DE112009000822T5

DE112009000822T5 - Brennerkomponente und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE112009000822T5
Application number: DE112009000822T
Authority: DE
Inventors: Marie Ann Mason McMasters; Steven Joseph Reading Lohmueller; Randall Charles Loveland Boehm
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2011-03-03
Also published as: GB201016954D0; CA2720262A1; GB2470875A; GB2470875B; WO2009126534A1; JP2011520055A

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer einteiligen Komponente für eine Brennstoffdüse (5), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Ermitteln dreidimensionaler Information der einteiligen Komponente (60); Umwandeln der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte, die jeweils eine Querschnittsschicht der einteiligen Komponente (60) definieren; und aufeinanderfolgendes Erzeugen jeder Schicht der einteiligen Komponente (60) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie.

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Wesentlichen Brenner, und insbesondere Brennstoffdüsenkomponenten mit einem einteiligen Aufbau und Brennstoffdüsenbaugruppen, die derartige Komponenten verwenden.
Turbinenmaschinen bzw. -triebwerke enthalten typischerweise mehrere Brennstoffdüsen zum Zuführen von Brennstoff zu dem Brenner in der Maschine. 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 verwenden viele Brennstoffinjektoren Pilot- und Hauptdüsen, wobei die Pilotdüsen nur während des Startvorgangs verwendet werden und beide Düsen während eines Betriebs bei höherer Leistung verwendet werden. Der Fluss 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 Brennstoffsprühstrahl 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 Doppeldüsenbrennstoffinjektoren können auch so aufgebaut sein, dass sie eine weitergehende Steuerung des Brennstoffs für zwei Brenner ermöglichen, was noch größeren Brennstoffwirkungsgrad und 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 Brennstoffzuführungs- und Verteilungssysteme im Wesentlichen leckfrei und vor den Flammen geschützt sind.
Herkömmliche Brennerkomponenten, wie z. B. Brennstoffdüsen sind im Allgemeinen teuer herzustellen und/oder zu reparieren, da die herkömmlichen Brennstoffdüsenkonstruktionen einen komplexen Zusammenbau und eine Verbindung von mehr als 30 Komponenten erfordern. Insbesondere kann die Verwendung von Hartlötverbindungen die Zeit verlängern, die zum Herstellen derartiger Komponenten benötigt wird, und kann auch den Herstellungsprozess 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 Hartlötungsdurchläufen führen, welche das Ausgangsmaterial der Komponente schwächen. Das Vorhandensein zahlreicher Hartlötverbindungen kann das Gewicht und die Fertigungskosten der Komponente unerwünscht erhöhen.
Demzufolge wäre es wünschenswert, über Brennerkomponenten, wie z. B. Brennstoffdüsenkomponenten zu verfügen, die einen einteiligen Aufbau haben, um eine mögliche Leckage und andere vorstehend beschriebene unerwünschte Effekte zu verringern. Es ist wünschenswert, über eine Brennstoffdüse zu verfügen, die weniger Komponenten durch Verwendung eines einteiligen Aufbaus komplexer Komponenten hat, um die Kosten zu reduzieren und den Zusammenbau zu erleichtern. Es ist wünschenswert, über ein Verfahren zur Herstellung einteiliger Brennerkomponenten mit komplexen dreidimensionalen Geometrien zu verfügen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die vorgenannte(n) Anforderung oder Anforderungen können durch exemplarische Ausführungsformen erfüllt werden, welche eine Brennerkomponente bereitstellen, die einen Körper mit einteiligem Aufbau, einen in dem Körper angeordneten Brennstoffkanal, einen in dem Körper angeordneten Brennstoffflusspfad, der in einer Umfangsrichtung um eine Achse ausgerichtet ist und in Strömungsverbindung mit dem Brennstoffkanal steht, und wenigstens eine in dem Körper in Strömungsverbindung mit dem Brennstoffflusspfad so angeordnete Auslassöffnung aufweist, dass ein in dem Brennstoffkanal eintretender Brennstoff durch die Auslassöffnung austritt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die vorstehend beschriebene Brennerkomponente einen Mittelkörper mit einem mit dem Körper einteiligen Aufbau auf, wobei der Mittelkörper eine den Körper umgebende ringförmige Wand hat und eine Umfangsreihe von Öffnungen aufweist, die mehreren in Umfangsrichtung um die Achse angeordneten Auslassöffnungen entsprechen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Brennstoffdüse einen ringförmigen Brennstoffverteiler mit einem einteiligen Aufbau und mit wenigstens einem Brennstoffkanal in dem Körper, einen in dem einteiligen Brennstoffverteiler angeordneten ringförmigen Luftverwirbler und einen in dem ringförmigen Luftverwirbler angeordneten Brennstoffinjektor auf, der in der Lage ist, einen Brennstoffstrom einzuspritzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Luftverwirbler einen ringförmigen Körper, eine Reihe von äußeren Leitschaufeln und eine Reihe von inneren Leitschaufeln auf dem Körper, die in Umfangsrichtung um eine Achse angeordnet sind, und einen auf dem Körper angeordneten ringförmigen Teiler auf, wobei der ringförmige Körper, die Reihe der äußeren Leitschaufeln, die Reihe der inneren Leitschaufeln und der ringförmige Teiler einen einteiligen Aufbau haben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Herstellungsverfahren einer einteiligen Komponente für einen Brenner die Schritte der Ermittlung einer