JPH0647669A - Cavitation jet nozzle - Google Patents
Cavitation jet nozzleInfo
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- JPH0647669A JPH0647669A JP20396492A JP20396492A JPH0647669A JP H0647669 A JPH0647669 A JP H0647669A JP 20396492 A JP20396492 A JP 20396492A JP 20396492 A JP20396492 A JP 20396492A JP H0647669 A JPH0647669 A JP H0647669A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、鋼材などの加工物の残
留応力低減技術に係わり、水中においてキヤビテーシヨ
ンを伴う水噴流を加工物の表面に衝突させることによつ
て、引つ張り方向に過大応力が残る表面を、圧縮応力が
作用するまでに処理しようとするキヤビテーシヨンジエ
ツトノズルの構造に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for reducing residual stress in a workpiece such as steel, which causes excessive jetting in the pulling direction by causing a water jet accompanied by cavitation to collide with the surface of the workpiece. The present invention relates to a structure of a cavitation jet nozzle for treating a surface where stress remains until the compressive stress acts.
【０００２】[0002]
【従来の技術】応力腐食割れ発生の要因となる溶接部等
の残留応力は、鋼球を気流の勢いで吹き付けるシヨツト
ブラスト、砂粒やガーネツト粒子等を用いるサンドブラ
スト、氷粒を用いるクライオブラスト等によるピーニン
グ処理を行い、残留応力を引つ張り方向（亀裂を拡大さ
せる方向）から圧縮方向へと改善する。このようなピー
ニング技術は、残留応力改善対策として各種機械構造物
あるいは部品加工時に広く用いられている。2. Description of the Related Art Residual stress in welds, etc. that causes stress corrosion cracking is due to shot blasting that blows steel balls with the force of the air flow, sand blasting using sand particles or garnet particles, and cryoblast using ice particles. A peening treatment is performed to improve the residual stress from the pulling direction (the direction in which the crack expands) to the compression direction. Such a peening technique is widely used as a measure for residual stress improvement when processing various mechanical structures or parts.
【０００３】しかし、このようなブラスト操作のできな
い環境でありながら、是が非でもピーニングしなければ
ならない構造物も多い。例えば、水を張つた特殊な熱交
換器や反応槽、あるいは海洋構造物の溶接部等は、いず
れも水中にあり、水を除去しての作業は物理的あるいは
経済的に不可能に近い。However, even in such an environment where blasting is not possible, there are many structures that must be peened even if it is not. For example, a special heat exchanger or reaction tank filled with water, a welded portion of a marine structure, etc. are all in water, and work for removing water is physically or economically impossible.
【０００４】また、ブラスト粒子を水中から回収するこ
とは大変な難作業になる。氷粒を用いれば回収は不要で
あるが、施工コストが掛かりすぎて経済的なメリツトが
余りない。Further, recovering blast particles from water becomes a very difficult task. If ice particles are used, recovery is unnecessary, but the construction cost is too high and there is not much economic merit.
【０００５】高速ウオータージエツトの利用は、ユニー
クな加工、採鉱あるいは洗浄技術として知られるが、こ
れを応力改善に利用する試みがウエスチングハウス社に
より行われた（特開昭６２−６３６１４号参照）。水噴
流によるピーニングは、水冷効果もあつて局所的な温度
上昇を防げるというメリツトもある。The use of high-speed water jet is known as a unique processing, mining or cleaning technique, and an attempt to utilize it for stress improvement was made by Westinghouse (see JP-A-62-63614). ). Peening with a water jet has the merit of preventing a local temperature rise due to the water cooling effect.
【０００６】しかし、これは水噴流の軸動圧力を有効に
利用できる大気中の作業であり、この技術を水中水噴流
としてそのまま展開できる保証はない。水中では、噴流
軸動圧力の減衰がかなり速い。これは、周囲水の抵抗と
同じ液相であるがため、拡散が速いことに起因する。水
中で気相中水噴流なみの軸動力を得るためには、超高圧
発生装置が必要になり、コスト的にも大変不利な技術に
なつてしまう。However, this is an operation in the atmosphere in which the axial dynamic pressure of the water jet can be effectively utilized, and there is no guarantee that this technique can be directly deployed as an underwater water jet. In water, the damping of the jet axial dynamic pressure is fairly fast. This is because the liquid phase is the same as the resistance of the surrounding water, so that the diffusion is fast. In order to obtain a shaft power similar to a gas-phase water jet in water, an ultrahigh pressure generator is required, which is a very disadvantageous technique in terms of cost.
【０００７】一方、水中水噴流には、噴流と周囲水との
剪断作用によりキヤビテーシヨンが発生する。キヤビテ
ーシヨンを促進し、多量に発生する気泡の圧壊作用を有
効に利用できれば、気相中噴流なみのピーニング効果
を、低い噴射圧力で達成できる可能性がある。On the other hand, in the underwater water jet, cavitation occurs due to the shearing action of the jet and the surrounding water. If cavitation is promoted and the crushing action of a large amount of bubbles can be effectively utilized, there is a possibility that a peening effect similar to a jet in a gas phase can be achieved at a low injection pressure.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】図９に示したのは、一
般のウオータージエツト加工に用いられるノズルの典型
的な構造である。このノズルは、気相中で水噴流をビー
ム状に絞ることを目的としたものであり、そのまま水噴
流に利用してもキヤビテーシヨンの強度（Ｉｎｔｅｎｓ
ｉｔｙ）は十分とは言えない。FIG. 9 shows a typical structure of a nozzle used for general water jet processing. This nozzle is intended to narrow the water jet into a beam in the gas phase, and the strength (Intensity) of the cavitation can be directly applied to the water jet.
