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1、(10)申请公布号 CN 102400787 A (43)申请公布日 2012.04.04 C N 1 0 2 4 0 0 7 8 7 A *CN102400787A* (21)申请号 201110283589.7 (22)申请日 2011.09.08 12/877363 2010.09.08 US F02C 7/22(2006.01) F02C 3/20(2006.01) (71)申请人通用电气公司 地址美国纽约州 (72)发明人 JD贝里 MJ休斯 (74)专利代理机构中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人肖日松 谭祐祥 (54) 发明名称 用于生产富氢燃料的系统和方法 (57。
2、) 摘要 本发明涉及用于生产富氢燃料的系统和方 法。用于提供富氢燃料的系统(10)包括第一和第 二燃气涡轮(12,14)。该第二燃气涡轮(14)接收 来自第一燃气涡轮(12)的压缩工作流体(30)的 部分(34)并且生产重整燃料(42),并且燃料滑道 (20)提供在第二燃气涡轮(14)中的涡轮(44)和 第一燃气涡轮(12)中的燃烧器(24)之间的流体 连通。用于提供富氢燃料的方法包括从第一压缩 器(22)转移第一压缩工作流体(30)的部分(34) 到第二压缩器(36)并且从第二压缩器(36)提供 第二压缩工作流体(38)。该方法还包括将燃料 (18)与第二压缩工作流体(38)在重整器(40)。
3、中 混合以生产重整燃料(42),使重整燃料(42)流过 第二涡轮(44)以冷却该重整燃料(42),并且连接 第二涡轮(44)到第二压缩器(36)使得第二涡轮 (44)驱动第二压缩器(36)。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2 页 CN 102400787 A 1/2页 2 1.一种用于提供富氢燃料的系统(10),包括: 低压压缩器(54),其中,所述低压压缩器(54)生产第一压缩工作流体(76); 燃烧器(58),其位于所述低压压缩器(54)的下游; 低压涡轮(62),其位于所述。
4、燃烧器(58)的下游; 高压压缩器(56),其与所述低压压缩器(54)流体连通,其中,所述高压压缩器(56)接 收所述第一压缩工作流体的部分(80)并且生产第二压缩工作流体(82),其具有比所述第 一压缩工作流体(76)更高的压力; 重整器(84),其位于所述高压压缩器(56)的下游,其中,所述重整器(84)接收所述第 二压缩工作流体(82)并且生产重整燃料(86); 高压涡轮(60),其位于所述重整器(84)的下游,其中,所述高压涡轮(60)接收所述重 整燃料(86)并且生产冷却重整燃料(88); 第一轴(64),其连接所述高压涡轮(60)到所述高压压缩器(56)并且提供在所述高压 涡轮(6。
5、0)和所述高压压缩器(56)之间的驱动接合;和 燃料滑道(72),其与所述高压涡轮(60)和所述燃烧器(58)流体连通,其中,所述燃料 滑道(72)提供从所述高压涡轮(60)到所述燃烧器(58)的用于所述冷却重整燃料(88)的 流动路径。 2.根据权利要求1所述的系统(10),其特征在于,还包括第二轴(66),其连接所述低压 涡轮(62)到所述低压压缩器(54)。 3.根据权利要求2所述的系统(10),其特征在于,所述第一轴(64)与所述第二轴(66) 大致同心。 4.根据权利要求1到3中的任一项所述的系统(10),其特征在于,所述燃料滑道(72) 连接燃料供应(68)到所述燃烧器(58)。 。