dreidimensionalen Information der einteiligen Komponente, der Umwandlung der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte bzw. Scheiben, die eine Querschnittsschicht der einteiligen Komponente definieren und die anschließende Erzeugung jeder Schicht der einteiligen Komponente durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Verwendung von Laserenergie auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Brennerkomponente einen Körper mit einem einteiligen Aufbau auf, wobei der Körper mittels eines schnellen Herstellungsprozesses (Rapid-Manufacturing-Prozesses) hergestellt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Der als die Erfindung betrachtete Erfindungsgegenstand wird insbesondere in dem anschließenden Teil der Offenbarung besonders dargestellt und eindeutig beansprucht. Die Erfindung kann jedoch am besten unter Bezugnahme auf die nachstehende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren verstanden werden, in welchen:
1 eine isometrische Ansicht einer Brennstoffdüse gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
2 eine axiale Querschnittsansicht der in 1 dargestellten exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
3 eine radiale Querschnittsansicht der in 1 dargestellten exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
4 eine radiale Querschnittsansicht der in 1 dargestellten exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
5 eine isometrische Ansicht einer Brennstoffdüse gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
6 eine axiale Querschnittsansicht der in 5 dargestellten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
7 eine radiale Querschnittsansicht der in 5 dargestellten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
8 eine isometrische Ansicht eines Querschnittes der in 5 dargestellten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
9 ein Flussdiagramm ist, das eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens zur Fertigung von in 2 und 6 dargestellten einteiligen Brennstoffdüsenkomponenten veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in welchen identische Bezugszeichen dieselben Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten bezeichnen, stellt 1 eine Brennstoffdüse 5 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Brennstoffdüse hat eine Achse 11, eine Brennstoffdüsenspitze 10 mit einem Brennstoffzuführungskanal 12, 14, der Brennstoff aufnimmt und in die Brennstoffdüsenspitze 10 liefert, einen Brennstoffverteiler 60, der den Brennstoff verteilt, einen Mittelkörper 70, eine Mischkammer 76, in welcher Brennstoff und Luft gemischt werden, und einen Hitzeschild 72. In der in 1 dargestellten exemplarischen Ausführungsform sind beispielsweise zwei Brennstoffzuführungskanäle 12, 14 dargestellt, die mit entsprechenden Brennstoffzuführungskanälen 16, 18 verbunden sind. Ein dritter Zuführungskanal 20 liefert Brennstoff an einen Pilot-Brennstoffinjektor 22, der entlang der Achse im Inneren der Brennstoffdüse 10 angeordnet ist.
Die Komponenten und Merkmale der in 1 dargestellten exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind deutlicher in dem in 2 dargestellten axialen Querschnitt zu sehen. 2 stellt die Brennstoffdüse 5 mit einem einteiligen Brennstoffverteiler 60, einem einteiligen Luftverwirbler 15 und einem Pilot-Brennstoffinjektor 22 dar. Der Begriff ”einteilig” wird in dieser Anmeldung verwendet, um anzuzeigen, dass die zugeordnete Komponente als ein einzelnes Teil während der Herstellung hergestellt wird. Somit hat eine einteilige Komponente einen monolithischen Aufbau für die gesamte Komponente und unterscheidet sich von einer Komponente, die aus mehreren Komponententeilen hergestellt ist, die zum Ausbilden nur einer einzelnen Komponente miteinander verbunden sein können.
Die Brennstoffdüse 5 ist ein Beispiel einer Brennerkomponente. Sie kann zur Einführung von Brennstoff in eine Brennerumgebung, wie z. B. in Verbrennungsanlagentests, in Gasturbinentriebwerken oder beliebigen anderen Brennern genutzt werden, die ein Brennstoff/Luft-Gemisch zum Zünden einer Flamme während des Verbrennungsvorgangs verwenden. Der Brennstoff wird der Düse 5 unter Verwendung von einer oder mehreren Brennstoffzuführungskanälen, wie z. B. den als Elemente 16, 18 und 20 in 2 dargestellten, zugeführt. Die Brennstoffzuführungskanäle 16, 18 sind unter Verwendung herkömmlicher Kopplungseinrichtungen mit entsprechenden Brennstoffkanälen in der Brennstoffdüse 5 verbunden. In der in 2 dargestellten exemplarischen Ausführungsform sind zwei Brennstoffkanäle 12, 14 mit im Wesentlichen axialer Ausrichtung, im Wesentlichen parallel zu der Achse 11 mit einer Querschnittsfläche ”A” dargestellt. Die Brennstoffkanäle 12, 14 sind in dem Körper 61 des einteiligen Brennstoffverteilers 60 ausgebildet. Der Körper 61 des einteiligen Brennstoffverteilers hat einen Innenabschnitt, der um die Achse 11 axialsymmetrisch ist. Der Innenabschnitt des Körpers 61 hat einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt 86, der einen hierin nachstehend beschriebenen Luftverwirbler 50 halten kann, und einen konischen Abschnitt 84, der axial vor dem zylindrischen Abschnitt 86 angeordnet ist. Der konische Abschnitt 84 hat eine Venturi-Anordnung 78, die einen Teil einer Mischkammer 76 ausbildet, in welcher der Pilotbrennstoff und Luft vor der Verbrennung vermischt werden. Im gezündeten Zustand wird eine Flamme axial vor der Austrittsebene der Venturi-Anordnung 78 ausgebildet.
