DE112009000728T5

DE112009000728T5 - Mischer für Brenner und Verfahren zum Herstellen

Info

Publication number: DE112009000728T5
Application number: DE112009000728T
Authority: DE
Inventors: David Allen West Chester Kastrup; Marie Ann Mason McMasters
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2011-02-24
Also published as: US8061142B2; DE112009000781T5; JP2011528097A; US8336313B2; DE112009000820T5; US20090255260A1; WO2009148682A3; DE112009000819T5; US20090256003A1; JP2011528098A; WO2009126404A2; GB2471232A; US20090255265A1; US20100065142A1; GB2471233B; JP2011528075A; CA2720255A1; CA2720253C; GB2471235A; US20090255102A1

Abstract

Verfahren (500) zum Herstellen eines einheitlichen Mischers (100), wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bestimmen dreidimensionaler Informationen von dem einheitlichen Mischer (100), der wenigstens einen Verwirbeler (140) aufweist;
Umwandeln der dreidimensionalen Informationen in mehrere von Schnitte, die jeweils eine Querschnittsschicht des einheitlichen Mischers (100) definieren; und
aufeinanderfolgendes Bilden jeder Schicht des einheitlichen Mischers (100) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Anwendung von Laserenergie.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Brenner und, mehr im Besonderen, auf Mischer, die zur Förderung des Brennstoff/Luft-Vermischens in Brennern von Gasturbinen-Triebwerken benutzt werden.
Die moderne Betonung des Minimierens der Produktion und Abgabe von Gasen, die zu Smog und anderen unerwünschten Umweltbedingungen beitragen, insbesondere solchen Gasen, die aus Gasturbinen-Triebwerken emittiert werden, haben zu verschiedenen Brennerkonstruktionen geführt, die in einer Anstrengung entwickelt wurden, die Produktion und Abgabe solcher unerwünschten Verbrennungsprodukt-Komponenten zu reduzieren. Andere Faktoren, die die Brennerkonstruktion beeinflussen, sind die Wünsche von Benutzern von Gasturbinen-Triebwerken nach effizientem kostengünstigen Betrieb, was eine Notwendigkeit zur Folge hat, den Brennstoffverbrauch zu verringern, während gleichzeitig die Triebwerksleistung aufrechterhalten oder sogar erhöht wird. Als eine Folge schließen wichtige Konstruktionskriterien für Flugzeug-Gasturbinentriebwerks-Verbrennungssysteme das Vorsehen hoher Verbrennungstemperaturen ein, um eine hohe thermische Effizienz unter einer Vielfalt von Triebwerks-Betriebsbedingungen zu erzielen ebenso wie der Minimierung unerwünschter Verbrennungsbedingungen, die zur Emission von Teilchen und zur Emission unerwünschter Gase und zur Emission von Verbrennungsprodukten beitragen, die Vorstufen zur Bildung von fotochemischem Smog sind.
Verschiedene Regierungskörperschaften haben Emissionsgrenzen für akzeptable Niveaus von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxiden (NO_x) festgelegt, die als primäre Beträge zur Erzeugung unerwünschter atmosphärischer Bedingungen identifiziert wurden. Es wurden daher unterschiedliche Brennerkonstruktionen zur Erfüllung solcher Kriterien entwickelt. Ein Weg, auf dem das Problem des Minimierens der Emission unerwünschter Gasturbinentriebwerks-Verbrennungsprodukte, z. B., angegangen wurde, ist das Vorsehen abgestufter Verbrennung. In dieser Anordnung wird ein Brenner vorgesehen, in dem ein Erststufenbrenner für die Bedingungen geringer Geschwindigkeit und geringer Leistung benutzt wird, um den Charakter der Verbrennungsprodukte genauer zu kontrollieren. Eine Kombination von Erststufen- und Zweitstufenbrennern ist für Bedingungen der höheren Leistungsabgabe vorgesehen, während versucht wird, die Verbrennungsprodukte innerhalb der Emissionsgrenzen zu halten. Es wird klar sein, dass das Ausgleichen des Betriebes des Erststufen- und Zweitstufenbrenners, um einen effizienten thermischen Betrieb des Triebwerkes zu gestatten und dabei gleichzeitig die Produktion unerwünschter Verbrennungsprodukte zu minimieren, schwierig zu erzielen ist. In dieser Hinsicht kann das Betreiben bei geringen Verbrennungstemperaturen zum Vermindern der Emissionen von NO_x auch in einer unvollständigen oder teilweise unvollständigen Verbrennung resultieren, die zur Produktion übergroßer Mengen an HC und CO zusätzlich zur Erzeugung geringerer Leistungsabgabe und geringerer thermischer Effizienz führen kann. Eine hohe Verbrennungstemperatur andererseits, obwohl sie die thermische Effizienz erhöht und die Menge an HC und CO vermindert, resultiert häufig in einer höheren Abgabe von NO_x. Im Stande der Technik ist einer der Wege, auf dem die Produktion unerwünschter Verbrennungsprodukt-Komponenten in Gasturbinentriebwerks-Brennern über den Betriebsbereich des Triebwerkes minimiert wird, das Benutzen eines abgestuften Verbrennungssystems unter Benutzung primärer und sekundärer Brennstoff-Injektionsöffnungen.
Ein anderer Weg, der vorgeschlagen wurde, um die Produktion solcher unerwünschten Verbrennungsprodukt-Komponenten zu minimieren, besteht darin, für das wirksamere Vermischen des injizierten Brennstoffes und der Verbrennungsluft zu sorgen. In dieser Hinsicht wurden im Laufe der Jahre zahlreiche Mischerkonstruktionen vorgeschlagen, um das Vermischen von Brennstoff und Luft zu verbessern. Auf diese Weise findet das Verbrennen gleichmäßig über die gesamte Mischung statt und verringert das Niveau von HC und CO, die aus unvollständiger Verbrennung resultieren.
Eine Mischerkonstruktion, die benutzt wurde, ist als ringförmiger Vormisch-Zwillingsverwirbeler (TAPS Twin Annular Premixing Swirler) bekannt, der in den folgenden US-Patentschriften offenbart ist: 6,354,072 ; 6,363,726 ; 6,367,262 ; 6,381,964 ; 6,389,815 ; 6,418,726 ; 6,453,660 ; 6,484,489 und 6,865,889 . Es wird klar sein, dass die TAPS-Mischerbaueinheit einen Pilot-Mischer, der während des gesamten Betriebszyklus des Triebwerkes mit Brennstoff versehen wird, und einen Hauptmischer einschließt, der nur während erhöhter Leistungsbedingungen des Triebwerks-Betriebszyklus mit Brennstoff versehen wird. Verbesserungen in dem Hauptmischer der Baueinheit während Hochleistungs-Bedingungen (d. h., Start und Anstieg) sind in den Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 11/188,596; 11/188,598 und 11/188,470 offenbart.
Die Mischer haben Verwirbeler-Baueinheiten, die die hindurchgehende Luft verwirbeln, um das Vermischen von Luft mit Brennstoff vor der Verbrennung zu fördern. Die Verwirbeler-Baueinheiten, die in den Brennern eingesetzt werden, haben komplexe Strukturen mit axialen, radialen oder konischen Verwirbelern oder einer Kombination davon. In der Vergangenheit wurden konventionelle Herstellungsverfahren benutzt, um Mischer mit Verwirbelerkomponenten herzustellen, die zusammengebaut oder miteinander unter Anwendung bekannter Verfahren verbunden wurden, um die Verwirbeler-Baueinheiten zu bilden. In einigen Mischern mit komplexen Schaufel, z. B., werden zuerst einzelne Schaufeln maschinell hergestellt und dann zu einer Baueinheit hartgelötet. Präzisionsguss-Verfahren wurden in der Vergangenheit benutzt, um einige Brennerverwirbeler herzustellen. Andere Verwirbeler wurden maschinell aus Rohmaterial gearbeitet. Funkenerosion (EDM) wurde als ein Mittel benutzt, die Schaufeln in den Verwirbelern herzustellen.
