特許 7187262 ターボ機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-02

(45)【発行日】2022-12-12

(54)【発明の名称】ターボ機械

(51)【国際特許分類】

   F23R 3/02 20060101AFI20221205BHJP

   F01D 25/12 20060101ALI20221205BHJP

   F02C 7/18 20060101ALI20221205BHJP

【ＦＩ】

F23R3/02

F01D25/12 E

F02C7/18 E

F02C7/18 Z

【請求項の数】 11

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2018200648

(22)【出願日】2018-10-25

(65)【公開番号】P2019078523

(43)【公開日】2019-05-23

【審査請求日】2021-07-12

(31)【優先権主張番号】10 2017 125 051.4

(32)【優先日】2017-10-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】510153962

【氏名又は名称】マン・エナジー・ソリューションズ・エスイー

【氏名又は名称原語表記】ＭＡＮ ＥＮＥＲＧＹ ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ ＳＥ

【住所又は居所原語表記】Ｓｔａｄｔｂａｃｈｓｔｒ．１ ８６１５３ Ａｕｇｓｂｕｒｇ，ＧＥＲＭＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ロベルト・クレヴィンケル

【審査官】嘉村 泰光

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－０８９４６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２２３４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第０２７８７１７４（ＥＰ，Ａ２）

【文献】米国特許第０８２８１６００（ＵＳ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｄ １／００－１１／２４

Ｆ０１Ｄ １３／００－１５／１２

Ｆ０１Ｄ ２３／００－２５／３６

Ｆ０２Ｃ １／００－ ９／５８

Ｆ２３Ｒ ３／００－ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の側（１２）において第１の温度を有する第１の媒体の流れを誘導する役割を果たし、第２の側（１３）において前記第１の温度よりも低い第２の温度を有する第２の媒体で冷却可能である、流れ誘導アセンブリ（１０）と、
前記流れ誘導アセンブリ（１０）から離間されて延在する開口（１４）を備えるインピンジメントグリル（１１）であって、前記第２の媒体は、前記インピンジメントグリル（１１）の前記開口（１４）を経由して前記流れ誘導アセンブリ（１０）の前記第２の側（１３）上へと向けることが可能である、インピンジメントグリル（１１）と
を備える、ターボ機械において、
前記開口（１４）の少なくともいくつかの領域において、前記第２の媒体用の流れ誘導要素（１８、１９、２０、２１、２２）が形成され、前記流れ誘導要素（１８、１９、２０、２１、２２）は、前記インピンジメントグリル（１１）から始まり、冷却されるべき前記流れ誘導アセンブリの前記第２の側（１３）の方向に延在し、
前記流れ誘導要素（１９，２２）の上流部は、前記流れ誘導要素（１９，２２）の下流部よりも前記流れ誘導アセンブリの前記第２の側（１３）に近いことを特徴とする、ターボ機械。

【請求項2】

前記第２の媒体用の前記流れ誘導要素（１８、１９、２０、２１、２２）は、前記流れ誘導アセンブリ（１０）の前記第２の側（１３）から離間して終端することを特徴とする、請求項１に記載のターボ機械。

【請求項3】

前記流れ誘導アセンブリ（１０）の前記第２の側（１３）と前記インピンジメントグリル（１１）との間に間隙（１５）が形成され、前記間隙（１５）の幅は、前記流れ誘導アセンブリ（１０）の前記第２の側（１３）と前記インピンジメントグリル（１１）との間の距離により規定されることと、
前記インピンジメントグリル（１１）から始まる前記第２の媒体用の前記流れ誘導要素（１８、１９、２０、２１、２２）は、前記間隙（１５）の前記幅の最大で８０％だけ前記間隙（１５）内へと延在することと
を特徴とする、請求項２に記載のターボ機械。

【請求項4】

前記インピンジメントグリル（１１）から始まる前記第２の媒体用の前記流れ誘導要素（１８、１９、２０、２１、２２）は、前記間隙（１５）の前記幅の最大で７０％だけ前記間隙（１５）内に延在することを特徴とする、請求項３に記載のターボ機械。

【請求項5】

前記インピンジメントグリル（１１）から始まる前記第２の媒体用の前記流れ誘導要素（１８、１９、２０、２１、２２）は、前記間隙（１５）の前記幅の少なくとも４０％だけ前記間隙（１５）内に延在することを特徴とする、請求項３または４に記載のターボ機械。

【請求項6】

前記インピンジメントグリル（１１）から始まる前記第２の媒体用の前記流れ誘導要素（１８、１９、２０、２１、２２）は、前記間隙（１５）の前記幅の少なくとも５０％だけ前記間隙（１５）内に延在することを特徴とする、請求項５に記載のターボ機械。