Der in die Brennstoffkanäle 12, 14 eintretende Brennstoff tritt in einen in dem Körper 61 des einteiligen Brennstoffverteilers 60 ausgebildeten Hauptbrennstoffkreis 65 (siehe 4) ein. In den hierin dargestellten exemplarischen Ausführungsformen hat der Hauptbrennstoffkreis 65 im Wesentlichen eine Umfangsorientierung um die Achse 11 und weist einen ersten Brennstoffpfad 62 und einen zweiten Brennstoffpfad 64 gemäß Darstellung in den 2 und 4 auf. Brennstoff aus dem ersten Brennstoffkanal 12 strömt bei einem ersten Brennstoffeinlass 67 in den ersten Brennstoffpfad 62 ein und Brennstoff aus dem zweiten Brennstoffkanal 14 strömt bei einem zweiten Brennstoffeinlass 69 in den zweiten Brennstoffpfad 64 ein. Obwohl zwei axiale Brennstoffkanäle 12, 14 und entsprechende Umfangsbrennstoffpfade 62, 64 in den hierin beschriebenen Ausführungsformen dargestellt sind, dürfte es sich für den Fachmann verstehen, dass es möglich ist, andere Konfigurationen für die Brennstoffkanäle und Brennstoffpfade und andere Ausrichtungen in dem einteiligen Brennstoffverteiler 60 vorzusehen und diese innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Gemäß Darstellung in 2 und 4 wird Brennstoff aus dem Hauptbrennstoffkreis 65 von dem Brennstoffverteiler 60 durch mehrere Brennstoffauslassöffnungen 68, die in dem Körper 61 angeordnet sind, nach außen geleitet. In der in den 2, 3 und 4 dargestellten exemplarischen Ausführungsform befindet sich jede Brennstoffauslassöffnung 68 innerhalb eines Brennstoffpfostens 66. Die Brennstoffpfosten 66 sind als ein Teil des Körpers 61 ausgebildet. Jede Brennstoffauslassöffnung 68 steht mit einem Brennstoffpfad 62, 64 des Hauptbrennstoffkreises 65 in Verbindung. Unter Druck stehender Brennstoff aus dem Hauptbrennstoffkreis 65 tritt in die Auslassöffnungen 68 ein und wird aus der Brennstoffdüse 5 ausgestoßen. Gemäß Darstellung in 4 hat der Hauptbrennstoffkreis 65 eine (als ”B” bezeichnete) Querschnittsfldche, die in der Umfangsrichtung variiert. Die Veränderung der Querschnittsfläche ”B” ist unter Anwendung bekannter Verfahren so dimensioniert, dass sie einen konstanten Druck in dem Hauptbrennstoffkreis 65 aufrechterhält, wenn der Brennstoff von den Brennstoffeinlässen 67, 69 zu mehreren Auslassöffnungen 68 strömt, die in der Umfangsrichtung des Körpers 61 angeordnet sind.
In der exemplarischen Ausführungsform einer in 2 dargestellten Brennstoffdüse 5 weist der Verteilerkörper 61 einen ringförmigen Mittelkörper 70 mit einem einteiligen Aufbau in dem Körper 61 auf. Der Mittelkörper 70 hat eine ringförmige Außenwand 74, die den Körper 61 umgibt und einen ringförmigen Kanal 62 für einen Luftdurchfluss ausbildet. Ein Speiseluftstrom 48 für die Kühlung der Brennstoffdüse 5 tritt in den Luftdurchflusskanal 49 zwischen der Außenwand 74 des Mittelkörpers und dem Verteilerkörper 61 ein und strömt an den Brennstoffpfosten vorbei, was eine Kühlung der Brennstoffauslassöffnungen 68 ermöglicht. Die Außenwand 74 hat mehrere Öffnungen 71, die in einer Umfangsrichtung entsprechend der Umfangsreihe der Brennstoffauslassöffnungen 68 angeordnet sind. Der aus den Auslassöffnungen 68 ausgestoßene Brennstoff tritt aus der Brennstoffdüse 5 durch die Öffnungen 71 aus und in den Brenner ein. Es ist möglich, dass ein kleiner Spalt zwischen dem Innendurchmesser der Außenwand 74 und dem Außenende der Brennstoffpfosten 66 vorhanden ist. In den in 1 und 4 dargestellten exemplarischen Ausführungsformen liegt dieser Spalt in dem Bereich zwischen etwa 0,000 und 0,254 mm (0,000 etwa 0,010 inches).
