專利名稱：預(yù)混合式直接噴射盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文中所公開的主題涉及預(yù)混合式直接噴射燃燒系統(tǒng)，并且更具體而言，涉及一 種具有良好的混合、抗火焰穩(wěn)定(flame holding)和抗回火的直接噴射盤。
背景技術(shù)：
由燃燒傳統(tǒng)碳?xì)浠衔锶剂系娜細(xì)廨啓C(jī)通常產(chǎn)生的主要空氣污染排放物為氮氧 化物、一氧化碳以及未燃燒的碳?xì)浠衔铩１绢I(lǐng)域中眾說(shuō)周知的是，吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中的分子 態(tài)氮的氧化極大地取決于燃燒系統(tǒng)反應(yīng)區(qū)中的最高熱氣體溫度。將熱力發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器的反 應(yīng)區(qū)的溫度控制在形成熱NOx的水平以下的一種方法是在燃燒前將燃料和空氣預(yù)混合成 貧混合物。存在與利用燃料和空氣的貧預(yù)混合而運(yùn)行的干式低排放燃燒器相關(guān)的若干問(wèn)題。 更確切地說(shuō)，燃料和空氣的可燃混合物存在于燃燒器的預(yù)混合區(qū)段內(nèi)，該預(yù)混合區(qū)段在燃 燒器的反應(yīng)區(qū)外部。典型地，存在一定的整體(bulk)預(yù)混合區(qū)速度，若高于該速度則預(yù)混 合器中的火焰將被推出到主燃燒區(qū)。然而，某些燃料(例如氫或合成氣)具有高火焰速度。 由于高的湍流火焰速度和寬的可燃性范圍，因此預(yù)混合氫燃料燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)受到在合理的 噴嘴壓力損失下火焰穩(wěn)定和回火的挑戰(zhàn)。使用直接燃料噴射方法的關(guān)于氫和合成氣燃料的 擴(kuò)散燃燒固有地產(chǎn)生比貧預(yù)混合燃燒高的NOx。關(guān)于天然氣作為燃料，帶有足夠的火焰穩(wěn)定界限(即，用于在預(yù)混合器內(nèi)部不帶 有火焰穩(wěn)定而運(yùn)行的空氣動(dòng)力窗口)的預(yù)混合器通?？稍O(shè)計(jì)成帶有適當(dāng)?shù)偷目諝鈧?cè)壓降。 然而，關(guān)于更活性的燃料(例如高氫燃料)，對(duì)于火焰穩(wěn)定界限和目標(biāo)壓降的設(shè)計(jì)成為挑 戰(zhàn)。由于現(xiàn)有技術(shù)水平的噴嘴的設(shè)計(jì)點(diǎn)可接近3000華氏度的整體火焰溫度，因此引起穩(wěn)定 火焰的進(jìn)入到噴嘴中的回火可在很短的時(shí)段中造成對(duì)噴嘴的極大損傷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為一種預(yù)混合式直接噴射盤設(shè)計(jì)，其提供帶有低的燃燒產(chǎn)生的NOx且轉(zhuǎn)化 為高的燃?xì)廨啓C(jī)效率的低的流動(dòng)壓力損失的燃料空氣混合。該預(yù)混合式直接噴射盤設(shè)計(jì)成 替代在罐式燃燒器的保持端處通常見(jiàn)到的燃料噴嘴和蓋罩組件。本發(fā)明耐用、易于構(gòu)造，并 且具有進(jìn)入到噴嘴中的火焰的回火的低危險(xiǎn)。 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種用于燃料/空氣混合燃燒器組件中的燃料/空氣 混合盤。該盤包括第一面、第二面以及設(shè)置在兩者之間且適合與燃料流動(dòng)通路處于流體連 通的至少一個(gè)燃料室。多個(gè)燃料/空氣混合管在第一面和第二面之間延伸通過(guò)預(yù)混合盤， 各混合管包括在進(jìn)口端和出口端之間沿著管軸線軸向延伸的外管壁并且與該至少一個(gè)燃 料室處于流體連通。多個(gè)燃料/空氣混合管的至少一部分還包括具有延伸通過(guò)所述外管壁 的燃料噴射孔直徑的至少一個(gè)燃料噴射孔。該至少一個(gè)燃料噴射孔具有相對(duì)于所述管軸線 的噴射角，所述噴射角在20到90度的范圍中。后退距離(recession distance)在所述 燃料噴射孔和所述出口端之間沿著所述管軸線延伸，所述后退距離是所述燃料噴射孔直徑的約 5 到 100 倍(said recession distance being about 5 tolOO times greater than said fuel injection hole diameter)0根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于燃料/空氣預(yù)混合燃燒器組件中的燃料/空氣混合盤。