CN101484751B - 以可变方向和/或张角喷射流体射流的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于喷射至少一股流体射流设备，其中至少一股射流的方向和/或张角可变，该设备包括喷射至少一股主流体射流的装置、用于喷射至少一股第二流体射流的装置、以及用于使得至少一股主流体射流与至少一股第二流体射流相互作用并产生由该相互作用得到的流体射流，所得流体射流的方向和/或张角可变；本发明还涉及相关方法及其用途。

Description

以可变方向和/或张角喷射流体射流的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种喷射设备，使得能够改变流体射流、例如空气或氧射流、氮射流、气体燃料或其它带气体的液体或固体燃料射流的方向和/或张角(ouverture)，所述流体射流由第一流体射流和至少一股第二流体射流之间的相互作用得到。本发明特别地涉及一种这样的喷枪。

本发明还涉及例如与一表面接触并特别地在一负荷上方用所述喷射设备改变流体射流的方向和/或张角的应用。还涉及一种喷射方法，其中用户改变至少一股流体射流的方向和/或张角。

背景技术

从EP-A-0545357中已知通过气体流来改变雾化射流的方向：(1)使要雾化的材料通过具有一恒定截面部分和一扩口下游部分的雾化通路，(2)通过雾化气体的环形射流将材料雾化，(3)使雾化的气体射流与一控制气体流接触，以便通过雾化气体射流建立压差，以及(4)利用该压差改变雾化射流的方向。

但是，这种受限于雾化射流的方法仅能使射流的方向略微改变。

发明目的

本发明的目的是显著改变流体射流的方向和/或张角而无需中断喷射器的运行。本发明的另一目的是利用一种最优化的耐用的设备实现这种改变。

发明内容

本发明提供了一种通过与至少一股其它流体射流(称为第二或调节(actionneur)射流)相互作用来控制第一流体射流(也称为主射流)的方法，射流之间的相互作用发生在输送第一流体射流的通路(具有恒定截面或可变截面的管道等)内——在所述第一流体射流从所述通路出来之前、可选择地靠近第一流体射流从所述通路出来的位置(此后称为“主输出开口”)。

因此本发明涉及一种用于喷射由第一流体射流和至少一股第二流体射流之间的相互作用得到的流体射流的设备，所述设备使得能够改变所述结果流体射流的方向和/或张角。

所述喷射设备包括用于将第一流体射流引导到主输出开口的通路。还包括用于喷射第二流体射流的至少一个第二管道，所述第二管道经由位于主输出开口上游的第二开口通向第一流体射流的通路。在引导第一流体射流的通路和第二管道之间的布置限定了第一流体射流和出自第二管道的第二流体射流(此后称为对应的第二流体射流)之间的相互作用点。

所述设备包括至少一个第二管道，该第二管道相对于所述通路定位成使得，在对应的第二流体射流和第一流体射流之间的相互作用点处，对应的第二流体射流的轴线和与第一流体射流的轴线垂直的平面之间的角度θ大于或等于0°并小于90°，优选地从0°到80°，更优选地从0°到45°。

另外，根据本发明，位于主输出开口的上游的第二开口与所述主输出开口间隔距离L，该距离L小于或等于主输出开口的截面s的平方根的10倍。距离L优选地小于或等于该平方根的5倍，更优选地小于或等于该平方根的3倍。

所述至少一股第二流体射流与所述第一流体射流相互作用，以生成结果流体射流。

从“Proceedings of FEDSM′02 Joint US ASME-European Fluid Engineering Division Summer Meeting of July 14-18，2002”和文献“Experimental and numerical investigations of jet active control for combustion applications”(V.Faivre和Th.Poinsot，Journal of Turbulence，第5卷第1期，2004年3月，第25页)中已知使用在一主射流周围的4个第二流体射流的特定配置利用第二流体射流和主射流之间的相互作用来稳定火焰的做法。公开了一更宽的分散角度。

根据本发明，所述设备具有用于控制所述至少一股第二流体射流的力的装置。

本发明因此使得能够通过用所述装置改变所述至少一股第二流体射流的力来改变结果流体射流的方向和/或张角。

优选地，用于控制所述至少一股第二流体射流的力的装置是使得能够控制第二流体射流的力和第一流体射流的力之比的装置。

本发明因此使得能够在射流的方向和/或张角方面造成大的变化而不使用机械装置——潜在的故障来源、尤其是在不利环境中、例如高温的燃烧室。

所述控制装置特别地允许主动地或动态地控制所述至少一股第二流体射流的力，也就是说，使得能够改变力而无需中断主射流的喷射。根据本发明的设备因此允许结果流体射流的方向和/或张角的动态改变。

优选地，与第一流体射流相互作用以获得对结果流体射流的期望的作用的第二流体射流的量将最小，以限制所述设备的复杂程度和制造成本，以及限制用于供应和调节流体流率(débit)的系统的复杂程度和成本——当以独立的方式控制第二流体射流时。例如，可用单股第二流体射流获得单向效果。

