具有不同幾何形狀的噴嘴的吹灰器噴嘴組件的制作方法

專利名稱：具有不同幾何形狀的噴嘴的吹灰器噴嘴組件的制作方法
技術領域：
本發明基本上涉及用于清洗大型燃燒裝置的內部表面的吹灰裝置。更加具體地，本發明涉及具有增強的清洗性能的用于吹灰器吹灰管的噴嘴的新結構。
背景技術：
吹灰器用于面向大型燃燒裝置，比如通用鍋爐和處理恢復鍋爐的熱交換器表面來射出吹風介質流，比如蒸汽、空氣或水。在操作中，燃燒產品造成爐渣和灰燼硬殼形成于熱交換器表面上，降低了系統的熱性能。吹灰器周期性地操作以清洗表面來恢復期望的操作特性。通常，吹灰器包括一個吹灰管，其與吹風介質的壓力源相連。吹灰器還包括至少一個噴嘴，吹風介質以流動或噴射狀態從噴嘴排出。在一個縮回吹灰器中，隨著吹風介質從噴嘴排出，吹灰管周期性地前進到鍋爐內部并從之縮回。在一個固定吹灰器中，吹灰管固定在鍋爐內的某一位置，但是在吹風介質從噴嘴排出的同時其可以周期性地旋轉。在任一類型中，排出的吹風介質對積聚在熱交換器表面上的沉積物的沖擊將沉積物移除。基本上公開了吹灰器的美國專利包括有US3439376；3585673；3782336；4422882，這些專利在此結合以供參考。
典型的吹灰器吹灰管包括至少兩個噴嘴，它們典型地沿直徑取向，以在彼此180°的方向上排出流體流。這些噴嘴可以直接相對，也就是在沿著吹灰管的同一縱向位置或者彼此縱向分離。在后一種情況下，更靠近吹灰管遠端的噴嘴被典型地稱為下游噴嘴。沿縱向距遠端最遠的噴嘴一般被稱為上游噴嘴。噴嘴通常但不總是定位成它們的中間通道垂直于吹灰管的縱向軸線且與之相交，并且定位在吹灰管的遠端附近。
多種清洗介質被用于吹灰器。蒸汽是通常使用的。通過清洗介質的沖擊造成的機械和熱沖擊的結合來清洗燃燒裝置的內表面內的爐渣和灰燼硬殼。為了將這種效果最大化，吹灰管和噴嘴被設計用來產生在被清洗表面上具有高峰值沖擊壓力的清洗介質的相干流。噴嘴性能通常通過測量沖擊位于距噴嘴給定距離處的噴嘴的中心線的交點處的一個表面的動壓來量化。為了將清洗效果最大化，通常優選地是隨著其排出噴嘴，可壓縮的吹風介質流被完全膨脹。完全膨脹指的是這種情況，其中排出噴嘴的流體流的靜壓接近鍋爐內的環境壓力。噴射經過噴嘴時承受的膨脹程度部分地依賴于喉部直徑、噴嘴內的膨脹區的長度以及膨脹角度。
用于可壓縮流體，比如空氣或蒸汽的經典超聲噴嘴設計理論需要噴嘴具有經常被稱為喉部的最小的流動截面面積，接著是一個膨脹的截面面積(膨脹區)，這個膨脹區允許隨著流體經過噴嘴而其壓力減少，并且加速流動到速度高于聲速。多種噴嘴結構已經設計出來以優化流體流或噴射隨著其排出噴嘴的膨脹。限制吹灰器噴嘴可以具有的實際長度是一種需要，因為吹灰組件必須經過在鍋爐外壁中的一個小開口，被稱為壁盒。對于長的縮回吹灰器，吹灰管典型地具有大約3到5英寸的直徑。用于這種吹灰管的噴嘴不能延伸超過吹灰管的外圓柱表面很長距離。在兩個噴嘴在直徑上相對置的應用中，強調了對噴嘴長度延伸的嚴格限制，以避免在噴嘴之間的直接物理干涉或者避免有流體進入噴嘴入口發生無法接受的限制。
在允許較長的吹灰器噴嘴的努力中，吹灰器吹灰管的噴嘴經常縱向移動。盡管這種結構基本上增強了性能，然而已經發現上游噴嘴展現了比下游噴嘴更好的性能。因此，在噴嘴之間導致了不期望的清洗效果的差別。

發明內容
根據本發明，提出了噴嘴結構上的改進，用于使上游和下游噴嘴的性能最佳化。
簡言之，本發明的第一實施例包括設置在一噴嘴段主體上的一個下游噴嘴，以及相對于所述下游噴嘴的沿縱向設置在距下游噴嘴的遠端更遠的位置的一個上游噴嘴。所述上游噴嘴的幾何形狀與所述下游噴嘴的幾何形狀不同。通過具有不同幾何形狀的噴嘴，每個噴嘴能夠單獨地被最優化用于每個噴嘴所經歷的流動條件。因此，經過每個噴嘴的流動膨脹可以被最優化用于每個噴嘴經歷的流動條件。
