水射流分類
射流離開噴嘴後最常見的形式是圓柱射流。這種形式的射流攜帶射流能量最為有效，但它在靶件表面上的有效打擊面積也最小。為了進行大面積清洗，通過改變噴嘴形狀就有了扇形射流，其特點是射流以一條線的形式衝擊在靶件上，隨著噴嘴的位移，便出現了一條寬幅的清洗帶。近來還出現了一些不同形狀的噴嘴，如圓錐形、三角形。矩形等，統稱為異形噴嘴。
射流因其介質不再局限於水，應嚴格定義為液體射流。如切割含有糖分的食品，水則容易溶化糖而破壞了這些食品。為了避免此缺陷，對切割蛋糕和朱古力之類的食品應採用植物油或其他可食用油作介質。某些射流套用場合還要求用乳化液作介質。但是，我們泛稱水射流並不影響其他液體射流的存在。
實際套用的水射流大致可以分為3種類型：連續射流、脈衝射流、空化射流。
連續射流
水射流連續射流是最普通的射流形式，又是一個龐大的家族，可以細分為如下幾類。
(1)根據射流性質分為；
①液體射流（包括水射流和其他液體射流）；
②液體一固體射流（即磨料射流）；
③液體一氣體一圓體射流（氣壓輸送磨料）。
(2)根據射流壓力分為：
①低壓力射流：工作壓力不大於10MPa的水射流，其系統主機多為離心泵或低壓往復泵；
②高壓力射流：工作壓力在100MPa的水射流，其系統主機多為高壓往復泵；
③超高壓力射流：工作壓力不小於100MPa的水射流，其系統主機多為超高壓往復泵和增壓器。
上述劃分依據中國有關標準。由於水射流作業的高壓化、大型化發展趨勢，高壓水射流的概念逐漸認同到150～200MPa；超高壓水射流的概念則已認同到工作壓力不小於200MPa，因為這是一般水切割作業壓力的下限。對此，水射流設備標準正在修訂。連續射流又可加溫、加化學清洗劑、加長鏈聚合物以提高其性能。
(3)根據射流周圍介質分為：
①淹沒射流一一水射流在水中或其他液體中噴射；
②非淹沒射流——水射流在空氣中噴射。
(4)根據射流用途分為：
①霧化射流（降塵、噴灌等）；
②造型射流（噴泉、人造瀑布、水幕等）；
③真空射流（水射流抽吸）；
④圓柱射流（消防、清洗等）；
⑤細射流（清洗、切割等）。
脈衝射流
脈衝射流是非連續射流，這種間斷射流的形象很類似於子彈射出，
它由以下幾種方式產生：
(1)聚能驟放，或曰“水炮”；
(2)壓力擠出；
(3)流量調節，又稱“水擊”。
這些射流的性能取決於水擊形成的頻率、水擊長度與射流直徑之比和水擊的能量。
聚能驟放型和壓力擠出型都有個共同特性，那就是足夠高的能量產生了脈衝；與此相對應的是流量調節型，它產生了許許多多的脈衝，而每個脈衝僅需很小的能量。
(1)聚能驟故型脈衝射流的特性如下：
①速度衰減迅速，脈衝持續相對短促；
②每次脈衝噴射的流量足夠小；
③最大射流速度取決於噴嘴面積比（噴嘴人口截面面積與出口截面面積之比）及噴嘴長度與水擊長度之比而不是噴嘴直徑；
④速度衰減時間是水擊速度的函式。
(2)壓力擠出型脈衝射流的特性如下：
①持續的射流速度與時間和長脈衝有關；
②大流量脈衝特徵，脈衝流量取決於泵機組高壓缸容積和行程；
③最大射流速度取決於噴嘴直徑而不是噴嘴面積比；
④相對於壓力隨時間變化關係，靶件負荷接近於階躍函式。
由於這些脈衝射流產牛的失效形式不完全控制裂縫延展，結果使靶件表面材料的剝除量大且無規則。
流量調節型脈衝沖射流基本上是間斷連續射流，其結果形成分離間距較小的流體束來神擊材料表面。這種形式的射流有以下特性：
①每個脈衝所需能量小；
②高頻率的脈衝衝擊；
