CN103154496B

CN103154496B - 半管形叶片式空气旋流器

Info

Publication number: CN103154496B
Application number: CN201180050382.3A
Authority: CN
Inventors: M·S·安德森; J·P·麦克卢尔; C·F·帕特森
Original assignee: Woodward FST Inc; Woodward Governor Co
Current assignee: Woodward Inc; Woodward FST Inc
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: US8590864B2; CN103154496A; CA2815150A1; DE112011103553T5; US20120096867A1; CA2815150C; WO2012054419A3; WO2012054419A2

Abstract

提供了一种半管形叶片式空气旋流器。在一个实施例中，空气旋流器是深度压延金属板元件，其上形成有第一组和第二组半管形叶片。在一个实施例中，半管形空气叶片包括第一和第二部分，通过在相反方向上镦锻金属板来形成该第一部分和第二部分以形成镜像叶片几何结构，从而使叶片的开口面积增至两倍。

Description

半管形叶片式空气旋流器

技术领域

本发明通常涉及用于燃料喷射和燃烧系统的空气旋流器，更具体而言，涉及由金属板制成的空气旋流器。

背景技术

为了提高燃烧效率、减小NOx以及其他引起反对的排放物的产生量，现代燃料喷射器喷嘴设计结构通常采用空气旋流器，例如图4中所示的空气旋流器。如图4所示，典型的空气旋流器400包括多个带槽式叶片402，它们被切入空气旋流器400的主体部分中。这些多个带槽式叶片402通常成一定角度以引导空气流经孔404形成涡旋型式，从而有助于雾化并混合通过燃料喷嘴被喷入燃烧室的燃烧区的燃料。通过这样处理，能够更加充分燃烧被喷入的燃料，从而提高了效率、降低了上述排放物的排放量。

遗憾的是，空间限制和材料成本通常会迫使设计者减小喷嘴尺寸。但是，要达到更高输出能量和更高效率所需的流量要求会禁止这种尺寸减小，与此相矛盾的是，空间和成本要求会迫使设计者减小尺寸。当然，在大多数燃烧燃料喷嘴的设计结构中，装置的总直径由空气旋流器本身的尺寸控制。

因为叶片尺寸控制气流量，而更高的燃料流量要求需要增加质量流速，这样通常就需要增加叶片尺寸。但是，为了保证低成本，将典型的空气旋流器设计成被制成为深度压延金属板元件。同样地，旋流器叶片尺寸受金属板在不断裂的情况下被镦锻的程度控制。由于这种限制，会继续迫使设计者增加叶片尺寸以满足高流量要求，从而将相应地要求旋流器直径增加。但是，在许多应用场合中要求减小喷嘴尺寸以满足空间限制和材料成本要求，因而，上述这样增加直径会与这种喷嘴尺寸减小要求完全矛盾。

另外，由于要求增加气流量，与空气旋流器400的典型带槽式叶片402相关的其他问题就变得显著了。这种带槽式叶片402根据所述带槽式叶片402的角度以涡旋型式引导空气流经孔404，尽管如此，但是，当经过叶片的气流量增加时，更多的空气将会泄漏到带槽式叶片402的侧部周围。这种泄露的气流会扰乱涡旋型式，因而会减小空气旋流器设计所需的空气/燃料混合效率。

另外，当气流量增加时，带槽式叶片402易遭受变形和潜在的疲劳。气流量越大，压力就越高，这种情况下带槽式叶片402的角度可能会增加，此时，这种变形也会减弱被设计为由此产生的涡旋型式。叶片角度的这种改变也将干扰涡旋型式，减轻涡流强度，从而降低空气燃料混合效率。

带槽式叶片402沿其弯曲点在整个更宽的流动范围内会遭受疲劳，这种疲劳最终会导致带槽式叶片402出现故障。可明显看出，带槽式叶片402的损耗将严重扰乱涡旋型式，会大大削弱涡流强度，从而相当大程度地降低空气燃料混合效率。尽管可通过使用更坚固的材料或提供用于加固所述带槽式叶片402的结构来解决这类问题，但是，这将大大增加材料成本而让人望而却步。

因而，需要这样一种燃料喷嘴空气旋流器，其可提高气流量，而不会增加空气旋流器的总直径或不会增加材料成本。本发明的空气旋流器的实施例提供了这类空气旋流器。通过在此对本发明进行的描述，本发明的这些和其他优点、以及其他发明特征将是显而易见的。

