CN109642730B - 燃料和空气供应结合在燃烧器的壁中的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机的燃烧器，涡轮机特别是燃气涡轮发动机，该燃烧器包括上游燃烧器区段，用于向燃烧器内部的上游端提供第一燃料和/或含氧流体；下游燃烧器区段，用于向燃烧器内部的下游端或者燃烧室提供第二燃料；以及中间燃烧器区段，在上游燃烧器区段和下游燃烧器区段之间。中间燃烧器区段包括环形壁(优选地，筒形壁)，环形壁包围燃烧器内部的中间区段。环形壁继而包括环形冷却流体通道，特别地用于引导含氧流体；以及环形燃料通道，用于将第二燃料引导到下游燃烧器区段，该环形燃料通道比环形冷却流体通道更远离燃烧器内部。这意味着两个环形槽被结合到环形壁中。此外，上游燃烧器区段包括通过上游燃烧器区段的本体的至少一根集成的燃料管，被配置为为环形燃料通道供料。本发明还涉及一种运行该燃烧器的方法以及运行该燃烧器的方法。

Description

燃料和空气供应结合在燃烧器的壁中的燃烧器

技术领域

本发明涉及一种涡轮机(特别是燃气涡轮发动机)的燃烧器和燃烧装置、运行该燃烧器的方法以及制造方法。

背景技术

作为涡轮机的一个示例，燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧装置和膨胀涡轮作为主要部件。对于燃烧装置，存在不同的设计，例如，环形燃烧装置或者环管式(can-annular)燃烧装置。燃烧装置本身由燃烧器和燃烧室构成。燃料经由该燃烧器被提供至燃烧空间。燃烧室封闭该燃烧空间。燃烧空间还被提供用于燃烧的含氧流体，特别是从压缩机提供的空气。

燃烧器可以被供应不同种类的燃料。一些燃烧器甚至可以被设计为(交替地或者并行地)使用两种类型的燃料(特别是气体燃料和液体燃料)来运行。

此外，燃烧器可以被设计为在稀薄条件下运行，使得排放物(特别是NOx和CO)保持较低。在稀薄条件下，考虑其中所有或者大部分燃料都被燃烧的燃料和空气的混合物。对于这样的稀薄运行，通常提供所谓的主燃料。对于瞬态运行，例如，在涡轮机启动期间，可以提供额外的燃料作为所谓的引燃燃料(pilot fuel)，以稳定火焰并且避免燃烧动态。

通常地，燃烧器内主燃料的注入点和引燃燃料的注入点不同，在一些情况下，甚至提供不同类型的燃料作为主燃料和引燃燃料。因此，燃料管可以被设置在燃烧器的外部，以将主燃料和引燃燃料提供至它们各自的燃料注入点。

燃气涡轮发动机的燃烧器大部分被经由压缩机的入口提供的空气包围。经过压缩机，忽略中间通道和空腔，空气可以作为压缩空气(例如，通过引导空气经过旋流器叶片之间的槽，旋流器叶片作为该燃烧器的一部分或者被附接至该燃烧器)而被输送到燃烧器的内部。这些旋流器叶片生成空气旋流，主燃料通常被注入到该空气旋流中，以便燃料和空气良好混合。

作为附带效应，围绕燃烧器的周围空气也可以支持冷却所提及的燃烧器外部的燃料管。另一方面，这些燃料管可能会干扰空气流。

除了所提及的燃料供应和所提及的旋流器之外，还可以设置为热壁(如燃烧器的壁或者燃烧室的壁)提供冷却的手段。通常地，利用如膜冷却、泄流冷却或者冲击冷却之类的原理，通过将压缩空气引导到燃烧器和燃烧室的特定区域来执行冷却。

如果在一些运行模式期间冷却不充分，则液体燃料可能导致未被充分冷却的热壁焦化。如果没有充分冷却，则燃料供应管道内也可能发生焦化。

例如，如果需要组装若干个燃烧器部件以构建整个燃烧器，则所有提及的燃烧器特征都会导致大量的制造和组装时间。

从EP 2 650 612 A1、US 6,210,152 B1或者EP 3 059 500 A1中已知一种特定的燃烧器设计(之后将进行更详细地讨论)，其中旋流器区段之后是混合区段，再之后是出口区段，出口区段继而又被连接到主燃烧区。主燃料可以在旋流器区段中被提供，而引燃燃料可以在出口区段中被提供。