③脈衝衝擊類似液滴衝擊，不產生持續的靶件負荷，動量作用占主導地位。
空化射流
空化射流是一種在射流中自然產生空化氣泡的連續射流，空泡或採用空氣或採用淹沒方式產生，採用多種方法在流體中形成一個壓力低於當地蒸汽壓力的區域，這樣也就激發了空化核的生長（流體中的氣泡），這些氣泡被捲入射流進一步生長，直到它們接近被清洗或切割的表面由於受阻滯而引起破裂。在破裂過程中，產生非常高的壓力和微射流，靶面應力高於大多數材料的抗拉強度。雖然單獨的空泡破裂造成的破壞程度較小，但持續漸增的此類現象使得材料的失效延展擴大。
(1)相對於連續射流，空化射流的優點如下：
①硬質物品所需工作壓力大幅度降低；
②噴嘴和其他高壓部件壽命延長；
③切縫比連續射流要寬得多，這對表面清洗來說是一個優點；
④在水下相對於連續射流性能有所提高。
(2)相對於連續射流，空化射流的缺點如下：
①切縫極大；
②流量比連續射流要大1 0倍左右；
③切割質量相對不好控制；
④靶距的局限性。
空化射流系統在清洗與彈藥回收套用方面已有業績。
水射流套用
水射流的壓力和流量覆蓋範圍很廣，形式也多種多樣，困此它的套用也就非常廣泛，甚至滲透到風馬牛不相及的各個領域。我們就以壓力這條主線來簡要地談一下水射流的套用。
低壓水射流
日內瓦噴泉低壓水射流所用的主機大都是離心泵，它的流量相對很大，除了常見的消防、噴泉、噴灌等用途外，這裡著重介紹一下新的用途。
噴泉看似很傳統，但它的推陳出新形成了對低壓水射流難以解開的謎。瑞士日內瓦湖的噴泉以其噴射高度達160多米成為世界最高噴泉。它的水上水柱質量達7t，射流質點自噴出至最高點再落下一個行程
大流量水射流衝擊泥土作用有這樣一個實例：在1973年埃以戰爭期間，以方為保證24h內橫穿運河修建數座橋樑，在巴列夫防線的部分區域堆起巨沙屏障，試圖阻滯埃及坦克部隊48h。要搗毀這座沙牆，使坦克能穿行過去，按正面豁口寬6.8m計算，要求排除約55立方的黃沙。在東堤通過坦克部隊需打出約60處這樣的豁口，若使用推土機則需要10～12h，然而埃方採用了高壓水射流僅用不到5h就打開了豁口，破壞了巴列夫防線，為其軍隊贏得成功。
高壓水射流
水射流高壓水射流套用於船舶除銹和工業清洗已很普遍。在水射流中，適用範圍最廣的就是高壓水射流，其壓力範圍在10～lOOMPa，壓力上限現已擴展到250MPa。這個壓力區間的特點是隨著機組功率的增加，由單機轉變為成套裝備，由簡單作業（如清洗）轉變為複雜作業（如開採煤礦等）。
高壓水射流的另一套用就是破碎，可用其在材料上開槽，近十年發展到機械輔助剝除大量材料。目前，幾乎在所有情況下，設備的研究已經集中在設計好的噴嘴，以及可靠的旋轉噴頭和旋轉接頭（它們可大大提高水射流束在物件表面上的移動速度）。破碎功能套用於機場跑道除膠、橋樑維修、煤層開採、輔助掘進、公路破壞，大壩澆注沖毛等等。
超高壓水射流
超高壓水射流有2種主要形式：即壓力范同在200～400MPa，藉助連續介質流的形式，此間流量多在2～6 L/min；而當壓力達700MPa甚至更高時，其裝置則為單擊水炮形式。超高隘水炮裝置由聚集的大量高壓壓縮氣體（氨氣或空氣）提供驅動壓力，在水炮擊發前，或藉助點火引爆，或藉助推進物衝擊炮筒，使其能量突然爆發。由於射流炮筒 超高壓水切割設備與工藝是近10年來各國水射流行業的發展熱點，從歷次國際水射流會議論文來看，水切割技術內風毛麟角發展為主導內容，隨著水切割設備與工藝的商品化，水切割套用已滲透到許多工