在多種結構中，每個噴嘴的幾何形狀可以通過一個或多個參數限定，比如膨脹區的膨脹長度、出口端的出口面積或直徑、以及喉部面積或直徑。在一些結構中，下游噴嘴的膨脹長度不同于上游噴嘴的膨脹長度。在特殊實施例中，下游噴嘴的出口面積對喉部面積的比率不同于上游噴嘴的出口面積對喉部面積的比率。一個噴嘴的膨脹長度對出口直徑的比率可以不同于其它噴嘴的膨脹長度對出口直徑的比率。而且，下游噴嘴的膨脹長度對喉部直徑的比率可以不同于上游噴嘴的膨脹長度對喉部直徑的比率。


本發明的進一步的特征和優點將通過下面的討論和附圖而變得清楚，其中圖1是一個長的縮回吹灰器的示意圖，示出了可以與本發明的噴嘴裝置結合的一種吹灰器。
圖2是根據現有技術的吹灰器噴嘴段的截面圖。
圖2A是與圖2相似的截面圖，但是示出了噴嘴頭的作為選擇的停滯區。
圖3是結合了根據本發明第一實施例的結構的吹灰管噴嘴段的透視圖。
圖4是根據如圖3所示的本發明的第一實施例的吹灰管噴嘴段的截面前視圖。
圖5是根據本發明的另一個實施例的吹灰管噴嘴段的截面視圖，該噴嘴段具有相對于吹灰管縱軸線是彎曲的上游噴嘴。
圖6A和6B是根據本發明的再一個實施例的吹灰管噴嘴段的截面視圖。
圖7描繪了將圖6A和6B的吹灰管的總壓力損失與噴嘴長度相聯系的一個特征曲線。
圖8描繪了將噴嘴中心線處的總壓力與同噴嘴的長度相關的沿著同一徑向平面內的噴嘴壁的總壓力相比較的一個特征曲線。
圖9描繪了將圖7和圖8的特征曲線的結合，用以確定噴嘴的最佳結構。
具體實施例方式
后面的優選實施例描述實質上僅僅是示例性的，決不是用于限制本發明或者限制本發明的應用或使用。
在圖1中示出了代表性的吹灰器，并且總體上由參考標號10表示。吹灰器10主要包括殼體組件12、吹灰管14、進給管16和支架18。吹灰器10示出了其正常的縮回靜止位置。在致動時，吹灰管14延伸進入一個燃燒系統并且從中縮回，比如一個鍋爐(未示出)，并且可以同時旋轉。
殼體組件12包括一個基本上矩形的殼體盒20，該殼體盒形成用于整個單元的外殼。支架18沿著設置在殼體盒20相對側上的兩對引導軌道，軌道包括一對下軌道(未示出)和一對上軌道22。一對有齒架(未示出)剛性連接于上軌道22并且能夠使支架18縱向移動。殼體組件12支撐于一個壁盒(未示出)，該壁盒固定在鍋爐壁上或者其他安裝結構上，并且被后支撐架24進一步支撐。
支架18驅動吹灰管14進出鍋爐并且包括驅動馬達26和被機架30封閉的齒輪箱28。支架18驅動與有齒架嚙合的一對小齒輪32以使支架和吹灰管14前進。支撐輥34嚙合導軌以支撐支架18。
進給管16連接于后支架36的一端并且傳導清洗介質流，該介質流通過提升閥38的作用來控制。提升閥38通過與支架18嚙合的聯桿40致動，以在吹灰管14延伸的情況下開始清洗介質的排出，并且一旦吹灰管和支架返回到靜止的縮回位置就切斷流體流，如圖1所示。吹灰管14包覆配合進給管16，并且它們之間的流體密封由墊圈提供(未示出)。像空氣或蒸汽那樣的吹灰介質流入吹灰管14內且通過一個或多個安裝在噴嘴段52的噴嘴50排出，該噴嘴具有一遠端51。遠端51被一個半球壁53閉合。噴嘴段52可以例如通過焊接與吹灰管14相連，或者噴嘴段可以限定為吹灰管的端部。噴嘴50可以焊接在組件52內鉆出的孔中，或者噴嘴可以被切割成噴嘴段，使得噴嘴和組件是單一件。
盤卷彈性電纜42將電能傳導給驅動馬達26。前支撐架44在吹灰管縱向和旋轉運動期間支撐吹灰管14。對于長度很長的吹灰管，可以具有一個中間支撐46以防止吹灰管的過度彎曲偏移。
現在參考圖2，提供了根據現有技術的噴嘴段52的更詳細的視圖。如圖所示，噴嘴段52包括在直徑上相對設置的一對噴嘴50A和50B。噴嘴50A和50B從遠端51偏移，噴嘴50B被稱為下游噴嘴(靠近遠端51)，并且噴嘴50A被稱為上游噴嘴(遠離遠端51)。
