CN114483321A - 具有一体化头端的集成燃烧喷嘴 - Google Patents

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乔纳森·德怀特·贝里
迈克尔·约翰·休斯
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Abstract

本发明提供了集成燃烧喷嘴(100)和涡轮机(10)。集成燃烧喷嘴(100)包括联接到燃烧衬套(110)的一体化头端(200)。一体化头端(200)包括设置在燃烧衬套(110)的前端部分处的第一燃料喷嘴(202)和第二燃料喷嘴(204)。燃料充气室(248)被限定在第一燃料喷嘴(202)和第二燃料喷嘴(204)之间。燃料充气室(206)从第一燃料喷嘴(202)延伸并进入燃烧衬套(110)的第一壁的开口(170，172)中，使得燃料充气室(206)与第一壁形成连续表面。一体化头端(200)还包括第二衬套部分(208)，该第二衬套部分从第二燃料喷嘴(204)延伸并进入燃烧衬套(110)的第二壁的开口(170，172)中，使得第二衬套部分(208)与第二壁形成连续表面。

Description

具有一体化头端的集成燃烧喷嘴
技术领域
本公开整体涉及用于气体涡轮引擎的集成燃烧喷嘴。更具体地，本公开涉及具有一体化两级燃烧系统的紧凑集成燃烧喷嘴。
背景技术
涡轮机用于各种工业和应用中以用于能量传递目的。例如，气体涡轮引擎通常包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。压缩机区段逐渐增加进入气体涡轮引擎的工作流体的压力，并且将该压缩的工作流体供应到燃烧区段。经压缩的工作流体和燃料(例如，天然气)在燃烧区段内混合并在燃烧室中燃烧以生成高压和高温燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段流入涡轮区段，在该涡轮区段中燃烧气体膨胀以做功。例如，涡轮区段中燃烧气体的膨胀可使连接到例如发电机的转子轴旋转以产生电力。然后燃烧气体经由排气区段离开气体涡轮。
涡轮机燃烧系统通常燃烧烃燃料并产生空气污染排放物，诸如氮的氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。涡轮机中分子氮的氧化取决于位于燃烧器中的气体的温度，以及位于燃烧器内最高温度区域中的反应物的停留时间。因此，可通过将燃烧器温度保持在产生NOx的温度以下或通过限制反应物在燃烧器中的停留时间来减少或控制由涡轮机产生的NOx的量。
一种用于控制燃烧器的温度的方法涉及预混合燃料和空气以在燃烧之前产生燃料-空气混合物。该方法可包括燃料喷射器的轴向分级，其中第一燃料-空气混合物被喷射并在燃烧器的第一或主燃烧区处点燃以产生高能燃烧气体的主要流，并且其中第二燃料-空气混合物经由定位在主燃烧区下游的多个径向取向且周向间隔开的燃料喷射器或轴向分级的燃料喷射器组件喷射到高能燃烧气体的主流中并与其混合。将第二燃料-空气混合物喷射到次燃烧区中有时被称为“横流射流”布置。
轴向分级喷射增加了可用燃料完全燃烧的可能性，这继而减少了空气污染排放物。然而，对于常规的轴向分级燃料喷射燃烧系统，存在多个部件，这些部件具有组装困难且耗时的复杂几何形状。因此，由于组装需要空间，缩放轴向分级燃烧器(例如，从大燃烧器到小燃烧器)可能是困难的。因此，包括轴向分级燃料喷射并且能够被完全缩放的改进的气体涡轮燃烧系统将可用于工业中。
发明内容
根据本公开的集成燃烧管嘴和涡轮机的各方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本技术的实践来学习。
根据一个实施方案，提供了一种集成燃烧喷嘴。该集成燃烧喷嘴包括在内衬套部段和外衬套部段之间沿径向方向延伸的燃烧衬套。所述燃烧衬套包括与后端部分轴向分开的前端部分。燃烧衬套还包括第一侧壁和第二侧壁。该燃烧衬套的该后端部分限定涡轮喷嘴。第一侧壁和第二侧壁各自限定轴向和径向延伸的开口。所述集成燃烧喷嘴还包括联接到所述燃烧衬套的一体化头端。一体化头端与燃料供应源流体连通。一体化头端包括设置在燃烧衬套的前端部分处的第一燃料喷嘴和第二燃料喷嘴。燃料充气室被限定在该第一燃料喷嘴和该第二燃料喷嘴之间。第一衬套部分从第一燃料喷嘴延伸并进入第一壁的开口中，使得第一衬套部分与燃烧衬套的第一壁形成连续表面。一体化头端还包括第二衬套部分，该第二衬套部分从第二燃料喷嘴延伸并进入第二壁的开口中，使得第二衬套部分与燃烧衬套的第二壁形成连续表面。