另一方面，本发明还涉及利用上述设备来改变流体射流的方向和/或张角的用途。

在本说明书中使用的术语中，有些值得在本发明的上下文中更精确地定义，以更好地限定其含义。

●射流的方向定义成与流体通路截面成直角并沿流动方向(即从上游向下游)定向的一元向量(vecteur unitaire)。

●“厚度e”是指第二管道在第一流体射流的流动方向上(沿图1的箭头方向)的尺寸。在图1的具体情况下，因为第二管道21在此示例中是圆柱形的，因此e表示第二管道21在第二开口31处的尺寸。

●对于从圆柱形通路出来的射流、例如图1中的10，射流的“张角”是指通路的纵向轴线与离开通路的射流表面处的母线之间的角度。在不存在与第二流体射流相互作用时，母线大约相对于该轴线倾斜15°，根据本发明，该倾斜能够达到70°和更多(见图6A)。更一般地，当通路不具有圆形截面时，“张角”将表示通路中的流动方向和母线之间的角度。

附图说明

参考附图从下面的详细描述中将可以显见根据本发明的设备的实施例的各种特征及其应用，所述附图以示意性的方式表示了非限制性地给出的实施例，更具体地：

图1：根据本发明的用于通过射流的相互作用控制流动的设备的原理图。

图2：根据本发明的安装在燃烧室上的设备的调节。

图3A和3B：用于控制结果流体射流的方向的设备，图3A是包括分别相互之间成90°设置并垂直于第一流体射流的方向开始发生的4个第二流体射流的设备的横截面，图3B是其纵向截面。

图3C、3D和3E：用一末端将具有平行的第一和第二流体射流的喷嘴转变成根据本发明的设备的应用。

图4A和4B：允许控制结果流体射流的张角的设备的纵向和横向截面。

图5：用设备改变两股(结果)射流的方向的应用。

图6A和6B：控制射流的张角的变型实施例。

图7：表示第一和第二流率对结果流体射流的偏离的影响的曲线。

图8：表示射流的力之比对结果流体射流的张角的影响的曲线。

图9：通过耐热端口对设备端部的保护。

图10：通过套筒对设备端部的保护。

具体实施方式

在下文中，使用相同的附图标记来一方面表示第一流体射流及该第一流体射流在其中流动的通路，另一方面表示第二流体射流或调节射流及该第二流体射流在其中流动的对应的第二管道。

图1表示根据本发明的控制射流的方法的原理图。

经由通路10输送要控制的第一流体射流，并与来自第二管道21的第二流体射流相互作用，以得到结果流体射流1，该结果流体射流的方向和/或张角与不存在第二流体射流的情况下从主输出开口11出来的射流不同。

所述设备包括通路10，使得能够将第一流体射流送至主输出开口11。

用于喷射第二流体射流的至少一个第二管道21经由第二开口31通向通路10。该第二管道21相对于通路10定位成使得，在对应的第二流体射流和第一流体射流之间的相互作用点处，第二流体射流21的轴线和与第一流体射流10的轴线垂直的平面之间的角度大于或等于0°并小于90°。(图1中该角度等于0°)。第二开口31与主输出开口11间隔一距离L，L小于或等于(s＝主输出开口11的截面积)。

距离L使得能够用相同的各自的力影响第二流体射流对第一流体射流的冲击。例如，为了使得在方向方面的作用最大，用户将试图使该距离最小。

作为一般规则，L小于或等于20cm，更优选地小于或等于10cm。

所述设备包括用于控制第二流体射流的力的装置。这些装置可以有利地在用于控制物质流率、用于控制压力损失、用于控制通路截面的装置中选择，但是还可以在用于控制温度、控制流体的化学组成或用于控制压力的装置中选择。

这些装置优选地是使得能够控制第二流体射流的力和第一流体射流的力之比的装置。

控制装置使得能够启动和阻止一股或多股第二流体射流(相关第二流体射流流动或不存在)，以动态地改变结果流体射流的方向和/或张角。

控制装置优选地使得能够也动态地增加和减少一股或多股第二流体射流的力(非零)，或者增加和减少第二流体射流的力与第一流体射流的力之比。

所述设备可包括材料块5、例如耐热材料块，通路10的至少一部分位于其中，主输出开口11位于所述块的一个面或表面上：前面6。

在图1中，第二流体射流由穿过块5的第二管道21输送，该第二流体射流优选地大致垂直于第一流体射流输出。

第一流体射流和第二流体射流之间的相互作用发生在与第一流体射流的通路10所出自的块的前面6相距L处，该距离L能够如上所述地变化。

根据如图3A和3B所示的使得能够改变结果流体射流的方向的一个实施例，所述设备包括相对于第一流体射流的通路310定位的至少一个第二管道321、322、323和324，使得在对应的第二开口331、332、333和334(即，所讨论的第二管道通向通路所经由的第二开口)处，第一流体射流的轴线和对应的第二流体射流的轴线正交或准正交。

通路和第二管道之间的这种布置使得能够通过改变至少一股对应的第二流体射流的力来改变结果流体射流(对应的第二开口下游)的轴线与该第二开口上游的第一流体射流的轴线之间的角度。

