JP2014141961A - 添加剤製造法を用いたエフュージョンプレート - Google Patents

Abstract

【課題】添加剤製造技術を利用してエフュージョンプレートを作製する。
【解決手段】添加剤製造技術は、１つ以上の内部冷却チャネル８２を有するエフュージョンプレート４０の構成を画定するステップを含む。この製造技術は、粉体をチャンバ内に沈着させるステップと、沈着させた粉体にエネルギー源を適用するステップと、粉体を画定された構成に対応する断面形状に圧密するステップとを更に含む。このような方法を実行して、湾曲した断面形状を持つ１つ以上のチャネル８２を有するエフュージョンプレート４０を作製することができる。
【選択図】図４

Description

本明細書に開示の主題は、概してタービン燃焼器に関し、特にタービン燃焼器内で冷却を達成するように構成される構造に関する。

ガスタービンエンジンは、タービン燃焼器の燃焼室内で燃料−空気混合物を燃焼させることによって１つ以上のタービンを駆動し、その結果として高温の燃焼ガスを生成する。このようなシステムにおいて、燃焼器は大量の熱を発生させる。

米国特許第６２８２９０５号

この熱は、熱膨張だけではなくシステム内の様々な構成要素の摩耗又は潜在的損傷を引き起こす可能性がある。一部のガスタービンエンジンにおいて、燃焼器のヘッド端は、燃焼室内で燃焼される燃料と空気を供給する１つ以上の燃料ノズルを含む。残念ながら、高い燃焼温度は、燃焼器の燃料ノズルを含む各部の熱膨張を引き起こす可能性がある。この熱膨張は、性能の低下、応力、亀裂及びその他の問題を招きかねない。

当初特許請求された発明の範囲に対応する一部の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載の本発明を限定することを意図するのではなく、本発明の可能な形態の概要を示すことのみを意図している。実際に、本発明は、以下に記載の実施形態と同様である場合又は相違する場合がある様々な形態を包含する。

第１の実施形態において、エフュージョンプレートの製造方法を提供する。この方法は、エフュージョンプレート内に配置される１つ以上の内部冷却チャネルを有する、エフュージョンプレートの構成を画定するステップを含む。この方法は、更に、チャンバ内に粉体を沈着させるステップと、沈着させた粉体にエネルギー源を適用するステップと、粉体を画定された構成に対応する断面形状に圧密するステップとを含む。

第２の実施形態において、タービン燃焼器は、燃焼室と、ヘッド端部分と、燃焼室及びヘッド端部分の間に配置されるエフュージョンプレートと、を含む。更に、エフュージョンプレートは、近位面と、遠位面と、近位面と遠位面との間に延在する１つ以上のチャネルとを有する。１つ以上のチャネルは、更に、湾曲した断面形状を有する。

第３の実施形態において、エフュージョンプレートを有するシステムを提供する。エフュージョンプレートは、近位面と、遠位面と、近位面と遠位面との間に延在する１つ以上のチャネルとを有する。１つ以上のチャネルは、更に、湾曲した断面形状を有する。

図面全体を通して同じ符号が同じ部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、本発明の上記及びその他の特徴と態様と利点をよりよく理解できよう。

ガスタービンシステムの一実施形態の略図である。 燃焼室に隣接して配置されるエフュージョンプレートの一実施形態を示す、図１のタービン燃焼器の側断面図である。 本開示に従って作製された複数の冷却穴を有する図２のエフュージョンプレートの一実施形態の正面図である。 本開示に従って形成された湾曲チャネルを有する図２のエフュージョンプレートの一実施形態の側断面図である。 図４の領域５−５内における、チャネルの出口の一実施形態の側面略図である。 燃料ノズルの周りに周方向に配置される湾曲チャネルを有するエフュージョンプレートの一実施形態の側断面略図である。 図６の７−７内における湾曲チャネルの一実施形態の略平面図である。 複数のタービュレータが内部に配置された先細チャネルを有する図２のエフュージョンプレートの一実施形態の側断面図である。 チャネル内の複数のタービュレータを示す、図８の９−９内における先細チャネルの側断面略図である。 本開示に従ったエフュージョンプレートを製造する添加剤製造法の一実施形態を示す流れ図である。

本発明の１つ以上の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施例を簡潔に説明するために、実際の実施方法の全ての特徴を本明細書に説明しない場合もある。こうしたいかなる実際の実装の開発においても、あらゆる技術又は設計プロジェクトの場合と同様に、システム関連及び事業関連の制約事項に準拠すること等の、実装毎に異なることもある、開発者の特定の目標を達成するために、その実装特有の数多くの決定を行わなければならないことを理解されたい。更に、このような開発努力は煩雑であり、時間がかかることもあるが、それでもやはり、本開示を利用可能な当業者にとっては、設計、作製、及び製造という日常的な作業であることを理解するべきである。

