DE102021200807A1

DE102021200807A1 - Gasturbinenbrennkammervorrichtung und verfahren zur herstellung einer brennerkomponente

Info

Publication number: DE102021200807A1
Application number: DE102021200807.0A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kumagai; Yoshihide Wadayama; Shigenobu EGUCHI
Original assignee: Mitsubishi Power Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2021-09-30
Also published as: CN113464978A; RU2763436C1; RU2763436C9; JP7272989B2; US20210302022A1; JP2021161881A; US11674688B2

Abstract

Es wird eine Gasturbinenbrennkammervorrichtung geschaffen, die eine Brennerkomponente enthält, die durch additive 3D-Herstellung geformt ist und deren Materialfestigkeit pro Teil optimiert ist. Die Brennerkomponente enthält einen ersten Teil, der in einem ersten Temperaturbereich und/oder in einem ersten Belastungsbereich verwendet wird, und einen zweiten Teil, der in einem zweiten Temperaturbereich, der niedriger als der erste Temperaturbereich ist, und/oder in einem zweiten Belastungsbereich, der niedriger als der erste Belastungsbereich ist, verwendet wird, wobei eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der ein Metallmaterial durch die additive 3D-Herstellung in dem ersten Teil geschichtet wird, niedriger als eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in dem zweiten Teil geschichtet wird, ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Struktur einer Gasturbinenbrennkammervorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung der Gasturbinenbrennkammervorrichtung und betrifft insbesondere eine Technologie, die effektiv auf eine Struktur und auf ein Herstellungsverfahren einer Brennerkomponente, die durch eine additive 3D-Metall-Herstellungstechnologie geformt wird, angewendet wird.
In einer Gasturbine werden für NO_x, das im Betrieb der Gasturbine ausgestoßen wird, strenge Umweltstandards gesetzt, um die Belastung, die Abgas auf die Umwelt ausübt, zu verringern. Da die Abgasmenge von NOx mit der Erhöhung der Temperatur von Flammen erhöht wird, ist es notwendig, die Bildung der Hochtemperaturflammen lokal zu unterdrücken und dadurch eine gleichförmige Verbrennung zu verwirklichen. Um die gleichförmige Verbrennung des Brennstoffs zu erzielen, wird eine komplizierte Brennerstruktur notwendig, die eine hohe Verbreitung des Brennstoffs verwirklicht.
Als Maßnahmen zur Herstellung der komplizierten Brennerstruktur wird eine additive 3D-Herstellungstechnologie vorgeschlagen. Gemäß der additiven 3D-Herstellungstechnologie wird es möglich, durch Bestrahlen von Metallpulvern mit Laser und dadurch Sintern der Metallpulver eine komplizierte Struktur herzustellen. Durch Anwenden der additiven 3D-Herstellungstechnologie zur Herstellung der Brennerstruktur (Brennerkomponente) ist es möglich, die komplizierte Struktur zu verwirklichen, die zur Verbesserung der Verbreitung des Brennstoffs führt.
Als einen Stand der Technik des technischen Gebiets der additiven 3D-Herstellung gibt es ein Gebiet wie etwa das, das z. B. in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2017-15326 beschrieben ist. In der ungeprüften japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2017-15326 ist „eine Gasturbinenbrennkammervorrichtung, die einen Verbrennungsraum, in den Brennstoff und Luft zugeführt werden, eine Lochplatte, die sich auf der Einlassseite des Verbrennungsraums befindet und in der mehrere Düsenlöcher in einem Zustand, in dem sie konzentrisch angeordnet sind, gebildet sind, mehrere Brennstoffdüsen, die in der Lochplatte auf den Einlassseiten der jeweiligen Düsenlöcher angeordnet sind und dem Verbrennungsraum den Brennstoff zuführen, eine Brennstoffdüsenplatte, die die Brennstoffdüsen stützt und den Brennstoff, der von der Einlassseite in die Brennstoffdüsen darein strömt, verteilt und eine Brennstoffdüseneinheit, damit die mehreren Brennstoffdüsen an einer gemeinsamen Basis, in der die Brennstoffdüseneinheit mit der Brennstoffdüsenplatte verbunden ist, einteilig gestützt sind, enthält“ offenbart.
Außerdem ist in der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2017-15326 (Absatz [0028]) beschrieben, dass „die Brennstoffdüseneinheit 40 durch Schneiden, Feinguss, additive 3D-Herstellung usw. hergestellt wird.“
Entgegen ha Itungsliste
Patentliteratur
PTL 1: JP 2017-15326
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Obwohl die additive 3D-Herstellung die komplizierte Struktur herzustellen ermöglicht, weist die additive 3D-Herstellung derartige Probleme auf, dass die Zeit, die die Schichtbildung dauert, und die Kosten erhöht sind. Obwohl es möglich ist, die Zeit, die die Schichtbildung dauert, durch Erhöhen einer Abtastgeschwindigkeit des Lasers und der Laserausgangsleistung zu verringern, falls Metallpulver gesintert werden, entsteht ein derartiges Problem, dass in diesem Fall eine relative Dichte des Materials verringert ist. Da durch Verringern der relativen Dichte ebenfalls die Materialfestigkeit verringert wird, wird allgemein eine Schichtbildungsbedingung zum ausreichenden Erhöhen der relativen Dichte angenommen, so dass die Zeit, die die Schichtbildung dauert, erhöht ist.
