DE112009000819T5 - Verwirbler und Verfahren zur Herstellung - Google Patents
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Abstract
Verwirbler (200), aufweisend: einen Körper (201), der eine Verwirblernabe (205) mit einer Verwirblerachse (11) aufweist; mehrere Leitschaufeln (208), die sich von der Nabe (205) aus erstrecken, wobei die Leitschaufeln (208) in einer Umfangsrichtung um die Verwirblerachse (11) herum angeordnet sind; einen Kranz (240), der koaxial zu der Verwirblerachse (11) angeordnet ist; und eine Wand (260), die sich zwischen einem Abschnitt des Kranzes (240) und einem Abschnitt der Nabe (205) erstreckt, wobei der Verwirbler (200) einen einteiligen Aufbau hat.
Description
- Hintergrund der Erfindung
- Diese Erfindung betrifft allgemein Verwirbler und insbesondere einteilige Verwirbler zum Fördern der Vermischung von Brennstoff und Luft in in Gasturbinentriebwerken eingesetzten Brennstoffdüsen.
- Gasturbinen enthalten typischerweise mehrere Brennstoffdüsen, um dem Brenner in dem Triebwerk Brennstoff zuzuführen. Der Brennstoff wird an dem vorderen Ende eines Brenners in einem stark zerstäubten Sprühstrahl aus einer Brennstoffdüse zugeführt. Verdichtete Luft strömt um die Brennstoffdüse herum und vermischt sich mit dem Brennstoff unter Ausbildung eines Brennstoff/Luft-Gemisches, welches durch den Brenner entzündet wird. Aufgrund einer eingeschränkten Verfügbarkeit von Brennstoffdruck und eines breiten Bereiches eines erforderlichen Brennstoffdurchflusses enthalten viele Brennstoffinjektoren Pilot- und Hauptdüsen, wobei nur die Pilotdüsen während des Startvorgangs verwendet werden und beide Düsen während eines Betriebs bei höherer Leistung verwendet werden. Der Zufluss zu den Hauptdüsen wird während eines Start- oder Niederlastbetriebs verringert oder gestoppt. Derartige Injektoren können effizienter und rückstandsfreier brennend als Einzeldüsen-Brennstoffinjektoren sein, da der Brennstofffluss genauer gesteuert werden kann und der Brennstoffstrahl genauer für die spezielle Brenneranforderung gelenkt werden kann. Die Pilot- und Hauptdüsen können in derselben Düsenbaugruppe enthalten sein oder können in getrennten Düsenbaugruppen gelagert sein. Diese Doppeldüsen-Brennstoffinjektoren können auch so aufgebaut sein, dass sie eine weitergehende Steuerung des Brennstoffs für Dual-Brenner ermöglichen, was noch einen größeren Brennstoffwirkungsgrad und eine Verringerung schädlicher Emissionen ermöglicht. Die Temperatur des gezündeten Brennstoff/Luft-Gemisches kann bis zu 1920°C (3500°F) erreichen. Es ist daher wichtig, dass die Brennstoffzuführungsleitungen, Durchflusskanäle und Verteilungssysteme im Wesentlichen leckfrei und vor den Flammen und Hitze geschützt sind.
- Verschiedene regierungsamtliche Aufsichtsbehörden haben Emissionsgrenzwerte für zulässige Pegel von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxiden (NOx) vorgegeben, welche als die Hauptbeitragsfaktoren zu der Erzeugung unerwünschter atmosphärischer Zustände erkannt wurden. Daher wurden unterschiedliche Brennerkonstruktionen entwickelt, um diese Kriterien zu erfüllen. Beispielsweise besteht eine Möglichkeit, mit welcher das Problem der Minimierung der Emission von unerwünschten Gasturbinentriebwerks-Verbrennungsprodukten in Angriff genommen wurde, in der Bereitstellung einer gestuften Verbrennung. In dieser Anordnung wird ein Brenner bereitgestellt, in welcher ein Brenner einer ersten Stufe für Niedrigdrehzahl- und Niederleistungsbedingungen verwendet wird, um die Eigenschaft der Verbrennungsprodukte genauer zu steuern. Eine Kombination von Brennern einer ersten Stufe und einer zweiten Stufe wird für Bedingungen höherer Leistungsabgaben bereitgestellt, während gleichzeitig versucht wird, die Verbrennungsprodukte innerhalb der Emissionsgrenzwerte zu halten. Man erkennt, dass ein Abgleichen des Betriebs der Brenner der ersten und zweiten Stufe, um einen effizienten thermischen Betrieb des Triebwerks bei gleichzeitiger Minimierung der Erzeugung von unerwünschten Verbrennungsprodukten zu ermöglichen, schwierig zu erzielen ist.
- Diesbezüglich kann ein Betrieb bei niedrigeren Verbrennungstemperaturen, um die Emissionen von NOx abzusenken, auch zu einer unvollständigen oder teilweise unvollständigen Verbrennung führen, welche zu der Erzeugung von zu hohen Mengen von HC und CO zusätzlich zu der Erzeugung von niedrigerer Ausgangsleistung und niedrigerem thermischen Wirkungsgrad führt. Eine hohe Verbrennungstemperatur führt andererseits, obwohl sie den thermischen Wirkungsgrad verbessert und die Menge an HC und CO senkt, oft zu einem höheren Ausstoß von NOx. Im Fachgebiet besteht eine der Möglichkeiten, mit welcher die Erzeugung von unerwünschten Verbrennungsproduktkomponenten in Gasturbinentriebwerksbrennern über den Triebwerksbetriebsbereich minimiert wird, in der Verwendung eines gestuften Verbrennungssystems, das primäre und sekundäre Brennstoffeinspritzöffnungen nutzt.
- Eine weitere Möglichkeit, die zum Minimieren der Erzeugung dieser unerwünschten Verbrennungsproduktkomponenten vorgeschlagen worden ist, besteht in der Bereitstellung einer effektiveren Vermischung des eingespritzten Brennstoffes und der Verbrennungsluft. Diesbezüglich wurden bereits zahlreiche Verwirbler- und Mischerkonstruktionen über die Jahre hinweg vorgeschlagen, um die Vermischung des Brennstoffes und der Luft zu verbessern. Auf diese Weise erfolgt die Verbrennung gleichmäßig über das gesamte Gemisch hinweg und verringert die Pegel von HC und CO, die sich aus einer unvollständigen Verbrennung ergeben. Es besteht jedoch immer noch ein Bedarf zur Minimierung der Erzeugung von unerwünschten Verbrennungsprodukten über einen breiten Bereich von Triebwerksbetriebsbedingungen. Eine bessere Vermischung von Brennstoff und Luft in Brennstoffdüsen unter Verwendung von zur Förderung einer solchen Vermischung ausgelegten Verwirblern ist bei der Verringerung unerwünschter Verbrennungsemissionen nützlich.
- Mit der Zeit kann eine fortgesetzte Aussetzung an hohe Temperaturen während des Turbinentriebwerkbetriebs thermische Belastungen in den Leitungen und Brennstoffdüsen induzieren, welche die Leitungen und die Brennstoffdüsen beschädigen und nachteilig deren Betrieb beeinflussen können. Beispielsweise können thermische Belastungen Brennstoffdurchflussverringerungen in den Leitungen bewirken und können zu einer übermäßigen Brennstofffehlverteilung in dem Turbinentriebwerk führen. Die Aussetzung von durch die Leitungen und Öffnungen in einer Brennstoffdüse strömenden Brennstoffs an hohe Temperaturen kann zur Verkokung des Brennstoffs führen und kann zu Blockade und ungleichmäßigem Durchfluss führen. Um niedrige Emissionen zu erzeugen, benötigen moderne Brennstoffdüsen zahlreiche komplizierte interne Luft- und Brennstoffkreise, um mehrere getrennte Flammenzonen zu erzeugen. Brennstoffkreise können Hitzeschilde gegen die Innenluft erfordern, um eine Verkokung zu verhindern, und bestimmte Spitzenbereiche müssen gekühlt und gegenüber Verbrennungsgasen abgeschirmt werden. Ferner kann mit der Zeit ein fortgesetzter Betrieb mit beschädigten Brennstoffdüsen zu einem verringerten Turbinenwirkungsgrad, Turbinenkomponentenverschleiß und/oder verringerter Triebwerksabgastemperaturreserve führen.