如果在没有调节射流时，来自主输出开口311的射流垂直于图3A的平面流动，那么，射流经由第二管道323的喷射使得结果流体射流能在图3A中向右偏离，即，沿着与来自323的射流的流动方向相同的方向。如果同时存在经由第二管道324的第二流体射流的喷射，那么，根据来自323和324的射流的相对运动的量，将有可能获得沿着一方向(投影到图3A的平面)——该方向可在来自323和324的射流的方向之间(在图3A中为向右和向下)连续变化——偏离的结果流体射流。

优选地，所述设备包括相对于通路310定位的至少两个第二管道，使得一方面两个对应的第二开口位于通路310的同一个横截面上，而另一方面，在这两个第二开口处，对应的第二流体射流的轴线与第一流体射流的轴线正交或准正交。在此情况下，两个对应的第二开口可有利地位于第一流体射流的轴线的两侧(对于开口331和333是在右侧和左侧，而对于开口332和334是在上侧和下侧)，两个第二开口和第一流体射流的轴线优选地位于同一平面中(对于开口331和333是水平平面，而对于开口332和334是竖直平面)。

根据另一种有用的构型，在两个对应的第二开口处，由第一流体射流的轴线和两个对应的第二开口之一限定的平面垂直于由第一流体射流的轴线和两个对应的第二开口中的另一个限定的平面。例如，由通路310的轴线和第二开口331限定的水平平面垂直于由该轴线和第二开口332限定的竖直平面。

还有可能结合这两种实施方式。在此情况下，如图3A和3B所示，所示设备包括相对于通路310定位的至少4个第二管道321、322、323和324，使得：

(1)4个对应的第二开口331、332、333、334位于通路310的同一个横截面上，且

(2)这些对应的第二开口中的两个331和333与第一流体射流的轴线限定第一平面，并位于所述轴线的两侧，另外两个第二开口332和334与第一流体射流的轴线限定第二平面，第一平面优选地与第二平面垂直。

这种布置使得能够在第一和第二平面上(例如在水平平面和在竖直平面上)改变结果流体射流的轴线和第一流体射流的轴线之间的的角度，并根据需要(对于)位于各平面内的两个第二开口中的一个或另一个(例如在水平平面上向左和向右，在竖直平面内向上和向下)，并如上所述(改变)到任何中间方向。

在4个对应的第二开口331到334处，4股对应的第二流体射流的轴线优选地位于与第一流体射流310的轴线垂直的同一平面中。

本发明还使得能够在第一流体射流和一股或多股第二流体射流之间产生相互作用，以生成、保持或强化结果流体射流绕其轴线的旋转。这种相互作用使得能够改变结果流体射流的张角。

如图4A和4B所示，所述设备可以具有相对于第一流体射流的通路410定位的至少一个第二管道421到424，使得在对应的第二开口431到434处，对应的第二流体射流421到424的轴线与第一流体射流410的轴线不共面或基本上不共面，该至少一个第二管道421到424优选地切向地进入第一流体射流的通路410。以这种方式，第一流体射流和第二流体射流之间的相互作用在第一流体射流上造成旋转力。

所述设备可以有利地包括相对于第一流体射流的通路410定位的两个第二管道421和422，使得在两个对应的第二开口431和432处，两个对应的第二流体射流421和422的轴线与第一流体射流410的轴线不共面，两个第二流体射流在绕着第一流体射流的轴线的同一个旋转方向上定向。两个第二流体射流因此有助于在第一流体射流上造成旋转力。

两个第二开口有利地位于通路410的同一个横截面上——在与第一流体射流的轴线垂直的同一个平面内。它们可以位于第一流体射流的轴线的两侧(开口421和423或开口422和424)。它们也可以定位成使得由第一流体射流的轴线和两个第二开口之一421限定的平面垂直于由第一流体射流的轴线和两个第二开口中的另一个422限定的平面。

根据一种实现形式，所述设备包括相对于第一流体射流的通路410定位的至少4个第二管道421到424，使得在对应的第二开口431到434处，对应的第二流体射流的轴线与第一流体射流的轴线基本上不共面。对应的第二开口中的两个431和433与第一流体射流410的轴线基本上在第一平面上共面，并位于第一流体射流的轴线的两侧。其它两个对应的第二开口432和434与第一流体射流410的轴线基本上在第二平面上共面，4股对应的第二流体射流绕着第一流体射流的轴线沿同一个方向定向。第一和第二平面可以特别地相互垂直。还优选地，4个对应的第二开口在通路410的同一个横截面上。

为了在第一流体射流上造成旋转力并因此改变结果流体射流的张角，用户将优选地确保：在第一流体射流和对应的第二流体射流相互作用的第二开口处，一方面，第二流体射流的轴线属于在此位置与第一流体射流的轴线垂直的平面，而在另一方面，第二流体射流的轴线和第二开口(或更确切地是在第二开口处的第一流体射流的通路的假想表面)的切向之间在此平面内的角度在0°到90°之间，优选地在0°到45°之间。

