扩散性割嘴的基本原理和基本构成以及拉伐尔喷管出口气流的基本计算式

扩散形割嘴是指切割氧孔道呈拉伐尔喷管状的割嘴,因这种割嘴的切割速度比上节所述的普通割嘴快,故国内也称快速割嘴。

早在本世纪40年代,扩散形割嘴已由欧美等国开发和试用, 但未引起广泛的重视。进入60年代后,由于钢材加工业,特别是造船工业的迅速发展，钢材的切割加工量大增, 并对切割质量和精度提出了更高的要求,从而推动了对扩散型割嘴的进一步研究,曾研制出了切割氧压力高达3.5MPa的高压扩散形割嘴,并在生产中试用,由于高产配管和器具上某些问题,未获推广。但国外一些造船企业从70年代中后期开始扩大使用低压 (切割氧压力0.49-0.69MPa)扩散形割嘴,至今已作为常用割嘴。我国自70年代初开始,不少单位对这种割嘴也进行了大量的试验研究, 并取得了一定的成效,现在正在不断推广应用之中。

作为扩散形割嘴切割氧孔道的拉伐尔喷管的基本构成如图2-63所示,由收缩段、喉部和扩散段组成。当压力大干185kPa(绝对压力)的气体流经收缩段时,因喷管截面逐新缩小,气流就逐步被加速,至喉部处恰好达到当地音速(也称临界速度)。这种音速气流通过喉部经扩散段流向出口过程中,由于扩散段的喷管裁面不断扩大,气流扩张,其压力下降,而流速继续增加, 到出口处流出时形成超音速气流。同时在出口截面处气流的压力随之降低到P₁。

通过拉伐尔喷管把进口处气体的压力能转变为出口处的速度能。扩散形割嘴就是利用这一原理使切割氧流达到超音速,增大其动量, 从而获得提高切割能力和速度的效果。

拉伐尔喷管出口气流的基本计算式  气流在拉伐尔喷管出口截面上所能达到的流速取决于进口压力P₀及喉部圆截面积A_c(或相度的喉径d_c)与出口圆截面积A₁(或相应的直径d₁)之比。当气源具有足够的压力时,根据等熵流理论,它们之问的关系可用以下公式表达并进行计算

由式(2-21)和式(2-22)可知,当喷管的A₁/A_c(或d₁/d_c)值给定后,出口气流所能达到的流速(常用马赫数表示)M也就确定,同时P₀/P₁值也被限定,如果加大P₀,出口截面上压力P₁也随之增大。但气体流出出口截面之后,其压力必须与外界压力 P₂相同。若出口处为大气,则P₁应等于该处的大气压力。故当P₁>P₂时,气流就要在大气中继续膨胀,而流速会进一步增加,不过气流的横截面也扩大。反之,如果 P₀降低, P₁也相应降低,P₁略低于P₂,出口流速M基本不变。若P₁低于P₂过多,则气流从喷管喷出后, 为使其压力达到外界压力,只能依靠降低超音速气流速度来提高压力,且气流中伴随产生冲波, 使能量遭受损失。这就是后述使用扩散形割嘴时,设定的切割氧压力必须基本上等于割嘴设计压力的根据。

另一方面,欲使气流出口速度达到某一M数,据式(2-21)和式(2-22)可确定 d₁/d_c 和进口压力P₀的数值。表2-55所示为当外界为大气的条,件下, 据上述两个公式算得的、设计切割氧孔道的实用资料。

由表可知, 随着切割氧压力的增高,只要 d₁/d_c比与之相适应,切割氧流的流速可以达到音速的若干倍。