- Eine Verbesserung des Lebensdauerzyklusses von in dem Turbinentriebwerk eingebauten Brennstoffdüsen kann die Lebensdauer der Turbine verlängern. Bekannte Brennstoffdüsen enthalten ein Zuführungssystem, ein Mischsystem und ein Halterungssystem. Das Leitungen für den Transport von Fluiden aufweisende Zuführungssystem liefert Brennstoff zu dem Turbinentriebwerk und wird in dem Turbinentriebwerk durch das Halterungssystem gehalten und abgeschirmt. Insbesondere umgeben bekannte Halterungssysteme das Zuführungssystem und sind als solche höheren Temperaturen ausgesetzt und haben höhere Betriebstemperaturen als die Zuführungssysteme, welche von durch die Brennstoffdüse strömendem Fluid gekühlt werden. Es kann möglich sein, die thermischen Belastungen in den Leitungen und Brennstoffdüsen durch Konfiguration ihrer äußeren und inneren Konturen und Dicken zu reduzieren.
- Luft/Brennstoff-Mischer haben Verwirblerbaugruppen, die die durch diese hindurchströmende Luft verwirbeln, um die Vermischung von Luft mit Brennstoff vor der Verbrennung zu fördern. Die in den Brennern verwendeten Verwirblerbaugruppen können komplexe Strukturen mit axialen, radialen oder konischen Verwirblern oder einer Kombination von diesen haben. In der Vergangenheit wurden herkömmliche Fertigungsverfahren zum Herstellen von Mischern mit Verwirblerkomponenten genutzt, die unter Anwendung bekannter Verfahren zum Erzeugen der Verwirblerbaugruppen zusammengebaut oder verbunden wurden. Beispielsweise werden in einigen Mischern mit komplexen Leitschaufeln einzelne Leitschaufel zuerst maschinell bearbeitet und dann in eine Baugruppe mittels Hartlötung eingebaut. Modellausschmelzverfahren wurden in der Vergangenheit zur Herstellung einiger Brennkammerverwirbler benutzt. Weitere Verwirbler wurden aus Rohmaterial gearbeitet. Elektroerosionsbearbeitung (EDM) wurde als ein Mittel zur Bearbeitung der Leitschaufeln in herkömmlichen Verwirblern eingesetzt.
- Herkömmliche Gasturbinenkomponenten, wie z. B. Brennstoffdüsen und deren zugeordnete Verwirbler, Leitungen und Verteilungssysteme, sind im Allgemeinen teuer herzustellen und/oder zu reparieren, da die herkömmlichen Brennstoffdüsenkonstruktionen mit komplexen Verwirblern, Leitungen und Verteilungskreisen für den Transport, die Verteilung und Vermischung von Brennstoff mit Luft einen komplexen Zusammenbau und eine Verbindung von mehr als 30 Komponenten umfassen. Insbesondere kann die Verwendung von Hartlötverbindungen die Zeit verlängern, die zum Herstellen derartiger Komponenten benötigt wird, und kann auch den Fertigungsprozess aus einem von mehreren Gründen verkomplizieren, welche umfassen: die Notwendigkeit eines ausreichenden Bereiches, um die Aufbringung einer Hartlötlegierung zu ermöglichen; die Notwendigkeit der Minimierung eines unerwünschten Hartlötlegierungsflusses; die Notwendigkeit einer ausreichenden Inspektionstechnik zum Verifizieren der Hartlötungsqualität; und die Notwendigkeit der Verfügbarkeit verschiedener Hartlötungslegierungen, um das Wiederaufschmelzen von vorausgehenden Hartlötverbindungen zu verhindern. Ferner können zahlreiche Hartlötverbindungen zu mehreren Hartlötdurchläufen führen, welche das Ausgangsmaterial der Komponente schwächen können. Das Vorhandensein zahlreicher Hartlötverbindungen kann das Gewicht und die Fertigungskosten der Komponente unerwünscht erhöhen.
- Demzufolge wäre es wünschenswert, über Verwirbler mit komplexen Geometrien zum Vermischen von flüssigem Brennstoff und Luft in Brennstoffdüsen zu verfügen, die einen einteiligen Aufbau zum Verringern unerwünschter Effekte aus der vorstehend beschriebenen thermischen Aussetzung haben. Es ist wünschenswert, über Verwirbler mit komplexen Geometrien mit einer einteiligen Konstruktion zu verfügen, um die Kosten zu reduzieren und den Zusammenbau zu vereinfachen sowie einen Schutz vor schädlicher thermischer Umgebung bereitzustellen. Es ist wünschenswert, über ein Fertigungsverfahren zum Erzeugen eines einteiligen Aufbaus für einteilige Verwirbler mit komplexen dreidimensionalen Geometrien für den Transport von Luft, wie beispielsweise für Verwirblersysteme in Brennstoffdüsen zu verfügen.
- Kurzbeschreibung der Erfindung
- Die vorgenannte(n) Anforderung oder Anforderungen kann/können durch exemplarische Ausführungsformen erfüllt werden, welche einen einteiligen Verwirbler bereitstellen, der einen Körper mit einer Verwirblerachse und mehrere in einer Umfangsrichtung rings um die Verwirblerachse angeordnete Leitschaufeln aufweist, wobei der Verwirbler einen einteiligen Aufbau hat. In einer weiteren Ausführungsform hat ein einteiliger Verwirbler einen koaxial zu der Verwirblerachse angeordneten Kranz und eine Wand, die sich zwischen einem Abschnitt des Kranzes und einem Abschnitt der Nabe erstreckt. In einer weiteren Ausführungsform hat ein einteiliger Verwirbler einen Adapter mit einem Kanal, der dafür konfiguriert ist, einen Luftstrom auf wenigsten einige von den mehreren Leitschaufeln zu lenken. In einer weiteren Ausführungsform hat ein einteiliger Verwirbler wenigstens eine Leitschaufel mit einer Geometrie, die sich von der einer anderen Leitschaufel unterscheidet. In einer weiteren Ausführungsform hat ein einteiliger Verwirbler einen Körper mit einem wenigstens teilweise in dem Körper angeordneten Isolationsspalt.