发明内容

本发明旨在减轻这些缺点。

该目的通过独立权利要求来实现。从属权利要求描述了本发明的有利改进和修改。

根据本发明，提供一种涡轮机的燃烧器，涡轮机特别是燃气涡轮发动机，该燃烧器包括上游燃烧器区段、中间燃烧器区段和下游燃烧器区段。上游燃烧器区段被布置为向燃烧器内部的上游端提供第一燃料(通常是所谓的主燃料(气体或者液体))和含氧流体(通常是空气)。燃烧器内部基本上是中空空间，其中能够发生燃料和含氧流体的混合。下游燃烧器区段被布置为向燃烧器内部的下游端或者通常位于燃烧器下游的燃烧室提供第二燃料(通常是所谓的引燃燃料(优选地，气体形式))。中间燃烧器区段位于上游燃烧器区段和下游燃烧器区段之间，并且通常限定混合区域，用于进一步混合第一燃料和含氧流体。中间燃烧器区段也可以被称为混合器。中间燃烧器区段包括环形壁(优选地，筒形壁)，该环形壁包围燃烧器内部的中间区段。环形壁继而又包括环形冷却流体通道或者流体槽，特别地用于引导含氧流体；以及环形燃料通道(燃料槽)，用于将第二燃料引导到下游燃烧器区段，环形燃料通道比环形冷却流体通道更远离燃烧器内部。此外，上游燃烧器区段包括通过上游燃烧器区段的本体的至少一根集成的燃料管，被配置为为环形燃料通道供料。

通过这样的配置，环形壁包括三个同心壁，这些同心壁由环形冷却流体通道和环形燃料通道分隔。环形冷却流体通道冷却环形壁和/或充当环形燃料通道的隔热屏。

由于具有环形燃料通道的环形配置，燃料围绕圆周均匀分布。环形冷却流体通道也使得冷却流体均匀分布。这两个特征均可以避免局部热点。

如上所述，上游燃烧器区段包括通过上游燃烧器区段的本体的至少一根集成的燃料管，该燃料管被配置为为环形燃料通道供料。这允许将所有燃料供给特征集成在燃烧器的本体或者燃烧器的壁内。不需要被连接到燃烧器外部的外部管道。

术语“上游”/“下游”/“中(游)”被用来指示沿着燃烧器轴线的方向并且相对于燃料流动方向。即使一些流体将被蜗旋，但是最终也可以给出从燃烧器的上游端到燃烧器的出口(下游端)的主行进方向。出口将流体释放到燃烧室中，该燃烧室因此将再次位于燃烧器的下游。

假设可以定义燃烧器的轴线，径向方向垂直于该轴线，就燃烧器的径向方向而言，使用术语“内部”和“外部”。径向上位于内部的空腔(燃烧器内部)由径向上位于外部的环形壁包围。在该环形壁之外，即，进一步径向向外，定义了燃烧器外部。燃烧器外部应该是中空空间，以引导从涡轮机的压缩机提供的压缩含氧流体。

在一个实施例中，环形壁还可以包括多个膜冷却孔，该膜冷却孔从燃烧器的外部穿透环形壁到燃烧器内部的中间区段，膜冷却孔穿透环形冷却流体通道并且穿透环形燃料通道，但是与环形冷却流体通道和环形燃料通道流体分隔，即，与环形冷却流体通道和环形燃料通道无流体连接。这允许对环形壁的内部表面进行膜冷却。用于膜冷却的流体可以优选地是含氧流体(即，空气)。

在另一实施例中，环形壁还可以包括至少一个冷却流体入口孔，从燃烧器的外部为环形冷却流体通道提供冷却流体，即，周围的含氧流体或者压缩空气，该含氧流体或者压缩空气可以被用于冷却，冷却流体入口孔穿透环形燃料通道，但是与环形燃料通道流体分隔。因此，围绕冷却流体入口孔存在局部屏障，使得该入口孔相对于环形燃料通道密封。在环形燃料通道和冷却流体入口孔之间不存在流体连接。

在又一实施例中，环形壁还可以包括多个泄流孔(即，泄流冷却孔)，以用于将冷却流体从环形冷却流体通道喷射到燃烧器内部的中间区域，其中优选地，泄流孔围绕圆周并且沿着中间燃烧器区段的轴向长度分布。泄流孔的图案可以在任一方向上变化或者可以保持均匀分布。泄流孔提供了对环形壁的内表面的冷却。

在一个实施例中，环形冷却流体通道和环形燃料通道各自可以被限定为沿着中间燃烧器区段的整个轴向长度延伸的槽(即，从上游燃烧器区段延伸到下游燃烧器区段)。这限定了针对整个中间燃烧器区段的冷却屏蔽。

在另一实施例中，环形壁还包括环形冷却流体通道和/或环形燃料通道内的间隔元件，其中间隔元件可以被物理连接到仅一个表面并且可以与相应环形通道的相对表面仅为松接触。间隔元件可以被形成为距离凸块(distance bump)，特别是半球体或者半柱体。半柱体可以在轴向方向上伸展开。“松接触”限定了通道没有支柱，若通道有支柱，则支柱可能牢固地连接两个相对的表面。因此，间隔元件仅经由支承接触(bearing contact)触及相对表面，但不是固定连接。

有利地，环形壁可以是一体成形部件，与上游燃烧器区段和下游燃烧器区段联接。备选地，上游燃烧器区段、中间燃烧器区段和下游燃烧器区段整体上可以是一体成形部件，因此整个燃烧器可以被一体成形。“一体成形”应当意指该部件是整体的，即，在一个单独的制造过程中被作为单个零件制造，而没有后续的联接步骤。因此，燃烧器可以是单个零件。换句话说，燃烧器的多个部件与燃烧器的其他部件被完全集成。

