具体实施方式

现在将详细参考本发明的燃烧器和涡轮机的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例是通过解释本发明技术的方式提供的，而不是对本发明技术的限制。事实上，对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离受权利要求书保护的本发明技术的范围或实质的情况下，可以在本发明技术中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施方案，以产生又一个实施方案。因此，本公开旨在涵盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这些修改和变化。

具体实施方式使用数字和字母名称指代附图中的特征结构。附图和说明书中的相似或类似的名称已经用于指代本发明的相似或类似的部件。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。

如本文所用，术语“上游”(或“向上”)和“下游”(或“向下”)是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，并且“下游”是指流体向其流动的方向。术语“径向地”是指基本上垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向；术语“轴向地”是指与特定部件的轴向中心线基本上平行和/或同轴对准的相对方向；并且术语“周向地”是指围绕特定部件的轴向中心线延伸的相对方向。

近似术语，诸如“大体”或“约”包括在大于或小于指定值的百分之十内的值。当在角度或方向的上下文中使用时，此类术语包括在大于或小于所述角度或方向的十度内。例如，“大体竖直”包括沿任何方向(例如，顺时针或逆时针)在竖直的十度内的方向。

现在参照附图，图1示出了气体涡轮10的一个实施方案的示意图。尽管本文示出并描述了工业或陆基气体涡轮，但除非在权利要求中另外指明，否则本公开不限于陆基和/或工业气体涡轮。例如，如本文所述的燃烧器可用于任何类型的涡轮机，包括但不限于蒸汽涡轮、飞行器气体涡轮或船用气体涡轮。

如图所示，气体涡轮10一般包括入口区段12、设置在入口区段12的下游的压缩机区段14、在设置在压缩机区段14的下游的燃烧室区段16内的环形燃烧室17(其一部分在图2中示出)、设置在燃烧室区段16的下游的涡轮区段18，以及设置在涡轮区段18的下游的排气区段20。另外，气体涡轮10可包括一个或多个轴22，该一个或多个轴将压缩机区段14联接到涡轮区段18。

在操作期间，空气24流过入口区段12并进入压缩机区段14中，在那里，空气24逐渐被压缩，从而将压缩空气26提供给燃烧室区段16。压缩空气26中的至少一部分与燃料28在燃烧室区段16内混合，并且被燃烧以产生燃烧气体30。燃烧气体30从燃烧室区段16流入涡轮区段18中，其中能量(动力和/或热能)从燃烧气体30传递到转子叶片(未示出)，从而使轴22旋转。然后，机械旋转能量可用于各种目的，诸如为压缩机区段14供电和/或发电。然后，离开涡轮区段18的燃烧气体30可经由排气区段20从气体涡轮10排出。

如图2所示，燃烧室17可由外缸32(诸如压缩机排气缸)至少部分地围绕。外缸32可至少部分地限定高压增压室34，该高压增压室至少部分地围绕燃烧室17的各种部件。高压增压室34可以与压缩机区段14流体连通，以从该压缩机区段接收压缩空气26。燃烧室17可与压缩机区段14流体连通，使得压缩空气26例如经由高压增压室34从压缩机区段14流动到燃烧室17。燃烧室罩36可定位在外缸32内。在特定实施方案中，燃烧室罩36可至少部分地限定燃烧室17的头端体积或部分38。

在特定实施方案中，头端部分38与高压增压室34和/或压缩机区段14流体连通。一个或多个衬套或管道40可至少部分地限定燃烧区域或燃烧腔室42以便燃烧燃料-空气混合物，和/或可至少部分地限定穿过燃烧室17的热气体路径44以便将燃烧气体30朝向涡轮区段18的入口引导。

在各种实施方案中，燃烧室17包括至少一个燃烧器燃料气体入口48。如图2所示，燃烧器燃料气体入口48可联接到外缸32并且朝向燃烧腔室42延伸。一个或多个燃烧器燃料气体入口48可与燃料供应源46连通。每个燃烧器燃料气体入口48可将燃料28供应到一个或多个燃烧器100。

