JP2011526995A - 補修可能燃料ノズル及び補修方法 - Google Patents

Abstract

パイロット組立体（８０８）を形成する段階と、補修穴（８０１）内に据え付ける段階と、一次アダプタ（８２０）がパイロット流路（１０２）及びパイロット組立体（８０８）と流れ連通しているように一次アダプタ（８２０）を補修穴（８０１）に挿入する段階と、一次アダプタ（８２０）を分配器（３００）及び新しいパイロット組立体（８０８）に結合する段階とを含む、燃料ノズル（１００）を補修する方法が開示される。燃料流を燃料分配器（３００）の少なくとも１つの流路（１０２）から燃料スワーラ（６０３）を含むパイロット組立体（８０８）に配向するように構成されたアダプタ（８２０）を含む、補修可能燃料ノズル（１００）が開示される。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、総括的には、ガスタービンエンジンに用いる燃料ノズルに関し、より具体的には、補修可能燃料ノズル、構成要素、及び燃料ノズル構成要素及び組立体を補修する方法に関する。

タービンエンジンは、典型的には、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を含む。燃料は、燃料ノズルから高度に霧化された噴霧状態でバーナの前端に導入される。加圧空気は、燃料ノズルの周囲を流れ、燃料と混合して燃料空気混合物を形成し、これがバーナによって点火される。燃料圧力可用性が限定的であること、及び広い範囲の燃料流量が必要とされることに起因して、多くの燃料噴射装置はパイロットノズル及び主ノズルを含み、始動中はパイロットノズルのみを用いて、より高出力の運転中に両方のノズルを用いる。始動時及び低出力運転中には、主ノズルへの流量は減少又は停止される。このような噴射装置は、燃料流量がより正確に制御され、特定の燃焼器要件に対して燃料噴霧をより正確に配向できるので、単一ノズル燃料噴射装置よりも効率的且つクリーンな燃焼にすることができる。パイロット及び主ノズルは、この同じノズル組立体内に含めることができ、或いは別個のノズル組立体で支持することができる。これらの二重ノズル燃料噴射装置はまた、二重燃焼器に対する燃料の更なる制御を可能にするように構成することができ、燃料効率の改善及び有害エミッションの低減を更に向上させることができる。点火燃料空気混合物の温度は、３５００°Ｆ（１９２０℃）を超える温度に達する可能性がある。従って、燃料供給導管、流路及び分配システムは実質的に漏れがなく、火炎及び熱から保護されることが重要である。

米国特許公開第２００８／０３１４８７８Ａ１号公報 米国特許公開第２００８／０１８２０１７号公報

長期間にわたってタービンエンジン作動中に連続して高温に曝されると、導管及び燃料ノズル構成要素に温度勾配及び応力が誘起される場合があり、これは、導管又は燃料ノズル構成要素に損傷を与え、燃料ノズルの作動に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、温度勾配は、導管において燃料流量の減少を引き起こし、タービンエンジン内での過度の燃料不均衡配分を招く場合がある。導管及び燃料ノズルのオリフィスを貫流する燃料の高温への曝露は、燃料のコーキングを生じ、閉塞及び不均一流につながる可能性がある。低エミッションをもたらすために、最新の燃料ノズルは、複数の別個の火炎ゾーンを生成するために多くの複雑な内部空気及び燃料回路を必要とする。燃料回路は、コーキングを阻止するために内部空気からの熱シールドを必要とすることがあり、特定の燃料ノズル構成要素は、冷却及び燃焼ガスからの遮蔽を必要とする場合がある。熱伝達及び冷却を促進するために、追加の特徴部を燃料ノズル構成要素に設けることが必要な場合がある。更に、長期間にわたると、損傷を受けた燃料ノズルによる連続作動は、タービン効率の低下、タービン構成要素の障害、及び／又はエンジン排気ガス温度マージンの減少をもたらす可能性がある。

タービンエンジン内に据え付けられた燃料ノズルの製品寿命が向上すると、タービンエンジンの寿命を延ばすことができる。公知の燃料ノズルは、送達システム、混合システム、及び支持システムを含む。流体を移送する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支持され、タービンエンジン内で遮蔽される。より具体的には、公知の支持システムは、送達システムを囲み、従ってより高温に曝され、燃料ノズルを貫流する流体により冷却される送達システムよりも高い作動温度を有する。導管及び燃料ノズルの外部及び内部輪郭並びに厚さを構成することによって、これらの熱応力を低減することが可能である。一部の公知の従来燃料ノズルは、２２個のろう付け継手と３つの溶接継手とを有する。このような従来の燃料ノズルの組立及び補修は時間がかかり、困難且つ高価である。

空気と燃料を移送、分配及び混合するための複雑なスワーラ、導管及び分配回路並びにベンチュリを有する従来の燃料ノズル設計は、３０よりも多くの構成要素の複雑な組立及び接合を含むので、例えば、燃料ノズル及びこれらの関連するスワーラ、導管、分配システム、ベンチュリ並びに混合システムなどの従来のガスタービンエンジン構成要素は、一般に、製作及び／又は補修するのが高価である。より具体的には、ろう付け継手の使用は、ろう付け合金を配置できる十分な領域を必要とすること、不要なろう付け合金流を最小限にすることが必要なこと、ろう付け品質を検証するために許容可能な検査技術を必要とすること、及び以前のろう付け継手の再溶融を阻止するために複数のろう付け合金を用意する必要があることを含む幾つかの理由の何れによっても、このような構成要素を製作する所要時間が増大し、また、製作プロセスが複雑になる可能性がある。更に、多数のろう付け継手は、構成要素の母材を脆弱にする可能性がある複数のろう付け流出を生じる場合がある。Ｔｗｉｎ Ａｎｎｕｌａｒ Ｐｒｅ Ｓｗｉｒｌ（ＴＡＰＳ）ノズルのような最新の燃料ノズルは、緊密エンベロープ内に多くの構成要素及びろう付け継手を有する。多数のろう付け継手が存在することは、望ましくないことに、構成要素及び組立体の補修、組立、並びに検査の重量及びコストを増大させる可能性がある。

損傷を受けた従来の燃料ノズルの補修は、通常困難であり、損傷した構成要素を取り除くための燃料ノズル組立体構成要素の分解を伴う。燃料ノズル組立体は、通常、幾つかのろう付け継手及び溶接継手を有する。従来、熱シールドのような損傷を受けた燃料ノズル構成要素は、過剰な金属を損傷を受けた区域内に溶接し且つ金属を機械加工して適切な形状を形成することによって、或いは、損傷を受けた区域を切り取り、損傷区域への溶接又は補強により切り取られた材料と新しい材料片を置き換えることによって補修される。しかしながら、このような手法は、高価であり、ベンチュリのようなノズル構成要素の燃料湿潤区域に望ましくない段階を導入することにより性能低下が生じる。レーザクラッディングのような他の公知の製造法は、形成又は補修される部品において、下にある基板又は以前に溶接した材料に対して溶融層への不完全な融合から生じる欠陥及び介在物をもたらすことが多い。これらの欠陥及び介在物は、多くの場合、形成又は補修部品の複雑な幾何学形状と関連付けられる。

従って、上述の熱曝露による望ましくない影響を低減するために、構造体を熱から保護するための特徴を有する補修可能燃料ノズルを有することが望ましいことになる。コストを低減する特徴部、並びに補修及び再組立を容易にすると同時に有害な熱環境から保護し潜在的漏出を減少する特徴部を備えた補修可能燃料ノズル組立体を有することが望ましい。

ガスタービンエンジンにおける漏出の可能性が低い補修可能燃料ノズルに用いるため、（例えば、熱シールドを備えたベンチュリなど）複雑な３次元幾何学形状を有する構成要素の補修方法を有することが望ましい。燃料ノズル組立体から構成要素を分解する必要なしに構成要素を補修する方法を有することが望ましい。経済的で且つ柔軟性のある補修方法を有することが望ましい。

上述の１つ又は複数の必要性は、燃料ノズル１００を補修する方法を提供する例示的な実施形態によって対処され、該方法は、パイロット組立体８０８を形成する段階と、補修穴８０１内に据え付ける段階と、一次アダプタ８２０がパイロット流路１０２及びパイロット組立体８０８と流れ連通しているように一次アダプタ８２０を補修穴８０１に挿入する段階と、一次アダプタ８２０を分配器３００及び新しいパイロット組立体８０８に結合する段階と、を含む。

本発明と見なされる主題は、本明細書の結論部分において特に指摘され、請求項において明確に記載される。しかしながら、本発明は、添付図面と共に以下の説明を参照することにより最も良く理解することができる。

