(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料噴射ノズルに使用するための燃料注入ヘッドを提供する。【解決手段】燃料噴射ノズルに使用するための燃料噴射ヘッド２００は、上流面２１２と、対向する下流面２１４と、それらの間に延在する周壁とを含むモノリシック本体部２１０とを備える。複数の予混合チューブ２１８は、本体部と一体的に形成され、本体部を通って軸方向に延在する。各予混合チューブは、上流面に近接する入口２２０と、下流面に近接する出口２２２と、入口と出口の間に延在する流路２２１とを備える。各予混合チューブはまた、予混合チューブの外面から外方に少なくとも部分的に延在する少なくとも一つの燃料インジェクタ２４０を含み、燃料インジェクタは、予混合チューブと一体的に形成され、本体部と流路の間の燃料フローを促進するよう構成される。【選択図】図３
2015001371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射ノズル（１２６）に使用する燃料噴射ヘッド（２００）であって、
上流面（２１２）と、対向する下流面（２１４）と、それらの間に延在する周壁とを有するモノリシック本体部（２１０）と、
前記本体部（２１０）を通って軸方向に延在する複数の予混合チューブ（２１８）と、を備え、
前記予混合チューブ（２１８）のそれぞれは、前記本体部（２１０）と一体的に形成され、且つ、
前記上流面（２１２）に近接する入口（２２０）と、
前記下流面（２１４）に近接する出口（２２２）と、
前記入口（２２０）と前記出口（２２２）との間に延在する流路（２２１）と、
前記複数の予混合チューブ（２１８）のそれぞれの外面から外方に少なくとも部分的に延在する少なくとも一つの燃料インジェクタ（２４０）と、を備え、
前記燃料インジェクタ（２４０）は、前記予混合チューブ（２１８）と一体的に形成され、且つ、前記本体部（２１０）と前記流路（２２１）との間の燃料フローを促進するように構成されている、燃料噴射ヘッド（２００）。
【請求項２】
前記少なくとも一つの燃料インジェクタ（２４０）のそれぞれは、
インジェクタ表面（２５０）と、
前記インジェクタ表面（２５０）に画定される入口（２５２）と、
前記本体部（２１０）と前記予混合チューブ流路（２２１）との間に延在する燃料フロー流路（２５４）と、を備え、
前記インジェクタ入口（２５２）は、前記燃料フロー流路（２５４）とフロー連通している、請求項１に記載の燃料噴射ヘッド（２００）。
【請求項３】
前記燃料インジェクタ入口（２５２）は、前記燃料フロー流路（２５４）を通る燃料フローの加速を促進するよう外方にフレア状になっている、請求項２に記載の燃料噴射ヘッド（２００）。
【請求項４】
前記燃料インジェクタ入口（２５２）は、涙滴形状である、請求項２に記載の燃料噴射ヘッド（２００）。
【請求項５】
前記燃料フロー流路（２５４）の長さの前記燃料フロー流路（２５４）の直径に対する比率は、少なくとも約１０から１である、請求項２に記載の燃料噴射ヘッド（２００）。
【請求項６】
前記燃料インジェクタ（２４０）は、前記予混合チューブ（２１８）外面から斜めに延在する上流端（２５６）をさらに備える、請求項２に記載の燃料噴射ヘッド（２００）。
【請求項７】
前記燃料インジェクタ（２４０）は、前記予混合チューブ（２１８）外面と前記インジェクタ表面（２５０）との間に円弧状に延在する下流端（２５８）をさらに備える、請求項２に記載の燃料噴射ヘッド（２００）。
【請求項８】
第一流体を受け入れるよう構成された第一流体入口と、
第一流体出口と、
前記第一流体入口と前記第一流体出口との間に延在する第一流体フロー流路を画定する導管壁と、
前記導管壁から外方に少なくとも部分的に延在する少なくとも一つのインジェクタ部と、を備え、
前記インジェクタ部は、前記導管壁と一体的に形成され、且つ、
インジェクタ表面（２５０）と、
前記インジェクタ表面（２５０）に画定される第二流体入口と、
前記導管壁を通って延在する第二流体フロー流路と、を備え、
前記第二流体フロー流路は、前記第一流体フロー流路とフロー連通している、流体フロー導管。
【請求項９】
前記第二流体入口は、前記第二流体フロー流路を通る第二流体フローの加速を促進するよう外方にフレア状になっている、請求項８に記載の流体フロー導管。
【請求項１０】
前記第二流体入口は、涙滴形状である、請求項８に記載の流体フロー導管。
【請求項１１】
前記第二流体フロー流路の長さの前記第二流体フロー流路の直径に対する比率は、少なくとも約１０から１である、請求項８に記載の流体フロー導管。
