混合管和具有这种混合管的燃烧器的制作方法

本发明涉及一种用于燃烧器以将燃料混入燃烧空气中的混合管。

背景技术：

1、在燃气轮机的燃烧器中通常使用混合装置，借助这些混合装置在燃料进入燃烧室之前将燃料混合在燃烧空气中。为此，在流动通道中布置旋流叶片，这些旋流叶片使流过的燃烧空气产生旋流。在这里，至少一部分燃料在旋流叶片的上游边缘处被喷射到燃烧空气中。

2、ep2233836b1公开了一种此类混合装置的典型实施方式。在这里，混合装置具有中央燃料分配元件，旋流叶片从该中央燃料分配元件出发沿径向延伸。靠近旋流叶片的前缘在最大厚度的区域中，径向燃料通道贯穿旋流叶片。

3、直接从燃料通道出发，在旋流叶片中设有多个流出开口，燃料从这些流出开口出发被喷射到燃烧空气中。根据迄今的认识，这种喷射方式有利于实现燃料在燃烧空气中的尽可能最优的混合。

4、此外，旋流叶片经常布置在流动通道中，其中，在一些实施方式中，旋流叶片可移动地支承在流动通道中。这会直接导致以下问题：在旋流叶片的径向外侧且在下游端与流动通道相邻的位置上产生不利的流动。

5、一方面，已知这样的实施方式，在这些实施方式中，旋流叶片在径向外侧被实施为悬臂式。然而，旋流叶片与流动通道之间留有的间隙会引起不期望的横向流动和涡流，并对燃料在燃烧空气中的混合产生不利影响。

6、另一方面，已知这样的实施方式，在这些实施方式中，旋流叶片与一个环绕的环连接。因此，环与旋流叶片之间也不存在间隙，这有利于流动的均匀性。然而，在这里，如果该环又是可移动地支承在流动通道中并且在那里在环与流动通道之间形成另一间隙，则是不利的。

7、显然，可以在环与流动通道之间设置密封件。然而，这需要更高的装配费用，并且此外确保密封件的使用寿命也并非没有问题。

技术实现思路

1、本发明的目的一方面是实现燃料在燃烧空气中的尽可能均匀地混合，同时改善混合装置的流动特性。

2、该目的通过根据本发明的根据权利要求1的混合装置得以解决。根据本发明的具有相应混合装置的燃烧器在权利要求14中给出。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

3、混合装置包括中央连接元件（04）、环绕的支撑壁，在它们之间布置有外流动通道。在流动通道中设有多个围绕中心轴线分布布置的外旋流叶片。外旋流叶片具有位于上游的前缘和位于下游的沿周向方向偏移的后缘。

4、此外还规定，至少多个外旋流叶片具有从供给开口通至燃料喷嘴的燃料通道。在这里，燃料喷嘴布置在相应的外旋流叶片的相应的后缘上。

5、为了在无需附加密封件的情况下优化流动和混合，根据本发明，在支撑壁中布置有多个沿周向分布布置的冲洗槽。

6、发明描述

7、一种同类的混合装置用于燃烧器中的应用。在这里涉及何种类型的燃烧器暂时无关紧要。该应用至少特别适用于燃气轮机的燃烧器。在这里，优选规定，（至少部分）燃烧气态燃料。

8、混合装置具有中心轴线，该中心轴线通常被定向成平行于燃烧器轴线。连接元件沿中心轴线延伸。包围该连接元件，设有支撑壁。连接元件与支撑壁之间的自由空间构成至少一个外流动通道，在混合装置的运行中，燃烧空气可以沿着中心轴线、沿流动方向流过该外流动通道。

9、在外流动通道中设有多个沿周向分布布置的外旋流叶片。在这里，外旋流叶片大致沿径向方向沿中心轴线从位于外旋流叶片的上游侧端部的前缘延伸到位于外旋流叶片的下游侧端部的后缘。在这里规定，外旋流叶片与支撑壁连接。