It) is not enough.
【０００９】その理由は、水中水噴流の乱れが激しくな
く、噴射水中にある気泡核が活発なキヤビテーシヨンに
至るまで励起されないことである。The reason is that the turbulence of the underwater water jet is not so severe that the bubble nuclei in the jetted water are not excited to the active cavitation.
【００１０】なお、図において、８０１はノズル本体、
８０２は高圧供給水、８０３は中心軸、８０４は噴出
口、８０５はしぼり部（径収縮部）、８０６は高圧水供
給流路である。In the figure, reference numeral 801 denotes a nozzle body,
Reference numeral 802 is high-pressure supply water, 803 is a central axis, 804 is a jet outlet, 805 is a squeezing portion (diameter contraction portion), and 806 is a high-pressure water supply flow path.
【００１１】図１０は、水中の高速水噴流におけるキヤ
ビテーシヨンの状態を模式的に示したものである。ここ
で用いたノズルは、図９に示す例よりもノズルの径収縮
部９０４のしぼりを鋭くし、より強い減圧効果を与えて
噴流を乱しキヤビテーシヨンを促進しようとしたもので
ある。噴出孔９０３においてキヤビテーシヨンが発生し
（９０５）、微細なキヤビテーシヨン気泡の塊であるキ
ヤビテーシヨンクラウド９０６が生成する。このキヤビ
テーシヨンクラウド９０６は、下流において***する
が、この***に際して噴流中の乱れ（渦）に起因する数
珠状の渦糸キヤビテーシヨン９０７が生成する。この渦
糸キヤビテーシヨン９０７は、固体面において極めて大
きな衝撃圧力を発生させ、固体材料を激しく壊食・損傷
させる性質がある。言い換えれば、この渦糸キヤビテー
シヨン９０７の生成が活発であれば、鋼材表面の残留応
力を効率よく改善できることになる。FIG. 10 schematically shows the state of the cavitation in a high-speed water jet underwater. The nozzle used here is intended to make the diameter shrinkage portion 904 of the nozzle sharper than in the example shown in FIG. 9 to give a stronger decompression effect to disturb the jet flow and promote the cavitation. A cavitation is generated in the ejection hole 903 (905), and a cavitation cloud 906, which is a lump of fine cavitation bubbles, is generated. The cavitation cloud 906 splits at the downstream side, and at the time of this splitting, a beaded vortex filament 907 due to turbulence (vortex) in the jet flow is generated. The vortex fiber cage 907 has a property of generating an extremely large impact pressure on a solid surface and violently eroding and damaging the solid material. In other words, if the generation of the vortex fiber cage 907 is active, the residual stress on the surface of the steel material can be efficiently improved.
【００１２】なお、図において、９０１はノズル本体、
９０２は高圧供給水、９０８はキヤビテーシヨンクラウ
ドの消滅、９０９は粗い気泡、９１０は周囲水である。In the drawing, 901 is a nozzle body,
902 is high-pressure supply water, 908 is disappearance of the cavitation cloud, 909 is coarse air bubbles, and 910 is ambient water.
【００１３】図９に構造を示すノズルからの噴流は乱れ
が弱く、ピーニングに対して有用な渦糸キヤビテーシヨ
ンの生成が不活発である。The jet flow from the nozzle whose structure is shown in FIG. 9 has weak turbulence, and the generation of the vortex fiber cage useful for peening is inactive.
【００１４】なお、図１１に示す特開昭６０−１６８８
５４号公報のノズルは、水中における各種作業のために
開発されたノズルであり、キヤビテーシヨンの利用が謳
われている。Incidentally, Japanese Unexamined Patent Publication No. 60-1688 shown in FIG.
The nozzle disclosed in Japanese Patent No. 54 is a nozzle developed for various operations in water, and the use of a cavitation is claimed.
【００１５】なお、図において、１００１はノズル本
体、１００２はオリフイス部、１００３は円錐開口部、
１００４は円錐空洞部、１００５は配管部材、１００６
は高圧噴出装置、１００７は噴射加工対象物である。In the figure, 1001 is a nozzle body, 1002 is an orifice part, 1003 is a conical opening part,
1004 is a conical cavity, 1005 is a piping member, 1006
Is a high-pressure jetting device, and 1007 is an object to be jetted.
【００１６】図１２に示す特開昭６１−８１８４号公報
は、水中水噴流に発生するキヤビテーシヨンの作用によ
つて、汚染付着物を除去しようという発明である。Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-8184 shown in FIG. 12 is an invention for removing contaminated deposits by the action of a cavitation generated in an underwater jet.
【００１７】なお、図において、１１０１は水槽、１１
０２は被洗浄部品、１１０３はノズル、１１０３ａはノ
ズル先端、１１０４は水、１１０５は管路である。In the figure, 1101 is a water tank, 11
Reference numeral 02 is a part to be cleaned, 1103 is a nozzle, 1103a is a nozzle tip, 1104 is water, and 1105 is a pipeline.
