DE112009000819T5

DE112009000819T5 - Verwirbler und Verfahren zur Herstellung

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Publication number: DE112009000819T5
Application number: DE112009000819T
Authority: DE
Inventors: Marie Ann Ohio McMasters; Michael A. Ohio Benjamin; Alfred Albert Ohio Mancini
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: GB2471234B; US20090255118A1; US20090255116A1; DE112009000820B4; CA2720253A1; GB201016947D0; US20090255102A1; JP2011526976A; GB201016940D0; CA2720263A1; DE112009000821T5; JP5419962B2; DE112009000728T5; US20090256003A1; GB201016946D0; US20090256007A1; US8171734B2; DE112009000819B4; GB201016943D0; CA2720255A1

Abstract

Verwirbler (200), aufweisend: einen Körper (201), der eine Verwirblernabe (205) mit einer Verwirblerachse (11) aufweist; mehrere Leitschaufeln (208), die sich von der Nabe (205) aus erstrecken, wobei die Leitschaufeln (208) in einer Umfangsrichtung um die Verwirblerachse (11) herum angeordnet sind; einen Kranz (240), der koaxial zu der Verwirblerachse (11) angeordnet ist; und eine Wand (260), die sich zwischen einem Abschnitt des Kranzes (240) und einem Abschnitt der Nabe (205) erstreckt, wobei der Verwirbler (200) einen einteiligen Aufbau hat.

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Verwirbler und insbesondere einteilige Verwirbler zum Fördern der Vermischung von Brennstoff und Luft in in Gasturbinentriebwerken eingesetzten Brennstoffdüsen.
Gasturbinen enthalten typischerweise mehrere Brennstoffdüsen, um dem Brenner in dem Triebwerk Brennstoff zuzuführen. Der Brennstoff wird an dem vorderen Ende eines Brenners in einem stark zerstäubten Sprühstrahl aus einer Brennstoffdüse zugeführt. Verdichtete Luft strömt um die Brennstoffdüse herum und vermischt sich mit dem Brennstoff unter Ausbildung eines Brennstoff/Luft-Gemisches, welches durch den Brenner entzündet wird. Aufgrund einer eingeschränkten Verfügbarkeit von Brennstoffdruck und eines breiten Bereiches eines erforderlichen Brennstoffdurchflusses enthalten viele Brennstoffinjektoren Pilot- und Hauptdüsen, wobei nur die Pilotdüsen während des Startvorgangs verwendet werden und beide Düsen während eines Betriebs bei höherer Leistung verwendet werden. Der Zufluss zu den Hauptdüsen wird während eines Start- oder Niederlastbetriebs verringert oder gestoppt. Derartige Injektoren können effizienter und rückstandsfreier brennend als Einzeldüsen-Brennstoffinjektoren sein, da der Brennstofffluss genauer gesteuert werden kann und der Brennstoffstrahl genauer für die spezielle Brenneranforderung gelenkt werden kann. Die Pilot- und Hauptdüsen können in derselben Düsenbaugruppe enthalten sein oder können in getrennten Düsenbaugruppen gelagert sein. Diese Doppeldüsen-Brennstoffinjektoren können auch so aufgebaut sein, dass sie eine weitergehende Steuerung des Brennstoffs für Dual-Brenner ermöglichen, was noch einen größeren Brennstoffwirkungsgrad und eine Verringerung schädlicher Emissionen ermöglicht. Die Temperatur des gezündeten Brennstoff/Luft-Gemisches kann bis zu 1920°C (3500°F) erreichen. Es ist daher wichtig, dass die Brennstoffzuführungsleitungen, Durchflusskanäle und Verteilungssysteme im Wesentlichen leckfrei und vor den Flammen und Hitze geschützt sind.
Verschiedene regierungsamtliche Aufsichtsbehörden haben Emissionsgrenzwerte für zulässige Pegel von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NO_x) vorgegeben, welche als die Hauptbeitragsfaktoren zu der Erzeugung unerwünschter atmosphärischer Zustände erkannt wurden. Daher wurden unterschiedliche Brennerkonstruktionen entwickelt, um diese Kriterien zu erfüllen. Beispielsweise besteht eine Möglichkeit, mit welcher das Problem der Minimierung der Emission von unerwünschten Gasturbinentriebwerks-Verbrennungsprodukten in Angriff genommen wurde, in der Bereitstellung einer gestuften Verbrennung. In dieser Anordnung wird ein Brenner bereitgestellt, in welcher ein Brenner einer ersten Stufe für Niedrigdrehzahl- und Niederleistungsbedingungen verwendet wird, um die Eigenschaft der Verbrennungsprodukte genauer zu steuern. Eine Kombination von Brennern einer ersten Stufe und einer zweiten Stufe wird für Bedingungen höherer Leistungsabgaben bereitgestellt, während gleichzeitig versucht wird, die Verbrennungsprodukte innerhalb der Emissionsgrenzwerte zu halten. Man erkennt, dass ein Abgleichen des Betriebs der Brenner der ersten und zweiten Stufe, um einen effizienten thermischen Betrieb des Triebwerks bei gleichzeitiger Minimierung der Erzeugung von unerwünschten Verbrennungsprodukten zu ermöglichen, schwierig zu erzielen ist.
Diesbezüglich kann ein Betrieb bei niedrigeren Verbrennungstemperaturen, um die Emissionen von NO_x abzusenken, auch zu einer unvollständigen oder teilweise unvollständigen Verbrennung führen, welche zu der Erzeugung von zu hohen Mengen von HC und CO zusätzlich zu der Erzeugung von niedrigerer Ausgangsleistung und niedrigerem thermischen Wirkungsgrad führt. Eine hohe Verbrennungstemperatur führt andererseits, obwohl sie den thermischen Wirkungsgrad verbessert und die Menge an HC und CO senkt, oft zu einem höheren Ausstoß von NO_x. Im Fachgebiet besteht eine der Möglichkeiten, mit welcher die Erzeugung von unerwünschten Verbrennungsproduktkomponenten in Gasturbinentriebwerksbrennern über den Triebwerksbetriebsbereich minimiert wird, in der Verwendung eines gestuften Verbrennungssystems, das primäre und sekundäre Brennstoffeinspritzöffnungen nutzt.
Eine weitere Möglichkeit, die zum Minimieren der Erzeugung dieser unerwünschten Verbrennungsproduktkomponenten vorgeschlagen worden ist, besteht in der Bereitstellung einer effektiveren Vermischung des eingespritzten Brennstoffes und der Verbrennungsluft. Diesbezüglich wurden bereits zahlreiche Verwirbler- und Mischerkonstruktionen über die Jahre hinweg vorgeschlagen, um die Vermischung des Brennstoffes und der Luft zu verbessern. Auf diese Weise erfolgt die Verbrennung gleichmäßig über das gesamte Gemisch hinweg und verringert die Pegel von HC und CO, die sich aus einer unvollständigen Verbrennung ergeben. Es besteht jedoch immer noch ein Bedarf zur Minimierung der Erzeugung von unerwünschten Verbrennungsprodukten über einen breiten Bereich von Triebwerksbetriebsbedingungen. Eine bessere Vermischung von Brennstoff und Luft in Brennstoffdüsen unter Verwendung von zur Förderung einer solchen Vermischung ausgelegten Verwirblern ist bei der Verringerung unerwünschter Verbrennungsemissionen nützlich.
Mit der Zeit kann eine fortgesetzte Aussetzung an hohe Temperaturen während des Turbinentriebwerkbetriebs thermische Belastungen in den Leitungen und Brennstoffdüsen induzieren, welche die Leitungen und die Brennstoffdüsen beschädigen und nachteilig deren Betrieb beeinflussen können. Beispielsweise können thermische Belastungen Brennstoffdurchflussverringerungen in den Leitungen bewirken und können zu einer übermäßigen Brennstofffehlverteilung in dem Turbinentriebwerk führen. Die Aussetzung von durch die Leitungen und Öffnungen in einer Brennstoffdüse strömenden Brennstoffs an hohe Temperaturen kann zur Verkokung des Brennstoffs führen und kann zu Blockade und ungleichmäßigem Durchfluss führen. Um niedrige Emissionen zu erzeugen, benötigen moderne Brennstoffdüsen zahlreiche komplizierte interne Luft- und Brennstoffkreise, um mehrere getrennte Flammenzonen zu erzeugen. Brennstoffkreise können Hitzeschilde gegen die Innenluft erfordern, um eine Verkokung zu verhindern, und bestimmte Spitzenbereiche müssen gekühlt und gegenüber Verbrennungsgasen abgeschirmt werden. Ferner kann mit der Zeit ein fortgesetzter Betrieb mit beschädigten Brennstoffdüsen zu einem verringerten Turbinenwirkungsgrad, Turbinenkomponentenverschleiß und/oder verringerter Triebwerksabgastemperaturreserve führen.
