專利名稱：用于增強(qiáng)預(yù)混合裝置中混合的燃料噴射槽式噴嘴和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例大體上涉及燃燒器(combustor),更具體地說(shuō)，本 發(fā)明涉及用于在低排放燃燒過(guò)程中增強(qiáng)燃料和氧化劑混合的預(yù)混合 裝置和高膨脹燃料噴射槽式噴嘴(high expansion ftiel injection slot jet)。
背景技術(shù)：
在歷史上，已經(jīng)在控制擴(kuò)散(也稱為非預(yù)先混合的)燃燒的燃燒器 中實(shí)現(xiàn)了從燃料中吸取能量，其中反應(yīng)物最初是分開(kāi)的，并且反應(yīng) 只發(fā)生在燃料和氧化劑之間的4妾口處，在該接口處發(fā)生混合和反應(yīng)。 這種裝置的示例包括，但不局限于，飛機(jī)燃汽渴輪發(fā)動(dòng)機(jī)和航空衍 生的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，用于例如發(fā)電、船舶推進(jìn)、氣體壓縮、熱電 聯(lián)產(chǎn)和海上平臺(tái)動(dòng)力等應(yīng)用。在設(shè)計(jì)這種燃燒器時(shí)，工程師不僅受 到持續(xù)需要保持或減少燃燒器整體尺寸，以提高最大操作溫度，并 提高比能釋放速率的挑戰(zhàn)，而且還受到不斷增加的減少受管制的污 染物成形和將其排放到環(huán)境中的挑戰(zhàn)。相關(guān)的主要污染物的示例包 括氮氧化物(NOx), —氧化碳(CO),未燃燒的和部分燃燒的烴類，以 及溫室氣體，例如二氧化碳(CO》。因?yàn)榭刂屏黧w中局部的成分變化 由于對(duì)流體在進(jìn)行燃燒同時(shí)的^L械混合的依賴性而引起的困難，與 局部化化學(xué)計(jì)量燃燒相關(guān)的峰值溫度，高溫區(qū)域中的滯留時(shí)間，以 及氧氣可用度等原因，控制擴(kuò)散型燃燒器提供了有限的容量，以滿 足目前和將來(lái)排放要求，同時(shí)保持所需提高的性能水平。
近年來(lái)，已經(jīng)使用少量預(yù)混合燃燒器來(lái)進(jìn)一步減少不符合要求 的污染物的排放水平。在這些燃燒器中，將恰當(dāng)數(shù)量的燃料和氧化
劑在發(fā)生任何顯著的化學(xué)反應(yīng)之前進(jìn)行很好混合，因而便于控制上 面所列舉的控制擴(kuò)散型燃燒器的困難。然而，因?yàn)槿剂虾脱趸瘎┑?可燃混合物成形于預(yù)期的火焰穩(wěn)定位置之前，所以預(yù)混合燃燒器設(shè) 計(jì)師 一 直受到控制任何流分離和/或?qū)⒒鹧姹３衷诨旌系膮^(qū)域中，從 而最大程度地減小和/或消除不合適宜的燃燒不穩(wěn)定性。當(dāng)前設(shè)計(jì)挑 戰(zhàn)還包括對(duì)燃料和氧化劑發(fā)生混合的區(qū)域的總長(zhǎng)度的控制，以及與 預(yù)混合過(guò)程相關(guān)的壓力降的最小化。這些挑戰(zhàn)還隨著需要燃燒器能 夠在較寬的燃料，包括但并不局限于天然氣、氫和合成燃?xì)?也稱為 合成氣體)的范圍內(nèi)恰當(dāng)?shù)夭僮鞫鴱?fù)雜化，所述氣體是富含從煤或其 它材料的氣化過(guò)程中獲得的 一 氧化碳和氫氣的氣體。
傳統(tǒng)的預(yù)混合燃燒器包括定位在旋流器葉片之間或葉片翼型表 面上的燃料噴嘴。然而，成形于燃料噴嘴出口處的旋渦結(jié)構(gòu)將會(huì)從 燃料噴嘴下方的自由流中抽吸氧化劑，導(dǎo)致表面附近的流動(dòng)部分或 全部的"吹散"，并在主流中產(chǎn)生分離區(qū)域，其可能導(dǎo)致提前點(diǎn)火。另 外這種交叉流動(dòng)的燃料噴射會(huì)在燃燒器中產(chǎn)生局部高和低濃度的燃 料/空氣混合物區(qū)域，從而導(dǎo)致實(shí)質(zhì)較高的排放。此外，這種交叉流
的波動(dòng)和調(diào)節(jié)，其可能導(dǎo)致燃燒過(guò)程中的破壞性的動(dòng)力。近年來(lái)， 已經(jīng)提出了利用柯恩達(dá)效應(yīng)表面的預(yù)混合裝置，作為一種最大程度 地減小主要依賴于交叉流動(dòng)燃^H"噴射以獲得所需預(yù)混合水平和整體 性能的預(yù)混合燃燒器的負(fù)面效應(yīng)的方式。在這些裝置中，沿著柯恩 達(dá)效應(yīng)表面噴射的燃料隨著主流氣流的加速而粘附在該表面上，防 止燃料噴嘴的脫落和分離以及不合適的壓力波動(dòng)，其可能造成燃燒 不穩(wěn)定。在帶有柯恩達(dá)效應(yīng)表面的預(yù)混合裝置中，有效的燃料和氧 化劑的混合可能略有延時(shí)，因?yàn)槿剂蠂娮毂３衷诎l(fā)散的壁附近，因 而可能導(dǎo)致裝置較長(zhǎng)，以保證燃料和氧化劑的恰當(dāng)混合。如果預(yù)混 合裝置的長(zhǎng)度受到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度要求的約束，例如，傳遞到火焰 帶的燃料濃度分布廊線可能包含不合適的空間變化，因而最大程度 地減小預(yù)混合對(duì)污染物成形過(guò)程的全部影響，以及可能影響燃燒區(qū) 域中的整個(gè)火焰的穩(wěn)定性。
發(fā)散的流動(dòng)通道中的過(guò)度膨脹的不合適影響在流體力學(xué)中是普 遍知曉的；然而，其中控制局部流分離而意圖產(chǎn)生湍流，并且在噴 射位置進(jìn)行流體混合的收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴的使用對(duì)于本 發(fā)明人是未知的。因此，需要一種用于在缺-預(yù)混合燃燒器中，增強(qiáng) 燃料和氧化劑的混合能力，同時(shí)保持流分離控制，并將火焰保持在 燃燒器的混合區(qū)域中的預(yù)混合裝置。增加的混合性能將允許形成長(zhǎng) 度減少，而基本上不影響系統(tǒng)整個(gè)壓力降的預(yù)混合裝置，包含這種 預(yù)混合器的預(yù)混合燃燒器特別適合于供具有較廣范圍的成分、熱值 和比容的燃料使用。

發(fā)明內(nèi)容
一個(gè)或多個(gè)上面總結(jié)的需求以及本領(lǐng)域中已知的其它需求通過(guò) 預(yù)混合裝置來(lái)解決，其包括空氣入口，與空氣入口的末端部分形成