根据另一个实施方案，提供了一种涡轮机。涡轮机包括压缩机区段和设置在压缩机区段下游的压缩机排放壳体。涡轮区段设置在所述压缩机排放壳体下游。涡轮机还包括设置在压缩机排放壳体内的环形燃烧系统。环形燃烧系统包括围绕涡轮机的轴向中心线以环形阵列设置的多个集成燃烧喷嘴。每个集成燃烧喷嘴包括在内衬套部段和外衬套部段之间沿径向方向延伸的燃烧衬套。所述燃烧衬套包括与后端部分轴向分开的前端部分。燃烧衬套还包括第一侧壁和第二侧壁。该燃烧衬套的该后端部分限定涡轮喷嘴。第一侧壁和第二侧壁各自限定轴向和径向延伸的开口。所述集成燃烧喷嘴还包括联接到所述燃烧衬套的一体化头端。一体化头端与燃料供应源流体连通。一体化头端包括设置在燃烧衬套的前端部分处的第一燃料喷嘴和第二燃料喷嘴。燃料充气室被限定在该第一燃料喷嘴和该第二燃料喷嘴之间。第一衬套部分从第一燃料喷嘴延伸并进入第一壁的开口中，使得第一衬套部分与燃烧衬套的第一壁形成连续表面。一体化头端还包括第二衬套部分，该第二衬套部分从第二燃料喷嘴延伸并进入第二壁的开口中，使得第二衬套部分与燃烧衬套的第二壁形成连续表面。
参照以下描述和所附权利要求书，本发明的集成燃烧喷嘴和涡轮机的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合到本说明书中并构成其一部分的附图示出了本技术的实施方案，并与描述一起用于解释本技术的原理。
附图说明
本说明书中参考附图阐述了涉及本领域的普通技术人员的本发明的集成燃烧喷嘴和涡轮机的完整且能够实现的公开内容，包括制造和使用本发明的系统和方法的最佳模式，其中：
图1是根据本公开的实施方案的涡轮机的示意图；
图2是根据本公开的实施方案的涡轮机的示例性燃烧区段的上游视图；
图3是根据本公开的实施方案的涡轮机的燃烧区段的一部分的上游横剖面视图；
图4是根据本公开的实施方案的涡轮机的燃烧区段的一部分的横剖面透视图；
图5是根据本公开的实施方案的压缩机排放壳体的一部分的透视图；
图6是根据本公开的实施方案的从第一侧观察的集成燃烧喷嘴的透视图；
图7是根据本公开的实施方案的从第二侧观察的集成燃烧喷嘴的透视图；
图8是根据本公开的实施方案的集成燃烧喷嘴的透视图，该集成燃烧喷嘴被示出为具有分解开的一体化头端；
图9是根据本公开的实施方案的沿气体涡轮的周向方向C截取的集成燃烧喷嘴的横截面视图；并且
图10是根据本公开的实施方案的集成燃烧喷嘴的横剖面透视图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的集成燃烧喷嘴和涡轮机的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例是通过解释本发明技术的方式提供的，而不是对本技术的限制。事实上，对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离受权利要求书保护的本发明技术的范围或实质的情况下，可以在本发明技术中进行修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施方案，以产生又一个实施方案。因此，本公开旨在涵盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这些修改和变化。
具体实施方式使用数字和字母名称指代附图中的特征结构。附图和说明书中的相似或类似的名称已经用于指代本发明的相似或类似的部件。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
如本文所用，术语“上游”(或“向上”)和“下游”(或“向下”)是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，并且“下游”是指流体向其流动的方向。术语“径向”是指基本垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，术语“轴向地”是指与特定部件的轴向中心线基本平行和/或同轴对准的相对方向，并且术语“周向地”是指围绕特定部件的轴向中心线延伸的相对方向。表示近似的术语，诸如“大致”、“基本上”或“大约”包括比规定值大或小百分之十以内的值。当在角度或方向的上下文中使用时，此类术语包括在大于或小于所述角度或方向的十度内。例如，“大体竖直”包括沿任何方向(例如，顺时针或逆时针)在竖直的十度内的方向。