使用增材制造能够实现产生复杂而精细的结构，如三个壁的配置或者将所提及的冷却特征嵌入到燃烧器和环形壁中。

燃烧器可以包括尚未引入的其他部件。特别地，上游燃烧器区段可以包括多个旋流器叶片，其中每个旋流器叶片优选地设置集成的燃料管，特别是用于引导引燃燃料，该集成的燃料管被配置为为环形燃料通道供料。

而且，主燃料供应可以被集成在燃烧器本体中。例如，多个旋流器叶片各自可以包括另外的集成的燃料供应管线，另外的燃料供应管线(特别是用于主燃料)被配置为用于为第一燃料喷嘴供料，以将第一燃料喷射到燃烧器内部的上游端中，第一燃料喷嘴优选地分布在旋流器叶片的表面上。

上游燃烧器区段可以设置旋流器和第一燃料喷嘴，旋流器用于蜗旋空气，并且第一燃料喷嘴用于将第一燃料(特别是主燃料)注入到被蜗旋的空气中，中间燃烧器区段可以设置预混区，用于混合空气和被注入的第一燃料，并且下游燃烧器区段可以设置燃烧器喷尖和第二燃料喷嘴，第二燃料喷嘴用于喷射第二燃料(通常是引燃燃料)。

此外，本发明涉及一种燃烧装置，包括如前所述的多个燃烧器和至少一个燃烧室(特别是环形燃烧室或者环管式燃烧室)，燃烧室被布置在一个或者多个燃烧器的下游。在环管式配置中，一个燃烧器和一个燃烧室形成一个配对，并且多个这样的配对中的几个配对围绕涡轮机的轴线被环形地布置。

到目前为止，尚未着重于燃烧器的燃料供应上。在本发明的一个实施例中，燃烧器轴可以被附接到上游燃烧器区段，并且可以包括至少一个供应通路，用于将第一燃料和/或第二燃料向燃烧器提供。优选地，两个供应通路(一个用于主燃料，一个用于引燃燃料)被设置在燃烧器轴中。主燃料例如可以以管的形式被提供，而引燃燃料可以以包围该管的环形通道的形式被提供。

本发明还涉及一种运行如前所述的燃烧器的方法。该方法包括以下步骤：(a)以给定的空气压力水平向燃烧器的外部提供作为含氧流体并且还作为冷却流体源的空气，使得空气被引导到环形冷却流体通道中并且在环形冷却流体通道内被引导；(b)向燃烧器供应第一燃料；以及(c)以给定第二燃料压力水平向燃烧器供应第二燃料，使得第二燃料被提供到环形燃料通道并且在环形燃料通道内被引导。

此外，本发明还涉及一种制造如前所述的燃烧器的方法，具有以下步骤：将环形壁以增材方式制造为一体成形部件。备选地，该方法包括以下步骤：将上游燃烧器区段、中间燃烧器区段和下游燃烧器区段一起，以增材方式制造为一体成形部件，即，单个部件。优选地，以增材方式制造的步骤通过选择性激光熔化或者选择性激光烧结来执行，使得部件被逐层构建，并且相邻层的材料熔合在一起以形成固体部件。

因此，燃烧器可以被制造为单个零件，所有特征都体现在其固体壁中。因此，减少了制造步骤。此外，与传统制造方法相比较，更加详细和更加复杂的特征可以被结合在燃烧器中。

应当注意，已经参考不同的主题对本发明的实施例进行了描述。特别地，已经参考装置类型权利要求对一些实施例进行了描述，而已经参考方法类型权利要求对其他实施例进行了描述。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中得出，除非另有通知，否则除了属于一种类型主题的特征的任何组合之外，还有与不同主题有关的特征之间(特别地，装置类型权利要求的特征与方法类型权利要求的特征之间)的任何组合被认为是与本申请一起公开的。

此外，示例已经并且将在以下部分中参考燃气涡轮发动机得以公开。本发明还适用于包含燃烧器的任何类型的发动机。

根据下文将描述的实施例的示例，本发明的上述方面和其他方面是显而易见的，并且参考实施例的示例进行解释。

附图说明

现在，参考附图仅以示例的方式对本发明的实施例进行描述，其中：

图1示意性地图示了本发明的燃烧器的示例性实施例的截面图；

图2图示了沿着图1的II-II的中间燃烧器区段的横截面；

图3示出了中间燃烧器区段的一部分，示出了嵌入式膜冷却孔；

图4示意性地图示了结合有间隔元件的备选的中间燃烧器区段；

图5图示了沿着图4的V-V的中间燃烧器区段的横截面；

图6示出了旋流器叶片的截面图，示出了旋流器叶片中的燃料供应管线；

图7示意性地图示了本发明的燃烧器的另一示例性实施例的截面图，该燃烧器与图4和图5相对应；

图8示出了图7的放大截面图，着重于向/从燃烧器的环形冷却流体通道供应和喷射冷却空气；

图9示出了备选燃烧器的截面图，图示了结合有环形槽的环形壁。

附图中的图示是示意性的。应当注意，对于不同附图中的相似或者相同元件，使用相同的附图标记。

对组装的、正在运行的燃气涡轮的一些特征(尤其是优点)将进行解释，但是显然这些特征也可以应用于燃气涡轮的单个部件，但是仅当组装之后和在运行期间才显示出这些优点。但是，当借助于在运行期间的燃气涡轮进行解释时，任何细节都不应限于处于运行中的燃气涡轮。

