高速低壓發射器的製作方法

2023-05-29 09:48:41 1

專利名稱：高速低壓發射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於噴射霧化液體的裝置，該裝置將液體注入氣流中， 液體在該氣流中霧化，並從該裝置噴射出。
背景技術：
諸如共振管之類的裝置用來為各種目的霧化液體。該液體可以是 燃料，例如，該燃料噴射到噴氣發動機或火箭發動機或水中，在滅火 系統中從噴灑頭噴出。共振管使用由氣體射流與空腔之間的振蕩壓力 波的相互作用所產生的聲能，來霧化注入共振管附近區域(在該區域 中有聲能)中的液體。具有已知設計和工作模式的共振管通常不具有在防火應用中所需 要的有效的流體流特徵。來自共振管的流體流的量並不足夠，由霧化 處理產生的水微粒具有相對較低的速度。因此，這些水微粒在噴灑頭 的大約8至16英寸範圍內明顯減速，且不能克服由火產生的升高的燃燒 氣體羽流。因此，水微粒不能到達火源以有效滅火。而且，通過霧化 產生的水微粒的尺寸不能夠降低氣舍量，以在環境溫度低於55。C時滅 火。另外，已知的共振管需要在高壓下供給相對較大氣體量。這產生 不穩定的氣流，該氣流產生顯著的聲能，並與偏轉器表面(該氣體橫 過偏轉器表面運行)分離，從而導致水不能高效霧化。因此顯然需要 這樣一種霧化發射器，該霧化發射器比已知的共振管更高效地工作， 因為該發射器使用更低壓力和更少量的氣體，以便產生足量的霧化水 微粒，該水微粒有更小的尺寸分布，同時在排出時保持足夠動量，這 樣，水;跌粒可以克服火的煙羽，並在滅火時更有效。發明內容本發明涉及一種發射器，用於將夾帶在氣體流中的液體霧化並排 出。該發射器可連接成與該液體的增壓源以及該氣體的增壓源成流體 連通。該發射器包括噴嘴，該噴嘴具有進口和出口，該進口可連接成 與該增壓氣體源流體連通。導管可連接成與該增壓液體源流體連通， 該導管具有出口孔，該出口孔定位成鄰近該出口 。偏轉器表面定位成 面向該出口並與其間隔開，該偏轉器表面具有第一表面部分和第二表 面部分，該第一表面部分定向成基本垂直於該噴嘴，該第二表面部分 定位成鄰近該第一表面部分，並定向成並不垂直於該噴嘴。該液體可 從該孔排出，且該氣體可從該噴嘴出口排出。該液體由該氣體夾帶， 並霧化形成液體-氣體流，該液體-氣體流撞上該偏轉器表面，並流動 離開該偏轉器表面。該發射器構造且工作成這樣，即，在該出口與該 偏轉器表面之間形成第一激波陣面，並且鄰近該偏轉器表面形成第二 激波陣面。該液體在其中一個激波陣面處被夾帶。該噴嘴構造且工作 成形成過度膨脹的氣流射流。本發明還包括一種操作該發射器的方法，該方法包括從該孔排出該液體；從該出口4非出該氣體；在該出口與該偏轉器表面之間形成第一激波陣面；在該偏轉器表面附近形成笫二激波陣面； 將該液體夾帶在該氣體中，以便形成液體-氣體流；以及 將該液體-氣體流從發射器發射。該方法也可包括形成從該發射器的噴嘴出來的過度膨脹的氣流射 流，並在該液體-氣體流中形成多個菱形激波。


圖1是按照本發明的高速低壓發射器的縱剖圖；圖2是表示圖1中所示的發射器的部件的縱剖圖；圖3是表示圖1中所示的發射器的部件的縱剖圖；圖4是表示圖1中所示的發射器的部件的縱剖圖；圖5是表示圖1中所示的發射器的部件的縱剖圖；圖6是表示從發射器發出的流體流的視圖，它基於圖l中所示的發射器在工作時的紋影照相；以及圖7是表示發射器的另 一 實施例的預測流體流的視圖。
具體實施方式
