郑州中天建筑节能有限公司

新型中天自激荡磨料脉冲水射流

自激振荡磨料射流是在自激振荡脉冲射流和混合磨料射流基础上，提出的新型射流。为此，对自激振荡磨料射流喷嘴的结构和工作原理，分析了脉冲频率和幅值等参数对磨粒加速效果的影响。根据初步研究表明，磨粒速度受脉冲频率和幅度影响很大，磨粒速度可超过前混合磨料射流中磨粒的速度，最大钻孔速度比前混合磨料射流提高41%。这一成果有望用于坚硬物料的切割和特种加工、石油钻井、大洋采矿、难采矿体的开采、坚硬岩石巷道（遂道）掘进、表面清洗等领域。

从本世纪60年代开始，各国专家对脉冲水射流进行了大量的理论探讨和试验研究，现已广泛应用于石油钻井、表面清洗等场合。脉冲水射流分阻断式、挤压冲击式和激励式三种类型，其中自激振荡脉冲射流最有发展前途。自激振荡脉冲射流是利用射流的不稳定流动特性，通过调整连续水射流的流动参数和结构参数，对射流的涡量扰动进行闭环反馈和放大，将连续射流改变为压力脉动的冲击式射流，射流作用在靶体材料上的力为按一定频率周期性变化的高频冲击载荷。试验和现场应用证明，这种冲击力是连续水射流滞止压力的(1.5～2.5)倍，大大地提高了对靶体材料的冲蚀破坏作用。80年代后期，我国石油工业中采用自激振荡脉冲射流喷嘴的牙轮钻头，在相同条件下可提高油井钻速(15～50)%，提高钻头进尺(10～15)%，每只喷嘴节省直接钻井成本为(1.40～2.5)万元。
80年代出现了磨料射流，磨料射流对靶体材料的冲蚀和切割性能大幅度提高，其中前混合磨料射流的切割效果尤为显著，系统压力可降低两个数量级。
自激振荡磨料射流（自激振荡脉冲射流和混合磨料射流相结合）的研究成果：射流中磨粒的最大速度提高了2.5倍，卷吸能力提高1倍，磨料粒子能够进入射流束中心，与连续磨料射流相比切割速度提高2倍，大大地提高了射流的工作能力。
众所周知，后混合磨料射流的切割能力远远低于前混合磨料射流，为了进一步提高射流的切割和冲蚀效果，我公司研制一种自激振荡脉冲射流和前混合磨料射流相结合而形成的新型射流——自激振荡磨料射流。

1 自激振荡磨料射流喷嘴的结构及工作原理
图1所示为自激振荡磨料射流喷嘴实验装置简图。自激振荡磨料射流喷嘴，主要由前喷嘴1、过渡体2、腔体3和后喷嘴4等组成。

试件试验工作条件：泵压5MPa，d₁=2.2mm，后喷嘴直径3mm，腔径18mm，磨料：#100河砂，供料量1.5kg/min，靶体：灰岩，钻孔时间120s，靶距20mm。
图6为钻孔后靶体试件，图7所示为自激振荡磨料射流钻孔试验曲线。

图6 钻孔后石灰石

●前混合磨料射流
○自激振荡磨料射流
图7 孔深与腔长的关系

从图7可以看出，当振荡腔长度与前喷嘴直径之比L/d₁=(2.27～7.73)时，钻孔深度为前混合磨料射流的(1.15～1.41)倍，L/d₁=5.68时比值最大为1.41倍。
自激振荡磨料射流在小靶距下切槽宽度和钻孔直径都小于前混合磨料射流，大靶距下切槽宽度和钻孔直径都远大于前混合磨料射流。

5 初步结论
自激振荡磨料射流喷嘴的特点和工作原理，初步给出了主要结构参数和在振荡射流中磨粒速度的表达式。数值计算结果表明，磨粒速度受振荡频率和幅度影响很大，磨料越细、频率越低，磨粒加速效果越好。初步试验结果表明，自激振荡磨料射流钻孔深度优于前混合磨料射流，L/d₁=5.68时，最大钻孔速度提高41%，显示了自激振荡磨料射流优越性。
自激振荡磨料射流是一种十分有应用前景的新型射流，有望用于石油钻井、大洋采矿、难采矿体的开采、坚硬岩石巷道（遂道）的掘进、设备表面清洗、及对坚硬的金属及非金属材料进行切割和特种加工等场合。