Eine Verbesserung des Lebensdauerzyklusses von in dem Turbinentriebwerk eingebauten Brennstoffdüsen kann die Lebensdauer der Turbine verlängern. Bekannte Brennstoffdüsen enthalten ein Zuführungssystem, ein Mischsystem und ein Halterungssystem. Das Leitungen für den Transport von Fluiden aufweisende Zuführungssystem liefert Brennstoff zu dem Turbinentriebwerk und wird in dem Turbinentriebwerk durch das Halterungssystem gehalten und abgeschirmt. Insbesondere umgeben bekannte Halterungssysteme das Zuführungssystem und sind als solche höheren Temperaturen ausgesetzt und haben höhere Betriebstemperaturen als die Zuführungssysteme, welche von durch die Brennstoffdüse strömendem Fluid gekühlt werden. Es kann möglich sein, die thermischen Belastungen in den Leitungen und Brennstoffdüsen durch Konfiguration ihrer äußeren und inneren Konturen und Dicken zu reduzieren.
Luft/Brennstoff-Mischer haben Verwirblerbaugruppen, die die durch diese hindurchströmende Luft verwirbeln, um die Vermischung von Luft mit Brennstoff vor der Verbrennung zu fördern. Die in den Brennern verwendeten Verwirblerbaugruppen können komplexe Strukturen mit axialen, radialen oder konischen Verwirblern oder einer Kombination von diesen haben. In der Vergangenheit wurden herkömmliche Fertigungsverfahren zum Herstellen von Mischern mit Verwirblerkomponenten genutzt, die unter Anwendung bekannter Verfahren zum Erzeugen der Verwirblerbaugruppen zusammengebaut oder verbunden wurden. Beispielsweise werden in einigen Mischern mit komplexen Leitschaufeln einzelne Leitschaufel zuerst maschinell bearbeitet und dann in eine Baugruppe mittels Hartlötung eingebaut. Modellausschmelzverfahren wurden in der Vergangenheit zur Herstellung einiger Brennkammerverwirbler benutzt. Weitere Verwirbler wurden aus Rohmaterial gearbeitet. Elektroerosionsbearbeitung (EDM) wurde als ein Mittel zur Bearbeitung der Leitschaufeln in herkömmlichen Verwirblern eingesetzt.
Herkömmliche Gasturbinenkomponenten, wie z. B. Brennstoffdüsen und deren zugeordnete Verwirbler, Leitungen und Verteilungssysteme, sind im Allgemeinen teuer herzustellen und/oder zu reparieren, da die herkömmlichen Brennstoffdüsenkonstruktionen mit komplexen Verwirblern, Leitungen und Verteilungskreisen für den Transport, die Verteilung und Vermischung von Brennstoff mit Luft einen komplexen Zusammenbau und eine Verbindung von mehr als 30 Komponenten umfassen. Insbesondere kann die Verwendung von Hartlötverbindungen die Zeit verlängern, die zum Herstellen derartiger Komponenten benötigt wird, und kann auch den Fertigungsprozess aus einem von mehreren Gründen verkomplizieren, welche umfassen: die Notwendigkeit eines ausreichenden Bereiches, um die Aufbringung einer Hartlötlegierung zu ermöglichen; die Notwendigkeit der Minimierung eines unerwünschten Hartlötlegierungsflusses; die Notwendigkeit einer ausreichenden Inspektionstechnik zum Verifizieren der Hartlötungsqualität; und die Notwendigkeit der Verfügbarkeit verschiedener Hartlötungslegierungen, um das Wiederaufschmelzen von vorausgehenden Hartlötverbindungen zu verhindern. Ferner können zahlreiche Hartlötverbindungen zu mehreren Hartlötdurchläufen führen, welche das Ausgangsmaterial der Komponente schwächen können. Das Vorhandensein zahlreicher Hartlötverbindungen kann das Gewicht und die Fertigungskosten der Komponente unerwünscht erhöhen.
Demzufolge wäre es wünschenswert, über Verwirbler mit komplexen Geometrien zum Vermischen von flüssigem Brennstoff und Luft in Brennstoffdüsen zu verfügen, die einen einteiligen Aufbau zum Verringern unerwünschter Effekte aus der vorstehend beschriebenen thermischen Aussetzung haben. Es ist wünschenswert, über Verwirbler mit komplexen Geometrien mit einer einteiligen Konstruktion zu verfügen, um die Kosten zu reduzieren und den Zusammenbau zu vereinfachen sowie einen Schutz vor schädlicher thermischer Umgebung bereitzustellen. Es ist wünschenswert, über ein Fertigungsverfahren zum Erzeugen eines einteiligen Aufbaus für einteilige Verwirbler mit komplexen dreidimensionalen Geometrien für den Transport von Luft, wie beispielsweise für Verwirblersysteme in Brennstoffdüsen zu verfügen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die vorgenannte(n) Anforderung oder Anforderungen kann/können durch exemplarische Ausführungsformen erfüllt werden, welche einen einteiligen Verwirbler bereitstellen, der einen Körper mit einer Verwirblerachse und mehrere in einer Umfangsrichtung rings um die Verwirblerachse angeordnete Leitschaufeln aufweist, wobei der Verwirbler einen einteiligen Aufbau hat. In einer weiteren Ausführungsform hat ein einteiliger Verwirbler einen koaxial zu der Verwirblerachse angeordneten Kranz und eine Wand, die sich zwischen einem Abschnitt des Kranzes und einem Abschnitt der Nabe erstreckt. In einer weiteren Ausführungsform hat ein einteiliger Verwirbler einen Adapter mit einem Kanal, der dafür konfiguriert ist, einen Luftstrom auf wenigsten einige von den mehreren Leitschaufeln zu lenken. In einer weiteren Ausführungsform hat ein einteiliger Verwirbler wenigstens eine Leitschaufel mit einer Geometrie, die sich von der einer anderen Leitschaufel unterscheidet. In einer weiteren Ausführungsform hat ein einteiliger Verwirbler einen Körper mit einem wenigstens teilweise in dem Körper angeordneten Isolationsspalt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Fertigen eines einteiligen Verwirblers offenbart, wobei das Verfahren die Schritte der Ermittlung einer dreidimensionalen Information von dem einteiligen Verwirbler, der mehrere in einer Umfangsrichtung auf einem Körper um eine Verwirblerachse angeordnete Leitschaufeln und eine sich zwischen einem Kranz und einem Abschnitt des Körpers erstreckende Wand aufweist, der Umwandlung der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte bzw. Scheiben, die jeweils eine Querschnittsschicht des einteiligen Verwirblers definieren, und der aufeinanderfolgenden Erzeugung jeder Schicht des einteiligen Verwirblers durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Verwendung von Laserenergie aufweist. Es sind exemplarische Ausführungsformen offenbart, die einen mittels eines Schnell-Fertigungsprozesses (Rapid-Manufacturing-Prozesses) gefertigten einteiligen Verwirbler zeigen. In einem Aspekt der Erfindung ist der Schnell-Fertigungsprozess ein Laser-Sinterungs prozess.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Der als die Erfindung betrachtete Erfindungsgegenstand wird insbesondere in anschließendem Teil der Offenbarung besonders dargestellt und eindeutig beansprucht. Die Erfindung wird jedoch am besten unter Bezugnahme auf die nachstehende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden, in welchen:
1 eine schematische Ansicht eines Turbobläser-Gasturbinentriebwerks mit hohem Nebenstromverhältnis ist, das eine exemplarische Brennstoffdüse mit einem Verwirbler gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
2 eine isometrische Ansicht einer exemplarischen Brennstoffdüse mit einem Verwirbler gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
3 eine axiale Querschnittsansicht einer exemplarischen Düsenspitzenbaugruppe der in 2 dargestellten exemplarischen Brennstoffdüse ist.
4 eine isometrische Ansicht eines Verwirblers gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist.
5 eine ebene Draufsicht auf den in 4 dargestellten exemplarischen Verwirbler mit einem weggeschnittenen Abschnitt ist.
6 eine weitere isometrische Ansicht des in 4 dargestellten exemplarischen Verwirblers ist.
7 eine isometrische Ansicht eines Verwirblers gemäß einer alternativen exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem weggeschnittenen Abschnitt des Verwirblers ist.