本発明の様々な実施形態の要素を示す場合、「１つの」、「或る」、「この」、及び「前記」という言葉は、その要素が１つ以上あることを意味する。「備える」、「含む」、及び「有する」という用語は、包含的であり、列挙された要素以外の付加的な要素が存在する場合もあることを意味する。

ガスタービンエンジンは、燃焼器、例えば燃焼器のヘッド端と燃焼室との間のキャップにおける冷却を目的としてエフュージョンプレートを含むことがある。このようなエフュージョンプレートは、接近した間隔の相対的に小さい複数の穴を介して冷却空気を流すことによる冷却を含むエフュージョン冷却を行うように構成される。一部のエフュージョンプレートは、冷却（例えばヘッド端のキャップ等での）を促進すると共に燃焼室内におけるガスの燃焼によって引き起こされる熱劣化を軽減するために穴を含むことがある。これらの穴は、エフュージョンプレートを穿孔することによって形成され、このため、穴は直線形状に制限される。残念ながら、このような態様で形成される穴は、限られた冷却効果しか有さないので、不適切であることがある。このため、本開示は、添加剤製造（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）技術により製造されるエフュージョンプレートの実施形態を提供する。こうした技術を用いると、そのように製造されたエフュージョンプレートに、冷却の向上を果たすように構成される１つ以上の構造的特徴を有させることができる。このような構造的特徴の例には、湾曲した冷却チャネル、冷却チャネルの先細状の入口及び出口、又は、冷却チャネル内のタービュレータが含まれるが、これらに制限されるわけではない。本明細書に記載の構造的特徴を有するエフュージョンプレートは、より少ない空気を用いてシステムの適切な冷却を達成し、これが延いては排出物質の削減及び燃焼効率の向上等の様々な利益をもたらす。例えば、開示する構造的特徴は、エフュージョンプレートの表面積と滞留時間とを増加させると共に全体としての冷却性能を向上させる。

本開示のエフュージョンプレートは、添加剤製造技術により製造される。このような技術は一般に複雑な固体の物体を、困難な機械加工ステップを用いることなく、コンピュータモデルにより製造することを可能にする。一般に、添加剤製造技術は、沈着させた粉体層にレーザー又は電子ビーム等のエネルギー源を適用して、特定の形状又は特徴を有する部品を成長させるステップを含む。

図面を参照すると、図１は、本発明の実施形態に従ったエフュージョンプレートを含むガスタービンシステム１０の実施形態のブロック図である。システム１０は、圧縮機１２とタービン燃焼器１４とタービン１６とを含む。タービン燃焼器１４は、天然ガス又は合成ガス等の液体燃料及び／又は気体燃料２０を受けるように構成される１つ以上の燃料ノズル１８を含む。

タービン燃焼器１４は、燃料−空気混合物に点火し且つこれを燃焼させた後、高温の加圧燃焼ガス２２（例えば排気）をタービン１６内に送り込む。タービン動翼は軸２４に結合され、この軸は更にタービンシステム１０全体にわたって複数のその他の構成要素に結合される。燃焼ガス２２がタービン１６内においてタービン動翼を通過すると、タービン１６が駆動されて回転し、これが軸２４を回転させる。最終的に、燃焼ガス２２は排気出口２６を経てタービンシステム１０から流出する。更に、軸２４は、軸２４の回転により動力駆動される負荷２８に結合されてよい。例えば、負荷２８は、発電機や航空機のプロペラー等といったような、タービンシステム１０の回転出力により動力を生成するいずれかの適切な装置であってよい。

圧縮機ブレードは、圧縮機１２の構成要素として含まれる。圧縮機１２内のブレードは、軸２４に結合されると共に、上記のように、軸２４がタービン１６により駆動されて回転すると回転する。吸気部３０は空気３２を圧縮機１２内に送給し、圧縮機１２内におけるブレードの回転によって空気３２が圧縮されて加圧空気３４が生成される。加圧空気３４は、その後、タービン燃焼器１４の燃料ノズル１８内へと送給される。

燃料ノズル１８は加圧空気３４と燃料２０を混合して、燃焼（例えば燃料をより完全に燃焼させる燃焼）に適する混合比にして、燃料の浪費又は過剰な排出物質が生じないようにする。特に、ある一定のガスタービンシステムは、燃料２０と加圧空気３４を受け取って混合するように構成される複数の別個の予混合管を有することがある。一部の実施形態において、このような予混合管は燃料ノズル１８内に収容されるが、一部のシステムでは、予混合管が燃料ノズル１８の代わりに用いられることがある。換言すれば、各予混合管はヘッド端チャンバ内において個別に吊設され、燃料ノズル１８内において収容又はグループ化されるわけではない。