清洗介質，典型的為在大約150磅/平方英尺(psi)或更高壓力下的蒸汽，在如箭頭21所指方向上流入噴嘴段52內。清洗介質的一部分進入并且從上游噴嘴50A排出，如箭頭23所指。箭頭25所指的介質流的一部分經過噴嘴50A且繼續向著下游噴嘴50B流動。介質流的一部分直接排出噴嘴50B，如箭頭27所指。如上面所述，與上游噴嘴50A相比，下游噴嘴50B典型地表現了較低的性能。這是由于箭頭29所指的經過上游噴嘴50A和下游噴嘴50B的清洗介質流在吹灰管14的遠端51達到完全停止(停滯)，因此在下游噴嘴50B之上的遠端51處產生了一個停滯區31。因此，箭頭33所指的清洗介質不得不再加速，回流且與進入的介質流27混合。箭頭27所指的向前流和箭頭33所指的向后流的混合導致由于在噴嘴入口的液壓損失而能量損失，并且還導致介質流分布不均。在現有技術的結構中，與在遠端的停滯情況相關的能量損失以及在噴嘴入口的液壓損失，以及入口流輪廓的變形被認為是對下游噴嘴的較低性能負有責任。
如前面提到的，與噴嘴50A相比下游噴嘴50B的相對較低的性能具有多種解釋。這些發明人已經發現通過使用不同幾何尺寸的上游和下游噴嘴能夠增強噴嘴的性能。
設計像噴嘴50A和50B那樣的有效的收斂擴散拉瓦爾噴嘴的一個關鍵參數是喉部對出口面積比率(Ae/At)。具有理想喉部對出口面積比率的噴嘴將在噴嘴出口平面獲得均勻的完全膨脹的介質流。在擴散部分加速的氣體量通過下面的方程給出，為了簡化計算，將清洗介質流的特征描述為一維的。
AeAt=1Me[(2γ+1)(1+γ-12Me2)](γ+1)2(γ-1)---(1)]]>其中，Ae＝噴嘴出口面積At＝喉部面積，也等于理想聲速平面的面積方程(1)中的出口馬赫數Me通過理想氣體的連續方程以及等熵關系與喉部對出口面積比率相關(參見Michael A.Saad，“可壓縮流體流動”，Prentice Hall出版社，第二版，98頁)。
出口馬赫數Me還通過下面的能量關系與出口壓力相關Pe=Po[1+γ-12Me2]γ1-γ---(2)]]>其中，γ＝清洗流體的比熱比。對于空氣γ＝1.4，對于蒸汽γ＝1.329Pe＝噴嘴出口靜壓，磅/平方英寸Po＝總壓力，磅/平方英寸Me＝噴嘴出口馬赫數從方程(1)和(2)，噴嘴出口壓力Pe可以與喉部對出口面積比率直接相關。因此，對于給定的清洗壓力，通過喉部對出口面積比率的適當選擇可以獲得近似大氣的噴嘴出口壓力。
在方程(1)中，馬赫數與喉部對出口面積比率之間的關系是建立在這樣一種假設的基礎上，即，流體在收斂發散噴嘴的最小橫截面面積的平面達到聲速，也就是在名義上的喉部達到聲速。然而，實際上，特別是在吹灰器應用中，流體在喉部沒有達到聲速，并且在同一平面上也不均勻。實際的聲速平面通常從喉部進一步向下游串連(skewer)，并且其形狀變得更加不一致和變成三維。
聲速平面的扭曲主要是由于流體不均勻地分配進噴嘴入口截面。在吹灰器應用中，如圖2中對于噴嘴50A的箭頭23和對于噴嘴50B的箭頭33和27所示，清洗流體偏離其中心軸線90°到達噴嘴。通過這種結構，進入噴嘴的流動趨向于(favor)噴嘴入口截面的下游一半，因為進入角度不很陡峭。
聲速平面的扭曲和紊亂因此影響了在擴散部分的清洗流體的膨脹，并且導致出口壓力和馬赫數的不均勻分布。這些發現與對現有的一個傳統吹灰器噴嘴的測量和預測的出口靜壓一致。
為了說明聲速平面中的變動，出口的實際馬赫數可以如下與理想的喉部對出口面積相關AeAt·AtAt_a=1Me_a[(2γ+1)(1+γ-12Me_a2)](γ+1)2(γ-1)---(3)]]>其中，At_a＝實際聲速平面的有效面積Me_a＝在噴嘴出口的實際馬赫數的平均值出口馬赫數以及靜壓的不均勻分布的程度分別在吹灰器的上游和下游噴嘴50A和50B之間變化。看起來下游噴嘴50B比上游噴嘴50A展示出更多的不均勻出口條件，這被認為是造成其相對較差性能的一部分原因。
下游噴嘴50B相對于遠端51的位置不僅造成很大的液壓損失，而且還進一步造成輸入蒸汽流與噴嘴入口的不對齊。再次，在噴嘴入口的較大的流體的不均勻分布將轉化成聲速平面的更大的變動和扭曲以及因此更差的性能。對于現有技術結構，與上游噴嘴50A相比，下游噴嘴50B的比率(At/At_a)更小。
在設計更有效的吹灰器噴嘴的時候，需要將理想的和實際的面積比率(At/At_a)保持更接近統一。已經提出了一些方法來完成這個目標。對于上游噴嘴，“At/At_a”比率部分地受圖2A中所示的尺寸“X”和“α”影響，(At/At_a)＝f(α，X)。尺寸X表示噴嘴50A和50B之間的縱向間距。