圖1表示了本發明的高速低壓發射器10的縱剖圖。發射器10包括具 有進口 14和出口 16的收斂噴嘴12。對於很多應用來說，出口16的直徑 可以在大約1/8英寸至大約1英寸的範圍內。進口14與增壓氣體供給源 18成流體連通，該增壓氣體供給源18以預定壓力和流量向該噴嘴供給 氣體。優選是，該噴嘴12有彎曲收斂的內表面20，但是其它形狀(例 如線性漸縮表面)也是可行的。偏轉器表面22定位成與噴嘴12間隔開，從而在該偏轉器表面與噴 嘴出口之間形成間隙24。該間隙的尺寸範圍可以在大約1/10英寸至大 約3/4英寸之間。該偏轉器表面22通過一個或多個支腳26而保持與噴嘴 間隔開。優選是，該偏轉器表面22包括平表面部分28,該平表面部分28 與噴嘴出口16基本對準；以及傾斜表面部分30,該傾斜表面部分30與 平表面部分鄰接並環繞該平表面部分。平部分28基本垂直於來自噴嘴 12的氣流，並且其最小直徑大約等於該出口16的直徑。傾斜部分30定 向成與扁平部分成後掠角32。該後掠角的範圍可以在大約15°至大約45° 之間，並且它與間隙24的尺寸一起確定了來自發射器的流體流的分散 型式。偏轉器表面22可以有其它形狀，例如圖2中所示的彎曲上邊緣34和 圖3中所示的彎曲邊緣36。如圖4和5中所示，偏轉器表面22還可以包括 由平部分40和後掠傾斜部分42 (圖4)或彎曲部分44 (圖5)包圍的封 閉端共振管38。該共振腔的直徑和深度可以大約等於出口M的直徑。再參考圖l，環形腔室46包圍噴嘴12。腔室46與增壓液體供給源48 流體連通，該增壓液體供給源48以預定壓力和流量向該腔室提供液體。 多個導管50從腔室46伸出。各導管有出口孔52,該出口孔52定位成靠 近該噴嘴出口 16。該出口孔的直徑在大約l/32英寸和大約l/8英寸之 間。優選是，當沿著徑向線從噴嘴出口16的邊緣至出口孔的最靠近邊 緣測量時，噴嘴出口 16與出口孔52之間的距離範圍在大約l/64英寸至 大約l/8英寸之間。液體(例如用於滅火的水)從增壓供給源48流入腔室46,並流過導管50,從各孔52離開，在該孔52處，由來自增壓氣體 供給源的氣流將該液體霧化，該氣流流過噴嘴12並通過噴嘴出口 16離 開，如下面詳細所述。當發射器10構造成用在滅火系統中時，發射器10設計成在這樣的 條件下進行工作，即，噴嘴進口 14處的優選氣體壓力在大約29psia至 大約60psia之間，以及腔室46中的優選水壓力在大約lpsia與大約 50psia之間。適合的氣體包括氮氣、其它惰性氣體、惰性氣體的混合 物以及惰性氣體與化學活性氣體(例如空氣)的混合物。下面參考圖6介紹發射器10的工作，圖6是基於工作中的發射器的 糹丈影照相(schlieren photography)的視圖。氣體45以大約馬赫數1. 5離開噴嘴出口 16，並撞上該偏轉器表面 22。同時，水47從出口孔524非出。氣體45與偏轉器表面22之間的相互作用在噴嘴出口16與偏轉器表 面22之間形成第一激波陣面(shock front) 54。激波陣面是從超音速 向亞音速的流動轉變區域。離開孔52的水47並不進入該第一激波陣面 54的區fe戈。第二激波陣面56形成於平表面部分28與傾斜表面部分30之間的邊 界處的偏轉器表面附近。從孔52排出的水47由第二激波陣面56附近的 氣體射流45夾帶，^t人而形成液體—氣體流60。 一種夾帶方法是利用該氣 體射流中的壓力與周圍環境之間的壓力差。菱形激波(shock diamond) 58形成於沿傾斜部分30的區域中，該菱形激波被限制在該液體-氣體流 60內，該液體-氣體流60從發射器向外且向下發射。該菱形激波也是超 音速流速與亞音速流速之間的轉變區域，並是由於氣流在離開噴嘴時 過度膨脹而產生。過度膨脹流描述了這樣一種流域，在該流域中，外 部壓力(即，本例中的周圍大氣壓力)高於在該噴嘴處的氣體離開壓 力。這產生斜激波，該斜激波從自由射流邊界49反射，該自由射流邊 界49表示了該液體-氣體流60與周圍大氣之間的界線。該斜激波彼此相 向反射，以形成該菱形激波。在該液體-氣體流60中形成有顯著的剪切力，理想的是，該液體-氣體流60並不與偏轉器表面分離，但是，當出現分離時(如圖所示在 60a處)，該發射器仍然是有效的。在第二激波陣面56附近所夾帶的水 受到這些剪切力，該剪切力是霧化的主要機理。水也遇到該菱形激波58，這是水霧化的次級源。