(57)【要約】  環状ベンチュリ壁５０２によって円周方向で囲まれた混合用空洞５５０と、スワーラ軸１１の周りで円周方向に配列された複数のベーン５０８を有するスワーラ５１０とを含むベンチュリであって、スワーラ５１０および環状ベンチュリ壁５０２が単体構造を有する、ベンチュリ５００が開示される。別の例示的実施形態では、ベンチュリ５００は、環状ベンチュリ壁５０２、ベンチュリ５００の軸方向前方部分５０９に位置し、スワーラ軸１１の周りで円周方向に配列された複数のベーン５０８を有するスワーラ５１０、およびスワーラ５１０から軸方向後方に位置する熱シールド５４０を含み、環状ベンチュリ壁５０２、スワーラ５１０および熱シールド５４０は単体構造を有する。環状ベンチュリ壁５０２、およびスワーラ軸１１の周りで円周方向に配列された複数のベーン５０８を有するスワーラ５１０を有する単体ベンチュリ５００の３次元情報を決定するステップと、各スライスが単体ベンチュリ５００の断面層を定義する複数のスライスに３次元情報を変換するステップと、レーザエネルギーを使用して金属粉末を溶解することによって単体ベンチュリ５００の各層を次々に形成するステップとを含む、単体ベンチュリ５００を製作する方法７００が開示される。迅速製造プロセスを使用して製造される単体ベンチュリ５００を示す、例示的実施形態が開示される。本発明の一態様では、迅速製造プロセスはレーザ焼結プロセスである。【選択図】図５
2011528098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状ベンチュリ壁（５０２）と、
前記環状壁（５０２）により円周方向で囲まれた混合用空洞（５５０）と、
スワーラ軸（１１）の周りで円周方向に配列された複数のベーン（５０８）を有するスワーラ（５１０）とを含むベンチュリ（５００）であって、前記スワーラ（５１０）および前記環状ベンチュリ壁（５０２）が単体構造を有する、
ベンチュリ（５００）。
【請求項２】
前記スワーラ（５１０）が前記ベンチュリ（５００）の軸方向前方端部（５０１）に位置する、請求項１記載のベンチュリ（５００）。
【請求項３】
前記環状ベンチュリ壁（５０２）から半径方向内向きに位置する環状スプリッタ（５３０）をさらに含む、請求項１記載のベンチュリ（５００）。
【請求項４】
前記複数のベーン（５０８）が前記ベンチュリ壁（５０２）と前記環状スプリッタ（５３０）の間に延びる、請求項３記載のベンチュリ（５００）。
【請求項５】
前記スプリッタ（５３０）が、前記スワーラ軸（１１）の周りに同軸に位置する環状スプリッタ壁（５３２）を含む、請求項３記載のベンチュリ（５００）。
【請求項６】
前記スプリッタ（５３０）の外側表面（５３３）と前記ベンチュリ（５００）の内側表面（５０３）の間に環状旋回空気通路（５３４）をさらに含む、請求項３記載のベンチュリ（５００）。
【請求項７】
各ベーン（５０８）が、前縁（５１２）と、前記前縁（５１２）から軸方向前方に位置する後縁（５１４）とを有し、前記スワーラ（５１０）を介して流れる空気流に旋回運動を発生させるのを助ける配向を有する、請求項１記載のベンチュリ（５００）。
【請求項８】
各ベーン（５０８）が実質的に同じ形状を有する、請求項１記載のベンチュリ（５００）。
【請求項９】
少なくとも１つの羽部（６０９）が別のベーン（６０８）と異なる形状を有する、請求項１記載のベンチュリ（５００）。
【請求項１０】
ベーン（５０８）の翼根部（５２０）と前記スプリッタ（５３０）の間に隅肉（５２６）をさらに含む、請求項１記載のベンチュリ（５００）。
【請求項１１】
前記隅肉（５２６）が前記スワーラ（５１０）の空気が滑らかに流れるのを助ける輪郭（５２７）を有する、請求項１０記載のベンチュリ（５００）。
【請求項１２】
前記スプリッタ壁（５３２）が、組立て中にベンチュリ（５００）を隣接する構成部品（２０８）と結びつけるのを助ける陥凹部（５３５）を有する、請求項５記載のベンチュリ（５００）。
【請求項１３】
ろう付け材料を受けることができる前記ベンチュリ壁（５０２）に位置する少なくとも１つの溝（５０４）をさらに含む、請求項１記載のベンチュリ（５００）。
【請求項１４】
前記ベンチュリ（５００）の軸方向後方端部（５１９）に位置するリップ（５１８）をさらに含む、請求項１記載のベンチュリ（５００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的にベンチュリに関し、さらに詳細には、燃料と空気を混合するのを促進するためのスワーラと、ガスタービンエンジンで使用する燃料ノズルの燃焼熱から保護するための熱シールドとを有する単体ベンチュリに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンには典型的に、燃料をエンジンの燃焼器に供給するための複数の燃焼ノズルが含まれる。燃料は、バーナの前端部で燃料ノズルから非常に細かい噴霧の状態で導入される。圧縮空気は燃料ノズルの周りを流れ、燃料と混合され、混合気を生じ、この混合気がバーナにより点火される。使用可能な燃料圧力が限定されており、所要の燃料流量の範囲が広いので、多くの燃料噴射器にはパイロットノズルおよび主ノズルが含まれ、始動中にはパイロットノズルのみが使用され、高出力作動中には両方のノズルが使用される。主ノズルへの流れは、始動中および低出力作動中には減少または停止する。このような噴射器は、特定の燃焼器要件に合わせて、燃料流をより正確に制御し、燃料噴霧を正確に導くことができるので、シングルノズルの燃料噴射器よりも効率的かつ清浄に燃焼できる。パイロットノズルおよび主ノズルは、同じノズルアセンブリ内に収容することができ、または別のノズルアセンブリ内で支持することもできる。また、これらのデュアルノズル燃料噴射器は、デュアル燃焼器のために燃料をさらに制御することを可能にするように構成することができ、さらに高い燃料効率と有害な放出物の削減をもたらす。点火した混合気の温度は３５００°Ｆ（１９２０℃）より高く達する可能性がある。したがって、燃料供給導管、流路および分配システムは、実質的に漏れがなく、炎および熱から保護されていることが重要である。