Konventionelle Brennerkomponenten, wie, z. B., Mischer, sind allgemein teuer herzustellen und/oder zu reparieren, weil die konventionellen Mischerkonstruktionen ein komplexes Zusammenbauen und das Verbinden mehrerer Komponenten einschließen. Spezifischer kann die Anwendung von Hartlötverbindungen die Zeit verlängern, die zum Herstellen solcher Mischer erforderlich ist, und auch das Fabrikationsverfahren aus einem oder mehreren Gründen verkomplizieren, einschließlich: der Notwendigkeit einer angemessenen Region, um das Anordnen der Hartlotlegierung zu gestatten; der Notwendigkeit, unerwünschtes Fließen der Hartlotlegierung zu minimieren; der Notwendigkeit einer akzeptablen Inspektionstechnik zum Verifizieren der Hartlotqualität und der Notwendigkeit, verschiedene Hartlotlegierungen verfügbar zu haben, um das Wiederschmelzen vorhergehender Hartlotverbindungen zu verhindern. Darüber hinaus können zahlreiche Hartlotverbindungen in mehreren Hartlötdurchläufen resultieren, die das Ausgangsmaterial der Komponente schwächen können. Die Anwesenheit zahlreicher Hartlotverbindungen kann unerwünscht das Gewicht und die Herstellungskosten der Mischerbaueinheiten erhöhen.
Komplexitäten der Verwirbeler-Geometrien und die dazugehörigen Schwierigkeiten beim maschinellen Bearbeiten und normalen Abrieb der Werkzeuge, wie der EDM-Elektroden, während des maschinellen Bearbeitungsprozesses können eine signifikante Herstellungsvariabilität in den Mischerbaueinheiten verursachen. Solche Herstellungsvariabilität in den Mischerbaueinheiten kann zu einer unerwünschten aerodynamischen Strömungsvariabilität in den Mischern führen und die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Brenners beeinträchtigen.
Es besteht somit ein Bedarf, einen Mischer für einen Brenner eines Gasturbinen-Triebwerkes unter Anwendung eines Herstellungsverfahrens mit verringerter Variabilität bereitzustellen. Weiter ist es erwünscht, Mischer mit komplexen Geometrien und Verwirbeler-Anordnungen zu haben, die eine einheitliche Konstruktion aufweisen, um Abmessungsvariationen aufgrund der Herstellung zu verringern, um die Betriebsfähigkeit zu verbessern und Emissionen über der Betriebshüllkurve des Triebwerkes zu vermindern und um Kosten zu vermindern. Es ist erwünscht, ein Verfahren zum Herstellen eines Mischers mit komplexen dreidimensionalen Geometrien in einer einheitlichen Konstruktion zu haben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die oben erwähnten Bedürfnisse können durch beispielhafte Ausführungsformen erfüllt werden, die ein Verfahren zum Herstellen eines Mischers mit einer einheitlichen Konstruktion bereitstellen, wobei das Verfahren die Schritte des Bestimmens einer dreidimensionalen Information des einheitlichen Mischers, der mindestens einen Verwirbeler aufweist, des Umwandelns der dreidimensionalen Information in eine Mehrzahl von Schnitten, die jeweils eine Querschnittsschicht des einheitlichen Mischers definieren, und des aufeinanderfolgenden Bildens jeder Schicht des einheitlichen Mischers durch Schmelzen eines metallischen Pulvers umfasst. Es sind beispielhafte Ausführungsformen offenbart, die einheitliche Mischer zeigen, die ein ringförmiges Gehäuse und einen Verwirbeler umfassen, der eine einheitliche Konstruktion aufweist, wobei der einheitliche Mischer durch Anwenden eines raschen Herstellungsverfahrens hergestellt ist. In einem Aspekt der Erfindung ist das rasche Herstellungsverfahren ein Laser-Sinterverfahren. In einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Mischer mit einer einheitlichen Konstruktion einen Verwirbeler, der eine Mehrzahl radialer Schaufeln aufweist, die längs des Umfangs um eine Achse herum angeordnet und zumindest teilweise in einer radialen Richtung orientiert sind. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst ein einheitlicher Mischer in Umfangsrichtung benachbarte Schaufeln, die mindestens einen Strömungsdurchgang bilden, der zumindest teilweise in einer axialen Richtung mit Bezug auf die Achse orientiert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, wird im Folgenden ausgeführt und im Schlussteil der Anmeldung bestimmt beansprucht. Die Erfindung kann jedoch am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung verstanden werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erfolgt, in der:
1 eine schematisierte Ansicht eines Turbofan-Gasturbinentriebwerkes mit hohem Nebenstromverhältnis ist.
2 eine isometrische Teilansicht eines einheitlichen Mischers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, der auf einer Brennstoffdüsen-Baueinheit angeordnet ist.
3 eine isometrische Ansicht eines einheitlichen Mischers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
4 eine isometrische Querschnittsansicht eines einheitlichen Mischers gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die in 3 gezeigt ist.
5 eine seitliche Querschnittsansicht der beispielhaften Ausführungsform eines einheitlichen Mischers der vorliegenden Erfindung ist, der in 3 gezeigt ist.
6 eine frontale Querschnittsansicht der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die in 3 gezeigt ist.
7 eine frontale Querschnittsansicht der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die in 3 gezeigt ist.
8 eine isometrische Ansicht eines einheitlichen Mischers gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
9 eine isometrische Querschnittsansicht der anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die in 3 gezeigt ist.
10 eine frontale Querschnittsansicht der anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die in 8 gezeigt ist.
11 eine frontale Querschnittsansicht der anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die in 8 gezeigt ist.
12 eine frontale Querschnittsansicht der anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die in 8 gezeigt ist.
13 eine isometrische Ansicht eines einheitlichen Mischers gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
14 eine isometrische Querschnittsansicht der anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die in 13 gezeigt ist.
15 eine frontale Querschnittsansicht der anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, die in 13 gezeigt ist.
16 ein Flussdiagramm ist, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines Mischers mit einer einheitlichen Konstruktion zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter detaillierter Bezugnahme auf die Zeichnung, in der identische Bezugsziffern die gleichen Elemente in allen Figuren anzeigen, zeigt 1 in schematisierter Form ein beispielhaftes Gasturbinen-Triebwerk 10 (vom Typ mit hohem Nebenstromverhältnis), das eine durchgehende, längs verlaufende oder axiale Mittellinie 12 für Bezugszwecke aufweist. Das Triebwerk 10 schließt vorzugsweise ein Gasturbinen-Kerntriebwerk, das allgemein durch Bezugsziffer 14 identifiziert ist, und einen Gebläseabschnitt 16 ein, der stromaufwärts davon angeordnet ist. Das Kerntriebwerk 14 schließt typischerweise ein allgemein rohrförmiges äußeres Gehäuse 18 ein, das einen ringförmigen Einlass 20 definiert. Das äußere Gehäuse 18 umschließt weiter einen Booster-Verdichter 22 und stützt diesen, der den Druck der Luft, die in das Kerntriebwerk 14 eintritt, auf ein erstes Druckniveau erhöht. Ein mehrstufiger Hochdruck-Axialströmungskompressor 24 erhält Druckluft vom Booster-Verdichter 22 und erhöht den Druck der Luft weiter. Die Druckluft strömt zu einem Brenner 26, wo Brennstoff in den Druckluftstrom injiziert und gezündet wird, um die Temperatur und das Energieniveau der Druckluft zu erhöhen. Die energiereichen Verbrennungsprodukte strömen vom Brenner 26 zu einer ersten (Hochdruck-)Turbine 28 zum Antreiben des Hochdruckkompressors 24 über eine erste (Hochdruck-)Antriebswelle 30 und dann zu einer zweiten (Niederdruck-)Turbine 32 zum Antreiben des Booster-Verdichters 22 und des Gebläseabschnittes 16 über eine zweite (Niederdruck-)Antriebswelle 34, die koaxial mit der ersten Antriebswelle 30 liegt. Nach dem Antreiben jeder der Turbinen 28 und 30 verlassen die Verbrennungsprodukte das Kerntriebwerk 14 durch eine Auslassdüse 36, um mindestens einen Teil des Strahl-Antriebsschubes des Triebwerkes 10 bereitzustellen.