现在参考附图，图1示出了涡轮机的一个实施方案的示意图，该涡轮机在所示实施方案中是气体涡轮10。尽管本文示出并描述了工业或陆基气体涡轮，但除非在权利要求书中另外指明，否则本公开不限于陆基和/或工业气体涡轮。例如，如本文所述的本发明可用于任何类型的涡轮机，包括但不限于蒸汽涡轮、飞行器气体涡轮或船用气体涡轮。
如图所示，气体涡轮10一般包括入口区段12、设置在入口区段12的下游的压缩机14、设置在压缩机14的下游的燃烧区段16、设置在燃烧区段16的下游的涡轮18以及设置在涡轮18的下游的排气区段20。此外，气体涡轮10可包括一个或多个轴22，该一个或多个轴将压缩机14联接到涡轮18。
在操作期间，空气24流过入口区段12并进入压缩机14中，在该处空气24逐渐被压缩，从而将压缩空气26提供给燃烧区段16。压缩空气26的至少一部分与燃料28在燃烧区段16内混合，并且被燃烧以产生燃烧气体30。燃烧气体30从燃烧区段16流入涡轮18中，其中能量(动能和/或热能)从燃烧气体30传递到转子叶片(未示出)，从而使轴22旋转。然后，机械旋转能量可用于各种目的，诸如为压缩机14供电和/或发电。然后，离开涡轮18的燃烧气体30可以经由排气区段20从气体涡轮10排出。
图1中还示出了与轴向中心线38(图2)重合的轴22。轴向中心线38限定基本上平行于轴向方向A和/或沿轴向方向A的轴向方向、垂直于轴向方向A的径向方向R、以及围绕轴向方向A延伸的周向方向C。
图2提供了根据本公开的各个实施方案的燃烧区段16的上游视图。如图2所示，燃烧区段16可至少部分地被外部或压缩机排放壳体32包围。压缩机排放壳体32可至少部分地限定高压室34，该高压室至少部分地包围燃烧器16的各种部件。高压室34可以与压缩机14(图1)流体连通，以从该压缩机接收压缩空气26。在各种实施方案中，如图2中所示，燃烧部段16包括分段环形燃烧系统36，该分段环形燃烧系统包括围绕气体涡轮10的轴向中心线38周向布置的多个集成燃烧喷嘴100，该轴向中心线可与气体涡轮轴22重合。
图3示出了根据本公开的实施方案的当从沿气体涡轮10的轴向方向A观察时的燃烧器区段16的一部分的横剖面视图。如图3中所示，每个集成燃烧喷嘴100(其中的三个在图3中示出)可联接在一起以形成局部燃烧区101，该局部燃烧区彼此隔离并且设置在涡轮机区段18(例如，主燃烧区102和次燃烧区104(图6和图7))上游。尽管图3示出了三个集成燃烧喷嘴100，但是燃烧区段16可包括足够的集成燃烧喷嘴100以周向包围气体涡轮10的轴向中心线38(图2)。
在示例性实施方案中，如图3中所示，一体化燃烧喷嘴100中的每一个可包括燃烧衬套110和联接到燃烧衬套110的前端的一体化头端200。如下文更详细地讨论，每个一体化头端200可以与燃料供应源224(图4)流体连通，并且可以包括第一燃料喷嘴202、第二燃料喷嘴204以及定位在第一燃料喷嘴202和第二燃料喷嘴204下游的燃料喷射组件213。如图所示，每个一体化头端200的第一燃料喷嘴202可被定位成紧邻相邻一体化头端200的第二燃料喷嘴204并与之接触，以便将燃料和空气的第一可燃混合物喷射到局部燃烧区101中。在各种实施方案中，燃料喷射组件213可包括设置在燃料喷嘴202、204下游的第一组燃料喷射器214和第二组燃料喷射器216，并且可操作以将燃料和空气的第二可燃流喷射到两个单独的局部燃烧区101中。
在许多实施方案中，第一组燃料喷射器214和第二组燃料喷射器216可彼此相对取向，使得它们各自延伸穿过一体化头端200的相对端并进入相应的局部燃烧区101中，以便将燃料和空气的第二可燃混合物喷射到两个单独的相邻局部燃烧区101中。
如图3至图8中共同所示，一体化头端200还可以包括分别从第一燃料喷嘴202和第二燃料喷嘴204延伸的第一衬套部分206和第二衬套部分208。在许多实施方案中，第一衬套部分206可限定压力侧喷射出口210，第一组燃料喷射器214延伸穿过该压力侧喷射出口，以便将第二燃料和空气流喷射到局部燃烧区101中。类似地，第二衬套部分208可限定抽吸侧喷射出口212，第二组燃料喷射器216延伸穿过该抽吸侧喷射出口，以便将第二燃料和空气流喷射到局部燃烧区101中。这样，一体化头端200的第一组燃料喷射器214和紧邻的一体化头端200的第二组燃料喷射器216可延伸到共用局部燃烧区101中。