In einer Brennerstruktur gibt es einen Teil, der eine hohe Temperatur und/oder darauf auszuübende Belastung aufweist, so dass es erforderlich ist, dass er eine hohe Materialfestigkeit aufweist, und einen Teil, der eine niedrige Temperatur und/oder darauf auszuübende Belastung aufweist, so dass es nicht erforderlich ist, dass er die hohe Materialfestigkeit aufweist. Dementsprechend ist es nicht notwendig, dass der gesamte Brenner eine hohe Festigkeit aufweist, und ist es möglich, die Festigkeit pro Teil zu optimieren.
In der japanischen ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2017-15326 ist nichts über die Probleme der additiven 3D-Herstellung wie etwa die obigen und Lösungen für diese Probleme beschrieben.
Dementsprechend soll die vorliegende Erfindung in der Gasturbinenbrennkammervorrichtung, die die Brennerkomponente enthält, die durch die additive 3D-Herstellung geformt ist, eine Gasturbinenbrennkammervorrichtung schaffen, die eine Brennerkomponente enthält, bei der die Materialfestigkeit pro Teil optimiert ist.
Außerdem soll die vorliegende Erfindung ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Brennerkomponente schaffen, das es ermöglicht, die Brennerkomponente, bei der die Materialfestigkeit pro Teil optimiert ist, in dem Verfahren zur Herstellung der Brennerkomponente durch die additive 3D-Herstellung in einer verhältnismäßig kurzen Zeitdauer herzustellen.
Zur Lösung der oben erwähnten Probleme wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Gasturbinenbrennkammervorrichtung geschaffen, die eine Brennerkomponente enthält, die durch additive 3D-Herstellung geformt ist, in der die Brennerkomponente einen ersten Teil, der in einem ersten Temperaturbereich und/oder in einem ersten Belastungsbereich verwendet wird, und einen zweiten Teil, der in einem zweiten Temperaturbereich, der niedriger als der erste Temperaturbereich ist, und/oder in einem zweiten Belastungsbereich, der niedriger als der erste Belastungsbereich ist, verwendet wird, enthält und in der eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der ein Metallmaterial in dem ersten Teil durch die additive 3D-Herstellung geschichtet worden ist, niedriger als eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in dem zweiten Teil geschichtet worden ist, ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Brennerkomponente durch additive 3D-Herstellung geschaffen, das die Schritte (a) des Schichtens eines Metallmaterials in einem ersten Teil, der in einem Bereich hoher Temperatur und/oder in einem Bereich hoher Belastung der Brennerkomponente verwendet wird, mit einer ersten Schichtbildungsgeschwindigkeit und (b) des Schichtens des Metallmaterials in einem zweiten Teil, der in einem Temperaturbereich und/oder in einem Belastungsbereich verwendet wird, der/die niedriger als der Temperaturbereich und/oder der Belastungsbereich des ersten Teils ist/sind, mit einer zweiten Schichtbildungsgeschwindigkeit, die höher als die erste Schichtbildungsgeschwindigkeit ist, enthält.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich, in der Gasturbinenbrennkammervorrichtung, die die Brennerkomponente enthält, die durch die additive 3D-Herstellung geformt ist, die Gasturbinenbrennkammervorrichtung zu verwirklichen, die die Brennerkomponente enthält, bei der die Materialfestigkeit pro Teil optimiert ist.
Außerdem wird es ebenfalls möglich, in dem Verfahren zur Herstellung der Brennerkomponente durch die additive 3D-Herstellung das Verfahren zur Herstellung der Brennerkomponente zu verwirklichen, das es ermöglicht, die Brennerkomponente, bei der die Materialfestigkeit pro Teil erhöht ist, in der verhältnismäßig kurzen Zeitdauer herzustellen.
Dementsprechend wird es möglich, die Gasturbinenbrennkammervorrichtung zu schaffen, die eine hohe Umweltleistung und einen Kostenvorteil aufweist.
Andere Probleme, Konfigurationen und Wirkungen als die Obigen gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen hervor.
Figurenliste

1 ist eine Schnittdarstellung, die ein Beispiel einer schematischen Konfiguration einer Gasturbinenbrennkammervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 ist eine vergrößerte Darstellung, die ein Beispiel eines Brenners 17 in 1 darstellt;
3 ist eine Darstellung, die konzeptionell ein Beispiel einer relativen Dichteverteilung von Metallmaterial an einer Lochplatte gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Beziehung zwischen einer Axialrichtungsposition und einer Schichtbildungsgeschwindigkeit der Lochplatte gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ist eine Darstellung, die konzeptionell ein Beispiel einer anderen relativen Dichteverteilung von Metallmaterial an einer Lochplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer anderen Beziehung zwischen der Axialrichtungsposition und der Schichtbildungsgeschwindigkeit der Lochplatte gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ist eine Darstellung, die konzeptionell ein Beispiel einer nochmals anderen relativen Dichteverteilung von Metallmaterial an einem angrenzenden Teil eines Düsenlochs in der Lochplatte gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 ist eine Darstellung, die konzeptionell ein Beispiel einer abermals anderen relativen Dichteverteilung von Metallmaterial an der Brennstoffdüse gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Position und der Schichtbildungsgeschwindigkeit der Brennstoffdüse gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Übrigens sind den Bestandteilen mit denselben Konfigurationen dieselben Bezugszeichen zugewiesen und ist die ausführliche Beschreibung verdoppelter Teile weggelassen.
