專(zhuān)利名稱(chēng)：促進(jìn)預(yù)混合裝置中混合的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例大體而言涉及燃燒室，且更具體說(shuō)來(lái)，涉及用 于在低排放燃燒過(guò)程中促進(jìn)燃料與氧化劑混合的帶表面處理的預(yù)混 合裝置。
背景技術(shù)：
歷史上，在燃燒室中通過(guò)擴(kuò)散控制(也被稱(chēng)作非預(yù)混合)燃燒 來(lái)從燃料提取能量，其中反應(yīng)物最初是分開(kāi)的而且僅在燃料與氧化 劑之間的界面發(fā)生反應(yīng)，混合和反應(yīng)皆在所述界面處發(fā)生。這種裝 置的實(shí)例包括(但不限于)航空燃?xì)廨啓C(jī)和航空衍生型燃?xì)廨啓C(jī)，其 用于發(fā)電、船舶推進(jìn)、氣體壓縮、熱電聯(lián)產(chǎn)和海上平臺(tái)電力(僅舉 幾個(gè)例子)等應(yīng)用中。在設(shè)計(jì)這些燃燒室時(shí)，工程師不僅要面對(duì)維 持或減小燃燒室的總尺寸，增加最大操作溫度和增加比能釋放率等 持續(xù)要求的挑戰(zhàn)，而且還要面對(duì)減小法規(guī)限定的污染物的形成和其 向環(huán)境的排放的持續(xù)增加的需要的挑戰(zhàn)。相關(guān)主要污染物的實(shí)例包括氮的氧化物(NOx)、 一氧化碳(CO)、未燃燒和未完全燃燒的 烴類(lèi)和溫室氣體，諸如二氧化碳(CO"。由于控制流動(dòng)中局部組分 變化(由發(fā)生燃燒時(shí)對(duì)流體機(jī)械混合的依賴(lài)造成)、與局部化學(xué)計(jì) 量比燃燒相關(guān)的峰值溫度、在高溫區(qū)域的停留時(shí)間和氧有效性(oxygen availability)的困難，擴(kuò)散控制燃燒室提供有限的能力來(lái)滿(mǎn)足目前和 未來(lái)的排放要求同時(shí)仍保持所要增強(qiáng)的性能水平。近來(lái)，已使用貧油預(yù)混燃燒室來(lái)進(jìn)一 步減小不良污染物的排放 水平。在這些燃燒室中，適量燃料與氧化劑在發(fā)生任何顯著化學(xué)反 應(yīng)之前被充分混合，從而有助于控制上文所列出的擴(kuò)散控制燃燒室的困難。然而，因?yàn)槿剂吓c氧化劑的可燃混合物在所要的火焰穩(wěn)定 位置之前形成，因此預(yù)混燃燒室設(shè)計(jì)者仍繼續(xù)面對(duì)控制發(fā)生混合的 區(qū)域中的任何流動(dòng)分離及/或火焰穩(wěn)定以便減小及/或排除不良的燃燒 不穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。目前的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)還包括控制發(fā)生燃料與氧化劑混 合的區(qū)域的全長(zhǎng)和減小與預(yù)混合過(guò)程相關(guān)的壓力下降。由于需要能 夠利用較廣范圍燃料進(jìn)行適當(dāng)操作的燃燒室的需要，這些挑戰(zhàn)變得 更加復(fù)雜，這些較廣范圍的燃料包括(但不限于)天然氣、氫氣和 合成燃?xì)?也被稱(chēng)作合成氣)，合成燃?xì)鉃閺拿夯蚱渌牧系臍饣?過(guò)程所獲得的富含一 氧化碳和氫氣的氣體。常規(guī)預(yù)混燃燒器合并位于旋流器葉片之間或葉片翼面的表面上的燃料噴射(ftiel jet)。然而，燃料的這種橫流注入在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生 高燃料/空氣混合物濃度與低燃料/空氣混合物濃度的局部區(qū)域，從而 導(dǎo)致了實(shí)質(zhì)上更高的排放。另外，由于可能造成燃燒過(guò)程中破壞性 動(dòng)力的燃燒室中的燃料壓力波動(dòng)和壓力振蕩的原因，這種橫流注入 導(dǎo)致燃燒過(guò)程中的波動(dòng)和調(diào)制。近來(lái)，已提出使用科安達(dá)表面的預(yù) 混合裝置來(lái)作為減小主要依靠橫流燃料注入的預(yù)混燃燒室的負(fù)面影 響以實(shí)現(xiàn)所要的預(yù)混合和總性能水平的一種方法。在這些裝置中， 在主流氣流加速時(shí)沿科安達(dá)表面注入的燃料粘附到該表面上，防止 燃料噴射飛離(liftoff)和分離以及可造成燃燒不穩(wěn)定的不當(dāng)壓力波 動(dòng)。然而，由于緊鄰預(yù)混合裝置的發(fā)散壁維持燃料噴射，因此略微 延遲燃料與氧化劑的有效混合，從而導(dǎo)致不必要較長(zhǎng)的預(yù)混合裝置以確保燃料與氧化劑適當(dāng)混合。如果預(yù)混合裝置的長(zhǎng)度受到總發(fā)動(dòng) 機(jī)長(zhǎng)度要求的限制，例如，傳遞到火焰區(qū)的燃料濃度分布可能含有 不需要的空間變化，因此，減小了預(yù)混合對(duì)污染物形成過(guò)程的總體 影響以及可能影響燃燒區(qū)中的總火焰穩(wěn)定性。盡管已使用表面處理來(lái)促進(jìn)在各種應(yīng)用中的傳熱(參看，例如， 美國(guó)專(zhuān)利第6,644,921號(hào)和第6,504,274號(hào)，其公開(kāi)了使用凹陷來(lái)分 別維持渦輪機(jī)部分或發(fā)動(dòng)機(jī)中的操作溫度在可接受的水平；美國(guó)專(zhuān)利笫6,468,669號(hào)和第6，598,781號(hào)，其公開(kāi)了使用在具有突起的渦 輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的金屬構(gòu)件來(lái)增加在高溫操作的各種表面上的傳熱 特性，和美國(guó)專(zhuān)利第7,104,067號(hào)，其公開(kāi)了在燃燒室襯套的外表面 上的多個(gè)軸向間隔的周向槽來(lái)在減小的壓力損失的情況下提供增強(qiáng) 的冷卻水平)，使用預(yù)混燃燒室的科安達(dá)表面上的處理來(lái)促進(jìn)燃料 與氧化劑的混合是本發(fā)明者所不知道的。因此，存在對(duì)于貧油預(yù)混燃燒室中使用的預(yù)混合裝置的需要， 其具有促進(jìn)燃料與氧化劑混合的能力同時(shí)維持對(duì)燃燒室的混合區(qū)域 中流動(dòng)分離與火焰穩(wěn)定的控制。