(57)【要約】単一ミキサ（１００）を製造する方法（５００）は、旋回翼（１４０）を有する単一ミキサ（１００）の三次元情報を測定するステップと、三次元情報を、各々が単一ミキサ（１００）の断面層を規定する複数の切片に変換するステップと、金属粉末を溶融させることによって単一ミキサ（１００）の各層を連続的に形成するステップとからなる。環状ハウジング（１２０）と、単一構造を有する旋回翼（１４０、１６０）とからなる単一ミキサ（１００）は高速製造プロセスで製造され、このプロセスはレーザ焼結法である。単一構造を有するミキサ（３００）は、軸（１１１）の周囲に円周方向に配列され、少なくとも部分的に半径方向に配向された複数の半径方向羽根（３８２）を有する旋回翼（３８０）と、軸（１１１）に対して軸方向に配向される流路（１５４、１５６）を形成する円周方向に隣接する羽根（１５１、１５２）を有する。  【選択図】図１６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一ミキサ（１００）を製造する方法（５００）であって、少なくとも１つの旋回翼（１４０）を有する前記単一ミキサ（１００）の三次元情報を測定するステップと、前記三次元情報を、各々が前記単一ミキサ（１００）の断面層を規定する複数の切片に変換するステップと、レーザエネルギーを用いて金属粉末を溶融させることによって前記単一ミキサ（１００）の各層を連続的に形成するステップとからなる、方法。
【請求項２】
前記単一ミキサ（１００）の三次元情報を測定するステップは、前記単一ミキサ（１００）の三次元モデルを測定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
レーザエネルギーを用いて金属粉末を溶融させることによって前記単一ミキサ（１００）の各層を連続的に形成するステップは、コバルトクロム、ＨＳ１８８及びＩＮＣＯ６２５の少なくとも１つからなる粉末を溶融させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
レーザエネルギーを用いて金属粉末を溶融させることによって前記単一部品の各層を連続的に形成するステップは、約１０ミクロン〜約７５ミクロンの粒度を有する金属粉末を溶融させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
レーザエネルギーを用いて金属粉末を溶融させることによって前記単一部品の各層を連続的に形成するステップは、約１５ミクロン〜約３０ミクロンの粒度を有する金属粉末を溶融させるステップを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記単一ミキサ（１００）の三次元情報を測定するステップは、軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の流路（１５４）を有する前記単一ミキサ（１００）の三次元モデルを測定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記単一部品の三次元情報を測定するステップは、軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の流路（１５４）を有する前記単一ミキサ（１００）の三次元モデルを測定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記単一部品の三次元情報を測定するステップは、軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の羽根（１４２）を有する前記単一ミキサ（１００）の三次元モデルを測定するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記単一ミキサ（１００）は、環状ハウジング（１２０）と、複数の羽根（１４２）を有する旋回翼（１４０）とからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記単一ミキサ（１００）は、環状ハウジング（１２０）と、複数の羽根（１４２、１６２、１８２）を有する複数の旋回翼（１４０、１６０、１８０）とからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
環状ハウジング（１２０）と、単一構造を有する旋回翼（１４０、１６０）とからなり、高速製造プロセスを使用することによって製造される、単一ミキサ（１００）。
【請求項１２】
前記高速製造プロセスはレーザ焼結法である、請求項１１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項１３】
前記高速製造プロセスはＤＭＬＳである、請求項１１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項１４】
前記旋回翼（１４０）は、前記軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の羽根（１４２）からなる、請求項１１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項１５】
前記旋回翼（１４０）は、円周方向に隣接する羽根（１５１、１５２）が前記軸（１１１）に対して少なくとも部分的に軸方向に配向される少なくとも１つの流路（１５４、１５６）を形成するように、前記軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の羽根（１４２）からなる、請求項１１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項１６】
少なくとも１つの流路（１５６）は流れ方向（１０６）において収束する、請求項１５に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項１７】