6、5.根据权利要求4所述的系统(10),其特征在于,所述燃料滑道(72)将所述冷却重整 燃料(88)与所述燃料供应(68)混合。 6.根据权利要求1到5中的任一项所述的系统(10),其特征在于,所述燃料滑道(72) 提供从所述高压涡轮(60)到第三燃气涡轮(90)的用于所述冷却重整燃料(88)的流动路 径。 7.根据权利要求1到6中的任一项所述的系统(10),其特征在于,所述冷却重整燃料 (88)包括至少5体积比的氢。 8.根据权利要求1到7中的任一项所述的系统(10),其特征在于,所述重整器(84)包 括催化转换器。 9.一种用于提供富氢燃料的方法,包括: 从第一压缩器(54)转移第一压缩工作。
7、流体(76)的部分(80)到第二压缩器(56); 从所述第二压缩器(56)提供第二压缩工作流体(82); 在重整器(84)中将燃料(70)与所述第二压缩工作流体(82)混合以生产重整燃料 (86); 使所述重整燃料(86)流过第二涡轮(60)以冷却所述重整燃料(86);并且 连接所述第二涡轮(60)到所述第二压缩器(56)使得所述第二涡轮(60)驱动所述第 二压缩器(56)。 权 利 要 求 书 CN 102400787 A 2/2页 3 10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,还包括使冷却重整燃料(88)流入燃烧器 (58)。 11.根据权利要求9或10中的任一项所述的方法,其特征在于,。
8、还包括将冷却重整燃料 (88)与所述燃料(70)混合。 12.根据权利要求9到11中的任一项所述的方法,其特征在于,还包括在所述重整器 (84)中将所述燃料(70)与所述第二压缩工作流体(82)以至少大约2的当量比混合。 13.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,还包括提供所述重整燃料(86),其带有 大于5体积比的氢。 权 利 要 求 书 CN 102400787 A 1/6页 4 用于生产富氢燃料的系统和方法 技术领域 0001 本发明大体涉及集成燃气涡轮系统,其生产富氢燃料用于随后的燃烧或分配。 背景技术 0002 燃气涡轮广泛利用在工业和功率发生操作中。典型的燃气涡轮包括在前端的轴向。
9、 压缩器,围绕中间的一个或多个燃烧器和在后端的涡轮。外界空气进入压缩器,并且压缩器 中的旋转叶片和固定静叶逐渐地给予动能到工作流体(空气)以生产处在高能状态的压缩 工作流体。压缩工作流体离开压缩器并且流入燃烧器以在此与燃料混合并且点燃以生成具 有高的温度、压力和速率的燃烧气体。燃烧气体在涡轮中膨胀以做功。例如,涡轮中燃烧气 体的膨胀可使连接到发电机的轴旋转以发电。 0003 众所周知,贫燃料-空气混合降低从燃烧产生的一氧化氮。然而,贫燃料-空气混 合在燃烧器中引入火焰不稳定,从而增加可中断由燃气涡轮提供的服务的贫油熄火(LBO) 事件的几率。添加氢到燃料可降低贫油熄火的发生、改善排放并且增强大。
10、多数燃烧器,诸如 干式低NOx(DLN)燃烧器的整体操作。由于氢难以安全运输的原因,可期望对补充燃料所需 的氢的量的现场生产能力。用于现场生产氢的各种方法在本领域已知。例如,自热重整器 (ATR)和甲烷蒸汽重整器(SMR)可用以生产富氢燃料。大体上,这些重整器使催化剂,诸如 镍,在高的温度和压力的环境中暴露于燃料,诸如天然气,以生产纯氢,而发热催化反应生 产非常高温的排气,其可对阀门、密封件和其它系统构件造成问题。此外,SMR重整器典型 地要求外部蒸汽源,其可不容易获得。最后,富氢排气流的压力通常低于燃气涡轮燃烧器中 的压力。因此,需要单独的压缩器以增加富氢排气流的压力,这样富氢排气流可注入燃。
11、气涡 轮的燃烧器。由此,可现场生产富氢燃料的集成燃气涡轮系统可以是有用的。 发明内容 0004 本发明的方面和优势在如下描述中在下面陈述,或可从描述中清晰可见,或可通 过对本发明的实践来学习。 0005 本发明的一实施例为用于提供富氢燃料的系统。该系统包括第一燃气涡轮和第二 燃气涡轮。第一燃气涡轮包括:第一压缩器,其生产第一压缩工作流体;第一压缩器下游的 燃烧器;和该燃烧器下游的第一涡轮。第二燃气涡轮包括第二压缩器,其与第一压缩器流体 连通。第二压缩器接收来自第一压缩器的第一压缩工作流体的部分并且生产第二压缩工作 流体,其具有比第一压缩工作流体更高的压力。第二压缩器下游的重整器接收第二压缩工 。
