèi)噴適用于小流量的情況下，因此本設(shè)計采用徑向內(nèi)噴的供水方式。

綜合以上主要要求和結(jié)構(gòu)的選擇，最終選定的文丘里管的總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

文丘里噴嘴的主要部分設(shè)計已經(jīng)完成，為了方便加工和拆卸，將文丘里氣管分段加工。最終，按照以上所設(shè)計的噴嘴結(jié)構(gòu)和計算尺寸，運用三維設(shè)計軟件SolidWorks建立了噴嘴的三維建模，其外形圖和剖面圖分別如圖9所示。

其中，環(huán)形液膜水道間隙h=(D1－D2)/2=(42－22)/2=5 mm，注入液體小孔的直徑d=4 mm，數(shù)目N=4，周向環(huán)形均勻布置。連接部分為螺紋連接，在文丘里管底部有密封圈。

式中:Q為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向流量L/min;n為方向盤轉(zhuǎn)速，通常取1 ～1．5 r/s。

3．5 確定油泵供油量Q b

式中:Qb為轉(zhuǎn)向泵的流量，L/min;Qa為輔助工作系統(tǒng)需要的流量，L/min。

當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與輔助工作系統(tǒng)同時工作時，油泵供油量應(yīng)等于兩系統(tǒng)需要的最大流量之和。但是，一般系統(tǒng)不會同時要求兩系統(tǒng)最大流量，因此，油泵供油量可根據(jù)具體情況選小些。當(dāng)兩系統(tǒng)不同時工作時，油泵供油量只要稍大于兩者之中的較大值。

為了保證發(fā)動機(jī)怠速時轉(zhuǎn)向泵也有足夠的流量轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向泵在發(fā)動機(jī)額定狀態(tài)下的流量還應(yīng)大于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向流量Q的3倍。所以，按上述計算完成設(shè)計后，轉(zhuǎn)向泵的排量qB按式(12)進(jìn)行驗算:

式中:qB為轉(zhuǎn)向泵的排量，mL/r;nr為柴油機(jī)額定狀態(tài)時轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速，r/min。

［1］ 郁錄平．工程機(jī)械底盤設(shè)計［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［2］ 吉林工業(yè)大學(xué)．工程機(jī)械液壓與液力傳動［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1979．