CN111380075A - 用于燃气涡轮燃烧器的喷射头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮燃烧器的喷射头。具体地，一种用于燃气涡轮燃烧器的喷射单元包括围绕中心轴线（A）延伸的喷射头（15）和联接至喷射头（15）的喷射歧管（14）。喷射头（15）包括：围绕中心轴线（A）延伸并且包括初级燃料仓室（24）的燃料仓室组件（22）；从燃料仓室组件（22）径向地向外延伸并且分别提供有至少相应的燃料喷嘴（30）的多个喷射器指状物（19,20）；流体地联接至燃料仓室组件（22）的燃料入口（27,28）；以及至少部分地包封燃料仓室组件（22）并且限定冷却空气仓室（21）的冷却空气外壳。每个燃料喷嘴（30）均具有流体地联接至初级燃料仓室（24；224）的相应的初级燃料管线（31）和流体地联接至冷却空气仓室（21）的相应的防护空气管线（33）。

Description

用于燃气涡轮燃烧器的喷射头

相关申请的交叉引用

本专利申请要求在2018年12月25日提交的俄罗斯专利申请号2018146134的优先权，该俄罗斯专利申请的整个公开内容通过引用并入文中。

技术领域

本发明涉及用于燃气涡轮燃烧器的喷射头。

背景技术

众所周知，现代的燃气涡轮可采用许多不同的燃料操作，例如像天然气和柴油燃料的各种液体燃料和气态燃料。一般来讲，操作燃料的选择取决于价格、可用性和操作参数。

若干种燃烧器已设计成用以通过燃烧气态或液体燃料来产生热气体，该燃料穿过一个或多个燃料喷嘴递送到压缩空气中。一种证明为有效的燃烧器包括围绕中心轴线径向地布置的燃料喷嘴，以及燃料递送系统，该燃料递送系统包括带有相应的分配器环和递送管的套叠式燃料馈送管线（对于每种燃料使用至少一个管线，但可能使用两个或更多个）。递送管从分配器环径向地向内延伸并且具有连接至其的相应外端。燃料喷嘴可提供在内端处或在相应递送管的侧壁上。燃料（气体或者液体）从燃料馈送管线供给至分配器环，该分配器环作为环形仓室（plenum）用以平衡压力和在所有燃料喷嘴处产生均匀喷射状态。

然而，递送管的外端至分配器环的连接非常复杂和昂贵。事实上，递送管需要单独地连接以及补偿器要求在每个递送管的外端处阻尼振动和适应由热膨胀引起的应力。补偿器可例如呈施加在分配器环和递送管之间的波纹管的形式。无论如何，需要众多的附加构件用于连接并且必须考虑对应的焊接接缝，这就机械的观点而言可能很关键并且使得组装过程更为复杂。此外，对于围绕喷燃器延伸的分配器环所要求的空间不允许提供紧凑的结构并且大小可能是一个问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于燃气涡轮燃烧器的喷射头，其允许克服或至少减弱所述的限制。

根据本发明，提供有一种用于燃气涡轮燃烧器的喷射头，所述喷射头包括：

燃料仓室组件，其围绕中心轴线延伸并且包括初级燃料仓室；

多个喷射器指状物，其从燃料仓室组件径向地向外延伸并且分别提供有至少相应的燃料喷嘴；

燃料入口，其流体地联接至燃料仓室组件；

冷却空气外壳，其至少部分地包封燃料仓室组件并且限定冷却空气仓室；

其中，至少部分的燃料喷嘴具有流体地联接至初级燃料仓室的相应的初级燃料管线和流体地联接至冷却空气仓室的相应的防护空气管线。

燃料从中心至周边分配至指状物要求单个的连接点用以对燃料仓室组件馈送。因此，单个的补偿器系统将提供成用以减弱机械振动和热膨胀的不利影响。因此，为了制造过程和成本的益处，简化了总体结构。

根据本发明的一个方面，燃料仓室组件包括围绕中心轴线延伸并且至少部分地包封在初级燃料仓室内的次级燃料仓室，以及其中，部分的燃料喷嘴具有至少部分地包封在相应的初级燃料管线内并且流体地联接至次级燃料仓室的相应的次级燃料管线。