該盤包括第一面、第二面以及設(shè)置在兩者之間且適合與燃料流動(dòng)通路處于流 體連通的至少一個(gè)燃料室。多個(gè)燃料/空氣混合管在第一面和第二面之間延伸通過(guò)預(yù)混合 盤，各混合管包括在進(jìn)口端和出口端之間沿著管軸線軸向延伸的外管壁并且與該至少一個(gè) 燃料室處于流體連通，以及具有內(nèi)徑的內(nèi)管表面。多個(gè)燃料/空氣混合管中的每一個(gè)還包 括具有延伸通過(guò)所述外管壁的燃料噴射孔直徑的至少一個(gè)燃料噴射孔。該至少一個(gè)燃料噴 射孔具有相對(duì)于所述管軸線的噴射角，所述內(nèi)管表面的所述內(nèi)徑是所述燃料噴射孔直徑的 2到20倍。后退距離在所述燃料噴射孔和所述出口端之間沿著所述管軸線延伸，所述后退 距離是所述燃料噴射孔直徑的約1到50倍。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種在用于渦輪燃燒器的預(yù)混合式直接噴射盤中 混合高氫燃料的方法。該方法包括提供盤，該盤具有第一面、第二面以及設(shè)置在兩者之間且 適合與燃料流動(dòng)通路處于流體連通的至少一個(gè)燃料室。該方法還包括提供在第一面和第 二面之間延伸通過(guò)預(yù)混合盤的燃料/空氣混合管，所述多個(gè)混合管中的每一個(gè)在進(jìn)口端和 出口端之間沿著流動(dòng)路徑軸向延伸并且與該至少一個(gè)燃料室處于流體連通，所述多個(gè)管中 的每一個(gè)包括在所述進(jìn)口端和所述出口端之間沿著管軸線軸向延伸的外管壁。該方法還包 括在所述進(jìn)口端處將第一流體噴射到所述多個(gè)混合管中；將高氫燃料或合成氣體提供到 所述至少一個(gè)燃料室中；通過(guò)以在相對(duì)于所述管軸線的20到90度的范圍中的角度的多個(gè) 噴射孔將所述高氫燃料或合成氣體從該至少一個(gè)燃料室中噴射到所述混合管中；以及在所 述管的所述出口端處將所述第一流體和所述高氫燃料或合成氣體混合成混合度大于50% 的燃料和第一流體混合物。從結(jié)合附圖的下文描述中，這些及其它的優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更加顯而易見(jiàn)。


在說(shuō)明書的結(jié)論處的權(quán)利要求中具體地指出并明確地要求保護(hù)了視為本發(fā)明的 主題。從結(jié)合附圖的下文的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的上述及其它的特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的， 其中圖1是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的截面，包括根據(jù)本發(fā)明的噴射盤的位置；圖2是包括根據(jù)本發(fā)明的預(yù)混合噴射盤示例的燃燒器組件示例的截面；圖3A是圖2的預(yù)混合噴射盤的一個(gè)示例的端視圖；圖3B與圖3A相似，但顯示了預(yù)混合噴射盤的另一個(gè)示例；圖3C與圖3A相似，但顯示了預(yù)混合噴射盤的又一個(gè)示例；圖4是根據(jù)本發(fā)明的燃料/空氣混合管的一個(gè)示例的局部截面；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明的預(yù)混合噴射盤的扇段的一個(gè)示例。詳細(xì)描述通過(guò)參考附圖的示例解釋了本發(fā)明的實(shí)施例以及優(yōu)點(diǎn)和特征。部件清 單10示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10-發(fā)動(dòng)機(jī)(3) 11壓縮機(jī)(7) 12燃燒室(5) 14燃燒器組件 (9) 14-單個(gè)燃燒器組件14-多個(gè)燃燒器組件16燃燒器組件壁(2) 30渦輪(4) 31壓縮機(jī)/ 渦輪軸31-驅(qū)動(dòng)軸40預(yù)混合噴射盤40-盤40-預(yù)混合盤(24) 40-各預(yù)混合盤40’預(yù)混合盤(4) 40’-各預(yù)混合盤(2) 42至少一個(gè)燃料流動(dòng)通路(2) 42-—個(gè)或多個(gè)燃料流動(dòng)通路42-燃 料流動(dòng)通路(3) 42-各燃料流動(dòng)通路44環(huán)形室(4)46燃燒襯墊(2)48端蓋(3) 50—個(gè)或 多個(gè)流動(dòng)調(diào)節(jié)器52多個(gè)管(5) 56第一面(6) 56-面56-面57環(huán)形壁58第二面(8) 58-面 58-面60燃料室(9) 60-多個(gè)燃料室70多個(gè)腔70-腔(2) 72多個(gè)腔72-腔(3) 74調(diào)節(jié)器