較小的間距X將造成入口蒸汽流27變得與上游噴嘴軸線更加不對齊。舉個例子，具有五英寸間距X的噴嘴段比具有四英寸間距X的噴嘴具有相對更好的性能。
在間距X越大越有益的同時，由于機械原因在大多數吹灰器應用中期望保持X最小。在這種情況下，應該應用一個最適宜的間距X，這個間距應該將流動擾動最小化并且還滿足機械要求。而且，減小圖2A所示的流體流的進入角(α)將減少在噴嘴入口的流動分布不均，并且潛在地減少進口損失。間距X還必須根據吹灰管14的前進的螺距來選擇，因為優選的是每個噴嘴的噴射不撞擊同樣的表面。
對于下游噴嘴50B，“At/At_a”比率部分地受圖2A中所示的尺寸“Y”影響，(At/At_a)＝f(Y)。尺寸Y限定為遠端51的內表面和下游噴嘴50B的入口軸線之間的縱向間距。
再參考圖2A，遠端平面相對于下游噴嘴50B的位置影響進入噴嘴的流體流的對齊并且造成更大的流動分布不均。舉個例子，Y1(代表了現有技術)是噴嘴中心軸線和吹灰管的遠端51之間的最小的有利距離。具有這種結構，噴嘴性能相對較差。Y2是在表示為51’的修改的遠端表面的基礎上的改進的距離。在Y2的情況下，清洗流體25不流經下游噴嘴50B，因此消除了由箭頭29和33表示的流動停滯。相反流動被有效地引導到噴嘴入口。因此，如圖2A所示，如果尺寸Y假設在沿著噴嘴段52的縱向軸線的左手方向上是正的，那么在負的Y方向上就不會有任何清洗介質的充分流動。而且，如果噴嘴50B的限定一Z軸線的縱向軸線(以虛線示出)假設在從噴嘴的排出方向上是正的，那么進一步的事實就是一旦沿著噴嘴段52到達流體首先開始進入下游噴嘴50B的縱向點，就完全不會有任何具有負的Z分量的速度向量。通過這種方式，在噴嘴入口的液壓和能量損失被最小化，從而改善了下游噴嘴50B的性能。而且，通過這種改善，清洗流體更加均勻地進入下游噴嘴50B，因此將聲速平面的扭曲最小化，這接著又增強了流體膨脹以及總壓力向動能的轉化。Y的最適宜的值是大致等于Y2，這個值是下游噴嘴50B的入口端的直徑的一半。
另一方面，對51”提供一個遠端內表面的形狀是沒有益處的。在這種結構中，入流面積被減少，并且流體流相對于噴嘴中心軸線被進一步不對齊(進入角度ε被增加)，這將導致流動分離和對聲速平面的更大的扭曲。
現在參考圖3和圖4，示出了根據本發明的第一實施例的教導的一個吹灰管噴嘴段102。吹灰管噴嘴段102包括具有一外表面105的一個中空的內部主體或增壓空間104。吹灰管噴嘴段的遠端總體上以參考標號106表示。吹灰管噴嘴段包括徑向設置且縱向間距的兩個噴嘴108和110。優選地，吹灰管噴嘴段102以及噴嘴108和110形成一個一體件。作為選擇，將噴嘴焊接在噴嘴段102內也是可能的。
圖4詳細示出了噴嘴108和110。如圖所示，噴嘴108設置在吹灰管噴嘴段102的遠端106，并且一般地認為是下游噴嘴。縱向遠離遠端106設置的噴嘴110一般地認為是上游噴嘴。
所示的上游噴嘴110是已知的拉瓦爾結構的典型的收斂擴散噴嘴。特別的，上游噴嘴110限定與吹灰管噴嘴段102的內部主體104連通的一個入口端112。噴嘴110還限定一個出口端114，清洗介質通過該出口端被排出。收斂壁116和擴散壁118形成喉部120。噴嘴110的排出的中心軸線122基本上垂直于吹灰管噴嘴段102的縱向軸線125。然而，還有可能是排出的中心軸線122在大約70度(70°)的角度到基本上垂直于所述縱向軸線的角度之間取向。噴嘴110的擴散壁118限定從排出的中心軸線122測量的一個擴散角1。噴嘴110進一步限定一個膨脹區域124，該膨脹區域具有在喉部120和出口端114之間的一個長度L1。