【０００３】
様々な政府規制機関が、好ましくない大気状態を発生させる主因として特定されている、未燃炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、および窒素酸化物（ＮＯｘ）の許容される排出制限を設定してきた。したがって、様々な燃焼器設計が、それらの基準を満たすように開発されてきた。たとえば、好ましくないガスタービンエンジン燃焼生成物の排出を最小化する課題に取り組む１つの方法は、多段燃焼を提供することである。この構成では、燃焼生成物の特性をより綿密に制御するように、第１段バーナが低速および低出力条件で利用される燃焼器が提供される。燃焼生成物を排出制限内に維持しようとしつつ、より高い出力条件を求めて、第１段および第２段バーナが組み合わせられる。エンジンの効率的な熱操作を可能にし、一方同時に、好ましくない燃焼生成物の生成を最小化するように、第１および第２段バーナの作動の平衡を保つことが達成し難いことは、理解されよう。その点において、ＮＯｘの排出を低下させるために低い燃焼温度で作動させることは、不完全または一部不完全な燃焼をもたらす可能性があり、そのことは、より低出力およびより低い熱効率をもたらすことに加えて、過剰なＨＣおよびＣＯの生成に結びつくことがある。他方、高燃焼温度は、熱効率を改善し、ＨＣおよびＣＯの量を低下させるが、しばしばＮＯｘの排出量がより多くなる。当技術分野で、ガスタービンエンジン燃焼器の好ましくない燃焼生成物成分の生成が、エンジン作動状況全般にわたって最小化される方法の１つは、１次および２次燃料注入ポートを使用して多段燃焼システムを使用することである。
【０００４】
それら好ましくない燃焼生成物成分の生成を最小化するために提案されてきた別の方法は、注入燃料と燃焼空気のより効率的な混合法を提供することである。その点に関して、燃料と空気の混合を改善するために、長年にわたって、多数のスワーラ、混合器の設計およびベンチュリの設計が提案されてきた。このようにして、混合物全体にわたって一定して燃焼が起こり、不完全燃焼に起因するＨＣおよびＣＯのレベルを低下させる。しかし、エンジン作動状況の広い範囲にわたって、好ましくない燃焼生成物の生成を最小化させる必要性がまだある。このような混合を促進するように設計したベンチュリのスワーラを使用して燃料ノズルで燃料と空気をより良く混合することは、好ましくない燃焼放出物を減少させるのに有用であろう。
【０００５】
長い間継続的にタービンエンジンの作動中の高温に曝露されると、導管および燃料ノズルに温度勾配および熱応力が誘発される場合があり、これは導管または燃料ノズルを損傷するおそれがあり、また導管または燃料ノズルの作動に悪影響を与えるおそれがある。たとえば、温度勾配は、導管内の燃料流の減少を引き起こす場合があり、タービンエンジン内の過剰燃料の不均等分配につながる場合がある。燃料ノズルの導管およびオリフィスを介して流れる燃料が高温に曝されると、燃料のコークス化につながる場合があり、閉塞および不均一な流れにつながる場合がある。低放出物を実現するために、最新の燃料ノズルは、複数の別々の火炎帯を創出するために、多数の複雑な内部空気および燃料回路を必要とする。燃料回路は、コークス化を防ぐために内部空気からの熱シールドを必要とする場合があり、特定の先端領域が冷却され、燃焼ガスから遮蔽されなければならない場合がある。熱伝達および冷却を促進するために、追加の機構を熱シールド内に設けなければならない場合がある。さらに、長い間継続的に損傷した燃料ノズルで作動すると、タービンの効率性が低下し、タービン構成部品が損傷し、および／またはエンジン排ガス温度マージンが低下することになるおそれがある。
【０００６】
タービンエンジン内に設置した燃料ノズルのライフサイクルを改善すれば、タービンエンジンの寿命を延長することができる。知られている燃料ノズルには、送達システム、混合システムおよび支持システムが含まれる。流体を輸送するための導管を含む送達システムは、燃料をタービンエンジンに送達し、支持システムによって、タービンエンジン内で支持され、遮蔽される。より詳細には、知られている支持システムは送達システムを囲み、したがって、燃料ノズルを介して流れる流体によって冷却される送達システムより高い温度に曝され、高い作動温度を有する。外側および内側の輪郭および厚さを設定することで、導管および燃料ノズルの熱応力を減少させることができる場合がある。
【０００７】
空気／燃料混合器は、スワーラアセンブリを通過する空気を旋回させるスワーラアセンブリを有し、燃焼の前に空気と燃料の混合を促進する。燃焼器で使用されるスワーラアセンブリは、軸方向、半径方向、もしくは円錐形のスワーラまたはそれらの組合せを有する、複雑な構造となることがある。過去には、従来の製造方法を使用し、別々のベンチュリおよびスワーラ構成部品を有する混合器を製作しており、これらの別々の構成部品は、知られている方法を使用して組み立てられまたは接合され、アセンブリを形成する。たとえば、複雑なベーンを備えたある混合器では、個々のベーンは先ず機械加工され、次にアセンブリにろう付けされる。過去には、インベストメント鋳造方法が、いくつかの燃焼器スワーラを製造する際に使用されてきた。他のスワーラおよびベンチュリは原材料から機械加工されてきた。放電加工（ＥＤＭ）が、従来の燃料ノズル構成部品のベーンを機械加工する手段として使用されてきた。