8 eine ebene Draufsicht auf den in 7 dargestellten alternativen exemplarischen Verwirbler mit einem weggeschnittenen Abschnitt ist.
9 eine isometrische Ansicht eines Verwirblers gemäß einer weiteren alternativen exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem weggeschnittenen Abschnitt des Verwirblers ist.
10 eine ebene Draufsicht auf den in 9 dargestellten alternativen exemplarischen Verwirbler mit einem weggeschnittenen Abschnitt ist.
11 eine axiale Querschnittsansicht einer weiteren alternativen exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eines Verwirblers ist, der in Verbindung mit einer benachbarten Komponente dargestellt ist.
12 eine axiale Querschnittsansicht einer weiteren alternativen exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eines Verwirblers ist, der in Verbindung mit einer benachbarten Komponente dargestellt ist.
13 ein Flussdiagramm ist, das eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines einteiligen Verwirblers darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen identische Bezugszeichen dieselben Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten bezeichnen, stellt 1 eine schematische Form eines exemplarischen Gasturbinentriebwerks 10 (des Typs mit hohem Nebenstromverhältnis) dar, das eine exemplarische Brennstoffdüse 100 mit einer exemplarischen Ausführungsform eines Verwirblers (wie z. B. den hierin in den Figuren dargestellten und beschriebenen Elementen 200, 300, 400) enthält, die zum Fördern der Vermischung von Luft mit dem Brennstoff in der Brennstoffdüse 100 verwendet werden. Das exemplarische Gasturbinentriebwerk 10 hat eine dadurch verlaufende axiale Mittellinienachse 12 für Bezugszwecke. Das Triebwerk 10 enthält bevorzugt ein Gasturbinen-Kerntriebwerk, das insgesamt mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet ist und einen stromaufwärts davon angeordneten Bläserabschnitt 16. Das Kerntriebwerk 14 enthält typischerweise ein rohrförmiges Außengehäuse 18, das einen ringförmigen Einlass 20 definiert. Das Außengehäuse 18 umschließt und lagert ferner einen Booster-Verdichter 22, um den Druck der Luft, die in das Kerntriebwerk eintritt, auf einen ersten Pegel zu erhöhen. Ein mehrstufiger Hochdruck-Axialverdichter 24 nimmt die unter Druck stehende Luft aus dem Booster 22 auf und erhöht den Druck der Luft weiter. Die unter Druck stehende Luft strömt zu einem Brenner 26, in welchem Brennstoff in den unter Druck stehenden Luftstrom eingespritzt und entzündet wird, um die Temperatur und das Energieniveau der unter Druck stehenden Luft zu erhöhen. Die Hochenergie-Verbrennungsprodukte strömen aus dem Brenner 26 zu einer ersten (Hochdruck-)Turbine 28, um den Hochdruckverdichter 24 über eine erste (Hochdruck-)Antriebswelle 30 anzutreiben, und dann zu einer zweiten (Niederdruck-)Turbine 32 zum Antreiben des Boosters 22 und des Bläserabschnittes 16 über eine zweite (Niederdruck-)Antriebswelle 34, die koaxial zu der ersten Antriebswelle 30 verläuft. Nach dem Antreiben beider Turbinen 28 und 32 verlassen die Verbrennungsprodukte das Kerntriebwerk 14 durch eine Auslassdüse 36, um wenigstens einen Teil des Strahlvortriebsschubs des Triebwerks 10 zu erzeugen.
Der Bläserabschnitt 16 enthält einen drehbaren Axialbläserrotor 38, der von einem ringförmigen Bläsergehäuse 40 umgeben ist. Man erkennt, dass das Bläsergehäuse 40 von dem Kerntriebwerk 14 über mehrere sich im Wesentlichen radial erstreckende, in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Auslassleitschaufeln 42 gehalten wird. Auf diese Weise umschließt das Bläsergehäuse 40 den Bläserrotor 38 und die Bläserrotorlaufschaufeln 44. Ein stromabwärts befindlicher Abschnitt 46 des Bläsergehäuses 40 erstreckt sich über einen Außenbereich des Kerntriebwerks 14, um einen sekundären oder Nebenstromluftkanal 48 zu definieren, der einen zusätzlichen Strahlvortriebsschub erzeugt.
Von einem Durchflussstandpunkt aus erkennt man, dass ein durch einen Pfeil 50 repräsentierter Anfangsluftstrom in das Gasturbinentriebwerk 10 durch einen Einlass 52 zu dem Bläsergehäuse 40 eintritt. Der Luftstrom 50 passiert die Bläserlaufschaufeln 44 und teilt sich in einen (durch einen Pfeil 54 dargestellten) ersten verdichteten Luftstrom, der sich durch einen Strömungskanal 48 bewegt, und in einen zweiten (durch einen Pfeil 56 dargestellten) verdichteten Luftstrom auf, welcher in den Booster 22 eintritt.
Der Druck des zweiten verdichteten Luftstroms 56 wird erhöht, und dieser tritt gemäß Darstellung durch den Pfeil 58 in den Hochdruckverdichter 24 ein. Nach Vermischung mit Brennstoff und Verbrennung in dem Brenner 26 verlassen Verbrennungsprodukte 60 den Brenner 26 und strömen durch die erste Turbine 28. Die Verbrennungsprodukte 60 strömen dann durch die zweite Turbine 32 und verlassen die Auslassdüse 36, um wenigstens einen Teil des Vorschubs für das Gasturbinentriebwerk 10 zu erzeugen.
Der Brenner 26 enthält eine ringförmige Brennkammer 62, die koaxial zu der Längsachse 12 verläuft, sowie einen Einlass 64 und einen Auslass 66. Wie vorstehend angemerkt, empfängt der Brenner 26 einen ringförmigen Strom von unter Druck stehender Luft aus einem Hochdruckverdichterausgabeauslass 69. Ein Teil dieser in den Figuren hierin mit dem Bezugszeichen 190 bezeichneten Verdichterausgabeluft (”CDP”-Luft) strömt in einen (nicht dargestellten) Mischer. Brennstoff wird von einer Brennstoffdüsenspitzenbaugruppe eingespritzt, um sich mit der Luft zu mischen und ein Brennstoff/Luft-Gemisch zu erzeugen, das der Brennkammer 62 zur Verbrennung zugeführt wird. Die Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisches wird durch eine geeignete Zündvorrichtung erreicht, und die sich ergebenden Verbrennungsgase 60 strömen in einer axialen Richtung zu einem und in einen ringförmigen Turbinenleitapparat 72 der ersten Stufe. Der Leitapparat 72 ist durch einen ringförmigen Strömungskanal definiert, der mehrere sich radial erstreckende in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Leitapparat-Leitschaufeln 74 enthält, die die Gase so ablenken, dass diese unter einem Winkel strömen und auf die Turbinenlaufschaufeln der ersten Stufe der ersten Turbine 28 auftreffen. Gemäß Darstellung in 1 dreht die erste Turbine 28 bevorzugt den Hochdruckverdichter 24 über die erste Antriebswelle 30. Die Niederdruckturbine 32 treibt bevorzugt den Booster 24 und den Bläserrotor 38 über die zweite Antriebswelle 34 an.
Die Brennkammer 62 ist in dem Triebwerksaußengehäuse 18 untergebracht. Brennstoff wird in die Brennkammer durch Brennstoffdüsen 100, wie z. B. die in den 2 und 3 dargestellten, eingebracht. Flüssiger Brennstoff wird durch Leitungen in einem Schaft 103, wie z. B. dem in 3 dargestellten, zu der Brennstoffdüsenspitzenbaugruppe 68 transportiert. Leitungen, die einen einteiligen Aufbau haben, können zum Transportieren des flüssigen Brennstoffes in die Brennstoffdüsenspitzenbaugruppe 68 der Brennstoffdüsen 100 verwendet werden. Die Brennstoffzuführungsleitungen können sich in dem Schaft 103 befinden und mit einer Brennstoffverteilerspitze 180 verbunden sein. Pilotbrennstoff und Hauptbrennstoff werden in den Brenner 26 durch Brennstoffdüsenspitzenbaugruppen 68, wie z. B. die in den 2 und 3 dargestellten, eingespritzt. Während des Betriebs des Turbinentriebwerks wird zu Beginn Pilotbrennstoff durch einen Pilotbrennstoff-Durchflusskanal, wie z. B. den als Elemente 102, 104 in 3 dargestellten, während vorbestimmter Triebwerksbetriebsbedingungen, wie z. B. während des Starts und bei Leerlaufbetrieb, zugeführt. Der Pilotbrennstoff wird aus der Brennstoffverteilerspitze 180 durch den Pilotbrennstoffauslass 162 ausgegeben. Wenn zusätzliche Leistung angefordert wird, wird Hauptbrennstoff durch Hauptbrennstoff-Verbindungskanäle 105 (siehe 3) zugeführt, und der Hauptbrennstoff wird unter Verwendung der Hauptbrennstoffauslässe 165 eingesprüht.
