可变角度喷雾锥喷射的制作方法

背景技术：

1.发明领域

本公开涉及喷射器，且更特定地涉及例如在用于燃气涡轮发动机的燃料喷射器、处理之后的排气、燃料电池重整器和类似者中使用的喷射。

2.现有技术的说明

已知用于喷射或喷雾液体且用于将液体雾化为小液滴的喷雾的多种装置，其例如用于燃气涡轮发动机、燃料电池重整器、喷洒灭火器系统、农业喷雾器、化学处理、油漆喷雾器和其它类似应用。在许多应用中需要在操作期间改变喷嘴或喷射器的喷雾角度。举例来说，在燃气涡轮发动机的启动期间，需要燃料喷嘴具有较广的喷雾角度，以便将燃料流定位成接近点火器，所述点火器通常在周围燃烧器的周边上。在已经起始燃烧之后，可能需要具有较窄的喷雾角度来实现进入燃烧器的更深的喷雾渗透。可使用具有两个级的喷嘴来实现这两个不同的喷雾角度，所述两个级各自具有不同的喷雾角度。产生所述两个级所需的额外组件会需要包络空间并且增加部件数。还有可能通过物理地改变喷嘴几何形状来改变喷雾角度。由于致动组件来改变喷嘴几何形状的复杂性，此方法已经不成为主流。

一般已经认为这些常规的方法和系统是满足它们的既定用途的。然而，本领域中仍然需要改进的喷射。本公开提供这些问题的解决方案。

本发明的概要

一种从喷嘴发出喷雾锥的方法包括将流调节到两个单独的第一和第二流体回路，每个流体回路连接到共同的喷射点孔口，以便随时间改变基本上中空的喷雾锥上的喷雾角度，从而产生完整的喷雾锥。调节可包括控制分别连接到第一和第二流体回路的第一和第二流量调节器，以便协调所述第一和第二流体回路两者的振荡流速调节。控制可包括将所述第一流量调节器的所述振荡流速调节控制成与所述第二流量调节器的所述振荡流速调节异相、反相、相对于所述第二流量调节器的所述振荡流速调节在量值上垂直移位，且/或具有与所述第二流量调节器的所述振荡流速调节相等的振幅。

一种用于喷射流体的喷嘴系统包括喷嘴主体，其界定第一迂回流通道和与所述第一流通道成流体连通的旋涡前室，其中在所述旋涡前室中界定喷射点孔口。所述第一流通道馈给到所述旋涡前室中以便向进入所述旋涡前室的流体赋予切向流分量，从而在从所述喷射点孔口发出的喷雾上产生旋涡。界定与所述旋涡前室成流体连通的第二迂回流通道。所述第二流通道馈给到所述旋涡前室中以便向进入所述旋涡前室的流体赋予切向流分量。

背衬部件与所述喷嘴主体成流体连通。所述背衬部件包括：第一流体进口室，其具有穿过所述背衬部件界定的一个或多个流通路，以用于从所述背衬部件的所述第一流体进口室到所述喷嘴主体的所述第一流通道的流体连通；以及第二流体进口室，其具有穿过所述背衬部件界定的一个或多个流通路，以用于从所述背衬部件的所述第二流体进口室到所述喷嘴主体的所述第二流通道的流体连通，以便通过所述背衬部件的所述第一和第二流体进口室之间的流的分配来改变所述喷射点孔口的喷雾角度。

包括与所述第一流体进口成流体连通的第一流量调节器。包括与所述第二流体进口成流体连通的第二流量调节器。所述第一和第二流量调节器被配置成将振荡流分别发出到所述第一和第二流体进口，以便从所述喷射点孔口发出完整的有效喷雾锥。

控制器可操作地连接到所述第一和第二流量调节器以便协调所述第一和第二流量调节器的振荡流速调节。所述第一流量调节器的所述振荡流速调节例如与所述第二流量调节器的所述振荡流速调节反相。所述第一流量调节器的所述振荡流速调节可相对于所述第二流量调节器的所述振荡流速调节反相在量值上垂直移位。所述第一流量调节器的所述振荡流速调节可具有与所述第二流量调节器的所述振荡流速调节相等的振幅。预期所述第一流量调节器的所述振荡流速调节可与所述第二流量调节器的所述振荡流速调节反相、可相对于所述第二流量调节器的所述振荡流速调节在量值上垂直移位，且可具有与第二流量调节器的所述振荡流速调节相等的振幅。