燃焼器（２６）内に取り付けるための取付システム（１２５）を更に備える、請求項１１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項１８】
前記旋回翼（１６０）は、前記軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の半径方向羽根（１６２）からなる、請求項１１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項１９】
複数の旋回翼（１４０、１６０、１８０）を更に備える、請求項１１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項２０】
更に、前記複数の旋回翼（１４０、１６０、１８０）は複数の半径方向羽根（１６２、１８２）からなる、請求項１９に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項２１】
軸（１１１）を有する環状ハウジング（１２０）と、
円周方向に隣接する羽根（１５１、１５２）が前記軸（１１１）に対して少なくとも部分的に軸方向に配向される少なくとも１つの流路（１５４、１５６）を形成するように、前記軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の羽根（１４２）を有する、少なくとも第１旋回翼（１４０）とからなる、単一ミキサ（１００）。
【請求項２２】
少なくとも１つの流路（１５６）は流れ方向（１０６）において収束する、請求項２１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項２３】
少なくとも１つの流路（１５４）は流れ方向（１０６）において拡散する、請求項２１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項２４】
少なくとも１つの流路（１５６）は流れ方向（１０６）において略一定幅を有する、請求項２１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項２５】
少なくとも１つの流路（１５６）は少なくとも部分的に接線方向に配向される、請求項２１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項２６】
収束する少なくとも１つの流路（１５４）は、拡散する少なくとも１つの流路（１５６）と円周方向に隣接する、請求項２２に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項２７】
収束する少なくとも１つの流路（１５４）は、略一定幅を有する少なくとも１つの流路（１５６）と円周方向に隣接する、請求項２２に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項２８】
燃焼器（２６）内に取り付けるための取付システム（１２５）を更に備える、請求項２１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項２９】
前記取付システムは少なくとも１つの取付タブ（１２８）を備える、請求項２８に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項３０】
前記取付システムはフランジ（１２６）を備える、請求項２８に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項３１】
前記第１旋回翼（１４０）から軸方向後方に配置された第２旋回翼（１６０）を更に備える、請求項２１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項３２】
前記第２旋回翼（１６０）は、前記軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の半径方向羽根（１６２）からなる、請求項３１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項３３】
前記第１旋回翼（１４０）から軸方向後方に配置された第２旋回翼（１６０）と、前記第２旋回翼（１６０）から軸方向後方に配置された第３旋回翼（１８０）とを更に備える、請求項２１に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項３４】
前記第２旋回翼（１６０）は複数の半径方向羽根（１６２）からなり、前記第３旋回翼（１８０）は前記軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の半径方向羽根（１８２）からなる、請求項３３に記載の単一ミキサ（１００）。
【請求項３５】
軸（１１１）を有する環状ハウジング（３２０）と、
円周方向に隣接する羽根（３８２）が前記軸（１１１）に対して少なくとも部分的に半径方向に配向される少なくとも１つの流路（３９６）を形成するように、前記軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の半径方向羽根（３８２）を有する旋回翼（３８０）とからなる、単一ミキサ（３００）。
【請求項３６】
少なくとも１つの流路（３９６）は、前記軸（１１１）に対して少なくとも部分的に接線方向に配向される、請求項３５に記載の単一ミキサ（３００）。
【請求項３７】
前記半径方向羽根（３８２）は、前記軸（１１１）の周囲に円周方向に略均一に配列される、請求項３５に記載の単一ミキサ（３００）。
【請求項３８】
軸（１１１）を有する環状ハウジング（２２０）と、
円周方向に隣接する羽根（２４２）が前記軸（１１１）に対して少なくとも部分的に第１半径方向に配向される少なくとも１つの流路（２５４）を形成するように、前記軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の半径方向羽根（２４２）を有する第１旋回翼（２４０）と、