(2)130單獨(dú)的燃料/空氣混合管(2) 130-各單獨(dú)的燃料/空氣混合管(2) 130-空氣通路 130-單獨(dú)的空氣通路130-多個(gè)單獨(dú)的燃料/空氣混合管(3) 130-單獨(dú)的管(5) 130-管 (8) 130-圍繞單獨(dú)的管130-多個(gè)燃料/空氣混合管130-混合管(2) 130-單獨(dú)的混合管 130-燃料/空氣混合管(2) 130-燃料/空氣混合管130-管(2) 130-單個(gè)管131第一端區(qū) 段(2) 132第二端區(qū)段(2) 133中間部分134流體進(jìn)口端135流體出口端142甚至更小的燃 料噴射孔142-燃料噴射孔(3) 142-多個(gè)燃料噴射進(jìn)口(2) 142-燃料噴射進(jìn)口(5) 142-噴 射進(jìn)口 142-多個(gè)燃料噴射進(jìn)口 142-單獨(dú)的燃料噴射進(jìn)口 142-各種燃料噴射進(jìn)口 142-鄰 近的燃料噴射進(jìn)口對(duì)142-鄰近的燃料噴射進(jìn)口 150點(diǎn)燃區(qū)(6)201外管壁202外周表面
(3)202-內(nèi)周壁{內(nèi)周壁和外周壁} 203內(nèi)管壁203-內(nèi)周表面(5) 203-外周壁{內(nèi)周壁和 外周壁}401八個(gè)扇段401-扇段(2)401-各扇段401-扇段(2) 401-多個(gè)餅形扇段411單 獨(dú)的燃料入口 501扇段601多個(gè)環(huán)形扇段601-扇段602扇段605多個(gè)餅形扇段605-扇段 606扇段括號(hào)中的數(shù)字為標(biāo)號(hào)/描述符出現(xiàn)的次數(shù)。用于參考標(biāo)號(hào)的縮進(jìn)的副線表示參考 標(biāo)號(hào)的描述符的輕微變動(dòng)。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)參看圖1(在其中，將參照特定實(shí)施例描述本發(fā)明而不限制本發(fā)明)，顯示了示 例性的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的示意圖。發(fā)動(dòng)機(jī)10包括壓縮機(jī)11和燃燒器組件14。燃燒器 組件14包括至少部分地限定燃燒室12的燃燒器組件壁16。預(yù)混合噴射盤40延伸通過(guò)燃 燒器組件14的至少一部分并通入到燃燒室12中。如下文將更充分地論述，盤40接收通過(guò) 燃料進(jìn)口 21的第一流體或燃料和來(lái)自壓縮機(jī)11的第二流體或壓縮空氣。然后，燃料和壓 縮空氣混合，進(jìn)入到燃燒室12中并被點(diǎn)燃以形成高溫、高壓燃燒產(chǎn)物或氣流。雖然在示例 性的實(shí)施例中僅顯示單個(gè)燃燒器組件14，但發(fā)動(dòng)機(jī)10可包括多個(gè)燃燒器組件14。在任何 情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)10還包括渦輪30和轉(zhuǎn)子軸31。以本領(lǐng)域中已知的方式，渦輪30聯(lián)接至軸 31，并驅(qū)動(dòng)軸31，而該軸31又驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)11。軸31還可連接至發(fā)電機(jī)(未顯示)或另外 的旋轉(zhuǎn)機(jī)械(未顯示)，并驅(qū)動(dòng)該發(fā)電機(jī)(未顯示)或另外的旋轉(zhuǎn)機(jī)械(未顯示)。在運(yùn)行中，空氣流入到壓縮機(jī)11中并被壓縮到高壓，例如壓縮到在約10個(gè)大氣壓 到約25個(gè)大氣壓的范圍內(nèi)的壓力，可是也設(shè)想其它的壓力。高壓氣體被供應(yīng)到燃燒器組件 14并在預(yù)混合盤40中與燃料(例如工藝氣體和/或合成氣體(合成氣)，例如高氫燃料) 相混合。燃料/空氣混合物或可燃混合物進(jìn)入到燃燒室12中并被點(diǎn)燃以形成高壓、高溫燃 燒氣流。備選地，燃燒器組件14可燃燒包括但不局限于天然氣和其它碳?xì)浠衔锶剂稀４?后，燃燒器組件14將燃燒氣流引導(dǎo)到渦輪30，該渦輪30將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)能?，F(xiàn)參看圖2，顯示了通過(guò)包括預(yù)混合盤40示例的燃燒器組件14的截面。預(yù)混合 盤40連接到至少一個(gè)燃料流動(dòng)通路42 (即，燃料供應(yīng)管線)和環(huán)形通道44以接收來(lái)自壓 縮機(jī)11的空氣供應(yīng)。