KR970001467B1 - 연소영역 안으로 주입되는 고속 유체의 흐름방향을 바꾸기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

연소영역 안으로 주입되는 고속 유체의 흐름방향을 바꾸기 위한 장치 및 방법

제1도는 본 발명과 연결하여 사용될 수 있는 노 안에서 설치되는 버너 씨스템의 일부분의 단면도.

제2a도는 방향의 변화없이 연소영역으로 주입되는 유체가 통하는 버너 또는 렌스(lance)의 개략도.

제2b도는 본 발명의 사용에 의하여 유체의 흐름방향이 변화되는 버너 또는 랜스의 개략도.

제2c도는 본 발명의 사용에 의하여 유체의 흐름방향이 변화되는 버너 또는 랜스의 또다른 개략도.

제3a도는 본 발명 장치의 한 실시예의 정면도.

제3b도는 제3a도에 도시된 장치의 단면도.

제4a도는 본 발명 장치의 다른 실시예의 정면도.

제4b도는 제4a도에 도시된 장치의 단면도.

제5a도는 본 발명 장치의 한 실시예를 구체화하는 버너 노즐의 정면도.

제5b도는 제5a도에 도시된 버너 노즐의 단면도.

제5c도는 제5a도의 선 A-A를 따라서 취한 버너 노즐의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,20 : 버너 또는 랜스 2 : 노벽

3,21,35,45 : 연소영역 4,5 : 통로수단

6,26,27 : 바이어스 유체 7,8,23,24 : 공급라인

9,22,30,40 : 버너 노즐 10 : 스위칭 밸브

31,41 : 팽창된 유동영역 34,44 : 출구

36,46 : 입구 37,60,61,70,71 : 바이어스 유체 제공수단

38,48 : 제한된 유동영역 39 : 축방향 중심선

본 발명은 연소영역 안으로 유체를 분사하기 위한 노즐에 관한 것이고, 보다 상세하게 연소영역 안으로 산화성 물질을 주입하기 위한 버너 또는 랜스에 관한 것이다.

예를 들어, 노에 열을 제공하도록 사용된 종래의 버너는 노벽에서 적소에 고정되어, 버너로부터 발산되는 불꽃 또는 연소반응을 노 안에 있는 연소영역의 고정된 지점으로 향하게 한다. 많은 버너들이, 버너에 의하여 제공되는 열을 노 충전에 의하여 요구되는 수요와 보다 조화시키기 위하여 불꽃의 형상을, 예를 들면 길고 얇은 불꽃으로부터 짧고 무성한 불꽃으로 변화시키기 위하여 제어된다. 그러나, 때때로 버너 불꽃의 방향을 변화시키는 것이 필요하거나 또는 바람직하다. 고철의 용융에서, 불꽃이 향하게 되는 연소영역안에 있는 영역으로부터 응융되지 않은 고철에 열을 제공하는 유도 및 대류 전류 때문에 지체하는 것보다는 오히려 용융되지 않은 고철에 직접 열을 제공하도록 불꽃의 방향을 변환시키는 것이 바람직하다.

버너의 불꽃방향을 바꾸기 위한 한 방법은 버너에서 방향성 노즐을 사용하는 것이고, 새로운 불꽃방향이 필요할 때 노즐을 교환하는 것이다. 이러한 방법은, 버너가 매시간 닫혀서 냉각되어야 하고, 불꽃방향이 바뀌는 것이 필요하기 때문에 결점을 가진다. 더욱이, 이러한 방법은 방향성 노즐의 목록의 유지를 필요로 한다.

버너의 불꽃방향을 바꾸기 위한 또다른 방법은 버너의 위치를 직접 또는 기계적인 조정 시스템을 수동으로 조정하는 것이다. 버너의 직접적인 수동조작은 위험하고, 기계적인 조성 씨스템은 복합하여 공업로의 거친 환경에서 파손되기 쉽다. 덧붙여, 공업로 주위의 공간적인 제한은 기계적인 조정 시스템의 전개를 방해할 것이다.