業領域。200～300MPa的連續運行射流切割系統，比其他許多切割工具更加令人滿意。其特點是對材料無選擇性、切縫窄(0.3mm)、質量好、不破壞材料內部組織、能進行二維與三維異形切割。
水射流在70MPa壓力下的流速約為300m/s，當壓力達到超高壓時，流速可望達到1000m/s，這樣就可實現很高的切割速度。水切割一旦實現很高的壓力、很小的流量作業就意味著工作檯位上的作用力很小，這就使得切割噴嘴很容易安裝在機器人手臂上，實現計算機控制下三維複雜形狀的高精度切割。
水切割對材料的無選擇性極為重要，也就是說它既能切割剛性的金屬板材，又能切割柔性的布匝紙張。人們還曾用作工具切割軟糖。然而，純水射流的切割套用受到了壓力的局限，一味地升高壓力又意味著設備可靠性難以保證，且不容易實現，從而也就有了磨料水射流的20年發展史。用200MPa以上的射流壓力引射磨料，在短靶距時可很好地用於切割，這就為明顯降低射流壓力，使其技術可靠地進入商品化創造了條件。
發展歷史
人們認識水射流應該說還是從水的沖刷作用開始的。大雨能把田地衝出一道水溝，能剝落山岩，甚至能造成土石流。河道出口久而久之便沖積成了三角洲。水對大自然的鬼斧神工表現在3個方面：使材料破裂、流動、去除。
水射流的套用起源於採礦業。早期利用水射流沖洗礦石中的泥土，蓄水運送並篩選礦石和直接周水射流沖刷煤層。由沖刷到破碎實際上是水射流的一個質變，前者是低壓大流量，後者則是高壓小流量。本世紀30年代已開始用水射流採煤。開始是用lOMPa以下的水射流沖采中硬以下煤層，至70年代已發展到用20～30MPa水射流慢速切
割煤體，再後來就是高壓至lOOMPa、超高壓大於200MPa的水射流輔助採煤機、掘進機用於破碎落煤和破岩。
只有提高水射流工作壓力才能使其廣泛套用於大工業部門，這已成為人們的共識。20世紀70年代，高壓水清洗和超高壓水切割在同步發展。80年代，高壓清洗已日趨完善，普及套用。超高壓水射流切割工藝一直是水射流行業研究、追蹤的熱點。尤其在80年代末、90年代初期這類所謂“水刀”設備已經批量化、商品化，而且以機械於控制切割頭為代表的產品已迅速達到了全自動、智慧型化的高水平。
水射流技術在向高壓方向發展的同時，70年代末期國際水射流領域出現了一個引人注目的新動向，即從單一提高水射流壓力，的觀點開始轉向研究如何提高和發揮水射流的潛力這方面來了。這就有了脈衝射流（水炮）、高溫射流、磨料射流和擺振射流。這些射流與同等壓力下的普通連續射流相比，顯然大大提高了作業效率。80年代以來，磨料射流、空化射流、氣水射流和旋轉射流的進一步發展，將高壓水射流技術推向一個新的階段。水射流領域已經形成了一個以壓力、功率為縱坐標、以射流形式為橫坐標的技術與產品的甲而型譜。高壓水射流技
術的套用範圍也由單純的採礦業擴大到石油、化工、輕工、航空、建築、冶金、市政工程和醫學等領域。
高壓水射流技術的發展大致可分為4個階段：60年代處於以低壓水射流採礦為主的初朝階段，同時以靜壓試驗和化工流程為主要目的的高壓泵、增壓器和高壓管件（統稱高壓設備）的研製取得了許多商品化成果（它們的介質主要不是水），這為高壓水射流技術的到來奠定了基礎；70年代主要針對採煤機、清洗機開展了水射流工業試驗，這時期的主攻方向是提高以水為介質的高壓動設備的壓力和可靠性，同時開發多種形式的射流，尤其自1972年開始兩年一屆的英國流體機械研究集團(BHRG)主辦的國際承射流技術會議(lnrernational