Der Gebläseabschnitt 16 schließt einen rotierbaren Axialströmungs-Gebläserotor 38 ein, der von einem ringförmigen Gebläsegehäuse 40 umgeben ist. Es sollte klar sein, dass das Gebläsegehäuse 40 vom Kerntriebwerk 14 durch eine Mehrzahl sich im Wesentlichen radial erstreckender, umfangsmäßig beabstandeter Auslassleitschaufeln 42 abgestützt ist. Auf diese Weise umschließt das Gebläsegehäuse 40 den Gebläserotor 38 und die Gebläserotorschaufeln 44. Der stromabwärts liegende Abschnitt 46 des Gebläsegehäuses 40 erstreckt sich über einen äußeren Abschnitt des Kerntriebwerkes 14, um eine sekundäre oder Nebenstrom-Luftströmungsleitung 48 zu definieren, die zusätzlichen Strahl-Antriebsschub bereitstellt.
Von einem Strömungsstandpunkt aus sollte klar sein, dass eine anfängliche Luftströmung, wie durch den Pfeil 50 repräsentiert, durch einen Einlass 52 zum Gebläsegehäuse 40 in das Gasturbinen-Triebwerk 10 eintritt. Die Luftströmung 50 passiert Gebläseschaufeln 44 und teilt sich in eine erste komprimierte Luftströmung (repräsentiert durch Pfeil 54), die sich durch die Leitung 48 bewegt, und eine zweite komprimierte Luftströmung (repräsentiert durch Pfeil 56) auf, die in den Booster-Verdichter 22 eintritt.
Der Druck der zweiten komprimierten Luftströmung 56 wird erhöht und er tritt in den Hochdruckkompressor 24, wie durch Pfeil 58 repräsentiert, ein. Nach dem Vermischen mit Brennstoff und dem Verbrennen im Brenner 26 treten Verbrennungsprodukte 60 aus Brenner 26 aus und strömen durch die erste Turbine 28. Die Verbrennungsprodukte 60 strömen dann durch die zweite Turbine 32 und treten aus der Auslassdüse 36 aus, um mindestens einen Teil des Schubes für das Gasturbinen-Triebwerk 10 bereitzustellen.
Der Brenner 26 schließt eine ringförmige Verbrennungskammer 62, die koaxial mit der Längsachse 12 verläuft, sowie einen Einlass 64 und einen Auslass 66 ein. Wie oben bemerkt, erhält der Brenner 26 einen ringförmigen Strom von Druckluft von einem Hochdruckkompressor-Auslass 69. Ein Teil dieser Kompressor-Auslassluft strömt in einen Mischer 100, wie er, z. B., in 2 gezeigt ist. In der in 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsform tritt Luft in den Mischer 100 in einer radial-umfangsmäßigen Richtung (wie durch Pfeile 102, 104 repräsentiert) und in einer axialen Richtung (wie durch den Pfeil 106 repräsentiert) ein. Brennstoff wird aus einer Brennstoff-Düsenspitzenbaueinheit 68 injiziert, um sich mit der Luft zu vermischen und eine Brennstoff-Luftmischung zu bilden, die an die Verbrennungskammer 62 zur Verbrennung geliefert wird. Die Zündung der Brennstoff-Luftmischung erfolgt durch eine geeignete Zündvorrichtung, und die resultierenden Verbrennungsgase 60 strömen in einer axialen Richtung zu einer und in eine ringförmige Erststufen-Turbinendüse 72. Die Düse 72 ist durch einen ringförmigen Strömungskanal definiert, der eine Mehrzahl sich radial erstreckender, umfangsmäßig beabstandeter Düsenleitschaufeln 74 einschließt, die die Gase umwälzen, so dass sie unter einem Winkel strömen und auf die Erststufenturbinen-Schaufeln der ersten Turbine 28 auftreffen. Wie in 1 gezeigt, dreht die erste Turbine 28 vorzugsweise den Hochdruckkompressor 24 mittels der ersten Antriebswelle 30. Die Niederdruckturbine 32 treibt vorzugsweise den Booster-Verdichter 22 und den Gebläserotor 38 mittels der zweiten Antriebswelle 34 an.
Die Verbrennungskammer 62 befindet sich innerhalb des äußeren Triebwerksgehäuses 18. Brennstoff wird der Verbrennungskammer durch eine Brennstoff-Düsenbaueinheit 80 zugeführt, die in 2 gezeigt ist. Der Brennstoff wird durch Brennstoff-Zufuhrleitungen zugeführt, die innerhalb eines Schafts 82 zu einer Brennstoff-Düsenspitzenbaueinheit 68 angeordnet sind. Der Mischer 100 umgibt umfangsseitig die Brennstoff-Düsenspitzenbaueinheit 68. Primärer(Pilot-) und sekundärer Brennstoff wird durch die Brennstoff-Düsenspitzenbaueinheit 68 unter Benutzung konventioneller Einrichtungen verspritzt.
2 zeigt eine isometrische Ansicht der beispielhaften Ausführungsform des Mischers 100, der eine in 1 gezeigte einheitliche Konstruktion aufweist. Der Begriff „einheitlich” wird in dieser Anmeldung benutzt um auszudrücken, dass die zugehörige Komponente, wie der hierin beschriebene Mischer 100, 200, 300, während der Herstellung als ein einzelnes Stück hergestellt ist. Eine einheitliche Komponente hat somit eine monolithische Konstruktion für die gesamte Komponente und unterscheidet sich von einer Komponente, die aus einer Vielzahl von Komponentenstücken hergestellt ist, die zur Bildung einer einzigen Komponente miteinander verbunden wurden. Der einheitliche Mischer 100 schließt ein ringförmiges Hauptgehäuse 120 (siehe 3) ein, das radial die Brennstoff-Düsenspitzenbaueinheit 68 (siehe 1) umgibt und einen ringförmigen Hohlraum zwischen dem Gehäuse 120 und der Brennstoff-Düsenspitzenbaueinheit 68 definiert. Eine Mehrzahl von (nicht gezeigten) Brennstoff-Injektionsöffnungen führt Brennstoff in den ringförmigen Hohlraum zwischen dem Gehäuse 120 und der Brennstoff-Düsenspitzenbaueinheit 68 ein. Die beispielhafte Ausführungsform des Mischers 100, die in 2 gezeigt ist, umfasst eine Verwirbeler-Anordnung, die allgemein durch die Bezugsziffer 130 identifiziert ist.
Die Verwirbeler-Anordnung 130 kann auf irgendeine von verschiedenen Weisen konfiguriert sein, wie, z. B., in beispielhaften Ausführungsformen einheitlicher Mischer 100, 200, 300 gezeigt, die hierin in 3, 8 bzw. 13 gezeigt sind. Eine Patentanmeldung mit dem Titel „Mixer Assembly For Combustor Of A Gas Turbine Engine Having A Plurality Of Counter-Rotating Swirlers”, Aktenzeichen 11/188,596, und eine Patentanmeldung mit dem Titel „Swirler Arrangement For Mixer Assembly Of A Gas Turbine Engine Combustor Having Shaped Passages”, Aktenzeichen 11/188,595, die beide auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen sind, zeigen beispielhafte Verwirbeler-Anordnungen.
