促进预混合装置中混合的方法和设备制造方法及图纸

本发明专利技术涉及促进预混合装置中混合的方法和设备。具体而言，本发明专利技术提供一种预混合装置，其包括进气口，该进气口用于将压缩空气引入到混合室内；和燃料室，该燃料室用于通过至少一个槽向该混合室提供燃料并经过预定壁面轮廓形成燃料边界层，该混合室包括置于其内侧壁的至少一部分上的表面处理以气动地促进来自该边界层的燃料与该压缩空气的混合，而不造成该混合室中边界层流动分离和火焰稳定。还公开了使用该预混合装置的低排放燃烧室、燃气轮机燃烧室，使用所述预混合装置在燃烧系统、燃气轮机和天然气合成油系统中预混合燃料与氧化剂的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的实施例大体而言涉及燃烧室，且更具体说来，涉及用 于在低排放燃烧过程中促进燃料与氧化剂混合的带表面处理的预混 合装置。
技术介绍
历史上，在燃烧室中通过扩散控制(也被称作非预混合)燃烧 来从燃料提取能量，其中反应物最初是分开的而且仅在燃料与氧化 剂之间的界面发生反应，混合和反应皆在所述界面处发生。这种装 置的实例包括(但不限于)航空燃气轮机和航空衍生型燃气轮机，其 用于发电、船舶推进、气体压缩、热电联产和海上平台电力(仅举 几个例子)等应用中。在设计这些燃烧室时，工程师不仅要面对维 持或减小燃烧室的总尺寸，增加最大操作温度和增加比能释放率等 持续要求的挑战，而且还要面对减小法规限定的污染物的形成和其 向环境的排放的持续增加的需要的挑战。相关主要污染物的实例包括氮的氧化物(NOx)、 一氧化碳(CO)、未燃烧和未完全燃烧的 烃类和温室气体，诸如二氧化碳(CO"。由于控制流动中局部组分 变化(由发生燃烧时对流体机械混合的依赖造成)、与局部化学计 量比燃烧相关的峰值温度、在高温区域的停留时间和氧有效性(oxygen availability)的困难，扩散控制燃烧室提供有限的能力来满足目前和 未来的排放要求同时仍保持所要增强的性能水平。近来，已使用贫油预混燃烧室来进一 步减小不良污染物的排放 水平。在这些燃烧室中，适量燃料与氧化剂在发生任何显著化学反 应之前被充分混合，从而有助于控制上文所列出的扩散控制燃烧室的困难。然而，因为燃料与氧化剂的可燃混合物在所要的火焰稳定 位置之前形成，因此预混燃烧室设计者仍继续面对控制发生混合的 区域中的任何流动分离及/或火焰稳定以便减小及/或排除不良的燃烧 不稳定性的挑战。目前的设计挑战还包括控制发生燃料与氧化剂混 合的区域的全长和减小与预混合过程相关的压力下降。由于需要能 够利用较广范围燃料进行适当操作的燃烧室的需要，这些挑战变得 更加复杂，这些较广范围的燃料包括(但不限于)天然气、氢气和 合成燃气(也被称作合成气)，合成燃气为从煤或其它材料的气化 过程所获得的富含一 氧化碳和氢气的气体。常规预混燃烧器合并位于旋流器叶片之间或叶片翼面的表面上的燃料喷射(ftiel jet)。然而，燃料的这种横流注入在燃烧室内产生 高燃料/空气混合物浓度与低燃料/空气混合物浓度的局部区域，从而 导致了实质上更高的排放。另外，由于可能造成燃烧过程中破坏性 动力的燃烧室中的燃料压力波动和压力振荡的原因，这种横流注入 导致燃烧过程中的波动和调制。近来，已提出使用科安达表面的预 混合装置来作为减小主要依靠横流燃料注入的预混燃烧室的负面影 响以实现所要的预混合和总性能水平的一种方法。在这些装置中， 在主流气流加速时沿科安达表面注入的燃料粘附到该表面上，防止 燃料喷射飞离(liftoff)和分离以及可造成燃烧不稳定的不当压力波 动。然而，由于紧邻预混合装置的发散壁维持燃料喷射，因此略微 延迟燃料与氧化剂的有效混合，从而导致不必要较长的预混合装置以确保燃料与氧化剂适当混合。如果预混合装置的长度受到总发动 机长度要求的限制，例如，传递到火焰区的燃料浓度分布可能含有 不需要的空间变化，因此，减小了预混合对污染物形成过程的总体 影响以及可能影响燃烧区中的总火焰稳定性。尽管已使用表面处理来促进在各种应用中的传热(参看，例如， 美国专利第6,644,921号和第6,504,274号，其公开了使用凹陷来分 别维持涡轮机部分或发动机中的操作温度在可接受的水平；美国专利笫6,468,669号和第6，598,781号，其公开了使用在具有突起的涡 轮发动机中使用的金属构件来增加在高温操作的各种表面上的传热 特性，和美国专利第7,104,067号，其公开了在燃烧室衬套的外表面 上的多个轴向间隔的周向槽来在减小的压力损失的情况下提供增强 的冷却水平)，使用预混燃烧室的科安达表面上的处理来促进燃料 与氧化剂的混合是本专利技术者所不知道的。因此，存在对于贫油预混燃烧室中使用的预混合装置的需要， 其具有促进燃料与氧化剂混合的能力同时维持对燃烧室的混合区域 中流动分离与火焰稳定的控制。增强的混合性能将允许发展具有减 小的长度预混合装置而不实质上影响装置中的总压力下降；合并这 种预混室的预混燃烧室尤其适用于具有较广泛范围的组成、热值和 比容的燃料。