- In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Fertigen eines einteiligen Verwirblers offenbart, wobei das Verfahren die Schritte der Ermittlung einer dreidimensionalen Information von dem einteiligen Verwirbler, der mehrere in einer Umfangsrichtung auf einem Körper um eine Verwirblerachse angeordnete Leitschaufeln und eine sich zwischen einem Kranz und einem Abschnitt des Körpers erstreckende Wand aufweist, der Umwandlung der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte bzw. Scheiben, die jeweils eine Querschnittsschicht des einteiligen Verwirblers definieren, und der aufeinanderfolgenden Erzeugung jeder Schicht des einteiligen Verwirblers durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Verwendung von Laserenergie aufweist. Es sind exemplarische Ausführungsformen offenbart, die einen mittels eines Schnell-Fertigungsprozesses (Rapid-Manufacturing-Prozesses) gefertigten einteiligen Verwirbler zeigen. In einem Aspekt der Erfindung ist der Schnell-Fertigungsprozess ein Laser-Sinterungs prozess.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
- Der als die Erfindung betrachtete Erfindungsgegenstand wird insbesondere in anschließendem Teil der Offenbarung besonders dargestellt und eindeutig beansprucht. Die Erfindung wird jedoch am besten unter Bezugnahme auf die nachstehende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden, in welchen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Turbobläser-Gasturbinentriebwerks mit hohem Nebenstromverhältnis ist, das eine exemplarische Brennstoffdüse mit einem Verwirbler gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. -
2 eine isometrische Ansicht einer exemplarischen Brennstoffdüse mit einem Verwirbler gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. -
3 eine axiale Querschnittsansicht einer exemplarischen Düsenspitzenbaugruppe der in2 dargestellten exemplarischen Brennstoffdüse ist. -
4 eine isometrische Ansicht eines Verwirblers gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist. -
5 eine ebene Draufsicht auf den in4 dargestellten exemplarischen Verwirbler mit einem weggeschnittenen Abschnitt ist. -
6 eine weitere isometrische Ansicht des in4 dargestellten exemplarischen Verwirblers ist. -
7 eine isometrische Ansicht eines Verwirblers gemäß einer alternativen exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem weggeschnittenen Abschnitt des Verwirblers ist. -
8 eine ebene Draufsicht auf den in7 dargestellten alternativen exemplarischen Verwirbler mit einem weggeschnittenen Abschnitt ist. -
9 eine isometrische Ansicht eines Verwirblers gemäß einer weiteren alternativen exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem weggeschnittenen Abschnitt des Verwirblers ist. -
10 eine ebene Draufsicht auf den in9 dargestellten alternativen exemplarischen Verwirbler mit einem weggeschnittenen Abschnitt ist. -
11 eine axiale Querschnittsansicht einer weiteren alternativen exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eines Verwirblers ist, der in Verbindung mit einer benachbarten Komponente dargestellt ist. -
12 eine axiale Querschnittsansicht einer weiteren alternativen exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eines Verwirblers ist, der in Verbindung mit einer benachbarten Komponente dargestellt ist. -
13 ein Flussdiagramm ist, das eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines einteiligen Verwirblers darstellt. - Detaillierte Beschreibung der Erfindung
- Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen identische Bezugszeichen dieselben Elemente durchgängig durch die verschiedenen Ansichten bezeichnen, stellt
1 eine schematische Form eines exemplarischen Gasturbinentriebwerks10 (des Typs mit hohem Nebenstromverhältnis) dar, das eine exemplarische Brennstoffdüse100 mit einer exemplarischen Ausführungsform eines Verwirblers (wie z. B. den hierin in den Figuren dargestellten und beschriebenen Elementen200 ,300 ,400 ) enthält, die zum Fördern der Vermischung von Luft mit dem Brennstoff in der Brennstoffdüse100 verwendet werden. Das exemplarische Gasturbinentriebwerk10 hat eine dadurch verlaufende axiale Mittellinienachse12 für Bezugszwecke. Das Triebwerk10 enthält bevorzugt ein Gasturbinen-Kerntriebwerk, das insgesamt mit dem Bezugszeichen14 bezeichnet ist und einen stromaufwärts davon angeordneten Bläserabschnitt16 . Das Kerntriebwerk14 enthält typischerweise ein rohrförmiges Außengehäuse18 , das einen ringförmigen Einlass20 definiert. Das Außengehäuse18 umschließt und lagert ferner einen Booster-Verdichter22 , um den Druck der Luft, die in das Kerntriebwerk eintritt, auf einen ersten Pegel zu erhöhen. Ein mehrstufiger Hochdruck-Axialverdichter24 nimmt die unter Druck stehende Luft aus dem Booster22 auf und erhöht den Druck der Luft weiter. Die unter Druck stehende Luft strömt zu einem Brenner26 , in welchem Brennstoff in den unter Druck stehenden Luftstrom eingespritzt und entzündet wird, um die Temperatur und das Energieniveau der unter Druck stehenden Luft zu erhöhen. Die Hochenergie-Verbrennungsprodukte strömen aus dem Brenner26 zu einer ersten (Hochdruck-)Turbine28 , um den Hochdruckverdichter24 über eine erste (Hochdruck-)Antriebswelle30 anzutreiben, und dann zu einer zweiten (Niederdruck-)Turbine32 zum Antreiben des Boosters22 und des Bläserabschnittes16 über eine zweite (Niederdruck-)Antriebswelle34 , die koaxial zu der ersten Antriebswelle30 verläuft. Nach dem Antreiben beider Turbinen28 und32 verlassen die Verbrennungsprodukte das Kerntriebwerk14 durch eine Auslassdüse36 , um wenigstens einen Teil des Strahlvortriebsschubs des Triebwerks10 zu erzeugen. - Der Bläserabschnitt
16 enthält einen drehbaren Axialbläserrotor38 , der von einem ringförmigen Bläsergehäuse40 umgeben ist. Man erkennt, dass das Bläsergehäuse40 von dem Kerntriebwerk14 über mehrere sich im Wesentlichen radial erstreckende, in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Auslassleitschaufeln42 gehalten wird. Auf diese Weise umschließt das Bläsergehäuse40 den Bläserrotor38 und die Bläserrotorlaufschaufeln44 . Ein stromabwärts befindlicher Abschnitt46 des Bläsergehäuses40 erstreckt sich über einen Außenbereich des Kerntriebwerks14 , um einen sekundären oder Nebenstromluftkanal48 zu definieren, der einen zusätzlichen Strahlvortriebsschub erzeugt. - Von einem Durchflussstandpunkt aus erkennt man, dass ein durch einen Pfeil
50 repräsentierter Anfangsluftstrom in das Gasturbinentriebwerk10 durch einen Einlass52 zu dem Bläsergehäuse40 eintritt. Der Luftstrom50 passiert die Bläserlaufschaufeln44 und teilt sich in einen (durch einen Pfeil54 dargestellten) ersten verdichteten Luftstrom, der sich durch einen Strömungskanal48 bewegt, und in einen zweiten (durch einen Pfeil56 dargestellten) verdichteten Luftstrom auf, welcher in den Booster22 eintritt. - Der Druck des zweiten verdichteten Luftstroms
56 wird erhöht, und dieser tritt gemäß Darstellung durch den Pfeil58 in den Hochdruckverdichter24 ein. Nach Vermischung mit Brennstoff und Verbrennung in dem Brenner26 verlassen Verbrennungsprodukte60 den Brenner26 und strömen durch die erste Turbine28 . Die Verbrennungsprodukte60 strömen dann durch die zweite Turbine32 und verlassen die Auslassdüse36 , um wenigstens einen Teil des Vorschubs für das Gasturbinentriebwerk10 zu erzeugen. - Der Brenner
26 enthält eine ringförmige Brennkammer62 , die koaxial zu der Längsachse12 verläuft, sowie einen Einlass64 und einen Auslass66 . Wie vorstehend angemerkt, empfängt der Brenner26 einen ringförmigen Strom von unter Druck stehender Luft aus einem Hochdruckverdichterausgabeauslass69 . Ein Teil dieser in den Figuren hierin mit dem Bezugszeichen190 bezeichneten Verdichterausgabeluft (”CDP”-Luft) strömt in einen (nicht dargestellten) Mischer. Brennstoff wird von einer Brennstoffdüsenspitzenbaugruppe eingespritzt, um sich mit der Luft zu mischen und ein Brennstoff/Luft-Gemisch zu erzeugen, das der Brennkammer62 zur Verbrennung zugeführt wird. Die Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisches wird durch eine geeignete Zündvorrichtung erreicht, und die sich ergebenden Verbrennungsgase60 strömen in einer axialen Richtung zu einem und in einen ringförmigen Turbinenleitapparat72 der ersten Stufe. Der Leitapparat72 ist durch einen ringförmigen Strömungskanal definiert, der mehrere sich radial erstreckende in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Leitapparat-Leitschaufeln74 enthält, die die Gase so ablenken, dass diese unter einem Winkel strömen und auf die Turbinenlaufschaufeln der ersten Stufe der ersten Turbine28 auftreffen. Gemäß Darstellung in1 dreht die erste Turbine28 bevorzugt den Hochdruckverdichter24 über die erste Antriebswelle30 . Die Niederdruckturbine32 treibt bevorzugt den Booster24 und den Bläserrotor38 über die zweite Antriebswelle34 an. - Die Brennkammer
