超音速拉瓦尔喷嘴设计及大功率激光水下切割实验

王以华

（嘉兴学院，浙江嘉兴314001）

超音速拉瓦尔喷嘴设计及大功率激光水下切割实验

王以华

（嘉兴学院，浙江嘉兴314001）

针对传统会聚型喷嘴大气流时存在激波、紊流度较大及水下切割质量差等问题，设计了一种新型的超音速拉瓦尔喷嘴，基于空气动力学原理及激光光斑的尺寸限制，确定拉瓦尔喷嘴各部分的尺寸，并进行大功率激光水下切割实验以验证采用拉瓦尔喷嘴进行水下激光切割的有效性。通过对比会聚型喷嘴表明，采用超音速拉瓦尔喷嘴进行水下激光切割，具有切割质量、效率高、过程平稳及改善切割效果等特点。

拉瓦尔喷嘴；水下切割；超音速；大功率；切割效果

0　前言

海洋蕴藏着丰富的资源，比如海水直接利用、海底石油天然气、煤铁矿藏、海滨砂矿及可燃冰等，是国家重要战略规划和经济发展的重要组成部分。海洋资源的有效开发和利用是快速实现我国经济腾飞的重要举措，海洋平台、石油管道、水下支撑平台、船舶等大量海洋设备在建造和修复过程中都离不开水下切割技术，常用的切割技术有等离子切割、数控切割、激光切割等。近年来，随着机器人技术和智能技术的快速发展，水下切割技术正逐渐朝着智能化、数字化、信息化、便携及安全化的方向发展[1-3]。其中，采用激光切割技术进行水下切割具有较高的切割效率和切割质量，并能实现远程操控，是目前国内外水下切割技术研究的热点。激光切割的效率和切割速度与喷嘴的结构形式及供气压力有着直接关系，在激光功率一定条件下，较高的供气压力能显著提高切割速度，但传统的会聚型喷嘴由于激波的存在，喷嘴的气流速度只能达到1 Ma，严重影响了激光切割的切割速度和效率[4]。为了使喷嘴获得较高的供气压力和消除激波，使喷嘴气流均匀且具有较小的紊流度，因此喷嘴的设计是非常关键的核心技术之一。

拉瓦尔喷嘴作为一种新型的结构形式，具有供气压力高、气流温度、紊流度小等特点，在蒸汽喷射泵等[5]领域得到了广泛运用。

本研究基于空气动力学的相关原理，在相关文献研究的基础上，提出和设计了一种新型的超音速拉瓦尔喷嘴结构形式，确定其结构尺寸参数，与传统的会聚型喷嘴在模拟深水条件下进行了大功率激光水下切割实验，并对比研究两者的切割效果。

1　超音速拉瓦尔喷嘴结构设计及参数

超音速拉瓦尔喷嘴采用的是先收缩后扩张的喷管结构，能将较低流速或处于某一压力下的气体在进入此喷嘴后显著增加收缩段气体的流速和压力，并经过扩张段获得超音速的气流。与会聚型喷嘴结构不同的是，拉瓦尔喷嘴除包括上述两段外，还包括使气流均匀进入及有效降低紊流度的稳定段和喉口段，共4部分组成，两者喷嘴的结构示意如图1所示。

a会聚型b拉瓦尔图1　两种不同形式的喷嘴结构示意

由图1b可知，确定拉瓦尔喷嘴结构的尺寸参数有7个，分别为稳定段长度Ls、收缩段长度Lp、喉口长度La、扩张段长度Le和稳定段直径Ds、喉口直径Da及喷嘴末端内径De，这些尺寸参数的合理选择及确定对拉瓦尔喷嘴的性能有着直接的影响。

1.1稳定段参数的确定

稳定段的目的是降低拉瓦尔喷嘴的紊流度或使流入喷嘴的气流保持均匀。一般来说，Ds与Da的比值越大，气流流入越均匀，紊流度也越小，但该段与切割枪端部相连，因而尺寸受到限制，故根据该段的结构限制和实际条件选取Ds为13 mm。De要求较低，可根据激光光斑尺寸大小在3.2～5.5 mm范围取值。稳定段长度Ls为非主要设计尺寸，其大小确定可由喷嘴整体长度与其他部位长度相减得到。

1.2喉口段参数的确定

喉口段尺寸对拉瓦尔喷嘴性能的影响最为关键，其尺寸大小对其两端部位的设计影响较为显著，故需要提前加以确定。

从理论上来讲，喉口长度La可为0 mm，以便于该位置与收缩段位置相切，但出于加工制造方便的考虑，需要对喉口部位预留一段长度，不过其值要小于喉口直径Da，而喉口直径Da可由下式确定

式中qm和κ分别为气体流量和气体等压与等容热容量的比值。对于双原子分支O2来说，参数κ可取1.4；R、p0和T0分别为气体常数、气体的工作压力及温度；Aa为喉口段的断口面积。

根据理想气体状态方程及气体流量与其体积和密度的关系可得

式中P为喷嘴喷出的气体压力，取0.12 MPa；ρ、M、T和V分别为喷出氧气的密度、相对分子量、温度及气体。

由式（2）和气体参数值可计算出qm约为0.6kg/s，将其代入式（1）可得到直径Da≈3.85 mm，而用于实验的激光光斑最大直径约为3.1 mm，故当喉口直径Da=3.85 mm可确保激光束顺利通过。当确定了喉口直径Da后，喉口长度La也可确定，取3.5 mm。

1.3收缩段参数的确定

收缩段的目的就是将低速的气流迅速提高到亚音速即马赫数左右，从图1b可知，收缩段长度Lp与该段的半锥角α、Ds和Da有关。因此，根据图1所示的几何关系，收缩段长度Lp为