【請求項１２】
前記インジェクタ部は、前記導管壁から外方に斜めに延在する上流端（２５６）をさらに備える、請求項８に記載の流体フロー導管。
【請求項１３】
前記インジェクタ部は、前記導管壁と前記インジェクタ表面（２５０）との間に円弧状に延在する下流端（２５８）をさらに備える、請求項８に記載の流体フロー導管。
【請求項１４】
燃料噴射ノズル（１２６）に使用するための燃料噴射ヘッド（２００）を製造する方法であって、
（ａ）上流面（２１２）と、対向する下流面（２１４）と、それらの間に延在する周壁とを含むモノリシック本体部（２１０）を形成する工程と、
（ｂ）前記本体部（２１０）を通って軸方向に延在する複数の予混合チューブ（２１８）を形成する工程であって、前記予混合チューブ（２１８）のそれぞれは、前記本体部（２１０）と一体的に形成され、且つ、
前記上流面（２１２）に近接する入口（２２０）と、
前記下流面（２１４）に近接する出口（２２２）と、
前記入口（２２０）と前記出口（２２２）との間に延在する流路と、を備える、工程と、
（ｃ）各予混合チューブ（２１８）の外面から外方に少なくとも部分的に延在する少なくとも一つの燃料インジェクタ（２４０）を形成する工程と、を備え、
前記燃料インジェクタ（２４０）は、前記予混合チューブ（２１８）と一体的に形成され、且つ、前記本体部（２１０）と前記流路との間の燃料フローを促進するよう構成されている、方法。
【請求項１５】
工程（ａ）から（ｃ）は、直接金属レーザー焼結法によって実施される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも一つの燃料インジェクタ（２４０）を形成する工程は、
インジェクタ表面（２５０）と、
前記インジェクタ表面（２５０）に画定される入口（２５２）と、
前記本体部（２１０）と前記予混合チューブ流路（２２１）との間に延在する燃料フロー流路（２５４）と、を含む少なくとも一つの燃料インジェクタ（２４０）を形成する工程をさらに備え、前記インジェクタ入口（２５２）は、前記燃料フロー流路（２５４）とフロー連通している、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料インジェクタ入口（２５２）は、前記燃料フロー流路（２５４）を通る燃料フローの加速を促進するよう外方にフレア状になっている、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記燃料インジェクタ入口（２５２）は、涙滴形状である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記燃料フロー流路（２５４）の長さの前記燃料フロー流路（２５４）の直径に対する比率は、少なくとも約１０から１である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料インジェクタ（２４０）は、
前記予混合チューブ外面（２４２）から斜めに延在する上流端（２５６）と、
前記予混合チューブ外面（２４２）と前記インジェクタ表面（２５０）との間に円弧状に延在する下流端（２５８）と、をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載する実施形態は、概して、ガスタービンエンジン噴射ノズルに関し、特に、ガスタービンエンジン噴射ノズルに用いる燃料インジェクタを含む予混合チューブに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも幾つかの既知のタービンエンジンは、コージェネレーション設備および発電プラントに使用される。そのようなエンジンは、高い比仕事および高い単位質量流量出力要求を有する。運転効率を高めるために、ガスタービンエンジンのような少なくとも幾つかのタービンエンジンは、燃焼温度を上げて運転する。一般的に、そのような既知のガスタービンエンジンの少なくとも幾つかにおいては、燃焼ガス温度が上昇するにつれてエンジン効率が上がる。
【０００３】
しかし、既知のタービンエンジンをより高い温度で運転すると、例えば窒素酸化物（ＮＯx）のような汚染排出物の発生も増加する可能性がある。そのような排出物の発生を低減するよう、少なくとも幾つかの既知のタービンエンジンは、改良された燃焼システム設計を含む。例えば、多くの燃焼システムは、燃料噴射ノズルまたは希釈剤、気体、および／または空気のような物質を燃料と混ぜて燃焼のための燃料混合物を生成するマイクロミキサーを含む予混合の技術を使用する。
