DE102013112939A1

DE102013112939A1 - Effusionsplattenherstellung mittels materialhinzufügender Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102013112939A1
Application number: DE102013112939.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Edward Johnson; Christopher P. Keener; Heath Michael Ostebee; Daniel Gerritt Wegerif
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2014-07-24
Also published as: JP6310680B2; US20140202163A1; US9309809B2; JP2014141961A

Abstract

Zum Aufbau von Effusionsplatten können materialhinzufügende Herstellungsverfahren verwendet werden. Derartige materialhinzufügende Herstellungsverfahren können das Festlegen einer Gestaltung für eine Effusionsplatte mit einem oder mehreren inneren Kühlkanälen umfassen. Die Herstellungsverfahren können ferner das Aufbringen eines Pulvers in einer Kammer, Richten einer Energiequelle auf das aufgebrachte Pulver und Verdichten des Pulvers in einer Querschnittsform, die der festgelegten Gestaltung entspricht, umfassen. Diese Verfahren können ausgeführt werden, um eine Effusionsplatte mit einem oder mehreren Kanälen mit einer gebogenen Querschnittsgeometrie aufzubauen.

Description

HINWEIS ZU STAATLICH GEFÖRDERTEN FORSCHUNG & ENTWICKLUNG
Diese Erfindung erfolgte im Rahmen des Vertrags DE-FC26-05NT42643 des US-amerikanischen Energieministeriums mit Unterstützung der Regierung der USA. Der Regierung stehen an der Erfindung bestimmte Rechte zu.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der hier offenbarte Erfindungsgegenstand betrifft im Allgemeinen Turbinenbrennkammern und insbesondere eine Konstruktion, die so eingerichtet ist, dass sie innerhalb von Turbinenbrennkammern für Kühlung sorgt.
Eine Gasturbine verbrennt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Brennraum einer Turbinenbrennkammer und treibt anschließend eine oder mehrere Turbinen mit dem entstehenden heißen Verbrennungsgas an. In derartigen Systemen erzeugt die Brennkammer eine beträchtliche Wärmemenge. Diese Wärme kann eine Wärmeausdehnung bewirken sowie zu Verschleiß oder möglichen Beschädigungen verschiedener Bauteile innerhalb des Systems führen. Bei einigen Gasturbinen weist ein Kopfende der Brennkammer eine oder mehrere Kraftstoffdüsen auf, die Kraftstoff und Luft für die Verbrennung in einem Brennraum bereitstellen. Die hohen Verbrennungstemperaturen können unglücklicherweise eine Wärmeausdehnung von Abschnitten der Brennkammer einschließlich der Kraftstoffdüsen bewirken. Diese Wärmeausdehnung kann zu Leistungseinbußen, Beanspruchungen, Rissen und anderen Problemen führen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bestimmte Ausführungsformen, deren Geltungsbereich der ursprünglich beanspruchten Erfindung entspricht, sind nachstehend zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sollen den Geltungsbereich der beanspruchten Erfindung nicht einschränken, sondern sollen vielmehr lediglich eine kurze Zusammenfassung möglicher Formen der Erfindung bereitstellen. So kann die Erfindung verschiedene Formen umfassen, die den nachstehend dargelegten Ausführungsformen ähneln oder sich von ihnen unterscheiden können.
In einer ersten Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung einer Effusionsplatte bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Festlegen einer Gestaltung für die Effusionsplatte, wobei die Gestaltung einen oder mehrere innere Kühlkanäle aufweist, die innerhalb der Effusionsplatte platziert sind. Das Verfahren umfasst ferner das Aufbringen eines Pulvers in einer Kammer, Richten einer Energiequelle auf das aufgebrachte Pulver und Verdichten des Pulvers in einer Querschnittsform, die der festgelegten Gestaltung entspricht.
Das Verfahren kann dafür sorgen, dass der eine oder die mehreren inneren Kühlkanäle gebogen sind.
Jedes zuvor erwähnte Verfahren kann dafür sorgen, dass das Pulver ein Metallpulver enthält.
Jedes zuvor erwähnte Verfahren kann dafür sorgen, dass das Pulver ein Keramikpulver enthält.
Jedes zuvor erwähnte Verfahren kann dafür sorgen, dass das Pulver ein Verbundwerkstoffpulver enthält.
Jedes zuvor erwähnte Verfahren kann dafür sorgen, dass die Energiequelle einen Laser- oder Elektronenstrahl umfasst.
Jedes zuvor erwähnte Verfahren kann dafür sorgen, dass der Verdichtungsschritt das Schmelzen des Pulvers umfasst.
Jedes zuvor erwähnte Verfahren kann ferner das Programmieren der Gestaltung in ein materialhinzufügendes Herstellungssystem umfassen.
Jedes zuvor erwähnte Verfahren kann ferner das Wiederholen der Schritte des Aufbringens, Richtens und Verdichtens umfassen, um die Effusionsplatte mit der festgelegten Gestaltung aufzubauen.
In einer zweiten Ausführungsform weist eine Turbinenbrennkammer einen Brennraum, einen Kopfendeabschnitt und eine zwischen dem Brennraum und dem Kopfendeabschnitt platzierte Effusionsplatte auf. Die Effusionsplatte weist ferner eine proximale Seite, eine distale Seite und einen oder mehrere Kanäle auf, die zwischen der proximalen und distalen Seite verlaufen. Der eine oder die mehreren Kanäle weisen zudem eine gebogene Querschnittsgeometrie auf.
Der eine oder die mehreren Kanäle der Turbinenbrennkammer können eine radial erweiterte Austrittsöffnung umfassen.
Der eine oder die mehreren Kanäle einer beliebigen zuvor erwähnten Turbinenbrennkammer können eine radial erweiterte Eintrittsöffnung umfassen.
Der eine oder die mehreren Kanäle einer beliebigen zuvor erwähnten Turbinenbrennkammer können eine gewendelte Form aufweisen und sind in Umfangsrichtung um eine oder mehrere Öffnungen in der Effusionsplatte herum angeordnet.
Der eine oder die mehreren Kanäle einer beliebigen zuvor erwähnten Turbinenbrennkammer können in Umfangsrichtung um eine oder mehrere Vormischröhren oder Kraftstoffdüsen herum angeordnet sein, die in der einen oder den mehreren Öffnungen der Effusionsplatte platziert sind.
Zwei oder mehr Kanäle einer beliebigen zuvor erwähnten Turbinenbrennkammer können sich in der Effusionsplatte schneiden.
In einer dritten Ausführungsform ist ein System mit einer Effusionsplatte bereitgestellt. Die Effusionsplatte weist eine proximale Seite, eine distale Seite und einen oder mehrere Kanäle auf, die zwischen der proximalen und distalen Seite verlaufen. Der eine oder die mehreren Kanäle weisen zudem eine gebogene Querschnittsgeometrie auf.