增強(qiáng)的混合性能將允許發(fā)展具有減 小的長(zhǎng)度預(yù)混合裝置而不實(shí)質(zhì)上影響裝置中的總壓力下降；合并這 種預(yù)混室的預(yù)混燃燒室尤其適用于具有較廣泛范圍的組成、熱值和 比容的燃料。發(fā)明內(nèi)容一或多個(gè)上文所總結(jié)的需要和本領(lǐng)域中已知的其它需要通過(guò)預(yù) 混合裝置實(shí)現(xiàn)，所述預(yù)混合裝置包括進(jìn)氣口、燃料室(fuel plenum)、 和混合室，其中，所述燃料室與該進(jìn)氣口流體連通在鄰近該燃料室 的壁面輪廓上具有至少 一個(gè)燃料進(jìn)口槽，所述混合室置于所述進(jìn)氣 口與所述至少 一個(gè)燃料進(jìn)口槽的下游用于混合來(lái)自進(jìn)氣口的壓縮空 氣和沿由該壁面輪廓所形成的與空氣混合的燃料的邊界層的燃料， 該混合室包括置于其內(nèi)側(cè)壁的至少一部分上的表面處理，該表面處 理通過(guò)配置以氣動(dòng)地促進(jìn)來(lái)自邊界層的燃料與壓縮空氣的混合而不 造成混合室中邊界層流動(dòng)分離和火焰穩(wěn)定。所公開(kāi)的本發(fā)明的實(shí)施 例還包括具有上文所總結(jié)的預(yù)混合裝置的低排放燃燒室和燃?xì)廨啓C(jī) 燃燒室。在所公開(kāi)的本發(fā)明的另一方面，公開(kāi)了燃?xì)廨啓C(jī)，其包括壓縮 機(jī)、燃燒室和渦輪機(jī)，所述燃燒室與該壓縮機(jī)流動(dòng)連通用于燃燒燃 料與空氣的預(yù)混混合物，且所述渦輪機(jī)位于該燃燒室的下游用于使高溫氣流膨脹離開(kāi)燃燒室。這種燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室包括具有進(jìn)氣口 、 燃料室和混合室的預(yù)混合裝置，所述燃料室與該進(jìn)氣口流動(dòng)連通在 鄰近該燃料室的壁面輪廓上具有至少一個(gè)燃料進(jìn)口槽，且所述混合 室置于所述進(jìn)氣口與所述至少 一個(gè)燃料進(jìn)口槽的下游用于混合來(lái)自 進(jìn)氣口的壓縮空氣和沿由該壁面輪廓所形成的燃料邊界層的燃料，該混合室包括置于其內(nèi)側(cè)壁的至少一部分上的表面處理，該表面處 理通過(guò)配置以氣動(dòng)地促進(jìn)來(lái)自邊界層的燃料與壓縮空氣的混合而不 造成混合室中邊界層流動(dòng)分離和火焰穩(wěn)定。在所公開(kāi)的本發(fā)明的另一方面，公開(kāi)了天然氣合成油系統(tǒng)，其 包括空氣分離單元，該空氣分離單元通過(guò)配置用于從空氣分離出氧氣；氣體處理單元，該氣體處理單元通過(guò)配置用于制備天然氣的； 燃燒室，其用于使氧氣與天然氣在高溫高壓起反應(yīng)以產(chǎn)生富含一氧 化碳和氬氣的合成氣；以及，渦輪膨脹機(jī)，其與燃燒室流動(dòng)連通用 于自其進(jìn)行提取工作和使合成氣熄滅。這種天然氣合成油系統(tǒng)的燃 燒室包括置于燃燒室上游的預(yù)混合裝置以促進(jìn)氧氣與天然氣在燃燒 室中起反應(yīng)之前的預(yù)混合，該預(yù)混合裝置包括進(jìn)氣口，燃料室和混 合室，所述燃料室與該進(jìn)氣口流動(dòng)連通在鄰近燃料室的壁面輪廓上 具有至少一個(gè)燃料進(jìn)口槽，所述混合室置于所述進(jìn)氣口與所述至少 一個(gè)燃料進(jìn)口槽下游用于混合來(lái)自進(jìn)氣口的壓縮空氣與沿由壁面輪 廓所形成的燃料邊界層的燃料，該混合室包括置于其內(nèi)側(cè)壁的至少 一部分上的表面處理，該表面處理通過(guò)配置以氣動(dòng)地促進(jìn)來(lái)自邊界 層的燃料與壓縮空氣混合而不造成混合室中邊界層流動(dòng)分離和火焰穩(wěn)定。在燃燒系統(tǒng)中將燃料與氧化劑預(yù)混合的方法也屬于所公開(kāi)的本 發(fā)明的實(shí)施例的范疇，這些方法包括以下步驟在預(yù)混合裝置內(nèi)部 吸入氧化劑，將燃料注入到預(yù)混合裝置內(nèi)，使所注入的燃料向預(yù)混 合裝置內(nèi)的壁面輪廓偏轉(zhuǎn)以形成沿預(yù)混合裝置內(nèi)側(cè)壁的燃料邊界 層，及將燃料與氧化劑預(yù)混合以形成燃料-空氣混合物而不造成混合室中流動(dòng)分離和火焰穩(wěn)定，該預(yù)混步驟包括通過(guò)由置于預(yù)混合裝置 的內(nèi)側(cè)壁的至少 一部分上的表面處理在燃料邊界層中所產(chǎn)生的湍流 將氧化劑夾帶到燃料邊界層內(nèi)。上文簡(jiǎn)要的描述陳述了本發(fā)明的特征以便更好地理解下文本發(fā) 明的具體實(shí)施方式
，而且也為了更好地了解本發(fā)明對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域 的貢獻(xiàn)，當(dāng)然，本發(fā)明還存在其它的特征，這些特征將在下文中展 開(kāi)描述而且這些特征將是所附權(quán)利要求書(shū)的主旨。在這個(gè)方面，在詳細(xì)解釋說(shuō)明本發(fā)明的若干優(yōu)選實(shí)施例之前，述或在附圖中所說(shuō)明的構(gòu)造的細(xì)節(jié)和構(gòu)件的排列。本發(fā)明還能夠以 其它方式實(shí)施并且能夠以不同方式實(shí)踐和執(zhí)行。還應(yīng)了解，本文所 用措辭和術(shù)語(yǔ)是出于描述目的不應(yīng)被理解為是限制性的。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解到本公開(kāi)內(nèi)容所基于的概念可易基礎(chǔ)。因此，重要的是，權(quán)利要求書(shū)被視為包括這些等效結(jié)構(gòu)，只 要其不偏離本發(fā)明的精神與范疇。另外，前面摘要的目的在于整體上使美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局和公眾， 和特別地對(duì)專(zhuān)利或法律術(shù)語(yǔ)或措詞不熟悉的在本領(lǐng)域中的科學(xué)工作 者、工程師和實(shí)踐者通過(guò)粗略地檢閱來(lái)快速地確定本申請(qǐng)案的技術(shù) 公開(kāi)內(nèi)容的性質(zhì)和本質(zhì)。因此，該摘要既不限定本發(fā)明或本申請(qǐng)案 (其僅由權(quán)利要求書(shū)限定)也決不限制本發(fā)明的范疇。