图4示出了燃烧区段16的一部分的横剖面透视图。如图所示，支撑管218可将集成燃烧喷嘴100联接到压缩机排放壳体32。在特定实施方案中，支撑管218可为包围至少一个燃料导管的中空主体。例如，在许多实施方案中，支撑管218可联接到一体化头端200的前端220。在各种实施方案中，支撑管218可从一体化头端200的前端220延伸穿过压缩机排放壳体32，以便为燃料供应导管222提供延伸的保护路径。在一些实施方案中，凸缘238可将支撑管218联接到压缩机排放壳体32的外表面33。在示例性实施方案中，支撑管218可包围至少一个燃料供应导管222。所述至少一个燃料供应导管222可流体联接到头端组件200的前端220，诸如联接到头端组件200的前端220处的燃料喷嘴入口226或燃料喷射器入口228(图9)中的一者。
在许多实施方案中，液体燃料盒240可延伸穿过第一燃料喷嘴202或第二燃料喷嘴204中的一者。例如，如图4中所示，液体燃料盒240延伸穿过第二燃料喷嘴204，以便将液体燃料流喷射到局部燃烧区101中。在特定实施方案中，液体燃料盒可从入口242穿过压缩机排放壳体32以及第一燃料喷嘴202或第二燃料喷嘴204中的一者延伸到设置在局部燃烧区101内的出口244。如图所示，液体燃料盒240可经由安装凸缘246联接到压缩机排放壳体32。在特定实施方案中，液体燃料盒240可经由安装凸缘246联接到压缩机排放壳体32的外表面33。在一些实施方案中，如图所示，液体燃料盒240可与液体燃料供应源225流体连通，以便将液体燃料流传送到燃烧室中。在其它实施方案中，液体燃料盒可与燃料供应源224流体连通。
图5示出了根据本公开的实施方案的燃烧区段16的一部分的透视图。如图所示，液体燃料盒240中的每一个可彼此周向间隔开并联接到压缩机排放壳体32，使得它们各自延伸穿过压缩机排放壳体32并进入相应的局部燃烧区101中。类似地，支撑管218中的每一个可彼此周向间隔开并且经由凸缘238联接到压缩机排放壳体，使得它们各自从压缩机排放壳体延伸到相应的集成燃烧喷嘴100。以这种方式，支撑管218中的每一个可为至少一个流体供应导管222提供保护路径，该保护路径有利地防止导管受到燃烧区段16的热量的影响。
图6提供了从第一侧观察的集成燃烧喷嘴100的透视图。类似地，图7提供了根据本公开的实施方案的从第二侧观察的集成燃烧喷嘴100的透视图。如图2、图3和图4共同所示，分段环形燃烧系统36包括多个集成燃烧喷嘴100。如本文进一步所述，每个燃烧器喷嘴100包括第一侧壁116和第二侧壁118。在特定实施方案中，基于侧壁与下游涡轮喷嘴120的对应压力侧和吸力侧的集成，第一侧壁是压力侧壁，而第二侧壁是吸力侧壁。应当理解，本文对压力侧壁和吸力侧壁的任何引用代表特定实施方案，此类引用便于讨论，并且此类引用并非旨在限制任何实施方案的范围，除非特定上下文另有规定。
如图6和图7中共同所示，每个周向相邻的一对燃烧器喷嘴100限定相应的主燃烧区102和两者之间的相应的次燃烧区104，从而形成主燃烧区102和次燃烧区104的环形阵列。主燃烧区102和次燃烧区104分别通过燃烧衬套110与相邻的主燃烧区102和次燃烧区104周向分离或流体隔离。
每个燃烧器喷嘴100包括内衬套部段106、外衬套部段108以及在内衬套部段106与外衬套部段108之间延伸的中空或半中空燃烧衬套110。可以设想，多于一个(例如，2个、3个、4个或更多个)燃烧衬套110可定位在内衬套部段106和外衬套部段108之间，从而减少需要密封的相邻内衬套部段之间的接头的数量。为了易于在本文中讨论，将参考在相应的内衬套部段106和外衬套部段108之间具有单个燃烧衬套110的集成燃烧喷嘴100，尽管不需要衬套部段与燃烧衬套的比率为2∶1。如图6和图7中所示，每个燃烧衬套110包括前端部分或上游端部分112、后端部分或下游端部分114、在图6所示的特定示例实施方案中为压力侧壁的第一侧壁116以及在图7所示的特定示例实施方案中为吸力侧壁的第二侧壁118。
在示例性实施方案中，一体化燃烧喷嘴100还包括在前端112处联接到燃烧衬套110的一体化头端200。在例示的示例实施方案中，一体化头端200包括第一燃料喷射器202和第二燃料喷射器204。如图所示，一体化头端204被配置用于安装在相应燃烧衬套110的前端部分112中。如图3中所示，当集成燃烧喷嘴100被安装在燃烧区段16内时，第一燃料喷射器202可接触相邻集成燃烧喷嘴100的第二燃料喷射器204，以便共同形成局部燃烧区101的上游端。第一燃料喷射器202和第二燃料喷射器204可被称为“捆绑管燃料喷嘴”。然而，燃料喷嘴202、204可包括或包含任何类型的燃料喷嘴或燃烧器(诸如旋涡燃料喷嘴或旋流喷嘴)，并且除非如此具体叙述，否则权利要求不应限于束筒燃料喷嘴。