Der eine oder die mehreren Kanäle des Systems können eine radial erweiterte Austrittsöffnung umfassen.
Der eine oder die mehreren Kanäle eines beliebigen zuvor erwähnten Systems können eine gewendelte Form aufweisen und sind in Umfangsrichtung um eine oder mehrere Öffnungen in der Effusionsplatte herum angeordnet.
Der eine oder die mehreren Kanäle eines beliebigen zuvor erwähnten Systems können eine Austrittsöffnung aufweisen, die unter einem Winkel von weniger als 90 Grad bezogen auf die distale Seite der Effusionsplatte ausgerichtet ist.
Der eine oder die mehreren Kanäle eines beliebigen zuvor erwähnten Systems können einen oder mehrere Turbulatoren umfassen, die an einer Innenwand des einen oder der mehreren Kanäle platziert sind.
Jedes beliebige zuvor erwähnte System kann einen Brennkammerdeckel, eine Brennkammerwand, Kraftstoffdüse, Turbinenlaufschaufel, Turbinenleitschaufel, ein Turbinendeckband oder eine beliebige Kombination von diesen aufweisen, der bzw. die bzw. das die Effusionsplatte aufweist.
Die Effusionsplatte eines beliebigen zuvor erwähnten Systems kann entlang einer Wand eines Bauteils des Verbrennungssystems verlaufen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind mit der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in sämtlichen Zeichnungen gleiche Teile darstellen, besser zu verstehen, wobei:
1 eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems ist;
2 eine Querschnittdarstellung und Seitenansicht der Turbinenbrennkammer von 1 ist, in der eine Ausführungsform einer Effusionsplatte dargestellt ist, die angrenzend an einen Brennraum platziert ist;
3 eine Vorderansicht einer gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellten Ausführungsform der Effusionsplatte von 2 ist, die eine Vielzahl von Kühlbohrungen aufweist;
4 eine Querschnittdarstellung und Seitenansicht einer gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgebildeten Ausführungsform der Effusionsplatte von 2 mit gebogenen Kanälen ist;
5 eine vereinfachte Seitendarstellung einer Ausführungsform einer Austrittsöffnung der Kanäle von 4 innerhalb des Bereichs 5-5 ist;
6 eine Querschnittdarstellung und Seitenansicht einer Ausführungsform der Effusionsplatte mit gebogenen Kanälen ist, die in Umfangsrichtung um Kraftstoffdüsen herum platziert sind;
7 eine vereinfachte Draufsicht der Ausführungsform des gebogenen Kanals von 6 innerhalb von 7-7 ist;
8 eine Querschnittdarstellung und Seitenansicht einer Ausführungsform der Effusionsplatte von 2 mit einem verjüngten Kanal mit einer Vielzahl von in dem Kanal platzierten Turbulatoren ist;
9 eine Querschnittdarstellung und Seitenansicht des verjüngten Kanals von 8 innerhalb von 9-9 ist, in der die Vielzahl von Turbulatoren in dem Kanal dargestellt ist; und
10 ein Ablaufdiagramm ist, das eine Ausführungsform eines materialhinzufügenden Herstellungsverfahrens zum Herstellen der Effusionsplatte gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine oder mehrere konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. Um diese Ausführungsformen kurz und knapp zu beschreiben, sind möglicherweise nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Ausführung in der Beschreibung beschrieben. Es sollte erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer derartigen tatsächlichen Ausführung, wie bei jedem technischen Projekt oder Konstruktionsprojekt, zahlreiche ausführungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die konkreten Ziele der Entwickler zu erreichen, beispielsweise die Einhaltung systembezogener und unternehmensbezogener Vorgaben, die sich von einer Ausführung zur nächsten unterscheiden können. Es sollte ferner erkannt werden, dass dieser Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwendig sein könnte, für einen Fachmann, der aus dieser Offenbarung Nutzen zieht, aber dennoch Routine in der Konstruktion, Herstellung und Produktion wäre.
Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgestellt werden, sollen die Artikel "ein", "eine", "der", "die" und "das" bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Begriffe "umfassen", "enthalten" und "aufweisen" sollen einschließend sein und bedeuten, dass zusätzliche Elemente außer den aufgeführten Elementen vorhanden sein können.
Gasturbinen können eine Effusionsplatte zum Kühlen in der Brennkammer aufweisen, z.B. in einem Deckel zwischen einem Kopfende und einem Brennraum der Brennkammer. Derartige Effusionsplatten können so eingerichtet sein, dass sie für Effusionskühlung sorgen, wozu die Kühlung durch Strömenlassen von Kühlluft durch eine Vielzahl von eng beieinanderliegenden, verhältnismäßig kleinen Löchern gehört. Einige Effusionsplatten können zur Verbesserung der Kühlung (z.B. im Kopfende, beispielsweise dem Deckel) und zur Verminderung der von der Verbrennung von Gasen im Brennraum herrührenden thermischen Schäden Löcher aufweisen. Die Löcher können hergestellt werden, indem sie in die Effusionsplatte hineingebohrt werden; somit sind die Löcher auf eine gerade Geometrie beschränkt. Auf diese Weise hergestellte Löcher haben leider eine eingeschränkte Kühlwirkung und können daher unzulänglich sein. Die vorliegende Offenbarung stellt somit Ausführungsformen einer Effusionsplatte bereit, die mittels materialhinzufügender Herstellungsverfahren hergestellt werden. Unter Verwendung derartiger Verfahren können die so hergestellten Effusionsplatten ein oder mehrere konstruktive Merkmale aufweisen, die so eingerichtet sind, dass sie für eine stärkere Kühlung sorgen. Beispiele für derartige konstruktive Merkmale umfassen unter anderem gebogene Kühlkanäle, verjüngte Ein- und Austrittsöffnungen für Kühlkanäle oder Turbulatoren in Kühlkanälen. Eine Effusionsplatte mit den hier beschriebenen konstruktiven Merkmalen kann mit weniger Luft auskommen, um das System angemessen zu kühlen, was wiederum verschiedene Vorteile wie niedrigere Emissionen und eine effizientere Verbrennung mit sich bringen kann. Die offenbarten konstruktiven Merkmale können beispielsweise die Oberfläche der Effusionsplatte vergrößern, die Verweilzeit verlängern und ihre Gesamtkühlleistung erhöhen.
Effusionsplatten der vorliegenden Offenbarung können mittels materialhinzufügender Herstellungsverfahren hergestellt werden. Mit derartigen Verfahren wird im Allgemeinen dafür gesorgt, dass komplexe Festkörper anhand von Computermodellen ohne schwierige Schritte der maschinellen Bearbeitung aufgebaut werden können. Materialhinzufügende Verfahren beinhalten im Allgemeinen das Richten einer Energiequelle wie einem Laser- oder Elektronenstrahl auf aufgebrachte Pulverschichten, um ein Teil mit einer bestimmten Form und Merkmalen entstehen zu lassen.
