一種帶可旋渦流葉輪的階梯腔式低頻超聲霧化噴頭的製作方法
2023-10-09 21:31:29 2
本發明涉及一種二相流霧化噴頭，尤其是一種帶可旋渦流葉輪的階梯腔式低頻超聲霧化噴頭。
背景技術：
目前，在霧化栽培領域，運用到的霧化方式主要有壓電式超聲霧化和機械式霧化(如霧滴顆粒較優的二相流霧化)，壓電式超聲霧化噴嘴具有霧滴細小均勻的優點，但是其霧化量偏小，只適用於小規模霧化栽培；二相流霧化噴嘴優點是霧化量大，缺點是霧滴粒徑較大且均勻性差。那麼對二相流噴頭進行優化設計，以充分利用高速氣流的能量，研製可以生成細小均勻的優質霧滴且大霧化量的霧化噴嘴，是大規模霧化栽培的當務之急。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明公開了一種帶可旋渦流葉輪的階梯腔式低頻超聲霧化噴頭。通過優化二相流噴嘴諧振腔形狀，優化二相流噴嘴噴射流道，實現低能耗工況下產生大量均勻的超細霧滴。
本發明採用的具體技術方案如下：
一種帶可旋渦流葉輪的階梯腔式低頻超聲霧化噴頭，包括進氣套管、進水套管、拉瓦爾閥芯、固定蓋帽、可調基座、錐型整流套筒、可旋渦流葉輪、階梯型諧振管、調節柱塞、定位絲槓、第二基座；所述進氣套管中心具有進氣孔、側壁上設有進液孔；所述錐型整流套筒中心的通孔具有圓柱段和圓錐形段；所述第二基座的中心位置開有螺紋孔，第二基座一端端面上開有矩形凹槽；所述可調基座螺紋連接在進氣套管外圈，且可調基座的軸向位置可調；所述錐型整流套筒、第二基座均通過定位絲槓固定在可調基座上；所述進水套管、拉瓦爾閥芯、固定蓋帽均位於進氣套管與錐型整流套筒的圓柱段通孔所圍成的空間內；所述固定蓋帽的一端通過螺紋連接在進氣套管上，所述進水套管中心具有通孔、並裝在進氣套管內，且與進氣套管之間設置密封圈，所述進水套管延伸至固定蓋帽內，拉瓦爾閥芯的兩端分別通過金屬膠與進水套管的端部、固定蓋帽的圓柱段孔端面固定連接；進氣套管的通氣孔、進水套管和拉瓦爾閥芯的通孔構成氣體通道，所述進液孔、進水套管和拉瓦爾閥芯與進氣套管、固定蓋帽的通孔之間的間隙、以及拉瓦爾閥芯的進液孔構成液體通道；所述階梯型諧振管的諧振腔為階梯狀，一端通過調節柱塞與第二基座固定連接，另一端延伸至固定蓋帽的端面；所述可旋渦流葉輪通過軸承裝在階梯型諧振管上，並位於錐型整流套筒通孔的圓錐形段內，所述可旋渦流葉輪的縱斷面為錐形，可旋渦流葉輪外錐面與錐型整流套筒內錐面之間具有間隙，固定蓋帽的端面上設有環型凹槽，所述環形凹槽的縱斷面形狀為拋物線狀，環型凹槽和可旋渦流葉輪的端面圍成第二諧振區；所述調節柱塞的柱塞主體位於階梯型諧振管的第二階梯孔、內並與第二階梯孔過盈配合，起到密封的作用，通過調節柱塞的軸向位置調節階梯型諧振管二階孔的深度；所述柱塞主體上還連接有針狀激勵器，所述激勵器穿過階梯型諧振管的諧振腔、並延伸至拉瓦爾閥芯出口段。
優選地，所述階梯型諧振管的二階諧振腔的一階孔徑與二階孔徑之比為1.5-3，二階孔與一階孔的深度之比可調節範圍為1-5。
優選地，所述階梯型諧振管的諧振腔內表面為鋸齒型。
優選地，所述諧振腔內表面的鋸齒縱斷面傾角為12-25°，鋸齒長度為1.5-2.5mm。
優選地，固定蓋帽端面上的環形凹槽截面的拋物線線型為x＝my2+ny+p，所述拋物線靠近固定蓋帽中心的端點曲線斜率與錐型整流套筒內圓錐面斜率相同。
優選地，可旋渦流葉輪與所述錐型整流套筒內錐面之間的間隙為0.5-1mm，可旋渦流葉輪中心孔壁面與階梯型諧振管外圓面之間的間隙為0.2-0.4mm。
