促进预混合装置中混合的方法和设备的制作方法

专利名称：促进预混合装置中混合的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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发明者所不知道的。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。发明内容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。所公开的本发明的实施 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。在所公开的本发明的另一方面，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。在所公开的本发明的另一方面，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 发明的实施例的范畴，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定，该预混步骤包括通过由置于预混合装置 的内侧壁的至少 一部分上的表面处理在燃料边界层中所产生的湍流 将氧化剂夹带到燃料边界层内。上文简要的描述陈述了本发明的特征以便更好地理解下文本发 明的具体实施方式
，而且也为了更好地了解本发明对于本技术领域 的贡献，当然，本发明还存在其它的特征，这些特征将在下文中展 开描述而且这些特征将是所附权利要求书的主旨。在这个方面，在详细解释说明本发明的若干优选实施例之前，述或在附图中所说明的构造的细节和构件的排列。本发明还能够以 其它方式实施并且能够以不同方式实践和执行。还应了解，本文所 用措辞和术语是出于描述目的不应被理解为是限制性的。因此，本领域技术人员将了解到本公开内容所基于的概念可易基础。因此，重要的是，权利要求书被视为包括这些等效结构，只 要其不偏离本发明的精神与范畴。另外，前面摘要的目的在于整体上使美国专利商标局和公众， 和特别地对专利或法律术语或措词不熟悉的在本领域中的科学工作 者、工程师和实践者通过粗略地检阅来快速地确定本申请案的技术 公开内容的性质和本质。因此，该摘要既不限定本发明或本申请案 (其仅由权利要求书限定)也决不限制本发明的范畴。


将易于获得对本发明的更全面的了解和本发明的许多附带优 势，因为当结合附图考虑时，通过参考下文的具体实施方式
，这些 内容将会变得更好地理解。图1为根据本技术方面具有带预混合装置的燃烧室的燃气轮机的简图；图2为根据本技术的方面在图1的燃气轮机中所用的低排放燃烧室的示范性配置的简图；图3为根据本技术方面在图1的燃气轮机中所用的低排放燃烧 室的另一示范性配置的简图；图4为根据本技术方面在图1的燃烧室中所用的预混合装置的 示范性配置的横断面视图，所述预混合装置具有置于预混合装置的 内侧壁上的表面处理的实施例；图5说明了在图4的表面处理的一个元件内部的流动的示意图；图6说明了图4的表面处理的几何变型；图7说明了图4的表面处理的另一几何变型；图8说明了根据本技术方面置于在图1的燃烧室中所用的预混 合装置的内侧壁上的表面处理的另一实施例；图9说明了根据本技术方面置于在图1的燃烧室中所用的预混 合装置的内侧壁上的表面处理的另 一实施例；图10显示了根据本技术方面置于在图1的燃烧室中所用的预混 合装置的内侧壁上的表面处理的另一实施例的照片；以及图11显示了根据本技术方面置于在图1的燃烧室内所用的预混 合装置的内侧壁上的表面处理的另一实施例的照片。 元件列表燃气轮机IO压缩才几14燃烧室12涡轮机16轴18燃烧室外壳20 低排放燃烧室22 燃烧室壳体24燃烧室村套26拱顶板28隔热屏30预混合装置气流34火焰36冷却孔38低排放燃烧室40内壳42外壳44内燃烧室衬套46和外燃烧室衬套48 拱顶板50内隔热屏52和外隔热屏54散流区56气流58预混合装置60燃料管线62和64火焰66.预混合装置70进气口 72混合室74燃料室76周向槽78预定壁面轮廓80燃料流动82散流器84出口 86.表面处理的第一实施例90 浅凹陷92倒置或截断的圆锥110 侧壁112 圆锥-凹坑120 表面处理实施例150 浅球形表面凹槽152, 154 表面无规粗糙170 表面图案化粗糙180具体实施方式
