超音速拉瓦爾噴嘴設計及大功率激光水下切割實驗

王以華

（嘉興學院，浙江嘉興314001）

超音速拉瓦爾噴嘴設計及大功率激光水下切割實驗

王以華

（嘉興學院，浙江嘉興314001）

針對傳統會聚型噴嘴大氣流時存在激波、紊流度較大及水下切割質量差等問題，設計了一種新型的超音速拉瓦爾噴嘴，基于空氣動力學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，并進行大功率激光水下切割實驗以驗證采用拉瓦爾噴嘴進行水下激光切割的有效性。通過對比會聚型噴嘴表明，采用超音速拉瓦爾噴嘴進行水下激光切割，具有切割質量、效率高、過程平穩(wěn)及改善切割效果等特點。

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，是國家重要戰(zhàn)略規(guī)劃和經濟發(fā)展的重要組成部分。海洋資源的有效開發(fā)和利用是快速實現我國經濟騰飛的重要舉措，海洋平臺、石油管道、水下支撐平臺、船舶等大量海洋設備在建造和修復過程中都離不開水下切割技術，常用的切割技術有等離子切割、數控切割、激光切割等。近年來，隨著機器人技術和智能技術的快速發(fā)展，水下切割技術正逐漸朝著智能化、數字化、信息化、便攜及安全化的方向發(fā)展[1-3]。其中，采用激光切割技術進行水下切割具有較高的切割效率和切割質量，并能實現遠程操控，是目前國內外水下切割技術研究的熱點。激光切割的效率和切割速度與噴嘴的結構形式及供氣壓力有著直接關系，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，但傳統的會聚型噴嘴由于激波的存在，噴嘴的氣流速度只能達到1 Ma，嚴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，因此噴嘴的設計是非常關鍵的核心技術之一。

拉瓦爾噴嘴作為一種新型的結構形式，具有供氣壓力高、氣流溫度、紊流度小等特點，在蒸汽噴射泵等[5]領域得到了廣泛運用。

本研究基于空氣動力學的相關原理，在相關文獻研究的基礎上，提出和設計了一種新型的超音速拉瓦爾噴嘴結構形式，確定其結構尺寸參數，與傳統的會聚型噴嘴在模擬深水條件下進行了大功率激光水下切割實驗，并對比研究兩者的切割效果。

1　超音速拉瓦爾噴嘴結構設計及參數

超音速拉瓦爾噴嘴采用的是先收縮后擴張的噴管結構，能將較低流速或處于某一壓力下的氣體在進入此噴嘴后顯著增加收縮段氣體的流速和壓力，并經過擴張段獲得超音速的氣流。與會聚型噴嘴結構不同的是，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，兩者噴嘴的結構示意如圖1所示。

a會聚型b拉瓦爾圖1　兩種不同形式的噴嘴結構示意

由圖1b可知，確定拉瓦爾噴嘴結構的尺寸參數有7個，分別為穩(wěn)定段長度Ls、收縮段長度Lp、喉口長度La、擴張段長度Le和穩(wěn)定段直徑Ds、喉口直徑Da及噴嘴末端內徑De，這些尺寸參數的合理選擇及確定對拉瓦爾噴嘴的性能有著直接的影響。

1.1穩(wěn)定段參數的確定

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。一般來說，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，故根據該段的結構限制和實際條件選取Ds為13 mm。De要求較低，可根據激光光斑尺寸大小在3.2～5.5 mm范圍取值。穩(wěn)定段長度Ls為非主要設計尺寸，其大小確定可由噴嘴整體長度與其他部位長度相減得到。

1.2喉口段參數的確定

喉口段尺寸對拉瓦爾噴嘴性能的影響最為關鍵，其尺寸大小對其兩端部位的設計影響較為顯著，故需要提前加以確定。

從理論上來講，喉口長度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，需要對喉口部位預留一段長度，不過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。對于雙原子分支O2來說，參數κ可取1.4；R、p0和T0分別為氣體常數、氣體的工作壓力及溫度；Aa為喉口段的斷口面積。

根據理想氣體狀態(tài)方程及氣體流量與其體積和密度的關系可得

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、相對分子量、溫度及氣體。

由式（2）和氣體參數值可計算出qm約為0.6kg/s，將其代入式（1）可得到直徑Da≈3.85 mm，而用于實驗的激光光斑最大直徑約為3.1 mm，故當喉口直徑Da=3.85 mm可確保激光束順利通過。當確定了喉口直徑Da后，喉口長度La也可確定，取3.5 mm。