Zunächst wird anhand von 1 und 2 eine Gasturbinenbrennkammervorrichtung beschrieben, die zu dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird. 1 ist eine Schnittdarstellung, die ein Beispiel einer schematischen Konfiguration einer Gasturbinenbrennkammervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In 1 ist die Gasturbinenbrennkammervorrichtung als eine Gasturbinenanlage 1 dargestellt, die einen Kompressor 3, eine Gasturbine 8 und einen Generator 9 enthält. 2 ist eine vergrößerte Darstellung, die ein Beispiel eines Brenners 17 in 1 darstellt.
Wie in 1 dargestellt ist, enthält die Gasturbinenanlage 1 den Kompressor 3, der Luft 2 aus der Atmosphäre ansaugt und die Luft 2 verdichtet, eine Brennkammervorrichtung 7, die Druckluft 4, die in dem Kompressor 3 verdichtet wird, mit Brennstoff 5 mischt, den Brennstoff 5 mit der Druckluft 3 verbrennt und ein Hochtemperatur- und Hochdruck-Verbrennungsgas 6 erzeugt, die Gasturbine 8, die mit dem Verbrennungsgas 6, das in der Brennkammervorrichtung 7 erzeugt wird, angetrieben wird und Energie des Verbrennungsgases 6 als Rotationsleistung entnimmt, und den Generator 9, der unter Verwendung der Rotationsleistung der Gasturbine 8 Elektrizität erzeugt.
In 1 ist als ein Beispiel der Brennkammervorrichtung 7 eine Struktur dargestellt, die in 1 einen Endflansch 10, einen Außenzylinder 11, eine Lochplatte 12, eine Brennstoffdüsenplatte 13, Brennstoffdüsen 14 und eine Auskleidung 15 enthält. Allerdings ist die vorliegende Erfindung ebenfalls auf Brennkammervorrichtungen mit verschiedenen Strukturen, nicht auf die Brennkammervorrichtung 7 in 1 beschränkt, anwendbar.
Die Druckluft 4, die durch den Kompressor 3 verdichtet wird, geht durch einen Strömungsweg 16, der zwischen dem Außenzylinder 11 und der Auskleidung 15 gebildet ist, und strömt in den Brenner 17. Ein Teil der Druckluft 4 strömt als Kühlluft 18 zum Kühlen der Auskleidung 15 in die Auskleidung 15.
Der Brennstoff 5 geht durch ein Brennstoffzufuhrrohr 19 in einem Endflansch 10, strömt in die Brennstoffdüsenplatte 13, geht durch die jeweiligen Brennstoffdüsen 14 und wird in die Lochplatte 12 eingespritzt. Der Brennstoff 5, der von den Brennstoffdüsen 14 eingespritzt wird, und die Druckluft 4 werden bei den Einlassöffnungen auf der Brennstoffdüsenseite der Düsenlöcher 20 in der Lochplatte 12 miteinander gemischt und ein Luft-Brennstoff-Gemisch 21 des Brennstoffs 5 und der Druckluft 4 wird in einen Verbrennungsraum 22 eingespritzt und bildet Flammen 23.
Übrigens ist es möglich, dass die Brennkammervorrichtung 7 gemäß der vorliegenden Erfindung Brennstoffe wie etwa Koksofengas, Raffinerieabgas, Kohlevergasungsgas usw., nicht beschränkt auf Erdgas, verwendet.
2 ist eine vergrößerte Darstellung, die ein Beispiel des Brenners 17 in 1 darstellt. 2 stellt die vergrößerte Darstellung des Teils der oberen Hälfte des Brenners 17 dar. Der Brenner 17 enthält die Lochplatte 12, die Brennstoffdüsenplatte 13 und die Brennstoffdüsen 14. Die Mittelachsen 40 der Lochplatte 12 und der Brennstoffdüsenplatte 13 sind aneinander angepasst. Ein einlassseitiges Ende 30 jeder Brennstoffdüse 14 ist metallurgisch mit der Brennstoffdüsenplatte 13 verbunden und ein verbundenes Teil zwischen dem einlassseitigen Ende 30 und der Brennstoffdüsenplatte 13 ist abgedichtet, um einen Leckverlust des Brennstoffs 5 zu vermeiden.