如所顯示的，預(yù)混合盤40設(shè)置在環(huán)形通道44和燃燒室12的點(diǎn)燃區(qū) 150之間。預(yù)混合盤40和/或燃燒器組件14的其它部分可包括各種支撐結(jié)構(gòu)、緊固件、密封件等以用于在運(yùn)行期間將預(yù)混合盤40保持就位并用于允許出現(xiàn)熱增長(zhǎng)。環(huán)形通道44設(shè)置在燃燒器組件壁16和燃燒襯墊46之間。因此，來(lái)自壓縮機(jī)11 的空氣的供應(yīng)可冷卻燃燒襯墊46。燃燒器組件14可在一端處由端蓋48密封。一個(gè)或多個(gè) 燃料流動(dòng)通路42 (僅顯示了一個(gè))可延伸通過(guò)端蓋48。附加地或備選地，一個(gè)或多個(gè)流動(dòng) 調(diào)節(jié)器50可設(shè)置在預(yù)混合盤40上游。從壓縮機(jī)11供應(yīng)的流過(guò)環(huán)形通道44的空氣由端蓋 48改變方向而朝向預(yù)混合盤40。(多個(gè))流動(dòng)調(diào)節(jié)器50可減少湍流，控制壓降，和/或提 供更均勻的空氣流到預(yù)混合盤40。例如，(多個(gè))流動(dòng)調(diào)節(jié)器50可為穿孔板、管的集合等。暫時(shí)轉(zhuǎn)到圖3A，預(yù)混合盤40的一個(gè)示例包括第一面56，其與第二面58隔開一段 距離，并通過(guò)環(huán)形壁57 (參見(jiàn)圖5)聯(lián)接到第二面58。預(yù)混合盤40還包括顯示為多個(gè)管52 的多個(gè)燃料/空氣混合管。多個(gè)管52包括在第一面56和第二面58之間延伸通過(guò)預(yù)混合 盤40的單獨(dú)的燃料/空氣混合管130。多個(gè)管52可以各種型式、排列或甚至任意地以不同 的方式布置在預(yù)混合盤40周圍。在一個(gè)示例中，預(yù)混合盤40的外徑可為約20英寸，可是 其可具有在約10英寸到約30英寸的范圍中的各種外徑。此外，雖然示出成具有大體上圓 形的幾何形狀，但預(yù)混合盤40可具有各種其它幾何形狀。類似地，各單獨(dú)的燃料/空氣混 合管130可具有各種截面的幾何形狀和/或尺寸。如圖4中所示，各單獨(dú)的燃料/空氣混合管130包括第一端區(qū)段131，其通過(guò)中間 部分133延伸到第二端區(qū)段132。第一端區(qū)段131在第一面56處限定第一流體進(jìn)口 134， 而第二端區(qū)段132在第二面58處限定流體出口 135。第一流體進(jìn)口 134和/或流體出口 135中的每一個(gè)可具有各種特征。在一個(gè)示例中，流體進(jìn)口 134可具有例如圓形邊緣、橢圓 形邊緣、成角度的邊緣等的漸縮邊緣幾何形狀，其可降低在其中流動(dòng)的空氣的壓降和/或 阻止再循環(huán)區(qū)等的形成。在另一個(gè)示例中，流體出口 135可具有大體上垂直的邊緣(S卩，內(nèi) 管壁203布置成相對(duì)于第二面58約90度)以促進(jìn)空氣/燃料混合物的再循環(huán)區(qū)，以便穩(wěn) 定點(diǎn)燃區(qū)中的火焰以形成火焰片等。例如，利用數(shù)百個(gè)空氣通路(通過(guò)管130)和甚至更小的燃料噴射孔142，燃料/空 氣混合可按這樣的規(guī)模(即，其為比關(guān)于傳統(tǒng)氣體_燃料燃燒系統(tǒng)小的數(shù)量級(jí))發(fā)生。這 允許氫的可運(yùn)行性而預(yù)混合器中不帶有可毀壞硬件的火焰穩(wěn)定。與擴(kuò)散火焰燃燒器相比， 快速的燃料_空氣混合提供了顯著降低的NOx排放。本發(fā)明還設(shè)計(jì)成通過(guò)保持單獨(dú)的空氣 通路(通過(guò)管130)的長(zhǎng)度較短來(lái)部分地減低通常與小空氣通路相關(guān)的大壓降。更低的空 氣側(cè)壓降還可提供更高的發(fā)動(dòng)機(jī)效率?；仡^參看圖2，燃料流動(dòng)通路42流體地連接到預(yù)混合盤40的燃料室60，燃料室60 又流體地連接到設(shè)在多個(gè)單獨(dú)的燃料/空氣混合管130中的每一個(gè)中的流體進(jìn)口 142。燃 料室60為大體上設(shè)置在預(yù)混合盤40的第一面56和第二面58之間的空腔，并且大體上圍 繞單獨(dú)的管130。燃料室60通過(guò)燃料入口(參見(jiàn)圖3A-3C)聯(lián)接到燃料流動(dòng)通路42。利用這種布置，空氣流入到管130的第一流體進(jìn)口 134中，而燃料通過(guò)燃料流動(dòng)通路42并進(jìn)入圍繞單獨(dú)的管130的燃料室60。燃料在多個(gè)燃料/空氣混合管130周圍流動(dòng) 并通過(guò)單獨(dú)的燃料噴射進(jìn)口(或燃料噴射孔)142以與管130內(nèi)的空氣相混合，從而形成燃 料/空氣混合物。燃料/空氣混合物從出口 135進(jìn)入到點(diǎn)燃區(qū)150中并在其中燃燒，以形 成輸送到渦輪30的高溫、高壓氣流。大量的燃料噴射孔142允許空氣/燃料混合相對(duì)高效 地發(fā)生，這可降低NOx排放。
