混合系统的制作方法

本公开涉及用于燃气轮机的燃烧器，且尤其涉及包括波瓣混合器的燃烧器。

背景技术：

燃气轮机燃烧器在极端条件下工作，且因此具有设计成使冷却最大化且冷却空气的使用最小化的越来越复杂的冷却系统。通常，空气管理是在燃烧器设计中的重要因素，因为所使用的空气既作为在燃烧过程中的氧化剂又提供至燃烧器的热气体路径部件的冷却。为了确保燃气轮机发动机的最大效率，在空气分配中的泄漏和压降应最小化。此外，使得用于热气体路径部件的维护、热膨胀和可及性的系统的复杂性最小化是重要的。在燃气涡轮效率中不断增加的需求期望持续改进部件以最大限度地提高性能。根据这些不同的要求，已经意识到能够做出改变以改善燃烧器性能。

技术实现要素：

本发明在将要参考的所附独立权利要求中进行限定。本发明的有利特征在从属权利要求中阐述。

第一方面提供了用于燃气轮机燃烧器布置的混合系统，所述混合系统包括波瓣混合器和包围流体流动路径的壁，其中，所述波瓣混合器布置在壁中于壁的第一部分与壁的第二部分之间，且其中，所述壁的第一部分和所述壁的第二部分在波瓣混合器轴线方向上间隔开。

所述波瓣混合器能够提供用于两个或更多个流的快速和低压降混合器，例如燃料流和空气流，且能够提供在压力损失和混合质量之间的良好折衷。由于其设成直列喷射，它通常比采用交叉流喷射的混合器提供更低的压降，其能够最小化第一和第二燃烧级之间的压力损失。此低压降能够用于减少系统的总压降，或者可替代地，压力能够用来进一步增强混合过程。直列喷射（而不是交叉流注射）能够添加能量至系统中，加速第一级燃烧器流，从而在第一级上产生吸入效果。

波瓣混合器还能够简化燃气轮机设计，允许波瓣结构的应用以取代在燃气轮机系统中的常规的混合装置。它能够允许通过结合密封和混合功能集成到一个零件中和/或通过消除对密封件的需要来实现部件的集成。波瓣混合器能够有效地充当在燃烧器衬套和混合器容积壁或连续燃烧室之间的密封件-由于流体流动通过间隙能够有效地清除该间隙，所以不再有任何密封间隙的需要。这能够引起改进的空气利用率，因为没有密封泄漏或密封冷却流。

采用波瓣混合器，降低必要的冷却表面是可能的，从而燃烧器布置与现有设计相比能够是较短的。两个零件（密封件和混合器，特别是呼啦式密封件）组合成一个新零件还能够节省空间。波瓣混合器能够消除用于冷却热气体路径部件所需要的额外的冷却空气。波瓣混合器能够有助于两个流的混合的作用力/引导用于改进的流控制/排出模式以及用于提高连续燃烧室燃料喷射的控制。波瓣混合器能够在来自第一级燃烧器的热气流中减少涡流。由于其形状允许在燃气轮机启动和关闭期间零件的一些变形（例如第一级和连续级），所以波瓣混合器也能够减少磨损和提供结构阻尼。

在一个实施例中，波瓣混合器围绕波瓣混合器轴线在周向方向上延伸。

在一个实施例中，所述壁的第一部分是第一级燃烧器壁以及所述壁的第二部分是混合器容积壁，或者其中所述壁的第一部分是混合器容积壁以及所述壁的第二部分是连续燃烧器壁，或者其中所述壁的第一部分是第一级燃烧器壁以及所述壁的第二部分是连续燃烧器壁。