Conference on J etting Techno'logy)、自1981年開始兩年一屆的美國水射流技術協會( WJTA)主辦的美國水射流技術會議(American Water JetConfcr-ence)和自1990年開始兩年一屆的國際水射流協會(ISWJT)和日本水射流協會(JSWJT)主辦的亞太國際水射流技術會議(Pacific Rim Iri-ternational Conference on Waler Jet Technology)等，極大地推動了國際水射流界的交流與發展。80年代是高壓水射流技術迅速發展階段，突出體現在高壓、超高壓、大型化、成套化、專用化和新型水射流形式都已產品化、規模化、商品化，尤其是清洗、除銹、切割套用的可靠性、安全性，迅速拓展至各工業部門。上世紀90年代，一些高難度研究，諸如機器人多維水切割、水下切割、井噴管I 1切割、乾冰切割等的問世，國際會議的主題基本上嗣繞著水切割展開，豐富、完善承切割研究與套用已經成為國際水射流界的焦點與熱點，同時這一領域的標準與技術專著也時有出現。近年來許多標新立異的成果表明：一個能根據實際需要自如地控制各種類型高壓水射流技術特性、造福人類的新時代已經到來。噴射技術已經成為一門獨立的綜合性的新學科。
高壓產品介紹
高壓水射流技術逐漸形成了以下幾類專業產品：數控超高壓水切割機、系列高壓清洗機（線）、超高壓大功率水射流成套設備、清洗類的微小型（含熱水）清洗機等，除此之外，高壓水射流技術輔助設備及套用發展得很快，如鑽采工具、推進工具、挖（吸）泥工具等。
超高壓水切割機
超高壓水切割機又稱“水刀”，我國存上世紀90年代後期開發的產品，不到10年，目蒔已經擁有10多家製造企業，年產量800台，產值約2億元人民幣，這一數據在美國也是令人生畏的。
水切割機產品的工作壓力大都在250～330MPa之間，數控、伺服電機驅動，主機為增壓器和超高壓泵兩種形式。由於超高壓的緣故，高壓承壓件、噴嘴、閥與密封一直是其產品可靠性的攻關對象，與國外專業公司的合作極大地促進了這一產業的發展。雖說水切割的最大優勢是對材料的無選擇性，即它可以切割任何一種材料，但由於運行成本、切割工藝及質量等諸多因素，我國的水切割及其產品主要用於石材、玻璃等非金屬件的切割，因為一般的金屬板材切割可採用傳統工藝，無需講究切縫質量，又很省錢。
水切割作為一種冷態切割工藝，它不會破壞材料內部組織，因此適用於貴重金屬板材的切割，對此，我國已在炮彈切割處廢、核島容器複合材料切割作業中有所作為，而水切割主要套用在非金屬板材切割，市場現狀使其無斷點切割和切縫無需_二次加工的特點發揮到了極致，作為產品，磨料射流切割尚處在小功率機組(大約在15～22kW)範圍，流量在2～31L/min，切割平台則應市場要求最大尺寸達到了4×2.5m。
顯然，金屬切割將成為超高壓水切割的新的套用目標，這就需要工作壓力不低於400MPa，而且最好以純水射流切割用於貴重金屬薄板作業。純水射流切割最大的優點是切縫更窄、切割精度更高，而且能鑽出微小孔。增壓器欲可靠地將300MPa壓力提升到400MPa以上，必須加強對超高強度材料與工藝的研究套用，要使所用材料常規化，才能使這一技術不停留在實驗室里。純水射流要擺脫磨料和磨料噴嘴的束縛，除研究更高壓力源的可靠性以外，還需研究超高壓空化射流的產生與作用，以期儘可能地使低壓力的純水射流形成良好的切割功能。