円周方向に隣接する羽根（２８２）が前記軸（１１１）に対して少なくとも部分的に第２半径方向に配向される少なくとも１つの流路（２９６）を形成するように、前記軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の半径方向羽根（２８２）を有する、前記第１旋回翼（２４０）から軸方向後方に配置される第２旋回翼（２８０）と、
円周方向に隣接する羽根（３８２）が前記軸（１１１）に対して少なくとも部分的に前記第２半径方向とは異なる半径方向に配向される少なくとも１つの流路（３９６）を形成するように、前記軸（１１１）の周囲に円周方向に配列された複数の半径方向羽根（３８２）を有する、前記第２旋回翼（２８０）から軸方向後方に配置される第３旋回翼（３８０）とからなる、単一ミキサ（２００）。
【請求項３９】
前記第１半径方向旋回翼（２４０）の半径方向羽根（２４２）の数と、前記第２半径方向旋回翼（２８０）の半径方向羽根（２８２）の数は異なる、請求項３８に記載の単一ミキサ（２００）。
【請求項４０】
前記第１半径方向旋回翼（２４０）の半径方向羽根（２４２）の数と、前記第２半径方向旋回翼（２８０）の半径方向羽根（２８２）の数と、前記第３半径方向旋回翼（３８０）の半径方向羽根（３８２）の数は異なる、請求項３８に記載の単一ミキサ（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して燃焼器に関し、より詳細には、ガスタービンエンジン燃焼器において燃料と空気の混合を向上させるために使用されるミキサに関する。
【背景技術】
【０００２】
スモッグ及びその他の望ましくない環境条件の一因となるガス、特にガスタービンエンジンから放出されるガスの生成及び放出を最小限に抑えることに対して近年重要視されていることから、様々な燃焼器設計が開発されるようになり、望ましくない燃焼生成物成分の生成及び放出の減少を目指している。燃焼器設計に影響しているその他の要因には、効率的で低コスト運転のガスタービンエンジンに対するユーザの要求があり、これによって、燃料消費量の削減と同時にエンジン出力の維持又は更なる増大の必要性が求められている。その結果、航空ガスタービンエンジン燃焼システムの重要な設計基準としては、様々なエンジン運転条件下での高い熱効率を提供するために、高い燃焼温度に対する備えだけでなく、粒子の放出、望ましくないガスの放出、及び光化学スモッグの形成の前駆体である燃焼生成物の放出の一因となる望ましくない燃焼条件の最小化が挙げられる。
【０００３】
各種政府規制機関は、望ましくない大気条件の生成の一次要因として特定された未燃焼炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の許容レベルの放出限界を確立した。従って、燃焼器設計はそれらの基準を満たすように開発されている。例えば、望ましくないガスタービンエンジン燃焼生成物の放出を最小限に抑えることに関する問題に取り組む１つの方法は、多段燃焼の提供である。この構成では、燃焼生成物の性質をより厳密に制御するために、第１段バーナが低速度且つ低電力条件で利用される燃焼器が提供される。第１段及び第２段バーナの組み合わせは高電力出力条件を目的に用意されており、放出限界内の燃焼生成物を維持しようとしている。言うまでもなく、エンジンの効率的な熱運転を可能にするために、第１及び第２段バーナの運転のバランスを取りながら、望ましくない燃焼生成物の生成を最小限に抑えることは、成し遂げるのが困難である。その関連で、ＮＯｘの放出を減らすために低い燃焼温度で運転すると、不完全又は部分的な不完全燃焼をもたらすことにもなり、過剰量のＨＣ及びＣＯの生成につながるだけでなく、電力出力の低下及び熱効率の低下を引き起こす可能性がある。一方で、高い燃焼温度は、熱効率を高め、ＨＣ及びＣＯの量を減らすが、ＮＯｘの排出量が高くなることが多い。従来技術において、ガスタービンエンジン燃焼器の望ましくない燃焼生成物成分の生成をエンジン運転領域で最小限に抑える方法の１つは、一次及び二次燃料噴射口を用いた多段燃焼システムを使用することによるものである。
【０００４】
それらの望ましくない燃焼生成物成分の生成を最小限に抑えるために提案されている別の方法は、噴射燃料と燃焼空気のより効果的な混合を提供することである。その関連で、燃料と空気の混合を向上させるために、長年にわたり多くのミキサ設計が提案されている。こうすることで、燃焼が混合物全体にわたって均一に起こり、不完全燃焼から生じるＨＣ及びＣＯのレベルを低下させる。
【０００５】
利用されているミキサ設計の１つは、二重環状予混合旋回翼（ＴＡＰＳ）として知られており、以下の米国特許第６，３５４，０７２号、第６，３６３，７２６号、第６，３６７，２６２号、第６，３８１，９６４号、第６，３８９，８１５号、第６，４１８，７２６号、第６，４５３，６６０号、第６，４８４，４８９号、及び第６，８６５，８８９号で開示されている。ＴＡＰＳミキサアセンブリは、エンジン運転サイクル全体を通して燃料が供給されるパイロットミキサと、エンジン運転サイクルの電力条件が高い時のみに燃料を供給される主ミキサを含むことが理解されよう。高電力条件（即ち、離陸及び上昇）時のアセンブリの主ミキサの改良は、出願番号第１１／１８８，５９６号、第１１／１８８，５９８号、及び第１１／１８８，４７０号を有する特許出願で開示されている。
【０００６】
ミキサは、燃焼前に空気と燃料の混合を促進するために、通過する空気を旋回させる旋回翼アセンブリを有する。燃焼器で使用される旋回翼アセンブリは、軸状、放射状又は円錐形の旋回翼或いはそれらの組み合わせを有する複雑な構造である。これまで、従来の製造方法は、既知の方法を用いて組立又は接合が行われて旋回翼アセンブリが形成される旋回翼部品を有するミキサを製造するために使用されていた。例えば、複雑な羽根を有する一部のミキサでは、個々の羽根がまず機械加工された後で、アセンブリにろう付される。インベストメント鋳造法は、これまで一部の燃焼器旋回翼を製造するのに使用されていた。その他の旋回翼は、原料から機械加工されていた。放電加工（ＥＤＭ）は、旋回翼の羽根を機械加工する手段として使用されていた。
