JP2011526974A - 流体を輸送するための単体導管および製造する方法 - Google Patents

流体を輸送するための単体導管および製造する方法 Download PDF

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Abstract

少なくとも１つの流路（１０８）を有する単体導管（１０５）の３次元情報を決定するステップと、各スライスが単体導管（１０５）の断面層を定義する複数のスライスに３次元情報を変換するステップと、レーザエネルギーを使用して金属粉末を溶解することによって単体導管（１０５）の各層を次々に形成するステップとを含む、単体導管（１０５）を製作する方法が開示される。本体（１０６）および流路（１０８）を含み、流路（１０８）および本体（１０６）が単体構造を有し、迅速製造プロセスを使用して製造される、単体導管（１０５）が開示される。別の実施形態では、単体導管（１０５）は、流路の断面形状が第１断面形状から第２断面形状へ変化する流路を有する。別の実施形態では、本体（１０６）の外側輪郭（１４０）は、流路（１０８）の内側輪郭（１４１）と一般的に適合する。別の実施形態では、流路（１０８）は、複数のサブ流路（１０９）に枝分かれする。
【選択図】図１０

Description

本発明は一般的に流体を輸送するための導管に関し、より詳細には、燃料をガスタービンエンジンで使用する燃料ノズルに輸送するための単体導管に関する。
タービンエンジンには典型的に、燃料をエンジンの燃焼器に供給するための複数の燃料ノズルが含まれる。燃料は、バーナの前端部で燃料ノズルから非常に細かい噴霧の状態で導入される。圧縮空気は燃料ノズルの周りを流れ、燃料と混合され、混合気を生じ、この混合気がバーナにより点火される。使用可能な燃料圧力が限定されており、所要の燃料流量の範囲が広いので、多くの燃料噴射器にはパイロットノズルおよび主ノズルが含まれ、始動中にはパイロットノズルのみが使用され、高出力作動中には両方のノズルが使用される。主ノズルへの流れは、始動中および低出力作動中には減少または停止する。このような噴射器は、特定の燃焼要求に合わせて、燃料流をより正確に制御し、燃料噴射をより正確に導くことができるので、シングルノズルの燃料噴射器より効率的かつ清浄に燃焼できる。パイロットノズルおよび主ノズルは、同じノズルアセンブリ内に収容することができ、または別のノズルアセンブリ内で支持することもできる。また、これらのデュアルノズル燃料噴射器は、デュアル燃焼器のために燃料をさらに制御することを可能にするように構成することができ、さらに高い燃料効率と有害な放出物の削減をもたらす。点火した混合気の温度は３５００°Ｆ（１９２０°Ｃ）より高く達する可能性がある。したがって、燃料供給導管、流路および分配システムは、実質的に漏れがなく、炎および熱から保護されていることが重要である。
長い間継続的にタービンエンジンの作動中の高温に曝露されると、導管および燃料ノズルに熱応力が誘発される場合があり、これは導管および燃料ノズルを損傷するおそれがあり、かつ導管および燃料ノズルの作動に悪影響を与えるおそれがある。たとえば、熱応力は、導管内の燃料流の減少を引き起こす場合があり、タービンエンジン内の過剰燃料の不均等分配につながる場合がある。さらに、長い間継続的に損傷した燃料ノズルで作動すると、タービンの効率性が減少し、タービン構成部品が損傷し、および／またはエンジン排ガス温度マージンが減少することになるおそれがある。
タービンエンジン内に設置した燃料ノズルのライフサイクルを改善すると、タービンエンジンの寿命を延長することができる。知られている燃料ノズルには、送達システムおよび支持システムが含まれる。流体を輸送するための導管を含む送達システムは、燃料をタービンエンジンに送達し、支持システムによって、タービンエンジン内で支持され、遮蔽される。より詳細には、知られている支持システムは送達システムを囲み、したがって、燃料ノズルを介して流れる流体によって冷却される送達システムより高い温度に曝され、高い作動温度を有する。外側および内側の輪郭および厚さを設定することで、導管および燃料ノズルの熱応力を減少させることができる。
たとえば、燃料ノズルならびにその関連した導管などの、従来のガスタービンエンジン構成部品は、一般的に、製作および／または修理するのは高価である。というのは、燃料を輸送するための複雑な導管を有する従来の燃料ノズル設計には、複雑なアセンブリ、および３０点を超える構成部品の接合が含まれるので。より詳細には、ろう接継手を使用すると、当該構成部品を製作するのに必要な時間が増加することがあり、また、ろう付け合金の配置を可能にする適正な領域の必要性、不要なろう付け合金が流れるのを最小化する必要性、ろう付け品質を検証するための許容される検査技術の必要性、前のろう接継手を再溶融することを防ぐために使用可能ないくつかのろう付け合金を有する必要性を含めて、いくつかの理由のいずれかのために製作プロセスが複雑になることがある。さらに、多数のろう接継手は、構成部品の母材を脆弱にし得る、いくつかのろう付けの流れ（braze run）をもたらす場合がある。多数のろう接継手が存在することで、構成部品の重量および製造コストを増加する場合があり、好ましくない。
