CH701774A2 - Monolithischer Brennstoffeinspritzkopf und zugehöriges Herstellungsverfahren. - Google Patents

Abstract

Ein monolithischer Brennstoffeinspritzkopf (14) für eine Brennstoffdüse weist einen im Wesentlichen hohlen Kammerkörper (15), der mit einer stromaufwärtigen Endfläche (22), einer stromabwärtigen Endfläche (24) und einer sich zwischen diesen erstreckenden Umfangswand (25) ausgebildet ist, und eine innere Trennplatte (36) auf, die sich von einem stromabwärtigen Ende der Bohrung in Radialrichtung nach aussen erstreckt und kurz vor der Umfangswand endet, wodurch in dem Kammerkörper eine stromaufwärtige (44) und eine stromabwärtige Brennstoffkammer (42) gebildet werden, die durch einen radialen Spalt (46) zwischen der Trennplatte und der Umfangswand in Fluidverbindung stehen. Mehrere einstückige Vormischröhren (26) erstrecken sich axial durch die stromaufwärtige und die stromabwärtige Brennstoffkammer in dem Kammerkörper (15) und die Trennplatte (36) hindurch, wobei sich zwischen jeder der Vormischröhren und der stromaufwärtigen Brennstoffkammer wenigstens eine Brennstoffeinspritzöffnung (40) erstreckt, wodurch es dem Brennstoff in der stromaufwärtigen Kammer ermöglicht wird, in die mehreren Vormischröhren eingeleitet zu werden. Der Brennstoffeinspritzkopf ist durch direkte Metall-Laser-Sinterung hergestellt.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen monolithischen Gasturbinenbrennstoffeinspritzkopf für eine Brennstoffeinspritzdüse einer Gasturbine und auf ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffeinspritzkopfes.

Hintergrund der Erfindung

[0002] Bestimmte heutige Gasturbinenbrennstoffeinspritzdüsen enthalten zahlreiche kleine Verbrennungsluftröhren, die zwischen einer stromaufwärtigen und einer stromabwärtigen Platte fest eingeschlossen und von einer Umfangswand umgeben sind, wodurch eine Druckblase bzw. -kammer gebildet wird. Die Röhren weisen typischerweise eine Anzahl von sehr kleinen, unter kleinem Winkel ausgerichteten Öffnungen in den Wänden der Röhren zum Einleiten von Brennstoff aus der Kammer in das Innere der Röhren auf, wobei der Brennstoff und die Luft gemischt werden, bevor sie aus den Röhren aus- und in die Verbrennungskammer eintreten. Eine Brennstoffeinspritzdüse dieses Typs ist in dem US-Patent. Nr. 7 007 478 der Anmelderin beschrieben, das am 7. März 2006 ausgegeben wurde.

[0003] Es wird erkannt, dass Brennstoffeinspritzdüsen, wie sie oben beschrieben sind, notwendigerweise zahlreiche Hartlötverbindungen an den Übergangsstellen zwischen Röhre und Platte sowie zwischen Platte und Wand enthalten, die gegen den Wasserstoffbrennstoff abdichten müssen, und dass teure Funkenerosions (EDM für electrical discharge machining)-Verfahren notwendig sind, um die vielen kleinen, unter kleinem Winkel ausgerichteten Brennstoffinjektionsöffnungen auszubilden. Ausserdem sind aufwendige Montageverfahren erforderlich, um festgelegte Leistungskriterien zu erfüllen. Es bleibt demnach Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung komplexer Brennstoffdüsengeometrien, das möglicherweise undichte Verbindungen verringert, wenn nicht vollständig verhindert, und auch den Bedarf an einer Nachbearbeitungs- und/oder EDM-Arbeitsgängen erheblich verringert.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

[0004] Gemäss einer beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung eines schnellen Konstruktionsverfahrens zur Herstellung eines Gasturbinenbrennstoffeinspritzkopfes. Im Einzelnen wendet die Erfindung eine schnelle Fertigungstechnik an, die als direkte Metall-Laser-Sinterung (DMLS) bekannt ist, um einen monolithischen Düseneinspritzkopf herzustellen, der Fügestellen, Hartlöten und andere Aspekte der früheren Düsenkonstruktion vermeidet. Die DMLS ist ein additives Schichtungsverfahren, das eine Metallkomponente unter Verwendung eines Lasers und eines feinen Metallpulvers direkt aus einem CAD-Modell erzeugt (z.B. sind Kobalt- und/oder Chromlegierungspulver und Nickelbasislegierungspulver besonders für die hierin offenbarte Turbinendüsenanwendung geeignet, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt). Das CAD-Modell ist in dünne Schichten (in der Grössenordnung von 0,02 mm) unterteilt, und die’ Schichten werden danach Schicht für Schicht rekonstruiert, wobei der Laser durch programmbestimmte Bereiche jeder Pulverschicht im Anschluss an die darunter liegende Schicht schmilzt. Die Schichtdicke wird allgemein auf der Grundlage einer Überlegung zur Genauigkeit gegenüber der Geschwindigkeit der Herstellung gewählt. Zu Beginn ist typischerweise eine Stahlplatte innerhalb der Maschine befestigt, um sowohl als ein Träger als auch als Wärmesenke zu dienen. Ein Ausgeber gibt das Pulver auf die Trägerplatte, und ein Beschichterarm oder eine Beschichterschaufel verteilt das Pulver auf der Platte. Die Maschinensoftware steuert den Fokus und die Bewegung des Laserstrahls so, dass das Pulver überall dort zu einem festen Körper verschmolzen wird, wo der Laserstrahl das Pulver trifft. Der Vorgang setzt sich Schicht für Schicht fort, bis der Aufbau abgeschlossen ist. Die Anwendung der DMLS auf den Einspritzkopf einer Brennstoffeinspritzdüse hat die oben erwähnten Probleme gelöst. Darüber hinaus hat es die Anwendung des DMLS-Verfahrens ermöglicht, dass neue Konstruktionsmerkmale in den Brennstoffeinspritz-kopf der Düse einbezogen werden.