【０００７】
従来のミキサ設計は複数の部品の複雑な組立及び接合を含んでいるので、例えばミキサ等の従来の燃焼器部品は、一般的に製造及び／又は修理するのに費用がかかる。より詳細には、ろう付接合を使用することにより、ろう付合金配置を可能にする適切な領域の必要性；不必要なろう付合金流を最小限に抑える必要性；ろう付品質を検証するための許容可能な検査システムの必要性；及び以前のろう付接合の再融を防止するためにいくつかのろう付合金を用意する必要性の理由により、そのようなミキサを製造するのに必要な時間が増加し、更に製造プロセスを複雑にする可能性がある。更に、ろう付接合が多くなることによってろう付が複数回になり、部品の母材を弱めることがある。ろう付接合が多くなると、ミキサアセンブリの重量及び製造費を増加させる可能性があり、望ましくない。
【０００８】
旋回翼形状の複雑性と製造プロセス中のＥＤＭ電極等の工具の機械加工及び通常摩耗に付随する問題点によって、ミキサアセンブリにおいて重大な製造ばらつきが生じる。ミキサアセンブリのこのような製造ばらつきは、ミキサの望ましくない空気力学的な流量変動につながり、燃焼器の空気力学的性能に悪影響を与えることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７１２１０９５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、ばらつきが減少した製造方法を用いたガスタービンエンジン燃焼器ミキサを提供する必要がある。更に、運転性を向上させてエンジンの運転範囲で放出物を低減すると共に費用を削減するために、製造による寸法変化を減少させるための単一構造を有する複雑な形状の旋回翼構成を備えたミキサがあることが望ましい。単一構造で複雑な三次元形状を有するミキサを製造する方法があることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の要求は、単一構造を有するミキサを製造する方法を提供する例示的実施形態によって満たすことができ、この方法は、少なくとも１つの旋回翼を有する単一ミキサの三次元情報を測定するステップと、三次元情報を、各々が単一ミキサの断面層を規定する複数の切片に変換するステップと、金属粉末を溶融させることによって単一ミキサの各層を連続的に形成するステップとからなる。環状ハウジングと、単一構造を有する旋回翼とからなる単一ミキサを示す例示的実施形態を開示し、単一ミキサは高速製造プロセスを使用することによって製造される。本発明の一態様では、高速製造プロセスはレーザ焼結法である。本発明の別の態様では、単一構造を有するミキサは、軸の周囲に円周方向に配列され、少なくとも部分的に半径方向に配向された複数の半径方向羽根を有する旋回翼を備える。別の例示的実施形態では、単一ミキサは、軸に対して少なくとも部分的に軸方向に配向される少なくとも１つの流路を形成する円周方向に隣接する羽根を備える。
【００１２】
本発明と見なされる主題は、本明細書の結びの部分において具体的に指摘され明確に請求される。しかし、本発明は、添付図面に関連してなされる以下の説明を参照することによって最も良く理解することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】高バイパスターボファンガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】燃料ノズルアセンブリ上に配置された本発明の例示的実施形態による単一ミキサの部分等角図である。
【図３】本発明の例示的実施形態による単一ミキサの等角図である。
【図４】図３に示す本発明の例示的実施形態による単一ミキサの等角断面図である。
【図５】図３に示す単一ミキサの本発明の例示的実施形態の側面断面図である。
【図６】図３に示す本発明の例示的実施形態の正面断面図である。
【図７】図３に示す本発明の例示的実施形態の正面断面図である。
【図８】本発明の代替的な例示的実施形態による単一ミキサの等角図である。
【図９】図８に示す本発明の代替的な例示的実施形態の等角断面図である。
【図１０】図８に示す本発明の代替的な例示的実施形態の正面断面図である。
【図１１】図８に示す本発明の代替的な例示的実施形態の正面断面図である。
【図１２】図８に示す本発明の代替的な例示的実施形態の正面断面図である。
【図１３】本発明の代替的な例示的実施形態による単一ミキサの等角図である。
【図１４】図１３に示す本発明の代替的な例示的実施形態の等角断面図である。
【図１５】図１３に示す本発明の代替的な例示的実施形態の正面断面図である。
【図１６】単一構造を有するミキサを製造する方法の例示的実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、各図を通して同じ参照番号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、参考のためにそこを通る長手方向又は軸方向中心線軸１２を有する例示的なガスタービンエンジン１０（高バイバス型）を概略形態で示している。エンジン１０は、好ましくは、全体的に番号１４で示されるコアガスタービンエンジンと、その上流に配置されたファンセクション１６とを含む。コアエンジン１４は一般的に、環状入口２０を規定する略管状外側ケーシング１８を含む。外側ケーシング１８は更に、コアエンジン１４に入る空気の圧力を第１圧力レベルまで上げるブースタ２２を囲んで支持する。高圧多段軸流圧縮機２４はブースタ２２からの加圧空気を受容し、空気の圧力を更に上昇させる。加圧空気は燃焼器２６へ流れ、そこで燃料が加圧空気流に噴射され、点火されて加圧空気の温度及びエネルギーレベルが上昇する。高エネルギー燃焼生成物は、燃焼器２６から第１（高圧）タービン２８へ流れて、第１（高圧）駆動軸３０を介して高圧圧縮機２４を駆動し、その後、第２（低圧）タービン３２へ流れて、第１駆動軸３０と同軸の第２（低圧）駆動軸３４を介してブースタ２２及びファンセクション１６を駆動する。タービン２８及び３２の各々を駆動させた後、燃焼生成物は排気ノズル３６を介してコアエンジン１４から出て、エンジン１０のジェット推進力の少なくとも一部分を発生させる。