図２は、燃焼室４２に隣接して配置されるエフュージョンプレート４０を示す、図１のタービン燃焼器１４の一実施形態の略図である。上記のように、圧縮機１２は、吸気部３０から空気３２を受け取り、この空気を圧縮し、タービン燃焼器１４内における燃焼プロセスで用いられる加圧空気３４の流れを創出する。図示の実施形態のように、加圧空気３４を、タービン燃焼器１４に作動的に結合される圧縮機吐出部４４が受け取る。矢印４６で示すように、加圧空気３４は圧縮機吐出部４４からタービン燃焼器１４のヘッド端４８の方へと流れる。具体的には、加圧空気３４は、タービン燃焼器１４の内筒５２とフロースリーブ５４との間の環状部５０を通って流れてヘッド端４８に到達する。

一部の実施形態において、ヘッド端４８は、図１に示す１つ以上の燃料ノズル１８を支持するエンドプレート５６を含む。加えて、燃料供給部５８がエンドプレート５６に結合され、燃料２０を燃料ノズル１８に供給する。タービン燃焼器１４の環状部５０からの加圧空気３４も燃料ノズル１８に送られ、燃料２０と加圧空気３４とが燃料ノズル１８内で一緒になって燃料−空気混合物を形成する。燃料と空気との混合後に、燃料−空気混合物はヘッド端４８から下流方向に燃焼室４２内へと流れて、燃焼室において燃料−空気混合物が点火及び燃焼されて、燃焼ガス（例えば排気）が生じる。燃焼ガスは方向６０にタービン燃焼器１４のトランジションピース６２の方へと流れる。燃焼ガスは、矢印６４で示すように、トランジションピース６２を通過してタービン１６へと向かい、タービンにおいて燃焼ガスはタービン１６内の動翼を回転させる。

上記のように、燃料−空気混合物の燃焼の結果として、燃焼室４２内はガスタービンエンジン１９のその他の部分と比べて高温になる。例えば、燃焼は、約華氏２０００°〜３０００°（摂氏１０９３．３３°〜１６４８．８９°）以上の範囲の温度になることがある。この場合も、本開示に従って製造されるエフュージョンプレート４０を用いて、ヘッド端４８（例えば燃料ノズル１８を含む）を燃焼室４８で発生した熱から保護することができる。エフュージョンプレート４０は、実質的に直線状のチャネルと比べて対流冷却を向上させる相対的に大きい内部表面積が得られる形状を有する１つ以上のチャネル又は機構を用いることにより、燃焼器１４内における冷却を達成するように構成される。

本開示のエフュージョンプレート４０は、概してヘッド端４８を燃焼室４２から分離する。具体的には、エフュージョンプレート４０は、燃焼室４２に隣接するキャップアセンブリ７２の上又は内側に配置される。しかし、一部の実施形態では、エフュージョンプレート４０は、燃焼室４２に隣接して配置される独立型の構造であってよい。エフュージョンプレート４０は、概して燃料ノズル１８の下流側端部を少なくとも部分的に取り巻き且つ／又は支持することによって、燃料−空気混合物を燃料ノズル１８から燃焼室４２内へと流入させるように構成可能である。加えて、本明細書に記載のエフュージョンプレート４０は、燃焼システムのいずれかの構成要素の壁部内に配設されるか、該壁部に一体化されるか、又は該壁部に沿って延在してよい。このため、一部の実施形態では、添加剤製造技術を利用してエフュージョンプレート４０及び／又は以下に説明する様々な冷却機構（例えば様々な曲率、斜めの入口及び出口等を有する冷却チャネル）を燃焼システムの多様なその他の構成要素又は表面の上又は内側に形成して冷却を達成できる。例えば、一部の実施形態において、エフュージョンプレート４０及び／又は冷却機構（例えば冷却チャネル等）は、燃焼器キャップ、燃料ノズル、タービン動翼、燃焼器内筒、トランジションピース等の上又は内側に形成されてよい。一部の実施形態において、燃焼器キャップ、燃焼器壁部、燃料ノズル、タービン静翼、タービンシュラウド又はこれらの何らかの複合体は、エフュージョンプレート４０を有するように、又はエフュージョンプレート４０に結合されるように構成されてよい。

