用于燃烧器的具有空气通道系统和燃料通道系统的燃烧器尖部和制造该燃烧器尖部的方法与流程

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。

例如由专利文献ep2196733a1已知本文开头所述构造方式的燃烧器尖部。其中描述的燃烧器尖部例如可以在燃气轮机中使用，其中，所述燃烧器尖部构成燃烧器喷管的位于下游的端部，所述燃烧器喷管布置在用于助燃空气的主通道中。燃烧器尖部双层壁地构造，其中，外壁构成应当使产生的燃烧热远离内壁的隔热屏。因此在外壁和内壁之间布置有环形的空腔、即环形空间，出于冷却的目的，所述环形空间能够通过开口被空气流动穿过。隔热屏在所述的实施方案中必须设计为能够承受由于在连接于之后的燃烧室中进行的燃烧而产生的热负荷。因此，燃烧室喷嘴的外壁是限制所述燃烧室喷嘴的使用寿命的因素。

本发明所要解决的技术问题在于，这样扩展设计本文开头所述类型的燃烧器尖部，使得构件的使用寿命得到改善。本发明所要解决的技术问题还在于，提供用于制造这种燃烧器尖部的方法。

所述技术问题按照本发明通过本文开头所述的燃烧器尖部这样解决，即在外壁上安设有突伸入环形空间中的导热结构。因此，与平坦的表面相比，该导热结构(在环形空间这侧上)增大了外壁的可供热传递使用的表面。与本发明相关地，外壁应当指将环形空间与燃烧器尖部的周围环境分开的结构。所述外壁具有分别朝向外部和朝向内部指向的壁表面。同样地，内壁理解为将环形空间与燃烧器尖部的内部结构(例如中央空气通道)分开的结构。内壁也提供了指向环形空间的壁面和与该壁面对置的壁面。

只要导热结构的设计形式与外壁的光滑壁面相比在环形空间中造成了表面的增大，所述导热结构就可以在几何方面不同地设计。表面的增大有利地实现了从外壁向环形空间中的更快的热传递，这些热量能够在所述环形空间中被流动的空气吸收。由此能够有利地实现改善的冷却效果，所述冷却效果使得外壁的热载荷更低。由此能够降低外壁的热载荷并且因此延长燃烧器尖部的使用寿命。

导热结构有利地具有将外壁与内壁相互连接的几何结构。由此能够附加地增大用于热传递的表面，因为热量也能够通过导热结构从外壁导入内壁中。内壁能够有利地通过限定环形空间的壁表面向空气排放热量。此外可行的是将热量排出至燃烧器尖部的剩余部分中，其中，所述燃烧器尖部由此均匀地升温。以此方式能够降低内壁和外壁之间的热应力，这附加地有助于延长使用寿命。

按照本发明的一种特别的设计方案可以规定，导热结构与内壁和外壁设计成一件式或者说设计在一个部件中。由此能够有利地改善导热结构和内壁之间的热传导，从而进一步有利地提高降低对外壁的热载荷的已经描述的效果。此外，以此方式有利地产生了外壁和内壁之间在机械上特别稳定的结合。

例如可以通过以可熔型芯的铸造实现制造。然而按照上述技术问题的一种解决方案特别有利的是，使用增材式制造方法进行制造。在此能够将外壁、导热结构和内壁制造成一体件，其中，增材制造也能够有利地实现在几何上复杂的、具有对于热传递有利的大表面的结构。

按照本申请，增材制造法应当理解为在制造期间向构件增添用于制造所述构件的材料的方法。构件在此已经形成其最终的外形或者至少接近该外形。构造材料优选是粉末状的，其中，通过增材制造法在引入能量的情况下物理地固化用于制造构件的材料。

针对选择的增材制造法，编辑描述所述构件的数据(cad模型)，以便能够制造构件。为了为制造设备生成指令，将所述数据转化为与制造方法适配的构件数据，由此能够在制造设备中进行用于逐步地制造构件的适宜的工艺步骤。为此这样编辑数据，从而为构件的需要分别制造的层(slices，片层)提供几何数据，这也被称为切片(slicen)。