In der in 2 dargestellten exemplarischen Ausführungsform wird die Mittelkörperwand 70 durch ein Mehrloch-Kühlsystem gekühlt, welches einen Teil des Speiseluftstroms 48, der in die Brennstoffdüse 5 durch eine oder mehrere Umfangsreihen von Öffnungen 80 eintritt, weiterleitet. Das Mehrloch-Kühlsystem des Mittelkörpers kann typischerweise eine bis vier Reihen von Öffnungen 80 verwenden. Die Öffnungen 80 können einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser haben. Alternativ können die Öffnungen 80 Diffusoröffnungen sein, die eine variable Querschnittsfläche haben. In 2 sind zwei Umfangsreihen mit Öffnungen 80 dargestellt, wobei jede Reihe zwischen 60 und 80 Öffnungen hat, und jede Öffnung einen Durchmesser hat, der zwischen etwa 0,508 und 0,762 mm (0,020 und 0,030 inches) variiert. Gemäß Darstellung in den 1, 2 und 3 können die Öffnungen 80 eine komplexe Orientierung in den axialen, radialen und tangentialen Richtungen in der Außenwand 74 haben. Zusätzliche Reihen von Kühllöchern 82, die in der Umfangsrichtung des Mittelkörpers 70 angeordnet sind, sind dafür vorgesehen, den Speiseluftstrom 48 zu anderen Teilen des Brennstoffverteilers 60 zu leiten. In der in den 1 und 2 dargestellten exemplarischen Ausführungsform weist der Körper 61 einen ringförmigen Hitzeschild 72 auf, der an einem Ende des Körpers 61 angeordnet ist. Der Hitzeschild 72 schirmt den Körper 61 vor der Flamme ab, die während der Verbrennung in dem Brenner erzeugt wird. Der Hitzeschild 72 wird durch eine oder mehrere Umfangsreihen von Löchern 82 gekühlt, die gemäß Darstellung in den 1 und 2 eine axiale Ausrichtung haben und die Kühlluft führen, die auf den Hitzeschild 72 auftrifft. Für den einteiligen Aufbau des Brennstoffverteilers 60 haben die Löcher typischerweise einen Durchmesser von mindestens 0,508 mm (0,020 inches). In den hierin dargestellten exemplarischen und alternativen Ausführungsformen hat eine Umfangsreihe zwischen 50 bis 70 Löcher, wobei eine Lochgröße zwischen etwa 0,660 und 0,762 mm (0,026 bis etwa 0,030 inches) verwendet wird.
Die hierin dargestellten exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen einen einteiligen Luftverwirbler 50 auf, der einen Luftstrom aufnimmt und ihm einen Drall in der Axial- und Umfangsrichtung verleiht. Der einteilige Luftverwirbler 50 hat mehrere in Umfangsrichtung um einen Verwirbelungskörper 51 herum angeordnete Innenleitschaufeln 52. Die Innenleitschaufeln 52 erstrecken sich in der Radialrichtung zwischen dem Körper 51 und einem ringförmigen Teiler 53. Der einteilige Luftverwirbler 50 besitzt mehrere Außenleitschaufeln 54, die in Umfangsrichtung um den Teiler 53 herum angeordnet sind und sich von dem Teiler 53 radial nach außen erstrecken. Der Teiler 53 teilt den in die Brennstoffdüse 5 eintretenden Luftstrom in einen Innenluftstrom 40 und einen Außenluftstrom 42 auf. Der Innenluftstrom 40 wird durch die Innenleitschaufeln 52 verwirbelt, und der Außenluftstrom 42 wird durch die Außenleitschaufeln 54 verwirbelt. Durch geeignete Ausrichtung der Leitschaufeln 52, 54 ist es möglich, den Innenluftstrom 40 und den Außenluftstrom 42 in derselben Umfangsrichtung (”Gleichverwirbelung”) oder in der entgegengesetzten Umfangsrichtung zu verwirbeln. In den hierin dargestellten Ausführungsformen sind der Innenluftstrom 40 und der Außenluftstrom 42 in gleicher Richtung verwirbelt. Der von den Innenleitschaufeln austretende verwirbelte Innenluftstrom 40 tritt in einen Innenkanal 44 ein, der durch die Innenseite des ringförmigen Teilers 53 begrenzt ist. Aus dem Innenkanal 44 tritt die verwirbelte Luft in einen divergierenden Abschnitt 56 des Teilers 53 ein und vermischt sich mit einem von dem Pilotbrennstoffinjektor 52 ausgestoßenen Brennstoffstrahl. Ein herkömmlicher Brennstoffinjektor 22 ist in 2 dargestellt, wie er einen Brennstoffverwirbler 28 und eine Pilotbrennstoffinjektor-Auslassöffnung 26 aufweist. Der die Außenleitschaufeln 54 verlassende Außenluftstrom tritt in einen ringförmigen Außenkanal 46 ein, der zwischen dem radial äußeren Abschnitt des Teilers 53 und der radialen Innenseite des einteiligen Brennstoffverteilerkörpers 61 ausgebildet ist. Die verwirbelten Luftströme und von dem Pilotbrennstoffinjektor 22 ausgestoßener Brennstoff mischen sich in einer Brennkammer 76, die durch eine Venturi-Anordnung im Inneren des Verteilerkörpers 61 ausgebildet wird. Das so gebildete Brennstoff/Luft-Gemisch bewegt sich axial nach vorne und verlässt die Brennstoffdüse 5 und wird zum Erzeugen einer Verbrennungsflamme entzündet. Wie zuvor beschrieben, hat der Brennstoffdüsenkörper 61 einen an dem axial hinteren Ende des Brennstoffdüsenkörpers 62 befindlichen Hitzeschild 72, um die Brennstoffdüse vor der Flamme zu schützen.
