烧嘴喷枪；用于制造该烧嘴喷枪的方法和燃气涡轮组件与流程

相关申请的交叉引用

本专利申请要求享有于2018年11月26日提交的欧洲专利申请号18208409.5的优先权，其全部公开内容在此通过引用并入。

本发明涉及一种用于发电厂的燃气涡轮的烧嘴喷枪(burnerlance)，其中该烧嘴喷枪设有用于喷射油(或液体)燃料的至少一个喷嘴，优选地设有用于喷射油燃料、气体燃料和载气(carrierair)的多个喷嘴。通常，至少一个油燃料喷嘴是在上述烧嘴喷枪的尖端处获得的。然而，根据本发明，可在尖端的上游部分中提供至少一个油燃料喷嘴，以允许更好地预混合所喷射的油燃料。

此外，本申请涉及一种用于制造该烧嘴喷枪的方法以及一种燃气涡轮组件。该燃气涡轮组件可沿主气流设有单个燃烧级或串联的两个燃烧级。在该最后一种燃气涡轮中，燃烧器部段包括第一烧嘴或预混烧嘴，以及第二烧嘴或再热烧嘴，其中第一烧嘴优选地设有根据本发明的上述烧嘴喷枪。

背景技术：

如已知的，用于发电站的燃气涡轮(在下文中仅燃气涡轮)包括设有上游压缩机区段、燃烧器区段和下游涡轮区段的转子。用语下游和上游是指穿过燃气涡轮的主气流的方向。具体而言，压缩机包括供给以空气的入口，以及压缩经过的空气的多个叶片。离开压缩机的压缩空气流入气室(plenum，有时也称为增压室)，即封闭容积，并从那里进入燃烧器。在燃烧器内，压缩空气与至少一种燃料混合。燃料和压缩空气的混合物流入燃烧器内的燃烧室，在该处，该混合物燃烧。所得的热气体离开燃烧器，且在涡轮中膨胀来在转子上做功。

为了实现高效率，需要高涡轮入口温度。然而，由于此高温，故生成高nox排放。

为了减少这些排放并提高操作灵活性，如今已知执行连续燃烧循环的特定类型的燃气涡轮。

大体上，连续燃气涡轮包括串联的两个燃烧器，其中每个燃烧器设有相对的烧嘴和燃烧室。遵循主气流方向，上游燃烧器称为“预混”燃烧器，且由压缩空气进给。下游燃烧器称为“连续”或“再热”燃烧器，且由离开第一燃烧室的热气体进给。根据第一类型的连续燃气涡轮，两个燃烧器由称为高压涡轮的涡轮叶片级物理地分离。

遵循主气流，该第一类型的连续燃气涡轮包括压缩机、第一燃烧器、高压涡轮、第二燃烧器和低压涡轮。压缩机和两个涡轮可连接至公共转子，其围绕轴线旋转且由同心壳包绕。

如今已知未设有高压涡轮的第二类型的连续燃气涡轮，并且其中燃烧器部段包括围绕涡轮轴线布置成环的多个筒形燃烧器。每个筒形燃烧器设有预混器(premix)和直接布置在另一个下游的再热燃烧器。每个筒形燃烧器还设有过渡管，该过渡管布置在第二燃烧室下游，用于将离开燃烧器的热气体朝涡轮、具体是朝涡轮的第一导叶引导。

通常，预混器或第一烧嘴包括旋流器，即构造成使进入的燃烧空气成旋流的第一烧嘴的装置或框架部分。此外，预混器或第一烧嘴包括相对于旋流器居中布置的喷枪(或燃料引燃系统)。该喷枪包括设有多个喷嘴的尖端，所述喷嘴构造成用于在旋流的燃烧空气中喷射液体燃料、气体燃料和载气。鉴于以上，在烧嘴喷枪内获得多个通道，用于向不同的喷嘴供给液体燃料、气体燃料和载气。用于制造烧嘴组件的已知方法需要复杂的机加工和组装操作，并且不够灵活且不具有成本效益。具体而言，通过已知方法可获得的形状受到限制。而且，通过已知方法获得的烧嘴组件具有需要大量材料的较重结构。

