井下水力喷射泵喷嘴头的设计与计算

本科毕业设计（论文）通过答辩摘要：高压水射流技术是近三十年来发展起来的一项新技术，在采矿、冶金、石油、建筑、化工、市政建设及医学领域得到广泛应用并取得可喜的成果。

从原理上讲，它与世隔绝我国煤矿中使用已久的水力采煤技术基本相同，都是把具有一定压力的水通过直径较小的喷嘴形成射流，将这股射流作为工具进行切割、破碎和清洗物料。

所不同的只是高压水射流的水压更高、喷嘴直径更细而已。

水力采煤中使用的水压通常为5~15MP，水枪出口直径为15~30mm；而高水射的水压一般在30MP以上，有的高达数百兆帕，喷嘴直径则在2mm以下，最小的可达0.1mm。

因此高压水射流可以在很小的区域内集中极大的能量，例如100MP的高压水射流的能量束密度可以与激光束相匹敌。

本毕业设计题目是水射流采煤机切割装置设计。

主要阐述了高压水射流技术在采煤机上的应用之背景，优缺点和所需要解决的问题等方面的内容。

高压水射流和采煤机联合进行破煤是一门新技术，需要解决的问题还很多。

本设计主要是关于喷嘴在滚筒上的布置，水路控制系统和高压旋转密封等方面作初步的尝试。

设计了一种用高压水射流控制水路，水射流辅助截齿破煤的滚筒结构。

关键词：水射流；截齿；喷嘴；滚筒1 水射流采煤综述1.1高压水射流概述煤炭作为我国一次能源的主体,它的持续、稳定和协调发展,无疑具有重大意义。

采掘机械的技术水平则是发展煤炭工业中的关键环节。

加强采掘机械的科学技术研究工作是煤炭工业增产、节约能源消耗、保障工人安全、高效率等方面的发展的重要技术手段。

高压水射流技术是近几十年来逐渐发展起来的一门新兴技术。

它的应用发展日趋成熟和广泛。

在这种形式下，人们试途将高压水射流技术应用于矿山机械中，特别是采掘机械中，已经取得初步成果。

这必将推动煤炭工业的进一步发展。

高压水射流的基本原理是将具有一定的压力水通过直径较小的喷嘴形成的射流，并将这股射流作为工具进行破碎、切割和清洗等工作。

一般水压在30MP以上，而喷嘴的直径仅在2mm以下。

喷射泵计算公式
喷射泵（也称为喷射器或蒸汽喷射泵）的设计和计算通常涉及多个参数和公式，以下是一些基本的计算公式和设计考虑因素：
1.工作原理：
喷射泵利用高压流体（如蒸汽）在喷嘴处加速并减压，产生真空以吸入低压流体或气体。

吸入流体与工作流体混合后，在扩散器中速度降低、压力升高，并最终排出。

2.主要设计参数及计算关系：
喉部面积比(Ae/Ad)：喷嘴喉部面积与扩散器喉部面积之比，影响混合效率和抽吸能力。

膨胀比(ER)：工作流体在喷嘴出口处的速度动能与其在入口处的压力能之比，即ER=v²/(2·γ·ΔP)，其中v是喷嘴出口速度，γ是工作流体的比热比，ΔP是工作蒸汽前后压差。