流體連通(flmd communication)的燃料入口槽，燃料入口槽包括構(gòu)造 成沿著預(yù)混合裝置內(nèi)壁的 一部分而形成燃料邊界層的壁輪廓，來(lái)自 空氣入口的壓縮空氣與來(lái)自邊界層的燃料進(jìn)行混合的混合室，以及 設(shè)置在燃料入口槽內(nèi)部的發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴，這種收斂-發(fā)散 型燃料噴射槽式噴嘴構(gòu)造成用于在其發(fā)散部分產(chǎn)生流分離區(qū)域，流 分離區(qū)域構(gòu)造成在發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴的出口處產(chǎn)生混合湍 流，從而在空氣動(dòng)力學(xué)方面增強(qiáng)來(lái)自邊界層的燃料與壓縮空氣的混 合，而不會(huì)造成邊界流分離和^f吏火焰保持在混合室中。所公開(kāi)的本 發(fā)明的實(shí)施例還包括具有上面概述的預(yù)混合裝置的低排放燃燒器和 燃?xì)鉁u輪燃燒器。
在所公開(kāi)的本發(fā)明的另 一 方面，公開(kāi)的燃?xì)鉁u輪包括壓縮機(jī)， 與壓縮機(jī)形成流體連通并構(gòu)造成用于使燃料和空氣的預(yù)混合的混合 物燃燒的燃燒器，以及定位在燃燒器下游，從而使離開(kāi)燃燒器的氣
流膨脹的渦輪。這種燃?xì)鉁u輪的燃燒器包括至少一個(gè)預(yù)混合裝置， 其包括空氣入口 ，與空氣入口的末端部分形成流體連通的燃料入口 槽，燃料入口槽包括構(gòu)造成沿著預(yù)混合裝置內(nèi)壁的 一部分而形成燃 料邊界層的壁輪廓，來(lái)自空氣入口的壓縮空氣與來(lái)自邊界層的燃料 進(jìn)行混合的混合室，以及設(shè)置在燃料入口槽內(nèi)部的收斂-發(fā)散型燃料 噴射槽式噴嘴，這種收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴構(gòu)造成用于在其 發(fā)散部分產(chǎn)生流分離區(qū)域，流分離區(qū)域被限定于發(fā)散部分，并且構(gòu) 造成用于在收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴的出口處產(chǎn)生混合湍流， 從而在空氣動(dòng)力學(xué)方面增強(qiáng)來(lái)自邊界層的燃料與壓縮空氣的混合， 而不會(huì)造成邊界流分離和使火焰保持在混合室中。
;在所公開(kāi)的本發(fā)明另一方面，公開(kāi)的氣體-液體系統(tǒng)包括構(gòu)造成 用于使氧氣與空氣分開(kāi)的空氣分離單元，用于制備天然氣的氣體處 理單元，用于使氧氣和天然氣在高溫和高壓下發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生 富含一氧化碳和氫氣的合成氣的燃燒器，以及與燃燒器形成流體連
通的渦輪膨脹器(turbo-expander)，其用于從合成氣中吸取功和使合成 氣驟冷(quenching)。這種氣體-液體系統(tǒng)的燃燒器包括設(shè)置在燃燒器 上游，以便于氧氣和天然氣在燃燒器中發(fā)生反應(yīng)之前進(jìn)行預(yù)混合的 預(yù)混合裝置，這種預(yù)混合裝置包括空氣入口，與空氣入口的末端部 分形成流體連通的燃料入口槽，燃料入口槽包括構(gòu)造成沿著預(yù)混合 裝置內(nèi)壁的一部分而形成燃料邊界層的壁輪廓，來(lái)自空氣入口的壓 縮空氣與來(lái)自邊界層的燃料進(jìn)行混合的混合室，以及設(shè)置在燃料入 口槽內(nèi)部的收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴，這種收斂-發(fā)散型燃料噴 射槽式噴嘴構(gòu)造成用于在其發(fā)散部分產(chǎn)生流分離區(qū)域，流分離區(qū)域 被限定于發(fā)散部分，并且構(gòu)造成用于在收斂-發(fā)散型的燃料噴射槽式 噴嘴的出口處產(chǎn)生混合湍流，從而在空氣動(dòng)力學(xué)方面增強(qiáng)來(lái)自邊界 層的燃料與壓縮空氣的混合，而不會(huì)造成邊界流分離和使火焰保持 在混合室中。
在本發(fā)明實(shí)施例的范圍內(nèi)還公開(kāi)了用于使燃料和氧化劑在燃燒 系統(tǒng)中預(yù)混合的方法，這種方法包括通過(guò)氧化劑入口將氧化劑抽吸 到預(yù)混合裝置的內(nèi)部，通過(guò)發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴將燃料噴射到 預(yù)混合裝置中，使噴射的燃料偏轉(zhuǎn)向預(yù)混合裝置中的預(yù)定的壁輪廓， 以便沿著預(yù)混合裝置的內(nèi)壁而形成燃料邊界層，并且使燃料和氧化 劑預(yù)混合而形成燃料-空氣混合物的步驟，其中預(yù)混合包括使燃料在 收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴的發(fā)散部分中過(guò)度膨脹，從而在發(fā)散 部分產(chǎn)生流分離區(qū)域，所述流分離區(qū)域構(gòu)造成在發(fā)散型燃料噴射槽 式噴嘴的出口處產(chǎn)生混合湍流，從而在空氣動(dòng)力學(xué)方面增強(qiáng)來(lái)自邊 界層的燃料與氧化劑的混合，而不會(huì)造成邊界層流分離和使火焰保 持在混合室中。
上面的簡(jiǎn)要說(shuō)明描述了本發(fā)明的特征，從而可更好地理解以下 的詳細(xì)說(shuō)明，并從而更好地領(lǐng)會(huì)本發(fā)明對(duì)本領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。當(dāng)然，在 后文中將描述本發(fā)明的其它特^f正，并且其將是所附權(quán)利要求的宗旨。
在這方面，在詳細(xì)解釋本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例之前，應(yīng)該懂
所顯示的結(jié)構(gòu)和布局的細(xì)節(jié)。本發(fā)明能夠有其它實(shí)施例，并且可以 各種方式來(lái)實(shí)踐或?qū)崿F(xiàn)。另外，還應(yīng)該懂得，這里采用的措詞和用 語(yǔ)是為了說(shuō)明的目的，而不應(yīng)該被認(rèn)為是限制性的。
因此，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該懂得，本發(fā)明公開(kāi)所基于的概 念可以很容易地用作設(shè)計(jì)其它結(jié)構(gòu)，方法和系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用于實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明的幾個(gè)目的。因此重要的是權(quán)利要求被認(rèn)為包括這種等效結(jié) 構(gòu)，只要其不脫離本發(fā)明的精髓和范圍內(nèi)即可。