Mit Bezug auf die Zeichnungen ist in 1 ein Blockschaubild einer Ausführungsform eines Gasturbinensystems 10 dargestellt, das eine Effusionsplatte gemäß den vorliegenden Ausführungsformen aufweisen kann. Das System 10 weist einen Verdichter 12, eine Turbinenbrennkammer 14 und eine Turbine 16 auf. Die Turbinenbrennkammern 14 können eine oder mehrere Kraftstoffdüsen 18 aufweisen, die so eingerichtet sind, dass sie einen flüssigen Kraftstoff und/oder gasförmigen Kraftstoff 20 wie Erdgas oder Syngas aufnehmen.
In den Turbinenbrennkammern 14 wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet und verbrannt und werden anschließend heiße unter Druck stehende Verbrennungsgase 22 (z.B. Abgase) in die Turbine 16 geleitet. Mit einer Welle 24, die auch mit mehreren anderen Bauteilen im gesamten Turbinensystem 10 gekoppelt ist, sind Turbinenschaufeln gekoppelt. Wenn die Verbrennungsgase 22 durch die Turbinenschaufeln in der Turbine 16 strömen, wird die Turbine 16 in Drehung versetzt, was die Welle 24 dazu bringt, sich zu drehen. Die Verbrennungsgase 22 strömen schließlich über einen Abgasauslass 26 aus dem Turbinensystem 10 hinaus. Die Welle 24 kann ferner mit einer Last 28 gekoppelt sein, die über die Drehung der Welle 24 angetrieben wird. Bei der Last 28 kann es sich beispielsweise um jede geeignete Vorrichtung handeln, die über die Drehleistung des Turbinensystems 10 Energie erzeugen kann, beispielsweise ein elektrischer Generator, ein Propeller eines Flugzeugs und so weiter.
Als Bauteile des Verdichters 12 können Verdichterschaufeln enthalten sein. Die Schaufeln in dem Verdichter 12 sind mit der Welle 24 gekoppelt und drehen sich, wenn die Welle 24 wie zuvor beschrieben von der Turbine 16 in Drehung versetzt wird. Ein Einlass 30 führt Luft 32 in den Verdichter 12 und durch die Drehung der Schaufeln im Verdichter 12 wird die Luft 32 verdichtet, um Druckluft 34 zu erzeugen. Die Druckluft 34 wird dann den Kraftstoffdüsen 18 der Turbinenbrennkammern 14 zugeführt.
Die Kraftstoffdüsen 18 vermischen die Druckluft 34 und den Kraftstoff 20, um ein geeignetes Mischungsverhältnis für die Verbrennung (z.B. eine Verbrennung, die bewirkt, dass der Kraftstoff vollständiger verbrennt) zu erzeugen, um keinen Kraftstoff zu verschwenden oder keine überhöhten Emissionen zu verursachen. Bestimmte Gasturbinensysteme können insbesondere eine Vielzahl von separaten Vormischröhren aufweisen, die so eingerichtet sind, dass sie den Kraftstoff 20 und die Druckluft 34 aufnehmen und vermischen. In einigen Ausführungsformen können diese Vormischröhren in der Kraftstoffdüse 18 untergebracht sein, obwohl die Vormischröhren in einigen Systemen statt der Kraftstoffdüse 18 verwendet werden können. Anders ausgedrückt kann jede Vormischröhre unabhängig in einer Kammer am Kopfende aufgehängt sein und nicht in einer Kraftstoffdüse 18 untergebracht oder als Gruppe angeordnet sein.
2 ist eine vereinfachte Darstellung einer Ausführungsform der Turbinenbrennkammer 14 von 1, in der eine Effusionsplatte 40 dargestellt ist, die angrenzend an einen Brennraum 42 platziert ist. Wie zuvor beschrieben ist, nimmt der Verdichter 12 die Luft 32 von dem Lufteinlass 30 auf, verdichtet die Luft und erzeugt den Strom Druckluft 34 zur Verwendung im Verbrennungsvorgang in der Turbinenbrennkammer 14. Wie in der veranschaulichten Ausführungsform dargestellt ist, wird die Druckluft 34 von einem Verdichteraustritt 44 aufgenommen, der funktionsmäßig mit der Turbinenbrennkammer 14 gekoppelt ist. Wie mit den Pfeilen 46 angegeben ist, strömt die Druckluft 34 von dem Verdichteraustritt 44 in Richtung eines Kopfendes 48 der Turbinenbrennkammer 14. Die Druckluft 34 strömt insbesondere durch einen Ringraum 50 zwischen einem Flammrohr 52 und einem Leitblech 54 der Turbinenbrennkammer 14 und erreicht dann das Kopfende 48.
In bestimmten Ausführungsformen weist das Kopfende 48 eine Abschlussplatte 56 auf, die die eine oder die mehreren in 1 dargestellten Kraftstoffdüsen 18 halten kann. Zusätzlich kann eine Kraftstoffversorgung 58 mit der Abschlussplatte 56 gekoppelt sein und die Kraftstoffdüsen 18 mit Kraftstoff 20 versorgen. Druckluft 34 von dem Ringraum 50 der Turbinenbrennkammer 14 kann den Kraftstoffdüsen 18 ebenfalls zugeführt werden und der Kraftstoff 20 mit der Druckluft 34 kann in den Kraftstoffdüsen 18 zur Erzeugung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs zusammengebracht werden. Nachdem der Kraftstoff und die Luft vermischt sind, strömt das Kraftstoff-Luft-Gemisch von dem Kopfende 48 aus strömungsabwärts in den Brennraum 42, in dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet und verbrannt wird, damit Verbrennungsgase (z.B. Abgase) entstehen. Die Verbrennungsgase strömen in eine Richtung 60 auf ein Übergangsteil 62 der Turbinenbrennkammer 14 zu. Die Verbrennungsgase strömen durch das Übergangsteil 62, wie mit dem Pfeil 64 angegeben ist, in Richtung der Turbine 16, wo die Verbrennungsgase die Schaufeln in der Turbine 16 in Drehung versetzen.
Wie zuvor angemerkt, führt die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu hohen Temperaturen in dem Brennraum 42 im Vergleich zu anderen Abschnitten der Gasturbine 10. Durch die Verbrennung kann die Temperatur beispielsweise von ungefähr 2000˚ bis 3000˚ oder mehr Grad Fahrenheit erreichen. Die gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellte Effusionsplatte 40 kann wiederum verwendet werden, um das Kopfende 48 (z.B. einschließlich der Kraftstoffdüsen 18) vor der im Brennraum 42 erzeugten Wärme zu schützen. Die Effusionsplatte 40 kann so gestaltet sein, dass sie in der Brennkammer 14 durch die Verwendung von einem oder mehreren Kanälen oder Elementen mit einer Geometrie, die eine relativ große innere Oberfläche für eine verbesserte Konvektionskühlung im Vergleich zu im Wesentlichen geraden Kanälen bereitstellt, für Kühlung sorgt.