【０００４】
ある既知のガスタービン燃料噴射ノズルは、多くの小さな予混合チューブを含む。予混合チューブは、主入口を介して空気を受け入れ、またチューブ長さ沿いの少なくとも一つの燃料インジェクタを介して燃料を受け入れる。各予混合チューブは、上流および下流プレートの間に位置し、燃料ノズルヘッドを形成する周壁に囲まれる。燃料インジェクタは一般的に、複数の非常に小さい低角度の開口を、燃料がノズルヘッドからチューブ内部に噴射されるのを可能にする予混合チューブの壁内に含み、燃料と空気が、チューブを出て燃焼室に入る前に混ざり合うことができる。より長い燃料インジェクタは、混合の改良を促進し、したがって、運転効率の向上と排出物の低減が可能になる。しかし、燃料インジェクタの長さは通常、予混合チューブの厚さによって制限され、またチューブの厚さは通常、業界の製造基準およびできるだけ多くのチューブを燃料ノズル内に含みたいという要求によって制限される。
【０００５】
上述の燃料噴射ノズルは、多くのろう付け接合部を、燃料を密閉するのに必要なチューブ／プレートおよびプレート／壁接合部に含むことを認識されたい。結果として、高価なＥＤＭ処理によって、多くの小さな低角度の燃料注入穴を形成する必要がある。さらに、複雑な組立手段が、特定の性能基準を満たすためにしばしば必要となる。したがって、より長い燃料インジェクタを使用し、漏洩の可能性のある接合部を減らす燃料ノズルジオメトリで製造され、加工後および／またはＥＤＭ運転の必要を減らす予混合チューブが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８１８１８９１号明細書
【発明の概要】
【０００７】
一態様では、燃料噴射ノズルに使用するための燃料注入ヘッドを提供する。燃料注入ヘッドは、上流面、対向する下流面、およびそれらの間に延在する周壁を備えたモノリシック本体部を備える。複数の予混合チューブは、一体的に形成され、本体部を通して軸方向に延在する。予混合チューブはそれぞれ、上流面に近接した入口、下流面に近接した出口、および入口と出口の間に延在する流路を備える。それぞれの予混合チューブはまた、複数の予混合チューブのそれぞれの外面から外側に、少なくとも部分的に延在する少なくとも一つの燃料インジェクタを含み、燃料インジェクタは予混合チューブと一体的に形成され、本体部と流路の間の燃料フローを促進するよう構成される。
【０００８】
別の態様では、流体フロー導管を提供する。流体フロー導管は、第一流体を受け入れるよう構成された第一流体入口と、第一流体出口と、第一流体入口と第一流体出口との間に延在する第一流体フロー管を画定する導管壁とを備える。流体フロー導管はさらに、導管壁から外側に、少なくとも部分的に延在する少なくとも一つのインジェクタ部を含む。それぞれのインジェクタ部は、インジェクタ表面と、インジェクタ表面に画定される第二流体入口と、導管壁を通って延在し、第一流体管とフロー連通する第二流体フロー管とを含む導管壁と一体的に形成される。
【０００９】
さらに別の態様では、燃料噴射ノズルで使用する燃料噴射ヘッドを製造する方法を提供する。この方法は、上流面と、対向する下流面と、それらの間に延在する周壁とを含むモノリシック本体部を形成する工程を備える。複数の予混合チューブは、それぞれの予混合チューブが本体部を通って軸方向に延在するように形成される。それぞれの予混合チューブは、本体部と一体的に形成され、上流面に近接する入口と、下流面に近接する出口と、入口と出口の間に延在する流路とを備える。この方法はさらに、それぞれの予混合チューブの外面から外側に、少なくとも部分的に延在する、少なくとも一つの燃料インジェクタを形成する工程を備え、燃料インジェクタは、予混合チューブと一体的に形成され、本体部と流路との間の燃料フローを促進するよう構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的なガスタービンエンジンの模式図である。
【図２】図１に示すガスタービンエンジンに使用できる例示的な燃料噴射ノズルの斜視図である。
【図３】図２に示す燃料噴射ノズルのヘッド部の線３−３に沿った拡大断面斜視図である。
【図４】図２に示す燃料噴射ノズルに使用できる例示的な予混合チューブの斜視図である。
【図５】図４に示す予混合チューブに使用できる例示的な燃料インジェクタの拡大斜視図である。
【図６】図５に示す燃料インジェクタの線６−６に沿った軸方向の断面図である。