本発明の例示的な実施形態による例示的な補修可能燃料ノズルの部分断面図。 図１に示す例示的な補修可能燃料ノズルの先端領域の軸方向断面図。 本発明の１つの態様による単体構造構成要素を製作するための方法の例示的な実施形態を示すフローチャート。 燃料ノズルを補修する方法の本発明の１つの態様の例示的な実施形態を示すフローチャート。 一部の構成要素が穿孔された例示的な燃料ノズルの先端領域の軸方向断面図。 ろう付け溝を有する例示的な燃料スワーラの平面図。 例示的な一次パイロット組立体の軸方向断面図。 流れ試験用の試験装置上に置かれた例示的な新しいパイロット組立体の軸方向断面図。 新しいパイロット組立体のＸ線検査の概略図。 新しいパイロット組立体におけるろう付け溝へのろう付けワイヤ組み付けの概略図。 補修部品として再組立中の例示的な燃料ノズルの先端領域の軸方向断面図。 例示的な一次アダプタ及びろう付けワイヤの軸方向断面図。 補修の部品として再組立中の例示的な燃料ノズルの先端領域の軸方向断面図。 補修後の例示的な燃料ノズルの先端領域の軸方向断面図。 例示的な損傷を有する例示的なベンチュリの等角図。 損傷を受けた熱シールドを補修する例示的な方法を示すフローチャート。 損傷ベンチュリの側面図とベンチュリから取り除かれた熱シールドの損傷部分の部分断面図。 本発明の例示的な方法によって補修された損傷を受けたベンチュリ熱シールドの側面図。 本発明の例示的な方法によって半径方向に補修された損傷を受けたベンチュリ熱シールドの側面図。

ガスタービンエンジンは、エンジン外側ケーシング内に収容された燃焼室を有する。燃料は、例えば、図１及び２に示すような燃料ノズルによって燃焼室に供給される。液体燃料は、例えば、図１に示すようなステム８３内の導管８０を通って燃料ノズル先端組立体６８に移送される。単体構造を有する導管は、液体燃料を燃料ノズルの燃料ノズル先端組立体６８に移送するのに用いることができる。燃料供給導管は、ステム８３内に位置付けられ、燃料分配器先端１８０に結合することができる。パイロット燃料及び主燃料は、例えば、図１及び２に示すような燃料ノズル先端組立体６８によって燃焼機内に噴霧される。タービンエンジンの作動時には、始動及びアイドル運転中などの所定のエンジン作動条件中に、最初にパイロット燃料が、例えば図２のアイテム１０２、１０４として示すようなパイロット燃料流路を通って供給される。パイロット燃料は、パイロット燃料出口１６２、１６４を通って燃料分配器先端１８０から放出される。追加の出力が要求されると、主燃料が主燃料通路１０５（図２参照）を通って供給され、該主燃料は、主燃料出口１６５を用いて噴霧される。

図１は、燃料ノズル先端６８において液体燃料を移送するのに用いる単体構造導管８０を有する例示的な燃料ノズル１００の部分断面等角図である。例示的な実施形態では、単体構造導管８０は、導管内に位置付けられた１つ又はそれよりも多い流路を含む。流路からの燃料は、パイロット供給管１５４（図１参照）によって燃料ノズル先端６８に配向され、パイロット燃料出口１６２を通って流出する。一部の単体構造導管８０では、導管内で２つ又はそれよりも多いサブ通路に分岐される流路を有することが有利である。

図１及び２には、本明細書に記載される単体構造導管８０を有し、ガスタービンエンジン燃料ノズルで用いられる例示的な補修可能燃料ノズル１００が示される。例示的な実施形態では、単体構造導管８０は、ガスタービンエンジン１０を監視するためのフランジ８１を有するステム８３内に位置付けられる。単体構造導管８０は、ステムの内部と単体構造導管８０の導管本体８０との間にギャップ７７があるように、ステム８３内に位置付けられる。ギャップ７７は、ガスタービンエンジンの燃料ノズルを囲む熱及び他の悪環境条件から単体構造導管８０を隔離する。単体構造導管８０の付加的な冷却は、ギャップ７７内の空気を循環させることによって達成することができる。単体構造導管８０は、ろう付けのような従来の取付手段を用いてステム８３に取り付けられる。代替として、単体構造導管８０及びステム８３は、例えば、本明細書に記載される直接レーザ金属焼結のような、迅速製造方法で作ることができる。本明細書に図示され記載される補修可能燃料ノズル１００の例示的な実施形態では、燃料分配器先端６８は、単体構造導管８０及びステム８３から延びて、主燃料通路及びパイロット燃料通路が、例えば本明細書の図に示すような燃料分配器３００と流れ連通して結合されるようにする。導管８０及び分配器リング１７１は、単体構造導管（すなわち、単体構造を有するもの）として本明細書で記載してきたが、当該技術分野で公知の方法を用いて他の好適な製造構造を有する導管８０を用いることができる点は、当業者には明らかであろう。単体分配器リング１７１は、ろう付けのような従来の取付手段を用いてステム８３に取り付けられる。代替として、単体分配器リング１７１及びステム８３は、例えば、本明細書に記載された直接レーザ金属焼結のような迅速製造方法により作ることができる。

図２及び１４は、図１、２及び１４に示す例示的な補修可能燃料ノズル１００の例示的なノズル先端組立体６８の軸方向断面図を示す。例示的なノズル先端組立体６８は、前述のような供給導管８０から燃料流を受け取る分配器３００を含み、主燃料通路及びパイロット燃料通路のような燃料ノズル先端６８の種々の場所に燃料を分配する。図２及び１４は、燃料ノズル先端組立体６８に燃料を分配する２つのパイロット流路１０２、１０４を有する本発明の例示的な実施形態を示す。

図２及び１４に示す例示的な分配器３００は、本明細書に記載された主流路及びパイロット流路を含む分配器リング本体１７１を備える。分配器３００の主流路１０５は、供給導管８０の対応する主流路と流れ連通している。本明細書に図示され記載された例示的な主燃料通路は各々、燃料流を供給導管８０からノズル先端軸１１の周りで円周方向に位置付けられる２つの弓形部分１０５に移送する入口部分を備える。

本出願において用語「単体構造」とは、例えば、本明細書に記載されたベンチュリ５００などの関連する構成要素が、製造時に単一片として作られることを示すのに用いられる。従って、単体構造構成要素は、構成要素としてモノリシック構造を有する。

図２及び１４は、補修可能燃料ノズル１００の本発明の例示的な実施形態における例示的なノズル先端６８の軸方向断面を示す。図２及び１４に示す例示的な燃料ノズル先端６８は、２つのパイロット燃料流路を有し、本明細書では一次パイロット流路１０２及び二次パイロット流路１０４と呼ばれる。図４を参照すると、一次パイロット流路１０２からの燃料は、一次パイロット燃料噴射装置１６３を通って燃料ノズルから流出し、二次パイロット流路１０４からの燃料は、二次パイロット燃料噴射装置１６７（図１４参照）を通って燃料ノズルから流出する。分配器リング１７１の一次パイロット流路１０２は、ステム８３内に収容された供給導管８０内の対応するパイロット一次通路と流れ連通している。同様に、分配器リング１７１内の二次パイロット流路１０４は、ステム８３内に収容された供給導管内の対応するパイロット二次通路８０と流れ連通している。

前述のように、ガスタービンエンジンで用いるような燃料ノズルは高温に曝される。このような高温への曝露は、場合によっては、例えば、出口通路１６４のような燃料通路において燃料コーキング及び閉塞を生じる。分配器リング１７１における燃料コーキング及び／又は閉塞を軽減する１つの方法は、熱シールドを用いることによって有害な熱環境から通路（図１４に示すアイテム１０２、１０４、１０５のような）を保護することである。図１４に示す例示的な実施形態では、燃料導管１０２、１０４、１０５は、これらの導管を少なくとも部分的に囲むギャップ１１６及び熱シールドによって保護される。ギャップ１１６は、有害な熱環境から隔離することによって燃料通路に対する保護を提供する。図示の例示的な実施形態では、絶縁ギャップ１１６は、約０．０１５インチから０．０２５インチの幅を有する。本明細書に記載されたような熱シールドは、例えば、通常、ガスタービンエンジンで一般的に用いられるコバルト基合金及びニッケル基合金のような、高温に耐える能力を有するあらゆる好適な材料から作ることができる。図１４に示す例示的な実施形態では、分配器リング１７１は、単体構造を有し、ここで、分配器リング１７１、流路１０２、１０４、１０５、燃料出口１６５、熱シールド及びギャップ１１６は、本明細書に記載されるようなＤＭＬＳプロセスを用いて作られたモノリシック構造を有するように形成される。

