超音速拉瓦爾噴嘴設(shè)計(jì)及大功率激光水下切割實(shí)驗(yàn)

王以華

（嘉興學(xué)院，浙江嘉興314001）

超音速拉瓦爾噴嘴設(shè)計(jì)及大功率激光水下切割實(shí)驗(yàn)

王以華

（嘉興學(xué)院，浙江嘉興314001）

針對(duì)傳統(tǒng)會(huì)聚型噴嘴大氣流時(shí)存在激波、紊流度較大及水下切割質(zhì)量差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型的超音速拉瓦爾噴嘴，基于空氣動(dòng)力學(xué)原理及激光光斑的尺寸限制，確定拉瓦爾噴嘴各部分的尺寸，并進(jìn)行大功率激光水下切割實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證采用拉瓦爾噴嘴進(jìn)行水下激光切割的有效性。通過(guò)對(duì)比會(huì)聚型噴嘴表明，采用超音速拉瓦爾噴嘴進(jìn)行水下激光切割，具有切割質(zhì)量、效率高、過(guò)程平穩(wěn)及改善切割效果等特點(diǎn)。

拉瓦爾噴嘴；水下切割；超音速；大功率；切割效果

0　前言

海洋蘊(yùn)藏著豐富的資源，比如海水直接利用、海底石油天然氣、煤鐵礦藏、海濱砂礦及可燃冰等，是國(guó)家重要戰(zhàn)略規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分。海洋資源的有效開發(fā)和利用是快速實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛的重要舉措，海洋平臺(tái)、石油管道、水下支撐平臺(tái)、船舶等大量海洋設(shè)備在建造和修復(fù)過(guò)程中都離不開水下切割技術(shù)，常用的切割技術(shù)有等離子切割、數(shù)控切割、激光切割等。近年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)和智能技術(shù)的快速發(fā)展，水下切割技術(shù)正逐漸朝著智能化、數(shù)字化、信息化、便攜及安全化的方向發(fā)展[1-3]。其中，采用激光切割技術(shù)進(jìn)行水下切割具有較高的切割效率和切割質(zhì)量，并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，是目前國(guó)內(nèi)外水下切割技術(shù)研究的熱點(diǎn)。激光切割的效率和切割速度與噴嘴的結(jié)構(gòu)形式及供氣壓力有著直接關(guān)系，在激光功率一定條件下，較高的供氣壓力能顯著提高切割速度，但傳統(tǒng)的會(huì)聚型噴嘴由于激波的存在，噴嘴的氣流速度只能達(dá)到1 Ma，嚴(yán)重影響了激光切割的切割速度和效率[4]。為了使噴嘴獲得較高的供氣壓力和消除激波，使噴嘴氣流均勻且具有較小的紊流度，因此噴嘴的設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的核心技術(shù)之一。

拉瓦爾噴嘴作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，具有供氣壓力高、氣流溫度、紊流度小等特點(diǎn)，在蒸汽噴射泵等[5]領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。

本研究基于空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)原理，在相關(guān)文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，提出和設(shè)計(jì)了一種新型的超音速拉瓦爾噴嘴結(jié)構(gòu)形式，確定其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，與傳統(tǒng)的會(huì)聚型噴嘴在模擬深水條件下進(jìn)行了大功率激光水下切割實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比研究?jī)烧叩那懈钚Ч?/p>

1　超音速拉瓦爾噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)