10、在功能上，外旋流叶片应使流过的燃烧空气沿周向方向产生旋流。为此，优选地将后缘布置成沿周向方向相对于前缘偏移。

11、此外，燃料的供给通常至少部分通过至少一些外旋流叶片进行。为此，外旋流叶片具有燃料通道。燃料通道开始于外旋流叶片上的供给开口，并终止于外旋流叶片表面上的燃料喷嘴。在这里，只要确保燃料的供给、燃料通过燃料通道的输送以及喷射到燃烧空气中，供给开口的位置就暂时无关紧要。如果燃料喷嘴布置在外旋流叶片的后缘上，则可获得有利的流动条件，而不会影响燃料在燃烧空气中的混合。

12、特别优选地，每个外旋流叶片都具有相应的燃料通道和燃料喷嘴。

13、特别有利地，燃料喷嘴被定向为使得喷射从后缘出发大致沿流动方向进行。

14、为了避免支撑壁由于热膨胀而卡在混合管中，通常设有最小间隙，对应于可预期的热膨胀和制造精度。

15、根据本发明，支撑壁在外侧被实施为凸面状。这一方面简化了在混合套筒中的配合，从而实现尽可能小的泄漏。另一方面，通过凸面造型，在支撑壁的造型相对于混合套筒存在微小偏差时，仍然可实现支撑壁与混合套筒之间在很大程度上沿周向保持恒定的间隙。

16、有利地，具有凸面形状的支撑壁的最大直径位于靠近下游侧的位置。优选地，最大直径到支撑壁的下游端的距离至少为支撑壁沿中心轴线方向的长度的0.1倍，最大为0.3倍。

17、如果根据本发明在支撑壁的外周上沿周向方向分布布置多个冲洗槽，那么可实现关于均匀流动的优化并且同时可实现关于燃料在流过的燃烧空气中的混合的优化。

18、冲洗槽使得支撑壁与混合管之间产生可预见的流动，这又有利地使得沿周向的流动更加均匀以及使得燃料在燃烧空气中的混合得到改善。

19、在这里有利地规定，中间冲洗槽沿中心轴线从上游侧延伸到下游侧，优选笔直地和/或与中心轴线平行地延伸。

20、在任何情况下都是特别有利的是，沿周向方向看，中间冲洗槽的下游侧端部恰好布置在外旋流叶片的燃料喷嘴所处的位置上。因此有利地，相应的中间冲洗槽的端部沿周向方向所处的位置与外旋流叶片的径向外端在后缘上的位置相同。这有利于燃料与燃烧空气的混合，特别是因为由此使有针对性地使用的泄漏空气通过中间冲洗槽被引导至燃料喷射位置所在的区域。

21、为了稳定流动，还可有利地规定，在支撑壁中在中间冲洗槽的两侧分别设有一个相邻冲洗槽。

22、在这里，两个相邻冲洗槽分别优选与中间冲洗槽平行地延伸。

23、在这里有利的是，冲洗槽在下游侧是敞开的。

24、此外还有利的是，中间冲洗槽沿着支撑壁的整个长度延伸，因此在上游侧和在下游侧都是敞开的。

25、在这里可以规定，相邻冲洗槽并非从支撑壁的上游端开始，而是稍微有点距离，例如从支撑壁长度的0.1倍的距离处开始。

26、为了避免热应力，还可规定，一些冲洗槽在上游侧完全贯穿支撑壁。优选地，在这种情况下涉及中间冲洗槽。

27、如果外流动通道与内流动通道分开设置，则由燃烧空气与燃料组成的混合物的均匀性可得到改善。为此，有利的混合装置还具有布置在连接元件与支撑壁之间的分隔壁。相应地，内流动通道位于连接元件与分隔壁之间，而外流动通道位于分隔壁与支撑壁之间。

28、此外，有利地，在内流动通道中设有多个沿周向分布布置的内旋流叶片。在这里，内旋流叶片类似地大致沿径向方向沿中心轴线从位于内旋流叶片的上游侧端部的前缘延伸到位于内旋流叶片的下游侧端部的后缘。在这里规定，内旋流叶片与连接元件连接。