図２及び１４は、本発明の例示的な実施形態による例示的な補修可能燃料ノズル１００の内側に組み立てられたスワーラ２００を示す。例示的なスワーラ２００は、スワーラ軸１１の周囲に円周方向に延びるハブ２０５を有する本体２０１を含む。ハブ２０５から延びるベーン２０８の列は、ノズル先端軸１１の周囲にハブ２０５上の円周方向に配列される。各ベーン２０８は、ハブ２０５の付近に半径方向に位置付けられた根元部分と、ハブ２０５から半径方向外向きに位置付けられた先端部分とを有する。各ベーン２０８は、根元部分と先端部分との間に延びる前縁及び後縁を有する。ベーン２０８は、例えば、前縁と後縁との間に翼形部形状のような好適な形状を有する。隣接するベーンは、スワーラ２００に流入する空気（図２のアイテム１９０として示すＣＤＰ空気など）を通過させるための流路を形成する。ベーン２０８は、軸１１に対して半径方向及び軸方向の両方に傾斜し、スワーラ２００に入る流入空気１９０に運動の回転成分を与えることができる。これらの傾斜したスワーラベーン２０８は、燃料ノズル先端組立体６８内でほぼ螺旋状に空気１９０を旋回させる。スワーラ２００の１つの態様では、ベーン２０８は、根元部分とハブとの間に延びて、スワーラハブ領域において滑らかな空気の流れを容易にするフィレットを有する。本明細書に示す例示的な実施形態では、ベーン２０８は、カンチレバー型の支持体を有し、基本的にベーン先端部分無しでハブ２０５上の根元部分にて構造的に支持される。一部の代替のスワーラ設計では、これらの先端領域にあるベーン２０８の少なくとも一部に付加的な構造的支持体を設けることもできる。スワーラ２００の別の態様では、凹部がベーンの先端部分上に設けられる。補修可能燃料ノズル１００の組立中に、凹部は、補修可能燃料ノズル１００内の隣接する構成要素と係合し、例えば、図２及び１４に示すような軸方向にこれらを配向する。

図示２及び１４に示す例示的なスワーラ２００は、ベーン２０８の円周方向列から軸方向後方に位置付けられたアダプタ２５０を含む。アダプタ２５０は、例えば、ターボファンエンジンにおける圧縮機吐出から出るＣＤＰ空気流のような空気流１９０を送るための流路２５４を形成する弓形壁２５６（図２参照）を含む。流入空気１９０は、アダプタ２５０の通路２５４に入り、スワーラ２００のベーン２０８の列に向かって軸方向前方に流れる。アダプタ２５０はまた、図１４に示すようにノズル先端組立体６８にスワーラ２００を装着するための手段として機能する。図１４に示す例示的な実施形態では、アダプタ２５０は、例えば、燃料ノズルステム８３のような別の構造体にアダプタ２５０を取り付けるのに用いられるろう付け材料を受け取る弓形溝２５２を含む。弓形壁２５６内のろう付け溝２５２は、従来の機械加工法を用いて形成するのが困難な複雑な３次元幾何学形状を有する。本発明の１つの態様では、複雑な３次元幾何学形状を有する弓形壁２５６の溝は、本明細書において後で記載される製造方法を用いて、単体構造を有するように一体的に形成される。好ましい実施形態では、アダプタ２５０、本体２０１、ハブ２０５及びベーン２０８は、本明細書に記載された製造方法を用いた単体構造を有する。代替として、アダプタ２５０は、別個に製造され、従来の取付手段を用いて本体２０１に取り付けることができる。

燃焼器及び燃料ノズル領域に流入する圧縮機吐出空気１９０（図２参照）が極めて高温であり、８００°Ｆを超える温度を有することは、燃焼器及び燃料ノズル応用では一般的である。このような高温は、例えば、燃料流路１０２、１０４、スワーラ２００及びベンチュリ５００のような燃料ノズル１００の内部構成要素の一部においてコーキング又は他の熱的誘起障害を引き起こす可能性がある。高温の空気１９０また、例えば、燃料噴射装置１６３と分配器リング本体１７１（図１４参照）との間などの内部ろう付け継手を脆弱にする可能性がある。本発明の１つの態様では、絶縁ギャップ２１６は、スワーラ２００の本体２０１内に設けられ、補修可能燃料ノズル１００及びその内部の構成要素（一次燃料噴射装置１６３又は二次燃料噴射装置１６７など）に流れる空気からの熱伝達を低下させる。図１４のアイテム１１６及び２１６のような絶縁ギャップは、エンジン作動中に燃料ノズル組立体のろう付け継手の温度を低下させるのに役立つ。絶縁ギャップ２１６は、図１４に示すように環状とすることができる。また、公知の熱伝達分析に基づく他の好適な構成を用いてもよい。図１４に示す例示的な実施形態では、絶縁ギャップは、スワーラ本体２０１内で少なくとも部分的に延びる環状であり、約０．０１５インチから約０．０２５インチのギャップ半径方向幅を有する。本発明の１つの態様では、絶縁ギャップ２１６は、本明細書で以下で記載される製造方法を用いて単体構造を有するようにスワーラ本体２０１と一体的に形成することができる。本明細書に記載されたような一体的に形成されたろう付け溝は複雑な輪郭を有し、予成形ろう付けリングを据え付けて組立を容易にできるようにすることができる。

図２を参照すると、アダプタ通路２５４から流入する空気流１９０は、ベーン２０８に入るときに円周方向に均一でないことは当業者には明らかである。この不均一性は更に、壁２６０の存在によって強化される。従来のスワーラでは、このような流れの不均一性によって、燃料及び空気の混合の不均一を引き起こし、不均一な燃焼温度を生じる可能性がある。補修可能燃料ノズル１００の本発明の１つの態様では、円周方向に不均一な流れが流入することによる悪影響は、円周方向に隣接するベーンとは異なる幾何学形状を有するスワーラベーン２０８を有することによって最小限にすることができる。カスタマイズされたスワーラベーン２０８の幾何学形状は、公知の流体流分析法に基づいてハブ２０５上の各円周方向場所に対して選択することができる。異なる円周方向場所に位置付けられたベーン２０８に対して異なる幾何学形状を有するスワーラは、単体構造を有し、本明細書で記載された製造方法を用いて作ることができる。

図２及び１４は、本発明の例示的な実施形態による例示的なベンチュリ５００を示す。例示的なベンチュリ５００は、空気及び燃料の一部分が混合される混合キャビティ５５０を形成するノズル先端軸１１の周囲に環状のベンチュリ壁５０２を備える。環状ベンチュリ壁は、軸方向及び円周方向にあらゆる好適な形状を有することができる。軸方向前方方向の空気／燃料混合物の膨張を可能にする円錐形（例えば、図１４に示すような）が好ましい。ベンチュリ壁５０２は、ノズル先端組立体６８の組立中にろう付け材料を受け取ることを可能にする半径方向外側部上に位置付けられた少なくとも１つの溝５０４（図１８参照）を有する。図１８に示す例示的な実施形態では、軸方向前方端部付近の一方の溝５６４と、軸方向前方端部と軸方向後方端部との間の中間場所付近の別の溝５０４の２つの環状溝５０４、５６４が示される。溝５０４は、従来の機械加工法を用いて形成することができる。代替として、溝５０４は、ベンチュリ壁５０２が、本明細書に記載されたように単体構造構成要素を製造する方法７００（図３参照）などを用いて形成されるときに一体的に形成することができる。本発明の別の態様では、ベンチュリ５００は、ベンチュリ壁５０２の軸方向後方端部に位置付けられたリップ５１８（或いは、本明細書ではドリップリップ５１８と呼ばれる）を含む。ドリップリップ５１８は、ベンチュリ壁５０２の内面５０３に沿って流れる液体燃料粒子が壁５０２から分離し、引き続き軸方向後方に流れるような幾何学形状（図１８参照）を有する。

図２及び１４に示すように、ベンチュリ５００の例示的な実施形態は、環状ベンチュリ壁５０２から半径方向内向きに位置付けられ、軸１１の周りに同軸に位置付けられた環状スプリッタ壁５３２を有する環状スプリッタ５３０を含む。スプリッタ５３０の半径方向外面５３３及びベンチュリ壁５０２の半径方向内面５０３は、環状旋回空気通路５３４を形成する。スプリッタ壁５３２の前方部分は、例えば、燃料ノズル先端組立体６８の組立中に図１４にアイテム２０８として示すような隣接する構成要素とのベンチュリ５００の接合を容易にする凹部（図１４参照）を有する。

図２及び１４に示すベンチュリ５００の例示的な実施形態は、スワーラ５１０を含む。スワーラ５１０は、本発明の他の代替の実施形態においてベンチュリ５００の軸方向前方部分に位置付けられるように図１４に示されるが、ベンチュリ５００内の他の軸方向場所に位置付けてもよい。スワーラ５１０は、ベンチュリ壁５０２と環状スプリッタ５３０との間に半径方向内向きに延びる複数のベーン５０８を含む。複数のベーン５０８は、軸１１の周囲に円周方向に配列される。