【０００８】
たとえば、燃料ノズルならびにその関連したスワーラ、導管、分配システム、ベンチュリおよび混合システムなど従来のガスタービンエンジン構成部品は、一般的に、製作および／または修理するのは高価である。というのは、燃料を輸送し、分配し、および空気と混合するための複雑なスワーラ、導管および分配回路、ならびにベンチュリを有する従来の燃料ノズル設計に、複雑なアセンブリ、および３０点を超える構成部品の接合が含まれるからである。より詳細には、ろう接継手を使用すると、当該構成部品を製作するのに必要な時間が増加することがあり、また、ろう付け合金の配置を可能にする適正な領域の必要性、不要なろう付け合金が流れるのを最小化する必要性、ろう付け品質を検証するための許容可能な検査技術の必要性、前のろう接継手を再溶融することを防ぐために使用可能ないくつかのろう付け合金を有する必要性を含めて、いくつかの理由のいずれかのために製作プロセスが複雑になることがある。さらに、多数のろう接継手は、構成部品の母材を脆弱にし得る、いくつものろう付けの流れ（braze run）をもたらす場合がある。多数のろう接継手が存在することで、構成部品の重量および製造コストを増加する場合があり、好ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、前記の熱曝露からの好ましくない影響を低減するために、構造を熱から保護しつつ、燃料ノズル内で燃料と空気を混合するための複雑な形状を有するベンチュリを有することが望ましいであろう。構造の熱交換および冷却を促進する機構を有する一体式熱シールドを有するベンチュリを有することが望ましい。コストを削減し、組立てが容易なように、ならびに、悪熱環境からの保護を提供するための、単体構造を備えた複雑な形状を有するベンチュリを有することが望ましい。たとえば、燃料ノズルで使用するスワーラおよび熱シールドシステムを備えたベンチュリなどの、複雑な３次元形状を有するベンチュリに単体構造を提供するための製造方法を有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の必要性は、環状ベンチュリ壁によって円周方向で囲まれた混合用空洞と、スワーラ軸の周りで円周方向に配列された複数のベーンを有するスワーラとを含むベンチュリであって、スワーラおよび環状ベンチュリ壁が単体構造を有するベンチュリを提供する、例示的実施形態によって満たすことができる。別の例示的実施形態では、ベンチュリは、環状ベンチュリ壁、ベンチュリの軸方向前方部分に位置し、スワーラ軸の周りで円周方向に配列された複数のベーンを有するスワーラ、およびスワーラから軸方向後方に位置する熱シールドを含み、環状ベンチュリ壁、スワーラ、および熱シールドは単体構造を有する。
【００１１】
本発明の別の態様では、環状ベンチュリ壁、およびスワーラ軸の周りで円周方向に配列された複数のベーンを有するスワーラを有する単体ベンチュリの３次元情報を決定するステップと、各スライスが単体ベンチュリの断面層を定義する複数のスライスに３次元情報を変換するステップと、レーザエネルギーを使用して金属粉末を溶解することによって単体ベンチュリの各層を次々に形成するステップとを含む、単体ベンチュリを製作する方法が開示される。迅速製造プロセスを使用して製造される単体ベンチュリを示す、例示的実施形態が開示される。本発明の一態様では、迅速製造プロセスはレーザ焼結プロセスである。
【００１２】
本発明とみなされる主題は、本明細書の結びの部分で特に指摘され、明確に特許請求されている。しかし、本発明は、添付図面と共に以下の記述を参照すれば最も良く理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の例示的実施形態によるベンチュリを有する例示的燃料ノズルを含む、ハイバイパスターボファンのガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】本発明の例示的実施形態によるベンチュリを有する例示的燃料ノズルの等角図である。
【図３】図２に示した例示的燃料ノズルの例示的ノズル先端部アセンブリの軸方向断面図である。
【図４】本発明の例示的実施形態によるベンチュリの等角図である。
【図５】図４に示した例示的ベンチュリの軸方向断面図である。
【図６】ベンチュリの一部を切り欠いた、図４に示した例示的ベンチュリの別の等角図である。
【図７】ベンチュリの一部を切り欠いた、図６に示したベンチュリの平面図である。
【図８】一部を切り欠いた、本発明の代替例示的実施形態によるベンチュリの等角図である。
【図９】単体ベンチュリを製作する方法の例示的実施形態を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、図を通して同じ番号が同じ要素を示す図面を詳細に参照すると、図１は、燃料ノズル１００内で空気を燃料と混合するのを促進するために使用されるベンチュリ（図面に示され、本明細書に記載の、品目５００など）の例示的実施形態を有する例示的燃料ノズル１００を内蔵する例示的ガスタービンエンジン１０（ハイバイパスタイプ）を略図形式で示す。例示的ガスタービンエンジン１０は、参照目的のためにそこを通る軸方向中心線軸１２を有する。エンジン１０には望ましくは、全体として数字１４で識別されるコアガスタービンエンジンおよびそこから上流に配置されたファンセクション１６が含まれる。コアエンジン１４には典型的に、環状入口２０を画定する概してチューブ状の外側ケーシング１８が含まれる。