在下文中，主要对环形燃烧装置的问题以及所提出的解决方案进行解释，但是该原理还可以应用于不同类型的燃烧装置，如环管式燃烧装置。

具体实施方式

图1表示一个示例性燃烧器1，示出了本发明的构思。燃烧器1以截面图示出，并且后续的视图可以示出该燃烧器1的详细视图或者备选实现方式。该燃烧器1可以是燃气涡轮发动机的一部分并且可以用于环形燃烧装置。燃烧器1可以包括上游燃烧器区段2、中间燃烧器区段3和下游燃烧器区段4。在上游燃烧器区段2的上游，可以设置燃烧器轴5以向燃烧器1提供燃料。特别地，上游燃烧器区段2可以是用于混合燃料与空气的旋流器40，并且还可以包括将旋流器40与中间燃烧器区段3连接的过渡件。接着，在燃烧器1的轴向方向上，中间燃烧器区段3跟随上游燃烧器区段2并且提供预混区41以进一步混合先前所提供的空气和燃料。进一步向下游，设置下游燃烧器区段4并且还专门提供燃烧器喷尖42。上游燃烧器区段2、中间燃烧器区段3和下游燃烧器区段4一起包围燃烧器内部6。在燃烧器1的若干位置处，燃烧器内部6经由用于使空气或者冷却流体通过的通道而被流体连接到燃烧器1的外部7。

如前所述，上游燃烧器区段2中设置旋流器40。旋流器40由多个旋流器叶片9组成。然后，每个旋流器叶片9在轴向方向上与中间区段3的壁合并。旋流器叶片9和后续的过渡区段均可以被定义为上游燃烧器区段2的本体8。用于引燃燃料的燃料通道被结合在该本体8中。被标识为燃料管30的该燃料通道将向下游的中间燃烧器区段3提供引燃燃料。

在该示例中，中间燃烧器区段3基本上被配置为筒形环形壁10。然而，环形壁10还可以是不同的形状，只要是围绕空间的环形即可。环形壁10沿着其轴向长度限定三壁筒形配置，其中体现有环形冷却流体通道11和环形燃料通道12。环形燃料通道12限定了用于从上游燃烧器区段2提供的引燃燃料的环形通道。在中间燃烧器区段3内，环形燃料通道12将引燃燃料引导到下游区段4。

环形冷却流体通道11由来自燃烧器1的外部7的冷却流体(特别是空气)供应，并且沿着中间燃烧器区段3的长度引导该冷却流体。与环形燃料通道12相比，环形冷却流体通道11位于环形壁10内的径向内侧。这意味着环形冷却流体通道11充当温度屏蔽，使得热量不会显著影响环形燃料通道12。

可以存在另外的冷却特征，特别是在中间燃烧器区段3中存在这样的冷却特征。例如，膜冷却孔13可以位于沿着中间燃烧器区段3的不同位置处。膜冷却孔13仅穿透环形壁10而不会合并到环形燃料通道12和/或环形冷却流体通道11中。

在燃烧器轴5内结合有用于主燃料的第一供应通路35。此外，燃烧器轴5被配置为经由第二供应通路35引导引燃燃料。引燃燃料从第二供应通路34经由结合在旋流器叶片9内的燃料管30而被引导至中间燃烧器区段3的环形燃料通道12。从第一供应通路35提供的主燃料被提供给旋流器叶片9，用于经由结合在旋流器叶片9中的燃料喷嘴而被注入到燃烧器的内部6中。

但是应当注意，具有不同几何形状的燃烧器可以在不同点处注入主燃料，而不仅仅经由旋流器叶片的表面注入。

图1所示的燃烧器1围绕由字母A表示的轴线是基本上对称的。此外，在图中用字母R表示径向方向。

该燃烧器1可以用于环形燃烧室或者环管式燃烧室中。位于燃烧器1下游的燃烧室在图中以抽象方式突出显示为燃烧室50。

从图1的这样的配置开始，在以下附图中将对该配置的几个细节进行解释。

图2是沿着图1中所示的线II-II的截面图。从图2中可以看出，环形燃料通道12和环形冷却通道11仅是环形壁10中的狭槽。环形壁10限定三壁圆形结构，其中结合有两个槽，即，环形燃料通道12和环形冷却通道11。在一个具体实施例中，在图2的截面图中，槽是圆形的。在备选方案中，这些槽在截面图中还可以是椭圆形的。