燃料喷嘴202、204中的每一个可至少部分地在两个周向相邻的燃烧衬套110之间周向地延伸和/或至少部分地在相应燃烧器喷嘴100的相应内衬套部段106和外衬套部段108之间径向地延伸。在轴向分级燃料喷射操作期间，燃料喷嘴202、204各自向相应的主燃烧区102提供预混燃料和空气(即，第一可燃混合物)的料流。
在至少一个实施方案中，如图6和图7中所示，燃烧衬套110中的一个或多个的下游端部分114过渡到大体翼面型涡轮喷嘴120中，该喷嘴引导燃烧产物朝向涡轮叶片流动并使其加速。因此，每个燃烧衬套110的下游端部分114可被认为是没有前缘的翼面。当集成燃烧喷嘴100安装在燃烧区段16内时，涡轮喷嘴120可紧邻涡轮18的涡轮转子叶片的级的上游定位。
如本文所用，术语“集成燃烧喷嘴”是指包括燃烧衬套110、位于燃烧衬套下游的涡轮喷嘴120、从燃烧衬套110的前端112延伸到后端114的内衬套部段106(由涡轮喷嘴120体现)以及从燃烧衬套110的前端112延伸到后端114的外衬套部段108(由涡轮喷嘴120体现)的无缝结构。在至少一个实施方案中，集成燃烧喷嘴100的涡轮喷嘴120用作第一级涡轮喷嘴并且定位在涡轮转子叶片的第一级的上游。
如上所述，一个或多个集成燃烧喷嘴100形成为包括内衬套部段106、外衬套部段108、燃烧衬套110和涡轮喷嘴120的一体或单体结构或主体。集成燃烧喷嘴100可经由铸造、增材制造(诸如3D印刷)或其他制造技术制成为集成或无缝部件。通过将燃烧器喷嘴100形成为单体或集成部件，可减少或消除对燃烧器喷嘴100的各种特征之间的密封的需要，可减少零件数量和成本，并且可简化或消除组装步骤。在其他实施方案中，燃烧器喷嘴100可诸如通过焊接来制造，或者可由不同的制造技术形成，其中用一种技术制成的部件接合到由相同或另一种技术制成的部件。
在特定实施方案中，每个集成燃烧喷嘴100的至少一部分或全部可由陶瓷基体复合物(CMC)或其他复合材料形成。在其他实施方案中，每个集成燃烧喷嘴100的一部分或全部(更具体地，涡轮喷嘴120或其后缘)可由高度抗氧化的材料制成(例如，涂覆有热障涂层)。
在另一个实施方案(未示出)中，燃烧衬套110中的至少一个可渐缩到与燃烧衬套110的纵向(轴向)轴线对齐的后缘。即，燃烧衬套110可不与涡轮喷嘴120集成。在这些实施方案中，可能期望具有不均匀数量的燃烧衬套110和涡轮喷嘴120。锥形燃烧衬套110(即，没有集成涡轮喷嘴120的那些)可以与具有集成涡轮喷嘴120的燃烧衬套110(即，集成燃烧喷嘴100)交替使用或以一些其他模式使用。
在特定实施方案中，如图6和图7中所示，一体化头端200还可以包括第一衬套部分206和第二衬套部分208。第一衬套部分206和第二衬套部分208可各自从一体化头端200大致轴向延伸并且至少部分地形成主燃烧区102。例如，第一衬套部分206可从第一燃料喷嘴202延伸，使得其与压力侧壁116对准并形成连续表面。类似地，第二衬套部分208可从第二燃料喷嘴204延伸，使得其与抽吸侧壁118对准并形成连续表面。
在许多实施方案中，如图6中所示，每个一体化头端200的第一衬套部分206可以限定一个或多个压力侧喷射出口210，第一组燃料喷射器214可以延伸穿过该压力侧喷射出口，以便将燃料和空气的第二可燃混合物喷射到二次燃烧区104中。同样，如图7中所示，每个一体化头端200的第二衬套部分208可以限定一个或多个抽吸侧喷射出口212，第二组燃料喷射器216可以延伸穿过该抽吸侧喷射出口，以便将燃料和空气的第二可燃混合物喷射到二次燃烧区104中。每个相应的主燃烧区102被限定在一对周向相邻的集成燃烧喷嘴100的对应压力侧喷射出口210和/或吸力侧喷射出口212的上游。每个次燃烧区104被限定在该对周向相邻的集成燃烧喷嘴100的对应压力侧喷射出口210和/或吸力侧喷射出口212的下游。
尽管压力侧喷射出口210在图6和图7中被示出为相对于集成燃烧喷嘴100的轴向中心线驻留在公共径向或喷射平面中，或者在距燃烧衬套110的下游端部分114的公共轴向距离处，但是在特定实施方案中，压力侧喷射出口210中的一个或多个压力侧喷射出口可相对于径向相邻的压力侧喷射出口210轴向交错，从而针对特定压力侧喷射出口210偏移压力侧喷射出口210至下游端部分114的轴向距离。类似地，尽管图7示出了在公共径向或喷射平面中或者在距燃烧衬套110的下游端部分114的公共轴向距离处的抽吸侧喷射出口212，但是在特定实施方案中，吸力侧喷射出口212中的一个或多个吸力侧喷射出口可相对于径向相邻的吸力侧喷射出口212轴向交错，从而针对特定吸力侧喷射出口212偏移压力侧喷射出口212至下游端部分114的轴向距离。