发明内容

根据上述内容，本发明的实施例提供了一种新颖的、改进的空气旋流器，其能克服现有技术中存在的一个或更多个问题。更具体而言，本发明的实施例提供了一种新颖的、改进的空气旋流器，用于燃料喷射器喷嘴，该旋流器被制成为深度压延金属板元件。更具体而言，本发明的实施例提供了一种新颖的、改进的空气旋流器，可增加气流量和/或更有效地形成气流，而不需要增加空气旋流器的总直径。

在一个实施例中，深度压延金属板制空气旋流器包括形成在其上的多个半管形叶片。所述多个半管形叶片均形成在空气旋流器的端壁上，所述多个半管形叶片定向为当空气穿过所述多个叶片时形成涡旋型式的气流。因为半管形叶片包括沿其侧壁连续的壁，因而空气不会泄露到叶片周围；众所周知，典型的带槽式叶片空气旋流器会发生这种泄露状况。

在一个实施例中，空气旋流器包括具有第一端壁的中央容器，燃料喷射器将燃料喷入中央容器中。多个第一半管形叶片形成在中央容器内并在其中形成第一涡旋型式的气流。在一个实施例中，包围中央容器的第二端壁包括形成在其上的多个第二半管形叶片。所述多个第二半管形叶片形成第二涡旋型式的气流。在一个实施例中，第一和第二涡旋型式的气流在相同方向上旋转。

在另一实施例中，半管形叶片均形成为双侧半管形叶片，具有与第二部分成镜像结构关系的第一部分，第一部分和第二部分形成在端面上并相对于该端面在相反方向上伸展。与采用单侧半管形叶片的实施例相比，双侧半管形叶片可让叶片的开口面积有效地增至两倍。

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的其他方面、目的和优点将更清楚。

附图说明

下面的附图示出了本发明的几个方面，附图组合在说明书中并形成说明书的一部分，附图与说明书的所述内容一起阐释了本发明的基本原理。附图如下：

图1是半管形叶片式空气旋流器的实施例的侧视图，该旋流器具有根据本发明基本原理构造而成的双侧叶片；

图2是图1的半管形叶片式空气旋流器的前视图；

图3是半管形叶片式空气旋流器的替换实施例的等轴测视图，该旋流器具有根据本发明基本原理构造而成的单侧叶片；以及

图4是现有的金属片空气旋流器的等轴测视图。

尽管将结合某些优选实施例来描述本发明，但是本发明并未仅限于这些实施例。相反地，本发明覆盖了包含在本发明的实质和范围内的所有替换形式、改进形式及其等同形式，所附的权利要求书界定本发明的实质和范围。

具体实施方式

返回到附图，图1中示出了根据本发明的教导构造而成的空气旋流器100的实施例。可在各种操作环境下使用这种空气旋流器100，帮助空气和燃料的混合以在燃烧室中燃烧。在一个典型实施例中，空气旋流器100是深度压延金属板元件，与燃料喷射器配合使用，用于柴油机微粒过滤器再生燃烧器。但是，本领域的普通技术人员将能意识到：本发明的实施例可让通过给定直径的空气旋流器的气体流动性能增强，其他燃烧室环境可从中获益。因而，下面通过实例针对典型运行环境进行讨论，下述讨论内容并不是限制性的。

如图1所示，空气旋流器100被形成为包括中央燃料喷嘴接收孔102，待燃烧的燃料被喷入该接收孔102中。首先让这些燃料进入中央容器104中，中央容器具有端壁106和侧壁108。端壁106上形成有多个第一半管形叶片110。每个第一半管形叶片110形成穿过端壁106的气流孔112，用于让空气进入中央容器104中。第一半管形叶片110的角度被设置为使得通过气流孔112进入的空气在中央容器104内以涡旋型式流动，从而有助于空气和通过燃料喷嘴接收孔102被喷入的燃料相混合。

在一个实施例中，空气旋流器100还包括从中央容器104径向朝外伸展的凸缘部分114。凸缘部分114上形成有多个第二半管形叶片116。每个第二半管形叶片116形成有穿过其中的气流孔118，该气流孔也是用于让空气进入燃烧室中。第二半管形叶片116的角度被设置成使得通过气流孔118进入的空气以涡旋型式流动，从而进一步帮助空气和通过燃料喷嘴接收孔102被喷入的燃料相混合。在图1所示的实施例中，凸缘部分114包括凸缘侧壁120，该凸缘侧壁远离端壁106轴向伸展以形成涡流室122。