Die Effusionsplatte 40 der vorliegenden Offenbarung kann ganz allgemein das Kopfende 48 von dem Brennraum 42 trennen. Die Effusionsplatte 40 kann insbesondere an oder in einer Deckelanordnung 72 angrenzend an den Brennraum 42 platziert sein. In einigen Ausführungsformen kann es sich bei der Effusionsplatte 40 um eine eigenständige Konstruktion handeln, die angrenzend an den Brennraum 42 platziert ist. Die Effusionsplatte 40 kann im Allgemeinen so eingerichtet sein, dass sie das strömungsabwärts befindliche Ende der Kraftstoffdüsen 18 zumindest teilweise umgibt und/oder hält, wodurch der Strom des Kraftstoff-Luft-Gemischs aus den Kraftstoffdüsen 18 in den Brennraum 42 ermöglicht wird. Die hier beschriebene Effusionsplatte 40 kann zusätzlich in einer Wand von einem der Bauteile des Verbrennungssystems angeordnet sein, darin integriert sein oder an ihr entlang verlaufen. In einigen Ausführungsformen können somit materialhinzufügende Herstellungsverfahren verwendet werden, um die Effusionsplatte 40 und/oder die verschiedenen nachstehend beschriebenen Kühlelemente (z.B. Kühlkanäle mit verschiedenen Krümmungen, winkligen Ein- und Austrittsöffnungen und so weiter) an oder in verschiedenen anderen Bauteilen oder Flächen des Verbrennungssystems aufzubauen, um für Kühlung zu sorgen. In einigen Ausführungsformen können die Effusionsplatte 40 und/oder die Kühlelemente (z.B. Kühlkanäle und Ähnliches) an oder in dem Brennkammerdeckel, der Kraftstoffdüse, der Turbinenlaufschaufel, dem Brennkammer-Flammrohr, dem Übergangsteil und so weiter aufgebaut werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Brennkammerdeckel, eine Brennkammerwand, die Kraftstoffdüse, eine Turbinenleitschaufel, ein Turbinendeckband oder eine beliebige Kombination davon so eingerichtet sein, dass er bzw. sie bzw. es die Effusionsplatte 40 aufweist oder damit verbunden ist.
Die hier beschriebene Effusionsplatte 40 kann aus einem beliebigen von verschiedenen Materialien hergestellt sein. In einigen Ausführungsformen kann die Effusionsplatte 40 aus einer korrosionsbeständigen Metalllegierung wie einer Legierung auf Nickelbasis oder einer Legierung auf Chrombasis hergestellt werden. Genauer gesagt kann die Effusionsplatte in einigen Ausführungsformen aus INCONEL 617 oder INCONEL 718 (von Special Metals Corporation hergestellte Legierungen auf Nickelbasis), Cobalt-Chrom- oder anderen ähnlichen Legierungen hergestellt werden. Zusätzlich können alle anderen Materialien verwendet werden, die mit einem materialhinzufügenden Herstellungsverfahren aufgebaut und geformt werden können. So können beispielsweise rostfreier Stahl und Titan beim Aufbau der Effusionsplatte 40 verwendet werden, da diese Materialien als Pulver (z.B. entweder im Handel oder nach Behandlung) erhältlich sind und mittels materialhinzufügender Herstellungsverfahren zu bestimmten Strukturen verarbeitet werden können. Als weitere Beispiele können beim Aufbau der Effusionsplatte 40 verschiedene keramische Werkstoffe und Verbundwerkstoffe verwendet werden. Bei der Struktur der Effusionsplatte 40 sind ebenfalls verschiedene Materialkombinationen denkbar.
3 ist eine Vorderansicht einer Ausführungsform der Effusionsplatte 40 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Effusionsplatte 40 kann ganz allgemein kreisförmig sein, obwohl gegenwärtig jede beliebige Form denkbar ist. Wie dargestellt ist, kann die Effusionsplatte 40 eine oder mehrere Öffnungen 78 zum Aufnehmen eines strömungsabwärts befindlichen Endes einer entsprechenden Anzahl von Kraftstoffdüsen 18 aufweisen, und die Kraftstoffdüsen 18 können durch die Öffnungen 78 der Effusionsplatte 40 hindurch in den Brennraum 42 verlaufen. In der dargestellten Ausführungsform umgibt und/oder hält die Effusionsplatte 40 fünf Kraftstoffdüsen 18, obwohl die Effusionsplatte 40 so gestaltet sein kann, dass sie für jede beliebige Anzahl Kraftstoffdüsen 18 Platz bietet.
Wie zuvor angemerkt, können die Effusionsplatten 40 der vorliegenden Offenbarung alternativ so eingerichtet sein, dass sie in Turbinensysteme mit Vormischung eingebaut werden, die ein oder mehrere Vormischröhren aufweisen, die durch die eine oder die mehreren Kraftstoffdüsen 18 verlaufen (es können z.B. 2 bis 1000 Röhren durch eine Kraftstoffdüse verlaufen). Jede Vormischröhre kann zum Beispiel sowohl Kraftstoff 20 als auch Luft 22 aufnehmen und den Kraftstoff 20 und die Luft 22 in der entsprechenden Mischröhre vormischen. Jede Mischröhre kann ferner einen Durchmesser von ungefähr 0,25 bis 5, 0,5 bis 4, 0,75 bis 3 oder 1 bis 2 Zentimeter aufweisen. Die hier beschriebenen Effusionsplatten 40 können alternativ in verschiedene Systeme mit einer oder mehreren separaten Vormischröhren eingebaut werden, die zwischen der Abschlussplatte 56 und dem Brennraum 42 verlaufen (2). In diesen Vormischsystemen kann die Vielzahl von Öffnungen 78 in der Effusionsplatte 40 so gestaltet sein (z.B. eine Größe und Form aufweisen), dass sie ein strömungsabwärts befindliches Ende einer entsprechenden Anzahl von Vormischröhren aufnehmen. Die Effusionsplatte 40 kann im Allgemeinen ein Ende jeder Vormischröhre umgeben und/oder halten, wodurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem geeigneten Verhältnis für eine optimale Verbrennung, optimale Emissionen, einen optimalen Kraftstoffverbrauch und eine optimale Ausgangsleistung in den Brennraum 42 eingebracht werden kann.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung können materialhinzufügende Herstellungsverfahren verwendet werden, um die Effusionsplatte 40 aufzubauen, die Öffnungen 78 zum Aufnehmen von Kraftstoffdüsen und/oder Vormischröhren aufweist und zusätzlich einen oder mehrere Kanäle 80 aufweist, die in einem Bereich 82 um die und zwischen den Öffnungen 78 angeordnet sind, um die Kühlung während der Verbrennung von Gasen in dem angrenzenden Brennraum 42 zu begünstigen. In einigen Ausführungsformen können die Kanäle 80 einen Teil der Druckluft 34 vom Kopfende 48 und/oder Kühlluft, die über eine separate Eintrittsöffnung in der Brennkammer zugeführt wird, und/oder Abgase aufnehmen, um die Effusionsplatte 40 wirksam zu kühlen. Die Kanäle 80 können innerhalb der Effusionsplatte auf unterschiedliche Weise angeordnet sein. Die Kanäle 80 können beispielsweise gleichmäßig oder im Wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Effusionsplatte 40 verteilt sein, wie in 3. In einigen Ausführungsformen können die Kanäle 80 jedoch in einem mittigen Abschnitt der Effusionsplatte 40 oder einem beliebigen Bereich der Effusionsplatte 40 konzentriert sein, der relativ hohen Temperaturen ausgesetzt sein kann. Als weiteres Beispiel können die Kanäle 80 um jede der Öffnungen 78 herum gruppiert oder konzentriert sein.