作为增材制造法的示例可以列举出选择性激光烧结(selectivelasersintering，也称为sls)、选择性激光熔化(selectivelasermelting，也称为slm)、电子束熔化(electronebeammelting，也称为ebm)、激光粉末堆焊(也称为激光金属沉积，lasermetaldeposition，lmd)或者冷气喷注(也称为冷气动力喷涂，gasdynamiccoldspray，gdcs)。这些方法尤其适用于加工形式为粉末的、能够用于制造结构构件的金属材料。

在slm、sls和ebm中逐层地在粉末床中制造构件。因此这些方法也称为基于粉末床的增材制造法。在粉末床中分别产生粉末层，接着通过能量源(激光或者电子束)在应当产生构件的区域中局部地熔化或者烧结所述粉末层。由此逐渐地逐层产生构件并且能够在制造完成之后从粉末床中取出所述构件。

在lmd和gdcs中，将粉末颗粒直接输入应当进行材料涂覆的表面上。在lmd中，粉末颗粒通过激光直接在表面上的撞击部位熔化并且在此形成待制造的构件的层。在gdcs中，粉末颗粒被强烈地加速，从而使所述粉末颗粒主要由于其动能在同时变形的情况下保持附着在构件的表面上。

gdcs和sls具有共同的特征，即粉末颗粒在这些方法中未完全熔化。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，在粉末颗粒的边缘区域中进行最高程度的熔化，所述粉末颗粒能够由于强烈的变形在其表面上熔接。在sls中，在选择烧结温度时注意使所述烧结温度低于粉末颗粒的熔化温度。与之相对地，在slm、ebm和lmd中，有意地使能量输入的量高至使得粉末颗粒完全熔化。

对于导热结构在几何上的设计，有多种适于增大外壁的朝向环形空间的壁面的几何形状可供使用。可以考虑的例如是肋或者粒结或者按照本发明的一种特别的设计方案是柱状的连接桥，所述连接桥将外壁和内壁相互连接。所述连接桥在横截面中可以圆形、椭圆形地或者也可以有棱角地构造。所述横截面也可以在其从外壁向内壁的延伸中变化地构造。

柱状的连接桥由此在环形空间中构成了列柱大厅式的结构，所述列柱大厅式的结构一方面确保了高的机械稳定性并且另一方面确保了用于向在空气通道系统中导引的空气进行热传递的大的表面。

按照本发明的一种特别的设计方案可以规定，连接通道在连接桥的内部延伸，所述连接通道以其一个端部通入环形空间中并且以其另一个端部导引穿过外壁。由此产生了用于空气的附加的连接结构，因此也可以将连接通道理解为空气通道系统的部分。空气由此通过多个连接通道导引至燃烧器尖部的由外壁的外侧壁面构成的表面上，并且在那里构成围绕燃烧器尖部的起保护作用的空气罩。尽管空气在从连接通道中排出之后已经由于吸收外壁的热量被加热，然而在燃烧过程期间，燃烧器尖部的周围环境中的温度水平更高，因此能够通过空气罩实现附加的冷却效果。按照本发明的另一种设计方案，如果外壁配设有将环形空间直接与燃烧器尖部的周围环境连接的并且因此同样可以理解为空气通道系统的部分的通孔，则也能够实现所述冷却效果。所述通孔也可以与已经提到的连接通道共同使用。

有利的是，外壁的至少一部分漏斗形地构造。尤其可行的是锥形的构造，然而也可以考虑的是弯曲的、朝向燃烧器尖部逐渐缩窄靠拢的壁走向。尤其在用于空气的连接通道或者通孔设置在外壁中时，流出的空气在燃烧器尖部的漏斗状、尤其是锥形的外轮廓上有利于流动地分布，以便在燃烧器尖部的直接的周围环境中形成起保护作用的空气罩。

