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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-09-05
(54)【発明の名称】サイクロン粒子分離器
(51)【国際特許分類】
B04C 3/06 20060101AFI20240829BHJP
F01D 9/02 20060101ALI20240829BHJP
F02C 7/18 20060101ALI20240829BHJP
F01D 25/00 20060101ALI20240829BHJP
【ＦＩ】
B04C3/06
F01D9/02 102
F02C7/18 A
F01D25/00 Q
【審査請求】有
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2024513273
(86)(22)【出願日】2021-09-09
(85)【翻訳文提出日】2024-04-25
(86)【国際出願番号】 US2021049555
(87)【国際公開番号】W WO2023038622
(87)【国際公開日】2023-03-16
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】515322297
【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ８， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(72)【発明者】
【氏名】ヴァンタッセル、ブラッド、ウィルソン
(72)【発明者】
【氏名】スナイダー、ザカリー、ジョン
【テーマコード（参考）】
3G202
4D053
【Ｆターム（参考）】
3G202GA08
3G202GB01
3G202JJ33
4D053AA03
4D053AB01
4D053BA01
4D053BA04
4D053BC01
4D053BD02
4D053CA04
4D053CA06
4D053CB04
4D053CB05
4D053CB13
4D053CC01
4D053CD13
(57)【要約】
【解決方法】サイクロン粒子分離器
【解決手段】
サイクロン粒子分離器は、複数の流入口を有する円筒形側壁を含むハウジングを含む。カバー部材は、円筒形側壁の第１の端部を塞ぎ、流出開口が画成された取付部材が円筒形側壁の第２の端部にある。１以上の粒子出口通路がハウジング内に画成される。複数の流入口の各々は、ハウジングの上流からのガス流を円筒形側壁に対して接線方向にハウジングに進入させるように方向付け、サイクロン渦を生じさせる角度の付いた流れ案内面を含む。サイクロン渦は、ガス流から粒子を分離するように作用する。
【選択図】図４
【解決手段】
サイクロン粒子分離器は、複数の流入口を有する円筒形側壁を含むハウジングを含む。カバー部材は、円筒形側壁の第１の端部を塞ぎ、流出開口が画成された取付部材が円筒形側壁の第２の端部にある。１以上の粒子出口通路がハウジング内に画成される。複数の流入口の各々は、ハウジングの上流からのガス流を円筒形側壁に対して接線方向にハウジングに進入させるように方向付け、サイクロン渦を生じさせる角度の付いた流れ案内面を含む。サイクロン渦は、ガス流から粒子を分離するように作用する。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
サイクロン粒子分離器であって、当該サイクロン粒子分離器が、ハウジングであって、複数の流入口が画成された円筒形側壁と、前記円筒形側壁の第１の端部を塞ぐカバー部材と、前記円筒形側壁の第２の端部の取付部材であって、流出開口が画成された取付部材とを含むハウジングと、
前記ハウジング内に画成された１以上の粒子出口通路と
を備えており、前記複数の流入口の各々が、前記ハウジングの上流からのガス流を前記円筒形側壁に対して接線方向に前記ハウジングに進入させ、前記ハウジング内にサイクロン渦を生じさせる角度のついた流れ案内面を含んでいる、サイクロン粒子分離器。
【請求項2】
前記円筒形側壁内に配置された環状体をさらに備えており、前記環状体が、前記円筒形側壁の内側と前記環状体との間にサイクロン分離チャンバを画成する、請求項１に記載のサイクロン粒子分離器。
【請求項3】
前記環状体が、前記カバー部材に近い小径端及び前記取付部材に近い大径端を有する、請求項２に記載のサイクロン粒子分離器。
【請求項4】
前記環状体が、前記カバー部材に近い小径端及び前記取付部材に近い大径端を有する配向した円錐台形状を有する、請求項３に記載のサイクロン粒子分離器。
【請求項5】
前記流出開口と前記環状体の大径端及び前記円筒形側壁の一方との間に延在する壁をさらに備えており、前記壁が、前記円筒形側壁と共に環状粒子トラップを画成しており、前記１以上の粒子出口通路が、前記環状粒子トラップと流体連通した第１の粒子出口通路を含んでいる、請求項３に記載のサイクロン粒子分離器。
【請求項6】
前記環状粒子トラップがトーラス形状を有する、請求項５に記載のサイクロン粒子分離器。
【請求項7】
前記１以上の粒子出口通路が、前記カバー部材に隣接して前記ハウジングの円筒形側壁に画成された第１の粒子出口通路と、前記取付部材に隣接して前記ハウジングの円筒形側壁に画成された第２の粒子出口通路とを含む、請求項１に記載のサイクロン粒子分離器。