5, 6, 7 und 8 stellen eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Diese alternative Ausführungsform verwendet einen herkömmlichen Brennstoffinjektor 22 und einen einteiligen Luftverwirbler 50 ähnlich den vorstehend beschriebenen. Der einteilige Brennstoffverteiler 160 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen in 1 dargestellten Ausführungsform. Der einteilige Brennstoffverteiler 160 hat einen Körper 161 mit Brennstoffkanälen 112, 114 und einen Hauptbrennstoffkreis 165 in Strömungsverbindung mit den Brennstoffkanälen. Gemäß Darstellung in 7 weist der Hauptbrennstoffkreis 165 einen ersten Brennstoffpfad 162 und einen zweiten Brennstoffpfad 164 auf. Mehrere Brennstoffauslassöffnungen 168, die in Umfangsrichtung angeordnet sind, stoßen den Brennstoff aus den Brennstoffpfaden 162, 184 in mehrere Aussparungen 173 und aus der Brennstoffdüse 105 aus. In der hierin dargestellten Ausführungsform tritt ein Speiseluftstrom 148 in den einteiligen Brennstoffverteilerkörper 161 durch eine Umfangsreihe von Öffnungen 147 ein und tritt in einen eine Venturi-Anordnung 178 umgebenden ringförmigen Luftkanal 149 ein. Ein ringförmiger Hitzeschild 172 befindet sich an dem axial hinteren Ende der Venturi-Anordnung 178. Der ringförmige Hitzeschild wird durch Prallkühlung unter Verwendung von Kühlluft gekühlt, die durch eine Umfangsreihe von Kühllöchern 182 geleitet wird. Der einteilige Brennstoffverteilerkörper 161 besitzt einen zylindrischen Abschnitt 186, der axial vor der Venturi-Anordnung 178 angeordnet ist. Ein einteiliger Brennstoffverwirbler 50, ähnlich dem vorstehend beschriebenen, ist in dem zylindrischen Abschnitt 186 angeordnet. Wie vorstehend beschrieben, ist ein herkömmlicher Brennstoffinjektor 22 in dem einteiligen Luftverwirbler 50 angeordnet. 7 stellt eine radiale Querschnittsansicht der alternativen Ausführungsform der Brennstoffdüse 105 dar. 8 stellt eine isometrische Ansicht eines Querschnittes der alternativen Ausführungsform der Brennstoffdüse 105 dar.
Der einteilige Brennstoffverteiler 60 der in 2 dargestellten exemplarischen Ausführungsform und der einteilige Brennstoffverteiler 160 der in 6 dargestellten alternativen Ausführungsform können mittels Schnell-Fertigungsverfahren, wie z. B. Direkt Metal Laser Sintering (DMLS), Laser Net Shape Manufacturing (LNSM), Elektronenstrahlsintern und anderen bekannten Herstellungsprozessen hergestellt werden. DMLS ist ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einteiliger Brennstoffdüsenkomponenten, wie z. B. der hierin beschriebenen Brennstoffverteiler 60, 160 und des Verwirblers 50.