図２及び１４を参照すると、図示されるスワーラ５１０の例示的な実施形態では、各ベーン５０８は、スプリッタの付近に半径方向に位置付けられた根元部分と、ベンチュリ壁５０２の付近に半径方向に位置付けられた先端部分とを有する。各ベーン５０８は、根元部分と先端部分との間に延びる前縁及び後縁を有する。ベーン５０８は、例えば、前縁と後縁との間に翼形部形状のような好適な形状を有する。円周方向に隣接するベーン５０８は、スワーラ５１０に流入する空気（図２のアイテム１９０として示されるＣＤＰ空気など）を通過させるための流路を形成する。ベーン５０８は、軸１１に対して半径方向及び軸方向の両方に傾斜し、スワーラ５１０に入る流入空気１９０に対して運動の回転成分を与えることができる。これらの傾斜したベーン５０８は、ベーン５００内でほぼ螺旋状に空気１９０を旋回させる。本発明の１つの態様では、ベーン５０８は、ベーンの根元部分とスプリッタ壁との間に延びるフィレットを有する。フィレットは、スワーラ内で及び旋回空気の通過において滑らかな空気の流れを促進する。フィレットは、スワーラにおいて滑らかな空気の流れを促進するように設計された滑らかな輪郭形状を有する。特定のベーン５０８に対する輪郭形状及び配向は、流体流分析の公知の方法を用いて設計される。好適なフィレット輪郭を有するフィレットはまた、ベーンの先端部分とベンチュリ壁５０２との間に用いることができる。本明細書で図２及び１４に示すベンチュリ５００の例示的な実施形態では、ベーン５０８は、根元部分及び先端部分の両方の付近で支持される。一部の代替のベンチュリ設計では、カンチレバー型の支持体を有するベーンを含むスワーラを有することも可能であり、ここでベーンは、基本的に他方の端部が無く、一方の端部のみで構造的に支持される。ベンチュリ５００は、例えば、ＣｏＣｒ、ＨＳ１８８、Ｎ２及びＮ５のようなニッケル又はコバルト基超合金など、高温環境下で作動できる公知の材料から製造することができる。

ベンチュリ５００は、補修可能燃料ノズル１００における燃料／空気混合物の点火による火炎及び熱から、燃料ノズル先端組立体６８（図２及び１４参照）におけるベンチュリ及び他の構成要素を保護するための熱シールド５４０を含む。図２及び１４に示す例示的な熱シールド５４０は、軸１１の周囲に環状形状を有し、ベンチュリ５００の軸方向後方端部５１９付近でスワーラ５１０から軸方向後方に位置付けられる。熱シールド５４０は、スワーラ軸１１から半径方向外向きに延びる環状壁５４２を有する。環状壁５４２は、補修可能燃料ノズル１００におけるベンチュリ５００及び他の構成要素を２５００°Ｆから４０００°Ｆの範囲の温度を有する燃料／空気混合物の点火による火炎及び熱から保護する。熱シールド５４０は、高温に耐えることができる好適な材料から作られる。例えば、ＣｏＣｒ、ＨＳ１８８、Ｎ２及びＮ５のような材料を用いることができる。本明細書に示す例示的な実施形態では、熱シールド５４０は、ＣｏＣｒ材料から作られ、０．０３０インチから０．０６０インチの厚さを有する。本発明の他の実施形態では、熱シールド５４０は、ベンチュリ壁５０２又はスワーラ５１０のようなベンチュリの他の部分とは異なる材料から製造することができる。

図２、１４及び１８に示す例示的なベンチュリ５００は、熱シールド５４０の冷却を強化してその作動温度を低下させる特定の設計特徴を有する。例示的なベンチュリ５００は、ベンチュリ壁５０２と熱シールド５４０との間に延びる少なくとも１つのスロット５４４を含む。図２及び１４に示すベンチュリ５００の好ましい例示的な実施形態は、ベンチュリ壁５０２と熱シールド５４０との間に延びる複数のスロット５４４を含み、ここでスロット５４４は、スワーラ軸１１の周囲に円周方向に配列される。スロット５４４は、燃料導管とベンチュリ壁５０２（図１４参照）との間のキャビティを貫流する空気を冷却するための出口通路を設ける。各スロット５４４の軸方向に配向された部分に流入する冷却空気は、スロット５４４の半径方向に配向された部分に再配向され、ほぼ半径方向でスロット５４４から熱シールドの環状壁５４２の側面上に出る。本発明の別の態様では、例示的なベンチュリ５００は、熱シールド５４０上に位置付けられて、軸１１の周囲の熱シールド壁５４２の軸方向前方側面上に円周方向に配列された複数のバンプ５４６を含む。これらのバンプ５４６は、付加的な熱伝達区域を提供し、熱シールド５４０からこれに配向された冷却空気への熱伝達を増大させ、これによって熱シールド５４０の作動温度を低下させる。図１４に示す例示的な実施形態では、バンプ５４６は、４つの円周方向列に配列され、各列は１００から１２０のバンプを有する。

図２及び１４を参照すると、ベンチュリ５００のスワーラ５１０に流入する空気流１９０の一部分は、場合によっては、ベーン５０８間の通路に入るときに円周方向に均一でなくてもよい点は当業者には明らかである。この不均一性は、例えば、壁２６０（図１４参照）のような他の特徴が存在することによって更に強化される。従来のベンチュリでは、流れのこのような不均一性は、ベンチュリの燃料及び空気の混合に不均一さを引き起こし、不均一な燃焼温度を招く可能性がある。本発明の１つの態様では、円周方向に不均一な流れが流入する悪影響は、円周方向に隣接するベーンのものとは異なる幾何学形状を有する一部のスワーラベーン５０８を含むスワーラ５１０を有することによって最小限にすることができる。カスタマイズされたスワーラベーン５０８の幾何学形状は、公知の流体流分析法に基づいて各円周方向場所に対して選択することができる。異なる円周方向場所に位置付けられたベーン５０８に対して異なる幾何学形状を備えたスワーラを有するベンチュリ５００は単体構造を有し、本明細書で記載された製造方法を用いて作ることができる。

本明細書に示す補修可能燃料ノズル１００の例示的な実施形態は、環状中央本体４５０を含む。中央本体４５０は、図１４に示すような補修可能燃料ノズル１００の組立条件において、分配器３００の前方部分を囲み且つ空気流のための環状通路４６２を形成する環状外壁４６１を含む。燃料ノズル１００を冷却するための給送空気流は、中央本体外壁４６１と分配器３００との間の空気流路４１２に入り、燃料ポスト１６５を通過して流れ、分配器３００、中央本体４５０及び燃料オリフィス並びに燃料ポスト１６５の冷却を促進する。外壁４６１は、燃料ポスト１６５の円周方向列を成したオリフィスに対応して、円周方向に配列された複数の開口４６３を有する。燃料ポスト１６５から排出された燃料は、開口４６３を通って燃料ノズル１００から出る。例示的な燃料ノズル１００では、燃料パージ増強のために中央本体４５０の壁４６１の外側側面上の主燃料噴射部位にある開口４６３付近にスカーフが設けられる。図１４に示すような一部の実施形態では、外壁４６１の内径と燃料ポスト１６５の外側端との間に小さなギャップ４６４を有することが可能である。図１４に示す例示的な実施形態では、このギャップは、約０．０００インチから約０．０１０インチに及ぶ。

図２及び１４に示す例示的な実施形態では、中央本体壁４６１は、開口４５６の１つ又はそれよりも多い円周方向列を介して補修可能燃料ノズル１００に流入する給送空気流の一部を通過する多孔冷却システムによって冷却される。中央本体の多孔冷却システムは、典型的には、開口４５６の１つから４つの列を用いることができる。開口４５６は、実質的に一定の直径を有することができる。代替として、開口４５６は、可変の断面積を有するディフューザ開口とすることができる。図１４に示す例示的な実施形態では、中央本体４５０は、開口４５６の３つの円周方向列を有し、各列は、６０から８０の開口を有し、各開口は、約．０２０インチから０．０３０インチまで変化する直径を有する。図１４に示すように、開口４５６は、中央本体外壁４６１内に軸方向、半径方向及び接線方向の複雑な向きを有することができる。熱シールド５４０のような補修可能燃料ノズル１００の他の部品に冷却空気流を配向するために、中央本体壁４６１において円周方向に配列された冷却孔４５７の付加的な列が設けられる。図２及び１４に示す例示的な実施形態では、補修可能燃料ノズル１００は、ベンチュリ５４０の一方の端部に位置付けられた環状熱シールド５４０を含む。熱シールド５４０は、燃焼器において燃焼中に形成された火炎から補修可能燃料ノズル１００構成要素を遮蔽する。熱シールド５４０は、図１４に示すような軸方向の配向を有し、冷却空気を熱シールド５４０に衝突するように配向する孔４５７の１つ又はそれよりも多い円周方向列によって冷却される。本明細書に記載された例示的な燃料ノズル１００では、孔４５７は、典型的には５０から７０の孔を有する円周方向に列を成して配列された少なくとも０．０２０インチの直径を有し、孔サイズは、好ましくは約０．０２６インチから約０．０３０インチの間である。中央本体４５０は、例えば、ＣｏＣｒ、ＨＳ１８８、Ｎ２及びＮ５のようなニッケル又はコバルト基超合金など、高温環境下で作動することができる公知の材料から製造することができる。中央本体４５０内の冷却孔４５６、４５７、開口４６３及びスカーフ４５２、４５４は、公知の製造法を用いて作ることができる。代替として、中央本体のこれらの特徴は、好ましくは、図３に図示し本明細書に記載されるＤＭＬＳ法など、本明細書に記載された単体構造構成要素の製造法を用いて一体的に作ることができる。本発明の別の実施形態では、図１４に示すアイテム５４０に類似した熱シールドは、ＤＭＬＳ法を用いて中央本体４５０を備えた単体構造を有するように一体的に作ることができる。本発明の別の実施形態では、中央本体４５０、ベンチュリ５００、及び図１４に示すアイテム５４０と類似した熱シールドは、ＤＭＬＳ法を用いて単体構造を有するように一体的に作ることができる。

