凝聚的气体射流 本发明涉及凝聚的气体射流，获得凝聚的气体射流的方法以及能够用来获得凝聚的气体射流的设备。
气体射流，即在高速下以流束的形式从一个喷嘴射出的气体，可以至少以两种形式存在。目前有兴趣的两种形式是一种常规的湍性射流(或如在本文中所称的“正常射流”)以及一种凝聚射流。
在正常射流中，从一个喷嘴射出的气体产生了一股气体射流。周围气体被带进该气体射流中使该射流发生膨胀。一个典型的正常射流示于图1。气体从喷嘴1排出并且发展成为一股正常气流2。周围气体的挟带速率可以根据英国煤利用研究协会(The British CoalUtilization Research Association)的M.A.Field，D.W.Gill，B.B.Morgan，和P.G.W.Hawksley等人的著作“粉煤的燃烧”的第二章“流型和混合”中的46页上给出的一个方程进行计算。该方程适用于在湍性射流充分发展以后的情况，这种情况在X/d0值接近6时发生。在该值小于6时，挟带率较低。MaMo=0.32(ρaρo)0.5xdo]]>
在上述方程中：
Ma/Mo是被挟带的周围气体的质量与原有的气体射流的质量之比，
ρa/ρo是周围气体地密度与原有的气体射流的密度之比，
x/d是用离开喷嘴的轴向距离除以喷嘴直径。
如该方程所示出的，对于充分发展的湍性流来说，该挟带速率是相当快的。例如，假定周围气体的密度等于原有的射流气体的密度，那么对于射流长度相当于3倍喷嘴直径的情况来说，被挟带气体的质量将近似等于该原有的射流中的气体质量。对于3，6和9倍喷嘴直径的射流长度来说，被挟带的气体质量将分别是原有的射流气体的质量的1，2和3倍。
与正常射流相比较，在离开喷嘴端面的一个相当大的距离内，只有极少量周围空气被挟带到凝聚射流中。如图2所示，这种射流可以保持相当好的凝聚而只具有极少量的膨胀。在图2中，气体从喷嘴1排出，并且发展成一股凝聚射流3。通常，这种射流在它转变成正常射流以前，可以在大约50倍喷嘴直径的射流长度上保持凝聚。
在一个氧气切割器中，氧气射流被一个还原焰环所包围，该焰或者预先混合即在从喷嘴排出以前使可燃气体与氧化剂气体相混合，或者后混合即在从各独立的喷嘴排出以后再使可燃气体与氧化剂气体相混合。在这种热火焰包围物中的氧气射流就变成凝聚射流，从而当该氧气射流冲击在碳钢上时，就能制出一条笔直、平滑的切口。如果该射流不是凝聚射流则将产生一条劣质的参差不齐的粗糙切口。
在现有技术中用来获得凝聚氧射流以及在本申请中用来获得数据的设备示于图3A和3B中。如图3A和3B中所示，主气体(在此情况下为氧气)通过一个缩-扩喷嘴4以获得超音速流。还设置有一个用于天然气的内孔圈5和一个用于氧气的外孔圈6。
在试验设备中，缩-扩喷嘴4的入口直径为0.427英寸，其出口直径为0.58英寸。内孔圈5的孔数为16，每个孔的直径为0.113英寸，它们围绕在直径为15/8英寸的圆上均匀地间隔布置。外孔圈6的孔数也是16，每个孔的直径为0.161英寸，它们围绕在直径为21/4英寸的圆上均匀地间隔布置。试验在此设备上用皮托管进行，以便确定沿着射流轴线的射流速度。使用一根皮托管来测量气体速度的方法在本技术领域中是众所周知的。皮托管通过测量在全压与静压之间的压力差来测定局部速度或点速度。测量可以用燃烧后火焰(1200立方英尺/小时天然气和1200立方英尺/小时氧气)也可以不用燃烧后火焰进行。
气体速度与离开喷嘴的轴向距离的关系曲线在图4中给出。如从图4可以方便地看见的那样，不用该火焰，气体速度沿着射流轴线将有一个陡降。使用该火焰，在该轴线上的射流速度在开始下降以前的24英寸的射流长度(表示此处的射流为凝聚射流)上基本上保持恒定的超音速(例如马赫数为1或更大)。图4中两条曲线之间的差别是十分惊人的。所测得的进入射流凝聚部分的气体挟带量仅为使用正常射流情况下的该方程计算出来的气体挟带量的大约5％。