[0005] Demnach bezieht sich die Erfindung gemäss einer beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform auf einen monolithischen Brennstoffeinspritzkopf für eine Brennstoffdüse, der aufweist: einen im Wesentlichen hohlen Kammerkörper, der mit einer stromaufwärtigen Endfläche, einer stromabwärtigen Endfläche und einer sich zwischen diesen erstreckenden Umfangswand ausgebildet ist; eine zentrale Öffnung in der stromaufwärtigen Endfläche, die durch eine sich teilweise durch den Kammerkörper erstreckende Bohrung gebildet ist, wobei die Bohrung zur Aufnahme eines Brennstoffzufuhrrohres eingerichtet ist; eine innere Trennplatte, die sich von einem stromabwärtigen Ende der Bohrung radial nach aussen erstreckt, wobei sie kurz vor der Umfangswand endet, wodurch in dem Kammerkörper eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Brennstoffkammer gebildet werden, die durch einen radialen Spalt zwischen der Trennplatte und der Umfangswand in Fluidverbindung stehen, so dass der Brennstoff im Gebrauch aus dem Brennstoffzufuhrrohr in die stromabwärtige Brennstoffkammer, durch den radialen Spalt und in die stromaufwärtige Brennstoffkammer strömt; und eine Anzahl von einstückigen Vormischröhren, die sich durch die stromaufwärtige und die stromabwärtige Brennstoffkammer in dem Kammerkörper und durch die Trennplatte hindurch in Axialrichtung erstrecken, mit Einlassen an der stromaufwärtigen Endfläche und Auslässen an der stromabwärtigen Endfläche, wobei sich zwischen jeder der Vormischröhren und der stromaufwärtigen Brennstoffkammer jeweils wenigstens eine Brennstoffeinspritzöffnung erstreckt, wodurch es dem Brennstoff in der stromaufwärtigen Kammer ermöglicht wird, in die mehreren Vormischröhren eingeleitet zu werden.

[0006] Gemäss einem anderen Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen monolithischen Brennstoffeinspritzkopf für eine Brennstoffdüse, der aufweist: einen im Wesentlichen hohlen Kammerkörper, der mit einer stromaufwärtigen Endfläche, einer stromabwärtigen Endfläche und einer sich zwischen diesen erstreckenden Umfangswand ausgebildet ist; eine zentrale Öffnung in der stromaufwärtigen Endfläche, die durch eine sich teilweise durch den Kammerkörper erstreckende Bohrung gebildet ist, wobei die Bohrung zur Aufnahme eines Brennstoffzufuhrrohres eingerichtet ist; eine innere Trennplatte, die sich von einem stromabwärtigen Ende der Bohrung radial nach aussen erstreckt, wobei sie kurz vor der Umfangswand endet, wodurch eine stromaufwärtige und eine stromabwärtige Brennstoffkammer in dem Kammerkörper gebildet werden, die durch einen radialen Spalt zwischen der Trennplatte und der Umfangswand in Fluidverbindung stehen, so dass beim Gebrauch Brennstoff aus dem Brennstoffzufuhrrohr in die stromabwärtige Brennstoffkammer, durch den radialen Spalt hindurch und in die stromaufwärtige Brennstoffkammer hinein strömt; wobei die innere Trennplatte mit Schwächungskerblinien auf einer stromaufwärtigen Seite der Trennplatte ausgebildet ist, wobei die Schwächungskerblinien in einem Gittermuster angeordnet sind, das eine Anzahl von durch die Schwächungskerblinien begrenzten Bereichen bildet; eine Anzahl von einstückigen Vormischröhren, die sich durch die stromaufwärtige Brennstoffkammer, durch entsprechende der Bereiche in der Trennplatte und durch die stromabwärtige Brennstoffkammer in dem Kammerkörper in Axialrichtung erstrecken, mit Einlassen an der stromaufwärtigen Endfläche und Auslässen an der stromabwärtigen Endfläche, wobei sich zwischen jeder der Luftzufuhrröhren und der stromaufwärtigen Brennstoffkammer jeweils wenigstens eine Brennstoffeinspritzöffnung erstreckt, wodurch es ermöglicht wird, dass Brennstoff in der stromaufwärtigen Kammer in die mehreren Vormischröhren eingeleitet wird, wobei jede der Vormischröhren mit Kühlrippen in der stromabwärtigen Brennstoffkammer ausgebildet ist.