外側ケーシング１８はさらに、コアエンジン１４に入る空気の圧力を第１の圧力レベルまで上昇させるために、ブースタ２２を囲み、支持する。高圧の、多段式軸流圧縮器２４は、ブースタ２２から圧縮空気を受け、さらに空気の圧力を増加させる。圧縮空気は燃焼器２６に流れ、そこで、燃料が圧縮空気の流れに注入され、点火し、圧縮空気の温度およびエネルギーレベルを上昇させる。高エネルギー燃焼生成物は、第１（高圧）ドライブシャフト３０を介して高圧圧縮器２４を駆動するために、燃焼器２６から第１（高圧）タービン２８に流れ、次に、第１ドライブシャフト３０と同軸である第２（低圧）ドライブシャフト３４を介してブースタ２２およびファンセクション１６を駆動するために第２（低圧）タービン３２に流れる。タービン２８および３２のそれぞれを駆動した後、燃焼生成物は、排気ノズル３６を介してコアエンジン１４から離れ、エンジン１０のジェット推進スラストの少なくとも一部を提供する。
【００１５】
ファンセクション１６には、環状ファンケーシング４０によって囲まれた回転可能な軸流ファンロータ３８が含まれる。ファンケーシング４０が、実質的に半径方向に延び、円周方向で離間された複数の出口ガイドベーン４２によって、コアエンジン１４から支持されることは理解されよう。このように、ファンケーシング４０は、ファンロータ３８およびファンロータブレード４４を取り囲む。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の外側部分の上に延び、追加のジェット推進スラストを提供する２次的、すなわちバイパス空気流導管４８を画定する。
【００１６】
流れの観点から、矢印５０で表示される初期空気流が、入口５２を介しファンケーシング４０まで、ガスタービンエンジン１０に入ることは理解されるであろう。空気流５０はファンブレード４４を通過し、導管４８を介して移動する第１圧縮空気流（矢印５４により表示）と、ブースタ２２に入る第２圧縮空気流（矢印５６により表示）とに２つに分かれる。
【００１７】
第２圧縮空気流５６の圧力は増加し、矢印５８により表示されるように、高圧圧縮器２４に入る。燃料と混合し、燃焼器２６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を介して流れる。次に、燃焼生成物６０は、第２タービン３２を介して流れ、排気ノズル３６から出て、ガスタービンエンジン１０のスラストの少なくとも一部を提供する。
【００１８】
燃焼器２６には、縦軸１２、ならびに入口６４および出口６６と同軸である環状燃焼室６２が含まれる。上記のように、燃焼器２６は高圧圧縮器排出出口６９からの圧縮空気の環状の流れを受ける。本明細書の図面で番号１９０により特定される、この圧縮器排出空気（「ＣＤＰ」空気）の一部は、混合器（図示せず）に流入する。燃料は燃料ノズル先端部アセンブリから注入され、空気と混合し、燃焼のために燃焼室６２に提供される混合気を生じる。混合気の点火は適正な点火装置により達成され、結果として生じる燃焼ガス６０は、環状の、第１段タービンノズル７２に向かい、その中へ軸方向に流れる。ノズル７２は、ガスが角度をなして流れ、第１タービン２８の第１段タービンブレードに作用するように、ガスを回転させる、半径方向に延び、円周方向で離間された複数のノズルベーン７４を含む、環状流路により画定される。図１に示したように、第１タービン２８は望ましくは、第１ドライブシャフト３０を介して高圧圧縮器２４を回転させる。低圧タービン３２は望ましくは、第２ドライブシャフト３４を介してブースタ２２およびファンロータ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、たとえば図２および３に示したような燃料ノズル１００により燃焼室に供給される。液体燃料は、たとえば図３に示したようなステム１０３内の導管を介して、燃料ノズル先端部アセンブリ６８へ輸送される。単体構造を有する導管は、液体燃料を燃料ノズル１００の燃料ノズル先端部アセンブリ６８に輸送するのに使用されてよい。燃料供給導管は、ステム１０３内に位置し、燃料ディストリビュータ先端部１８０と結合してよい。パイロット燃料、および主燃料は、たとえば図２および３に示したような燃料ノズル先端部アセンブリ６８により燃焼器２６内に噴射される。タービンエンジンの作動中、当初、パイロット燃料は、始動およびアイドリング運転中などの所定のエンジン作動状態の間、たとえば図３の品目１０２、１０４として示したようなパイロット燃料流路を介して供給される。パイロット燃料は、パイロット燃料出口１６２を介して、燃料ディストリビュータ先端部１８０から排出される。追加出力が要求されるとき、主燃料が主燃料通路１０５（図３参照）を介して供給され、主燃料は主燃料出口１６５を使用して噴射される。
【００２０】
図３〜７は単体ベンチュリ５００の本発明の例示的実施形態を示す。図２および３は、燃料ノズル１００、および例示的単体ベンチュリ５００を有する燃料ノズル先端部６８の例示的実施形態を示す。図８は単体ベンチュリ６００の代替例示的実施形態を示す。用語「単体」は、本明細書に記載のベンチュリ５００、６００などの関連構成部品が、製造中に一体成型として製造されることを意味するために、本出願では使用される。したがって、単体構成部品は、その構成部品にとっての一体式構造を有する。図４は、本発明の例示的実施形態による単体ベンチュリ５００の等角図を示す。図３〜８に示した例示的ベンチュリ５００、６００には、燃料ノズル内の燃料空気混合を向上させるために、ベーンを通過する空気に旋回運動を与える、円周方向で配列されたベーン５０８が含まれる。図３〜８に示した例示的ベンチュリ５００、６００は、以降に本明細書に記載の方法を使用して製造される単体構造を有してよい。