그러므로, 버너 또는 랜스 노즐로부터 연소영역 안으로 통과하는 산화물질과 같은, 노즐로부터 연소영역 안으로 통과하는 유체의 흐름방향을 용이하고 효과적으로 바꿀 수 있는 씨스템을 가지는 것이 바람직하다.

유체가 산소버너로 사용될 수 있는 고속의 산화물질과 같은 고속 유체일 때, 바람직한 방향전환은 여전히 안정화 작동을 유지하는 동안 초래하는 것보다 훨씬 더 어렵다.

따라서, 본 발명의 목적은 연소영역 안으로 유체를 고속으로 주입시키고 연소영역 안으로 주입되는 유체흐름 방향을 용이하게 바꿀 수 있는 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 연소영역 안으로 주입되는 고속유체의 흐름방향을 용이하게 바꾸기 위한 방법을 제공하는데 있다.

이러한 기재의 숙독하에서 당업자에게 명백하게 될 수 있는 본 발명의 상기 및 다른 목적들은, 노즐을 통하여 연소영역 안으로 통과되는 고속의 유체분출의 흐름방향을 제어하도록 유체공학의 한정된 적용을 포함하는 본 발명에 의하여 달성된다.

본 발명의 한 특징은, (A) 팽창된 유동영역과 하부가 소통되고 상기 소통지점에서의 지름이 D인 제한된 유동영역을 가지는, 유체 공학적인 공동부와; (B) 상기 유체 공학적인 공동부의 축선방향 중심선에 대체로 직각인 방향에서 상기 유체 공학적인 공동부 안으로 바이어스 유체를 제공하며 동일 단위계인 d/D가 0.18 내지 0.75의 범위안에 놓이도록 지름 d를 가지며, 상기 제한된 유동영역과 상기 팽창된 유동영역 사이의 상부 3d/4지점으로부터 하부 d/4 지점까지의 범위안에 있는 지점에서 상기 유체 공학적인 공동부와 소통하는 바이어스 유체 제공수단을 포함하는, 연소영역 안으로 주입되는 고속 유체의 흐름방향을 바꾸기 위한 장치이다.

본 발명의 또다른 특징은 (A) 팽창된 유동영역과 소통하는 제한된 유동영역을 가지는 유체 공학적인 공동부를 통하여, 상기 유체 공학적인 공동부 표면의 일부분에 접한 감압영역을 만들도록 적어도 500ft/sec의 속도로 상기 제한된 유동영역을 통하여 흐르는 메인 유체의 흐름을 제공하는 단계와; (B) 상기 제한된 유동영역과 상기 팽창된 유동영역 사이에 있는 소통지점의 상부 3d/4로부터 하부 d/4까지의 범위안에 있는 지점에서 상기 제한된 유동영역을 통과하는 상기 메인 유체의 흐름방향에 대체로 직각인 방향에서, 상기 감압영역에 있는 상기 유체 공학적인 공동부 안으로 지름 d인 바이어스 유체흐름을 주입시키는 단계와; (C) 상기 메인 유체의 흐름방향을 바꾸는 단계를 포함하는, 연소영역 안으로 주입되는 고속유체의 흐름방향을 바꾸기 위한 방법이다.

여기에서 사용되는 연소영역이란 유체 공학적인 공동부의 출구로부터 그안으로 유체가 통과되는 체적을 의미한다.

여기에서 언급된 대체로 직각이란 90±15°를 의미한다.

이하, 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

버너는 연료 및 산소 모두를 연소영역 안으로 제공하는 장치이며, 랜스는 연료 또는 산소들 중 하나를 연소영역 안으로 제공하는 장치이다. 본 발명은 고속의 산소버너 또는 랜스와 함께 사용될 때 특별한 유용성을 발견할 수 있다. 고 속의 산소버너의 분야에서 최근의 두 개의 상당한 진보성의 것이 앤더슨의 미합중국 특허 제4,541,796호 및 4,907,961호에 기술되고 청구되었다.