62 ist in dem Triebwerksaußengehäuse18 untergebracht. Brennstoff wird in die Brennkammer durch Brennstoffdüsen100 , wie z. B. die in den2 und3 dargestellten, eingebracht. Flüssiger Brennstoff wird durch Leitungen in einem Schaft103 , wie z. B. dem in3 dargestellten, zu der Brennstoffdüsenspitzenbaugruppe68 transportiert. Leitungen, die einen einteiligen Aufbau haben, können zum Transportieren des flüssigen Brennstoffes in die Brennstoffdüsenspitzenbaugruppe68 der Brennstoffdüsen100 verwendet werden. Die Brennstoffzuführungsleitungen können sich in dem Schaft103 befinden und mit einer Brennstoffverteilerspitze180 verbunden sein. Pilotbrennstoff und Hauptbrennstoff werden in den Brenner26 durch Brennstoffdüsenspitzenbaugruppen68 , wie z. B. die in den2 und3 dargestellten, eingespritzt. Während des Betriebs des Turbinentriebwerks wird zu Beginn Pilotbrennstoff durch einen Pilotbrennstoff-Durchflusskanal, wie z. B. den als Elemente102 ,104 in3 dargestellten, während vorbestimmter Triebwerksbetriebsbedingungen, wie z. B. während des Starts und bei Leerlaufbetrieb, zugeführt. Der Pilotbrennstoff wird aus der Brennstoffverteilerspitze180 durch den Pilotbrennstoffauslass162 ausgegeben. Wenn zusätzliche Leistung angefordert wird, wird Hauptbrennstoff durch Hauptbrennstoff-Verbindungskanäle105 (siehe3 ) zugeführt, und der Hauptbrennstoff wird unter Verwendung der Hauptbrennstoffauslässe165 eingesprüht. -
4 –6 stellen eine exemplarische Ausführungsform eines einteiligen Verwirblers200 gemäß der vorliegenden Erfindung dar.2 und3 stellen eine exemplarische Ausführungsform einer Brennstoffdüse100 und einer Brennstoffdüsenspitze68 mit dem exemplarischen einteiligen Verwirbler200 dar.7 –10 stellen alternative exemplarische Ausführungsformen einteiliger Verwirbler300 ,400 dar. Der Begriff ”einteilig” wird in dieser Anmeldung dazu benutzt um anzuzeigen, dass die zugeordnete Komponente, wie z. B. die hierin beschriebenen Verwirbler200 ,300 ,400 , während der Fertigung als ein Einzelstück hergestellt wird. Somit hat eine einteilige Komponente einen monolithischen Aufbau der Komponente.4 stellt eine isometrische Ansicht eines einteiligen Verwirblers200 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der in4 dargestellte exemplarische Verwirbler200 enthält eine Umfangsanordnung von Leitschaufeln200 , die der hindurchtretenden Luft eine Verwirbelungsbewegung verleihen. Der in4 dargestellte exemplarische Verwirbler200 kann einen einteiligen Aufbau haben, der unter Anwendung der hierin nachstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wird. - Bezugnehmend auf die
2 und3 erstreckt sich die Brennstoffverteilerspitze180 so von dem Schaft103 , dass die Hauptbrennstoff-Verbindungskanäle105 und die Pilotbrennstoff-Verbindungskanäle102 ,104 in dem einteiligen Verteilerring171 mit in dem Schaft103 enthaltenen entsprechenden Brennstoffzuführungsleitungen in Strömungsverbindung verbunden sind. Die Hauptbrennstoff-Verbindungskanäle105 sind mit in dem einteiligen Verteilerring171 definierten Brennstoffkreisen in Strömungsverbindung verbunden. Der primäre Pilotverbindungskanal102 und der sekundäre Pilotverbindungskanal104 sind in Strömungsverbindung mit entsprechenden Pilotinjektoren verbunden, die radial innen in einer Brennstoffdüse (siehe3 ) positioniert sind. Es wird für Fachleute ersichtlich sein, dass es, obwohl der Verteilerring171 hier vorstehend als eine einteilige Leitung (d. h., mit einem einteiligen Aufbau) beschrieben wurde, möglich ist, einen Verteilerring171 mit anderen geeigneten Herstellungskonstrukten unter Verwendung im Fachgebiet bekannter Verfahren zu verwenden. Der einteilige Verteilerring171 ist an dem Schaft103 unter Anwendung herkömmlicher Befestigungsmittel, wie z. B. durch Hartlöten, befestigt. Alternativ können der einteilige Verteilerring171 und der Schaft103 mittels Schnell-Fertigungsverfahren (Rapid-Herstellungsverfahren), wie z. B. direktes Laser-Metallsintern, wie hierin beschrieben, hergestellt werden. -
3 stellt einen axialen Querschnitt einer exemplarischen Brennstoffdüsenspitze68 dar, die eine exemplarische Ausführungsform eines einteiligen Verwirblers200 gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Die in3 dargestellte axiale Brennstoffdüsenspitze68 hat zwei hierin als primärer Pilot-Durchflusskanal102 und sekundärer Pilot-Durchflusskanal104 bezeichnete Pilotbrennstoff-Durchflusskanäle. Bezugnehmend auf3 verlässt der Brennstoff aus dem primären Pilot-Durchflusskanal102 die Brennstoffdüse durch einen primären Pilotbrennstoffinjektor163 , und der Brennstoff aus dem sekundären Pilot-Durchflusskanal104 verlässt die Brennstoffdüse durch einen sekundären Pilotbrennstoffinjektor167 . Der primäre Pilot-Durchflusskanal102 in dem Verteilerring171 steht mit einem entsprechenden primären Pilotkanal in der in dem Schaft103 (siehe2 ) enthaltenen Zuführungsleitung in Strömungsverbindung. Ebenso steht der sekundäre Pilot-Durchflusskanal104 in dem Verteilerring171 mit einem entsprechenden sekundären Pilotkanal in der in dem Schaft103 enthaltenen Zuführungsleitung in Strömungsverbindung. - Wie vorstehend beschrieben, sind Brennstoffdüsen, wie z. B. die in Gasturbinentriebwerken eingesetzten, hohen Temperaturen ausgesetzt. Eine derartige Aussetzung an hohe Temperaturen kann in einigen Fällen zu Brennstoffverkokung und Blockade in den Brennstoffkanälen, wie z. B. in dem Austrittskanal
164 , führen. Eine Möglichkeit, die Brennstoffverkokung und/oder Blockade in dem Verteilerring171 abzuschwächen, besteht in der Verwendung von Hitzeschildern, um die Kanäle (wie z. B. die in3 dargestellten Elemente102 ,104 ,105 ) vor der nachteiligen thermischen Umgebung zu schützen. In der in3 dargestellten exemplarischen Ausführungsform werden die Brennstoffleitungen102 ,104 ,105 durch Spalte116 und Hitzeschilde geschützt, die wenigstens teilweise diese Leitungen umgeben. Der Spalt116 bietet einen Schutz für die Brennstoffkanäle durch Schaffung einer Isolation gegenüber der schädlichen thermischen Umgebung. In der dargestellten exemplarischen Ausführungsform haben die Isolationsspalte116 Breiten zwischen etwa 0,38 mm (0,015 Inches) und 0,64 mm (0,025 Inches). Die Hitzeschilde können aus jedem geeigneten Material mit der Fähigkeit, hoher Temperatur zu widerstehen, wie z. B. auf Kobalt basierenden Legierungen und auf Nickel basierenden Legierungen, die üblicherweise in Gasturbinentriebwerken verwendet werden, hergestellt sein. In der in3 dargestellten exemplarischen Ausführungsform hat der Verteilerring171 einen einteiligen Aufbau, wobei der Verteilerring171 , die Durchflusskanäle102 ,104 ,105 und die Brennstoffauslässe165 , die Hitzeschilde und die Spalte116 so ausgebildet sind, dass sie einen monolithischen Aufbau haben. -