超音速拉瓦爾噴嘴采用的是先收縮后擴(kuò)張的噴管結(jié)構(gòu)，能將較低流速或處于某一壓力下的氣體在進(jìn)入此噴嘴后顯著增加收縮段氣體的流速和壓力，并經(jīng)過(guò)擴(kuò)張段獲得超音速的氣流。與會(huì)聚型噴嘴結(jié)構(gòu)不同的是，拉瓦爾噴嘴除包括上述兩段外，還包括使氣流均勻進(jìn)入及有效降低紊流度的穩(wěn)定段和喉口段，共4部分組成，兩者噴嘴的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

a會(huì)聚型b拉瓦爾圖1　兩種不同形式的噴嘴結(jié)構(gòu)示意

由圖1b可知，確定拉瓦爾噴嘴結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)有7個(gè)，分別為穩(wěn)定段長(zhǎng)度Ls、收縮段長(zhǎng)度Lp、喉口長(zhǎng)度La、擴(kuò)張段長(zhǎng)度Le和穩(wěn)定段直徑Ds、喉口直徑Da及噴嘴末端內(nèi)徑De，這些尺寸參數(shù)的合理選擇及確定對(duì)拉瓦爾噴嘴的性能有著直接的影響。

1.1穩(wěn)定段參數(shù)的確定

穩(wěn)定段的目的是降低拉瓦爾噴嘴的紊流度或使流入噴嘴的氣流保持均勻。一般來(lái)說(shuō)，Ds與Da的比值越大，氣流流入越均勻，紊流度也越小，但該段與切割槍端部相連，因而尺寸受到限制，故根據(jù)該段的結(jié)構(gòu)限制和實(shí)際條件選取Ds為13 mm。De要求較低，可根據(jù)激光光斑尺寸大小在3.2～5.5 mm范圍取值。穩(wěn)定段長(zhǎng)度Ls為非主要設(shè)計(jì)尺寸，其大小確定可由噴嘴整體長(zhǎng)度與其他部位長(zhǎng)度相減得到。

1.2喉口段參數(shù)的確定

喉口段尺寸對(duì)拉瓦爾噴嘴性能的影響最為關(guān)鍵，其尺寸大小對(duì)其兩端部位的設(shè)計(jì)影響較為顯著，故需要提前加以確定。

從理論上來(lái)講，喉口長(zhǎng)度La可為0 mm，以便于該位置與收縮段位置相切，但出于加工制造方便的考慮，需要對(duì)喉口部位預(yù)留一段長(zhǎng)度，不過(guò)其值要小于喉口直徑Da，而喉口直徑Da可由下式確定

式中qm和κ分別為氣體流量和氣體等壓與等容熱容量的比值。對(duì)于雙原子分支O2來(lái)說(shuō)，參數(shù)κ可取1.4；R、p0和T0分別為氣體常數(shù)、氣體的工作壓力及溫度；Aa為喉口段的斷口面積。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程及氣體流量與其體積和密度的關(guān)系可得

式中P為噴嘴噴出的氣體壓力，取0.12 MPa；ρ、M、T和V分別為噴出氧氣的密度、相對(duì)分子量、溫度及氣體。

由式（2）和氣體參數(shù)值可計(jì)算出qm約為0.6kg/s，將其代入式（1）可得到直徑Da≈3.85 mm，而用于實(shí)驗(yàn)的激光光斑最大直徑約為3.1 mm，故當(dāng)喉口直徑Da=3.85 mm可確保激光束順利通過(guò)。當(dāng)確定了喉口直徑Da后，喉口長(zhǎng)度La也可確定，取3.5 mm。

1.3收縮段參數(shù)的確定

收縮段的目的就是將低速的氣流迅速提高到亞音速即馬赫數(shù)左右，從圖1b可知，收縮段長(zhǎng)度Lp與該段的半錐角α、Ds和Da有關(guān)。因此，根據(jù)圖1所示的幾何關(guān)系，收縮段長(zhǎng)度Lp為

式中半錐角α為23°～32°。同時(shí)，將Ds和Ds代入式（3）便可得收縮段長(zhǎng)度Lp為9.5 mm。

收縮段的結(jié)構(gòu)及曲線形狀如圖2所示。其中，小圓弧R1和大圓弧R2相切，根據(jù)圖2所示的幾何關(guān)系可得

式中R1和R2分別為小圓弧和大圓弧半徑，其中，小圓弧起穩(wěn)定段圓滑過(guò)渡到收縮段的作用，大圓弧起收縮氣流提高流速的作用。將Lp代入式（4）可得R1+R2＝11.875 mm，取小圓弧R1=1.875 mm，則大圓弧R2=10 mm。