[0007] Gemäss noch einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffeinspritz-kopfes, das aufweist: (a) Ausbilden eines im Wesentlichen hohlen Kammerkörpers mit einer stromaufwärtigen Endfläche, einer stromabwärtigen Endfläche und einer sich zwischen diesen erstreckenden Umfangswand; (b) Ausbilden einer zentralen Öffnung in der stromaufwärtigen Endfläche, wobei die Öffnung durch eine Bohrung gebildet wird, die sich teilweise durch den Kammerkörper erstreckt, wobei die Bohrung zur Aufnahme eines Brennstoffzufuhrrohres eingereicht ist; (c) Ausbilden einer Anzahl von einstückigen Vormischröhren, die sich in Axialrichtung durch den hohlen Kammerkörper erstrecken, mit Einlassen an der stromaufwärtigen Endfläche und Auslässen an der stromabwärtigen Endfläche; und (d) Ausbilden jeweils wenigstens einer Brennstoffeinspritzöffnung, die sich zwischen jeder einzelnen der Vormischröhren und dem hohlen Kammerkörper erstreckt; wobei die Schritte (a) bis (d) durch direkte Laser-Metall-Sinterung ausgeführt werden.

[0008] Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den unten genannten Zeichnungen genauer beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0009] <tb>Fig. 1<sep>ist eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffeinspritzkopfes, der gemäss einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung hergestellt worden ist; <tb>Fig. 2<sep>ist eine vergrösserte perspektivische, teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht des aus Figur 1entnommenen Brennstoffeinspritzkopf es von der stromaufwärtigen Seite aus; <tb>Fig. 3<sep>ist eine ebenfalls geschnittene perspektivische Teilansicht des in Figur 2 gezeigten Brennstoffeinspritzkopfes von der stromabwärtigen Seite aus; <tb>Fig. 4<sep>ist eine innere geschnittene Teilansicht des Brennstoffeinspritzkopfes, die von einer stromaufwärtigen Seite einer inneren Trennwand in dem Einspritzkopf entlang der Schnittlinie 4-4 in Fig. 3 betrachtet ist; <tb>Fig. 5<sep>ist eine schematische geschnittene Teilansicht des Auslassendes oder hinteren Endes des Brennstoffeinspritzkopfes; und <tb>Fig. 6<sep>ist eine geschnittene Teilansicht der DMLS-Träger-struktur zur Bildung des hinteren Endes des in den Fig. 1-5dargestellten Brennstoffeinspritzkopfes.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Fig. 1 zeigt eine Gasturbinenbrennstoffeinspritzdüse 10, die einen Brennstoffeinspritzkopf enthält, der gemäss einer beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist. Im Einzelnen enthält die Düse 10 einen Brennstoffdüsensockel 12 und einen Brennstoffeinspritzkopf 14, die durch ein zentral angeordnetes Brennstoffzufuhrrohr 16 verbunden sind. Der Brennstofffeinspritzkopf 14 ist an dem stromabwärtigen Ende 18 des Brennstoffzufuhrrohrs 16 angebracht, wobei die Vorderkante des Brennstoffzufuhrrohrs an einer inneren ringförmigen Schulter 20 (siehe Fig. 2) in dem Zentrum des Brennstoffeinspritzkopfes 14 anliegt. Man beachte, dass die Ausdrücke «stromaufwärts» und «stromabwärts», wenn sie hierin verwendet werden, sich auf eine Richtung der Strömung von Luft und Brennstoff durch die Brennstoffeinspritzdüse 10 und in die (nicht gezeigte) Verbrennungskammer hinein beziehen.

[0011] Es wird erkannt, dass typischerweise mehrere Düsen 10 zur Zufuhr eines Gemisches von Brennstoff und Luft in die Verbrennungskammer einer Gasturbinenbrennkammer angeordnet sind. In einem bekannten Turbinenaufbau führt eine ringförmige Reihe derartiger Brennkammern durch eine gleiche Anzahl von Verbindungselementen (die häufig als eine «Rohr-Ring»-Anordnung bezeichnet werden) einer ersten Stufe der Turbine Verbrennungsgase zu. Typischerweise sind die Düsensockel 12 in jeder Brennkammer an einer Brennkammerendabdeckung befestigt, und die Brennstoffeinspritzköpfe 14 sind an einer (nicht gezeigten) vorderen Kappenanordnung innerhalb der Verbrennungskammer befestigt. Die Erfindung hier befasst sich besonders mit dem Brennstoffeinspritzkopf 14 und einem Verfahren zur Bildung des Brennstoffeinspritzkopfes.