12、作流体并且生产重整燃料。重整器下游的第二涡轮接收重整燃料并且生产冷却重整燃料。 连接第二涡轮到第二压缩器的轴提供在第二涡轮和第二压缩器之间的驱动接合。与第二涡 轮和燃烧器流体连通的燃料滑道(skid)提供从第二涡轮到燃烧器的用于冷却重整燃料的 流动路径。 0006 本发明的另一实施例为用于提供富氢燃料的系统,其包括低压压缩器、低压压缩 器下游的燃烧器和燃烧器下游的低压涡轮。低压压缩器生产第一压缩工作流体。与低压压 说 明 书 CN 102400787 A 2/6页 5 缩器流体连通的高压压缩器接收第一压缩工作流体的部分并且生产第二压缩工作流体,其 具有比第一压缩工作流体更高的压力。高压压缩器下。
13、游的重整器接收第二压缩工作流体并 且生产重整燃料。重整器下游的高压涡轮接收重整燃料并且生产冷却重整燃料。第一轴连 接高压涡轮到高压压缩器并且提供在高压涡轮与高压压缩器之间的驱动接合。与高压涡轮 和燃烧器流体连通的燃料滑道提供从高压涡轮到燃烧器的用于冷却重整燃料的流动路径。 0007 本发明还包括用于提供富氢燃料的方法。该方法包括从第一压缩器转移第一压缩 工作流体的部分到第二压缩器并且从第二压缩器提供第二压缩工作流体。该方法还包括将 燃料与第二压缩工作流体在重整器中混合以生产重整燃料,使重整燃料流过第二涡轮以冷 却重整燃料,并且连接第二涡轮到第二压缩器使得第二涡轮驱动第二压缩器。 0008 在阅。
14、读本说明书后,本领域技术人员将更好地理解这些实施例的特征和方面及其 它。 附图说明 0009 对于本领域技术人员的本发明的完整且能够实现的公开,包括本发明的最佳模 式,在本说明书的剩余部分中更具体地陈述,包括对附图的参考,其中: 0010 图1提供根据本发明的一实施例的系统的简化框图;并且 0011 图2提供根据本发明的可选实施例的系统的简化框图。 0012 部件列表 0013 10 系统 0014 12 第一燃气涡轮 0015 14 第二燃气涡轮 0016 16 燃料供应 0017 18 燃料 0018 20 燃料滑道 0019 22 第一压缩器 0020 24 燃烧器 0021 26 第一。
15、涡轮 0022 28 空气 0023 30 第一压缩工作流体 0024 32 燃烧气体 0025 34 转移的第一压缩工作流体 0026 36 第二压缩器 0027 38 第二压缩工作流体 0028 40 重整器 0029 42 重整燃料 0030 44 第二涡轮 0031 46 第二轴 0032 48 冷却重整燃料 0033 49 燃气涡轮 说 明 书 CN 102400787 A 3/6页 6 0034 50 系统 0035 52 多转子燃气涡轮 0036 54 低压压缩器 0037 56 高压压缩器 0038 58 燃烧器 0039 60 高压涡轮 0040 62 低压涡轮 0041 6。
16、4 第一轴 0042 66 第二轴 0043 68 燃料供应 0044 70 燃料 0045 72 燃料滑道 0046 74 空气 0047 76 第一压缩工作流体 0048 78 燃烧气体 0049 80 转移的第一压缩工作流体 0050 82 第二压缩工作流体 0051 84 重整器 0052 86 重整燃料 0053 88 冷却重整燃料 0054 90 燃气涡轮 具体实施方式 0055 现在详细参考以介绍本发明的实施例,其一个或者多个实例在附图中示出。该详 细描述利用数字和字母标记以指示图中的特征。附图和说明书中的相同或类似的标记已用 来指示本发明的相同或类似的部分。 0056 每个实例。