제1도를 참조하면, 버너(1)는 노벽(2) 안에 설치되고, 연소영역(3) 안으로 연료와 산화물질을 제공하도록 작용한다. 연료(11)는 통로수단(4)에 의하여 버너(11)를 통해 제공되고, 산화성 물질(12)은 통로수단(5)에 의하여 버너(1)를 통해 제공한다. 연료는 어떠한 연소성 유체일 것이다. 산화성 물질은 공기와 농도로부터 99.5%또는 그 이상 농도의 산소를 가지는 기술적으로 순수한 산소와 농도로 산소의 어떠한 농도를 가질 수 있다. 본 발명은 적어도 30%의 산소 농도를 가지는 산화성 물질과 함께 특별한 유용성을 가질 것이다.

바이어스 유체(6)는 공급라인(7,8)들을 통해 버너(1) 안으로 제공되어, 나중에 상세히 기술된 유체 공학적인 버너 노즐(9) 안으로 통과된다. 바이어스 유체는 공급라인(7) 또는 공급라인(8) 안으로 공급되거나, 또는 스위칭 밸브(10)의 작동에 의하여 완전하게 차단된다. 바이어스 유체는 버너의 경우 연료 또는 주 산화성 물질인 바이어스된 유체와 같은 유체이다. 제1도에 도시된 예에서, 바이어스된 유체는 통로수단(5)을 통하여 버너(1)로 공급되는 산화성 물질(12)이다.

제2a,2b도 및 2c도를 참조하면, 공통의 요소들을 위하여 부호들이 동일하고, 노즐(22)을 통해 연소영역(21) 안으로 주입되는 유체가 버너 또는 랜스(20)를 통과한다. 바이어스 유체는 공급라인(23)이나 또는 공급라인(24)을 통하여 노즐(22)로 버너 또는 랜스(20)를 통해 공급될 수 있다. 제2a도에서, 노즐(22)에 공급되는 바이어스 유체가 없는 경우가 도시되어 있다. 이러한 경우에, 유체(25)는 흐름방향을 바꾸는 것 없이, 즉 버너 또는 랜스(20)와 축선 방향으로 일치되어 연소영역(21) 안으로 주입된다. 제2b도에, 공급라인(24)의 방법에 의하여 바이어스 유체(26)가 노즐(22)에 제공되는 경우가 도시되어 있따. 이러한 경우에, 유체가 연소영역(21) 안으로 제공됨으로써, 유체(25)의 방향은 노즐(22) 안에서의 바이어스 유체(26)의 작용에 의하여 제2b도에 도시된 것으로 바뀌게 된다. 제2c도에, 공급라인(23)의 방법에 의하여 바이어스 유체(27)가 노즐(22)에 제공되는 경우가 도시되어 있다. 이러한 경우에, 유체가 연소영역(21)안으로 제공됨으로써, 작동유데(25)의 방향은 노즐(22) 안에서의 바이어스 유체(27)의 작용에 의하여 제2c도에 도시된 것으로 바뀌게 된다.

나머지 도면들은 본 발명의 방법 및 장치를 보다 상세하게 설명한다.

제3a도 및 제3b도에서, 부호들은 공통의 요소들을 위하여 동일하다. 제3a 및 제3b도를 참조하면, 노즐(30)은 입구(36)와 출구(34)를 가지는 유체 공학적인 공동부를 포함한다. 유체 공학적인 공동부는, 원추형 표면을 가지며 외부로 향해 팽창하는 유동영역을 한정하는 팽창된 유동영역(31)을 포함하며, 유도영역(31)은 출구(34)와 소통하며, 제한된 유동영역(38)은 입구(36)와 소통한다. 출구(34)는 연소영역(35)과 소통하며, 입구(36)는 유체 공학적인 공동부 안으로 유체, 즉 산화성 물질을 제공하는 유체 제공수단(37)과 소통한다. 제한된 유동영역은 팽창된 유동영역과 소통하는 지점에서 지름 D를 가진다. 대체로, D는 0.125inch 내지 1.5inch의 범위안에 있을 것이며, 전형적으로 D는 0.125 내지 1.0inch의 범위안에 놓이게 되나, 지름 D는 점화비율에 따를 것이다. 유체는 유체 제공수단으로부터 유체 공학적인 공동부 안으로 제공되어, 적어도 500ft/sec의 속도, 바람직하게 음속 또는 사용되는 유체의 음속에 따라 약 1700ft/sec 또는 그 이상보다 큰 고속으로 제한된 유동영역을 통과한다. 음속 이상의 속도에서 속도는 대기압에서 오리피스의 단면영역에 의하여 분할되는 오리피스를 떠나는 체적 측정의 유동율로서 정의되는 분명한 분출속도이다. 고속의 유체는 유체 공학적인 공동부를 통하여 제한된 유동영역(38)에 인접한 감압영역 안으로 제공된다.