如果使用正常的氩气射流射入钢水槽中以便产生搅拌作用时，为了使之有效就必须把它放在离熔池很近的位置，但这样将引起喷嘴的腐蚀。如果使用了足以避免喷嘴腐蚀的正常射流的长度，则该射流在它冲击在熔池表面上以前将带入大量的周围空气。因而，这样的正常射流将具有一个宽而矮的速度分布，从而在射入金属熔池中时将是无效的。
因此，本发明的目的是提供一种使用除氧以外的气体的凝聚的气体射流，提供获得凝聚的气体射流的方法，提供改进的氧凝聚射流以及提供可以产生凝聚的气体射流的设备。本发明考虑使用任何气体，包括活性气体和惰性气体。
这样，我们已经发展了凝聚的气体射流，以及用于制造该射流的方法和设备，这些都是在现有技术中没有做到的。
我们的发明包括凝聚的气体射流，其中射流的气体可以是活性的或非活性的。适当的气体包括氮气、氩气、二氧化碳以及包括天然气或丙烷在内的可燃气体。
本发明还包括一种产生凝聚的气体射流的方法。该方法是通过用火焰围绕着气体射流而完成的，该火焰被偏转朝向主气体射流的中心轴线。使用这个方法就可以获得包含任何气体的一般长凝聚射流。
本发明还包括可以使火焰射向气体射流的中心轴线从而可以获得一股很长的凝聚射流的设备。这种设备可以包括火焰反射器，该反射器可以使包围住气体的火焰包围物变窄并且使火焰朝向气体射流的轴线。这种设备可以安装在现有装置(例如在图3A和3B中的装置)上，或者可以完全重新制造。适当的装置包括喷嘴装置，它可以设置在火焰/气体组合装置的上面，用来作为火焰和气体固有的出口，并且它可以使火焰向内。本发明还包括使氧化剂气体转向可燃气体以使火焰射向主气体射流的设备以及为可燃气体和氧化剂气体以某个角度提供喷嘴的设备，使得火焰从喷嘴中排出并且射向主气体射流的横轴线上，从而产生一股凝聚的气体射流，并且无需使用附加的转向装置。
图1是一个常规的湍性射流(或一个正常射流)的图象；
图2是一个凝聚的射流的图象；
图3A和3B是可以用来获得氧气凝聚射流的设备的图象，图3A是一个剖视图，图3B是一个俯视图；
图4是示出沿一个具有和不具有火焰包围物的氧气射流的轴线的速度曲线图；
图5是固定在图3A和3B中所示的射流设备上的一个火焰反射器的草图；
图6是示出沿一个具有和不具有火焰反射器的氮气射流的射流轴线的速度曲线图；
图7是示出沿一个具有和不具有火焰包围物的氩气射流的射流轴线的速度曲线图；
图8是把氧气的凝聚射流(没有火焰反射器)与氮气和氩气的凝聚射流(有火焰反射器)相比较的曲线图；
图9是本发明使用的一个火焰反射器的另一个实施例的图象；以及
图10是本发明的一个实施例的剖视图，它使氧化剂气体偏转以便把火焰对准主气体射流。
附图中对同样的元件标号都是相同的。
本发明包括多个凝聚的气体射流。这种凝聚的气体射流由于在离开喷嘴端面的一个相当长的距离上只挟带有很少的周围气体进入凝聚的射流中，因而当气流从该喷嘴中以很小的膨胀排出时，能够保持或接近保持该气流的速度。在转变成正常射流以前，一个标准的凝聚射流可以在一个约为喷嘴直径的50倍或更大倍数的射流长度上保持凝聚。
可以用来形成凝聚射流的气体包括惰性气体或非活性气体以及活性气体。
惰性或非活性气体的实例包括氮、氩和二氧化碳。气体的混合物也可以用来形成该主气体射流。
可以提供有用的凝聚气体射流的活性气体的实例包括氧气和可燃气体，例如丙烷和天然气以及它们的混合物。
本发明的凝聚气体射流可以通过用火焰包围住用来形成该射流即主体的气体并且把该火焰射向该气体射流的中心轴线而获得。本发明的目的可以通过把亚音速和超音速气体速度用于该凝聚射流而实现。但是，如果气体速度为超音速即马赫数为1或更大时则更加有效。