29、因此，在优选实施方式中，在内流动通道中设有多个沿周向分布的内旋流叶片，以及在外流动通道中设有多个沿周向分布的外旋流叶片。在这里，内旋流叶片从连接元件延伸到分隔壁，而外旋流叶片从分隔壁延伸到支撑壁。

30、功能上，内旋流叶片同样应使流过的燃烧空气沿周向方向产生旋流。为此，优选同样将后缘布置成沿周向方向相对于前缘偏移。

31、如果在内流动通道和外流动通道的流动中产生相反的旋流，则将燃烧空气分流到内流动通道和外流动通道中是特别有利的。为此，应规定，在内旋流叶片中后缘相对于前缘沿周向方向的偏移与在外旋流叶片中的偏移相反。

32、此外，燃料的供给有利地至少部分地通过至少一些内旋流叶片进行。为此，内旋流叶片具有燃料通道。这些燃料通道开始于位于内旋流叶片上的供给开口，并终止于位于内旋流叶片表面上的燃料喷嘴。

33、在这里，只要确保燃料的供给、燃料通过燃料通道的输送以及喷射到燃烧空气中，供给开口的位置和燃料喷嘴的位置暂时无关紧要。因此优选地，燃料的供给至少部分不仅通过至少一些内旋流叶片进行，也部分通过至少一些外旋流叶片进行。

34、特别优选地，每个内旋流叶片都具有相应的燃料通道和燃料喷嘴。

35、如果燃料喷嘴布置在内旋流叶片的后缘上，则可改善流动条件，而不会对燃料在燃烧空气中的混合产生不利影响。

36、特别有利地，燃料喷嘴被定向为使得喷射大致从后缘出发沿流动方向进行。

37、向位于旋流叶片中的燃料通道供给燃料可从径向外侧经由支撑壁进行。也就是说，外旋流叶片的燃料通道的供给开口位于支撑壁中。

38、特别优选地，向燃料通道供给燃料从径向内侧进行。在这里，燃料供给部在连接元件内部延伸，其中，内旋流叶片的燃料通道的供给开口布置在连接元件上。

39、为了将燃料供给到外旋流叶片的燃料通道，可有利地规定，燃料通道首先延伸穿过内旋流叶片，并在外旋流叶片中继续延伸。

40、反之，也可使内旋流叶片的燃料通道从径向外侧首先延伸穿过外旋流叶片。

41、燃料通道在后缘处的开口可能已经通过以下方式产生：使燃料通道在无需对常规旋流叶片进行几何调整的情况下延伸至后缘。然而，由于旋流叶片在后缘处的厚度很小，这会在这种燃料通道的末端使燃烧空气直接在后缘处无距离地流过燃料通道。

42、然而，与此相反，有利地规定，在后缘上在燃料喷嘴周围相对于流过的燃烧空气存在保护距离。为此，相应的旋流叶片在燃料通道的区域中从燃料喷嘴出发具有增厚部。

43、增厚部可设置在相应旋流叶片的一侧。优选地，在相应旋流叶片的两侧均设有增厚部。

44、相应的内旋流叶片和外旋流叶片分别具有变化的厚度。在这里，厚度是沿切向方向或者说沿周向方向确定。根据通常的叶片形状，厚度从前缘首先快速增加，以便随后优选连续地朝向后缘减小。

45、增厚部局部使旋流叶片厚度增大。这特别是在后缘上在燃料喷嘴区域中是重要的。由于紧邻后缘处的厚度（特别是根据后缘的形状）难以确定，因此为了确定增厚部，可观察靠近后缘的横截面。为此，选择这样的位置，在该位置上，到燃料喷嘴的距离等于旋流叶片在增厚部的位置处的厚度的一半。也就是说，具有与旋流叶片在增厚部处的厚度相当的直径的球体在两侧与旋流叶片的表面接触并且与燃料喷嘴接触。