如图1所示，叶片110和叶片116的倾斜方向可有助于形成涡旋型式；即，它们的角度被设置成使二者的涡旋型式均是顺时针或逆时针方向。尽管涡旋型式引起的旋转方向可以是相同的，但是，叶片110、116的实际角度根据所需的整体涡旋型式而可以相同或不同。角度越小会使涡旋型式越平稳、速度越快，而角度越大会使涡旋型式持续时间越长、速度越慢。当然，特定叶片或叶片组的角度可以与其他叶片或叶片组的角度不同，以形成更复杂的涡旋型式。在可供选择的实施例中，叶片110，116的倾斜方向可以不同，从而使得由此所形成的涡旋气流之间保持剪切关系。

如图2的侧视图更清楚所示，所述多个第一半管形叶片110和所述多个第二半管形叶片116均分别包括第一部分110₁、116₁和第二部分110₂、116₂。在一个实施例中，这些第一和第二部分（110₁，110₂和116₁，116₂）产生镜像叶片几何机构，例如与图3所示的实施例（下面将对其进行更充分描述）相比，每个半管形叶片110、116的开口区域增至两倍。在另一实施例中，叶片几何结构不是镜像的，而是将第一和第二部分（110₁，110₂和116₁，116₂）冲压或压延成具有两个不同的轴向角。从而，可简化旋流器100的翼面（曲面）形状。在另一实施例中，叶片110、116可形成有弯曲部分，作为与翼面形状连续的曲面。

在一个实施例中，半管形叶片（110，116）穿过壁（106，114）形成，相对于壁（106，114）的平面在相反方向上镦锻金属板来形成这种镜像叶片几何结构。这样，对于给定直径的空气旋流器而言，能增加叶片的有效尺寸，而不需承受形成空气旋流器100的金属板被断裂的危险。如果空气旋流器100是深度压延金属板结构，这是特别有益的。

通过采用这种双侧叶片设计结构，与现有的带槽式叶片设计结构相比，空气旋流器100能增强空气流动能力，而不需增加空气旋流器的直径。针对空气流动能力来说，通过保持较小直径，可降低材料成本、减轻包装空间限制。另一个优点是可减轻部件重量，这与喷嘴整体尺寸减小有关。另外，这种半管形叶片110、116可防止空气泄露到叶片侧部周围，而传统的带槽式叶片设计结构（例如参照图4）会出现这种泄露状况。同样地，特别是在高流量情况下，半管形叶片110、116可更有效地利用空气，涡旋强度更大。另外，与图4所示的典型带槽式叶片空气旋流器的叶片几何结构相比，这种叶片几何结构更刚硬，因而更不易遭受变形和潜在的疲劳。

图3示出了一种可选的空气旋流器100'的实施例，该旋流器100'使用单侧半管形叶片110'、116'，完全不同于图1-2的实施例所示的双侧半管形叶片110、116。图3示出了这些叶片110'和116'的结构，它们具有伸展到燃烧室中或朝燃烧室伸展的半管形部分，但是，也可使用镜像结构来产生涡旋气流（这与仅使用图2中的双侧半管形叶片110、116的一个部分110₁或110₂,116₁或116₂的情况相似）。这些单侧半管形叶片110'、116'的结构也可根据所需的涡旋气流型式而不同。如图所示，叶片110'和116'的倾斜方向可有助于涡旋型式，即，它们的角度被设置成使两种涡旋型式均为顺时针或逆时针方向。

尽管所述涡旋型式引起的旋转方向可以是相同的，但是，叶片110'、116'的实际角度根据所需的整体涡旋型式而可以相同或不同。角度越小会使涡旋型式越平稳、速度越快，而角度越大会使涡旋型式持续时间越长、速度越慢。在可供选择的实施例中，叶片110'、116'的角度方向可以不同，从而由此使得所形成的涡旋气流之间保持剪切关系。

尽管经过空气旋流器100'的半管形叶片110'、116'的气流量小于经过图1-2所示的空气旋流器100的气流量（假定半管形叶片110'、116'的尺寸等于双侧半管形叶片110、116的一个部分（110₁或110₂,116₁或116₂）的尺寸），但是，给定气流的涡流强度更大，空气旋流器100'仍会从中获益。这是因为，经过孔118'的空气不会泄露到叶片侧部周围，而图4所示的带槽式叶片结构会出现这种泄露状况。

与图4的带槽式叶片设计结构相比，叶片几何结构的刚性增强，空气旋流器100'的该实施例可从中获益，从而更不易遭受变形和潜在的疲劳。图3所示的实施例还包括侧壁120'，该侧壁从凸缘部分114'朝端壁106'伸展，但是，在另一实施例中，可根据安装要求采用替换的侧壁结构。