现参看附图，其中在所有不同视图中类似的参考标记表示类似 或相应的部件，将对所公开的预混合装置的若干实施例进行描述。 在下文的解释说明中，将使用在燃气轮机中所用的公开的预混合装 置的示范性实施例。然而，对于可适用技术领域的一般技术人员显 而易见，同样的预混合装置可用于其中燃烧主要受燃料与氧化剂的 预混合控制的其它应用中。图1说明了具有压缩机14的燃气轮机10,其在操作中向低排放 燃烧室12供应高压空气。在注入到燃烧室12内的燃料与空气(或 另一氧化剂)燃烧之后，高压高温燃烧气体离开燃烧室12且膨胀穿 过涡轮机16，该涡轮机16通过轴18驱动压缩机14。如本领域一屏殳 技术人员所了解，在此处对空气或气流的参考也指任何其它氧化剂， 包括(但不限于)纯氧气或氧气的体积含量小于20% (例如，10% ) 的污浊气流。在一个备选实施例中，燃烧室12包括筒形燃烧室。在 一个替代实施例中，燃烧室12包括环管式燃烧室或仅为环形燃烧室。视应用而定，燃烧气体可进一步在喷嘴(未图示)中膨胀以产生推 力或燃气轮机10可具有额外的涡轮机(未图示)以从燃烧气体提取 额外的能量用于驱动外荷载。在所说明的实施例中，燃烧室12包括限定燃烧区的燃烧室外壳20。此外，燃烧室12还包括用于使压缩空气与燃料在燃烧区中燃烧之前进行混合的预混合装置。特别地，预混合装置采用科安达效应 (附壁效应)来促进混合过程的效率。如本文所用的术语"科安达 效应"是指流体流倾向于将其自身附着到附近表面上并且保持附着 即使在表面弯曲远离流体运动的本来方向时。图2说明了在图1的燃气轮机10中所用的低排放燃烧室22的 示范性配置。在所说明的实施例中，燃烧室22包括筒形燃烧室。燃 烧室22包括燃烧室壳体(combustor casing ) 24和置于燃烧室壳体24 内的燃烧室衬套26。燃烧室22还包括拱顶板28和隔热屏30，该隔 热屏30通过配置以减小燃烧室壁的温度。另外，燃烧室22包括多 个预混合装置32用于在燃烧之前使氧化剂与燃料预混合。在一个实 施例中，可设有多个预混合装置32以在燃烧室22内实现分阶段燃 料引入用于采用诸如氢气的燃料的应用。在操作中，预混合装置32 接收气流34，其与从燃料室引入到预混合装置32内的燃料混合。之 后，空气-燃料混合物在燃烧室22内部的火焰36中燃烧。如所说明， 还可提供稀释或冷却孔38。图3说明在图1的燃气轮机10中所用的另一低排放燃烧室40 的另一示范性配置。在所说明的实施例中，燃烧室40包括环形燃烧 室。如所说明，内壳(inner casing)42和外壳(outer casing)44限定燃烧 室40内的燃烧区。此外，燃烧室40通常包括内燃烧室衬套46和外 燃烧室衬套48和换顶板50。另外，燃烧室40包括置于外燃烧室衬 套46和外燃烧室村套48附近的内隔热屏52和外隔热屏54以及用 于将气流58引导到燃烧区内的散流区56。燃烧室40还包括多个置 于燃烧区上游的预混合装置60。在操作中，个别预混合装置60通过燃料管线62和64从燃料室接收燃料，所述燃料被引导在预混合装 置60内部的预定壁面轮廓上流动以通过使用科安达效应夹带空气而 促进预混合装置60的混合效率。另外，来自燃料管线62和64的燃 料与进入的空气流58混合且用于燃烧的燃料-空气混合物^支传递到火 焰66。在这个实施例中，燃料的引入改变了燃烧室40内的风流分支。 特別地，由于科安达效应所造成的压力变化，稀释空气实质上减小 且燃烧风流分支增加。