Effusionsplatten 40, die entsprechend den materialhinzufügenden Herstellungsverfahren der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden, können verschiedene Kühlelemente aufweisen, die eine gebogene oder asymmetrisch geformte Geometrie aufweisen, und Beispiele für diese Elemente sind nachstehend ausführlicher beschrieben. 4 veranschaulicht einen Querschnitt einer Ausführungsform der Effusionsplatte 40 mit gebogenen Kanälen 82 (z.B. auf- und abgehende, wellenartige oder ganz allgemein bogenförmige Kanäle), die über einen materialhinzufügenden Herstellungsvorgang ausgebildet werden können. Die gebogenen Kanäle 82 können 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr gebogene Abschnitte wie obere und untere Biegungen aufweisen. Die Kanäle 82 können auch zickzackförmige oder winklige Abschnitte aufweisen. Die Effusionsplatte 40 kann insbesondere so gestaltet sein, dass sie einen oder mehrere gebogene Kanäle 82 aufweist, die eine Eintrittsöffnung 102 und/oder eine Austrittsöffnung 104 aufweisen. In einigen Ausführungsformen können etwa 10, 100, 1000, 2000, 3000 oder mehr gebogene Kanäle 82 in der Effusionsplatte 40 platziert sein. In einigen Ausführungsformen können die Wände, die die gebogenen Kanäle 82 definieren, ringförmig sein, sodass sie im Wesentlichen zylindrisch geformte gebogene Kanäle 82 bilden, die zwischen einer proximalen Seite 106 und einer distalen Seite 108 der Effusionsplatte 40 verlaufen. Die gebogenen Kanäle 82 können ganz allgemein schlangenförmig oder gewunden sein, wie in der Ausführungsform von 4 dargestellt ist. Die Kanäle 82 können beispielsweise eine gebogene Querschnittsgeometrie 106 aufweisen, wenn ein Querschnitt 108 entlang einer Ebene erstellt wird, die zwischen einer proximalen Seite und einer distalen Seite der Effusionsplatte 40 verläuft. Die gebogenen Kanäle 82 können ferner Kurven oder Biegungen aufweisen, die in einer oder mehreren Ebenen innerhalb der Effusionsplatte ausgerichtet sind. Die in 4 dargestellte Ausführungsform ist zwar im Zusammenhang mit den gebogenen Kanälen 82 dargestellt, jedoch kann für die Kanäle 80 jede Geometrie geeignet sein. Es sind verschiedene andere Geometrien denkbar, einschließlich Gestaltungen, die innerhalb der Kanäle 80 für eine vergrößerte Oberfläche sorgen, um die Wärmeübertragung zwischen der Druckluft 34 und der Effusionsplatte 40 zu verstärken, wenn Druckluft 34 oder Abgase durch die Kanäle 80 strömt bzw. strömen. Es ist zwar gegenwärtig jede Größe oder Geometrie denkbar, jedoch kann ein Durchmesser 110 von inneren Abschnitten der Kanäle 80 ganz allgemein von ungefähr 0,01 Zentimetern bis ungefähr 0,5 oder mehr Zentimetern reichen. Der Durchmesser 110 kann jedoch in einigen Ausführungsformen von etwa 0,02 bis etwa 0,3 oder etwa 0,1 bis etwa 0,2 Zentimeter reichen. Wie nachstehend erörtert ist, kann sich der Durchmesser 110 ferner entlang der Länge der Kanäle 80 ändern, damit sich eine verjüngte Geometrie ergibt.
Materialhinzufügende Herstellungsverfahren können auch den Aufbau einer verhältnismäßig starken Effusionsplatte 40 ermöglichen, die einen besseren Schutz und eine bessere Kühlung möglich macht. Eine verhältnismäßig starke Effusionsplatte kann im Allgemeinen ermöglichen, dass jeder Kanal 80 eine längere Länge und/oder ein höheres Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D) aufweist, sodass durch die vergrößerte Oberfläche innerhalb des Kanals 80 mehr Wärme übertragen werden kann. In einigen Ausführungsformen können daher materialhinzufügende Herstellungsverfahren verwendet werden, um verhältnismäßig starke Effusionsplatten mit Kanälen 80 mit hohen L/D-Werten und einer vergrößerten Oberfläche für die Wärmeübertragung aufzubauen. Die Effusionsplatte 40 der vorliegenden Offenbarung kann insbesondere ganz allgemein eine Stärke von etwa 0,1 bis etwa 1 oder mehr Zentimetern aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann die Effusionsplatte 40 eine Stärke von etwa 0,1 bis etwa 0,8 oder von etwa 0,3 bis etwa 0,7 oder von etwa 0,4 bis etwa 0,6 Zentimetern aufweisen. Die Kanäle 80 können ganz allgemein zwischen der distalen Seite 108 und der proximalen Seite 106 der Effusionsplatte 40 verlaufen, oder mit anderen Worten können die Kanäle 80 ganz allgemein quer über die Stärke der Effusionsplatte 40 verlaufen. Mit materialhinzufügenden Herstellungsverfahren sind zusätzlich gebogene Kanäle 80 möglich, sodass die Länge der Kanäle 80 länger als die Stärke t der Effusionsplatte 40 ist. Die Länge der Kanäle 80 kann beispielsweise mindestens 1%, 10%, 20%, 50% oder länger als die Stärke t sein. Die Kanäle 80 können insbesondere zwischen 10% und 500% länger, 20% bis 400% länger, 25% bis 300% länger oder jeden geeigneten Prozentsatz länger als die Stärke t der Effusionsplatte 40 sein.