【００１５】
ファンセクション１６は、環状ファンケーシング４０によって取り囲まれる回転可能な軸流ファンロータ３８を含む。ファンケーシング４０は、複数の略半径方向に延在する円周方向に離間配置された出口案内翼４２によってコアエンジン１４の支持を受けることが分かるであろう。このようにして、ファンケーシング４０は、ファンロータ３８及びファンロータブレード４４を囲む。ファンケーシング４０の下流セクション４６は、コアエンジン１４の外側部分に広がって、更なるジェット推進力を発生させる二次、即ちバイパス空気流導管４８を規定する。
【００１６】
流れの観点から、矢印５０で表される初期空気流は、ファンケーシング４０への入口５２を介してガスタービンエンジン１０に入ることが分かるであろう。空気流５０はファンブレード４４を通過し、導管４８を通って移動する第１圧縮空気流（矢印５４で表される）と、ブースタ２２に入る第２圧縮空気流（矢印５６で表される）とに分かれる。
【００１７】
第２圧縮空気流５６の圧力は上昇し、矢印５８で表されるように、高圧圧縮機２４に入る。燃料と混合して燃焼器２６内で燃焼した後、燃焼生成物６０は燃焼器２６から出て、第１タービン２８を通って流れる。燃焼生成物６０はその後、第２タービン３２を通って流れ、排気ノズル３６から出て、ガスタービンエンジン１０の推力の少なくとも一部分を発生させる。
【００１８】
燃焼器２６は、縦軸１２と同軸の環状燃焼室６２と、入口６４及び出口６６とを含む。上記のように、燃焼器２６は、高圧圧縮機吐出口６９からの加圧空気の環状流を受容する。この圧縮機吐出空気の一部分は、例えば、図２に示すように、ミキサ１００に流入する。図２に示す例示的実施形態では、空気が、半径・円周方向（矢印１０２、１０４で表される）及び軸方向（矢印１０６で表される）でミキサ１００に入る。燃料ノズルチップアセンブリ６８から燃料が噴射されて、空気と混合して混合気を形成し、これが燃焼室６２に提供されて燃焼する。混合気の点火は適切な点火装置によって行なわれ、得られた燃焼ガス６０は環状の第１段タービンノズル７２に向かって軸方向に流れてそこに流入する。ノズル７２は環状流路によって規定され、ガスが角度を持って流れて第１タービン２８の第１段タービンブレードに衝突するように、ガスを回転させる複数の半径方向に延在する円周方向に離間配置されたノズル羽根７４を含む。図１に示すように、第１タービン２８は、好ましくは第１駆動軸３０を介して高圧圧縮機２４を回転させる。低圧タービン３２は、好ましくは第２駆動軸３４を介してブースタ２４及びファンロータ３８を駆動する。
【００１９】
燃焼室６２は、エンジン外側ケーシング１８内に収容される。燃料は、図２に示す燃料ノズルアセンブリ８０によって燃焼室内に供給される。燃料は、ステム８２内に配置される燃料供給管を介して燃料ノズルチップアセンブリ６８に供給される。ミキサ１００は、燃料ノズルチップアセンブリ６８を円周方向に取り囲む。一次（パイロット）及び二次燃料は、従来手段を用いて、燃料ノズルチップアセンブリ６８によって噴霧される。
【００２０】
図２は、図１に示す単一構造を有するミキサ１００の例示的実施形態の等角図を示している。「単一」という用語は、本出願において、本明細書に記載のミキサ１００、２００、３００等の関連部品が製造時に単体として製造されることを示すために使用されている。従って、単一部品は部品全体に対して一体化構造を有しており、結合して１つの部品を形成する複数の部品片から製造される部品とは異なる。単一ミキサ１００は、燃料ノズルチップアセンブリ６８（図１参照）を半径方向に取り囲む環状主ハウジング１２０（図３参照）を含み、ハウジング１２０と燃料ノズルチップアセンブリ６８の間に環状キャビティを規定する。複数の燃料噴射口（図示せず）は、燃料をハウジング１２０と燃料ノズルチップアセンブリ６８の間の環状キャビティに導入する。図２に示すミキサ１００の例示的実施形態は、全体を１３０で示す旋回翼構成からなる。
【００２１】
旋回翼構成１３０は、例えば、本明細書において図３、図８及び図１３にそれぞれ示す、単一ミキサ１００、２００、３００の例示的実施形態で示すいくつかの方法のいずれかで構成される。出願番号第１１／１８８，５９６号の「複数の逆回転旋回翼を有するガスタービンエンジンの燃焼器のミキサアセンブリ」という名称の特許出願と、出願番号第１１／１８８，５９５号の「成形通路を有するガスタービンエンジン燃焼器のミキサアセンブリの旋回翼構成」という名称の特許出願は、両方とも本発明の所有者に譲渡されており、例示的な旋回翼構成を示している。
【００２２】
図３〜７に示すように、単一ミキサ１００（即ち、単一構造を有するミキサ１００）は、例えば、図３に示す参照番号１４０等の少なくとも１つの旋回翼を有する旋回翼構成１３０からなる。図３〜７に示すミキサの好適な実施形態では、単一ミキサ１００は、ハウジング１２０内に配置される３つの旋回翼１４０、１６０、１８０を有する旋回翼構成１３０からなる。単一ミキサ１００は軸１１１の周囲に環状構造を有し、半径方向内側ハブ１２２と、ハブ１２２から半径方向外側に配置されたリム１２４を有する。単一ミキサ１００は、ミキサの一端に配置された環状フランジ１２６からなる取付システム１２５を有する。フランジは、環状燃焼器２６内に単一ミキサ１００を配置するために使用される。少なくとも一対のタブ１２８を、フランジ１２６上に配置しても良い。タブ１２８は、燃焼器２６内で円周方向にミキサ１００を配向及び配置するために使用され、ミキサ１００内で誘起される機械的及び空力学的負荷及びモーメントに反応を起こさせるのを促進する。環状燃焼器の円周方向周囲のミキサの組立は、以下の米国特許第７，０６２，９２０号、第７，１２１，０９５号、及び第６，９７６，３６３号、並びに米国特許出願公開第２００７／００２８６２０Ａ１号に記載されている。