在一个实施例中，波瓣混合器包括外波瓣、内波瓣和连接所述外波瓣和内波瓣的波瓣侧壁，且其中，所述波瓣混合器从上游端延伸到后缘。

在一个实施例中，相邻的外波瓣之间的距离小于所述内波瓣的宽度。

在一个实施例中，上游端是在波瓣混合器轴线方向上延伸的板。

在一个实施例中，后缘包括至少一个切口。切口能够用于提高湍流产生，且因此能够提高混合性能。

第二方面提供一种燃气轮机，其包括权利要求1所述的混合系统。

第三方面提供了一种用于燃气轮机燃烧器布置的在混合系统中混合两个流的方法，所述混合系统包括波瓣混合器和包围流体流动路径的壁，其中，所述波瓣混合器布置在所述壁中于所述壁的第一部分与所述壁的第二部分之间，且其中，所述壁的第一部分与所述壁的第二部分在波瓣混合器轴线方向上间隔开，所述方法包括下列步骤：供给待混合的第一流通过所述波瓣混合器；供给待混合的第二流通过所述波瓣混合器；以及在第一流和第二流离开所述波瓣混合器之后混合所述第一流和所述第二流。在一个实施例中，第一流是热气流以及所述第二流是空气流。

附图说明

现将仅以示例的方式且参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是波瓣混合器的透视图;

图2是可替代的波瓣混合器的透视图;

图3是在后缘中带有切口的可替代的波瓣混合器的透视线形图；

图4是带有波瓣混合器的燃烧器布置的一部分的截面图，其中波瓣混合器在后缘中带有切口;

图5示出了图1中的波瓣混合器的一部分，其采用虚线描述波瓣特征;以及

图6示出了图2中的波瓣混合器的一部分，其采用虚线描述波瓣特征。

具体实施方式

图1示出了波瓣混合器10，其包括从上游端16延伸到下游端（后缘）18、20、22的多个波瓣12、14。波瓣包括外波瓣12、波瓣侧壁13和内波瓣14。波瓣在波瓣混合器轴线50的方向上延伸（参见图4）。内波瓣14也相对于波瓣混合器轴线50沿径向方向延伸，而外波瓣12典型地平行于波瓣混合器轴线50延伸。

后缘包括外波瓣部分18、内波瓣部分20和波瓣侧壁22。上游端16通常相对于波瓣混合器轴线50沿周向方向48延伸。

波瓣分成三个部分：外波瓣12、内波瓣14和波瓣侧壁13。这参照图5和图6在下面更详细地进行描述。

图2示出了具有和图1特征相同但形状不同的波瓣的可替代的波瓣混合器10。现在描述在图1和图2的波瓣之间的异同。

在图1中，外波瓣后缘部分18和内波瓣后缘部分20描述了圆的一半或接近一半，典型地，外波瓣后缘部分18略多于半圆以及内波瓣后缘部分20略小于半圆。因此，外波瓣12和内波瓣14描述或大致描述了圆筒的一部分（半圆筒形），尽管外波瓣12和内波瓣14的端部可从圆筒形状发散接近上游端16。在图2中，与此相反，外波瓣后缘部分18和内波瓣后缘部分20几乎是直的，其具有相对于波瓣混合器轴线50沿着周向方向48的轻微的曲率。因此，外波瓣12和内波瓣14大致是平的，也在周向方向48上具有轻微的曲率。

在图1中，相邻的外波瓣后缘部分18之间的间隙大于相邻的内波瓣后缘部分14之间的间隙。如图2所示，相邻的外波瓣后缘部分18之间的间隙小于相邻内波瓣后缘部分14之间的间隙。横跨这些间隙的相对距离也是外波瓣12与内波瓣14之间的相对距离。

在图1和图2中，外波瓣后缘部分18的宽度大于内波瓣后缘部分14的宽度。同样，外波瓣12的宽度大于内波瓣14的宽度。

图2的波瓣混合器比图1的波瓣混合器10延伸从上游端16至波瓣混合器轴线50的距离的更大百分比（较大的穿透深度）。

通常，图1和图2的波瓣混合器的各种不同的特征能够以不同的组合进行混合以提供广泛的选择。

图3示出了具有如上所述的特征但具有不同形状的波瓣的另外的可替代的波瓣混合器10。波瓣示出了图1的实施例的一些特征和图2的实施例的一些特征。此外，切口26设在波瓣侧壁13中。