將易于獲得對(duì)本發(fā)明的更全面的了解和本發(fā)明的許多附帶優(yōu) 勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參考下文的具體實(shí)施方式
，這些 內(nèi)容將會(huì)變得更好地理解。圖1為根據(jù)本技術(shù)方面具有帶預(yù)混合裝置的燃燒室的燃?xì)廨啓C(jī)的簡(jiǎn)圖；圖2為根據(jù)本技術(shù)的方面在圖1的燃?xì)廨啓C(jī)中所用的低排放燃燒室的示范性配置的簡(jiǎn)圖；圖3為根據(jù)本技術(shù)方面在圖1的燃?xì)廨啓C(jī)中所用的低排放燃燒 室的另一示范性配置的簡(jiǎn)圖；圖4為根據(jù)本技術(shù)方面在圖1的燃燒室中所用的預(yù)混合裝置的 示范性配置的橫斷面視圖，所述預(yù)混合裝置具有置于預(yù)混合裝置的 內(nèi)側(cè)壁上的表面處理的實(shí)施例；圖5說(shuō)明了在圖4的表面處理的一個(gè)元件內(nèi)部的流動(dòng)的示意圖；圖6說(shuō)明了圖4的表面處理的幾何變型；圖7說(shuō)明了圖4的表面處理的另一幾何變型；圖8說(shuō)明了根據(jù)本技術(shù)方面置于在圖1的燃燒室中所用的預(yù)混 合裝置的內(nèi)側(cè)壁上的表面處理的另一實(shí)施例；圖9說(shuō)明了根據(jù)本技術(shù)方面置于在圖1的燃燒室中所用的預(yù)混 合裝置的內(nèi)側(cè)壁上的表面處理的另 一實(shí)施例；圖10顯示了根據(jù)本技術(shù)方面置于在圖1的燃燒室中所用的預(yù)混 合裝置的內(nèi)側(cè)壁上的表面處理的另一實(shí)施例的照片；以及圖11顯示了根據(jù)本技術(shù)方面置于在圖1的燃燒室內(nèi)所用的預(yù)混 合裝置的內(nèi)側(cè)壁上的表面處理的另一實(shí)施例的照片。 元件列表燃?xì)廨啓C(jī)IO壓縮才幾14燃燒室12渦輪機(jī)16軸18燃燒室外殼20 低排放燃燒室22 燃燒室殼體24燃燒室村套26拱頂板28隔熱屏30預(yù)混合裝置氣流34火焰36冷卻孔38低排放燃燒室40內(nèi)殼42外殼44內(nèi)燃燒室襯套46和外燃燒室襯套48 拱頂板50內(nèi)隔熱屏52和外隔熱屏54散流區(qū)56氣流58預(yù)混合裝置60燃料管線(xiàn)62和64火焰66.預(yù)混合裝置70進(jìn)氣口 72混合室74燃料室76周向槽78預(yù)定壁面輪廓80燃料流動(dòng)82散流器84出口 86.表面處理的第一實(shí)施例90 淺凹陷92倒置或截?cái)嗟膱A錐110 側(cè)壁112 圓錐-凹坑120 表面處理實(shí)施例150 淺球形表面凹槽152, 154 表面無(wú)規(guī)粗糙170 表面圖案化粗糙180具體實(shí)施方式
現(xiàn)參看附圖，其中在所有不同視圖中類(lèi)似的參考標(biāo)記表示類(lèi)似 或相應(yīng)的部件，將對(duì)所公開(kāi)的預(yù)混合裝置的若干實(shí)施例進(jìn)行描述。 在下文的解釋說(shuō)明中，將使用在燃?xì)廨啓C(jī)中所用的公開(kāi)的預(yù)混合裝 置的示范性實(shí)施例。然而，對(duì)于可適用技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員顯 而易見(jiàn)，同樣的預(yù)混合裝置可用于其中燃燒主要受燃料與氧化劑的 預(yù)混合控制的其它應(yīng)用中。圖1說(shuō)明了具有壓縮機(jī)14的燃?xì)廨啓C(jī)10,其在操作中向低排放 燃燒室12供應(yīng)高壓空氣。在注入到燃燒室12內(nèi)的燃料與空氣(或 另一氧化劑)燃燒之后，高壓高溫燃燒氣體離開(kāi)燃燒室12且膨脹穿 過(guò)渦輪機(jī)16，該渦輪機(jī)16通過(guò)軸18驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)14。如本領(lǐng)域一屏殳 技術(shù)人員所了解，在此處對(duì)空氣或氣流的參考也指任何其它氧化劑， 包括(但不限于)純氧氣或氧氣的體積含量小于20% (例如，10% ) 的污濁氣流。在一個(gè)備選實(shí)施例中，燃燒室12包括筒形燃燒室。在 一個(gè)替代實(shí)施例中，燃燒室12包括環(huán)管式燃燒室或僅為環(huán)形燃燒室。視應(yīng)用而定，燃燒氣體可進(jìn)一步在噴嘴(未圖示)中膨脹以產(chǎn)生推 力或燃?xì)廨啓C(jī)10可具有額外的渦輪機(jī)(未圖示)以從燃燒氣體提取 額外的能量用于驅(qū)動(dòng)外荷載。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，燃燒室12包括限定燃燒區(qū)的燃燒室外殼20。此外，燃燒室12還包括用于使壓縮空氣與燃料在燃燒區(qū)中燃燒之前進(jìn)行混合的預(yù)混合裝置。特別地，預(yù)混合裝置采用科安達(dá)效應(yīng) (附壁效應(yīng))來(lái)促進(jìn)混合過(guò)程的效率。如本文所用的術(shù)語(yǔ)"科安達(dá) 效應(yīng)"是指流體流傾向于將其自身附著到附近表面上并且保持附著 即使在表面彎曲遠(yuǎn)離流體運(yùn)動(dòng)的本來(lái)方向時(shí)。圖2說(shuō)明了在圖1的燃?xì)廨啓C(jī)10中所用的低排放燃燒室22的 示范性配置。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，燃燒室22包括筒形燃燒室。燃 燒室22包括燃燒室殼體(combustor casing ) 24和置于燃燒室殼體24 內(nèi)的燃燒室襯套26。燃燒室22還包括拱頂板28和隔熱屏30，該隔 熱屏30通過(guò)配置以減小燃燒室壁的溫度。另外，燃燒室22包括多 個(gè)預(yù)混合裝置32用于在燃燒之前使氧化劑與燃料預(yù)混合。在一個(gè)實(shí) 施例中，可設(shè)有多個(gè)預(yù)混合裝置32以在燃燒室22內(nèi)實(shí)現(xiàn)分階段燃 料引入用于采用諸如氫氣的燃料的應(yīng)用。在操作中，預(yù)混合裝置32 接收氣流34，其與從燃料室引入到預(yù)混合裝置32內(nèi)的燃料混合。之 后，空氣-燃料混合物在燃燒室22內(nèi)部的火焰36中燃燒。如所說(shuō)明， 還可提供稀釋或冷卻孔38。圖3說(shuō)明在圖1的燃?xì)廨啓C(jī)10中所用的另一低排放燃燒室40 的另一示范性配置。