4–6 stellen eine exemplarische Ausführungsform eines einteiligen Verwirblers 200 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. 2 und 3 stellen eine exemplarische Ausführungsform einer Brennstoffdüse 100 und einer Brennstoffdüsenspitze 68 mit dem exemplarischen einteiligen Verwirbler 200 dar. 7–10 stellen alternative exemplarische Ausführungsformen einteiliger Verwirbler 300, 400 dar. Der Begriff ”einteilig” wird in dieser Anmeldung dazu benutzt um anzuzeigen, dass die zugeordnete Komponente, wie z. B. die hierin beschriebenen Verwirbler 200, 300, 400, während der Fertigung als ein Einzelstück hergestellt wird. Somit hat eine einteilige Komponente einen monolithischen Aufbau der Komponente. 4 stellt eine isometrische Ansicht eines einteiligen Verwirblers 200 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der in 4 dargestellte exemplarische Verwirbler 200 enthält eine Umfangsanordnung von Leitschaufeln 200, die der hindurchtretenden Luft eine Verwirbelungsbewegung verleihen. Der in 4 dargestellte exemplarische Verwirbler 200 kann einen einteiligen Aufbau haben, der unter Anwendung der hierin nachstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wird.
Bezugnehmend auf die 2 und 3 erstreckt sich die Brennstoffverteilerspitze 180 so von dem Schaft 103, dass die Hauptbrennstoff-Verbindungskanäle 105 und die Pilotbrennstoff-Verbindungskanäle 102, 104 in dem einteiligen Verteilerring 171 mit in dem Schaft 103 enthaltenen entsprechenden Brennstoffzuführungsleitungen in Strömungsverbindung verbunden sind. Die Hauptbrennstoff-Verbindungskanäle 105 sind mit in dem einteiligen Verteilerring 171 definierten Brennstoffkreisen in Strömungsverbindung verbunden. Der primäre Pilotverbindungskanal 102 und der sekundäre Pilotverbindungskanal 104 sind in Strömungsverbindung mit entsprechenden Pilotinjektoren verbunden, die radial innen in einer Brennstoffdüse (siehe 3) positioniert sind. Es wird für Fachleute ersichtlich sein, dass es, obwohl der Verteilerring 171 hier vorstehend als eine einteilige Leitung (d. h., mit einem einteiligen Aufbau) beschrieben wurde, möglich ist, einen Verteilerring 171 mit anderen geeigneten Herstellungskonstrukten unter Verwendung im Fachgebiet bekannter Verfahren zu verwenden. Der einteilige Verteilerring 171 ist an dem Schaft 103 unter Anwendung herkömmlicher Befestigungsmittel, wie z. B. durch Hartlöten, befestigt. Alternativ können der einteilige Verteilerring 171 und der Schaft 103 mittels Schnell-Fertigungsverfahren (Rapid-Herstellungsverfahren), wie z. B. direktes Laser-Metallsintern, wie hierin beschrieben, hergestellt werden.
3 stellt einen axialen Querschnitt einer exemplarischen Brennstoffdüsenspitze 68 dar, die eine exemplarische Ausführungsform eines einteiligen Verwirblers 200 gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Die in 3 dargestellte axiale Brennstoffdüsenspitze 68 hat zwei hierin als primärer Pilot-Durchflusskanal 102 und sekundärer Pilot-Durchflusskanal 104 bezeichnete Pilotbrennstoff-Durchflusskanäle. Bezugnehmend auf 3 verlässt der Brennstoff aus dem primären Pilot-Durchflusskanal 102 die Brennstoffdüse durch einen primären Pilotbrennstoffinjektor 163, und der Brennstoff aus dem sekundären Pilot-Durchflusskanal 104 verlässt die Brennstoffdüse durch einen sekundären Pilotbrennstoffinjektor 167. Der primäre Pilot-Durchflusskanal 102 in dem Verteilerring 171 steht mit einem entsprechenden primären Pilotkanal in der in dem Schaft 103 (siehe 2) enthaltenen Zuführungsleitung in Strömungsverbindung. Ebenso steht der sekundäre Pilot-Durchflusskanal 104 in dem Verteilerring 171 mit einem entsprechenden sekundären Pilotkanal in der in dem Schaft 103 enthaltenen Zuführungsleitung in Strömungsverbindung.
Wie vorstehend beschrieben, sind Brennstoffdüsen, wie z. B. die in Gasturbinentriebwerken eingesetzten, hohen Temperaturen ausgesetzt. Eine derartige Aussetzung an hohe Temperaturen kann in einigen Fällen zu Brennstoffverkokung und Blockade in den Brennstoffkanälen, wie z. B. in dem Austrittskanal 164, führen. Eine Möglichkeit, die Brennstoffverkokung und/oder Blockade in dem Verteilerring 171 abzuschwächen, besteht in der Verwendung von Hitzeschildern, um die Kanäle (wie z. B. die in 3 dargestellten Elemente 102, 104, 105) vor der nachteiligen thermischen Umgebung zu schützen. In der in 3 dargestellten exemplarischen Ausführungsform werden die Brennstoffleitungen 102, 104, 105 durch Spalte 116 und Hitzeschilde geschützt, die wenigstens teilweise diese Leitungen umgeben. Der Spalt 116 bietet einen Schutz für die Brennstoffkanäle durch Schaffung einer Isolation gegenüber der schädlichen thermischen Umgebung. In der dargestellten exemplarischen Ausführungsform haben die Isolationsspalte 116 Breiten zwischen etwa 0,38 mm (0,015 Inches) und 0,64 mm (0,025 Inches). Die Hitzeschilde können aus jedem geeigneten Material mit der Fähigkeit, hoher Temperatur zu widerstehen, wie z. B. auf Kobalt basierenden Legierungen und auf Nickel basierenden Legierungen, die üblicherweise in Gasturbinentriebwerken verwendet werden, hergestellt sein. In der in 3 dargestellten exemplarischen Ausführungsform hat der Verteilerring 171 einen einteiligen Aufbau, wobei der Verteilerring 171, die Durchflusskanäle 102, 104, 105 und die Brennstoffauslässe 165, die Hitzeschilde und die Spalte 116 so ausgebildet sind, dass sie einen monolithischen Aufbau haben.
