在基板中具有冷却通道的喷射燃烧器的制造方法
【技术领域】
[0001]在现代燃气轮机燃烧系统中，局部的热气温度有时超过具有隔热层的超合金的允许的温度，因此附加的冷却是必需的。
[0002]因此，本发明涉及喷射燃烧器的喷嘴承载件的冷却。
【背景技术】
[0003]在燃烧器的下游燃料在喷射火焰中燃烧的喷射稳定的燃烧系统与涡流稳定的系统相比具有简单的预混合区。因为燃烧器中的压差仅转换成轴向速度分量，所以所述燃烧器的特征在于小的回火趋势，因此具有较高的氢份额的较高反应性的燃烧混合物也能够借助所述燃烧器燃烧。
[0004]此外，在喷射稳定的燃烧系统中，不产生涡流引起的漩涡结构，所述漩涡结构能够造成火焰不稳定。例如US 2010/0300104 Al公开了这种喷射稳定的燃烧系统。为了容纳预混合通道，需要所谓的“Jet Carrier"(喷嘴承载件)，所述喷嘴承载件根据结构类型具有不同数量的能够同心地设置在一个或多个环上的喷嘴。
[0005]喷嘴承载件通常由实心的锻造材料制成，这是非常昂贵的、但是对于样机设计是有利的，因为这样可相对简单地制造所述喷嘴承载件。此外，在喷嘴承载件的热气侧上，由于在喷嘴承载件中的空气和喷嘴承载件之间的良好的机械特性和良好的热传递，不需要冷却。
[0006]由于喷嘴承载件当前通过锻造例如由镍合金制成，对必需的孔的加工是耗费的，构造方式是实心的进而重量也是高的，此外，构件几何形状受制造方法限制。据此，得出对于具有部分不可实现的特征的构件的非常昂贵的制造。至少成本非常高的是，将附加的特征或特点、如冷却或冲洗通道引入到喷嘴承载件中。
[0007]由于成本原因也不考虑批量生产。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是，改进所述喷射燃烧器，使得能够使制造成本最小化并且能够集成附加的有利地影响燃烧系统的运行的设计特征。
[0009]根据本发明，所述目的通过根据权利要求1的设备来实现。本发明的有利的改进形式在从属权利要求中限定。与实心结构方式的情况相比，能够明显性价比更高地制造迄今的喷嘴承载件，这通过一种喷射燃烧器来实现，所述喷射燃烧器具有在运行中朝向燃烧室的热气侧和背离燃烧室的冷气侧，所述喷射燃烧器包括基板，在所述基板上设置有多个喷射喷嘴，其中基板具有至少一个冷却通道，至少一个冷却通道通到燃烧器级中，所述燃烧器级包括设置在基板上的引燃器。
[0010]只有通过主动的冷却，能够将性价比更高的材料用于喷嘴承载件以补偿通过较轻的构造方式而丧失的机械的负荷能力。在此，冷却通道能够是多个冷却通道中的一个，或者但是也能够是一种空心腔，所述空心腔几乎在基板的整个面积之上延伸并且由冷却空气穿流。
[0011]例如通过隙透冷却进行的主动的冷却不利地影响NOx排放，因为朝向火焰前端的空气质量流减少。由此，火焰温度进而NOx排放局部地提高。这通过下述方式避免:根据本发明，至少一个冷却通道通到燃烧器级中，由此冷却空气不再简单地仅输出到燃烧室中。
[0012]在此重要的是，燃烧器级包括设置在基板上的引燃器。所述引燃器与主燃烧器的喷射喷嘴相比能够在较小的压力损耗下运行。
[0013]尤其有利的是，燃烧器级由设置在基板上的引燃器构成，并且引燃器运行所需要的空气能够从冷却通道输送，即引燃器直接地并且仅仅经由冷却通道由必需的空气供给，并且确保朝向火焰前端的均匀的空气质量流。
[0014]有利的是，基板在热气侧具有隔热层(thermal barrier coating)，由此在燃烧器运行时或在需要冷却时的材料温度降低。
[0015]在本发明的一个有利的实施方式中，至少一个冷却通道能够经由基板的环绕的边缘上的开口加载有冷却空气。
[0016]在本发明的一个替选的有利的实施方式中，至少一个冷却通道能够经由基板的冷气侧上的开口加载有冷却空气。
[0017]在本发明的另一个有利的实施方式中，至少一个冷却通道能够经由在包围喷射喷嘴、连接于基板的壁部中设置的、朝向喷射燃烧器的冷气侧敞开的并且通到基板中的冷却空气管道加载。