图4示出了混合系统32，包括流体流动路径34、波瓣混合器10、波瓣混合器入口36（混合空气/第二流的辅助功能是混合器容积壁32的冷却）和中心喷枪38，额外的空气或燃料能够通过该中心喷枪注入；这能够减少波瓣混合器所需的穿透深度。也示出了热气流52和第二流54；第二流能够既用作冷却流体流又用作混合器流。波瓣混合器10布置在沿热气流方向在第一级燃烧室衬套40与混合器容积壁42之间延伸的间隙中。第一级燃烧器衬套40和混合器容积壁42构成了流体流动路径的壁。混合器容积壁42包围混合器容积，该混合器容积是流体流动路径34的一部分。

为清楚起见，图5和图6示出了图1和图2的一部分，其采用另外的虚线大致示出了外波瓣12、波瓣侧壁13和内波瓣14的范围。外波瓣12布置在围绕波瓣混合器轴线50的环中。内波瓣14布置在围绕波瓣混合器轴线50的较小的环中（即比外波瓣更接近波瓣混合器轴线）。波瓣侧壁连接外波瓣12和内波瓣14。

在如上所述的混合系统32中使用波瓣混合器10的方法中，诸如空气的流体的第二流54可选地经由波瓣混合器入口36供给至波瓣混合器10中。第二流54经过波瓣混合器10，特别是在波瓣侧壁13和内波瓣20之间（见图1）。部分或全部的热气流52也经过波瓣混合器10，特别是在波瓣侧壁13和外波瓣22之间（见图1）。热气体和第二流经过后缘18、20、22离开波瓣混合器10，在离开后进行混合。

可选地，流体（第二流）在经过波瓣混合器之前冷却至少一个其它燃烧器部件，诸如连续的衬套或连续的工件。

波瓣混合器可用在燃烧器布置或燃气轮机的燃烧室中，例如固定燃气轮机或航空发动机。波瓣混合器能够用在连续的燃烧系统中，例如CPSC（恒定压力连续燃烧）系统中。波瓣混合器能够改进到现有的燃气轮机中。燃烧器布置能够包括第一级燃烧器、第二级燃烧器和在第一和第二级燃烧器之间的混合容积。

波瓣混合器布置在两燃烧室部件之间的燃烧器布置中，换言之，波瓣混合器布置在包围流体流动路径的壁的两个部分之间。因此，波瓣混合器是在壁的第一部分与壁的第二部分之间的间隙中，该间隙在波瓣混合器轴线方向上延伸。壁的第一部分和壁的第二部分通常不会在波瓣混合器轴线方向上重叠；即，壁的第一部分与壁的第二部分在波瓣混合器轴线方向上间隔开。再次回到图4的示例，在此示例中的壁的第一部分将是第一级燃烧器衬套40且壁的第二部分将是混合器容积壁42。

波瓣混合器10能够位于第一级燃烧器与混合器容积42之间，以便注入混合空气（第二流）进入来自第一级的热气流52。在此位置中，波瓣混合器也能够实现密封件的功能以允许不同部分的热膨胀。可替代地，波瓣混合器10能够位于混合器容积与连续燃烧器之间，或两个燃烧级之间而两者之间没有混合器容积。在后一种情况下，波瓣混合器能够用来引入例如燃料气体的燃料进入第二级燃烧器（连续燃烧器）。

波瓣混合器10优选地制成一个整体部分。波瓣混合器可以部分或全部的方式围绕波瓣混合器轴线50延伸。在其中波瓣混合器仅以部分的方式围绕波瓣混合器轴线50延伸的实施例中，两个或更多个的波瓣混合器可以布置在一起以形成完整的环。波瓣混合器10可以是环形的（相对于波瓣混合器轴线在周向方向48上延伸的环），或者可以是例如矩形的另外的形状，例如在所使用的波瓣混合器邻近非环形部件的情况下。