4 stellt eine isometrische Ansicht eines Verwirblers 200 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der exemplarische Verwirbler 200 weist einen Körper 201 mit einer Nabe 205 auf, die sich in Umfangsrichtung um eine Verwirblerachse 18 erstreckt. Eine Reihe von sich aus der Nabe 205 erstreckenden Leitschaufeln 208 sind in einer Umfangsrichtung auf der Nabe 205 um die Verwirblerachse 11 herum angeordnet. Jede Leitschaufel 208 hat einen Fußabschnitt 210, der sich radial in der Nähe der Nabe 205 befindet, und einen Spitzenabschnitt 220, der sich radial außerhalb der Nabe 205 befindet. Jede Leitschaufel 208 hat eine Vorderkante 212 und eine Hinterkante 214, die sich zwischen dem Fußabschnitt 210 und dem Spitzenabschnitt 220 erstrecken. Die Leitschaufeln 208 haben eine geeignete Form, wie z. B. eine Tragflügelform, zwischen der Vorderkante 212 und der Hinterkante 214. Benachbarte Leitschaufeln bilden einen Durchflusskanal für das Durchleiten von Luft, wie z. B. der als Element 190 in 4 dargestellten CDP-Luft, die in den Verwirbler 200 eintritt. Die Leitschaufeln 208 können sowohl radial als auch axial in Bezug auf die Verwirblerachse 11 geneigt sein, um der ankommenden Luft 190, die in den Verwirbler 200 eintritt, eine Rotationsbewegungskomponente zu verleihen. Diese geneigten Verwirblerleitschaufeln 208 bewirken, dass die Luft 190 in einer im Wesentlichen spiralförmigen Weise in der Brennstoffdüsenspitzenbaugruppe 68 herumwirbelt. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat die Leitschaufel 208 eine Ausrundung bzw. einen Übergang 226, die bzw. der sich zwischen dem Fußabschnitt 210 und der Nabe 205 erstreckt. Zusätzlich dazu, eine Reduzierung von Spannungskonzentrationen in dem Fußabschnitt 210 zu ermöglichen, ermöglicht der Übergang 226 auch eine sanfte Luftströmung in dem Nabenbereich des Verwirblers. Der Übergang 226 hat eine glatte Konturform 227, die dafür ausgelegt ist, die sanfte Luftströmung in dem Verwirbler zu begünstigen. Die Konturformen und Ausrichtungen für eine spezielle Leitschaufel 208 sind unter Anwendung bekannter Fluidströmungsanalyseverfahren ausgelegt. In den in den 3–11 hierin dargestellten exemplarischen Ausführungsformen haben die Leitschaufeln 208 eine freitragende Lagerungsart, wobei sie an ihrem Fußabschnitt 210 auf der Nabe 205 strukturell gehaltert ist, während der Leitschaufelspitzenabschnitt 210 im Wesentlichen frei ist. Es ist in einigen alternativen Verwirblerkonstruktionen auch möglich, für wenigstens einige von den Leitschaufeln 208 einen zusätzlichen strukturellen Halt an deren Spitzenbereichen 210 vorzusehen, wie es beispielsweise in 12 dargestellt ist, die eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Aussparung 222 an dem Spitzenabschnitt 220 einer Leitschaufel 228 vorgesehen, wie es beispielsweise in den 4 und 5 dargestellt ist. Die Aussparung 222 steht mit benachbarten Komponenten in einer Brennstoffdüse 100 in Eingriff, um diese axial auszurichten, wie es beispielsweise in den 3, 11 und 12 dargestellt ist. In der in den 4 und 5 dargestellten exemplarischen Ausführungsform weist die Aussparung 222 eine Stufe mit einer stufenförmigen Änderung des Radius in dem Leitschaufelspitzenabschnitt 222 auf. Es ist für den Fachleute ersichtlich, dass es möglich ist, andere Stellen auf der Leitschaufel 208 oder andere geometrische Konfigurationen für die Aussparung 222 zu haben.
Der in den 3–5 dargestellte exemplarische Verwirbler 200 weist einen Adapter 250 auf, der sich axial hinter der Umfangsreihe von Leitschaufeln 208 befindet. Der Adapter 250 weist eine gebogene Wand 256 (siehe 6) auf, die einen Durchflusskanal 254 zur Führung eines Luftstroms 190, wie z. B. des CDP-Luftstroms, formt, der aus einem Verdichteraustritt in einem Turbobläsertriebwerk 10 (siehe 1) kommt. Die ankommende Luft 190 tritt in den Kanal 254 in dem Adapter 250 ein und strömt axial vorwärts zu der Reihe der Leitschaufeln 208 des Verwirblers 200. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erstreckt sich ein Abschnitt 203 des Verwirblerkörpers 201 von der Nabe 205 nach axial hinten und bildet einen Abschnitt des Adapters 250. In der in 6 dargestellten exemplarischen Ausführungsform bildet der sich axial nach hinten erstreckende Abschnitt 203 des Körpers 201 einen Abschnitt der gebogenen Wand 256 des Adapters 250. Der Adapter 250 dient auch als eine Einrichtung zur Montage des Verwirblers 200 in einer Baugruppe, wie z. B. einer Brennstoffdüsenbaugruppe 68, wie in 3 dargestellt. In der in 6 dargestellten exemplarischen Ausführungsform weist der Adapter 250 eine gekrümmte Nut 252 zur Aufnahme eines (nicht dargestellten) Hartlötmaterials auf, das dafür verwendet wird, den Adapter 250 an einer weiteren Struktur, wie z. B. einem Brennstoffdüsenschaft 103 gemäß Darstellung in 2, zu befestigen. Wie man deutlich in 6 sehen kann, hat die Nut 252 in der gebogenen Wand 256 eine komplexe dreidimensionale Geometrie, die unter Anwendung herkömmlicher Bearbeitungsverfahren schwer zu formen ist. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Nut 252 in der gebogenen Wand 256 mit ihrer komplexen dreidimensionalen Geometrie, wie in den 4–10 veranschaulicht, integriert zum Erhalt eines einteiligen Aufbaus unter Anwendung der nachstehend beschriebenen Fertigungsverfahren ausgebildet.
Der in den 3–5 dargestellte exemplarische Verwirbler 200 weist einen ringförmigen Kranz 240 auf, der koaxial zu der Verwirblerachse 11 verläuft und radial außerhalb von der Nabe 205 angeordnet ist. Wie in den 3, 11 und 12 zu sehen ist, steht der Kranz 240 mit angrenzenden Komponenten in der Brennstoffdüse 100 in Eingriff und bildet einen Abschnitt des Durchflusskanals für die in dem Verwirbler 200 strömende Luft 190. Der Luftstrom 190 tritt in den hinteren Abschnitt des Verwirblers 200 in axialer Vorwärtsrichtung ein und wird durch die Nabe 205 und den Kranz 240 zu den Leitschaufeln 208 geleitet. In der in den 4–6 dargestellten exemplarischen Ausführungsform tritt der Luftstrom 190, wie z. B. aus einem Verdichteraustritt, in den Kanal 254 in dem Adapter 250 ein. Wie es am besten in den 5 und 6 zu sehen ist, ist das axial vordere Ende der gebogenen Wand 256 des Adapters 250 in einem Stück an dem Kranz 240 und dem Körper 201 befestigt. In einer bevorzugten Ausführungsform haben der Adapter 250, der Kranz 240, der Körper 201, die Nabe 205 und die Leitschaufeln 208 unter Anwendung der hierin beschriebenen Fertigungsverfahren einen einteiligen Aufbau. Alternativ kann der Adapter 250 getrennt gefertigt und an dem Kranz 240 und dem Körper 201 unter Anwendung herkömmlicher Befestigungsmittel befestigt werden.
Bezugnehmend auf 4 erstreckt sich eine Wand 260 zwischen einem Abschnitt des Kranzes 240 und einem Abschnitt der Nabe 205 des Körpers 201. Die Wand 260 erzeugt wenigstens einen Teil der tragenden Unterstützung zwischen dem Kranz 240 und der Nabe 205 des Verwirblers. Die Wand 260 stellt auch sicher, dass von dem Kanal 254 des Adapters 250 in dem vorderen Abschnitt des Verwirblers ankommende Luft nicht in die axiale Rückwärtsrichtung strömt, und lässt den Strom 190 weiter axial vorwärts auf die Leitschaufeln 208 zu strömen. In der in 5 dargestellten exemplarischen Ausführungsform ist die Vorderseite 262 der Wand 260 in Bezug auf eine zu der Verwirblerachse 11 rechtwinklige Ebene im Wesentlichen eben. Um einen sanften Durchfluss der Luft zu begünstigen, sind die Ränder der Wand 260 (siehe 4 und 5) glatt geformt, um eine abrupte Strömungstrennung an scharfen Kanten zu vermeiden.
Es ist in Brenner- und Brennstoffdüsenanwendungen üblich, dass die Verdichteraustrittsluft 190 (siehe 3 und 4), die in die Brenner- und Brennstoffdüsenbereiche kommt, mit Temperaturen über 427°C (800°F) sehr heiß ist. Eine derartig hohe Temperatur kann eine Verkokung oder ein anderes thermisch induziertes Problem für einige der internen Komponenten von Brennstoffdüsen 100, wie z. B. für die Brennstoffdurchflusskanäle 102, 104 und den Verwirbler 200, bewirken. Die hohe Temperatur der Luft 190 kann auch die internen Hartlötverbindungen, wie z. B. zwischen dem Brennstoffinjektor 163 und dem Verteilerring 171 (siehe 3), schwächen. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind Isolationsspalte 216 in dem Körper 201 des Verwirblers 200 vorgesehen, um die Übertragung von Wärme aus der in dem Verwirbler 100 strömenden Luft und anderen internen Komponenten, wie z. B. den primären Brennstoffinjektoren 163 oder sekundären Brennstoffinjektoren 167, vorgesehen. Die Isolationsspalte, wie z. B. die Elemente 216, tragen zum Verringern der Temperatur an den Hartlötverbindungen in einer Brennstoffdüse während des Triebwerkbetriebs bei. Der Isolationsspalt 216 kann gemäß Darstellung in den 3, 11 und 12 ringförmig sein. Andere geeignete Konfigurationen auf der Basis einer bekannten Wärmeübertragungsanalyse können ebenfalls verwendet werden. In der in 3 dargestellten exemplarischen Ausführungsform ist der Isolationsspalt ringförmig und erstreckt sich wenigstens teilweise in dem Verwirblerkörper 201 und hat eine radiale Spaltbreite zwischen etwa 0,38 mm (0,015 Inches) und 0,64 mm (0,025 Inches). In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Isolationsspalt in dem Verwirblerkörper 201 zum Erhalt eines einteiligen Aufbaus unter Anwendung der hierin nachstehend beschriebenen Fertigungsverfahren integriert ausgebildet sein. Die integriert ausgebildeten Hartlötnuten, wie die hierin beschriebenen, können komplexe Konturen haben und den Einbau (nicht dargestellter) vorgeformter Hartlötringe ermöglichen, um einen leichten Zusammenbau zu fördern.