In einigen Ausführungsformen ist es zudem möglich, dass durch materialhinzufügende Herstellungsverfahren die Eintrittsöffnung 102 und/oder Austrittsöffnung 104 ganz unterschiedlich gestaltet ist bzw. sind. Unter Bezug auf 5, bei der es sich um eine vergrößerte Ansicht der Eintrittsöffnungen 102 und der Austrittsöffnungen 104 der Effusionsplatte 40 handelt, können die Eintrittsöffnungen 102 und/oder Austrittsöffnungen 104 kreisförmig, quadratisch, elliptisch sein oder jede andere geeignete Form aufweisen. In einigen Ausführungsformen sind beispielsweise ein oder mehrere Kanäle 80 so gestaltet, dass sie an der Eintrittsöffnung 102 und/oder der Austrittsöffnung 104 radial nach außen erweitert sind (z.B. auseinanderlaufen), sodass der Durchmesser der Eintrittsöffnung 102 und/oder Austrittsöffnung 104 größer ist als der Durchmesser eines inneren Abschnitts des Kanals 80 in der Effusionsplatte 40. Eine erweiterte Austrittsöffnung 104 wie die in 5 dargestellte Austrittsöffnung 104 kann beispielsweise für eine stärkere Filmkühlung sorgen. Wie in 4 dargestellt ist, kann eine solche verjüngte Geometrie den mit den gebogenen Pfeilen 112 veranschaulichten Luftstrom entlang der distalen Seite 108 der Effusionsplatte 40 verstärken. Obwohl gegenwärtig jede geeignete Größe denkbar ist, kann der Durchmesser der Eintrittsöffnungen 102 oder Austrittsöffnungen 104 ganz allgemein von etwa 0,02 bis etwa 1 oder mehr Zentimeter reichen. Der Durchmesser der Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen kann jedoch in einigen Ausführungsformen von etwa 0,05 bis etwa 0,8 oder etwa 0,1 bis etwa 0,5 Zentimeter reichen.
Wie in 4 dargestellt ist, können zusätzlich eine oder mehrere der Eintrittsöffnungen 102 und/oder Austrittsöffnungen 104 unter einem Winkel α bezogen auf die proximale Seite 106 oder distale Seite 108 der Effusionsplatte 40 platziert werden, wenn materialhinzufügende Herstellungsverfahren verwendet werden. Die Eintrittsöffnungen 102 und/oder Austrittsöffnungen 104 können zum Beispiel unter einem Winkel von zwischen ungefähr 90 Grad und 5 Grad, 80 Grad und 10 Grad, 70 Grad und 20 Grad, 60 Grad und 30 Grad oder 50 Grad und 40 Grad bezogen auf die proximale Seite 106 oder distale Seite 108 Luft aufnehmen oder aus den Kanälen 80 ausleiten. In einigen Ausführungsformen können die Eintrittsöffnungen 102 und/oder Austrittsöffnungen 103 unter einem Winkel von ungefähr 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30 und/oder 20 Grad bezogen auf die proximale Seite 106 oder distale Seite 108 Luft aufnehmen oder aus den Kanälen 80 ausleiten. In einer weiteren Ausführungsform können die Eintrittsöffnungen 102 und/oder Austrittsöffnungen 104 unter einem Winkel von ungefähr weniger als etwa 45 Grad bezogen auf die proximale Seite 106 beziehungsweise distale Seite 108 angeordnet sein. Alternativ kann jede Eintrittsöffnung 102 und/oder Austrittsöffnung 104 unter einem Winkel von etwa weniger als 20 Grad bezogen auf die proximale Seite 106 beziehungsweise distale Seite 108 angeordnet sein. Die verschiedenen Eintrittsöffnungen 102 und/oder Austrittsöffnungen 104 in der Effusionsplatte 40 können ferner unter verschiedenen Winkeln zueinander platziert sein. In einigen Ausführungsformen können die Eintrittsöffnungen 102 und/oder Austrittsöffnungen 104 winklig sein, sodass beispielsweise ein zusammenströmender oder auseinanderströmender Luftstrom entsteht.
In einigen Ausführungsformen können zudem, wenn die Effusionsplatte 40 mittels eines materialhinzufügenden Herstellungsvorgangs geformt wird, die Innenwände der Kanäle 80 im Wesentlichen glatt sein, insbesondere im Vergleich zu geraden Kanälen, die mit Laser- oder Wasserstrahlverfahren geformt werden, bei denen verbrannte oder aufgeraute Teile oder nicht berechenbare oder unregelmäßige Löcher zurückbleiben können. In einigen Ausführungsformen können jedoch die Innenwände des Kanals 80 gerieft sein. Die Riefen können etwa 20 Mikrometer stark sein, obwohl die Riefen von etwa 5 Mikrometer bis 30 Mikrometer reichen können. Die Riefen können auch in Längsrichtung oder Umfangsrichtung entlang der Innenwand der Kanäle 80 verlaufen und können dadurch entstehen, dass mehrere Metallpulverschichten während des materialhinzufügenden Herstellungsvorgangs miteinander verdichtet werden.
6 und 7 veranschaulichen eine mittels materialhinzufügender Herstellungsverfahren hergestellte Ausführungsform, in der ringförmige Kanäle 120 ganz allgemein eine Kraftstoffdüse 18 (z.B. eine Vormischröhre) umgeben oder um sie herum gewickelt sind. Wie in 7 dargestellt ist, kann jeder der Kanäle 120 im Wesentlichen spiralförmig oder gewendelt sein, sodass sie in Umfangsrichtung um die Öffnungen 78 herum angeordnet sind. In 6 ist jeder der Kanäle 120 zweimal in Umfangsrichtung um die Kraftstoffdüse 18 (d.h. die Öffnung 78) gewickelt, obwohl die Kanäle 120 in anderen Ausführungsformen 1-, 2-, 3-, 4-, 5-, 6-, 7-, 8-, 9-, 10-mal oder öfter zwischen der proximalen Seite 106 und der distalen Seite 108 der Effusionsplatte 40 um die Kraftstoffdüse 18 gewickelt sein können. Entlang der Länge von jedem der ringförmigen Kanäle 120 können ferner zusätzliche Krümmungen, Verdrehungen und Merkmale enthalten sein. Obwohl in 6 die Kanäle 120 so dargestellt sind, dass sie eine Kraftstoffdüse 18 (z.B. eine Vormischröhre) umgeben, können diese ringförmigen Kanäle 120 in einigen Vormischsystemen wiederum eine Vielzahl von Vormischröhren direkt umgeben oder um sie gewickelt sein. Die Kraftstoffdüsen 18 können beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von zwischen etwa 7 bis etwa 20 Zentimetern aufweisen, während der Durchmesser von Vormischröhren kleiner sein kann – von etwa 0,5 bis etwa 2 Zentimeter. Es ist somit gegenwärtig denkbar, dass die Kanäle 120 zweckmäßig so gestaltet sein können, dass sie um dickere Kraftstoffdüsen 18 gewickelt sind oder dass sie dünnere Vormischröhren (z.B. eine einzelne Vormischröhre oder eine Gruppe von 2 bis 100, 3 bis 50 oder 4 bis 25 Vormischröhren) umgeben.