優選地，所述可旋渦流葉輪葉片壓力面起始點與終止點連線與軸線夾角α為25°-35°。
優選地，所述可旋渦流葉輪的葉片為不等壁厚葉片，葉片壓力面的輪廓曲線為三次多項式曲線y＝ax3+bx2+cx+d，壓力面葉型曲線由起始點和終止點的位置和斜率決定；葉片吸力面的輪廓曲線為圓弧x2+y2+ex+fy+g＝0，吸力面葉型由起始點和終止點位置及起始點斜率決定。
優選地，所述激勵器直徑為0.5-0.8mm，柱塞主體材料為鋁合金1050，鋁合金圓柱外表面包有聚氨酯橡膠，橡膠層的厚度為0.3-0.5mm。
優選地，所述錐型整流套筒錐型孔錐角為60°，所述拋物線靠近固定蓋帽中心的端點曲線斜率為所述可旋渦流葉輪的外圓錐面的錐角為60°，錐型整流套筒外圓柱面上距末端面5-10mm處開有環型槽，錐型整流套筒底端面和可調基座之間加裝有密封墊圈。
液體在拉瓦爾閥芯的出口處與高速氣流匯合，液體被衝擊破碎形成大霧滴，發生第一次霧化，霧滴群繼續隨高速射流進入階梯型諧振腔，二相流體在階梯型諧振腔發生第一次有規律諧振，在腔內流體以約5-12khz的頻率震蕩，大霧滴被進一步振裂細化，發生第二次霧化；固定蓋帽14端面凹槽與錐型整流套筒7組合形成了第二諧振區，霧滴從階梯型諧振腔出來後進入第二諧振區，在第二諧振區二相流體發生無規律的震蕩，使得霧滴發生第三次霧化，霧滴粒徑進一步變小；最終霧滴在流體壓力作用下進入可旋渦流葉輪8的葉片間隙中，同時在流體壓力的作用下，可旋渦流葉輪8發生高速旋轉，霧滴隨葉輪高速旋轉，在飛出葉輪時發生離心運動，在離心力的作用下霧滴發生第四次霧化，同時使得霧滴分布更加均勻。
本發明中將諧振腔的形狀設置為階梯型，諧振腔內空間大的突變使得管內流體諧振頻率增大，達到了未做改變前的1.7倍，最大頻率可達12.137khz，諧振頻率的增大對噴嘴第二次霧化過程起了積極作用。同時將階梯型諧振腔的內表面設置為鋸齒狀，在二相流從諧振腔中回流出來的過程中，霧滴多次碰撞到鋸齒狀的凸起時，會對主流的二相流產生局部的擾動作用，鋸齒形狀加劇了腔內二相流體的不穩定性，加強腔內流體的波動，有利於腔內流體更容易進入諧振狀態。
固定蓋帽端面的環形凹槽與和錐型整流套筒端面構成第二諧振區，高速二相流體在第二諧振區內不規律地反射震蕩，使得噴頭工作時的聲壓級提高了約10db，強聲場區域有利於霧滴進一步振裂細化。
在噴嘴出口處加裝了可旋渦流葉輪，高速旋轉的渦流葉輪一方面使霧滴發生離心運動進一步細化，另一方面，使霧滴群在噴射角範圍內的空間區域內分布更加均勻。
最後，激勵器深入到拉瓦爾噴管出口段，激勵器能夠有效降低階梯型諧振管開口處的總壓，有利於諧振腔內壓縮氣體的排出，也使得二相流體更容易達到諧振狀態。供氣壓力大於0.15mpa時，階梯型諧振管11的諧振腔震蕩頻率可調節範圍為5.45khz-12.137khz。
附圖說明
圖1為本發明所述帶可旋渦流葉輪的階梯腔式低頻超聲霧化噴頭剖視圖；
圖2為可調柱塞與階梯型諧振管配合圖；
圖3為固定蓋帽端剖視圖與端面線型對照圖；
圖4為可旋渦流葉輪二維示意圖；
圖5為可旋渦流葉輪三維圖。
圖中：
1-進氣套管，2-進水套管，3-密封圈，4-進液孔，5-可調基座，6-定位絲槓，7-錐型整流套筒，8-可旋渦流葉輪，9-第二基座，10-軸承，11-階梯型諧振管，12-調節柱塞，13-壓緊螺帽，14-固定蓋帽，15-拉瓦爾閥芯，16-進氣孔，1201-激勵器，1202-柱塞主體，1203-固定軸
具體實施方式
下面結合附圖以及具體實施例對本發明作進一步的說明，但本發明的保護範圍並不限於此。