[0012] Fig. 2 stellt den Brennstoffeinspritzkopf genauer da. Der Brennstoffeinspritzkopf 14 ist als ein teilweise hohler, runder, monolithischer Block oder Kammerkörper 15 mit einer stromaufwärtigen Endfläche 22 und einer stromabwärtigen Endfläche 24, die im Wesentlichen parallel zueinander sind, mit einer sich axial zwischen diesen erstreckenden ringförmigen Umfangsrand 25 ausgebildet. Zwischen der stromaufwärtigen 22 Endfläche und der stromabwärtigen Endfläche 24 erstrecken sich innere Luftzufuhrkanäle oder -röhren 26 (die hierin als auch Vormischröhren bezeichnet werden), wobei die stromaufwärtigen Enden oder Einlasse 28 der Vormischröhren 26 nach aussen hin aufgeweitet sind (d.h. mit einer Trichterform ausgebildet sind), um den Luftstrom in die Vormischröhre hinein und durch diese hindurch zur fördern (und zu beschleunigen). Über die verbleibende Länge hinweg weisen die Vormischröhren einen im Wesentlichen gleich bleibenden Durchmesser durch die stromabwärtigen Enden oder Auslässe 29 auf. Die Vormischröhren 26 können in ringförmigen konzentrischen Reihen (siehe Fig. 1und 3) angeordnet sein, wobei die Vormischröhren jeder gegebenen Reihe in Umfangsrichtung gegen die Vormischröhren 26 einer benachbarten Reihe versetzt angeordnet sind, wie es am besten in Fig. 4 zu sehen ist. Es wird jedoch erkannt, dass die Erfindung nicht durch irgendeine bestimmte Anordnung der Voxmischröhren 26 in dem Kammerkörper beschränkt ist. Ausserdem dient der Gebrauch des Ausdruckes «Röhren» der Zweckmässigkeit, wobei man bemerkt, dass diese nicht an den gegenüber liegenden Enden an den Endflächen befestigte diskrete Röhren sind, sondern vielmehr interne Kanäle, die in den monolithischen Kammerkörper 15 einbezogen sind, wobei ein innerer Raum die verschiedenen Kanäle umgibt.

[0013] Das Zentrum des Brennstoffeinspritzkopfes 14 (oder des Kammerkörpers 15) ist an der stromaufwärtigen Endfläche 22 offen, wodurch eine Einlassbohrung 30 (Fig. 2) geschaffen wird, die durch die ringförmige Wand 32 zur Aufnahme des Brennstoffzufuhrrohres 16 gegeben ist, wobei ein Senkbohrungsabschnitt 34 die ringförmige Schulter 20 bildet, die zum Anliegen an der Vorderkante des Brennstoffzufuhrrohres 16 eingerichtet ist.

[0014] Die Anwendung des DMLS-Schnellherstellungsverfahrens hat vielfältige Konstruktionsmerkmale ermöglicht, die in den hierin offenbarten Brennstoffeinspritzkopf einbezogen sind. Zum Beispiel ist eine innere Trennplatte 36 (siehe Fig. 2 bis 5) einstückig innerhalb des Kammerkörpers 15 ausgebildet. Die Trennplatte erstreckt sich von dem stromabwärtigen Ende der Senkbohrung 34 an einer Stelle im Wesentlichen auf halbem Wege zwischen der stromaufwärtigen Endfläche 22 und der stromabwärtigen Endfläche 24 in radialer Richtung nach aussen, wobei die meisten, aber nicht alle der Vormischröhren durch sie «hindurchtreten». Die Trennplatte 36 ist zu der stromabwärtigen Endfläche 24 in einer Richtung radial nach aussen angewinkelt und erstreckt sich von der radial inneren Nabe oder Wand 32 zu der äusseren Umfangswand 25 hin, endet jedoch kurz vor dieser.

[0015] In jeder der Vormischröhren 26 ist wenigstens eine Brennstoffeinspritzöffnung 40 und vorzugsweise eine Reihe von Brennstoffeinspritzöffnungen vorgesehen, z.B. vier in jeder Röhre, die an gleichmässig beabstandeten Stellen um den Umfang der jeweiligen Röhre herum angeordnet sind. Die Brennstoffeinspritzöffnungen 40 liegen im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene, die zu der stromaufwärtigen Endfläche 22 und der stromabwärtigen Endfläche 24 des Kammerkörpers 15 parallel ist und stromaufwärts von der Trennplatte 36 liegt. Die Brennstoffeinspritzöffnungen 40 sind in der Strömungsrichtung geneigt, d.h. die Öffnungen sind radial nach innen angewinkelt (im spitzen Winkeln von unten auf die Zentrallinie der jeweiligen Vormischröhre 26) in der stromabwärtigen Richtung, so dass die Brennstoffströmung durch die Einspritzöffnungen 40 eine Geschwindigkeitskomponente in der Richtung der durch die Vormischröhren 26 strömenden Luft aufweist. Man beachte, dass die Trennplatte 36 tatsächlich eine stromabwärtige Brennstoffkammer 42 und eine stromaufwärtige Brennstoffkammer 44 bildet, die durch einen ringförmigen Radialspalt 46 zwischen dem radial äusseren Rand der Trennplatte und der Aussenumfangswand 25 in Fluidverbindung miteinander stehen.

[0016] Die stromabwärtige Endfläche 24 des Brennstoffeinspritzkopfes 14 ist in ihrem zentralen Bereich geschlossen, so dass Hochdruck-Wasserstoffbrennstoff, der aus dem Brennstoffzufuhrrohr 16 austritt, in die Bereiche zwischen den Vormischröhren 26 in dem stromabwärtigen Brennstoffkammerbereich 42 und danach durch den radialen Spalt 46 in die stromaufwärtige Kammer 44 strömt. Dieser Brennstoffpfad neigt dazu, den Brennstoffdruck an den Einlassenden der Brennstoffeinspritzöffnungen 40 anzugleichen, und verteilt dadurch den Brennstoff im Wesentlichen gleichmässig auf die Vormischröhren 26.