图3示出了图2的变型，并且仅仅是图2的环形壁10的一部分的变型，其中设置膜冷却孔13。尽管膜冷却孔13也可以成一定角度，图2是简化视图并且示出了冷却孔13，冷却孔13将壁10的外部与位于径向内侧的燃烧器内部6连接并且穿透整个环形壁10。膜冷却孔13完全被环形壁10的材料包围，使得膜冷却孔13是通过环形壁10的通道。在膜冷却孔13的区域中，因为边界壁包围并且环绕膜冷却孔13，环形燃料通道12和环形冷却流体通道11局部中断。

图4和图5以环形壁10的截面图示出了位于环形燃料通道12和/或环形冷却流体通道11内的间隔元件20。出于稳定性原因并且为了保持结合的通道11、12敞开，可以设置间隔元件20。例如，如图5所示，对于环形燃料通道12，两个间隔元件20可以彼此对齐并且彼此面对。备选地，还如图5所示，对于环形冷却流体通道11，单个间隔元件可以被设置于环形壁10处，并且特别地，被设置于通道11、12的表面中的一个表面处。间隔元件20可以是半球体或者半柱形部件。半柱形配置在图4中表示，其中间隔元件20示出了沿着轴向方向的伸长。

图5表示与图4相同的配置，并且是沿着图4的V-V线的截面图。从图4和图5中可以清楚地看出，间隔元件20仅仅连接到相应的通道11、12的表面中的一个表面。特别地，间隔元件20不是用于联接两个壁的连续肋或者支柱。这可能是重要的，因为经由单侧间隔元件20，热量传递能够被减少或者可能不会发生热量传递。作为用于环形冷却流体通道11的间隔元件20的示例，单个间隔元件20被设置在环形冷却流体通道11的朝向径向内侧的表面21上。在相对的表面上，即该通道11的朝向径向外侧的表面22上，不设置额外的间隔元件20。

现在，图6示出了上游燃烧器区段2的截面图的一部分。该区段是通过旋流器叶片9中的一个旋流器叶片的切口。旋流器叶片9和后续的过渡区段也表示为本体8。通过旋流器叶片9和本体8，结合燃料管30，该燃料管30将引燃燃料引导到燃烧器1的更下游部件。此外，在该截面图中还示出了用于主燃料的另一燃料供应管线31。该另一燃料供应管线也被结合在旋流器叶片9内。作为第一燃料喷嘴的主燃料喷嘴32设置在旋流器叶片9的表面上。特别地，设置多个主燃料喷嘴32。这允许将主燃料注入到作为含氧流体通过的空气中，空气在两个相邻的旋流器叶片9之间被引导，用于进一步混合并且引导到燃烧器内部6中。

现在，图7示出了如图1所示的先前介绍的燃烧器1的另一变型。同样，示出了上游燃烧器区段2、中间燃烧器区段3和下游燃烧器区段4。上游燃烧器区段2也包括旋流器40。在旋流器叶片9的表面上也再次表示有主燃料喷嘴32。如前所述，环形燃料通道12设置于中间燃烧器区段3的环形壁10中。如前所述并且根据本发明，与环形燃料通道12相比，环形冷却流体通道11设置在关于燃烧器轴线的径向的内侧。

首先，特别着重于中间燃烧器区段3的区域中的燃烧器内部6。该区域也被称为预混区41。同样，在中间燃烧器区段3中设置膜冷却孔13。为了提供空气进入环形冷却流体通道11，在环形壁10中设置冷却流体入口孔14。图7中仅仅示出了这些冷却流体入口孔14中的两个冷却流体入口孔，但是围绕环形壁10的圆周可以设置多个这些冷却流体入口孔。冷却流体入口孔14流体连接到环形冷却流体通道11。此外，冷却流体入口孔14穿透环形壁10，使得冷却流体入口孔14不与环形燃料通道12流体连接。

应当注意，图7着重于环形冷却流体通道11的冷却空气入口，并且没有示出用于再次抽空该冷却流体通道11的特征。反之，这可以在图8中示出。

图8还具体示出了从环形燃料通道12到燃烧器喷尖42上的出口44的过渡。在一个实施例中，图8中未示出，环形燃料通道12直接合并到一个或者多个引燃燃料喷嘴中，该喷嘴可以是环形出口或者布置在燃烧器喷尖42的面上的多个孔。因此，在该配置中，引燃燃料喷嘴33位于燃烧器喷尖42的面上。在该配置中，纯燃料被排放(特别是扩散)进入燃烧室。

在不同的配置中，如图8所示，环形燃料通道12允许引燃燃料经由引燃燃料喷嘴33排放进入局部预混区43，其中引燃燃料被(特别是与空气)混合，之后混合物最后经由出口44而被排放进入燃烧室。

用于局部预混区43的空气可以是从环形冷却流体通道11(未示出)分出的一部分空气，或者可以从通向局部预混区43的单独空气供应通道(未示出)而被提供。具有用于局部预混合的附加空气的配置可以被称为“具有辅助空气的引燃燃料”。