本明細書に記載のエフュージョンプレート４０は、様々な物質のいずれによって製造可能である。一部の実施形態において、エフュージョンプレート４０は、ニッケル基合金又はクロム基合金等の耐食合金により製造可能である。具体的には、一部の実施形態において、エフュージョンプレートは、インコネル６１７又はインコネル７１８（スペシャルメタルズ社（Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製ニッケル基合金）、コバルトクロム又はその他の同様の合金により製造可能である。加えて、添加剤製造工程により形成及び成形可能ないずれかのその他の材料を利用してもよい。例えば、ステンレス鋼及びチタンは粉体として入手可能（例えば商業的に又は後処理により）であると共に添加剤製造技術により特定の構造に加工することができるため、エフュージョンプレート４０の作製に利用可能である。更に他の例として、様々なセラミック又は複合材料をエフュージョンプレート４０の作製にも利用できる。エフュージョンプレート４０の構造においては、材料の様々な組合せも想定される。

図３は、本開示に従ったエフュージョンプレート４０の一実施形態の正面図である。エフュージョンプレート４０は、一般的には円形の形状であるが、現時点ではあらゆる形状が想定される。図示のように、エフュージョンプレート４０は、対応する個数の燃料ノズル１８の下流側端部を受ける１つ以上の開口７８を含んでよく、燃料ノズル１８は、エフュージョンプレート４０の開口７８を通過して燃焼室４２内へと至る。図示の実施形態において、エフュージョンプレート４０は、５つの燃料ノズルを取り巻き且つ／又は支持するが、エフュージョンプレート４０はいかなる個数の燃料ノズル１８を収容するように構成されてもよい。

上述したように、本開示のエフュージョンプレート４０は、或いは、１つ以上の燃料ノズル１８を通って延在する１つ以上の予混合管（例えば２〜１０００本の管が１本の燃料ノズルを通って延在してよい）を有する予混合タービンシステムに組み込まれるように構成可能である。例えば、各予混合管は、燃料２０と空気２２の両方を受け取って燃料２０と空気２２をそれぞれの混合管内で予混合する。更に、各混合管は、約０．２５〜５、０．５〜４、０．７５〜３、又は１〜２センチメートルの直径とされる。本明細書に記載のエフュージョンプレート４０は、或いは、エンドプレート５６と燃焼室４２（図２）との間に延在する１つ以上の別個の予混合管を有する様々なシステムに組み込まれる。このような予混合システムにおいて、エフュージョンプレート４０内の複数の開口７８は、対応する個数の予混合管の下流側端部を受けるような構成（例えば大きさ及び形状）とされてよい。エフュージョンプレート４０は、一般に各予混合管の端部を取り巻き且つ／支持して、燃料−空気混合物が最適な燃焼、排出量、燃料消費量、及び出力を得るのに適する比率で燃焼室４２内に送り込まれることを可能にする。

本開示によれば、添加剤製造法を利用して、燃料ノズル及び／又は予混合管を受ける開口７８を含むと共に更に隣接する燃焼室４２内におけるガスの燃焼中に冷却を促進するために開口７８の周り及び開口７８間の領域８２に配置される１つ以上のチャネル８０を含むエフュージョンプレート４０を作製できる。一部の実施形態において、チャネル８０は、ヘッド端４８から加圧空気３４の一部分及び／又は燃焼器内の別個の入口から供給される冷却空気及び／又は排気を受け取ることで、エフュージョンプレート４０を効率的に冷却する。チャネル８０は、エフュージョンプレート内において様々な態様のうちのいずれの態様に配置されてもよい。例えば、チャネル８０を、図３のように、エフュージョンプレート４０全体に均等又は実質的に均等に分散させることができる。しかし、一部の実施形態では、チャネル８０をエフュージョンプレート４０の中央部分又は相対的に高温を被るエフュージョンプレート４０のいずれかの領域に集中させることができる。別の例として、チャネル８０を各々の開口７８の周りに密集又は集中させることができる。