Wie in den 3–7 gezeigt, umfasst der einheitliche Mischer 100 (d. h., der Mischer 100, der eine einteilige, unitäre Konstruktion hat) eine Verwirbeler-Anordnung 130 mit mindestens einem Verwirbeler, wie, z. B., den mit Bezugsziffer 140, der in 3 gezeigt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform des in den 3–7 gezeigten Mischers umfasst der einheitliche Mischer 100 eine Verwirbeler-Anordnung 130, die drei Verwirbeler 140, 160, 180 aufweist, die in einem Gehäuse 120 angeordnet sind. Der einheitliche Mischer 100 hat eine ringförmige Konstruktion um eine Achse 111 herum, die eine radial innere Nabe 122, einen Rand 124, der radial außerhalb der Nabe 122 angeordnet ist, aufweist. Der einheitliche Mischer 100 hat ein Montagesystem 125, das einen ringförmigen Flansch 126 umfasst, der an einem Ende des Mischers angeordnet ist. Der Flansch wird benutzt, um den einheitlichen Mischer 100 innerhalb des ringförmigen Brenners 26 zu lokalisieren. Mindestens ein Paar von Zungen 128 kann an dem Flansch 126 angeordnet sein. Die Zungen 128 werden zum Orientieren und Lokalisieren des Mischers 100 umfangsmäßig im Brenner 26 benutzt und erleichtern die Aufnahme der mechanischen und aerodynamischen Belastungen und Momente, die in dem Mischer 100 induziert werden. Das Einbauen von Mischern längs des Umfangs um ringförmige Brenner herum wurde in den folgenden US-Patentschriften beschrieben: 7,062,920 ; 7,121,095 und 6,976,363 und in der veröffentlichten US-Patenanmeldung US 2007/00286220A1.
In der beispielhaften Ausführungsform des einheitlichen Mischers 100, der in den 3–7 gezeigt ist, umfasst der erste Verwirbeler 140 eine Mehrzahl axialer Leitschaufeln 142, die umfangsmäßig um die Mischerachse 111 herum angeordnet sind. Die axialen Schaufeln 142 erstrecken sich in der radialen Richtung von der Nabe 122 bis zum Rand 124. Die axialen Schaufeln 142 erstrecken sich allgemein in der axialen Richtung mit Bezug auf die Achse 111 von einer ersten Stelle 144 (Eintrittsstelle) zu einer zweiten Stelle 146 (Austrittsstelle). Wie in 5 gezeigt, sind die axialen Schaufeln 142 umfangsmäßig um die Miascherachse 111 herum derart angeordnet, dass umfangsmäßig benachbarte Schaufeln 151, 152 Durchgänge 154, 156 zwischeneinander bilden, durch die Luft in den Mischer 100 einströmt, wie durch Richtungspfeile 106 der Luftströmung dargestellt.
Obwohl es möglich ist, die gleiche Geometrie und Orientierung für alle axialen Schaufeln 142 in dem Verwirbeler 140 zu haben, ist dies nicht notwendig. In der bevorzugten Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, umfasst der Verwirbeler 140 umfangsmäßig benachbarte axiale Schaufeln 151, 152, die unterschiedliche Dickenvariationen in der axialen Richtung derart aufweisen, dass ein erster Strömungsdurchgang 154 und ein zweiter Strömungsdurchgang 156 auf jeder Seite der axialen Schaufeln 151 und 152 gebildet wird. Der erste Strömungsdurchgang 154 hat einen Orientierungswinkel „A”, und der zweite Strömungsdurchgang 156 hat einen zweiten Orientierungswinkel „B” mit Bezug auf die Mischerachse 111. Die Variation des Strömungsbereiches in der axialen Richtung für jeden der Strömungsdurchgänge 154 und 156 kann durch Variieren der Dickenverteilung der benachbarten Schaufeln 151 und 152 geeignet entworfen. In einer bevorzugten Ausführungsform des Mischers ist die Dickenverteilung für die axialen Schaufeln 151und 152 derart, dass die benachbarten Strömungsdurchgänge 154 und 156 eine abwechselnde konvergierende-divergierende Charakteristik aufweisen: d. h., der Strömungsdurchgang 154 hat einen fortschreitend kleineren Strömungsbereich („konvergierend”) in der axialen Richtung, und der Strömungsdurchgang 156 hat einen fortschreitend größeren Bereich („divergierend”) in der axialen Richtung. Es ist bekannt, dass mit Unterschallgeschwindigkeit durch einen konvergierenden Strömungspfad strömende Luft beschleunigt wird, während mit Unterschallgeschwindigkeit durch einen divergierenden Strömungspfad strömende Luft verlangsamt wird. Das alternative Variieren der Strömungsdurchgangsbereiche zwischen benachbarten Strömungsdurchgängen 154, 156 erleichtert das intensive Vermischen der Luft und des Brennstoffes innerhalb des Mischers 10. Es ist auch möglich, andere geeignete geometrische Variationen in den benachbarten Strömungsdurchgängen 154, 156 zu haben, wie, z. B., einen konvergierenden Strömungsdurchgang auf einer Seite einer axialen Schaufel 154, 152, und einen konstanten Strömungsdurchgang auf der anderen Seite der axialen Schaufel 154, 152. Es ist auch möglich, unterschiedliche Orientierungswinkel „A” und „B” bezüglich der Achse 111 für zwei benachbarte Strömungsdurchgänge 151 und 152 zu haben. Die in den 3–7 gezeigte beispielhafte Ausführungsform umfasst einen Verwirbeler 140 mit etwa 36 bis 50 axialen Schaufeln 142, die in der Umfangsrichtung angeordnet sind, die zwei Orientierungswinkel „A” und „B” haben. In der in 5 gezeigten beispielhaften Ausführungsform haben die Orientierungswinkel „A” und „B” vorzugsweise Werte von etwa 65 Grad bzw. 50 Grad, und der Strömungsdurchgang 154 konvergiert um etwa 80% in der axialen Richtung, und der Strömungsdurchgang 156 divergiert etwa um 50% in der axialen Richtung.
Die beispielhafte Ausführungsform eines einheitlichen Mischers 100, wie in den 3–7 gezeigt, umfasst einen zweiten Verwirbeler 160, der axial hinter dem ersten Verwirbeler 140 angeordnet ist. Eine Querschnittsansicht des zweiten Verwirbelers 160 senkrecht zur Mischerachse 111 ist in 6 gezeigt. Es wird festgestellt werden, dass der zweite Verwirbeler 160 eine Mehrzahl radialer Schaufeln 162 zum Verwirbeln der dazwischen strömenden Luft einschließt. Wie gezeigt, ist der zweite Verwirbeler 160, der die radialen Schaufeln 162 aufweist, vorzugsweise im Wesentlichen radial zur Mittellinie 111 durch Mischer 100 orientiert. Luft strömt in den Mischer 100 durch Strömungsdurchgänge 176 zwischen benachbarten radialen Schaufeln 171, 172 in einer im Wesentlichen radialen Richtung nach innen ein, wie durch den Luftströmungspfeil 104 gezeigt. In der in 6 gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind radiale Schaufeln 162 im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang beabstandet, und es sind mehrere im Wesentlichen gleichmäßige Durchgänge 176 zwischen benachbarten radialen Schaufeln, wie, z. B., den Elementen 171, 172 in 6, definiert. Obwohl radiale Schaufeln 162 als im Wesentlichen über den Umfang gleichmäßig voneinander beabstandet gezeigt sind, wodurch eine Mehrzahl im Wesentlichen gleichförmiger Durchgänge dazwischen definiert wird, sollte ferner verstanden werden, dass der Verwirbeler 160 radiale Schaufeln 162 mit unterschiedlichen Konfigurationen einschließen kann, um so die Durchgänge 176 in einer erwünschten Weise zu formen, wie, z. B., in der oben identifizierten '595-Patentanmeldung offenbart. In der in 6 gezeigten beispielhaften Ausführungsform hat der zweite Verwirbeler 160 etwa 36 bis 50 radiale Schaufeln 162. Die radialen Schaufeln 162 sind derart orientiert, dass der Strömungsdurchgang, der zwischen zwei benachbarten radialen Schaufeln 171, 172 gebildet ist, einen Orientierungswinkel „C” mit Bezug auf eine Linie 115 senkrecht zur Mischerachse 111 und durch das Zentrum 175 des Durchganges hindurchgehend, aufweist, wo die Luftströmung 104 in den Mischer eintritt. In der in 6 gezeigten beispielhaften Ausführungsform hat der Orientierungswinkel „C” vorzugsweise zwischen etwa 30–70 Grad.