为了克服这些制造问题，如今已知使用增材制造方法来制造烧嘴喷枪。实际上，这些制造方法允许实现复杂的设计。

然而，通过增材制造方法生产的烧嘴喷枪涉及其它缺点。实际上，通过增材制造方法制造的构件公开了相比通过机加工方法(例如，放电机加工方法)所制造的相同构件的更高的表面粗糙度。因此，使用增材制造方法不允许在燃烧室中获得高质量的燃料喷射(具体是液体燃料喷射)。换句话说，来自增材制造方法的液体喷嘴的内壁的高表面粗糙度就控制的喷雾图案而言，无法允许达到所需的液体燃料喷射的良好质量。相反，当今需要高质量的液体燃料喷射，以实现低要求的排放并减少用于限制排放水平的所需的nox水添加量。为了克服该问题，一种解决方案可为首先通过增材制造方法来实现喷枪，且然后再对液体喷嘴的内壁进行机加工以局部地再现所需的低表面粗糙度。然而，该解决方案不容易执行，因为要机加工的部分(即喷枪尖端内的液体喷嘴的内壁)无法从外部进入。用于改善液体喷嘴的内壁的表面粗糙度的一个备选解决方案可在于使研磨液在通道内预先流动。然而，该研磨过程不能局限于液体喷嘴的内壁，且因此研磨液将改变整个喷枪的整体流动特性。

技术实现要素：

因此，本发明的主要目的在于提供一种适于克服现有技术的缺点的烧嘴喷枪和一种制造该烧嘴喷枪的方法。具体而言，本发明的目的在于提供一种烧嘴喷枪，该烧嘴喷枪一方面通过增材制造方法制成，且另一方面允许保证液体燃料喷射的高质量。

如已知的，烧嘴喷枪在空气、液体燃料和气体燃料的供应组件和尖端之间延伸。尖端和/或尖端的上游部分设有至少一个液体喷嘴，优选地设有多个气体喷嘴、液体喷嘴和空气喷嘴。在烧嘴喷枪内部，提供了液体燃料管，用于将液体喷嘴与供应组件相连。在存在空气和气体喷嘴的情况下，烧嘴喷枪设有将气体喷嘴与供应组件连接的气体燃料管，以及将空气喷嘴与供应组件连接的空气管。根据本发明的主要方面，每个液体喷嘴都设有通过机加工方法(例如，放电机加工方法)实现的喷嘴插入件，而烧嘴喷枪的所有其余部分通过增材制造方法实现(例如通过slm)。具体而言，通过将喷嘴插入件装配在第一增材制造步骤期间获得的喷枪尖端处的相对座中的中间步骤，将增材制造方法的两个顺序步骤分开。

利用用语“喷嘴插入件”，是指以成形套筒的形式的插入件，其中外表面构造为与上述座配合，并且其中内表面成形为再现期望的液体燃料喷射喷雾图案。

换句话说，所提出的发明提供了一种混合解决方案，具有通过增材制造方法(即在喷枪内部产生复杂设计)和机加工方法(即在液体喷嘴的内壁的低表面粗糙度方面较高的表面质量)提供的优点。实际上，喷嘴插入件的机加工内表面允许达到所喷射的液体燃料的理想(受控)喷雾图案。另外，本发明允许在安装在喷枪中之前对喷嘴插入件进行预检查。因此，提高了生产率。

而且，利用用语烧嘴喷枪，也可指喷枪的从尖端开始的有限部分，而不是指从尖端到供应组件的整个喷枪。喷嘴插入件的高度、即插入件在尖端内部的延伸可变化，并且取决于所需的喷射喷雾。例如，插入件可通过edm(放电机加工)来实现，而喷枪的其余部分可通过slm(激光选择性熔化)来实现。

优选地，喷嘴插入件和烧嘴喷枪的所有其余部分由相同或相似的材料制成，以便避免不同的热膨胀。例如，喷嘴插入件和烧嘴喷枪的所有其余部分可由镍基合金(例如，hastelloy-x)制成，或可由不锈钢制成(优选地在较低温度的应用中，如e系涡轮燃烧器)。