したがって、漏れの可能性および前述の他の望ましくない影響を低減するための単体構造を有する、たとえば、燃料ノズルのための燃料供給導管などの、流体を輸送するための導管を有することが望ましいであろう。コストを削減し、組立てが容易なように、単体構造を有する複雑な形状を備えた流体供給導管を有することが望ましい。燃料ノズルのための燃料供給導管などの、流体を輸送するための複雑な３次元形状を有する、単体導管を製造する方法を有することが望ましい。
上記必要性（１つまたは複数）は、単体導管を製作する方法であって、少なくとも１つの流路を有する単体導管の３次元情報を決定するステップと、各スライスが単体導管の断面層を定義する複数のスライスに３次元情報を変換するステップと、レーザエネルギーを使用して金属粉末を溶解することによって単体導管の各層を次々に形成するステップとを含む、単体導管を製作する方法を提供する例示的実施形態によって満たすことができる。本発明の別の態様では、本体および流路を含む単体導管であって、流路および本体が単体構造を有し、迅速製造プロセスを使用して製造される単体導管が開示される。別の実施形態では、単体導管１０５は、断面形状が第１断面形状から第２断面形状に変化する流路を有する。別の実施形態では、本体１０６の外側輪郭１４０は、一般的に流路１０８の内側輪郭１４１に適合する。別の実施形態では、流路１０８は、複数のサブ通路１０９に枝分かれする。
本発明とみなされる主題は、本明細書の結びの部分で特に指摘され、明確に特許請求されている。しかし、本発明は、添付図面と共に以下の記述を参照すれば最もよく理解できる。
ハイバイパスターボファンのガスタービンエンジンの概略図である。 本発明の例示的実施形態による単体導管を有する燃料ディストリビュータの等角図である。 図２に示した単体導管の横軸断面図である。 本発明の代替例示的実施形態による単体導管を有する燃料ディストリビュータの等角図である。 図４に示した単体導管の横軸断面図である。 本発明の別の代替例示的実施形態による単体導管を有する燃料ディストリビュータの等角図である。 図６に示した単体導管の入口端部近くの横軸断面図である。 図６に示した単体導管の中間位置での横軸断面図である。 図６に示した単体導管の出口端部近くの横軸断面図である。 本発明の別の例示的実施形態による単体導管の等角縦軸断面図である。 本発明の例示的実施形態による単体導管を有する例示的燃料ノズルの等角図である。 図１１に示した例示的燃料ノズルの部分的等角断面図である。 図１１に示した例示的燃料ノズルの部分的等角断面図である。 単体導管を製作する方法の例示的実施形態を示す流れ図である。
次に、図を通して同じ番号が同じ要素を示す図面を詳細に参照すると、図１は、液体燃料を燃料噴射器へ輸送するための単体導管の例示的実施形態を内蔵する例示的ガスタービンエンジン１０（ハイバイパスタイプ）を略図形式で示す。例示的ガスタービンエンジン１０は、参照目的のためにそこを通る軸方向中心線軸１２を有する。エンジン１０には望ましくは、全体として数字１４で識別されるコアガスタービンエンジンおよびそこから上流に配置されるファンセクション１６が含まれる。コアエンジン１４には典型的に、環状入口２０を画定する、全体としてチューブ状の外側ケーシング１８が含まれる。外側ケーシング１８は、コアエンジン１４に入る空気の圧力を第１圧力レベルまで上昇させるために、ブースタ２２をさらに囲み、支持する。高圧の多段式軸流圧縮器２４は、ブースタ２２から圧縮空気を受け、空気の圧力をさらに増加させる。圧縮空気は燃焼器２６に流れ、そこで、燃料が圧縮空気の流れに注入され、点火し、圧縮空気の温度およびエネルギーレベルを上昇させる。高エネルギー燃焼生成物は、第１（高圧）ドライブシャフト３０を介して高圧圧縮器２４を駆動するために、燃焼器２６から第１（高圧）タービン２８に流れ、次に、第１ドライブシャフト３０と同軸である第２（低圧）ドライブシャフト３４を介してブースタ２２およびファンセクション１６を駆動するために第２（低圧）タービン３２に流れる。タービン２８と３２のそれぞれを駆動した後、燃焼生成物は、排気ノズル３６を介してコアエンジン１４から離れ、エンジン１０のジェット推進スラストの少なくとも一部を提供する。
ファンセクション１６には、環状ファンケーシング４０に囲まれた回転可能な軸流ファンロータ３８が含まれる。ファンケーシング４０が、複数の実質的に半径方向に延びる、周方向で離間された出口ガイドベーン４２によって、コアエンジン１４から支持されていることが理解されるであろう。このようにして、ファンケーシング４０は、ファンロータ３８およびファンローターブレード４４を囲む。ファンケーシング４０の下流セクション４６は、コアエンジン１４の外側部分の上に延び、追加のジェット推進スラストを提供する２次的、またはバイパス空気流導管４８を画定する。