Die in den 3–7 gezeigte beispielhafte Ausführungsform eines einheitlichen Mischers 100 umfasst einen dritten Verwirbeler 180, der axial hinter dem zweiten Verwirbeler 160 angeordnet ist. Eine Querschnittsansicht des dritten Verwirbelers 180 senkrecht zur Mischerachse 111 ist in 7 gezeigt. Es wird festgestellt werden, dass der dritte Verwirbeler 180 mehrere radiale Schaufeln 182 zum Verwirbeln von dazwischen strömender Luft einschließt. Wie gezeigt, ist der dritte Verwirbeler 180, der die radialen Schaufeln 182 aufweist, vorzugsweise allgemein in der radial-tangentialen Richtung mit Bezug auf die Mittellinie 111 durch Mischer 100 orientiert. Luft strömt in den Mischer 100 durch Strömungsdurchgänge 196 zwischen benachbarten radialen Schaufeln 191, 192 in einer allgemein radialen Richtung nach innen mit einer im Wesentlichen tangentialen Orientierung ein, wie durch den Luftströmungspfeil 102 gezeigt. In der in 7 gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind die radialen Schaufeln 182 im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang beabstandet, und es sind mehrere im Wesentlichen gleichmäßige Durchgänge 196 zwischen benachbarten radialen Schaufeln, wie, z. B., den Elementen 191, 192 in 7, definiert. Obwohl die radialen Schaufeln 182 als im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang voneinander beabstandet gezeigt sind, wodurch sie eine Vielzahl im Wesentlichen gleichmäßiger Durchgänge dazwischen definieren, sollte klar sein, dass der Verwirbeler 180 radiale Schaufeln 182 einschließen kann, die unterschiedliche Konfigurationen aufweisen, um die Durchgänge 196 in einer erwünschten Weise zu formen. In der in 7 gezeigten beispielhaften Ausführungsform hat der dritte Verwirbeler 180 etwa 30 bis 50 radiale Schaufeln 182. Die radialen Schaufeln 182 sind derart orientiert, dass der Strömungsdurchgang, der zwischen zwei benachbarten radialen Schaufeln 191, 192 gebildet ist, einen Orientierungswinkel „D” mit Bezug auf eine Linie 117 senkrecht zur Mischerachse 111 und durch das Zentrum 195 des Durchganges hindurchgehend aufweist, wo die Luftströmung 102 in den Mischer 100 eintritt. In der in 7 gezeigten beispielhaften Ausführungsform beträgt der Orientierungswinkel „D” vorzugsweise zwischen etwa 0–60 Grad.
Es sollte verständlich sein, dass durch den zweiten Verwirbeler 160 strömende Luft in einer ersten Richtung verwirbelt wird und durch den dritten Verwirbeler 180 strömende Luft vorzugsweise in einer Richtung entgegen der ersten Richtung verwirbelt wird. Dies erfolgt durch geeignetes Auswählen der Orientierungswinkel „C” und „D” für die Luftströmungsdurchgänge 176 bzw. 196. Auf diese Weise wird ein intensives Vermischen von Luft und Brennstoff innerhalb des Brenners mit einer erhöhten kinetischen Gesamtenergie bewerkstelligt. Durch richtiges Konfigurieren der Verwirbeler 140, 160 und 180 kann eine intensive Mischregion innerhalb eines ringförmigen Hohlraumes um die Brennstoffdüsenspitzen-Baueinheit 68 herum im Wesentlichen zentriert werden. Die Konfiguration der Schaufeln in den Verwirbelern 140, 160 und 180 kann geändert werden, um die Wirbelrichtung der hindurchströmenden Luft zu variieren, und sie ist nicht auf die hier vorstehend angegebenen beispielhaften Wirbelrichtungen beschränkt.
In 3–5 ist ersichtlich, dass, mit Bezug auf die Mischerachse 111, die axiale Länge der radialen Schaufeln 182 des dritten Verwirbelers 180 vorzugsweise größer als die axiale Länge der radialen Schaufeln 162 des zweiten Verwirbelers 160 ist. Demgemäß strömt aufgrund des größeren Durchgangsbereiches dafür eine relativ größere Menge Luft durch den dritten Verwirbeler 180 als durch den zweiten Verwirbeler 160. Die relativen axialen Längen der Verwirbeler 180 und 160 können, wie erwünscht, variiert werden, um die Verteilung von Luft durch diese zu ändern, so dass die abgebildeten Größen nur veranschaulichend sind.
Eine alternative beispielhafte Ausführungsform eines einheitlichen Mischers 200 ist in den 8–12 gezeigt. Es ist in den 8–12 ersichtlich, dass der beispielhafte einheitliche Mischer 200 eine Verwirbeler-Anordnung 230 umfasst, die einen ersten, zweiten und dritten Verwirbeler 240, 260 bzw. 280 aufweist. 9 zeigt eine isometrische Querschnittsansicht des einheitlichen Mischers 200. Der erste Verwirbeler 240 ist ein Radialverwirbeler, der sich von dem in 3 gezeigten und hierin vorstehend beschriebenen axialen Verwirbeler unterscheidet. Eine Querschnittsansicht des ersten Verwirbelers 240 senkrecht zur Mischerachse 111 ist in 10 gezeigt. Der zweite Verwirbeler 260 ist axial hinter dem ersten Verwirbeler 240 angeordnet, und er ist ein Radialverwirbeler, der allgemein dem in 6 gezeigten und hier vorbeschriebenen radialen Verwirbeler 160 ähnlich ist. Eine Querschnittsansicht des zweiten Verwirbelers 260 senkrecht zur Mischerachse 111 ist in 11 gezeigt. Der dritte Verwirbeler 280 ist axial hinter dem zweiten Verwirbeler 260 angeordnet und er ist ein Radialverwirbeler, der allgemein ähnlich dem Radialverwirbeler 180 ist, der in 7 gezeigt ist, die hier oben beschrieben wurde. Eine Querschnittsansicht des dritten Verwirbelers 280 senkrecht zur Mischerachse 111 ist in 12 gezeigt. Es wird klar sein, dass, wie in den 10, 11 und 12 gezeigt, Luft, die durch den ersten Verwirbeler 240 strömt, in einer ersten Richtung verwirbelt wird, und Luft, die durch den zweiten Verwirbeler 260 strömt, vorzugsweise in einer Richtung entgegen der ersten Richtung verwirbelt wird, und die Luft, die durch den dritten Verwirbeler 280 strömt, vorzugsweise in einer Richtung entgegen der zweiten Richtung verwirbelt wird. Dies wird durch geeignetes Auswählen der Orientierungswinkel für die Luftströmungsdurchgänge 254, 276 bzw. 296 bewerkstelligt. Obwohl Radialschaufeln 242, 262 und 282 in den 10, 11 und 12 als im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang beabstandet gezeigt sind, wodurch sie mehrere im Wesentlichen gleichmäßige Durchgänge dazwischen definieren, sollte es ferner klar sein, dass die Verwirbeler 240, 260 und 280 Radialschaufeln 242, 262, 282 mit unterschiedlichen Konfigurationen einschließen können, um so die Luftströmungsdurchgänge zwischen umfangsmäßig benachbarten Radialschaufeln in einer erwünschten Weise zu formen. Der einheitliche Mischer 200 hat ein Montagesystem 225, das einen ringförmigen Flansch 226 und mindestens ein Paar Zungen 228 aufweist, die zum Positionieren des einheitlichen Mischers 200 innerhalb des ringförmigen Brenners 26 benutzt werden, wie hierin weiter oben beschrieben.