波瓣混合器通常从上游端笔直地延伸至后缘，但也可从直接路径偏离。

波瓣混合器可以附接到与其邻近的一个或多个部件（例如，壁的第一和第二部分）。特别地，上游端将通常附接到与其邻近的部件（在图4的示例中的连续衬套），以最小化或避免在上游端与相邻的部件之间的泄漏。典型地，波瓣混合器至少与壁的第一部分和/或壁的第二部分接触。零件的相对位置在使用期间也可发生变化，例如由于热膨胀。

示于图中的外波瓣12平行或大致平行于波瓣混合器轴线延伸，但是它们也可从波瓣混合器轴线以一角度延伸。

典型地，波瓣侧壁13是平的或大致是平的，但也可以是其它的形状。

内波瓣14通常在波瓣混合器轴线的方向上以及在相对于波瓣混合器轴线50的径向方向上延伸；在一些实施例中，外波瓣16也沿相对于波瓣混合器轴线50的径向方向延伸。在任一情况下，外波瓣的后缘18将比内波瓣的后缘20离波瓣混合器轴线更远。

与上述给出的示例相反，外波瓣后缘部分18的宽度能够小于内波瓣后缘部分14的宽度。在一个实施例中，相邻的外波瓣部分之间的距离（相对于波瓣混合器轴线在周向方向48上）小于内波瓣部分的宽度（相对于波瓣混合器轴线在周向方向48上）。

内和/或外波瓣可以是平的或大致是平的，尽管例如图2中所示的，典型地，内和外波瓣将相对于波瓣混合器轴线在周向方向上略微弯曲。内和/或外波瓣也可以大致如图1所示的示例弯曲。

在其中，在图2中内和外波瓣接触波瓣侧壁的点处的平滑连接是可选的，且也能够使用成角度的连接，而不是平滑的连接。

外波瓣12和内波瓣14通常布置在围绕波瓣混合器轴线50的环中，尽管其它布置也是可能的。虽然外波瓣在图中的示例中都示出为相同，在同一波瓣混合器内的不同外波瓣可以是不同的形状。同样地，在同一波瓣混合器内的不同内波瓣可以是不同的形状，且在同一波瓣混合器内的不同波瓣侧壁可以是不同的形状。

在使用时，上游端16在热气流方向以及也相对于第二流动方向通常是后缘18、20、22的上游。

在图中，上游端16被示为在周向方向上延伸并附接到波瓣的板。该板是可选的；可替代地，上游端是波瓣的远离后缘的端部，且上游端不在波瓣混合器轴线方向上延伸。当设置板时，该板优选地在或大致在波瓣混合器轴线方向上延伸，但也可以从波瓣混合器轴线方向倾斜。该板可以是平的、锥形（截头锥体）或其它形状。该板延伸远离波瓣，且优选地至少延伸波瓣的0.2至2倍远，且最优选地至少延伸波瓣的0.3至1倍远（在波瓣混合器轴线方向上）。波瓣终止于外波瓣和内波瓣离波瓣混合器轴线具有相同距离的点处（在图中标记为连接30）。上游端优选地附接到壁的一部分，和/或上游端可与壁的一部分重叠（在波瓣混合器轴线方向上）。后缘可以附接到壁的一部分。

上游端优选地是弯曲的，且通常地在相对于波瓣混合器轴线50的周向方向上延伸。外和内波瓣在后缘处能够垂直于波瓣混合器轴线，但在一些应用中也可以成角度（例如在图中的示例中），例如用于调谐。通常，波瓣侧壁相对于波瓣混合器轴线的角度根据应用在设计期间可变化-例如，在图1中的波瓣侧壁13在相对于波瓣混合器轴线的径向或大致径向方向上延伸，而在图2中的波瓣侧壁与径向方向成角度。任何两个相邻的波瓣侧壁优选地沿其间的线在径向方向上对称。