바이어스 유체는 하나 또는 그 이상의 바이어스 유체 제공수단들을 통하여 유체 공학적인 공동부 안으로 제공된다. 제3a도 및 3b도는 2개의 바이어스 유체 제공수단(60,61)들을 가지는 실시예를 도시한다. 전형적으로, 본 발명은 적어도 2개의 바이어스 유체 제공수단 또는 주입 지점들을 사용할 것이며, 그 수는 통상 2-8의 범위일 것이다. 바이어스 유체 제공수단들은, 제한된 유동영역을 통과하는 유체의 유동방향에 대체로 직각인 방향, 즉 유체 공학적인 공동부의 축선방향 중신심(39)에 대체로 직각인 방향으로 감압영역에 있는 유체 공학적인 공동부 안으로 바이어스 유체를 공급하도록 위치된다.

바이어스 유체 제공수단은 d/D의 비율이 0.18 내지 0.75, 바람직하게 0.18 내지 0.25의 범위안에 놓이도록 유체 공학적인 공동부와 소통하는 지점에서 지름 D를 가진다. 전형적으로, d는 0.1 내지 0.15inch의 범위안에 놓일 것이다. 어떠한 상황에서, 바이어스 유체 제공수단, 또는 제한된 유동영역과 팽창된 유동영역 사이의 소통지점의 단면 형상이 원형보다 다른 것이 바람직하다는 것이 인식될 것이다. 예를 들면, 단면형상은 타원형 또는 직사각형 슬롯의 원일 수 있다. 이러한 경우에, 지름 D 및/또는 d는 개방부를 한정하는 폭들보다 작다.

바이어스 유체 제공수단은, 이것의 중심이 제한된 유동영역과 팽창된 유동영역 사이에 있는 소통지점의 상부 3d/4로부터 하부 d/4까지의 범위안에 있는 지점에 있도록 유체 공학적인 공동부와 소통한다. 바람직하게, 이러한 범위는 소통하는 지점의 상부 d/2로부터 제한된 영역과 팽창된 영역 사이의 소통지점까지의 범위안에 있다. 가장 바람직하게, 바이어스 유체 제공수단은 이러한 소통지점의 약 상부 d/2 지점에서 유체 공학적인 공동부와 소통하다. 제3a도 및 3b도에 도시된 실시예에서의 바이어스 유체 제공수단(60,61)들은 제한된 유동영역이 팽창된 유동영역과 소통하는 지점의 상부 d/2 지점에서 유체 공학적인 공동부와 소통한다.