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，燃燒室40包括環(huán)形燃燒 室。如所說(shuō)明，內(nèi)殼(inner casing)42和外殼(outer casing)44限定燃燒 室40內(nèi)的燃燒區(qū)。此外，燃燒室40通常包括內(nèi)燃燒室襯套46和外 燃燒室襯套48和換頂板50。另外，燃燒室40包括置于外燃燒室襯 套46和外燃燒室村套48附近的內(nèi)隔熱屏52和外隔熱屏54以及用 于將氣流58引導(dǎo)到燃燒區(qū)內(nèi)的散流區(qū)56。燃燒室40還包括多個(gè)置 于燃燒區(qū)上游的預(yù)混合裝置60。在操作中，個(gè)別預(yù)混合裝置60通過(guò)燃料管線(xiàn)62和64從燃料室接收燃料，所述燃料被引導(dǎo)在預(yù)混合裝 置60內(nèi)部的預(yù)定壁面輪廓上流動(dòng)以通過(guò)使用科安達(dá)效應(yīng)夾帶空氣而 促進(jìn)預(yù)混合裝置60的混合效率。另外，來(lái)自燃料管線(xiàn)62和64的燃 料與進(jìn)入的空氣流58混合且用于燃燒的燃料-空氣混合物^支傳遞到火 焰66。在這個(gè)實(shí)施例中，燃料的引入改變了燃燒室40內(nèi)的風(fēng)流分支。 特別地，由于科安達(dá)效應(yīng)所造成的壓力變化，稀釋空氣實(shí)質(zhì)上減小 且燃燒風(fēng)流分支增加。圖4為在上述燃燒室中所用的預(yù)混合裝置70的示范性配置的橫 斷面視圖。在圖4所說(shuō)明的實(shí)施例中，預(yù)混合裝置70包括進(jìn)氣口 72, 進(jìn)氣口 72通過(guò)配置以將壓縮空氣引入到混合室74內(nèi)。另外，預(yù)混 合裝置70包括燃料室76,通過(guò)周向槽78從該燃料室76向混合室74 提供燃料。如可適用技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員所理解，槽78可繞預(yù) 混合裝置70的周邊連續(xù)地或離散地安置。通過(guò)周向槽78所引入的 燃料在預(yù)定壁面輪廓80上偏轉(zhuǎn)，形成燃料流動(dòng)82。在這個(gè)示范性實(shí) 施例中，預(yù)混合裝置70具有環(huán)形配置且燃料被徑向引入并經(jīng)過(guò)預(yù)定 壁面輪廓80。可基于所要的預(yù)混效率和包括諸如(但不限于)燃料 壓力、燃料溫度、進(jìn)入的空氣的溫度和燃料注入速度的因素的操作 條件來(lái)選擇/最優(yōu)化預(yù)定壁面輪廓80的幾何形狀和尺寸。燃料的實(shí)例 包括天然氣、高氫氣體、純氫氣、沼氣、 一氧化碳和合成氣。然而， 還可以采用多種其它燃料。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，基于科安達(dá)效應(yīng)， 預(yù)定的壁面輪廓80造成所引入的燃料進(jìn)一步附著到壁面輪廓80上， 形成邊界層。鄰近預(yù)定壁面輪廓80所形成的這種邊界層造成空氣夾 帶，從而促進(jìn)了預(yù)混合裝置70的混合室74內(nèi)的混合效率。共同讓 渡與本發(fā)明的受讓人的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)案第11/273,212號(hào)進(jìn)一步討論 了具有科安達(dá)表面的預(yù)混合裝置。該專(zhuān)利申請(qǐng)案的內(nèi)容以其全文參 考的方式結(jié)合到本文中。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，通過(guò)進(jìn)氣口 72將進(jìn)入的空氣引入到預(yù)混 合裝置70中。在某些實(shí)施例中，可通過(guò)置于周向槽78上游或下游的多個(gè)進(jìn)氣口將空氣流動(dòng)引入以促進(jìn)混合室74內(nèi)空氣與燃料的混合。同樣，可通過(guò)沿預(yù)混合裝置70的長(zhǎng)度的多個(gè)槽在多個(gè)位置注入 燃料。在另一實(shí)施例中，預(yù)混合裝置70可包括置于裝置70上游的 旋流器(未圖示)用于提供在引入到混合室74中的空氣中的漩流運(yùn) 動(dòng)。在另一實(shí)施例中，旋流器(未圖示)置于燃料進(jìn)口間隙處以向 經(jīng)過(guò)在預(yù)定壁面輪廓80的燃料流動(dòng)引入漩流運(yùn)動(dòng)。在另一實(shí)施例中， 空氣旋流器可置于預(yù)混合裝置70的出口平面上與預(yù)混合裝置70相 同軸向高度處并與預(yù)混合裝置70共軸。另外，預(yù)混合裝置70還包括具有直輪廓或發(fā)散輪廓的散流器84 用于通過(guò)出口 86將在混合室74中所形成的燃料-空氣混合物引導(dǎo)到 燃燒區(qū)。在一個(gè)實(shí)施例中，散流器84的角度在大約+/-0度到大約25 度的范圍。預(yù)混合裝置70的預(yù)混程度受多種因素控制，諸如(但不 限于)燃料類(lèi)型、預(yù)定壁面輪廓80的幾何形狀、空氣預(yù)漩流的程度、 周向槽78的大小、燃料壓力、燃料溫度、進(jìn)入的空氣的溫度、散流 器84的長(zhǎng)度和角度以及燃料注入速度。在操作中，預(yù)定壁面輪廓80幫助沿散流器84形成邊界層同時(shí) 通過(guò)邊界層夾帶來(lái)自進(jìn)氣口 72的氣流的一部分以形成剪切層用于促 進(jìn)進(jìn)入的空氣與燃料混合。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，在相對(duì)于進(jìn)入的 氧化劑更高的壓力供應(yīng)燃料。在一個(gè)實(shí)施例中，在進(jìn)氣口 72,燃料 壓力大于進(jìn)入的空氣的壓力大約1%至大約25%。上迷邊界層由科安達(dá)效應(yīng)形成。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，燃料流 動(dòng)82附著到壁面輪廓80并且保持附著即使在壁面輪廓80的表面彎 曲遠(yuǎn)離初始燃料流動(dòng)方向時(shí)。更具體說(shuō)來(lái)，隨著燃料流動(dòng)繞壁面輪 廓80加速，在流動(dòng)中存在壓力差，這4吏燃料流動(dòng)82更靠近壁面輪 廓80的表面偏轉(zhuǎn)。