【００２３】
図３〜７に示す単一ミキサ１００の例示的実施形態では、第１旋回翼１４０は、ミキサ軸１１１の周囲に円周方向に配列された複数の軸方向羽根１４２からなる。軸方向羽根１４２は、ハブ１２２からリム１２４まで半径方向に延在する。軸方向羽根１４２は、一般的に、第１位置１４４（入口位置）から第２位置１４６（出口位置）まで軸１１１に対して軸方向に延在する。図５に示すように、軸方向羽根１４２は、ミキサ軸１１１の周囲に円周方向に配列されて、円周方向に隣接する羽根１５１、１５２はその間に流路１５４、１５６を形成し、空気流方向矢印１０６で表されるように、流路を通って空気流がミキサ１００に流入する。
【００２４】
旋回翼１４０の全ての軸方向羽根１４２が同じ形状及び配向を有することは可能だが、そうする必要はない。図５に示す好適な実施形態では、旋回翼１４０は、円周方向に隣接する軸方向羽根１５１及び１５２を備え、これらは、第１流路１５４及び第２流路１５６が軸方向羽根１５１及び１５２の両側に形成されるように、軸方向に異なる厚み変動を有する。ミキサ軸１１１に対して、第１流路１５４は配向角「Ａ」を有し、第２流路１５６は第２配向角「Ｂ」を有する。各々の流路１５４及び１５６に関する軸方向の流路面積の変動は、隣接する羽根１５１及び１５２の厚み分布を変化させることによって適切に設計することができる。ミキサの好適な実施形態では、軸方向羽根１５１及び１５２の厚み分布は、隣接する流路１５４及び１５６が交互の収束・拡散特性を有するようになっている。即ち、流路１５４は軸方向において次第に小さくなる（「収束する」）流路面積を有し、流路１５６は軸方向において次第に大きくなる（「拡散する」）面積を有する。収束する流路を流れる亜音速空気が加速するのに対して、拡散する流路を流れる亜音速空気は減速することが知られている。或いは、隣接する流路１５４、１５６間の流路面積を変化させることによって、ミキサ１００内の空気及び燃料の強力な混合を促進する。隣接する流路１５４、１５６におけるその他の適切な幾何学的変動、例えば、軸方向羽根１５４、１５２の一方の側に収束する流路と、軸方向羽根１５４、１５２の他方の側に一定の流路を有することも可能である。２つの隣接する流路１５１及び１５２に関して、軸１１１に対して異なる配向角「Ａ」及び「Ｂ」を有することもまた可能である。図３〜７に示す例示的実施形態は、２つの配向角「Ａ」及び「Ｂ」を有する、円周方向に配列された３６〜５０個の軸方向羽根１４２を有する旋回翼１４０を備える。図５に示す例示的実施形態では、配向角「Ａ」及び「Ｂ」は、好ましくはそれぞれ約６５度及び５０度の値を有し、流路１５４は軸方向において約８０％収束し、流路１５６は軸方向において約５０％拡散する。
【００２５】
図３〜７に示す単一ミキサ１００の例示的実施形態は、第１旋回翼１４０から軸方向後方に配置される第２旋回翼１６０を備える。ミキサ軸１１１に垂直な第２旋回翼１６０の断面図を図６に示す。第２旋回翼１６０は、その間を流れる空気を旋回させる複数の半径方向羽根１６２を含むことに留意されたい。図示するように、半径方向羽根１６２を有する第２旋回翼１６０は、好ましくはミキサ１００を通る中心線軸１１１に対して略半径方向に配向される。空気は、空気流矢印１０４で示すように、略半径方向内側方向に隣接する半径方向羽根１７１、１７２の間の流路１７６を通ってミキサ１００に流入する。図６に示す例示的実施形態では、半径方向羽根１６２は略均一に円周方向に離間配置されており、複数の略均一な流路１７６が、例えば、図６の部材１７１、１７２等の隣接する半径方向羽根の間に規定される。半径方向羽根１６２は略均一に半径方向に離間配置されることによって、その間に複数の略均一な流路を規定するように示されているが、旋回翼１６０は異なる構成を有する半径方向羽根１６２を含んで、例えば上記に示された‘５９５号特許出願において開示されているように、所望の方法で流路１７６を成形するようにしても良いことが更に分かるであろう。図６に示す例示的実施形態では、第２旋回翼１６０は約３６〜５０個の半径方向羽根１６２を有する。半径方向羽根１６２は、２つの隣接する半径方向羽根１７１、１７２の間に形成された流路が、ミキサ軸１１に垂直で、空気流１０４がミキサ１００に入る流路の中心１７５を通過する線１１５に対して配向角「Ｃ」を有するように配向される。図６に示す例示的実施形態では、配向角「Ｃ」は好ましくは約３０〜７０度である。
【００２６】
図３〜７に示す単一ミキサ１００の例示的実施形態は、第２旋回翼１６０から軸方向後方に配置される第３旋回翼１８０を備える。ミキサ軸１１１に垂直な第３旋回翼１８０の断面図を図７に示す。第３旋回翼１８０は、その間を流れる空気を旋回させる複数の半径方向羽根１８２を含むことに留意されたい。図示するように、半径方向羽根１８２を有する第３旋回翼１８０は、好ましくはミキサ１００を通る中心線軸１１１に対して略半径・接線方向に配向される。空気は、空気流矢印１０２で示すように、略接線方向配向を有する略半径方向内側方向の隣接する半径方向羽根１９１、１９２の間の流路１９６を通ってミキサ１００に流入する。図７に示す例示的実施形態では、半径方向羽根１８２は略均一に円周方向に離間配置され、複数の略均一な流路１９６は、例えば図７の部材１９１、１９２等の隣接する半径方向羽根の間に規定される。半径方向羽根１８２は略均一に円周方向に離間配置されることによって、その間に複数の略均一な流路を規定するように示されているが、旋回翼１８０は異なる構成を有する半径方向羽根１８２を含んで、所望の方法で流路１９６を成形するようにしても良いことが更に分かるであろう。図７に示す例示的実施形態では、第３旋回翼１８０は約３０〜５０個の半径方向羽根１８２を有する。半径方向羽根１８２は、２つの隣接する半径方向羽根１９１、１９２の間に形成された流路が、ミキサ軸１１に垂直で、空気流１０２がミキサ１００に入る流路の中心１９５を通過する線１１７に対して配向角「Ｄ」を有するように配向される。図７に示す例示的実施形態では、配向角「Ｄ」は好ましくは約０〜６０度である。