작동에 있어서, 유체는 유체 제공수단(37)을 통하여 유체 공학적인 공동부의 제한된 유동영역(38) 안으로 제공된다. 바이어스 유체가 제공되지 않을 때, 유체는 유체 공학적인 공동부를 통하여 방향의 바뀜이 없이 연소영역(35) 안으로 진행한다. 그러나, 바이어스 유체가 바이어스 유체 제공수단(60)을 통하여 감압영역에 있는 유체 공학적인 공동부안으로 제공될 때, 작동유체는 흐름방향을 바꾸도록 일으키게 되어 화살표(62)로 지시된 바와 같은 방향으로 연소영역(35) 안으로 통과한다. 이러한 바이어스 유체흐름은 유체흐름의 편향을 일으키고, 자유 유체분출을, 바이어스 유체가 유체로 향하게 되는 곳으로부터 마주한 유체 공학적인 공동부의 벽에 이것 자체를 붙이게 한다. 방향에 있어서 이러한 변화는 벽으로의 이것의 접근 때문에 유체의 비대칭적인 흡기에 의하여 유체 흐름분출로 일으키게 되는 압력차에 기인한다. 장애가 없을 때, 자유분출은 주위의 가스를 균일하게 실은 것이며, 축선을 중심으로하여 대칭적으로 팽창한다. 그러나, 벽에 인접하여 배치되었을 때, 주위 가스의 실음은 벽의 존재에 의하여 제한받게 된다. 이러한 것은 분출과, 유체흐름을 벽의 방향과 일치하게 밀도록 제공하는 벽 사이에 저압력대를 형성한다. 일반적으로, 유체분출을 가로지르는 압력차는 효율적인 방향 바꿈을 위하여 1psi 또는 그 이상이 될 것이다.

유체의 흐름은 바이어스 유체흐름을 바꾸는 것에 의하여 또다른 방향으로 변환될 수 있게된다. 예를 들면, 수단(60)을 통하여 제공되는 바이어스 유체는 정지될 것이고, 바이어스 유체는 수단(61)을 통하여 제공되게 될 것이다. 이러한 것은 화살표(63)에 의하여 지시된 바와 같은 방향에서 유체가 연소영역(35) 안으로 통과하도록 할 것이다. 적당량의 바이어스 유체가 공급되었을 때, 이는 메인 유체분출과, 이것이 붙게 되는 벽 사이의 진공을 깨뜨리도록 작용하여, 벽에 의하여 생성된 압력 차이를 제거한다. 바이어스 가스의 계속덕인 흐름은 분출의 그 측부상에 약간의 압력상승을 일으키고, 반대편 벽을 향하여 유체를 편향시키게 되어, 앞에서 기술된 방법으로 그 자체를 붙인다.

이러한 방법에서, 연소영역 안으로 흐르는 유체의 흐름방향은 버너 또는 랜스를 조정할 필요없이, 또는 노즐을 교환할 필요없이 바뀌게 될 수 있다. 흐름방향은 바이어스 유체 제공수단과 같은 많은 위치들 사이에서 바뀌게 될 수 있게 된다. 버너 또는 랜스에서, 화살표(62 또는 63)에 의하여 지시되는 방향에서와 같은 유체 공학적인 공동부를 빠져나가는 산화성 물질과 같은 고 속의 유체는 버너를 통하여 연소영역 안으로 제공되는 연료를 효과적으로 실을 수 있거나, 또는 연소영역 안에서 이용할 수 있다. 그러므로, 연료와 산화성 물질은 산화성 물질의 재방향성에도 불구하고 동일한 방향으로 흐를 수 있으며, 적재 동안의 상호 혼합은 안정화된 연소를 발생하도록 할 것이다. 연소는 적절한 점화장치에 의하여 또는 연소영역 안에서 진행하는 연소에 의하여 점화될 수 있게 된다.

유체의 흐름방향을 바꾸는데 유체공학의 사용은 공지되었으나, 지금까지는 버너 또는 랜스의 고속유체의 흐름방향을 바꾸는데 효과적으로 사용되지 않았었다. 어떠한 이론적인 도움을 받을 필요없이, 응용들은 고속유체의 성공적인 방향바꿈이 종래의 유체 공학적인 실시에서보다 상부의 메인 유체흐름 안으로 바이어스 유체의 주입게 기인한다는 것을 확신한다. 종래의 유체 공학적인 실시에 있어서, 바이어스 유체는 유체 공학적인 공동부가 팽창하기 시작하는 지점의 꽤 아래쪽의 메인유체 안으로 통과된다. 본 발명의 실시예에서, 바이어스 유체는 제한된 유동영역과 팽창된 유동영역 사이에 있는 소통지점에서 또는 소통지점의 상부에 있는, 또는 이지점의 하부 작은 거리에 있는 메인 유체흐름 안으로 주입된다. 응용들은, 고속의 메인유체 흐름과 함께, 분출과 공동부 벽 사이의 방사상 거리가 바이어스 유체를 불안정성의 발생없이 또는 많은 양의 바이어스 유체와 같은 유체의 소비없이 방향 바꿈을 일으키도록 할 수 있게 공동부가 팽창하기 시작하는 지점을 매우 간단하게 통과 하도록 너무 크게 된다는 것을 확신한다.