图4为在上述燃烧室中所用的预混合装置70的示范性配置的横 断面视图。在图4所说明的实施例中，预混合装置70包括进气口 72, 进气口 72通过配置以将压缩空气引入到混合室74内。另外，预混 合装置70包括燃料室76,通过周向槽78从该燃料室76向混合室74 提供燃料。如可适用技术领域的一般技术人员所理解，槽78可绕预 混合装置70的周边连续地或离散地安置。通过周向槽78所引入的 燃料在预定壁面轮廓80上偏转，形成燃料流动82。在这个示范性实 施例中，预混合装置70具有环形配置且燃料被径向引入并经过预定 壁面轮廓80。可基于所要的预混效率和包括诸如(但不限于)燃料 压力、燃料温度、进入的空气的温度和燃料注入速度的因素的操作 条件来选择/最优化预定壁面轮廓80的几何形状和尺寸。燃料的实例 包括天然气、高氢气体、纯氢气、沼气、 一氧化碳和合成气。然而， 还可以采用多种其它燃料。在所说明的实施例中，基于科安达效应， 预定的壁面轮廓80造成所引入的燃料进一步附着到壁面轮廓80上， 形成边界层。邻近预定壁面轮廓80所形成的这种边界层造成空气夹 带，从而促进了预混合装置70的混合室74内的混合效率。共同让 渡与本发明的受让人的美国专利申请案第11/273,212号进一步讨论 了具有科安达表面的预混合装置。该专利申请案的内容以其全文参 考的方式结合到本文中。在所说明的实施例中，通过进气口 72将进入的空气引入到预混 合装置70中。在某些实施例中，可通过置于周向槽78上游或下游的多个进气口将空气流动引入以促进混合室74内空气与燃料的混合。同样，可通过沿预混合装置70的长度的多个槽在多个位置注入 燃料。在另一实施例中，预混合装置70可包括置于装置70上游的 旋流器(未图示)用于提供在引入到混合室74中的空气中的漩流运 动。在另一实施例中，旋流器(未图示)置于燃料进口间隙处以向 经过在预定壁面轮廓80的燃料流动引入漩流运动。在另一实施例中， 空气旋流器可置于预混合装置70的出口平面上与预混合装置70相 同轴向高度处并与预混合装置70共轴。另外，预混合装置70还包括具有直轮廓或发散轮廓的散流器84 用于通过出口 86将在混合室74中所形成的燃料-空气混合物引导到 燃烧区。在一个实施例中，散流器84的角度在大约+/-0度到大约25 度的范围。预混合装置70的预混程度受多种因素控制，诸如(但不 限于)燃料类型、预定壁面轮廓80的几何形状、空气预漩流的程度、 周向槽78的大小、燃料压力、燃料温度、进入的空气的温度、散流 器84的长度和角度以及燃料注入速度。在操作中，预定壁面轮廓80帮助沿散流器84形成边界层同时 通过边界层夹带来自进气口 72的气流的一部分以形成剪切层用于促 进进入的空气与燃料混合。在所说明的实施例中，在相对于进入的 氧化剂更高的压力供应燃料。在一个实施例中，在进气口 72,燃料 压力大于进入的空气的压力大约1%至大约25%。上迷边界层由科安达效应形成。在所说明的实施例中，燃料流 动82附着到壁面轮廓80并且保持附着即使在壁面轮廓80的表面弯 曲远离初始燃料流动方向时。更具体说来，随着燃料流动绕壁面轮 廓80加速，在流动中存在压力差，这4吏燃料流动82更靠近壁面轮 廓80的表面偏转。如本领域一般技术人员所了解，在燃料流动82 经过壁面轮廓82移动时，在燃料流动82与壁面轮廓80之间发生一 定量的表面摩擦。这种对流动的抵抗力使燃料流动82向壁面轮廓80 偏转，从而造成其保持靠近壁面轮廓80。另外，通过这种机制所形入的气流以形成剪切层来促进气流与燃料的 混合。因此，虽然在本文中对燃料边界层进行参考，但是由于在由 科安达表面所形成的边界层中的促进的空气夹带，沿该壁所得的边 界层不仅包括燃料，而是如所解释说明，包括燃料与空气的混合物。置于散流器84内表面上的若干表面几何形状或处理用于改进并 促进燃料与空气的湍流混合而不造成表面上流动分离和之后在不需 要区域中的过早燃烧。