Eine weitere alternative beispielhafte Ausführungsform eines einheitlichen Mischers 300 ist in den 13–15 gezeigt. Es ist in den 13–15 ersichtlich, dass der beispielhafte einheitliche Mischer 300 eine Verwirbeler-Anordnung 330 umfasst. Eine Querschnittsansicht des Verwirbelers 330 senkrecht zur Mischerachse 111 ist in 15 gezeigt. Der Verwirbeler 330 umfasst Radialschaufeln 382, die umfangsmäßig um die Mischerachse 111 herum angeordnet sind. Benachbarte Radialschaufeln 382 bilden einen Strömungsdurchgang 396 zwischeneinander. Luft strömt in den einheitlichen Mischer 300 durch diese Durchgänge in einer allgemein radial-tangentialen Richtung, wie durch einen Pfeil 302 in 15 dargestellt. Die Orientierungswinkel für diese Radialschaufeln sind ähnlich denjenigen für die Radialschaufeln in den einheitlichen Mischern 100, 200, die hierin oben beschrieben wurden. Obwohl Radialschaufeln 382 in 15 als im Wesentlichen gleichmäßig über den Umfang beabstandet gezeigt sind, wodurch sie mehrere im Wesentlichen gleichmäßige Durchgänge 396dazwischen definieren, sollte ferner klar sein, dass der Verwirbeler 330 Radialschaufeln 382 mit unterschiedlichen Konfigurationen einschließen kann, um so die Luftströmungsdurchgänge zwischen umfangsmäßig benachbarten Radialschaufeln in einer erwünschten Weise zu formen. Der einheitliche Mischer 300 hat ein Montagesystem 325, das einen ringförmigen Flansch 326 und mindestens ein Paar Zungen 328 aufweist, die zum Lokalisieren des einheitlichen Mischers 300 innerhalb des ringförmigen Brenners 26 benutzt werden, wie hierin weiter oben beschrieben.
Es können andere Ausführungsformen für die Verwirbeler-Anordnungen in den einheitlichen Mischern 100, 200 und 300 eingesetzt werden, wie in den Patentanmeldungen mit den Titeln „Mixer Assembly For Combustion Chamber Of A Gas Turbine Engine Having A Plurality Of Counter-Rotating Swirlers”, Aktenzeichen 11/188,596, „Swirler Arrangement For Mixer Assembly Of A Gas Turbine Engine Combustor Having Shaped Passages”, Aktenzeichen 11/188,595, und „Mixer Assembly For Combustor Of A Gas Turbine Engine Having A Main Mixer With Improved Fuel Penetration”, Aktenzeichen 11/188,598, offenbart.
Die Anwendung schneller Herstellungsverfahren, wie, z. B., direktes Metall-Lasersintern (DMLS), liefert ein Herstellungsverfahren, das die Fähigkeit zum Herstellen von Teilen ohne übliche Formen und/oder spezielle Werkzeuge, wie Präzisionsguss-Verfahren, bietet. Die Anwendung schneller Herstellungsverfahren, wie DMLS, stellt die Fähigkeit bereit, einheitliche Mischer 100, 200, 300, die komplexe Verwirbeler 130, 230, 330 und Schaufelgestalten haben, herzustellen, die früher unter Anwendung konventioneller maschineller Bearbeitung oder sogar maschineller EDM-Bearbeitung unter Benutzung mehrerer üblicher Elektroden aufgrund eines ungenügenden Zuganges zu dem inneren Durchmesser der Teile, nicht hergestellt werden konnten. Das DMLS-Verfahren benutzt Pulvermetall-Technologie. Das Teil, das hergestellt wird, wird in einem dreidimensionalen CAD-Modell modelliert, und geometrische Daten werden in Schichten so schmal wie 0,0004 Zoll zerlegt. Für diesen Zweck kann konventionelle CAD-Software benutzt werden. Metallpulver wird nach der Geometriedefinition, die für eine spezifische Schicht definiert ist, aufgetragen. Dann wird ein Laser benutzt, um das Pulver an die unter der gegenwärtigen Schicht liegenden Schichten zu sintern. Plattformen und/oder Säulen werden als eine Basis für die erste Pulverschicht und zum Abstützen für große Leerräume in der Geometrie benutzt. Nach Abschluss des DMLS-Verfahrens können die Plattformen und/oder Stützsäulen durch maschinelle Bearbeitung unter Benutzung konventioneller Bearbeitungsverfahren entfernt werden. Die Anwendung schneller Herstellungsverfahren (Rapid-Herstellungsverfahren), wie des DMLS-Verfahrens, ergibt die Fähigkeit zur Herstellung komplexer einheitlicher Mischer, wie der hierin gezeigten Elemente 100, 200, 300, die komplexe dreidimensionale Verwirbeler mit gepfeilten aerodynamischen Schaufelgestalten, bei verringerter Variabilität von Teil zu Teil haben.
Die beispielhafte Ausführungsform eines einheitlichen Mischers 100, der in 3 gezeigt ist, und die alternativen Ausführungsformen der einheitlichen Mischer 200, 300, die in den 8 und 13 gezeigt sind, können unter Anwendung schneller Herstellungsverfahren, wie des direkten Metall-Lasersinterns (DMLS), Laser-Nettogestalt-Herstellens (LNSM), Elektronenstrail-Sinterns und anderer bekannter Verfahren zum schnellen Herstellen, hergestellt werden. DLMS ist ein bevorzugtes Verfahren zum schnellen Herstellen einheitlicher Mischer, wie der hierin beschriebenen Elemente 100, 200 300.
16 zeigt ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines schnellen Herstellungsverfahrens 500 zur Fertigung einheitlicher Mischer, wie der in den 3, 8 und 13 gezeigten und hierin beschrieben Elemente 100, 200, 300, veranschaulicht. Das Verfahren 500 schließt das Herstellen einheitlicher Mischer 100, 200, 300 unter Anwendung des direkten Metall-Lasersinterns (DMLS) ein. DMLS ist ein bekanntes Herstellungsverfahren, das Metallkomponenten unter Benutzung dreidimensionaler Informationen, z. B. eines dreidimensionalen Computermodells, von der Komponente, erzeugt. Die dreidimensionalen Informationen für den einheitlichen Mischer 100, 200, 300 werden in mehrere Schnitte umgewandelt, wobei jeder Schnitt einen Querschnitt des einheitlichen Mischers für eine vorbestimmte Höhe des Schnittes definiert. Der einheitliche Mischer wird dann Schnitt für Schnitt oder Schicht für Schicht „aufgebaut”, bis er fertig gestellt ist. Jede Schicht des einheitlichen Mischers wird durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz eines Lasers gebildet.