【図７】図５に示す燃料インジェクタの線７−７に沿った径方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の断面の模式図である。具体的には、ガスタービンエンジン１００は、ガスタービンエンジンである。例示的な実施形態はガスタービンエンジンを示すが、本発明は一つの特定のエンジンに限定されず、当業者であれば、本発明が他のタービンエンジンと組み合わせて使用されてもよいことが認識できる。
【００１２】
例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１００は、吸気セクション１１２と、吸気セクション１１２から下方に結合する圧縮機セクション１１４と、圧縮機セクション１１４から下方に結合する燃焼器セクション１１６と、燃焼器セクション１１６から下方に結合するタービンセクション１１８と、排気セクション１２０とを含む。タービンセクション１１８は、ローターシャフト１２２を介して圧縮機セクション１１４に結合される。例示的な実施形態では、燃焼器セクション１１６は、複数の燃焼器１２４を含む。燃焼器セクション１１６は、各燃焼器１２４が圧縮機セクション１１４とフロー連通するように、圧縮機セクション１１４に結合する。燃料噴射ノズル１２６は、各燃焼器１２４内に結合される。タービンセクション１１８は、圧縮機セクション１１４および、これらに限定されないが、発電機および／または機械駆動アプリケーションのような負荷１２８に結合される。例示的な実施形態では、各圧縮機セクション１１４およびタービンセクション１１８は、ローターシャフト１２２に結合してローターアセンブリ１３２を形成する少なくとも一つのローターディスクアセンブリ１３０を含む。
【００１３】
運転中、吸気セクション１１２は空気を圧縮機セクション１１４に向けて運び、そこで空気は燃焼器セクション１１６に向けて排出される前に圧縮され、高温高圧になる。圧縮された空気は、各燃料噴射ノズル１２６に供給され、着火されて、タービンセクション１１８に向けて運ばれる燃焼ガスを発生する燃料および他の流体と混合される。より具体的には、各燃料噴射ノズル１２６は、天然ガスおよび／または燃料油、空気、希釈剤、および／または窒素ガス（Ｎ2）のような不活性ガスといった燃料を、それぞれの燃焼器１２４および空気流の中に噴射する。燃料混合物は着火され、高温の燃焼ガスを発生させ、燃焼ガスはタービンセクション１１８に向けて運ばれる。燃焼ガスは回転エネルギーをタービンセクション１１８およびローターアセンブリ１３２に与えるので、タービンセクション１１８は、ガス流からの熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換する。燃料噴射ノズル１２６は、空気、希釈剤、および／または不活性ガスを有する燃料を噴射するため、各燃焼器１２４内での窒素ガスの放出が低減できる。本明細書で用いられる「上流」および「下流」という用語は、燃料噴射ノズル１２６を通って燃焼室（図示せず）に入る空気と燃料の流れの方向に照らしたものである。
【００１４】
図２は、例示的な燃料噴射ヘッド２００を含むガスタービン燃料噴射ノズル１２６を示す。具体的には、燃料噴射ノズル１２６は、燃料噴射ヘッド２００と、燃料ノズルベース２０２と、燃料噴射ヘッド２００と燃料ノズルベース２０２の間に延在する燃料供給チューブ２０４とを含む。燃料噴射ヘッド２００は、燃料供給チューブ２０４の下流端２０６に結合されることで、燃料供給チューブ２０４の前縁（図示せず）は、燃料噴射ヘッド２００の中心２０７内に画定される内部の環状の肩部（図２には図示せず）に接触する。
【００１５】
例示的な実施形態では、燃料噴射ヘッド２００は付加製造方法を用いて作られる。具体的には、直接金属レーザー焼結法（ＤＭＬＳ）もしくは直接金属レーザー溶解法（ＤＭＬＭ）として知られる付加製造方法が、モノリシック燃料噴射ヘッド２００の製造に使用される。この方法は、本明細書ではＤＭＬＳとして記載されるが、当業者であれば、ＤＭＬＭもまた使用できることを理解できる。あるいは、付加製造方法は、ＤＭＬＳもしくはＤＭＬＭプロセスに限定されず、燃料噴射ヘッド２００が本明細書で記載するように機能することを可能にする既知の付加製造方法であれば、いかなるものでもよい。この製造方法は、溶接もしくはろう付けを要する別個の部品の間に概して画定される接合部をなくす。代わりに、ＤＭＬＳは、レーザーと細かい金属粉を用いてＣＡＤモデルから金属部品を直接生産する付加層方法である。例示的な実施形態では、コバルトおよび／またはクロム合金粉末およびニッケル基合金粉末が燃料噴射ヘッド２００を製造するのに用いられるが、燃料噴射ヘッド２００が本明細書で記載するように機能することを可能にする他の粉末を使用してもよい。
