CN110088533B - 用于装入燃烧器中的具有空气通道系统和燃料通道系统的燃烧器尖部及其制造方法 - Google Patents

用于装入燃烧器中的具有空气通道系统和燃料通道系统的燃烧器尖部及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃烧器尖部(19)，所述燃烧器尖部适合使用在例如燃气轮机中的导引燃烧器中。本发明还涉及一种用于通过增材制造工艺、如选择性激光熔化制造燃烧器尖部(19)的方法。按照本发明规定，燃烧器尖部(19)的壁(25)的一部分多孔式地设有孔或者设计为空间栅格，其中，来自空气通道的空气可以被运输通过空间栅格中的间隙或者开放的孔。空气由此可以冷却燃烧器尖部(19)的材料，这实现了更低的热负荷。壁结构(25)可以在多个层(26、27、28)中构造具有不同的多孔性或者不同的栅格结构。

Description

用于装入燃烧器中的具有空气通道系统和燃料通道系统的燃 烧器尖部及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于装入燃烧器中的燃烧器尖部，其中，所述燃烧器尖部具有朝向燃烧器尖部的周围环境开放的空气通道系统和朝向燃烧器尖部的周围环境开放的燃料通道系统。因此，燃烧器尖部在其表面上具有开口，所述开口形成了空气通道系统和燃料通道系统与燃烧器尖部的周围环境的连接。在此，燃烧器尖部的周围环境例如通过燃烧室构成，在所述燃烧室中燃烧通过燃料通道系统输送的燃料。所述燃烧室例如可以布置在燃气轮机中。
本发明还涉及一种用于制造具有上述结构的燃烧器尖部的方法。
背景技术
本文开头所述构造方式的燃烧器尖部例如由专利文献EP 2196733A1已知。在所述专利文献中描述的燃烧器尖部例如可以使用在燃气轮机中，其中，燃烧器尖部形成燃烧器枪的处于下游的端部，所述燃烧器枪布置在用于助燃空气的主通道中。燃烧器尖部构造为双层壁式，其中，外壁形成隔热屏，其应使所形成的燃烧热量远离内壁。因此，在外壁与内壁之间布置有空腔、也就是环形腔，其为了冷却目的可以通过开口供空气流通。隔热屏在所述实施形式中必须设计用于承受由于在连接于之后的燃烧室中进行的燃烧产生的热负荷。因此，燃烧器尖部的外壁是对燃烧器尖部的使用寿命的限制性因素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，对本文开头所述类型的燃烧器尖部进行扩展设计，从而改进构件的使用寿命。本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种用于制造这种燃烧器尖部的方法。
该技术问题按本发明通过本文开头所述的燃烧器尖部由此解决，即作为空气通道系统的部分的空气通道在燃烧器尖部的中央延伸并且这个中央的空气通道由开放式多孔的和/或设计为空间栅格的壁结构包围，其中，处于壁结构中的孔(在开放式多孔的壁结构中)和/或栅格间隙(在设计为空间栅格的壁结构中)在空气通道与燃烧器尖部的周围环境之间形成连接。因此，所述连接是向燃烧器尖部的周围环境导引的空气通道系统的部分。这对于孔通过以下方式实现，即壁结构是开放式多孔的，也就是所述孔形成通道，所述通道在空气通道系统中有利于空气的运输。这也适用于栅格间隙，所述栅格间隙这样相互连接，从而形成了作为空气通道系统的部分的向外的空气路径。
通过壁结构的构造产生的优点是，用于将热量从燃烧器尖部的周围环境中热传递到在空气通道系统中流动的空气中的表面增大。这产生了对流冷却，因此引入的热量在通过壁结构传递到空气中之后又被排出。
另一有利的冷却效果通过以下方式实现，即壁结构通过孔或者栅格间隙在燃烧器尖部的表面上提供了大量的小开口，空气从所述小开口流出到燃烧器尖部的周围环境中。在该处形成空气罩，尽管空气已经在壁结构中一定程度地升温，但空气罩的温度还总是低于燃烧室中的燃烧温度。所形成的空气罩由此有利地形成绝热层并且减少了热量引入并且由此有利地附加减少了燃烧器尖部的热负荷。
