JP2012508107A - 2成分ノズル、バンドルノズル、および流体を微粒化する方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図4
Description
比較的単純な境界条件は、液体が懸濁浮遊物を含まない場合、および液体が固体蒸発残留物を形成しない場合に適用される。これは、例えば煙道ガス脱窒システムでアンモニア水を微粒化するためのノズル、またはターボジェットエンジンで灯油を微粒化するためのノズルに適用される。特に後者の用途の場合、Joos,F.、Simon、B.、Glaeser,B.、Donnerhack,S.(1993):Combuster Develepment for Advanced Helicopter Engines, MTU FOCUS 1/93から引用した図1に示すような、いわゆる予膜化ノズルが開発された。図1に示すこのノズルタイプの場合、液体は細い灯油噴流の形で細孔を介してノズルの内壁に噴霧され、そこで液体は液膜を形成する。微粒化空気は隣接する液体噴流の間を流れ、コア空気流を形成する。壁の液膜は、このコア空気流の剪断応力効果によってノズル口に向かって追い立てられる。タービンエンジンでは、コア空気流の形成のために比較的低い圧力比しか利用できない。したがって微粒化中に音速に到達するには遠く及ばない。そのような公知の予膜化ノズルはまた、収束−発散流路を持つラバールノズルとして設計されていない。公知の予膜化ノズルは、工業用プラントのプロセス環境で使用するのに、例えば煙道ガス洗浄用に全く適さない。
多くの場合、液体は懸濁浮遊物、例えば大きいまたは小さい粒子を多く含んでいる。小さい粒子は、フィルタのメッシュ幅に応じて、微粒化される液体中の残留固形分として運ばれる懸濁浮遊物から構成することができる。大部分がフレーク状の大きい粒子は、ノズルまでの供給管路内の壁のコーティングからの剥離によって形成される。壁のコーティングは、微細粒子堆積物および当初からすでに液体中に溶解していた物質の堆積物によって形成することができる。これらの用途では、狭い流路または穴は、液体中で運ばれる懸濁浮遊物および/または大きい剥離粒子によってすぐに目詰まりするので、回避される。さらに、液体がすでにノズル内部で蒸発して蒸発残留物の堆積物がそこに急速に蓄積することがないように、注意が払われる。
これらの噴流は次いで最大径の箇所から中心ピンを離れ、混合チャンバ内に導入されたガス状流体によって取り込まれ、部分的に液滴に破砕される。中心ピンから離れた流体噴流は、コア空気流が液滴を同伴して減速され、微粒化作業を実行することなくノズルを通過することができないことを確実にする。加えて、液体噴流は中心ピンの最大径の箇所に略対向する混合チャンバの壁にも衝突し、この壁に液膜が形成され、それが次いで混合チャンバ内に導入されるガス状流体によってノズル出口の方向に追い立てられることを確実にする。流路または溝は、中心ピンの表面線上に走るか、またはそれに対して傾斜して走ることができる。
少なくともガス状流体用の流体入口と、少なくとも微粒化される流体用の流体入口と、混合チャンバとを有する2成分ノズルによって流体を微粒化する方法であって、
−微粒化される流体から混合チャンバの壁に膜を形成するステップと、
−混合チャンバ内部のガス状流体からガス流を形成し、かつガス流を混合チャンバ内部の液膜に沿って実質的に平行に案内するステップと、
−混合チャンバの下流の環状空隙開口でガス状流体から環状空隙流を形成するステップと、
−環状空隙開口で膜を微粒化するステップと、
を含む方法によっても解決される。
−ノズルの中心軸50付近の空気流は、これらの液滴に対して加速作業を実行しなければならないので、制限される。
−壁40の液膜29は、ノズル口48に到達する前に、その液体流量の一部を失う。ノズル口48における液膜の微粒化のために要求されるエネルギ密度はしたがって低減される。この結果、ノズル口における環状空隙2次微粒化のための圧縮空気消費量は低くなる。これもまた、微粒化のためのエネルギ消費の低下に役立つ。