此外，前面摘要的目的是可使美國(guó)專利和商標(biāo)局和公眾，尤其 科學(xué)家、工程師和本領(lǐng)域中不熟悉專利或法律詞語(yǔ)或用語(yǔ)的實(shí)踐人 能夠很快地從粗略審查中確定本發(fā)明公開(kāi)的本質(zhì)和技術(shù)要點(diǎn)。因此， 摘要既非旨在限制只由權(quán)利要求來(lái)闡釋的本發(fā)明或本申請(qǐng)，并且也 不意圖以任何方式來(lái)限制本發(fā)明的范圍。


通過(guò)參考結(jié)合附圖而變得更好理解的所作出的以下詳細(xì)說(shuō)明， 就很容易地獲得對(duì)本發(fā)明以及其許多優(yōu)點(diǎn)的更全面理解，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方面的燃?xì)鉁u輪的簡(jiǎn)圖，其具有帶預(yù)混
合裝置的燃燒器；
圖2是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方面的圖1燃?xì)鉁u輪中所采用的筒形燃 燒器的示范性構(gòu)造的簡(jiǎn)圖3是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方面的圖1燃?xì)鉁u輪中所采用的環(huán)形燃 燒器的示范性構(gòu)造的簡(jiǎn)圖4是圖1燃燒器中所采用的預(yù)混合裝置的示范性構(gòu)造的橫截 面圖，其帶有根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方面的收斂-發(fā)散型槽式噴嘴；
圖5顯示了圖4的收斂-發(fā)散型槽式噴嘴的透視圖6顯示了另一收斂-發(fā)散型槽式噴嘴的頂視圖，其在噴嘴的發(fā) 散部分帶有粗糙的壁；
圖7顯示了又一收斂-發(fā)散型槽式噴嘴的頂視圖，其帶有位于噴 嘴發(fā)散部分的鋸齒狀壁；
圖8顯示了又一收斂-發(fā)散型槽式噴嘴的頂視圖，其帶有位于噴 嘴發(fā)散部分的階梯狀的壁；
圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方面的多個(gè)相鄰的收斂-發(fā)散型槽式 噴嘴的頂視圖。
零部件清單
10燃?xì)鉁u輪；12燃燒器；14壓縮機(jī)；16渦輪；18軸；20外 殼；22燃燒器示范性構(gòu)造；24燃燒器外殼；26燃燒器襯套；28圓 頂板；30隔熱罩；32預(yù)混合裝置；34空氣流；36火焰；38冷卻 空；40燃燒器；42內(nèi)殼；44外殼；46燃燒器襯套；48燃燒器襯 套；50圓頂板；52隔熱罩；54隔熱罩；56擴(kuò)散器部分；58空氣 流；60預(yù)混合裝置；62燃料管線；64燃料管線；66火焰；70預(yù)
混合裝置；72進(jìn)氣口； 74混合室；76燃料室；78槽；80壁輪廓； 82燃料流；84擴(kuò)散器；86出口； 90收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴 嘴；92燃料入口； 94燃料出口； 96頂壁；98底壁；100側(cè)壁；101 流動(dòng)方向；102 90的高度；104 90的長(zhǎng)度；106收斂部分；108喉 部；110發(fā)散部分；112分離區(qū)域
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參看這些附圖來(lái)描述所公開(kāi)的預(yù)混合裝置的幾個(gè)實(shí)施 例，其中，在所有不同的附圖中，相似的標(biāo)號(hào)表示相同或相應(yīng)的部 件。在以下的解釋中，將使用所公開(kāi)的用于燃?xì)鉁u輪的預(yù)混合裝置 的典型實(shí)施例。然而，對(duì)于應(yīng)用領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言應(yīng)該明白 的是，相同的預(yù)混合裝置可用于主要由燃料和氧化劑的預(yù)混合來(lái)控 制燃燒的其它應(yīng)用領(lǐng)域。
圖1顯示了具有壓縮機(jī)14的燃?xì)鉁u輪10,壓縮機(jī)14在操作過(guò) 程中將高壓空氣供應(yīng)給低排放燃燒器12。在噴射到燃燒器12中的燃 料與空氣(或另 一氧化劑)燃燒之后，高溫燃燒氣體在高壓下離開(kāi)燃燒 器12，并通過(guò)渦輪16而膨脹，渦輪16通過(guò)軸18而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)14。 本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)該懂得，這里所提及的空氣或氣流還指 任何其它氧化劑，包括但并不局限于純氧氣或具有小于21%(例如10%) 的氧氣體積含量的污濁氣流。在一個(gè)實(shí)施例中，燃燒器12包括筒形 燃燒器。在一個(gè)備選實(shí)施例中，燃燒器12包括筒形-環(huán)形燃燒器或純 粹是環(huán)形燃燒器。根據(jù)應(yīng)用，燃燒氣體可進(jìn)一步在噴嘴(未顯示)中膨 脹，以產(chǎn)生推力，或者燃?xì)鉁u4侖10可具有額外的渦輪(未顯示)，以 便從燃燒氣體中吸取額外的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)外部載荷。
在所示的實(shí)施例中，燃燒器12包括限定燃燒區(qū)域的燃燒器外殼 20。另外，燃燒器12包括一種用于使壓縮空氣和燃料在燃燒區(qū)域中 燃燒之前進(jìn)行混合的預(yù)混合裝置。具體地說(shuō)，這種預(yù)混合裝置利用 柯恩達(dá)(Coanda)效應(yīng)來(lái)增強(qiáng)混合過(guò)程的效率。此處用的用語(yǔ)"柯恩達(dá)
效應(yīng)"指流體流其本身附著在表面附近、并且即使當(dāng)該表面彎曲而背 離初始流體運(yùn)動(dòng)方向時(shí)也保持附著的傾向。