所述第一和第二流通道的所述流通路可馈给到所述旋涡前室中，以便向进入所述旋涡前室的流体赋予反向旋涡切向流分量。还预期所述第一和第二流通道的所述流通路可馈给到所述旋涡前室中，以便向进入所述旋涡前室的流体赋予联合旋涡切向流分量。所述喷嘴系统可包括额外的旋涡前室，其各自具有单独的喷射点孔口，每个旋涡前室与所述第一和第二流通道成流体连通。

本领域技术人员通过结合图式对优选实施方案的以下详细描述将更容易明白本公开的系统和方法的这些和其它特征。

对图式的简要描述

所以本公开相关的领域中的技术人员将容易理解如何在没有过度实验的情况下制成并使用本公开的装置和方法，本文在下文将参考某些图来详细地描述本公开的优选实施方案，其中：

图1是现有技术喷嘴的分解横截面透视图，其示出分离的喷嘴主体和背衬部件；

图2是根据本公开而构建的喷嘴系统的示例性实施方案的示意性分解横截面透视图，其示出馈给到旋涡前室中的两个单独的流路径，以用于通过所述两个流路径之间的流的分配进行漩涡方向控制；

图3是图2的喷嘴主体的进口端视图，其示出引入旋涡前室中的减少旋涡的流；

图4是示出根据本公开的流量调节技术的示例性实施方案的图表，其示出到图2的喷嘴中的两个流体回路的流量调节，以用于在喷嘴的两个喷雾角度之间形成有效的完整喷雾锥；

图5是来自图2中所示的喷嘴系统的窄喷雾锥的示意性横截面侧面正视图；

图6是图5的喷雾锥的示意性端视图；

图7是来自图2中所示的喷嘴系统的广喷雾锥的示意性横截面侧面正视图；

图8是图7的喷雾锥的示意性端视图；

图9是来自图2中所示的喷嘴系统的完整喷雾锥的示意性横截面侧面正视图，其从图5中的窄喷雾锥延伸到图7中的广喷雾锥；

图10是图9的喷雾锥的示意性端视图；

图11、13和15是具有多点喷雾的实施方案中的图2的喷嘴系统的一部分的示意性侧视图，其分别示出以广、窄和完整喷雾角度发出的喷雾；以及

图12、14和16分别是图11、13和15的喷雾的示意性端视图或横截面图。

对优选实施方案的详细描述

现在将参考图式，其中相同的参考数字识别本公开的类似结构特征或方面。出于阐释和说明且非限制的目的，在图2中示出根据本公开的喷嘴系统的示例性实施方案的局部视图，且大体上通过参考符号200来标示。如将描述，在图3到16中提供根据本公开或其各方面的喷嘴系统的其它实施方案。本文所描述的系统和方法可用于提供具有有效的完整喷雾锥的喷射。

首先参看图1，喷嘴100包括呈板的形式的喷嘴主体102，所述喷嘴主体界定迂回流通道104以及与流通道104成流体连通的旋涡前室106。在旋涡前室106中界定喷射点孔口108。流通道104以偏心的方式将流馈给到旋涡前室106中，以便向进入旋涡前室106的流体赋予切向流分量，从而在从喷射点孔口108发出的喷雾上产生旋涡。背衬部件110安装到喷嘴主体102，例如，喷嘴主体102是前板且背衬部件110是背板，如图1中定向。背衬部件110包括流体进口室112。所述背衬部件还包括穿过背衬部件110而界定的四个流通路114(在图1中示意性地示出其中的两者)，以用于从流体进口室112到喷嘴主体102的流通道104的流体连通。通路114成角度，以便向进入流通道104的流赋予方向，如图1的流通道104中的顺时针流箭头所指示。

