用于增强预混合装置中混合的燃料喷射槽式喷嘴和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于增强预混合装置中混合的燃料喷射槽式喷嘴和方法。具体而言，本发明专利技术公开了一种预混合装置（７０），包括进气口（７２）、至少一个燃料进口槽（７８）、混合室（７４）及至少一个燃料喷射槽式喷嘴（９０），燃料进口槽（７８）具有构造成沿着预混合装置一部分壁形成燃料边界层的壁轮廓（８０），燃料喷射槽式喷嘴（９０）设置在燃料进口槽内部，并且构造成用于在发散部分（１１０）产生流分离区域（１１２），并在其出口（９４）处产生混合湍流，从而增强来自边界层的燃料与压缩空气的混合，而不会造成边界层流分离和使火焰保持在混合室中。本发明专利技术还公开了利用该预混合装置的低排放燃烧器，燃气涡轮燃烧器，用于在燃烧系统中使燃料和氧化剂预混合的方法，燃气涡轮，以及气体－液体系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的实施例大体上涉及燃烧器(combustor),更具体地说，本 专利技术涉及用于在低排放燃烧过程中增强燃料和氧化剂混合的预混合 装置和高膨胀燃料喷射槽式喷嘴(high expansion ftiel injection slot jet)。
技术介绍
在历史上，已经在控制扩散(也称为非预先混合的)燃烧的燃烧器 中实现了从燃料中吸取能量，其中反应物最初是分开的，并且反应 只发生在燃料和氧化剂之间的4妾口处，在该接口处发生混合和反应。 这种装置的示例包括，但不局限于，飞机燃汽渴轮发动机和航空衍 生的燃气涡轮发动机，用于例如发电、船舶推进、气体压缩、热电 联产和海上平台动力等应用。在设计这种燃烧器时，工程师不仅受 到持续需要保持或减少燃烧器整体尺寸，以提高最大操作温度，并 提高比能释放速率的挑战，而且还受到不断增加的减少受管制的污 染物成形和将其排放到环境中的挑战。相关的主要污染物的示例包 括氮氧化物(NOx), —氧化碳(CO),未燃烧的和部分燃烧的烃类，以 及温室气体，例如二氧化碳(CO》。因为控制流体中局部的成分变化 由于对流体在进行燃烧同时的^L械混合的依赖性而引起的困难，与 局部化化学计量燃烧相关的峰值温度，高温区域中的滞留时间，以 及氧气可用度等原因，控制扩散型燃烧器提供了有限的容量，以满 足目前和将来排放要求，同时保持所需提高的性能水平。近年来，已经使用少量预混合燃烧器来进一步减少不符合要求 的污染物的排放水平。在这些燃烧器中，将恰当数量的燃料和氧化剂在发生任何显著的化学反应之前进行很好混合，因而便于控制上 面所列举的控制扩散型燃烧器的困难。然而，因为燃料和氧化剂的 可燃混合物成形于预期的火焰稳定位置之前，所以预混合燃烧器设 计师 一 直受到控制任何流分离和/或将火焰保持在混合的区域中，从 而最大程度地减小和/或消除不合适宜的燃烧不稳定性。当前设计挑 战还包括对燃料和氧化剂发生混合的区域的总长度的控制，以及与 预混合过程相关的压力降的最小化。这些挑战还随着需要燃烧器能 够在较宽的燃料，包括但并不局限于天然气、氢和合成燃气(也称为 合成气体)的范围内恰当地操作而复杂化，所述气体是富含从煤或其 它材料的气化过程中获得的 一 氧化碳和氢气的气体。传统的预混合燃烧器包括定位在旋流器叶片之间或叶片翼型表 面上的燃料喷嘴。然而，成形于燃料喷嘴出口处的旋涡结构将会从 燃料喷嘴下方的自由流中抽吸氧化剂，导致表面附近的流动部分或 全部的"吹散"，并在主流中产生分离区域，其可能导致提前点火。另 外这种交叉流动的燃料喷射会在燃烧器中产生局部高和低浓度的燃 料/空气混合物区域，从而导致实质较高的排放。此外，这种交叉流的波动和调节，其可能导致燃烧过程中的破坏性的动力。近年来， 已经提出了利用柯恩达效应表面的预混合装置，作为一种最大程度 地减小主要依赖于交叉流动燃^H"喷射以获得所需预混合水平和整体 性能的预混合燃烧器的负面效应的方式。在这些装置中，沿着柯恩 达效应表面喷射的燃料随着主流气流的加速而粘附在该表面上，防 止燃料喷嘴的脱落和分离以及不合适的压力波动，其可能造成燃烧 不稳定。在带有柯恩达效应表面的预混合装置中，有效的燃料和氧 化剂的混合可能略有延时，因为燃料喷嘴保持在发散的壁附近，因 而可能导致装置较长，以保证燃料和氧化剂的恰当混合。如果预混 合装置的长度受到整个发动机长度要求的约束，例如，传递到火焰 带的燃料浓度分布廊线可能包含不合适的空间变化，因而最大程度 地减小预混合对污染物成形过程的全部影响，以及可能影响燃烧区 域中的整个火焰的稳定性。发散的流动通道中的过度膨胀的不合适影响在流体力学中是普 遍知晓的；然而，其中控制局部流分离而意图产生湍流，并且在喷 射位置进行流体混合的收敛-发散型燃料喷射槽式喷嘴的使用对于本 专利技术人是未知的。因此，需要一种用于在缺-预混合燃烧器中，增强 燃料和氧化剂的混合能力，同时保持流分离控制，并将火焰保持在 燃烧器的混合区域中的预混合装置。增加的混合性能将允许形成长 度减少，而基本上不影响系统整个压力降的预混合装置，包含这种 预混合器的预混合燃烧器特别适合于供具有较广范围的成分、热值 和比容的燃料使用。