压缩比(CR)：喷射泵进口处的绝对压力与混合室出口处的绝对压力之比。

混合室长度和直径：影响混合效率和性能稳定性的关键几何尺寸。

工作蒸汽消耗量：根据所需的抽气能力和膨胀比计算得到。

3.计算实例：
工作蒸汽流量Qs的计算可能基于能量守恒定律，通过已知的入口和出口条件以及理想气体方程来估算。

抽吸能力（如抽气速率Qa或抽吸压力）可以根据经验公式或者更为详细的两相流动模型进行计算。

实际工程应用中，喷射泵的设计需要综合运用上述原理并通过实验数据校核。

由于设计过程相当复杂且受到许多变量的影响，通常会使用专门的软件或详细的设计手册来进行精确计算。

喷嘴入口压力计算动力液进入射流泵后，经导液管到达喷嘴，在此过程中会产生阻力损失，包括沿程阻力损失和局部阻力损失。

应用伯努利方程可进行求解。

计算过程见下文。

（1） 列导液管前后两端面的伯努利方程对射流泵导液管，设计时取直径为20Φ，计算中初选长度为180mm 。

射流泵内部导液管与喷嘴示意图如图4-2所示。

图4-2 射流泵导液管、油管和喷嘴示意图列1-1断面和喷嘴入口断面11j j -上的伯努利方程：121011201122w j j h gv p z g v p z +++=++γγ （4-6）式中：1z —1-1断面相对于参考平面的高度，m ；j z —喷嘴入口断面相对于参考平面的高度，m ；0v —动力液在油管中的流速，m/s ；1v —动力液在导液管中的流速，m/s ；1p —1-1断面的压力，MPa ；1j p —喷嘴入口断面处动力液压力，MPa ；1w h —1-1断面和喷嘴入口断面11j j -之间的阻力损失，m 。

由前文的计算结果可知动力液在油管中的流速和1-1断面的压力分别为：0v =38.1m/s85.381=p MPa由于泵内空间不大，所以1-1断面和喷嘴入口断面11j j -之间的高度差可忽略不计，即：1z z j ≈。

（2） 计算动力液在导液管中的流速 在导液管中：214导d v Q n π⋅= （4-7） 式中：n Q —动力液的流量，m 3/min ； 导d —射流泵导液管直径，mm 。

由已知条件和前文可得：25.0=n Q m 3/min 20=导d mm将各参数值代入式（4-7）得动力液在导液管中的流速为：s/m 26.1360)1020(14.325.0442321=⨯⨯⨯⨯==-导d Q v nπ （3） 计算动力液在导液管中的阻力损失 动力液在导液管中的阻力损失为：111j f w h h h += （4-8）式中：1f h —导液管中的沿程阻力损失，m ；1j h —断面1-1和11j j -之间局部阻力损失，m 。

喷嘴设计及计算范文喷嘴是用来将流体以其中一种方式从一个系统中喷出的设备。

喷嘴设计的目的是通过适当的流动条件和几何参数来满足特定的喷射需求。

这些需求可能包括喷射速度、喷射角度、喷射距离等。

喷嘴的设计与计算是一个复杂的过程，需要考虑多个因素，如流体性质、流动条件、材料特性等。

下面将介绍一些常见的喷嘴设计及计算方法。

1.喷嘴类型选择根据喷射的介质和需求，可以选择不同类型的喷嘴。

常见的喷嘴类型包括：圆孔喷嘴、缝隙喷嘴、锥形喷嘴等。

每种喷嘴都有自己的特点和适用范围。

2.喷嘴几何参数计算喷嘴的几何参数包括出口直径、喷嘴长度、出口形状等。

这些参数将直接影响喷射流体的速度和角度。

计算这些参数时，需考虑喷射介质的性质、流动条件和应用要求等因素。

3.喷射速度计算喷嘴的设计目标之一是获得所需的喷射速度。

根据伯努利方程和质量守恒定律，可以得到以下方程用于计算喷射速度：v = √(2gh)其中，v为喷射速度，g为重力加速度，h为喷嘴出口处的压力差。

4.喷射角度计算喷射角度是指喷射流体与垂直方向的夹角。

根据牛顿第二定律，可以得到以下方程用于计算喷射角度：θ = tan^(-1)(v^2 / (gR))其中，θ为喷射角度，v为喷射速度，g为重力加速度，R为喷嘴出口处的径向速度。