通过其中从几何形状中的特征(即，通路114，其可为进入一个或多个单独通路(即，流通道104)中的孔、狭槽或类似者)向液体给予方向性偏差的几何形状将此几何形状一般化。流从流通道104以方向上的偏差馈给到旋涡前室106中，以便向流动到旋涡前室106中的流体赋予旋涡。流在最终离开孔口108之前不断自旋。可使用多个旋涡前室和相应的孔口来用于多点喷射。应注意，出于简单起见，在图1中仅示出一个流体回路，且在下文描述其它流体(例如，燃料/空气)回路。

图1中的配置表示与常规旋流器相比之下的旋流器几何形状上的简化，其转变为简化的结构。不像在传统的旋流器中一样需要错综复杂的旋涡狭槽或类似者。在常规的单点或多点喷射器中，利用非常小的通路向旋涡前室赋予旋涡。在喷嘴100的情况下，通过较大的特征(狭槽、孔等)向流赋予方向，且还以方向性偏差将流引导到旋涡前室106中，所述方向性偏差向流赋予旋涡，而不需要非常小的通路。

现在参看图2，使用多个流通道来馈给旋涡前室允许对喷雾角度进行流体控制。喷嘴系统200具有喷嘴主体202、背衬部件210、流通道204、旋涡前室206、喷射点孔口208、流体进口室212和很像上文关于图1所描述的通路214。另外，喷嘴系统200包括在第一流通道204内侧的第二环形流通道205。喷嘴系统200还包括在第一进口室212内侧的第二流体进口室213。进口室213包括通路215，其可被配置成在流通道205中产生与流通道204中的流联合旋涡或反向漩涡的流。因此，可引导在单独的通路馈给到旋涡前室中时的其中的流的方向，以便辅助旋涡前室206中的旋涡或者弱化旋涡的量，这取决于通路214和215的相应角度。图2到3出于简单起见仅示出一个旋涡前室206和孔口208，然而，如将在下文描述，实际上各自有四个，且可使用任何合适的数目。

现在将参看图3，在其中通路214和215成角度以便在旋涡前室206中产生反向漩涡流的情况下指示流通道204和205中的流方向。在此情况下，两个流通道204和205之间的流分配可用于如下控制从孔口208发出的喷雾角度。如果穿过流通道205分配总的流，其中没有流穿过流通道204，那么将产生基础喷雾角度。如果流被分配成一半的流穿过每个通道204和205，那么将减小旋涡，且喷雾角度将比基础喷雾角度窄。

喷嘴系统200提供可变的旋涡角度能力的优势。在两个或更多通道馈给到旋涡前室中的情况下，如果将方向性几何形状设定成反向漩涡进入旋涡前室中，例如，那么存在对旋涡角的较大可控性程度。举例来说，使进入喷射器的总流速固定(比如100lb/hr或.756kg/s)，如果所有流仅穿过2个通道中的1个，那么将给出离开退出孔口的特定喷雾角度，例如60°。如果流在两个通道之间被均匀地分割，例如对于100lb/hr(.756kg/s)的总喷射器流量，每个通道中是50lb/hr(.38kg/s)，那么由于馈给到旋涡前室中的相反的旋涡方向，将减小离开退出孔口的喷雾角度。可通过控制在通道之间分割的流来完全控制此旋涡角度。

再次参看图2，包括与第一流体进口(例如，流体进口室212)成流体连通的第一流量调节器216。包括与第二流体进口(例如，流体进口室213)成流体连通的第二流量调节器218。通过分配来自来源(例如，岐管220)的流，第一和第二流量调节器216和218可以在背衬部件210的第一和第二流体进口室212和213之间分配流，以便随时间改变从喷射点孔口208发出的喷雾锥的角度。控制器222操作地连接到第一和第二流量调节器216和218以便协调所述第一和第二流量调节器的振荡流速调节。流量调节器216、流体进口室212和流通道204形成第一流体回路，且流量调节器218、流体进口室213和流通道205形成第二流体回路。流量调节器216和218可以各自包括相应的阀和致动器以用于打开和关闭阀。