用来产生火焰包围的气体射流的装置可以是与本文前面讨论过的同样类型的装置，该装置示于图3A和3B中。在这种装置中，用来形成该射流的气体被设置在一系列同心环的最中心位置。该射流气体由两圈能够分别提供用来产生火焰的一种氧化剂和一种可燃气体的孔所包围。氧化剂孔和可燃气体孔的数量、尺寸和配置应选择成能形成一个可偏向该气体射流的中心的火焰包围物。如前面在图3A和3B中所示的装置中所讨论的，内圈孔用于天然气，而外圈孔用于氧气。也可以工作成把内圈孔用于氧气，而外圈孔用于天然气。可燃气体和氧化剂气体也可以通过同心的环来供应。
用来产生包围在该射流气体周围的火焰包围物的气体可以是本技术领域的一般技术人员所知气体中的任何一种。例如，可以使用含有30-100％(体积百分比)的氧的氧化剂。具有大于90％体积百分比的氧的氧化剂应优先采用。可燃气体可以是本技术领域所知可燃气体中的任何一种，包括氢气、丙烷、天然气以及其他碳氢燃料。
可燃气体和氧化剂气体可以预先混合，也可以以后混合。后混合火焰由于更完全应被优先采用。
凝聚的气体射流通过使用一个能把火焰转向该气体射流的中心轴线的装置连同一个如图3A和3B中所示的装置一起就可以获得。这种反射器的一个实例示于图5中。该反射器可以设置在如图3A和3B中的装置的顶部。从对图5的研究可以看出，反射器8的内实体壁7以近似25°角向该主气体射流的中心轴线会聚。这种会聚壁结构当射流气体离开在出口9处的反射器时，可使由排出的燃料和氧化剂所产生的火焰包围物射向射流气体的中心轴线，从而产生了凝聚气体射流。
虽然示于图5中的实施例示出了一个特定的偏转角，但本发明并不受此限制。任何角度只要它能使火焰射向气体射流并且提供凝聚气体射流都在本发明的范围内。因此，偏转角直至90°都可认为是适当的。
通过将火焰包围物转向主射流轴线，火焰就在喷嘴端面附近围绕该主射流形成。
本发明将用下列实例来说明。虽然这些实例示出了主气体、可燃气体和氧化剂气体的特定的流量，但应当认识到，本发明并不受此限制，本技术领域中的任何一个一般技术人员都可以为这些气体选择适当的流量。实例1
把示于图5中的反射器连接在图3A和3B中示出的气体射流和火焰装置上。利用从内圈孔排出的1200立方英尺/小时(CFH)的天然气和从外圈孔排出的1200立方英尺/小时的氧气，并且使用了后燃烧火焰，以产生一种火焰结构。氮气被用来作为主气体或射流气体，其流量约为21000 CFH，喷嘴上游的压力为125表压(磅/英寸2)(psig)。
沿射流轴线的气体速度用皮托管测量。测量可以使用或不使用火焰反射器进行。如从图6中可以方便地看见的那样，它是沿氮气射流的轴线通过装有和不装火焰反射器所测量的一组速度曲线，通过使用火焰反射器可以取得明显的改进。
如图6中所示，对于离开装有火焰反射器的喷嘴出口约25英寸处的氮气速度可保持在每秒1500英尺(fPS)以上。而在离开不装有火焰反射器的喷嘴约25英寸处的氮气速度则降到约1000 fPS。因此，当使用火焰反射器时，氮气射流由于其沿射流轴线的速度始终一致地较高而变得更加凝聚。实例2
使用氩气作为主气体或射流气体，后混合火焰(孔的尺寸，几何形状和流量)与上述用氧气和氮气所作的试验的火焰相同。为氩气设计的收敛-发散喷嘴具有直径为0.438英寸的入口和直径为0.554英寸的出口。氩气的流量为20000 CFH，在喷嘴上游处的压力为120 psig。