【００１８】本発明の目的は、上記したような問題点を
踏まえた上で、噴流の乱れをより活発にし、キヤビテー
シヨンの促進に対して好適なキヤビテーシヨンジエツト
ノズルの構造を提供することにある。In view of the above-mentioned problems, an object of the present invention is to provide a structure of a cage jet nozzle which makes the turbulence of the jet flow more active and is suitable for promoting the cavitation. is there.
【００１９】[0019]
【課題を解決するための手段】上記した問題を解決する
ために、本発明では、キヤビテーシヨン促進を意図する
以下のような構造のノズルを提供する。In order to solve the above problems, the present invention provides a nozzle having the following structure intended to promote cavitation.
【００２０】ポンプから高圧水が供給されるノズルの先
端、すなわち噴出孔の直ぐ上流部において、強い循環渦
の生じる空洞部（内部循環室）を設け、噴出孔から水中
へ噴射される水流に不均一な（噴流の半径方向に均一で
ない）強い乱れを付与する。このような循環渦を作り出
す空洞部（内部循環室）をノズルに設ける技術は、噴出
孔が１つの単孔ノズルにも、また多数の噴出孔が開口す
る複数孔ノズルへも適用することが可能である。A cavity (internal circulation chamber) in which a strong circulating vortex is generated is provided at the tip of the nozzle to which high-pressure water is supplied from the pump, that is, immediately upstream of the jet hole, so that the flow of water jetted into the water from the jet hole is not affected. It gives a strong uniform turbulence (not uniform in the radial direction of the jet). The technique of providing a cavity portion (internal circulation chamber) that creates such a circulation vortex in a nozzle can be applied to a single-hole nozzle having one ejection hole and to a multi-hole nozzle having a large number of ejection holes. Is.
【００２１】[0021]
【作用】本発明に係る空洞状内部循環室内に生じる強い
循環渦流が、噴出孔から噴射される水噴流の乱れを著し
く増幅させる。高圧水は、１次減圧ノズル（１次キヤビ
テータ）としての連接細管を通じて空洞状の内部循環室
内へ供給されるため、減圧を伴う流れ場の急激な変化に
よつて、内部循環室内にはキヤビテーシヨンが発生す
る。内部循環室内には噴射圧力が加わつているため、室
内のキヤビテーシヨンはさほど激しいものではない。The strong circulation vortex generated in the hollow internal circulation chamber according to the present invention remarkably amplifies the turbulence of the water jet injected from the jet holes. Since the high-pressure water is supplied into the hollow internal circulation chamber through the connecting thin tube as the primary decompression nozzle (primary cavitation), the rapid change in the flow field accompanying decompression causes the cavitation in the internal circulation chamber. Occur. Since the injection pressure is applied to the internal circulation chamber, the cavitation inside the chamber is not so severe.
【００２２】このキヤビテーシヨンも、噴出孔から噴射
される水噴流の乱れを増幅させる。内部循環室内の循環
流は、一種の制約（空間的に拘束された）噴流であるた
め、乱れは循環室内の円周方向に対して不均等なものと
なる。This cavitation also amplifies the turbulence of the water jet jetted from the jet holes. Since the circulation flow in the internal circulation chamber is a kind of constrained (spatial constrained) jet, the turbulence becomes uneven in the circumferential direction in the circulation chamber.
【００２３】以上のような乱れの増幅によつて、キヤビ
テーシヨンが著しく促進される。現象としては、キヤビ
テーシヨンクラウド（図１０参照）の***が活発にな
り、衝撃性の強い渦糸キヤビテーシヨンが高頻度で出現
するようになる。このようにして、ピーニング効率は大
幅に向上する。The amplification of the disturbance as described above remarkably promotes the cavitation. As a phenomenon, division of the cavitation cloud (see FIG. 10) becomes active, and vortex filament cavitation with strong impact appears with high frequency. In this way, the peening efficiency is significantly improved.
【００２４】噴流の特性を流体力学的に説明すると、噴
出孔における強いエネルギー消散のためにポテンシヤル
コアが短縮され、エントレンが噴出孔のごく近傍におい
て始まる。このような噴流の特性は、活発なエントレン
が乱流渦による強い剪断力を生み出すことから、キヤビ
テーシヨンの促進に対して極めて有利であると言える。A hydrodynamic description of the jet characteristics is that the potent core is shortened due to the strong energy dissipation in the jet, and the entrain begins in the immediate vicinity of the jet. It can be said that such characteristics of the jet flow are extremely advantageous for promoting the cavitation, since the vigorous entrain produces a strong shearing force due to the turbulent vortex.
【００２５】[0025]
【実施例】図３は、本発明に係るキヤビテーシヨンジエ
ツトノズル内の流れの様相を模式的に表したものであ
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 3 is a schematic diagram showing the flow pattern in the cavitation jet nozzle according to the present invention.
【００２６】高圧水３０２として噴射ノズル本体３０１
へ供給された水は、連通細管（１次キヤビテータ）３０
３の上流で鋭くしぼられ縮流３０４となり、連通細管
（１次キヤビテータ）３０３内へ導かれる。この連通細
管（１次キヤビテータ）３０３内では、減圧と急激な流
れ場の変化により、キヤビテーシヨンが発生する（キヤ
ビテーシヨン発生点３０５）。ただし、下流側の内部循
環室３０６内の圧力が高いため、このキヤビテーシヨン
は必ずしも発達していると言えず、散発的な微細気泡の
タイプである。The jet nozzle body 301 as the high-pressure water 302
The water supplied to the
It is sharply squeezed upstream of 3 and becomes a contracted flow 304, which is guided into the communicating thin tube (primary cavitation) 303. In this communicating thin tube (primary cavitation) 303, cavitation occurs due to depressurization and abrupt change of flow field (cavitation generation point 305). However, since the pressure in the internal circulation chamber 306 on the downstream side is high, this cavitation cannot be said to be necessarily developed, and is a type of sporadic fine bubbles.