如本文所用的表达"表面几何形状"或"表面处理"表示预混合装置70表面的物理修饰，其用于气动地产生凝涡结构和壁湍流以增加空气与燃料的混合而不诱导系统中额外的实质压力下降或流动分离。这些表面处理还可以置于壁面轮廓80的表 面上及/或燃料槽的内侧壁的任何部分上。这些特征通过产生表面旋 涡结构或壁湍流而非剪切层和非流线体效应来改进混合过程。在改 进燃料与氧化剂的混合的情况下，预混合装置的全长被减小同时排 除了或实质上减小了流动分离和导致在混合室74中过早燃烧的随之 发生的火焰稳定的可能性。图4还说明表面处理的笫一实施例90。如所说明，这个第一实 施例包括沿散流器84的内表面安置的浅凹陷92的有序图案化阵列。 在所说明的实施例中，凹陷92以阵列图案形成于散流器84的内表 面上从而获得表面流体漩涡结构。凹陷92的表面图案用于促进燃料 与氧化剂的混合，但是与用于诱导混合的常规器具(诸如机械湍流 器)相比，其具有显著更小由于摩擦造成的压力损失。表面流体漩 涡结构的局部产生促进了沿散流器84的中央部分向紧邻该表面的区 域流动的空气的夹带，从而加快了燃料与氧化剂的混合过程。图5为在操作中凹陷的示意图。如图5所示，在燃料边界层X 中沿处理表面流动的燃料的部分94 一皮吸入到每一凹陷内以形成漩 涡，所述凝涡4皮从每一凹陷92向空气的自由流流动(显示为箭头98, 表示具有局部自由流速度U。的空气流动)驱逐(显示为箭头96), 从而向燃料边界层X局部地吸入自由流空气的部分(参看箭头100)。每一凹陷92的深度"d"相对于表面直径"D"的比例应至多大约0.3, 且优选地小于大约0.1以避免在凹陷内部的流动分离。凹陷92可(例如)形成为半球或完整半球的凹陷表面扇形的任 何部分。图6和图7说明其它示范性凹陷实施例。图6所示的倒置 或截断的圆锥110为近似半球的直壁几何形状。在一个实施例中， 倒置圆锥的表面直径D为大约3 mm,深度d为大约0.7 mm,且侧 壁112与垂直方向呈大约45°的角。图7所示的圓锥-凹坑120为合 并倒置圓锥几何形状与柱形凹坑的几何形状。在实践中可通过各种 方法制造半球的所有这些变型，而且可具有比半球花费更低的实施。 可适用技术领域的一般技术人员将了解在图6和图7中所展示的示 范性实施例的几何大小并不限于这些具体的尺寸，即，3 mm直径的 凹陷仅仅是示范性尺寸。绝对表面直径和深度将取决于总预混室装 置的大小以及有效壁厚。举例说来，且并无限制意义，如果预混室 的入口区域(靠近燃料槽)具有大约25.4 mm的流动直径，那么凹 陷直径的优选实施例将为大约2.54 mm,且深度为大约0.51 mm。另外，凹陷的特征尺寸和其在表面上的安置可根据将要实现的 所要混合而改变。举例说来，且并无限制意义，每一凹陷92可具有 沿预混合装置的轴向恒定的表面直径或具有随着距燃料注入点的距 离增加而不断增加大小的表面直径。在另一实施例中，凹陷92的阵 列的中心距可通常为凹陷92的表面直径(D)的大约1.1到大约2 倍，凹陷92可在散流器84的表面中均一地安置，其中个别行之间 交错对准。在其它实施例中，个别凹陷92的尺寸和间隔可相对于凹 陷92在散流器84中的轴向位置而改变以便更好地匹配在燃料侧上 存在的混合条件。这种匹配效果也可通过改变凹陷深度或直径而实 现。 一般而言，每一凹陷92在表面上可具有陡峭边缘，但是在制造 过程中也可以允许平滑边缘。此外，凹陷92可呈改变的几何形状， 诸如具有非球形及/或具有非轴对称形状的几何形状(例如，卵形或 椭圓形表面形状)。通过使用凹陷92所实现的某些益处为增加了混合速率并且在很 大程度上减小了摩擦压力损失(与常规装置相比可能减小了 50%或 更多)。另外，凹陷92的设计产生具有比目前机械加工的湍流器更 少应力增强器的系统。此外，通过使用凹陷92，燃料与氧化剂混合 更均一地分布于在散流器84的表面上。在制造这些凹陷92的方法的一个实施例中，可以使用脉沖电解 加工(PECM)方法。