5.喷射距离计算喷射距离是指从喷嘴出口到喷射点的水平距离。

根据平抛运动的原理，可以得到以下方程用于计算喷射距离：d=v*t其中，d为喷射距离，v为喷射速度，t为喷射时间。

6.考虑流体的黏度如果喷射的介质是粘性流体，需考虑黏度对喷射性能的影响。

黏性流体的流动行为与牛顿流体不同，需要进行额外的计算和分析。

在设计和计算喷嘴时，还需考虑其他因素，如流体动力学、流体稳定性、噪声和振动等问题。

喷嘴设计的目标是在满足喷射需求的同时，尽可能减少能量损失和系统成本。

注意，喷嘴设计和计算是一个复杂的过程，需要充分的理论基础和工程经验。

在实际应用中，可能还需要进行模拟分析、实验验证和优化设计等工作。

自喷井油嘴计算公式
自喷井油嘴的计算公式可以根据流体力学的原理来推导。

自喷井油嘴是用于喷射液体或气体的装置，其流量通常受到压力、喷嘴孔径和流体性质的影响。

一般来说，自喷井油嘴的流量可以通过以下公式来计算：
Q = C A sqrt(2 g h)。

其中，Q代表流量，C代表流量系数，A代表喷嘴的截面积，g 代表重力加速度，h代表喷嘴的喷射高度。

流量系数C是一个经验值，通常需要通过实验或者参考相关文献来确定。

喷嘴的截面积A可以通过喷嘴的直径或者其他几何参数计算得出。

重力加速度g通常取9.81 m/s^2。

喷射高度h是指液体或气体从喷嘴喷射出来的高度。

需要注意的是，以上公式是一个简化的理论模型，实际情况中可能还需要考虑流体的粘性、喷嘴的形状等因素。

因此，在实际工程中，可能需要进行更为复杂的流体力学计算或者实验验证来确定自喷井油嘴的流量。

第一章喷头改进设计的必要性喷雾喷头是通过一定方法，将液体分离细小雾滴的装置，目前在使用的一般是采用减小喷口直径，这些喷头雾化效率低，水量小，第二章喷嘴设计及计算喷嘴是喷头的重要部件，也是直接影响喷灌质量和喷头水力性能的一个部件。

它不但要最大限度地把水流压能变成动能，而且要保持稳流器整理过的水流仍具有较低的紊流程度。

喷嘴的结构形式一般有下列三种：1．圆锥形喷嘴圆锥形喷嘴由于其结构简单，加工方便而被大量应用于喷头，其结构如图。

圆锥形喷嘴的主要结构参数是：喷嘴直径D c,喷嘴圆柱段长度l,喷嘴内腔锥角。

有的喷头为了提高雾化程度或增加喷头近处的水量，而在喷嘴出口处增加一粉碎螺钉，其结构见图。

由于射流撞击在螺钉上，增加了碰撞阻力以致影响了喷头的射程及喷洒均匀度，所以现在除了个别喷头外已很少采用加粉碎螺钉的结构。

2．流线形喷嘴为了使水流平顺，有的喷头设计成流线形，以减少水流冲击损失。

流线形喷嘴结构如图所示。

苏联维多新斯基为流线形喷嘴的设计提供了计算公式：实验表明，水流不很平顺的喷头采用流线形喷嘴，喷头射程能增加8~12%。

但水流很平顺的喷头采用流线形喷嘴，喷头的射程增加很微小。

由此可见，流线形喷嘴能使水流平稳从而提高喷头射程。

3。

流线圆锥形喷嘴流线圆锥形喷嘴是上述两种形式之结合，图12就是这种形式的喷嘴。

从图可以看出来，水流自喷管先经过喷嘴的流线形段，继而经过圆锥形段。

从加工来说，凸流线形喷嘴易于加工。

由于圆锥形喷嘴有结构简单，加工方便等优点，所以目前喷头大多采用圆锥形喷头。

第二节 喷嘴直径的确定喷嘴直径是一个重要的数值，它直接影响到喷灌质量，如喷灌强度，均匀度和雾化程度。

它又和喷头的结构和水力性能有极为密切的关系，诸如喷灌直径Dcm ，喷头流量，射程和工作压力等。

由于喷头喷出的射流是高压高速水流的孔口出流，所以可应用水力学的圆形孔口出流公式计算。

即： Q=2024gH D 式中： 0H =2 H其中， Q—喷嘴流量 --流量系数0D -射流收缩断面的直径0H -射流收缩断面的压力-流速系数H-喷头工作压力知道了射流收缩断面的直径可由奥克勒所推荐的计算式计算喷嘴直径：D)2sin16.01(1 0CDD式中1-喷嘴内腔渐缩角但是，喷嘴直径还对喷头射程雨滴粒径有显著的影响。