即使不是严格需要，也可提供机械锁定装置，以防止插入件从相对座的任何掉落。

如上所述，燃料喷嘴可设在喷枪的尖端或尖端的上游部分处。这后一种情况允许在喷射的液体燃料和到来的涡旋空气之间进行更好的混合。

根据本发明的用于制造烧嘴喷枪的方法包括以下步骤：

a)提供通过机加工方法生产的至少一个喷嘴插入件，其中喷嘴插入件构造成用于实现具有喷射喷雾图案的液体燃料喷射；

b)从尖端开始直到达到的中间构造高度增材制造烧嘴喷枪的第一部分，其中在每个液体喷嘴处获得贯穿开口，其具有适合于容纳喷嘴插入件的尺寸；

c)将喷嘴插入件装配在在先前步骤b)期间在液体喷嘴处实现的每个贯穿开口处；

d)增材制造烧嘴喷枪的其余部分，其中用于该步骤的第一添加层的基部是在步骤b)中实现的烧嘴喷枪的内部，其设有根据步骤c)的喷嘴插入件。

假如在喷枪尖端处获得液体喷嘴，则中间构造高度对应于喷嘴的高度。假如喷枪尖端的上游部分处获得液体喷嘴，则通过第一添加步骤实现的尖端的第一层未设有任何贯穿开口。

优选地，在步骤b)和c)之间，该方法可包括机加工贯穿开口的步骤，以改善与喷嘴插入件的联接。

优选地，在步骤c)和d)之间，该方法可包括研磨用于增材制造步骤d)的基部以改善边界界面的步骤。

本发明还涉及一种用于发电厂的燃气涡轮，其中该燃气涡轮具有轴线并遵循气体流动方向包括：

-用于压缩环境空气的压缩机区段，

-用于将压缩物与至少一种燃料混合并燃烧的燃烧器区段

-用于扩大离开燃烧器的燃烧热气流并在转子上执行功的至少一个涡轮区段；

其中燃烧器包括设有根据本发明的烧嘴喷枪的至少一个燃烧器。因此，根据本发明，燃气涡轮可包括单个燃烧器级或两个连续的燃烧器阶段。

优选地，燃烧器区段包括多个筒形燃烧器，其中每个筒形燃烧器串联地容纳第一烧嘴和第二烧嘴，第一烧嘴设有根据本发明的烧嘴喷枪。

附图说明

在适当参照附图来仔细阅读详细描述之后，本发明的其它益处和优点将变得清楚。

然而，可通过参照本发明的以下详细描述来最佳地理解本发明本身，其连同附图描述了本发明的一个示例性实施例，在附图中：

-图1是用于发电厂的燃气涡轮的示意图，其可设有根据本发明的烧嘴喷枪；

-图2是用于发电厂的燃气涡轮的筒形燃烧器的示意图，其与预混器和再热烧嘴串联设置，其中该预混烧嘴可设有根据本发明的烧嘴喷枪；

-图3是根据本发明的可设有烧嘴喷枪的烧嘴的示例的示意性透视图，其中为了清楚起见以截面显示且部分移除；

-图4是根据现有技术的烧嘴喷枪的示意性透视图，其中为了清楚起见以截面显示且部分移除；

-图5是根据本发明的烧嘴喷枪的示例的示意性透视图，其中为了清楚起见以截面显示且部分移除；

-图6a-6c是根据本发明的用于制造烧嘴喷枪的制造步骤的示意图；并且

-图7是一个实施例的示意图，其中燃料油喷嘴未设在喷枪尖端处，而是在沿喷枪的尖端的上游部分中；并且

-图8是根据本发明的烧嘴喷枪的一个备选实施例的示意图。

具体实施方式

与附图结合，本发明的技术内容和详细描述在下文中根据优选实施例描述，不用于限制其执行范围。根据所附权利要求书制作出的任何等同的变型和改型所有都由通过本发明要求保护的权利要求书覆盖。现在将参照附图来详细描述本发明。

现在参看图1，其是用于发电站的燃气涡轮的示意图，其可设有根据本发明的烧嘴喷枪。具体而言，图1公开了具有轴线9、且包括压缩机区段2、燃烧器区段4和涡轮区段3的燃气涡轮1。如已知的，环境空气10进入压缩机区段2，且压缩空气离开压缩机区段2并进入气室16，即由外壳17限定的容积。压缩空气从气室16进入燃烧器区段，该燃烧器区段包括至少一个烧嘴5，在其处压缩空气与至少一种燃料混合。该混合物然后在燃烧室6中燃烧，且所得的热气体15在向下游连接至涡轮3的过渡管7中流动。如已知的，涡轮3包括由导叶载体14支承的多个导叶12，即，定子叶片，以及由转子8支承的多个叶片13，即，转子叶片。在涡轮3中，热气体膨胀来在转子8上做功，且以排出气体11的形式离开涡轮3。