本開示の添加剤製造法に従って製造されるエフュージョンプレート４０は、湾曲状又は非対称形状の外形を有する様々な冷却機構を内蔵でき、このような機構の例を以下により詳細に説明する。図４に、添加剤製造工程により形成される湾曲チャネル８２（例えば蛇行状、波形状又は全体的に湾曲状のチャネル）を有するエフュージョンプレート４０の１つの実施形態の断面図を示す。湾曲チャネル８２は、上側及び下側湾曲部等の１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０個以上の湾曲部分を有してよい。チャネル８２は、更に、ジグザグ部分又は斜め部分を含んでよい。特に、エフュージョンプレート４０は、入口１０２及び／又は出口１０４を有する１つ以上の湾曲チャネル８２を有するように構成可能である。一部の実施形態においては、約１０、１００、１０００、２０００、又は３０００個以上の湾曲チャネル８２がエフュージョンプレート４０内に配置される。一部の実施形態では、エフュージョンプレート４０の近位面１０６と円に面１０８との間に延在する実質的に円筒形の湾曲チャネル８２が形成されるように、湾曲チャネル８２を形成する壁部は環状であってよい。湾曲チャネル８２は、図４の実施形態に示すように、一般に蛇状又は蛇行状であってよい。例えば、チャネル８２は、断面１０８をエフュージョンプレート４０の近位面と遠位面との間に延在する平面に沿って、湾曲した断面形状１０６を有してよい。更に、湾曲チャネル８２は、エフュージョンプレート内の１つ以上の平面上に配向される屈曲部又は湾曲部を有してよい。図４に示す実施形態では、湾曲チャネル８２との関連で示しているが、いかなる形状もチャネル８０に適する場合がある。加圧空気３４又は排気がチャネル８０を通って流れる時に加圧空気３４とエフュージョンプレート４０との間における熱伝達が高まるようにチャネル８０内の表面積を増加させるあらゆる構成を含む様々なその他の形状が想定される。現在のところあらゆる大きさ又は形状が想定される一方で、チャネル８０の内側部分の直径１１０は一般に約０．０１センチメートル〜約０．５センチメートル以上の範囲にわたってよいが、一部の実施形態では、直径１１０は約０．０２〜約０．３又は約０．１〜約０．２センチメートルである。更に、以下に述べるように、直径１１０は、先細形状が得られるようにチャネル８０の長さに沿って変化してよい。

添加剤製造技術は、保護及び冷却の向上を可能にする相対的に厚いエフュージョンプレート４０の作製も可能にする。一般に、相対的に厚いエフュージョンプレートでは、各チャネル８０により長い長さ及び／又はより高い長さ対直径比（Ｌ／Ｄ）を有させることが可能になり、チャネル８０内の表面積の増加によってより多くの熱の伝達が可能になる。このため、一部の実施形態では、添加剤製造技術を用いて、高いＬ／Ｄ値と熱伝達のためのより大きい表面積とを有するチャネル８０を持つ相対的に厚いエフュージョンプレートを作製できる。具体的には、本開示のエフュージョンプレート４０は、一般に約０．１〜約１センチメートル以上の厚さを有してよい。一部の実施形態において、エフュージョンプレート４０は、約０．１〜約０．８、又は約０．３〜約０．７、又は約０．４〜約０．６センチメートルの厚さを有する。チャネル８０は、一般にエフュージョンプレート４０の遠位面１０８と近位面１０６との間に延在し、即ち、換言すれば、チャネル８０は一般にエフュージョンプレート４０の厚さを横切って延在する。加えて、添加剤製造技術によって、チャネル８０の長さがエフュージョンプレート４０の厚さｔよりも大きくなるような、湾曲チャネル８０にできる。例えば、チャネル８０の長さは、厚さｔより少なくとも１％、１０％、２０％、又は５０％以上大とされる。具体的には、チャネル８０は、エフュージョンプレート４０の厚さｔよりも１０％〜５００％大、２０％〜４００％大、２５％〜３００％大、又はいずれかの適切な百分率だけ大とされる。

更に、一部の実施形態において、添加剤製造技術によって、入口１０２及び／又は出口１０４が様々な構成のいずれを有することも可能になる。次に、エフュージョンプレート４０の入口１０２及び出口１０４の拡大図である図５を参照すると、入口１０２及び／又は出口１０４は、円形、正方形、楕円形、又はいずれかのその他の適切な形状とされる。一部の実施形態では、例えば１つ以上のチャネル８０が、入口１０２及び／又は出口１０４の直径がエフュージョンプレート４０内のチャネル８０の内側部分の直径より大きくなるように、入口１０２及び／又は出口１０４において半径方向外方に拡大するように（例えば広がるように）構成される。図５に示す出口１０４のような拡大出口１０４は、例えばより高い膜冷却を達成する。例えば、図４に示すように、このような先細形状は、湾曲矢印１１２により示すように、エフュージョンプレート４０の遠位面１０８に沿った空気流を促進する。現在はあらゆる適切な大きさが想定されるが、入口１０２又は出口１０４の直径は、一般に約０．０２〜約１センチメートル以上の範囲である。一部の実施形態では、入口及び出口の直径は、約０．０５〜約０．８又は約０．１〜約０．５センチメートルとされる。