第一和第二的同心结构是紧凑的并且对中心馈送系统起作用。

根据本发明的一个方面，燃料入口包括流体地联接至初级燃料仓室的初级入口管线以及流体地联接至次级燃料仓室并且至少部分地包封在初级入口管线内的次级入口管线。

根据本发明的一个方面，喷射单元包括至少部分地包封初级入口管线和次级入口管线并且流体地联接至冷却空气仓室的空气入口管线。

初级和次级燃料管线以及可能的空气入口的嵌套有助于小尺寸的燃料仓室组件，其也有利于空气动力特性。

根据本发明的一个方面，初级入口管线和次级入口管线在燃料仓室组件和喷射歧管之间径向地延伸。

紧凑设计通过燃料入口管线的径向布置而得以促进。

根据本发明的一个方面，初级入口管线和次级入口管线与沿轴向方向在上游的喷射器指状物中的相应的一个喷射器指状物对齐。

根据本发明的一个方面，喷射器指状物呈流线型本体的形式，具有从燃料仓室组件径向地向外延伸的相应的前缘和后缘并且至少包括构造成用以联接至喷射歧管的入口喷射器指状物，其中，初级入口管线和次级入口管线至少部分地包封在入口喷射器指状物内。

由于径向布置，燃料入口管线可包封在喷射器指状物中的一者中，其因此也具有用于整个喷射头的燃料供给功能。空气动力效率通过包括在流线型指状物中而得以改善。

根据本发明的一个方面，喷射头包括：多个初级入口管线，其流体地联接至初级燃料仓室；以及多个次级入口管线，其流体地联接至次级燃料仓室被至少部分地包封在相应的初级入口管线内，其中，喷射器指状物包括多个入口喷射器指状物，以及其中，初级入口管线和次级入口管线至少部分地包封在相应的入口喷射器指状物内。

柔性设计提供成用以满足设计偏好，例如，用以进一步地提高燃料仓室组件中的均匀状态而无需显著地增加结构的复杂性。

根据本发明的一个方面，初级入口管线和次级入口管线轴向地馈送到入口仓室组件中。

根据本发明的一个方面，在每个燃料喷嘴中，相应的防护空气管线包封相应的初级燃料管线和相应的次级燃料管线。

因此，有效的防护空气提供成用以防止热空气吸入。

根据本发明的一个方面，次级燃料管线在递送端处渐缩，由此在递送端处在初级燃料管线和相应的次级燃料管线之间提供环形空间。

根据本发明的一个方面，初级燃料管线在递送端处具有贯通开口，由此在递送端处流体地联接防护空气管线和在初级燃料管线和相应的次级燃料管线之间的环形空间。

因此，附加的防护空气流提供成直接地围绕内部次级燃料管线，用于进一步保护。

根据本发明的一个方面，喷射头包括隔离件，其在递送端处在初级燃料管线和相应的防护空气管线之间径向地延伸并且构造成用以允许初级燃料管线相对于防护空气管线轴向地滑动。

喷嘴因此设计成用以适应初级和次级燃料管线的不同的热膨胀。

根据本发明的一个方面，喷射单元包括位于喷射歧管和喷射头之间的补偿器，该补偿器构造成用以允许喷射头和喷射歧管在轴向方向上和/或在径向方向上的相对运动。

根据本发明的一个方面，一种燃气涡轮燃烧器包括至少如上文所限定的喷射单元以及联接至喷射头的喷射歧管。

附图说明

现在将参照附图描述本发明，这些附图示出了本发明的一些非限制性实施例，其中：

图1为燃气涡轮组件的纵向截面图；

图2为图1的燃气涡轮组件的筒形（或罐式）燃烧器的简化的纵向截面图，包括根据本发明的实施例的喷射单元；

图3为图2的喷射单元的喷射头的纵向截面图；

图4为图3的喷射头的后视图；

图5a为图4的喷射头沿着图4的平面V-V截取的截面的细节的放大截面图；

图5b为根据本发明的不同实施例的喷射头的细节的放大截面图；

图6为图3的喷射头的喷嘴的后视图；

图7为图6的喷嘴沿着纵向轴向平面部分地截取的透视图；

图8为图6的喷嘴沿着图6的平面VIII-VIII截取的侧视图；

图9a和图9b为图6的喷嘴的相应构件的透视图；

图10为根据本发明的不同实施例的喷射单元的喷射头的后视图；以及

图11为根据本发明的另一实施例的喷射单元的喷射头沿着纵向轴向平面截取的侧视图。

具体实施方式

图1示出了整个地以标号1指定的燃气涡轮组件的简化视图。燃气涡轮组件1包括压缩机区段2、燃烧器组件3以及涡轮区段5。压缩机区段2和涡轮区段5沿着主轴线M延伸。燃烧器组件3可为单级燃烧器组件或者顺序燃烧器组件。在一个实施例中，燃烧器组件3包括围绕主轴线M周向地布置的多个顺序筒形燃烧器7。