【００２７】
第２旋回翼１６０を通って流れる空気が第１方向に旋回し、第３旋回翼１８０を通って流れる空気が好ましくは第１方向と反対の方向に旋回することが分かるであろう。これは、空気流路１７６及び１９６それぞれに関して配向角「Ｃ」及び「Ｄ」を適切に選択することによって達成される。このようにして、空気と燃料の強力な混合は、増大した全運動エネルギーを有する燃焼器内で達成される。旋回翼１４０、１６０及び１８０を適切に構成することによって、強力な混合領域を、燃料ノズルチップアセンブリ６８の周囲の環状キャビティ内でほぼ中心に置くことができる。旋回翼１４０、１６０及び１８０内の羽根の構成を変更して、そこを通って流れる空気の旋回方向を変化させても良く、上記に示した例示的な旋回方向に限定されない。
【００２８】
図３〜５で分かるように、ミキサ軸１１１に関して、第３旋回翼１８０の半径方向羽根１８２の軸方向長は、好ましくは第２旋回翼１６０の半径方向羽根１６２の軸方向長よりも長い。従って、流路面積が大きいため、比較的大量の空気が第２旋回翼１６０よりも第３旋回翼１８０を通って流れる。旋回翼１８０及び１６０の相対的な軸方向長は、そこを通る空気の分布を変更するために必要に応じて変化させても良いので、記載した寸法は単なる例証である。
【００２９】
単一ミキサ２００の代替的な例示的実施形態を図８〜１２に示す。図８〜１２で分かるように、例示的な単一ミキサ２００は、第１、第２及び第３旋回翼２４０、２６０及び２８０をそれぞれ有する旋回翼構成２３０からなる。図９は、単一ミキサ２００の等角断面図を示している。第１旋回翼２４０は半径方向旋回翼であり、図３に示し、本明細書において上述した軸方向旋回翼１４０とは異なる。ミキサ軸１１１に対して垂直に切り取られた第１旋回翼２４０の断面図を図１０に示す。第２旋回翼２６０は第１旋回翼２４０から軸方向後方に配置され、本明細書において上述した図６に示す半径方向旋回翼１６０とほぼ同様の半径方向旋回翼である。ミキサ軸１１１に対して垂直に切り取られた第２旋回翼２６０の断面図を図１１に示す。第３旋回翼２８０は第２旋回翼２６０から軸方向後方に配置され、本明細書において上述した図７に示す半径方向旋回翼１８０とほぼ同様の半径方向旋回翼である。ミキサ軸１１１に対して垂直に切り取られた第３旋回翼２８０の断面図を図１２に示す。図１０、１１及び１２に示すように、第１旋回翼２４０を通って流れる空気は第１方向に旋回し、第２旋回翼２６０を通って流れる空気は好ましくは第１方向と反対の方向に旋回し、第３旋回翼２８０を通って流れる空気は好ましくは第２方向と反対の方向に旋回するであろうことが分かるであろう。これは、空気流路２５４、２７６及び２９６それぞれに関して配向角を適切に選択することによって達成される。半径方向羽根２４２、２６２及び２８２は、図１０、１１及び１２において略均一に円周方向に離間配置されることによって、それらの間に複数の略均一な流路を規定するように示されているが、旋回翼２４０、２６０及び２８０は異なる構成を有する半径方向羽根２４２、２６２、２８２を含んで、所望の方法で円周方向に隣接する半径方向羽根の間に空気流路を成形するようにしても良いことが更に分かるであろう。単一ミキサ２００は、環状フランジ２２６と、本明細書において上述したように環状燃焼器２６内に単一ミキサ２００を配置するために使用される少なくとも一対のタブ２２８とからなる取付システム２２５を有する。
【００３０】
単一ミキサ３００の別の代替的な例示的実施形態を図１３〜１５に示す。図１３〜１５で分かるように、例示的な単一ミキサ３００は旋回翼構成３３０からなる。ミキサ軸１１１に対して垂直な旋回翼３３０の断面図を図１５に示す。旋回翼３３０は、ミキサ軸１１１の周囲に円周方向に配列された半径方向羽根３８２からなる。隣接する半径方向羽根３８２は、その間に流路３９６を形成する。空気は、図１５の矢印３０２で表すように、略半径・接線方向にこの流路を通って単一ミキサ３００に流入する。これらの半径方向羽根の配向角は、本明細書において上述した単一ミキサ１００、２００の半径方向羽根の配向角と同様である。半径方向羽根３８２は、図１５において略均一に円周方向に離間配置されることによって、その間に複数の略均一な流路３９６を規定するように示されているが、旋回翼３３０は異なる構成を有する半径方向羽根３８２を含んで、所望の方法で円周方向に隣接する半径方向羽根の間に空気流路を成形するようにしても良いことが更に分かるであろう。単一ミキサ３００は、環状フランジ３２６と、本明細書において上述したように環状燃焼器２６内に単一ミキサ３００を配置するために使用される少なくとも一対のタブ３２８とからなる取付システム３２５を有する。
【００３１】
旋回翼構成のその他の実施形態は、出願番号第１１／１８８，５９６号の「複数の逆回転旋回翼を有するガスタービンエンジンの燃焼室のミキサアセンブリ」、出願番号第１１／１８８，５９５号の「成形通路を有するガスタービンエンジン燃焼器のミキサアセンブリの旋回翼構成」、及び出願番号第１１／１８８，５９８号の「燃料浸透が改良された主ミキサを有するガスタービンエンジンの燃焼器のミキサアセンブリ」という名称の特許出願において開示されているように、単一ミキサ１００、２００及び３００で利用することができる。
【００３２】
