專利名稱：貧燃料直接噴射燃燒系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪機(jī)，更具體地，涉及使用殼管式熱交換器概
念將燃料和空氣運(yùn)送至燃燒器的貧燃料直接噴射(LDI)燃燒系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
大多數(shù)燃燒過(guò)程在某方面或另一方面具有回流流場(chǎng)。該回流流場(chǎng) 趨于使燃燒反應(yīng)區(qū)穩(wěn)定，但對(duì)于燃燒系統(tǒng)，無(wú)謂地大的回流區(qū)可引起 高的氮氧化物(NOx)排放。
用于燃燒的貧燃料直接噴射已經(jīng)表明具有減少NOx排放的可能 性。然而，建立用以簡(jiǎn)單地且均勻地噴射許多燃料和空氣流的燃燒器 提出了挑戰(zhàn)。非預(yù)混合式燃燒器通常使用多個(gè)燃料通道以將來(lái)自擴(kuò)散 末端的燃料噴射到通過(guò)擴(kuò)散器末端外環(huán)的空氣中。這就需要具有全部 安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的首端組件中的多個(gè)分離的空氣和燃料通道的多個(gè) 擴(kuò)散器末端。
本發(fā)明的殼管式LDI燃燒系統(tǒng)提供了一種用于容易地建立由許 多LDI噴射器組所構(gòu)成的燃燒系統(tǒng)的裝置，這些噴射器組具有使用類 似于殼管式熱交換器設(shè)計(jì)概念的通過(guò)所有通道的均勻的空氣和燃料 流。殼管式熱交換器包括在其內(nèi)部具有一束管道的殼體。 一種流體流 經(jīng)所述管道，而另一種液體通過(guò)殼體而在管道上流過(guò)，以^_在兩種流 體之間傳遞熱量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種使用殼管式熱交換器概念來(lái)構(gòu)造與燃燒系統(tǒng)一 起使用的殼管式貧燃料直接噴射器("LDI")的貧燃料直接噴射(LDI)燃燒系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，LDI噴射器的一側(cè)-殼體或管道_將例如是空
氣的氧化劑傳送到燃燒器，而LDI噴射器的另一側(cè)將燃料傳送到燃燒 器。管道將氧化劑(或燃料，或稀釋劑或它們的組合)傳送到燃燒器， 而鉆入或以其他方式切入到燃燒器端板中的直孔或斜孔允許燃料(或 者氧化劑，或稀釋劑或它們的組合)從殼體進(jìn)入燃燒器。熱交換器的構(gòu) 造技術(shù)，例如釬焊或焊接用來(lái)裝配LDI燃燒系統(tǒng)的構(gòu)件。
圖1是本發(fā)明的殼管式貧燃料直接噴射燃燒系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的 局部截面透視圖2是圖1的殼管式貧燃料直接噴射燃燒系統(tǒng)實(shí)施例的另一個(gè)局 部截面透視圖，其示出了燃燒器端板中的、用于將來(lái)自殼體側(cè)的燃料 和來(lái)自管道側(cè)的空氣引入到燃燒器中的孔；
圖2A是示出了用于在燃燒器端部中切割燃料孔和空氣孔的兩種 不同方法的截面示意圖3示出了殼管式LDI燃燒系統(tǒng)的備選實(shí)施例，其中，逐漸增大 的殼體設(shè)置在彼此的內(nèi)部，且與對(duì)應(yīng)的管道組一起使用；
圖4示出了殼管式LDI燃燒系統(tǒng)的備選實(shí)施例，其中，平管或桿 /板或翅狀料用來(lái)形成管道；
圖5A至圖5D示出了殼管式LDI燃燒系統(tǒng)的另一備選實(shí)施例， 該燃燒系統(tǒng)使用了包括管道組件插入于其內(nèi)的殼體組件的殼管式LDI 組件。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明的殼管式貧燃料直接噴射燃燒系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施 例的局部截面透視圖。該殼管式LDI燃燒系統(tǒng)10包括燃燒器12和將 燃料和例如是空氣的氧化劑傳送至燃燒器12的殼管式貧燃料直接噴
射器14。殼管式LDI14包括殼體16和定位于殼體16內(nèi)的一束或多個(gè)管道 18。在圖1所示的LDI14的實(shí)施例中，燃料通過(guò)LDI14的"殼體側(cè)" 16傳送到燃燒器12，而空氣通過(guò)LDI14的"管道側(cè)"18傳送到燃燒 器12。然而，作為備選方案，兩側(cè)中的任一側(cè)可包含燃料、空氣、或 稀釋劑或它們的任意組合。