流れの観点から、矢印５０で表示される初期空気流が、入口５２を介しファンケーシング４０まで、ガスタービンエンジン１０に入ることが理解されるであろう。空気流５０はファンブレード４４を通過し、導管４８を介して移動する第１圧縮空気流（矢印５４により表示）と、ブースタ２２に入る第２圧縮空気流（矢印５６により表示）とに２つに分かれる。
第２圧縮空気流５６の圧力は増加し、矢印５８により表示されるように、高圧圧縮器２４に入る。燃料と混合し、燃焼器２６で燃焼した後、燃焼生成物６０は燃焼器２６から出て、第１タービン２８を介して流れる。次に、燃焼生成物６０は、第２タービン３２を介して流れ、排気ノズル３６から出て、ガスタービンエンジン１０のスラストの少なくとも一部を提供する。
燃焼器２６には、縦軸１２、ならびに入口６４および出口６６と同軸である環状燃焼室６２が含まれる。上記のように、燃焼器２６は高圧圧縮器排出出口６９からの圧縮空気の環状の流れを受ける。この圧縮器排出空気の一部は、混合器（図示せず）内に流入する。燃料は燃料ノズル先端部アセンブリから注入され、空気と混合し、混合気を形成し、この混合気が燃焼のために燃焼室６２に送られる。混合気の点火は適正な点火装置により達成され、結果として生じる燃焼ガス６０は、環状の、第１段タービンノズル７２に向かって軸方向に流れ、その中へ入る。ノズル７２は、ガスが角度をなして流れ、第１タービン２８の第１段タービンブレードに作用するように、ガスを回転させる複数の半径方向に延びる、周方向で離間されたノズルベーン７４を含む、環状流路により画定される。図１に示したように、第１タービン２８は望ましくは、第１ドライブシャフト３０を介して高圧圧縮器２４を回転させる。低圧タービン３２は望ましくは、第２ドライブシャフト３４を介してブースタ２４およびファンロータ３８を駆動する。
燃焼室６２はエンジン外側ケーシング１８内に収容される。燃料は、たとえば図１１、１２および１３に示したような燃料ノズルにより燃焼室に供給される。液体燃料は、たとえば図２、４、６および１０に示したような単体導管１０５（すなわち、単体構造を有する導管）を介して輸送される。単体導管１０５は、ステム１０２内に位置し、燃料ディストリビュータ先端部１９０に結合してよい。パイロット燃料および主燃料は、従来の手段を使用して、燃料ノズル先端部アセンブリによって燃焼器２６に噴霧される。タービンエンジンの作動中、当初、パイロット燃料は、始動およびアイドリング運転などの所定のエンジン作動状態の間、パイロット燃料通路１５３（たとえば、図１０参照）を介して供給される。パイロット燃料は、パイロット燃料出口１６２を介して、燃料ディストリビュータ先端部１９０から排出される。追加出力が要求されるとき、主燃料が主燃料通路１５１、１５２（たとえば、図１０参照）を介して供給され、主燃料は主燃料出口１６１を使用して噴射される。
図２〜１０は、流体を輸送するための単体導管１０５の本発明の例示的実施形態を示す。用語「単体」は、本明細書に記載の導管１０５などの関連構成部品が、製造中に一体成形として製造されることを意味するために、本出願では使用される。したがって、単体構成部品は、構成部品全体に一体式構造を有しており、結合されて単一構成部品を形成する複数の構成部品部分品で製造される構成部品とは異なる。
図２は、本発明の例示的実施形態による単体導管１０５を有する燃料ディストリビュータ１００の等角図を示す。図２に示した例示的燃料ディストリビュータ１００は、単体導管１０５およびディストリビュータ先端部１９０を含む。単体導管１０５およびディストリビュータ先端部１９０は、以降に本明細書に記載する方法を使用して製造される、図２に示したような単体構造を有してよい。あるいは、燃料ディストリビュータ１００は、ディストリビュータ先端部１９０と単体導管１０５を個別に製造し、ディストリビュータ先端部１９０が単体導管１０５と流れ連通するように、適正な従来の接続手段を使用してそれらを結合することによって製作してもよい。