按照壁结构的一种有利的设计方案，所述壁结构可以由具有不同的多孔性(在壁结构具有开放式多孔构造的情况下)和/或不同的栅格结构(在壁结构具有设计为空间栅格的构造的情况下)的多个层组成，其中，空气通道系统依次穿过所述层。尤其可以设置三个具有不同多孔性和/或不同栅格结构的层。层式结构有利地实现了，可以逐层地为壁结构配备期望的特性，其中，可以影响通过壁结构形成的层中的热传导性能、机械稳定性和流动阻力。在此适用的是，孔或者栅格间隙的可供使用的总横截面越大，流动阻力就越小。在大的孔或者栅格间隙中的流动阻力也小于在小的孔或者栅格间隙中的流动阻力。壁结构中的热传导主要通过材料的体积份额与孔的体积份额之比确定。材料的体积份额越大，热传导就越大。在开放式多孔设计的材料中的机械稳定性通常小于在空间栅格中的机械稳定性，所述空间栅格在选择其几何形状时可以针对机械负荷被优化。
有利的是，在相邻的层中的平均孔径沿空气的规定流动方向观察逐层减小。换而言之，空气首先流过具有较大平均孔径并且具有相对较小的流动阻力的层，空气在该处就吸收热量并且随即流过具有较小平均孔径的层，空气在该处由于较小的流动速度和较大的表面积可以吸收更多热量。大量的具有较小平均尺寸的孔在空气流出到燃烧器尖部的周围环境中时还使得可靠地形成封闭的空气罩，所述空气罩提供了附加的热学保护。
为了确保最佳的冷却效应和有效的空气罩的形成，与燃烧器尖部的周围环境邻接(或称为交界)的层中的孔的孔径可以在10至250μm之间，优选在30至170μm之间。在与中央的空气通道邻接的层中，孔的孔径可以在1至9mm之间，优选在2至6mm之间，并且更优选在2.5至4.5mm之间。取代多孔的层，也可以使用由空间栅格构成的层，其中，栅格间隙同样可以具有1至9mm之间，优选2至6mm之间并且特别优选2.5至4mm之间的尺寸。作为栅格的特征参数，也可以使用孔间距，其中，所述孔间距确定为栅格间隙的横截面的相应重心彼此的距离并且同样可以处于上述取值范围内。
如果在壁结构中设置三个层，则处于与中央的空气通道邻接的层和与燃烧器尖部的周围环境邻接的层之间的也称为中间层的中部的层的孔的孔径在150至1000μm之间，优选在200至800μm之间，并且特别优选在250至750μm之间。也可以设置多个中间层。
按照本发明的另一设计方案规定，在中央的空气通道中设置有空气导引结构。所述空气导引结构被空气迎流，由此能够以适当的方式使空气流定向。例如可行的是，所述空气导引结构配有指向壁结构的内部通道。以此方式能够在与空气通道邻接的一侧有利地提供均匀的空气流，从而为所有朝向空气通道开放的孔和/或栅格间隙提供空气。
此外有利的是，大量作为燃料通道系统的部分的燃料通道导引通过壁结构，其中，燃料通道与燃烧器尖部的表面中的燃料开口连接。所述燃料开口可以有利地均匀分布在燃烧器尖部的周向上，从而使燃料均匀地导入流动的空气中并且分布在其中。由于燃料随之更均匀的燃烧，燃烧器尖部的热负荷也更均匀，由此避免了非对称的热负荷峰值。
此外有利的是，所述燃料通道与包围中央的空气通道的环形通道连接，所述环形通道同样是燃料通道系统的部分。以此方式可以将燃料均匀地输入所有燃料通道中，由此也使在不同的燃料开口处释放的燃料量是均匀的。优点在于均匀的燃料燃烧和燃烧器尖部的均匀的热负荷。
所述技术问题按照本发明还通过本文开头所述的方法由此解决，即为了所述制造而使用增材制造工艺，其中，设计为开放式多孔的和/或设计为空间栅格的壁结构与燃烧器尖部一件式制造。增材制造工艺有利地以特别的方式也适用于制造精细的栅格结构，因此孔径可以最佳地与设计的规定适配。尤其能够产生具有之前已经提到的尺寸的精细的栅格结构。在所制造的结构中也可以产生不同的多孔性，因此壁结构在增材制造工艺期间也可以由多个层构成。在此，壁结构一件式形成。壁结构也可以有利地与燃烧器尖部的其余部分一件式地增材制造。
所述层中的不同多孔性可以有利地通过改变向基于粉末床的增材制造工艺的粉末床中的能量引入产生。另一可能性在于使用不同的粉末。所述粉末可以在产生粉末床时分辨位置地或者依次地被计量添加并且接着熔化。通过改变能量引入，例如可以在粉末颗粒的完全熔化(选择性激光熔化)和粉末颗粒的烧结(选择性激光烧结)之间通过其表面的熔结(Anschmelzen)进行改变，其中，在烧结工艺中在颗粒之间形成开放式多孔的通道系统。