加えて、添加剤製造技術を利用すると、図４に示すように、１つ以上の入口１０２及び／又は出口１０４をエフュージョンプレート４０の近位面１０６又は遠位面１０８に対して角度αに配置できる。例えば、入口１０２及び／又は出口１０４は、近位面１０６又は遠位面１０８に対して約９０度〜５度、８０度〜１０度、７０度〜２０度、６０度〜３０度、又は５０度〜４０度の角度で空気を受け取ること又はチャネル８０から送出することができる。一部の実施形態において、入口１０２及び／又は出口１０４は、近位面１０６又は遠位面１０８に対して、約９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、及び／又は２０度の角度で空気を受け取ること又はチャネル８０から送出することができる。別の実施形態において、入口１０２及び／又は出口１０４は、それぞれ近位面１０６又は遠位面１０８に対して略約４５度未満の角度をなして配置されてよい。或いは、各入口１０２及び／又は出口１０４は、それぞれ近位面１０６又は遠位面１０８に対して約２０度未満の角度をなして配置されてよい。更に、エフュージョンプレート４０内の様々な入口１０２及び／又は出口１０４が互いに異なる角度に配置されてよい。一部の実施形態においては、入口１０２及び／又は出口１０４は、例えば収束形又は発散形の空気流が創出されるように角度をなす。

更に、一部の実施形態において、エフュージョンプレート４０が添加剤製造工程により形成されると、特に炭化被膜若しくは粗面部分又は予測不能若しくは不規則な穴ができるレーザー又はウォータージェット技術によって形成される直線状チャネルと比べると、チャネル８０の内側壁部が実質的に滑らかになる。しかし、一部の実施形態においては、チャネル８０の内側壁部は線条を有してよい。線条は約２０ミクロンの太さとされるが、約５ミクロン〜３０ミクロンの範囲であってよい。線条は、更に、長手方向又は周方向にチャネル８０の内側壁部に沿って延在すると共に、添加剤製造工程において複数の金属粉体層が一括して圧密される結果として形成される。

図６及び７に、環状チャネル１２０が全体的に燃料ノズル１８（例えば予混合管）を取り巻く、即ち包み込む、添加剤製造技術により形成される実施形態を示す。図７に示すように、各々のチャネル１２０は、周方向に開口７８の周りに配置されるように、実質的に渦巻き状又は螺旋状の形状をなす。図６において、各々のチャネル１２０は周方向に燃料ノズル１８（即ち開口７８）の周りに２回巻き付けられるが、その他の実施形態では、チャネル１２０はエフュージョンプレート４０の近位面１０６と遠位面１０８との間において燃料ノズル１８の周りに１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０回以上巻き付けられてよい。更に、別の曲率、捻れ及び特徴を各々の環状チャネル１２０の長さに沿って取り入れることができる。この場合も、図６ではチャネル１２０は１つの燃料ノズル１８（例えば予混合管）を取り巻くものとして示されているが、一部の予混合システムでは、このような環状チャネル１２０が複数の予混合管を直接取り巻き、即ち包み込む。例として、燃料ノズル１８は、約７〜約２０センチメートルの範囲の直径を有する一方で、予混合管はより小さく、約０．５〜約２センチメートルの直径を有する。このため、現在は、チャネル１２０はより大きい燃料ノズル１８を包み込むように、又はより小さい予混合管（例えば単一の予混合管又は２〜１００本、３〜５０本又は４〜２５本のグループ状の予混合管）を取り巻くように適切に構成されることが想定される。

図８に、本開示の添加剤製造工程に従って製造されるエフュージョンプレート４０の別の実施形態を示す。上述したように、一部の実施形態において、各チャネル８０は、エフュージョンプレート４０の近位面１０６と遠位面１０８との間において全体的に先細状をなす。例として、入口１０２における直径は、エフュージョンプレート４０内のチャネル８０の内側部分の直径より大きい。このような先細形状はチャネル８０を通る空気を加速するために望ましく、その結果として熱伝達が促進される。一部の実施形態において、チャネル８０は、チャネル８０の全長に沿って徐々に先細状となって、入口１０２がチャネル８０内で最大の直径を有する一方で、出口１０４はチャネル８０内で最小の直径を有するようになっている。しかし、別の実施形態では、図８に示すように、チャネル８０を入口１０２からチャネル８０内の点１２４（例えば中間点）まで先細状にし、更に、ラッパ状の、即ち半径方向に拡大した出口１０４を設けることが望ましい。こうして、チャネル８０にベンチュリ形の通路を備えることができる。一部の実施形態は、先細状の部分と半径方向に拡大した部分とを交互に有して、断面直径がチャネル８０の長さに沿って変動するようになっている。破線で示すように、チャネル８０の長さに沿って様々な先細状部分と拡大部分とを有するその他の構成が想定される。