技术实现思路
一个或多个上面总结的需求以及本领域中已知的其它需求通过 预混合装置来解决，其包括空气入口，与空气入口的末端部分形成流体连通(flmd communication)的燃料入口槽，燃料入口槽包括构造 成沿着预混合装置内壁的 一部分而形成燃料边界层的壁轮廓，来自 空气入口的压缩空气与来自边界层的燃料进行混合的混合室，以及 设置在燃料入口槽内部的发散型燃料喷射槽式喷嘴，这种收敛-发散 型燃料喷射槽式喷嘴构造成用于在其发散部分产生流分离区域，流 分离区域构造成在发散型燃料喷射槽式喷嘴的出口处产生混合湍 流，从而在空气动力学方面增强来自边界层的燃料与压缩空气的混 合，而不会造成边界流分离和^f吏火焰保持在混合室中。所公开的本 专利技术的实施例还包括具有上面概述的预混合装置的低排放燃烧器和 燃气涡轮燃烧器。在所公开的本专利技术的另 一 方面，公开的燃气涡轮包括压缩机， 与压缩机形成流体连通并构造成用于使燃料和空气的预混合的混合 物燃烧的燃烧器，以及定位在燃烧器下游，从而使离开燃烧器的气流膨胀的涡轮。这种燃气涡轮的燃烧器包括至少一个预混合装置， 其包括空气入口 ，与空气入口的末端部分形成流体连通的燃料入口 槽，燃料入口槽包括构造成沿着预混合装置内壁的 一部分而形成燃 料边界层的壁轮廓，来自空气入口的压缩空气与来自边界层的燃料 进行混合的混合室，以及设置在燃料入口槽内部的收敛-发散型燃料 喷射槽式喷嘴，这种收敛-发散型燃料喷射槽式喷嘴构造成用于在其 发散部分产生流分离区域，流分离区域被限定于发散部分，并且构 造成用于在收敛-发散型燃料喷射槽式喷嘴的出口处产生混合湍流， 从而在空气动力学方面增强来自边界层的燃料与压缩空气的混合， 而不会造成边界流分离和使火焰保持在混合室中。;在所公开的本专利技术另一方面，公开的气体-液体系统包括构造成 用于使氧气与空气分开的空气分离单元，用于制备天然气的气体处 理单元，用于使氧气和天然气在高温和高压下发生反应，从而产生 富含一氧化碳和氢气的合成气的燃烧器，以及与燃烧器形成流体连通的涡轮膨胀器(turbo-expander)，其用于从合成气中吸取功和使合成 气骤冷(quenching)。这种气体-液体系统的燃烧器包括设置在燃烧器 上游，以便于氧气和天然气在燃烧器中发生反应之前进行预混合的 预混合装置，这种预混合装置包括空气入口，与空气入口的末端部 分形成流体连通的燃料入口槽，燃料入口槽包括构造成沿着预混合 装置内壁的一部分而形成燃料边界层的壁轮廓，来自空气入口的压 缩空气与来自边界层的燃料进行混合的混合室，以及设置在燃料入 口槽内部的收敛-发散型燃料喷射槽式喷嘴，这种收敛-发散型燃料喷 射槽式喷嘴构造成用于在其发散部分产生流分离区域，流分离区域 被限定于发散部分，并且构造成用于在收敛-发散型的燃料喷射槽式 喷嘴的出口处产生混合湍流，从而在空气动力学方面增强来自边界 层的燃料与压缩空气的混合，而不会造成边界流分离和使火焰保持 在混合室中。在本专利技术实施例的范本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预混合装置（７０），包括：　　　　进气口（７２）；　　　　至少一个与所述进气口的末端部分形成流体连通的燃料进口槽（７８），所述至少一个燃料进口槽包括构造成沿着所述预混合装置的一部分内壁形成燃料边界层的壁轮廓（８０）；　　　　混合室（７４），在所述混合室（７４）中，来自所述进气口的压缩空气与来自所述边界层的燃料相混合，所述混合室设置在所述进气口和所述至少一个燃料进口槽的下游；和　　　　至少一个设置在所述至少一个燃料进口槽内部的发散型燃料喷射槽式喷嘴（９０），所述至少一个发散型燃料喷射槽式喷嘴构造成用于在其一部分的内部产生流分离区域（１１２），所述流分离区域构造成在所述至少一个发散型燃料喷射槽式喷嘴的出口（９４）处产生混合湍流，从而在空气动力学方面增强来自所述边界层的燃料与压缩空气的混合，而不会造成边界层流分离和使火焰保持在所述混合室中。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RS邦克，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]