圖2是圖1的殼管式貧燃料直接噴射燃燒系統(tǒng)10的實(shí)施例的另 一個(gè)局部截面透視圖，其示出了在燃燒器12端板中的、用來(lái)將來(lái)自 殼體側(cè)16的燃料和來(lái)自管道側(cè)18的空氣噴射到燃燒器12中的兩組 孔。
殼體16內(nèi)的多個(gè)管道18自殼體16的第一端板20延伸完全通過(guò) 殼體16的內(nèi)部直至殼體16的第二端板22。第一端板20具有鉆入或 以其它方式切入到其中的多個(gè)孔24，管道18的第一端26終止于該孔 24。端板20上的多個(gè)孔24與殼體16內(nèi)的多個(gè)管道18在數(shù)量上相對(duì) 應(yīng)。殼體16的第二端板22也具有鉆入或以其它方式切入到其中的多 個(gè)孔30,管道18的第二端36終止于該孔30。
鄰近殼體16的端板22是燃燒器12的端板或蓋32。端板32在圖 1和圖2中以部分剖視圖示出，使得端板32上的用來(lái)將燃料和空氣噴 射到燃燒器12的孔可以被容易地圖示。
空氣通過(guò)圖1和圖2所示的燃燒系統(tǒng)10的實(shí)施例的LDI14的管 道側(cè)18進(jìn)入燃燒器12。如圖l和圖2中可見(jiàn)的，多個(gè)孔34鉆入或以 其它方式切入端板32中?？?4在數(shù)目和定位上與端板22中的孔30 相對(duì)應(yīng)。如此一來(lái)，孔34可來(lái)將空氣噴射到燃燒器12中。為此，殼 體16的第一端板20連接到圖1中所示的上游氣室40。從上游氣室 40來(lái)的空氣進(jìn)入端板20中的孔24，且通過(guò)管道18經(jīng)由端板32中的 孔34進(jìn)入到燃燒器12中。
燃料通過(guò)LDI14的殼體側(cè)16進(jìn)入燃燒器12。殼體16包括燃料 入口 28,燃料通過(guò)該燃料入口 28而泵送到殼體16中。殼體16的端 板22也包括與燃燒器12的端板22中的多個(gè)燃料孔38相對(duì)應(yīng)的多個(gè)燃料孔29。流經(jīng)燃料孔29且然后流經(jīng)燃料孔38的燃料噴射到燃燒器 12中，此處該燃料與從連接到管道18的空氣孔34噴射到燃燒器12 中的空氣混合。如從圖2中可見(jiàn)的，對(duì)于燃燒器12的端板22中的各 空氣孔34而言，存在優(yōu)選至少一對(duì)橫跨在端板22兩邊的燃料孔38。 殼體側(cè)16、燃料入口 28、端板22上的燃料孔29以及通過(guò)端板22的 燃料孔38的尺寸已經(jīng)設(shè)置為以便確保整體上一致的孔尺寸，從而將 燃料恰當(dāng)?shù)剌斔偷饺紵?2。
管道18和殼體16可以釬焊或焊接在一起?？諝饪?4和燃料孔 38可以用任何傳統(tǒng)的方法鉆通或切通端板32。在圖1和圖2所示的 構(gòu)造中，燃料孔38開(kāi)始為直的然后在其位于端板32中的出口處成角 度，以將燃料噴射到來(lái)自空氣孔34的空氣流。燃料孔38在圖2中示 為離開(kāi)而進(jìn)入燃燒器12,但它們可被切割成以便與端板32內(nèi)的空氣 孔相交，從而在進(jìn)入燃燒器12之前提供空氣和燃料的某些預(yù)混合。 應(yīng)當(dāng)注意的是，燃料孔和空氣孔38還可切成或者與通過(guò)端板32的引 入管道成直線，或者相對(duì)于通過(guò)端板32的引入管道完全成某角度。 還應(yīng)該注意地是，基于優(yōu)化燃燒系統(tǒng)IO的性能，定位在空氣孔34周 圍的燃料孔38的數(shù)量和位置可以變化。
圖2A是示出了用于在燃燒器的端板32中切割燃料孔和空氣孔的 兩種不同方法的截面圖。第一種方法是切出類似于圖2所示的那些孔 的、直地通過(guò)端板32的孔38A。第二種方法是成一定角度切出空氣 孔和燃料孔38B,以便使進(jìn)入燃燒器的流傾斜。燃燒器周圍不同的成 角度管道的組合可用來(lái)形成渦流。
LDI14的殼體側(cè)16尺寸設(shè)置成用以容納所期望的許多LDI噴射 器管道18。燃燒系統(tǒng)10可包含一個(gè)大的殼管式LDI14，使得LDI14 的端板22為燃燒器12的蓋32，或者燃燒器10可包括許多個(gè)較小的 殼管式LDI14,它們?cè)谌紵?2的蓋32周圍以某種形式彼此相鄰地 安裝。
在燃燒系統(tǒng)10的一個(gè)備選實(shí)施例中，燃料將在管道側(cè)18傳送，空氣將在殼體側(cè)16傳送，以使得空氣噴射到燃料中。另外，燃料側(cè) 或空氣側(cè)可具有預(yù)混合式空氣/燃料混合物而不是使用純?nèi)剂匣蚣兛?氣，使得空氣和燃料在燃燒器12中的混合更加快速。作為將稀釋劑