如本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所了解，在燃料流動(dòng)82 經(jīng)過(guò)壁面輪廓82移動(dòng)時(shí)，在燃料流動(dòng)82與壁面輪廓80之間發(fā)生一 定量的表面摩擦。這種對(duì)流動(dòng)的抵抗力使燃料流動(dòng)82向壁面輪廓80 偏轉(zhuǎn)，從而造成其保持靠近壁面輪廓80。另外，通過(guò)這種機(jī)制所形入的氣流以形成剪切層來(lái)促進(jìn)氣流與燃料的 混合。因此，雖然在本文中對(duì)燃料邊界層進(jìn)行參考，但是由于在由 科安達(dá)表面所形成的邊界層中的促進(jìn)的空氣夾帶，沿該壁所得的邊 界層不僅包括燃料，而是如所解釋說(shuō)明，包括燃料與空氣的混合物。置于散流器84內(nèi)表面上的若干表面幾何形狀或處理用于改進(jìn)并 促進(jìn)燃料與空氣的湍流混合而不造成表面上流動(dòng)分離和之后在不需 要區(qū)域中的過(guò)早燃燒。如本文所用的表達(dá)"表面幾何形狀"或"表面處理"表示預(yù)混合裝置70表面的物理修飾，其用于氣動(dòng)地產(chǎn)生凝渦結(jié)構(gòu)和壁湍流以增加空氣與燃料的混合而不誘導(dǎo)系統(tǒng)中額外的實(shí)質(zhì)壓力下降或流動(dòng)分離。這些表面處理還可以置于壁面輪廓80的表 面上及/或燃料槽的內(nèi)側(cè)壁的任何部分上。這些特征通過(guò)產(chǎn)生表面旋 渦結(jié)構(gòu)或壁湍流而非剪切層和非流線(xiàn)體效應(yīng)來(lái)改進(jìn)混合過(guò)程。在改 進(jìn)燃料與氧化劑的混合的情況下，預(yù)混合裝置的全長(zhǎng)被減小同時(shí)排 除了或?qū)嵸|(zhì)上減小了流動(dòng)分離和導(dǎo)致在混合室74中過(guò)早燃燒的隨之 發(fā)生的火焰穩(wěn)定的可能性。圖4還說(shuō)明表面處理的笫一實(shí)施例90。如所說(shuō)明，這個(gè)第一實(shí) 施例包括沿散流器84的內(nèi)表面安置的淺凹陷92的有序圖案化陣列。 在所說(shuō)明的實(shí)施例中，凹陷92以陣列圖案形成于散流器84的內(nèi)表 面上從而獲得表面流體漩渦結(jié)構(gòu)。凹陷92的表面圖案用于促進(jìn)燃料 與氧化劑的混合，但是與用于誘導(dǎo)混合的常規(guī)器具(諸如機(jī)械湍流 器)相比，其具有顯著更小由于摩擦造成的壓力損失。表面流體漩 渦結(jié)構(gòu)的局部產(chǎn)生促進(jìn)了沿散流器84的中央部分向緊鄰該表面的區(qū) 域流動(dòng)的空氣的夾帶，從而加快了燃料與氧化劑的混合過(guò)程。圖5為在操作中凹陷的示意圖。如圖5所示，在燃料邊界層X(jué) 中沿處理表面流動(dòng)的燃料的部分94 一皮吸入到每一凹陷內(nèi)以形成漩 渦，所述凝渦4皮從每一凹陷92向空氣的自由流流動(dòng)(顯示為箭頭98, 表示具有局部自由流速度U。的空氣流動(dòng))驅(qū)逐(顯示為箭頭96), 從而向燃料邊界層X(jué)局部地吸入自由流空氣的部分(參看箭頭100)。每一凹陷92的深度"d"相對(duì)于表面直徑"D"的比例應(yīng)至多大約0.3, 且優(yōu)選地小于大約0.1以避免在凹陷內(nèi)部的流動(dòng)分離。凹陷92可(例如)形成為半球或完整半球的凹陷表面扇形的任 何部分。圖6和圖7說(shuō)明其它示范性凹陷實(shí)施例。圖6所示的倒置 或截?cái)嗟膱A錐110為近似半球的直壁幾何形狀。在一個(gè)實(shí)施例中， 倒置圓錐的表面直徑D為大約3 mm,深度d為大約0.7 mm,且側(cè) 壁112與垂直方向呈大約45°的角。圖7所示的圓錐-凹坑120為合 并倒置圓錐幾何形狀與柱形凹坑的幾何形狀。在實(shí)踐中可通過(guò)各種 方法制造半球的所有這些變型，而且可具有比半球花費(fèi)更低的實(shí)施。 可適用技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將了解在圖6和圖7中所展示的示 范性實(shí)施例的幾何大小并不限于這些具體的尺寸，即，3 mm直徑的 凹陷僅僅是示范性尺寸。絕對(duì)表面直徑和深度將取決于總預(yù)混室裝 置的大小以及有效壁厚。舉例說(shuō)來(lái)，且并無(wú)限制意義，如果預(yù)混室 的入口區(qū)域(靠近燃料槽)具有大約25.4 mm的流動(dòng)直徑，那么凹 陷直徑的優(yōu)選實(shí)施例將為大約2.54 mm,且深度為大約0.51 mm。另外，凹陷的特征尺寸和其在表面上的安置可根據(jù)將要實(shí)現(xiàn)的 所要混合而改變。舉例說(shuō)來(lái)，且并無(wú)限制意義，每一凹陷92可具有 沿預(yù)混合裝置的軸向恒定的表面直徑或具有隨著距燃料注入點(diǎn)的距 離增加而不斷增加大小的表面直徑。在另一實(shí)施例中，凹陷92的陣 列的中心距可通常為凹陷92的表面直徑(D)的大約1.1到大約2 倍，凹陷92可在散流器84的表面中均一地安置，其中個(gè)別行之間 交錯(cuò)對(duì)準(zhǔn)。在其它實(shí)施例中，個(gè)別凹陷92的尺寸和間隔可相對(duì)于凹 陷92在散流器84中的軸向位置而改變以便更好地匹配在燃料側(cè)上 存在的混合條件。這種匹配效果也可通過(guò)改變凹陷深度或直徑而實(shí) 現(xiàn)。 一般而言，每一凹陷92在表面上可具有陡峭邊緣，但是在制造 過(guò)程中也可以允許平滑邊緣。此外，凹陷92可呈改變的幾何形狀， 諸如具有非球形及/或具有非軸對(duì)稱(chēng)形狀的幾何形狀(例如，卵形或 橢圓形表面形狀)。通過(guò)使用凹陷92所實(shí)現(xiàn)的某些益處為增加了混合速率并且在很 大程度上減小了摩擦壓力損失(與常規(guī)裝置相比可能減小了 50%或 更多)。另外，凹陷92的設(shè)計(jì)產(chǎn)生具有比目前機(jī)械加工的湍流器更 少應(yīng)力增強(qiáng)器的系統(tǒng)。此外，通過(guò)使用凹陷92，燃料與氧化劑混合 更均一地分布于在散流器84的表面上。在制造這些凹陷92的方法的一個(gè)實(shí)施例中，可以使用脈沖電解 加工(PECM)方法。這種方法通常使用特殊加工陰極(special tooling cathode),其由耐蝕金屬管(諸如鈦管)和圖案化電絕緣涂層組成。 