Demgemäß schließt das Verfahren 500 den Schritt 505 des Bestimmens dreidimensionaler geometrischer und sonstiger Informationen von dem einheitlichen Mischer 100, 200, 300 (wie in der 3, 8 und 13 gezeigt) und den Schritt 510 des Umwandelns der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte ein, die jeweils eine Querschnittsschicht des einheitlichen Mischers 100, 200, 300 definieren. Der einheitliche Mischer 100, 200, 300 wird dann unter Anwendung von DMLS hergestellt, oder, spezifischer, jede Schicht des einheitlichen Mischers 100, 200, 300 wird aufeinanderfolgend gebildet (Schritt 515), indem ein metallisches Pulver unter Anwendung von Laserenergie aufgeschmolzen wird. Jede Schicht hat eine Größe zwischen etwa 0,0005 Zoll und etwa 0,001 Zoll. Der einheitliche Mischer 100, 200, 300 kann unter Benutzung irgendeiner geeigneten Laser-Sintermaschine hergestellt werden. Beispiele geeigneter Laser-Sintermaschinen schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, eine EOSINT.RTM. M 270 DMLS-Maschine, eine PHENIX PM250-Maschine und/oder eine EOSINT.RTM. M 250 Xtended DMLS-Maschine ein, erhältlich von EOS der North America, Inc., Novi, Michigan. Das zum Herstellen des einheitlichen Mischers 100, 200, 300 eingesetzte Metallpulver ist vorzugsweise ein Pulver, das Kobalt-Chrom enthält, doch kann es auch irgendein anderes geeignetes metallisches Pulver sein, wie, darauf jedoch nicht beschränkt, HS188 und INCO625. Das Metallpulver kann eine Teilchengröße von zwischen etwa 10 μm und 74 μm, vorzugsweise zwischen etwa 15 μm und etwa 30 μm, aufweisen. In den hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsformen des einheitlichen Mischers 100, 200, 300 wurde ein EOSINT 270-Lasersintersystem unter Verwendung eines 200 W-Ytterbiumfaserlasers in einer Argonatmosphäre benutzt.
Obwohl die Verfahren zum Herstellen einheitlicher Mischer 100, 200, 300 hierin unter Anwendung von DMLS als dem bevorzugten Verfahren beschrieben sind, wird der Fachmann erkennen, dass alle anderen geeigneten schnellen Herstellungsverfahren (Rapid-Manufacturing) unter Anwendung eines Schicht-für-Schicht-Aufbaus oder einer additiven Herstellung ebenfalls benutzt werden können. Diese weiteren schnellen Herstellungsverfahren schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, selektives Lasersintern (SLS), selektives Laserschmelzen (SLM), 3D-Drucken, wie bspw. mittels Tintenstrahlen und Laserstrahlen, Stereolithographie (SLS), direktes selektives Lasersintern (DSLS), Elektronenstrahlsintern (EBS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), technisches Laser-Nettoformen (LENS, Laser Engineered Net Shaping), Laser-Nettogestalt-Herstellen (LNSM, Laser Net Shape Manufacturing), direkte Metallauftragsschweisung (DMD, Direct Metal Deposition), feste Freiformherstellung (SFF, Solid Free Form Fabrication) und schichtweises Herstellen (Lager Manufacturing) ein.
Zum Einführen von Elementen/Komponenten usw. der Verfahren und/oder der einheitlichen Mischer, die hierin beschrieben und/oder veranschaulicht sind, sollen die Artikel „ein”, „eine”, „der/die/das” und „der/die/das Genannte” bedeuten, dass es ein oder mehrere des/der Elemente(s)/Komponente(n) usw. gibt. Die Begriffe „umfassend”, „einschließend” und „aufweisend” sollen im Sinne von einschließlich verstanden werden und bedeuten, dass es neben den/den/der aufgeführten Element(en)/Komponente(n) usw. zusätzliches Element(e)/Komponente(n) usw. geben kann.
Diese Beschreibung benutzt Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, einschließlich der besten Art, und auch, um einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung herzustellen und zu benutzen. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele einschließen, die sich dem Fachmann erschließen. Solche anderen Beispiele sollen in den Umfang der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Ansprüche einschließen.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist Verfahren (500) zum Herstellen eines einheitlichen Mischers (100) offenbart, wobei dieses Verfahren die Schritte des Bestimmens dreidimensionaler Informationen von dem einheitlichen Mischer (100), der mindestens einen Verwirbeler (140) aufweist, des Umwandelns der dreidimensionalen Informationen in eine Vielzahl von Schnitten, die jeweils eine Querschnittsschicht des einheitlichen Mischers (100) definieren, und des aufeinanderfolgenden Bildens jeder Schicht des einheitlichen Mischers (100) durch Schmelzen eines Metallpulvers umfasst. Beispielhafte Ausführungsformen sind offenbart, die einen einheitlichen Mischer (100) zeigen, der ein ringförmiges Gehäuse (120) und einen Verwirbeler (140), (160) umfasst, der eine einheitliche Konstruktion aufweist, wobei der einheitliche Mischer (100) unter Anwendung eines Rapid-Herstellungsverfahrens hergestellt ist. In einem Aspekt der Erfindung ist das Rapid-Herstellungsverfahren ein Laser-Sinterverfahren. In einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Mischer (300), der eine einheitliche Konstruktion aufweist, offenbart, der einen Verwirbeler (380) mit mehreren radialen Schaufeln (382) umfasst, die längs des Umfangs um eine Achse (111) herum angeordnet und zumindest teilweise in einer radialen Richtung orientiert sind. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist ein einheitlicher Mischer (500) offenbart, der längs des Umfangs benachbarte Schaufel (151), (152) aufweist, die mindestens einen Strömungsdurchgang (154), (156) bilden, der zumindest teilweise in einer axialen Richtung in Bezug auf die Achse (111) orientiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6354072 [0005]
- US 6363726 [0005]
- US 6367262 [0005]
- US 6381964 [0005]
- US 6389815 [0005]
- US 6418726 [0005]
- US 6453660 [0005]
- US 6484489 [0005]
- US 6865889 [0005]
- US 7062920 [0036]
- US 7121095 [0036]
- US 6976363 [0036]

Claims

Verfahren (500) zum Herstellen eines einheitlichen Mischers (100), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bestimmen dreidimensionaler Informationen von dem einheitlichen Mischer (100), der wenigstens einen Verwirbeler (140) aufweist; Umwandeln der dreidimensionalen Informationen in mehrere von Schnitte, die jeweils eine Querschnittsschicht des einheitlichen Mischers (100) definieren; und aufeinanderfolgendes Bilden jeder Schicht des einheitlichen Mischers (100) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Anwendung von Laserenergie.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Bestimmen der dreidimensionalen Informationen von dem einheitlichen Mischer (100) weiter das Bestimmen eines dreidimensionalen Modells des einheitlichen Mischers (100) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das aufeinanderfolgende Bilden jeder Schicht des einheitlichen Mischers (100) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Anwendung von Laserenergie weiter das Schmelzen eines Pulvers umfasst, das mindestens eines von Kobalt-Chrom, HS188 und INCO 625 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das aufeinanderfolgende Bilden jeder Schicht der einheitlichen Komponente durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Anwendung von Laserenergie weiter das Schmelzen eines Metallpulvers umfasst, das eine Teilchengröße zwischen etwa 10 μm und etwa 75 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, worin das aufeinanderfolgende Bilden jeder Schicht der einheitlichen Komponente durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Anwendung von Laserenergie weiter das Schmelzen eines Metallpulvers umfasst, das eine Teilchengröße zwischen etwa 15 μm und etwa 30 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Bestimmen dreidimensionaler Informationen von dem einheitlichen Mischer (100) weiter das Bestimmen eines dreidimensionalen Modells des einheitlichen Mischers (100) umfasst, der eine Mehrzahl von Durchgängen (154) aufweist, die umfangsmäßig um eine Achse (111) herum angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Bestimmen dreidimensionaler Informationen von der einheitlichen Komponente weiter das Bestimmen eines dreidimensionalen Modells des einheitlichen Mischers (100) umfasst, der eine Mehrzahl von Durchgängen (154) aufweist, die umfangsmäßig um eine Achse (111) herum angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Bestimmen dreidimensionaler Informationen von der einheitlichen Komponente weiter das Bestimmen eines dreidimensionalen Modells des einheitlichen Mischers (100) umfasst, der eine Mehrzahl von Schaufeln (142) aufweist, die umfangsmäßig um eine Achse (111) herum angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der einheitliche Mischer (100) ein ringförmiges Gehäuse (120) und einen Verwirbeler (140) umfasst, der eine Mehrzahl von Schaufeln (142) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der einheitliche Mischer (100) ein ringförmiges Gehäuse (120) und mehrere Verwirbeler (140, 160, 180) umfasst, die eine Mehrzahl von Schaufeln (142, 162, 182) aufweisen.