现在参看图4，以图表示出两个流体回路之间的示例性流体调节技术。实线曲线表示由第一流体回路中的流量调节器216调节的振荡流，其中来自流量调节器216的流速随时间改变。虚线曲线类似地表示由第二流体回路中的流量调节器218调节的振荡流。在控制流量调节器216和218来提供所说明的流速的情况下，从图2的208发出的喷雾锥的喷雾角度随时间从低旋涡、窄锥角(例如，在图4中的两条曲线一起最靠近时)改变或振荡为更高旋涡、更广锥角(例如，在图4中的两条曲线相隔最远时)。在此流量调节方案中，总流速是恒定的。在此实例中，使用图3中的反向旋转配置，然而，在不脱离本公开的范围的情况下可使用任何其它合适的流配置。

在图4中，第一流量调节器216的振荡流速调节与第二流量调节器218的振荡流速调节异相，例如反相。第一流量调节器216的振荡流速调节还相对于第二流量调节器218的振荡流速调节在量值上垂直移位，意味着第一流体回路中的平均流速大于第二流体回路中的平均流速。第一流量调节器216的振荡流速调节具有与第二流量调节器的振荡流速调节相同的振幅。本领域技术人员将容易了解，图4中所示的流量调节方案仅是示例性的，且在不脱离本公开的范围的情况下，可针对给定应用使用任何其它合适的方案。另外，虽然图4中的两种调节具有相同的周期，但本领域技术人员将容易了解，在不脱离本公开的范围的情况下可使用不同的周期。可将此调节方案编程到图2的控制器222中，以便例如使用存储在控制器222中或传输到所述控制器的机器可读指令来控制流量调节器216和218，从而实行流量调节。调节的频率可为任何合适的频率，然而，预期相对高的频率(例如，1000hz)可提供实际上完整的喷雾锥。可使用高速阀和致动器，且可保持在喷嘴自身附近，以便减小流中的容量问题。

可对上文所描述的流量调节进行修改，使得可以针对特定应用来给喷雾定型。举例来说，如果需要均匀的质量分布，那么可对调节的流控制进行偏置，以便在较广角度下花费比窄角度更多的时间。还可以定制型面以便减少热点(例如，在燃烧应用中)，且在燃烧器的出口处给出更好的温度曲线，从而导致增加的引擎寿命。在例如来自控制器222的有效流体控制的情况下，可改变喷雾角度来取代传统主动流体控制中的质量流速，从而使火焰中的不稳定性稳定。

现在参看图5到10，示意性地描绘图4的流量调节方案的效果。图5到6分别示出例如在调节两个流体回路来诱发前室206中的较少旋涡时的窄喷雾锥224的侧视图和端视图。图7到8分别示出例如在调节两个流体回路来诱发前室206中的较多旋涡时的较广喷雾锥224的侧视图和端视图。如可以在图5到6中示意性地看到，喷雾锥224基本上是中空的，而不管其喷雾角度如何。通过使用例如在图4中所描绘的流量调节方案随时间在这两个喷雾角度之间进行调节，可取得图9和10中所描绘的完整锥224以作为时间上的平均喷雾锥。实际上，图9和10中所描绘的喷雾锥是实心的，而不是中空的。本领域技术人员将容易了解，图5到10中所描绘的喷雾锥是示例性的，且在不脱离本公开的范围的情况下可使用任何其它喷雾角度，包括直射喷雾。总之，第一和第二流量调节器216和218被配置成将振荡流分别发出到第一和第二流体进口，以便从喷射点孔口208发出完整的有效喷雾锥224。