按照本发明的一种设计方案规定，与外壁对置的内壁的至少一部分漏斗状地、尤其是锥形地构造。这具有的优点在于，使位于内壁和外壁之间的环形空间能够均匀地被空气流动穿过并且尤其是柱状的连接桥基本上也具有相同的长度并且由此具有类似的热学特性。因此整个燃烧器尖部能够有利地相对均匀地受热或者说升温。

设计为柱状的连接桥的导热结构可以有利地在其与外壁的连接位置上垂直于所述外壁定向。由此能够在外壁和内壁之间产生尽可能短的连接，以便也将部分热量传导至内壁中。此外，导热结构也可以布置在环形空间中的同心圆上，其中，这要求环形空间在径向上提供了足够的结构空间。通过所述布置结构能够在环形空间中有利地产生空气的均匀流动，所述流动的走向尤其中心对称地定向。

按照本发明的一种进一步的设计方案规定，作为空气通道结构的一部分的中央空气通道在燃烧器尖部中延伸，并且该中央空气通道通过开口与环形空间连接。空气由此从中央空气通道通过同样是空气通道结构的一部分的开口导入环形空间中，其中，开口也可以在周向上均匀地分布，以便确保空气均匀地流动通过环形空间。

按照本发明的另一种设计方案可以规定，中央空气通道导引向燃烧器尖部中的中央排出开口。可以在该通道中布置其它的具有喷嘴的喷管，通过在喷管和空气通道以及中央排出开口之间留出空气间隙，能够在所述空气间隙中形成空气流。该空气流产生对燃烧器尖部和喷管的附加的热学保护，因为流动通过中央排出开口的空气比在围绕燃烧器尖部的燃烧室中的燃烧温度更低。

此外有利的是，多个燃料通道导引穿过环形空间，所述燃料通道是燃料通道的一部分，其中，这些燃料通道与外壁中的燃料开口连接。这些燃料开口可以有利地均匀地分布在燃烧器尖部的外周上，从而使燃料均匀地导入并且分布在流动的空气中。燃烧器尖部的热载荷也通过燃料由此更均匀的燃烧而更均匀地形成，由此避免了不对称的热载荷峰值。

此外有利的是，燃料通道与包围中央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一部分。燃料能够以此方式均匀地输入所有燃料通道中，由此使在不同的燃料开口处释放的燃料的量也是均匀的。优点在于燃料的均匀燃烧和燃烧器尖部的均匀的热载荷。

以下根据附图阐述本发明的其它细节。仅在各个单独附图之间的区别是如何产生的这个范围内对相同或者相应的附图元素进行多次地阐述。在附图中：

图1在剖视图中示出了燃烧器的示意性的结构，在所述燃烧器中安装有按照本发明的燃烧器尖部的实施例，

图2在剖视图中示出了按照本发明的燃烧器尖部的实施例，

图3示出了按照图2的局部区域iii-iii，

图4在剖视图中示出了按照本发明的燃烧器尖部的另一个实施例，并且

图5以局部视图示出了按照本发明的方法的实施例。

在图1中示出了燃烧器11，所述燃烧器具有外壳12，用于空气的主通道13构造在所述外壳中。外壳13围绕对称轴14对称地构造并且在主通道13的中央具有燃烧器喷管15。燃烧器喷管15通过连接条16固定在主通道13中。此外，导流叶片17在燃烧器喷管15和外壳12之间延伸，所述导流叶片向空气施加围绕对称轴14的涡旋，所述涡旋能够从标示的空气箭头18看出。

燃烧器喷管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空气通道20供给空气21并且通过围绕空气通道20布置的环形通道22供给燃料23。燃料23可以是气态的或者液态的。空气21和燃料23通过燃烧器尖部中的未详细示出的开口排出并且因此与来自主通道13的空气流混合。空气21在此冷却燃烧器尖部19(对此在以下还将更多地阐述)。燃烧器11遵循点火燃烧器(pilotbrenner)的作用原理。所述燃烧器例如可以安装在燃气轮机的未详细示出的燃烧室中，其中，所述燃烧室在这种情况下构成燃烧器尖部的周围环境30。在空气通道21中还可以布置用于喷入另一种燃料的燃料喷管(未示出)，空气穿过所述燃料喷管被压向进入锥状外表面中的出口。