17、通过对本发明的解释而不是限制本发明的方式提供。事实上,对本领域 技术人员显然的是,在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中做出修改和变 更。举例说,作为一实施例的部分示出或描述的特征可利用在另一实施例上以产生又一实 施例。从而,本发明意图涵盖在附属权利要求及其等价物的范围内的这种修改和变更。 0057 本发明的各种实施例利用集成热力循环以增强燃气涡轮的整体效率。特别地,集 成热力循环生产来自催化氧化的重整燃料并且再循环在催化氧化期间生成的能量,从而改 善集成燃气涡轮系统的整体效率。 0058 图1示出根据本发明的一实施例的系统10。如图所示,系统10大体包括第一或主 要燃气涡轮12,其与。
18、第二或微-燃气涡轮14集成。第一或主要燃气涡轮12可包括用于燃 烧燃料以生成功率的任何市场上可买到的设备。第二或微-燃气涡轮14大体上比第一或 主要燃气涡轮12小一个数量级并且主要起作用以重整或部分燃烧燃料流以生产具有富氢 水平的重整燃料。燃料供应16可供应燃料18到燃料滑道20。供应到燃料滑道20的可能 的燃料包括,例如,高炉瓦斯、焦炉煤气、天然气、气化的液化天然气(LNG)和丙烷。正如将 说 明 书 CN 102400787 A 4/6页 7 要描述的,燃料滑道20为燃料18提供在第一和第二燃气涡轮12、14和/或多个其它燃气 涡轮之间流动的流体连通。 0059 正如本领域中已知的,第一燃。
19、气涡轮12大体上包括压缩器22、压缩器22下游的一 个或多个燃烧器24和燃烧器24下游的涡轮26。外界空气28进入压缩器22,并且压缩器 22中的旋转叶片和固定静叶逐渐地给予动能到工作流体(空气)以生产处在高能状态、标 记为30的第一压缩工作流体。第一压缩工作流体30的大部分离开压缩器22并且流入燃 烧器24以在此与燃料混合并且点燃以生成具有高的温度、压力和速率、标记为32的燃烧气 体。燃烧气体32流入涡轮26并且在涡轮26中膨胀以做功。 0060 第一压缩工作流体的部分,标记为34,从压缩器22和/或燃烧器24转移到第二 燃气涡轮14。第一压缩工作流体的转移部分34流入第二燃气涡轮14中的第。
20、二压缩器36。 第二压缩器36中的旋转叶片和固定静叶逐渐地给予动能到第一压缩工作流体的转移部分 34以生产标记为38的第二压缩工作流体。第二压缩工作流体38自然具有比第一压缩工作 流体的转移部分34更高的压力。 0061 第二压缩工作流体38离开第二压缩器36并且流入第二压缩器36下游的重整器 40。重整器40可包括催化剂、燃烧器或为本领域技术人员已知的其它类似器件,用于氧化 燃料以生产重整燃料,该重整燃料标记为42并且具有增加的氢水平。例如,重整器40可包 括催化部分氧化(CPOX)转换器,其利用一种或多种贵金属作为催化剂。在其它实施例中, 重整器40可包括燃烧器。 0062 燃料供应16直。
21、接地或如图1所示通过燃料滑道20提供燃料18到重整器40。重 整器40将燃料18与第二压缩工作流体38和/或催化剂混合,使得燃料对第二压缩工作流 体(空气)具有大于1,并且优选地大于大约2,诸如在大约2.5与6之间的当量比(),以 确保重整燃料42中的适当的氢含量。如本文中所用,当量比()定义为燃料-空气比率 和化学计量的燃料-空气比率的比率。数学上,该当量比可如下计算: 0063 0064 其中,m表示质量并且下标st代表化学计量的情形。 0065 重整器40导致燃料18与第二压缩工作流体38反应以消耗或清除所有能够获得 的氧并且生产具有高的温度和压力的重整燃料42。离开重整器40的重整燃料。
22、42的温度可 在大约1400F与1700F之间,并且离开重整器40的重整燃料42的压力可在大约300 磅与400磅之间,但是本发明不受限于对重整燃料42的任何特定的温度范围或压力范围, 除非在权利要求中明确提出。重整燃料42中的氢含量,取决于特定的实施例和操作需要, 可大于大约5、10或15体积比。 0066 重整燃料42流入重整器40下游的第二涡轮44。重整燃料42在第二涡轮44中膨 胀和冷却以做功。特别地,第二轴46可连接第二涡轮44到第二压缩器36以提供在第二涡 轮44与第二压缩器36之间的驱动接合。以此方式,由第二涡轮44中的重整燃料42的膨 胀生成的功可用以提供动力到、转动或另外运行。