일반적으로 그리고 바람직하게, 메인유체와 바이어스 유체 모두는 가스이다. 일반적으로, 바이어스 유체는 메인유체의 유동율의 0.5 내지 3.0%의 유동율을 가지고 유체 공학적인 공동부안으로 제공되게 될 것이다. 메인 유체의 속도는 아주 높게 되는 한편 여전히 효과적인 변환을 달성한다. 효과적인 변환은 제한된 유동영역을 통한 1700ft/sec의 높은 속도를 가진 메인유체로서 산소로 달성되었었다.

효과적인 방향 바꿈을 달성하기 위하여, 제한된 유동영역과 소통하는 지점으로부터 출구까지의 유체 공학적인 공동부의 팽창된 유동영역의 길이는 필요한 압력차를 달성하는데 충분해야만 된다. 최초의 효과적인 길이가 속도와 형태 인자에 따라서 변화할 동안, 적어도 3D의 유체 공학적인 공동부의 팽창된 유동영역의 길이는 필요한 압력차를 발생시키기에 충분하며, 바람직하게, 이러한 길이는 2.5D 내지 9D의 범위안에 있다. 이러한 길이는 제3b도에서 길이 L로서 정의된다.

본 발명은 유체 공학적인 공동부의 중심축선과 유체 공학적인 공동부의 팽창된 유동영역의 벽에 의하여 만들어진 각도가 10 내지 30°의 범위안에 있을 때 증가된 효율을 가질 것이다. 팽창된 유동영역의 벽은 축선방향 중심선과 함께 하나의 각도 이상을 만드는 표면들을 포함할 때, 상기 언급된 관련 각도는 초기 각이다.

제4a 및 4b도에서, 부호들은 공통의 요소들을 위하여 동일하다. 제4a 및 4b도를 참조하면, 노즐(40)은 입구(46)와 출구(44)를 가지는 유체 공학적인 공동부를 포함한다. 유체 공학적인 공동부는 출구(44)와 소통하는 곡선 표면을 가지는 팽창된 유동영역(41)과, 입구(46)와 소통하는 제한된 유동영역(48)을 포함한다. 출구(44)는 연소영역(45)과 소통하고, 입구(46)는 고속으로 제한된 유동영역을 통해 흐리기 위하여 유체 공학적인 공동부 안으로 메인 유체를 제공하는 유체 제공수단(47)과 소통한다. 제한된 유동영역(48)은 팽창된 유동영역(41)이 팽창하기 시작하는 제한된 유동영역(48)의 하부지점에서 팽창된 유동영역(41)과 소통한다. 유체가 제한된 유동영역(48)으로부터 팽창된 유동영역(41)에 들어감으로써, 고속의 유체는 관성효과에 의하여 벽들 근처에서 낮거나 또는 감압영역을 생성시킨다. 바이어스 유체는 어느 한쪽의 바이어스 유체 제공수단(70 또는 71)을 통하여 유체 공학적인 공동부안으로 제공된다. 제4a 및 4b도에 도시된 실시예에서 볼 수 있는 것처럼, 바이어스 유체는 제한된 유동영역으로부터 팽창된 유동영역으로의 변이에서 유체 공학적인 공동부안으로 제공되는 것에 반하여, 제3a 및 3b도에 도시된 실시예에서는 바이어스 유체가 이러한 변이지점의 상부에서 유체 공학적인 공동부안으로 제공된다. 팽창된 유동영역이 곡선의 표면을 가질 때, 제4a 및 4b도에 도시된 바와 같이, 바이어스 유체 제공 수단은, 팽창된 유동영역의 표면이 유체 공학적인 공동부의 중심선과 5°의 각도를 형성하는 지점에서 유체 공학적인 공동부와 소통한다.