[0017] Der Wasserstoffbrennstoff strömt danach durch die Brennstoffinjektionsöffnung 40 in die Vormischröhren 26 hinein, wo sich der Brennstoff und die Luft mischen, bevor sie aus dem Brennstoffeinspritzkopf 14 in die Verbrennungskammer austreten.

[0018] Das DMLS-Verfahren ermöglicht auch eine exakte Positionierung und Ausrichtung der Brennstoffeinspritzöffnungen 40. Dies ist bedeutend, weil die Anordnung der Öffnungen 40 eine Auswirkung auf die Gleichmässigkeit des Brennstoffzufuhrdrucks in dem Einspritzkopf haben kann. Wenn der Brennstoff z.B. mit hoher Geschwindigkeit an einer Einspritzöffnung 40 vorbeiströmt, wird sie einen niedrigen Zufuhrdruck aufweisen. Wenn andererseits die Geschwindigkeit des Brennstoffs niedrig ist, wird er einen hohen Zufuhrdruck aufweisen. Wenn eine Einspritzöffnung 40 direkt gegenüber einer anderen Einspritzöffnung in einer benachbarten Vormischröhre angeordnet ist, wird in ähnlicher Weise der durch die Öffnungen hindurch strömende Brennstoff eine hohe Geschwindigkeit und demnach einen niedrigen Zufuhrdruck aufweisen (siehe Figur 4). Es ist herausgefunden worden, dass ein Verdrehen der Lagen der Einspritzöffnungen 40 in einer Vormischröhre um 45° bezogen auf die Öffnungspositionen in benachbarten Vormischröhren die besten Ergebnisse liefert und das DMLS-Verfahren zum automatischen Anordnen der Öffnungen in dieser Weise mit der grössten Genauigkeit programmiert werden kann.

[0019] Weil Wasserstoffbrennstoff sehr reaktiv ist, muss in dieser Hinsicht weiterhin darauf geachtet werden, sicherzustellen, dass die Verbrennungsflamme in Strömungsrichtung unterhalb der Vormischröhrenauslässe 29 bleibt. Wenn anderenfalls innerhalb einer oder mehrerer der Vormischröhren 26 eine Flamme ausbricht, könnte die Wärmeausdehnung in dem/den lokalen Bereich (en) besonders bei einem monolithischen Aufbau, wie er hierin beschrieben ist, den Einspritzkopf zerstören. Demnach ist es wünschenswert, die Brennstoffeinspritzöffnungen 40 etwa 13 mm bis 22 mm (0,5 bis 0,85 Zoll) von den Vormischröhrenauslässen entfernt anzuordnen. Obwohl das Anordnen der Injektionsöffnungen 40 nahe bei den Auslässen 29 die Vermischungsdauer an der Stelle verringert, ist das Verhindern eines Flammenausbruchs innerhalb der Vormischröhren 26 vorrangig.

[0020] Es ist ein weiteres Merkmal der beispielhaften Ausführungsform, dass die Trennplatte 36 mit einem geordneten Feld von eingebauten «Bruchstellen» 48 ausgebildet ist, die am besten in Figur 4 zu sehen sind und ebenfalls durch das DMLS-Verfahren ermöglicht werden. Die Bruchstellen 48 sind im Wesentlichen Schwächungskerblinien (obwohl sie nicht im traditionellen Sinne durch «Einkerben» erzeugt worden sind) an der stromaufwärtigen Seite der Trennplatte, wobei sie in einem rechtwinkligen gitterartigen Muster angeordnet sind, das jede einzelne der Vormischröhren 26 umgibt. Im Einzelnen stellt das gitterartige Muster eine Vielzahl von geschlossenen Feldern oder Bereichen 50 her, die jeweils durch die Schwächungskerblinien 48 begrenzt sind und eine zugehörige der Vormischröhren 26 aufweisen, die durch dieses Feld hindurch tritt. Die sogenannten Bruchstellen erstrecken sich nicht vollständig durch die Trennplatte hindurch, und dadurch findet kein Abfluss oder Leckstrom von Brennstoff durch die Platte hindurch statt. Wenn andererseits in einer oder mehreren der Vormischröhren 26 eine Flamme gehalten wird, wird/werden die Röhre(n) heiss und dehnt/dehnen sich thermisch aus. Die Trennplatte 36 versteift die Vormischröhren 26 nicht nur, sondern verkürzt auch wirksam die Länge, über der die Wärmedehnung absorbiert werden kann. Zusätzlich ermöglichen es die geschwächten Bruchstellen oder Kerblinien 48 in der Trennplatte 36 der Trennplatte, entlang dieser Schwächungskerblinien tatsächlich zu brechen, ohne den Vormischröhren 26 Schaden zuzufügen.