下游噴嘴108也包括圍繞軸線136形成的一個入口端126和一個出口端128。不進入上游噴嘴110的清洗介質的一部分在入口端126進入下游噴嘴108。清洗介質進入入口端126并且通過出口端128排出噴嘴108。收斂壁130和擴散壁132限定下游噴嘴108的喉部134。喉部134的平面基本上平行于噴嘴段的縱向軸線125。下游噴嘴108的擴散壁132是直的，也就是形狀為圓錐形，但是其他形狀也可以使用。噴嘴108的中心軸線136在大約70度(70°)的角度到基本上垂直于吹灰管噴嘴段102縱向軸線125的角度之間取向。噴嘴108限定從排出的中心軸線136測量的一個擴散角2。在喉部134和出口端128之間限定一個膨脹區域138，該膨脹區域具有一個長度L2。
因為噴嘴的性能部分地依賴于通過噴嘴排出的清洗介質噴射的膨脹程度。優選地，下游噴嘴108和上游噴嘴110具有不同的幾何尺寸。同樣，每個噴嘴的性能可以為各自噴嘴經歷的流動狀況而進行優化，因為一個噴嘴的流動狀況可以與另一個噴嘴的流動狀況不同。
舉個例子，在一些結構中，下游噴嘴108的喉部134的直徑可以大于上游噴嘴110的喉部120的直徑。而且，膨脹腔138的長度L2可以大于上游噴嘴110的膨脹腔124的長度L1。在一個作為選擇的實施例中，喉部134的直徑至少比喉部120的直徑大5％，并且長度L2至少比長度L1大10％。因此，下游噴嘴108的L/D比率可以大于上游噴嘴110的L/D比率。在某些實施例中，下游噴嘴108的Ae/At比率可以不同于上游噴嘴110的Ae/At比率。而且，在一些實施例中，下游噴嘴108的膨脹腔138的長度L2對出口端128的排出面積Ae的比率可以不同于上游噴嘴110的膨脹腔114的長度L1對出口端114的排出面積Ae的比率。
如圖4所示，由箭頭152表示的經過上游噴嘴110的清洗介質流通過收斂通道142引導。收斂通道142形成于上游噴嘴110和下游噴嘴108之間的吹灰管噴嘴段102的內部104。收斂通道142優選地是通過在下游噴嘴喉部134表面周圍設置一個空氣動力收斂輪廓主體144來形成。收斂通道142逐漸減小吹灰管噴嘴段102在上游噴嘴110的入口端112和下游噴嘴108的入口端126之間的內部104的橫截面。主體144的頂端148在與噴嘴108的入口端126同樣的平面上。在優選實施例中，輪廓主體144是吹灰管噴嘴段102和下游噴嘴108的一個一體的部分。輪廓主體144具有一個傾斜的輪廓使得清洗介質流將被導向下游噴嘴108的入口端126。因此，收斂通道142呈現出用于吹出介質的橫截面的流動面積，該面積從剛剛經過上游噴嘴110到下游噴嘴108平滑地減少，并且使清洗介質流轉向以在減小液壓損失的情況下進入下游噴嘴。
當噴嘴段102在操作的時候，清洗介質在箭頭150所示的方向上在吹灰管噴嘴段102的內部104中流動。清洗介質的一部分通過入口端112進入上游噴嘴110。清洗介質然后進入喉部120，在這里介質可以達到聲速。介質然后進入膨脹腔124，在這里被進一步加速并在出口端114排出上游噴嘴110。
不進入上游噴嘴110的入口端112的清洗介質的一部分如箭頭152所示流向下游噴嘴108。清洗介質流入形成于吹灰管噴嘴段102內部104的收斂通道142內。收斂通道142引導清洗介質到下游噴嘴108的入口端126。因此，清洗介質不是充分地縱向流過下游噴嘴108的入口端126。此外，一旦介質流到達入口端126，在負的“Z”反向(定義為與軸線136對齊并且在流體排出方向上為正的)上就沒有流動的速度分量。由于收斂通道142的存在，清洗介質流被更加有效地驅動到噴嘴入口126。與進入下游噴嘴108的喉部134的清洗介質相關的能量損失被減少，因此增加了下游噴嘴108的性能。與現有技術不同，流動的介質不必在通過下游噴嘴的一個區域內完全停止并且然后再加速以進入噴嘴108的入口端126。而且，因為對于上游噴嘴110和下游噴嘴108來講具有不同的幾何形狀也是可能的，所以進入下游噴嘴108的膨脹區138的清洗介質與在上游噴嘴110的膨脹區124中的清洗介質膨脹得不同，以補償在噴嘴108和110之間的任何噴嘴入口壓力差。排出下游噴嘴108的清洗介質的動能更加接近排出上游噴嘴110的清洗介質的動能。