본 발명은 유체 공학적인 공동부를 통과하는 고속유체의 흐름방향을 효과적으로 바꾸도록 변이지점에서, 또는 변이지점의 상부에 있는 감압영역 안으로, 유체 공학적인 공동부의 축방향 중심선에 대체로 직각인 바이어스 유체의 제공을 포함한다. 제한된 유동영역은 감압영역을 발생시키는 유체의 고속을 달성하도록 돕는다. 일반적으로, 바이어스 유체는 제한된 유동영역이 팽창된 유동영역과 소통하는 변이지점에서, 또는 변이지점의 상부에서 유체 공학적인 공동부 안으로 제공될 수 있게 된다. 보다 아래쪽의 지점에 대비되는 것으로서, 이러한 제공지점은 불안정성의 발생없이 고속흐름의 보다 효과적인 흐름방향의 바꿈을 가능하게 한다.

제5a, 5b 및 5c도는 특별한 산소버너에서 사용되는 본 발명의 또다른 실시예를 도시한다. 제5a, 5b 및 제5c도에 있는 부호들은 공통의 요소들을 위하여 동일한다.

버너용 연료는 제5a, 5b 및 5c도에 도시된 노즐의 외측 주위의 동심의 통로(50)를 통하여 제공된다. 제5b도를 참조하면, 노즐의 중앙 통로로부터 공급되는 산소는 메인분출, 다중의 작은 분출 및 환형의 산소와 같은 세 개의 부분들로 분류되다.

메인분출은 필요한 산소흐름의 약 50 내지 95%를, 통상적으로 약 60%를 포함하며, 제한부(51)를 통하여 유체 공학적인 공동부의 팽창된 유동영역(52) 안으로 통과한다. 이러한 분출의 방향은 제5c도에 도시된 바이어스 흐름통로(53)들 중 어느 하나를 통하여 흐르는 바이어스 산소에 의하여 제어된다. 별도의 공급원으로부터 바이어스 통로를 통하여 바이어스 산소가 공급될 때, 메인 산소 분출은 바이어스 흐름통로와 면하여 약 10°의 각도로 테이퍼진 공동부에 붙게 되고, 공동부의 벽을 따라서 노즐 축선으로부터 약 40°의 각으로 노즐을 빠져 나간다. 원추와 곡선 공동부의 결합은 노즐길이들을 짧에 하기 위하여 편향각을 크게 할수 있다. 이러한 기술을 사용하여, 노즐축선으로부터 90°의 각도까지 메인분출의 편향은 달성되었었다.

다중의 산소분출(54)은 필요한 산소흐름의 약 20 내지 50%를, 통상적으로 약 37%를 포함하며, 유체 공학적인 노즐을 에워싸는 연료의 빠르고 완전한 적재를 제공한다. 이러한 것은 버너에 공급되는 연료가 모두 연소되는 것을 보장한다. 유체 공학적으로 제어되는 메인 산소분출이 다중의 분출보다 훨씬 큰 운동량을 가지기 때문에, 이것은 가스의 용적 흐름방향을 결정한다. 따라서, 다중의 분출은 굽게 되고 유체 공학적인 공동부를 경유하여 변환됨으로써 메인 분출의 방향을 따른다.

필요한 산소의 나머지 2 내지 8%, 통상적으로 3%가 통로(56)를 통하여 노즐 주위의 환형공간(55) 안으로 흐르고, 노즐의 단부에서 빠져 나간다. 이러한 작은 산소흐름은 엔더슨의 미합중국 특허 제4,907,961호에 기술된 바와 같은 방법으로 고속의 산소분출을 안정화하도록 작용한다.

다음의 예는 설명의 목적으로 제공되고 제한받으려 하지 않는다.