图3示出了根据本公开的一个或多个实施方案的燃烧器100的侧视图。如图3所示，燃烧器100可限定轴向方向A、径向方向R和周向方向C。一般来讲，轴向方向A平行于燃烧器100的轴向中心线108延伸，径向方向R大致正交于轴向中心线108延伸，并且周向方向C大致同心地围绕轴向中心线108延伸。

另外，如图所示，燃烧器100可包括下游端104、上游部分105和主体106。上游部分105可包括上游端102。主体106可沿轴向中心线108位于上游部分105的下游。同样，上游端102可相对于轴向中心线108与下游端104轴向间隔开。燃烧器100的上游端102可焊接、钎焊或以其他方式联接到燃烧室17。上游部分105可在上游端102和主体106之间延伸并且轴向分离。在各种实施方案中，上游部分105可被成形为具有恒定内径和外径的基本上中空的圆柱体。

在许多实施方案，诸如图3所示的实施方案中，主体106可以限定外表面112，该外表面依次包括向前部分114、中间部分116和燃烧器正面118。在各种实施方案中，外表面112可以是主体106的径向最外表面，并且可以从向前部分114延伸到燃烧器正面118。向前部分114可沿轴向中心线108从上游部分105径向向外延伸到中间部分116。

外表面112的向前部分114可限定围绕向前部分114周向间隔开的多个引燃空气入口128。引燃空气入口128中的每个引燃空气入口可以彼此轴向对准，即，在每个引燃空气入口128之间不存在轴向偏移或间距。

在许多实施方案中，外表面112的向前部分114还可限定多个冷却空气入口132。在许多实施方案中，多个冷却空气入口132可限定在多个引燃空气入口128的轴向下游。在一些实施方案中，多个冷却空气入口132可定位在多个引燃空气入口128的径向向外和轴向下游。多个冷却空气入口132中的每个冷却空气入口可彼此周向间隔开。另外，多个冷却空气入口132中的每个冷却空气入口可周向定位在多个引燃空气入口128中的两个或更多个引燃空气入口之间。即，引燃空气入口128和冷却空气入口132的位置可相对于彼此交错。如图3所示，燃料入口150可以在向前部分114处流体地联接到燃烧器100的外表面112。

中间部分116可从向前部分114轴向延伸到燃烧器正面118。在许多实施方案中，中间部分116可与燃烧器100的轴向中心线108大致同心。在各种实施方案中，主体106的中间部分116可包括唇缘122和多个冷却通道出口124。唇缘122可限定或定位在中间部分116的下游端处，该中间部分位于多个冷却通道出口124的轴向上游。在一些实施方案中，唇缘122可为外表面112内的径向切口或凹槽。唇缘122在周向方向上可为主体106的外表面112内的连续凹槽。

如图3所示，唇缘122可径向延伸超过多个冷却通道出口124。多个冷却通道出口124可彼此周向间隔开，并且限定在唇缘122轴向下游的外表面112的中间部分116内。在许多实施方案中，冷却通道出口124可用于将冷却流动空气中的一部分轴向上游朝向唇缘122引导，即，冷却通道出口124可引导冷却空气中的至少一部分与离开燃烧器100的燃料/空气混合物的方向相反。在其他实施方案中，冷却通道出口124可大致径向地引导冷却流动空气中的至少一部分，以防止离开引燃喷嘴154(如图6所示)的燃料/空气混合物再循环到燃烧器100中。燃烧器正面118可从中间部分116延伸到下游端104。

在许多实施方案，诸如图3所示的实施方案中，燃烧器正面可沿轴向中心线108从中间部分116到下游端104径向向内会聚。在其他实施方案(未示出)中，燃烧器正面118可为大致垂直于轴向方向A(即，沿径向方向R取向)的基本上平坦的表面。在其他实施方案(未示出)中，燃烧器正面118可沿轴向中心线108从中间部分116径向向外发散到下游端104。另外，在一些实施方案(未示出)中，燃烧器正面118可为基本上弓形的。例如，在此类实施方案中，燃烧器正面118可为曲线表面，该曲线表面可相对于径向方向R为凹形或凸形。如图3所示，燃烧器100和燃烧器正面118均可在下游端104处终止。