9 ist ein Flussdiagramm, das eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen hierin beschriebener einteiliger Brennstoffdüsenkomponenten, wie z. B. der in den 2 und 6 dargestellten Brennstoffverteiler 60, 160 und des Luftverwirblers 50 beschreibt. Das Verfahren 200 beinhaltet die Herstellung des (in 2 dargestellten) einteiligen Brennstoffverteilers 60, des (in 6 dargestellten) einteiligen Brennstoffverteilers 160 und des (in 2 und 6 dargestellten) Luftverwirblers 50 unter Anwendung von Direct Metal Laser Sintering (DMLS). DMLS ist ein bekannter Herstellungsprozess, der Metallkomponenten unter Nutzung von dreidimensionaler Information, z. B. eines dreidimensionalen Computermodells, der Komponente herstellt. Die dreidimensionale Information wird in mehrere Scheiben (bzw. Schnitte) umgewandelt, wobei jede Scheibe einen Querschnitt der Komponente für eine vorbestimmte Höhe der Scheibe definiert. Die Komponente wird dann Scheibe für Scheibe 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 200 den Schritt 205 einer Ermittlung der dreidimensionalen Information von jeder (in den 2 und 6 dargestellten) einteiligen Brennstoffdüsenkomponente 50, 60, 160 und den Schritt 210 der Umwandlung der dreidimensionalen Information in mehrere Scheiben, die jeweils eine Querschnittsschicht der einteiligen Brennstoffdüsenkomponente 50, 60, 160 definieren. Jede einteilige Brennstoffdüsenkomponente 50, 60, 160 wird dann unter Anwendung von DMLS hergestellt, oder genauer jede Schicht wird aufeinanderfolgend durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Verwendung von Laserenergie hergestellt, 215. Jede Schicht hat eine Dicke zwischen etwa 12,7 und 25,4 μm (etwa 0,0005 und 0,001 inch). Die einteiligen Brennstoffdüsenkomponenten 50, 60, 160 können unter Anwendung jeder geeigneten Lasersintermaschine hergestellt werden. Beispiele geeigneter Lasersintermaschinen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, eine EOSINT.RTM.M 250 DMLS Maschine, eine PHENIX PM250 Maschine und/oder eine EOSINT.RTM. M 250 Extended DMLS Maschine, die von EOS of North America, Inc. of Novi, Michigan, beziehbar sind. Das zum Herstellen der einteiligen Brennstoffkomponenten 50, 60, 160 verwendete Metallpulver ist bevorzugt ein Pulver, das Kobalt-Chrom enthält, kann aber jedes andere geeignete Metallpulver, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, HS1888 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 Herstellungsprozesse einteiliger Brennerkomponenten, wie z. B. von Brennstoffdüsenkomponenten, hierin unter Anwendung von DMLS als bevorzugtes Verfahren beschrieben wurden, wird der Fertigungsfachmann erkennen, dass viele weitere Schnell-Fertigungsverfahren (Rapid-Herstellungsverfahren) unter Anwendung eines schichtenweisen Aufbaus oder einer additiven Herstellung ebenfalls verwendet werden können. Diese alternativen Schnell-Fertigungsverfahren umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Selektives Lasersintern (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).
Wenn Elemente, Komponenten usw. der Verfahren und/oder hierin beschriebener und/oder oder dargestellter Brennstoffdüsen 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 vorhanden sein kann. Die Begriffe ”aufweisend”, ”enthaltend” und ”habend” sollen einschließend sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche weitere Elemente außer den aufgelisteten Elementen vorhanden sein können.
Diese Beschreibung nutzt 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 Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
Zusammenfassung
Es ist ein Verfahren zum Herstellen einer einteiligen Komponente für einen Brenner offenbart, wobei das Verfahren die Schritte der Ermittlung dreidimensionaler Information der einteiligen Komponente (60), Umwandlung der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte, die jeweils eine Querschnittsschicht der einteiligen Komponente (60) definieren; und der aufeinanderfolgenden Erzeugung jeder Schicht der einteiligen Komponente (60) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie aufweist. Es ist eine Brennerkomponente (60, 50) offenbart, die einen Körper (61, 51) mit einteiligem Aufbau aufweist, wobei der Körper (61, 51) mittels eines Schnell-Fertigungsprozesses hergestellt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer einteiligen Komponente für eine Brennstoffdüse (5), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Ermitteln dreidimensionaler Information der einteiligen Komponente (60); Umwandeln der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte, die jeweils eine Querschnittsschicht der einteiligen Komponente (60) definieren; und aufeinanderfolgendes Erzeugen jeder Schicht der einteiligen Komponente (60) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung von dreidimensionaler Information der einteiligen Komponente ferner die Ermittlung eines dreidimensionalen Modells der einteiligen Komponente (60) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das aufeinanderfolgendes Erzeugen jeder Schicht der einteiligen Komponente 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 1, wobei das aufeinanderfolgendes Erzeugen jeder Schicht der einteiligen Komponente durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie ferner das Schmelzen eines Pulvers umfasst, das eine Partikelgröße zwischen etwa 10 μm und etwa 75 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das aufeinanderfolgendes Erzeugen jeder Schicht der einteiligen Komponente durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie ferner das Schmelzen eines Pulvers umfasst, das eine Partikelgröße zwischen etwa 15 μm und etwa 30 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung dreidimensionaler Information der einteiligen Komponente ferner die Ermittlung eines dreidimensionalen Modells der einteiligen Komponente (60), die einen Innenkanal (65) aufweist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung dreidimensionaler Information der einteiligen Komponente ferner die Ermittlung eines dreidimensionalen Modells der einteiligen Komponente (60), die mehrere Löcher (82) aufweist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung dreidimensionaler Information der einteiligen Komponente ferner die Ermittlung eines dreidimensionalen Modells der einteiligen Komponente (50), die mehrere Leitschaufeln (52, 54) aufweist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die einteilige Komponente ein Brennstoffverteiler (60) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die einteilige Komponente ein Luftverwirbler (50) ist.