在本文中，引燃流体喷嘴33也可以被称为第二燃料喷嘴，因为引燃燃料也可以被称为第二燃料。

从图7和图8中可以看出，引燃燃料沿着燃烧器1的轴向长度被引导通过壁结构。特别地，引燃燃料在旋流器叶片9、中间燃烧器区段3的环形壁10和下游燃烧器区段4的壁内进行引导，该下游燃烧器区段4的壁终止于燃烧器1的端部区域42，用于将引燃燃料喷射到燃烧室中。

图8还示出了该引燃燃料通道系统，着重于环形壁10和下游燃烧器区段4。此外，图8主要着重于从环形冷却流体通道11喷射空气。经由冷却流体入口孔14提供的空气分布在环形冷却流体通道11中，并且可以经由多个泄流孔15而被排放。泄流孔可以提供环形壁10的内部的泄流冷却。为此，泄流孔15可以沿着环形壁10的轴向长度分布。此外，泄流孔15也可以围绕环形壁10的圆周分布。因此，在中间燃烧器区段3的区域中可以为扩展后的表面区域提供泄流冷却。

所有这些实施例显示出若干优点，现在将在下面对这些优点进行总结。燃烧器1显示出简化的几何形状，可以通过增材制造技术(例如，选择性激光熔化或者选择性激光烧结)制造。由此，燃料和空气通道可以被结合到燃烧器的承重结构中。然后，引燃燃料供给可以被结合在旋流器和混合管内，而非在燃烧器外部具有单独的引燃供应管线。结果，燃烧器周围的空气流将不再受到外部燃料管的干扰。因此，空气将不受干扰，并且进入燃烧器的空气流更为明确地被限定。如果需要，则集成的引燃燃料通道(环形燃料通道12)的尺寸易于调整，以适应特定燃料规格。此外，通过具有环形燃料通道12的环形壁配置允许引燃燃料在燃烧器喷尖42处围绕圆周更均匀地分布。更进一步地，这样的新设计允许减少组装燃烧器所需的部件的数目，由此，也减少了焊接步骤和制造操作的数目。

集成的环形冷却流体通道11充当可能影响环形燃料通道12的热量的隔热屏。因此，在液体燃料的情况下，该集成的环形冷却流体通道11避免了焦化。

经由环形燃料通道12和对应的部件的集成的引燃燃料供给使得燃料灵活性成为可能，例如，高发热燃料至低发热燃料。

引燃燃料注入的均匀流动最终也会改善排放，因为燃烧条件也通过环形壁10内集成的引燃燃料得以改善。此外，燃烧器喷尖42处改善的分布也带来了更好的燃烧条件，并且使得改善排放成为可能。

如果在环形壁10内设置膜冷却孔13或者间隔元件20，则这些膜冷却孔13或者间隔元件20还可以充当环形燃料通道12的湍流器，其结果有助于使环形燃料通道12内的引燃燃料流均匀。

间隔元件20可以被认为是距离凸块，以确保最小的槽高度，甚至在环形燃料通道12或者环形冷却流体通道11内提供变化的槽高度。

由于泄流孔15而改善了冷却功能，该配置降低了焦化的可能性并且还降低了中间燃烧器区段3内火焰回火的风险。通过最内部的同心筒体获得了对燃料管(环形燃料通道12)的保护，该同心筒体经由环形冷却流体通道11分隔。最内部的同心筒体可以以围绕表面分布的图案配备有泄流孔，这最终将防止在液体燃料运行时混合壁的焦化，并且还充当燃料供给结构的保护，以防止其过热。

本发明通过内筒体和配合的环形冷却流体通道11的空气槽在燃料供给结构的火焰回火方面提供热负荷保护。可以通过内筒体壁上的泄流孔增强该保护。还通过在内筒体壁中分布泄流孔防止了焦化。依据燃烧器1的几何形状，其他优点可能变得清楚。

根据图1至图8，对用于环形燃烧装置的示例性燃烧器进行了讨论。该示例性燃烧器配置如下，先前可能未能进行完全详细定义。燃烧器包括燃烧器头部、燃烧器内部、旋流器和预混区段。燃烧器头部包括燃烧器头端。旋流器被串联布置在燃烧器头部和预混区段之间。燃烧器1具有主轴线。燃烧器头部、旋流器和预混区段被沿着主轴线布置。根据附图的旋流器是细长的三维体。旋流器在两端敞开并且具有侧壁，该侧壁包围容积或者限制侧壁和开口端内的容积。类似地，预混区段是细长的三维体。预混区段的两端是敞开的，并且具有侧壁，该侧壁包围容积或者限制侧壁和开口端内的容积。由旋流器包围的容积和由预混区段包围的容积一起形成称为燃烧器内部的容积。如图1所示，旋流器可以被设计为圆锥形(例如具有截头圆锥形状)。旋流器的截头圆锥形状具有顶侧和底侧。底侧的横截面积大于顶侧的横截面积，或者换句话说，截头圆锥的横截面沿着主轴线从顶侧向底侧增大。顶侧连接到燃烧器头部的燃烧器头端，并且底侧连接到预混区段。旋流器包括入口区段。入口区段流体连接到涡轮机(未示出)的压缩机(未示出)。入口区段接收来自压缩机的压缩空气并且将压缩空气引入燃烧器内部，更准确地说，引入到燃烧器内部的上游侧。类似地，入口区段流体连接到涡轮机的燃料供应(未示出)。入口区段从燃料供应接收主气体燃料并且将主气体燃料引入到燃烧器内部，更准确地说，引入到燃烧器内部的上游侧。旋流器的入口区段包括至少一个空气入口和至少一个主燃料气体入口。压缩空气经由空气入口被引入到燃烧器内部，并且主气体燃料经由主燃料气体入口被引入到燃烧器内部。空气入口可以相对于主轴线被布置为沿着旋流器的切向。类似地，主燃料气体入口可以相对于主轴线被布置为沿着旋流器的切向。例如，当旋流器的形状是截头圆锥时，空气入口和/或主燃料气体入口可以被形成为通过截头圆锥的本体壁(未示出)的纵向延伸的槽。在燃烧器的示例性实施例中，入口区段包括多个空气入口和多个主燃料气体入口，这些入口围绕旋流器以如下分布的方式被布置，使得当主气体燃料和压缩空气通过空气入口和主燃料气体入口进入燃烧器内部时，在压缩空气和主气体燃料中产生旋流。