在對(duì)于低NOx的滿負(fù)荷運(yùn)行中，火焰應(yīng)當(dāng)滯留在點(diǎn)燃區(qū)150中。然而，高氫/合成 氣燃料的使用已使得回火成為問(wèn)題。為了避免在混合管130內(nèi)部的任何火焰穩(wěn)定，來(lái)自管 內(nèi)部的火焰的在混合管內(nèi)部的熱釋放應(yīng)小于到管壁的熱損失。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管尺寸、每個(gè)管的 燃料射流尺寸和數(shù)量以及燃料射流后退距離提出了約束。原則上，長(zhǎng)的后退距離給予更好 的燃料/空氣混合。如果混合度高并且燃料和空氣達(dá)到接近100%混合，則產(chǎn)生相對(duì)低的 NOx輸出，但在預(yù)混合盤40和單獨(dú)的混合管130內(nèi)容易受到火焰穩(wěn)定和/或火焰回火。多 個(gè)管52的單獨(dú)的燃料/空氣混合管130由于遭受損傷可能需要更換。因此，如進(jìn)一步所描 述，本發(fā)明的燃料/空氣混合管130產(chǎn)生充分地允許點(diǎn)燃區(qū)150中的燃燒同時(shí)防止進(jìn)入到 燃料/空氣混合管130中的回火的混合度?；旌瞎?30的獨(dú)特構(gòu)造使得可能燃燒高氫或合 成氣燃料并帶有相對(duì)低的NOx，而不帶有從點(diǎn)燃區(qū)150進(jìn)入到管130中的火焰回火和火焰穩(wěn) 定的顯著的危險(xiǎn)。
現(xiàn)參照?qǐng)D4，顯示了來(lái)自多個(gè)管52的燃料/空氣混合管130的一個(gè)示例。管130 包括外管壁201，該外管壁201具有在第一流體進(jìn)口 134和流體出口 135之間沿著管軸線A 軸向延伸的外周表面202和內(nèi)周表面203。外周表面202具有外管直徑D。，而內(nèi)周表面203 具有內(nèi)管直徑Dp如所顯示的，管130具有周向地設(shè)置在管周圍的多個(gè)燃料噴射孔或進(jìn)口 142，各燃料噴射孔或進(jìn)口 142具有在外周表面202和內(nèi)周表面203之間延伸的燃料噴射孔 直徑Df。在一個(gè)非限制性實(shí)施例中，燃料噴射孔直徑Df大體上等于或小于0. 05英寸，或甚 至大體上等于或小于0. 03英寸。在另一個(gè)非限制性實(shí)施例中，內(nèi)管直徑Di大體上是燃料 噴射孔直徑Df的2到20倍。燃料噴射進(jìn)口 142具有相對(duì)于管軸線A(如圖4中所示，其平行于軸線A)的噴射 角Z。如圖4中所示，各噴射進(jìn)口 142具有大體上在20到90度的范圍中的噴射角Z。本發(fā) 明的進(jìn)一步改進(jìn)已發(fā)現(xiàn)，對(duì)于某些高氫燃料，相對(duì)于管軸線方向(即，軸線A)所測(cè)量的大體 上在50到60度之間的噴射角可為理想的。燃料噴射進(jìn)口 142還以一定的距離(稱為后退 距離R)定位在管流體出口 135上游。后退距離R大體上在燃料噴射孔直徑Df的5 (Rmin)到 IOO(Rfflax)倍的范圍中，而如上文所述燃料噴射孔直@Df大體上等于或小于0.03英寸。后 退距離R可大體上取決于幾何約束、燃料的反應(yīng)性、和/或期望的NOx排放。實(shí)際上，對(duì)于 氫/合成氣燃料的后退距離R大體上等于或小于1. 5英寸，并且內(nèi)管直徑Di大體上在0. 05 到0. 3英寸的范圍中。進(jìn)一步的改進(jìn)已發(fā)現(xiàn)，后退距離R在0. 3到1英寸的范圍中，而內(nèi)管 直徑Di大體上在0. 08到0. 2英寸的范圍中，以達(dá)到期望的混合和目標(biāo)NOx排放。一些高氫 /合成氣燃料在0. 15英寸的內(nèi)管直SDi以下工作得更好。本發(fā)明的進(jìn)一步的改進(jìn)已發(fā)現(xiàn)， 最佳的后退距離大體上與燃燒管速度、管壁傳熱系數(shù)、燃料噴出時(shí)間成正比，而與交叉流動(dòng) 射流(cross flowjet)滲透距離、湍流燃燒速度以及壓力成反比。對(duì)于高活性燃料(例如，氫燃料)，燃料噴射進(jìn)口 142的直徑Df應(yīng)大體上等于或小 于0. 03英寸，而各單獨(dú)的管130的長(zhǎng)度為約0. 8到2英寸。