图8示出了根据本公开的实施方案的集成燃烧喷嘴100的透视图，其中燃烧衬套110从一体化头端200分解开。如图所示，燃烧衬套110可限定开口170和172，以便于一体化头端200联接到开口170和172并且部分地限定主燃烧区102和次燃烧区104。更具体地，压力侧壁116可限定开口170，该开口可以是对应于第一衬套部分206的形状的大致矩形形状的切口。同样，抽吸侧壁118可限定开口172，该开口可以是对应于第二衬套部分208的形状的大致矩形形状的切口。在许多实施方案中，第一衬套部分206可由压力侧壁116的开口170可滑动地接纳，并且第二衬套部分208可由抽吸侧壁118的开口172可滑动地接纳。
当一体化头端200处于安装位置时(图6和图7)，第一衬套部分206可与压力侧壁116形成连续表面，使得压力侧壁116和第一衬套部分206之间的轮廓不存在急剧变化。在许多实施方案中，第一衬套部分206可为基本上平坦的板，该板径向和轴向延伸并且对应于开口170的形状。例如，第一衬套部分可填充开口170，以便部分地限定主燃烧区102和次燃烧区104两者。同样，当一体化头端200处于安装位置时，第二衬套部分208可以与抽吸侧壁118形成连续表面，使得抽吸侧壁118和第二衬套部分208之间的轮廓没有急剧变化。在许多实施方案中，第二衬套部分208可为基本上平坦的板，该板径向和轴向延伸并且对应于开口172的形状。例如，第二衬套部分208可填充开口172，以便部分地限定主燃烧区102和次燃烧区104两者。
图9示出了沿气体涡轮10的周向方向C(周向介于压力侧壁116和抽吸侧壁118之间)截取的集成燃烧喷嘴100的横剖面视图，并且图10示出了根据本公开的实施方案的沿径向方向R截取的集成燃烧喷嘴100的横剖面视图。如图9和图10中共同所示，燃料喷射组件213可定位在第一燃料喷嘴202和第二燃料喷嘴204下游，使得燃料喷射组件有利地提供进入燃烧室的第二燃料和空气流。
在许多实施方案中，一体化头端200还可在一体化头端200的前端220与燃料喷射组件213之间轴向限定燃料充气室248。在许多实施方案中，燃料充气室248可在周向方向C上被限定于第一燃料喷嘴202与第二燃料喷嘴204之间。
在各种实施方案中，如图9中所示，所述至少一个燃料供应导管222可包括在一体化头端200的前端220处联接到燃料喷嘴入口226的第一燃料喷嘴供应导管230、在一体化头端200的前端220处联接到另一个燃料喷嘴入口226的第二燃料喷嘴供应导管232、在一体化头端200的前端220处联接到燃料喷射器入口228的第一燃料喷射器供应导管234、以及在一体化头端200的前端220处联接到另一个燃料喷射器入口228的第二燃料喷射器供应导管236。
在许多实施方案中，支撑管218可包围导管230、232、234、236中的每一个，使得支撑管218在高压充气室34中的高温压缩空气26与包含冷温度燃料的导管230、232、234、236之间提供热屏障。在示例性实施方案中，导管230、232、234、236中的每一个可为实心中空管，即，它们不包括适形波纹管，这有利地减少了部件成本和组装时间。
如图9中所示，燃料喷嘴入口226可由一体化头端200限定。在许多实施方案中，燃料喷嘴入口226可与燃料供应源224和燃料充气室248两者流体连通，使得来自燃料供应源224的燃料经由燃料入口226递送至燃料充气室248。如图9和图10中共同所示，第一多个燃料口250可在燃料充气室248与第一燃料喷嘴202之间延伸，使得第一燃料喷嘴202经由第一多个燃料口250与燃料充气室248流体连通。类似地，第二多个燃料口252可在燃料充气室248与第二燃料喷嘴204之间延伸，使得第二燃料喷嘴204经由第二多个燃料口252与燃料充气室248流体连通。
在示例性实施方案中，如图9和图10中共同所示，一体化头端200可限定至少一个与燃料供应源224和燃料喷射组件213流体连通的燃料电路254。如图所示，所述至少一个燃料电路224可从燃料喷射器入口228穿过燃料充气室到达燃料喷射组件。在图9和图10中所示的实施方案中，一体化头端200包括提供燃料供应224与燃料喷射组件213之间的流体连通的两个燃料电路254，例如，一个燃料电路254可以将燃料输送到第一组燃料喷射器214，而另一个燃料电路254将燃料输送到第二组燃料喷射器216。在其他实施方案(未示出)中，一体化头端200可包括或多或少的燃料电路，这取决于燃料喷射器的数量。