圖2顯示了圖1燃?xì)鉁u輪10中所采用的低排放燃燒器22的示 范性構(gòu)造。在所示的實(shí)施例中，燃燒器22包括筒形燃燒器。燃燒器 22包括燃燒器外殼24和設(shè)置在燃燒器外殼24中的燃燒器襯套26。 燃燒器22還包括圓頂板28和構(gòu)造成用于減少燃燒器壁溫度的隔熱 罩30。此外，燃燒器22包括多個(gè)用于使氧化劑和燃料在燃燒之前預(yù) 混合的預(yù)混合裝置32。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于利用燃料例如氫的應(yīng) 用場(chǎng)合，可將多個(gè)預(yù)混合裝置32設(shè)置成可實(shí)現(xiàn)分階段將燃料引入到 燃燒器22中。在操作過(guò)程中，預(yù)混合裝置32接受氣流34,其與從 燃料增壓室引入到預(yù)混合裝置32中的燃料相混合。接下來(lái)，空氣-燃 料混合物在燃燒器22內(nèi)部的火焰36中進(jìn)行燃燒。在外殼24中還可 提供稀釋或冷卻孔38,如圖所示。
圖3顯示了圖1燃?xì)鉁u輪10中所采用的另一低排放燃燒器40 的另一示范性構(gòu)造。在所示的實(shí)施例中，燃燒器40包括環(huán)形燃燒器。 如圖所示，內(nèi)殼42和外殼44限定了燃燒器40中的燃燒區(qū)域。另夕卜， 燃燒器40通常包括內(nèi)、外燃燒器村套(liner)46和48以及圓頂板50。 此外，燃燒器40包括設(shè)置在內(nèi)、外燃燒器村套46和48附近的內(nèi)、 外隔熱罩52和54，以及用于在燃燒區(qū)域內(nèi)部引導(dǎo)氣流58的擴(kuò)散器 (difftiser)部分56。燃燒器40還包括多個(gè)設(shè)置在燃燒區(qū)域上游的預(yù)混 合裝置60。在操作過(guò)程中，相應(yīng)的預(yù)混合裝置60通過(guò)燃料管線62 和64而接收來(lái)自燃料室的燃料，該燃料被引導(dǎo)而流過(guò)預(yù)混合裝置60 內(nèi)部的預(yù)定的壁輪廓，其通過(guò)利用柯恩達(dá)效應(yīng)吸入空氣而用于增強(qiáng) 預(yù)混合裝置60的混合效率。此外，來(lái)自燃料管線62和64的燃料與 引入的氣流58相混合，并將用于燃燒的燃料-空氣混合物傳送到火焰 66處。在這個(gè)實(shí)施例中，燃料的引入改變了燃燒器40中的空氣分流。 具體地說(shuō)，由于柯恩達(dá)效應(yīng)所產(chǎn)生的壓力變化而基本上減少了稀釋 的空氣，并且增加了燃燒器40中的燃燒的空氣分流。
圖4是上述燃燒器中所釆用的預(yù)混合裝置70的示范性構(gòu)造的^黃 截面圖。在圖4所示的實(shí)施例中，預(yù)混合裝置70包括構(gòu)造成用于將
壓縮空氣引入到混合室74中的進(jìn)氣口 72。此外，預(yù)混合裝置70包 括燃料室76,從中通過(guò)設(shè)置在環(huán)向槽78中的收斂-發(fā)散型燃料噴射 槽式噴嘴90而將燃料提供給混合室74。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng) 該懂得，槽78可以連續(xù)地或離散地設(shè)置在預(yù)混合裝置70的圓周周
90在槽78中的構(gòu)造。為了圖示說(shuō)明燃料噴射槽式噴嘴90的三維性 質(zhì)，圖4的放大部分是已經(jīng)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)的。下面將結(jié)合圖5進(jìn)一步解 釋燃料噴射槽式噴嘴90的詳細(xì)細(xì)節(jié)。
通過(guò)收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴90而引入的燃料被偏轉(zhuǎn)到預(yù) 定的壁輪廓(wall profile)80上，^v而產(chǎn)生燃料流82。在這個(gè)典型的實(shí) 施例中，預(yù)混合裝置70具有環(huán)形構(gòu)造，并且沿徑向方向?qū)⑷剂弦?并跨過(guò)預(yù)定的壁輪廓80?？苫谒璧念A(yù)混合效率和操作條件，包 括例如但并不局限于燃料壓力、燃料溫度、進(jìn)氣溫度和燃料噴射速 度等因素，來(lái)選擇/優(yōu)化預(yù)定的壁輪廓80的幾何形狀和尺寸。燃料的 示例包括天然氣、含氫量高的氣體、氫、沼氣、 一氧化碳和合成氣。 然而，可采用各種其它燃料。在所示的實(shí)施例中，預(yù)定的壁輪廓80 通過(guò)柯恩達(dá)效應(yīng)造成所引入的燃料附著在壁輪廓80上，因而形成燃 料邊界層。這個(gè)燃料邊界層便于吸氣，從而增強(qiáng)預(yù)混合裝置70的混 合室74中的混合效率。
在所示的實(shí)施例中，通過(guò)進(jìn)氣口 72將進(jìn)氣引入到預(yù)混合裝置70 中。在某些實(shí)施例中，可通過(guò)多個(gè)進(jìn)氣口而引入空氣流，這些進(jìn)氣 口設(shè)置在環(huán)向槽78的上游或下游，以促進(jìn)空氣和燃料在混合室74 中的混合。類似地，可沿著預(yù)混合裝置70的長(zhǎng)度，在多個(gè)位置，通 過(guò)多個(gè)槽來(lái)噴射燃料。在另一實(shí)施例中，預(yù)混合裝置70可包括設(shè)置 在裝置70上游的(未顯示出的)旋流器(swirler),其用于在引入到混合 室74中的空氣中提供旋渦運(yùn)動(dòng)。在另一實(shí)施例中，旋流器(未顯示)
設(shè)置在燃料入口間隙處，用于引起跨過(guò)預(yù)定的壁輪廓80的燃料流的 旋渦運(yùn)動(dòng)。在又一實(shí)施例中，空氣旋流器可放置在相同的軸向水平
上，并與預(yù)混合裝置70同軸，位于預(yù)混合裝置70的出口平面上。
此外，預(yù)混合裝置70還包括擴(kuò)散器84，其具有直的或發(fā)散的輪 廓，用于將成形于混合室74中的燃料-空氣混合物通過(guò)出口 86而引 導(dǎo)至燃燒區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，用于擴(kuò)散器84的角度在大約+/-0 度至大約25度的范圍內(nèi)。預(yù)混合裝置70的預(yù)混合程度受到多種因 素的控制，例如，但并不局限于燃料類型、預(yù)定的壁輪廓80的幾何 形狀、空氣預(yù)旋渦的程度、環(huán)向槽78的尺寸、燃料壓力、燃料溫度、 進(jìn)氣溫度、擴(kuò)散器84的長(zhǎng)度和角度、以及燃料噴射速度。
在操作過(guò)程中，預(yù)定的壁輪廓80促進(jìn)燃料邊界層沿著擴(kuò)散器84 而形成，而來(lái)自進(jìn)氣口 72的一部分氣流被燃料邊界層吸入而形成剪 切層，其用于促進(jìn)進(jìn)氣或氧化劑與燃料的混合。在所示的實(shí)施例中， 在比進(jìn)氣壓力相對(duì)較高的壓力下供給燃料。在一個(gè)實(shí)施例中，燃料 壓力比進(jìn)氣口 72處的進(jìn)氣壓力高大約1%至大約25%。