Bezugnehmend auf die 4 und 6 ist es für Fachleute ersichtlich, dass der aus dem Adapterkanal 254 eintretende Luftstrom 190 in der Umfangsrichtung ungleichmäßig ist, wenn er in die Leitschaufeln 208 eintritt. Diese Ungleichmäßigkeit wird noch weiter durch das Vorhandensein der Wand 260 verstärkt. In herkömmlichen Verwirblern kann eine derartige Ungleichmäßigkeit der Strömung Ungleichmäßigkeiten in der Vermischung von Brennstoff und Luft bewirken und zu ungleichmäßigen Verbrennungstemperaturen führen. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eines Verwirblers 200 können die nachteiligen Effekte eines in Umfangsrichtung ungleichmäßigen Strömungseintrittes durch Vorsehen von Verwirblerleitschaufeln 208 mit Geometrien minimiert werden, die sich von denen in Umfangsrichtung benachbarter Leitschaufeln unterscheiden. Speziell angepasste Geometrien von Verwirblerleitschaufeln 208 können für jede Umfangsposition auf der Nabe 205 auf der Basis bekannter Fluidströmungsanalysetechniken gewählt werden. Ein Verwirbler mit unterschiedlichen Geometrien für die an unterschiedlichen Umfangspositionen angeordneten Leitschaufeln 208 kann eine einteilige Konstruktion haben und unter Anwendung der hierin beschriebenen Fertigungsverfahren hergestellt werden.
Eine alternative exemplarische Ausführungsform eines Verwirblers 300 ist in den 7 und 8 dargestellt. Die alternative exemplarische Ausführungsform des Verwirblers 300 weist Verwirblerleitschaufeln 308, einen Körper 301, eine Nabe 305, einen Adapter 350 und einen Kranz 340 ähnlich dem hierin vorstehend beschriebenen Verwirbler 200 auf. 7 ist eine isometrische Ansicht der alternativen exemplarischen Ausführungsform des Verwirblers 300, in welcher ein Teil des Verwirblerkranzes 340 und der Wand 360 weggeschnitten ist. 8 ist eine ebene Draufsicht auf den in 7 dargestellten alternativen exemplarischen Verwirbler 300. Wie vorstehend beschrieben, kann das Vorhandensein einer Wand, wie z. B. der Wand 260 (siehe 5), eine Ungleichmäßigkeit der in die Leitschaufeln 208, insbesondere in die axial vor der Wand 260 angeordneten Leitschaufeln 208, eintretenden Luftströmung mit sich bringen. Eine Möglichkeit, diese Ungleichmäßigkeit der Strömung in der Nähe der Wand abzuschwächen, besteht in der Verringerung der Ablösung der Strömung 190 in der Nähe der Wand 200. Dies wird in der alternativen exemplarischen Ausführungsform des Verwirblers 300 durch Vorsehen einer Wand 360 mit einer Konturform für ihre Vorderseite 360 gemäß Darstellung in 8 erreicht. Die aerodynamische Konturform für die Wand 360 kann auf der Basis bekannter Fluidströmungsanalysetechniken so gewählt sein, dass sie eine Strömungsablösung in der Nähe der Wand 360 verringert. Die durch Strömungspfeile 191 dargestellte (siehe 8) verbesserte Strömungsführung in der Nähe der Wand 360 ergibt einen gleichmäßigeren Luftstrom in die Leitschaufeln 308, insbesondere in diejenigen Leitschaufeln 308, die sich axial vor der Wand 360 befinden. Die nachteiligen Effekte eines in Umfangsrichtung ungleichmäßigen Strömungseintrittes können weiter durch Vorsehen glatter Kanten für die Wand 360 und/oder durch Vorsehen von Verwirblerleitschaufeln 309 mit Geometrien minimiert werden, die sich von denen der in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln 308, wie vorstehend diskutiert, unterscheiden. Die alternative exemplarische Ausführungsform des Verwirblers 300 mit komplexen Geometrien für die Wand 360 und die Leitschaufeln 308, 309 kann unter Anwendung der hierin beschriebenen Fertigungsverfahren hergestellt werden.
Eine weitere alternative exemplarische Ausführungsform eines Verwirblers 400 ist in den 9 und 10 dargestellt. Die alternative exemplarische Ausführungsform des Verwirblers 400 weist Verwirblerleitschaufeln 408, einen Körper 401, eine Nabe 405, einen Adapter 450 und einen Kranz 440, ähnlich den hierin vorstehend beschriebenen Verwirblern 200, 300, auf. 9 ist eine isometrische Ansicht der alternativen exemplarischen Ausführungsform des Verwirblers 400, in welcher ein Teil des Verwirblerkranzes 440 und der Wand 460 weggeschnitten ist. 10 ist eine ebene Draufsicht auf den in 9 dargestellten alternativen exemplarischen Verwirbler 400. Wie vorstehend beschrieben, kann das Vorhandensein einer Wand, wie z. B. der Wand 260 (siehe 5), eine Ungleichmäßigkeit der Strömung der in die Leitschaufeln 208 und insbesondere in die vor der Wand 260 angeordneten Leitschaufeln 208 eintretenden Luft mit sich bringen. Die Ungleichmäßigkeit der Strömung in der Nähe der Wand kann verringert werden, indem die Ablösung der Strömung 190 in der Nähe der Wand 200 verringert wird. Dieses wird in der alternativen exemplarischen Ausführungsform des Verwirblers 400 durch Vorsehen einer Leitschaufel 409 erreicht, die sich aus der Vorderseite 462 der Wand 460 gemäß Darstellung in den 9 und 10 axial nach vorne erstreckt. Die aerodynamischen Konturformen für die Wand 460 und die Leitschaufel 409 auf der Basis bekannter Fluidströmungsanalysetechniken können so ausgelegt sein, dass sie die Strömungstrennung in der Nähe der Wand 460 verringern. Die durch Strömungspfeile 191 dargestellte (siehe 10) verbesserte Strömungsrichtung in der Nähe der Wand 460 ergibt einen gleichmäßigeren Luftstrom in die Leitschaufeln 408, 409, insbesondere in diejenigen Leitschaufeln, die sich axial vor der Wand 460 befinden. Die nachteiligen Effekte eines in Umfangsrichtung ungleichmäßigen Strömungseintrittes können weiter durch Vorsehen glatter Kanten für die Wand 460 und/oder durch Vorsehen von Verwirblerleitschaufeln 409 mit Geometrien minimiert werden, die sich von denen der in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln 408, wie vorstehend diskutiert, unterscheiden. Die alternative exemplarische Ausführungsform des Verwirblers 400 mit komplexen Geometrien für die Wand 460 und die Leitschaufeln 408, 409 kann unter Anwendung der hierin beschriebenen Fertigungsverfahren hergestellt werden.
11 und 12 stellen alternative exemplarische Ausführungsformen für die Position der Wand 260 dar. In der in 3 dargestellten exemplarischen Ausführungsform befindet sich die Wand 260 an einem axial hinteren Ende der Nabe 205 des Körpers 201. In einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, um beispielsweise mechanische Schwingungen zu verringern, die Wand 260 axial weiter vorne anzuordnen. 11 stellt eine exemplarische Ausführungsform dar, in welcher die Wand 260 axial vor einem hinteren Ende der Nabe 205 an einer Stelle angeordnet ist, die sich axial hinter der Vorderkante 212 der Leitschaufeln 208 befindet. Alternativ stellt 12 eine weitere exemplarische Ausführungsform dar, in welcher sich die Wand 260 von dem Spitzenabschnitt 220 einer Leitschaufel 208 aus erstreckt. In einigen Konstruktionen ist es auch möglich, dass sich die Wand 260 von dem Spitzenabschnitt 220 mehrerer Leitschaufeln 208 aus erstreckt.