引入燃燒器12的方式，燃料側(cè)或空氣側(cè)還可包含稀釋劑的一些組合。 本發(fā)明的燃燒系統(tǒng)10的備選實(shí)施例可使用多組管道和/或在殼管 式LDI14內(nèi)的分隔式殼體段(從內(nèi)部分開(kāi))，以允許通過(guò)多種不同的LDI 組合使用多種不同的空氣/燃料/稀釋劑組合。這類實(shí)施例的 一 個(gè)示例 在圖3中示出，其中，彼此內(nèi)置的逐漸增大的殼體(例如殼體16A至 16G)與相應(yīng)的管道組一起使用，例如通向端板22中的孔29A至29G 的管道組18A至18G。
本發(fā)明的燃燒系統(tǒng)10的另一個(gè)實(shí)施例可使用由更大量的燃料孔 129所包圍的通向氣孔130的平管1185如圖4A所示，或可使用由大 量燃料孔229或329包圍的通向空氣孔230或330的桿/板或翅狀料(薄 的有褶皺的金屬片)218或318，如圖4B和4C中所示。該桿/板或翅狀 料能釬焊在 一起以將不同的燃料/空氣/稀釋劑通道隔開(kāi)。另一個(gè)實(shí)施 例可具有彼此內(nèi)置的逐漸增大的管道，管道之間的空間可交替地包含 空氣、燃料、稀釋劑或它們的一些組合。又一個(gè)實(shí)施例可使用采用任 意方式組合的多種不同的管道尺寸/形狀以優(yōu)化性能。
圖5A至圖5D又圖示了本發(fā)明的殼管式LDI燃燒系統(tǒng)的另一個(gè) 實(shí)施例。圖5A至圖5D所示的燃燒系統(tǒng)50包括燃燒器52和殼管式貧 燃料直接噴射器組件54,該噴射器組件54將燃料和空氣傳送至燃燒 器52。殼管式LDI54包括殼體組件56和定位于殼體組件56內(nèi)的管道 組件58。
殼體組件56由具有空心中心的大缸體60和兩個(gè)凸緣62和64組 成。如圖5D所示，管道組件58(圖5C)插入到該大缸體60的空心中 心內(nèi)，凸緣62和64焊接在管道60的外部以便為管道60提供強(qiáng)度。
管道組件58由第一端板66、第二端板68和延伸于端板66和端 板68之間的一束或多個(gè)管道70組成。第一端板66具有鉆入或以其它方式切入其中以用來(lái)接收來(lái)自上游氣室74的空氣和燃料的多個(gè)孔 72。第二端板68具有用于將空氣和燃料噴射到燃燒器62中的多個(gè)孔 76和78。管道70延伸于孔72和孔76之間?？?2和孔76的構(gòu)造類 似于圖2所示的孔34和孔38的構(gòu)造。
附連到殼體組件56的是兩個(gè)額外的凸緣76和78(圖5A和5B), 凸緣76和78用于將組件56分別附連至上游氣室69和燃燒器52上 的凸緣80和82。殼體組件56還包括燃料入口 84，燃料通過(guò)燃料入 口 84而泵送到殼體組件56中。引入到殼體組件56中的燃料通過(guò)端 板68中的孔78而噴射到燃燒器52中。
本發(fā)明的殼管式LDI燃燒系統(tǒng)提供了比當(dāng)前的MNQC噴嘴更低 的NOx排放。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，在相似條件下，使用本燃燒系統(tǒng)的NOx 水平小于使用MNQC噴嘴的NOx水平的一半。這可以提供顯著的排 放優(yōu)勢(shì)和/或?qū)ο♂寗┬枨蟮臏p少。本發(fā)明的燃燒系統(tǒng)還提供了燃料和 空氣的更好的分配，以改善燃燒。它考慮了將噴射器尺寸按比例減少 至非常小的尺寸或按比例增加到大的尺寸。它可用來(lái)代替當(dāng)前的 MNQC技術(shù)，或代替當(dāng)前的DLN技術(shù)中的擴(kuò)散末端。它還可用來(lái)在 任何合成氣(sungas)發(fā)動(dòng)機(jī)上代替當(dāng)前的MNQC噴嘴，或代替任何當(dāng) 前的DLN燃燒器中的擴(kuò)散末端。
盡管已結(jié)合目前被認(rèn)為是最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例而描述了本發(fā) 明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不限于所公開(kāi)的實(shí)施例，相反地，本 發(fā)明旨在覆蓋包含在所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的不同的修改 和等效設(shè)置。
權(quán)利要求