図９は、図８の線９−９内におけるチャネル８０の内側壁部１３０の拡大図である。図に示すように、添加剤製造工程を用いて、チャネル８０を通る空気の流れに影響を与えるように構成される様々な特徴を有する内側壁部１３０を作製できる。例えば、１つ以上のタービュレータ１３２を内側壁部１３０の様々な位置に配置することができる。タービュレータ１３２は、例えばチャネル８０の長さに沿って軸方向に配置される１つ以上の列又はチャネル８０内に周方向に配置される１つ以上の列をなす無作為な突起等、空気流に影響を与えるいかなる構成を有してもよい。更に、タービュレータ１３２はいかなる適切な大きさを有してもよく、各チャネル８０は１つ以上の異なる大きさのタービュレータを有してよい。非限定的な例として、各タービュレータ１３２は個別に、三角形、矩形、正方形、半円形、又は楕円形等の断面形状を有してよい。これらのタービュレータ１３２は、対流熱伝達のための表面積を増加させるのに役立ち（例えば小さい熱伝達フィンのように）、且つ／又は、タービュレータ１３２はチャネル８０内における混合又は乱流を誘導するのに役立つ。この場合も、表面積の増加と混合の促進によって、熱伝達を、ひいては冷却を向上させる。

更に、添加剤製造技術を用いて製造されるチャネル８０は、一部の実施形態では、同じエフュージョンプレート４０内で異なる構成を有し得る。例えば、１つ以上の先細チャネル８０と図７に示すチャネル１２０等の１つ以上の螺旋状チャネル８０とをエフュージョンプレート４０に取り入れることができる。その他の実施形態では、１つ以上のチャネル８０をエフュージョンプレート４０の内部で接続できる。例えば、隣接する燃料ノズル１８を取り巻く２つの螺旋状チャネル８０を交差させることで、接続されたチャネル８０間で空気を流動させることができる。一部の実施形態においては、１つ以上のチャネル８０をエフュージョンプレート４０の近位面１０６と遠位面１０８との間において分岐又は分裂するように構成することもできる。例えば、１つの実施形態において、チャネル８０はエフュージョンプレート４０内で２つ以上の枝チャネルに分岐する。枝チャネルは、エフュージョンプレート４０の遠位面１０８上の２つ以上の異なる出口１０４に接続されるか、或いは、枝チャネルが互いに収束して１つの出口１０４に接続されるようになっている。

上述したように、添加剤製造技術は、一般に、本明細書に記載の冷却チャネル８０等の複雑な形状、曲率、及び特徴を有する特注部品の作製を可能にする。従って、添加剤製造法を用いて、レーザー又はウォータージェット加工技術等の従来技術を使用すると実行不可能又は作製不可能である冷却チャネル８０等の様々な形状及び特徴を有するエフュージョンプレートを作製することができる。

エフュージョンプレート４０は、従来方法を用いて加工又は細工することが困難である高強度材料により作製されるため、添加剤製造法はガスタービンシステム用エフュージョンプレート４０の作製に特に有用である。加えて、添加剤製造技術は、困難な加工ステップを用いることなく、コンピュータモデルから複雑な固体の物体を作製することを可能にする。一般に、添加剤製造技術は、沈着させた粉体層（例えば層毎に）にレーザー又は電子ビーム等の熱源を適用して、特定の形状を有する部品を成長させるステップを含む。図１０は、添加剤製造技術を用いてエフュージョンプレート（例えばエフュージョンプレート４０）を作製する方法１３８の実施形態を示すブロック図である。方法１３８は、添加剤製造システムによって実施され、本明細書に記載の動作はコンピュータにより実行される。方法１３８は、特定の構成を画定するステップ（ブロック１４０）を含む。この構成は、例えば専用又は汎用コンピュータを用いることにより添加剤製造システムにプログラムされる。一部の実施形態では、モデルは、各チャネルが複雑な形状を有する複数の内部冷却チャネル（例えばチャネル８０）を有するエフュージョンプレート（例えばエフュージョンプレート４０）用とされる。画定される構成は、上記のいずれかの形状及び特徴を有してよい。例えば、形状は湾曲状、円形／螺旋状又は半径方向に拡大する入口１０２及び／又は出口１０４であってよい。ステップ１４２において、粉体（例えば、金属、セラミック又は複合粉）を真空チャンバ等のチャンバ内に沈着させる。図２に関して上記に詳細に説明したものを含めて、様々な材料のいずれをいかなる適切な組合せで用いてもよい。ステップ１４４において、例えばレーザー又は電子ビーム等のエネルギー源が、沈着させた金属粉に適用される。レーザー又は電子ビームは、粉体を溶融又はその他の方法で圧密して、ステップ１４０において画定された構成に対応する断面形状１４６を有する層にする。コンピュータ又はオペレータは、ステップ１４８において、部品が未完成であるか又は完成済であるかを判定する。部品が未完成である場合は、部品の作製が完了するまで、ステップ１４２及び１４４を繰り返して、画定された構成又はモデルに対応する断面形状を有する圧密された粉体の層を形成させる。換言すれば、最終製品が完成し、画定された構成を有するエフュージョンプレートが製造されるまで、エネルギー源を適用して、新しく沈着させた各粉体層を溶融又はその他の方法で圧密する。