4 stellt eine isometrische Ansicht eines Verwirblers200 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der exemplarische Verwirbler200 weist einen Körper201 mit einer Nabe205 auf, die sich in Umfangsrichtung um eine Verwirblerachse18 erstreckt. Eine Reihe von sich aus der Nabe205 erstreckenden Leitschaufeln208 sind in einer Umfangsrichtung auf der Nabe205 um die Verwirblerachse11 herum angeordnet. Jede Leitschaufel208 hat einen Fußabschnitt210 , der sich radial in der Nähe der Nabe205 befindet, und einen Spitzenabschnitt220 , der sich radial außerhalb der Nabe205 befindet. Jede Leitschaufel208 hat eine Vorderkante212 und eine Hinterkante214 , die sich zwischen dem Fußabschnitt210 und dem Spitzenabschnitt220 erstrecken. Die Leitschaufeln208 haben eine geeignete Form, wie z. B. eine Tragflügelform, zwischen der Vorderkante212 und der Hinterkante214 . Benachbarte Leitschaufeln bilden einen Durchflusskanal für das Durchleiten von Luft, wie z. B. der als Element190 in4 dargestellten CDP-Luft, die in den Verwirbler200 eintritt. Die Leitschaufeln208 können sowohl radial als auch axial in Bezug auf die Verwirblerachse11 geneigt sein, um der ankommenden Luft190 , die in den Verwirbler200 eintritt, eine Rotationsbewegungskomponente zu verleihen. Diese geneigten Verwirblerleitschaufeln208 bewirken, dass die Luft190 in einer im Wesentlichen spiralförmigen Weise in der Brennstoffdüsenspitzenbaugruppe68 herumwirbelt. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat die Leitschaufel208 eine Ausrundung bzw. einen Übergang226 , die bzw. der sich zwischen dem Fußabschnitt210 und der Nabe205 erstreckt. Zusätzlich dazu, eine Reduzierung von Spannungskonzentrationen in dem Fußabschnitt210 zu ermöglichen, ermöglicht der Übergang226 auch eine sanfte Luftströmung in dem Nabenbereich des Verwirblers. Der Übergang226 hat eine glatte Konturform227 , die dafür ausgelegt ist, die sanfte Luftströmung in dem Verwirbler zu begünstigen. Die Konturformen und Ausrichtungen für eine spezielle Leitschaufel208 sind unter Anwendung bekannter Fluidströmungsanalyseverfahren ausgelegt. In den in den3 –11 hierin dargestellten exemplarischen Ausführungsformen haben die Leitschaufeln208 eine freitragende Lagerungsart, wobei sie an ihrem Fußabschnitt210 auf der Nabe205 strukturell gehaltert ist, während der Leitschaufelspitzenabschnitt210 im Wesentlichen frei ist. Es ist in einigen alternativen Verwirblerkonstruktionen auch möglich, für wenigstens einige von den Leitschaufeln208 einen zusätzlichen strukturellen Halt an deren Spitzenbereichen210 vorzusehen, wie es beispielsweise in12 dargestellt ist, die eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Aussparung222 an dem Spitzenabschnitt220 einer Leitschaufel228 vorgesehen, wie es beispielsweise in den4 und5 dargestellt ist. Die Aussparung222 steht mit benachbarten Komponenten in einer Brennstoffdüse100 in Eingriff, um diese axial auszurichten, wie es beispielsweise in den3 ,11 und12 dargestellt ist. In der in den4 und5 dargestellten exemplarischen Ausführungsform weist die Aussparung222 eine Stufe mit einer stufenförmigen Änderung des Radius in dem Leitschaufelspitzenabschnitt222 auf. Es ist für den Fachleute ersichtlich, dass es möglich ist, andere Stellen auf der Leitschaufel208 oder andere geometrische Konfigurationen für die Aussparung222 zu haben. - Der in den
3 –5 dargestellte exemplarische Verwirbler200 weist einen Adapter250 auf, der sich axial hinter der Umfangsreihe von Leitschaufeln208 befindet. Der Adapter250 weist eine gebogene Wand256 (siehe6 ) auf, die einen Durchflusskanal254 zur Führung eines Luftstroms190 , wie z. B. des CDP-Luftstroms, formt, der aus einem Verdichteraustritt in einem Turbobläsertriebwerk10 (siehe1 ) kommt. Die ankommende Luft190 tritt in den Kanal254 in dem Adapter250 ein und strömt axial vorwärts zu der Reihe der Leitschaufeln208 des Verwirblers200 . In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erstreckt sich ein Abschnitt203 des Verwirblerkörpers201 von der Nabe205 nach axial hinten und bildet einen Abschnitt des Adapters250 . In der in6 dargestellten exemplarischen Ausführungsform bildet der sich axial nach hinten erstreckende Abschnitt203 des Körpers201 einen Abschnitt der gebogenen Wand256 des Adapters250 . Der Adapter250 dient auch als eine Einrichtung zur Montage des Verwirblers200 in einer Baugruppe, wie z. B. einer Brennstoffdüsenbaugruppe68 , wie in3 dargestellt. In der in6 dargestellten exemplarischen Ausführungsform weist der Adapter250 eine gekrümmte Nut252 zur Aufnahme eines (nicht dargestellten) Hartlötmaterials auf, das dafür verwendet wird, den Adapter250 an einer weiteren Struktur, wie z. B. einem Brennstoffdüsenschaft103 gemäß Darstellung in2 , zu befestigen. Wie man deutlich in6 sehen kann, hat die Nut252 in der gebogenen Wand256 eine komplexe dreidimensionale Geometrie, die unter Anwendung herkömmlicher Bearbeitungsverfahren schwer zu formen ist. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Nut252 in der gebogenen Wand256 mit ihrer komplexen dreidimensionalen Geometrie, wie in den4 –10 veranschaulicht, integriert zum Erhalt eines einteiligen Aufbaus unter Anwendung der nachstehend beschriebenen Fertigungsverfahren ausgebildet. - Der in den
3 –5 dargestellte exemplarische Verwirbler200 weist einen ringförmigen Kranz240 auf, der koaxial zu der Verwirblerachse11 verläuft und radial außerhalb von der Nabe205 angeordnet ist. Wie in den3 ,11 und12 zu sehen ist, steht der Kranz240 mit angrenzenden Komponenten in der Brennstoffdüse100 in Eingriff und bildet einen Abschnitt des Durchflusskanals für die in dem Verwirbler200 strömende Luft190 . Der Luftstrom190 tritt in den hinteren Abschnitt des Verwirblers200 in axialer Vorwärtsrichtung ein und wird durch die Nabe205 und den Kranz240 zu den Leitschaufeln208 geleitet. In der in den4 –6 dargestellten exemplarischen Ausführungsform tritt der Luftstrom190 , wie z. B. aus einem Verdichteraustritt, in den Kanal254 in dem Adapter250 ein. Wie es am besten in den5 und6 zu sehen ist, ist das axial vordere Ende der gebogenen Wand256 des Adapters250 in einem Stück an dem Kranz240 und dem Körper201 befestigt. In einer bevorzugten Ausführungsform haben der Adapter250 , der Kranz240 , der Körper201 , die Nabe205 und die Leitschaufeln208 unter Anwendung der hierin beschriebenen Fertigungsverfahren einen einteiligen Aufbau. Alternativ kann der Adapter250 getrennt gefertigt und an dem Kranz240 und dem Körper201 unter Anwendung herkömmlicher Befestigungsmittel befestigt werden. - Bezugnehmend auf
4 erstreckt sich eine Wand260 zwischen einem Abschnitt des Kranzes240 und einem Abschnitt der Nabe205 des Körpers201 . Die Wand260 erzeugt wenigstens einen Teil der tragenden Unterstützung zwischen dem Kranz240 und der Nabe205 des Verwirblers. Die Wand260 stellt auch sicher, dass von dem Kanal254 des Adapters250 in dem vorderen Abschnitt des Verwirblers ankommende Luft nicht in die axiale Rückwärtsrichtung strömt, und lässt den Strom190 weiter axial vorwärts auf die Leitschaufeln208 zu strömen. In der in5 dargestellten exemplarischen Ausführungsform ist die Vorderseite262 der Wand260 in Bezug auf eine zu der Verwirblerachse11 rechtwinklige Ebene im Wesentlichen eben. Um einen sanften Durchfluss der Luft zu begünstigen, sind die Ränder der Wand260 (siehe4 und5 ) glatt geformt, um eine abrupte Strömungstrennung an scharfen Kanten zu vermeiden. - Es ist in Brenner- und Brennstoffdüsenanwendungen üblich, dass die Verdichteraustrittsluft
190 (siehe3 und4 ), die in die Brenner- und Brennstoffdüsenbereiche kommt, mit Temperaturen über 427°C (800°F) sehr heiß ist. Eine derartig hohe Temperatur kann eine Verkokung oder ein anderes thermisch induziertes Problem für einige der internen Komponenten von Brennstoffdüsen100 , wie z. B. für die Brennstoffdurchflusskanäle102 ,104 und den Verwirbler200 , bewirken. Die hohe Temperatur der Luft190 kann auch die internen Hartlötverbindungen, wie z. B. zwischen dem Brennstoffinjektor163 und dem Verteilerring171 (siehe3 ), schwächen. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind Isolationsspalte216 in dem Körper201 des Verwirblers200 vorgesehen, um die Übertragung von Wärme aus der in dem Verwirbler100 strömenden Luft und anderen internen Komponenten, wie z. B. den primären Brennstoffinjektoren163 oder sekundären Brennstoffinjektoren167 , vorgesehen. Die Isolationsspalte, wie z. B. die Elemente216 , tragen zum Verringern der Temperatur an den Hartlötverbindungen in einer Brennstoffdüse während des Triebwerkbetriebs bei. Der Isolationsspalt216 kann gemäß Darstellung in den3 ,11 und12 ringförmig sein. Andere geeignete Konfigurationen auf der Basis einer bekannten Wärmeübertragungsanalyse können ebenfalls verwendet werden. In der in3 dargestellten exemplarischen Ausführungsform ist der Isolationsspalt ringförmig und erstreckt sich wenigstens teilweise in dem Verwirblerkörper201 und hat eine radiale Spaltbreite zwischen etwa 0,38 mm (0,015 Inches) und 0,64 mm (0,025 Inches). In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Isolationsspalt in dem Verwirblerkörper201 zum Erhalt eines einteiligen Aufbaus unter Anwendung der hierin nachstehend beschriebenen Fertigungsverfahren integriert ausgebildet sein. Die integriert ausgebildeten Hartlötnuten, wie die hierin beschriebenen, können komplexe Konturen haben und den Einbau (nicht dargestellter) vorgeformter Hartlötringe ermöglichen, um einen leichten Zusammenbau zu fördern. - Bezugnehmend auf die