在许多实施方案中，一体化头端可整体形成为单个部件。即，子部件中的每一个(例如，燃料喷嘴202、204、衬套部分206、208、燃料喷射组件213和一体化头端200的任何其他子部件)可一起被制造为单个主体。在示例性实施方案中，这可通过利用增材制造系统来完成。然而，在其他实施方案中，可使用其他制造技术，诸如铸造或其他合适的技术。就这一点而言，利用增材制造方法，每个一体化头端200可整体形成为单件连续金属，并且因此与现有设计相比可包括更少的子部件和/或接头。通过增材制造一体形成每个一体化头端200可有利地改进总体组装过程。例如，整体形成减少了必须组装的单独零件的数量，从而减少了相关联的时间和总体组装成本。另外，可有利地减少例如泄漏、单独零件之间的接头质量和总体性能的现有问题。
本文所述的一体化头端200限定到燃烧区的燃料/空气递送的主形式和到燃烧区的燃料/空气递送的次形式这两者。具体地，一体化头端200可以限定燃料喷嘴202、204、燃料喷射组件213以及用于将燃料从燃料供应源224输送到所述燃料喷嘴202、204和燃料喷射组件213的装置。因此，至少由于单独的个性化部件的减少，与现有设计相比，总体集成燃烧喷嘴100可相对简单且快速地组装。此外，由于一体式头端200是单个部件，因此集成燃烧器喷嘴100可由于组装的便利性而缩放到比先前设计中紧凑得多的尺寸。例如，一体化头端100不包括需要相对于彼此进行组装的空间的多个个性化部件，而是可仅包括几个组装步骤的单个部件。
此外，支撑管218有利地为燃料供应导管222提供热保护屏障，从而允许使用实心中空管(而不是波纹管)，这降低了零件和组装成本。另外，支承管218可以限定一个或多个空气入口280。例如，一个或多个空气入口280可被限定在压缩机排放壳体32内的支撑管218上(在靠近凸缘238的位置处)，使得压缩空气在一个或多个空气入口280处流入支撑管218中。一个或多个空气入口280可与高压充气室34流体连通。压缩空气可流过支承管218并在出口或出口管282处离开(如图10中所示)。出口管282可从支撑管218延伸穿过第一燃料喷嘴202或第二燃料喷嘴204中的一者到达燃烧区101。以这种方式，吹扫空气可从空气入口280穿过支撑管218的内部流动到空气出口管282并且在燃烧区101处喷射，这可有利地吹扫或扫掉从燃料供应导管222泄漏到燃烧区101中的任何燃料。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种集成燃烧喷嘴(100)，包括：
燃烧衬套(110)，所述燃烧衬套沿径向方向(R)在内衬套部段(106)和外衬套部段(108)之间延伸，所述燃烧衬套(110)包括第一侧壁(116)、第二侧壁(118)以及与后端部分轴向分开的前端部分，所述燃烧衬套(110)的所述后端部分限定涡轮喷嘴，其中所述第一侧壁(116)和所述第二侧壁(118)各自限定轴向和径向延伸的相应开口(170，172)；
一体化头端(200)，所述一体化头端联接到所述燃烧衬套(110)，所述一体化头端(200)与燃料供应源(224)流体连通，其中所述一体化头端(200)包括：
第一燃料喷嘴(202)和第二燃料喷嘴(204)，所述第一燃料喷嘴和所述第二燃料喷嘴设置在所述燃烧衬套(110)的所述前端部分处，其中燃料充气室(248)被限定在所述第一燃料喷嘴(202)与所述第二燃料喷嘴(204)之间；
第一衬套部分(206)，所述第一衬套部分从所述第一燃料喷嘴(202)延伸并进入所述第一侧壁(116)的所述相应开口(170，172)中，使得所述第一衬套部分(206)与所述燃烧衬套(110)的所述第一侧壁(116)形成连续表面；
第二衬套部分(208)，所述第二衬套部分从所述第二燃料喷嘴(204)延伸并进入所述第二侧壁(118)的所述相应开口(170，172)中，使得所述第二衬套部分(208)与所述燃烧衬套(110)的所述第二侧壁(118)形成连续表面。
2.根据权利要求1所述的集成燃烧喷嘴(100)，还包括定位在所述第一燃料喷嘴(202)和所述第二燃料喷嘴(204)下游的燃料喷射组件(213)。
3.根据权利要求2所述的集成燃烧喷嘴(100)，其中所述燃料喷射组件(213)包括延伸穿过所述一体化头端(200)的所述第一衬套部分(206)的第一组燃料喷射器(214)和延伸穿过所述一体化头端(200)的所述第二衬套部分(208)的第二组燃料喷射器(216)。
4.根据权利要求2所述的集成燃烧喷嘴(100)，其中所述一体化头端(200)限定与所述燃料供应源(224)和所述燃料喷射组件(213)流体连通的至少一个燃料电路(254)，所述至少一个燃料电路(254)从燃料喷射器入口(228)穿过所述燃料充气室(248)延伸至所述燃料喷射组件(213)。
