專利名稱：限定噴孔的水刺噴射條裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及7jC刺處理(hydroentangling process), 更具體而言， 涉及用于水刺處理的噴孔形噴射條裝置的特定構造。
背景技術：
水刺法或"水刺紡織"是用于將松散的纖維網(wǎng)機械結合以直接形 成織物的處理。這種織物的種類屬于"無紡"系列的工業(yè)織物。水刺
法中的基本機理是使纖維受到由一排連續(xù)的高速水射流產(chǎn)生的不均勻 壓力場。在纖維與相鄰的纖維相接觸的情況下，水射流對纖維的沖擊 使相鄰的纖維移位和旋轉，從而引起纖維的纏結。在纖維的這些相對 移位期間， 一些纖維繞其他纖維扭轉并/或與其他纖維互鎖，而形成高 強度的結構，這種高強度至少部分地來源于互相作用的纖維之間的摩 擦力。所得到的產(chǎn)品是由纏結纖維形成的高度壓縮且均勻的織物。這 樣的水刺織物通常是高柔性的，并且是高強度的，通常在性能上優(yōu)于 織造和針織的對照織物。因此，水刺處理是其他制造織物的方法的高 速低成本的替代方法。水刺機可以例如以快達每秒700米或更多織物 的速度運行(制造織物)，其中該織物可以例如具有約l米和約6米之 間的寬度。在工作中，水刺處理取決于將加壓水導引通過特定噴嘴所 產(chǎn)生高速水射流的特定固有屬性。
傳統(tǒng)地，軸向延伸的水刺噴嘴由兩段或兩部分組成。圓筒段(毛 細管部分)通常包括對于噴嘴的流體入口，其具有例如約120微米的 直徑。毛細管部分流體地連接到具有例如約15度錐角的錐形部分，不 過該錐角可以進行較大的改變。具體而言，水刺噴射通過一個或多個 相對薄的板條進行噴射，該板條具有約1米和約6米之間量級的長度， 并且每米具有約1600和約2000個之間的噴孔或噴嘴(例如見圖1 )。制造成千上萬個彼此靠近的這么小的噴孔或噴嘴導致了對這種裝置的 設計處理的許多限制。通常，噴射條是具有例如約1毫米厚度的薄板 條的形式。這些制造限制部分地由于從水刺處理初期開始就通常使用 的錐形管-毛細管幾何結構。雖然在過去三十年中這種噴射條幾何結構 工作良好，但是處理參數(shù)的改變已經(jīng)帶來了對于改善的且更耐久的噴 射條的需求。例如，在水刺處理中用于促使流體通過板條中噴孔或噴
嘴的工作壓力已經(jīng)從約100bar提高到超過500bar。由于加壓流體的 增大的壓力所施加到噴射條的力，噴射條(噴嘴)趨于更快地磨損。 此外，這樣高的流體壓力還可以導致使相同的噴嘴幾何結構產(chǎn)生不同 形狀的水射流。因此，對于低流體壓力的噴嘴工作良好的處理和條件 需要為通過噴嘴產(chǎn)生的高壓水射流進行修改，從而表明現(xiàn)有的噴孔(噴 嘴)幾何結構或其他構造對于高壓水射流不是最優(yōu)的。
噴孔(也稱作"噴嘴"或"噴嘴孔，，)的幾何結構通常對排出的水 射流的一致性具有顯著的影響(參見例如Lin S.P.， Reitz R.D. (1998)， Drop and spray formation from a liquid jet， Ann. Rev. Fluid Mech.， Vol. 30; Wu P.-K.， Miranda R. F.和Faeth G. M. (1995)， Effects of initial flow conditions on primary breakup of non-turbulent and turbulent round liquid jets, Atomization and sprays, Vol. 5， pp. 175-196;或者Vahedi Trafreshi H.和B. Pourdeyhimi(2003) "Effects of Nozzle Geometry on Waterjet Breakup at High Reynolds Numbers"' Experiments in Fluids, (35)364-371 )。在銳邊的水射流噴孔的情況下， 處于板形式的噴射條將受壓水體(在歧管或其他合適裝置中)與下游 的空氣(水刺處理區(qū)域)分離，并且在從板的面對水體的主表面到各 個噴嘴之間存在突然過渡的情況下，噴嘴從加壓水體到下游空氣延伸 通過板的主表面。于是，加壓水在水流中進入噴嘴，其中銳邊使得水 流在噴嘴的流體入口 (毛細管部分)處與噴嘴壁分離，并在進入毛細 管部分時形成射流緊縮(頸縮構形)。根據(jù)毛細管部分的長度以及水流 的水動力學或其他參數(shù)，水流可以在一定距離之后再附著或不附著至 壁(參見例如Lefebvre A. H. ( 1989 ) Atomization and Spray, Hemisphere Publishing Corporation;或者Bayvel， L，和Orzechowski Z, (1993) Liquid Atomization， Taylor & Francis )。