Ein vorderes Ende 52 jeder Brennstoffdüse ist nicht mit jedem Düsenloch 20 in der Lochplatte 12 in Kontakt, so dass es möglich ist, dass die Druckluft 4 frei in die Düsenlöcher 20 strömt. Als ein Verfahren zum Verbinden der einlassseitigen Enden 30 der Düsenlöcher 14 mit der Brennstoffdüsenplatte 13 wird allgemein Schweißen, Hartlöten usw. genutzt.
[Erste Ausführungsform]
Nachfolgend werden anhand von 3 und 4 eine Struktur und ein Herstellungsverfahren einer Brennerkomponente gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der ersten Ausführungsform wird die Lochplatte 12 als ein Beispiel der Brennerkomponente beschrieben.
3 stellt ein Beispiel der relativen Dichteverteilung eines Metallmaterials in der Lochplatte 12 in der ersten Ausführungsform dar. 3 ist eine vergrößerte Darstellung, die ein Beispiel eines Teils 54 der Lochplatte 12, der in 2 dargestellt ist, darstellt. Da eine auslassseitige Stirnfläche 50 der Lochplatte 12 mit Strahlungswärme usw. der Flammen 23 erwärmt wird, erreicht ein Gebiet 61, das nahe der auslassseitigen Stirnfläche 50 der Lochplatte 12 ist, eine hohe Temperatur. Andererseits werden eine einlassseitige Stirnfläche 51 der Lochplatte 12 und eine Innenfläche 62 jedes Düsenlochs 20 mit der Druckluft 4 gekühlt, so dass sie eine niedrigere Temperatur als die auslassseitige Stirnfläche 50 erreichen.
Wegen einer Differenz der Temperatur zwischen der auslassseitigen Stirnfläche 50 und der einlassseitigen Stirnfläche 51 und einer Differenz der Temperatur zwischen der auslassseitigen Stirnfläche 50 und der Innenfläche 62 jedes Düsenlochs 20 wird in dem Gebiet 61 eine thermische Belastung erzeugt. Dementsprechend weist das Gebiet 61 eine hohe Temperatur auf und wird in dem Gebiet 61 die thermische Belastung erzeugt, so dass es erforderlich ist, dass das Gebiet 61 eine hohe Materialfestigkeit aufweist. Andererseits weist ein Gebiet 60, das nahe der einlassseitigen Stirnfläche 51 der Lochplatte 12 ist, eine niedrige Temperatur und Belastung auf, wobei es nicht erforderlich ist, dass das Gebiet 60 eine hohe Materialfestigkeit aufweist.
Dementsprechend wird die Lochplatte 12 in der ersten Ausführungsform auf eine Weise hergestellt, dass die relative Dichte des Metallmaterials des Gebiets 61 der Lochplatte 12 durch Verringern einer Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in dem Gebiet 61 durch die additive 3D-Herstellung geschichtet wird, erhöht wird und dadurch, wie in 4 dargestellt ist, der Materialfestigkeit Priorität gegeben wird. Andererseits wird die Lochplatte 12 ebenfalls in einer Weise hergestellt, dass die Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial geschichtet wird, in dem Gebiet 60 erhöht wird, so dass der Herstellungszeit und den Herstellungskosten Priorität gegeben wird. Dadurch wird es möglich, ein Herstellungsverfahren zu verwirklichen, bei dem die Materialfestigkeit und die Herstellungskosten pro Teil der Lochplatte 12 optimiert sind.
Ein Auswahlbeispiel der Schichtbildungsgeschwindigkeit eines Teils für niedrige Temperatur und niedrige Belastung ist in Tabelle 1 angegeben. Eine zulässige Belastung, die erreicht wird, falls die Schichtbildungsgeschwindigkeit niedrig (etwa 0,1 kg/h) ist, ist etwa 600 MPa. Andererseits ist die zulässige Belastung bei Verringerung der relativen Dichte des Metallmaterials auf etwa 400 MPa verringert, falls die Schichtbildungsgeschwindigkeit hoch (etwa 0,2 kg/h) ist. Allerdings ist eine angewendete Belastung etwa 300 MPa und ist sie niedriger als die zulässige Belastung (etwa 400 MPa), die erreicht wird, falls die Schichtbildungsgeschwindigkeit hoch ist. Dementsprechend wird eine Herstellung möglich, bei der die Schichtbildungsgeschwindigkeit erhöht wird und dabei der Herstellungszeit und den Herstellungskosten Priorität gegeben wird.