[0018]如果冷却通道构成为一种空心腔，那么死水区域能够在由冷却空气环流的预混合通道之后构成。在该区域中，基板通过冷却空气的热传递或冷却减小。为了避免或者至少最小化在喷射喷嘴之后的死水区域，能够将用于提高热传递的或引流的元件引入到流动路径中。例如，冷却通道在基板中能够具有转向板(spoilers)或漩涡生成器、如肋片或相似的小的凹部(dimples)。
[0019]在一个有利的实施方式中，至少基板是铸造件。由现有技术中的锻造法造成的限制能够通过使用铸造工艺以对喷嘴承载件进行造型来最小化。所述工艺的应用允许制造接近最终轮廓的坯件，所述坯件必须细微加工成最终轮廓。例如，孔能够通过使用型芯已经在铸造工艺中显示出，这节约体积和质量。此外，借助铸造法能够实现较复杂的几何形状。由此，能够将附加的功能引入到构件中进而改进构件特性。构件几何形状的通过铸造工艺能够实现的灵活性在充分优化冷却的情况下降低构件的运行温度，使得替代镍基合金能够使用更低成本的铸钢材料。此外，能够根据应力来设计构件。
[0020]有利地，铸造件还包括喷射喷嘴，所述喷射喷嘴形成主燃烧器。所述喷射喷嘴能够在铸造基板时直接一起铸造。
[0021]在一个替选的实施方式中，基板是板结构。借助该解决方案，与具有实心的锻造材料的变型形式相比，仅由于明显更小的原材料成本已经能够减小制造成本。
[0022]尤其在板结构的情况下，但是不仅仅在这种情况下，有利的是，经由基板的冷气侧延伸出的环绕的壁随着距基板的间距增大而靠近喷射燃烧器的中轴线。因此，所述壁和包围所述壁的、典型柱形的靠外的壳体部分形成一种扩散器，由此由压缩机提供的空气流减慢并且有利地提高压力。
[0023]在根据本发明的喷射燃烧器中，将引燃器的和主燃烧器的空气供给分离。由此，引燃器空气质量流能够用于冷却燃烧器。通过借助于铸造或者使用板结构来制造根据本发明的喷射燃烧器，不仅能够节约成本，而且也能够将附加的有利地影响燃烧系统的运行(例如，改进的使用寿命、更高的回火安全性和更小的压力损耗)的设计特征集成到喷嘴承载件中。所述有利的特性在本发明中通过引入冷却和冲洗空气通道来实现。
【附图说明】
[0024]本发明示例性地根据附图来详细阐述。附图示意地但是并非按照比例地示出:
[0025]图1示出根据现有技术的喷射燃烧器，
[0026]图2示出垂直于燃烧器的中轴线贯穿一个喷射燃烧器的剖面，
[0027]图3示出垂直于燃烧器的中轴线贯穿另一个喷射燃烧器的剖面，
[0028]图4示出贯穿根据本发明的具有提取冷却空气的可能途径的喷射燃烧器的一部分的剖面，
[0029]图5示出提取冷却空气的另一个可能途径，
[0030]图6示出根据本发明的冷却设计的实施方案，其中空气流过呈空心腔形式的冷却通道，以及
[0031]图7以朝向空心腔的视角示出垂直于中轴线贯穿根据本发明的喷射燃烧器的剖面。
【具体实施方式】
[0032]图1示意地示出沿着根据现有技术的燃烧器I的纵向方向、即沿着其中轴线2贯穿喷射燃烧器I的一部分的剖面。燃烧器I具有至少一个设置在喷嘴承载件3中的喷射喷嘴4。喷射喷嘴4包括喷射喷嘴入口 5和喷射喷嘴出口 6。在喷射喷嘴出口 6上连接有燃烧室7。此外，喷射喷嘴4设置在喷嘴承载件3中，使得喷射喷嘴入口 5朝向燃烧器I的后壁8。喷射燃烧器I的朝向燃烧室7的一侧称作为热气侧9，背离燃烧室7的一侧称作为冷气侧10。在喷射喷嘴4的喷射喷嘴入口 5的区域中设置有燃料喷嘴11。通过燃料喷嘴11，将燃料喷入到喷射喷嘴4中。燃烧器I还包括径向地关于燃烧器I的中轴线2靠外的壳体部分12，所述壳体部分与喷嘴承载件3形成环形通道13。通过所述环形通道13，空气
14从压缩机朝向燃烧器I的后壁8的方向流动并且在那里转向，使得空气穿过喷射喷嘴入口 5到达喷射喷嘴4中。
[0033]图1没有示出的是，燃烧器、尤其预混合燃烧器、如示出的喷射燃烧器I能够配设有附加的引燃器，以便在大的运行范围上、尤其在空转和部分负荷范围中确保稳定的燃烧。此外，这种引燃器典型地设置在燃烧器的中轴线2上。
[0034]图2示意地示出垂