图4a和4b示出了具有用于控制结果流体射流的张角的第二流体射流的示例性实施例。第一流体射流(在图4a中在通路410中从左向右流动)与来自第二管道421、422、423和424(在图4b中示出，图4b是图4a的AA平面上的横截面)的第二流体射流相遇。这些第二流体射流以与通路410相切的方式冲击第一流体射流，因此使得能够根据这些不同的射流的力或多或少地“打开”结果流体射流。该打开效果大致上归因于第二流体射流和第一流体射流具有不相交的轴线这一事实，尽管这些射流彼此具有物理上的相互作用。这引起结果流体射流在其轴线上旋转。

还有可能在单个设备中结合使得能够根据上述任意一种应用方法来改变结果流体射流的方向的实施例和上述任意一种使得能够生成、保持或强化结果流体射流的旋转并因此改变其张角的实施例。

为了获得在方向和旋转方面的效果，用户因此将结合上文所述的教导。为了获得方向和旋转效果的动态变化，用户可以例如提供多个第二流体射流的喷射系统。通过提供分离的第二管道，这些第二管道具有用于调节第二流体射流的力的装置、例如供给阀，因此能够仅仅通过致动所述调节装置(阀)来以连续或断续的方式改变结果流体射流的形状和方向。

为了允许第二流体射流尽可能有效果地作用于第一流体射流，必须与主射流的方向大致垂直地喷射调节射流。

对于最优化的操作，根据本发明的设备可以包括相对于第一流体射流的通路10定位的至少一个第二管道21，使得在对应的第二开口31处，该管道具有厚度e和高度1，使得1≥0.5×e，优选地：0.5×e≤1≤5.0×e(见图1)。大于或等于0.5×e的最小高度使得能够实现对应的第二流体射流和第一流体射流之间的最优的相互作用。

例如，在实际中为了实现第二流体射流，使得在该第二流体射流和第一流体射流的相互作用点处第二流体射流的轴线和与第一流体射流的轴线垂直的平面之间的角度θ是0°，优选地在对应的第二开口之前，第二管道在长度l上具有与第一流体射流的轴线大致垂直的方向，该长度l优选地将是所述管道的厚度e(在主流体的流动方向上的尺寸；当管道是圆柱形时，e是管道的直径)的0.5到5倍。自然地，该长度l还有可能大于5e，但这对于第二流体射流对第一流体射流的明显冲击没有附加的效果。

第一流体射流的通路全部或至少一部分可以存在于用于喷射第一流体射流的第一管道中。该第一管道通向第一开口309(见图3c)。该第一开口可以与通路的主输出开口重合。

如图3c、3d和3e所示，当第一管道308在主输出开口311之前终止时，第一开口309定位在主输出开口311的上游。在此情况下，至少一个第二开口334可以位于第一管道308的第一开口309和通路的主输出开口311之间。

图3c表示与图3B类似的变型实施例；但是，在该实施例中喷嘴345中存在两个平行的通道(第一管道308和第二管道324)，两个通道308和324通向喷嘴的前表面。在该前表面上安装有末端342，使得能够将第二管道324的第二流体射流朝向出自第一管道308的第一流体射流、更具体地垂直于或大致垂直于第一流体射流定向，以获得结果流体射流，例如在图3c中由箭头344表示的方向。(结果流体射流的方向344将取决于第一和第二流体射流的力的比。)通过利用控制装置改变第二流体射流的力，因此能够获得可变的结果流体射流方向，使得能够用结果流体射流扫掠整个表面。图3d是末端342所附装(通过未在该图中示出的装置)的喷嘴345的分解视图，在此示例中的形式是将要止靠在喷嘴345的端部的中空的侧向圆柱形部分350，而末端中的开口346定位在第一管道308出现的位置。

图3e示出了末端342的底部(内部)，其内表面349包括腔体347，来自第二管道324的第二流体射流将在该腔体中分配，并然后通过主输出开口346上方的槽348与来自第一管道308的第一流体射流大致垂直地相遇。出自该开口346的结果流体射流344(图3c)将因此向下转向(相对于图3c、3d和3e)。

应当注意，使用末端在一股或多股第二流体射流上在它们各自与第一流体射流的相互作用点之前获得期望的定向的可能性不限于定向成改变结果流体射流的方向的第二流体射流，而是还适用于上文所述的使得能够改变结果流体射流的张角的第二流体射流。

对于根据本发明的设备的优化的操作，第一流体射流的通路将在所述至少一个第二开口处在所述至少一个对应的第二管道的延长线中具有无障碍的或基本无障碍的流体通路，以允许所述至少一个对应的第二流体射流和第一流体射流之间的有效果的相互作用。通常，第一流体射流的通路的横截面将在所述至少一个第二开口处限定无障碍的或基本上无障碍的流体通路。

本发明还涉及使用该设备来改变流体射流、例如包括氧和/或氩和/或二氧化碳和/或氢的流体射流的方向和/或张角的应用。其它可能是使用该设备来改变喷射到燃烧区中的包括燃料和/或氧化剂的流体射流的方向和/或张角。

用户对其改变方向和/或张角的结果流体射流可以是超临界的流体射流。

所述射流通常是气态射流；但是，气态射流可包括雾化的液体和/或固体颗粒，例如研磨固体颗粒。

本发明还涉及一种喷射方法，其中使用根据本发明的设备来喷射由第一流体射流和至少一股第二流体射流之间的相互作用得到的流体射流，并且，用户通过改变所述至少一股第二流体射流的力、或者通过改变所述至少一股第二流体射流的力与第一流体射流的力之比来动态地改变结果流体射流的方向和/或张角。