【００１６】
ＣＡＤモデルは薄い層にスライスされ、近接する層がレーザー溶着するように、層が一層ずつ再構築される。層の厚さは、通常、製造精度対製造速度に対する考慮に基づいて選択される。最初は、鋼板が概してＤＭＬＳマシン内に固定され、サポートおよびヒートシンクの両方の役割をする。ディスペンサーが粉末を支持プレートに届け、コータアームもしくは板刃が粉末をプレート上に広げる。マシンのソフトウェアがレーザー光線の焦点と動作を制御することで、レーザー光線がどこで粉末に当たっても、粉末は固体を形成する。このプロセスは、部品の製造が完了するまで、一層ごとに繰り返される。
【００１７】
図３は、燃料噴射ヘッド２００の拡大断面斜視図である。例示的な実施形態では、燃料噴射ヘッド２００は、上流端面２１２と対向する下流端面２１４とを含む、部分的に中空で略円形のモノリシック本体２１０として形成される。面２１２および２１４は互いに略平行であり、環状の周壁２１６は、その間に軸方向に延在する。燃料噴射ヘッド２００はまた、複数の内部空気供給路もしくは面２１２および２１４の間に延在する予混合チューブ２１８を含む。各予混合チューブ２１８は、上流面２１２に画定される入口２２０および下流面２１４に画定される出口２２２を含む。例示的な実施形態では、各入口２２０は外方に向かってフレア状になることで、ベルマウス形状が形成され、各予混合チューブ２１８の流体フロー流路２２１に流れ込んで通過する空気の流れの加速を促進する。入口２２０は、流体フロー流路２２１を通る空気の流れの加速を促進し、下流面２１４沿いのフラッシュバックを実質的に防ぐ。予混合チューブ２１８の残りの長さは、出口２２２を介して画定される、実質的に均一な直径を有する。あるいは、入口２２０は、フレア状になっておらず、各予混合チューブ２１８が入口２２０から出口２２２へ一定の直径を有し、出口２２２と実質的に同じ大きさになってもよい。また、入口２２０および出口２２２は、本明細書に記載するような燃料噴射ノズル１２６（図２に示す）の動作を促進するものであればいかなる形状を有してもよい。例示的な実施形態では、予混合チューブ２１８は、図２に示すように環状の同心円状の列に配置されてもよく、所与の列の予混合チューブ２１８は、近接する列の予混合チューブ２１８から周方向にオフセットする。あるいは、予混合チューブ２１８は、本明細書に記載するような燃料噴射ノズル１２６の動作を促進するものであればいかなる方法で配置されてもよい。加えて、「チューブ」という用語は便宜上使用するものであり、これは対向する端面２１２および２１４に固定される独立したチューブではなく、内部空間が種々の通路の周りで広がるように、モノリシック本体２１０に組み込まれた内部通路である。
【００１８】
例示的な実施形態では、燃料噴射ヘッド２００の中心であってモノリシック本体２１０の中心２０７は、上流端面２１２で開口し、環状壁２２８に画定される入口ボア２２６を提供する。入口ボア２２６は、燃料供給チューブ２０４（図２に示す）を受け入れ、環状肩部２２４を画定する座繰り部２３０を含む。肩部２２４は、燃料供給チューブ２０４の前縁に結合されるものである。
【００１９】
ＤＭＬＳ高速製造方法により、以前は製造に大変なコストと時間がかかっていた様々な設計の特徴を燃料噴射ヘッド２００に組み込むことが可能になる。例えば、例示的な実施形態では、モノリシック本体２１０は、一体的に形成される内部バッフルプレート２３２を含む。バッフルプレート２３２は、座繰り２３０の下流端２３１から、上流面２１２と下流面２１４の間のほぼ半分の位置に、径方向外側に延在することで、ほとんどの（しかしすべてではない）予混合チューブ２１８がそれを通って延在する。例示的な実施形態では、バッフルプレート２３２は、面２１４に向かって径方向外側に傾斜し、周壁２１６に向かって座繰り２３０の下流端２３１から延在するが、周壁２１６に接触はしない。あるいは、バッフルプレート２３２は、座繰り２３０の下流端２３１から面２１２および２１４に略平行に延在してもよい。バッフルプレート２３２は、バッフルプレート２３２の径方向外側縁２３３と周壁２３２との間に画定される環状のラジアル隙間２３４を介して流体結合される下流燃料プレナム２３８および上流燃料プレナム２３６を画定する。
【００２０】