【００２１】
図２および３を参照すれば、燃料ディストリビュータ先端部１８０は、単体ディストリビュータリング１７１の主燃料通路１０５およびパイロット燃料通路１０２、１０４が、ステム１０３内に含まれた対応する燃料供給導管と流れ連通して結合されるように、ステム１０３から延びる。主燃料通路１０５は、単体ディストリビュータリング１７１内に画定される主燃料回路に流れ連通して結合される。１次パイロット通路１０２および２次パイロット通路１０４は、燃料ノズル（図３参照）内に半径方向内向きに配置された対応するパイロット噴射器に流れ連通して結合される。ディストリビュータリング１７１は単体導管（すなわち単体構造を有する）として本明細書に上述したが、当該技術分野で知られている方法を使用して他の適切な製造構造物を有するディストリビュータリング１７１を使用することが可能であることは、当業者には明白であろう。単体ディストリビュータリング１７１は、ろう付けなどの従来の接続手段を使用してステム１０３に接続される。あるいは、単体ディストリビュータリング１７１およびステム１０３は、たとえば、本明細書に記載の直接レーザ金属焼結などの、迅速製造方法によって製造されてよい。
【００２２】
図３は、単体ベンチュリ５００の本発明の例示的実施形態を有する例示的燃料ノズル先端部６８の軸方向断面を示す。図３に示した例示的燃料ノズル先端部６８は、本明細書で１次パイロット流路１０２および２次パイロット流路１０４と呼ぶ、２つのパイロット燃料流路を有する。図３を参照すれば、１次パイロット流路１０２からの燃料は、１次パイロット燃料噴射器１６３を介して燃料ノズルから出て、２次パイロット流路１０４からの燃料は、２次パイロット燃料噴射器１６７を介して燃料ノズルから出る。ディストリビュータリング１７１の１次パイロット流路１０２は、ステム１０３（図２参照）内に含まれる供給導管の対応するパイロット１次通路と流れ連通する。同様に、ディストリビュータリング１７１の２次パイロット流路１０４は、ステム１０３内に含まれる供給導管の対応するパイロット２次通路と流れ連通する。
【００２３】
前記のように、ガスタービンエンジンで使用されるものなど燃料ノズルは、高温に曝される。高温へのこのような曝露は、場合によっては、たとえば出口通路１６４などの燃料通路で、燃料コークス化および閉塞を引き起こす場合がある。ディストリビュータリング１７１の燃料コークス化および／または閉塞を緩和する１つの方法は、通路（図３に示した品目１０２、１０４、１０５など）を悪熱環境から保護するために、熱シールドを使用することである。図３に示した例示的実施形態では、燃料導管１０２、１０４、１０５は、隙間１１６およびこれらの導管を少なくとも部分的に囲む熱シールドによって保護される。隙間１１６は、悪熱環境からの絶縁を提供することによって、燃料通路に保護を提供する。示した例示的実施形態では、絶縁用隙間１１６は、約０．０１５インチ（約０．０３８ｃｍ）と０．０２５インチ（約０．０６４ｃｍ）の間の幅を有する。本明細書に記載のものなど熱シールドは、たとえば、ガスタービンエンジンで一般に使用されるコバルト基合金およびニッケル基合金などの、高温に耐える能力を備えた任意の適正な材料で製造することができる。図３に示した例示的実施形態では、ディストリビュータリング１７１は、ディストリビュータリング１７１、流路１０２、１０４、１０５、燃料出口１６５、熱シールドおよび隙間１１６が、一体式構造を有するように形成される、単体構造を有する。
【００２４】
図４は、本発明の例示的実施形態によるベンチュリ５００の等角図を示し、図５は、図４に示した例示的ベンチュリの軸方向断面図を示す。図５を参照すれば、例示的ベンチュリ５００は、空気の一部と燃料が混合する混合用空洞５５０を形成する、スワーラ軸１１の周りの環状ベンチュリ壁５０２を含む。環状ベンチュリ壁は、軸および円周方向で任意の適正な形状を有してよい。軸方向前方方向で混合気の膨脹を可能にする、たとえば図５に示したような円錐形状が望ましい。図５に示した例示的ベンチュリ５００は、軸方向前方端部５０１を有する軸方向前方部分５０９と、軸方向後方端部５１９を有する軸方向後方部分５１１とを有する。軸方向前方部分５０９は、環状ベンチュリ壁５０２がスワーラ軸１１の周りで概して筒状である、概して筒状の外側形状（図６参照）を有する。ベンチュリ壁５０２は、ノズル先端部アセンブリ６８の組立て中にろう付け材料を受けることができる、ベンチュリ壁の半径方向外側に位置する少なくとも１つの溝５０４を有する。図５および６に示した例示的実施形態では、軸方向前方端部５０１近くの１つの溝５０４と、軸方向前方端部５０１と軸方向後方端部５１９の間の中間位置近くの別の溝５０４との、２つの環状溝５０４が示される。溝５０４は従来の機械加工方法を使用して形成してよい。あるいは、溝５０４は、たとえば以降に本明細書に記載のように、単体ベンチュリ５００を製造する方法を使用して、ベンチュリ壁５０２を形成するとき、一体的に形成してよい。本発明の別の態様では、ベンチュリ５００は、ベンチュリ壁５０２の軸方向後方端部５１９に位置するリップ５１８（あるいは本明細書ではドリップリップ５１８と呼ぶ）を含む。ドリップリップ５１８は、ベンチュリ壁５０２の内側表面５０３に沿って流れる液体燃料粒子が、壁５０２から離れ、軸方向後方へ流れ続けるような形状（図５参照）を有する。したがって、ドリップリップ５１８は、出口でベンチュリ壁に沿って半径方向外向きに燃料が流れるのを防ぐ役割をする。
【００２５】