8 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Effusionsplatte 40, die entsprechend dem materialhinzufügenden Herstellungsverfahren der vorliegenden Offenbarung hergestellt ist. Wie dargestellt ist, kann sich in bestimmten Ausführungsformen jeder Kanal 80 ganz allgemein zwischen der proximalen Seite 106 und der distalen Seite 108 der Effusionsplatte 40 verjüngen. Der Durchmesser an der Eintrittsöffnung 102 kann beispielsweise größer als der Durchmesser eines inneren Abschnitts des Kanals 80 in der Effusionsplatte 40 sein. Diese Verjüngung kann für die Beschleunigung von Luft durch den Kanal 80 wünschenswert sein, was zu einer besseren Wärmeübertragung führt. In einigen Ausführungsformen kann sich der Kanal 80 entlang der Gesamtlänge des Kanals 80 allmählich verjüngen, sodass die Eintrittsöffnung 102 den größten Durchmesser innerhalb des Kanals 80 aufweist, während die Austrittsöffnung 104 den kleinsten Durchmesser innerhalb des Kanals 80 aufweist. In anderen Ausführungsformen kann es jedoch, wie in 8 angegeben ist, wünschenswert sein, den Kanal 80 von der Eintrittsöffnung 102 zu einer Stelle 124 (z.B. einer Stelle in der Mitte) innerhalb des Kanals 80 zu verjüngen und auch eine aufgeweitete oder radial erweiterte Austrittsöffnung 104 bereitzustellen. Auf diese Weise kann der Kanal 80 einen Durchgang in Form eines Venturirohrs aufweisen. Einige Ausführungsformen können abwechselnd verjüngte und radial erweiterte Abschnitte aufweisen, sodass sich der Querschnittsdurchmesser entlang der Länge des Kanals 80 verändert. Andere Gestaltungen mit verschiedenen verjüngten Abschnitten und erweiterten Abschnitten entlang der Länge des Kanals 80, wie sie mit den Strichlinien dargestellt sind, sind vorstellbar.
9 ist eine vergrößerte Ansicht einer Innenwand 130 des Kanals 80 innerhalb der Linien 9-9 von 8. Wie dargestellt ist, können materialhinzufügende Herstellungsvorgänge verwendet werden, um die Innenwand 130 mit verschiedenen Merkmalen aufzubauen, die so gestaltet sind, dass sie den Luftstrom durch den Kanal 80 beeinflussen. So können beispielsweise ein oder mehrere Turbulatoren 132 an verschiedenen Stellen an der Innenwand 130 platziert sein. Die Turbulatoren 132 können jede beliebige Gestaltung aufweisen, die den Luftstrom beeinflusst, beispielsweise willkürliche Vorsprünge in einer oder mehreren axial entlang der Länge des Kanals 80 angeordneten Reihen oder in einer oder mehreren in Umfangsrichtung in dem Kanal 80 angeordneten Reihen. Die Turbulatoren 132 können ferner jede geeignete Größe aufweisen und jeder Kanal 80 kann Turbulatoren mit einer oder mehreren unterschiedlichen Größen aufweisen. Als nicht umfassendes Beispiel kann jeder Turbulator 132 unabhängig eine Querschnittsgeometrie aufweisen, die dreieckig, rechteckig, quadratisch, halbkreisförmig, elliptisch oder Ähnliches ist. Diese Turbulatoren 132 können dazu beitragen, die Oberfläche für die konvektive Wärmeübertragung zu vergrößern (z.B. wie kleine Wärmeübertragungsrippen) und/oder die Turbulatoren 132 können dazu beitragen, eine Vermischung oder turbulente Strömung in den Kanälen 80 zu bewirken. Die vergrößerte Oberfläche und Vermischung verbessert wieder die Wärmeübertragung und damit die Kühlung.
Die Kanäle 80, die unter Verwendung materialhinzufügender Herstellungsverfahren hergestellt sind, können ferner in einigen Ausführungsformen innerhalb derselben Effusionsplatte 40 unterschiedlich gestaltet sein. Es können beispielsweise ein oder mehrere verjüngte Kanäle 80 und ein oder mehrere gewendelte Kanäle 80 wie die in 7 dargestellten Kanäle 120 in die Effusionsplatte 40 integriert werden. In anderen Ausführungsformen können ein oder mehrere Kanäle 80 im Inneren der Effusionsplatte 40 verbunden sein. So können sich beispielsweise zwei gewendelte Kanäle 80, die benachbarte Kraftstoffdüsen 18 umgeben, schneiden, wodurch Luft zwischen den verbundenen Kanälen 80 strömen kann. In bestimmten Ausführungsformen können ein oder mehrere der Kanäle 80 auch so gestaltet sein, dass sie sich zwischen der proximalen Seite 106 und distalen Seite 108 der Effusionsplatte 40 verzweigen oder aufteilen. In einer Ausführungsform kann sich der Kanal 80 in der Effusionsplatte 40 zum Beispiel in zwei oder mehr verschiedene Arme verzweigen. Die Arme können auf der distalen Seite 108 der Effusionsplatte 40 mit zwei oder mehr verschiedenen Austrittsöffnungen 104 verbunden sein oder die Arme können alternativ zusammenlaufen und sich mit einer Austrittsöffnung 104 verbinden.
Wie zuvor angemerkt, ermöglichen materialhinzufügende Verfahren ganz allgemein den Aufbau individuell angepasster Teile mit komplexen Geometrien, Krümmungen und Elementen wie den hier besprochenen Kühlkanälen 80. Die materialhinzufügende Herstellung kann dementsprechend verwendet werden, um Effusionsplatten mit unterschiedlichen Formen und Elementen wie den Kühlkanälen 80 aufzubauen, die unter Verwendung herkömmlicher Verfahren wie maschineller Bearbeitungsverfahren mit Laser oder Wasserstrahl unausführbar sind oder nicht hergestellt werden können.