这种方法通常使用特殊加工阴极(special tooling cathode),其由耐蚀金属管(诸如钛管)和图案化电绝缘涂层组成。 这种制造方法的细节在美国专利第6,644,921号中公开，该专利共同 让渡与本发明的受让人并且其内容以其全文参考的方式结合到本文 中。图8说明根据所公开的本发明的另一表面处理实施例150。可适 用技术领域的一般技术人员将了解到虽然图8和(就此而言)说明 所公开的表面处理的不同示范性实施例的本发明附图中的任 一 张附 图说明了在与图4中所说明的预混合装置类似的预混合装置中实施 的表面处理实施例150,但是在本文所公开的所有表面处理并不仅限 于该特定的预混合装置。如图所示，这个实施例包括交又的浅球面 凹槽152、 154,产生菱形图案表面紋理。环形凹环或周向槽沿散流 器84的长度轴向间隔，其中凹面径向向外朝向该流动。与流动方向 成角度的这多个类似周向槽形成沿散流器84的图案化混合。浅槽提 供与已描述的离散凹陷的功能类似的功能。这些凹槽用于以促进混 合的方式干扰散流器表面上的流动，但是与常规装置相比具有显著 更低的压力损失。具体说来，燃料流动进入凹槽并且形成然后与主 流流动相互作用的漩涡以促进混合。凹槽152、 154的深度可基于散流器84的尺寸确定且类似于凹 陷92,这些凹槽可具有小于大约0.3和优选地小于大约0.1的相对深 度。如所说明，第一行周向凹槽152形成于散流器84的表面上并且 沿散流器84的长度在一个方向中成角度(即，相对于散流器的中心轴线成锐角)，而类似的第二行凹槽154在相反的方向成角度，因 此形成交叉图案来诱导促进混合的附加全局效应。交叉凹槽152、 154 可具有均一的横截面(如图所示)或图案化(未图示)。在图案化 安置中，凹槽150可周向交叠地形成，通常为圆形或卵形凹陷，其 中凹陷径向面向燃料流动。本领域的一般技术人员应了解虽然与图8 相关的示范性实施例使用连续凹槽，但是不连续的凹槽也属于所公 开的发明的范畴内。图9说明另一表面处理实施例160,其包括在图案化阵列中的短 圓凸点162或小坡(mogul)，这些凸点或小坡的图案化阵列通过配 置以产生流动漩涡用于混合。为了避免局部流动分离，这些凸点应 被制造地较短使得凸点高径比应为大约0.3或更少(基本上为凹陷92 的倒转)。这种实施例的变型包括(但不限于)具有不同高度、直 径、中心距、柱销(pin)顶端半径和柱销底座圓角半径的柱销阵列。 也能够想象出短柱销阵列，其中通过减小柱销到柱销的间距使得邻 近圆角几乎彼此接触而实现增加的柱销密度。在图9中所说明的实 施例的设计特征中的一个设计特征为这样一个事实凸点或粗糙件 足够小以允许产生流动湍流或鴻流增加而不实际上使流动分离区稳 定。流动分离区可以是较小的而且不稳定或波动的，在这种情况下 其将不能够使火焰局部稳定。此外，向凸点添加圆角(fillet)和辐射部 分(radius)还可以帮助减轻压力损失并且保持流动流线接近这些结 构，再次避免了稳定分离。图10和图11为对应于施加到散流器84表面的短小的(small magnitude)无规170 (图10)和图案化180 (图11 )表面粗糙度的 其它表面处理实施例的照片。这些处理的一个结构特征为在粗糙元 件之间留有足够的空间以便排除非流线体分离。类似于所形成的凸 点，表面无规粗糙170和图案化粗糙180可以在喷嘴制造之后通过 铜焊而施加。在一个实施例中，使用表面光度仪在若干位置测量的 表面粗糙度可具有范围分别在30至50 pin和180至300 pm的平均粗糙值Ra和平均峰峰值I^。在图10和图11中所说明的表面处理的生产的细节在美国专利第6,526,756号和第6,468,669号中公开，这 些专利的内容以其全文参考的方式结合到本文中。如已经提到的，上述表面处理的大小和形状可随着在表面上的 位置而变化以允许在主流流动加速时调整局部条件。这些表面为气 动的，因为其并不产生显著的额外系统压力下降。