図２〜１０に示したように、単体導管１０５は本体１０６内に位置する１つまたは複数の流路１０８を含む。単体導管１０５は入口端部１１１および出口端部１１２を有する。流体は入口端部１１１で導管１０５に入り、出口端部１１２に向かって縦方向１０１に流れ、出口端部１１２で導管１０５から出る。図３は、図２に示した例示的単体導管の横軸断面図を示す。図２に示したように、単体導管１０５は外側輪郭１４０と、本体１０６内に位置する多数の流路１０８を有する本体１０６を含む。流路は断面形状１２０および内側輪郭１４１を有する。図３に示した例示的実施形態では、４つの通路があり、それぞれが円形断面形状を有する。図２に示したように、流路は異なる寸法を有してよい。たとえば、図２に示した例示的実施形態では、２つの外側に位置する通路１５５、１５７はパイロット燃料流路であり、２つの内側の通路１５１、１５２は、燃料ディストリビュータ１００に使用する主燃料流路である。それぞれの流路１０８は、たとえば、流路１０８の内側輪郭１４１を本体１０６の外側輪郭１４０から分離する、品目１１４として示したような、壁を有する。本体１０６内に隣接して位置する流路１０８は、たとえば、品目１１６として示したような、分離壁によって相互に分離されている。図２および３に示した例示的実施形態では、主流路１５１、１５２はそれぞれ約０．０６０インチ（約０．１５２ｃｍ）と０．１５０インチ（約０．３８１ｃｍ）の間の直径を有し、パイロット流路１５５、１５７はそれぞれ約０．０４０インチ（約０．１０２ｃｍ）と０．１５０インチ（約０．３８１ｃｍ）の間の直径を有する。壁１１４は、約０．０２０インチ（約０．０５１ｃｍ）と０．０６０インチ（約０．１５２ｃｍ）の間の厚さを有する。分離壁１１６は約０．０２０インチ（約０．０５１ｃｍ）と０．０６０インチ（約０．１５２ｃｍ）の間の厚さを有する。
円形断面は通常、製造上の要件に基づき、流路で選択されてきた。しかし、たとえば熱応力に曝される燃料回路におけるなど、特定の場合には、非円形断面を有する流路１１８を有することは有利である。流路１０８の内側部分および本体１０６の外側輪郭１４０を適正に輪郭を形作ることによって、流路１０８の応力集中を軽減することができる。流路１０８は円形（図３参照）であってもよいし、楕円形（図５）であってもよい。円形通路であれば、縦は短いが、幅が広くなるであろう。楕円形通路であれば、幅は狭いが、縦が長くなるであろう。幅が狭くなると、単体導管１０５の供給部分でより可撓性をもたらし、本体１０６の熱応力の軽減を促進する。図４は、本発明の代替例示的実施形態による単体導管１０５を有する燃料ディストリビュータの等角図であり、そこでは流路１１８は非円形断面形状１２１を有する。図５は、図４に示した単体導管１０５の横軸断面図を示す。各流路１１８の内側輪郭１４１は円形、非円形、または円形と非円形の適正な組合せであるように選択することができる。図５は、円形輪郭を備えた１つの流路と、非円形輪郭１４１を備えた３つの流路１１８とを有する単体導管１０５の例示的実施形態を示す。各流路１１８は、その内側輪郭１４１を本体１０６の外側輪郭１４０から分離する壁１１４を有する。本体１０６内に隣接して位置する流路１１８は、分離壁１１６により相互に分離される。図５に示した例示的実施形態では、非円形流路１１８は、約０．００４平方インチ（約０．０２６ｃｍ２）と０．０１８平方インチ（約０．１１６ｃｍ２）の間の断面積を有し、円形パイロット流路は、約０．００５平方インチ（約０．０３２３ｃｍ２）の断面積を有する。壁１１４は、約０．０２０インチ（約０．０５１ｃｍ）と０．０６０インチ（約０．１５２ｃｍ）の間の厚さを有する。分離壁１１６は、約０．０２０インチ（約０．０５１ｃｍ）と０．０６０インチ（約０．１５２ｃｍ）の間の厚さを有する。
図２〜５に示した単体導管１０５の例示的実施形態では、流路１０８の断面形状１２０、１２１は単体導管１０５の入口端部１１１から出口端部１１２まで実質的に一定を維持する。同様に、各流路１０８の断面積は、単体導管１０５の入口端部１１１から出口端部１１２まで実質的に一定であってよい。あるいは、流路１０８の断面積は、燃料ノズルのディストリビュータ先端部１９０内で適正な流量特性を達成するように、単体導管１０５の入口端部１１１から出口端部１１２まで、望ましくは実質的に一様に変化してもよい。たとえば、入口端部１１１と出口端部１１２の間で、望ましくは実質的に一様に流量範囲を減少することにより、単体導管１０５内のいくつかの流路１０８の流体を加速することが可能である。
いくつかの用途では、入口端部１１１と出口端部１１２の間で、単体導管１０５の流路１０８の内側輪郭１４１および断面積を変化させることが有利である。図６〜９は、入口端部１１１近くの第１断面形状１３１および出口端部１１２近くの第２断面形状１３２を有する、４つの流路１０８を有する単体導管１０５の例示的実施形態を示す。断面形状１４１は、入口端部１１１近くの第１断面形状１３１と出口端部１１２近くの第２断面形状１３２の間で実質的に一様に変化する。図７〜９は、入口端部１１１近く、出口端部１１２のところ、および入口端部１１１と出口端部１１２の間の中間位置での、単体導管１０５の横軸断面を示す。図７〜９に示すように、第１断面形状１３１は、４つの通路１０８のそれぞれが円形である。出口端部１１２近くの第２断面形状１３２は、流路のうち３つは非円形であり、第４通路（パイロット通路１５３）は円形のままである。図８は、中間位置での断面を示し、３つの流路１１８について円形断面から非円形断面への変化を示す。