[Tabelle 1] Tabelle 1

Schichtbildungsgeschwindigkeit	Relative Dichte	Metalltemperatur	zulässige Belastung	Angewendete Belastung	Ergebnis der Bewertung
hoch (0,2 kg/h)	95 %	400 °C	400 MPa	300 MPa	◯ (Festigkeit ist hergestellt)
niedrig (0,1 kg/h)	99 %	400 °C	600 MPa	300 MPa	× (Herstellungs-kosten sind hoch)

In Tabelle 2 ist ein Auswahlbeispiel der Schichtbildungsgeschwindigkeit eines Teils für hohe Temperatur und hohe Belastung angegeben. Falls die Schichtbildungsgeschwindigkeit niedrig (etwa 0,1 kg/h) ist, ist die zulässige Belastung etwa 500 MPa. Andererseits ist die zulässige Belastung bei Verringerung der relativen Dichte des Metallmaterials auf etwa 300 MPa verringert, falls die Schichtbildungsgeschwindigkeit hoch (0,2 kg/h) ist. Da die Metalltemperatur etwa 600 °C ist und höher als etwa 400 °C der Metalltemperatur des Teils für niedrige Temperatur und niedrige Belastung ist, sind die zulässigen Belastungen, die den hohen und niedrigen Schichtbildungsgeschwindigkeiten entsprechen, niedriger als die zulässigen Belastungen in Tabelle 1. Die angewendete Belastung ist etwa 400 MPa und sie ist höher als die zulässige Belastung (etwa 300 MPa), die erreicht wird, falls die Schichtbildungsgeschwindigkeit hoch ist. Dementsprechend ist es notwendig, die Herstellung auszuführen, bei der die Schichtbildungsgeschwindigkeit verringert ist und dadurch der Materialfestigkeit Priorität gegeben wird. [Tabelle 2]

Schichtbildungsgeschwindigkeit	Relative Dichte	Metalltemperatur	zulässige Belastung	Angewendete Belastung	Ergebnis der Bewertung
hoch (0,2 kg/h)	95 %	600 °C	300 MPa	400 MPa	× (Festigkeit ist nicht hergestellt)
niedrig (0,1 kg/h)	99 %	600 °C	500 MPa	400 MPa	0 (Festigkeit ist hergestellt)

Allerdings ist jede Beziehung zwischen jeder Schichtbildungsgeschwindigkeit und jeder Eigenschaft, die in Tabelle 1 und Tabelle 2 angegeben ist, ein repräsentatives Beispiel und ist die vorliegende Erfindung ebenfalls auf andere Beispiele als die oben erwähnten repräsentativen Beispiele anwendbar.
Obwohl als das durch die additive 3D-Herstellung zu schichtende Metallmaterial ein Hochtemperaturmaterial wie etwa eine Nickel- (Ni-) Chrom- (Cr-) Eisen- (Fe-) Legierung, die z. B. unter dem Namen Inconel 718 (eingetragenes Warenzeichen) eingetragen ist, oder dergleichen denkbar ist, ist die vorliegende Erfindung außerdem auf einen weiten Bereich von Metallmaterialien anwendbar.
Wie oben beschrieben wurde, weist die Brennerkomponente der ersten Ausführungsform den ersten Teil (das Gebiet 61), der in dem ersten Temperaturbereich (Bereich hoher Temperatur) und/oder in dem ersten Belastungsbereich (Bereich hoher Belastung) verwendet ist, und den zweiten Teil (das Gebiet 60), der in dem zweiten Temperaturbereich (Bereich niedriger Temperatur), der niedriger als der erste Temperaturbereich (Bereich hoher Temperatur) ist, und/oder in dem zweiten Belastungsbereich (Bereich niedriger Belastung), der niedriger als der erste Belastungsbereich (Bereich hoher Belastung) ist, verwendet ist, auf. Die Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial durch die additive 3D-Herstellung in dem ersten Teil (dem Gebiet 61) geschichtet wird, ist niedriger als die Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in dem zweiten Teil (dem zweiten Gebiet 60) geschichtet wird.
Die relative Dichte des Metallmaterials in dem ersten Teil (dem Gebiet 61) ist dann höher als die relative Dichte des Metallmaterials in dem zweiten Teil (dem Gebiet 60).
Dadurch wird es möglich, in der Gasturbinenbrennkammervorrichtung, die die Brennerkomponente enthält, die durch die additive 3D-Herstellung geformt ist, die Gasturbinenbrennkammervorrichtung zu verwirklichen, die die Brennerkomponente enthält, deren Materialfestigkeit in der Gasturbinenbrennkammervorrichtung pro Teil optimiert ist.
Außerdem enthält ein Verfahren zur Herstellung der Brennerkomponente gemäß der ersten Ausführungsform in dem Verfahren zur Herstellung der Brennerkomponente durch die additive 3D-Herstellung die Schritte (a) des Schichtens des Metallmaterials in dem ersten Teil, der in dem Bereich hoher Temperatur und/oder in dem Bereich hoher Belastung der Brennerkomponente verwendet wird, mit der ersten Schichtbildungsgeschwindigkeit und (b) des Schichtens des Metallmaterials in dem zweiten Teil, der in dem Bereich mit einer niedrigeren Temperatur und/oder Belastung als der Bereich des ersten Teils verwendet wird, mit der zweiten Schichtbildungsgeschwindigkeit, die höher als die erste Schichtbildungsgeschwindigkeit ist.
Dadurch wird es möglich, in dem Brennerkomponenten-Herstellungsverfahren durch die additive 3D-Herstellung das Brennerkomponenten-Herstellungsverfahren zu verwirklichen, das es ermöglicht, die Brennerkomponente, für die die Materialfestigkeit pro Teil optimiert ist, in der verhältnismäßig kurzen Zeitdauer herzustellen.