现在参看图2，其为筒形燃烧器的示意图。实际上，图1的燃烧器区段4可以以围绕轴线9成环布置的多个筒形燃烧器的形式实现。根据图2的示例，筒形燃烧器4容纳在外壳17的相对门户孔(portalhole)中，该外壳17限定了气室16，在该气室16处压缩空气由压缩机2输送。筒形燃烧器4具有轴线24，并沿气流m串联包括第一燃烧器或预混燃烧器18，以及第二燃烧器或再热燃烧器19。具体而言，第一燃烧器18包括第一或预混烧嘴20，以及第一燃烧室21。再热燃烧器19包括再热烧嘴22和第二燃烧室23。根据图2的实施例，燃料由中心燃料喷枪25供给到再热烧嘴。在第二燃烧室23下游，筒形燃烧器4包括用于将热气流引导至涡轮3的过渡管26。如前所提及的，图2的实施例仅是可设有根据本发明的喷枪的燃气涡轮的一个非限制性示例。

现在参看图3，其公开了可应用于图2的筒形燃烧器中的预混烧嘴20的一个示例。该预混燃烧器20包括沿纵向轴线a延伸的烧嘴喷枪30和绕烧嘴喷枪30延伸的圆锥形旋流器31。烧嘴喷枪30和旋流器31联接至供应组件(仅示意性地由参考标记32表示)，该供应组件连接至相应的供应回路(未示出)。烧嘴喷枪30设有供应有气体燃料的气体燃料管33、供应有空气的空气管34以及供应有液体燃料的液体(或油)燃料管35。烧嘴喷枪包括设有与气体燃料管33连接的多个气体喷嘴、与液体燃料管35连接的多个液体喷嘴、以及与空气管34连接的多个空气喷嘴的尖端。

图4公开了图3的喷枪尖端27的放大图，其中气体喷嘴、液体喷嘴和空气喷嘴分别由参考标记36、37和38表示。如所示，喷枪端尖端27优选地具有基本上圆形的截面，并设有边缘39和端表面40，该端表面由相应的端壁41限定并且优选地是平坦的。优选地，端壁41配置为用于在边缘39和与空气导管34连通的端壁41之间留下至少一个间隙42。气体喷嘴36沿第一圆形路径在边缘39上基本等距地间隔开布置。在此处描述和示出的非限制性示例中，气体喷嘴36是八个。空气喷嘴38成组布置，优选地成四组，每组包括五个空气喷嘴。空气喷嘴38组沿第二圆形路径在端尖端27的端表面40上等距地间隔开。优选地，第二圆形路径布置在第一圆形路径内侧。液体喷嘴37优选地在间隙42中沿第二圆形路径大致等距地间隔开布置。具体而言，液体喷嘴37布置在端表面40的凹部中，在空气喷嘴38组之间。端尖端27还包括多个冷却喷嘴43，其供给有空气导管34的空气。这些冷却喷嘴43在端表面40上沿第三圆形路径大致等间距地间隔开布置。优选地，第三圆形路径布置在第二圆形路径的内部。冷却喷嘴43优选地限定在端壁41中获得的各个冷却通道44的出口开口。这些冷却通道44在端壁41内部延伸，以便冷却端壁41本身。以此方式，控制端尖端27的温度。烧嘴喷枪且具体是图4中所示的烧嘴喷枪27仅仅是可通过增材制造方法实现的复杂设计的一个示例。实际上，喷嘴的位置和数量可与附图中所示的非限制性公开实施例不同。这里的“增材制造方法”的定义是指使用逐层构造或增材制造的所有快速制造技术。该定义包括但不限于选择性激光熔化(slm)、选择性激光烧结(sls)、直接金属激光烧结(dmls)、3d打印(如通过喷墨和激光喷墨)立体光刻、直接选择性激光烧结(dsls)、电子束烧结(ebs)、电子束熔化(ebm)激光工程净成形(lens)、激光净成形制造(lnsm)和直接金属沉积(dmd)。在下文中，用语“层”意指以根据所使用的增材制造技术的形式的材料层(大约在20-40μm之间)。如已知的，通过增材制造方法制造图4的喷枪的方法包括以下步骤：