断面形状１３１、１３２を変化させるのに加えて、熱応力および重量を減少させるために単体導管１０５の壁１１４および分離壁１１６の厚さを変化させることが有利である場合がある。たとえば、単体導管１０５は、単体導管１０５の熱応力を減少させるために、入口端部１１１近くのバルブろう付け領域からのより厚い部分から、ディストリビュータ先端部１９０近くに位置する出口端部１１２近くのより薄い部分へ変化してよい。燃料通路１０８の壁の厚さ１１４は、図７に示すように重量を減少させるために、特定の断面で実質的に一定に維持してよい。あるいは、特定の断面では、本体１０６の外側輪郭１４０および流路１０８の壁の厚さ１１４は、図５に示すように、右端と左端の流路の間で平坦な外側表面を獲得するように輪郭を形作ってよい。断面位置における熱応力プロファイルに基づいて、単体導管１０５の異なった断面位置で、上記の手段の組合せを有することが有利である場合もある。単体導管１０５の断面および外側輪郭１４０は、本体１０６（図７〜９参照）の通路の形状に概して適合するように成形してよい、またはそれらは滑らかな外側表面（図３、５参照）を有するように成形してよい。単体導管１０５の燃料ノズル用途では、下記のように、パイロット供給導管を介して流れる燃料が、本体１０６および導管本体内に位置する流体通路を冷却し、熱応力の減少を促進するように、１つまたは複数のパイロット供給導管を位置することは可能である。
図１０は、燃料ノズルの液体燃料を輸送するために使用する例示的単体導管１０５の部分的断面等角図である。例示的実施形態では、単体導管１０５には、燃料ノズル内への主燃料通路として役割を果たす本体１０６内に位置する流路１０８と、本体１０６内で延びるパイロット燃料通路１５３とが含まれる。パイロット燃料通路１５３からの燃料は、パイロット供給チューブ１５４により燃料ノズル内に導かれ、パイロット燃料出口１６２を介して出る。いくつかの単体導管１０５では、たとえば図１０に示したように、２つ以上のサブ通路１０９、１１０に枝分かれする流路１０８を有することは有利である。単体導管１０５を燃料ノズルに適用するために図１０に示したように、流路１０８は第１主通路１５１と第２主通路１５２に枝分かれする。液体燃料は主通路入口１２６を介してノズル内に供給され、流路１０８に入る。次に、燃料流は２つの流れに枝分かれし、一方は第１主通路１５１を介し、他方は第２主通路１５２を介して、その後ディストリビュータ先端部１９０に入る。図１０に示したように、主燃料通路１０８、サブ通路１５１、１５２、およびパイロット燃料通路１５３は、入口端部１１１と出口端部１１２の間で、本体１０６で一般的に縦方向１０１に軸に沿って延びる。
本明細書に記載のように単体導管１０５を有し、ガスタービンエンジン燃料ノズルで使用される、例示的燃料ディストリビュータ１００が、図１１〜１３に示してある。例示的実施形態では、単体導管１０５は、ガスタービンエンジン１０に搭載するためのフランジ１６０を有する、ステム１０２内に位置する。単体導管１０５は、ステムの内側と、単体導管１０５の本体１０６との間に隙間１０７ができるように、ステム１０２内に位置する。隙間１０７は、熱、およびガスタービンエンジンの燃料ノズルを囲む他の悪環境条件から、単体導管１０５を絶縁する。単体導管１０５の追加冷却は、隙間１０７内の循環空気により達成される。単体導管１０５は、ろう付けなどの従来の接続手段を使用してステム１０２に接続される。あるいは、単体導管１０５およびステム１０２は、たとえば、本明細書に記載の、直接レーザ金属焼結のように、迅速製造方法により製造されてよい。例示的実施形態では、燃料ディストリビュータ先端部１９０は、主燃料通路（第１主通路１５１および第２主通路１５２）ならびにパイロット燃料通路１５３が、たとえば図１３に示したように、燃料ディストリビュータ先端部１９０と流れ連通して結合するように、単体導管１０５およびステム１０２から延びる。詳細には、主燃料通路１５１、１５２は、燃料ディストリビュータ先端部１９０内で画定された主燃料回路に、流れ連通して結合される。同様に、１次パイロット通路１５５および２次パイロット通路１５７は、燃料ノズル内に内向きに半径方向に配置された、対応するパイロット噴射器（図示せず）と流れ連通して結合される。
図２〜３に示した単体導管１０５の例示的実施形態、および図４〜１３に示した単体導管１０５の代替実施形態は、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、レーザネットシェープ製造（ＬＮＳＭ）、電子ビーム焼結および他の製造で知られているプロセスなどの、迅速製造プロセスを使用して製造できる。ＤＭＬＳは、本明細書に記載の燃料ディストリビュータ６０、１６０およびスワーラ５０などの単体燃料ノズル構成部品を製造する好ましい方法である。