例示的な実施形態では、少なくとも一つの燃料インジェクタ２４０、好ましくは燃料インジェクタ２４０の配列を、各予混合チューブ２１８内に含む。各予混合チューブ２１８は、それぞれの予混合チューブ２１８の周囲に等間隔で配向された複数の（例えば一つの予混合チューブ２１８に四つの燃料インジェクタ２４０）燃料インジェクタ２４０を含んでもよい。例示的な実施形態では、燃料インジェクタ２４０は、モノリシック本体２１０の上流面２１２および下流面２１４に略平行な共通の平面を通って延在し、バッフルプレート２３２より上流にある。
【００２１】
動作時に、燃料噴射ヘッド２００の下流端面２１４の中心２０７が閉じることで、燃料供給チューブ２０４を出る高圧ガス燃料が、予混合チューブ２１８間の領域に流れ込み、下流燃料プレナム２３８に、そしてラジアル隙間２３４を通って上流燃料プレナム２３６に流れ込む。この燃料通路は、燃料インジェクタ２４０の燃料圧力を略均一化し、よって燃料の予混合チューブ２１８への略均一な分配を促進する。ガス燃料はそれから、燃料インジェクタ２４０を通って予混合チューブ２１８に流れ込み、燃料と空気は燃料噴射ヘッド２００を出て燃焼室（図示せず）に入る前に混合する。
【００２２】
図４は、燃料噴射ノズル１２６に使用できる例示的な予混合チューブ２１８および燃料インジェクタ２４０の斜視図を示す。図４はまた、フレア状のチューブ入口２２０および予混合チューブ２１８を通って延在する中心軸線２４１を示す。例示的な実施形態では、燃料インジェクタ２４０は、予混合チューブ２１８の外壁２４２に位置し、入口２２０と出口２２２の間のおよそ半分の位置にある。あるいは、燃料インジェクタ２４０は、本明細書に記載する燃料噴射ノズル１２６の動作を促進するのであれば外壁２４２のどの地点に位置してもよい。図５は、燃料インジェクタ２４０の拡大斜視図を示す。図６および図７は、予混合チューブ２１８および燃料インジェクタ２４０の断面図である。図４から図７はそれぞれ一つの燃料インジェクタ２４０のみを示すが、各予混合チューブ２１８は、本明細書に記載するように一つ以上の燃料インジェクタ２４０を含んでもよい。
【００２３】
例示的な実施形態では、各燃料インジェクタ２４０の少なくとも一部が、外壁２４２から外方に延在する。燃料インジェクタ２４０は、略円形のインジェクタ表面２５０および燃料フロー流路２５４を含む。インジェクタ表面２５０は、燃料フロー流路２５４と結合して機能して、上流燃料プレナム２３６と流体フロー流路２２１との間の燃料フロー連通を可能にする、インジェクタ表面２５０内に画定される入口２５２を含む。例示的な実施形態では、燃料インジェクタ２４０、より具体的には中心軸線２６１を含む燃料フロー流路２５４が、燃料フローの方向と略平行に配向されることで、燃料フロー流路２５４は流体フロー流路２２１について斜めに配向される。具体的には、軸線２６１は、流路軸線２４１について約３０°の角度で配向される。あるいは、燃料フロー流路２５４は、本明細書に記載する燃料噴射ノズル１２６の動作を促進するものであれば、流体フロー流路２２１についてどの角度に配向されてもよい。概して、燃料フロー流路２５４は流体フロー流路２２１について配向されることで、燃料インジェクタ２４０の燃料フロー流路２５４を通した燃料の流れが、確実に、予混合チューブ２１８の流体フロー流路２２１を通って流れる空気の方向への速度成分を有するようにする。
【００２４】
さらに、燃料インジェクタ２４０は、上流端２５６および下流端２５８を含むことで、インジェクタ表面２５０は、端２５６および２５８の間に部分的に延在する。例示的な実施形態では、インジェクタ上流端２５６は、インジェクタ外壁２４２から外方に、浅い鋭角で延在することで、インジェクタ表面２５０は、軸線２４１について斜めに配向される（図７に最も良く示す）。下流端２５８は曲率半径２６０を含み、燃料インジェクタ２４０の下流端２５８を予混合チューブ２１８の外壁２４２へと緩やかに傾斜させるインジェクタ表面２５０の下流端で始まる。したがって、下流端２５８は、軸線２４１についてチューブの外壁２４２から外方への距離を延在し、それによって入口２５２を通過して流れる燃料の取込と、燃料フロー流路２５４の燃料フローの方向への配向を促進する。
【００２５】
ＤＭＬＳプロセスはまた、燃料インジェクタ２４０の予混合チューブ２１８への確実な配置および配向の提供を促進する。これは、燃料インジェクタ２４０の配置は燃料噴射ヘッド２００（図３に示す）内の燃料供給圧力の均一性を決定するため、重要である。例えば燃料が燃料インジェクタ２４０の入口２５２を通過して高速で流入すると、供給圧力は低くなる。一方、燃料速度が低いと、供給圧力は高くなる。同様に、第一予混合チューブ２１８の第一燃料インジェクタ２４０が第二の近接する予混合チューブ２１８の第二燃料インジェクタ２４０の正反対にあると、入口２５２を通過する燃料は高速となり、したがって供給圧力は低くなる。第一予混合チューブ２１８の第一燃料インジェクタ２４０の位置を近接する第二予混合チューブ２１８の第二燃料インジェクタ２４０に対して４５°回転すると最良の結果を生み、またＤＭＬＳ方法は、燃料インジェクタ２４０をこのように、自動的にそして極めて正確に配置するために利用できることが判明した。