Die materialhinzufügende Herstellung kann besonders nützlich beim Aufbau einer Effusionsplatte 40 für ein Gasturbinensystem sein, da die Effusionsplatte 40 aus hochfesten Materialien aufgebaut werden kann, die unter Verwendung herkömmlicher Verfahren schwierig zu bearbeiten oder schwierig maschinell zu bearbeiten sein können. Materialhinzufügende Herstellungsverfahren sorgen zusätzlich dafür, dass komplexe Festkörper anhand von Computermodellen ohne schwierige Schritte der maschinellen Bearbeitung aufgebaut werden können. Materialhinzufügende Verfahren beinhalten im Allgemeinen das Richten einer Wärmequelle wie eines Laser- oder Elektronenstrahls auf aufgebrachte Pulverschichten (z.B. Schicht auf Schicht), um ein Teil mit einer bestimmten Form entstehen zu lassen. 10 ist ein Blockschaubild, in dem eine Ausführungsform eines Verfahrens 138 zum Aufbauen einer Effusionsplatte (z.B. der Effusionsplatte 40) unter Verwendung von materialhinzufügenden Herstellungsverfahren dargestellt ist. Das Verfahren 138 kann von einem materialhinzufügenden Herstellungssystem ausgeführt werden, wobei die hier beschriebenen Handlungen von einem Computer ausgeführt werden. Das Verfahren 138 umfasst das Festlegen einer bestimmten Gestaltung (Block 140). Die Gestaltung kann beispielsweise unter Verwendung eines speziellen Computers oder Mehrzweckcomputers in ein materialhinzufügendes Herstellungssystem programmiert werden. In einigen Ausführungsformen kann die Vorlage für eine Effusionsplatte (z.B. die Effusionsplatte 40) bestimmt sein, die eine Vielzahl von inneren Kühlkanälen (z.B. den Kanälen 80) aufweist, wobei jeder Kanal eine komplexe Form aufweist. Die festgelegte Gestaltung kann jede der zuvor beschriebenen Formen und Merkmale aufweisen. Die Form kann beispielsweise gebogen, kreis/-spiralförmig sein oder es kann sich um eine radial erweiterte Eintrittsöffnung 102 und/oder Austrittsöffnung 104 handeln. In Schritt 142 wird ein Pulver (z.B. ein Metall-, Keramik- oder Verbundwerkstoffpulver) in einer Kammer wie einer Vakuumkammer aufgebracht. Jedes beliebige von verschiedenen Materialien kann in jeder geeigneten Kombination verwendet werden, einschließlich der zuvor ausführlich unter Bezug auf 2 beschriebenen. In Schritt 144 wird eine Energiequelle wie zum Beispiel ein Laser- oder Elektronenstrahl auf das aufgebrachte Metallpulver gerichtet. Der Laser- oder Elektronenstrahl schmilzt oder verdichtet das Pulver auf andere Weise zu einer Schicht mit einer Querschnittsform 146, die der in Schritt 140 festgelegten Gestaltung entspricht. Ein Computer oder eine Bedienperson kann in Schritt 148 bestimmen, ob das Teil unvollständig oder fertig ist. Wenn das Teil unvollständig ist, werden Schritt 142 und 144 wiederholt, um Schichten aus verdichtetem Pulver mit den Querschnittsformen 146 herzustellen, die der festgelegten Gestalt oder der Vorlage entsprechen, bis der Aufbau des Teils abgeschlossen ist. Die Energiequelle wird mit anderen Worten so angewendet, dass sie jede neu aufgebrachte Pulverschicht schmilzt oder auf andere Weise verdichtet, bis das Endprodukt fertig ist und eine Effusionsplatte mit der festgelegten Gestaltung hergestellt ist.
In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, zu offenbaren und auch um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung anzuwenden, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von darin enthaltenen Verfahren. Der patentierbare Geltungsbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, an die der Fachmann denkt. Diese weiteren Beispiele sollen in den Geltungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die nicht vom genauen Wortlaut der Ansprüche abweichen oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum genauen Wortlaut der Ansprüche umfassen.
Zum Aufbau von Effusionsplatten können materialhinzufügende Herstellungsverfahren verwendet werden. Derartige materialhinzufügende Herstellungsverfahren können das Festlegen einer Gestaltung für eine Effusionsplatte mit einem oder mehreren inneren Kühlkanälen umfassen. Die Herstellungsverfahren können ferner das Aufbringen eines Pulvers in einer Kammer, Richten einer Energiequelle auf das aufgebrachte Pulver und Verdichten des Pulvers in einer Querschnittsform, die der festgelegten Gestaltung entspricht, umfassen. Diese Verfahren können ausgeführt werden, um eine Effusionsplatte mit einem oder mehreren Kanälen mit einer gebogenen Querschnittsgeometrie aufzubauen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Effusionsplatte, umfassend: Festlegen einer Gestaltung für die Effusionsplatte, wobei die Gestaltung einen oder mehrere innere Kühlkanäle umfasst, die innerhalb der Effusionsplatte platziert sind; Aufbringen eines Pulvers in einer Kammer; Richten einer Energiequelle auf das aufgebrachte Pulver; und Verdichten des Pulvers in einer Querschnittsform, die der festgelegten Gestaltung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren inneren Kühlkanäle gebogen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulver ein Metallpulver und/oder ein Keramikpulver und/oder ein Verbundwerkstoffpulver enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Energiequelle einen Laser- oder Elektronenstrahl umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verdichtungsschritt das Schmelzen des Pulvers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Programmieren der Gestaltung in ein materialhinzufügendes Herstellungssystem umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Wiederholen der Schritte des Aufbringens, Richtens und Verdichtens umfasst, um die Effusionsplatte mit der festgelegten Gestaltung aufzubauen.
Turbinenbrennkammer, umfassend: einen Brennraum; einen Kopfendeabschnitt; und eine zwischen dem Brennraum und dem Kopfendeabschnitt platzierte Effusionsplatte, die Folgendes umfasst: eine proximale Seite; eine distale Seite; und einen oder mehrere Kanäle, die zwischen der proximalen Seite und distalen Seite verlaufen, wobei der eine oder die mehreren Kanäle eine gebogene Querschnittsgeometrie aufweisen, wobei der Querschnitt entlang einer Ebene erstellt ist, die zwischen der proximalen Seite und der distalen Seite verläuft.
Turbinenbrennkammer nach Anspruch 8, wobei der eine oder die mehreren Kanäle eine radial erweiterte Austrittsöffnung umfassen und/oder wobei der eine oder die mehreren Kanäle eine radial erweiterte Eintrittsöffnung umfassen.
System, umfassend: eine Effusionsplatte, umfassend: eine proximale Seite; eine distale Seite; und einen oder mehrere Kanäle, die zwischen der proximalen Seite und distalen Seite verlaufen, wobei der eine oder die mehreren Kanäle eine gebogene Querschnittsgeometrie aufweisen, wobei der Querschnitt entlang einer Ebene erstellt ist, die zwischen der proximalen Seite und der distalen Seite verläuft.