分離流具有使得這樣的流有利于一些應用的某些特性。在分離流 的情況下，在液體和毛細管壁之間存在氣隙，其通常沿著流體入口進 入毛細管。此空氣可能趨于在液體流通過毛細管的整個通路上包圍液 體流，從而可以不允許液相流與毛細管壁之間的任何接觸。因此，在 這種情況下，壁引起的摩擦和空隙現(xiàn)象不會擾亂此流的結構。由這種 分離流得到的水射流(也稱作收縮水射流)具有更高的穩(wěn)定性，并因 此具有更長的分散長度(breakup length)(參見例如Hiroyasu H. (2000)， Spray Breakup Mechanism from the Hole-type Nozzle and Its Applications, Atomization and Sprays, vol.10, pp. 511-521; 或者 Vahedi Tafreshi and Pourdeyhimi 2003 )。與非收縮水射流不同，收縮 水射流可以甚至在相對高的雷諾數(shù)的情況下保持層流。圖2示出了以 相同雷諾數(shù)發(fā)出的收縮和非收縮水射流之間的圖形比較。
當水流進入例如如圖1所示的錐形管-毛細管式噴嘴的錐形管部 分時形成收縮射流。當水流從錐形側進入這種噴嘴時形成非收縮射流。 這些構造分別被稱作下錐形和上錐形式噴嘴。例如如圖2a所示的收縮 水射流的明顯未分散的部分實際上并非連續(xù)的水射流。這種說法在圖 3中得到了證實，在圖3中，將圖2的圖像與沿著水射流的三個不同 位置處拍攝的高速圖像并置。如圖3所示，收縮水射流包括連續(xù)區(qū)域 (圖3b)、離散區(qū)域(圖3c)和霧化區(qū)域(圖3d和3e)。在離散區(qū)域 中，水射流是初級分散的(即，分散為大液滴)。在離散區(qū)域之后，大 液滴出現(xiàn)，可能是由初級分散得到的二級分散，結果是非常細微液滴 的霧化。在圖3d和3e的水射流的圖像中示出了這樣細微的液體。圖 3d圖示了從初級分散得到的大液滴的袋式分散或二級分散。
通常，基于流動是否分離，噴嘴的排出系數(shù)(其定義為從噴嘴排 出的實際(實驗)流率與通過使用非粘性一維流動理論(伯努里方程) 計算得到的流率的比值)分別約0.62和0.92 (參見例如Ohrn, T. R.， Senser， D.W" 和 Lefebvre， H. (1991) "Geometrical effects on
discharge coefficients for plain-orifice atomizers", Atomization and Sprays, 1， pp. 137-153 )。根據(jù)此考慮，使用來自Fluent有限公司的計 算流體動力學(CFD)代碼來求解軸對稱幾何結構中的不穩(wěn)定狀態(tài)的 雷諾平均粘性流體方程(RANS)。觀察到，當水開始流入最初充滿空 氣的毛細管時，因為水在到達毛細管入口之前獲得了沿著噴嘴板的與 水源接觸的表面的動量，所以水變得與毛細管壁分離。水的動量不允 許水流完全遵循板表面與毛細管壁之間突然的90度轉彎。關于此，圖 4示出了在雷諾數(shù)Re = 21250的情況下，水射流的前端在進入噴嘴的 毛細管部分之后隨時間的序列，其中水流與毛細管壁分離。更具體而 言，在約1.2微秒之后，水射流的前端進入噴嘴的錐形部分，但是水 射流在完全進入錐形部分之前將再附著到毛細管壁。 一旦水流再附著 到噴嘴壁，則空氣的再循環(huán)的環(huán)將被捕獲在噴嘴內部位于水射流的分 離點與再附著點之間。氣泡將隨后分散，并且再循環(huán)的空氣區(qū)域將被
水填充。如圖4的后期階段所示，空氣環(huán)的分散及其擴散到液相中， 引起了相對大量的干擾和紊流，這擾亂了所形成射流的整體性和準直 性。因此， 一旦發(fā)生水流對于噴嘴壁的再附著，射流通過噴嘴將不再 是層流并光滑的。