SY/T5234-91喷射钻井水力参数计算方法1主题内容与适用范围本标准规定了石油及天然气钻井中喷射钻井水力参数的计算方法。

本标准适用于石油及天然气钻井中喷钻井水力参数计算。

2计算公式中的符号、名称及单位(见表1)表1序号符号名称单位1 A b井底面积mm22 A J喷嘴面积mm23 D 钻柱外径mm4 D b钻头直径mm5 D h井径mm6 D p 钻杆外径mm7 D ro 岩屑直径mm8 d 钻柱内径mm9 F J 射流冲击力N10 f o 环空净化系数——11 H 井深m12 H o 临界井深m13 K 钻井液稠度系数Pa·s n14 k a 环空压耗系数——15 k b 钻头压降系数——16 k c 钻铤压耗系数——17 k ci 钻铤内压耗系数——18 k i 管内压耗系数——19 k p 钻杆压耗系数——20 k pi 钻杆内压耗系数——21 k tp 地面管汇压耗系数——22 L 钻柱长度m23 L e钻铤长度m24 L p钻杆长度m25 N b钻头水功率kW26 N S钻井泵实际水功率kW27 N r钻井泵额定水功率kW28 n 钻井液流性指数——序号符号名称单位29 P a环空压耗Mpa30 P b钻头压降Mpa31 p c 钻铤压耗Mpa32 p i 钻柱内压耗Mpa33 p p 钻杆压耗Mpa34 p po 钻井循环压耗Mpa35 p r 钻井泵额定泵压Mpa36 p s 钻井泵工作压力Mpa37 p sp地面管汇压耗MPa38 Q 排量L/s39 Q opt 最优排量L/s40 Q r 额定排量L/s41 Re 环空雷诺数---42 N u 钻头单位面积水功率W/mm243 νa环空返速m/s44 ν c 临界返喷m/s45 νj射流喷速m/s46 νsi岩屑滑落速度m/s47 μp塑性粘度mPa·s48 μf钻井液粘度mPa·s49 ρm钻井液密度g/cm350 ρro 岩屑密度g/cm351 τy屈服值Pa52 η钻井泵水功率利用率——53 θ600旋转粘度计600r/min读数——54 θ300旋转粘度计300r/min读数——55 θ200旋转粘度计200r/min读数——56 θ100旋转粘度计100r/min读数——3 喷射钻井水力参数计算公式3.1塑性粘度μp=θ600-θ300 (1)3.2屈服值τy=0.479(2θ300-θ600) (2)3.3流性指数n=3.32log θ600 (3)θ3003.4稠度系数0.479θ300K= (4)511n3.5环空返速1273Qυa= (5)D h2-D p23.6判断环空流态3.6.1 宾汉流体30．864μp＋[（30.864μp）2×123.5τyρm（D h－D p）2]0.5υc= 24ρm(D h－D p) (6)9800（D h－D p）υα2ρmR e= (7)τy(D h－D p)+12υaμpυa≥υc或Re≥2100 紊流υa＜υc或Re＜2100 层流3.6.2 冥律流体2.04×104n0.387K 25.4υc=0.00508[ ( )n ]1/(2-n) (8)ρm D h－D pυ aZ=808( )2-n (9)υcυa≥υc或Z≥808紊流υa＜υc或Z＜808层流3.7岩屑滑落速度0.071D rc(ρrc－ρm)0.667υsi= (10)(ρmμf)0.333对于宾汉流体：τy(D h－D p)υf=υp+0.112[ ] (11)υa对于幂律流体12000υ aμf=1075n0.119K( ) n-1 (12)D h－D p3.8环空净化系数υSif c=1－ (13)υa3.9地面管汇压耗3.9.1宾汉流体k sp=3.767×10-4ρm0.8μp0.2 (14)p sp=k sp Q1.8 (15)3.9.2幂律流体4.088×10-3K 4.093(3n+1)k sp=8.09×10-4(logn+2.5)ρm{ .