【００２７】キヤビテーヨンを伴いながら連通細管（１
次キヤビテータ）３０３から内部循環室３０６内へ吹き
込まれた水流は、内部循環室３０６内でかなり激しい循
環渦３０７を作り出す。この循環渦３０７は、異方性の
強い乱れを伴つており、噴出孔（２次キヤビテータ）３
０９から、周囲水３１３中へ吹き出されるキヤビテーシ
ヨン噴流３１１の乱れを大幅に増幅させる。このように
して作り出された激しい乱れによつて、キヤビテーシヨ
ン噴流３１１内のポテンシヤルコアは消滅した状態とな
る。一方、周囲水３１３からキヤビテーシヨン噴流３１
１内への巻き込み流量が増大する。A communication thin tube (1) with a cab
The water flow blown into the internal circulation chamber 306 from the next (cavitator) 303 creates a considerably violent circulation vortex 307 in the internal circulation chamber 306. The circulation vortex 307 is accompanied by strong turbulence of anisotropy, and the ejection hole (secondary cavitation) 3
From 09, the turbulence of the cavitation jet 311 blown into the ambient water 313 is greatly amplified. Due to the intense turbulence created in this manner, the potential core in the cavitation jet 311 becomes extinct. On the other hand, from the surrounding water 313, the cavitation jet 31
The entrainment flow rate into 1 increases.
【００２８】このようにして、キヤビテーシヨン噴流３
１１は、乱れが著しく発達した状態となる。キヤビテー
シヨン噴流３１１内の乱れは、まず圧力変動によつて水
中の気泡核に刺激を与えて励起を促すことになる。従つ
て、乱れによつてキヤビテーシヨンは活発になる。ま
た、キヤビテーシヨン噴流３１１内の渦状の乱れが、固
体表面で強い衝撃圧を発生する渦糸キヤビテーシヨンを
生成させる。以上のような作用の相乗効果により、キヤ
ビテーシヨン噴流３１１はその内部の乱れが活発にな
り、キヤビテーシヨンが著しく増幅されることになる。In this way, the cavitation jet 3
No. 11 is in a state where the disorder has been remarkably developed. The turbulence in the cavitation jet 311 first stimulates the bubble nuclei in water by stimulating pressure fluctuations to promote excitation. Therefore, due to the disturbance, the cavitation becomes active. In addition, the vortex-like turbulence in the cavitation jet 311 creates a vortex filament cage that generates a strong impact pressure on the solid surface. Due to the synergistic effect of the above actions, the turbulence inside the cavitation jet 311 becomes active, and the cavitation is significantly amplified.
【００２９】なお、図において、３０８は縮流、３１０
は激しいキヤビテーシヨンの発生個所、３１２は周囲水
の巻き込みを示す。In the figure, 308 is a contraction flow and 310
Indicates a location where severe cavitation occurred, and 312 indicates entrapment of ambient water.
【００３０】前述したように、噴射圧力を無闇に増大さ
せたり、あるいは連通細管（１次キヤビテータ）３０３
や噴出孔（２次キヤビテータ）３０９のしぼり（開口断
面積の比）を強くすると、キヤビテーシヨンが活発にな
る反面、開口断面積の縮小とキヤビテーシヨン気泡発生
による気泡閉塞（Ｂｕｂｂｌｅ ｌｏｃｋ）に起因する
圧力損失のために噴射流量が低下してしまうおそれがあ
る。As described above, the injection pressure can be increased without fail, or the communicating thin tube (primary cavitation) 303 can be used.
If the squeeze (ratio of the opening cross-sectional area) of the ejection hole (secondary cavitationr) 309 is increased, the cavitation becomes active, but the pressure loss caused by the bubble cross-section (Bubble lock) due to the reduction of the opening cross-sectional area and the generation of cavitation bubbles. Therefore, the injection flow rate may decrease.
【００３１】図４に示すように、キヤビテーシヨン強度
（Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）と圧力
損失の両者の特性を考慮した上で、ノズルの構造や噴射
条件を設定すればよい。As shown in FIG. 4, the structure of the nozzle and the ejection conditions may be set in consideration of both characteristics of the cavitation strength and the pressure loss.
【００３２】図７は、本発明に係るキヤビテーシヨンジ
エツトノズル（図１，２）と、従来技術に係るノズル
（図９）を対象に、キヤビテーシヨン噴流内で生成する
キヤビテーシヨン気泡群の衝撃圧発生の特性を、ノズル
と加工対象物間の距離（スタンドオフ）Ｚに対する変化
として比較したものである。FIG. 7 shows the impact pressure of the cavity bubbles generated in the jet jet of the cage for the jet jet nozzle of the present invention (FIGS. 1 and 2) and the nozzle of the prior art (FIG. 9). The characteristics of generation are compared as changes with respect to the distance (standoff) Z between the nozzle and the workpiece.