1.4擴(kuò)張段參數(shù)的確定

擴(kuò)張段為低壓區(qū)域，該段的目的是使拉瓦爾噴嘴出口處獲得超音速氣流。擴(kuò)張段的擴(kuò)張角度的確定和計(jì)算方法有很多，為了加工方便和簡(jiǎn)化工藝流程，最常用的一種是直線擴(kuò)張式。擴(kuò)張角的大小對(duì)噴嘴出口處的氣流影響很大，若太大，則會(huì)有嚴(yán)重的激波產(chǎn)生，反之若太小，則會(huì)因通道太長(zhǎng)造成壓力損失，因此擴(kuò)張角的選取要合理，拉瓦爾噴嘴的半頂角β通常選為6°。由于拉瓦爾噴嘴的末端尺寸受到激光光斑尺寸的約束，故擴(kuò)張段直徑De不應(yīng)小于3.2 mm。同時(shí)，為了有效利用激光的能量和適當(dāng)減少激光切割的寬度，擴(kuò)張段直徑De不應(yīng)大于5.5 mm。通過(guò)綜合考慮并根據(jù)實(shí)際情況，擴(kuò)張段直徑De可取為4.85 mm。擴(kuò)張段長(zhǎng)度Le為

圖2　收縮段的結(jié)構(gòu)及曲線形狀示意

將De、Da和半頂角β代入式（5）即可得到擴(kuò)張段長(zhǎng)度Le為4.76 mm。至此，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求和切割條件設(shè)計(jì)的拉瓦爾噴嘴全部尺寸參數(shù)選擇和確定完畢，得到超音速拉瓦爾噴嘴的尺寸標(biāo)注如圖3所示。

圖3　超音速拉瓦爾噴嘴的尺寸

2　大功率激光水下切割實(shí)驗(yàn)及對(duì)比

根據(jù)如圖3所示的超音速拉瓦爾噴嘴尺寸，采用紫銅材料對(duì)噴嘴進(jìn)行加工制作，并將之用于大功率激光水下切割實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所需要的深水環(huán)境可在特制的密封實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)模擬得到。為了更清晰地認(rèn)識(shí)大功率激光水下切割實(shí)驗(yàn)的切割效果，同時(shí)采用傳統(tǒng)的會(huì)聚型噴嘴與本研究提出的新型拉瓦爾噴嘴在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)碳鋼板在模擬的深水環(huán)境下進(jìn)行水下激光切割實(shí)驗(yàn)，并觀察和對(duì)比兩者的切割效果。

為使兩者的實(shí)驗(yàn)條件盡可能保持一致，設(shè)計(jì)用于水下切割實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)會(huì)聚型噴嘴尺寸結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中會(huì)聚型噴嘴的進(jìn)出口直徑、噴嘴總長(zhǎng)、穩(wěn)定段長(zhǎng)度均與拉瓦爾噴嘴相對(duì)應(yīng)的尺寸保持一致，并且用于加工會(huì)聚型噴嘴的材料也采用紫銅材料。進(jìn)行水下切割實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳統(tǒng)會(huì)聚型噴嘴與工件上表面間的距離為0.85 mm，焦點(diǎn)到工件表面的距離為0.90 mm，而用于水下切割實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)會(huì)聚型噴嘴其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及水下切割碳鋼板試樣效果分別如表1和圖5所示。

圖4　傳統(tǒng)會(huì)聚型噴嘴尺寸結(jié)構(gòu)

表1　會(huì)聚型噴嘴水下切割實(shí)驗(yàn)參數(shù)