【請求項7】

前記第２の媒体用のそれぞれの前記流れ誘導要素（１８、１９、２０、２１、２２）は、前記間隙（１５）から出る前記第２の媒体の排出流の手前でそれぞれの前記流れ誘導要素（１８、１９）の領域内の前記第２の媒体を覆うことを特徴とする、請求項３から６のいずれか一項に記載のターボ機械。

【請求項8】

各開口（１４）の領域に、前記第２の媒体用の流れ誘導要素（１８、１９、２０、２１、２２）が形成されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のターボ機械。

【請求項9】

前記第２の媒体用のそれぞれの前記流れ誘導要素（１８、１９、２０、２１、２２）は、断面が円形、半円形、部分的円形、楕円形、半楕円形、部分的楕円形、または星形で具現化されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のターボ機械。

【請求項10】

それぞれの前記流れ誘導要素（１８、１９、２０、２１、２２）は、少なくとも部分的にノズルとして形成されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のターボ機械。

【請求項11】

それぞれの前記流れ誘導要素（１８、１９、２２）は、前記インピンジメントグリル（１１）に対して垂直に延在することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のターボ機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ターボ機械に関する。

【背景技術】

【0002】

例えばガスタービン、タービン、または圧縮機などのターボ機械は、第1の側において第1の温度を有する第1の媒体の流れを誘導する役割を果たす流れ誘導アセンブリを備える。

【0003】

特にタービンの場合、およびタービンの領域におけるガスタービンまたはガスタービンの燃焼チャンバの場合、流れ誘導アセンブリの第1の側で誘導される第1の媒体は、非常に高温であり、このことにより、流れ誘導アセンブリを冷却することが必要となる。その場合に、第1の温度よりも低い温度を有する第2の媒体を使用して第2の側において流れ誘導アセンブリを冷却することが、先行技術から既に知られている。

【0004】

したがって、特許文献1は、第1の側の燃焼チャンバ内部の壁部が燃料流の流れを誘導する役割を果たす、燃焼チャンバを有するガスタービンを開示している。第2の側では、燃焼チャンバの壁部は、衝突冷却により冷却され、これを目的として冷却されるべき燃焼チャンバの壁部から離間された状態で、開口を備えるインピンジメントグリルが延在する。インピンジメントグリルの開口により、第2の媒体は、燃焼チャンバの壁部を冷却するために流れ誘導アセンブリの第2の側へと、すなわち燃焼チャンバの壁部へと誘導可能または案内可能である。

【0005】

特許文献1からは、冷却されるべき流れ誘導アセンブリの第2の側とインピンジメントグリルとの間に、間隙が形成され、この間隙の幅が、冷却されるべき流れ誘導アセンブリの第2の側とインピンジメントグリルとの間の距離により規定されることが明らかである。冷却の役割を果たす第2の媒体は、インピンジメントグリルの開口を通り、すなわちインピンジメントグリルおよび冷却されるべきアセンブリに対してほぼ垂直に延在する流れ方向へと流れる。この間隙により、第2の媒体の排出流は、インピンジメントグリルの開口を通り第2の媒体の流れに対してほぼ垂直に延在するこの間隙から排出される。間隙から出る第2の媒体のこの排出流は、冷却されるべきアセンブリの第2の側の領域内において冷却されるべきアセンブリに衝突するように意図された、インピンジメントグリルの開口を通り退出する第2の媒体の流れに対して負の影響を及ぼすおそれがある。これにより、衝突冷却の効果が低下するおそれがある。これは不利である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】独国特許発明第102006042124号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0007】

ここを出発点として、本発明は、衝突冷却が改善された新タイプのターボ機械を創出する目的に基づく。この目的は、請求項1に記載のターボ機械により達成される。本発明によれば、第2の媒体用流れ誘導要素が、開口の少なくともいくつかの領域に形成され、これらの開口は、インピンジメントグリルから始まり、冷却されるべき流れ誘導アセンブリの第2の側の方向へと延在する。

【0008】

第2の媒体用の誘導要素は、インピンジメントグリルの開口を経由して案内される第2の媒体の流れが、冷却されるべきターボ機械のアセンブリの第2の側へと規定されたように送られることを確実にする。これにより、衝突冷却が改善され得る。したがって、冷却されるべきアセンブリとインピンジメントグリルとの間の間隙から出る第2の媒体の排出流が、開口を経由して案内される第2の媒体の流れに負の影響を及ぼすリスクが、効果的に軽減され得る。