제5a, 5b 및 5c도에 도시된 유체 공학적인 노즐은 산소/연료 버너에 설치되어 10,000,000Btu/hr의 점화비율로 작동된다. 기술적으로 순수한 산소는 산화성 물질로서 사용되고, 20,000표준ft³/hr의 비율로 공급된다. 이러한 것은 우체 공학적인 공동부의 제한부를 통과하는 유체를 위하여 1700ft/sec의 속도가 뒤따른다. 천연가스는 10,000ft³(표준)/hr의 유동비율로 노즐을 에워싸는 파이프를 통하여 공급된다.

바이어스 유체는 4개의 상이한 바이어스 흐름통로들중 하나를 통하여 100ft³(표준)/hr의 비율로 공급된다. 바이어스 흐름이 없이, 불꽃은 축선방향 위치에서 남아있게 된다. 한 번 바이어스 흐름이 바이어스 통로로 틀러지게 되면, 불꽃은 바이어스 흐름을 공급하는 통로를 면한 버너의 축선으로부터 약 40°의 위치로 편향된다. 바이어스 흐름을 또다른 통로로 다시 향하게 하는 것에 의하여, 불꽃은 그통로를 통하여 공급되는 바이어스 유체에 의존하여 새로운 사분면으로 움직이게 될 수 있었다. 바이어스 유체를 공급하는 통로의 일련의 벨브들을 통하여 버너로 외부 제어된다. 안정된 연소는 모든 흐름방향 바꿈들을 통하여 유지된다. 본 발명은 버너 또는 랜스와 연결하여 사용된 특정 실시예를 참조하여 상세하게 기술되었었다. 당업자는 청구범위의 범위 및 정신안에서 본 발명의 다른 실시예들을 인식할 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 연소영역 안으로 주입되는 고속유체의 흐름방향을 바꾸기 위한 장치로서, (A) 팽창된 유동영역과 하부가 소통되고 상기 소통지점에서의 지름이 D인 제한된 유동영역을 가지는, 유체 공학적인 공동부와; (B) 상기 유체 공학적인 공동부의 축선방향 중심선에 대체로 직각인 방향에서 상기 유체 공학적인 공동부안으로 바이어스 유체를 제공하며, 동일 단위계인 d/D가 0.18 내지 0.75의 범위안에 놓이도록 지름 d를 가지며, 상기 제한된 유동영역과 상기 팽창된 유동영역 사이의 상부 3d/4지점으로부터 하부 d/4 지점까지의 범위안에 있는 지점에서 상기 유체 공학적인 공동부와 소통하는 바이어스 유체 제공수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소영역 안으로 주입되는 고속 유체의 흐름방향을 바꾸기 위한 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 바이어스 유체 제공수단이 다수의 주입지점들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 영역 안으로 주입되는 고속유체의 흐름방향을 바꾸기 위한 장치.
3. 연소영역 안으로 주입되는 고속유체의 흐름방향을 바꾸기 위한 방법으로서, (A) 팽창된 유동영역과 소통하는 제한된 유동영역을 가지는 유체 공학적인 공동부를 통하며, 상기 유체 공학적인 공동부 표면의 일부분에 접한 감압영역을 만들도록 적어도 500ft/sec의 속도로 상기 제한된 유동영역을 통하여 흐르는 메인 유체의 흐름을 제공하는 단계와; (B) 상기 제한된 유동영역과 상기 팽창된 유동영역 사이에 있는 소통 지점의 상부 3d/4로부터 하부 d/4까지의 범위안에 있는 지점에서 상기 제한된 유동영역을 통과하는 상기 메인유체의 흐름방향에 대체로 직각인 방향에서, 상기 감압영역에 있는 상기 유체공학적인 공동부안으로 지름 d인 바이어스 유체흐름을 주입시키는 단계와; (C) 상기 메인유체의 흐름방향을 바꾸는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소영역 안으로 주입되는 고속유체의 흐름방향을 바꾸기 위한 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 메인유체가 산화성 물질인 것을 특징으로 하는 연소영역 안으로 주입되는 고속유체의 흐름방향을 바꾸기 위한 방법.