各單獨(dú)的管130可包括至少一 個(gè)燃料噴射進(jìn)口 142，并且可具有各種數(shù)量的燃料噴射進(jìn)口 142，例如在約1到8個(gè)燃料噴 射進(jìn)口 142的范圍內(nèi)。對(duì)于低活性燃料(例如，天然氣)，各管130的長(zhǎng)度可為一英尺長(zhǎng)。還 設(shè)想帶有低壓降的多個(gè)燃料噴射進(jìn)口 142(即，2到8個(gè)燃料噴射進(jìn)口)。關(guān)于所述的參數(shù)， 已發(fā)現(xiàn)的是，具有50到60度之間的角度Z的燃料噴射進(jìn)口 142工作良好以達(dá)到期望的混 合和目標(biāo)NOx排放。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解的是，可使用上文多個(gè)不同組合以達(dá)到希望的混合和目標(biāo)NOx排放。實(shí)際上，所有單獨(dú)的管130可為相同的，或者一些或所有管130 可為不同的。例如，當(dāng)單個(gè)管130中有多個(gè)燃料噴射進(jìn)口 142時(shí)，一些噴射進(jìn)口可具有例如作為 后退距離R的函數(shù)而變化的如圖4中所示的不同的噴射角Z。作為另一個(gè)示例，噴射角Z 可作為燃料噴射進(jìn)口 142的直徑Df或結(jié)合燃料噴射進(jìn)口 142的直徑Df和后退距離R的函 數(shù)而變化。作為又一個(gè)示例，各單獨(dú)的燃料噴射進(jìn)口 142可具有不同的后退距離R以使得 各燃料噴射進(jìn)口 142軸向上偏離。作為再一個(gè)示例，鄰近的燃料噴射進(jìn)口 142對(duì)之間的區(qū) 域的尺寸(即鄰近的燃料噴射進(jìn)口 142之間的內(nèi)周表面203的間隔)可相等或可變化。目 的是在保持管130的長(zhǎng)度盡可能短并在流體進(jìn)口端134和流體出口端135之間具有低壓降 (即，低于5% )的同時(shí)獲得充分的混合。 上文的這些參數(shù)還可基于燃料成分、燃料溫度、空氣溫度、壓力以及對(duì)管130的內(nèi) 周壁和外周壁202和203的任何處理而變化。當(dāng)燃料/空氣混合物流過(guò)的內(nèi)周表面203不 論所使用的材料而磨平滑時(shí)可提高性能。還可能的是，通過(guò)利用燃料、空氣或其它的冷卻劑 加以冷卻來(lái)保護(hù)預(yù)混合盤40、暴露于點(diǎn)燃區(qū)150的第二面58以及單獨(dú)的管130。最后，鄰 近正常燃燒區(qū)的面58可涂覆有陶瓷涂層或其它高耐熱性層?，F(xiàn)返回到圖3A-3C，預(yù)混合盤40可形成為整體單元(monolithic unit)，或可由緊 固在一起的多個(gè)扇段形成。例如，如圖3A中所示，預(yù)混合盤40可由多個(gè)餅形扇段(例如， 具有大體上相等的幾何形狀和尺寸的八個(gè)扇段401-408)形成。如圖3B中所示，預(yù)混合盤 40’可類似地由多個(gè)(四個(gè))扇段501-504形成。如圖3C中所示，預(yù)混合盤40”可由具有 不同尺寸和幾何形狀的多個(gè)扇段(例如，多個(gè)環(huán)形扇段601-604與多個(gè)餅形扇段605-608 相聯(lián)接)形成。因此，各扇段401-408或501-504可單獨(dú)形成，并且隨后以各種可拆卸或不 可拆卸的方式(例如，機(jī)械緊固件(例如，螺栓、夾具等)、粘合劑、焊接等)緊固在一起。在 任何情況下，可使用各種構(gòu)造技術(shù)，例如直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)工藝。繼續(xù)圖3A-3C，預(yù)混合盤40、40，、40”連接到至少一個(gè)燃料流動(dòng)通路42，并且可連 接到各自提供獨(dú)立的燃料供應(yīng)的多個(gè)燃料流動(dòng)通路。各燃料流動(dòng)通路42流體地連接到預(yù) 混合盤40的一個(gè)或多個(gè)燃料室60，燃料室60又流體地連接到設(shè)在多個(gè)單獨(dú)的燃料/空氣 混合管130中的每一個(gè)中的流體進(jìn)口 142。各(多個(gè))燃料室60可通過(guò)燃料入口聯(lián)接到 (多個(gè))燃料流動(dòng)通路42。如圖3A-圖3B中所示，各扇段401-408和501-504可分別地包 括單獨(dú)的燃料入口 411-418和511-514。因此，到各單獨(dú)的燃料入口 411-418和511-514 中的燃料供應(yīng)的變化可在預(yù)混合器的不同扇段處提供不同的燃料成分或燃料/空氣比。多 個(gè)隔開地被供以燃料的區(qū)可控制燃燒動(dòng)態(tài)特性(combustion dynamics)和貧燃熄火(lean blowout)，并且允許分級(jí)(staging)，其可容許增加的精調(diào)能力以達(dá)到相對(duì)增加的發(fā)動(dòng)機(jī)效 率、更低的排放、和/或減弱的可損傷設(shè)備的燃燒動(dòng)態(tài)特性。