【００３３】キヤビテーシヨン噴流の発生圧力は、キヤ
ビテーシヨン噴流の横へ感圧紙を設置することにより求
めた。発生圧力は、スタンドオフに対して、Ｚの小さい
条件で増加しピークに達した後、急減する傾向がある。The pressure generated by the cavitation jet was determined by placing a pressure sensitive paper beside the cavitation jet. The generated pressure tends to increase with a small Z condition, reach a peak, and then suddenly decrease with respect to the standoff.
【００３４】本発明に係るノズル（図１，２）を用いた
方が従来技術に係るノズル（図９）に比べて、試験を行
つた領域において発生圧力が高くなつている、すなわち
ピーニング用ノズルとして好適であることが分かる。Compared with the nozzle according to the prior art (FIG. 9), the generated pressure in the nozzle according to the present invention (FIGS. 1 and 2) is higher in the tested region, that is, the peening nozzle. It turns out that is suitable as.
【００３５】ピーニング施工用ノズルとしての性能を確
認するために、実際に水中ピーニングを同一の条件（ノ
ズル構造の影響のみを比較するため、噴射圧力、スタン
ドオフあるいは水質の条件等を同じにする）で実施し、
残留応力の改善効果を調べた。この結果を図８に示す。In order to confirm the performance as a peening nozzle, underwater peening is actually performed under the same conditions (in order to compare only the influence of the nozzle structure, the injection pressure, standoff, water quality, etc. are made the same). Carried out in
The effect of improving the residual stress was investigated. The result is shown in FIG.
【００３６】残留応力の大きさは、ピーニング処理前
（Ｘ）の引つ張り方向残留応力の大きさ−１（大きさの
絶対値は１）を比較基準として無次元表記した。従来式
ノズルを用いる方法（Ｙ）でも、＋０．４まで圧縮側に
応力は改善されるものの、本発明に係るノズルを用いる
場合（Ｚ）は、＋１．４まで大幅に残留応力を改善でき
ることが分かる。The magnitude of the residual stress was expressed dimensionlessly with the magnitude of the residual stress in the tension direction before the peening treatment (X) -1 (the absolute value of the magnitude being 1) as a comparison standard. Even with the method (Y) using the conventional nozzle, the stress on the compression side is improved to +0.4, but when using the nozzle according to the present invention (Z), the residual stress can be significantly improved to +1.4. I understand.
【００３７】図１は、本発明を具体化したキヤビテーシ
ヨンジエツトノズルの構造を断面図として示したもので
ある。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a cavitation jet nozzle embodying the present invention.
【００３８】このキヤビテーシヨンジエツトノズルは、
上流側の部品から順に、高圧水供給ガン３、中間プレー
ト２および噴射ノズル本体１で構成されている。固定具
１２は、中間プレート２を間に挟みつけるようにしてノ
ズル本体１と高圧水供給ガン３を固定するためのもので
あり、キヤツプナツトタイプの部品である。This cavitation jet nozzle is
It is composed of a high-pressure water supply gun 3, an intermediate plate 2, and an injection nozzle body 1 in order from the upstream side components. The fixture 12 is for fixing the nozzle body 1 and the high-pressure water supply gun 3 with the intermediate plate 2 sandwiched therebetween, and is a cap nut type component.
【００３９】高圧水４は、高圧水供給ガン３の中心に開
口する高圧水供給流路５を通じて供給され、中間プレー
ト２に開口する連通細管（１次キヤビテータ）８へと導
かれる。The high-pressure water 4 is supplied through a high-pressure water supply passage 5 opening at the center of the high-pressure water supply gun 3, and is led to a communicating thin tube (primary cavitation) 8 opening in the intermediate plate 2.
【００４０】なお、６は高圧水流路中心軸、７は高圧水
流路拡大部、９は内部循環室、１０は噴出孔（２次キヤ
ビテータ）、１１は噴出孔中心軸である。Reference numeral 6 is a central axis of the high-pressure water channel, 7 is an enlarged portion of the high-pressure water channel, 9 is an internal circulation chamber, 10 is an ejection hole (secondary cavitation), and 11 is an ejection hole central axis.
【００４１】図２に示すように、連通細管（１次キヤビ
テータ）８は、中間プレート２の円周方向に９０°等間
隔で４本開口している。この連通細管（１次キヤビテー
タ）８には、高圧水４を急激に減圧させてキヤビテーシ
ヨンを起こさせる役割と、液体に強い乱れを起こさせる
役割がある。中間プレート２の下流側には、内部循環室
９を有する噴射ノズル本体１が連接している。この噴射
ノズル本体１の中心、すなわち加工対象面側には、噴出
孔（２次キヤビテータ）１０が開口している。噴射ノズ
ル本体１の内部循環室９には、この中に強い渦流を作り
出し、液体に激しい乱れを与える役割がある。As shown in FIG. 2, four communicating thin tubes (primary cavitation) 8 are opened at equal intervals of 90 ° in the circumferential direction of the intermediate plate 2. The communicating thin tube (primary cavitation) 8 has a role of rapidly depressurizing the high-pressure water 4 to cause cavitation and a role of causing strong turbulence in the liquid. An injection nozzle body 1 having an internal circulation chamber 9 is connected to the downstream side of the intermediate plate 2. A jet hole (secondary cavitation) 10 is opened at the center of the jet nozzle main body 1, that is, on the surface to be processed. The internal circulation chamber 9 of the jet nozzle body 1 has a role of creating a strong vortex in this and giving a violent turbulence to the liquid.