金屬切割的一個重要套用領域是線上切割，即在有害有毒等危險的現場（如石化、煤油裝置）切割罐槽、管道，由此產生了靠軌切割裝置，像機器人等。還有一個被忽視的作業方式就是最簡單而又最難實現的人工手持切割，它隨意性強、用途十分廣泛，但由於不定的靶距和震動等因素，需要藉助輔助手段才能達到頹期效果。
大功率的增壓器也是水切割技術繼續解決的問題，我國已有這類產品間世，但超高壓和大功率這對矛盾加之可靠性的要求，300MPa、55--130kW以上的產晶仍是個瓶頸。這種產品可以帶動多切割頭作業，也可以實現更大流量空化射流的切割工程。流量大就不怕浪費，對執行機構也就要求簡單，也容易實現空化射流。
高壓清洗機
我國的高壓水射流技術就是在上世紀80年代由高壓清洗機發展而來，最初技術參數是35MPa、37kW的機組，已經顯示出神奇的功能。現在，國產清洗機的大路產品是lOOMPa、130kW以內的，少有150MPa、160kW甚至更高功率的產品。工業清洗一直是一個方興未艾的巨大市場，目前，20多家製造商年產量約在3000台(套），產值在4
～5億元人民幣。
高壓清洗機的發展從泵的可靠性和系列化到重視射流附屬檔案和執行機構，技術的成熟性使這類產品的市場有增無減，用途也層出不窮。柴油機組使清洗機越來越機動靈活，可適應更大功率。
在現有套用的良好基礎上，作為清洗機用高壓泵應當在重視進水的水質處理基礎上，開發泵速更高的機型，中、小功率機組應突破500r/min泵速的限制，在500～600r/min之間開發，這樣，機型將更小、成本也就更低。泵速的提高要注意解決潤滑和溫升問題。
射流附屬檔案一直是製造商想繞叉繞不開的問題，國外技術的滲入雖創造了新的局面，但由於高壓清洗機的價位競爭，附屬檔案還需立足於自主發展。溢流型噴槍已經廣泛套用，只是現有產品還偏於保守，顯得笨重，造型也不盡如人意，要減少承壓件的數量和尺寸，可通過對非承壓件以塑代鋼，把重量降下來。另外，電開關噴槍轉移了危險點，而啟動溢流閥又容易實現，值得推廣使用。
各類旋轉噴頭一直是行業產品的弱項，其套用證明旋轉射流遠遠優於同等功率的圓柱射流，尤其對大功率機組更是如此，由於旋轉噴頭製造要求高、套用成本高，製造商們在萬不得已的情況下是不推薦使用的。因此，它的用量和質量還都不如意，除了大功率機組成本高難以迴避使用外，旋轉射流尚處在概念階段，其產品也是舶來品。隨著套用的成熟，必須加強旋轉噴頭的國產化工作，它不僅是射流技木的革命，更重要的是高壓旋轉密封與減速技術可以帶動相關成套技術的進步，其中要注視組合噴嘴（頭）的使用。從單一噴嘴元件到組合噴嘴總成也是一個質的飛躍，後者的要害是將射流磨損件單獨以小尺寸製作，既降低成本，叉作為易損件拆換，而且同一個外形尺寸能更換多變工況與形狀的噴嘴，然而這一技術在國內製造業中並未推廣，因為材料、工藝都要比單一噴嘴複雜，但這一發展方向已是廣泛共識。
在高壓清洗機基礎上依據專用用途要求完善成套技術就能夠達到某種特定功能，如批量刀具油垢、銹垢的清洗，批量軸承油垢的清洗。一項技術的成套開發是無止境的，也只有以技術含量才能贏得更大的市場和利潤空間。
超高壓大功率成套設備