例如，可確定改變通過(guò)燃料進(jìn) 口 411給扇段401的燃料供應(yīng)而不改變給任何其它扇段的燃料供應(yīng)。注意的是，如果預(yù)混合器盤為整體構(gòu)造，則可通過(guò)在盤內(nèi)部包含分隔壁來(lái)產(chǎn)生例 如那些如圖3A、圖3B和圖3C中所示的單獨(dú)的區(qū)或扇段以形成多個(gè)燃料室60。各燃料室60 可通過(guò)燃料入口聯(lián)接到燃料流動(dòng)通路42。如前文所述，各扇段401-408、501_504和601-608可彼此處于流體連通，或者一些 或所有扇段可與其它的扇段流體地隔開。因此，各預(yù)混合盤40、40’、40”可具有多個(gè)燃料室60。例如，燃料進(jìn)口 611可將燃料供應(yīng)到至少扇段601和605兩者，扇段601和605可共享 共同的燃料室。因此，可執(zhí)行在不改變給任何其它扇段的燃料供應(yīng)的情況下改變通過(guò)燃料 進(jìn)口 612給扇段602和606的燃料供應(yīng)。備選地，各扇段601-608可分別地由專用的燃料 進(jìn)口 611-618來(lái)供應(yīng)?，F(xiàn)轉(zhuǎn)到圖5，現(xiàn)在將論述多個(gè)餅形扇段401中的一個(gè)，可是應(yīng)理解的是，這樣的論 述類似地應(yīng)用于預(yù)混合盤40的各種構(gòu)造，例如整體構(gòu)造。如本文中所示和所論述的，扇段 401示例包括在第一面56和第二面58之間延伸通過(guò)其的多個(gè)單獨(dú)的燃料/空氣混合管 130。燃料室60為大體上設(shè)置在第一面56和第二面58之間且大體上圍繞單獨(dú)的管130的 空腔。燃料室60可為一個(gè)連續(xù)的腔，或者如所顯示的，可被隔開成由一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)調(diào)節(jié) 器74所隔開的多個(gè)腔70、72。(多個(gè))流動(dòng)調(diào)節(jié)器74可減少湍流，控制壓降，和/或在燃 料室60內(nèi)提供更均勻的燃料流。(多個(gè))流動(dòng)調(diào)節(jié)器74可為穿孔板。在一個(gè)示例中，在進(jìn) 入燃料噴射孔142以用于與管130中的空氣相混合之前，燃料可流入到腔70中，通過(guò)調(diào)節(jié) 器74并進(jìn)入到腔72中。在另一個(gè)示例中，在進(jìn)入燃料噴射孔142之前，燃料可首先流入到 腔72中，通過(guò)調(diào)節(jié)器74進(jìn)入到腔70中，并被改變方向返回到腔72中。因此，燃料流還可 用于冷卻面56、58和/或管130，以保護(hù)零件免受熱損傷并降低管130內(nèi)部的火焰穩(wěn)定的傾 向。雖然已結(jié)合僅有限數(shù)量的實(shí)施例詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)容易理解的是，本發(fā)明并不局限于這些公開的實(shí)施例。相反而言，可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改以結(jié)合非此前所述但 與本發(fā)明的精神和范圍相稱的任何數(shù)量的變型、改型、替換或等同布置。此外，雖然已描述 了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的方面可僅包括已描述的實(shí)施例的一 些。因此，本發(fā)明不應(yīng)視為由前述描述所限制，而僅由所附權(quán)利要求的范圍所限制。
權(quán)利要求
一種用于燃料/空氣混合燃燒器組件中的燃料/空氣混合盤，包括盤，其具有第一面、第二面以及設(shè)置在兩者之間且適合與燃料流動(dòng)通路處于流體連通的至少一個(gè)燃料室；和多個(gè)燃料/空氣混合管，其在所述第一面和所述第二面之間延伸通過(guò)預(yù)混合盤，各混合管包括在進(jìn)口端和出口端之間沿著管軸線軸向延伸的外管壁并且與所述至少一個(gè)燃料室處于流體連通，所述多個(gè)燃料/空氣混合管的至少一部分還包括具有延伸通過(guò)所述外管壁的燃料噴射孔直徑的至少一個(gè)燃料噴射孔，所述至少一個(gè)燃料噴射孔具有相對(duì)于所述管軸線的噴射角，所述噴射角在20到90度的范圍中，以及在所述燃料噴射孔和所述出口端之間沿著所述管軸線延伸的后退距離，所述后退距離是所述燃料噴射孔直徑的約5到100倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料/空氣混合盤，其特征在于，所述后退距離等于或小于 1. 