CN113939688A - 用于流式发动机的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于在流式发动机中使用的燃烧器(2)，其中燃烧器(2)提供燃烧通道和燃烧器尖端(1、1’、1”)，其中燃烧器尖端(1、1’、1”)提供至少一个纵向冷却翅片(4’、4”)，并且其中至少一个纵向冷却翅片(4’、4”)提供螺旋地环绕燃烧通道的纵向方向。

Description

用于流式发动机的燃烧器

技术领域

本发明涉及一种用于流式发动机的优化燃烧器。此外，本发明涉及提供改进设计的燃烧器尖端。另外，本发明涉及制造这种燃烧器和/或燃烧器尖端的方法。此外，本发明涉及提供这种改进燃烧器的流式发动机。另外，本发明涉及这种改进燃烧器的使用。

背景技术

燃烧器是燃气轮机等流式发动机的基本部件。在此，它们在提供流体流方面起着至关重要的作用，使得流式发动机能够将化学能转换为转子的动能，而转子的动能本身又被转换为待分配的电能。尽管这种燃烧器在较长时间内一直是研究的重点，但它们仍有待于进一步改进其性能。基于极端条件，尤其是在燃烧器尖端，此类燃烧器容易因所述燃烧器的使用而受到损坏，并需要维修或更换。

基于经过高度开发以适应恶劣条件的所使用的材料，以及提供最大效率和尽可能低的排放的经过高度开发的设计，这种燃烧器为提供或维护该流式发动机提供了重要的成本因素。因此，改进设计、延长耐久性和增加可靠性是非常令人感兴趣的待实现目标。因此，不断需要对这种已经高度开发的部件进行进一步的改进。

这些问题通过下文和权利要求中所述的产品和方法得到解决。在从属权利要求和进一步描述中公开了进一步的有益实施例。这些好处可用于根据特定需求调整相应的解决方案，或解决进一步的问题。

发明内容

根据一个方面，本发明涉及适于用于流式发动机(优选燃气轮机)的燃烧器，其中燃烧器提供燃烧通道和燃烧器尖端，其中燃烧器尖端提供至少一个纵向冷却翅片，其中所述至少一个纵向冷却翅片提供螺旋地环绕燃烧通道的纵向方向。在此，应当理解，这种螺旋环绕不需要燃烧通道的完全环绕。基于燃烧器尖端通常非常短的长度，即使纵向冷却翅片的低角度螺旋定向通常也只会导致一小部分燃烧通道由单个冷却翅片环绕。本文中使用的术语“螺旋”是指同时围绕燃烧通道并位于燃烧通道流动方向上的方向。令人惊讶的是，人们注意到，这种冷却翅片显著提高燃烧器尖端的使用寿命。假设该位置处的气流流动的某些偏差会导致形成某种通道或漩涡累积，使热交换正常化。这似乎减少了长期使用燃烧器所产生的压力，提高了使用寿命和可靠性。

根据另一方面，本发明涉及本发明的燃烧器尖端，其中燃烧器尖端适于附接到另一部件以提供本发明的燃烧器。所述燃烧器尖端可单独制造，以替换现有燃烧器的损坏燃烧器尖端，或生产新燃烧器。在此，单独提供燃烧器尖端以容易地利用不同的制造方法，例如添加制造，优选3D打印，以简化方式提供本发明的冷却翅片。此后，可将燃烧器尖端附接到燃烧器的剩余部分，该剩余部分可使用常规方法制造。

根据另一方面，本发明涉及一种制造本发明燃烧器的方法，其中提供至少一个冷却翅片的燃烧器尖端在燃烧器顶部制造，或者单独制造以在下一步骤附接到燃烧器。例如，将燃烧器尖端直接应用于燃烧器的剩余部分通常可确保燃烧器尖端与燃烧器剩余部分的固定连接。然而，直接在燃烧器的剩余部分上构建燃烧器尖端是一项困难的任务。另一方面，单独制造燃烧器尖端允许批量制造燃烧器尖端，例如，在添加制造设备中，容易地将其储存和运输到需要的位置，并且例如，简单地将其附接到燃烧器的未损坏部分，以便根据需要在该位置进行维修。令人惊讶的是，在不大量增加后处理步骤和评估程序的情况下，仍然可以可靠地连接燃烧器尖端和燃烧器的剩余部分。