因此，本发明涉及一种借助于一股或多股第二流体射流(还称为调节射流)来动态地或积极地控制流体喷射系统的性能的方法，(第二流体射流)冲击第一流体射流以改变第一流体射流的流动，并产生方向和/或张角可根据第一和第二流体射流的特性(特别是运动的方向和量)进行改变的结果流体射流。该方法可用于在闭环或开环(控制)中调节燃烧系统、或更一般地是利用流体射流(液态、气态或固态分散体)喷射的工业方法的性能。

图2表示了用于调节安装在燃烧室212上的根据本发明的设备210(例如喷枪)的性能的方法。

传感器214、216和217分别测量描述燃烧产物、燃烧或燃烧室的操作状况、和设备或枪的操作的幅值。这些测量值通过线路218、219和220传输到控制器215。后者根据针对这些特征幅值给出的指令确定第二流体射流的操作参数，以将特征幅值保持在其设定点，通过线路221将这些参数传输到用于控制设备/枪的构件。

根据本发明的设备有利地包括用于控制第二流体射流的力的装置，优选地是用于控制第一流体射流和第二流体射流的脉冲之比的装置。

所述比随着第一流体射流的通路的截面与第二管道的截面之比、第二管道中的流率与结果流体射流的流率之比、以及第一流体射流的流体密度与第二流体射流的流体密度之比而变化。(在下文中，当考虑这些比之一变化时，认为其它两个是恒定的。)

第一流体射流的截面与对应的第二开口处的第二管道的截面之比的值增加得越多，(在恒定的各自流率时)对应的第二流体射流对第一流体射流的冲击越大。用户将优选地将截面之比选择为5到50之间，更优选地在15到30之间。

全部第二流体射流的流率与结果流体射流的总流率之比将通常在0(不存在第二流体射流)和0.5之间、优选地在0到0.3之间、更优选地在0到0.15之间变化；已知流率的比越大，则结果流体射流的偏离和/或张角将越大。

形成第二流体射流的各流体的密度与第一流体射流的流体的密度之比使得能够控制第二流体射流的冲击。在恒定流率下，该比值越小，则第二流体射流对第一流体射流的作用越大。由于实践原因，用户将经常在第二流体射流和在第一流体射流中使用相同流体(该比等于1)。为了增加(在恒定质量流率下)第二流体射流的作用，用户将使用密度比第一流体射流流体的密度小的流体。第二流体射流中的流体的性质将根据预期的应用进行选择。可以使用例如以控制空气射流、空气和氦(具有更小的密度)的混合物的偏离，或者在燃料是丙烷的火焰中增加对燃烧产物的驱动，用水蒸汽的第二流体射流来控制燃料和/或氧化剂的主射流。一般而言，密度最大的流体的密度和密度最小的流体的密度的比可以在1到20之间、优选地在1到10之间、更优选地在1到5之间变化。

第一流体射流的通路和/或第二管道的截面的几何结构可具有各种形状，特别是圆形、方形、矩形、三角形、长圆形、多叶形等形状。

这些喷射截面的几何结构影响了结果流体射流的不稳定性的发展。例如，出自三角形喷射器的射流将比来自圆形喷射器的射流更不稳定，这种不稳定性促使结果流体射流与周围介质混合。类似地，与圆形或方形形状的喷射器不同，长圆形形状的喷射器将促使在喷射器的附近区域中射流的对称发展。

关于用于产生第二流体射流的流体的物理-化学性质，可对其进行选择以控制结果流的某些性质。例如，可以利用氧(或其它氧化剂)和/或氢(或其它燃料)来改变主燃料(例如天然气)射流、氧化剂(例如空气)射流的混合物的反应性。

根据一实施例，所述设备是枪(例如用于将氧化剂、例如氧喷射到燃烧区中)，其中射流具有可变的方向和/或张角。自然地，这种枪也可以用于将液态和/或气态和/或固态的燃料喷射到燃烧区中，例如是粉煤枪(推动例如煤的固体粉末的例如空气的气体)。

本发明因此还涉及一种用于加热的方法，其中使用这种枪来将燃料和/或氧化剂的射流以可变的张角和/或方向喷射到燃烧区中。

如果恰好在第一和第二流体射流的相互作用点的前方第一流体射流的通路的端部具有包括渐缩/渐扩部的喷嘴(在文献中也称为de Laval喷嘴)，那么，在离开渐扩部时能够(以在文献中已知的方式)获得超音速的第一流体射流和结果流体射流、例如氧射流，该射流然后将能够具有可变的方向(可选地具有可变的张角但通常失去其超音速速度，使得在某些方法中能够交替变换亚音速和超音速速度)。de Laval喷嘴也可以置于主输出开口前方的结果流体射流上。