但是，在錐形管-毛細管式噴嘴中發(fā)生的再附著引起的分散在如圖 5a所示的錐形噴嘴中通常不會發(fā)生。如圖5a所示的水流過程表示以 雷諾數(shù)Re = 21250工作的、具有約128微米入口直徑和15度錐角的 錐形管式噴嘴。在1.6微秒的工作之后，錐形管式噴嘴內的空氣循環(huán) 由圖5b中的速度矢量表示。所形成的氣隙因此包圍水射流并保護水流 免受噴嘴壁引起的紊流的影響(參見例如Vahedi Tafreshi H.和 B.Pourdeyhimi (2003) "Effects of Nozzle Geometry on Waterjet Breakup at High Reynolds Nmumbers" ， Experiments in Fluids, (35) 364-371 )。
在水流進入銳邊噴嘴之后形成的分開(分離)但填充有液體的區(qū) 域中通常會發(fā)生水流壓力的降低。但是，如果水流速度大到足以使分 開或分離區(qū)域上的壓力降低到水蒸氣壓，則將發(fā)生蒸發(fā)，并將形成空
蝕穴(參見例3口Knapp R. T" Daily J. W"和Hammitt R G(1970) Cavitation, McGraw-Hill Inc.)。這樣的空穴擾亂噴嘴內的流動模式 (參見例如Schmidt D. P., Rutland C.J.， Corradini M丄.，Roosen P"和 Genge 0"1999) Cavitation in Two Dimensional Asymmetric Nozzles, SAE Technical Series 1999-01-0518; Badock C.， Wirth R.， Fath A.， Leipertz A. (1999) "Investigation of cavitation in real size diesel injection nozzle" International Journal of Heat and Fluid Flow, 20, 538-544;或者Chaves, H.， Knapp， M.， Kubitzek， A.， Obermerier, F"和
Schneider T.(1995) Experimental Study of cavitation in the Nozzle Hole of Diesel Injectors Using Transparent Nozzles, SAE Papers, 1995-0290 )。
對于如圖4所示的構造，當水流再附著至噴嘴壁，并且空氣環(huán)變 成填充有水時，空穴開始形成在初始填充空氣的再循環(huán)區(qū)域中。空穴 泡可以顯著地擾亂噴嘴水流的穩(wěn)定性，并引起使水射流的離散加劇的 紊流。如果空穴化速率強到足以使空穴云(cavitation cloud)生成并 到達噴嘴出口，則下游空氣將上流到噴嘴(抵抗水流)并填充低壓蒸 汽/液體所填充的再循環(huán)區(qū)域(參見例如圖6; Vahedi Tafreshi H.和 Pourdeyhimi B. ( 2004a ) Simulation of Cavitation and Hydraulic Flip inside Hydroentangling Nozzle, Textile Research Journal 74(4)359-364; 或者Vahedi Tafreshi H.和Pourdeyhimi B.(2004b) Cavitation and Hydraulic Flip, FLUENT News, 13(1) 38 )。 一旦出現(xiàn)反向空氣流，貝'J 水流將不再與再循環(huán)區(qū)域中的毛細管壁接觸。因此，空穴停止，穩(wěn)定 的不受擾動的水流流動通過噴嘴，并且形成收縮水射流。此現(xiàn)象還稱 作"水壓回轉(hydraulic-flip )，，。
通常，經(jīng)過相對長的時間("穩(wěn)態(tài)，，)，在通過水壓回轉形成的水射 流與完全無空穴處理中形成的水射流(例如，如圖5a所示)之間存在 很少或不存在差別。因此，如果噴嘴在最初的數(shù)微秒(或者在工作雷 諾數(shù)小于21250時的數(shù)毫秒)引起空穴(圖4)，水射流將不再準直。 因此，在需要準直射流的應用中，即使在射流噴射的最開始(例如，
噴墨打印機)，確定噴嘴內是否發(fā)生再附著可能是非常重要的。此外， 除了影響水射流一體性之外，空穴還可以腐蝕金屬表面(如果噴嘴由 金屬材料制成)，并因此破壞噴嘴形狀。噴嘴壁表面附近的空穴泡的潰