現在參考圖5，示出了根據本發明的另一個實施例的吹灰管噴嘴段202。吹灰管噴嘴段中空的內部204限定一個縱向軸線207。吹灰管噴嘴段202具有一個下游噴嘴208，其設置在吹灰管噴嘴段202的遠端206。上游噴嘴210與下游噴嘴208縱向間距。在這個實施例中，下游噴嘴208具有與第一實施例的噴嘴108同樣的結構。然而，上游噴嘴210的幾何形狀不同。在這個實施例中，上游噴嘴210具有彎曲的內部形狀，使得入口端212向著如箭頭211所示的清洗介質流彎曲。如從入口端212到出口端218所測量的，排出端216的中心軸線是彎曲的而不是直的。上游噴嘴210具有收斂壁220以及連接收斂壁的擴散壁222。收斂壁220和擴散壁222限定一個喉部224。喉部224的中心軸線是彎曲的，使得在喉部224和噴嘴段202的縱向軸線207之間限定的角度Ψ3是在0到90度范圍內。角度Ψ3優選地是等于大約45度。
圖6A和6B所示的本發明的另一個實施例的吹灰管噴嘴段302限定一個內部表面304和一個外部表面306。噴嘴段302具有設置在遠端307的一個下游噴嘴308和具有一入口端312和一出口端314的一個上游噴嘴310。上游噴嘴310具有通過收斂壁318和擴散壁320限定的一個喉部316，在入口端312和出口端314之間延伸的排出中心軸線321，以及通過擴散壁320限定的一個噴嘴膨脹區322。出口端314的平面324與吹灰管噴嘴段302的外部表面306對齊。噴嘴段302進一步具有一個“薄壁”結構還形成斜坡表面328和330以及一個尖端332，在所述薄壁結構中外壁具有幾乎同樣的厚度。
清洗介質在箭頭334的方向上從噴嘴段的近端流向上游斜坡328。下游斜坡330允許清洗介質平滑地流經上游噴嘴310，到達下游噴嘴308的入口端336，如箭頭338所示。斜坡328的傾斜角Ψ2是在上游噴嘴310的中間軸線322和上游斜坡328之間測量。斜坡330具有相似的傾斜角度，該角度從中間軸線322和下游斜坡330之間測量。斜坡328和330提供了清洗介質到下游噴嘴308的入口端336的平穩的流動，如箭頭338所示。而且，斜坡328和330幫助減少影響上游噴嘴310的湍流渦旋，并且將流過上游噴嘴310以進給下游噴嘴308的流動338的壓降最小化。
當1)上游和下游噴嘴具有同樣的性能，并且當2)每個噴嘴向著排出壓力接近環境壓力的噴嘴出口加速清洗流體時上面討論的多種噴嘴裝置的性能是最適宜的。也就是說，同樣的噴嘴性能可以是在距鍋爐壁一個給定的距離處具有同樣的清洗能量或者沖擊壓力(“PIP”)。注意到，隨后的討論僅僅是為了解釋的目的而具體針對圖6A和6B所示的實施例。這些討論也可以應用于其它任何前面討論過的實施例。
回憶起喉部對出口比率(見方程(1)和(2))是為了最佳的流體膨脹而設計噴嘴時的一個關鍵參數。具有理想的喉部對出口比率的噴嘴將在噴嘴出口平面獲得均勻的完全膨脹的流動。對于一個給定的噴嘴尺寸，例如上游噴嘴310，出口面積依賴于噴嘴膨脹長度“L”和膨脹角度“β”，如圖6B所示。理想地，期望具有較長的膨脹長度L和最小的膨脹角度β，以在噴嘴膨脹壁處沒有流體分離的危險的情況下獲得最佳的喉部對出口比率，因為流體分離以有害的方式影響流體膨脹。也就是說，如果膨脹角度β太大，那么可以導致流體分離。另一方面，如果角度β太小，噴嘴長度L將必需過長以滿足喉部對出口面積比率的要求。不希望噴嘴長度過長，因為這將1)違反吹灰裝置必須通過壁盒開口的要求，以及2)限制通過下游噴嘴的流體。
上游噴嘴長度受到對流體流阻塞所造成的壓力損失的限制。將總的壓力損失同噴嘴長度L相關聯的一個特征曲線可以通過實驗測試或計算流體動力(“CFD”)分析來容易地形成。而且，壓力損失可以表現為在上游和下游噴嘴的入口處的總壓力的比率，也就是Pup/Pdn，作為L/D的一個函數，其中D是噴嘴段302的增壓直徑(圖7)。
注意到，膨脹角β是根據公式的噴嘴出口面積和噴嘴長度的一個函數L＝(De-d)/(2·Tan(β))方程(4)其中，De＝噴嘴出口直徑。因此，較大的噴嘴長度L將產生較小的膨脹角度β，反之亦然。因此，如通過圖7所理解的，噴嘴長度L或者膨脹角度β是選擇的，使得壓力損失不是在特征曲線的陡曲部分。