燃气涡轮组件1的压缩机区段3提供压缩空气流，其在筒形燃烧器7中添加有燃料并燃烧。由压缩机区段2递送的空气流供给至燃烧器组件3和通向涡轮区段5用于冷却目的。

在燃烧器组件3中，筒形燃烧器7经由相应的过渡导管8联接至涡轮区段5。

筒形燃烧器7中之一的一部分在图2中例示。筒形燃烧器7沿着中心轴线A延伸并且包括外壳体10、限定用于压缩空气或热气体的流动路径12的衬套11，以及构造成用以递送受控量的燃料到流动路径中的空气或热气体中的喷射单元13。筒形燃烧器7可根据情况以不同种类的燃料运行。例如，筒形燃烧器7可使用气体燃料作为初级燃料而液体燃料作为次级燃料。

喷射单元13继而包括喷射歧管14和喷射头15，该喷射歧管联接至燃料馈送管线（在此未示出）用于接收初级燃料和次级燃料。喷射歧管14经由补偿器17联接至喷射头15，该补偿器构造成用以允许喷射歧管14和喷射头15在轴向方向上和/或在径向方向上的相对运动。补偿器17允许阻尼振动和适应热膨胀并且可呈波纹管和/或轴向滑动器的形式。

喷射头15（在图2和图3中所示）围绕筒形燃烧器7的中心轴线A布置并且包括具有多个喷射器指状物19、20的中心本体18，该多个喷射器指状物从中心本体18至流动路径12的周边径向地向外延伸。在一个实施例中，喷射器指状物19、20布置成横跨流动路径12的整个直径。在一个实施例中，喷射头15可为通过增材制造技术例如选择性激光熔化（SLM）所获得的整体本体。增材技术的主要优点在于它们是特别灵活的并且允许制作并入广泛的各种特征结构的复杂物体。因此，喷射头可构建为单个本体。这简化了喷射单元的组装而不会以任何方式限制功能性。然而，在另一实施例中，喷射头15可通过组装的部件来形成，该组装的部件例如通过沿着中心轴线A延伸的中心固定组件来连接。

冷却外壳21和燃料仓室组件22提供在中心本体18中并且二者都围绕中心轴线A延伸。

冷却外壳21由喷射头15的外机壳（casing）提供在上游侧并且限定至少部分地包封燃料仓室组件22的空气仓室。

燃料仓室组件22包括初级燃料仓室24和次级燃料仓室25，二者都具有围绕中心轴线A的大致环形形状。次级燃料仓室25，其在一个实施例中也可为圆柱形的，至少部分地包封在初级燃料仓室24内。

喷射器指状物19、20呈流线型本体的形式，具有从仓室组件22径向地向外延伸的相应的前缘19a、20a和后缘19b、20b。在图2和图3的实施例中，喷射器指状物19、20具有直的后缘19b、20b。然而，在其它实施例中，喷射器指状物19、20的后缘19b、20b根据设计偏好可为弯曲的，例如，叶形的。

喷射器指状物中的一者（在此由标号20指定，也参见图5a）具有特别设计并且也提供用于初级和次级燃料以及用于防护空气的入口的功能。具体地，入口喷射器指状物20包括流体地联接至初级燃料仓室24的初级入口管线27，以及流体地联接至次级燃料仓室25并且至少部分地包封在初级入口管线27内的次级入口管线28。此外，入口喷射器指状物20包括空气入口29，其至少部分地包封初级入口管线27和次级入口管线28并且流体地联接至冷却空气外壳21。因此，在所述的实施例中，初级入口管线27和次级入口管线28在燃料仓室和喷射歧管之间径向地延伸。以这种方式，为了均匀空气流的益处，初级入口管线27和次级入口管线28还与沿轴向方向在上游的喷射器指状物20对齐。然而，这不是强制性的，并且入口管线可不与任何喷射器指状物对齐。