根据另一方面，本发明涉及含有至少一个本发明燃烧器的流式发动机，优选燃气轮机。值得注意的是，这种流式发动机在燃烧器方面提供了更高的可靠性，并允许延长计划维护之间的间隔。

根据另一方面，本发明涉及本发明燃烧器或本发明燃烧器尖端的使用，以提供流式发动机。在此，提供这种流式发动机包括制造新的流式发动机以及通过实施燃烧器来升级现有流式发动机，或者通过更换至少一个相同的使用过的燃烧器来维护现有流式发动机。通常，优选的是，在升级期间，流式发动机燃烧区域中的至少50％、更优选的至少70％、甚至更优选的所有燃烧器被本发明的燃烧器替换。使用本发明的燃烧器可以轻松地以较低的努力改善现有流式发动机的性能。

附图说明

为了简化对本发明的理解，下文将参考详细说明和附图及其说明。在此，附图将被理解为不限制预发发明的范围，而是公开进一步解释本发明的优选实施例。

图1示出包括适于用于包括燃烧器尖端的燃气轮机的燃烧器。

图2示出传统设计的燃烧器尖端的放大视图。

图3示出沿着燃烧通道的流动方向的横截面的放大剖视图，示出图2所示的传统设计的燃烧器尖端。

图4示出图2的横截面的进一步放大剖视图。

图5示出沿着本发明设计的燃烧器尖端的燃烧通道的流动方向的放大横截面。

图6示出图5的横截面的进一步放大剖视图。

具体实施方式

根据一个方面，本发明涉及如上所述的燃烧器。

至少一个冷却翅片的螺旋布置导致在沿着燃烧通道的流动方向的横截面中提供多个冷却翅片。应注意的是，优选的是在沿着燃烧通道流动方向的每个横截面上提供此类布置。根据进一步的实施例，优选的是燃烧器尖端在沿着燃烧通道流动方向的横截面上提供至少2个、更优选至少3个、甚至更优选至少4个冷却翅片。

在进一步的实施例中，优选的是，燃烧器的至少一个冷却翅片在燃烧器尖端内提供基本上彼此平行、更优选彼此平行的至少2个、更优选至少3个、更优选至少5个冷却翅片。此处使用的术语“基本上彼此平行”指的是一种定向，其中相应的冷却翅片基本上彼此保持相同的距离。优选地，距离偏差小于相应成对冷却翅片之间平均距离的10％、更优选小于7％、甚至更优选小于5％。

根据进一步的实施例，优选的是，燃烧器尖端在燃烧器尖端的内部提供至少一个冷却翅片。此处使用的短语“燃烧器尖端内部”指的是指向燃烧器燃烧通道的燃烧器尖端的内侧。除上述至少一个冷却翅片外，燃烧器尖端还可提供位于燃烧器尖端外侧的其他冷却翅片。在此，本文公开的关于至少一个冷却翅片的特征不必须适用于位于燃烧器尖端外侧的附加冷却翅片。将提供本发明设计或传统设计的内部冷却翅片和外部冷却翅片组合在一起，进一步提高可靠性。

在进一步的实施例中，优选的是，至少一个冷却翅片和燃烧器尖端的每个冷却翅片环绕燃烧通道至少10％、更优选至少25％、更优选至少35％。通常，优选的是，至少一个冷却翅片和燃烧器尖端的每个冷却翅片环绕燃烧通道至少50％、更优选至少60％、更优选至少75％。值得注意的是，在至少一个冷却翅片围绕燃烧通道的较大百分比延伸情况下会增加典型应用的发明效果。

根据进一步的实施例，优选的是，至少一个冷却翅片提供一种定向，其中该定向导致至少一个冷却翅片的平均运动在燃烧通道的每个环绕的下游至少为8mm、更优选地至少为10mm、甚至更优选地至少为11mm。本文使用的术语“下游”指的是穿过燃烧通道的流动方向。在此，必须理解，上述至少一个冷却翅片不必完全围绕燃烧通道延伸。在至少一个冷却翅片未环绕燃烧通道一圈的情况下，所述距离指的是在冷却翅片将被延长以环绕燃烧通道至少一圈的情况下产生的理论距离。