式中半锥角α为23°～32°。同时，将Ds和Ds代入式（3）便可得收缩段长度Lp为9.5 mm。

收缩段的结构及曲线形状如图2所示。其中，小圆弧R1和大圆弧R2相切，根据图2所示的几何关系可得

式中R1和R2分别为小圆弧和大圆弧半径，其中，小圆弧起稳定段圆滑过渡到收缩段的作用，大圆弧起收缩气流提高流速的作用。将Lp代入式（4）可得R1+R2＝11.875 mm，取小圆弧R1=1.875 mm，则大圆弧R2=10 mm。

1.4扩张段参数的确定

扩张段为低压区域，该段的目的是使拉瓦尔喷嘴出口处获得超音速气流。扩张段的扩张角度的确定和计算方法有很多，为了加工方便和简化工艺流程，最常用的一种是直线扩张式。扩张角的大小对喷嘴出口处的气流影响很大，若太大，则会有严重的激波产生，反之若太小，则会因通道太长造成压力损失，因此扩张角的选取要合理，拉瓦尔喷嘴的半顶角β通常选为6°。由于拉瓦尔喷嘴的末端尺寸受到激光光斑尺寸的约束，故扩张段直径De不应小于3.2 mm。同时，为了有效利用激光的能量和适当减少激光切割的宽度，扩张段直径De不应大于5.5 mm。通过综合考虑并根据实际情况，扩张段直径De可取为4.85 mm。扩张段长度Le为

图2　收缩段的结构及曲线形状示意

将De、Da和半顶角β代入式（5）即可得到扩张段长度Le为4.76 mm。至此，根据实际应用要求和切割条件设计的拉瓦尔喷嘴全部尺寸参数选择和确定完毕，得到超音速拉瓦尔喷嘴的尺寸标注如图3所示。

图3　超音速拉瓦尔喷嘴的尺寸

2　大功率激光水下切割实验及对比

根据如图3所示的超音速拉瓦尔喷嘴尺寸，采用紫铜材料对喷嘴进行加工制作，并将之用于大功率激光水下切割实验。实验所需要的深水环境可在特制的密封实验舱内模拟得到。为了更清晰地认识大功率激光水下切割实验的切割效果，同时采用传统的会聚型喷嘴与本研究提出的新型拉瓦尔喷嘴在相同的实验条件下，对碳钢板在模拟的深水环境下进行水下激光切割实验，并观察和对比两者的切割效果。

为使两者的实验条件尽可能保持一致，设计用于水下切割实验的传统会聚型喷嘴尺寸结构如图4所示，其中会聚型喷嘴的进出口直径、喷嘴总长、稳定段长度均与拉瓦尔喷嘴相对应的尺寸保持一致，并且用于加工会聚型喷嘴的材料也采用紫铜材料。进行水下切割实验时，传统会聚型喷嘴与工件上表面间的距离为0.85 mm，焦点到工件表面的距离为0.90 mm，而用于水下切割实验的传统会聚型喷嘴其他实验参数及水下切割碳钢板试样效果分别如表1和图5所示。

图4　传统会聚型喷嘴尺寸结构

表1　会聚型喷嘴水下切割实验参数

超音速拉瓦尔喷嘴的尺寸参数已全部给出，在进行水下切割时喷嘴与焦点与工件上表面的距离与传统会聚型喷嘴相同，而用于水下切割实验的超音速拉瓦尔喷嘴其他实验参数及水下切割碳钢板试样的效果分别如表2和图6所示。

表2　超音速拉瓦尔喷嘴水下切割实验参数

对比图5和图6所示切割试样的实际切割效果，采用传统的会聚型喷嘴对试样进行水下切割时，虽然都选取最优的工艺参数，但是从实际切割效果来看，试样仍存在断面切割质量较差和切峰未完全切透的现象。但采用超音速拉瓦尔喷嘴进行水下激光切割时，试样的横纵界面的切割质量与会聚型喷嘴的切割质量相比有了大幅度提高，切缝完全切透且质量较高，并且整个切割过程平滑稳定，切割的速度及能力也有了很大提高，实际的切割效果较好。

图5　会聚型喷嘴切割试样实验结果

图6　超音速拉瓦尔喷嘴切割试样实验结果

3　结论

提出和设计了一种新型的超音速拉瓦尔喷嘴结构形式，基于空气动力学相关理论和结构约束确定了拉瓦尔喷嘴的尺寸参数，加工制作相应的拉瓦尔喷嘴实体，并用于实际大功率水下激光切割碳钢板实验。通过与传统的会聚型喷嘴水下切割实验对比表明，采用所设计的新型超音速拉瓦尔喷嘴进行水下激光切割具有切割效率高、切割过程平稳、切缝及切割质量较高的优点，能实现在深水环境下厚钢板的高效优质切割。

[1]韩善果，杨永强，闫德俊.先进等离子焊接与切割技术研究现状[J].电焊机，2013，43（10）：6-9.

[2]杜文博，朱胜，孟凡军.水下切割技术研究及应用进展[J].焊接技术，2009，38（10）：1-5.

[3]殷浩澍.高新切割技术在我国造船业中的应用及发展趋势[J].电焊机，2004，34（2）：5-8.

[4]刘建华，陈一坚，段军，等.激光切割超音速喷嘴设计[J].激光技术，2000，24（1）：46-50.

[5]陆卫忠.拉瓦尔喷嘴在宝钢2RH蒸汽喷射泵中的应用[J].宝钢技术，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

王以华（1976—），男，湖北监利人，讲师，硕士，主要从事工业设计的教研工作。