在相应的后缘19b、20b处，喷射器指状物19、20提供有相应的一个或多个燃料喷嘴30（在所述的实例中，对于每个喷射器指状物19、20提供有两个）。每个燃料喷嘴30（其中的一个燃料喷嘴在图6至图9a、图9b中详细地示出）均具有流体地联接至初级燃料仓室24的相应的初级燃料管线31、流体地联接至次级燃料仓室25的相应的次级燃料管线32，以及流体地联接至冷却空气外壳21的相应的防护空气管线33。燃料喷嘴30定向成基本上平行于中心轴线A并且沿下游方向排放燃料。在一个实施例中，入口喷射器指状物20的燃料喷嘴或多个燃料喷嘴可直接地联接至初级入口管线27和/或次级入口管线28，如在图5b中所示。此外，在未例示的其它实施例中，燃料喷嘴30中的一些可仅是提供有初级燃料管线31。

初级燃料管线31、次级燃料管线32和防护空气管线33同轴地布置，其中，防护空气管线33包封初级燃料管线31以及初级燃料管线31继而包封次级燃料管线32。此外，初级燃料管线31、次级燃料管线32和防护空气管线33在喷嘴30外从燃料仓室组件22基本上径向地向外并且基本上平行于喷嘴30内的中心轴线A延伸。初级燃料管线31、次级燃料管线32和防护空气管线33的布置不需要是同轴的并且可存在相互的偏移以根据设计偏好补偿热膨胀。

次级燃料管线32在喷嘴30的递送端30a处渐缩，使得环形空间35提供在初级燃料管线31和相应的次级燃料管线32之间。在递送端30a处，初级燃料管线31具有流体地联接防护空气管线33和环形空间35的贯通开口37。环形空间35朝向外部敞开，使得流经开口37的防护空气向下游排放。因此，第一防护空气流F1围绕初级燃料管线31递送以及第二防护空气流F2在初级燃料管线31和次级燃料管线32之间递送（图8）。

径向隔离件38在喷嘴30的递送端30a处提供在初级燃料管线31和防护空气管线33之间。隔离件38与初级燃料管线31和防护空气管线33中的一者形成一体并且在二者之间轴向地相对滑动运动。

根据在图10中所例示的实施例，喷射单元基本上具有已描述的结构，除开喷射头115包括沿围绕中心轴线A的周向方向同等地隔开的多个入口喷射指状物120。在图10的实例中，提供了相对于彼此处于120°的三个喷射指状物120。入口喷射指状物120包括如已描述的相应的套叠的防护空气管线、初级入口管线和次级入口管线（这里为简明起见未示出）。在文中未例示的实施例中，入口喷射指状物120可沿周向方向不同等地隔开。

根据图11中所示的实施例，喷射单元213的喷射头215基本上具有图3的喷射头15的结构，除开初级燃料、次级燃料和冷却空气轴向地供给。在这种情况下，初级入口管线227和次级入口管线228直接地轴向地馈送到燃料仓室组件中，喷射歧管214在中心轴线处连接至喷射头215并且直接地馈送到初级燃料仓室224和次级燃料仓室225中。空气入口也轴向地布置并且部分地包封初级入口管线227和次级入口管线228。

在这种情况下，并不要求具有特别设计的入口喷射器指状物。

最后，显然的是在不脱离如在所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，所述喷射头可经受修正和改动。

Claims (15)

1.一种用于燃气涡轮燃烧器的喷射头，所述喷射头（15；115；215）包括：

燃料仓室组件（22），其围绕所述中心轴线（A）延伸并且包括初级燃料仓室（24；224）；

多个喷射器指状物（19,20；120），其从所述燃料仓室组件（22）径向地向外延伸并且分别提供有至少相应的燃料喷嘴（30）；

燃料入口（27,28），其流体地联接至所述燃料仓室组件（22）；

冷却空气外壳，其至少部分地包封所述燃料仓室组件（22）并且限定冷却空气仓室（21）；

其中，至少部分的所述燃料喷嘴（30）具有流体地联接至所述初级燃料仓室（24；224）的相应的初级燃料管线（31）和流体地联接至所述冷却空气仓室（21）的相应的防护空气管线（33）。