【００４２】連通細管径、内部循環室径および噴出孔径
をそれぞれｄ1 ，ｄC およびｄ2 とすると、好適寸法の
設定条件は、 １．６＜（ｄC ／ｄ1 ）2 ＜３０ …（１） ３．０＜（ｄC ／ｄ2 ）2 ＜４８ …（１） として与えられる。さらに望ましくは、 ８．０＜（ｄC ／ｄ1 ）2 ＜２４ …（２） １６＜（ｄC ／ｄ2 ）2 ＜３２ …（２） である。Assuming that the diameter of the communicating thin tube, the diameter of the internal circulation chamber, and the diameter of the ejection hole are d 1 , d C, and d 2 , respectively, the conditions for setting the preferable dimensions are 1.6 <(d C / d 1 ) 2 <30 ... (1) 3.0 <(d C / d 2 ) 2 <48 (1) More preferably, it is 8.0 <(d C / d 1 ) 2 <24 ... (2) 16 <(d C / d 2) 2 <32 ... (2).
【００４３】製作コストやアトマイザの構造上の制約な
どから、（２）式の条件に寸法を設定しにくい場合、
（１）式の範囲で寸法を決定しても、水準以上の性能を
確保することができる。内部循環室９の内径ｄC に対し
て、ｄ1 やｄ2 が小さすぎると、内部循環室９内のキヤ
ビテーシヨンが活発になる反面、気泡の充満による閉塞
いわゆるバブルロツクのため圧力損失が増大する可能性
がある。このように積極したい特性（キヤビテーシヨ
ン）と軽減したい特性（圧力損失）という２つの異なる
条件を組み合わせることになるため、実際の施工に適す
る範囲を上手く選択する必要がある。When it is difficult to set the size in the condition of the expression (2) due to the manufacturing cost and the structural restrictions of the atomizer,
Even if the dimensions are determined within the range of the formula (1), it is possible to secure the performance higher than the standard. If d 1 or d 2 is too small with respect to the inner diameter d C of the internal circulation chamber 9, the cavitation inside the internal circulation chamber 9 becomes active, but the pressure loss may increase due to blockage due to filling of bubbles, so-called bubble lock. There is a nature. Since two different conditions, that is, the characteristic (cavitation) that one wants to positively and the characteristic (pressure loss) that one wants to reduce, are combined in this way, it is necessary to properly select a range suitable for actual construction.
【００４４】図４は、それぞれの開口比（ｄ2 ／ｄ1 ）
2 および（ｄｃ／ｄ2 ）2 に対するキヤビテーシヨン強
度Ｉ（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）と圧力損失ΔＰの変化特性
を模式的に描いたものである。開口比が増大するのに伴
い圧力損失ΔＰとキヤビテーシヨン強度Ｉが共に上昇す
る。特に圧力損失ΔＰは、或る開口比の条件から急増す
る特性がある。FIG. 4 shows the respective aperture ratios (d 2 / d 1 ).
2 is a schematic drawing of change characteristics of the cavitation strength I (Intensity) and the pressure loss ΔP with respect to 2 and (dc / d 2 ) 2 . As the aperture ratio increases, both the pressure loss ΔP and the cavitation strength I increase. In particular, the pressure loss ΔP has a characteristic of rapidly increasing from the condition of a certain opening ratio.
【００４５】従つて、同図に示すように、ΔＰが高すぎ
ることのない範囲で、一方、キヤビテーシヨン強度をで
きるだけ強く確保できる共通の範囲において、実際の施
工条件を設定すればよい。前記（１）式あるいは（２）
式で示す開口比の好適寸法範囲は、以上のようにして求
められる。Therefore, as shown in the figure, actual construction conditions may be set in a range in which ΔP is not too high, and in a common range in which the cavitation strength can be secured as strong as possible. Expression (1) or (2)
The suitable size range of the aperture ratio shown by the formula is obtained as described above.
【００４６】図５と図６は、別の実施例に係るキヤビテ
ーシヨンノズルの構造を示したものである。FIG. 5 and FIG. 6 show the structure of a cavitation nozzle according to another embodiment.
【００４７】図５は高圧水流路中心軸４０６を通る断面
図、図６は加工対象面からノズル正面の外表面を見た図
である。FIG. 5 is a cross-sectional view passing through the central axis 406 of the high-pressure water channel, and FIG. 6 is a view of the outer surface in front of the nozzle from the surface to be processed.
【００４８】先の実施例（図１と図２）との違いは、噴
射ノズル本体４０１の加工対象面側に複数個の噴出孔
（２次キヤビテータ）４１０が開口している点である。
従つて、この実施例に係るノズルは大容量（噴射流量の
多い）タイプである。噴出孔（２次キヤビテータ）４１
０は、高圧水流路中心軸４０６に対し、角度θで外側へ
拡がる方向に開口している。The difference from the previous embodiment (FIGS. 1 and 2) is that a plurality of ejection holes (secondary cavitation) 410 are opened on the surface of the ejection nozzle body 401 to be machined.
Therefore, the nozzle according to this embodiment is of a large capacity type (having a large injection flow rate). Spout hole (secondary cavitation) 41
The opening 0 opens at an angle θ with respect to the central axis 406 of the high-pressure water channel and extends outward.