1. 一種燃燒系統(tǒng)(10)，包括用于燃燒空氣和燃料的混合物的燃燒器(12)，和用于將燃料和空氣噴射到所述燃燒器(12)中的貧燃料直接噴射器(14)，所述噴射器包括包括入口(28)的殼體(16)，所述入口(28)用于將空氣或燃料泵送到所述殼體(16)中，所述殼體(16)具有連接至所述燃燒器(12)的一個(gè)端部(22)，以及定位于所述殼體(16)內(nèi)的多個(gè)管道(18)，所述燃燒器(12)包括端板(32)，所述端板具有用于將來(lái)自所述殼體(16)或所述管道(18)的空氣噴射到所述燃燒器(12)中的第一組孔(34)和用于將來(lái)自所述殼體(16)或所述管道(18)的燃料噴射到所述燃燒器(12)中的第二組孔(38)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述殼體(16) 將燃料運(yùn)送到所述燃燒器(12)，且所述多個(gè)管道(18)將空氣運(yùn)送到所述 燃燒器(12)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述殼體(16) 將空氣運(yùn)送到所述燃燒器(12)，且所述多個(gè)管道(18)將燃料運(yùn)送到所述 燃燒器(12)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述殼體(16) 和所述多個(gè)管道(18)分別將空氣和燃料、燃料和空氣、或空氣和燃料 和/或稀釋劑的組合運(yùn)送到所述燃燒器(12)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述殼體(16) 包括第一端板(20)和第二端板(22)，所述第一端板(20)具有切入到所述 第一端板(20)中以用于接收來(lái)自連接到所述第一端板(20)的氣室(40) 的空氣或燃料的第三組孔(24)，所述第二端板(22)連接至所述燃燒器端 板(32)并且包括切入到所述第二端板(22)中以用于將空氣或燃料運(yùn)送至所述燃燒器(12)的第四組孔(30)，所述多個(gè)管道(18)延伸于切入到所 述第一端板和所述第二端板(20,22)中的所述第三組孔和所述第四組孔 (24,30)之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述殼體(16) 的第二端板(22)包括切入到所述第二端板(20)中以用于將空氣或燃料 運(yùn)送至所述燃燒器的第五組孔(29)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述第二組
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述第一組 孔和所述第二組孔(34，38)切割成相對(duì)于通過(guò)所述燃燒器端板(32)的所 述管道(18)成一定角度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述第二組 孔(38)在所述燃燒器端板(32)內(nèi)以一定角度切割，以便與所述第一組孔 (34)相交，從而由所述第二組孔(38)運(yùn)送的燃料與由所述第 一組孔(34) 運(yùn)送的空氣相混合。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)管 道(18)釬焊或焊接到所述殼體(16)上，并且，其中，所述殼體端板(22) 為用于所述燃燒器的蓋。
全文摘要
本發(fā)明涉及貧燃料直接噴射燃燒系統(tǒng)。一種用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的貧燃料直接噴射(LDI)燃燒系統(tǒng)(10)，該燃燒系統(tǒng)使用殼管式熱交換器概念來(lái)構(gòu)造用于燃燒系統(tǒng)(10)的殼管式貧燃料直接噴射器(″LDI″)(14)。LDI噴射器(14)的一側(cè)，或殼體側(cè)(16)或管道側(cè)(18)，將例如是空氣的氧化劑傳送到燃燒器(12)，而LDI噴射器(14)的另一側(cè)將燃料傳送到燃燒器(14)。在燃燒器(12)的端板(32)中鉆出的直孔或斜孔(34，38)允許燃料進(jìn)入燃燒器(12)并與正噴射到到燃燒器(12)中的空氣相混合。
文檔編號(hào)F23R3/28GK101532679SQ20091012753
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月12日
發(fā)明者B·P·萊西, B·瓦拉薩拉延, E·伊爾梅斯, G·A·博爾德曼, G·O·克雷默, P·梅爾頓, W·S·齊明斯基 申請(qǐng)人:通用電氣公司