破將產(chǎn)生強壓力波，這導致噴嘴形狀的迅速劣化(參見例如Dumont N.， Simonin O.，和Habchi C.(2001) Numerical Simulation of Cavitating
Flows in Diesel Injectors by a Homogenous Equilibrium Modeling Approach, CAV2001 )。
盡管以上因素表現(xiàn)為有利于錐形管式噴嘴，但是純錐形管噴嘴并 不總是實用的選擇，因為銳利的入口邊緣在高工作壓力的水流下可能 無法持久。但是，對于"微噴嘴"，制造實際"銳邊"的錐形管噴嘴可 能不是在所有應用中都是經(jīng)濟上合理的。因此，在實際中，由于例如 制造處理中高的尺寸公差，可能會在入口處保留毛細管部分。
在實際中，如果噴嘴入口較銳利，則水射流不穩(wěn)定性以及因此導 致的水射流分散長度的波動可能因為結構振動和/或流動脈動而增大 (參見例如Ramamurthi， K.， Patnaik， S.R. (2002) Influence of
periodic disturbances on inception of cavitation in sharp-edged orifices, Experiments in Fluid, 33, 720-727)。這樣的擾動可以引起分 離流再附著到噴嘴壁并開始產(chǎn)生空穴。傳統(tǒng)的或者其它現(xiàn)有技術的由
^嚴重腐蝕。在更高的水壓的情況下，這樣界定的噴射條或噴嘴將更 加容易更迅速地腐蝕。由于空穴導致的這種劣化通常帶來了處理中的 用于更換噴射條的高成本，并且還引起了生產(chǎn)線中不期望的中斷。
因此，存在對水刺噴射條裝置的需求，其中噴孔腐蝕問題和噴射 條耐久性(使用壽命)比現(xiàn)有的噴射條構造有所改善。

發(fā)明內容
通過本發(fā)明滿足以上和其他需要，在一個實施例中，本發(fā)明提供 了一種水刺噴射條裝置，其包括板構件，所述板構件具有相對兩側并 限定形成在所述相對兩側之間延伸的至少一個噴嘴孔。所述至少一個
噴嘴孔中的每個都包括軸向延伸的毛細管部分，所述毛細管部分具有 所述毛細管部分的長度與所述毛細管部分的直徑之間的縱橫比，其中
所述縱橫比小于約0.70以能夠提供無空穴的收縮水射流。在一個示例 中，該縱橫比約為0.62。在其他示例中，流體入口的進口銳利度比值 小于或等于約0.06。在另一個實施例中，板構件可以包括兩個或更多 并置的條部分，其中構成流體入口的條部分由比其他條部分更硬的材 料構成?？蛇x地，板構件的一個或多個表面可以涂覆有硬涂層。
因此，本發(fā)明的實施例提供了如本文中將進一步討論的顯著優(yōu)點。


在這樣以上位概念描述本發(fā)明之后，現(xiàn)在將對附圖進行參考，附 圖并非一定按照比例繪制，附圖中
圖1示意性地圖示了現(xiàn)有技術的錐形管-毛細管式水刺噴嘴噴射 條的一部分，每個噴嘴具有(1 128微米的入口直徑、D"340微米的 出口直徑和l-lmm的條厚度，以形成l的縱橫比；
圖2a和2b圖示了以不同雷諾數(shù)21250、 23900和26200 (從左到 右)發(fā)出的收縮(a)和非收縮(b)的現(xiàn)有技術水射流。
圖3a-3e圖示了以雷諾數(shù)21250發(fā)出的收縮的現(xiàn)有技術水射流 (a)，其中與中央圖像相鄰的高速圖像示出了射流的明顯未分散部分 實際上由連續(xù)波浪區(qū)域(b)和離散(液滴流)區(qū)域(c)組成；其中
(d) 圖示了 (c)中所示的典型液滴的二級分散(例如，袋式分散)；
(e) 圖示了如中央圖像(a)所示的霧化區(qū)域；
圖4圖示了進入初始填充有空氣的錐形管-毛細管式現(xiàn)有技術噴 嘴(雷諾數(shù)21250)的水流的時間序列，其中示出了水流的分離和再 附著；
圖5a和5b圖示了進入初始填充有空氣的錐形管式現(xiàn)有技術噴嘴 的水流的時間序列(a),示出了對于雷諾數(shù)21250的情況的流分離， 其中速度矢量(b)示出了噴嘴內空氣的再循環(huán)；
圖6圖示了蒸汽-空氣混合物密度的等值線圖，其中， 一旦空穴云
到達出口，則發(fā)生水壓回轉；
圖7圖示了以不同雷諾數(shù)進入錐形管-毛細管式噴嘴中的水流，該 噴嘴具有1的縱橫比，其中示出在水流再附著的瞬間對于每個雷諾數(shù) 的圖像；