如圖1所示，本發明所述的帶可旋渦流葉輪的階梯腔式低頻超聲霧化噴頭，主要由進氣套管1、進水套管2、拉瓦爾閥芯15、固定蓋帽14、可調基座5、錐型整流套筒7、可旋渦流葉輪8、階梯型諧振管11、調節柱塞12、定位絲槓6、第二基座9組成。所述進氣套管1中心具有進氣孔、側壁上設有進液孔；所述錐型整流套筒7中心的通孔具有圓柱段和圓錐形段；所述第二基座9的中心位置開有螺紋孔，第二基座9一端端面上開有矩形凹槽；所述可調基座5螺紋連接在進氣套管1外圈，且可調基座5的軸向位置可調；所述錐型整流套筒7、第二基座9均通過定位絲槓6固定在可調基座5上；錐型整流套筒7外圓柱面上距末端面5-10mm處開有環型槽，錐型整流套筒7底端面和可調基座5之間加裝有密封墊圈。所述進水套管2、拉瓦爾閥芯15、固定蓋帽14均位於進氣套管1與錐型整流套筒7的圓柱段通孔所圍成的空間內。固定蓋帽14的一端通過螺紋連接在進氣套管1上，所述進水套管2外徑略小於進氣套管1內徑，所述進水套管2中心具有通孔、並裝在進氣套管1內，且與進氣套管1之間設置密封圈3。所述進水套管2延伸至固定蓋帽14內，拉瓦爾閥芯15的兩端分別通過金屬膠與進水套管2的端部、固定蓋帽14的圓柱段孔端面固定連接。進氣套管1的通氣孔、進水套管2和拉瓦爾閥芯15的通孔構成氣體通道，所述進液孔、進水套管2和拉瓦爾閥芯15與進氣套管1、固定蓋帽14的通孔之間的間隙、以及拉瓦爾閥芯15的進液孔構成液體通道。
如圖2所示，所述階梯型諧振管11的諧振腔為二階階梯狀孔，諧振腔內表面為鋸齒型，鋸齒縱斷面傾角為12-25°，鋸齒長度為1.5-2.5mm。所述階梯型諧振管11閉口端開有螺紋孔，該螺紋孔與所述調節柱塞12固定軸1203相配合以實現階梯型諧振腔二階孔深度可調。所述調節柱塞12由三段組成，第一段為激勵器1201，第二段為柱塞主體1202，第三段為固定軸1203，固定軸1203圓柱面上開有螺紋，柱塞主體1202的材料為鋁合金1050，鋁合金圓柱外表面包有聚氨酯橡膠，橡膠層的厚度為0.3-0.5mm。所述階梯型諧振管11的一端通過調節柱塞12與第二基座9固定連接，所述調節柱塞12的柱塞主體1202位於階梯型諧振管11的第二階梯孔、內並與第二階梯孔過盈配合，起到密封的作用，以確保密封不漏氣。通過調節柱塞12的軸向位置調節階梯型諧振管11二階孔的深度。階梯型諧振腔的內表面的鋸齒形狀加劇了腔內二相流體的不穩定性，這將加強腔內流體的波動，使得二相流體更容易形成諧振。此外，當壓縮流體流出諧振腔時，霧滴隨氣體流出時，多次與腔內壁面鋸齒撞擊，有利於霧滴進一步細化。
所述階梯型諧振管11的二階諧振腔的一階孔徑與二階孔徑之比為1.5-3，二階孔與一階孔的深度之比可調節範圍為1-5。
階梯型諧振管11的另一端延伸至固定蓋帽14的端面；所述可旋渦流葉輪8通過軸承裝在階梯型諧振管11上，並位於錐型整流套筒7通孔的圓錐形段內。所述階梯型諧振管11外圓面為階梯軸，用以實現軸承10的安裝與定位。所述可旋渦流葉輪8的縱斷面為錐形，可旋渦流葉輪8外錐面與錐型整流套筒7內錐面之間具有間隙。可旋渦流葉輪8與所述錐型整流套筒7內錐面之間的間隙為0.5-1mm，可旋渦流葉輪8中心孔壁面與階梯型諧振管11外圓面之間的間隙為0.2-0.4mm。固定蓋帽14的端面上設有環型凹槽，所述環形凹槽的縱斷面形狀為拋物線狀，所述環型凹槽和可旋渦流葉輪8的端面圍成第二諧振區。激勵器1201穿過階梯型諧振管11的諧振腔、並延伸至拉瓦爾閥芯15出口段，激勵器1201將有效降低階梯型諧振管11開口處的總壓，有利於腔內壓縮氣體的排出，也使得二相流體更容易達到諧振狀態。供氣壓力大於0.15mpa時，階梯型諧振管11的諧振腔震蕩頻率可調節範圍為5.45khz-12.137khz。