[0021] Die eingebauten Bruchstellen 48 sind wegen der durch die DMLS erzeugten Ausrichtung an der oberen oder stromaufwärtigen Seite der Trennplatte 36 gebildet. Wenn eine Komponente unter Verwendung der DMLS gebildet wird, ist wie oben erwähnt eine darunter liegende Trägerstruktur erforderlich. Durch Anordnen der Bruchstellen oder Schwächungskerblinien 48 auf der oberen oder Oberseite der Trennplatte 36 ist kein zusätzlicher Träger erforderlich, und die Halterungsstruktur, die vorhanden ist, stört das DMLS-Schichtungsverfahren nicht. Ein weiterer Vorteil der Anwendung der DMLS besteht darin, dass normalerweise ein Abstand zum Montieren der Trennplatte 36 auf das Brennstoffzufuhrrohr 16 benötigt würde. Dies führt gewöhnlich zu einer gewissen Leckströmung an der Platte vorbei, während die DMLS dieses Problem löst, indem sie die übliche Fügestelle zwischen der Trennplatte 36 und dem Brennstoffzufuhrrohr 16 sowie alle Fügestellen zwischen den Vormischröhren 26 und den Endflächen 22, 24 des Kammerkörpers 15 vermeidet.

[0022] Wieder unter Bezug auf die Fig. 2und 5, aber nun ebenfalls unter Bezug auf Figur 6: An jeder Vormischröhre 26 können an Stellen stromabwärts der Trennplatte 36 Kühlrippen 52 ausgebildet sein. Die Rippen an jeder Röhre 26 sind diskrete parallele Ringe (z.B. drei an jeder Röhre), die der stromabwärtigen Endfläche 24 des Kammerkörpers 15 benachbart sind. Fig. 6 stellt die DMLS-Trägerstruktur zur Bildung der Rippen 52 an benachbarten Vormischröhren dar. Die Ausrundungsradien 54 an den Oberseiten der Rippen werden minimiert, während die Ausrundungsradien 56 an den Unterseiten der Rippen stark vergrössert werden, um die gewünschte Aufbauqualität zu erreichen, wobei sie auch zu einem niedrigeren Spannungskonzentrationsfaktor führen, der in diesen anderenfalls unter hoher Spannung stehenden Bereichen von entscheidender Bedeutung ist.

[0023] Es wird demnach erkannt, dass die Anwendung des DMLS-Verfahrens die Ausgestaltung und Konstruktion von Brennstoffeinspritzdüsen ermöglicht, die zuvor nicht auf eine zuverlässige und wirtschaftliche Art herstellbar waren. Die DMLS stellt sicher, dass die Übergangsstellen zwischen den Vormischröhren und den Endwänden oder -platten einwandfrei sind und keine Bearbeitung mit sehr engen Hartlöttoleranzen erfordern. Die fugenlose Herstellung ist bedeutend, weil Wasserstoffmoleküle sehr klein sind und durch sehr enge Spalten hindurchsickern können, die vorhanden sein können, wenn die Struktur traditionelle Fügestellen aufweist. Die DMLS beseitigt virtuell die Gefahr von Lecks in den zahlreichen Übergangsstellen zwischen den Röhren und der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Endfläche des Einspritzkopfes oder Kammerkörpers. Die DMLS erspart auch die Notwendigkeit der Bearbeitung des Einlasstrichters jeder einzelnen Vormischröhre, während sie die hierin beschriebenen komplexen inneren Trenn- und Kühlstrukturen ermöglicht.

[0024] Ein monolithischer Brennstoffeinspritzkopf 14 für eine Brennstoffdüse weist einen im Wesentlichen hohlen Kammerkörper (15), der mit einer stromaufwärtigen Endfläche 22, einer stromabwärtigen Endfläche 24 und einer sich zwischen diesen erstreckenden Umfangswand 25, ausgebildet ist, und eine innere Trennplatte 36 auf, die sich von einem stromabwärtigen Ende der Bohrung in Radialrichtung nach aussen erstreckt und kurz vor der Umfangswand endet, wodurch in dem Kammerkörper eine stromaufwärtige 44 und eine stromabwärtige Brennstoffkammer 42 gebildet werden, die durch einen radialen Spalt 46 zwischen der Trennplatte und der Umfangswand in Fluidverbindung stehen. Mehrere einstückige Vormischröhren 26 erstreckt sich axial durch die stromaufwärtige und die stromabwärtige Brennstoffkammer in dem Kammerkörper 15 und die Trennplatte 36 hindurch, wobei sich zwischen jeder der Vormischröhren und der stromaufwärtigen Brennstoffkammer wenigstens eine Brennstoffeinspritzöffnung 4 erstreckt, wodurch es dem Brennstoff in der stromaufwärtigen Kammer ermöglicht wird, in die mehreren Vormischröhren eingeleitet zu werden. Der Brennstoffeinspritzkopf ist durch direkte Metall-Laser-Sinterung hergestellt.

[0025] Während die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als die praktischste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, muss erkannt werden, dass die Erfindung nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern es im Gegenteil beabsichtigt ist, vielfältige Abwandlungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die von dem Geist und Bereich der beigefügten Ansprüche umfasst sind.