后缘18、20、22能够在垂直波瓣混合器轴线的平面中延伸，或者能够以不同的角度延伸。如果后缘垂直于波瓣混合器轴线，则后缘通常是在或主要在垂直于波瓣混合器轴线的单个平面中。如果后缘不垂直于波瓣混合器轴线，则后缘通常将适合于或主要在锥体的表面上。后缘在平面或锥体上沿蜿蜒线延伸。如果设有切口，则切口通常将从平面或锥体明显偏离。边缘可具有在图中的示例中所示出的不同的形状；例如，后缘可具有正弦形状，如波瓣本身，在此情况下，波瓣侧壁能够继续内波瓣和外波瓣的曲率。

在图1中，能够看出，波瓣混合器具有波瓣混合器上离波瓣混合器轴线的最远点到波瓣混合器轴线的距离的接近一半的穿透深度（垂直于波瓣混合器轴线的方向上的范围）。在图2中，能够看出，后缘进一步延伸覆盖距离的大部分。

外波瓣数量、穿透深度、相对于波瓣混合器轴线的内波瓣角度和相对于波瓣混合器轴线的外波瓣角度在设计阶段能够全部进行选择以控制波瓣混合器的压降和混合特性。

切口26在后缘中，且通常在波瓣侧壁的后缘部分中。切口从波瓣侧壁的后缘部分的大致方向偏离，其中，在切口中后缘相比后缘的其余部分更接近上游端。切口能够是各种形状。可设置一个或更多个切口，切口在波瓣侧壁的一些或全部上，以及一个以上的尺寸或形状的切口可设置在同一波瓣混合器上。多于一个的切口可设置在同一波瓣侧壁后缘部分上。切口优选地（在波瓣混合器轴线方向上）延伸到波瓣所延伸的至少10％，且更优选地延伸到波瓣所延伸的至少25％。切口优选延伸到波瓣所延伸的至多75％，且更优选地延伸到波瓣所延伸的50％。

波瓣混合器入口36是可选的；空气可以直接从冷却通道进入波瓣混合器。当包括其时，波瓣混合器入口可以围绕流体流动路径的周向的部分或全部延伸。可以设置两个或多个单独的波瓣混合器入口，围绕流体流动路径的周向的一部分或全部间隔开。典型地，第二流54在与热气流52方向相反的方向上进入波瓣混合器入口36。如图4所示的，波瓣混合器入口能够设计为使得第二流的方向在第二流进入波瓣混合器之前切换到热气流的方向，或者能够可替代地设计为使得第二流在不同的方向上进入波瓣混合器，例如在朝波瓣混合器轴线50的径向方向上。波瓣混合器入口能够附接至一个或多个相邻的部件，例如至包围流体流动路径的壁的一部分和/或至波瓣混合器。第二流能够用于冷却连续衬套和混合器容积壁。因此，第二流通常在热气流的方向上被引导沿着波瓣混合器的部件下游的壁（因此例如在图4中的混合器容积壁42），在进入波瓣混合器之前其充当冷却流。

连接30可以是两个单独的零件固定在一起处的连接，或波瓣混合器可以形成为单一的整体部分。

例如，流体流动路径34可以是用于来自第一级燃烧器的热气体的热气流路径。

中心喷枪38是可选的。可以设置一个或多个中心喷枪。

热气流52能够是来自前一级的热气流。根据在燃烧器布置中的位置，例如，能够提供燃料流或空气流而不是热气流。例如，第二流能够是空气、气体燃料或蒸汽。更通常地，能够混合任何两个或多个流，例如热气体、冷却空气、气体燃料、蒸汽和压缩空气中的两个。

在不违背以下权利要求书所限定的本发明的情况下，对于所描述的实施例的各种修改是可能的且是本领域技术人员能够想到的。

附图标记

10波瓣混合器

12外波瓣

13波瓣侧壁

14内波瓣

16上游端

18外波瓣后缘部分

20内波瓣后缘部分

22波瓣侧壁后缘部分

26切口

30连接

32混合系统

34流体流动路径

36波瓣混合器入口

38中心喷枪

40第一级燃烧衬套

42混合器容积壁

48周向方向

50波瓣混合器轴线

52热气流

54第二流

56混合流。