[ ]n}(1.4-logn)/7 (16)ρm np sp=k sp Q[(14+(n-2)(1.4-logn))/7 (17)3.10管内压耗3.10.1宾汉流体1k f=7628ρm0.8μp0.2 (18)d4.8p i=k i LQ1.8 (19)3.10.2幂律流体64846(logn+2.5)ρm7.71×10-11d i Kk i= { ·d 5ρm2.546×106(3n+1)[ ]n}(1.4-logn)/7 (20)nd3p sp=k sp LQ[(14+(n-2)(1.4-logn))/7 (21)3.11 环空压耗3.11.1宾汉流体a.层流61.1μp QL 0.004τy Lp a= + (22)(D n－D)3(D h+D) D h－Db.紊流7628ρ0.8mμ0.2pk a= (23)(D h－D)3(D h+D)1.8p a=k a LQ 1.8 (24)3.11.2幂律流体a.层流0.004KL 5.09×106Q(2n-1)p a= [ ]n (25)D h－D n(D h+D) (D h－D)2b.紊流79419(logn+2.5)ρm L 6.2967×10-11K(D h+D)2 (D h－D)2k a= ·{(D h+D)2 (D h－D)3 ρm5.09×106(2n-1).[ ]n}(1.4-logn)/7 (26)n(D h+D) (D h－D)2p a=k a LQ [14+(n-2)(1.4-logn)]/7 (27)3.12循环压耗k p=k pi+k pa (28)k c=k ci+k ca (29)p p=p pi+p pa (30)p c=p ci+p ca (31)p pc=p sp+p p+p c (32)3.13钻头压降554.4ρmk b= (33)A J-2p b=k b Q2 (34)3.14钻井泵工作压力p s=p pc+p b (35)3.15射流喷速1000QυJ= (36)A J3.16射流冲击力F J=ρmυJ Q ………………………………(37)_3.17钻头水功率N b=p b Q (38)3.18钻井泵实际水功率N s=p s Q (39)3.19钻头单位面积水功率1000N bN u= (40)A b3.20钻井泵水功率利用率N bη= (41)N S3.21设计喷嘴总面积554.4p m Q2A J=( )0.5 (42)p s-p pc3.22临界井深3.22.1宾汉流体a.最大钻头水功率工作方式0.357p r-k sp Q1.8-k c L c Q1.8H c= +L c (43)K p Q1.8b.最大冲击力工作方式0.526p r-k sp Q1.8-k c L c Q1.8H c= +L c (44)K p Q1.83.22.2幂律流体a.最大钻头水功率工作方式7p r－(k sp+k c L c)Q[14+(n-2)(1.4-logn)]/721+(n-2)(1.4-logn)H c= + L c (45)K p Q[14+(n-2)(1.4-logn)]/7b.最大冲击力工作方式14p r－(k sp+k c L c)Q[14+(n-2)(1.4-logn)]/728+(n-2)(1.4-logn)H c= + L c (46)K p Q[14+(n-2)(1.4-logn)]/73.23最优排量3.23.1宾汉流体a.最大钻头水功率工作方式0.357p rQ opt=( )1/1.8 (47)K sp+k p L p+k c L cb.最大冲击力工作方式0.562p rQ opt=( )1/1.8 (48)K sp+k p L p+k c L c3.23.2幂律流体a.最大钻头水功率工作方式7p r21+(n-2)(1.4-logn)Q opt=[ ]7/[14+(n-2)(1.4-logn)] (49)K sp+k p L p+k c L cb.最大冲击力工作方式7p r28+(n-2)(1.4-logn)Q opt=[ ]7/[14+(n-2)(1.4-logn)] (50)K sp+k p L p+k c L c4 公式使用说明4.1用途用于喷射钻井水力参数设计和喷射钻井水力参数分析。