图11、13和15点画地描绘图2中所示的喷嘴系统200的喷雾锥角，其中示出所有四个喷射点。此示例性几何形状具有大致12的流数目，其具有四个单独的多点喷射孔口。在喷射点上不存在出口圆锥，因此图11、13和15中的图像示出自然的锥角。图10示出例如在恒定压力(100psi或689kpa)下的可控性程度，喷雾角度可从约55°度一直改变为图13中的约25°的喷雾角度。图11和13示出相同的喷嘴系统200，两者都具有100psi(689kpa)下的总压力。图11示出例如当100％的流仅穿过一个通道时的喷雾，且图13示出当在两个流通道204和205之间大致均匀地分割流时的喷雾。当从单个侧馈给通道(意味着仅通过一个通道204馈给前室)时，在低流速下存在的个别喷射点上可能有轻微歪斜。然而，由于喷嘴系统200是多点设计，所以在个别点全部以相同的方式歪斜的情况下，整体喷射器将不歪斜。在图12中示意性地描绘在其中喷雾锥刚开始汇合的所述锥中的点处垂直于喷嘴的图11的多点喷雾的横截面，其中通过环来近似喷雾锥横截面。图14示出图13的更窄喷雾角度的类似视图。图16示意性地说明图15的完整有效喷雾锥的相同横截面。

从喷嘴发出喷雾锥的方法包括将流调节到两个单独的第一和第二流体回路，每个流体回路连接到共同的喷射点孔口(例如，喷射点孔口208)，以便随时间改变基本上中空的喷雾锥上的喷雾角度，从而产生完整的喷雾锥。调节可包括控制分别连接到第一和第二流体回路的第一和第二流量调节器(例如，流量调节器216和218)，以便协调所述第一和第二流体回路两者的振荡流速调节。控制可包括将第一流量调节器的振荡流速调节控制成与第二流量调节器的振荡流速调节异相、反相、相对于第二流量调节器的振荡流速调节在量值上垂直移位，且/或具有与第二流量调节器的振荡流速调节相等的振幅，如上文所描述。

传统的旋涡型喷射器产生中空锥。然而，通过本文公开的完整的有效喷雾锥提供的雾化液体的实心锥是合意的，原因在于其可在更大区域上分布，因此具有比传统的喷射器和喷嘴更快的蒸发率。在燃料燃烧的示例性背景下，这可提供比传统的喷射技术更分散的火焰。这可导致基本上减少的排放、增加的可操作性，以及更均匀的温度分布，这可提高引擎寿命。

如本文所描述的喷雾角度控制提供用于改进的高级有效燃烧控制的可能性。由于可以流体的方式而不是机械的方式控制喷雾角度，所以与其它有效燃烧控制装置相比，可以实现更快的响应时间。这可以通过在受控的方法中改变喷雾角度来抵消不想要的热声不稳定性(即，轰隆声)来实现，而不需要改变喷射器的总质量流速，而是仅通过调整流通道之间的流分割。另外，由于本文所描述的示例性实施方案的流体控制，所以可有可能找到流体上可控的不稳定性，这也可用于控制不想要的热声不稳定性。

虽然上文在燃料喷射的示例性背景下进行描述，但本领域技术人员将容易了解，可如上文所描述使任何合适的流体成旋涡。举例来说，可将用于使喷嘴系统200中的流体成旋涡的原理类似地用于控制空气。在这些应用中，空气被分割到两个单独的进口室中，所述进口室分别馈给到类似定向的方向性通路中。这允许以流体的方式控制空气流角度，这非常类似于在喷嘴系统200中控制液体喷雾角度的方式。在不脱离本公开的范围的情况下，任何其它示例性喷雾应用可受益于本文所描述的系统和方法，包括(例如)燃料电池重整器或处理之后的排气(因此催化剂可接收流体的均匀分布)、喷洒灭火器系统、农业喷雾器、化学处理、油漆喷雾器和类似者。可使用本文所描述的系统和方法来发出例如燃料、空气、气体、油、油漆、水或任何其它合适的流体等流体。

虽然上文在用于燃气涡轮发动机的燃料喷射的示例性背景下进行示出和描述，但本领域技术人员将容易了解，可使用任何合适的流体，且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，任何其它合适的应用可利用如本文所描述的喷嘴和喷射器。虽然上文在多点喷射的示例性背景下进行描述，但本领域技术人员将容易了解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可使用任何合适数目的喷射点，包括单点喷射。

如上文描述且在图式中示出的本公开的方法和系统实现具有优良特性(包括有效完整的喷雾锥)的注射。虽然已经参考优选实施方案示出并描述了本公开的设备和方法，但本领域技术人员将容易了解，在不脱离本公开的范围的情况下可对其作出改变和/或修改。