[0026] Ein monolithischer Brennstoffeinspritzkopf 14 für eine Brennstoffdüse weist einen im Wesentlichen hohlen Kammerkörper 15, der mit einer stromaufwärtigen Endfläche 22, einer stromabwärtigen Endfläche 24 und einer sich zwischen diesen erstreckenden Umfangswand 25, ausgebildet ist, und eine innere Trennplatte 36 auf, die sich von einem stromabwärtigen Ende der Bohrung in Radialrichtung nach aussen erstreckt und kurz vor der Umfangswand endet, wodurch in dem Kammerkörper eine stromaufwärtige 44 und eine stromabwärtige Brennstoffkammer 42 gebildet werden, die durch einen radialen Spalt 46 zwischen der Trennplatte und der Umfangswand in Fluidverbindung stehen. Mehrere einstückige Vormischröhren 26 erstreckt sich axial durch die stromaufwärtige und die stromabwärtige Brennstoffkammer in dem Kammerkörper 15 und die Trennplatte 36 hindurch, wobei sich zwischen jeder der Vormischröhren und der stromaufwärtigen Brennstoffkammer wenigstens eine Brennstoffeinspritzöffnung 4 erstreckt, wodurch es dem Brennstoff in der stromaufwärtigen Kammer ermöglicht wird, in die mehreren Vormischröhren eingeleitet zu werden. Der Brennstoffeinspritzkopf ist durch direkte Metall-Laser-Sinterung hergestellt.

Bezugszeichenliste

[0027] <tb>14<sep>Einspritzkopf <tb>15<sep>Kammerkörper <tb>16<sep>Brennstoffzufuhrrohr <tb>18<sep>Stromabwärtiges Ende <tb>20<sep>Ringförmige Schulter <tb>22<sep>Stromaufwärtige Endfläche <tb>24<sep>Stromabwärtige Endfläche <tb>25<sep>Umfangswand <tb>26<sep>Vormischrohre <tb>28<sep>Einlass <tb>29<sep>Auslass <tb>30<sep>Einlassbohrung <tb>32<sep>Ringförmige Wand <tb>34<sep>Senkbohrung <tb>36<sep>Innere Trennplatte <tb>40<sep>Einspritzöffnung <tb>42<sep>Stromaufwärtige Brennstoffkammer <tb>44<sep>Stromabwärtige Brennstoffkammer <tb>46<sep>Radialer Spalt <tb>48<sep>Bruchstelle, Kerblinie <tb>50<sep>Feld, Bereich <tb>52<sep>Kühlrippe <tb>54<sep>Kleiner Ausrundungsradius <tb>56<sep>Grosser Ausrundungsradius

Claims (15)

1. Monolithischer Brennstoffeinspritzkopf (14) für eine Brennstoffdüse, der aufweist: einen im Wesentlichen hohlen Kammerkörper (15), der mit einer stromaufwärtigen Endfläche (22), einer stromabwärtigen Endfläche (24) und einer sich zwischen diesen erstreckenden Umfangswand (25) ausgebildet ist; eine zentrale Öffnung in der stromaufwärtigen Endfläche (22), die durch eine Bohrung (30) gebildet ist, die sich teilweise durch den Kammerkörper erstreckt, wobei die Bohrung zur Aufnahme eines Brennstoffzufuhrrohres (16) eingerichtet ist; eine innere Trennplatte (36), die sich von einem stromabwärtigen Ende der Bohrung radial nach aussen erstreckt und kurz vor der Umfangswand endet, wodurch in dem Kammerkörper eine stromaufwärtige Brennstoffkammer (44) und eine stromabwärtige Brennstoffkammer (42) gebildet werden, die durch einen radialen Spalt (46) zwischen der Trennplatte und der Umfangswand in einer Fluidverbindung stehen, so dass beim Gebrauch Brennstoff aus dem Brennstoffzufuhrrohr (16) in die stromabwärtige Brennstoffkammer (42), durch den radialen Spalt (46) und in die stromaufwärtige Brennstoffkammer (44) strömt; und eine Anzahl von einstückigen Vormischröhren (26), die sich in Axialrichtung durch die stromaufwärtige und die stromabwärtige Brennstoffkammer in dem Kammerkörper und durch die Trennplatte hindurch erstrecken, mit Einlassen (28) an der stromaufwärtigen Endfläche und Auslässen (29) der stromabwärtigen Endfläche und mit jeweils wenigstens einer Brennstoffeinspritzöffnung (40), die sich zwischen jeder einzelnen der Vormischröhren (26) und der stromaufwärtigen Brennstoffkammer (44) erstreckt, wodurch es dem Brennstoff in der stromaufwärtigen Kammer ermöglicht wird, in die mehreren Vormischröhren eingeleitet zu werden.

2. Monolithischer Brennstoffeinspritzkopf nach Anspruch 1, bei dem die innere Trennplatte (36) in einer Richtung radial auswärts zu der stromabwärtigen Endfläche (24) angewinkelt ist.

3. Monolithischer Brennstoffeinspritzkopf nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Vormischröhren (26) in konzentrischen ringförmigen Reihen angeordnet sind, wobei Vormischröhren in einer Reihe in Umfangsrichtung zu Vormischröhren in einer benachbarten Reihe versetzt angeordnet sind.