5.根据权利要求1所述的集成燃烧喷嘴(100)，其中所述一体化头端(200)限定与燃料供应源(224)和所述燃料充气室(248)流体连通的燃料喷嘴入口(226)。
6.根据权利要求1所述的集成燃烧喷嘴(100)，还包括支撑管(218)，所述支撑管将所述集成燃烧喷嘴(100)联接到压缩机排放壳体(32)。
7.根据权利要求6所述的集成燃烧喷嘴(100)，其中所述支撑管(218)包围至少一个燃料供应源(224)导管，所述燃料供应源(224)导管流体联接到所述头端组件的前端处的燃料喷嘴入口(226)或燃料喷射器入口(228)中的一者。
8.根据权利要求7所述的集成燃烧喷嘴(100)，其中所述支撑管(218)限定与高压充气室流体连通的至少一个空气入口，所述高压充气室被限定在所述压缩机排放壳体(32)内，其中空气出口管从所述支撑管(218)穿过所述第一燃料喷嘴(202)或所述第二燃料喷嘴(204)中的一者延伸到所述燃烧区，并且其中吹扫空气穿过所述支撑管(218)的所述内部从所述一个或多个空气入口流动到所述空气出口管。
9.根据权利要求1所述的集成燃烧喷嘴(100)，还包括延伸穿过所述第一燃料喷嘴(202)或所述第二燃料喷嘴(204)中的一者的液体燃料盒。
10.根据权利要求9所述的集成燃烧喷嘴(100)，其中所述液体燃料盒经由安装凸缘联接到所述压缩机排放壳体(32)。
11.一种涡轮机(10)，包括：
压缩机区段(14)；
压缩机排放壳体(32)，所述压缩机排放壳体设置在所述压缩机区段(14)下游；
涡轮区段(18)，所述涡轮区段设置在所述压缩机排放壳体(32)下游；
环形燃烧系统(36)，所述环形燃烧系统设置在所述压缩机排放壳体(32)内，所述环形燃烧系统(36)包括围绕所述涡轮机(10)的轴向中心线以环形阵列设置的多个集成燃烧喷嘴(100)，其中每个集成燃烧喷嘴(100)包括：
燃烧衬套(110)，所述燃烧衬套沿径向方向(R)在内衬套部段(106)和外衬套部段(108)之间延伸，所述燃烧衬套(110)包括第一侧壁(116)、第二侧壁(118)以及与后端部分轴向分开的前端部分，所述燃烧衬套(110)的所述后端部分限定涡轮喷嘴，其中所述第一侧壁(116)和所述第二侧壁(118)各自限定轴向和径向延伸的相应开口(170，172)；
一体化头端(200)，所述一体化头端(200)联接到所述燃烧衬套(110)，所述一体化头端(200)与燃料供应源(224)流体连通，其中所述一体化头端(200)包括：
第一燃料喷嘴(202)和第二燃料喷嘴(204)，所述第一燃料喷嘴和所述第二燃料喷嘴设置在所述燃烧衬套(110)的所述前端部分处，其中燃料充气室(248)被限定在所述第一燃料喷嘴(202)与所述第二燃料喷嘴(204)之间；
第一衬套部分(206)，所述第一衬套部分从所述第一燃料喷嘴(202)延伸并进入所述第一侧壁(216)的所述相应开口(170，172)中，使得所述第一衬套部分(206)与所述燃烧衬套(110)的所述第一侧壁(216)形成连续表面；
第二衬套部分(208)，所述第二衬套部分从所述第二燃料喷嘴(204)延伸并进入所述第二侧壁(218)的所述相应开口(170，172)中，使得所述第二衬套部分(208)与所述燃烧衬套(110)的所述第二侧壁(218)形成连续表面。
12.根据权利要求11所述的涡轮机(10)，还包括定位在所述第一燃料喷嘴(202)和所述第二燃料喷嘴(204)下游的燃料喷射组件(213)。
13.根据权利要求12所述的涡轮机(10)，其中所述燃料喷射组件(213)包括延伸穿过所述一体化头端(200)的所述第一衬套部分(206)的第一组燃料喷射器(214)和延伸穿过所述一体化头端(200)的所述第二衬套部分(208)的第二组燃料喷射器(216)。
14.根据权利要求12所述的涡轮机(10)，其中所述一体化头端(200)限定与所述燃料供应源(224)和所述燃料喷射组件(213)流体连通的至少一个燃料电路(254)，所述至少一个燃料电路(254)从燃料喷射器入口(228)穿过所述燃料充气室(248)延伸至所述燃料喷射组件(213)。
15.根据权利要求11所述的涡轮机(10)，其中所述一体化头端(200)限定与燃料供应源(224)和所述燃料充气室(248)流体连通的燃料喷嘴入口(226)。
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