這種制造方法的細(xì)節(jié)在美國(guó)專(zhuān)利第6,644,921號(hào)中公開(kāi)，該專(zhuān)利共同 讓渡與本發(fā)明的受讓人并且其內(nèi)容以其全文參考的方式結(jié)合到本文 中。圖8說(shuō)明根據(jù)所公開(kāi)的本發(fā)明的另一表面處理實(shí)施例150?？蛇m 用技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將了解到雖然圖8和(就此而言)說(shuō)明 所公開(kāi)的表面處理的不同示范性實(shí)施例的本發(fā)明附圖中的任 一 張附 圖說(shuō)明了在與圖4中所說(shuō)明的預(yù)混合裝置類(lèi)似的預(yù)混合裝置中實(shí)施 的表面處理實(shí)施例150,但是在本文所公開(kāi)的所有表面處理并不僅限 于該特定的預(yù)混合裝置。如圖所示，這個(gè)實(shí)施例包括交又的淺球面 凹槽152、 154,產(chǎn)生菱形圖案表面紋理。環(huán)形凹環(huán)或周向槽沿散流 器84的長(zhǎng)度軸向間隔，其中凹面徑向向外朝向該流動(dòng)。與流動(dòng)方向 成角度的這多個(gè)類(lèi)似周向槽形成沿散流器84的圖案化混合。淺槽提 供與已描述的離散凹陷的功能類(lèi)似的功能。這些凹槽用于以促進(jìn)混 合的方式干擾散流器表面上的流動(dòng)，但是與常規(guī)裝置相比具有顯著 更低的壓力損失。具體說(shuō)來(lái)，燃料流動(dòng)進(jìn)入凹槽并且形成然后與主 流流動(dòng)相互作用的漩渦以促進(jìn)混合。凹槽152、 154的深度可基于散流器84的尺寸確定且類(lèi)似于凹 陷92,這些凹槽可具有小于大約0.3和優(yōu)選地小于大約0.1的相對(duì)深 度。如所說(shuō)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的長(zhǎng)度在一個(gè)方向中成角度(即，相對(duì)于散流器的中心軸線(xiàn)成銳角)，而類(lèi)似的第二行凹槽154在相反的方向成角度，因 此形成交叉圖案來(lái)誘導(dǎo)促進(jìn)混合的附加全局效應(yīng)。交叉凹槽152、 154 可具有均一的橫截面(如圖所示)或圖案化(未圖示)。在圖案化 安置中，凹槽150可周向交疊地形成，通常為圓形或卵形凹陷，其 中凹陷徑向面向燃料流動(dòng)。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員應(yīng)了解雖然與圖8 相關(guān)的示范性實(shí)施例使用連續(xù)凹槽，但是不連續(xù)的凹槽也屬于所公 開(kāi)的發(fā)明的范疇內(nèi)。圖9說(shuō)明另一表面處理實(shí)施例160,其包括在圖案化陣列中的短 圓凸點(diǎn)162或小坡(mogul)，這些凸點(diǎn)或小坡的圖案化陣列通過(guò)配 置以產(chǎn)生流動(dòng)漩渦用于混合。為了避免局部流動(dòng)分離，這些凸點(diǎn)應(yīng) 被制造地較短使得凸點(diǎn)高徑比應(yīng)為大約0.3或更少(基本上為凹陷92 的倒轉(zhuǎn))。這種實(shí)施例的變型包括(但不限于)具有不同高度、直 徑、中心距、柱銷(xiāo)(pin)頂端半徑和柱銷(xiāo)底座圓角半徑的柱銷(xiāo)陣列。 也能夠想象出短柱銷(xiāo)陣列，其中通過(guò)減小柱銷(xiāo)到柱銷(xiāo)的間距使得鄰 近圓角幾乎彼此接觸而實(shí)現(xiàn)增加的柱銷(xiāo)密度。在圖9中所說(shuō)明的實(shí) 施例的設(shè)計(jì)特征中的一個(gè)設(shè)計(jì)特征為這樣一個(gè)事實(shí)凸點(diǎn)或粗糙件 足夠小以允許產(chǎn)生流動(dòng)湍流或鴻流增加而不實(shí)際上使流動(dòng)分離區(qū)穩(wěn) 定。流動(dòng)分離區(qū)可以是較小的而且不穩(wěn)定或波動(dòng)的，在這種情況下 其將不能夠使火焰局部穩(wěn)定。此外，向凸點(diǎn)添加圓角(fillet)和輻射部 分(radius)還可以幫助減輕壓力損失并且保持流動(dòng)流線(xiàn)接近這些結(jié) 構(gòu)，再次避免了穩(wěn)定分離。圖10和圖11為對(duì)應(yīng)于施加到散流器84表面的短小的(small magnitude)無(wú)規(guī)170 (圖10)和圖案化180 (圖11 )表面粗糙度的 其它表面處理實(shí)施例的照片。這些處理的一個(gè)結(jié)構(gòu)特征為在粗糙元 件之間留有足夠的空間以便排除非流線(xiàn)體分離。類(lèi)似于所形成的凸 點(diǎn)，表面無(wú)規(guī)粗糙170和圖案化粗糙180可以在噴嘴制造之后通過(guò) 銅焊而施加。在一個(gè)實(shí)施例中，使用表面光度儀在若干位置測(cè)量的 表面粗糙度可具有范圍分別在30至50 pin和180至300 pm的平均粗糙值Ra和平均峰峰值I^。在圖10和圖11中所說(shuō)明的表面處理的生產(chǎn)的細(xì)節(jié)在美國(guó)專(zhuān)利第6,526,756號(hào)和第6,468,669號(hào)中公開(kāi)，這 些專(zhuān)利的內(nèi)容以其全文參考的方式結(jié)合到本文中。如已經(jīng)提到的，上述表面處理的大小和形狀可隨著在表面上的 位置而變化以允許在主流流動(dòng)加速時(shí)調(diào)整局部條件。這些表面為氣 動(dòng)的，因?yàn)槠洳⒉划a(chǎn)生顯著的額外系統(tǒng)壓力下降。這些表面促進(jìn)產(chǎn) 生流體(燃料)漩渦混合結(jié)構(gòu)和壁湍流，從而促進(jìn)了燃料-空氣混合 并且允許總預(yù)混噴嘴制造地更加緊致。表面處理允許圖案化隨著流 體行程而變化，從而提供了隨著燃料與空氣混合向下游前進(jìn)而改變 效果的物理機(jī)制。這些表面并不形成流動(dòng)分離從而避免了或減小了 散流器84內(nèi)的自動(dòng)點(diǎn)火和火焰穩(wěn)定。這些表面可以通過(guò)電火花加工 而機(jī)械加工鑄造形成，且在一種情況下通過(guò)銅焊而施加。上文所述的預(yù)混合裝置還可以用于天然氣合成油系統(tǒng)中以促進(jìn) 氧氣與天然氣在系統(tǒng)的燃燒室中起反應(yīng)之前的預(yù)混合。 一般而言，天然氣合成油系統(tǒng)包括空氣分離單元，氣體處理單元和燃燒室。