[发明专利]用于增强预混合装置中混合的燃料喷射槽式喷嘴和方法

说明书

技术领域

本发明的实施例大体上涉及燃烧器(combustor)，更具体地说，本发明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 fuel inection slotjet)。

背景技术

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接口处，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，飞机燃汽涡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(NO_x)，一氧化碳(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(CO₂)。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机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，这种交叉流动喷射由于燃料压力的波动和燃烧器中的压力波动而导致燃烧过程的波动和调节，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料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廓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发明人是未知的。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。

发明内容