4 und6 ist es für Fachleute ersichtlich, dass der aus dem Adapterkanal254 eintretende Luftstrom190 in der Umfangsrichtung ungleichmäßig ist, wenn er in die Leitschaufeln208 eintritt. Diese Ungleichmäßigkeit wird noch weiter durch das Vorhandensein der Wand260 verstärkt. In herkömmlichen Verwirblern kann eine derartige Ungleichmäßigkeit der Strömung Ungleichmäßigkeiten in der Vermischung von Brennstoff und Luft bewirken und zu ungleichmäßigen Verbrennungstemperaturen führen. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eines Verwirblers200 können die nachteiligen Effekte eines in Umfangsrichtung ungleichmäßigen Strömungseintrittes durch Vorsehen von Verwirblerleitschaufeln208 mit Geometrien minimiert werden, die sich von denen in Umfangsrichtung benachbarter Leitschaufeln unterscheiden. Speziell angepasste Geometrien von Verwirblerleitschaufeln208 können für jede Umfangsposition auf der Nabe205 auf der Basis bekannter Fluidströmungsanalysetechniken gewählt werden. Ein Verwirbler mit unterschiedlichen Geometrien für die an unterschiedlichen Umfangspositionen angeordneten Leitschaufeln208 kann eine einteilige Konstruktion haben und unter Anwendung der hierin beschriebenen Fertigungsverfahren hergestellt werden. - Eine alternative exemplarische Ausführungsform eines Verwirblers
300 ist in den7 und8 dargestellt. Die alternative exemplarische Ausführungsform des Verwirblers300 weist Verwirblerleitschaufeln308 , einen Körper301 , eine Nabe305 , einen Adapter350 und einen Kranz340 ähnlich dem hierin vorstehend beschriebenen Verwirbler200 auf.7 ist eine isometrische Ansicht der alternativen exemplarischen Ausführungsform des Verwirblers300 , in welcher ein Teil des Verwirblerkranzes340 und der Wand360 weggeschnitten ist.8 ist eine ebene Draufsicht auf den in7 dargestellten alternativen exemplarischen Verwirbler300 . Wie vorstehend beschrieben, kann das Vorhandensein einer Wand, wie z. B. der Wand260 (siehe5 ), eine Ungleichmäßigkeit der in die Leitschaufeln208 , insbesondere in die axial vor der Wand260 angeordneten Leitschaufeln208 , eintretenden Luftströmung mit sich bringen. Eine Möglichkeit, diese Ungleichmäßigkeit der Strömung in der Nähe der Wand abzuschwächen, besteht in der Verringerung der Ablösung der Strömung190 in der Nähe der Wand200 . Dies wird in der alternativen exemplarischen Ausführungsform des Verwirblers300 durch Vorsehen einer Wand360 mit einer Konturform für ihre Vorderseite360 gemäß Darstellung in8 erreicht. Die aerodynamische Konturform für die Wand360 kann auf der Basis bekannter Fluidströmungsanalysetechniken so gewählt sein, dass sie eine Strömungsablösung in der Nähe der Wand360 verringert. Die durch Strömungspfeile191 dargestellte (siehe8 ) verbesserte Strömungsführung in der Nähe der Wand360 ergibt einen gleichmäßigeren Luftstrom in die Leitschaufeln308 , insbesondere in diejenigen Leitschaufeln308 , die sich axial vor der Wand360 befinden. Die nachteiligen Effekte eines in Umfangsrichtung ungleichmäßigen Strömungseintrittes können weiter durch Vorsehen glatter Kanten für die Wand360 und/oder durch Vorsehen von Verwirblerleitschaufeln309 mit Geometrien minimiert werden, die sich von denen der in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln308 , wie vorstehend diskutiert, unterscheiden. Die alternative exemplarische Ausführungsform des Verwirblers300 mit komplexen Geometrien für die Wand360 und die Leitschaufeln308 ,309 kann unter Anwendung der hierin beschriebenen Fertigungsverfahren hergestellt werden. - Eine weitere alternative exemplarische Ausführungsform eines Verwirblers
400 ist in den9 und10 dargestellt. Die alternative exemplarische Ausführungsform des Verwirblers400 weist Verwirblerleitschaufeln408 , einen Körper401 , eine Nabe405 , einen Adapter450 und einen Kranz440 , ähnlich den hierin vorstehend beschriebenen Verwirblern200 ,300 , auf.9 ist eine isometrische Ansicht der alternativen exemplarischen Ausführungsform des Verwirblers400 , in welcher ein Teil des Verwirblerkranzes440 und der Wand460 weggeschnitten ist.10 ist eine ebene Draufsicht auf den in9 dargestellten alternativen exemplarischen Verwirbler400 . Wie vorstehend beschrieben, kann das Vorhandensein einer Wand, wie z. B. der Wand260 (siehe5 ), eine Ungleichmäßigkeit der Strömung der in die Leitschaufeln208 und insbesondere in die vor der Wand260 angeordneten Leitschaufeln208 eintretenden Luft mit sich bringen. Die Ungleichmäßigkeit der Strömung in der Nähe der Wand kann verringert werden, indem die Ablösung der Strömung190 in der Nähe der Wand200 verringert wird. Dieses wird in der alternativen exemplarischen Ausführungsform des Verwirblers400 durch Vorsehen einer Leitschaufel409 erreicht, die sich aus der Vorderseite462 der Wand460 gemäß Darstellung in den9 und10 axial nach vorne erstreckt. Die aerodynamischen Konturformen für die Wand460 und die Leitschaufel409 auf der Basis bekannter Fluidströmungsanalysetechniken können so ausgelegt sein, dass sie die Strömungstrennung in der Nähe der Wand460 verringern. Die durch Strömungspfeile191 dargestellte (siehe10 ) verbesserte Strömungsrichtung in der Nähe der Wand460 ergibt einen gleichmäßigeren Luftstrom in die Leitschaufeln408 ,409 , insbesondere in diejenigen Leitschaufeln, die sich axial vor der Wand460 befinden. Die nachteiligen Effekte eines in Umfangsrichtung ungleichmäßigen Strömungseintrittes können weiter durch Vorsehen glatter Kanten für die Wand460 und/oder durch Vorsehen von Verwirblerleitschaufeln409 mit Geometrien minimiert werden, die sich von denen der in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln408 , wie vorstehend diskutiert, unterscheiden. Die alternative exemplarische Ausführungsform des Verwirblers400 mit komplexen Geometrien für die Wand460 und die Leitschaufeln408 ,409 kann unter Anwendung der hierin beschriebenen Fertigungsverfahren hergestellt werden. -
11 und12 stellen alternative exemplarische Ausführungsformen für die Position der Wand260 dar. In der in3 dargestellten exemplarischen Ausführungsform befindet sich die Wand260 an einem axial hinteren Ende der Nabe205 des Körpers201 . In einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, um beispielsweise mechanische Schwingungen zu verringern, die Wand260 axial weiter vorne anzuordnen.11 stellt eine exemplarische Ausführungsform dar, in welcher die Wand260 axial vor einem hinteren Ende der Nabe205 an einer Stelle angeordnet ist, die sich axial hinter der Vorderkante212 der Leitschaufeln208 befindet. Alternativ stellt12 eine weitere exemplarische Ausführungsform dar, in welcher sich die Wand260 von dem Spitzenabschnitt220 einer Leitschaufel208 aus erstreckt. In einigen Konstruktionen ist es auch möglich, dass sich die Wand260 von dem Spitzenabschnitt220 mehrerer Leitschaufeln208 aus erstreckt. - Die exemplarischen Ausführungsformen des in den
3 –6 dargestellten einteiligen Verwirblers200 und die alternativen Ausführungsformen der in7 –12 dargestellten einteiligen Verwirbler300 ,400 können mittels Schnell-Fertigungsverfahren (Rapid-Fertigungsverfahren), wie z. B. Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Laser Net Shape Manufacturing (LNSM), Elektronenstrahlsintern und anderen bekannten Herstellungsprozessen, hergestellt werden. DMLS ist ein bevorzugtes Verfahren zum Fertigen der hierin beschriebenen einteiliger Verwirbler200 ,300 ,400 . -