【００２６】
例示的な実施形態では、予混合チューブ２１８は、外径Ｄ1を画定する外壁２４２と、内径Ｄ2を画定する内壁２６２とを含む。Ｄ1とＤ2との差異が、予混合チューブ２１８の厚さと定義される。既知の予混合チューブの直径は、当分野で用いられる企画寸法のチューブの直径に限られる。しかし、ＤＭＬＳ方法により、概して既知の予混合チューブよりも薄い、カスタマイズされた予混合チューブ厚さＴの製造が可能になる。例えば、例示的な実施形態では、予混合チューブ２１８は、およそ０．０３５インチの厚みを有する既知の予混合チューブと比較して、およそ０．０２インチの厚みＴを有する。あるいは、予混合チューブ２１８は、燃料噴射ノズル１２６が本明細書で記載するように動作することを可能にするものであれば、どんな厚さでもよい。また、より薄いチューブ厚さＴによって、燃料噴射ヘッド２００は既知の燃料噴射ヘッドよりも多くの予混合チューブ２１８を含むことで、燃料と空気のより良い混合を促進し、より効率的エンジン動作と、排気の低減につながる。
【００２７】
例示的な実施形態では、燃料フロー流路２５４は、長さＬと直径Ｄ3とを含む。長さ／直径（Ｌ／Ｄ）比率は、長さＬを直径Ｄ3で除算して規定される。経験的な事実によれば、Ｌ／Ｄ比率が大きくなると、流体フロー流路２２１の燃料と空気がより良く混合する。例示的な実施形態では、燃料インジェクタ２４０のＬ／Ｄ比率は少なくとも１０から１である。燃料フロー流路２５４は、既知のインジェクタ長さよりも長い長さＬを含む。それは、本明細書で記載するように燃料フロー流路２５４が斜めに配向されるためだけではなく、長さＬが予混合チューブ２１８の厚さＴより大きくなるように、燃料インジェクタ２４０が予混合チューブ２１８の外壁２４２を越えて延在するためでもある。従来のインジェクタ流路の長さは、予混合チューブの厚さによって制限された。標準的なチューブはより厚くなり、インジェクタ流路を長くすることができたが、噴射ヘッド内のチューブの数は制限された。しかし、チューブの厚さがより薄くなると、ヘッドごとのチューブの数はより多くなったが、インジェクタ流路の長さは制限され、混合不良になる。例示的な実施形態では、ＤＭＬＳ方法を用いて燃料噴射ヘッド２００を製造すると、予混合チューブ２１８の厚さＴと燃料フロー流路２５４の長さＬの両方の最適化を促進し、それぞれがより長い燃料フロー流路２５４を有する、既知の噴射ヘッドよりも数の多い予混合チューブ２１８が、効率的に燃料と空気を混合するのを促進する。燃料噴射ヘッド２００、具体的には予混合チューブ２１８を、ＤＭＬＳ方法を用いて製造することにより、現行の製造上の制限を取り除き、燃料インジェクタ２４０のような複雑な形状を比較的低コストで生産することが容易になる。
【００２８】
例示的な実施形態では、入口２５２は燃料と空気の混合の改良を促進する様々な入口調節機能を含み、それによってガスタービンエンジン１００のより効率的な運転と排気生成の低減が可能になる。例えば、入口２５２は、入口２２０（図３に示す）と同様に外方にフレア状になっていてもよく、それによってベルマウス形状が形成され、燃料が各燃料インジェクタ２４０の燃料フロー流路２５４に流れ込んで通過するのを促進する。フレア状の入口２５２は、燃料フロー流路２５４を通る燃料フローの加速を促進して、流体フロー流路２２１の燃料と空気の向上した混合を促進する。燃料インジェクタ２４０の残りの長さは、略均一の直径を有してもよい。あるいは、入口２５２は、フレア状になっておらず、各燃料フロー流路２５４が一定の直径を有する。
【００２９】
さらに、例示的な実施形態では、入口２５２は、図５で最も良く示すように、涙滴形状を有してもよい。入口２５２の涙滴形状により、渦巻きが入口２５２を通って燃料の流れに起こり、流体フロー流路２２１での燃料と空気の混合の向上が促進される。入口２５２によって発生した渦巻きは、燃料フローに乱れを起こし、流体フロー流路２２１での燃料と空気の混合を促進する。あるいは、入口２５２は、略円形であってもよい。概して、入口２５２は、本明細書に記載する燃料インジェクタ２４０の作用を促進するものであれば、どのような形状でもよい。ＤＭＬＳ方法は、フレア型入口または涙滴型入口のような複雑な入口調節機能を、燃料と空気の予混合を向上してエンジン動作の効率の向上を促進する、費用効果が高く信頼できる方法で可能にする。