超高壓大功率成套設備是近年在我國發展起來的，它之所以區別高壓清洗機系列產品，一是參數特別，一般在150～250MPa、200kW以上甚至是520kW機組功率，這是一套投資很大的設備；二是用途特別，如機場跑道除膠、鋼質表面除銹丁程、氧化鋁管道化清除結疤工程等，作業難度大、強度大、要求也高，因而成套技術性就很強；三是主機大都來自歐美原產地，因市場剛開始啟動、技術含量高、投資成本大，國內製造商還不能生產這種大泵機組，但國內進行工程的總體設計、裝備的成套組裝已成為現實。也正是如此，以主機進口、國內成套已成為當今我國行業技術提升的一個有效途徑，它小僅可以極大地降低依賴進口的成本，而且很多特別的專用要求是國外也未有經驗的，需要我們自己去研究、去嘗試。
提高壓力即提高了作業的能力，提高流量及提高了作業的效率，這就是為什麼要發展超高壓大功率水射流機組的原因。美歐專業製造商今年的產品發展方向就是如此。這樣一來，原本通用性的水射流技術越來越呈現其專用特點，越來越由單一清洗走向工程化，如採用一台變速泵、超高壓小流蕈可以清除機場標誌線，高壓大流量可以快速將機場跑道除膠；超高壓純水射流機組引起流量的增大可以進行地面鋼質表面預處理，而且附以真空技術又創造了用水除銹不返銹的奇蹟。採用100MPa、300kW以上的泵杌組就可以成套開發水力破碎設備，以其沒有應力擴散，可以隨心所欲地剝除混凝土厚度，叉可以機器人做執行機構實現任意工作面作業從事水力破碎路面、橋樑、隧道等工程。氧化鋁管道化和壓煮器等裝備的結疤現象一直是無法解決的難題，可採用150MPa、200L/min流量的大型泵機組配備專用多噴嘴噴頭使想像得以實現。超高壓大功率水射流成套設備的市場很大，在現階段也必須由國際合作才能完成，這就昭示著我們要在成套設備套用基礎上發展自己的先進泵技術和先進成套技術，唯有這樣，才能以更低的成本來普及這項技術。
將水射流技術套用於大型工程一直是業內人士的追求，這就需要我們要有更大的膽識、更多的知識面和更嚴謹的技術，通過這類設備的開發，更能深切地感觸到“高壓水射流技術是以水射流為中心，集泵、閥、密封、液壓、材料、自動化控制等多學科為一體”的含義。有了這樣的業績，就能夠一通。肖通地解決更加複雜與苛求的工程難題，可以說，本節所述內容是我國也是國際水射流技術套用的發展方向，它的技術難度和投資風險也是相對最大的。
微小型清洗機
我國的微小型清洗機（含熱水型）是指機組功率7.5kW以下、大路產品在3kW左右的移動式或攜帶型機組，這種機組大都是一泵一閥一槍，非常簡單實用。離溫清洗機因其射流加熱到100℃以上的汽化溫度，更適應清洗油污等。最初的微小型清洗機組要用於清洗汽車車輛，隨著清洗市場滲透到各個角度、在已開發國家稱為家庭工具，這類產品用途在擴大、技術在提高、美觀實用已成為首選條件。我國這類產品歷經優勝劣汰，已呈現出集約化產業趨勢。批量大、規模大、出口量大已成為這類產品的標誌。
這類產品的成套技術也是新的發展方向，將清洗機與真空泵結合就能同步清洗、吸乾地面，是多功能的清潔產品，以該產品為動力提高壓力，可以改造成為清洗街頭小廣告的專用設備，清洗市政道路護欄、高速公路護欄的專用機組；採用爬壁機器人技術與之成套，可以實現高層建築自動爬壁清洗，這一市場明顯有著廣泛的前景，但長時間以來，研究機器人的技術與研究水射流技術的一直未能很好地在產品上結合，使得這一市場一直處於宣傳階段，好的產品仍是空白。在城市清潔化越來越高要求的今天，以百米高層建築外表面清洗為目標的爬壁機器人清洗機必將贏得驚人的市場。以高壓水直接作用於壁面清洗並回收循環使用廢水，以爬壁機器人作為執行機構，這一技術方案已經成熟，因為每個學科都已有成功的套用，現在的工作僅僅是為新的目標組合而已。可以相信，不久的將來，微小型清洗機的成套技術發展與套用會成為這類產品新的開發方向。
