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)燃燒過程在某方面或另一方面具有回流流場。該回流流場 趨于使燃燒反應(yīng)區(qū)穩(wěn)定，但對于燃燒系統(tǒng)，無謂地大的回流區(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燃料通道以將來自擴(kuò)散 末端的燃料噴射到通過擴(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分離的空氣和燃料通道的多個 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)計概念的通過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，而另一種液體通過殼體而在管道上流過，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)的一個實施例的 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)實施例的另一個局 部截面透視圖，其示出了燃燒器端板中的、用于將來自殼體側(cè)的燃料 和來自管道側(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)的備選實施例，其中，逐漸增大 的殼體設(shè)置在彼此的內(nèi)部，且與對應(yīng)的管道組一起使用；
圖4示出了殼管式LDI燃燒系統(tǒng)的備選實施例，其中，平管或桿 /板或翅狀料用來形成管道；
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的一個實施 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)的一束或多個管道 18。在圖1所示的LDI14的實施例中，燃料通過LDI14的"殼體側(cè)" 16傳送到燃燒器12，而空氣通過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的實施例的另 一個局部截面透視圖，其示出了在燃燒器12端板中的、用來將來自 殼體側(cè)16的燃料和來自管道側(cè)18的空氣噴射到燃燒器12中的兩組 孔。
殼體16內(nèi)的多個管道18自殼體16的第一端板20延伸完全通過 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孔24，管道18的第一端26終止于該孔 24。端板20上的多個孔24與殼體16內(nèi)的多個管道18在數(shù)量上相對 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。
空氣通過圖1和圖2所示的燃燒系統(tǒng)10的實施例的LDI14的管 道側(cè)18進(jìn)入燃燒器12。如圖l和圖2中可見的，多個孔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 相對應(yīng)。如此一來，孔34可來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來的空氣進(jìn)入端板20中的孔24，且通過管道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中的多個燃料孔38相對應(yīng)的多個燃料孔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中可見的，對于燃燒器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。空氣孔34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，以將燃料噴射到來自空氣孔34的空氣流。燃料孔38在圖2中示 為離開而進(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端板32的引 入管道成直線，或者相對于通過端板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可包括許多個較小的 殼管式LDI14,它們在燃燒器12的蓋32周圍以某種形式彼此相鄰地 安裝。
在燃燒系統(tǒng)10的一個備選實施例中，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)，以允許通過多種不同的LDI 組合使用多種不同的空氣/燃料/稀釋劑組合。這類實施例的 一 個示例 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的另一個實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。另一個實施 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。又一個實施例可使用采用任 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 實施例。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接收來自上游氣室74的空氣和燃料的多個孔 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。實驗已經(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。它還可用來在 任何合成氣(sungas)發(fā)動機(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)為是最實用和優(yōu)選的實施例而描述了本發(fā) 明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不限于所公開的實施例，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)的一個端部(22)，以及定位于所述殼體(16)內(nèi)的多個管道(18)，所述燃燒器(12)包括端板(32)，所述端板具有用于將來自所述殼體(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) 將燃料運送到所述燃燒器(12)，且所述多個管道(18)將空氣運送到所述 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) 將空氣運送到所述燃燒器(12)，且所述多個管道(18)將燃料運送到所述 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送至所述燃燒器(12)的第四組孔(30)，所述多個管道(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)切割成相對于通過所述燃燒器端板(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)運送的燃料與由所述第 一組孔(34) 運送的空氣相混合。
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F23R3/28GK101532679SQ20091012753
公開日2009年9月16日 申請日期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 申請人:通用電氣公司