该双燃料燃烧装置中的基本技术是在燃烧室中点燃燃烧混合物(即，来自压缩机的空气和主燃料的混合物)之前，将主燃料与来自涡轮机的压缩机的空气预混合。通常，来自压缩机的空气要么在旋流器内部、要么在被引入到旋流器之前与主气体燃料混合，然后被旋流器蜗旋以产生空气和主气体燃料的旋流。来自压缩机的加压空气和主气体燃料的旋流然后从旋流器进入预混区段。在预混区段，来自压缩机的加压空气和主气体燃料在进入燃烧室或者燃烧混合物燃烧的燃烧空间之前很好地混合。

在双燃料燃烧装置中，主燃料(液体燃料或者气体燃料)通过位于燃烧器头部或者旋流器叶片处的喷嘴排出。在离开喷嘴后，主燃料进入旋流器(如果使用液体燃料，则主燃料优选地以雾化形式进入旋流器)，然后继续进入预混区段，最后进入燃烧室，在燃烧室处主燃料参与燃烧反应。

仅为了简要说明本发明还可以用于不同的燃烧器设计，在图9中示出了备选燃烧器设计。如果要标识与之前类似的部件，则使用相同的附图标记。

根据图9示出了一种燃烧装置，其中示出了燃烧器1，该燃烧器1连接到燃烧室50。上游燃烧器区段2包括燃烧器头部60和径向旋流器40，该径向旋流器40包括多个旋流器叶片9，该径向旋流器40之后是中间燃烧器区段3。在下游，中间燃烧器区段3经由下游燃烧器区段4连接到燃烧室50。

中间燃烧器区段3包括环形壁10，该环形壁10环绕环形冷却流体通道11和环形燃料通道12。未示出环形冷却流体通道11的入口和出口。作为示例，给出为环形燃料通道12供给燃料的燃料入口61，该燃料入口61通过燃烧器头部60并且穿透旋流器叶片9的实心部分，使得燃料入口61可以连接到环形燃料通道12。在环形燃料通道12的下游端处，引燃燃料被喷射到燃烧室50中，如箭头62所示。

径向旋流器40被设置用于引导空气，如箭头63所示，以蜗旋空气并且将其引导到燃烧器内部6。通常，在旋流器叶片9处，空气还将与主燃料混合(图中未示出)。

因此，图9所示的环形壁10也可以设有本发明的三筒形壁结构，该三筒形壁结构具有用于引燃燃料和空气的嵌入槽。

这是备选燃烧器设计的一个示例。其他燃烧器设计也可以配备有本发明的特征。

虽然已经参考某些实施例对本技术进行了详细描述，但是应当领会，本技术不限于那些精确的实施例。相反，鉴于描述用于实践本发明的示例性模式的本公开，在不背离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员将呈现许多修改和变化。因此，本发明的范围由以下权利要求而非前面的描述表示。在权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变、修改和变型都应当被视为在其范围内。

Claims (18)

1.一种涡轮机的燃烧器（1），所述燃烧器包括：

- 一个上游燃烧器区段（2），用于向燃烧器内部（6）的一个上游端提供第一燃料和含氧流体，其中所述燃烧器内部（6）是一个中空空间，在所述中空空间中能够发生燃料和所述含氧流体的混合；

- 一个下游燃烧器区段（4），用于向所述燃烧器内部（6）的一个下游端或者一个燃烧室提供第二燃料；以及

- 一个中间燃烧器区段（3），在所述上游燃烧器区段和所述下游燃烧器区段（4）之间，所述中间燃烧器区段（3）为混合器；

其中

所述中间燃烧器区段（3）包括一个环形壁（10），所述环形壁（10）包围所述燃烧器内部（6）的一个中间区段；

所述环形壁（10）包括：

- 一个环形冷却流体通道（11）；以及

- 一个环形燃料通道（12），用于将所述第二燃料引导到所述下游燃烧器区段（4），所述环形燃料通道（12）比所述环形冷却流体通道（11）更远离所述燃烧器内部（6）；