【００４９】この実施例においても、キヤビテーシヨン
ジエツトノズルは、噴射ノズル本体４０１、中間プレー
ト４０２、高圧水供給ガン４０３およびこれらの部品を
組み立てるための固定具４１２により構成されている。Also in this embodiment, the cavitation jet nozzle is composed of the jet nozzle body 401, the intermediate plate 402, the high pressure water supply gun 403, and the fixture 412 for assembling these parts.
【００５０】連通細管径ｄ1 、内部循環室径ｄｃおよび
噴出孔径ｄ2 の組み合わせ設定条件は、先の実施例にお
けるそれと同様に（１）式あるいは（２）式から定める
ものとなる。このような大容量のノズルは一度のピーニ
ングにより大型鋼材表面の残留応力を改善処理しようと
する場合に用いられる。The setting conditions for the combination of the diameter of the communicating thin tube d 1 , the diameter of the internal circulation chamber dc, and the diameter of the ejection hole d 2 are determined by the equation (1) or the equation (2) as in the previous embodiment. Such a large capacity nozzle is used when the residual stress on the surface of a large steel material is to be improved by one peening.
【００５１】なお、図において、４０４は高圧水、４０
５は高圧水供給流路、４０６は高圧水流路中心軸、４０
７は高圧水流路拡大部、４０８は連通細管（１次キヤビ
テータ）４０９は内部循環室、４１１は噴出孔中心軸で
ある。In the figure, 404 is high pressure water, 40
5 is a high-pressure water supply flow path, 406 is a high-pressure water flow path central axis, 40
Reference numeral 7 denotes a high-pressure water flow passage expanded portion, 408 is a communicating thin tube (primary cavitation) 409 is an internal circulation chamber, and 411 is a jet hole central axis.
【００５２】水中の高速水流による衝突圧力およびキヤ
ビテーシヨンによる気泡の崩壊圧力を利用する本発明
は、様々な機器を構成する部材の残留応力改善法として
適用することができる。一般に、残留応力の改善に際し
ては、熱を加えない、つまり金属組織の変態を伴わない
常温処理の方が格段に好ましい。この点からも本発明は
有利であり、ボイラの耐圧部材の応力改善へも応用する
ことができる。また、水中作業であることを考えれば、
海洋構造物や船舶の補修へも適用できる。The present invention utilizing the collision pressure due to the high-speed water flow in water and the bubble collapse pressure due to the cavitation can be applied as a residual stress improving method for members constituting various devices. Generally, at the time of improving the residual stress, it is much preferable to perform the normal temperature treatment without applying heat, that is, without the transformation of the metal structure. From this point as well, the present invention is advantageous and can be applied to the stress improvement of the pressure resistant member of the boiler. Also, considering that it is underwater work,
It can also be applied to the repair of offshore structures and ships.
【００５３】一方、海水面下にある船舶の底部には、
貝、藻、その他小型の生物が付着し、走行に際してかな
りの流動抵抗になる。本発明に係る手法は、ノズルを船
舶へ設けることによりこれらの付着物を海水中において
走行中に除去することを可能にする。このようにして、
付着物の除去が海水中においてできるようになれば、 船をドツクに入れ そのドツクから水を汲み出し 付着物の混じる汚染水を廃棄し、さらに ドツクへ再び海水を入れる と言つた一連の操作が一切省略されることになり、船舶
の保全がより経済的に行われるようになる。また、走行
中の除去技術は、特に寄港までのインターバルの長い特
殊な高速艇にとつて有利である。付着物を防ぐために用
いられる特殊な塗料の使用量も削減されれば、海洋の環
境保護の観点からも好ましい。On the other hand, at the bottom of the ship below sea level,
Shellfish, algae, and other small organisms attach to it, causing considerable flow resistance when traveling. The method according to the invention makes it possible to remove these deposits while running in seawater by providing a nozzle on the vessel. In this way
If the deposits can be removed in seawater, the ship is put in a dock, the water is pumped out from the dock, the contaminated water containing the deposits is discarded, and the seawater is re-entered in the dock. It will be omitted and the conservation of ships will be made more economical. In addition, the removal technology during running is advantageous especially for a special high-speed boat with a long interval to a port of call. It is preferable from the viewpoint of environmental protection of the ocean if the amount of the special paint used for preventing the deposit is reduced.
【００５４】[0054]
【発明の効果】本発明の効果をまとめると次のようにな
る。The effects of the present invention can be summarized as follows.
【００５５】（１）水中構造物の表面応力状態を効率よ
く改善できる。(1) The surface stress state of an underwater structure can be efficiently improved.
【００５６】（２）ブラスト用のビーズを使用しないた
め、それらを回収したりあるいは廃棄したりする手間が
省ける。(2) Since beads for blasting are not used, the trouble of collecting or discarding them can be saved.
【００５７】（３）水中でピーニングを行うため、ピー
ニング部の温度が局所的に上昇することがなく、対象構
造物の温度を低く抑え、しかもより均等にすることがで
きる。 （４）水中でのピーニングのため、騒音対策が不要とな
る。(3) Since the peening is performed in water, the temperature of the peening portion does not locally rise, and the temperature of the target structure can be kept low and more uniform. (4) Noise peening is not required because of peening underwater.
【００５８】（５）水中での施工のために、飛沫（飛び
散る液滴）の始末に苦慮しなくても済むようになる。(5) Due to the construction in water, there is no need to worry about the end of the droplets (scattering droplets).