這樣，該發射器10以多種霧化機理而工作，這些霧化機理產生直 徑小於20nm的水微粒62，大部分微粒測量為小於5nm。這些較小的液滴 將浮在空氣中。該特徵允許它們保持接近火源，用於產生更大的滅火 效杲。而且，該微粒保持相當大的向下動量，從而允許該液體-氣體流 60克服由於火而產生的上升燃燒氣體羽流(plume)。測量結果顯示， 該液體-氣體流在離發射器18英寸處具有1200英尺/分鐘的速度，在離 發射器8英尺處具有700英尺/分鐘的速度。觀測到，來自發射器的流體 流撞上其工作所在房間的地板。偏轉器表面22的傾斜部分30的後掠角 32提供了對液體-氣體流60的夾角64的明顯控制。可獲得的夾角為大約 120°。通過調節噴嘴出口16與偏轉器表面之間的間隙24,可以對該流體 流的分散型式進行附加的控制。在發射器工作過程中，還觀察到，在起火過程中積累在房間天花 板處的煙層被吸入到從噴嘴出來的氣流45中，並被帶入流體流60中。 這被加入到了如下面所述的該發射器的多重模式滅火特徵中。由於將水霧化成上述的極小微粒尺寸，該發射器使得溫度降低。這吸收熱量，並有助於減小燃燒的蔓延。氮氣流和夾帶在該氣流中的 水用不能支持燃燒的氣體代替了房間中的氧。此外，成煙層形式的貧 氧(oxygen depleted )氣體被夾帶在該流體流中，這有助於切斷火的 氧源。不過，還觀察到，在部署有發射器的房間中的氧氣水平並不降 低成低於大約16%。水微粒和所夾帶的煙產生霧，該霧阻擋了火的輻射 傳熱，因此減小了通過該傳熱模式的燃燒蔓延。由於極小的水微粒尺 寸導致非常大的表面面積，因此水很容易吸收能量，並形成水汽，該 水汽進一步替代氧，從火中吸收熱量，並幫助保持一個穩定溫度(該 穩定溫度通常與相變相關)。由發射器形成的混合和湍流也幫助降低 火周圍區域中的溫度。該發射器與共振管的區別在於它並不產生明顯的聲能。射流噪音 (由在物體上運動的空氣所產生的聲音)就是發射器僅有的聲音輸出。 該發射器的射流噪音沒有顯著的高於大約6 kHz (已知類型共振管的工 作頻率的一半)的頻率分量，且發射器的射流噪音並不對水的霧化起 顯著作用。而且，該發射器發出的流體流是穩定的，且並不與偏轉器表面分離(或者如在60a處所示那樣的延遲分離)，這與共振管的流體流不同， 共振管的流體流不穩定，且與偏轉器表面分離，從而使得霧化效率低， 或者甚至不能霧化。圖7中表示了另一發射器實施例11。發射器11有導管50,該導管50 朝著噴嘴12傾斜定向。該導管傾斜定向成將水或其它液體47引向氣體 45，以便在第一激波陣面54附近將液體夾帶於氣體中。可以認為，在 產生從發射器ll發射的液體-氣體流60的過程中，該結構又增加另一霧 化區域。按照本發明的發射器工作以產生過度膨脹的氣體射流，多個激波 陣面和菱形激波實現了多級霧化，並且在用於滅火系統時可實現多重 滅火模式，以便應用於控制火的蔓延。
權利要求
1.一種發射器，用於將夾帶在氣體流中的液體霧化並排出，所述發射器可連接成與所述液體的增壓源以及所述氣體的增壓源成流體連通，所述發射器包括噴嘴，該噴嘴具有進口和出口，該進口可連接成與所述增壓氣體源流體連通；導管，該導管可連接成與所述增壓液體源流體連通，所述導管具有出口孔，所述出口孔定位成鄰近所述出口；和偏轉器表面，該偏轉器表面定位成面向所述出口並與所述出口間隔開，所述偏轉器表面具有第一表面部分和第二表面部分，該第一表面部分定向成基本垂直於所述噴嘴，該第二表面部分定位成鄰近所述第一表面部分，並定向成並不垂直於所述噴嘴，所述液體可從所述孔排出，且所述氣體可從所述噴嘴出口排出，所述液體由所述氣體夾帶，並霧化形成液體-氣體流，該液體-氣體流撞上所述偏轉器表面，並流動離開該偏轉器表面。
2. 根據權利要求l所述的發射器，其中，所述噴嘴是收斂噴嘴。
3. 根據權利要求l所述的發射器，其中，所述出口的直徑在大約 1/8英寸和大約1英寸之間。
4. 根據權利要求l所述的發射器，其中，所述孔的直徑在大約1/32 英寸和大約l/8英寸之間。