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる装置又はシステムの作製及び使用、並びにあらゆる付随の方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるように本発明を開示している。本発明の特許請求の範囲は、請求項によって定義されるが、当業者に想到可能なその他の例もこれに含まれる。かかるその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を有する場合、特許請求の範囲内であることを意図している。

Claims (22)

1. エフュージョンプレートを製造する方法であって、
   前記エフュージョンプレートの構成を画定するステップであって、該構成は、前記エフュージョンプレート内に配置される１つ以上の内部冷却チャネルを含むステップと、
   粉体をチャンバ内に沈着させるステップと、
   前記沈着させた粉体にエネルギー源を適用するステップと、
   前記粉体を圧密して、前記画定された構成に対応する断面形状にするステップと、
   を含む、方法。
2. 前記１つ以上の内部冷却チャネルは湾曲している、請求項１に記載の方法。
3. 前記粉体は金属粉を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記粉体はセラミック粉を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記粉体は複合粉を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記エネルギー源はレーザー又は電子ビームを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記圧密ステップは前記粉体を溶融させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記構成を添加剤製造システムにプログラムするステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記沈着ステップと適用ステップと圧密ステップとを繰り返して、前記画定された構成を有する前記エフュージョンプレートを作製するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
10. 燃焼室と、
    ヘッド端部分と、
    前記燃焼室と前記ヘッド端部分との間に配置されるエフュージョンプレートであって、近位面と、遠位面と、前記近位面と前記遠位面との間に延在する１つ以上のチャネルであって、前記近位面と遠位面との間に延在する平面に沿う断面において湾曲した断面形状を有するチャネルとを備える、エフュージョンプレートと、
    を含む、タービン燃焼器。
11. 前記１つ以上のチャネルは半径方向に拡大する出口を含む、請求項１０に記載のタービン燃焼器。
12. 前記１つ以上のチャネルは半径方向に拡大する入口を含む、請求項１１に記載のタービン燃焼器。
13. 前記１つ以上のチャネルは、螺旋形状を有し、前記エフュージョンプレート内の１つ以上の開口の周りに周方向に配置される、請求項１０に記載のタービン燃焼器。
14. 前記１つ以上のチャネルは、前記エフュージョンプレートの前記１つ以上の開口内に配置される１つ以上の予混合管又は燃料ノズルの周りに周方向に配置される、請求項１３に記載のタービン燃焼器。
15. ２つ以上のチャネルが前記エフュージョンプレート内で交差する、請求項１０に記載のタービン燃焼器。
16. エフュージョンプレートを含むシステムであって、
    該エフュージョンプレートが、
    近位面と、
    遠位面と、
    前記近位面と前記遠位面との間に延在する１つ以上のチャネルであって、前記近位面と遠位面との間に延在する平面に沿う断面において湾曲した断面形状を有するチャネルと、
    を備える、システム。
17. 前記１つ以上のチャネルは半径方向に拡大する出口を含む、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記１つ以上のチャネルは螺旋形状を有し、前記エフュージョンプレート内の１つ以上の開口の周りに周方向に配置される、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記１つ以上のチャネルは、前記エフュージョンプレートの前記遠位面に対して９０度未満の角度に配向される出口を含む、請求項１６に記載のシステム。
20. 前記１つ以上のチャネルは、自身の内側壁部上に配置される１つ以上のタービュレータを含む、請求項１６に記載のシステム。
21. 前記エフュージョンプレートを有する燃焼器キャップ、燃焼器壁部、燃料ノズル、タービン動翼、タービン静翼、タービンシュラウド、又はこれらのいずれかの複合体を含む、請求項１６に記載のシステム。
22. 前記エフュージョンプレートは前記燃焼システムの構成要素の壁部に沿って延在する、請求項１６に記載のシステム。