1.3收縮段參數的確定

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左右，從圖1b可知，收縮段長度Lp與該段的半錐角α、Ds和Da有關。因此，根據圖1所示的幾何關系，收縮段長度Lp為

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

收縮段的結構及曲線形狀如圖2所示。其中，小圓弧R1和大圓弧R2相切，根據圖2所示的幾何關系可得

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擴張段參數的確定

擴張段為低壓區(qū)域，該段的目的是使拉瓦爾噴嘴出口處獲得超音速氣流。擴張段的擴張角度的確定和計算方法有很多，為了加工方便和簡化工藝流程，最常用的一種是直線擴張式。擴張角的大小對噴嘴出口處的氣流影響很大，若太大，則會有嚴重的激波產生，反之若太小，則會因通道太長造成壓力損失，因此擴張角的選取要合理，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，故擴張段直徑De不應小于3.2 mm。同時，為了有效利用激光的能量和適當減少激光切割的寬度，擴張段直徑De不應大于5.5 mm。通過綜合考慮并根據實際情況，擴張段直徑De可取為4.85 mm。擴張段長度Le為

圖2　收縮段的結構及曲線形狀示意

將De、Da和半頂角β代入式（5）即可得到擴張段長度Le為4.76 mm。至此，根據實際應用要求和切割條件設計的拉瓦爾噴嘴全部尺寸參數選擇和確定完畢，得到超音速拉瓦爾噴嘴的尺寸標注如圖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驗及對比

根據如圖3所示的超音速拉瓦爾噴嘴尺寸，采用紫銅材料對噴嘴進行加工制作，并將之用于大功率激光水下切割實驗。實驗所需要的深水環(huán)境可在特制的密封實驗艙內模擬得到。為了更清晰地認識大功率激光水下切割實驗的切割效果，同時采用傳統的會聚型噴嘴與本研究提出的新型拉瓦爾噴嘴在相同的實驗條件下，對碳鋼板在模擬的深水環(huán)境下進行水下激光切割實驗，并觀察和對比兩者的切割效果。

為使兩者的實驗條件盡可能保持一致，設計用于水下切割實驗的傳統會聚型噴嘴尺寸結構如圖4所示，其中會聚型噴嘴的進出口直徑、噴嘴總長、穩(wěn)定段長度均與拉瓦爾噴嘴相對應的尺寸保持一致，并且用于加工會聚型噴嘴的材料也采用紫銅材料。進行水下切割實驗時，傳統會聚型噴嘴與工件上表面間的距離為0.85 mm，焦點到工件表面的距離為0.90 mm，而用于水下切割實驗的傳統會聚型噴嘴其他實驗參數及水下切割碳鋼板試樣效果分別如表1和圖5所示。

圖4　傳統會聚型噴嘴尺寸結構

表1　會聚型噴嘴水下切割實驗參數

超音速拉瓦爾噴嘴的尺寸參數已全部給出，在進行水下切割時噴嘴與焦點與工件上表面的距離與傳統會聚型噴嘴相同，而用于水下切割實驗的超音速拉瓦爾噴嘴其他實驗參數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驗參數

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

圖5　會聚型噴嘴切割試樣實驗結果

圖6　超音速拉瓦爾噴嘴切割試樣實驗結果

3　結論

提出和設計了一種新型的超音速拉瓦爾噴嘴結構形式，基于空氣動力學相關理論和結構約束確定了拉瓦爾噴嘴的尺寸參數，加工制作相應的拉瓦爾噴嘴實體，并用于實際大功率水下激光切割碳鋼板實驗。通過與傳統的會聚型噴嘴水下切割實驗對比表明，采用所設計的新型超音速拉瓦爾噴嘴進行水下激光切割具有切割效率高、切割過程平穩(wěn)、切縫及切割質量較高的優(yōu)點，能實現在深水環(huán)境下厚鋼板的高效優(yōu)質切割。

[1]韓善果，楊永強，閆德俊.先進等離子焊接與切割技術研究現狀[J].電焊機，2013，43（10）：6-9.

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

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

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

[5]陸衛(wèi)忠.拉瓦爾噴嘴在寶鋼2RH蒸汽噴射泵中的應用[J].寶鋼技術，2004（S1）：3-7.

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)設計的教研工作。