在 操作中，空氣分離單元從空氣分離出氧氣且氣體處理單元制備天然 氣用于在燃燒室中進(jìn)行轉(zhuǎn)化。來(lái)自空氣分離單元的氧氣和來(lái)自氣體 處理單元的天然氣被引導(dǎo)到燃燒室，在燃燒室中，天然氣與氧氣在 高溫高壓起反應(yīng)以產(chǎn)生合成氣。在這個(gè)實(shí)施例中，預(yù)混合裝置接合 到燃燒室以在氧氣與天然氣在燃燒室中起反應(yīng)之前促進(jìn)其之間的預(yù) 混合。另外，在預(yù)混合裝置的至少一個(gè)表面具有預(yù)定的輪廓，其中 該預(yù)定輪廓使氧氣偏轉(zhuǎn)以促進(jìn)氧氣向該輪廓的附著以形成邊界層， 且其中所述邊界層夾帶進(jìn)入的天然氣以使得能夠以較高的燃料與氧 氣當(dāng)量比(例如，大約3.5至4和更高)混合天然氣與氧氣以增加合 成氣產(chǎn)品收得率同時(shí)減小停留時(shí)間。在某些實(shí)施例中，可向氧氣或 燃料添加蒸汽以促進(jìn)過(guò)程效率。接著合成氣被熄滅并被引入到費(fèi)托處理單元，在費(fèi)托處理單元 中通過(guò)催化作用，氫氣和一氧化碳被重組為長(zhǎng)鏈液態(tài)烴。最后，液態(tài)烴在裂化單元中被轉(zhuǎn)化并被分餾成產(chǎn)物。有利地，基于科安達(dá)效 應(yīng)的預(yù)混合裝置產(chǎn)生快速的天然氣與氧氣預(yù)混合和在天然氣合成油 系統(tǒng)中實(shí)質(zhì)上較短的停留時(shí)間。上文所述方法的各種方面適用于不同的應(yīng)用中，諸如在燃?xì)廨?機(jī)中所用的燃燒室，和加熱裝置，諸如熔爐。另外，本文所述的技 術(shù)促進(jìn)燃料與空氣在燃燒之前的預(yù)混合，從而實(shí)質(zhì)上減小了排放并且促進(jìn)諸如燃?xì)廨啓C(jī)和燃具氣體燃燒器(appliance gas burner)的系 統(tǒng)的效率。預(yù)混合技術(shù)可用于不同的燃料，諸如(但不限于)高體 積熱值和低體積熱值的氣態(tài)化石燃料，包括天然氣、烴類(lèi)、 一氧化 碳、氫氣、沼氣以及合成氣。因此，預(yù)混合裝置可用于靈活燃料燃 燒室用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)以減小污染物排放。此外， 預(yù)混合裝置可用于燃?xì)庠钇骶?。在某些?shí)施例中，預(yù)混合裝置用于 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氫氣燃燒室和用于航空衍生和重型機(jī)械的其它燃?xì)廨啓C(jī) 燃燒室。特別地，所述預(yù)混合裝置可有助于實(shí)質(zhì)上減小采用低英熱 單位(BTU)到高氫和純氫華白指數(shù)的燃料類(lèi)型的系統(tǒng)的排放。另 外，預(yù)混合裝置可用于促進(jìn)尤其適用于無(wú)二氧化碳的循環(huán)和廢氣再 循環(huán)的諸如氧-燃料的流的部分混合。因此，上文所述基于帶有表面處理的預(yù)混合裝置上的柯科安達(dá) 效應(yīng)來(lái)促進(jìn)混合的預(yù)混合技術(shù)能夠促進(jìn)預(yù)混合和燃燒室中的火焰穩(wěn) 定性。另外，本技術(shù)能夠減小從這些燃燒室的排放，尤其是NOx的 排放，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)以環(huán)境友好的方式操作。在某些實(shí)施例中， 該技術(shù)有助于減小燃燒室尤其是氫氣燃燒室中的壓力下降。另外， 通過(guò)帶有表面處理的噴嘴上的科安達(dá)效應(yīng)來(lái)促進(jìn)混合所達(dá)成的促進(jìn) 的預(yù)混合有助于提高燃燒室的調(diào)節(jié)比(即，燃燒室的最大點(diǎn)火能力 與燃燒器的最小點(diǎn)火能力的比)，增強(qiáng)燃燒室逆燃抗性并提高燃燒 室的熄火限度。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，燃料邊界層沿壁定位，通過(guò)科安達(dá)效應(yīng) 導(dǎo)致在該預(yù)混合裝置的出口平面上所包括的壁上實(shí)質(zhì)上較高的燃料濃度水平。另外，調(diào)節(jié)比受益于在該壁上更高的燃料濃度的存在， 從而使火焰穩(wěn)定并增加逆燃抗性。應(yīng)注意的是，火焰保持遠(yuǎn)離這些 壁，因此允許更好的調(diào)節(jié)比并且允許對(duì)當(dāng)量比低至大約0.2的天然氣 與空氣混合物進(jìn)行操作。此外，與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，熄火限度被顯著 地改進(jìn)。另外，如在前面所述，這種系統(tǒng)可用于多種燃料，因此提 供了增強(qiáng)的燃料靈活性。舉例說(shuō)來(lái)，該系統(tǒng)可采用(例如)天然氣 或4作為燃料。這種系統(tǒng)的燃料靈活性排除了對(duì)于硬件改造或具有 不同燃料所需的不同燃料輸入口的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的需要。如上文所述， 所述預(yù)混合裝置可與多種燃料一起使用，因此提供了系統(tǒng)的燃料靈 活性。此外，上文所述的技術(shù)可用于現(xiàn)有筒形燃燒室或環(huán)管式燃燒 室以減小排放和燃燒室內(nèi)的任何動(dòng)態(tài)振蕩和調(diào)制。另外，所說(shuō)明的裝置可以用作現(xiàn)有燃燒器的引燃器(pilot)。用于在燃燒系統(tǒng)中預(yù)混合燃料與氧化劑的方法也屬于所公開(kāi)的本發(fā)明的實(shí)施例的范疇內(nèi)。這種方法包括以下步驟在預(yù)混合裝置 內(nèi)吸入氧化劑，向預(yù)混合裝置注入燃料，使所注入的燃料向預(yù)混合 裝置內(nèi)的壁面輪廓偏轉(zhuǎn)以形成沿預(yù)混合裝置內(nèi)側(cè)壁的燃料邊界層， 以及預(yù)混合燃料和氧化劑以形成燃料-空氣混合物而不造成混合室中 邊界層流動(dòng)分離和火焰穩(wěn)定，該預(yù)混合步驟包括通過(guò)置于預(yù)混合裝 置的內(nèi)側(cè)壁的至少一部分上的表面處理在燃料邊界層中所產(chǎn)生的湍 流來(lái)促進(jìn)氧化劑到燃料邊界層內(nèi)的夾帶。