Die exemplarischen Ausführungsformen des in den 3–6 dargestellten einteiligen Verwirblers 200 und die alternativen Ausführungsformen der in 7–12 dargestellten einteiligen Verwirbler 300, 400 können mittels Schnell-Fertigungsverfahren (Rapid-Fertigungsverfahren), wie z. B. Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Laser Net Shape Manufacturing (LNSM), Elektronenstrahlsintern und anderen bekannten Herstellungsprozessen, hergestellt werden. DMLS ist ein bevorzugtes Verfahren zum Fertigen der hierin beschriebenen einteiliger Verwirbler 200, 300, 400.
13 ist ein Flussdiagramm, das eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens 500 zum Fertigen einteiliger Verwirbler, wie z. B. hierin beschriebener und in den 3–12 dargestellter Elemente 200, 300 und 400, veranschaulicht. Obwohl das Fertigungsverfahren 500 nachstehend unter Verwendung eines einteiligen Verwirblers 200 als ein Beispiel beschrieben ist, gelten dieselben Verfahren, Schritte, Prozeduren usw. auch für die alternativen exemplarischen Ausführungsformen der in den 9–12 dargestellten Verwirbler. Das Verfahren 500 beinhaltet die Herstellung des (in den 3–6 dargestellten) einteiligen Verwirblers 200 unter Anwendung von Direct Metal Laser Sintering (DMLS). DMLS ist ein bekannter Fertigungsprozess, der Metallkomponenten unter Nutzung von dreidimensionalen Informationen, wie z. B. eines dreidimensionalen Computermodells, von der Komponente, fertigt. Die dreidimensionalen Informationen werden in mehrere Schnitte bzw. Scheiben umgewandelt, wobei jeder Schnitt einen Querschnitt der Komponente für eine vorbestimmte Höhe des Schnitts definiert. Die Komponente wird dann Schnitt für Schnitt oder Schicht für Schicht ”aufgebaut”, bis sie fertiggestellt ist. Jede Schicht der Komponente wird durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Verwendung eines Lasers hergestellt.
Demzufolge beinhaltet das Verfahren 500 den Schritt 505 einer Ermittlung der dreidimensionalen Information eines einteiligen Verwirblers 200 und den Schritt 510 der Umwandlung der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte bzw. Scheiben, die jeweils eine Querschnittsschicht des einteiligen Verwirblers 200 definieren. Der einteilige Verwirbler 200 wird dann unter Anwendung von DMLS gefertigt, oder genauer jede Schicht wird aufeinanderfolgend im Schritt 515 durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Verwendung von Laserenergie gefertigt. Jede Schicht hat eine Größe zwischen etwa 15,7 und 25,4 μm (etwa 0,0005 und 0,001 inch). Der einteilige Verwirbler 200 kann unter Anwendung jeder geeigneten Lasersintermaschine hergestellt werden. Beispiele geeigneter Lasersintermaschinen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, eine EOSINT.RTM. M 270 DMLS Maschine, eine PHENIX PM250 Maschine und/oder eine EOSINT.RTM. M 250 Xtended DMLS Maschine, die von EOS of North America, Inc. of Novi, Michigan, beziehbar sind. Das zum Herstellen des einteiligen Verwirblers 200 verwendete Metallpulver ist bevorzugt ein Pulver, das Kobalt-Chrom enthält, kann aber jedes andere geeignete Metallpulver, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, HS188 und INCO625 sein. Das Metallpulver kann eine Partikelgröße zwischen etwa 10 μm und 74 μm, bevorzugt zwischen etwa 15 μm und etwa 30 μm haben.
Obwohl die Verfahren zur Herstellung des einteiligen Verwirblers 200 hierin unter Anwendung von DMLS als bevorzugtes Verfahren beschrieben wurden, wird der Fertigungsfachmann erkennen, dass viele weitere Schnell-Fertigungsverfahren unter Anwendung eines schichtenweisen Aufbaus oder einer additiven Herstellung ebenfalls verwendet werden können.
Diese alternativen Schnell-Fertigungsverfahren umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, selektives Laser-Sintern (SLS), 3D-Drucken, wie z. B. mittels Tintenstrahl und Laserstrahl, Stereolithografie (SLS), direktes selektives Lasersintern (DSLS), Elektronenstrahlsintern (EBS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Laser Engineered Net Shaping (LENS), Laser Net Shape Manufacturing (LNSM) und Direct Metal Deposition (DMD).
Der einteilige Verwirbler 200 für eine Brennstoffdüse 100 in einem Turbinentriebwerk (siehe 1–3) weist weniger Komponenten und Verbindungsstellen als bekannte Brennstoffdüsen auf. Insbesondere benötigt der vorstehend beschriebene einteilige Verwirbler 200 weniger Komponenten aufgrund der Verwendung eines einteiligen Verwirblers 200, der mehrere Leitschaufeln 208, einen Körper 201, einen Kranz 240, eine Wand 260 aufweist. Demzufolge stellt der beschriebene einteilige Brennstoffverwirbler 200 eine leichtere, preiswertere Alternative zu bekannten Brennstoffverteilern dar. Des Weiteren bietet der beschriebene einteilige Aufbau des einteiligen Verwirblers 200 weniger Möglichkeiten einer Leckage oder eines Ausfalls und ist im Vergleich zu bekannte Verwirblern leichter zu reparieren.
So wie hierin verwendet, sollen ein in der Singularform bezeichnetes Element oder Schritt und dem auch die Worte ”einer, eine, eines” vorangestellt sind, nicht als mehrere Elemente oder Schritte ausschließend betrachtet werden, soweit nicht ein derartiger Ausschluss explizit angegeben wird. Wenn Elemente, Komponenten usw. hierin beschriebener und/oder dargestellter einteiliger Verwirbler 200, 300, 400 eingeführt werden, sollen die Artikel ”einer, eines, eine”, ”der, die, das” und ”besagter, besagte, besagtes” die Bedeutung haben, dass eines oder mehrere von den Elementen, Komponenten usw. vorhanden sein kann/können. Die Begriffe ”aufweisend”, ”enthaltend” und ”habend” sollen einschließend sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche Elemente, Komponenten usw. außer den aufgelisteten Elementen, Komponenten usw. vorhanden sein können. Ferner sollen Bezugnahmen auf ”eine Ausführungsform” der vorliegenden Erfindung nicht derart interpretiert werden, als würden sie weitere ebenfalls die angegebenen Merkmale enthaltende Ausführungsformen ausschließen.
Obwohl die hierin beschriebenen Verfahren und Gegenstände, wie z. B. die einteiligen Verwirbler 200, 300, 400, im Zusammenhang mit einer Verwirbelung von Luft zum Vermischen von flüssigem Brennstoff mit Luft in einem Turbinentriebwerk beschrieben wurden, dürfte es sich verstehen, dass die hierin beschriebenen einteiligen Verwirbler 200, 300, 400 und deren Fertigungsverfahren nicht auf Brennstoffdüsen oder Turbinentriebwerke beschränkt sind. Die in den hierin enthaltenen Figuren dargestellten einteiligen Verwirbler 200, 300, 400 sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern können stattdessen unabhängig und getrennt von anderen hierin beschriebenen Komponenten genutzt werden.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich ihrer besten Ausführungsart zu offenbaren, und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung zu nutzen. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zu dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
Zusammenfassung:
Es ist ein einteiliger Verwirbler (200) offenbart, der einen Körper (201) mit einer Verwirblerachse (11) und mehrere in einer Umfangsrichtung rings um die Verwirblerachse (11) angeordnete Leitschaufeln (208) aufweist, wobei der Verwirbler (200) einen einteiligen Aufbau hat. In einer Ausführungsform hat der einteilige Verwirbler (200) einen koaxial zu der Verwirblerachse (11) angeordneten Kranz (240) und eine Wand (260), die sich zwischen einem Abschnitt des Kranzes (240) und einem Abschnitt der Nabe (205) erstreckt. In einer weiteren Ausführungsform hat der einteilige Verwirbler (200) einen Adapter (250) mit einem Kanal (254), der dafür konfiguriert ist, einen Luftstrom auf wenigsten einige von den mehreren Leitschaufeln (208) zu lenken. Ein Verfahren (500) zum Herstellen einer einteiligen Komponente (200) ist offenbart, wobei das Verfahren die Schritte der Ermittlung dreidimensionaler Information von dem einteiligen Verwirbler (200), der mehrere in einer Umfangsrichtung auf einem Körper (201) um eine Verwirblerachse (11) angeordnete Leitschaufeln (208) und eine sich zwischen einem Kranz (240) und einem Abschnitt des Körpers (201) erstreckenden Wand (260) aufweist, der Umwandlung der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte, die jeweils eine Querschnittsschicht des einteiligen Verwirblers (200) definieren, und der aufeinanderfolgenden Erzeugung jeder Schicht des einteiligen Verwirblers (200) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Verwendung von Laserenergie aufweist. Exemplarische Ausführungsformen sind offenbart, die einen mittels eines Schnell-Fertigungsprozesses gefertigten einteiligen Verwirbler (200) zeigen. In einem Aspekt der Erfindung ist der Schnell-Fertigungsprozess ein Laser-Sinterungsprozess.