因此，有利的是具有較大的膨脹角度β和較短的噴嘴長度L以使流體阻塞最小化。然而，如果膨脹角度β超過了一個上限，就會發生流體分離，這將減少聲速平面的有效面積，如方程3所描述的，這影響了噴射膨脹和出口馬赫數。圖8的特征曲線將膨脹角度或者噴嘴長度與流體分離相關。特別地，流體分離通過將噴嘴中心線處的確定為Poc的總壓力與沿著噴嘴壁但在同一徑向平面內的確定為Por的總壓力進行比較而被量化。
圖8表明較長的噴嘴(小的膨脹角度)使流體分離最小化并且沿著徑向方向產生均勻的總壓力。再次，噴嘴長度L或者膨脹角度β是選擇的，使得總的壓力比率不是在特征曲線的陡曲部分。在一些設備中，膨脹角度不再大于10°，以避免嚴重的流體分離。
值得注意的是，圖8是以0度進入角進入噴嘴喉部的流體流的代表。然而對于大多數情況，進入角度δ不是0，如圖6B所示，并且因此當繪制特征曲線的時候要考慮總的角度(δ與β的和)。
理想的，通過執行不同的斜坡設計、傾斜的和/或曲線的噴嘴，進入角度δ被最小化。最小化進入角δ的其它方法包括優化曲率的收斂區的半徑“R”。例如，CFD分析可以用來發現產生最小進入角的最佳半徑R。
通過將圖7和圖8的特征曲線結合，如圖9所示，噴嘴長度L或者膨脹角度β可以選擇以滿足通過上游噴嘴310的最小壓力損失標準并且沒有流體分離。
例如一個例子，具有一個上游噴嘴的3.5英寸外徑的吹灰管被選擇在大約175磅/平方英尺(psi)的吹壓(Po)下操作，該上游噴嘴具有1英寸直徑的喉部(d＝1英寸)。所需的出口面積或出口直徑通過方程(1)和(2)來計算，也就是Ae＝1.618平方英寸或者De＝1.435英寸。一旦個別的噴嘴出口面積已知，就可以計算噴嘴長度和膨脹角度。
從圖9中看出，最佳噴嘴長度小于增壓內徑的一半，也就是L/D≈0.45。因此，如果增壓內徑D是大約3.1英寸，那么上噴嘴的長度L就是大約1.4英寸。根據方程(4)的等效的膨脹角度就是接近8.8°。
現在看下游噴嘴308，下游噴嘴的喉部尺寸稍微大一些，以彌補由于上游噴嘴主體造成的流動阻塞而在總壓力中的損失。而且，從圖7中的特征曲線看出，下游總壓力Pdn比上游壓力Pup大約小20％。為了彌補用于清洗的總能量中的不足，因此期望較大的下游噴嘴。作為一個方針，喉部尺寸增加10％能夠使得噴嘴沖擊能量或PIP增加大約20％。因此，對于這個例子，下游噴嘴具有直徑大約1.1英寸的喉部。并且從方程(1)和(2)可以看出，下游噴嘴的出口直徑是De＝1.486英寸。
一旦出口直徑已知，下游噴嘴303的長度就可以建立在與圖8相似的特征曲線上。再次，實驗測試和/或CFD分析可以用來建立這種曲線。對于這個例子，圖8可以用來為下游噴嘴選擇一個L/D，這個值不如用于上游噴嘴的值保守。舉個例子，如果L/D≈0.52，那么適當的噴嘴長度是大約1.6英寸，適當的膨脹角度β’是大約6.9°。
前面的討論公開并描述了本發明的一個優選實施例。通過這些討論以及附圖和權利要求，本領域技術人員很容易意識到，在不脫離如隨后的權利要求所限定的本發明的實質精神和合理范圍的情況下，本發明可以作出修改和變化。
權利要求
1.一種用于吹灰器的吹灰管噴嘴段，包括一噴嘴段主體，其限定一個縱向軸線、一個中空的內部、一個遠端以及一個近端，所述近端容納清洗介質；一下游噴嘴，設置在所述噴嘴段主體上，所述下游噴嘴具有一個第一入口端、一個第一出口端以及一個第一喉部，所述第一喉部設置在所述第一入口端和所述第一出口端之間并且具有一個第一幾何形狀；以及一上游噴嘴，其相對于所述下游噴嘴的位置縱向設置在距所述遠端更遠的位置，所述上游噴嘴具有一個第二入口端、一個第二出口端以及一個第二喉部，所述第二喉部設置在所述第二入口端和所述第二出口端之間，所述上游噴嘴具有不同于所述下游噴嘴的所述第一幾何形狀的一個第二幾何形狀，所述清洗介質在所述縱向軸線的方向上從所述近端向著所述遠端通過所述噴嘴段中空的內部流動，并且通過各自的第一和第二入口進入所述下游和上游噴嘴，并且從各自的出口端從所述下游和上游噴嘴排出。