Einheitlicher Mischer (100), umfassend ein ringförmiges Gehäuse (120) und einen Verwirbeler (140, 160), der eine einheitliche Konstruktion aufweist, wobei der einheitliche Mischer (100) unter Anwendung eines Rapid-Herstellungsverfahrens hergestellt ist.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 11, worin das Rapid-Herstellungsverfahren ein Laser-Sinterverfahren ist.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 11, worin das Rapid-Herstellungsverfahren DMLS ist.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 11, worin der Verwirbeler (140) eine Mehrzahl von Schaufeln (142) umfasst, die umfangsmäßig um die Achse (111) herum angeordnet sind.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 11, worin der Verwirbeler (140) eine Mehrzahl von Schaufeln (142) umfasst, die umfangsmäßig derart um die Achse (111) herum angeordnet sind, dass umfangsmäßig benachbarte Schaufeln (151, 152) mindestens einen Strömungsdurchgang (154, 156) bilden, der zumindest teilweise in einer axialen Richtung in Bezug auf die Achse (111) orientiert ist.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 15, worin mindestens ein Strömungsdurchgang (156) in einer Strömungsrichtung (106) konvergiert.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 11, weiter umfassend ein Montagesystem (125) zum Montieren des einheitlichen Mischers in einem Brenner (26).
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 11, worin der Verwirbeler (160) eine Mehrzahl radialer Schaufeln (162) umfasst, die umfangsmäßig um die Achse (111) herum angeordnet sind.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 11, der weiter mehrere Verwirbeler (140, 160, 180) aufweist.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 19, worin weiter die mehreren Verwirbeler (140, 160, 180) mehrere radiale Schaufeln (162, 182) umfassen.
Einheitlicher Mischer (100) umfassend: ein ringförmiges Gehäuse (120), das eine Achse (111) aufweist, und wenigstens einen ersten Verwirbeler (140), der mehrere Schaufeln (142) aufweist, die längs des Umfangs um die Achse (111) derart angeordnet sind, dass in Umfangsrichtung benachbarte Schaufeln (151, 152) wenigstens einen Strömungsdurchgang (154, 156) bilden, der wenigstens teilweise in einer axialen Richtung in Bezug auf die Achse (111) orientiert ist.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 21, worin mindestens ein Strömungsdurchgang (156) in einer Strömungsrichtung (106) konvergiert.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 21, worin mindestens ein Strömungsdurchgang (154) in einer Strömungsrichtung (106) divergiert.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 21, worin mindestens ein Strömungsdurchgang (156) eine im Wesentlichen konstante Weite in einer Strömungsrichtung (106) aufweist.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 21, worin mindestens ein Strömungsdurchgang (156) zumindest teilweise in einer tangentialen Richtung orientiert ist.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 22, worin mindestens ein Strömungsdurchgang (154), der konvergiert, in Umfangsrichtung benachbart zu mindestens einem Strömungsdurchgang (156) liegt, der divergiert.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 22, worin mindestens ein Strömungsdurchgang (154), der konvergiert, in Umfangsrichtung benachbart zu mindestens einem Strömungsdurchgang (156) liegt, der eine im Wesentlichen konstante Weite aufweist.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 21, weiter umfassend ein Montagesystem (125) zum Montieren des einheitlichen Mischers in einem Brenner (26).
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 28, worin das Montagesystem mindestens eine Montagezunge (128) umfasst.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 28, worin das Montagesystem einen Flansch (126) umfasst.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 21, der ferner einen zweiten Verwirbeler (160) aufweist, der axial hinter dem ersten Verwirbeler (140) angeordnet ist.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 31, worin der zweite Verwirbeler (160) eine Mehrzahl radialer Schaufeln (162) umfasst, die umfangsmäßig um die Achse (111) herum angeordnet sind.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 21, der ferner einen zweiten Verwirbeler (160), der axial hinter dem ersten Verwirbeler (140) angeordnet ist, und einen dritten Verwirbeler (180) aufweist, der axial hinter dem zweiten Verwirbeler (160) angeordnet ist.
Einheitlicher Mischer (100) nach Anspruch 33, worin der zweite Verwirbeler (160) eine Mehrzahl radialer Schaufeln (162) umfasst und der dritte Verwirbeler (180) eine Mehrzahl radialer Schaufeln (182) umfasst, die umfangsmäßig um die Achse (111) herum angeordnet sind.
Einheitlicher Mischer (300), umfassend: ein ringförmiges Gehäuse (320), das eine Achse (111) aufweist, und einen Verwirbeler (380), der mehrere radiale Schaufeln (382) aufweist, die längs des Umfangs um die Achse (111) herum derart angeordnet sind, dass in Umfangsrichtung benachbarte Schaufeln (382) wenigstens einen Strömungsdurchgang (396) bilden, der wenigstens teilweise in einer radialen Richtung in Bezug auf die Achse (111) orientiert ist.
Einheitlicher Mischer (300) nach Anspruch 35, worin mindestens ein Strömungsdurchgang (396) zumindest teilweise in einer tangentialen Richtung in Bezug auf die Achse (111) orientiert ist.
Einheitlicher Mischer (300) nach Anspruch 35, worin die radialen Schaufeln (382) im Wesentlichen gleichmäßig in einer Umfangsrichtung um die Achse (111) herum angeordnet sind.
Einheitlicher Mischer (200), umfassend: ein ringförmiges Gehäuse (220), das eine Achse (111) aufweist, und einen ersten Verwirbeler (240), der mehrere radiale Schaufeln (242) aufweist, die längs des Umfangs um die Achse (111) derart angeordnet sind, dass in Umfangsrichtung benachbarte Schaufeln (242) wenigstens einen Strömungsdurchgang (254) bilden, der wenigstens teilweise in einer ersten radialen Richtung in Bezug auf die Achse (111) orientiert ist; einen zweiten Verwirbeler (280), der axial hinter dem ersten Verwirbeler (240) angeordnet ist und mehrere radiale Schaufeln (282) aufweist, die längs des Umfangs um die Achse (111) derart angeordnet sind, dass in Umfangsrichtung benachbarte Schaufeln (282) wenigstens einen Strömungsdurchgang (296) bilden, der wenigstens teilweise in einer zweiten radialen Richtung in Bezug auf die Achse (111) orientiert ist, und einen dritten Verwirbeler (380), der axial hinter dem zweiten Verwirbeler (280) angeordnet ist und mehrere radiale Schaufeln (382) aufweist, die längs des Umfangs um die Achse (111) derart orientiert sind, dass in Umfangsrichtung benachbarte Schaufeln (282) wenigstens einen Strömungsdurchgang (396) bilden, der wenigstens teilweise in einer radialen Richtung in Bezug auf die Achse (111) orientiert ist, die sich von der zweiten radialen Richtung unterscheidet.
Einheitlicher Mischer (200) nach Anspruch 38, worin die Anzahl radialer Schaufeln (242) in dem ersten radialen Verwirbeler (240) und die Anzahl radialer Schaufeln (282) des zweiten radialen Verwirbelers (280) unterschiedlich sind.
Einheitlicher Mischer (200) nach Anspruch 38, worin die Anzahl der radialen Schaufeln (242) in dem ersten radialen Verwirbeler (240), die Anzahl der radialen Schaufeln (282) des zweiten radialen Verwirbelers (280) und die Anzahl der radialen Schaufeln (382) des dritten radialen Verwirbelers (380) verschieden sind.