【0009】

好ましくは、流れ誘導アセンブリの第2の側とインピンジメントグリルとの間に、間隙が形成され、この間隙の幅は、流れ誘導アセンブリの第2の側とインピンジメントグリルとの間の距離により規定される。インピンジメントグリルから始まる第2の媒体用の流れ誘導要素は、間隙の幅の最大で80%だけ、および好ましくは間隙の幅の最小で40%だけ間隙内へと延在する。特に、インピンジメントグリルから始まる第2の媒体用の流れ誘導要素は、間隙の幅の最大で70%だけ、および好ましくは間隙の幅の最小で50%だけ間隙内に延在する。かかる流れ誘導要素により、冷却されるべきターボ機械のアセンブリの特に有効な衝突冷却が可能となる。

【0010】

好ましくは、第2の媒体用のそれぞれの流れ誘導要素は、間隙から出る第2の媒体の排出流の手前でそれぞれの流れ誘導要素の領域内の第2の媒体を覆う。また、衝突冷却により冷却されるべきターボ機械のアセンブリの特に有効な冷却が、これにより可能となる。

【0011】

好ましくは、それぞれの流れ誘導要素は、少なくとも部分的にノズルとして形成される。ノズルにより、第2の媒体の流速は、特に、この衝突冷却の助けによって、冷却されるべきアセンブリの冷却をさらにより効果的にするように上昇させることが可能となる。

【0012】

本発明の好ましいさらなる展開例が、サブクレームおよび以下の説明から得られる。本発明の例示の実施形態は、非限定的な図面によりさらに詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】流れ誘導アセンブリの領域およびインピンジメントグリルの領域におけるターボ機械の詳細図である。

【図2】流れ誘導要素の領域におけるターボ機械の詳細図である。

【図3】代替的な流れ誘導要素の領域におけるターボ機械のさらなる詳細図である。

【図4】さらに代替的な流れ誘導要素を示す図である。

【図5】さらに代替的な流れ誘導要素を示す図である。

【図6】さらに代替的な流れ誘導要素を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本明細書に示す本発明は、燃焼チャンバの他にタービンを備える、例えばタービン、圧縮機、またはガスタービンなどのターボ機械に関する。ターボ機械が、複数の流れ誘導アセンブリを備える。

【0015】

ガスタービンでは、例えば燃焼チャンバは、燃焼チャンバの壁部の第1の側に燃料流を誘導する流れ誘導アセンブリである。例えばガスタービンなどのターボ機械のさらなる流れ誘導アセンブリは、径方向外部においては例えば高圧タービン段などのタービン段の可動ブレードを辿り、第1の側ではタービン内で拡張されるべき媒体の流れを誘導する役割を果たす、いわゆるカバーセグメントであることが可能である。

【0016】

ターボ機械の流れ誘導アセンブリは、特に、流れ誘導アセンブリの第1の側で誘導されるべき第1の媒体が、ガスタービンまたは高圧タービン段の燃焼チャンバの領域における場合と同様に高温を有する場合に、高温にさらされる。

【0017】

したがって、原則的には、第1の温度よりも低い第2の温度を有する第2の媒体を用いて、第1の側の対向側に位置する第2の側でこれらの流れ誘導アセンブリを冷却することが知られている。第2の媒体を助けとするこの冷却は、衝突冷却により実施され得る。

【0018】

本明細書に示す本発明は、冷却されるべきターボ機械の流れ誘導アセンブリに対する衝突冷却の改善を可能にするための詳細に関する。

【0019】

図1～図3はそれぞれ、冷却されるべき流れ誘導アセンブリ10の領域における、およびインピンジメントグリル11の領域における本発明によるターボ機械の抜粋を示す。流れ誘導アセンブリ10は、第1の側12を備え、この第1の側12は、第1の媒体の流れを誘導する役割を果たし、この流れ誘導アセンブリ10は、例えば燃焼チャンバの壁部または高圧タービン段の可動ブレードのカバーセグメントの壁部であることが可能である。

【0020】

対向側に位置する第2の側13では、流れ誘導アセンブリ10は、第1の温度よりも低い第2の温度を有する第2の媒体の助けにより冷却可能である。この第2の媒体は、冷却されるべき流れ誘導アセンブリ10の第2の側13の方向へとインピンジメントグリル11を介して誘導または配向される。

【0021】

インピンジメントグリル11は、開口14を備え、第2の媒体は、冷却されるべきアセンブリ10の第2の側13の方向へとインピンジメントグリルの開口14を経由して流れる。冷却されるべきターボ機械の流れ誘導アセンブリ10の第2の側13と開口14を備えるインピンジメントグリル11との間に、間隙15が形成される。

【0022】

間隙15の幅Xは、流れ誘導アセンブリ10の第2の側13とインピンジメントグリル11との間の距離により規定される。

【0023】

図2および図3では、冷却されるべき流れ誘導アセンブリ10の第2の側13の方向へのインピンジメントグリル11の第2の媒体14の流れが、矢印16により視覚化される。矢印17は、間隙15から出る第2の媒体の排出流を視覚化している。

