[发明专利]控制流体的射流运动

说明书

本发明总的涉及控制自喷嘴喷出的气相、液相或混合相流体射流的运动。本发明在一些特定方面则涉及提高或控制射流与其周围介质的混合比率，在其它一些方面还涉及控制射流离开其成型（forming）喷嘴时的方向。本发明的一个特别有用的用途是将喷嘴与燃烧器或燃烧室相结合，燃烧室可燃烧气体、液体或固体燃料粒子，此处，富含燃料的流束或颗粒必须在燃烧前尽可能有效地同氧化流体混合。但是本发明主要涉及的是流体的混合，而不是仅限定于包括燃烧过程的用途。

在特定结构上，本发明能够控制射流喷出喷嘴的矢量方向，因此，当射流是从某一物体中喷出时，也可以用来控制施加于该物体上推力的方向。还可以采用这一特性来控制射流的特定方向，使之用于其他目的。

热能可以从“可再生的”天然资源和不可再生的燃料中得到。目前在工业和发电业中使用的最普通的燃料是煤、石油、天然气和人造气。在石油和天然气的可得性受到限制（地区或全球性），并导致其价格上涨，达到不经济程度之前，获得石油和天然气的便利条件将确保它们为最佳燃料。煤的储量比天然气和石油大得多，很可能满足很大一部分能源要求，特别是用于发电业，这方面展示出很好的前景。在喷嘴式燃烧器中燃烧粉煤是目前熔炉和锅炉装置燃烧的最佳方法。可以预见，除了最低品位的煤，这一最佳方法会继续使用，为此，最好是使用多品位（grades）流化床、油/煤浆或其他类型的预处理。

煤的气化是一种公认的预处理形式。如果改进能容纳各种品质气体的固有稳定气体燃烧器，并采用气化工艺，可增加使用低品位的煤作为电力和供热能源资源的使用期限。

对使用气体燃料的现有燃料喷嘴的设计和操作的一个普遍制约是燃料通过给定尺寸的喷嘴的质量流速受到这样一个速度的限制，在此速度下，经过混和过程的喷嘴射流速度应能被衰减到在混和状态下火焰扩展速度的值。以这一状态存在的火焰必须在特定的燃料与氧化剂的混合浓度处于可燃范围之内时才产生，如果通过喷嘴的流速很高，这种状态则在远离喷嘴出口平面处产生，此出口平面处的紊流速度波动的强度和范围都很大，火焰前部的波动可能超过混合物的燃烧下限，从而导致火焰熄灭，因此，如能大幅度提高喷嘴喷出射流的扩展速度和混合，火焰前部会更加稳定，并更靠近喷嘴。以同样的方式，对夹带在气体流束中的粒子燃料（如粉煤）燃烧的混合过程的改进，可对颗粒逗留时间达到更有效的控制，该逗留时间是干燥、预热、消除挥发物质、颗粒燃烧和控制不希望有的释放物质（如硫和氮的氧化物）所需要的。

为了消除或抑制前一段落中提到的燃烧不稳定性，涡流式燃烧器、不良流线形流体扩张器或火焰稳定器和所谓缝隙式燃烧器都曾被用来提高流体喷射与其周围介质的混合，但是它们是以提高通过混和喷嘴和/或第二气流系统的压力损失为代价的。这些喷嘴不得不在低于临界射流动量的状态下操作，在这种状态下喷嘴产生出来的稳定流动结构会突然变化，失去其稳定性，使火焰变得不稳定，最终熄灭。

所有上述改善火焰稳定性的装置通常都是与燃料和空气或氧化剂的局部“预混合”相结合的。这种预混合可有效地减少为产生一种可燃混合物而使燃料射流与其周围氧化介质进行混合的量。

如果设计和调节不正确，预混合燃烧器可产生“回火”，产生这种现象时，火焰从燃烧器喷嘴处逆流运动。在正常安全措施失灵或被忽略的严重情况下，这种现象会导致爆炸。

在提高燃料流量的同时产生稳定火焰的另一方法是通过流体流动的脉动或以音响激发喷嘴射流来提高混合速度。激发可由一个或多个活塞装置、挡板、一个或多个旋转槽片、安装在射流出口处上游或下游的扬声器或振动叶片或膜片装置产生。使用扬声器时，声音的相位和频率可通过安置在射流出口处的传感器的反馈电路来调整。在某些情况下，射流可通过射流出口处的剧烈涡流运动非常迅速地扩展和混合。通过引起自然发生的流体波动来激发共振腔产生音响共鸣，使射流不需任何电子线路或类似物来有声地自身激发也是可能的。通过在射流喷嘴内的入口和出口之间安置共振腔，可在较大的射流速度范围内提高混合程度，这是所谓“汽笛”燃烧器的原理，该燃烧器在澳大利亚专利说明书88999/82中已述及。

汽笛燃烧器的一个严格限制是由于激发要求喷自喷嘴的燃烧射流必须具有较高的喷出速度，因此，增强作用只是在燃烧器操作范围内的高端才产生。而达到这一较高喷出速度所需的驱动压力则大于通常输送工业用气体的驱动压力。

汽笛燃烧器的另一缺点是由于频率间断会引起极大的噪音。