図５に示すように、ベンチュリ５００の例示的実施形態は、環状のベンチュリ壁５０２から半径方向内向きに位置し、スワーラ軸１１の周りでベンチュリ壁と同軸に位置する、環状スプリッタ壁５３２を有する環状スプリッタ５３０を含む。スプリッタ５３０の半径方向外側表面５３３およびベンチュリ壁５０２の半径方向内側表面５０３は、環状の旋回空気通路５３４を形成する。スプリッタ壁５３２の前方部分は、燃料ノズル先端部アセンブリ６８を組立て中に、ベンチュリ５００を、たとえば図２で品目２０８として示したような隣接する構成部品と結びつけるのを助ける、陥凹部５３５を有する。スプリッタ５３０は、スプリッタ空洞５６０を有し、そこで空気１９０の一部は、パイロット出口１６２、１６４（図２参照）から排出した燃料と混合する。
【００２６】
図５、６および７に示したベンチュリ５００の例示的実施形態は、スワーラ５１０を含む。スワーラ５１０はベンチュリ５００の軸方向前方部分５０９に位置しているように図５で示してあるが、本発明の他の代替実施形態では、スワーラ５１０はベンチュリ５００内の他の軸位置に位置してよい。スワーラ５１０は、ベンチュリ壁５０２と環状スプリッタ５３０の間に半径方向内向きに延びる複数のベーン５０８を含む。複数のベーン５０８は、スワーラ軸１１の周りに円周方向に配列される。
【００２７】
図５および６を参照すれば、図に示したスワーラ５１０の例示的実施形態では、各ベーン５０８は、スプリッタ５３０近くに半径方向に位置する翼根部５２０と、ベンチュリ壁５０２近くに半径方向に位置する翼端部５２１とを有する。各ベーン５０８は、翼根部５２０と翼端部５２１の間に延びる、前縁５１２および後縁５１４を有する。ベーン５０８は、前縁５１２と後縁５１４の間で、たとえばエーロフォイル形のような適正な形状を有する。円周方向で隣接するベーン５０８は、スワーラ５１０に入る、図３に品目１９０として示したＣＤＰ空気のような、通過空気のための流路を形成する。ベーン５０８は、スワーラ５１０に入る流入空気１９０に、運動の回転要素を与えるために、スワーラ軸１１に対して半径方向および軸方向に傾斜させることができる。これらの傾斜したベーン５０８は、ベンチュリ５００内で概してらせん状に空気１９０を旋回させる。本発明の一態様では、ベーン５０８は、ベーン５０８の翼根部５２０とスプリッタ壁５３２の間に延びる隅肉５２６を有する。翼根部５１０の応力集中が軽減するのを助けるのに加え、隅肉５２６は、スワーラ内、および旋回空気通路５３４で空気が滑らかに流れるのを助ける。隅肉５２６は、スワーラで空気が滑らかに流れるのを促進するように設計された、滑らかな輪郭形状５２７を有する。特定のベーン５０８の輪郭形状および配向は、流体流動解析の知られている方法を使用して設計される。適正な隅肉の輪郭を有する隅肉５２６に類似した隅肉が、ベーン５０８の翼端部５２１とベンチュリ壁５０２の間で使用されてもよい。本明細書の図３〜７に示したベンチュリ５００の例示的実施形態では、ベーン５０８は、翼根部５２０および翼端部５２１の両方の近くで支持される。いくつかのベンチュリの代替設計では、カンチレバータイプの支持材を有するベーンを含むスワーラを有することも可能であり、そこではベーンは構造的に１端部のみで支持され、他端部は本質的に自由である。ベンチュリ５００は、たとえばＣｏＣｒ、ＨＳ１８８、Ｎ２、およびＮ５などの、ニッケルまたはコバルト基超合金などの、高温環境で作動できる、知られている材料で製造してよい。
【００２８】
ベンチュリ５００は、ベンチュリおよび燃料ノズル先端部アセンブリ６８（図３参照）の他の構成部品を、燃料ノズル１００内の混合気の点火からの炎と熱から保護するために、熱シールド５４０を含む。図５〜７に示した例示的熱シールド５４０は、スワーラ軸１１の周りで環状形状を有し、ベンチュリ５００の軸方向後方端部５１９の近くで、スワーラ５１０から軸方向後方に位置する。熱シールド５４０は、スワーラ軸１１から半径方向に外向き方向で延びる環状壁５４２を有する。環状壁５４２は、ベンチュリ５００および燃料ノズル先端部アセンブリ６８の他の構成部品を、２５００°Ｆ（約１３７１℃）から４０００°Ｆ（約２２０４℃）の範囲の温度を有する、混合気の点火からの炎と熱から保護する。熱シールド５４０は、高温に耐えることができる適正な材料で製造される。たとえば、ＣｏＣｒ、ＨＳ１８８、Ｎ２、およびＮ５などの材料が使用できる。本明細書に示した例示的実施形態では、熱シールド５４０はＣｏＣｒ材料で製造され、０．０３０インチ（約０．０７６ｃｍ）と０．０６０インチ（約０．１５２ｃｍ）の間の厚さを有する。本発明の他の実施形態では、熱シールド５４０が、ベンチュリ壁５０２またはスワーラ５１０などの、ベンチュリの他の部分と異なる材料で製造されることも可能である。
【００２９】
図５〜７に示した例示的ベンチュリ５００は、その作動温度を下げるために熱シールド５４０の冷却を強化する特定の設計特徴を有する。例示的ベンチュリ５００は、ベンチュリ壁５０２と熱シールド５４０の間に延びる少なくとも１つのスロット５４４を含む。図６に示した、ベンチュリ５００の望ましい例示的実施形態は、ベンチュリ壁５０２と熱シールド５４０の間に延びる複数のスロット５４４を含み、スロット５４４は、スワーラ軸１１の周りで円周方向に配列される。スロット５４４は、燃料導管とベンチュリ壁５０２（図３参照）の間の空洞を通って流れる冷却用空気のための出口通路を提供する。各スロット５４４（図３、５参照）の軸方向に配向した部分に入る冷却用空気は、スロット５４４（図３、５参照）の半径方向に配向した部分で方向を変え、熱シールドの環状壁５４２の側へ全体的に半径方向にスロット５４４から出る。本発明の別の態様では、例示的ベンチュリ５００は、熱シールド５４０上に位置し、スワーラ軸１１の周りの熱シールド壁５４２の軸方向前方側で円周方向に配列された、複数の隆起部５４６を含む。これらの隆起部５４６は、追加の熱伝達領域を提供し、熱シールド５４０から、熱シールドに向けた冷却用空気への熱伝達を増加させ、それによって、熱シールド５４０の作動温度を下げる。図６に示した例示的実施形態では、隆起部５４６は、４つの円周列に配列され、各列は１００から１２０個の間の隆起部を有する。