另一可能性在于，通过增大光照线的线距离减少能量引入。所述线距离可以选择得大到使得在粉末床中有一部分颗粒未熔化，由此在这些区域中在结构中形成孔。在此，制造这种孔结构向制造栅格结构的过渡是连续的，因为栅格结构也通过以下方式产生，即粉末床的材料只在待产生栅格支柱的区域中熔化。
按照本申请，增材制造工艺理解为这样的方法，其中将制造构件所用的材料在形成期间添加到构件中。在此，构件已经形成其最终的形状或者至少接近所述形状。构造材料优选是粉末状的，其中，通过增材制造工艺通过引入能量将用于制造构件的材料在物理上固化。
为了能够制造构件，针对所选择的增材制造工艺来准备描述所述构件的数据(CAD模型)。所述数据为了生成用于制造设备的指令而被转化为与制造方法适配的构件数据，由此可以在制造设备中运行用于逐渐地制造所述构件的适当工艺步骤。为此这样准备数据，即提供针对构件的需要分别制造的层(片，Slices)的几何数据，这也称为切片(Slicen)。
增材制造的例子例如可以是选择性激光烧结(也称为SLS，Selective LaserSintering)，选择性激光熔化(也称为SLM，Selective Laser Melting)、电子束熔化(也称为EBM，Electrone Beam Melting)、激光粉末堆焊(也称为激光金属沉积，LMD，Laser MetalDeposition)或者冷气体喷涂(也称为气体动力冷喷涂，GDCS，Gas Dynamic Cold Spray)。这些方法尤其适用于加工形式为粉末的金属材料，通过所述粉末可以制造结构构件。
在SLM、SLS和EBM中，构件分层地在粉末床中制造。因此，这些方法也称为基于粉末床的增材制造工艺。在粉末床中分别产生粉末层，其接着通过能量源(激光或者电子束)在应产生构件的区域中局部地被熔化或者烧结。由此逐渐地分层地产生构件并且可以在制造完成之后从粉末床中移出构件。
在LMD和GDCS中，粉末颗粒被直接进料到应该进行材料涂覆的表面。在LMD中，粉末颗粒直接在表面上的撞击部位中被激光熔化并且在此形成待产生的构件的层。在GDCS中，粉末颗粒被强烈加速，因此粉末颗粒主要由于其动能而在同时变形的情况下保持附着在构件的表面上。
GDCS和SLS共同具有的特征是，粉末颗粒在这些方法中不完全地熔化。这也能够在保持颗粒之间的间隙时制造多孔的结构。在GDCS中，最多在粉末颗粒的边缘区域中进行熔化，所述粉末颗粒由于强烈的变形可以在其表面上熔结。在SLS中，在选择烧结温度时需要注意的是，所述烧结温度处于粉末颗粒的熔点以下。与之相对地，在SLM、EBM和LMD中，有意识地使能量引入的量高到使得粉末颗粒完全熔化。
附图说明
以下根据附图描述本发明的其它细节。相同的或者相应的附图元素只在各个附图之间的区别之处进行多次阐述。在附图中：
图1以剖面示出燃烧器的示意性结构，在所述燃烧器中构造有按照本发明的燃烧器尖部的实施例；
图2以剖面示出按照本发明的燃烧器的一个实施例；
图3作为局部图示出按照本发明的方法的一个实施例，在所述方法中制造按照图2的燃烧器；
图4以剖面示出按照本发明的燃烧器尖部的另一实施例并且
图5示出按照图4的细节V。
具体实施方式
在图1中示出燃烧器11，其具有外壳12，在所述外壳中设计有用于空气的主通道13。所述外壳围绕对称轴线14对称地构造并且在主通道13的中央具有燃烧器枪15。所述燃烧器枪15通过板条16固定在主通道13中。此外，导向叶片17在燃烧器枪15与外壳12之间延伸，所述导向叶片使得空气围绕对称轴线14产生旋转，如从所示的空气箭头18可以看出的那样。
燃烧器枪15在下游的端部上具有燃烧器尖部19，其中，所述燃烧器尖部通过中央的空气通道20被供应空气21并且通过围绕空气通道20布置的环形通道22被供应燃料23。燃料23可以是气态的或者液态的。空气21和燃料23通过未进一步示出的开口在燃烧器尖部中被排出并且由此混合到来自主通道13的空气流中。在此，空气21使燃烧器尖部19冷却(对此还将在以下详细阐述)。燃烧器11按照导引燃烧器(Pilotbrenner)的工作原理工作。所述燃烧器例如可以装入燃气轮机的未进一步示出的燃烧室中，其中，燃烧室在这种情况下形成燃烧器尖部的周围环境30。在空气通道21中还可以布置用于注射其它燃料的燃料枪(未显示)，通过所述燃料枪将空气挤向出口以进入锥形的外表面。