超音速拉瓦爾噴嘴的尺寸參數(shù)已全部給出，在進(jìn)行水下切割時(shí)噴嘴與焦點(diǎn)與工件上表面的距離與傳統(tǒng)會(huì)聚型噴嘴相同，而用于水下切割實(shí)驗(yàn)的超音速拉瓦爾噴嘴其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)及水下切割碳鋼板試樣的效果分別如表2和圖6所示。

表2　超音速拉瓦爾噴嘴水下切割實(shí)驗(yàn)參數(shù)

對(duì)比圖5和圖6所示切割試樣的實(shí)際切割效果，采用傳統(tǒng)的會(huì)聚型噴嘴對(duì)試樣進(jìn)行水下切割時(shí)，雖然都選取最優(yōu)的工藝參數(shù)，但是從實(shí)際切割效果來(lái)看，試樣仍存在斷面切割質(zhì)量較差和切峰未完全切透的現(xiàn)象。但采用超音速拉瓦爾噴嘴進(jìn)行水下激光切割時(shí)，試樣的橫縱界面的切割質(zhì)量與會(huì)聚型噴嘴的切割質(zhì)量相比有了大幅度提高，切縫完全切透且質(zhì)量較高，并且整個(gè)切割過(guò)程平滑穩(wěn)定，切割的速度及能力也有了很大提高，實(shí)際的切割效果較好。

圖5　會(huì)聚型噴嘴切割試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6　超音速拉瓦爾噴嘴切割試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)論

提出和設(shè)計(jì)了一種新型的超音速拉瓦爾噴嘴結(jié)構(gòu)形式，基于空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論和結(jié)構(gòu)約束確定了拉瓦爾噴嘴的尺寸參數(shù)，加工制作相應(yīng)的拉瓦爾噴嘴實(shí)體，并用于實(shí)際大功率水下激光切割碳鋼板實(shí)驗(yàn)。通過(guò)與傳統(tǒng)的會(huì)聚型噴嘴水下切割實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，采用所設(shè)計(jì)的新型超音速拉瓦爾噴嘴進(jìn)行水下激光切割具有切割效率高、切割過(guò)程平穩(wěn)、切縫及切割質(zhì)量較高的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)在深水環(huán)境下厚鋼板的高效優(yōu)質(zhì)切割。

[1]韓善果，楊永強(qiáng)，閆德俊.先進(jìn)等離子焊接與切割技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2013，43（10）：6-9.

[2]杜文博，朱勝，孟凡軍.水下切割技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].焊接技術(shù)，2009，38（10）：1-5.

[3]殷浩澍.高新切割技術(shù)在我國(guó)造船業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].電焊機(jī)，2004，34（2）：5-8.

[4]劉建華，陳一堅(jiān)，段軍，等.激光切割超音速噴嘴設(shè)計(jì)[J].激光技術(shù)，2000，24（1）：46-50.

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Design of supersonic Laval nozzle and experiment verification of high power laser underwater cutting

WANG Yihua
（Jiaxing University，Jiaxing 314001，China）

Aimingat the problems such as existingshock wave in big airflow，turbulence intensity is larger，and underwater cutting quality is worse byusingthe traditional convergent type nozzle,a novel supersonic Laval nozzle is put forward and designed.The dimension values ofsupersonic Laval nozzle are determined bythe aerodynamics theoryand laser spot size limit，and the high power laser underwater cutting experiment is carried out to verify the cutting effectiveness of the Laval nozzle for underwater laser cutting.Compared with convergent type nozzle，the results showthat the supersonic Laval nozzle for underwater laser cutting has an advantage of higher cutting quality and cutting efficiency，process is smooth and cuttingeffect is improved obviously.

laval nozzle；underwater cutting；supersonic；high power；cutting effect

TG481

A

1001－2303（2016）05－0051-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.11

2014-06-26；

2015-08-13

王以華（1976—），男，湖北監(jiān)利人，講師，碩士，主要從事工業(yè)設(shè)計(jì)的教研工作。