4. Monolithischer Brennstoffeinspritzkopf nach Anspruch 1, bei dem die Vormischröhren (26) an den Einlassen (28) nach aussen aufgeweitet sind.

5. Monolithischer Brennstoffeinspritzkopf nach Anspruch 1, bei dem die ringförmige Bohrung (30) durch eine Senkbohrung (34) gebildet wird, wodurch eine ringförmige Schulter (20) gebildet wird, die zum Anlegen einer Vorderkante des Brennstoffzufuhrrohres eingerichtet ist.

6. Monolithischer Brennstoffeinspritzkopf nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens eine Brennstoffeinspritzöffnung (40) vier Brennstoffeinspritzöffnungen umfasst, die im Wesentlichen gleichmässig beabstandet um die jeweilige Vormischröhre herum angeordnet sind.

7. Monolithischer Brennstoffeinspritzkopf nach Anspruch 6, bei dem jede Brennstoffeinspritzöffnung (40) in einer stromabwärtigen Richtung angewinkelt und zwischen 13 mm und 22 mm von dem entsprechenden der Auslässe (29) entfernt angeordnet ist.

8. Monolithischer Brennstoffeinspritzkopf nach Anspruch 1, bei dem jede der Vormischröhren (26) in der stromabwärtigen Brennstoffkammer mit Kühlrippen (52) ausgebildet ist.

9. Monolithischer Brennstoffeinspritzkopf nach Anspruch 1, bei dem die innere Trennplatte (36) mit Schwächungskerblinien (48) auf einer stromaufwärtigen Seite der Trennplatte ausgebildet ist, wobei die Schwächungskerblinien in einem Gitter angeordnet sind, so dass jede Vormischröhre (26), die durch die Trennplatte (36) hindurch tritt, von entsprechenden Schwächungskerblinien (48) eingegrenzt i.st.

10. Monolithischer Brennstoffeinspritzkopf nach Anspruch 6, bei dem die Brennstoffeinspritzöffnungen (40) in einer im Wesentlichen gemeinsamen Ebene liegen und keine Brennstoffeinspritzöffnung in einer der Vormischröhren direkt gegenüber einer Brennstoffeinspritzöffnung in einer benachbarten Vormischröhre liegt.

11. Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffeinspritzkopfes, das aufweist: (a) Ausbilden eines im Wesentlichen hohlen Kammerkörpers (15) mit einer stromaufwärtigen Endfläche (22), einer stromabwärtigen Endfläche (24) und einer sich zwischen diesen ersteckenden Umfangswand (25); (b) Ausbilden einer zentralen Öffnung, die durch eine Bohrung (30) gebildet ist, die sich teilweise durch den Kammerkörper erstreckt, in der stromaufwärtigen Endfläche, wobei die Bohrung zur Aufnahme eines Brennstoffzufuhrrohres (16) zum Zuführen von Brennstoff zu dem hohlen Kammerkörper (15) eingerichtet ist; (c) Ausbilden einer Anzahl von einstückigen Vormischröhren (26), die sich axial durch den hohlen Kammerkörper hindurch erstrecken, mit Einlassen (28) an der stromaufwärtigen Endfläche und Auslässen (29) an der stromabwärtigen Endfläche; und (d) Ausbilden jeweils wenigstens einer Brennstoffeinspritzöffnung (40), die sich zwischen jeder einzelnen der Vormischröhren und dem hohlen Kammerkörper erstreckt; wobei die Schritte (a) bis (d) durch direkte Laser-Metall-Sinterung ausgeführt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dass weiterhin das Ausbilden von Kühlrippen (52) an jeder der mehreren Vormischröhren (26) ebenfalls durch direkte Metall-Laser-Sinterung umfasst.

13. Verfahren nach Anspruch 11, das weiterhin aufweist: Ausbilden einer inneren Trennplatte (36), die sich von einem stromabwärtigen Ende der Bohrung radial nach aussen herstreckt und kurz vor der Umfangswand endet, wodurch in dem hohlen Kammerkörper eine stromaufwärtige Brennstoffkammer (44) und eine stromabwärtige Brennstoffkammer (42) gebildet werden, die durch einen radialen Spalt (46) zwischen der Trennplatte (36) und der Umfangswand (25) in Fluidverbindung stehen, wobei sich zwischen jeder der Vormischröhren (26) und der stromaufwärtigen Brennstoffkammer (44) jeweils wenigstens eine Brennstoffeinspritzöffnung (40) erstreckt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die wenigstens eine Brennstoffeinspritzöffnung (40) bis zu vier Brennstoffeinspritzöffnungen umfasst, die um die jeweiligen Vormischröhren (26) herum im Wesentlichen gleichmässig beabstandet angeordnet sind, wobei jede Brennstoffeinspritzöffnung in einer stromabwärtigen Richtung angewinkelt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 12, das weiterhin das Ausbilden jeder Kühlrippe (52) mit einem relativ kleinen Ausrundungsradius (54), wo die Kühlrippe auf einer stromaufwärtigen Seite der Kühlrippe an die jeweilige Vormischröhre anschliesst, und einem relativ grossen Ausrundungsradius (56), wo die Kühlrippe auf einer stromabwärtigen Seite der Kühlrippe an die jeweilige Vormischröhre anschliesst, umfasst.