其中所述上游燃烧器区段（2）包括通过所述上游燃烧器区段（2）的一个本体（8）的至少一根集成的燃料管（30），所述燃料管（30）被配置为为所述环形燃料通道（12）供料。

2.根据权利要求1所述的燃烧器（1），其中所述涡轮机是燃气涡轮发动机。

3.根据权利要求1所述的燃烧器（1），其中所述环形壁为筒形壁。

4.根据权利要求1所述的燃烧器（1），其中所述环形冷却流体通道（11）用于引导所述含氧流体。

5.根据权利要求1所述的燃烧器（1），

其特征在于，

所述环形壁（10）还包括多个膜冷却孔（13），所述膜冷却孔（13）从所述燃烧器（1）的外部（7）穿透所述环形壁（10）到所述燃烧器内部（6）的所述中间区段，所述多个膜冷却孔（13）穿透所述环形冷却流体通道（11）并且穿透所述环形燃料通道（12），但是与所述环形冷却流体通道（11）和所述环形燃料通道（12）流体分隔。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃烧器（1），

其特征在于，

所述环形壁（10）还包括至少一个冷却流体入口孔（14），从所述燃烧器（1）的外部（7）为所述环形冷却流体通道（11）提供冷却流体，所述冷却流体入口孔（14）穿透所述环形燃料通道（12），但是与所述环形燃料通道（12）流体分隔。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的燃烧器（1），

其特征在于，

所述环形壁（10）还包括多个泄流孔（15），用于将冷却流体从所述环形冷却流体通道（11）喷射到所述燃烧器（1）的所述内部的中间区域。

8.根据权利要求7所述的燃烧器（1），其中所述泄流孔（15）围绕圆周并且沿着所述中间燃烧器区段（3）的轴向长度分布。

9.根据权利要求1至5和8中任一项所述的燃烧器（1），

其特征在于，

所述环形壁（10）还包括所述环形冷却流体通道（11）和/或所述环形燃料通道（12）内的多个间隔元件（20），其中所述间隔元件（20）被物理连接到一个表面（21）并且与相应环形冷却流体通道（11）的一个相对表面（22）仅为松接触。

10.根据权利要求1至5和8中任一项所述的燃烧器（1），

其特征在于，

所述环形壁（10）是一个一体成形部件，与所述上游燃烧器区段（2）和所述下游燃烧器区段（4）联接；或者

所述上游燃烧器区段（2）、所述中间燃烧器区段（3）和所述下游燃烧器区段（4）是一个一体成形部件。

11.根据权利要求1至5和8中任一项所述的燃烧器（1），

其特征在于，

所述环形冷却流体通道（11）和所述环形燃料通道（12）各自被限定为一个槽，所述槽沿着所述中间燃烧器区段（3）的整个轴向长度延伸。

12.根据权利要求1至5和8中任一项所述的燃烧器（1），

其特征在于，

所述上游燃烧器区段（2）包括多个旋流器叶片（9），其中所述多个旋流器叶片（9）中的每个旋流器叶片设置一个集成的燃料管（30），所述燃料管（30）被配置为为所述环形燃料通道（12）供料。

13.根据权利要求12所述的燃烧器（1），

其特征在于，

所述多个旋流器叶片（9）各自包括一个另外的集成的燃料供应管线（31），所述另外的燃料供应管线（31）被配置为用于为多个第一燃料喷嘴（32）供料，以将所述第一燃料喷射到燃烧器内部（6）的所述上游端。

14.根据权利要求13所述的燃烧器（1），其中所述多个第一燃料喷嘴（32）分布在所述旋流器叶片（9）的一个表面上。

15.根据权利要求1至5、8、13和14中任一项所述的燃烧器（1），

其特征在于，

- 所述上游燃烧器区段（2）设置用于蜗旋空气的一个旋流器（40）和用于将所述第一燃料注入到被蜗旋的空气中的多个第一燃料喷嘴（32），

- 所述中间燃烧器区段（3）设置一个预混区（41），用于混合所述空气和被注入的第一燃料，以及

- 所述下游燃烧器区段（4）设置一个燃烧器喷尖（42）和用于喷射所述第二燃料的多个第二燃料喷嘴（33）。

16.一种燃烧装置，

包括：

- 多个燃烧器（1），至少一个燃烧器（1）是根据前述权利要求中的一项被布置的；以及

- 至少一个燃烧室（50），所述燃烧室（50）被布置在所述燃烧器（1）的下游。

17.根据权利要求16所述的燃烧装置，其中所述至少一个燃烧室（50）包括一个环形燃烧室或者一个环管式燃烧室。

18.根据权利要求16或17所述的燃烧装置，

其特征在于，

一个燃烧器轴（5）被附接到所述上游燃烧器区段（2），并且包括至少一个供应通路（34、35），用于将所述第一燃料和/或所述第二燃料向所述燃烧器（1）提供。

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