【００３０】
ベンチュリの本発明の代替例示的実施形態が図８に示してある。図８は、一部切り欠いた、ベンチュリ６００の代替例示的実施形態の等角図である。図３および６を参照すれば、ベンチュリ５００のスワーラ５１０に入る空気流が、場合によっては、ベーン５０８の間の通路に入るとき、円周方向に均一でない場合があることは、当業者には明白である。この不均一性は、たとえば壁２６０（図３参照）のような他の装備が存在すると、さらに強化される。従来のベンチュリでは、流れのこのような不均一性は、ベンチュリ内で燃料と空気を混合する際の不均一性を引き起こし、不均一な燃焼温度につながる。ベンチュリ６００（図８参照）の本発明の一態様では、円周方向で不均一に流入することの悪影響は、円周方向で隣接するベーン６０８の形状と異なる形状を備えるスワーラベーン６０９を含むスワーラ６１０を有することで、最小化することができる。特別設計のスワーラベーン６０８、６０９の形状は、知られている流体流動解析技術に基づき、各円周方向位置に対して選択することができる。図８に示した本発明の代替例示的実施形態では、ベーン６０９は、たとえば、燃料ノズルアセンブリ先端部６８（図３参照）の隣接する構成部品に壁２６０が存在することで、局部的に変化した空気流を適正に受けるために、軸方向陥凹部６３５を有する。ベンチュリ６００の代替実施形態は、例示的ベンチュリ５００のためにこれまで本明細書に記載したように、熱シールド６４０、スプリッタ６３０、ベンチュリ壁６０２、および他の装備をさらに含む。様々な円周方向位置に位置するベーン６０８、６０９に合わせて様々な形状を備えたスワーラを有するベンチュリ６００が、単体構造を有することができ、本明細書に記載の製造方法を使用して製造することができる。
【００３１】
図５〜７に示した単体ベンチュリ５００の例示的実施形態、および図８に示した単体ベンチュリ６００の代替実施形態は、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、レーザネットシェープ製造（ＬＮＳＭ）、電子ビーム焼結および製造で知られた他のプロセスなどの、迅速製造プロセスを使用して製造できる。ＤＭＬＳは、本明細書に記載の単体ベンチュリ５００、６００を製造する望ましい方法である。
【００３２】
図９は、本明細書に記載し、図３〜８に示した、品目５００および６００などの、単体ベンチュリを製作する方法７００の例示的実施形態を説明する流れ図である。製作方法７００は例として単体ベンチュリ５００を使用して以下に記載しているが、同じ方法、ステップ、手順等は、図８に示したベンチュリ６００の代替例示的実施形態にも適用する。方法７００には、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）を使用して、単体ベンチュリ５００（図３〜７に図示）を製作するステップが含まれる。ＤＭＬＳは、３次元情報、たとえば構成部品の３次元コンピュータモデルを使用して金属構成部品を製作する、知られている製造プロセスである。３次元情報は、複数のスライスに変換され、各スライスは、そのスライスの所定の高さについて構成部品の断面を定義する。構成部品は、完了するまで、スライスごとに、すなわち層ごとに、「ビルドアップ」される。構成部品の各層は、レーザを使用して金属粉末を溶解することによって形成される。
【００３３】
したがって、方法７００には、単体ベンチュリ５００の３次元情報を決定するステップ７０５と、各スライスが単体ベンチュリ５００の断面層を定義する複数のスライスに３次元情報を変換するステップ７１０とが含まれる。次に、単体ベンチュリ５００はＤＭＬＳを使用して製作され、またはより詳細には、各層は、レーザエネルギーを使用して金属粉末を溶解することによってステップ７１５で次々に形成される。各層は約０．０００５インチ（約０．００１３ｃｍ）と約０．００１インチ（約０．００２５ｃｍ）の間の寸法を有する。単体ベンチュリ５００は、任意の適正なレーザ焼結機械を使用して製作してよい。適正なレーザ焼結機械の例には、限定はされないが、ミシガン州Ｎｏｖｉの  ＥＯＳ  ｏｆ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａ、Ｉｎｃ．から入手可能なＥＯＳＩＮＴ．ＲＴＭ．Ｍ  ２７０  ＤＭＬＳマシン、ＰＨＥＮＩＸ  ＰＭ２５０マシン、および／またはＥＯＳＩＮＴ．ＲＴＭ．Ｍ  ２５０  Ｘｔｅｎｄｅｄ  ＤＭＬＳマシンが含まれる。単体ベンチュリ５００を製作するのに使用する金属粉末は、望ましくは、コバルトクロムを含む粉末であるが、限定はされないが、ＨＳ１８８およびＩＮＣＯ６２５などの、他の任意の適正な金属粉末であってよい。金属粉末は、約１０ミクロンと７４ミクロンの間の微粒子寸法を有することができるが、望ましくは約１５ミクロンと約３０ミクロンの間である。
【００３４】
単体ベンチュリ５００を製造する方法は、望ましい方法としてＤＭＬＳを使用すると本明細書には記載されているが、層ごとの構築または追加製作を使用する任意の他の適正な迅速製造方法も使用できることは、当業者には理解されよう。これら代替の迅速製造方法には、限定はされないが、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、インクジェットおよびレーサジェットによるなどの３Ｄ印刷、ステレオリトグラフィ（ＳＬＳ）、直接選択的レーザ焼結（ＤＳＬＳ）、電子ビーム焼結（ＥＢＳ）、電子ビーム溶解（ＥＢＭ）、レーザ技術ネットシェープ法（ＬＥＮＳ）、レーザネットシェープ製造（ＬＮＳＭ）および直接金属蒸着（ＤＭＤ）が含まれる。