在进一步的实施例中，优选的是，至少一个冷却翅片提供一种定向，其中该定向导致至少一个冷却翅片的平均运动在燃烧通道的每个环绕的下游最多为35mm、更优选地最多为33mm、甚至更优选地最多为32mm。

根据进一步的实施例，优选的是，燃烧器适于在使用期间提供穿过燃烧通道的流动方向，其中至少一个冷却翅片在至少一个冷却翅片和垂直于流动方向的平面之间提供一角度，该角度至少为6°、更优选至少为7°、更优选至少为8°。注意到，对于某些实施例，至少一个冷却翅片的过小角度提供较小的有益效果。

在进一步的实施例中，优选的是，燃烧器适于在使用期间提供穿过燃烧通道的流动方向，其中至少一个冷却翅片在至少一个冷却翅片和垂直于流动方向的平面之间提供一角度，该角度最多为50°、更优选为最多为46°、更甚至更优选最多为42°。根据进一步的实施例，通常特别优选的是，所述角度最多为30°、更优选最多为23°、甚至更优选最多为19°。注意到，对于某些实施例，至少一个冷却翅片的过大角度提供较小的有益效果。

通常，优选的是，燃烧器含有合金，该合金与镍高温合金一样具有耐高温性。例如，燃烧器可以由CMC(陶瓷基复合材料)材料和耐高温合金的混合物组成。对于典型实施例，基于燃烧器的总重量，优选的是，燃烧器提供至少90wt.-％、更优选至少93wt.-％、甚至更优选至少95wt.-％的耐高温合金。对于某些实施例，尤其优选的是，燃烧器完全由耐高温合金(如镍高温合金)组成。

根据进一步的实施例，优选的是，至少一个冷却翅片在至少一个冷却翅片和垂直于下游方向的平面之间提供一角度，该角度选自从6°到46°、更优选从7°到30°、甚至更优选从8°到23°。

根据进一步的实施例，优选的是，使用添加制造、优选3D打印来制造燃烧器尖端。特别是添加制造所提供的高灵活性非常有利于实现本发明燃烧器。在此，3D打印对于典型实施例尤其有益，因为它允许以优化设计实现高度复杂的形状，而不需要付出太多的努力。利用3D打印工艺制造本发明的燃烧器非常简单，因为除了其他优点外，本发明设计还提供了一种简单的组装工艺。在此，冷却翅片的特定定向与待制造部件的典型布置相结合，不提供待打印的主要突出部分，从而简化了此类修改结构的设计。这允许避免通常所需的支撑结构的利用，显著减少实现本发明冷却翅片所需的努力。

在进一步的实施例中，优选的是，燃烧器尖端包括提供至少一个冷却翅片的热屏蔽件，其中热屏蔽件可拆卸地连接到燃烧器的其余部分或不可分离地连接到燃烧器的其余部分。提供这种热屏蔽件还可以防止燃烧器前面出现明显的温度变化，并且在维修或服务期间，通常简化了燃烧器特别受力部件的更换。

根据进一步的实施例，优选的是，至少一个冷却翅片提供至少0.4mm、更优选地至少0.6mm、甚至更优选地至少0.7mm的高度，该高度在沿着燃烧通道流动方向的横截面上测量。需要注意的是，提供冷却翅片的某个最小高度会对本发明实现的效果产生积极影响。

根据进一步的实施例，优选的是，至少一个冷却翅片提供最多5mm、更优选地最多4mm、甚至更优选地最多3mm的高度，该高度沿着燃烧通道的流动方向的横截面上测量。值得注意的是，提供冷却翅片的某个最大高度使其更容易提供一种可能的冷却翅片设计，以便对其效果进行审查，同时显著减少观察到的对气流流动的不利影响的变化。

在进一步的实施例中，优选的是，至少一个冷却翅片提供至少0.5mm、更优选至少0.8mm、甚至更优选0.9mm的广度，该广度在沿着燃烧通道流动方向的横截面上测量。令人惊讶的是，人们注意到，冷却翅片的这种广度增加典型应用中燃烧器尖端的可靠性。

在另一方面，本发明涉及如上所述的本发明燃烧器尖端。

根据进一步的实施例，优选的是，燃烧器尖端含有热屏蔽件或适于将热屏蔽件固定到燃烧器尖端。在燃烧器尖端适于将热屏蔽件固定到其上的情况下，对于典型实施例，优选的是，热屏蔽件含有至少一个冷却翅片。