図１４は、本明細書に記載の単体導管１０５を製作する方法２００の例示的実施形態を説明する流れ図である。方法２００には、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）を使用して単体導管１０５（図２〜１３に図示）を製作するステップが含まれる。ＤＭＬＳは、構成部品の３次元情報、たとえば、３次元コンピュータモデルを使用して金属構成部品を製作する、知られている製造プロセスである。３次元情報は複数のスライスに変換され、各スライスは所定の高さのスライスの構成部品の断面を定義する。次に、構成部品は、完了するまで、スライスごとに、または層ごとに、「ビルドアップ」される。構成部品の各層は、レーザを使用して金属粉末を溶解することで形成される。
したがって、方法２００には、単体導管１０５の３次元情報を決定するステップ２０５と、各スライスが単体導管１０５の断面層を定義する複数のスライスに３次元情報を変換するステップ２１０とが含まれる。次に、単体導管１０５は、ＤＭＬＳを使用して製作され、またはより詳細には、各層が、レーザエネルギーを使用して金属粉末を溶解することにより２１５で次々に形成される。各層は約０．０００５インチ（約０．００１３ｃｍ）と約０．００１インチ（約０．００２５ｃｍ）の間の寸法を有する。単体導管１０５は、任意の適正なレーザ焼結機械を使用して製作してよい。適正なレーザ焼結機械の例には、限定はされないが、ミシガン州ＮｏｖｉのＥＯＳ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ、Ｉｎｃ．から入手可能なＥＯＳＩＮＴ．ＲＴＭ．Ｍ２７０ＤＭＬＳマシン、ＰＨＥＮＩＸ ＰＭ２５０マシン、および／またはＥＯＳＩＮＴ．ＲＴＭ．Ｍ ２５０ Ｘｔｅｎｄｅｄ ＤＭＬＳマシンが含まれる。単体燃料ノズル構成部品５０、６０、１６０を製作するのに使用する金属粉末は、望ましくは、コバルトクロムを含む粉末であるが、限定はされないが、ＨＳ１８８およびＩＮＣＯ６２５などの、任意の他の適正な金属粉末であってよい。金属粉末は、約１０ミクロンと７４ミクロンの間の粒径を有することができるが、望ましくは約１５ミクロンと約３０ミクロンの間である。
単体導管１０５を製造する方法は、好ましい方法としてＤＭＬＳを使用すると本明細書には記載されているが、層ごとの構築または追加製作を使用する任意の他の適正な迅速製造方法も使用できることは、当業者には理解されよう。これら代替の迅速製造方法には、限定はされないが、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、インクジェットおよびレーサジェットなどによる３Ｄ印刷、ステレオリトグラフィ（ＳＬＳ）、直接選択的レーザ焼結（ＤＳＬＳ）、電子ビーム焼結（ＥＢＳ）、電子ビーム溶解（ＥＢＭ）、レーザ技術ネットシェープ法（ＬＥＮＳ）、レーザネットシェープ製造（ＬＮＳＭ）および直接金属堆積（ＤＭＤ）が含まれる。
タービンエンジン（図１１〜１３参照）の燃料ディストリビュータ１００のための単体導管１０５は、知られている燃料ノズルより、含まれる構成部品および継手が少ない。詳細には、上記単体導管１０５は、たとえば、本明細書の図２〜１３に品目１０８、１１８、１５５、１５７、１５１および１５２として示した１つまたは複数の流路を有する一体形本体１０６を使用するので、必要とする構成部品がより少ない。結果として、記載の燃料ディストリビュータ１００は、知られている燃料ディストリビュータに対し、より軽く、よりコストがかからない代替を提供する。さらに、記載の単体導管１０５は、知られている導管と比較して、漏れまたは故障の機会が少なくなり、より容易に修理が可能になる。
本明細書で使用されるように、単数形で列挙され又は数詞がないステップは、複数を除外することが明確に説明されていない限り、複数の前記要素またはステップを除外しないと理解されるべきである。本明細書に記載および／または例示した単体ベンチュリ５００、６００の要素／構成部品／ステップなどを導入するとき、数詞がないことや「前記」などの冠詞は、１つまたは複数の要素／構成部品／などがあることを意味することを意図する。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」および「ｈａｖｉｎｇ（有する）」は包括的であり、列挙した要素／構成部品／など以外に追加の要素／構成部品／などがあり得ることを意味することを意図する。さらに、本発明の「一実施形態」に言及することは、列挙した特徴も組み込む追加の実施形態が存在することを除外すると解釈されることは意図していない。
本明細書に記載の方法および単体導管１０５は、液体燃料をタービンエンジンに供給することとの関連で記載されているが、本明細書に記載の単体導管１０５およびその製造の方法は、燃料ディストリビュータまたはタービンエンジンに限定されないことは理解されたい。描かれた単体導管１０５または燃料ディストリビュータ１００の構成部品は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定はされず、むしろ、これらは本明細書に記載の他の構成部品と独立して、個別に利用できる。