按照图2以剖面示出燃烧器尖部19，所述燃烧器尖部可以按照图1装入燃烧器11中。可以看出中央的空气通道20，其通入中央的排出口24中。在所述排出口中可以布置已经提到的附加的燃料枪(未显示)。此外可以看出用于燃料的环形通道22。
燃烧器尖部由壁结构25形成，所述壁结构由与燃烧器尖部19的周围环境邻接的层26、也可以称为中部层的中间层27和朝向中央的空气通道20的层28组成。所述层中的每一层26、27、28具有不同的结构，其中，在层26和层27中设有孔31(参见图3)，并且在层28中设有栅格间隙32，所述栅格间隙处于栅格支柱33(参见图3)之间。
由于孔31和栅格间隙32，壁结构25对于空气是可透过的并且因此形成空气通道系统的部分。导引通过中央的空气通道22的空气部分地通过排出口24并且部分地经由壁结构25离开燃烧器尖部19。在中央的空气通道20中，设置有导向叶片形式的空气导引结构34，所述空气导引结构有利于将空气均匀地分配到壁结构的表面上。空气导引结构34中的内部通道35也有利于此，所述内部通道将空气引入壁结构25的处于径向外部的边缘区域中。
朝向中央的空气通道20的层28由三维栅格组成。所述栅格有利地只具有较小的空气流动阻力，然而赋予了壁结构25相对较高的机械稳定性。在中间层27中具有较大的孔。所述孔也对空气形成相对较小的流动阻力，但适用于将空气精细地分配到壁结构的整个横截面上，也就是对于空气通道结构可使用的横截面上。朝向周围环境30的层26具有比中间层更小的孔。这导致在层26的内部中的表面强烈增大，因此在该区域中流通的空气吸收来自周围环境30的热量并且可以在离开燃烧器尖部19之后从燃烧器尖部排出。层26相比其它的层设计具有较小的厚度，以使通过层26产生的流动阻力不会过大。
环形通道22在外周上通入多个燃料通道36中，所述燃料通道通过燃料开口与周围环境30连通。由此将燃料在燃烧器尖部19的外周上均匀分配地导入周围环境30中，以避免在燃烧器尖部的特定位置上的热负荷峰值。因为在外周上布置有奇数个燃料通道36，所以形成了只在燃烧器尖部19的一侧上的剖视图。相同地适用于空气导引结构34。
在图3中示出如何能够通过选择性激光熔化借助激光束38在粉末床39中制造按照图2的燃烧器尖部19。可以看出壁结构25的局部，所述壁结构由之后朝向周围环境30的层26、中间层27和之后朝向空气通道20的层28组成。可以看出层26中的孔31比中间层27中的孔更精细。这例如可以通过修改激光熔化的方法参数实现。层28中的空间栅格在图3中详细地显示。形成了立方体形的栅格单元，其中，孔间距l由栅格间隙的横截面的重心S的距离、也就是相关的正方形横截面的对角线交点得到。
在图4中示出燃烧器尖部的另一实施例。壁结构25在此具有拱顶式的形状，其中，取消了中央的排出口24。空气完全穿过由多孔的壁结构形成的空气通道结构，其中，壁结构又设计为三层26、27、28。燃料通道36通入燃料开口37中，其中，所述燃料开口在径向外部布置在燃烧器尖部19上。
在图5中按照比例尺示出壁结构25的构造作为细节X。在图5中画出了针对1mm的长度的比例尺。三个层中的每一层大约为1mm厚。朝向周围环境30的层26和中间层(中部的层)27具有孔31，而朝向空气通道20的层28设计为栅格结构，其具有栅格杆33和栅格间隙32。
空气首先穿过层28，其中，栅格结构有利于流动地设计。空气通过栅格间隙32进入中间层27的粗大的孔31中，空气在该处以相对较小的压力损失分配到层26的孔31中。空气从该处以未详细示出的方式进入周围环境30。