【００３５】
タービンエンジン（図１〜３参照）の燃料ノズル１００のための単体ベンチュリ５００は、知られているベンチュリ、スワーラおよび燃料ノズルより少ない構成部品および継手を含む。詳細には、上記の単体ベンチュリ５００は、複数のベーン５０８を有するスワーラ５１０、ベンチュリ壁５０２、および熱シールド５４０を含む一体型単体ベンチュリ５００を使用するために、必要とする構成部品はより少ない。結果として、記載の単体ベンチュリ５００は、知られている燃料ベンチュリに対して、より軽い、よりコストがかからない代替を提供する。さらに、単体ベンチュリ５００用の記載の単体構造は、知られているベンチュリと比較して、漏れまたは故障の機会が少なくなり、より容易に修理が可能になる。
【００３６】
本明細書で使用されるように、単数形で列挙され又は数詞がないステップは、複数を除外することが明確に説明されていない限り、複数の前記要素またはステップを除外しないと理解されるべきである。本明細書に記載および／または例示した単体ベンチュリ５００、６００の要素／構成部品／ステップなどを導入するとき、数詞がないことや「前記」などの冠詞は、１つまたは複数の要素／構成部品／などがあることを意味することを意図する。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」および「ｈａｖｉｎｇ（有する）」は包括的であり、列挙した要素／構成部品／など以外に追加の要素／構成部品／などがあり得ることを意味することを意図する。さらに、本発明の「一実施形態」に言及することは、列挙した特徴も組み込む追加の実施形態が存在することを除外すると解釈されることは意図していない。
【００３７】
本明細書に記載の方法および単体ベンチュリ５００、６００などの物品は、液体燃料をタービンエンジンの燃料ノズル内で空気と混合するために空気を旋回させることとの関連で記載されているが、本明細書に記載の単体ベンチュリ５００、６００およびその製造の方法は、燃料ノズルまたはタービンエンジンに限定されないことを理解されたい。本明細書に含まれる図面に描かれた単体ベンチュリ５００、６００は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定はされず、むしろ、これらは本明細書に記載の他の構成部品と独立して、個別に利用できる。
【００３８】
本書は、最良の形態を含み、本発明を開示するために、また当業者が本発明を製造および使用できるようにするために、例示を使用するものである。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が気付く他の例示も含まれる場合がある。このような他の例示は、その例示が本特許請求の範囲の文言上の用語と異ならない構造要素を有する場合、またはその例示が本特許請求の範囲の文言上の用語とごくわずかな差異を伴う等価の構造要素を含む場合は、本特許請求の範囲内にあることを意図するものである。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ガスタービンエンジン
１１  スワーラ軸
１２  軸方向中心線軸
１４  コアガスタービンエンジン
１６  ファンセクション
１８  外側ケーシング
２０  入口
２２  ブースタ
２４  多段式軸流圧縮器
２６  燃焼器
２８  タービン
３０  ドライブシャフト
３２  タービン
３４  ドライブシャフト
３６  排気ノズル
３８  軸流ファンロータ
４０  ファンケーシング
４２  ガイドベーン
４４  ファンロータブレード
４６  下流セクション
４８  空気流導管
５０  空気流
５２  入口
５４  空気流
５６  空気流
５８  空気流
６０  燃焼生成物／燃焼ガス
６２  燃焼室
６４  入口
６６  出口
６８  燃料ノズル先端部アセンブリ
６９  高圧圧縮器排出出口
７２  タービンノズル
７４  ノズルベーン
１００  燃料ノズル
１０２  パイロット燃料通路
１０３  ステム
１０４  パイロット燃料通路
１０５  主燃料通路
１１６  絶縁用隙間
１６２  パイロット燃料出口
１６３  パイロット燃料噴射器
１６４  出口通路
１６５  主燃料出口
１６７  パイロット燃料噴射器
１７１  ディストリビュータリング
１８０  燃料ディストリビュータ先端部
１９０  圧縮器排出空気／「ＣＤＰ」空気
２０８  ベーン
２６０  壁
５００  ベンチュリ
５０１  軸方向前方端部
５０２  ベンチュリ壁
５０３  内側表面
５０４  溝
５０８  ベーン
５０９  軸方向前方部分
５１０  スワーラ
５１１  軸方向後方部分
５１２  前縁
５１４  後縁
５１８  リップ／ドリップリップ
５１９  軸方向後方端部
５２０  翼根部
５２１  翼端部
５２６  隅肉
５２７  滑らかな輪郭形状
５３０  スプリッタ
５３２  スプリッタ壁
５３３  外側表面
５３４  旋回空気通路
５３５  陥凹部
５４０  熱シールド
５４２  熱シールド壁
５４４  スロット
５４６  隆起部
５５０  混合用空洞
５６０  スプリッタ空洞
６００  ベンチュリ
６０２  ベンチュリ壁
６０８  ベーン
６０９  ベーン
６１０  スワーラ
６３０  スプリッタ
６３５  陥凹部
６４０  熱シールド
【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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