图2在剖面中示出了按照本发明的燃烧器尖部19。可以看出的是沿着对称轴14延伸的中央空气通道20，所述空气通道导引向燃烧器尖部上的排出开口24。此外，空气通道20在侧壁中具有开口25，所述开口将空气通道20与环形地围绕所述空气通道的环形空间26连接。空气以此方式也到达环形空间中，所述环形空间是构造在燃烧器尖部19中的空气通道结构的一部分。

空气在环形空间中围绕导热结构27流动，其中，所述导热结构构造为柱状的连接桥或者说连接条，所述连接桥将环形空间的外壁28与环形空间26的内壁29连接。外壁28相对于燃烧器尖部19的周围环境30限定了环形空间26并且内壁29相对于中央空气通道20限定了环形空间26。开口25由此位于内壁29中。

在外壁28中设置有通孔31，空气由此能够从环形空间26逸出至周围环境30中。此外导热结构27能够在其内部具有带开口的连接通道32，空气能够通过所述开口进入环形空间的内部并且能够在连接结构中向燃烧器尖部19的周围环境30导引。由此实现了附加的表面积增大，从而能够尽可能快地从导热结构27向空气放出热量。通过外表面上的多个通孔和连接通道在外壁28上产生了起冷却作用的空气罩，所述空气罩使来自周围环境30的燃烧热的热传递变慢。为了辅助该空气罩的形成，外壁28设计成锥形。内壁29也构成锥形，因此环形空间26在该区域中具有恒定的高度。形式为柱状的连接桥的导热结构27由此构成锥形的列柱大厅结构，其中，所述连接桥垂直于外壁28和内壁29。在图2中同样表明了位于附图平面之后的柱。

环形通道22通入多个分布在周向上的燃料通道33中。所述燃料通道将液态的或者气态的燃料向燃料开口34导引，所述燃料开口同样布置在外壁28的锥形的区域中。在按照图2的视图中设置有奇数个燃料通道33，因此所述燃料通道仅在一侧被剖切地示出。此外，这也适用于导热结构27。

从图3中可以看出，导热结构27在环形空间26中布置在假想的同心圆35上。由此产生有利于流动的布置结构。与图2所示不同的是，按照图3的导热结构27在同心圆35上错开地布置。由此在环形空间中更频繁地迫使空气变换方向并且能够由此从导热结构27吸收更多热量。

按照图4的燃烧器尖部19与按照图2的燃烧器尖部19类似地构造。以下仅阐述不同点。导热结构27同样设计为柱状的连接桥，所述连接桥连接外壁28和内壁29并且与所述内壁和外壁制造成一体件。然而导热结构27设计得更纤细并且不具有连接通道。为此在外壁中设置有更多通孔31，由此辅助在燃烧器尖部19的外部形成封闭的空气罩。

此外，连接结构比在图2中更密集并且不具有恒定的横截面。在从外壁28向内壁29的延伸中，导热结构在其横截面中向环形空间26的中央缩窄靠拢并且随即朝向内壁29的方向重新扩宽。通过横截面的缩窄能够影响从外壁28向内壁29的热传递。此外，通过缩窄靠拢也可以在导热结构数量较大时为流动的空气提供足够的容积。

图5局部地示出了如何能够用激光束37通过激光熔融制造按照图2或者图4的构件。示出的是粉末床36的局部区域，在所述局部区域中正在制造外壁28的部分、内壁29的部分和导热结构27的部分。导热结构27设计为具有按照图4的横截面变化的柱状的连接桥，其中，也制造按照图2的连接通道32。在制造完成结构之后必须将粉末从构造在环形空间26中的、构成了空气通道系统的型腔中移除。这可以通过抽吸、振动或者吹出实现。