【００５９】（６）水中水噴流に活発にキヤビテーシヨ
ンを起こさせるために、比較的低圧力で所定の効果を上
げることができる。超高圧水供給系（ポンプ、配管、バ
ルブ等）が不要となり、設備費（イニシヤルコスト）お
よび施工運用費（ランニングコスト）を抑えることがで
きる。(6) Since the cavitation is actively caused in the underwater water jet, a predetermined effect can be obtained with a relatively low pressure. The super high pressure water supply system (pump, piping, valve, etc.) is not required, and the equipment cost (initial cost) and construction operation cost (running cost) can be suppressed.
【図１】本発明の実施例に係るキヤビテーシヨンジエツ
トノズルの縦断面図である。FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a cavitation jet nozzle according to an embodiment of the present invention.
【図２】図１のａ−ａ′方向視図である。FIG. 2 is a view taken along the line aa ′ in FIG.
【図３】キヤビテーシヨンノズルにおけるキヤビテーシ
ヨン噴流生成のメカニズムを示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a mechanism of generation of a cavitation jet in the cavitation nozzle.
【図４】キヤビテーシヨン性能と圧力損失の特性を示す
特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing characteristics of cavitation performance and pressure loss.
【図５】本発明の他の実施例に係るキヤビテーシヨンジ
エツトノズルの縦断面図である。FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of a cavitation jet nozzle according to another embodiment of the present invention.
【図６】図５のｂ−ｂ′方向視図である。FIG. 6 is a view taken along the line bb ′ of FIG.
【図７】本発明の効果を示す特性図である。FIG. 7 is a characteristic diagram showing the effect of the present invention.
【図８】本発明の効果を示す特性図である。FIG. 8 is a characteristic diagram showing the effect of the present invention.
【図９】従来例に係るノズルの縦断面図である。FIG. 9 is a vertical cross-sectional view of a nozzle according to a conventional example.
【図１０】キヤビテーシヨン噴流の***メカニズムを示
す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a splitting mechanism of a cavitation jet.
【図１１】先行技術の一例を示す構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram showing an example of a prior art.
【図１２】先行技術の他の例を示す模式図である。FIG. 12 is a schematic view showing another example of the prior art.
１ 噴射ノズル本体 ２ 中間プレート ３ 高圧水供給ガン ４ 高圧水 ５ 高圧水供給流路 ６ 高圧水流路中心軸 ７ 高圧水流路拡大部 ８ 連通細管（１次キヤビテータ） ９ 内部循環室 １０ 噴出孔（２次キヤビテータ） １１ 噴出孔中心軸 １２ 固定具 1 Injection Nozzle Main Body 2 Intermediate Plate 3 High Pressure Water Supply Gun 4 High Pressure Water 5 High Pressure Water Supply Flow Path 6 High Pressure Water Flow Path Central Shaft 7 High Pressure Water Flow Path Expansion Section 8 Communication Capillary Tube (Primary Cavitator) 9 Internal Circulation Chamber 10 Jet Hole (2 Next Cavitator) 11 Spout hole central axis 12 Fixture
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒沢 孝一 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 榎本 邦夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Koichi Kurosawa, 3-1-1, Saiwaicho, Hitachi, Ibaraki Prefecture Hitachi Ltd. Hitachi factory (72) Inventor, Kunio Enomoto, 502, Kamimachi, Tsuchiura, Ibaraki Company Hiritsu Seisakusho Mechanical Research Center
Claims (3)
する水をノズルから高速で噴射し、水中にある加工物へ
衝突させるキヤビテーシヨンジエツトノズルにおいて、 高圧水供給流路を通じて送給される水を、流路断面積を
高圧水供給流路よりも縮小した単数あるいは複数の１次
減圧ノズルである１次キヤビテータとしての連通細管を
通じて、連通細管よりも流路断面積の大きな空洞状の内
部循環室へ導き、内部循環室の先端に開口した２次キヤ
ビテータとしての噴出孔から周囲水中へ高速水噴流とし
て吹き出させることを特徴とするキヤビテーシヨンジエ
ツトノズル。1. In water, water supplied through a high-pressure water supply passage in a cavitation jet nozzle that injects water supplied at high pressure from a high-pressure pump at high speed from a nozzle to collide with a workpiece in water. Through a communication thin tube as a primary cavitator, which is a primary decompression nozzle or a plurality of primary decompression nozzles whose flow channel cross-sectional area is smaller than that of the high-pressure water supply flow channel. A cavitation jet nozzle characterized in that it is introduced into a chamber and blown out as a high-speed water jet into the surrounding water from an ejection hole as a secondary cavator that opens at the tip of the internal circulation chamber.
路断面積を、連通細管の流路断面積の１．６倍以上３０
倍未満に設定することを特徴とするキヤビテーシヨンジ
エツトノズル。2. The flow passage cross-sectional area of the internal circulation chamber according to claim 1, which is 1.6 times or more the flow passage cross-sectional area of the communicating thin tube.
A cavitation jet nozzle that is set to less than double.
路断面積を噴出孔断面積の３倍以上４８倍未満に設定す
ることを特徴とするキヤビテーシヨンジエツトノズル。3. The cage jet nozzle according to claim 1, wherein the flow passage cross-sectional area of the internal circulation chamber is set to 3 times or more and less than 48 times the ejection hole cross-sectional area.
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Cited By (4)
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| JP2007301561A (en) * | 1999-11-15 | 2007-11-22 | Aura Tec:Kk | Gas bubble breaking nozzle |
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-
1992
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