本明細書に記載された補修可能燃料ノズル１００の例示的な実施形態は、例えば、単体構造導管８０／分配器３００、単体スワーラ２００、単体ベンチュリ５００及び単体中央本体４５０のような一部の単体構造構成要素を含むことができる。燃料ノズル１００に用いるこのような単体構造構成要素は、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）、電子ビーム焼結、及び他の公知の製造プロセスなど、迅速製造プロセスを用いて作ることができる。ＤＭＬＳは、例えば、本明細書に記載された単体構造導管８０／分配器３００、単体スワーラ２００、単体ベンチュリ５００、及び単体中央本体４５０など、補修可能燃料ノズル１００に用いる単体構造構成要素を製造する好ましい方法である。

図３は、例えば、図２及び１４にアイテム８０、２００、３００、４５０及び５００として図示され、本明細書で記載されるような補修可能燃料ノズル１００用の単体構造要素の製造方法７００の例示的な実施形態を示すフローチャートである。製造方法７００は、例証として単体構造構成要素８０、２００、３００、４５０及び５００を用いて以下で説明されるが、この方法、段階、手順、その他は、これらの構成要素の別の例示的な実施形態にも適用される。方法７００は、例えば、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）を用いてベンチュリ５００のような補修可能燃料ノズル１００で用いる単体構造構成要素を製作する段階を含む。ＤＭＬＳは、構成要素の３次元情報（例えば、３次元コンピュータモデル）を用いて金属構成要素を製作する公知の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、スライスの所定の高さに対して構成要素の断面を定める。次に、構成要素は、仕上げまでスライス毎又は層毎に「積層」される。構成要素の各層は、レーザを用いて金属粉体を融合することによって形成される。

従って、方法７００は、補修可能燃料ノズル１００の特定の単体構造構成要素８０、２００、３００、４５０、５００の３次元情報を決定する段階７０５と、３次元情報を、単体構造構成要素の断面層を各々定める複数のスライスに変換する段階７１０とを含む。次に、段階７１５において、単体構造構成要素８０、２００、３００、４５０、５００は、ＤＭＬＳを用いて製作され、すなわち、より具体的には、各層は、レーザエネルギーを用いて金属粉体を融合することによって連続的に形成される。各層は、約０．０００５インチから約０．００１インチのサイズを有する。単体構造構成要素８０、２００、３００、４５０、５００は、あらゆる好適なレーザ焼結機を用いて製作することができる。好適なレーザ焼結機の例としては、以下に限定されるものではないが、米国ミシガン州Ｎｏｖｉ所在のＮｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａ，ＩｎｃのＥＯＳから入手可能な、ＥＯＳＩＮＴ．ＲＴＭ．Ｍ２７０ＤＭＬＳ機、ＰＨＥＮＩＸ ＰＭ２５０機、及び／又はＥＯＳＩＮＴ．ＲＴＭ．Ｍ２５０ Ｘｔｅｎｄｅｄ ＤＭＬＳ機が挙げられる。単体構造構成要素８０、２００、３００、４５０、５００を製作するのに用いる金属粉体は、好ましくは、コバルトクロムを含む粉体であるが、ＨＳ１８８及びＩＮＣＯ６２５（これに限定されるものではない）などのあらゆる他の好適な金属粉体とすることができる。金属粉体は、約１０ミクロンから７４ミクロン、好ましくは約１５ミクロンから約３０ミクロンの粒径を有することができる。

燃料ノズル１００の単体構造構成要素８０、２００、３００、４５０、５００を製造する方法は、本明細書では好ましい方法としてＤＭＬＳを用いて記載されているが、製造上の当業者であれば、層毎構造又は追加製作を用いたあらゆる他の好適な迅速製造方法も使用できる点を認識するであろう。これらの代替の迅速製造方法は、以下に限定されるものではないが、選択レーザ焼結（ＳＬＳ）、インクジェット及びレーザジェットなどによる３Ｄ印刷、ステレオリソグラフィー（ＳＬＡ）、直接選択レーザ焼結（ＤＳＬＳ）、電子ビーム焼結（ＥＢＳ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、レーザ技術によるネットシェイピング（ＬＥＮＳ）、レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）及び直接金属蒸着（ＤＭＤ）を含む。

本発明の別の態様は、本明細書で上述したような複雑な幾何学形状の特徴を備えた構成要素を有する補修可能燃料ノズル１００の組立又は再組立の簡単な方法を含む。本明細書に記載されたような燃料ノズル１００における単体構造構成要素の使用は、従来のノズルよりも少ない数の構成要素及び少ない数の継手を有する補修可能燃料ノズル１００の組立体を可能にしている。例えば、本明細書に示す補修可能燃料ノズル１００の例示的な実施形態では、燃料ノズル先端６８は、補修後の９つのろう付け継手及び２つの溶接継手のみを備えるが、一部の公知の従来のノズルは、２２のろう付け継手及び３つの溶接継手を有する。

本発明による燃料ノズルを補修する例示的な方法８５０は、図４に示されており、関連の段階が以下に詳細に説明される。図４に示す補修の例示的な方法８５０を用いて、本明細書で上述した例示的な補修可能燃料ノズル１００を補修することができる。

図４を参照すると、段階８５２において、第１の段階は、燃料ノズル先端組立体６８の内部へのアクセスを開放することである。例示的な補修可能ノズル１００では、ノズル先端組立体６８は、ステム８３（図１及び２参照）に結合される。ノズル先端組立体へのアクセスは、ステム８３を通じた機械加工によって可能にすることができる。本明細書に示す補修可能ノズル１００の例示的な実施形態では、ステム８３は、例えば、溶接又はろう付けなどによって結合されるカバープレート８０２を有する。溶接プレート８０２は、燃料ノズル先端軸１１（図１及び２参照）の周囲に位置付けられ、溶接プレートを取り除くことによってノズル先端軸１１付近の分配器３００の一部分にアクセスできるようになる。カバープレートを取り除く好ましい方法は、図５に示すように、ドリルツール８１２を用いてノズル先端軸１１に沿った穿孔方向８１３に沿って穿孔することによるものである。

段階８５４において、一次オリフィス及びその関連構成要素（例えば、一次燃料スワーラ６０３など）は燃料ノズル１００から取り除かれる。二次オリフィス８０９及びその関連構成要素（存在する場合）もまたこの段階で取り除くことができる。これらの構成要素を取り除く好ましい方法は、図５に示すように燃料ノズル先端軸１１に沿ってドリル８１２を用いた穿孔によるものである。

段階８５６において、予成形ろう付けワイヤ６０２が、図６に示すように一次燃料スワーラ６０３内のろう付け溝６０１に挿入される。ろう付けワイヤ材料は、ＡＭＳ４７８６（金ニッケル合金）のような公知のろう付け材料とすることができる。図６では、例示的なろう付けワイヤ６０２は円形断面を有する。ろう付けワイヤ６０２の他の好適な断面形状及びろう付け溝６０１の対応する形状を用いることができる。

段階８５８において、一次燃料スワーラ６０３が、例えば圧入などによって図７に示すように一次オリフィス６０６内に据え付けられる。

段階８６０において、一次燃料スワーラ６０３及び一次オリフィス６０６が共にろう付けされて、図７に示すように新しい一次パイロット組立体８０７を形成する。ろう付けは、公知の方法を用いて実施される。１８４０°Ｆから１９６０°Ｆのろう付け温度を用いることができる。１９５０°Ｆの温度のろう付けが好ましい。

段階８６２において、新しい一次パイロット組立体８０７が、二次オリフィス８０９に挿入される。二次オリフィス８０９は、一次オリフィス６０６と実質的に同軸である円筒壁８４０を含む。図８−１０に示す例示的な実施形態では、一次オリフィス６０６及び二次オリフィス８０９は、本明細書に記載されるように組み立てられたときに、内側パイロット流路１６９及び環状外側パイロット流路１６８を形成する。二次オリフィス８０９は、図１０に示すように新しい一次パイロット組立体８０７において新しい一次パイロット組立体８０７の位置付けを容易にする、円筒壁８４０の内部側面上に位置付けられた階段部８０３を有する。或いは、他の好適な幾何学的特徴をこの目的のために用いることができる。加えて、二次オリフィス８０９は、図１０−１４に示すようにノズル先端組立体６８において新しいパイロット組立体８０８の位置付けを容易にする、円筒壁８４０の外側部上に位置付けられた階段部８０４を有する。代替として、他の好適な幾何学的特徴をこの目的のために用いることができる。