如图3所示，主体106还可限定多个引燃喷嘴出口136。每个引燃喷嘴出口136可从燃烧器正面118凹陷。在许多实施方案中，引燃喷嘴出口136可沿燃烧器正面118下陷，即，引燃喷嘴出口136可不沿轴向或径向方向与燃烧器正面118对准。如图所示，燃烧器正面118可至少部分地限定多个外部套管134，该外部套管中的每个外部套管围绕相应的引燃喷嘴出口136。

图4示出了从在上游方向上看的后端观察的燃烧器100的平面图。如图所示，唇缘122在燃烧器正面118的径向外侧。另外，图4示出了图7和图6中分别示出的剖面A-A和剖面B-B的位置。

图5示出了燃烧器100的放大透明视图。在一些实施方案，诸如图5所示的实施方案中，主体106还可限定沿燃烧器正面118周向间隔开的多个冷却通道126。在许多实施方案中，冷却通道126中的每个冷却通道可限定从冷却通道入口160到冷却通道出口124变化的内径。在一些实施方案中，冷却通道126中的每个冷却通道可具有相对于彼此不同的直径。例如，冷却通道126中的一部分可具有至多约0.15英寸的直径，并且冷却通道中的另一部分可具有至多约0.1英寸的直径。

在特定实施方案中，冷却通道126中的每个冷却通道可限定恒定的内径。在一些实施方案中，冷却流动通道126中的每个冷却流动通道的直径可为至多约0.15英寸。在其它实施方案中，直径可介于约0.015英寸和约0.15英寸之间。在各种实施方案中，冷却流动通道126中的每个冷却流动通道的直径可介于约0.02英寸和约0.125英寸之间。在许多实施方案中，冷却流动通道126中的每个冷却流动通道的直径可介于约0.025英寸和0.06英寸之间。在特定实施方案中，冷却流动通道126中的每个冷却流动通道的直径可介于约0.03英寸和约0.05英寸之间。

冷却通道126可沿燃烧器正面118大致径向延伸。此外，每个冷却通道126可为基本上曲线的、弓形的或以其它方式在周向方向上弯曲的。在许多实施方案中，冷却通道126可有利地提供用于冷却燃烧器正面118和用于吹扫腔体204两者的单个空气回路(图8)。如本文所用，“吹扫”是指利用冷却空气流(例如，来自压缩机区段14的冷却空气)从燃烧器100的各种腔体和裂缝吹扫掉停滞的热空气。

每个冷却通道126可在燃烧器100的主体106内一体形成。例如，冷却通道126可经由3D打印或增材制造工艺在主体内形成。冷却通道126的尺寸、形状和取向有利地提供不能使用常规机加工方法(例如，车削、钻孔、铣削、拉孔或涉及材料移除的其他相关操作)制造的冷却回路。

图6示出了沿图3所示的平面B-B的燃烧器100的剖视图。同样，图7示出了沿图3的平面A-A的燃烧器100的剖视图。如图6和图7共同所示，燃烧器100还可限定从外表面112径向向内的内部138。在许多实施方案中，主体106可限定内部138的第一部分140，并且上游部分105可限定内部138的第二部分142。

在一些实施方案中，燃烧器100可包括单独限定在主体内的环形燃料增压室144和环形空气增压室146。如图6和图7所示，环形燃料增压室144和环形空气增压室146可径向限定在外表面112与内部138的第一部分140之间。环形燃料增压室144可周向限定在燃烧器100的主体106内。在许多实施方案中，环形燃料增压室144可流体地联接到燃料入口150并且可被配置成从该燃料入口接收燃料28。环形燃料增压室144可限定在环形空气增压室146的轴向上游。