13 ist ein Flussdiagramm, das eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens500 zum Fertigen einteiliger Verwirbler, wie z. B. hierin beschriebener und in den3 –12 dargestellter Elemente200 ,300 und400 , veranschaulicht. Obwohl das Fertigungsverfahren500 nachstehend unter Verwendung eines einteiligen Verwirblers200 als ein Beispiel beschrieben ist, gelten dieselben Verfahren, Schritte, Prozeduren usw. auch für die alternativen exemplarischen Ausführungsformen der in den9 –12 dargestellten Verwirbler. Das Verfahren500 beinhaltet die Herstellung des (in den3 –6 dargestellten) einteiligen Verwirblers200 unter Anwendung von Direct Metal Laser Sintering (DMLS). DMLS ist ein bekannter Fertigungsprozess, der Metallkomponenten unter Nutzung von dreidimensionalen Informationen, wie z. B. eines dreidimensionalen Computermodells, von der Komponente, fertigt. Die dreidimensionalen Informationen werden in mehrere Schnitte bzw. Scheiben umgewandelt, wobei jeder Schnitt einen Querschnitt der Komponente für eine vorbestimmte Höhe des Schnitts definiert. Die Komponente wird dann Schnitt für Schnitt oder Schicht für Schicht ”aufgebaut”, bis sie fertiggestellt ist. Jede Schicht der Komponente wird durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Verwendung eines Lasers hergestellt. - Demzufolge beinhaltet das Verfahren
500 den Schritt505 einer Ermittlung der dreidimensionalen Information eines einteiligen Verwirblers200 und den Schritt510 der Umwandlung der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte bzw. Scheiben, die jeweils eine Querschnittsschicht des einteiligen Verwirblers200 definieren. Der einteilige Verwirbler200 wird dann unter Anwendung von DMLS gefertigt, oder genauer jede Schicht wird aufeinanderfolgend im Schritt515 durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Verwendung von Laserenergie gefertigt. Jede Schicht hat eine Größe zwischen etwa 15,7 und 25,4 μm (etwa 0,0005 und 0,001 inch). Der einteilige Verwirbler200 kann unter Anwendung jeder geeigneten Lasersintermaschine hergestellt werden. Beispiele geeigneter Lasersintermaschinen umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, eine EOSINT.RTM. M 270 DMLS Maschine, eine PHENIX PM250 Maschine und/oder eine EOSINT.RTM. M 250 Xtended DMLS Maschine, die von EOS of North America, Inc. of Novi, Michigan, beziehbar sind. Das zum Herstellen des einteiligen Verwirblers200 verwendete Metallpulver ist bevorzugt ein Pulver, das Kobalt-Chrom enthält, kann aber jedes andere geeignete Metallpulver, wie z. B., jedoch nicht darauf beschränkt, HS188 und INCO625 sein. Das Metallpulver kann eine Partikelgröße zwischen etwa 10 μm und 74 μm, bevorzugt zwischen etwa 15 μm und etwa 30 μm haben. - Obwohl die Verfahren zur Herstellung des einteiligen Verwirblers
200 hierin unter Anwendung von DMLS als bevorzugtes Verfahren beschrieben wurden, wird der Fertigungsfachmann erkennen, dass viele weitere Schnell-Fertigungsverfahren unter Anwendung eines schichtenweisen Aufbaus oder einer additiven Herstellung ebenfalls verwendet werden können. - Diese alternativen Schnell-Fertigungsverfahren umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, selektives Laser-Sintern (SLS), 3D-Drucken, wie z. B. mittels Tintenstrahl und Laserstrahl, Stereolithografie (SLS), direktes selektives Lasersintern (DSLS), Elektronenstrahlsintern (EBS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Laser Engineered Net Shaping (LENS), Laser Net Shape Manufacturing (LNSM) und Direct Metal Deposition (DMD).
- Der einteilige Verwirbler
200 für eine Brennstoffdüse100 in einem Turbinentriebwerk (siehe1 –3 ) weist weniger Komponenten und Verbindungsstellen als bekannte Brennstoffdüsen auf. Insbesondere benötigt der vorstehend beschriebene einteilige Verwirbler200 weniger Komponenten aufgrund der Verwendung eines einteiligen Verwirblers200 , der mehrere Leitschaufeln208 , einen Körper201 , einen Kranz240 , eine Wand260 aufweist. Demzufolge stellt der beschriebene einteilige Brennstoffverwirbler200 eine leichtere, preiswertere Alternative zu bekannten Brennstoffverteilern dar. Des Weiteren bietet der beschriebene einteilige Aufbau des einteiligen Verwirblers200 weniger Möglichkeiten einer Leckage oder eines Ausfalls und ist im Vergleich zu bekannte Verwirblern leichter zu reparieren. - So wie hierin verwendet, sollen ein in der Singularform bezeichnetes Element oder Schritt und dem auch die Worte ”einer, eine, eines” vorangestellt sind, nicht als mehrere Elemente oder Schritte ausschließend betrachtet werden, soweit nicht ein derartiger Ausschluss explizit angegeben wird. Wenn Elemente, Komponenten usw. hierin beschriebener und/oder dargestellter einteiliger Verwirbler
200 ,300 ,400 eingeführt werden, sollen die Artikel ”einer, eines, eine”, ”der, die, das” und ”besagter, besagte, besagtes” die Bedeutung haben, dass eines oder mehrere von den Elementen, Komponenten usw. vorhanden sein kann/können. Die Begriffe ”aufweisend”, ”enthaltend” und ”habend” sollen einschließend sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche Elemente, Komponenten usw. außer den aufgelisteten Elementen, Komponenten usw. vorhanden sein können. Ferner sollen Bezugnahmen auf ”eine Ausführungsform” der vorliegenden Erfindung nicht derart interpretiert werden, als würden sie weitere ebenfalls die angegebenen Merkmale enthaltende Ausführungsformen ausschließen. - Obwohl die hierin beschriebenen Verfahren und Gegenstände, wie z. B. die einteiligen Verwirbler
200 ,300 ,400 , im Zusammenhang mit einer Verwirbelung von Luft zum Vermischen von flüssigem Brennstoff mit Luft in einem Turbinentriebwerk beschrieben wurden, dürfte es sich verstehen, dass die hierin beschriebenen einteiligen Verwirbler200 ,300 ,400 und deren Fertigungsverfahren nicht auf Brennstoffdüsen oder Turbinentriebwerke beschränkt sind. Die in den hierin enthaltenen Figuren dargestellten einteiligen Verwirbler200 ,300 ,400 sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern können stattdessen unabhängig und getrennt von anderen hierin beschriebenen Komponenten genutzt werden. - Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich ihrer besten Ausführungsart zu offenbaren, und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung zu nutzen. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zu dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
- Zusammenfassung:
- Es ist ein einteiliger Verwirbler (
200 ) offenbart, der einen Körper (201 ) mit einer Verwirblerachse (11 ) und mehrere in einer Umfangsrichtung rings um die Verwirblerachse (11 ) angeordnete Leitschaufeln (208 ) aufweist, wobei der Verwirbler (200 ) einen einteiligen Aufbau hat. In einer Ausführungsform hat der einteilige Verwirbler (200 ) einen koaxial zu der Verwirblerachse (11 ) angeordneten Kranz (240 ) und eine Wand (260 ), die sich zwischen einem Abschnitt des Kranzes (240 ) und einem Abschnitt der Nabe (205 ) erstreckt. In einer weiteren Ausführungsform hat der einteilige Verwirbler (200 ) einen Adapter (250 ) mit einem Kanal (254 ), der dafür konfiguriert ist, einen Luftstrom auf wenigsten einige von den mehreren Leitschaufeln (208 ) zu lenken. Ein Verfahren (500 ) zum Herstellen einer einteiligen Komponente (200 ) ist offenbart, wobei das Verfahren die Schritte der Ermittlung dreidimensionaler Information von dem einteiligen Verwirbler (200 ), der mehrere in einer Umfangsrichtung auf einem Körper (201 ) um eine Verwirblerachse (11 ) angeordnete Leitschaufeln (208 ) und eine sich zwischen einem Kranz (240 ) und einem Abschnitt des Körpers (201 ) erstreckenden Wand (260 ) aufweist, der Umwandlung der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte, die jeweils eine Querschnittsschicht des einteiligen Verwirblers (200 ) definieren, und der aufeinanderfolgenden Erzeugung jeder Schicht des einteiligen Verwirblers (200 ) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Verwendung von Laserenergie aufweist. Exemplarische Ausführungsformen sind offenbart, die einen mittels eines Schnell-Fertigungsprozesses gefertigten einteiligen Verwirbler (200 ) zeigen. In einem Aspekt der Erfindung ist der Schnell-Fertigungsprozess ein Laser-Sinterungsprozess.