根据一种变型方法，在至少两个正交的平面中，使用至少两股第二流体射流以获得结果流体射流的方向上的变化，以便扫掠一表面(例如负荷表面)的至少一部分。

通过使用其轴线不与第一流体射流的轴线正交或准正交的第二流体射流，可以单独地或与扫掠相结合地改变负荷上方的结果流体射流的张角。

优选地，提供用于控制第一流体射流和/或所述至少一股第二流体射流的运动的量的装置。

应注意，尽管在上文中已经通过参考具有与一股或多股第二流体射流相互作用的单股第一流体射流的应用形式说明了所述设备和方法，但是，很明显，本发明还涉及一种用于喷射其中张角和/或方向可改变的多股射流的设备，并且特别地所述具有可变张角和/或方向的多股射流产生自多股第一流体射流，每股第一流体射流与一股或多股第二流体射流相互作用。

图5示出了本发明如何使得能够改变两股结果主射流以及它们如何相互作用。一个可能的应用是改变燃烧室中的燃料射流和氧射流以改变火焰特性。图5a示出了燃料的主射流61，之上具有氧化剂的主射流62，其中这些射流均不受到与一股或多股第二流体射流相互作用的控制。图5b示出了这些相同的射流，但其中后者被相反地控制或偏离(汇聚射流)。射流60由于第二流体射流62向下偏离，而射流61由于第二流体射流63向上偏离，被向上引导(与61相反)。

图5c示出了这些相同的主射流处于射流以相同方向被控制或偏离(在图中为向上)：第二流体射流63和65分别在主射流61和60上向上作用，产生均被向上引导的结果流体射流。这三个示例使得能够获得具有非常不同的方向和形态(长度、扁率等)的火焰。火焰64在喷射器的水平中间面中将非常宽，而火焰67将向上显著偏离。

根据本发明，在第二流体射流和第一流体射流的相互作用点处，第二流体射流的轴线与垂直于第一流体射流的轴线的平面成小于90°、优选地等于0°的角。然而，如图3C和3D所示，出于空间需求的原因，供应这些射流的通道通常大致平行。为了在两股流相互作用的区域处重新定向第二流，可以在喷射器的具有平行通道的端部附装一在下文中被称为喷射末端的端部件，其功能是将最初平行于第一流体射流的第二流体射流的方向改变成冲击第一流体射流的第二流体射流，所述第二流体射流的轴线优选地位于与第一流体射流的轴线垂直的平面中。

但是，将所述设备用于超高温过程(过程温度T＞1000℃)中将导致喷射末端过热和损坏。

为了避免这类问题，用户将在喷射末端的设计中试图减少设备的承受高温包围中的辐射的前表面。为此，用户将试图限制该比l/e。

还可以使用图9和图10所示的两种解决方案中的一种。第一方案(图9)包括将设备500放置在一耐热件中，该耐热件的几何结构和设备/耐热端口的相对位置将保护前者免受过高的辐射。设备在耐热端口中的定位或缩回必须足以保护其免受辐射，但必须不能限制所喷射射流的方向幅度。为此，可以通过沿着图9中的虚线160以角度α去除耐热端口的一部分来改变耐热端口的几何结构。

优选地，该比R/d将在0.3到3范围内，而角α将在[0°，60°]范围内。

第二解决方案包括如图10所示直接向设备的(主输出开口所位于的)鼻部安装套筒形式的耐热件。本解决方案使得能够省去具有复杂几何结构的耐热端口。套筒的尺寸使得其不限制喷射器的方向幅度。这尤其是指套筒的厚度f很小(小于主射流的直径)，或是用于生产这种套筒的材料具有很小的导热性。用户将选择例如氧化铝。

图6A和6B表示了结果流体射流的张角的角度随着第二流体射流(调节射流)的流率和第一流体射流(主射流)的流率的比而变化。

在图6A中，曲线C1和C2分别表示结果流体射流的张角的角度随着调节射流/主射流的流率比而变化。C1涉及配置CONF1，其中调节射流垂直于主射流，并在距离主输出开口h处出现；而C2对应于与CONF1相同的配置，但第二开口和主输出开口之间距离是2×h而不是h。这两条曲线表明，当调节射流和主射流之间的冲击更接近于主输出开口时，结果流体射流的张角更大。

图6b还示出了结果流体射流的张角的角度随着调节射流和主射流的流率的比而变化：曲线C3对应于配置CONF3，其中调节射流在距离主输出开口2×h处(类似于CONF2)以90°(即，在与主射流的轴线垂直的平面上：θ＝0°)冲击主射流；而曲线C4对应于CONF4，与CONF3相同，只是调节射流相对于主射流的轴线的入射角α是45°(即，调节射流的轴线与垂直于主射流的轴线的平面之间的角θ＝90°-α＝45°)。应注意，当调节射流垂直于主射流(CONF3：θ＝0°)时，所有其它项都相等，与调节射流的入射角α较小(在该示例中是45°)(CONF4：θ＝45°)时相比，将得到较大的射流张角。

图7表示了角度的偏离(以度为单位)随着调节射流的流率和主射流的流率之间的以百分数表示的比而变化。图7示出了4条曲线，所有其它项都相等，主射流的流率分别是200l/min、150l/min、100l/min和50l/min。应注意，这4条曲线几乎不能进行区分，这特别地表明了主射流的偏离不是流率的函数。