【0024】

本発明に関して、第2の媒体用の流れ誘導要素18、19は、インピンジメントグリル11の開口14の中の少なくとも1つの領域に、好ましくはインピンジメントグリル11の各開口14の領域に形成される。インピンジメントグリル11から始まり、各流れ誘導要素18または19は、冷却されるべき流れ誘導アセンブリ10の第2の側13の方向へと間隙15内まで延在し、各流れ誘導要素18、19は、好ましくは流れ誘導アセンブリ10の第2の側13から離間されて終端する。

【0025】

それぞれの流れ誘導要素18、19は、いわば流れ誘導通路23を画成し、この流れ誘導通路23は、冷却されるべき流れ誘導アセンブリ10の第2の側13の方向へとインピンジメントグリル11のそれぞれの流れ誘導開口14に続く。

【0026】

各流れ誘導要素18、19は、特にインピンジメントグリル11から始まる流れ誘導要素18、19が、間隙15の幅Xの最大80%だけ、特に好ましくは間隙15の幅Xの最大70%だけ間隙15内へと延在するように、その長さが寸法設定される。好ましくは、流れ誘導要素18、19の最小長さは、間隙15の幅Xの40%、特に好ましくは間隙15の幅Xの少なくとも50%である。

【0027】

図1～図3から明らかなように、流れ誘導要素18、19は、第2の媒体用の流れ誘導要素18、19が、間隙15から出る第2の媒体の排出流17の手前でそれぞれの流れ誘導要素18、19の領域内の開口14を通り退出する第2の媒体の流れを少なくとも部分的に覆うように形成される。この場合に、流れ誘導要素18、19は、様々に輪郭設定されることが可能であり、また流れ誘導要素は、異なる距離だけ間隙15内へと突出する様々な長さを有し得る、すなわちインピンジメントグリル11から始まり得る。

【0028】

図1、図2の流れ誘導要素18は、断面において円形またはパイプ状に輪郭設定される。

【0029】

図1、図3の流れ誘導要素19は、断面において半円形または半パイプ状に輪郭設定される。

【0030】

また、流れ誘導要素は、部分的円形、楕円形、半楕円形、部分的楕円形、または星形等に具現化され得る。

【0031】

図4、図5、および図6は、可能な流れ誘導要素20、21、および22のさらなるバージョンを示す。図6の流れ誘導要素22は、断面において円形またはパイプ状に輪郭設定された第1のセクション22aと、断面において半円形または半パイプ状に輪郭設定された第2のセクション22bとを有する。図1、図2、図3、および図6の流れ誘導要素18、19、および22はそれぞれ、インピンジメントグリル11に対して垂直に延在する。図4および図5の流れ誘導要素20、21はそれぞれ、垂直に対してインピンジメントグリル11へと傾斜されて延在する。

【0032】

図4で、インピンジメントグリル11中の開口14は、勾配をつけられ、流れ誘導要素20により画成された流れ誘導通路23内へといかなる段状部も有さずに合流するが、図5では、インピンジメントグリル11の開口14と流れ誘導要素21の流れ誘導通路23との間に段状部または偏向部が形成される。

【0033】

流れ誘導要素20、21、および22の他の詳細に関しては、流れ誘導要素18、19に関する説明を参照することができる。

【0034】

それぞれの流れ誘導要素18、19、20、21、22は、ノズルとして形成されるか、または少なくとも部分的にノズルを受けることが可能である。ノズルを形成する流れ誘導要素18、19、20、21、22の構造により、インピンジメントグリル11の開口14を経由して導通される第2の媒体の流れ16の流速は、上昇され得ることになり、その結果として衝突冷却がさらにより効果的にもたらされ得る。

【0035】

それぞれの流れ誘導要素18、19、20、21、22は、好ましくはインピンジメントグリル11の一体部分であり、積層造形法またはジェネレーティブ製造法によりインピンジメントグリル11上に構成され得る。しかし、それぞれの流れ誘導要素18、19、20、21、22は、別個のアセンブリとして具現化され、インピンジメントグリル11に連結されることも可能である。

【0036】

インピンジメントグリル11の開口14は、典型的には円形に輪郭設定される。本発明は、好ましくは、冷却されるべきアセンブリ10とインピンジメントグリル11との間の間隙15の幅Xがインピンジメントグリル11の開口14の直径の2倍を超えて大きい場合に適用される。この適用例では、本発明は、特に有利に利用され得る。しかし、本発明は、この好ましい適用例に限定されない。

【符号の説明】

【0037】

10 アセンブリ
11 インピンジメントグリル
12 第1の側
13 第2の側
14 開口
15 間隙
16 矢印
17 矢印
18 流れ誘導要素
19 流れ誘導要素
20 流れ誘導要素
21 流れ誘導要素
22 流れ誘導要素
23 通路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】