-确定要制造的喷枪的三维信息；

-将三维信息转换为多个横截面层；

-通过添加从尖端朝供应组件开始的预先限定的每个横截面层来形成喷枪2。

增材制造方法的使用可仅限于喷枪尖端或仅从尖端开始的喷枪的有限部分。

现在参看图5，其公开了类似于图4中公开的尖端的喷枪尖端。实际上，图4和图5的两个喷枪都是通过增材制造方法实现的，该方法从自由端开始朝向供应组件(即，根据图5中由箭头i所示的构造方向)。然而，根据本发明，图5的每个液体喷嘴37都设有以先前制造的机加工体的形式的插入件45。具体而言，该插入件的形状构造成使得可在外部容纳在液体燃料管35的最后部分(即，液体燃料管的从端表面40开始的有限部分)中。由于插入件是通过常规的机加工方法制成的，因此插入件本身的内表面的表面粗糙度非常低(例如，粗糙度ra小于1µm)，并且这种低的表面粗糙度允许实现燃烧室中喷射的液体燃料的完美(受控)喷雾图案。通过增材制造方法实现的相同喷嘴几何形状具有在6到20µm之间的粗糙度ra。

图6a-6c公开了根据本发明的方法的步骤，其用于制造如图5所示的喷枪或喷枪尖端，即通过增材制造方法实现的具有多个液体喷嘴的喷枪尖端，其中每个液体喷嘴设有预先通过机加工方法实现的插入件。图6a中示意性所示的该方法的第一步骤是通过增材制造方法从端表面40开始生产喷枪尖端的一部分。为了清楚起见，图6a中表示的尖端部分已经限于在液体燃料喷嘴周围的尖端的小部分。根据该方法的第一步骤，通过使用增材制造方法来实现喷枪尖端的一部分，其中该尖端通过垂直于构造方向i的多层叠加(superposition)来实现(也在图5中示出)。然而，根据本发明，增材制造的该步骤停止在图5和图6中以参考标记46表示的特定构造高度上。在该步骤结束时，每个液体喷嘴37都包括由液体管35的第一部分限定的贯穿开口。一旦在上面提到的构造高度46上停止增材制造步骤，就在贯穿开口中装配插入件45，其中插入件45的内表面构造成用于实现液体燃料的受控喷雾图案。如前所解释的，插入件是事先通过允许达到非常低的表面粗糙度的机加工方法生产的。因此，该方法的第二步骤(在图6b中示意性地示出)包括将插入件装配在在第一步骤中实现的液体喷嘴37的贯穿开口中的步骤。一旦插入件已经装配到座上，该方法包括以下步骤：重新开始以沿方向i的增材制造方法，直到尖端或喷枪完成。图6c示意性地公开了该方法结束时的液体喷嘴37，其中插入件45侧向容纳在第一步骤期间实现的第一本体47中，公开了端表面处的自由端，以及最后步骤中实现的与第二本体48联接的相对端。由于第一本体和第二本体是由相同的材料并通过使用相同的增材技术实现的，因此实际上第一和第二是彼此一体的，且因此插入件可安全地就位。在任何情况下，每个液体喷嘴可设有附加的机械锁定装置(在图6c中以参考标记49示意性地表示)，用于将插入件锁定就位。根据本发明，前面提到的并且指代用于喷嘴插入件的座的用语“贯穿开口”并不必然意味着圆柱形孔。例如，如图8中所公开的，贯穿开口可在端表面40上设有邻接台阶50，其构造成用于与在喷嘴插入件45中获得的相应台阶相联接。与上面的邻接台阶50的这种联接可认为是图6中公开的机械锁定装置49的备选方案。

最后，图7公开了根据本发明的实施例的示意图，其中两个燃料油喷嘴未设在喷枪尖端处，而是在尖端的沿喷枪的上游部分中。在该示例中，油燃料喷嘴相对于喷枪轴线倾斜。如在本申请的前一章(发明内容章)中所提到的，油燃料嘴在尖端的上游部分中的位置允许在旋流流动的空气中更好地混合喷射的燃料。根据该示例，无需任何贯穿通道即可实现slm生产的第一层。

尽管已关于如上文提到的一个或多个其优选实施例阐释了本发明，但将理解的是，可制作出许多其它可能的改型和变型，而不脱离本发明的范围。因此，可构想出的是，一项或多项所附权利要求将覆盖落入本发明的真正范围内的此类改型和变型。