这些表面促进产 生流体(燃料)漩涡混合结构和壁湍流，从而促进了燃料-空气混合 并且允许总预混喷嘴制造地更加紧致。表面处理允许图案化随着流 体行程而变化，从而提供了随着燃料与空气混合向下游前进而改变 效果的物理机制。这些表面并不形成流动分离从而避免了或减小了 散流器84内的自动点火和火焰稳定。这些表面可以通过电火花加工 而机械加工铸造形成，且在一种情况下通过铜焊而施加。上文所述的预混合装置还可以用于天然气合成油系统中以促进 氧气与天然气在系统的燃烧室中起反应之前的预混合。 一般而言，天然气合成油系统包括空气分离单元，气体处理单元和燃烧室。在 操作中，空气分离单元从空气分离出氧气且气体处理单元制备天然 气用于在燃烧室中进行转化。来自空气分离单元的氧气和来自气体 处理单元的天然气被引导到燃烧室，在燃烧室中，天然气与氧气在 高温高压起反应以产生合成气。在这个实施例中，预混合装置接合 到燃烧室以在氧气与天然气在燃烧室中起反应之前促进其之间的预 混合。另外，在预混合装置的至少一个表面具有预定的轮廓，其中 该预定轮廓使氧气偏转以促进氧气向该轮廓的附着以形成边界层， 且其中所述边界层夹带进入的天然气以使得能够以较高的燃料与氧 气当量比(例如，大约3.5至4和更高)混合天然气与氧气以增加合 成气产品收得率同时减小停留时间。在某些实施例中，可向氧气或 燃料添加蒸汽以促进过程效率。接着合成气被熄灭并被引入到费托处理单元，在费托处理单元 中通过催化作用，氢气和一氧化碳被重组为长链液态烃。最后，液态烃在裂化单元中被转化并被分馏成产物。有利地，基于科安达效 应的预混合装置产生快速的天然气与氧气预混合和在天然气合成油 系统中实质上较短的停留时间。上文所述方法的各种方面适用于不同的应用中，诸如在燃气轮 机中所用的燃烧室，和加热装置，诸如熔炉。另外，本文所述的技 术促进燃料与空气在燃烧之前的预混合，从而实质上减小了排放并且促进诸如燃气轮机和燃具气体燃烧器(appliance gas burner)的系 统的效率。预混合技术可用于不同的燃料，诸如(但不限于)高体 积热值和低体积热值的气态化石燃料，包括天然气、烃类、 一氧化 碳、氢气、沼气以及合成气。因此，预混合装置可用于灵活燃料燃 烧室用于整体煤气化联合循环(IGCC)以减小污染物排放。此外， 预混合装置可用于燃气灶器具。在某些实施例中，预混合装置用于 航空发动机氢气燃烧室和用于航空衍生和重型机械的其它燃气轮机 燃烧室。特别地，所述预混合装置可有助于实质上减小采用低英热 单位(BTU)到高氢和纯氢华白指数的燃料类型的系统的排放。另 外，预混合装置可用于促进尤其适用于无二氧化碳的循环和废气再 循环的诸如氧-燃料的流的部分混合。因此，上文所述基于带有表面处理的预混合装置上的柯科安达 效应来促进混合的预混合技术能够促进预混合和燃烧室中的火焰稳 定性。另外，本技术能够减小从这些燃烧室的排放，尤其是NOx的 排放，从而实现燃气轮机以环境友好的方式操作。在某些实施例中， 该技术有助于减小燃烧室尤其是氢气燃烧室中的压力下降。另外， 通过带有表面处理的喷嘴上的科安达效应来促进混合所达成的促进 的预混合有助于提高燃烧室的调节比(即，燃烧室的最大点火能力 与燃烧器的最小点火能力的比)，增强燃烧室逆燃抗性并提高燃烧 室的熄火限度。在所说明的实施例中，燃料边界层沿壁定位，通过科安达效应 导致在该预混合装置的出口平面上所包括的壁上实质上较高的燃料浓度水平。另外，调节比受益于在该壁上更高的燃料浓度的存在， 从而使火焰稳定并增加逆燃抗性。应注意的是，火焰保持远离这些 壁，因此允许更好的调节比并且允许对当量比低至大约0.2的天然气 与空气混合物进行操作。此外，与现有系统相比，熄火限度被显著 地改进。另外，如在前面所述，这种系统可用于多种燃料，因此提 供了增强的燃料灵活性。举例说来，该系统可采用(例如)天然气 或4作为燃料。这种系统的燃料灵活性排除了对于硬件改造或具有 不同燃料所需的不同燃料输入口的复杂结构的需要。