Brennerkomponente (60, 50) mit einem Körper (61, 51) mit einem einteiligen Aufbau, wobei der Körper (61, 51) mittels eines Schnell-Fertigungsprozesses hergestellt ist.
Brennerkomponente (60, 50) nach Anspruch 11, wobei der Schnell-Fertigungsprozess ein Lasersinterprozess ist.
Brennerkomponente (60, 50) nach Anspruch 11, wobei der Schnell-Fertigungsprozess DMLS ist.
Brennerkomponente (60) nach Anspruch 11, wobei der Körper (61) einen Innenkanal (65) hat.
Brennerkomponente (60) nach Anspruch 11, wobei der Körper (61) eine Reihe von Löchern (82) hat.
Brennerkomponente (60) nach Anspruch 11, wobei die Komponente ein Brennstoffverteiler (60) ist.
Brennerkomponente (50) nach Anspruch 11, wobei die Komponente ein Luftverwirbler (50) ist.
Brennerkomponente (50) nach Anspruch 11, wobei die Komponente ein Luftverwirbler (50) mit wenigstens einer Rehe von Leitschaufeln (52) ist.
Brennerkomponente (60) nach Anspruch 11, wobei die Komponente eine Brennstoffdüsenkomponente (60) ist.
Brennerkomponente (60) nach Anspruch 19, wobei die Brennstoffdüsenkomponente ein Brennstoffverteiler (60) ist.
Brennerkomponente (60), aufweisend: einen Körper (61) mit einteiligem Aufbau; einen in dem Körper (61) angeordneten Brennstoffkanal (12), der im Wesentlichen in axialer Richtung ausgerichtet ist; einen in dem Körper (61) angeordneten Brennstoffflusspfad (62), der in einer Umfangsrichtung um eine Achse (11) ausgerichtet ist und mit dem Brennstoffkanal (12) in Strömungsverbindung steht; und wenigstens eine in dem Körper (61) in Strömungsverbindung mit dem Brennstoffflusspfad (62) so angeordnete Auslassöffnung (68), dass ein in den Brennstoffkanal (12) eintretender Brennstoff durch die Auslassöffnung (68) austritt.
Brennerkomponente (60) nach Anspruch 21, wobei der in den Brennstoffkanal (12) eintretende Brennstoff durch die Auslassöffnung (68) in eine Aussparung (68) in dem Körper (61) austritt.
Brennerkomponente (60) nach Anspruch 22, ferner aufweisend: einen Mittelkörper (70) mit einem einteiligen Aufbau mit dem Körper (61), wobei der Mittelkörper (70) eine ringförmige Wand (74) hat, die den Körper (61) umgibt, und eine Umfangsreihe von Öffnungen (71) hat, die mehreren in Umfangsrichtung um die Achse (11) angeordneten Auslassöffnungen (68) entsprechen.
Brennerkomponente (60) nach Anspruch 23, ferner aufweisend: wenigstens eine auf der Wand (74) angeordnete Umfangsreihe von Öffnungen (80), die in der Lage sind, einen kühlenden Luftstrom über einen Teil der Wand (74) strömen zu lassen.
Brennerkomponente (60) nach Anspruch 24, wobei die Öffnungen (80) Diffusorlöcher sind.
Brennerkomponente (60) nach Anspruch 21, ferner aufweisend: einen an einem Ende des Körpers (61) so angeordneten ringförmigen Hitzeschild (72), dass er den Körper (61) gegen eine axial hinter ihm befindliche Flamme abschirmen kann.
Brennerkomponente (60) nach Anspruch 26, wobei der Körper (61) eine Umfangsreihe von axialen Öffnungen (82) hat, die kühlende Luft zu dem Hitzeschild (72) strömen lassen können.
Brennstoffverteiler (60), aufweisend: einen Körper (61) mit einteiligem Aufbau; mehrere in dem Körper (61) befindliche Brennstoffkanäle (12, 14), die in einer im Wesentlichen axialen Richtung ausgerichtet sind und eine im Wesentlichen konstante Durchflussfläche haben; mehrere in dem Körper (61) befindliche Brennstoffflusspfade (62, 64), die in einer Umfangsrichtung um eine Achse (11) in Strömungsverbindung mit wenigstens einem von den Brennstoffkanälen (12, 14) ausgerichtet sind und eine Durchflussfläche haben, die in der Umfangsrichtung variiert; und mehrere in dem Körper (61) befindliche Auslassöffnungen (68) in Strömungsverbindung mit wenigstens einem von den mehreren Brennstoffflusspfaden (62, 64), die in Umfangsrichtung um die Achse (11) angeordnet sind, so dass ein in die Brennstoffkanäle (12, 14) eintretender Brennstoff durch die Auslassöffnungen (68) austritt.