Claims

Verwirbler (200), aufweisend: einen Körper (201), der eine Verwirblernabe (205) mit einer Verwirblerachse (11) aufweist; mehrere Leitschaufeln (208), die sich von der Nabe (205) aus erstrecken, wobei die Leitschaufeln (208) in einer Umfangsrichtung um die Verwirblerachse (11) herum angeordnet sind; einen Kranz (240), der koaxial zu der Verwirblerachse (11) angeordnet ist; und eine Wand (260), die sich zwischen einem Abschnitt des Kranzes (240) und einem Abschnitt der Nabe (205) erstreckt, wobei der Verwirbler (200) einen einteiligen Aufbau hat.
Verwirbler (200) nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Adapter (250) mit einem Kanal (254), der konfiguriert ist, um einen Luftstrom auf wenigstens einige von den mehreren Leitschaufeln (208) zu richten.
Verwirbler (200) nach Anspruch 2, wobei der Kanal (254) von einer gebogenen Wand (256) gebildet wird, die sich von einem Abschnitt des Körpers (201) aus erstreckt.
Verwirbler (200) nach Anspruch 2, wobei der Kanal (254) von einer gebogenen Wand (256) gebildet wird, die sich von einem Abschnitt des Kranzes (240) aus erstreckt.
Verwirbler (200) nach Anspruch 2, wobei der Adapter (250) eine Nut (252) hat, die in der Lage ist, ein Hartlötmaterial aufzunehmen.
Verwirbler (200) nach Anspruch 1, wobei der Körper (201) einen Isolationsspalt (216) hat, der wenigstens teilweise in dem Körper (201) angeordnet ist.
Verwirbler (200) nach Anspruch 1, wobei jede Leitschaufel (208) im Wesentlichen dieselbe Geometrie hat.
Verwirbler (200) nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Leitschaufel (209) eine Geometrie hat, die sich von einer anderen Leitschaufel (208) unterscheidet.
Verwirbler (200) nach Anspruch 1, wobei die Wand (260) eine axiale Vorderseite (262) hat, die im Wesentlichen flach ist.
Verwirbler (300) nach Anspruch 1, wobei die Wand (360) eine axiale Vorderseite (362) mit einer Kontur (364) hat, die eine sanfte Luftströmung fördert.
Verwirbler (400) nach Anspruch 1, wobei sich wenigstens eine Leitschaufel (409) von einer axialen Vorderseite (462) der Wand (460) aus erstreckt.
Verwirbler (300) nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Leitschaufel (308) einen Spitzenabschnitt (320) hat, der frei ist.
Verwirbler (300) nach Anspruch 12, wobei wenigstens eine Leitschaufel (308) eine Aussparung (322) hat, die sich durch einen Abschnitt des Spitzenabschnittes (320) erstreckt.
Verwirbler (200) nach Anspruch 1, wobei die Wand (260) an einem axial hinteren Ende der Nabe (205) angeordnet ist.
Verwirbler (200) nach Anspruch 1, wobei die Wand (260) axial vor einem hinteren Ende der Nabe (205) angeordnet ist.
Verwirbler (200) nach Anspruch 1, wobei sich die Wand (260) von dem Spitzenabschnitt (220) einer Leitschaufel (208) aus erstreckt.
Verfahren (500) zum Herstellen eines einteiligen Verwirblers (200), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Ermitteln dreidimensionaler Information von dem einteiligen Verwirbler (200), der mehrere in einer Umfangsrichtung auf einem Körper (201) um eine Verwirblerachse (11) herum angeordnete Leitschaufeln (208) und eine sich zwischen einem Kranz (240) und einem Abschnitt des Körpers (201) erstreckende Wand (260) aufweist; Umwandeln der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte, die jeweils eine Querschnittsschicht des einteiligen Verwirblers (200) definieren; und aufeinanderfolgendes Erzeugen jeder Schicht des einteiligen Verwirblers (200) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Ermittlung dreidimensionaler Information von dem einteiligen Verwirbler (200) ferner die Ermittlung eines dreidimensionalen Modells des einteiligen Verwirblers (200) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das aufeinanderfolgende Erzeugen jeder Schicht des einteiligen Verwirblers (200) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie ferner das Schmelzen eines Pulvers umfasst, das wenigstens eines von Kobalt-Chrom, HS188 und INCO625 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das aufeinanderfolgende Erzeugen jeder Schicht des einteiligen Verwirblers (200) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie ferner das Schmelzen eines Metallpulvers umfasst, das eine Partikelgröße zwischen etwa 10 μm und etwa 75 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das aufeinanderfolgende Erzeugen jeder Schicht des einteiligen Verwirblers (200) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie ferner das Schmelzen eines Metallpulvers umfasst, das eine Partikelgröße zwischen etwa 15 μm und etwa 30 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Ermittlung dreidimensionaler Information von dem einteiligen Verwirbler (200) ferner die Ermittlung eines dreidimensionalen Modells des einteiligen Verwirblers (200) aufweist, der einen Spalt (216) umfasst, der sich wenigstens teilweise in dem Körper (201) befindet.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Ermittlung dreidimensionaler Information von dem einteiligen Verwirbler (200) ferner die Ermittlung eines dreidimensionalen Modells des einteiligen Verwirblers (200) aufweist, der wenigstens einer Leitschaufel (209) umfasst, die eine Geometrie hat, die sich von der einer anderen Leitschaufel (208) unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Ermittlung dreidimensionaler Information von dem einteiligen Verwirbler (200) ferner die Ermittlung eines dreidimensionalen Modells des einteiligen Verwirblers (200) aufweist, der einen Adapter (250) mit einem Kanal (254) umfasst, der konfiguriert ist, um einen Luftstrom zu wenigstens einigen von den mehreren Leitschaufeln (208) zu richten.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Kanal (254) von einer gebogenen Wand (256) gebildet wird, die sich von einem Abschnitt des Körpers (201) aus erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Adapter (250) eine Nut (252) hat, die ein Hartlötmaterial aufnehmen kann.
Einteiliger Verwirbler (200) mit mehreren sich von einer Nabe (205) aus erstreckenden Leitschaufeln (208), die in einer Umfangsrichtung rings um eine Achse (11) auf einem Körper (201) angeordnet sind, mit einem einteiligen Aufbau wobei der einteilige Verwirbler (200) unter Anwendung eines Schnell-Fertigungsprozesses gefertigt wird.
Einteiliger Verwirbler (200) nach Anspruch 27, wobei der Schnell-Fertigungsprozess ein Lasersinterungsprozess ist.
Einteiliger Verwirbler (200) nach Anspruch 27, wobei der Schnell-Fertigungsprozess DMLS ist.
Einteiliger Verwirbler (200) nach Anspruch 27, der ferner einen zu der Achse (11) koaxialen Kranz (240) aufweist.
Einteiliger Verwirbler (200) nach Anspruch 14, der ferner eine Wand (260) aufweist, die sich zwischen einem Abschnitt des Kranzes (240) und einem Abschnitt der Nabe (205) erstreckt.
Einteiliger Verwirbler (200) nach Anspruch 27, wobei jede Leitschaufel (208) im Wesentlichen dieselbe Geometrie hat.
Einteiliger Verwirbler (200) nach Anspruch 27, wobei wenigsten eine Leitschaufel (209) eine Geometrie hat, die sich von der einer anderen Leitschaufel (208) unterscheidet.
Einteiliger Verwirbler (200) nach Anspruch 27, wobei der Körper (201) einen Isolationsspalt (216) hat, der wenigstens teilweise in dem Körper (201) angeordnet ist.
Einteiliger Verwirbler (200) nach Anspruch 27, der ferner einen Adapter (250) mit einem Kanal (254) aufweist, der konfiguriert ist, um einen Luftstrom auf wenigstens einige von den mehreren Leitschaufeln (208) zu lenken.
Einteiliger Verwirbler (200) nach Anspruch 35, wobei der Kanal (254) von einer gebogenen Wand (256) gebildet wird, die sich von einem Abschnitt des Körpers (201) aus erstreckt.