圖8是圖示對于銳邊的錐形管-毛細管式噴嘴，歸一化的再附著長 度對雷諾數(shù)的曲線圖9圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例，進入具有約0.62的縱橫比的 初始填充有空氣的錐形管-毛細管式噴嘴的水流的時間序列，其中對于 21250的工作雷諾數(shù)未觀察到再附著；
圖10圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的水刺噴射條，其中所述噴嘴 的毛細管部分具有約0.62或更小的縱橫比；并且
圖11圖示了根據(jù)本發(fā)明可選實施例的復合水刺噴射條，其中該復 合條由兩個平板條組成， 一個條限定形成噴嘴的毛細管部分(流體入 口 )，另一個條(流體出口 )限定形成噴嘴的錐形部分或另一毛細管部
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考其中示出了本發(fā)明的部分但非全部實施例的附圖更完 整地描述本發(fā)明。實際上，這些發(fā)明能以許多不同的形式實施，并且 不應該被認為限于本文所述的實施例；相反，提供這些實施例使得本 公開滿足可應用的法律要求。相似的標號一直表示相似元件。
來自錐形管式(或錐形)噴嘴以及錐形管-毛細管式噴嘴中每個的 噴嘴排放系數(shù)由其流動模擬來確定。排放系數(shù)是實際(實驗)噴嘴流 率對理想流動(例如，由伯努里方程)所獲得的噴嘴流率的比值。但 是，模擬排放系數(shù)是由粘流數(shù)值模擬獲得的通過噴嘴的質量流率對由 非粘流理論獲得的噴嘴質量流率的比值。如圖5所示的錐形噴嘴的模 擬排放系數(shù)是約0.61，這與針對從具有1的縱橫比的錐形管-毛細管式 噴嘴發(fā)出的收縮水射流的實驗研究(參見例如，Ghassemieh E.， Versteeg H. K.和Acar M. (2003) Effect of Nozzle Geometry on the
Flow Characteristics of Hydroentangling Jets， Textile Research Journal, 73，5;或者Begenir， A.， Vahedi Tafreshi， H.，和Pourdeyhimi， B.(2004) Effects of the Nozzle Geometry on Hydroentangling Waterjets: Experimental Study, Textile Research Journal 74(2) 178-184)以及文獻中關于來自薄板孔的收縮水射流的其他工作(參見 例如Ramamurthi, K.， Patnaik 2002;和Ohrn等人1991)相一致。相 反，具有縱橫比為1的錐形管-毛細管式噴嘴的排放系數(shù)隨時間改變。 例如，對于這種噴嘴在流體入口下游的毛細管長度的約一半的距離(例 如，約64微米)處的排放系數(shù)可以是在再附著之前為約0.63，而在再 附著之后約三微秒時是約0.93。約0.93的排放系數(shù)對于非收縮水射流 是典型的(參見例如Ramamurthi和Patnaik 2002; Ghassemieh等人 2003;以及Begenir等人2004)。
圖IO和11示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的水刺噴射條裝置的各種 實施例，該裝置總體由標號100表示。裝置100的局部剖視圖示出為 限定形成數(shù)個噴嘴200。但是，本領域的技術人員將會理解，在水刺 處理中使用的這種裝置100經(jīng)常實施為具有至少一個噴嘴200，并優(yōu) 選地實施為具有多個噴嘴200，例如數(shù)十、數(shù)百或者數(shù)千個這種噴嘴 200，其中這種噴嘴200布置成至少一排。噴嘴200通常由板構件300 限定形成，其中這種板構件300可以由任何合適的材料(例如不銹鋼) 構成，或者構造為能夠承受在水刺處理中較為普遍的至少1000bar的 水壓。噴嘴200或限定形成這種噴嘴200的孔可以是例如圓筒形，或 者由錐形管部分以及毛細管部分構成，但是具有包括流體入口 220的 毛細管部分。根據(jù)本發(fā)明的實施例，噴嘴200具有直徑為微米量級(例 如，在約30微米和約350微米之間)的流體入口 220 (毛細管部分)， 以能夠產(chǎn)生所期望的水射流。這樣的噴嘴200還具有在流體入口 220 或進口處相對銳利的邊緣，以允許水射流的準直性。即，毛細管部分 240包括入口邊緣曲率，其被界定為板構件300的表面320與流體入 口 220處毛細管部分240的壁之間的半徑，其中毛細管部分240還將 入口邊緣曲率半徑與毛細管部分240的直徑之間的進口銳利度比值界