任意選択の段階８６４において、新しいパイロット組立体８０８に対する燃料流量チェックが実施され、パイロット燃料流れ回路、内側パイロット流路１６９及び環状外側パイロット流路１６８における燃料流量パターンをチェックする。例示的な配置が図８に示され、内側パイロット流路１６９及び環状外側パイロット流路１６８と流れ連通した一次パイロット流れ回路６０８及び二次パイロット流れ回路６０９を示す。例えば、図８にアイテム６０４として示すような当該技術分野で公知の好適な試験装置は、任意選択の流量チェック段階８６４中に用いることができる。例えば、図８に示すＯリング６１６などを用いる公知のシール方法は、任意選択の流量チェック段階８６４中に燃料漏れを阻止するのに用いることができる。流量チェックが完了した後、パイロット組立体８０８は、試験装置６０４から取り除かれる。

任意選択の段階８６６において、例えば図９に示すように、一次パイロット組立体８０７におけるろう付け継手の非破壊検査が実施される。公知の技術を用いるＸ線検査は、ろう付け継手を検査するのに好ましい。公知のＸ線源６１１からのＸ線６１０を用いることができる。

段階８６８において、図１０に示すように、予成形ろう付けワイヤ８０５が二次オリフィス８０９のろう付け溝８０６に挿入される。ろう付けワイヤ材料は、ＡＭＳ４７８６（金ニッケル合金）のような公知のろう付け材料とすることができる。図１０では、例示的なろう付けワイヤ８０５は円形断面を有する。ろう付けワイヤ８０５の他の好適な断面形状、及びろう付け溝８０６の対応する形状を用いることができる。

段階８７０において、ろう付けワイヤ８０５を備えたパイロット組立体８０８を含む段階８６８からの新しい部分組立体は、図１１に示すようにノズルの補修穴８０１に据え付けられる。パイロット組立体は、ろう付けワイヤ８０５が分配器リング本体３０１と接触状態にあるように据え付けられる。例えば、図１１に示すような好適な配置装置８１１を用いて、ノズル先端軸１１と実質的に同軸であるようにパイロット組立体８０８を位置付ける。二次オリフィス８０９の壁８４０上の階段部８０４のような位置付け特徴部を用いて、ノズル先端６８（図１１参照）における他の構成要素に対してパイロット組立体８０８を位置付ける。

段階８７２において、一次アダプタ８２０が供給される。一次アダプタ８２０は、分配器３００の燃料流路から燃料流を受け取って、その燃料流をパイロット燃料噴射装置及びオリフィスに配向する構成要素である。一次アダプタ８２０の例示的な実施形態は、図１２に示される。一次アダプタは、入口８２１及び出口８２３を備えた流路８２２を有する本体を含む。図１２に示す例示的な実施形態では、出口８２３は、一次アダプタ８２０の前端８２４に位置付けられる。一部の応用において、一次アダプタ８２５は、一次アダプタ８２０が燃料ノズル１００内に据え付けられたときに該一次アダプタ８２０が流路を形成できるようにする、例えば、図１２のアイテム８２６及び８２７として示す特徴部を有することができる。例示的な一次アダプタ８２０は、組立中にろう付けワイヤを受け取ることができるろう付け溝を有する。図１２に示す例示的な一次アダプタ８２０では、ろう付け溝８３６は、前端８２４付近に位置付けられ、ろう付け溝８３２及び８３４は、本体に位置付けられる。１つの実施形態８２７は、組立中に一次アダプタ８２０を軸方向に位置付けるために前端８２４付近に位置付けられる。一次アダプタは、公知の材料並びにフライス加工及び穿孔などの方法を用いて製造することができる。図１２に示す例示的な一次アダプタ８２０は、商業的に入手可能なＨａｓｔ Ｘ材料から作られ、従来的に機械加工される。他の応用において、本体８２５の内部の流路及び一次アダプタの外部の特徴部は、複雑な幾何学的特徴を有する場合がある。これらの応用では、一次アダプタ８２０の代替の実施形態を用いることができ、一次アダプタは、例えば、ＤＭＬＳ（図３参照）のような本明細書に記載された迅速製造技術を用いて作られる。図１４を参照すると、ノズル先端６８の補修及び再組立が本明細書に記載されたように完了すると、流路８２２は、入口８２１にある分配器３００内の一次パイロット流路１０２から受け取った燃料を供給して、その燃料流を内側パイロット流路１６９に配向する。図１４に示すように、本体８２５の一部分８２６は、二次パイロット通路８２８の一部分を形成する。この部分８２８は、分配器３００内の二次パイロット流路１０４から燃料流を受け取り、その燃料流を外側パイロット流路１６８に配向する。一次アダプタ８２０は、２つのパイロット流噴射装置（一次パイロット噴射装置１６３及び二次パイロット噴射装置１６７）を有する燃料ノズル１００との関連において本明細書に記載されている（図１４参照）が、本発明はこのように限定されない。当業者であれば、本明細書で開示される発明が、１つのパイロット噴射装置のみを有する代替の燃料ノズル、及び２つよりも多くの燃料噴射装置を有する燃料ノズルを包含することは理解するであろう。

段階８７４において、予成形ろう付けワイヤは、一次アダプタ８２０のろう付け溝に挿入される。図１２に示すように、予成形ろう付けワイヤ８３５はろう付け溝８３６に挿入され、予成形ろう付けワイヤ８３１はろう付け溝８３２に挿入され、予成形ろう付けワイヤ８３３はろう付け溝８３４に挿入される。ろう付けワイヤ材料は、ＡＭＳ４７８６（金ニッケル合金）のような公知のろう付け材料とすることができる。図１２では、例示的なろう付けワイヤ８３１、８３３、８３５は円形断面を有する。代替として、ろう付けワイヤ８３１、８３３、８３５の他の好適な断面形状、及びろう付け溝８３２、８３４、８３６の対応する形状を用いることができる。

段階８７６において、一次アダプタ８２０は、図１３に示すように補修穴８０１に挿入される。一次アダプタ８２０の前端８２４は、パイロット組立体８０８に嵌合する。一次アダプタ８２０のろう付け溝８３６内のろう付けワイヤ８３５は、二次オリフィス８０９壁と接触状態にある。一次アダプタ８２０の出口８２３付近の流路８２２は、ノズル軸１１と実質的に同軸である。一次アダプタ８２０のろう付け溝８３２、８３４、８３６内のろう付けワイヤ８３１、８３３、８３５は、図１３に示すように分配器３００壁と接触状態にある。

段階８７８において、ろう付けワイヤ８３１、８３３、８３５を有する図１３に示すような段階８７６からの組立体がろう付けされる。ろう付けは、公知の方法を用いて実施される。１８００°Ｆから１８６０°Ｆのろう付け温度を用いることができる。１８５０°Ｆの温度におけるろう付けが好ましい。

任意選択の段階８８０において、段階８７８（図１３参照）において形成されたろう付け継手の非破壊検査が実施される。ろう付け継手を検査するのに公知の技術を用いたＸ線検査が好ましい。

段階８８２において、カバープレート８０２は、図１４に示すように段階８８０から得られた組立体に溶接され、ステム８３内の軸方向アクセス穴がシールされるようになる。公知の溶接方法をこの目的のために用いることができる。好ましい溶接方法は、ＨＳ１８８溶接ワイヤを用いたＴＩＧ溶接である。

別の態様において、本発明は、補修可能燃料ノズル１００から構成要素を分解する必要なく、損傷を受けた構成要素の補修に用いる補修方法を提供することによって、補修可能燃料ノズル組立体内の複雑な構成要素を補修するのに用いるための補修方法を開示する。

燃料ノズル内の損傷を受けた構成要素を補修する方法の例示的な実施形態において、ＬＳＮＭは、損傷を受けた部品の補修で用いられている。粉体は、ツールパスに沿って部品上に付加されて融合され、堆積材料のビードを生成する。堆積材料のビードは、互いに隣接し重なり合って形成されて堆積材料の層を形成し、次いで、部品が補修されるまで複数の層が互いに積み重ねられる。或いは、材料の層は、材料の単一ビードを利用して形成することができ、その結果、部品が補修されるまで複数の層が互いに積み重ねられる。

レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）法では、補修すべき構成要素の寸法及び幾何学形状は、例えば、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システムなどによりモデル化され、これらの表現から、ＬＮＳＭシステムを駆動するための公知の方法を用いてツールパスが生成される。

例えば、本明細書に記載されたベンチュリ５００熱シールド５４０のような補修すべき部品のＣＡＤモデルは、図面からベンチュリ／熱シールドの形状を数値的に特徴付けることによって生成される。部品の形状が数値的に特徴付けられると、コンピュータは、蓄積された材料の所望の方向に沿った一連の均一なスライスを生成し、各スライスに対して中間軸又はスピン（以下中間軸と呼ぶ）を決定する。熱シールド５４０の所望の幾何学形状を再構築するためには、スライスに１つよりも多い材料のパスを適用することが必要になる。ツールパスは、スライス毎の蓄積によってビードに基づいた公知の方法（例えば、米国特許公開第２００８／０３１４８７８Ａ１号及び２００８／０１８２０１７号に記載されたような）を用いて決定され、スライス毎の蓄積を完了する。或いは、蓄積された材料の所望の方向に沿って一連の不均一なスライスを作ることができ、コンピュータは、各スライスに対して中間軸又はスピンを決定する。堆積材料の隣接するビードは、決定された範囲に重なり合い、均一な層を形成することができる。隣接するビードは、約１０％から約９０％の間重なることができる。