上述燃料邊界層由柯恩達(dá)效應(yīng)形成。在所示的實(shí)施例中，燃料 流82附著在壁輪廓80上，并且即使當(dāng)壁輪廓80彎曲而背離初始燃 料流向時(shí)，仍保持附著在該表面上。更具體地說(shuō)，隨著燃料流在壁 輪廓80周圍的加速，在該流量上存在壓力差，其使燃料流82偏轉(zhuǎn) 而更靠近壁輪廓80的表面。隨著燃料流82跨過(guò)壁輪廓80，在燃料 流82和壁輪廓80之間發(fā)生一定量的表面摩擦。這種流動(dòng)阻力使燃 料流82偏轉(zhuǎn)向壁輪廓80，從而造成其仍保持接近于壁輪廓80。此 外，通過(guò)這種機(jī)制而形成的燃料邊界層吸入引入的氣流而形成剪切 層，以促進(jìn)空氣流和燃料的混合。共同轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)受讓人的美國(guó) 專利申請(qǐng)No.11/273,212進(jìn)一步討論了具有柯恩達(dá)效應(yīng)表面的預(yù)混合 裝置，該專利申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用而完整地結(jié)合在本文中。
圖5中顯示了設(shè)置在預(yù)混合裝置70中的收斂-發(fā)散型燃料噴射槽 式噴嘴90的結(jié)構(gòu)特征。這種收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴90用于
在噴射到氧化劑流之前，在槽內(nèi)部創(chuàng)造橫向的流分離區(qū)域112。流分 離區(qū)域112中的流動(dòng)迫使燃料膨脹，并創(chuàng)造混合湍流，從而增強(qiáng)燃 料與自由的氧化劑流在混合室中的混合。收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式
噴嘴90包括燃料進(jìn)口 92，燃料出口 94,頂壁96，底壁98，和側(cè)壁 100。在與燃料流動(dòng)方向101垂直的方向上測(cè)得的收斂-發(fā)散型燃料槽 式噴嘴90的高度102沿著槽式噴嘴90的長(zhǎng)度104基本上是恒定不 變的，而側(cè)壁100在橫向上的形狀設(shè)置成可形成從入口 92至喉部108 的收斂部分106,以及從喉部108的下游延伸至出口 94的發(fā)散部分 110。
在操作過(guò)程中，燃料首先在收斂-發(fā)散型槽式噴嘴90的收斂部分 106朝著喉部108進(jìn)行加速，隨后在槽的發(fā)散部分110過(guò)度膨脹，從 而在出口 94處噴射入氧化劑流之前，在槽內(nèi)部產(chǎn)生橫向的流分離區(qū) 域112。如圖所示，這種分離發(fā)生在槽的內(nèi)部，迫使燃料膨脹，并產(chǎn) 生混合湍流。本領(lǐng)域中的普通一支術(shù)人員應(yīng)該懂得，由112處的局部 流分離所產(chǎn)生的增加的湍流水平將提高噴射燃料與自由的氧化劑流 在收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴90的出口 94處的混合水平。由局 部流分離區(qū)域112所產(chǎn)生的額外湍流增強(qiáng)了燃料和氧化劑在槽出口 94 外部區(qū)域的混合，同時(shí)仍可避免燃料射流離開(kāi)槽時(shí)的偏離。用于燃 料噴射通道的幾何形狀構(gòu)造成可至少借助于槽式噴嘴的幾何形狀內(nèi) 部的流體動(dòng)力學(xué)特性，來(lái)促進(jìn)來(lái)自槽式噴嘴出口的燃料和氧化劑的 混合。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)該懂得，并不要求該槽具有收斂 部分106。當(dāng)提供收斂部分106時(shí)，通常形成喉部區(qū)域，以考慮對(duì)流 量進(jìn)行計(jì)量，并防止任何逆燃，并且收斂-發(fā)散型槽可更易于制造和 擁有減少的流量損失。但一般而言，槽的入口在一些長(zhǎng)度上可以具 有恒定的橫截面，之后跟隨有發(fā)散部分。槽的入口還可以是圓形的， 其實(shí)際上用作喉部。 '
收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴90的發(fā)散角度足夠大，"促使流 分離區(qū)域112包含在槽的內(nèi)部，但不超出出口 94，如圖5中所示。
在一個(gè)實(shí)施例中，在槽式噴嘴90的兩個(gè)側(cè)壁100的各側(cè)壁上，發(fā)散
角度a為20°或更大。在另一實(shí)施例中，選擇發(fā)散區(qū)域的長(zhǎng)度114， 從而保證任何分離氣泡在槽式噴嘴90的出口 94之前被沖洗掉?；?者，發(fā)散區(qū)域可具有彎曲的壁，其提高了離喉部108的軸向距離的 發(fā)散度。在亞聲速的槽式噴嘴90中，入口 92處停滯壓力對(duì)出口 94 處?kù)o壓力的比值可以從大約1.2變化至1.8。在另一實(shí)施例中，該比 值優(yōu)選1.5。
如圖4中所示，收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴90的壁94與預(yù) 混合裝置70的壁輪廓80 —起形成了連續(xù)表面，從而允許與加速的 氧化劑主流成近似切線方向地沿著產(chǎn)生柯恩達(dá)效應(yīng)的表面而噴射燃 料。因此，在收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴90的內(nèi)部，由局部流分 離區(qū)域112所產(chǎn)生的較高水平的湍流被引入到燃料中，從而提高了 燃料和氧化劑的混合能力。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴90的 側(cè)壁100經(jīng)過(guò)改進(jìn)，以進(jìn)一步增強(qiáng)如剛才所述的湍流的形成。例如， 圖6顯示了第一典型實(shí)施例，其中沿著發(fā)散部分110將側(cè)壁100制 造成表面粗糙的，以便促進(jìn)額外的混合，同時(shí)減少流分離區(qū)域112 將超出出口 94的可能性。在圖7中，側(cè)壁100沿著發(fā)散部分110是 鋸齒狀的，并且在圖8中，側(cè)壁沿著發(fā)散部分110是階梯狀的。本 領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)該懂得，除了圖6-8中所顯示的三個(gè)典型示 例以外，能夠在沿著上述那些表面的流中產(chǎn)生湍流或較小擾動(dòng)的發(fā) 散部分的其它實(shí)施例，也是屬于所公開(kāi)的本發(fā)明的范圍內(nèi)的。設(shè)置 在各側(cè)壁上的圖6-8中所示的特征，以及其它等效特征，不應(yīng)該對(duì)局 部流通截面積構(gòu)成超過(guò)5%至20%的阻擋(同平滑表面的實(shí)施例比 較)，并且優(yōu)選為大約10%的阻擋。