2.根据权利要求1所述的喷射头，其特征在于，所述燃料仓室组件（22）包括围绕所述中心轴线（A）延伸并且至少部分地包封在所述初级燃料仓室（24；224）内的次级燃料仓室（25；225），以及其中，部分的所述燃料喷嘴（30）具有至少部分地包封在所述相应的初级燃料管线（31）内并且流体地联接至所述次级燃料仓室（25；225）的相应的次级燃料管线（32）。

3.根据权利要求2所述的喷射头，其特征在于，所述燃料入口（27,28）包括流体地联接至所述初级燃料仓室（24；224）的初级入口管线（27），以及流体地联接至所述次级燃料仓室（25；225）并且至少部分地包封在所述初级入口管线（27）内的次级入口管线（28）。

4.根据权利要求3所述的喷射头，其特征在于，所述喷射头包括至少部分地包封所述初级入口管线（27）和所述次级入口管线（28）并且流体地联接至所述冷却空气仓室（21）的空气入口（29）。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的喷射头，其特征在于，所述初级入口管线（27）和所述次级入口管线（28）在所述燃料仓室组件（22）和所述喷射歧管（14；214）之间径向地延伸。

6.根据权利要求5所述的喷射头，其特征在于，所述初级入口管线（27）和所述次级入口管线（28）与沿轴向方向在上游的所述喷射器指状物（19,20；120）中的相应的一个喷射器指状物对齐。

7.根据权利要求6所述的喷射头，其特征在于，所述喷射器指状物（19,20；120）呈流线型本体的形式，具有从所述燃料仓室组件（22）径向地向外延伸的相应的前缘（19a，20a）和后缘（19b，29b），并且至少包括构造成用以联接至喷射歧管（14；214）的入口喷射器指状物（20），其中，所述初级入口管线（27）和所述次级入口管线（28）至少部分地包封在所述入口喷射器指状物（20）内。

8.根据权利要求7所述的喷射头，其特征在于，所述喷射头包括流体地联接至所述初级燃料仓室（24；224）的多个初级入口管线（27），以及流体地联接至所述次级燃料仓室（25；225）被至少部分地包封在相应的初级入口管线（27）内的多个次级入口管线（28），其中，所述喷射器指状物（19,20；120）包括多个入口喷射器指状物（19,20；120），以及其中，所述初级入口管线（27）和所述次级入口管线（28）至少部分地包封在相应的入口喷射器指状物（19,20；120）内。

9.根据权利要求3或权利要求4所述的喷射头，其特征在于，所述初级入口管线（27）和所述次级入口管线（28）轴向地馈送到所述燃料仓室组件（22）中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的喷射头，其特征在于，在每个燃料喷嘴（30）中所述相应的防护空气管线（33）包封相应的初级燃料管线（31）和次级燃料管线（32）。

11.根据权利要求13所述的喷射头，其特征在于，所述初级燃料管线（32）在递送端（30a）处渐缩，由此环形空间（35）在所述递送端（30a）处提供在所述初级燃料管线（31）和所述相应的次级燃料管线（32）之间。

12.根据权利要求11所述的喷射头，其特征在于，所述初级燃料管线（31）在所述递送端（30a）处具有贯通开口（37），由此在所述递送端（30a）处流体地联接所述防护空气管线（33）和位于所述初级燃料管线（31）和所述相应的次级燃料管线（32）之间的环形空间（35）。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的喷射头，其特征在于，所述喷射头包括隔离件（38），所述隔离件在所述递送端（30a）处在所述初级燃料管线（31）和所述相应的防护空气管线（33）之间径向地延伸并且构造成用以允许所述初级燃料管线（31）相对于所述防护空气管线（33）轴向地滑动。

14.根据前述权利要求中任一项所述的喷射头，其特征在于，所述喷射头包括位于所述喷射歧管（14；214）和所述喷射头（15；115；215）之间的补偿器（17），所述补偿器（17）构造成用以允许所述喷射头（15；115；215）和所述喷射歧管（14；214）在轴向方向上和/或在径向方向上的相对运动。

15.一种燃气涡轮燃烧器，包括至少根据前述权利要求中任一项所述的喷射头（15；115；215）以及联接至所述喷射头(15；115；215)的喷射歧管（14；214）。

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