次に、堆積ヘッド又は同等に部品の運動は、命令パターンを作成する公知の数値制御コンピュータプログラムを用いてプログラミングされ、均一又は適応する厚みのスライス内で決定された中間軸パスに沿って材料を堆積する。材料を堆積するのに用いられる実際のレーザ堆積パラメータは、公知の方法を用いて事前実験を通じて決定されている。レーザ出力及びツールパス速度のようなプロセスパラメータは、スライス断面の厚さに応じてツールパスの長さに沿って変化する。ビード幅は、レーザ出力の増大及び堆積速度の低下によって変わる可能性がある。典型的には、レーザ出力は、層断面がより厚い場所で増大し、層のより薄い断面に近づくほど減少する。

図１５は、ノズル組立体から取り除かれた、例示的な損傷を受けたベンチュリ９０９を示す。損傷を受けたベンチュリ９０９は、エンジンの燃焼器のような燃焼環境下で作動中に高温に曝露されることによる損傷区域９１０を有する。補修可能ノズル組立体１００における上述のベンチュリ５００は、ある時間期間にわたって高温環境に曝露されたときに、図１５に示す損傷を受けたベンチュリ９０９のように見える可能性がある。本明細書で上述したように、熱シールド５４０は、燃料ノズル１００構成要素を高温火炎から遮蔽する。燃焼環境下の高温腐食及び浸食により生じる損傷は、熱シールド壁５４２の厚みを減少させる。本明細書に記載された補修の例示的な方法は、熱シールド壁５４２を蓄積して、ベンチュリ５００の幾何学形状と実質的に同じ幾何学形状を復元させることによって、損傷を受けたベンチュリ（例えば図１５に示すような）を補修する。本明細書に記載された補修方法を用いて、図１５に示すアイテム９０９のような個々の構成要素を補修することができるが、これらは、補修可能ノズル組立体１００から構成要素を分解する必要もなく、ノズル組立体１００内の損傷を受けた構成要素（熱シールド５４０のような）を補修するのに特に有用である。

図１６は、補修方法９２０の本発明の例示的な実施形態を示す。ベンチュリ５００内の熱シールド５４０などの燃料ノズル構成要素の補修において、損傷を受けた区域９１０又はセクションを補修するために材料が堆積される。段階９２２では、損傷を受けた構成要素９０９の一部分が取り除かれる。直近の残りの損傷を受けていない区域又はセクションに対応する熱シールド損傷面９１０上に滑らかで連続的な表面を研磨し、その後、本明細書で以下に記載されるように熱シールド５４０が補修されるまで表面上に材料を堆積することが必要な場合がある。図１７は、ベンチュリ９０９と、従来の機械加工を用いてカットライン９１６に沿って切り離された部分９１２とを示す。ベンチュリ５００は、明確にするために図１７、１８及び１９において個々の構成要素として示されているが、図１６に示す例示的な段階９２０は、補修可能燃料ノズル１００から構成要素を分解することなく実施できる点に留意されたい。

場合によっては、ベンチュリ／熱シールドに対する損傷は、平坦でない不規則な形状の損傷形態である。補修のためにベンチュリ／熱シールドを前処理するために、損傷を受けた区域は、損傷に近接した区域の材料を機械加工により除去して滑らかで連続的な表面を形成することによって前処理することができる。これは、カットライン９１６を示す図１７に示される。機械加工による損傷除去は、好ましくは、所定の滑らかな表面を形成するようプログラムされた多軸数値制御フライス盤において自動的に実施される。段階９２４では、機械加工区域は、例えばバリの除去などのために更に機械加工される。段階９２６では、補修領域は、必要に応じて水性洗浄剤及び／又は溶剤によって更に処理し乾燥させることができる。段階９２８では、材料の制御された堆積を用いて基板９６０上に材料（図１８参照）を蓄積して補修部品を形成することによって、構成要素９０９上で補修が実施される。図１８では、材料は軸方向に蓄積される。半径方向の材料蓄積を利用した代替の補修方法が図１９に示される。

本明細書に記載された方法を用いたベンチュリ／熱シールドの補修において、送給粉体９５３の組成は、部品全体にわたって一定に維持することができる。或いは、送給粉体９５３の組成は、何れかのビード内又は連続ビードの間で意図的に変更し、物品の制御可能な組成物変型形態を生成することができる。例えば、熱シールドにおいて、曝露面付近に強い耐熱組成物を用いることができる。

本発明の手法を用いて様々な材料を堆積することができる。例えば、ニッケル及びニッケル合金、コバルト及びコバルト合金、並びに鉄及び鉄合金を含む金属及び金属合金、Ｎｉ基、Ｃｏ基、及びＦｅ基超合金を含む超合金、セラミックス、並びにサーメットを堆積することができる。堆積材料は、単一材料又は異なる材料の混合物とすることができる。同様に、堆積金属は、材料のビードが異なる材料又は１つよりも多くの材料から形成されるように、堆積中に変更又は変化させることができる。公知のコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）法を補修プロセスに用いて、速度を制御し、レーザを起動／停止し、レーザ出力及び粉体流を指定することができる。プロセスを制御する一部のパラメータは、限定ではないが、レーザ出力、ツール速度、粉体送給速度、及びオーバーラップ比を含む、部品の処理中に動的に変化させることができる。

図１８及び１９には、レーザネットシェイプ製造（ＬＮＳＭ）堆積が概略的に示される。図１８及び１９に示すように、粉体供給装置（図示せず）は、基板９６０への堆積のために粉体ノズル９５２を熱シールド５４０に給送する。レーザ９５０は、基板表面９６０上に給送されたときに粉体を溶融して基板表面を溶融させ、レーザ４９５０が粉体及び基板９６０表面に配向される場所の近傍に溶融プールを生成する。堆積システム９６５及び基板９６０は、相対的に移動され、溶融プールが冷却すると固体堆積材料の層を形成する。

レーザ９５０が基板９６０に沿って取る経路はツールパスと呼ばれる。堆積材料は材料のビードと呼ばれる。ツールパスに沿った堆積材料の幅はビード幅と呼ばれる。形成された溶融プールは、レーザ９５０が基板９６０に沿って移動すると冷却し凝固する。１つよりも多くの送給粉体を用いて堆積材料を形成することができ、この例証では、凝固堆積材料を生じさせる第２の粉体ノズル９５２が示されている。レーザ９５０は、送給粉体及び基板９６０の表面の両方を溶融することによって、強く結合された堆積材料を形成する。

堆積材料の第１のビードが完成すると、ノズル９５２及びレーザ９５０は、基板９６０に対して位置決めされて移動され、堆積材料の隣接する第２のビードが第１のビードの側面に沿って堆積できるようになり、第２のビードの幅は第１のビードの幅と重なり合う。このプロセスは、堆積材料の層が形成されるまで繰り返される。

タービンエンジン（図１、１２、１４参照）の補修可能燃料ノズル１００及び補修方法８５０（図４参照）は、公知の燃料ノズル及び補修方法よりも少ない構成要素及び継手を備える。具体的には、上述の補修可能燃料ノズル１００は、例えば、一次アダプタ８２０及びパイロット組立体８０８のような構成要素及び組立体、並びに補修可能燃料ノズル１００においてこれらを結合する開示方法を利用することに起因して、必要な構成要素がより少なくなる。本明細書に開示されるように、補修可能燃料ノズル１００から取り除くことなく補修可能な補修可能熱シールドを有する補修可能単体構造ベンチュリ５００は、有意なコスト削減を可能にする。結果として、記載された補修可能燃料ノズル１００は、公知の燃料ノズルに対してより軽量で低コストの代替形態を提供する。更に、燃料ノズル１００構成要素の少なくとも一部について記載された単体構造、並びに組立及び補修方法８０５は、漏出又は故障の可能性をより低減し、公知の燃料ノズルと比較してより容易に補修可能である。

本明細書で用いられる場合、前に数詞のない要素又はステップの表現は、そうではないことを明確に述べていない限り複数のそのような要素又はステップの存在を排除するものではないと理解されたい。ノズル１００の要素／構成要素／ステップ、その他、並びに本明細書で記載され及び／又は図示されたその構成要素を導入する際に、数詞が無い場合は、要素／構成要素／その他の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。