[Zweite Ausführungsform]
Anhand von 5 und 6 werden eine Struktur und ein Herstellungsverfahren der Brennerkomponente gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der zweiten Ausführungsform wird ähnlich der ersten Ausführungsform die Lochplatte 12 als ein Beispiel der Brennerkomponente beschrieben.
5 stellt ein Beispiel einer anderen relativen Dichteverteilung von Metallmaterial der Lochplatte 12 in der zweiten Ausführungsform dar. 5 ist eine Darstellung, in der zu der Darstellung in 3 ein Schichtbildungsgeschwindigkeits-Übergangsgebiet 70 hinzugefügt ist. In dem Herstellungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform in 4 werden die Schichtbildungsgeschwindigkeiten des Gebiets 60 und des Gebiets 61 diskontinuierlich ineinander gewechselt. Dagegen ist es in einem Fall, in dem das diskontinuierliche Wechseln der Schichtbildungsgeschwindigkeiten wegen einer Steuerung einer Herstellungsvorrichtung unmöglich ist, oder in einem Fall, in dem die Materialfestigkeit durch diskontinuierliches Wechseln der Schichtbildungsgeschwindigkeiten verringert wird, möglich, durch ein Herstellungsverfahren, das in 6 dargestellt ist, das Übergangsgebiet 70 anzuordnen.
Das heißt, wie in 6 dargestellt ist, wird es möglich, die Schichtbildungsgeschwindigkeiten durch Anordnen des Übergangsgebiets 70 kontinuierlich ineinander zu wechseln.
[Dritte Ausführungsform]
Anhand von 7 werden eine Struktur und ein Herstellungsverfahren der Brennerkomponente gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der dritten Ausführungsform wird die Lochplatte 12 als ein Beispiel der Brennerkomponente ähnlich der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform beschrieben.
7 stellt ein Beispiel einer nochmals anderen relativen Dichteverteilung von Metallmaterial in einem Teil 80 dar, der an die Innenfläche 62 jedes Düsenlochs 20 in der Lochplatte 12 in der dritten Ausführungsform angrenzend ist. Außerdem ist 7 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 3 oder 5. Da die Innenfläche 62 jeder Düse 20 mit der Druckluft 4 gekühlt wird, wird in dem angrenzenden Teil 80 der Innenfläche 62 jedes Düsenlochs 20 eine thermische Belastung erzeugt.
Dementsprechend wird die Lochplatte 12 in der dritten Ausführungsform in einer Weise hergestellt, dass die Schichtbildungsgeschwindigkeit des Metallmaterials in dem angrenzenden Teil 80 der Innenfläche 62 niedriger als die Schichtbildungsgeschwindigkeit des Metallmaterials in einem Gebiet 81, in dem die thermische Belastung verringert ist, gemacht wird und dadurch der Materialfestigkeit des angrenzenden Teils 80 der Innenfläche 62 Priorität gegeben wird. Außerdem wird die Lochplatte 12 in einer Weise hergestellt, dass andererseits in dem Gebiet 81, in dem die thermische Belastung verringert ist, die Schichtbildungsgeschwindigkeit des Metallmaterials höher als die Schichtbildungsgeschwindigkeit des Metallmaterials in dem angrenzenden Teil 80 der Innenfläche 62 gemacht wird und dadurch die Herstellungszeit und die Herstellungskosten verringert werden.
Das heißt, die Schichtbildungsgeschwindigkeit des Metallmaterials in dem angrenzenden Teil 80 der Innenfläche 62 jedes Düsenlochs 20, das in der Lochplatte 12 gebildet wird, ist niedriger als die Schichtbildungsgeschwindigkeit des Metallmaterials in dem Gebiet 81, das sich außerhalb des angrenzenden Teils 80 befindet.
[Vierte Ausführungsform]
Anhand von 8 und 9 werden eine Struktur und ein Herstellungsverfahren der Brennerkomponente gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der vierten Ausführungsform wird eine der Brennstoffdüsen 14 als ein Beispiel der Brennerkomponente beschrieben.
8 stellt ein Beispiel einer abermals anderen relativen Dichteverteilung von Metallmaterial der Brennstoffdüse 14 in der vierten Ausführungsform dar. 8 ist eine vergrößerte Darstellung, die ein Beispiel eines Teils 55 der Brennstoffdüse 14 in 2 darstellt. Die Brennstoffdüse 14 weist eine einseitig angelenkte Struktur auf, in der die Brennstoffdüse 14 an einem Fuß 53 an der Brennstoffdüse 13 gestützt ist.
Es gibt Fälle, in denen in der Brennstoffdüse 14 unter dem Einfluss der Druckluft 4, die um die Brennstoffdüse 14 strömt, und der Schwingung der Brennstoffdüsenplatte 13 eine Schwingung erzeugt wird. Allgemein ist die Schwingungsbelastung an dem Fuß 53 maximiert. Außerdem gibt es Fälle, in denen die Temperatur an dem vorderen Ende 52 der Brennstoffdüse 14 unter dem Einfluss der Strahlungswärme der Flammen 23 erhöht ist.