−ノズル出口におけるN4の直径に対する全長Lの比:L/L4=3〜10
−全長Lに対する狭窄部N2とN3との間の区間の長さL1:L1/L=0.2〜1.0
−全長Lに対する狭窄部N3とN4との間の区間の長さL2:L2/L=0.1〜0・8
−望ましくない大きい液滴は遠心力によってノズル内壁または混合チャンバ壁40に打ち付けられ、そこで液膜29を形成し、液膜はノズル口で環状空隙2次微粒化によって小さい液滴に破砕される。
−ノズルから流出する渦巻2成分噴流は、より大きい噴流開き角度を取る。この作用は、環状空隙空気34の場合同一方向に渦巻くことによって、かなり強化することができる。
−個別空気噴流がノズル主軸と位置合わせされた場合、自動的に選別効果または空気分離効果が生じる。空気は狭窄部N3で流路輪郭に従うことができる一方、液滴は質量慣性によってノズル主軸または中心長手軸50の方向に追い立てられる。この結果、液滴の塊状の中心噴流が生じる。そのような塊状の中心噴流では、結果的にノズルの外側の液滴噴流に、液滴の凝集さえ生じるおそれがあるので、比較的大きい液滴が形成され、よって微粒化の質がひどく損なわれる。これらの選別効果は、本発明に係る設計によって防止することができる。
2 2成分ノズルの混合チャンバに液体を供給するための中心ランスチューブ
3 2成分ラバールノズル
4 2成分ノズルに圧縮ガスを供給するためのランスチューブ
5 混合チャンバ内に圧縮ガスを導入するための穴
6 圧縮ガス、特に圧縮空気
7 1次混合チャンバ領域L1および2次混合チャンバ領域L2から成る2成分ノズルの混合チャンバ
8 2成分ノズルの出口N4
9 混合チャンバにおける圧縮ガスと液滴との2成分混合物
10 混合チャンバに液体を導入するための液体ノズル
11 液体の1次分割のための中心ピン
12 中心ピンと液体入口ノズル上の保持リングとの間の連結リブ
13 液体入口ノズル上の中心ピン用の保持リング
14 中心ピンの表面線に沿った溝
15 中心ピンの長さLPのオタマジャクシの尾
16 中心ピン上の液膜
17 中心ピンの溝から流出する個別液体噴流
18 分解して液滴になる狭窄部N2の薄い液体ラメラ
19 隣接する液体噴流17間の圧縮空気のためのフローガセット
20 中心ピンと混合チャンバ壁との間の狭窄部N2の断面
21 狭窄部N3の断面
22 狭窄部N4の断面またはノズル出口断面
23 中心ピンの最大径DP
24 1次混合チャンバ区画の長さL1
25 2次混合チャンバ区画の長さL2
26 混合チャンバの全長L
27 中心ピンの円錐角β
28 中心ピンの接線と衝突液体噴流の領域における混合チャンバ壁の接線との間の角度α
29 混合チャンバ壁上の液膜
30 混合チャンバ壁上の液膜から分離する液滴
31 2次ガス状流体、例えば煙道ガスへの入口における液滴噴流
32 環状空隙ノズル
33 円錐状または星形断面を持つ環状空隙
34 環状空隙空気
35 2成分ノズルへの圧縮空気供給用の1次圧力チャンバ
36 混合チャンバを介して通過した微粒化空気比用の圧力チャンバ
37 バンドルノズルの環状空隙空気用の圧力チャンバ
38 噴射がそれに対して行なわれる煙道ガスまたは2次ガス状流体
39 液体ノズル10の出口の液体噴流
40 ノズル内壁または混合チャンバ壁
41 傘状の液体ラメラ
42 より大きい液滴の中心噴流
43 混合チャンバへの液体供給管路内の渦巻要素
44 中心ピンのリム
45 大きいコーティングフレーク
46 混合チャンバの入口の空気流
47 液滴含有量が低いコア空気噴流
48 ノズル口
49 該当無し
50 ノズル軸、ノズルの中心長手軸
51 水噴流17の衝突領域の混合チャンバ壁
52 中心ランスチューブ2から混合チャンバまたは液体ノズル10への遷移部分
53 液体ノズル10の中心穴の壁の溝
54 溝付き液体ノズルの内円径
55 高速度の圧縮空気噴流
56 混合チャンバ内の液滴同伴圧縮空気流の略直線経路を示す直線
57 混合チャンバ7に向かってカップ状に拡張する液体ノズル10の部分
58 袋ナット
59 袋ナット58の通路穴
60 環状空隙空気用の越流穴