例えば、直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）等の高速製造方法の使用により、インベストメント鋳造法のように、カスタムモールド及び／又は特殊工具を必要とせず部品を製造することができる製造方法がもたらされる。ＤＭＬＳ等の高速製造方法を使用することにより、従来の機械加工又は更に複数のカスタム電極を用いたＥＤＭ機械加工を使用しても部品の内径への接触が不十分なために以前は製造することのできなかった、複雑な旋回翼１３０、２３０、３３０及び羽根形状を有する単一ミキサ１００、２００、３００を製造することができる。ＤＭＬＳプロセスは、粉末金属技術を使用する。製造されている部品は三次元ＣＡＤモデルでモデル化され、幾何学的データは０．０００４インチ程度の層に分割される。この目的のために、従来のＣＡＤソフトウェアを使用することができる。特定層に対して規定された形状定義によって金属粉末を堆積させる。その後、レーザを使用して、現在の層の下の層に粉末を焼結させる。プラットホーム及び／又はコラムは、粉末の第１層のベースとして、また幾何学上の大きな空隙を支えるために使用される。ＤＭＬＳプロセスの完了後、プラットホーム及び／又は支持コラムは従来の機械加工法を用いて機械加工できる。ＤＭＬＳ等の高速製造プロセスの使用により、部品ごとのばらつきが減少したスイープ空気力学的羽根形状を備える複雑な三次元旋回翼を有する、本明細書に示す部材１００、２００、３００等の複雑な単一ミキサを製造することができる。
【００３３】
図３に示す例示的実施形態の単一ミキサ１００と、図８及び１３に示す代替的実施形態の単一ミキサ２００、３００は、直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）、レーザネットシェイプ製造法（ＬＮＳＭ）、電子ビーム焼結法及び高速製造におけるその他の既知のプロセス等の高速製造プロセスを用いて製造することができる。ＤＭＬＳは、本明細書に記載の部材１００、２００、３００等の単一ミキサを高速に製造する好適な方法である。
【００３４】
図１６は、図３、８及び１３に示し、本明細書に記載した部材１００、２００、３００等の単一ミキサを製造する高速製造方法５００の例示的実施形態を説明するフローチャートである。方法５００には、直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）を用いて単一ミキサ１００、２００、３００を製造するステップが含まれる。ＤＭＬＳは、部品の三次元情報、例えば三次元コンピュータモデルを用いて金属部品を製造する既知の製造プロセスである。単一ミキサ１００、２００、３００の三次元情報は複数の切片に変換され、各切片は、所定の高さの切片に対して単一ミキサの断面を規定する。その後、単一ミキサは、完成するまで、１切片ずつ、即ち１層ずつ「構成」される。単一ミキサの各層は、レーザを用いて金属粉末を溶融させることで形成される。
【００３５】
従って、方法５００は、単一ミキサ１００、２００、３００（図３、図８及び図１３に示す）の三次元情報及びその他の情報を測定するステップ５０５と、三次元情報を、各々が単一ミキサ１００、２００、３００の断面層を規定する複数の切片に変換するステップ５１０を含む。その後、単一ミキサ１００、２００、３００がＤＭＬＳを用いて製造され、即ち、より詳細には、単一ミキサ１００、２００、３００の各々の層がレーザエネルギーを用いて金属粉末を溶融させることによって連続的に形成される（ステップ５１５）。各々の層は、約０．０００５インチ〜約０．００１インチの寸法を有する。単一ミキサ１００、２００、３００は、適切なレーザ焼結機を用いて製造しても良い。適切なレーザ焼結機の例としては、これらに限定されないが、ミシガン州ノビのＥＯＳ  ｏｆ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．から入手可能なＥＯＳＩＮＴ．ＲＴＭ．Ｍ２７０  ＤＭＬＳマシン、ＰＨＥＮＩＸ  ＰＭ２５０マシン、及び／又はＥＯＳＩＮＴ．ＲＴＭ．Ｍ２５０  Ｘｔｅｎｄｅｄ  ＤＭＬＳマシンが挙げられる。単一ミキサ１００、２００、３００を製造するために使用される金属粉末は、好ましくはコバルトクロムを含む粉末であるが、例えばＨＳ１８８及びＩＮＣＯ６２５だがこれに限らないその他の適切な金属粉末であっても良い。金属粉末は、約１０ミクロン〜７４ミクロン、好ましくは約１５ミクロン〜約３０ミクロンの粒度を有する。本明細書に開示した単一ミキサ１００、２００、３００の例示的実施形態では、アルゴン雰囲気中で２００Ｗのイッテルビウムファイバーレーザを用いたＥＯＳＩＮＴ２７０レーザ焼結システムを使用した。
【００３６】
単一ミキサ１００、２００、３００を製造する方法は、好適な方法としてＤＭＬＳを用いて本明細書で記載したが、製造の当業者には理解されるように、多層構造又は追加製造を用いたその他の適切な高速製造方法を使用することもできる。これらの代替的な高速製造方法としては、これらに限定されないが、選択レーザ焼結法（ＳＬＳ）、選択レーザ溶融法（ＳＬＭ）、インクジェット及びレーザジェット等の３Ｄ印刷法、光造形法（ステレオリソグラフィー）、直接選択レーザ焼結法（ＤＳＬＳ）、電子ビーム焼結法（ＥＢＳ）、電子ビーム溶融法（ＥＢＭ）、レーザ技術ネットシェイプ法（ＬＥＮＳ）、レーザネットシェイプ製造法（ＬＮＳＭ）、直接金属蒸着法（ＤＭＤ）、固体自由形状製造法（ＳＦＦ）及び積層製造法が挙げられる。
【００３７】
本発明において説明及び／又は例示した方法及び／又は単一ミキサの要素／部品／等を挙げる際、冠詞である「１つの」、「その」及び「前記」は、１つ以上の要素／部品／等が存在することを意味するものとする。「からなる」、「含む」及び「有する」といった用語は包括的であり、列挙した要素／部品／等以外の追加要素／部品／等が存在し得ることを意味するものとする。
【００３８】
本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、更に当業者が本発明を製作且つ使用できるようにする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到するその他の実施例を含む。このようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する同等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することを意図している。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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