Dementsprechend ist es notwendig, die Materialfestigkeit eines Gebiets 90 und eines Gebiets 92 der Brennstoffdüse 14 unter Berücksichtigung der Schwingungsbelastung und der Strahlungswärme der Flammen 23 zu erhöhen. Da das Gebiet 91 eine niedrige Schwingungsbelastung und Temperatur aufweist, tritt andererseits in dem Gebiet 91 selbst in einem Fall, dass seine Materialfestigkeit niedrig ist, kein Problem auf.
Dementsprechend wird die Brennstoffdüse 14 in der vierten Ausführungsform in einer Weise hergestellt, dass die Schichtbildungsgeschwindigkeiten des Metallmaterials in dem Gebiet 90 und in dem Gebiet 92 der Brennstoffdüse 14, wie in 9 dargestellt ist, verringert werden und dadurch der Materialfestigkeit Priorität gegeben ist. Andererseits wird die Brennstoffdüse 14 außerdem in der Weise hergestellt, dass die Schichtbildungsgeschwindigkeit des Metallmaterials in dem Gebiet 91 erhöht wird und dadurch der Herstellungszeit und den Kosten Priorität gegeben wird. Dadurch wird es möglich, das Herstellungsverfahren zu verwirklichen, bei dem die Materialfestigkeit und die Herstellungskosten pro Teil der Brennstoffdüse 14 optimiert sind.
Das heißt, die Schichtbildungsgeschwindigkeiten des Metallmaterials an dem Teil auf der Fußseite (dem Gebiet 90) und an dem Teil auf der Seite des vorderen Endes (dem Gebiet 92) der Brennstoffdüse 14 sind niedriger als die Schichtbildungsgeschwindigkeit des Metallmaterials in dem Gebiet 91 zwischen dem Teil auf der Fußseite (dem Gebiet 90) und dem Teil auf der Seite des vorderen Endes (dem Gebiet 92).
Übrigens ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben erwähnten Ausführungsformen beschränkt und sind verschiedene geänderte Beispiele enthalten. Zum Beispiel sind die oben erwähnten Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden, um ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu unterstützen, wobei die vorliegende Erfindung nicht notwendig auf die Ausführungsform, die alle Konfigurationen, die oben beschrieben sind, enthält, beschränkt ist. Außerdem ist es ebenfalls möglich, eine Konfiguration einer Ausführungsform durch eine Konfiguration einer anderen Ausführungsform zu ersetzen. Außerdem ist es ebenfalls möglich, eine Konfiguration einer anderen Ausführungsform zu einer Konfiguration einer Ausführungsform hinzuzufügen. Außerdem ist es möglich, eine Konfiguration jeder Ausführungsform zu einer anderen Konfiguration jeder Ausführungsform hinzuzufügen, sie von ihr zu entfernen oder sie durch sie zu ersetzen.
Bezugszeichenliste

1: Gasturbinenanlage
2: Luft
3: Kompressor
4: Druckluft
5: Brennstoff
6: Verbrennungsgas
7: Brennkammervorrichtung
8: Gasturbine
9: Generator
10: Endflansch
11: Außenzylinder
12: Lochplatte
13: Brennstoffdüsenplatte
14: Brennstoffdüse
15: Auskleidung
16: Strömungsweg
17: Brenner
18: Kühlluft
19: Brennstoffzufuhrrohr
20: Düsenloch
21: Luft-Brennstoff-Gemisch
22: Verbrennungsraum
23: Flamme
30: auslassseitiges Ende der (Brennstoffdüse 14)
40: Mittelachsen 40 (der Lochplatte 12 und der Brennstoffdüsenplatte 13)
50: auslassseitige Stirnfläche (der Lochplatte 12)
51: einlassseitige Stirnfläche (der Lochplatte 12)
52: vorderes Ende (der Brennstoffdüse 14)
53: Fuß (der Brennstoffdüse 14)
54: Teil 54 der Lochplatte 12
55: Teil 55 der Brennstoffdüse 14
60: Gebiet (in dem die Schichtbildungsgeschwindigkeit der Lochplatte 12 hoch ist)
61: Gebiet (in dem die Schichtbildungsgeschwindigkeit der Lochplatte 12 niedrig ist)
62: Innenfläche (des Düsenlochs 20)
70: (Schichtbildungsgeschwindigkeits-) Übergangsgebiet
80: Teil, das angrenzend an die Innenfläche 62 (des Düsenlochs 20) ist
81: Gebiet (in dem die thermische Belastung verringert ist)
90: Gebiet (in dem die Schichtbildungsgeschwindigkeit der Brennstoffdüse 14 niedrig ist)
91: Gebiet (in dem die Schichtbildungsgeschwindigkeit der Brennstoffdüse 14 hoch ist)
92: Gebiet (in dem die Schichtbildungsgeschwindigkeit der Brennstoffdüse 14 niedrig ist)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2017015326 [0006]

Claims

Gasturbinenbrennkammervorrichtung (7), die eine Brennerkomponente (12, 14) umfasst, die durch additive 3D-Herstellung geformt ist, wobei die Brennerkomponente (12, 14) enthält: einen ersten Teil (61, 90, 92), der in einem ersten Temperaturbereich und/oder in einem ersten Belastungsbereich verwendet wird, und einen zweiten Teil (60, 91), der in einem zweiten Temperaturbereich, der niedriger als der erste Temperaturbereich ist, und/oder in einem zweiten Belastungsbereich, der niedriger als der erste Belastungsbereich ist, verwendet wird, und dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der ein Metallmaterial in dem ersten Teil (61, 90, 92) durch die additive 3D-Herstellung geschichtet worden ist, niedriger als eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in dem zweiten Teil (60, 91) geschichtet worden ist, ist.
Gasturbinenbrennkammervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Brennerkomponente eine Lochplatte (12) ist, die Brennstoff mit Luft mischt.
Gasturbinenbrennkammervorrichtung nach Anspruch 2, wobei sich der erste Teil (61) auf der Flammenseite der Lochplatte (12) befindet, und der zweite Teil (60) auf der Seite, die der Flammenseite der Lochplatte (12) gegenüberliegt, befindet.
Gasturbinenbrennkammervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in dem ersten Teil (61) geschichtet worden ist, und die Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in dem zweiten Teil (60) geschichtet worden ist, kontinuierlich ineinander gewechselt worden sind.
Gasturbinenbrennkammervorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in einem Teil, der an eine Innenfläche (62) eines Düsenlochs (20), das in der Lochplatte (12) gebildet ist, angrenzt, geschichtet worden ist, niedriger als eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in einem Gebiet, das sich außerhalb des Teils befindet, das an die Innenfläche (62) des Düsenlochs (20) angrenzt, geschichtet worden ist, ist.
Gasturbinenbrennkammervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Brennerkomponente eine Brennstoffdüse (14) zur Verwendung in der Brennstoffzufuhr ist.
Gasturbinenbrennkammervorrichtung nach Anspruch 6, wobei eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in einem Teil (53) auf der Fußseite und in einem Teil (52) auf der Seite des vorderen Endes der Brennstoffdüse (14) geschichtet worden ist, kleiner als eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in einem Gebiet zwischen dem Teil (53) auf der Fußseite und dem Teil (52) auf der Seite des vorderen Endes der Brennstoffdüse (14) geschichtet worden ist, ist.
Gasturbinenbrennkammervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine relative Dichte des Metallmaterials in dem ersten Teil (61, 90, 92) höher als eine relative Dichte des Metallmaterials in dem zweiten Teil (60, 91) ist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennerkomponente (12, 14) durch additive 3D-Herstellung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Schichten eines Metallmaterials in einem ersten Teil (61, 90, 92), der in einem Bereich hoher Temperatur und/oder in einem Bereich hoher Belastung der Brennerkomponente (12, 14) verwendet wird, mit einer ersten Schichtbildungsgeschwindigkeit; und (b) Schichten des Metallmaterials in einem zweiten Teil (60, 91), der in einem Temperaturbereich und/oder in einem Belastungsbereich verwendet wird, der/die niedriger als der Temperaturbereich und/oder der Belastungsbereich des ersten Teils (61, 90, 92) ist/sind, mit einer zweiten Schichtbildungsgeschwindigkeit, die höher als die erste Schichtbildungsgeschwindigkeit ist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennerkomponente nach Anspruch 9, wobei die Brennerkomponente eine Lochplatte (12) ist, die Brennstoff mit Luft mischt.
Verfahren zur Herstellung einer Brennerkomponente nach Anspruch 10, wobei sich der erste Teil (61) auf der Flammenseite der Lochplatte (12) befindet, und der zweite Teil (60) auf der Seite, die der Flammenseite der Lochplatte (12) gegenüberliegt, befindet.
Verfahren zur Herstellung einer Brennerkomponente nach Anspruch 9, wobei die erste Schichtbildungsgeschwindigkeit in dem Schritt (a) und die zweite Schichtbildungsgeschwindigkeit in dem Schritt (b) kontinuierlich ineinander gewechselt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Brennerkomponente nach Anspruch 10, wobei eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in einem Teil, der an eine Innenfläche (62) eines Düsenlochs (20), das in der Lochplatte (12) gebildet wird, angrenzt, geschichtet wird, niedriger als eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in einem Gebiet, das sich außerhalb des Teils befindet, das an die Innenfläche (62) des Düsenlochs (20) angrenzt, geschichtet wird, ist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennerkomponente nach Anspruch 9, wobei die Brennerkomponente eine Brennstoffdüse (14) zur Verwendung in der Brennstoffzufuhr ist.
Verfahren zur Herstellung einer Brennerkomponente nach Anspruch 14, wobei eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in einem Teil (53) auf der Fußseite und in einem Teil (52) auf der Seite des vorderen Endes der Brennstoffdüse (14) geschichtet wird, kleiner als eine Schichtbildungsgeschwindigkeit, mit der das Metallmaterial in einem Gebiet zwischen dem Teil (53) auf der Fußseite und dem Teil (52) auf der Seite des vorderen Endes der Brennstoffdüse (14) geschichtet wird, ist.