本書は、最良の形態を含み、本発明を開示するために、また当業者が本発明を製造および使用できるようにするために、例示を使用するものである。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が気付く他の例示も含まれる場合がある。このような他の例示は、その例示が本特許請求の範囲の文言上の用語と異ならない構造要素を有する場合、またはその例示が本特許請求の範囲の文言上の用語とごくわずかな差異を伴う等価の構造要素を含む場合は、本特許請求の範囲内にあることを意図するものである。
１０ タービンエンジン
１１ ディストリビュータ軸
１２ 軸方向中心線軸
１６ ファンセクション
１８ 外側ケーシング
２０ 環状入口
２２ ブースタ
２４ 多段式軸流圧縮器
２６ 燃焼器
２８ タービン
３０ ドライブシャフト
３２ タービン
３４ ドライブシャフト
３６ 排気ノズル
３８ 軸流ファンロータ
４０ 環状ファンケーシング
４２ ガイドベーン
４４ ファンブレード
４６ 下流セクション
４８ 導管
５０ 空気流／スワーラ
５２ 入口
５４ 空気流
５６ 空気流
５８ 空気流
６０ 燃焼生成物／燃焼ガス／燃料ディストリビュータ
６２ 燃焼室
６４ 入口
６６ 出口
６８ ノズル先端部アセンブリ
６９ 出口
７２ タービンノズル
７４ ノズルベーン
１００ ディストリビュータ
１０１ 縦方向
１０２ ステム
１０５ 単体導管
１０６ 本体
１０７ 隙間
１０８ 流路
１０９ サブ通路
１１０ サブ通路
１１１ 入口端部
１１２ 出口端部
１１４ 壁
１１６ 分離壁
１１８ 流路
１２０ 断面形状
１２１ 断面形状
１２６ 主通路入口
１３１ 断面形状
１３２ 断面形状
１４０ 外側輪郭
１４１ 内側輪郭
１５１ 主燃料通路／流路
１５２ 主燃料通路／流路
１５３ パイロット燃料通路
１５４ パイロット供給チューブ
１５５ 通路／流路
１５７ 通路／流路
１６０ フランジ／燃料ディストリビュータ
１６１ 主燃料出口
１６２ パイロット燃料出口
１６３ パイロット燃料噴射器
１９０ 燃料ディストリビュータ先端部
３００ ディストリビュータ
３０１ ディストリビュータリング本体
３０２ 主流路
３０３ 主流路
３０４ 主流路
３０５ 主流路
３０６ 壁
３０７ 入口部
３０８ 主流出口通路
３０９ 燃料噴射
３１０ 燃料ポスト
３１２ 熱シールド
３１４ 熱シールド
３１６ 絶縁用隙間
３１７ 流体流れ方向
３１８ 流体流れ方向
４０１ パイロット入口
４０２ パイロット流路
４０３ 流入路
４０４ パイロット流路
４０５ 流出路
４０６ パイロット燃料の流れ方向
５０２ パイロット流路
５０３ 流入路
５０４ パイロット流路
５０５ パイロット流流出路
５０６ パイロット燃料の流れ方向
５０７ パイロット入口部
５１６ 絶縁用隙間
５６３ パイロット燃料噴射器
６０１ ディストリビュータリング本体
６０２ パイロット流路
６０３ 主流路
６０４ 主流路
６１０ 燃料ポスト
６１１ 熱シールド
６１２ 前方熱シールド部
６１４ 後方熱シールド部
６１６ 絶縁用隙間
６５４ パイロット供給チューブ
６６１ 主燃料出口
６６３ パイロット噴射器
６７０ 環状リング
６７２ 環状リング壁
６７４ スロット
６８０ 冷却孔

Claims (27)

  1. 流体を輸送するための単体導管（１０５）であって、
    外側輪郭（１４０）を有する本体（１０６）と、
    前記本体（１０６）内に位置し、内側輪郭（１４１）、入口端部（１１１）および出口端部（１１２）を有する流路（１０８）であって、前記本体（１０６）の前記外側輪郭（１４０）が一般的に前記流路（１０８）の前記内側輪郭（１４１）に適合する、流路（１０８）とを含み、
    前記流路（１０８）および前記本体（１０６）が単体構造を有する、単体導管（１０５）。
  2. 前記本体（１０６）内に位置する複数の流路（１０８）をさらに含む、請求項１記載の単体導管（１０５）。
  3. 前記複数の流路（１０８）が厚さを有する少なくとも１つの分離壁（１１６）によって相互に分離される、請求項２記載の単体導管（１０５）。
  4. 前記分離壁（１１６）の厚さが縦方向（１０１）に沿って変化する、請求項３記載の単体導管（１０５）。
  5. 前記流路（１０８）が、前記入口端部（１１１）近くの第１断面形状（１３１）および前記出口端部（１１２）近くの第２断面形状（１３２）を有する、請求項１記載の単体導管（１０５）。
  6. 前記流路（１０８）の前記断面形状が、前記入口端部（１１１）近くの前記第１断面形状（１３１）から、前記出口端部（１１２）近くの前記第２断面形状（１３２）に実質的に一様に変化する、請求項５記載の単体導管（１０５）。
  7. 前記第１断面形状（１３１）が実質的に円形であり、前記第２断面形状（１３２）が実質的に非円形である、請求項５記載の単体導管（１０５）。