半管形叶片特别适用于被制造成深度压延金属板元件的空气旋流器100、100'，这样在其形成过程中就不会让金属板断裂。尽管描述了前面的实施例采用这种半管形叶片，但是本领域的普通技术人员将意识到，在本发明的实质和范围内可采用其他叶片结构。当然，可采用完全不同于图4所示的带槽式叶片的、在叶片上具有封闭侧部的不同结构。这些结构例如包括，矩形、三角形、椭圆形等结构。同样地，文中使用的术语“半管形”应该理解为包括，带封闭侧部的叶片的任何结构形式，不管是圆形还是角形结构。

所有的参考文献（包括公开出版物、专利申请和文中引证的专利）组合在文中以同等程度作为参考，正如每篇参考文献被单独和特别提到作为参考组合在文中并对其全部内容进行阐释那样。

在描述本发明的情况下（尤其是在描述下面的权利要求书的情况下），使用的术语“不定冠词“一”和“一个”（a和an）”、“定冠词“所述”、“该”（the）”以及类似术语应解释为包括单数和复数，除非文中另有说明或与文中内容明显矛盾。术语“包括”、“具有”、“包含”以及“含有”应解释为开放式术语（即，表示“包括但不局限于”），除非另有说明。文中的数值表示范围仅是一种速记方法，分别表示落入该范围内的每个单独值，除非文中另有说明。每个单独值组合在说明书中，正如它们被单独在文中说明一样。文中所述的所有方法能以任何合适顺序执行，除非文中另有说明或与文中内容明显矛盾。文中使用的任何和所有实例、或示例语言（如，“例如”）仅用于更好地阐释本发明，并未限制本发明的范围，除非另有声明。说明书中的语言不应该解释为，表示实践本发明所必须的任何未提出的元件。

文中描述了本发明的优选实施例，包括发明人所知的实施本发明的最佳方式。对于本领域的普通技术人员来说，通过阅读前述内容，这些优选实施例的变形形式是显而易见的。发明人期望，本领域的专家能合适地使用这些变形形式，发明人希望能以不同于文中具体所示的方式来实施本发明。因而，本发明包括了所附权利要求书所述主题的所有改进形式和等同形式，该权利要求书受适用法律允许。此外，本发明包括了上述元件在所有可能变形方式下的任何组合结构，除非文中另有说明或与文中内容明显矛盾。

Claims

1.一种空气旋流器，用于与燃料喷射器配合使用以有助于混合空气和通过燃料喷射器提供的燃料，从而让燃料在燃烧室中燃烧，该空气旋流器包括：

端壁，该端壁上形成有燃料喷嘴接收孔和多个第一半管形叶片，每个叶片界定穿过端壁的第一倾斜气流孔，所述多个第一半管形叶片环绕所述燃料喷嘴接收孔布置；以及

第一环形侧壁，该第一环形侧壁连接到所述端壁上并围绕所述燃料喷嘴接收孔和所述多个第一半管形叶片，以形成中央容器；以及

其中，当空气穿过所述第一倾斜气流孔时，所述多个第一半管形叶片在中央容器内形成第一涡旋型式的气流。

2.根据权利要求1的空气旋流器，还包括：

凸缘，该凸缘从中央容器的侧壁径向朝外伸展，该凸缘上形成有多个第二半管形叶片，所述多个第二半管形叶片中的每个界定穿过所述凸缘的第二倾斜气流孔，所述多个第二半管形叶片环绕所述中央容器布置；