Brennstoffverteiler (60) nach Anspruch 28, wobei der in den Kanal (12) eintretende Brennstoff durch die Auslassöffnungen (68) in mehrere Aussparungen (68) in dem Körper (61) austritt.
Brennstoffverteiler (60) nach Anspruch 28, ferner aufweisend: einen Mittelkörper (70) mit einteiligem Aufbau mit dem Körper (61), wobei der Mittelkörper (70) eine ringförmige Wand (74) hat, die den Körper (61) umgibt, und eine Umfangsreihe von den mehreren Auslassöffnungen (68) entsprechenden Öffnungen (71) hat.
Brennstoffverteiler (60) nach Anspruch 30, ferner aufweisend: wenigstens eine Umfangsreihe von auf der Wand (74) befindlichen Öffnungen (80), die kühlende Luft über einen Abschnitt der Wand (74) strömen lassen können.
Brennstoffverteiler (60) nach Anspruch 31, wobei die Öffnungen (80) Diffusorlöcher sind.
Brennstoffverteiler (60) nach Anspruch 28, ferner aufweisend: einen an einem Ende des Körpers (61) so angeordneten ringförmigen Hitzeschild (72), dass er den Körper (61) gegen eine axial hinter ihm befindliche Flamme abschirmen kann.
Brennstoffverteiler (60) nach Anspruch 33, wobei der Körper (61) eine Umfangsreihe von axialen Öffnungen (82) hat, die kühlende Luft zu dem Hitzeschild (72) strömen lassen können.
Brennstoffdüse (5), aufweisend: einen ringförmigen Brennstoffverteiler (60) mit einem einteiligen Aufbau und wenigstens einem Brennstoffkanal (12), der in einer im Wesentlichen axialen Richtung in einem Körper (61) ausgerichtet ist und wenigstens einen Brennstoffflusspfad (62) in dem Körper (61) in Strömungsverbindung mit dem Brennstoffkanal (12) und in einer Umfangsrichtung um eine Achse (11) ausgerichtet hat; einen ringförmigen Luftverwirbler (50), der sich radial innerhalb des einteiligen Brennstoffverteilers (60) befindet und einen in den Luftverwirbler (50) eintretenden Luftstrom verwirbeln kann; und einen sich radial innerhalb des ringförmigen Luftverwirblers (50) befindlichen Brennstoffinjektor (22), der einen Brennstoffstrom in eine Mischkammer (76) so injizieren kann, dass der Brennstoff und die Luft in der Mischkammer (76) vermischt werden.
Brennstoffdüse (5) nach Anspruch 35, ferner aufweisend: einen Mittelkörper (70) mit einem einteiligen Aufbau mit dem Körper (61), wobei der Mittelkörper (70) eine ringförmige Wand (74) hat, die den Körper (61) umgibt, und eine Umfangsreihe von Öffnungen (71) hat, die mehreren Auslassöffnungen (68) entsprechen, die sich in dem Körper (61) in Umfangsrichtung um die Achse (11) herum angeordnet befinden.
Brennstoffdüse (5) nach Anspruch 36, ferner aufweisend: wenigstens eine Umfangsreihe von auf der Wand (74) befindlichen Öffnungen (80), die kühlende Luft über einen Abschnitt der Wand (74) strömen lassen können.
Brennstoffdüse (5) nach Anspruch 37, wobei die Öffnungen (80) Diffusorlöcher sind.
Brennstoffdüse (5) nach Anspruch 35, ferner aufweisend: einen an einem Ende des Körpers (61) so angeordneten ringförmigen Hitzeschild (72), dass er in der Lage ist, den Körper (61) gegen eine axial hinter ihm befindliche Flamme abzuschirmen.
Brennstoffdüse (5) nach Anspruch 39, ferner aufweisend: wenigstens eine Reihe von auf dem Körper (62) befindlichen axialen Öffnungen (82), die kühlende Luft zu dem Hitzeschild (72) strömen lassen können.
Luftverwirbler (50), aufweisend: einen ringförmigen Körper (51); eine Reihe von auf dem ringförmigen Körper (51) befindlichen Außenleitschaufeln (54), die in Umfangsrichtung um eine Achse (11) angeordnet sind; eine Reihe von auf dem ringförmigen Körper (51) befindlichen Innenleitschaufeln (52), die in Umfangsrichtung um die Achse (11) angeordnet sind und sich radial innen von der Reihe der Außenleitschaufeln (54) befinden; und einen auf dem Körper (51) befindlichen ringförmigen Teiler (53), wobei der ringförmige Körper (51), die Reihe der Außenleitschaufeln (54) und die Reihe der Innenleitschaufeln (52) und der ringförmige Teiler (53) einen einteiligen Aufbau haben.