本明細書に記載された製造方法７００及び補修方法８０５のような方法、並びに一次アダプタ８２０、パイロット組立体８０８、単体構造ベンチュリ５００のような物品は、タービンエンジンの燃料ノズルにおいて液体燃料を空気と混合するための空気の旋回との関連で説明されているが、本明細書に記載された構成要素、製造方法並びに補修及び組立方法は、燃料ノズル又はタービンエンジンに限定されないことは理解される。本明細書に含まれる図に示された製造方法７００、補修方法８０５、及び補修可能燃料ノズル１００並びにその構成要素（例えば、ベンチュリ５００のような）は、本明細書に記載された具体的な実施形態に限定されず、むしろ、これらは本明細書に記載された他の構成要素とは独立して別個に利用することができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、本発明を当業者が実施及び利用することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１１ ノズル先端軸
１０２ 一次パイロット流路
１０４ 二次パイロット流路
１０５ 通路、流路
１６７ 二次燃料噴射装置
２００ スワーラ
２５０ アダプタ
３００ 分配器
３０１ 分配器リング本体
４５０ 中央本体
４５６、４６３ 開口
５００ ベンチュリ
５１８ リップ
５１９ 軸方向後方端部
５４２ 環状壁、熱シールド壁
６０３ 一次燃料スワーラ
６０６ 一次オリフィス
８０１ 補修穴
８０８ パイロット組立体
８０９ 二次オリフィス
８１１ 配置装置
８２０ 一次アダプタ
８２１ 入口
８２２ 流路
８２３ 出口
８２４ 前端
８２６ 本体の一部分
８２８ 通路
８３３、８３５ ろう付けワイヤ

Claims (40)

1. 燃料ノズル（１００）を補修する方法であって、
   古いパイロット組立体（６０７）を取り除く段階と、
   新しいパイロット組立体（８０８）を形成する段階と、
   前記新しいパイロット組立体（８０８）を補修穴（８０１）内に据え付ける段階と、
   組立体用一次アダプタ（８２０）を準備する段階と、
   前記一次アダプタ（８２０）が、分配器３００及び前記新しいパイロット組立体（８０８）内のパイロット流路（１０２）と流れ連通しているように、前記一次アダプタ（８２０）を前記補修穴（８０１）に挿入する段階と、
   前記一次アダプタ（８２０）を前記分配器（３００）及び前記新しいパイロット組立体（８０８）に結合する段階と、
   を含む燃料ノズル（１００）を補修する方法。
2. ステム（８３）の前記補修穴（８０１）の部分がシールされるように、カバープレート（８０２）を前記ステム（８３）に結合する段階を更に含む、
   請求項１に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
3. 前記古いパイロット組立体（６０７）を取り除く段階が、前記燃料ノズル（１００）の先端組立体（６８）を通って穿孔する段階を含む、
   請求項１に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
4. 前記新しいパイロット組立体（８０８）を形成する段階が、燃料スワーラ（６０３）を一次オリフィス（６０６）に結合することによって新しい一次パイロット組立体（８０７）を形成する段階を含む、
   請求項１に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
5. 前記燃料スワーラ（６０３）を前記一次オリフィス（６０６）に結合する段階が、ろう付けによって実施される、
   請求項４に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
6. 前記新しい一次パイロット組立体（８０７）を二次オリフィス（８０９）に結合する段階を更に含む、
   請求項４に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
7. 前記新しい一次パイロット組立体（８０７）を二次オリフィス（８０９）に結合する段階が、圧入によって実施される、
   請求項６に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
8. 予成形ろう付けワイヤ（８０５）を前記二次オリフィス（８０９）内のろう付け溝（８０６）に挿入することによって、ろう付けのために前記二次オリフィス（８０９）を準備する段階を更に含む、
   請求項６に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
9. 前記新しいパイロット組立体（８０８）を前記補修穴（８０１）内に据え付ける段階が、配置装置（８１１）を用いてノズル先端組立体（６８）の軸（１１）と実質的に同軸であるように前記新しいパイロット組立体（８０８）を位置付ける段階を含む、
   請求項１に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
10. 前記新しいパイロット組立体（８０８）を位置付ける段階が、前記二次オリフィス（８０９）上に位置付けられた戻り止め（８０４）を用いて前記ノズル先端組立体（６８）内に前記二次オリフィス（８０９）を位置付ける段階を含む、
    請求項９に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
11. 前記一次アダプタ（８２０）を準備する段階が、少なくとも１つの予成形ろう付けワイヤ（８３５）を前記一次アダプタ（８２０）内に位置付けられた少なくとも１つのろう付け溝（８３６）に挿入する段階を含む、
    請求項１に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
12. 前記一次アダプタ（８２０）を挿入する段階が、前記一次アダプタ（８２０）の一部分を前記一次パイロット組立体（８０８）の一部分に挿入する段階を更に含む、
    請求項１に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
13. 前記一次アダプタ（８２０）を前記分配器（３００）に結合する段階が、ろう付けによって実施される、
    請求項１に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
14. 前記一次アダプタ（８２０）を前記分配器（３００）に結合する段階が、前記一次アダプタ（８２０）内に位置付けられた予成形ろう付け溝（８３２）のろう付け材料（８３３）を用いてろう付けする段階を含む、
    請求項１に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
15. 前記一次アダプタ（８２０）を前記新しいパイロット組立体（８０８）に結合する段階が、ろう付けによって実施される、
    請求項１に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
16. 前記一次アダプタ（８２０）を前記新しいパイロット組立体（８０８）に結合する段階が、前記一次アダプタ（８２０）内に位置付けられた予成形ろう付け溝（８３６）のろう付け材料（（８３５）を用いてろう付けする段階を含む、
    請求項１に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
17. 前記カバープレート（８０２）を前記ステム（８３）に結合する段階が、溶接によって実施される、
    請求項２に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
18. 燃料ノズル（１００）を補修する方法であって、
    一次アダプタ（８２０）が分配器（３００）内の流路（１０２）と流れ連通するように内部流路（８２２）を有する前記一次アダプタ（８２０）を結合する段階を含み、
    前記一次アダプタ（８２０）が迅速製造プロセスを用いて作られる、
    燃料ノズル（１００）を補修する方法。
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に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
20. 前記一次アダプタ（８２０）を結合する段階が、ろう付けによって実施される、
    請求項１８に記載の燃料ノズル（１００）を補修する方法。
21. 補修可能燃料ノズル（１００）であって、
    燃料流を燃料分配器（３００）内の少なくとも１つの流路（１０２）から燃料スワーラ（６０３）を含むパイロット組立体（８０８）に配向するように構成されたアダプタ（８２０）を含む、
    補修可能燃料ノズル（１００）。
22. 前記アダプタ（８２０）が、前記燃料分配器（３００）に結合される、
    請求項２１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
23. 前記アダプタ（８２０）が、ろう付けによって前記燃料分配器（３００）に結合される、
    請求項２２に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
24. 前記アダプタ（８２０）が、前記パイロット組立体（８０８）に結合される、
    請求項２１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
25. 前記アダプタ（８２０）が、ろう付けによって前記パイロット組立体（８０８）に結合される、
    請求項２４に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
26. 前記アダプタ（８２０）が、燃料流を前記燃料分配器（３００）内の２つの流路（１０２、１０４）から２つのパイロット流れオリフィス（１６２、１６４）を含むパイロット組立体（８０８）に配向するように構成される、
    請求項２１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
27. 前記燃料分配器（３００）が、迅速製造プロセスを用いて作られる、
    請求項２１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
28. 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２７に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
29. 複数のベーン（２０８）を有する空気スワーラ（２００）を更に含む、
    請求項２１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
30. 前記パイロット組立体（８０８）が、前記スワーラ（２００）において半径方向内向きに位置付けられる、
    請求項２９に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
31. 補修可能燃料ノズル（１００）であって、
    燃料スワーラ（６０３）と、一次オリフィス（６０６）内に位置付けられたそこを貫通して燃料を排出するための少なくとも１つの開口（１６２）とを含むパイロット組立体（８０８）を備え、
    前記パイロット組立体（８０８）が、前記燃料ノズル（１００）の補修中に該燃料ノズル（１００）に結合できるように構成される、
    補修可能燃料ノズル（１００）。
32. 前記パイロット組立体（８０８）が、環状二次オリフィス（８０９）と実質的に同軸上に位置付けられた環状一次オリフィス（６０６）を含む、
    請求項３１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
33. 前記環状二次オリフィス（８０９）が、前記二次オリフィス（８０９）内に前記一次オリフィス（６０６）を位置付けるための半径方向内側側面上に内側階段部（８０３）を含む、
    請求項３２に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
34. 前記パイロット組立体（８０８）が、空気スワーラ（２００）の半径方向内寄りに位置付けられる、
    請求項３１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
35. 前記空気スワーラ（２００）が、迅速製造プロセスを用いて作られる、
    請求項３１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
36. 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３１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
37. 前記パイロット組立体（８０８）が、組立中に燃料ノズル（１００）内に前記パイロット組立体（８０８）を位置付けるための半径方向外側側面上に外側階段部（８０４）を含む、
    請求項３１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
38. 前記パイロット組立体（８０８）が、前記燃料ノズル（１００）内の燃料分配器（３００）に結合される、
    請求項３１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
39. 前記パイロット組立体（８０８）が、ろう付けによって燃料分配器（３００）に結合される、
    請求項３１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。
40. 前記パイロット組立体（８０８）が、前記燃料ノズル（１００）内の燃料分配器（３００）及びアダプタ（８２０）と流れ連通している、
    請求項３１に記載の補修可能燃料ノズル（１００）。

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