图8示出了结果流体射流的张角的角度随着射流的力的比而变化的曲线。

该曲线示出了所得到的用于控制射流的张角的全部实验数据。所测的张角的角度作为物理参数J的函数输入，物理参数J是调节射流和主射流的具体的力的比。该比写为密度的比(调节流体对主流体)和调节射流的速度的平方与主射流的速度的平方的比的乘积。主流体对于全部实验相同，而对于调节流体使用不同的流体。这些流体主要在其密度上不同(从最高密度到最低密度：CO₂、空气、空气氦混合物)。观察得到：全部实验点(不管流率和所用流体)均落在一直线上。这表明，控制射流的张角的物理参数事实上是以上定义的具体的力的比。本发明还涉及使用根据本发明的设备/枪来喷射结果流体射流的应用，所述结果流体射流的张角和/或方向可改变，所述结果流体射流可以例如包括氧和/或氮和/或氩和/或二氧化碳和/或氢。结果流体射流可以特别地是气态射流，或者是包括由气体携带的雾化液体和/或固体颗粒的气态射流。

本发明可以特别地用于喷射包括燃料和/或氧化剂的流体射流，例如向炉中提供燃烧。

本发明特别地适用于喷射超临界或超音速流体射流。

本发明还可以应用于在其中喷射低温流体射流(例如液态氮)的食品或工业低温设备中，由于本发明和使用一股或多股调节射流，每股射流能够扫掠一表面(例如利用可改变(方向-形状)的单射流喷嘴“施洒”要冷冻的产品的整个表面)。

本发明的方法和技术可以用于喷射例如氮，以减缓某些反应或过程。具体地，具有可变方向或旋转效果(射流张角)的喷射器的组合使得能够更迅速地匀化反应器的气体氛围，例如通过增加其在惰性气体射流中的驱动，或通过利用方向效果来促进氮向敏感位置的输送。

本发明还可以应用于充注加压气瓶：使用用于加压存储的复合材料例如氢，在轻质罐中，由于热点的危险限制充注的速度。

随着在瓶的入口处的膨胀，瓶内的流动被组织成沿着瓶的轴线的射流，接着(到达)气体在其中减速并被压缩(因此升温)的一下游区域(瓶的底部)和位于每一侧的两个再循环区域，在所述再循环区域中，热气体在被送入中心射流之前沿着壁进行输送。在充注所述瓶时，使用具有可变张角的喷射使得能够逆转后一种情形。具体地，具有非常显著的旋转效果的射流的喷射使得能够在瓶内生成流动，其中通过在瓶的入口处的膨胀冷却的冷气体将沿着瓶壁运动，直至当到达瓶底时被压缩，并沿着瓶的轴线返回瓶的中心。在充注过程中这两种情形的交替使得能够限制瓶的温度，并保持处于包括针对高充注速度在内的无风险的温度范围。

本发明的另一应用是气体淬火：根据本发明的喷射器的定向能力使得能够使具有复杂形状和高热阻的部件中的温度均匀。

Claims (34)

1.一种用于喷射由第一流体射流和至少一股第二流体射流之间的相互作用得到的流体射流的设备，该设备包括：

●用于将第一流体射流输送到主输出开口(11、311、411)的通路(10、310、410)，

●用于喷射对应的第二流体射流的至少一个第二管道(21、321到324、421到424)，所述第二管道经由位于主输出开口上游的对应的第二开口(31、331到334、431到434)通向所述通路，其中：

●所述至少一个第二管道相对于所述通路定位成使得，在对应的第二流体射流和第一流体射流的相互作用点处，对应的第二流体射流的轴线和与第一流体射流的轴线垂直的平面之间的角度θ大于或等于0°且小于90°，

●所述至少一个对应的第二开口与主输出开口间隔距离L，该距离小于或等于主输出开口的截面积s的平方根的10倍，

●其中：

●所述通路在所述至少一个第二开口处在对应的第二管道的延长线中具有无障碍的流体通路，和

●所述设备包括用于调节每股对应的第二流体射流的力的装置，

所述设备使得能够通过改变至少一股对应的第二流体射流的力来改变结果流体射流的方向和/或张角。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述角度θ介于0°到80°之间。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述角度θ介于0°到45°之间。

4.权利要求1所述的设备，其特征在于，

5.权利要求1所述的设备，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述用于调节每股对应的第二流体射流的力的装置控制每股对应的第二流体射流的力和第一流体射流的力之比。

7.根据权利要求1-6之一所述的设备，包括至少一个第二管道(321到324)，该至少一个第二管道相对于通路(310)定位成使得第一流体射流的轴线和对应的第二开口(331到334)处的对应的第二流体射流的轴线正交或准正交，以便能够改变结果流体射流的轴线和对应的第二开口上游的第一流体射流的轴线之间的角度。