气体速度的测量在具有偏转火焰但没有火焰包围物的情况下进行。对于工作在有和没有火焰情况下的沿该轴线的速度曲线图在图7中给出。在具有火焰和反射器的情况下，可以获得较长的凝聚射流。工作在有火焰和没有火焰两种情况之间的区别与用氧作试验的结果相类似。一种在离开喷嘴端面36英寸的检测距离处所作的射流速度的比较是在具有和没有火焰反射器两种情况下进行的。在具有反射器情况下测得的速度是1210 fPS，而在没有反射器情况下测得的速度是850fPS。该火焰反射器使速度产生了巨大的差别。实例3
对3种气体(具有火焰反射器的氩气和氮气以及不带有火焰反射器的氧气)的直接比较示于图8中。对该速度进行了归一化，即用在喷嘴出口处的速度除沿射流轴线的速度。该组曲线清楚地示出，通过使用火焰反射器，基本上使用任何气体都能实现可以与用氧气获得的凝聚射流相比较的凝聚射流。该射流的凝聚部分的长度按氮气、氧气到氩气的顺序增加。这种情况可能是由于气体密度的增加而造成的。一般认为凝聚射流的长度将随着气体密度的增加而增加。
有各种不同的方法可以使火焰转向射流轴线以获得凝聚射流。另外一种反射器的最佳实施例示于图9中。在该实施例中，在主气体4的喷嘴端面与反射器10之间的空隙由于朝向射流轴线的可燃气体、氧气和燃烧产物的径向速度的增加而减小。此处的火焰偏转角约为90°。在该实施例中，火焰在离开反射器出口11以前即转向射流气体。
另外一种模拟火焰反射器的作用的方法是把用于可燃气体和/或氧气的孔作出朝向射流轴线的角度。
使用一种不是氧气的气体来获得凝聚射流的一个最佳的装置示于图10中。图10中示出了安装在一个供气结构13上的一个转向装置12。主气体(图10中所示为氮气)通过中心喷嘴4供应，而可燃气体和氧化剂气体则分别通过环形孔14和15供应。从图10可以看出，主气体和可燃气体不受阻碍的通过该环形孔和喷嘴4向上流动。但转向装置12使氧化剂气流通过孔17流入可燃气体流中，该孔17围绕在对准主气体射流轴线的圆周上设置。
使用示于图10的该装置，用氮气作为主气体以及用天然气和氧气来供应火焰包围物，可以发现每个孔17中的氧气流掺入到天然气的环形孔中，并且在喷嘴端面处围绕主射流的四周可以观察到火焰。因此，可以使用低速氧气来使火焰转向主射流，以取代实体的反射器的使用。一般相信当使用惰性气体时，这种方法可能比本文讨论过的其他装置更有效。
反射器可以用于所有射流气体。对于不是氧气的其他气体，反射器的作用是很显著的，如本文中用氮气或氩气作为主气体所进行的试验所示出的那样。如果用氧气作主气体，使用反射器取得的改进可能会较小。但是即使在使用氧气时，反射器的使用也能保证这种情况对于获得较长的凝聚射流是有利的。
在实施本发明时，不仅使火焰转向射流气体是重要的，而且保持可燃气体和氧化剂的流量处于某些操作指南的范围内以便产生包围住该射流的火焰也是重要的。这些操作指南中使用了以下符号。Q-可燃气体的加热速度(LHV)，MMBtu/hr(million Btu/hr)V-氧化剂的容积流量，MCFH(每小时几千立方英尺)，该流量是在华氏60度和大气压力条件下的流量。P-氧气在氧化剂中的体积百分比，％。D-喷嘴出口的直径，英寸
氧气在氧化剂中的体积百分比(P)应大于30％，并且最好大于90％。比值Q/D应大于0.6，并且最好在2.0左右。函数VP/D应大于70，并且最好大约在200。
此外，燃烧不稳定性，诸如火焰或可燃气体和氧化剂气体的中断应当避免。
用来制造喷嘴和反射器的材料在本技术领域是众所周知的，其中包括不锈钢、铜以及在某些应用场合下使用的耐火材料型材料。
喷嘴和反射器在工作期间可以根据该凝聚射流的最终用途来进行冷却。例如，如果该射流在炉子中使用，喷嘴冷却将是合适的。为本领域的技术熟练的人所知的方法，包括水和空气冷却将是合适的。
从上述公开内容可以看出，我们已经成功地获得了新的凝聚气体射流，该射流并不限于何特定种类的气体。本发明也不限于使用使火焰转向主气体的中心轴线以产生凝聚射流的任何特定的装置。