46、在燃料喷嘴的区域中用于获得燃料喷嘴与流过的燃烧空气之间的期望距离的增厚部不应太小，以获得期望距离的效果。为此，旋流叶片在燃料喷嘴处的增厚部处的局部厚度相对于旋流叶片靠近增厚部处的厚度至少增大1.2倍。特别优选地，增大的厚度为靠近增厚部处的厚度的至少1.5倍。

47、然而与此相反，增厚部不应设计得太大，因为否则旋流叶片会造成过大的空气阻力。因此有利的是，旋流叶片在燃料喷嘴处的增厚部处的增大的厚度最大为靠近增厚部处的厚度的3倍。特别优选地，增大的厚度最大为在后缘处靠近增厚部处厚度的3倍。

48、内旋流叶片和（如果存在的话）外旋流叶片分别可以在后缘处具有不同的形状。一方面，可使旋流叶片在靠近燃料喷嘴和增厚部处逐渐变尖。替代地，可在后缘处设置倒圆。

49、优选地，内旋流叶片和（如果存在的话）外旋流叶片的后缘分别形成一个平面。特别优选地，内旋流叶片和外旋流叶片的后缘位于一个共同的平面内。此外可以规定，分隔壁以及（如果存在的话）支撑壁也终止于后缘的平面。

50、如果可以供给两种不同的燃料，则可提高燃料使用的灵活性。为此，需要与燃料供给部隔开的燃料孔。该燃料孔（其不一定必须呈圆形且直径恒定地笔直延伸）终止于燃料开口。在这里优选地规定，燃料孔同样布置在连接元件内部。

51、在这里，燃料开口优选位于连接元件的下游端的区域中。

52、有利的燃料开口的布置可采用不同方式实现。在第一变型方案中，连接元件同时具有燃料供给部和燃料孔，而无需附加构件，其中，燃料开口布置在靠近连接元件的下游端处。

53、特别优选地，在连接元件内部设有燃料喷枪。在这里规定，燃料孔在燃料喷枪内部延伸，而燃料开口布置在靠近燃料喷枪的下游端处。在这种情况下，燃料供给部还优选布置在燃料喷枪与连接元件之间。

54、原则上，混合装置可以是由各种构件，连接装置、分隔壁和内旋流叶片、以及（如果存在的话）支撑壁和外旋流叶片组装而成。

55、一种整体式构造方式是特别优选的，其中，至少是连接元件、支撑壁和旋流叶片是一体制成。如果存在的话，分隔壁以及内旋流叶片和外旋流叶片也构成一体式结构的一部分。对此，尤其适合采用增材制造方法。

56、连接元件、支撑壁以及（如果存在的话）分隔壁和（如果存在的话）燃料喷枪优选被形成为旋转体。与此无关，同样可选择不同的造型。

57、优选给混合装置补充用于供给燃烧空气的区段以及用于使燃料在燃烧空气中混合的区段。为此，混合装置特别优选具有一个包围由连接元件、分隔壁以及（如果存在的话）支撑壁组成的结构的混合套筒。

58、混合套筒分为：位于旋流叶片上游的供给区段、位于旋流叶片区域中的引导区段、位于旋流叶片下游的混合区段以及位于连接元件下游并且（如果存在的话）位于燃料喷枪下游的均质化区段。

59、在供给区段中布置有用于供给燃烧空气的空气通道。连接元件优选在中央在供给区段中延伸，以用于供给燃料。

60、在引导区段中设有由旋流叶片和支撑壁构成的结构。在这里，一方面可以规定，支撑壁构成混合套筒的整体组成部分。因此会有一种与混合管一体形成的一体式结构。

61、优选地，支撑壁在混合套筒内支承成使得可以沿轴向相对移动，例如用于热补偿。

62、为此，一方面可使用一种配合，使得除了可忽略的泄漏之外在混合套筒与支撑壁之间不存在任何流动。

63、在一种替代实施方式中，在支撑壁与混合套筒之间留有间隙，燃烧空气部分流过该间隙。