在所公開(kāi)的預(yù)混合裝置中，沿著柯恩達(dá)效應(yīng)表面噴射的燃料包 含由收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式嘖嘴90產(chǎn)生的增強(qiáng)的湍流水平，因而, 更有效地在短距離內(nèi)與氧化劑相混合，同時(shí)最大程度地減小和/或消
除了使燃料分離和導(dǎo)致自動(dòng)點(diǎn)火或使火焰保持在混合室內(nèi)部的可能 性。用于燃料噴射通道的幾何形狀可使得來(lái)自槽式噴嘴出口的燃料 和氧化劑的混合通過(guò)槽式噴嘴的幾何形狀內(nèi)部的流體動(dòng)力學(xué)而得到 進(jìn)一步促進(jìn)，從而有助于在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料-空氣混合水平的提高， 而不會(huì)引起燃料沿著噴射表面或混合室的擴(kuò)散器壁發(fā)生偏離或分 離。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)該懂得，所公開(kāi)的本發(fā)明覆蓋了廣 泛范圍的收斂-發(fā)散型噴射槽類型，其可與預(yù)混合裝置的柯恩達(dá)效應(yīng) 表面構(gòu)成整體，同傳統(tǒng)的利用交叉流動(dòng)的弧形噴嘴的離散噴射比較， 改進(jìn)了性能。
在所公開(kāi)的本發(fā)明的另一實(shí)施例中，預(yù)混合裝置70還可包括連 續(xù)的燃料進(jìn)口槽，該槽中設(shè)置有多個(gè)相鄰的內(nèi)部收斂-發(fā)散型燃料噴 射槽式噴嘴，如圖9中所示。應(yīng)該明白，圖9中所示的收斂-發(fā)散型 槽還可各包括上述側(cè)壁變型，乂人而進(jìn)一步增強(qiáng)如剛才所述的'湍流的 成形。當(dāng)多個(gè)相鄰的內(nèi)部收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴放置成彼此 相鄰時(shí)，任何兩個(gè)相鄰槽會(huì)合在一起的出口壁將不會(huì)形成非流線型 體的弱化區(qū)域，從而可能導(dǎo)致分離流，并因而保持住火焰。相反， 這種會(huì)合應(yīng)該在發(fā)散區(qū)域中相遇，以允許流分離發(fā)生在燃料和氧化 劑相遇之前，或者這種會(huì)合部應(yīng)該成形成具有小半徑的特征或突變 邊緣，從而不可能形成流分離區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，可在槽出口， 或甚至在槽出口之后，形成突變會(huì)合部。
本發(fā)明的收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴90可成形為分開(kāi)的部 件，以裝配到預(yù)混合裝置70中?；蛘撸凼絿娮?0還可成形為預(yù) 混合裝置70的一整體部分。在特殊的實(shí)施例中，收斂-發(fā)散型燃料噴 射槽式噴嘴澆鑄成預(yù)混合裝置70的一整體部分。
上述預(yù)混合裝置還可用于氣體-液體系統(tǒng)，以增強(qiáng)氧氣和天然氣 在系統(tǒng)的燃燒器中發(fā)生反應(yīng)之前的預(yù)混合。通常，氣體-液體系統(tǒng)包 括空氣分離單元，氣體處理單元和燃燒器。在操作過(guò)程中，空氣分 離單元從空氣中分離出氧氣，并且氣體處理單元制備好天然氣，以
便燃燒器中進(jìn)行轉(zhuǎn)化。來(lái)自空氣分離單元的氧氣和來(lái)自氣體處理單 元的天然氣被引導(dǎo)至燃燒器，在這里使天然氣和氧氣在高溫和高壓 下起反應(yīng)而產(chǎn)生合成氣。在這個(gè)實(shí)施例中，預(yù)混合裝置聯(lián)接在燃燒 器上，以促進(jìn)氧氣和天然氣在燃燒器中發(fā)生反應(yīng)之前的預(yù)混合。此 外，至少一個(gè)預(yù)先混合裝置的表面具有預(yù)定的輪廓，其中預(yù)定的輪 廓使氧氣偏轉(zhuǎn)，以便于氧氣附著在該輪廓上而形成邊界層，收斂-發(fā) 散型槽式噴嘴產(chǎn)生局部湍流，而沒(méi)有引起混合室內(nèi)部的邊界層流分 離，并且邊界層帶走引入的天然氣，可使天然氣和氧氣以高的燃料-氧氣當(dāng)量比(例如大約3.5至大約4，或者更大)進(jìn)行混合，從而最大 限度地提高合成氣產(chǎn)量，同時(shí)最大程度地減小停留時(shí)間。在某些實(shí) 施例中，可將蒸氣添加至氧氣或燃料中，以增強(qiáng)處理效率。
然后，使合成氣驟冷，并引入到費(fèi)-托(Fischer-Tr叩sh)處理單元， 在這里通過(guò)催化將氳氣和一氧化碳重組成長(zhǎng)鏈的液態(tài)碳?xì)浠衔铩?最后，在裂化裝置中將液態(tài)碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化和分餾成產(chǎn)物。有利的 是，基于柯恩達(dá)效應(yīng)，并結(jié)合用以產(chǎn)生局部湍流，而沒(méi)有引起混合 室內(nèi)部的邊界層流分離的收斂-發(fā)散型槽式噴嘴的預(yù)混合裝置，其可 導(dǎo)致天然氣和氧氣的快速預(yù)混合，并極大地縮短了氣體-液體系統(tǒng)中 的停留時(shí)間。
上述方法的各個(gè)方面在不同的應(yīng)用場(chǎng)合具有適用性，例如在燃 氣渦輪和加熱設(shè)備如熔爐中所采用的燃燒器。此外，這里所述的技 術(shù)增強(qiáng)了燃料和空氣在燃燒之前的預(yù)混合，從而極大地減少了排放 物，并增強(qiáng)了系統(tǒng)如燃?xì)鉁u輪和氣體燃燒器的效率。預(yù)混合技術(shù)可 用于不同的燃料，例如但并不局限于具有較高和較低比容熱值的氣 態(tài)化石燃料，包括天然氣、烴類， 一氧化碳、氬、沼氣和合成氣。 因此，在用于整體式氣化組合循環(huán)(IGCC)的燃料適應(yīng)性的燃燒器中 可采用預(yù)混合裝置，以減少污染物排放。另外，煤氣灶器具中可采 用預(yù)混合裝置。在某些實(shí)施例中，可在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的氫氣燃緣器以 及其它用于航空衍生機(jī)器和重型機(jī)器的燃?xì)鉁u輪燃燒器中采用預(yù)混
合裝置。具體地說(shuō)，所述預(yù)混合裝置可促進(jìn)為采用較低英制熱單位