23、第二压缩器36,由此增强集成系统10的效 率。重整燃料42作为冷却重整燃料48离开第二涡轮44。离开第二涡轮44的冷却重整燃 说 明 书 CN 102400787 A 5/6页 8 料48的温度可在大约1000F与1400F之间,并且离开第二涡轮44的冷却重整燃料48 的压力可在大约200磅与300磅之间,但是本发明不受限于对冷却重整燃料48的任何特定 的温度范围或压力范围,除非在权利要求中明确提出。因此,冷却重整燃料48在引入燃烧 器24之前不要求额外的冷却或压力增加。冷却重整燃料48中的氢含量,取决于特定的实 施例和操作需要,可大于大约5、10或15体积比。 0067 燃料滑道20提供在第。
24、二涡轮44与燃烧器24之间的流体连通。因此,冷却重整燃 料48可从第二涡轮44通过燃料滑道20流入燃烧器24。燃料滑道20可提供冷却重整燃料 48到燃烧器24,而不用任何进一步的调整或混合。可选地,或此外,取决于操作需要,燃料 滑道20可将冷却重整燃料48与来自燃料供应16的燃料18混合。以此方式,燃料滑道20 可提供燃料18、冷却重整燃料48和/或两者的混合物到燃烧器24。燃烧器24点燃由燃料 滑道20提供的各种燃料以生成燃烧气体32,其如前所述地在涡轮26中膨胀以做功。如图 1所示,燃料滑道20还可提供在第二涡轮44和第一燃气涡轮12之外的另一燃气涡轮49之 间的流体连通。这允许系统10生。
25、产并且供应富氢燃料到在现场的多于一个的燃气涡轮。 0068 图2示出根据本发明的可选实施例的系统50。如图所示,系统50大体包括多转子 燃气涡轮52,其具有低压压缩器54、高压压缩器56、一个或多个燃烧器58、高压涡轮60和 低压涡轮62。第一轴64可连接高压涡轮60到高压压缩器56,并且第二轴66可连接低压 涡轮62到低压压缩器54。第一轴64可与第二轴66大致同心。燃料供应68可供应燃料 70到燃料滑道72。正如将要描述的,燃料滑道72提供在高压涡轮60、燃烧器58和/或多 个其它燃气涡轮之间的流体连通。 0069 外界空气74进入低压压缩器54,并且低压压缩器54中的旋转叶片和固定静叶逐。
26、 渐给予动能到工作流体(空气)以生产处在高能状态、标记为76的第一压缩工作流体。第 一压缩工作流体76的大部分离开低压压缩器54并且流入燃烧器58以在此与燃料混合并 且点燃以生成具有高的温度、压力和速率、标记为78的燃烧气体。燃烧气体78流入低压涡 轮62并且在低压涡轮62中膨胀以做功。 0070 第一压缩工作流体的部分,标记为80,从低压压缩器54和/或燃烧器58转移到低 压压缩器54下游的高压压缩器56。高压压缩器56中的旋转叶片和固定静叶逐渐给予动能 到第一压缩工作流体的转移部分80以生产标记为82的第二压缩工作流体。第二压缩工作 流体82自然具有比第一压缩工作流体的转移部分80更高的压。
27、力。 0071 第二压缩工作流体82离开高压压缩器56并且流入高压压缩器56下游的重整器 84。重整器84可包括催化剂、燃烧器或者为本领域技术人员已知的其它类似器件,用于氧 化燃料以生产重整燃料,该重整燃料标记为86并且具有增加的氢水平。例如,重整器84可 包括催化部分氧化(CPOX)转换器,其利用一种或多种贵金属作为催化剂。在其它实施例 中,重整器84可包括燃烧器。 0072 燃料供应68直接地或通过燃料滑道72提供燃料70到重整器84。重整器84将燃 料70与第二压缩工作流体82和/或催化剂混合,使得燃料对第二压缩工作流体(空气) 具有大于1,并且优选地大于大约2,诸如在大约2.5与6之间。