如圖3所示，固定蓋帽14端面上的環形凹槽截面的拋物線線型為x＝my2+ny+p，由a點坐標及其斜率和b點坐標確定。所述拋物線靠近固定蓋帽14中心的端點曲線斜率與錐型整流套筒7內圓錐面斜率相同，環型凹槽與所述錐型整流套筒7平滑連接。所述錐型整流套筒7錐型孔錐角為60°，所述拋物線靠近固定蓋帽14中心的端點曲線斜率為所述可旋渦流葉輪8的外圓錐面的錐角為60°。
如圖1和圖3所示，縱斷面為拋物線的凹槽使得二相流體流出階梯型諧振管11後平滑地被引送到第二諧振區，在該區域高速二相流體在第二諧振區內不規律地反射震蕩，使得噴頭工作時的聲壓級提高了約10db，達到約95db。
如圖4和圖5所示，所述可旋渦流葉輪8的縱斷面為錐形，錐角為60°，葉片壓力面起始點與終止點連線與軸線夾角α為25°-35°，所述可旋渦流葉輪8的葉片為不等壁厚葉片，葉片壓力面的輪廓曲線為三次多項式曲線y＝ax3+bx2+cx+d，葉片吸力面的輪廓曲線為圓弧x2+y2+ex+fy+g＝0，壓力面葉型曲線由起始點c和終止點d的位置坐標和斜率決定，吸力面葉型由起始點e和終止點f位置坐標及起始點斜率決定，起始點的斜率設定為0.3～0.7，終止點的斜率設定為0.5～1。供氣壓力調節範圍為0.15-0.5mpa，所述可旋渦流葉輪8的轉速範圍為：400-1000r/min。
在安裝時，先將進水套管2、拉瓦爾閥芯15和固定蓋帽14用金屬膠固定在一起，然後將固定蓋帽14擰入進氣套管1端部的內螺紋孔內；其次將可旋渦流葉輪8通過軸承10固定連接在階梯型諧振管11階梯軸的軸肩位置，再通過調節柱塞12的固定軸1203將第二基座9和階梯型諧振管11固定連接；之後將定位絲槓6按圖1所示順序依次旋入第二基座9、錐型整流套筒7和可調基座5對應的絲槓孔內，並調整好彼此之間的相對位置。
工作過程：高壓氣體0.15-0.5mpa由噴頭尾部的進氣孔16接入，液體在拉瓦爾管出口處與高速氣流匯合，液體被衝擊破碎形成大霧滴，發生第一次霧化，然後霧滴群繼續隨高速射流進入階梯型諧振腔，二相流體在階梯型諧振腔發生第一次有規律諧振，在腔內流體以約5-12khz的頻率震蕩，大霧滴被進一步振裂細化，發生第二次霧化，在這個過程中激勵器1201和階梯型諧振管11內表面的鋸齒型變化都對階梯型諧振腔發生穩定諧振有促進作用；霧滴從階梯型諧振腔出來後進入第二諧振區，第二諧振區是固定蓋帽14端面凹槽與錐型整流套筒7組合形成的內部空間區域，在第二諧振區二相流體發生無規律的震蕩，強聲場聲壓級約95db區域有利於霧滴進一步振裂細化，使得霧滴發生第三次霧化，霧滴粒徑進一步變小；最終霧滴在流體壓力作用下進入可旋渦流葉輪8的葉片間隙中，同時在流體壓力的作用下，可旋渦流葉輪8發生400-1000r/min的高速旋轉，供氣壓力調節範圍為0.15-0.5mpa，霧滴隨葉輪高速旋轉，在飛出葉輪時發生離心運動，在離心力的作用下霧滴發生第四次霧化，同時使得霧滴分布更加均勻同時，高速旋轉的可旋渦流葉輪8使霧滴群在噴射角範圍內的空間區域內分布更加均勻。
所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明並不限於上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬於本發明的保護範圍。