61 環状空隙ノズル62用の袋ナット58上のセンタリング用リング
62 環状ギャップノズル
63〜99まで該当無し
100 入口開口
102 中心流体出口
104 ノズルハウジング
110 入口開口
112 供給チューブ
114 混合チャンバの壁
116 狭窄部
118 混合チャンバの壁
120 ノズル出口開口
122 ノズルハウジング
124 環状空隙空気チューブ
126 環状空隙開口
128 渦巻要素
130 ノズルハウジングの上流配置区画
132 ノズルハウジングの下流配置区画
134 微粒化される流体用の入口開口
136 微粒化される流体用の供給管
138 保持用リブ
140 中心ピン
142 環状空隙空気供給および微粒化空気供給を分離するためのチューブ
144 中心ピン140の最も広い箇所
146 入口開口134の下流の円錐拡張
148 チューブ
150 2成分ノズル
152 シース空気ノズル
154 渦巻発生装置
156 環状空隙空気管
158 ノズルハウジング
160 ノズル口
Claims (29)
- ノズルハウジングを持つ2成分ノズルであって、ノズルハウジングは、微粒化される流体用の少なくとも第1流体入口と、ガス状流体用の第2流体入口と、混合チャンバと、ノズル出口開口と、ノズル出口開口を包囲する環状空隙開口とを備え、微粒化される流体から混合チャンバの壁に膜を形成するための手段およびガス状流体を混合チャンバ内に導入するための入口開口がノズルハウジング内に設けられているものにおいて、入口開口および混合チャンバは整列し、かつガス状流体を混合チャンバ内に壁と実質的に平行に導入し、ガス状流体の流れを混合チャンバ内の壁に沿って実質的に平行に案内するように設計されることを特徴とする2成分ノズル。
- 混合チャンバ内へのガス状流体用の入口開口は、混合チャンバの長さの最初の3分の1の壁に対して0゜から30゜の間の角度に調整されることを特徴とする請求項1に記載の2成分ノズル。
- ガス状流体用の入口開口の中心軸は、入口開口の中心軸が流れ方向に混合チャンバの中心長手軸上に集束するように、混合チャンバの中心長手軸に対して傾斜されることを特徴とする請求項1又は2に記載の2成分ノズル。
- ガス状流体用の入口開口の中心軸は、混合チャンバの中心長手軸と交差しないことを特徴とする請求項3に記載の2成分ノズル。
- 入口開口の中心軸は、仮想回転双曲面体の外面上に位置することを特徴とする請求項3又は4に記載の2成分ノズル。
- 少なくとも液膜のある壁から離れた領域で、液膜とガス状流体との間の摩擦のために減速されない液滴をガス状流体にロードさせるために、液滴ローディング手段が混合チャンバにさらに設けられることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の2成分ノズル。
- 液滴ローディング手段は中心ピンを有し、微粒化される流体用の入口開口は中心ピンの先端で位置合わせされ、中心ピンは先端から円錐状に最大径の箇所まで拡張し、混合チャンバ内部のガス状流体は中心ピンの最大径の箇所の先に案内されることを特徴とする請求項6に記載の2成分ノズル。
- 微粒化される流体から膜を形成するための手段は、微粒化される流体をその流れエネルギによって部分流に分割するために、流路内に少なくとも1つの障害物を含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の2成分ノズル。
- 膜を形成するための手段は、混合チャンバへの流体入口の上流に、渦巻挿入体を有することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の2成分ノズル。
- 微粒化される流体から膜を形成するための手段および/または液滴ローディング手段は中心ピンを有し、微粒化される流体のための入口開口は中心ピンの先端に位置合わせされ、中心ピンは先端から最初は円錐状に拡張することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の2成分ノズル。