28、的当量比(),以确保重整燃 料86中适当的氢含量。 0073 重整器84导致燃料70与第二压缩工作流体82反应以消耗或清除所有能够获得 的氧并且生产具有高的温度和压力的重整燃料86。离开重整器84的重整燃料86的温度可 说 明 书 CN 102400787 A 6/6页 9 在大约1400F与1700F之间,并且离开重整器84的重整燃料86的压力可在大约300 磅与400磅之间,但是本发明不受限于对重整燃料86的任何特定的温度范围或压力范围, 除非在权利要求中明确提出。重整燃料86中的氢含量,取决于特定的实施例和操作需要, 可大于大约5、10或15体积比。 0074 重整燃料86流入重整器84。
29、下游的高压涡轮60。重整燃料86在高压涡轮60中膨 胀并且冷却以做功。特别地,连接高压涡轮60到高压压缩器56的第一轴64可提供在高压 涡轮60与高压压缩器56之间的驱动接合。以此方式,由高压涡轮60中重整燃料86的膨 胀生成的功可用以提供动力到、转动或另外运行高压压缩器56,由此增强集成系统50的效 率。重整燃料86作为冷却重整燃料88离开高压涡轮60。离开高压涡轮60的冷却重整燃 料88的温度可在大约1000F与1400F之间,并且离开高压涡轮60的冷却重整燃料88 的压力可在大约200磅与300磅之间,但是本发明不受限于对冷却重整燃料88的任何特定 的温度范围或压力范围,除非在权利要求中。
30、明确提出。因此,在引入燃烧器58之前,冷却重 整燃料88不要求额外的冷却或压力增加。重整燃料88中的氢含量,取决于特定的实施例 和操作需要,可大于大约5、10或15体积比。 0075 燃料滑道72提供在高压涡轮60和燃烧器58之间的流体连通。因此,冷却重整燃 料88可从高压涡轮60通过燃料滑道72流入燃烧器58。燃料滑道72可提供冷却重整燃料 88到燃烧器58而不用任何进一步的调整或混合。可选地,或此外,取决于操作需要,燃料滑 道72可将冷却重整燃料88与来自燃料供应68的燃料70混合。以此方式,燃料滑道72可 提供燃料70、冷却重整燃料88和/或两者的混合物到燃烧器58。燃烧器58点燃由燃料。
31、滑 道72提供的各种燃料以生成燃烧气体78,其如前所述的在低压涡轮62中膨胀以做功。如 图2所示,燃料滑道72还可提供流体连通到除多转子燃气涡轮52之外的另一燃气涡轮90。 这允许系统50生产并且供应富氢燃料到在现场的多于一个的燃气涡轮。 0076 图1和2描述和示出的系统提供用于提供富氢燃料的方法。特别地,该方法可包 括压缩外界空气以制造第一压缩工作流体并且转移第一压缩工作流体的至少一部分用于 额外压缩成第二压缩工作流体。第二压缩工作流体可然后在重整器中与燃料混合以生产重 整燃料。如果期望的话,燃料与第二压缩工作流体之间的当量比可大于2。重整燃料可流过 涡轮以冷却重整燃料,并且由流过涡轮的重。
32、整燃料的膨胀执行的功可用以生产第二压缩工 作流体。冷却重整燃料可然后流入燃烧器用于燃烧。可选地,或此外,冷却重整燃料可在燃 烧之前与燃料混合。 0077 本发明中描述的系统和方法可提供超过现有技术的若干商业优势。例如,将重整 器和重整工艺集成至传统燃气涡轮系统将通过允许捕获或再循环由重整工艺执行的功而 增加燃气涡轮系统的整体效率。从重整工艺再循环或捕获功允许重整燃料被冷却,从而降 低与运输或传递重整燃料相关联的难度和成本。此外,集成至燃气涡轮系统的单个重整工 艺提供足够的富氢燃料用于在现场的多个燃气涡轮。 0078 本书面描述利用实例以公开本发明,包括最佳模式,并且还使本领域技术人员能 够实践本发明,包括制造或利用任何器件或系统并实施任何合并的方法。本发明的专利保 护范围由权利要求限定,并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果其它实例包括 与权利要求的书面语言并无不同的结构元件,或者如果它们包括与权利要求的字面语言并 无实质差别的等效结构元件,则这些其它实施例预期在权利要求的范围内。 说 明 书 CN 102400787 A 1/2页 10 图1 说 明 书 附 图 CN 102400787 A 2/2页 11 图2 说 明 书 附 图 。