Claims (36)
- Verwirbler (
200 ), aufweisend: einen Körper (201 ), der eine Verwirblernabe (205 ) mit einer Verwirblerachse (11 ) aufweist; mehrere Leitschaufeln (208 ), die sich von der Nabe (205 ) aus erstrecken, wobei die Leitschaufeln (208 ) in einer Umfangsrichtung um die Verwirblerachse (11 ) herum angeordnet sind; einen Kranz (240 ), der koaxial zu der Verwirblerachse (11 ) angeordnet ist; und eine Wand (260 ), die sich zwischen einem Abschnitt des Kranzes (240 ) und einem Abschnitt der Nabe (205 ) erstreckt, wobei der Verwirbler (200 ) einen einteiligen Aufbau hat. - Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Adapter (250 ) mit einem Kanal (254 ), der konfiguriert ist, um einen Luftstrom auf wenigstens einige von den mehreren Leitschaufeln (208 ) zu richten. - Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 2, wobei der Kanal (254 ) von einer gebogenen Wand (256 ) gebildet wird, die sich von einem Abschnitt des Körpers (201 ) aus erstreckt. - Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 2, wobei der Kanal (254 ) von einer gebogenen Wand (256 ) gebildet wird, die sich von einem Abschnitt des Kranzes (240 ) aus erstreckt. - Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 2, wobei der Adapter (250 ) eine Nut (252 ) hat, die in der Lage ist, ein Hartlötmaterial aufzunehmen. - Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 1, wobei der Körper (201 ) einen Isolationsspalt (216 ) hat, der wenigstens teilweise in dem Körper (201 ) angeordnet ist. - Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 1, wobei jede Leitschaufel (208 ) im Wesentlichen dieselbe Geometrie hat. - Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Leitschaufel (209 ) eine Geometrie hat, die sich von einer anderen Leitschaufel (208 ) unterscheidet. - Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 1, wobei die Wand (260 ) eine axiale Vorderseite (262 ) hat, die im Wesentlichen flach ist. - Verwirbler (
300 ) nach Anspruch 1, wobei die Wand (360 ) eine axiale Vorderseite (362 ) mit einer Kontur (364 ) hat, die eine sanfte Luftströmung fördert. - Verwirbler (
400 ) nach Anspruch 1, wobei sich wenigstens eine Leitschaufel (409 ) von einer axialen Vorderseite (462 ) der Wand (460 ) aus erstreckt. - Verwirbler (
300 ) nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Leitschaufel (308 ) einen Spitzenabschnitt (320 ) hat, der frei ist. - Verwirbler (
300 ) nach Anspruch 12, wobei wenigstens eine Leitschaufel (308 ) eine Aussparung (322 ) hat, die sich durch einen Abschnitt des Spitzenabschnittes (320 ) erstreckt. - Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 1, wobei die Wand (260 ) an einem axial hinteren Ende der Nabe (205 ) angeordnet ist. - Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 1, wobei die Wand (260 ) axial vor einem hinteren Ende der Nabe (205 ) angeordnet ist. - Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 1, wobei sich die Wand (260 ) von dem Spitzenabschnitt (220 ) einer Leitschaufel (208 ) aus erstreckt. - Verfahren (
500 ) zum Herstellen eines einteiligen Verwirblers (200 ), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Ermitteln dreidimensionaler Information von dem einteiligen Verwirbler (200 ), der mehrere in einer Umfangsrichtung auf einem Körper (201 ) um eine Verwirblerachse (11 ) herum angeordnete Leitschaufeln (208 ) und eine sich zwischen einem Kranz (240 ) und einem Abschnitt des Körpers (201 ) erstreckende Wand (260 ) aufweist; Umwandeln der dreidimensionalen Information in mehrere Schnitte, die jeweils eine Querschnittsschicht des einteiligen Verwirblers (200 ) definieren; und aufeinanderfolgendes Erzeugen jeder Schicht des einteiligen Verwirblers (200 ) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie. - Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Ermittlung dreidimensionaler Information von dem einteiligen Verwirbler (
200 ) ferner die Ermittlung eines dreidimensionalen Modells des einteiligen Verwirblers (200 ) umfasst. - Verfahren nach Anspruch 17, wobei das aufeinanderfolgende Erzeugen jeder Schicht des einteiligen Verwirblers (
200 ) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie ferner das Schmelzen eines Pulvers umfasst, das wenigstens eines von Kobalt-Chrom, HS188 und INCO625 aufweist. - Verfahren nach Anspruch 17, wobei das aufeinanderfolgende Erzeugen jeder Schicht des einteiligen Verwirblers (
200 ) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie ferner das Schmelzen eines Metallpulvers umfasst, das eine Partikelgröße zwischen etwa 10 μm und etwa 75 μm aufweist. - Verfahren nach Anspruch 20, wobei das aufeinanderfolgende Erzeugen jeder Schicht des einteiligen Verwirblers (
200 ) durch Schmelzen eines Metallpulvers unter Einsatz von Laserenergie ferner das Schmelzen eines Metallpulvers umfasst, das eine Partikelgröße zwischen etwa 15 μm und etwa 30 μm aufweist. - Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Ermittlung dreidimensionaler Information von dem einteiligen Verwirbler (
200 ) ferner die Ermittlung eines dreidimensionalen Modells des einteiligen Verwirblers (200 ) aufweist, der einen Spalt (216 ) umfasst, der sich wenigstens teilweise in dem Körper (201 ) befindet. - Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Ermittlung dreidimensionaler Information von dem einteiligen Verwirbler (
200 ) ferner die Ermittlung eines dreidimensionalen Modells des einteiligen Verwirblers (200 ) aufweist, der wenigstens einer Leitschaufel (209 ) umfasst, die eine Geometrie hat, die sich von der einer anderen Leitschaufel (208 ) unterscheidet. - Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Ermittlung dreidimensionaler Information von dem einteiligen Verwirbler (
200 ) ferner die Ermittlung eines dreidimensionalen Modells des einteiligen Verwirblers (200 ) aufweist, der einen Adapter (250 ) mit einem Kanal (254 ) umfasst, der konfiguriert ist, um einen Luftstrom zu wenigstens einigen von den mehreren Leitschaufeln (208 ) zu richten. - Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Kanal (
254 ) von einer gebogenen Wand (256 ) gebildet wird, die sich von einem Abschnitt des Körpers (201 ) aus erstreckt. - Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Adapter (
250 ) eine Nut (252 ) hat, die ein Hartlötmaterial aufnehmen kann. - Einteiliger Verwirbler (
200 ) mit mehreren sich von einer Nabe (205 ) aus erstreckenden Leitschaufeln (208 ), die in einer Umfangsrichtung rings um eine Achse (11 ) auf einem Körper (201 ) angeordnet sind, mit einem einteiligen Aufbau wobei der einteilige Verwirbler (200 ) unter Anwendung eines Schnell-Fertigungsprozesses gefertigt wird. - Einteiliger Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 27, wobei der Schnell-Fertigungsprozess ein Lasersinterungsprozess ist. - Einteiliger Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 27, wobei der Schnell-Fertigungsprozess DMLS ist. - Einteiliger Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 27, der ferner einen zu der Achse (11 ) koaxialen Kranz (240 ) aufweist. - Einteiliger Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 14, der ferner eine Wand (260 ) aufweist, die sich zwischen einem Abschnitt des Kranzes (240 ) und einem Abschnitt der Nabe (205 ) erstreckt. - Einteiliger Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 27, wobei jede Leitschaufel (208 ) im Wesentlichen dieselbe Geometrie hat. - Einteiliger Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 27, wobei wenigsten eine Leitschaufel (209 ) eine Geometrie hat, die sich von der einer anderen Leitschaufel (208 ) unterscheidet. - Einteiliger Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 27, wobei der Körper (201 ) einen Isolationsspalt (216 ) hat, der wenigstens teilweise in dem Körper (201 ) angeordnet ist. - Einteiliger Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 27, der ferner einen Adapter (250 ) mit einem Kanal (254 ) aufweist, der konfiguriert ist, um einen Luftstrom auf wenigstens einige von den mehreren Leitschaufeln (208 ) zu lenken. - Einteiliger Verwirbler (
200 ) nach Anspruch 35, wobei der Kanal (254 ) von einer gebogenen Wand (256 ) gebildet wird, die sich von einem Abschnitt des Körpers (201 ) aus erstreckt.
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