层28中的栅格结构在几何上这样设计，使得所述栅格结构能够通过适当的曝光策略例如借助激光熔化制造。在此，层26和27中的孔31可以通过定义的曝光策略得到。在此，如果粉末颗粒之间的间隙没有形成足够的多孔性，则也可以使用这样的曝光策略，其中粉末床39的表面只被部分地曝光，从而使个别的粉末颗粒保持未被曝光并且可以在之后从构件中移除。中间层27示出孔的形成，所述孔通过统计学分布的、对粉末床的不完全的曝光形成，其中，孔的走向或者相应粉末层(它们相应于曝光步骤并且比所述三个层26、27、28明显更薄)的被曝光区域是随机的。在层26中，不完全的曝光状况遵循特定的样式，所述样式例如是曝光时的线距离，所述线距离的尺寸有意识地选择为，使得在轨迹之间保留了未被曝光的并且没有熔化或者熔结的颗粒。在这些区域中形成孔31，其中，层26的结构类似于织物。这例如通过以下方式实现，即在制造时以规则的间隔将平行的轨迹扭转90°。根据期望的孔径，在一定数量的粉末层之后进行这种转换。

Claims (17)

1.一种用于装入燃烧器(11)中的燃烧器尖部，其中，所述燃烧器尖部具有朝向燃烧器尖部的周围环境开放的空气通道系统和朝向燃烧器尖部的周围环境开放的燃料通道系统，
其特征在于，作为空气通道系统的部分的空气通道(20)在燃烧器尖部的中央延伸并且这个中央的空气通道由开放式多孔的和/或设计为空间栅格的壁结构(25)包围，其中，处于壁结构(25)中的孔(31)和/或栅格间隙(32)作为空气通道系统的部分在空气通道(20)与燃烧器尖部的周围环境之间形成连接，所述壁结构(25)由具有不同的多孔性和/或不同的栅格结构的多个层(26、27、28)组成，其中，空气通道系统依次穿过所述层(26、27、28)。
2.按权利要求1所述的燃烧器尖部，其特征在于，设置有具有不同的多孔性和/或不同的格栅结构的三个层(26、27、28)。
3.按权利要求2所述的燃烧器尖部，其特征在于，在相邻的层中的平均孔径沿空气的规定流动方向观察逐层减小。
4.按权利要求1所述的燃烧器尖部，其特征在于，与燃烧器尖部的周围环境邻接的层(26)中的孔(31)的孔径在10μm至250μm之间。
5.按权利要求1所述的燃烧器尖部，其特征在于，在与中央的空气通道邻接的层(28)中，孔(31)的孔径或者空间栅格中的栅格间隙(32)的尺寸在1mm至9mm之间。
6.按权利要求4所述的燃烧器尖部，其特征在于，在与中央的空气通道邻接的层(28)中，孔(31)的孔径或者空间栅格中的栅格间隙(32)的尺寸在1mm至9mm之间。
7.按权利要求6所述的燃烧器尖部，其特征在于，一个或多个中间层(27)处于与中央的空气通道邻接的层(28)和与燃烧器尖部的周围环境邻接的层(26)之间，在一个中间层或者多个中间层中的孔(31)的孔径在150μm至1000μm之间。
8.按前述权利要求1所述的燃烧器尖部，其特征在于，在中央的空气通道(20)中设置有空气导引结构(34)。
9.按权利要求8所述的燃烧器尖部，其特征在于，所述空气导引结构(34)配有指向壁结构(25)的内部通道(35)。
10.按权利要求1所述的燃烧器尖部，其特征在于，所述中央的空气通道(20)在燃烧器尖部中朝中央的排出口(24)导引。
11.按权利要求1所述的燃烧器尖部，其特征在于，所述壁结构(25)具有锥形的或者拱顶状的形状。
12.按权利要求1所述的燃烧器尖部，其特征在于，作为燃料通道系统的部分的多个燃料通道(36)导引通过壁结构(25)，并且燃料通道(36)朝向燃烧器尖部的周围环境开放。
13.按权利要求12所述的燃烧器尖部，其特征在于，所述燃料通道(36)与包围中央的空气通道(20)的环形通道(22)连接，所述环形通道是燃料通道系统的部分。
14.一种用于制造按前述权利要求之一所述的燃烧器尖部的方法，其特征在于，为了所述制造而使用增材制造工艺，其中，设计为开放式多孔的和/或设计为空间栅格的壁结构(25)与燃烧器尖部一件式制造。
15.按权利要求14所述的方法，其特征在于，所述壁结构(25)由具有不同多孔性和/或不同栅格结构的多个层(26、27、28)制造，空气通道系统依次地穿过所述层。
16.按权利要求14所述的方法，其特征在于，所述燃烧器尖部在粉末床(39)中制造并且具有不同多孔性的层的多孔性通过改变向粉末床(39)中的能量引入和/或通过使用不同的粉末形成。
17.一种具有燃烧器枪(15)的燃烧器，其特征在于，在所述燃烧器枪(15)的端部设置有按权利要求1至13之一所述的燃烧器尖部(19)。
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