2.如權利要求1所述的噴嘴段，其中，所述第一喉部具有一個第一喉部面積，所述第一出口端具有一個第一出口面積，所述第二喉部具有一個第二喉部面積，并且所述第二出口端具有一個第二出口面積，所述第一出口面積對所述第一喉部面積的比率不同于所述第二出口面積對所述第二喉部面積的比率。
3.如權利要求1所述的噴嘴段，其中，所述下游噴嘴具有一個第一膨脹區，所述第一膨脹區具有在所述第一喉部和第一出口端之間延伸的一個第一膨脹長度，并且所述上游噴嘴具有一個第二膨脹區，所述第二膨脹區具有在所述第二喉部和第二出口端之間延伸的一個第二膨脹長度，所述第一膨脹長度不同于所述第二膨脹長度。
4.如權利要求1所述的噴嘴段，其中，所述下游噴嘴具有一個第一膨脹區，所述第一膨脹區具有在所述第一喉部和第一出口端之間延伸的一個第一膨脹長度，所述第一出口端具有一個第一出口直徑，所述上游噴嘴具有一個第二膨脹區，所述第二膨脹區具有在所述第二喉部和第二出口端之間延伸的一個第二膨脹長度，所述第二出口端具有一個第二出口直徑，所述第一膨脹長度對所述第一出口直徑的比率不同于所述第二膨脹長度對所述第二出口直徑的比率。
5.如權利要求1所述的噴嘴段，其中，所述下游噴嘴具有一個第一膨脹區，所述第一膨脹區具有在所述第一喉部和第一出口端之間延伸的一個第一膨脹長度，所述第一喉部具有一個第一喉部直徑，所述上游噴嘴具有一個第二膨脹區，所述第二膨脹區具有在所述第二喉部和第二出口端之間延伸的一個第二膨脹長度，所述第二喉部具有一個第二喉部直徑，所述第一膨脹長度對所述第一喉部直徑的比率不同于所述第二膨脹長度對所述第二喉部直徑的比率。
6.如權利要求1所述的噴嘴段，其中，所述下游噴嘴包括在所述下游噴嘴入口端附近的一個第一收斂部分以及連接所述第一收斂部分且終止于所述第一出口端的一個第一擴散部分，在所述第一收斂部分和所述第一擴散部分相連接的點處限定一個第一喉部面積，并且所述上游噴嘴包括在所述上游噴嘴入口端附近的一個第二收斂部分以及連接所述第二收斂部分且終止于所述第二出口端的一個第二擴散部分，在所述第二收斂部分和所述第二擴散部分相連接的點處限定所述第二喉部的一個第二喉部面積。
7.如權利要求1所述的噴嘴段，其中，所述下游和上游噴嘴彼此沿直徑取向。
8.如權利要求1所述的噴嘴段，其中，所述下游噴嘴設置在所述噴嘴段主體的所述遠端附近。
9.如權利要求8的噴嘴段，其中，所述下游噴嘴具有基本上垂直于所述噴嘴段主體縱向軸線排列的一個第一排出軸線，并且其中所述清洗介質流基本上不超過所述下游噴嘴入口端流動。
10.如權利要求9的噴嘴段，其中，所述上游噴嘴具有基本上垂直于所述噴嘴段主體縱向軸線排列的一個第二排出軸線。
11.如權利要求9的噴嘴段，其中，所述上游噴嘴具有從垂直于所述噴嘴段主體縱向軸線向著所述近端傾斜的一個第二排出軸線。
12.如權利要求11的噴嘴段，其中，所述第二排出軸線限定一條彎曲線。
13.如權利要求11的噴嘴段，其中，所述第二排出軸線限定一條直線。
14.如權利要求1所述的噴嘴段，其中，所述第一喉部具有一個第一直徑，所述第一直徑大于所述第二喉部的一個第二直徑。
15.如權利要求1所述的噴嘴段，其中，所述清洗介質至少被包括在蒸汽的一部分中。
全文摘要
根據本發明的教導，一種吹灰器結構結合設置在一噴嘴段(302)主體上的一個下游噴嘴(308)，以及相對于所述下游噴嘴(308)的位置縱向設置在距噴嘴段的遠端(307)更遠的位置的一個上游噴嘴(310)。所述上游噴嘴(310)的幾何形狀與所述下游噴嘴(308)的幾何形狀不同。通過具有不同幾何形狀的噴嘴(308、310)，每個噴嘴(308、310)能夠單獨地為每個噴嘴(308、310)所經歷的流動條件被最優化。
文檔編號F28G1/16GK1902457SQ200480040269
公開日2007年1月24日 申請日期2004年10月27日 優先權日2003年11月24日
發明者托尼·F·哈比卜, 戴維·L·凱勒, 史蒂文·R·福特納 申請人:鉆石能量國際公司