如图6和图7所示，环形空气增压室146可周向限定在燃烧器100的主体106内。另外，如图所示，环形空气增压室146可限定在环形燃料增压室144的轴向下游。环形燃料增压室144和环形空气增压室146可为在燃烧器100的主体106内彼此相邻的两个单独限定的增压室。如图6和图7所示，冷却空气通道152可延伸穿过环形燃料增压室144并可流体地联接到环形空气增压室146。例如，冷却空气通道152可从外表面112上的冷却空气入口132延伸，穿过环形燃料增压室144，并且流体地联接到环形空气增压室146。冷却空气通道152可用于向环形空气增压室146提供压缩冷却空气以用于冷却燃烧器100的各种特征结构。

主体106还可限定引燃喷嘴154，该引燃喷嘴从向前部分114处的引燃空气入口128延伸到燃烧器正面118处的引燃喷嘴出口136。引燃喷嘴154可经由轴向定位在引燃空气入口128下游的一个或多个燃料入口156流体地联接到环形燃料增压室146。引燃燃料喷嘴154可用于向燃烧腔室42提供燃料28和压缩空气26的混合物。

在各种实施方案中，如图6和图7共同所示，引燃喷嘴154的下游端可由外部套管134围绕，并且外部套管134可经由一个或多个套管入口158流体地联接到环形空气增压室146。外部套管134可提供用于冷却引燃喷嘴出口136和燃烧器正面118的空气。在许多实施方案中，如图5所示，一个或多个冷却通道126可沿燃烧器正面118围绕外部套管134。例如，一个或多个冷却通道126可围绕每个外部套管134的周边弯曲，以有利地向燃烧器正面118的较大区域提供冷却。

如图5和图7所示，多个冷却流动通道126中的每个冷却流动通道可经由相应的冷却通道入口160流体地联接到环形空气增压室146。每个冷却通道入口160可在环形空气增压室146内在周向方向上彼此大致等距地间隔开。另外，冷却通道出口124也可在外表面112内在周向方向C上并且沿中间部分116彼此大致等距地间隔开。每个冷却通道126可在冷却通道入口160和冷却通道出口124之间延伸。如图7最佳所示，每个冷却流动通道126可与燃烧器正面118大致平行或对准。

图8示出了定位成与壁200相邻并直接接触的燃烧器100。壁200可包括与燃烧器100的外表面112的中间部分116直接邻接的内表面202。如图所示，腔体204可径向设置在唇缘122和壁200的内表面202之间。腔体204可以是环形限定的并且在周向方向上是连续的。

在一些情况下，燃烧气体36中的一部分可向上游流动并到达腔204内的流动“死区”。如果没有冲出，则燃烧气体36中的该部分可能随时间推移损坏燃烧器100并且不利地影响气体涡轮10的性能。如本文所示和所述，冷却流动通道126有利地提供单个空气回路，该单个空气回路冷却燃烧器正面118并从腔体204吹扫燃烧气体30。例如，行进穿过多个冷却流动通道126并冷却燃烧器正面118的同一冷却空气用于吹扫腔体204。

冷却空气通道152、环形空气增压室146和冷却通道126可一起形成单个冷却空气回路，该单个冷却空气回路有利地为燃烧器100的多个特征结构提供冷却。例如，在操作中，来自燃烧室16的头端部分38的压缩空气26可通过向下游行进穿过多个冷却空气通道152来进入环形空气增压室146。随后，来自环形空气增压室146的压缩空气26可进入外部套管入口158和/或冷却通道入口160中的任一者或两者。进入外部套管入口158的压缩空气26的第一部分可围绕并冷却引燃喷嘴出口136。进入冷却通道入口160的压缩空气26的第二部分可反转方向并且大致朝向冷却通道126内的上游端102并沿燃烧器正面118行进。经由冷却通道出口124离开冷却通道126的压缩空气26可被朝向腔体204引导以吹扫任何热燃烧气体30。在许多实施方案中，离开冷却流动通道126的压缩空气26可大致径向行进，以防止离开引燃喷嘴出口138的燃料28和空气26混合物向上游行进并再循环回到燃烧器100中。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。