5英寸并且所述管直徑在0. 05到0. 3英寸的范圍中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料/空氣混合盤，其特征在于，所述后退距離在0.3到1英 寸的范圍中并且所述管直徑在0. 05到0. 3英寸的范圍中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料/空氣混合盤，其特征在于，所述噴射角為相對(duì)于管軸線 方向所測(cè)的約50到60度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料/空氣混合盤，其特征在于，所述燃料/空氣混合盤包括 具有多個(gè)燃料噴射孔直徑的多個(gè)燃料噴射孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料/空氣混合盤，其特征在于，所述燃料/空氣混合盤包括 具有多個(gè)燃料噴射孔角度的多個(gè)燃料噴射孔。
7.一種用于燃料/空氣預(yù)混合燃燒器組件中的燃料/空氣混合盤，包括盤，其具有第一面、第二面以及設(shè)置在兩者之間且適合與燃料流動(dòng)通路處于流體連通 的至少一個(gè)燃料室；和多個(gè)燃料/空氣混合管，其在所述第一面和所述第二面之間延伸通過(guò)預(yù)混合盤，各混 合管包括在進(jìn)口端和出口端之間沿著管軸線軸向延伸的外管壁并且與所述至少一個(gè)燃料 室處于流體連通，以及具有內(nèi)徑的內(nèi)管表面，所述多個(gè)燃料/空氣混合管中的每一個(gè)還包括具有延伸通過(guò)所述外管壁的燃料噴射 孔直徑的至少一個(gè)燃料噴射孔，所述至少一個(gè)燃料噴射孔具有相對(duì)于所述管軸線的噴射 角，所述內(nèi)管表面的所述內(nèi)徑是所述燃料噴射孔直徑的2到20倍，以及在所述燃料噴射孔和所述出口端之間沿著所述管軸線延伸的后退距離，所述后退距離 是所述燃料噴射孔直徑的約1到50倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料/空氣混合盤，其特征在于，所述噴射角在20到90度的 范圍中。
9 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料/空氣混合盤，其特征在于，所述燃料噴射孔直徑約等于 或小于0. 03英寸。
10.一種在用于渦輪燃燒器的預(yù)混合式直接噴射盤中混合高氫或合成氣體燃料的方 法，所述方法包括提供盤，所述盤具有第一面、第二面以及設(shè)置在兩者之間且適合與燃料流動(dòng)通路處于流體連通的至少一個(gè)燃料室；提供在第一面和第二面之間延伸通過(guò)預(yù)混合盤的燃料/空氣混合管，所述多個(gè)混合管中的每一個(gè)在進(jìn)口端和出口端之間沿著流動(dòng)路徑軸向延伸并且與所述至少一個(gè)燃料室處 于流體連通，所述多個(gè)管中的每一個(gè)包括在所述進(jìn)口端和所述出口端之間沿著管軸線軸向 延伸的外管壁；在所述進(jìn)口端處將第一流體噴射到所述多個(gè)混合管中； 將高氫燃料或合成氣體提供到所述至少一個(gè)燃料室中；通過(guò)以在相對(duì)于所述管軸線的20到90度的范圍中的角度的多個(gè)噴射孔將所述高氫燃 料或合成氣體從所述至少一個(gè)燃料室中噴射到所述混合管中；以及在所述管的所述出口端處將所述第一流體和所述高氫燃料或合成氣體混合成混合度 大于50%的燃料和第一流體混合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種預(yù)混合式直接噴射盤，具體而言，提供一種用于燃料/空氣混合燃燒器組件中的燃料/空氣混合盤。該盤包括第一面、第二面以及至少一個(gè)設(shè)置在兩者之間的燃料室。多個(gè)燃料/空氣混合管延伸通過(guò)預(yù)混合盤，各混合管包括沿著管軸線軸向延伸的外管壁并且與該至少一個(gè)燃料室處于流體連通。多個(gè)燃料/空氣混合管的至少一部分還包括具有延伸通過(guò)所述外管壁的燃料噴射孔直徑的至少一個(gè)燃料噴射孔，燃料噴射孔具有相對(duì)于管軸線的噴射角。本發(fā)明提供帶有低的燃燒產(chǎn)生的NOx且轉(zhuǎn)化為高的燃?xì)廨啓C(jī)效率的低的流動(dòng)壓力損失的良好的燃料空氣混合，本發(fā)明耐用并抵抗火焰穩(wěn)定和回火。
文檔編號(hào)F23D14/64GK101818901SQ20091026688
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者B·萊西, J·H·烏, T·E·約翰遜, W·D·約克, W·S·齊明斯基, 左柏芳 申請(qǐng)人:通用電氣公司