(BTU)至高氬和純氬沃泊指數(shù)(Wobbe index)的燃料類型的系統(tǒng)極大地 減少排放物。此外，可利用預(yù)混合裝置來(lái)促進(jìn)例如氧氣化燃料流的 局部混合，其對(duì)于二氧化碳自由循環(huán)和廢氣再循環(huán)將特別有用。
因此，上述基于柯恩達(dá)效應(yīng)的預(yù)混合技術(shù)可使預(yù)混合增強(qiáng)，并 且保持燃燒器中的火焰穩(wěn)定性。此外，目前技術(shù)可使這種燃燒器排 放降低尤其是NOx排放物，從而以對(duì)環(huán)境更為友好的方式而促進(jìn)燃 氣渦輪的操作。在某些實(shí)施例中，這種技術(shù)促進(jìn)了燃燒器，更具體 地說(shuō)是氫燃燒器上的壓力降的最小化。另外，通過(guò)柯恩達(dá)效應(yīng)獲得 的增強(qiáng)的預(yù)混合便于增強(qiáng)調(diào)節(jié)性(即燃燒器的最大點(diǎn)火容量對(duì)最小點(diǎn) 火容量之比)，逆燃阻力以及提高燃燒器的燃燒中斷的安4^邊際。
在所示的實(shí)施例中，燃料邊界層沿著壁通過(guò)柯恩達(dá)效應(yīng)而定位， 導(dǎo)致在包括預(yù)混合裝置出口平面的壁上基本較高的燃料濃度水平。 此外，調(diào)節(jié)性受益于壁上存在較高的燃料濃度，從而保持火焰穩(wěn)定。 因此，在壁附近易燃混合物的缺失和壁上100。/。燃料的存在確定該區(qū) 域不存在火焰，從而增加阻止逆燃的能力。應(yīng)該注意的是，保持火 焰遠(yuǎn)離壁，因而允許更好的調(diào)節(jié)性(turndown)，并允許對(duì)具有低至大 約0.2的當(dāng)量比的天然氣和空氣混合物進(jìn)行操作。另外，同現(xiàn)有系統(tǒng) 相比較，顯著地增加了燃燒中斷的安全邊際。此外，如早前所述， 這個(gè)系統(tǒng)可供各種燃料使用，因而增強(qiáng)了燃料適應(yīng)性。例如，系統(tǒng) 可利用天然氣或H2作為燃料。這種系統(tǒng)的燃料適應(yīng)性消除了對(duì)不同 燃料所需要不同燃料口而進(jìn)行硬件變化或復(fù)雜構(gòu)造的需求。如上所 述，所述預(yù)混合裝置可供各種燃料利用，因而提供了系統(tǒng)的燃料適 應(yīng)性。此外，可在現(xiàn)有的筒形或筒形環(huán)形燃燒器中采用上述技術(shù)， 以減少排放和燃燒器中的任何動(dòng)力學(xué)振動(dòng)和波動(dòng)。此外，可在現(xiàn)有 燃燒器中采用所示裝置作為實(shí)驗(yàn)裝置。
在本發(fā)明實(shí)施例的范圍內(nèi)，還公開(kāi)了用于使燃料和氧化齊〗在燃 燒系統(tǒng)中預(yù)混合的方法，這種方法包括，通過(guò)氧化劑入口將氧化劑抽吸到預(yù)混合裝置的內(nèi)部，通過(guò)收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴將燃 料噴射到預(yù)混合裝置中，使噴射的燃料偏轉(zhuǎn)向預(yù)混合裝置中的預(yù)定 的壁輪廓，以便沿著預(yù)混合裝置的內(nèi)壁而形成燃料邊界層，并且使 燃料和氧化劑預(yù)混合而形成燃術(shù)斗-空氣混合物的步驟，其中，預(yù)混合 包括使燃料在收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴的發(fā)散部分中過(guò)度膨 脹，從而在發(fā)散部分產(chǎn)生流分離區(qū)域，所述流分離區(qū)域局限于發(fā)散 部分，并構(gòu)造成用于在收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴的出口處產(chǎn)生 混合湍流，從而在空氣動(dòng)力學(xué)方面增強(qiáng)來(lái)自邊界層的燃料與氧化劑 的混合，而不會(huì)造成邊界層流分離和使火焰保持在混合室中。
關(guān)于上面的詳細(xì)描述，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，對(duì)于本發(fā)明部件的最佳尺 寸關(guān)系，包括尺寸變化，形狀函數(shù)和操作方法，組裝和使用等方面， 都被視為本領(lǐng)域中的技術(shù)人員所能易于領(lǐng)會(huì)和明晰的，因此，所有 與圖中所示和說(shuō)明書(shū)中所述相等效的關(guān)系都意圖只被所附權(quán)利要求 的范圍所包括進(jìn)來(lái)。另外，雖然已經(jīng)在附圖中顯示并在上文中結(jié)合 目前^皮視為本發(fā)明最切實(shí)際的幾個(gè)典型實(shí)施例而全面地具體且詳細(xì) 地描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫 離本文所闡述的原理和構(gòu)思的條件下，可設(shè)計(jì)出本發(fā)明的許多變型。 因此，本發(fā)明的合適范圍應(yīng)該只由所附權(quán)利要求的最廣泛含義來(lái)確 定，從而包含所有這類變型和等效設(shè)置。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)混合裝置(70)，包括進(jìn)氣口(72)；至少一個(gè)與所述進(jìn)氣口的末端部分形成流體連通的燃料進(jìn)口槽(78)，所述至少一個(gè)燃料進(jìn)口槽包括構(gòu)造成沿著所述預(yù)混合裝置的一部分內(nèi)壁形成燃料邊界層的壁輪廓(80)；混合室(74)，在所述混合室(74)中，來(lái)自所述進(jìn)氣口的壓縮空氣與來(lái)自所述邊界層的燃料相混合，所述混合室設(shè)置在所述進(jìn)氣口和所述至少一個(gè)燃料進(jìn)口槽的下游；和至少一個(gè)設(shè)置在所述至少一個(gè)燃料進(jìn)口槽內(nèi)部的發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴(90)，所述至少一個(gè)發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴構(gòu)造成用于在其一部分的內(nèi)部產(chǎn)生流分離區(qū)域(112)，所述流分離區(qū)域構(gòu)造成在所述至少一個(gè)發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴的出口(94)處產(chǎn)生混合湍流，從而在空氣動(dòng)力學(xué)方面增強(qiáng)來(lái)自所述邊界層的燃料與壓縮空氣的混合，而不會(huì)造成邊界層流分離和使火焰保持在所述混合室中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)混合裝置，其特征在于，所述至少 