5. 根據權利要求l所述的發射器，其中，所述偏轉器表面與所迷 出口間隔開的距離在大約l/10英寸和大約3/4英寸之間。
6. 根據權利要求l所述的發射器，其中，所述第一表面部分包括 平表面，所述第二表面部分包括環繞所述平表面的傾斜表面。
7. 根據權利要求6所述的發射器，其中，所述平表面的直徑近似等於所迷出口的直徑。
8. 根據權利要求6所述的發射器，其中，從所述平表面測量時， 所述傾斜表面的後掠角在大約15。和大約45。之間。
9. 根據權利要求l所述的發射器，其中，所述第一表面部分包括 平表面，所迷第二表面包括環繞所述平表面的彎曲表面。
10. 根據權利要求l所述的發射器，其中，所述偏轉器表面包括封 閉端共振腔，該封閉端共振腔具有定位成面對所述出口的開口端。
11. 根據權利要求10所述的發射器，其中，所述第一表面部分環繞所述共振腔。
12. 根據權利要求ll所迷的發射器，其中，所述第二表面部分環 繞所述第一表面部分。
13. 根椐權利要求l所述的發射器，其中，所述出口孔與所述出口 間隔開，該間隔開的距離在大約l/64英寸和l/8英寸之間。
14. 根據權利要求l所述的發射器，其中，所述噴嘴適合於在大約 29psia和大約60psia之間的氣體壓力範圍內工作。
15. 根據權利要求l所述的發射器，其中，所述導管適合於在大約 1 ps ia和大約5Ops ia之間的液體壓力範圍內工作。
16. —種發射器，用於將夾帶在氣體流中的液體霧化並排出，所 述發射器可連接成與所述液體的增壓源以及所述氣體的增壓源成流體 連通，所迷發射器包括噴嘴，該噴嘴具有進口和出口，該進口可連接成與所述增壓氣體 源流體連通；導管，該導管可連接成與所述增壓液體源流體連通，所述導管具 有出口孔，所迷出口孔定位成鄰近所述出口 ；以及偏轉器表面，該偏轉器表面定位成面對所述出口並與所述出口間 隔開，所述偏轉器表面定位成這樣，即，對於供給至所述發射器並從 所述噴嘴出口排出的、具有預定壓力的所述氣體，在所述出口與所述 偏轉器表面之間形成第一激波陣面，並且鄰近所述偏轉器表面形成第 二激波陣面。
17. 根據權利要求16所述的發射器，其中，所述導管定位且定向 成使得從所述孔排出的所述液體在所迷激波陣面之一附近由所述氣體 夾帶。
18. 根據權利要求17所述的發射器，其中，所述偏轉器表面定位 成使得在所述液體-氣體流中形成菱形激波。
19. 根椐權利要求17所述的發射器，其中，所述孔相對於所述出 口定位成使得所述液體在所述第二激波陣面附近由所述氣體夾帶。
20. 根據權利要求17所述的發射器，其中，所述孔相對於所述出口定位成使得所述液體在所述第一激波陣面附近由所述氣體夾帶。
21. 根據權利要求16所述的發射器，還包括所述噴嘴的尺寸設置成這樣，即，對於所迷進口處的預定氣體壓力，產生從所述噴嘴出 來的過度膨脹氣流射流。
22. 根據權利要求16所述的發射器，還包括所述噴嘴的尺寸設 置成使得所述氣流射流不產生除氣體射流噪音之外的顯著噪音。
23. 根椐權利要求16所述的發射器，其中，所述偏轉器表面包括 平表面部分和傾斜表面部分，該平表面部分定向成基本垂直於所述出 口，該傾斜表面部分環繞所述平表面部分，所述傾斜表面部分確定來 自所述發射器的流體流型式的夾角。
24. —種操作發射器的方法，所述發射器包括噴嘴，該噴嘴具有進口和出口，該進口可連接成與增壓氣體源流 體連通；導管，該導管可連接成與增壓液體源流體連通，所述導管具有出 口孔，所述出口孔定位成鄰近所迷出口 ；偏轉器表面，該偏轉器表面定位成面對所述出口並與該出口間隔開；所述方法包括 從所迷孔排出所述液體； 從所述出口排出所迷氣體；在所述出口與所述偏轉器表面之間形成第一激波陣面； 在所述偏轉器表面附近形成第二激波陣面； 將所述液體夾帶在所述氣體中，以便形成液體-氣體流；以及 將所述液體-氣體流從所述發射器發射。