關(guān)于上文的描述，應(yīng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的部件的最優(yōu)尺寸關(guān)系，包 括大小、操作的形式函數(shù)和方式、組件和用途的變型，被認(rèn)為是對(duì) 于本領(lǐng)城技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的，且因此，預(yù)期與在附圖中所說(shuō)明和 說(shuō)明書(shū)中所描述的關(guān)系等效的所有關(guān)系僅由所附權(quán)利要求書(shū)的范疇 涵蓋。此外，雖然本發(fā)明已經(jīng)特別地且詳細(xì)地結(jié)合^C認(rèn)為是實(shí)用的 內(nèi)容和本發(fā)明的若干示范性實(shí)施例在附圖中顯示并且在上文進(jìn)行了 全面的描述，但是，對(duì)于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員顯而易見(jiàn)，在不偏離 本文所述的原理和概念的情況下，可以對(duì)本發(fā)明做出許多修改。因此，本發(fā)明的適當(dāng)范疇?wèi)?yīng)僅由所附權(quán)利要求書(shū)的最廣泛的解釋確定 以涵蓋所有這些修改與等效物。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)混合裝置，其包括進(jìn)氣口；燃料室，所述燃料室與所述進(jìn)氣口的末端部分流動(dòng)連通，所述燃料室包括在壁面輪廓上的至少一個(gè)燃料進(jìn)口槽，所述壁面輪廓通過(guò)配置以沿所述預(yù)混合裝置的內(nèi)側(cè)壁的一部分形成從至少一個(gè)燃料進(jìn)口槽所供應(yīng)的燃料的邊界層；以及混合室，其中來(lái)自所述進(jìn)氣口的壓縮空氣與來(lái)自所述邊界層的燃料混合，所述混合室置于所述進(jìn)氣口和所述至少一個(gè)燃料進(jìn)口槽的下游且包括置于所述內(nèi)側(cè)壁的至少一部分上的表面處理，所述表面處理通過(guò)配置以氣動(dòng)地促進(jìn)來(lái)自所述邊界層的所述燃料與所述壓縮空氣的混合，而不造成所述混合室中的邊界層流動(dòng)分離和火焰穩(wěn)定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)混合裝置，其中所述壁面輪廓通過(guò)配 置以通過(guò)科安達(dá)效應(yīng)使通過(guò)至少一個(gè)燃料進(jìn)口槽供應(yīng)的所述燃料向 所述壁面輪廓偏轉(zhuǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)混合裝置，其中所述表面處理包括淺 凹陷的有序圖案化陣列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的預(yù)混合裝置，其中所述表面處理包括圓 凸點(diǎn)的圖案化陣列。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的預(yù)混合裝置，其中所述表面處理包括圖 案化表面粗糙度或無(wú)規(guī)表面粗糙度。
6. —種低排放燃燒室，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求5中任 一項(xiàng)所述的預(yù)混合裝置。
7. —種在燃燒系統(tǒng)中預(yù)混合燃料與氧化劑的方法，其包括 通過(guò)氧化劑入口在預(yù)混合裝置內(nèi)部吸入所述氧化劑； 通過(guò)周向槽向所述預(yù)混合裝置注入所述燃料；使所述注入的燃料向所述預(yù)混合裝置內(nèi)的預(yù)定壁面輪廓偏轉(zhuǎn)以沿所述預(yù)混合裝置的內(nèi)側(cè)壁形成燃料邊界層；以及使所述燃料與氧化劑預(yù)混合以形成燃料-空氣混合物而不造成所 述混合室中邊界層流動(dòng)分離和火焰穩(wěn)定，其中所述預(yù)混合包括通過(guò) 由置于所述預(yù)混合裝置的內(nèi)側(cè)壁上的至少一部分上的表面處理在燃 料邊界層中所產(chǎn)生的湍流來(lái)促進(jìn)所述氧化劑到所述燃料邊界層內(nèi)的 夾帶。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所迷偏轉(zhuǎn)進(jìn)一步包括通過(guò)所 述預(yù)定壁面輪廓誘導(dǎo)科安達(dá)效應(yīng)。
9. 一種燃?xì)廨啓C(jī)，其包括根據(jù)權(quán)利要求7所述的低排放燃燒室。
10. —種天然氣合成油系統(tǒng)，其包括 空氣分離單元，其通過(guò)配置以從空氣中分離出氧氣； 氣體處理單元，其用于制備天然氣；燃燒室，其用于使氧與所述天然氣在高溫高壓起反應(yīng)以產(chǎn)生富含一氧化碳和氫氣的合成氣；根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的預(yù)混合裝置；以及 渦輪膨脹機(jī)，其與所述燃燒室流動(dòng)連通以用于從其進(jìn)行提取工作和用于使所述合成氣熄滅。
全文摘要
本發(fā)明涉及促進(jìn)預(yù)混合裝置中混合的方法和設(shè)備。具體而言，本發(fā)明提供一種預(yù)混合裝置，其包括進(jìn)氣口，該進(jìn)氣口用于將壓縮空氣引入到混合室內(nèi)；和燃料室，該燃料室用于通過(guò)至少一個(gè)槽向該混合室提供燃料并經(jīng)過(guò)預(yù)定壁面輪廓形成燃料邊界層，該混合室包括置于其內(nèi)側(cè)壁的至少一部分上的表面處理以氣動(dòng)地促進(jìn)來(lái)自該邊界層的燃料與該壓縮空氣的混合，而不造成該混合室中邊界層流動(dòng)分離和火焰穩(wěn)定。還公開(kāi)了使用該預(yù)混合裝置的低排放燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，使用所述預(yù)混合裝置在燃燒系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)和天然氣合成油系統(tǒng)中預(yù)混合燃料與氧化劑的方法。
文檔編號(hào)F23D14/62GK101220955SQ200710165088
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月8日
發(fā)明者R·S·班克 申請(qǐng)人:通用電氣公司