在进一步的实施例中，优选的是，燃烧器尖端由耐高温合金(如镍高温合金)组成。

在进一步的实施例中，优选的是，燃烧器尖端适于紧固热屏蔽件，其中紧固机构允许将热屏蔽件可拆卸地连接到燃烧器尖端。提供这种紧固机构可显著减少维护期间更换热屏蔽件所需的工作量。

根据另一方面，本发明涉及如上所述的制造本发明燃烧器的方法。

在进一步的实施例中，优选的是，使用添加制造、优选3D打印来制造燃烧器尖端。在此，使用添加制造来制造的此类燃烧器尖端可直接打印在燃烧器的剩余部分上。燃烧器的剩余部分可以直接在一些AM(添加制造)设备中打印，如一些3D打印设备，或者可以使用常规方法制造并引入此类AM设备中。或者，燃烧器尖端可以单独制造，例如在AM设备内部(如更大数量的3D打印设备)从AM制造设备中取出，并使用例如激光焊接连接到燃烧器的剩余部分。本文使用的术语“传统制造方法”是指除使用基本上传统的方法(如铸造)的添加制造方法外的制造方法。例如，虽然可以使用诸如激光熔覆之类的添加制造方法涂覆涂层，但在这种情况下，必须使用此类传统方法制造相应部件的基本部件。优选，至少90wt.-％、更优选的至少93wt.-％、甚至更优选的至少99wt.-％使用诸如铸造或研磨之类的传统方法成形。

在此，添加制造方法可从本领域已知的优选3D打印方法的添加制造方法中选择。此类添加制造方法的示例包括选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、电子束熔化(EBM)和粘合剂喷射。当然，可以采用其他添加制造方法或上述方法的特定变体。

在此，使用基于激光的添加制造方法，更优选的3D打印通常提供特别有用的结果，因为此类方法已经得到良好的构建，并允许加工具有耐高温性的材料，如镍高温合金。

根据另一方面，本发明涉及如上所述的本发明的流式发动机。

根据另一方面，本发明涉及本发明燃烧器的使用，以提供流式发动机。

为了解释的目的，仅进一步详细描述本发明。然而，本发明不应被理解为仅限于这些实施例，因为它们表示提供用于解决特定问题或满足特定需求的益处的实施例。保护范围应理解为仅受所附权利要求的限制。

图1示出适于用于燃气轮机的燃烧器2，包括燃烧器尖端1。这里，燃料和空气在燃烧器2的中间混合之前从左侧进入燃烧器2。所述混合物在离开燃烧通道时被点燃，以提供加热的流体来驱动含有燃烧器2的流式发动机。

图中未显示至少一个冷却翅片，该冷却翅片是位于燃烧器尖端1内侧的多个纵向冷却翅片。在此，纵向冷却翅片提供螺旋地环绕燃烧通道的纵向方向。所述多个纵向冷却翅片提供一排纵向冷却翅片，所述纵向冷却翅片彼此相邻且基本上彼此平行。

图1所示的燃烧器2整体采用3D打印制造。在此，位于燃烧器尖端1内部的纵向冷却翅片已直接打印，以在燃烧器尖端1内部提供本发明的纵向方向。

图2示出传统设计的燃烧器尖端1’的放大视图。包括所述燃烧器尖端1的燃烧器适于用于在燃气轮机。与图1中所示的本发明燃烧器相反，燃烧器尖端1’不提供螺旋环绕容纳在燃烧器尖端1’中的纵向冷却翅片4’的燃烧通道的纵向方向。相反，纵向冷却通道仅环绕燃烧器的燃烧通道，导致冷却翅片4’位于垂直于燃烧通道流动方向的平面上。此外，纵向冷却翅片4’位于热屏蔽件3’的内侧，热屏蔽件3’可拆卸地连接以提供燃烧器的燃烧器尖端1’。

图2所示的比较示例中的热屏蔽件3’是使用传统方法(包括铸造和铣削)制造的。

图3示出沿着燃烧通道流动方向的横截面的放大剖视图，示出图2所示比较设计的燃烧器尖端1’。在此，沿着燃烧通道流动方向的剖视图清楚地示出冷却翅片4’在垂直于燃烧通道流动方向的平面内的布置。