8.根据权利要求7所述的设备，包括两个第二管道(321到324)，该两个第二管道相对于通路(310)定位成使得两个对应的第二开口(331到334)位于与第一流体射流的轴线垂直的同一个平面内，并使得在这两个对应的第二开口处，对应的第二流体射流的轴线与第一流体射流的轴线正交或准正交。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述两个对应的第二开口(331和333；332和334)位于与第一流体射流的轴线垂直的同一个平面内，并位于第一流体射流的轴线的相对侧。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，在两个对应的第二开口处，由第一流体射流的轴线和两个对应的第二开口之一(331)限定的平面与由第一流体射流的轴线和两个对应的第二开口中的另一个(332)限定的平面垂直。

11.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，包括4个第二管道(321到324)，该4个第二管道相对于通路(310)定位成使得4个对应的第二开口(331到334)位于通路(310)的同一个横截面内；使得在所述4个第二开口(331到334)处，对应的第二流体射流的轴线与第一流体射流的轴线正交或准正交；对应的第二开口中的两个(331和333)与第一流体射流的轴线限定第一平面，第一流体射流的轴线沿着第一平面，对应的第二开口中的两个位于该轴线的相对侧，对应的第二开口中的另外两个(332和334)与第一流体射流的轴线限定第二平面，并位于该轴线的相对侧。

12.根据权利要求1-6之一所述的设备，其特征在于，至少一个第二管道(421到424)相对于通路(410)定位成使得，在对应的第二开口(431到434)处，对应的第二流体射流的轴线与第一流体射流的轴线不共面，以使得能够产生、保持或加强结果流体射流绕其轴线的旋转。

13.根据权利要求12所述的设备，包括两个第二管道(421到424)，该两个第二管道相对于通路(410)定位成使得对应的第二流体射流的轴线与第一流体射流的轴线不共面，且对应的第二流体射流在绕着第一流体射流的轴线的同一个旋转方向上定向。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，与所述两个第二管道(421到424)对应的两个第二开口(431到434)位于通路(410)的同一个横截面上。

15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述两个对应的第二开口(431和433)位于第一流体射流的轴线的相对侧上。

16.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，在所述两个对应的第二开口处，由第一流体射流的轴线和两个对应的第二开口之一(431)限定的平面与由第一流体射流的轴线和两个对应的第二开口中的另一个(432)限定的平面垂直。

17.根据权利要求12所述的设备，包括4个第二管道(421到424)，该4个第二管道相对于通路定位成使得4个对应的第二开口(431到434)位于通路(410)的同一个横截面内；使得在所述4个对应的第二开口处，对应的第二流体射流的轴线与第一流体射流的轴线不共面；对应的第二开口中的两个(431和433)与第一流体射流的轴线限定第一平面，并位于该轴线的相对侧，对应的第二开口中的另外两个(432和434)与第一流体射流的轴线限定第二平面并位于该轴线的相对侧，所述4个对应的第二流体射流在绕着第一流体射流的轴线的同一个旋转方向上定向。

18.根据权利要求1-6之一所述的设备，其特征在于，至少一个第二管道(21)相对于通路定位成使得，在对应的第二开口(31)处，该第二管道具有厚度e和高度l，高度l大于或等于厚度e的0.5倍。

19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，高度l在0.5×e到5×e之间。

20.根据权利要求1-6之一所述的设备，其特征在于，所述通路的至少一部分包括用于喷射第一流体射流的第一管道(308)，该第一管道通向第一开口(309)。

21.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述第一开口(309)定位在主输出开口(311)的上游。

22.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，包括邻近第一开口(311)并位于主输出开口(311)和第一开口(309)之间的至少一个第二开口(334)。

23.根据权利要求1-6之一所述的设备，其特征在于，包括用于控制第一流体射流的力和第二流体射流的力之比的装置。

24.根据权利要求1-6之一所述的设备，其特征在于，包括一材料块(5)，通路(10)的至少一部分位于该材料块中，主输出开口(11)位于该材料块的一个面上。

25.根据权利要求1-6之一所述的设备，其特征在于，包括用于控制第一和/或第二流体射流的力的装置。

26.根据权利要求1-6之一所述的设备，其特征在于，还包括用于控制第一和/或第二流体射流的流体流率的装置。

27.根据权利要求1-6之一所述的设备，其特征在于，通路在第二开口处的截面积和第二开口的截面积的比在5到50之间。

28.根据权利要求27所述的设备，其特征在于，通路在第二开口处的截面积和第二开口的截面积的比在15到30之间。

29.根据权利要求1-6之一所述的设备，其特征在于，包括具有渐缩/渐扩系统的de Laval喷嘴，该de Laval喷嘴设置在通路(10、310、410)上所述至少一个第二开口(31、331到334、431到434)的上游或下游。

30.用根据上述权利要求之一所述的设备来改变流体射流的方向和/或张角的用途。

31.根据权利要求30所述的用途，目的是改变包含燃料和/或氧化剂的流体射流的方向和/或张角。

32.根据权利要求30或31所述的用途，目的是改变超临界流体射流的方向和/或张角。

33.根据权利要求30或31所述的用途，目的是改变供给燃烧、食品低温处理、充注气瓶或气体淬火的流体射流的方向和/或张角。

34.根据权利要求30或31所述的用途，目的是改变包含液体和/或固体颗粒的流体射流的方向和/或张角。

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