25. 根據權利要求24所述的方法，包括在來自所述發射器的所 述液體-氣體流中形成多個菱形激波。
26. 根椐權利要求24所述的方法，包括形成從所述噴嘴出來的過度膨脹的氣流射流。
27. 根據權利要求24所述的方法，包括在大約29psia和大約 60psia之間的壓力下將氣體供給至所述進口 。
28. 才艮據權利要求24所述的方法，包括在大約lpsia和大約50psia 之間的壓力下將液體供給至所述導管。
29. 根據權利要求24所述的方法，還包括在所述第二激波陣面 附近由所述氣體夾帶所述液體。
30. 根據權利要求24所述的方法，還包括在所述第一激波陣面 附近由所迷氣體夾帶所述液體。
31. 根據權利要求24所述的方法，其中，所述液體-氣體流並不與 所述偏轉器表面分離。
32. 根據權利要求24所迷的方法，還包括除氣體射流噪音外， 所述發射器不形成顯著噪音。
33. 根據權利要求32所述的方法，其中，所述氣體射流噪音的頻 率分量不大於大約6kHz。
34. 根據權利要求24所述的方法，還包括在所述氣流射流中產 生動量。
35. 根據權利要求34所述的方法，其中，在離所述發射器大約18 英寸距離處，所述液體-氣體流的速度為大約1200英尺/分鐘。
36. 根據權利要求35所述的方法，其中，在離所述發射器大約8英 尺距離處，所述液體-氣體流的速度為大約700英尺/分鐘。
37. 根據權利要求24所述的方法，還包括通過提供所述偏轉器 表面的傾斜部分而形成來自所述發射器的、具有預定夾角的流體流型 式。
38. 根據權利要求24所述的方法，包括利用所述氣流射流中的 壓力與周圍環境之間的壓力差來將液體吸入所迷氣流射流中。
39. 根椐權利要求24所述的方法，包括將所述液體夾帶至所述 氣流射流中，並將所述液體霧化成直徑小於20nm的液滴。
40. 根據權利要求24所述的方法，包括將貧氧煙層吸入所述氣 流射流中，並用所述發射器的所迷液體-氣體流來夾帶所述煙層。
41. 根據權利要求24所迷的方法，包括從所迷出口排出惰性氣體。
42. 根據權利要求24所述的方法，包括從所述出口排出惰性氣 體與化學活性氣體的混合物。
43. 根據權利要求42所述的方法，其中，所述氣體混合物包括空
44. 一種操作發射器的方法，所述發射器包括噴嘴，該噴嘴具有進口和出口，該進口可連接成與增壓氣體源流 體連通；導管，該導管可連接成與增壓液體源流體連通，所述導管具有出口孑L，所述出口孔定位成鄰近所述出口 ；偏轉器表面，該偏轉器表面定位成面對所述出口並與該出口間隔開；所述方法包括 從所述孔排出所述液體；從所述出口排出所述氣體，從而形成出自所述噴嘴的過度膨脹氣 流射流；將所述液體夾帶在所述氣體中，以便形成液體-氣體流；以及 將所述液體-氣體流從所述發射器發射。
45. 根據權利要求44所述的方法，還包括 在所述出口與所述偏轉器表面之間形成第一激波陣面； 在所述偏轉器表面附近形成第二激波陣面；在所述第一和第二激波陣面中的一個附近將所述液體夾帶在所述 氣體中。
46. 根據權利要求44所述的方法，還包括在來自所述發射器的 所述液體-氣體流中形成多個菱形激波。
全文摘要
這裡公開了一種發射器，用於將夾帶在氣體流中的液體霧化並排出。該發射器具有噴嘴，該噴嘴的出口面對偏轉器表面。該噴嘴朝著該偏轉器表面排出氣體射流。該發射器具有導管，該導管的出口孔鄰近該噴嘴出口。從該孔排出液體，並夾帶在氣體射流中，該液體在該氣流射流中霧化。還公開了一種操作該發射器的方法。該方法包括在出口與偏轉器表面之間形成第一激波陣面，在偏轉器表面附近形成第二激波陣面，並且在從該發射器排出的液體-氣體流中形成多個菱形激波。
文檔編號A62C5/02GK101247859SQ200680028765
公開日2008年8月20日 申請日期2006年6月13日 優先權日2005年6月13日
發明者R·J·巴拉德, S·R·伊德, W·J·雷利 申請人:維克託裡克公司