定為不大于0.06。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，噴嘴200包括具有不大于0.7的縱橫比 的毛細管部分240，其中，在這種構造中，噴嘴200能夠產(chǎn)生無空穴 的收縮水射流，其類似于由錐形噴嘴產(chǎn)生的水射流，但具有更高程度 的抗腐蝕性(并因此具有更長的使用壽命)，尤其是在毛細管部分240 的長度小于通過噴嘴200的水流的再附著長度的情況下。在相對銳利 的流體入口 220的情況下，模擬了不同壓力下的水流，并由這些模擬 來計算水射流的再附著長度。圖7示出了以不同雷諾數(shù)進行的銳邊毛 細管-錐形管式噴嘴中水射流的再附著。可以通過與噴嘴壁相鄰的單元 中流動密度(其初始等于空氣的流動密度)的突然增大(約2至3個 量級)來確定再附著發(fā)生的瞬間。對于如圖7所示的最低雷諾數(shù)，因 為水平方向的流動沖量不足以將水流與毛細管部分240的豎直壁分
開，所以不存在分離。隨著雷諾數(shù)增大，水流與噴嘴壁分開或分離， 但接著是相對快速的再附著(3150<Re<10，000 )。對于高于10,000的 雷諾數(shù)，在靠近噴嘴200的錐形管部分260的進口處發(fā)生再附著。但 是，雷諾數(shù)的進一步增大不會帶來再附著長度的顯著改變。因此，由 毛細管部分240的直徑歸一化的再附著長度圖示在圖8中。通常，發(fā) 現(xiàn)lr/(3U-0.7似乎是在高雷諾數(shù)情況下對于毛細管部分240中的再附著
長度的一個限值。
圖8至少部分地表明，具有小于0.7的縱橫比的噴嘴200能夠產(chǎn) 生與由錐形噴嘴產(chǎn)生的水射流類似的無空穴的收縮水射流。為了考察 該假設，使具有0.62的縱橫比(其為毛細管部分240的長度與毛細管 部分240的直徑之間的比值)的噴嘴200經(jīng)歷雷諾數(shù)21250的水流。 如圖9所示，在不引起來自噴嘴200的毛細管部分240的壁的任何擾 動的情況下形成收縮層流的水射流。該結果因此表明，圖9中縱橫比 為0.62的錐形管-毛細管噴嘴應該也可應用于具有相似縱橫比的圓筒 噴嘴。圖10因此圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有噴嘴200的噴射 條裝置100的示意圖，噴嘴200具有作為流體入口的毛細管部分240, 其具有相對銳利的邊緣和不大于0.70的縱橫比。在一些情況下，可以
將諸如SPT HiDuraFlex HCC涂層之類的相對硬的涂層400涂覆到包 括噴嘴200的板構件300的表面320,以提高表面320對腐蝕/侵蝕等 的抵抗。
如圖11所示，根據(jù)本發(fā)明一個實施例的噴射條裝置100還可以允 許噴嘴200的毛細管部分和錐形管部分由分離的條部分300a、 300b 形成，該條部分300a、 300b能夠附裝在一起或并置以形成復合板構件 300。如先前討論的，噴射條裝置中的腐蝕/侵蝕效應大部分發(fā)生在流 體入口 220周圍，并且在采用具有不大于0.70的縱橫比的初始毛細管 部分240的實施例中，接著初始毛細管部分240的噴嘴部分通常不會 暴露于顯著的磨損或腐蝕。因此，在一個示例中， 一個條部分300a 可以被構造成僅限定形成噴嘴200的毛細管部分240，而一個或多個 相繼的條部分300b可以被構造成限定形成噴嘴200的錐形管部分260 或延續(xù)的圓筒部分280。在這樣的示例中，可以在(主尺寸)兩側上 使用限定形成毛細管部分240的條部分300a，這是因為毛細管部分240 包括純的圓筒。即，當毛細管部分240在流體入口周圍經(jīng)歷了磨損時， 限定形成毛細管部分240的條部分300a可以翻轉，使得先前與限定形 成錐形管部分260或另一圓筒部分280的條部分相配合的那一側或表 面現(xiàn)在成為初始流體接觸表面320。因此，翻轉此條部分300a的能力 延長了特定裝置100的使用壽命。此外，因為毛細管部分240的純圓 筒形狀遠比傳統(tǒng)的毛細管-錐形管式噴嘴簡單，所以可以更省成本地制 造這樣的薄條部分300a。