其中，在空气穿过所述第二倾斜气流孔的过程中，在第一涡旋型式的气流离开中央容器时，所述多个第二半管形叶片在该第一涡旋型式的气流周围形成第二涡旋型式的气流。

3.根据权利要求2的空气旋流器，还包括：

第二环形侧壁，该第二环形侧壁连接到所述凸缘上并围绕所述多个第二半管形叶片以形成第二涡流室；以及，

其中，当空气穿过所述第二倾斜气流孔时，所述多个第二半管形叶片在第二涡流室内形成第二涡旋型式的气流。

4.根据权利要求1的空气旋流器，其中，所述多个第一半管形叶片均是双侧叶片，包括成镜像叶片几何结构的第一部分和第二部分。

5.根据权利要求2的空气旋流器，其中，所述多个第一半管形叶片均是双侧叶片，包括成镜像叶片几何结构的第一部分和第二部分。

6.根据权利要求5的空气旋流器，其中，所述多个第二半管形叶片均是双侧叶片，包括成镜像叶片几何结构的第一部分和第二部分。

7.根据权利要求6的空气旋流器，其中，所述多个第一半管形叶片和所述多个第二半管形叶片均被定位成，使第一涡旋型式的气流和第二涡旋型式的气流在同一方向上旋转。

8.根据权利要求6的空气旋流器，其中，所述多个第一半管形叶片和所述多个第二半管形叶片均被定位成，使第一涡旋型式的气流和第二涡旋型式的气流在相反方向上旋转。

9.根据权利要求2的空气旋流器，其中，所述多个第一半管形叶片和所述多个第二半管形叶片均被定位成，使第一涡旋型式的气流和第二涡旋型式的气流在同一方向上旋转。

10.根据权利要求2的空气旋流器，其中，所述多个第一半管形叶片和所述多个第二半管形叶片均被定位成，使第一涡旋型式的气流和第二涡旋型式的气流在相反方向上旋转。

11.根据权利要求1的空气旋流器，其中，所述多个第一半管形叶片均是双侧叶片，且均包括第一部分和第二部分，所述第一部分从所述端壁朝上形成第一角度，所述第二部分从端壁朝下形成第二角度。

12.根据权利要求11的空气旋流器，其中，所述第一角度与第二角度相等。

13.根据权利要求11的空气旋流器，其中，所述第一角度与第二角度不等，从而提供了简化的翼面形状。

14.根据权利要求13的空气旋流器，其中，所述多个第一半管形叶片均形成有弯曲部分，以提供与简化的翼面形状相连续的曲面。

15.根据权利要求2的空气旋流器，其中，所述端壁、燃料喷嘴接收孔、所述多个第一半管形叶片、穿过所述端壁的所述第一倾斜气流孔、所述第一环形侧壁、从中央容器的侧壁径向朝外伸展的所述凸缘、所述多个第二半管形叶片，以及穿过所述凸缘的所述第二倾斜气流孔被形成为单一的整体式深度压延金属板元件。

16.一种空气旋流器，用于与燃料喷射器配合使用以有助于混合空气和通过燃料喷射器提供的燃料，从而让燃料在燃烧室中燃烧，该空气旋流器包括：

端壁，该端壁上形成有燃料喷嘴接收孔和多个第一双侧半管形叶片，所述多个第一双侧半管形叶片中的每个界定穿过所述端壁的第一气流孔，所述多个第一双侧半管形叶片环绕所述燃料喷嘴接收孔布置，当空气穿过所述第一气流孔时，所述多个第一双侧半管形叶片产生第一涡旋型式的气流；以及

凸缘，该凸缘从所述端壁轴向偏离，该凸缘上形成有中央孔以让第一涡旋型式的气流从其中流过，在所述凸缘上形成有多个第二双侧半管形叶片，所述多个第二双侧半管形叶片中的每个界定穿过所述凸缘的第二气流孔，所述多个第二双侧半管形叶片与所述多个第一双侧半管形叶片在径向上相偏离，当空气穿过第二气流孔时，所述多个第二双侧半管形叶片形成第二涡旋型式的气流。

17.根据权利要求16的空气旋流器，其中，所述多个第一双侧半管形叶片均包括成镜像叶片几何结构的第一部分和第二部分；其中，所述多个第二双侧半管形叶片均包括成镜像叶片几何结构的第一部分和第二部分。

18.根据权利要求16的空气旋流器，其中，所述多个第一双侧半管形叶片均包括第一部分和第二部分，所述第一部分在第一方向上相对于所述端壁成第一角度伸展，所述第二部分在第二方向上相对于所述端壁成第二角度伸展，其中所述第一角度和第二角度不等。

19.根据权利要求16的空气旋流器，其中，所述多个第二双侧半管形叶片均包括第一部分和第二部分，所述第一部分在第一方向上相对于所述凸缘成第一角度伸展，第二部分在第二方向上相对于所述凸缘成第二角度伸展，其中所述第一角度和第二角度不等。

20.根据权利要求16的空气旋流器，其中，所述多个第一双侧半管形叶片均包括第一部分和第二部分，所述第一部分在第一方向上相对于所述端壁成第一角度伸展，所述第二部分在第二方向上相对于所述端壁成第二角度伸展，其中所述第一角度和第二角度不等；并且其中，所述多个第二双侧半管形叶片均包括第三部分和第四部分，第二双侧半管形叶片的第三部分在第三方向上相对于所述凸缘成第三角度伸展，第二双侧半管形叶片的第四部分在第四方向上相对于凸缘成第四角度伸展，其中第三角度和第四角度不等。