一個(gè)發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴包括至少 一個(gè)收斂-發(fā)散型燃料噴射槽 式噴嘴，并且所述流分離區(qū)域局限于所述至少一個(gè)收斂-發(fā)散燃料噴 射槽式噴嘴的發(fā)散部分(IIO)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的預(yù)混合裝置，其特征在于，所述壁輪 廓構(gòu)造成能夠通過(guò)柯恩達(dá)效應(yīng)而使穿過(guò)所述至少一個(gè)燃料進(jìn)口槽而 供應(yīng)的燃料偏轉(zhuǎn)向所述壁輪廓；所述至少一個(gè)收斂-發(fā)散型燃料噴射 槽式噴嘴包括入口(92)、喉部(108)、頂壁(96)、底壁(98)和側(cè)壁(100)， 所述側(cè)壁在橫向上的形狀設(shè)置成形成從所述入口至所述喉部的收斂 部分(106)，以及從所述喉部下游延伸至所述出口的發(fā)散部分(110); 并且，所述發(fā)散部分的發(fā)散角度為大約20度或更大。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的預(yù)混合裝置，其特征在于，所述至少一個(gè)收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴的底壁與壁輪廓一起形成了連續(xù) 表面，從而允許與所述壓縮空氣流成近似切線方向地噴射燃料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的預(yù)混合裝置，其特征在于，所述側(cè)壁 的發(fā)散部分選自粗糙壁、鋸齒狀壁、階梯狀壁和它們的組合。
6. —種燃?xì)鉁u輪燃燒器，所述燃?xì)鉁u輪燃燒器包括根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的預(yù)混合裝置，其中，所述燃?xì)鉁u輪燃燒器包括筒形燃燒器、或筒形-環(huán)形燃燒器，或環(huán)形燃燒器，并且所述燃料包 括天然氣，或含氬量高的氣體，或氫氣，或沼氣，或一氧化碳，或 合成氣。
7. —種用于在燃燒系統(tǒng)中使燃料和氧化劑預(yù)混合的方法，其包括:通過(guò)氧化劑入口將氧化劑抽吸到預(yù)混合裝置的內(nèi)部； 通過(guò)至少一個(gè)發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴將燃料噴射到所述預(yù)混 合裝置內(nèi)；使噴射的燃料偏轉(zhuǎn)向所述預(yù)混合裝置中的預(yù)定的壁輪廓，從而 沿著所述預(yù)混合裝置的內(nèi)壁而形成燃料邊界層；和使所述燃料和氧化劑預(yù)混合而形成燃料-空氣混合物，其中，所 述預(yù)混合包括在所述至少 一個(gè)發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴的發(fā)散部分 中使燃料過(guò)分膨脹，從而在所述發(fā)散部分產(chǎn)生流分離.區(qū)域，所述流 分離區(qū)域構(gòu)造成在所述至少一個(gè)收斂-發(fā)散型燃料噴射槽式噴嘴的出 口處產(chǎn)生混合湍流，從而在氣體動(dòng)力學(xué)方面增強(qiáng)來(lái)自所述邊界層的 燃料與所述氧化劑的混合，而不會(huì)導(dǎo)致邊界層流分離和使火焰保持 在所述混合室中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述偏轉(zhuǎn)還包括， 借助于所述預(yù)定的壁輪廓來(lái)$ 1起柯恩達(dá)效應(yīng)。
9. 一種燃?xì)鉁u輪，包括 壓縮機(jī)；與所述壓縮機(jī)形成流體連通的燃燒器，所述燃燒器構(gòu)造成用來(lái)燃燒燃料和空氣的預(yù)混合的混合物，所述燃燒器包括根據(jù)權(quán)利要求1-5 中任一項(xiàng)所述的預(yù)混合裝置，所述預(yù)混合裝置設(shè)置在所述燃燒器的上游；和渦輪，其定位在所述燃燒器下游，并構(gòu)造成用于使流出所述燃 燒器的氣流膨脹。
10. —種氣體-液體系統(tǒng)，包括構(gòu)造成用于從空氣中分離出氧氣的空氣分離單元；用于制備天然氣的氣體處理單元；燃燒器，其用于使氧氣和天然氣在高溫和高壓下發(fā)生反應(yīng)，以 產(chǎn)生富含一氧化碳和氫氣的合成氣；根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的預(yù)混合裝置，其設(shè)置在所述燃 燒器的上游，以便促進(jìn)氧氣和天然氣在所述燃燒器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)之前 的預(yù)混合；和與所述燃燒器形成流體連通的渦輪膨脹器，其用于從所述合成 氣中吸取功，并用于使所述合成氣驟冷。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于增強(qiáng)預(yù)混合裝置中混合的燃料噴射槽式噴嘴和方法。具體而言，本發(fā)明公開(kāi)了一種預(yù)混合裝置(70)，包括進(jìn)氣口(72)、至少一個(gè)燃料進(jìn)口槽(78)、混合室(74)及至少一個(gè)燃料噴射槽式噴嘴(90)，燃料進(jìn)口槽(78)具有構(gòu)造成沿著預(yù)混合裝置一部分壁形成燃料邊界層的壁輪廓(80)，燃料噴射槽式噴嘴(90)設(shè)置在燃料進(jìn)口槽內(nèi)部，并且構(gòu)造成用于在發(fā)散部分(110)產(chǎn)生流分離區(qū)域(112)，并在其出口(94)處產(chǎn)生混合湍流，從而增強(qiáng)來(lái)自邊界層的燃料與壓縮空氣的混合，而不會(huì)造成邊界層流分離和使火焰保持在混合室中。本發(fā)明還公開(kāi)了利用該預(yù)混合裝置的低排放燃燒器，燃?xì)鉁u輪燃燒器，用于在燃燒系統(tǒng)中使燃料和氧化劑預(yù)混合的方法，燃?xì)鉁u輪，以及氣體-液體系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F23R3/28GK101201176SQ20071016944
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者R·S·邦克 申請(qǐng)人:通用電氣公司