  8. 単体導管（１０５）を製作する方法であって、
    少なくとも１つの流路（１０８）を有する前記単体導管（１０５）の３次元情報を決定するステップと、
    各スライスが前記単体導管（１０５）の断面層を定義する複数のスライスに３次元情報を変換するステップと、
    レーザエネルギーを使用して金属粉末を溶解することによって前記単体導管（１０５）の各層を次々に形成するステップとを含む、方法。
  9. 前記単体導管（１０５）の３次元情報を決定するステップが、前記単体導管（１０５）の３次元モデルを決定するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
  10. レーザエネルギーを使用して金属粉末を溶解することによって前記単体導管（１０５）の各層を次々に形成するステップが、コバルトクロム、ＨＳ１８８およびＩＮＣＯ６２５の少なくとも１つを含む粉末を溶解するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
  11. レーザエネルギーを使用して金属粉末を溶解することによって前記単体導管の各層を次々に形成するステップが、約１０ミクロンと約７５ミクロンの間の粒径を有する金属粉末を溶解するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
  12. レーザエネルギーを使用して金属粉末を溶解することによって前記単体導管の各層を次々に形成するステップが、約１５ミクロンと約３０ミクロンの間の粒径を有する金属粉末を溶解するステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
  13. 前記単体導管（１０５）の３次元情報を決定するステップが、複数の流路（１０８）を有する前記単体導管（１０５）の３次元モデルを決定するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
  14. 前記単体導管（１０５）の３次元情報を決定するステップが、複数のサブ通路（１０９）に枝分かれする流路（１０８）を有する前記単体導管（１０５）の３次元モデルを決定するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
  15. 前記単体導管（１０５）の３次元情報を決定するステップが、少なくとも１つの分離壁（１１６）によって相互に分離される複数の流路を有する前記導管（１０５）の３次元モデルを決定するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
  16. 前記単体導管（１０５）が、入口端部（１１１）から出口端部（１１２）まで変化する断面形状（１２０）を有する流路（１０８）を含む、請求項８記載の方法。
  17. 前記単体導管（１０５）が、入口端部（１１１）から出口端部（１１２）まで実質的に一定である断面形状（１２０）を有する流路（１０８）を含む、請求項８記載の方法。
  18. 本体（１０６）および前記本体（１０６）内に位置する流路（１０８）を含み、前記流路（１０８）が入口端部（１１１）および出口端部（１１２）を有し、前記流路（１０８）および前記本体（１０６）が単体構造を有する、単体導管（１０５）であって、迅速製造プロセスを使用して製造される、単体導管（１０５）。
  19. 前記迅速製造プロセスがレーザ焼結プロセスである、請求項１８記載の単体導管（１０５）。
  20. 前記迅速製造プロセスがＤＭＬＳである、請求項１８記載の単体導管（１０５）。
  21. 前記本体（１０６）内に位置する複数の流路（１０８）をさらに含む、請求項１８記載の単体導管（１０５）。
  22. 前記流路（１０８）が内側輪郭（１４１）を有し、前記本体が、一般的に前記内側輪郭（１４１）に適合する外側輪郭（１４０）を有する、請求項１８記載の単体導管（１０５）。
  23. 前記流路（１０８）が流れ方向で一点に集まる、請求項１８記載の単体導管（１０５）。
  24. 少なくとも１つの分離壁（１１６）により分離される複数の流路（１０８）をさらに含む、請求項１８記載の単体導管（１０５）。
  25. 前記分離壁（１１６）の厚さが縦方向（１０１）に沿って変化する、請求項２４記載の単体導管（１０５）。
  26. 前記流路（１０８）が前記入口端部（１１１）近くの第１断面形状（１３１）、および前記出口端部（１１２）近くの第２断面形状（１３２）を有する、請求項１８記載の単体導管（１０５）。
  27. 前記流路（１０８）の断面形状が、前記入口端部（１１１）近くの前記第１断面形状（１３１）から前記出口端部近くの前記第２断面形状（１３２）へ実質的に一様に変化する、請求項２６記載の単体導管（１０５）。
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