此外，因為只有限定形成噴嘴200的毛細管部分240的條部分 300a形成了收縮水射流，所以在相繼的一個或多個條部分300b中不 特別需要制造錐形部分。因此，通常具有等于或略大于毛細管部分240 的直徑的任何圓筒孔都可以用作噴嘴200的"錐形部分"(例如，錐形 管部分260、另一圓筒部分280或者任何其他合適構型)。但是，噴嘴 200的接著錐形管部分240的任何部分不應該具有與相應的毛細管部 分240的直徑相比過大的直徑，以避免限定形成毛細管部分240的相 對薄的條部分300a (其可能在高壓下經(jīng)歷機械變形或失效)的失效。
因此，接著毛細管部分240的錐形管部分260或另一圓筒部分280不 能具有比相應的毛細管部分240的直徑大超過約50%量級的進口或入 口直徑。但是，錐形管部分260或者另一圓筒部分280的入口直徑的 構造可以取決于不同因素，例如噴嘴200之間的間距。在相繼的條部 分300b限定形成噴嘴的錐形管部分260的情況下，錐形管部分260 優(yōu)選地具有不大于90度的錐角。
此外，根據(jù)圖11,裝置100的復合構造還可以允許限定形成噴嘴 的毛細管部分240的條部分300a由比傳統(tǒng)或現(xiàn)有技術的噴射條裝置或 者其他的一個或多個條部分300b更耐磨損且更硬的材料形成，其中這 種更耐磨或更硬的材料可以包括例如硬化鋼或其他合適材料、或者其 組合。可選地，這種相對薄的條部分300a可以涂覆有硬涂層(例如先 前提及的SPTHiDuraFlexHCC涂層、類金剛石材料、碳式涂層、基 于鈦或鎳的涂層、或者其他任何合適的材料或其組合)來代替或附加 于由更硬材料組成的條部分300a。限定形成噴嘴200的毛細管部分240 的條部分300a除了由更硬或更耐磨的材料組成或者涂覆有硬涂層之 外，還可以包括安裝在其中的一個或多個鑲嵌物以形成毛細管部分 240的至少一部分，其中這種鑲嵌物可以包括例如藍寶石、金剛石或 其他合適材料。如先前討論的，因此初始條部分300a可以翻轉，使得 主尺寸的相對兩側成為流體接觸表面，從而可以使得裝置100在需要 更換之前的使用壽命加倍。此外，相繼的條部分300b可以結合到許多 歧管構造中，其中這樣的歧管通常包括噴射條裝置IOO安裝于其上的 裝置，從而避免了對相繼的條部分300b的需要(使得噴射條裝置100 僅包括初始的條部分300a )并對于噴射條裝置100提供了相對大的靈 活性。因此，這樣的噴嘴200可以提供水刺機的更久的持續(xù)工作，并 從而實現(xiàn)顯著的成本節(jié)省，同時還提供了更大范圍的工作參數(shù)和提高 的性能。本發(fā)明所屬領域的技術人員將理解此處所述的本發(fā)明的許多 修改和其它實施例將，其具有在前述說明和相關附圖中給出的教導的 優(yōu)點。因此，應該理解，本發(fā)明不限于此處公開的具體實施例，并且 意圖將修改和其它實施例包括在所附權利要求的范圍內。雖然此處采
用了具體的術語，但是它們僅在上位和說明性的意義上而非出于限制 的目的使用。
權利要求
1.一種水刺噴射條裝置，包括板構件，所述板構件具有相對兩側并限定形成在所述相對兩側之間延伸的至少一個噴嘴孔，所述至少一個噴嘴孔中的每個都包括軸向延伸的毛細管部分，所述毛細管部分具有所述毛細管部分的長度與所述毛細管部分的直徑之間的縱橫比，所述縱橫比小于約0.70以能夠提供無空穴的收縮水射流。
2. 根據(jù)權利要求l所述的裝置，其中所述板構件限定形成布置成 至少一排的多個噴嘴孔。
3. 根據(jù)權利要求l所述的裝置，其中所述板構件還包括至少兩個 獨立的條部分，所述至少兩個條部分被并置以使得所述至少兩個條部 分中的一個條部分限定形成所述板構件的一側，而所述至少兩個條部 分中的另一個條部分限定形成所述板構件的另一側，所述至少兩個條 部分配合使得所述至少一個噴嘴孔在所述相對兩側之間延伸。
4. 根據(jù)權利要求3所述的裝置，其中所述相對兩側還包括流體入 口側和流體出口側，其中所述至少兩個條部分中限定形成所述流體出 口側的所述一個條部分由具有硬度值的第一材料構成，而所述至少兩個條部分中限定形成所述流體入口側的所述另一個條部分由第二材料 構成，所述第二材料的硬度值大于所述第一材料的硬度值。
5. 根據(jù)權利要求4所述的裝置，其中所述至少兩個條部分中限定 形成所述板構件的流體入口側的所述另一個條部分包括相對的主尺寸 兩側，并且其中所述至少兩個條部分中的所述另一個條部分可翻轉， 使得初始指向所述板構件的流體出口側的所述主尺寸側能重定向來限 定形成所述板構件的流體入口側，從而初始限定形成所述板構件的流 體入口側的另 一個主尺寸側重定向來指向所述板構件的流體出口側。
6. 根據(jù)權利要求4所述的裝置，其中所述至少兩個條部分中的所 述另一個條部分限定形成所述至少一個噴嘴孔的所述毛細管部分。