如上文所述， 所述预混合装置可与多种燃料一起使用，因此提供了系统的燃料灵 活性。此外，上文所述的技术可用于现有筒形燃烧室或环管式燃烧 室以减小排放和燃烧室内的任何动态振荡和调制。另外，所说明的装置可以用作现有燃烧器的引燃器(pilot)。用于在燃烧系统中预混合燃料与氧化剂的方法也属于所公开的本发明的实施例的范畴内。这种方法包括以下步骤在预混合装置 内吸入氧化剂，向预混合装置注入燃料，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， 以及预混合燃料和氧化剂以形成燃料-空气混合物而不造成混合室中 边界层流动分离和火焰稳定，该预混合步骤包括通过置于预混合装 置的内侧壁的至少一部分上的表面处理在燃料边界层中所产生的湍 流来促进氧化剂到燃料边界层内的夹带。关于上文的描述，应认识到本发明的部件的最优尺寸关系，包 括大小、操作的形式函数和方式、组件和用途的变型，被认为是对 于本领城技术人员显而易见的，且因此，预期与在附图中所说明和 说明书中所描述的关系等效的所有关系仅由所附权利要求书的范畴 涵盖。此外，虽然本发明已经特别地且详细地结合^C认为是实用的 内容和本发明的若干示范性实施例在附图中显示并且在上文进行了 全面的描述，但是，对于本领域一般技术人员显而易见，在不偏离 本文所述的原理和概念的情况下，可以对本发明做出许多修改。因此，本发明的适当范畴应仅由所附权利要求书的最广泛的解释确定 以涵盖所有这些修改与等效物。
权利要求
1.一种预混合装置，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。
2. 根据权利要求1所述的预混合装置，其中所述壁面轮廓通过配 置以通过科安达效应使通过至少一个燃料进口槽供应的所述燃料向 所述壁面轮廓偏转。
3. 根据权利要求1所述的预混合装置，其中所述表面处理包括浅 凹陷的有序图案化阵列。
4. 根据权利要求3所述的预混合装置，其中所述表面处理包括圆 凸点的图案化阵列。
5. 根据权利要求3所述的预混合装置，其中所述表面处理包括图 案化表面粗糙度或无规表面粗糙度。
6. —种低排放燃烧室，其包括根据权利要求1至权利要求5中任 一项所述的预混合装置。
7. —种在燃烧系统中预混合燃料与氧化剂的方法，其包括 通过氧化剂入口在预混合装置内部吸入所述氧化剂； 通过周向槽向所述预混合装置注入所述燃料；使所述注入的燃料向所述预混合装置内的预定壁面轮廓偏转以沿所述预混合装置的内侧壁形成燃料边界层；以及使所述燃料与氧化剂预混合以形成燃料-空气混合物而不造成所 述混合室中边界层流动分离和火焰稳定，其中所述预混合包括通过 由置于所述预混合装置的内侧壁上的至少一部分上的表面处理在燃 料边界层中所产生的湍流来促进所述氧化剂到所述燃料边界层内的 夹带。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中所迷偏转进一步包括通过所 述预定壁面轮廓诱导科安达效应。
9. 一种燃气轮机，其包括根据权利要求7所述的低排放燃烧室。
10. —种天然气合成油系统，其包括 空气分离单元，其通过配置以从空气中分离出氧气； 气体处理单元，其用于制备天然气；燃烧室，其用于使氧与所述天然气在高温高压起反应以产生富含一氧化碳和氢气的合成气；根据权利要求1至6中任一项所述的预混合装置；以及 涡轮膨胀机，其与所述燃烧室流动连通以用于从其进行提取工作和用于使所述合成气熄灭。
全文摘要
本发明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。
文档编号F23D14/62GK101220955SQ200710165088
公开日2008年7月16日 申请日期2007年11月7日 优先权日2006年11月8日
发明者R·S·班克 申请人:通用电气公司