- 中心ピンは、微粒化される流体用の入口開口に面してその上流の領域に設けられ、少なくとも2つの流路または溝が中心ピンの先端から中心ピンの最大径の箇所まで走ることを特徴とする請求項10に記載の2成分ノズル。
- 流路または溝は、中心ピンの表面線上に走るか、またはそれに対して傾斜して走ることを特徴とする請求項11に記載の2成分ノズル。
- 中心ピンは、流れの方向に見て最大径の領域の後に先細り後行要素を有することを特徴とする請求項10〜12のいずれかに記載の2成分ノズル。
- 中心ピンはダブルコーンの形を有することを特徴とする請求項10〜13のいずれかに記載の2成分ノズル。
- 混合チャンバの壁は中心ピンの先細り後行要素と実質的に平行に配置されることを特徴とする請求項13又は14に記載の2成分ノズル。
- 中心ピンの後行要素の経路における流れ方向に見て、混合チャンバの自由流通断面が低減されることを特徴とする請求項13〜15のいずれかに記載の2成分ノズル。
- ガス状流体の混合チャンバ内への入口開口の中心軸は、中心ピンの後行要素の外壁と実質的に平行に配置されることを特徴とする請求項1〜16のいずれかに記載の2成分ノズル。
- 中心ピンはダブルコーンの形に設計され、混合チャンバの最小断面の領域は、ダブルコーンの下流に位置する先端の高さに配置されることを特徴とする請求項1〜17のいずれかに記載の2成分ノズル。
- 混合チャンバの自由断面は最初に先細りし、次いで最小断面の領域でそれを維持するか、または再び拡張することを特徴とする請求項1〜18のいずれかに記載の2成分ノズル。
- 混合チャンバは最初に中空錐台の形で先細りし、最小断面の箇所からさらなる中空錐台の形で再び拡張し、ガス状流体の混合チャンバ内への入口開口の中心軸は、先細り中空錐台の混合チャンバの内壁と平行に位置合わせされることを特徴とする請求項19又は20に記載の2成分ノズル。
- 微粒化される流体から膜を形成するための手段は中心ピンを有し、微粒化される流体用の入口開口は中心ピンの先端に位置合わせされ、中心ピンは少なくとも2つの半径方向に延びるリブによって、混合チャンバの内壁を画定するノズルハウジングに接続されることを特徴とする請求項1〜20のいずれかに記載の2成分ノズル。
- ノズル出口開口を包囲する環状空隙開口が、混合チャンバの内壁を画定するノズルハウジングと環状空隙管との間に規定され、ノズルハウジングと環状空隙管との間の環状空隙開口の上流に、渦巻要素が配置される請求項1〜21のいずれかに記載の2成分ノズル。
- 環状空隙開口の少なくとも幾つかの部分を包囲するシース空気ノズルが設けられていることを特徴とする請求項1〜22のいずれかに記載の2成分ノズル。
- 請求項1〜23のいずれかに記載の少なくとも2つの2成分ノズルが設けられていることを特徴とする流体を微粒化するためのバンドルノズル。
- 少なくともガス状流体用の流体入口と、少なくとも微粒化される流体用の流体入口と、混合チャンバとを有する2成分ノズルによって流体を微粒化する方法であって、
−微粒化される流体から混合チャンバの壁に膜を形成するステップと、
−混合チャンバ内部のガス状流体からガス流を形成し、かつガス流を混合チャンバ内部の液膜に沿って実質的に平行に案内するステップと、
−混合チャンバの下流の環状空隙開口でガス状流体から環状空隙流を形成するステップと、
−環状空隙開口で膜を微粒化するステップと、
を含む方法。 - 混合チャンバ内部で、かつ少なくとも、微粒化される流体からの膜を持つ壁から離れた領域で、ガス状流体の流れに微粒化される流体からの液滴をロードするステップを含むことを特徴とする請求項25に記載の方法。
- 微粒化される流体の流れは、その流動エネルギによって部分流に分割されることを特徴とする請求項25又は26に記載の方法。
- 少なくとも環状空隙開口の直下流で環状空隙空気流を包囲するガス状流体からシース空気流を生成するステップを含むことを特徴とする請求項25、26又は27に記載の方法。
- シース空気流を加熱するステップを含むことを特徴とする請求項28に記載の方法。
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