【００３０】
したがって、ＤＭＬＳ方法を用いることで、従来は信頼できるまたは経済的な方法で生産できなかった燃料噴射ノズルの設計および製造を可能にすることが認識される。ＤＭＬＳ方法は、予混合チューブと噴射ヘッドの端面との接点が堅固であり、非常に厳しいろう付け耐久加工を必要としないことを保証する。噴射ヘッドを継ぎ目なく製造することは、チューブと既知の噴射ヘッドの端面との間の隙間から燃料が漏れることを防ぐので、有効である。また、ＤＭＬＳ技術により、既知のチューブより厚みが少なく、少なくとも一部が予混合チューブの外面から径方向外側に延在する燃料インジェクタを含む予混合チューブの製造を容易になる。
【００３１】
本明細書に記載する燃料噴射ヘッドおよび燃料インジェクタにより、それぞれの予混合チューブの燃料および空気の混合を向上させることができる。例示的な燃料インジェクタは、予混合チューブの外面から外方に延在することで、燃料噴射流路の直径に対する長さの比率が、既知の燃料インジェクタの対応する比率よりも大きくなる。また、例示的な燃料インジェクタは、予混合チューブおよびインジェクタ流路のフレア状の入口および涙滴型のインジェクタ流路入口のような複雑な入口調節機能を含み、それはまた、予混合チューブの燃料と空気の混合の向上を促進し、それがより高いエンジン効率とエンジン排気の低減につながる。
【００３２】
燃料噴射ノズルとその製造方法の例示的な実施形態を、上記に詳細に記載した。ノズルおよび方法は本明細書に記載する特定の実施形態に限定されず、ノズルの部品および／または方法の工程は、本明細書に記載する他の部品および／または工程とは独立して別々に利用してもよい。例えば、この方法はまた他のガスタービン部品および付加製造方法と組み合わせて使用してもよく、本明細書に記載する燃料噴射ノズルおよびＤＭＬＳ方法のみで実施することに限られない。
【００３３】
本発明の様々な実施形態の具体的な特徴は、一部の図面には示されており、他の図面では示されていないが、これはただ便宜のためである。本発明の原理によれば、図面のいかなる特徴も参照でき、および／または他のいかなる図面のいかなる特徴と組み合わせても特許請求することができる。
【００３４】
この明細書は、最良の態様を含めた本発明を開示するため、そしてまた、当業者がいずれかの装置もしくはシステムを作って使用し、いずれかの組み合わせた方法を実施することを含め、本発明を実施することを可能にするための例を用いる。本明細書の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者が思いつく他の例を含んでもよい。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違ない構成要素を有するのであれば、またはそれらが特許請求の範囲の文言と実質的な差異のない同等の構成要素を含むのであれば、特許請求の範囲内であると意図される。
【符号の説明】
【００３５】
１００  ガスタービンエンジン
１１２  吸気セクション
１１４  圧縮機セクション
１１６  燃焼器セクション
１１８  タービンセクション
１２０  排気セクション
１２２  ローターシャフト
１２４  燃焼器
１２６  燃料噴射ノズル
１２８  負荷
１３０  ローターディスクアセンブリ
１３２  ローターアセンブリ
２００  燃料噴射ヘッド
２０２  燃料ノズルベース
２０４  燃料供給チューブ
２０６  下流端
２１０  モノリシック本体
２１２  上流端面
２１４  下流端面
２１６  環状周壁
２１８  予混合チューブ
２２０  チューブ入口
２２１  流体フロー流路
２２２  チューブ出口
２２４  肩部
２２６  入口ボア
２２８  環状壁
２３０  カウンターボア
２３２  バッフルプレート
２３２  周壁
２３４  ラジアル隙間
２３６  上流燃料プレナム
２３８  下流燃料プレナム
２４０  燃料インジェクタ
２４１  軸線
２４２  外壁
２５０  インジェクタ表面
２５２  インジェクタ入口
２５４  燃料フロー流路
２５６  インジェクタ上流端
２５８  インジェクタ下流端
２６０  曲率半径
２６１  軸線
２６２  内壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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