[发明专利]喷嘴和混合流体流的方法

说明书

一种喷嘴组件，包括内管和外壳。内管终止于出口端并且限定第一流动通道。第一流动通道在主流动方向将第一流体流引导至出口端。外壳包括管状侧壁和端壁。管状侧壁限定中心轴。端壁限定出口孔和内部引导结构。出口端与出口孔轴向对齐。在内管和外壳之间建立第二流动通道。内部引导结构相对于出口端配置并布置成沿最初与主流动方向相反的方向将至少一部分第二流体流从第二流动通道引导至出口端，以产生混合的流体流。

背景技术

喷嘴，如雾化器喷嘴，有时会用于雾化液体流。雾化的液体流(Atomized liquidflows)(例如，有时也称为雾化液体流(aerosolized liquid flows)，例如喷雾剂)包括散布在气体(例如空气)中的液体的液滴。例如，通过将气体流引导入液体流来产生液滴从而将液体流雾化。在某些示例中，液态燃料可以被雾化以用于燃气轮机燃烧器、锅炉等。在其他示例中，液体，例如油漆或其他涂料，可以被雾化用于喷涂应用，例如油漆涂装。液体农药、除草剂等等可以被雾化，例如用于喷洒。

作为另一示例，内燃机在燃烧之前依靠液态燃料的快速雾化。一般而言，液体喷雾的雾化取决于其流体性质、密度、粘度和表面张力以及由输送装置产生的惯力。常见的与燃气涡轮发动机等一起使用的空气辅助雾化器喷嘴结构(例如，当空气沿着液体流离开喷嘴喷射时)非常适合于石油燃料的快速雾化。然而，空气辅助雾化器喷嘴结构不太能够充分雾化一些替代燃料源，例如生物质基纯净油(生物原油)等等，很大程度上归因于生物原油成分的粘度显著较高(与柴油和其他石油燃料的粘度相比)。例如，豆油在密度和表面张力方面与柴油类似，豆油的粘度是柴油的25倍。由于这种高粘度和低可燃性，直植物油在压缩发动机中引起操作和耐久性问题已显现出来。采用常规空气辅助雾化器喷嘴结构，这种增加的粘度的动态效应会有效减少喷射流离开喷嘴时的雷诺数，从而抑制液体射流破裂并导致雾化水平不足。

美国专利No.8,201,351(Ganan Calvo)描述了一种替代的雾化喷嘴构造，并且其称为分散流(Flow-blurring)雾化。通过在喷嘴的出口区域之内和之外使雾化气流分叉来形成分散流。据信高粘度燃料的分散流雾化是可能的。然而，分散流机制的开始可能取决于喷嘴部件的特定几何关系，并且可能无法提供选择性改变雾化液体性质的能力。

鉴于以上所述，需要能够雾化高粘度液体的喷嘴，例如生物原油以及其他流体混合应用(例如液体-气体混合或系统，气体-气体系统或液体-液体系统)。

发明内容

本发明的一些方面描述了一种喷嘴组件。该组件包括内管和外壳。内管终止于出口端并且限定第一流动通道。第一流动通道通向出口端，用于沿主流动方向将第一流体流引导至出口端。外壳包括管状侧壁和端壁。管状侧壁限定中心轴；在一些实施例中，管状侧壁和内管同轴布置并且共同限定中心轴。端壁限定出口孔和内部第二流体流动引导结构；在一些实施例中，端壁设置了限定出口孔的中央定位开口。内管组装到外壳，使得出口端轴向对齐出口孔(例如，内管的一部分安装在外壳内)。此外，内管的一部分，包括出口端，径向位于管状侧壁内，从而在内管和外壳之间建立第二流动通道。内部引导结构相对于出口端配置并布置成沿最初与主流动方向相反的方向将至少一部分第二流体流从第二流动通道引导至出口端，以产生流体混合流，例如雾化液体流。在一些实施例中，喷嘴组件配置为使得出口端和端壁之间的轴向距离是可调节的。在其他实施例中，内部引导结构包括引导表面和引导柱。引导柱沿内管的方向从引导表面突出，并且限定流体通向出口孔的内腔；根据内腔相对于内管的第一流动通道的空间关系，沿着引导柱将第二流体流朝向内管的出口端引导。