7. 根據(jù)權利要求l所述的裝置，其中所述毛細管部分的所述縱橫 比是約0.62。
8. 根據(jù)權利要求l所述的裝置，其中所述至少一個噴嘴孔還包括 軸向延伸的錐形管部分，所述錐形管部分具有較小端和相反的較大端， 所述毛細管部分和所述錐形管部分軸向串聯(lián)布置，使得所述毛細管部 分從所述相對兩側中的一側延伸到所述錐形管部分的所述較小端，且 所述錐形管部分接著延伸到位于所述相對兩側中的另一側處的所述較 大端，所述毛細管部分和所述錐形管部分因此形成所述至少一個噴嘴 孔。
9. 根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中所述相對兩側還包括流體入 口側和流體出口側，其中所述毛細管部分延伸通過所述流體入口側， 所述錐形管部分的所述較大端延伸通過所述流體出口側。
10. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述毛細管部分包括延伸 通過相對表面中 一個表面的入口 ，使得入口邊緣曲率被定義為所述相 對表面中所述一個表面與所述毛細管部分之間在入口處的半徑，所述 毛細管部分還限定所述入口邊緣曲率半徑與所述毛細管部分的直徑之 間的進口銳利度比值，所述進口銳利度比值不大于0.06。
11. 根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中所述至少一個噴嘴孔的所 述錐形管部分包括在其所述較小端和所述較大端之間延伸的錐形管壁，所述錐形管部分還限定在所述錐形管壁與所述錐形管部分的軸線 之間的錐角，所述錐角不大于90度。
12. 根據(jù)權利要求2所述的裝置，其中所述至少一個噴嘴孔被構 造成能夠通過其流通流體，所述流體具有至少1000bar的壓力。
13. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個噴嘴孔的毛 細管部分具有在約30微米和約350微米之間的直徑。
14. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述相對兩側還包括使得 所述至少一個噴嘴孔的毛細管部分延伸通過的流體入口側，所述流體 入口側具有涂覆到其的涂層，所述涂層被構造為具有大于所述流體入 口側的硬度的硬度。
15. 根據(jù)權利要求4所述的裝置，其中所述兩個條部分中限定形 成所述流體入口側的所述另一個條部分具有相對兩側，并包括涂覆到 所述兩側中至少一側的涂層，所述涂層被構造成具有比構成所述至少 兩個條部分中的所述另一個條部分的第二材料的硬度更大的硬度。
16. 根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中所述板構件還包括兩個獨 立的條部分，所述兩個條部分被并置以使得所述兩個條部分中的一個 條部分限定形成所述板構件的一側和所述至少一個噴嘴孔的所述毛細 管部分，而所述至少兩個條部分中的另 一個條部分限定形成所述板構 件的另一側和所述至少一個噴嘴孔的所述錐形管部分，所述兩個條部 分配合使得所述至少一個噴嘴孔由所述毛細管部分和所述錐形管部分 形成并在所述相對兩側之間延伸。
17. 根據(jù)權利要求1所述的裝置，還包括與所述板構件相鄰布置 的歧管構件，所述歧管構件限定形成軸向延伸的歧管毛細管和軸向延 伸的歧管錐形管中的至少一個，并被構造為與相應的所述至少一個噴 嘴孔配準，所述歧管毛細管和所述歧管錐形管中的所述至少一個的最 小直徑不小于所述至少一個噴嘴孔的所述毛細管部分的直徑，所述歧 管毛細管和所述氣缸錐形管中的所述至少一個與所述至少一個噴嘴孔 的所述毛細管部分配合以由流通通過的流體提供收縮射流。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種水刺噴射條裝置，其中這樣的裝置包括板構件，所述板構件具有相對兩側并限定形成在所述相對兩側之間延伸的至少一個噴嘴孔。所述至少一個噴嘴孔中的每個都包括軸向延伸的毛細管部分，所述毛細管部分具有所述毛細管部分的長度與所述毛細管部分的直徑之間的縱橫比，所述縱橫比小于約0.70以能夠提供無空穴的收縮水射流。
文檔編號D04H1/46GK101107392SQ200580046949
公開日2008年1月16日 申請日期2005年12月9日 優(yōu)先權日2004年12月9日
發(fā)明者B·普爾戴伊希米, H·V·塔弗雷希 申請人:北卡羅來納州大學