图4示出图2横截面的进一步放大剖视图。在此，冷却翅片4’在燃烧器尖端1’的内侧清晰可见。

图5示出沿着本发明设计的燃烧器喷嘴1”的燃烧通道流动方向的放大截面。与图1所示的设计相比，适于用于流式发动机的燃烧器提供燃烧通道和燃烧器尖端1”。燃烧器尖端1”提供大量纵向冷却翅片4”，这些冷却翅片在燃烧器尖端1”的内部基本上彼此平行布置。在此，纵向冷却翅片4”提供螺旋地环绕燃烧通道的纵向方向。

提供纵向冷却翅片4”的燃烧器尖端1”包括含有所述纵向冷却翅片4”的热屏蔽件3”。与图2至图4所示的示例类似，热屏蔽件3”可拆卸地连接到燃烧器的其余部分。在此，热屏蔽件3”通过3D打印制造，其中冷却翅片4”与热屏蔽件3”的其余部分一起直接打印。

图6示出截面的进一步放大剖视图，示出如图5所示的本发明设计的燃烧器尖端1“。在此，冷却翅片4”在燃烧器尖端1”的内侧清晰可见。

Claims (15)

1.一种燃烧器(2)，适于在流式发动机、优选燃气轮机中使用，

其中燃烧器(2)提供燃烧通道和燃烧器尖端(1、1’、1”)，

其中，燃烧器尖端(1、1’、1”)提供至少一个纵向冷却翅片(4’、4”)，以及

其中，所述至少一个纵向冷却翅片(4’、4”)提供螺旋地环绕燃烧通道的纵向方向。

2.根据权利要求1所述的燃烧器(2)，其中，燃烧器(2)适于提供穿过所述燃烧通道的流动方向，

其中至少一个冷却翅片(4’、4”)在至少一个冷却翅片(4’、4”)和垂直于流动方向的平面之间提供一角度，所述角度最多为50°。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的燃烧器(2)，其中，燃烧器适于提供穿过燃烧通道的流动方向，其中至少一个冷却翅片(4’、4”)在至少一个冷却翅片(4’、4”)和垂直于流动方向的平面之间提供一角度，该角度至少为6°。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的燃烧器(2)，其中，至少一个冷却翅片(4’、4”)的每个冷却翅片(4’、4”)和燃烧器尖端(1、1’、1”)环绕燃烧通道至少10％。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的燃烧器(2)，其中，至少一个冷却翅片(4’、4”)提供至少0.4mm的高度，所述高度在沿着燃烧通道的流动方向的横截面中测量。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的燃烧器(2)，其中，至少一个冷却翅片(4’、4”)在燃烧器尖端(1、1’、1”)内提供大致平行于彼此的至少两个冷却翅片(4’、4”)。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的燃烧器(2)，其中，燃烧器尖端(1、1’、1”)提供位于燃烧器尖端(1、1’、1”)的内部上的至少一个冷却翅片(4’、4”)。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的燃烧器(2)，其中，使用添加制造来制造燃烧器尖端(1、1’、1”)。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的燃烧器(2)，其中，燃烧器尖端(1、1’、1”)包括提供至少一个冷却翅片(4’、4”)的热屏蔽件(3’、3”)，其中热屏蔽件(3’、3”)可拆卸地连接到燃烧器(2)的其他部分或不可分地连接到燃烧器(2)的其他部分。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的燃烧器(2)，其中，至少一个冷却翅片(4’、4”)提供至少0.5mm的广度，所述广度在沿着燃烧通道的流动方向的横截面中测量。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的燃烧器尖端(1、1’、1”)，其中燃烧器尖端(1、1’、1”)适于附接到另一部件，以便提供根据权利要求1-10中任一项所述的燃烧器(2)。

12.一种制造根据权利要求1-10中任一项所述的燃烧器(2)的方法，其中，提供至少一个冷却翅片(4’、4”)的燃烧器尖端(1、1’、1”)在燃烧器(2)的顶部上制造，或者独立制造以便在进一步步骤中附接到燃烧器(2)。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，使用添加制造来制造燃烧器尖端(1、1’、1”)。

14.一种含有根据权利要求1-10中任一项所述的燃烧器(2)的流式发动机。

15.一种根据权利要求1-10中任一项所述的燃烧器(2)的使用，以便提供根据权利要求14所述的流式发动机。

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