JPH0647669A

JPH0647669A - キヤビテーシヨンジエツトノズル

Info

Publication number: JPH0647669A
Application number: JP20396492A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Satou; 一教佐藤; Takenori Shindou; 丈典進藤; Koichi Kurosawa; 孝一黒沢; Kunio Enomoto; 邦夫榎本
Original assignee: Babcock Hitachi KK; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1992-07-30
Filing date: 1992-07-30
Publication date: 1994-02-22
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: JP3315153B2

Abstract

(57)【要約】【目的】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。【構成】高圧水供給流路５を通じて送給される水を、
流路断面積を高圧水供給流路５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８を通じて、連通細管８よりも流路断面積
の大きな空洞状の内部循環室９へ導き、内部循環室９の
先端に開口した２次キヤビテータとしての噴出孔１０か
ら周囲水中へ高速水噴流として吹き出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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、下流において分裂する
が、この分裂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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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）の分裂が活発にな
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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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（Ｂｕｂｂｌｅｌｏｃｋ）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。

【００３１】図４に示すように、キヤビテーシヨン強度
（ＣａｖｉｔａｔｉｏｎＩｎｔｅｎｓｉｔｙ）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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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，ｄ_Cおよびｄ₂とすると、好適寸法の
設定条件は、１．６＜（ｄ_C／ｄ₁）²＜３０ …（１）３．０＜（ｄ_C／ｄ₂）²＜４８ …（１）として与えられる。さらに望ましくは、８．０＜（ｄ_C／ｄ₁）²＜２４ …（２）１６＜（ｄ_C／ｄ₂）²＜３２ …（２）である。

【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ｄ_C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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００５５】（１）水中構造物の表面応力状態を効率よ
く改善できる。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】図１のａ−ａ′方向視図である。

【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。

【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。

【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。

【図６】図５のｂ−ｂ′方向視図である。

【図７】本発明の効果を示す特性図である。

【図８】本発明の効果を示す特性図である。

【図９】従来例に係るノズルの縦断面図である。

【図１０】キヤビテーシヨン噴流の分裂メカニズムを示
す模式図である。

【図１１】先行技術の一例を示す構成図である。

【図１２】先行技術の他の例を示す模式図である。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水中において、高圧ポンプから高圧供給
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。
【請求項２】請求項１記載において、内部循環室の流
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。
【請求項３】請求項１記載において、内部循環室の流
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。