技术实现思路
一或多个上文所总结的需要和本领域中已知的其它需要通过预 混合装置实现，所述预混合装置包括进气口、燃料室(fuel plenum)、 和混合室，其中，所述燃料室与该进气口流体连通在邻近该燃料室 的壁面轮廓上具有至少 一个燃料进口槽，所述混合室置于所述进气 口与所述至少 一个燃料进口槽的下游用于混合来自进气口的压缩空 气和沿由该壁面轮廓所形成的与空气混合的燃料的边界层的燃料， 该混合室包括置于其内侧壁的至少一部分上的表面处理，该表面处 理通过配置以气动地促进来自边界层的燃料与压缩空气的混合而不 造成混合室中边界层流动分离和火焰稳定。所公开的本专利技术的实施 例还包括具有上文所总结的预混合装置的低排放燃烧室和燃气轮机 燃烧室。在所公开的本专利技术的另一方面，公开了燃气轮机，其包括压缩 机、燃烧室和涡轮机，所述燃烧室与该压缩机流动连通用于燃烧燃 料与空气的预混混合物，且所述涡轮机位于该燃烧室的下游用于使高温气流膨胀离开燃烧室。这种燃气轮机的燃烧室包括具有进气口 、 燃料室和混合室的预混合装置，所述燃料室与该进气口流动连通在 邻近该燃料室的壁面轮廓上具有至少一个燃料进口槽，且所述混合 室置于所述进气口与所述至少 一个燃料进口槽的下游用于混合来自 进气口的压缩空气和沿由该壁面轮廓所形成的燃料边界层的燃料，该混合室包括置于其内侧壁的至少一部分上的表面处理，该表面处 理通过配置以气动地促进来自边界层的燃料与压缩空气的混合而不 造成混合室中边界层流动分离和火焰稳定。在所公开的本专利技术的另一方面，公开了天然气合成油系统，其 包括空气分离单元，该空气分离单元通过配置用于从空气分离出氧气；气体处理单元，该气体处理单元通过配置用于制备天然气的； 燃烧室，其用于使氧气与天然气在高温高压起反应以产生富含一氧 化碳和氬气的合成气；以及，涡轮膨胀机，其与燃烧室流动连通用 于自其进行提取工作和使合成气熄灭。这种天然气合成油系统的燃 烧室包括置于燃烧室上游的预混合装置以促进氧气与天然气在燃烧 室中起反应之前的预混合，该预混合装置包括进气口，燃料室和混 合室，所述燃料室与该进气口流动连通在邻近燃料室的壁面轮廓上 具有至少一个燃料进口槽，所述混合室置于所述进气口与所述至少 一个燃料进口槽下游用于混合来自进气口的压缩空气与沿由壁面轮 廓所形成的燃料边界层的燃料，该混合室包括置于其内侧壁的至少 一部分上的表面处理，该表面处理通过配置以气动地促进来自边界 层的燃料与压缩空气混合而不造成混合室中边界层流动分离和火焰稳定。在燃烧系统中将燃料与氧化剂预混合的方法也属于所公开的本 专利技术的实施例的范畴，这些方法包括以下步骤在预混合装置内部 吸入氧化剂，将燃料注入到预混合装置内，使所注入的燃料向预混 合装置内的壁面轮廓偏转以形成沿预混合装置内侧壁的燃料边界 层，及将燃料与氧化剂预混合以形成燃料-空气混合物而不造成混合室中流动分离和火焰稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预混合装置，其包括：　　　　进气口；　　　　燃料室，所述燃料室与所述进气口的末端部分流动连通，所述燃料室包括在壁面轮廓上的至少一个燃料进口槽，所述壁面轮廓通过配置以沿所述预混合装置的内侧壁的一部分形成从至少一个燃料进口槽所供应的燃料的边界层；以及　　　　混合室，其中来自所述进气口的压缩空气与来自所述边界层的燃料混合，所述混合室置于所述进气口和所述至少一个燃料进口槽的下游且包括置于所述内侧壁的至少一部分上的表面处理，所述表面处理通过配置以气动地促进来自所述边界层的所述燃料与所述压缩空气的混合，而不造成所述混合室中的边界层流动分离和火焰稳定。

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