【請求項8】
前記１以上の粒子出口通路が、前記取付部材に隣接した単一の粒子出口通路を含む、請求項１に記載のサイクロン粒子分離器。
【請求項9】
前記ハウジングが、前記取付部材によってタービン静翼の内側端壁及び外側端壁の一方に動作可能に取り付けられており、前記流出開口が、前記取付部材の壁に画成され、前記ハウジングの下流の前記タービン静翼の翼形部内部の冷却回路と流体連通している、請求項１に記載のサイクロン粒子分離器。
【請求項10】
タービン静翼であって、当該タービン静翼が、内側端壁と、
外側端壁と、
前記内側端壁と前記外側端壁とを連結する翼形部と、
サイクロン粒子分離器と
を備えており、前記サイクロン粒子分離器が、
ハウジングであって、複数の流入口が画成された円筒形側壁と、前記円筒形側壁の第１の端部を塞ぐカバー部材と、前記ハウジングを前記内側端壁及び前記外側端壁の一方に結合するように構成された前記円筒形側壁の第２の端部の取付部材であって、前記ハウジングの下流の前記翼形部内部の冷却回路と流体連通する流出開口が画成された取付部材とを含むハウジングと、
前記ハウジング内に画成された１以上の粒子出口通路と
を備えており、前記複数の流入口の各々が、前記ハウジングの上流からのガス流を前記円筒形側壁に対して接線方向に前記ハウジングに進入させ、前記ハウジング内にサイクロン渦を生じさせる角度のついた流れ案内面を含んでいる、タービン静翼。
【請求項11】
前記円筒形側壁内に配置された環状体をさらに備えており、前記環状体が、前記円筒形側壁の内側と前記環状体との間にサイクロン分離チャンバを画成する、請求項１０に記載のタービン静翼。
【請求項12】
前記環状体が、前記カバー部材に近い小径端及び前記取付部材に近い大径端を有する、請求項１１に記載のタービン静翼。
【請求項13】
前記環状体が、前記カバー部材に近い小径端及び前記取付部材に近い大径端を有する配向した円錐台形状を有する、請求項１２に記載のタービン静翼。
【請求項14】
前記流出開口と前記環状体の大径端及び前記円筒形側壁の一方との間に延在する環状壁をさらに備えており、前記環状壁が環状粒子トラップを画成しており、前記１以上の粒子出口通路が、前記環状粒子トラップと流体連通した第１の粒子出口通路を含む、請求項１２に記載のタービン静翼。
【請求項15】
前記環状粒子トラップがトーラス形状を有する、請求項１４に記載のタービン静翼。
【請求項16】
前記１以上の粒子出口通路が、前記カバー部材に隣接して前記円筒形側壁に画成された第１の粒子出口通路と、前記取付部材に隣接して前記円筒形側壁に画成された第２の粒子出口通路とを含む、請求項１０に記載のタービン静翼。
【請求項17】
タービンシステムであって、当該タービンシステムが、圧縮機と燃焼器とタービンとが互いに動作可能に結合されたエンジンコアであって、前記タービンが、複数の静翼を有するタービン段を含んでおり、前記タービン段の各静翼が、内側端壁と、外側端壁と、前記内側端壁と前記外側端壁とを連結する翼形部とを含んでいる、エンジンゴアと、
各静翼の内側端壁及び外側端壁の一方に取り付けられたサイクロン粒子分離器と
を備えており、前記サイクロン粒子分離器が、
ハウジングであって、複数の流入口が画成された円筒形側壁と、前記円筒形側壁の第１の端部を塞ぐカバー部材と、前記ハウジングを前記内側端壁及び前記外側端壁の一方に結合するように構成された前記円筒形側壁の第２の端部の取付部材であって、前記ハウジングの下流の前記翼形部内部の冷却回路と流体連通する流出開口が画成された取付部材とを含むハウジングと、
前記ハウジング内に画成された１以上の粒子出口通路と
を備えている、タービンシステム。
【請求項18】
前記サイクロン粒子分離器の円筒形側壁内に配置された環状体をさらに備えており、前記環状体が、前記円筒形側壁の内側と前記環状体との間にサイクロン分離チャンバを画成する、請求項１７に記載のタービンシステム。
【請求項19】
前記環状体が、前記カバー部材に近い小径端及び前記取付部材に近い大径端を有する、請求項１８に記載のタービンシステム。
【請求項20】
前記環状体が、前記カバー部材に近い小径端及び前記取付部材に近い大径端を有する配向した円錐台形状を有する、請求項１９に記載のタービンシステム。
【請求項21】
前記流出開口と前記環状体の大径端及び前記円筒形側壁の一方との間に延在する環状壁をさらに備えており、前記環状壁が環状粒子トラップを画成し、前記１以上の粒子出口通路が、前記環状粒子トラップと流体連通した第１の粒子出口通路を含む、請求項１９に記載のタービンシステム。
【請求項22】
前記１以上の粒子出口通路が、前記カバー部材に隣接して前記円筒形側壁に画成された第１の粒子出口通路と、前記取付部材に隣接して前記円筒形側壁に画成された第２の粒子出口通路とを含む、請求項１７に記載のタービンシステム。
【請求項23】
前記１以上の粒子出口通路を前記タービンの高温ガス経路に流体結合する導管をさらに備える、請求項１７に記載のタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、広義には粒子分離器に関し、さらに具体的には、複数の流入口が画成された円筒形の側壁を有するハウジングを含むサイクロン粒子分離器に関する。関連するタービン静翼及びタービンシステムも提供する。
【背景技術】
【0002】
広範な産業機械で、塵、埃、煤などの粒子を取り除く必要がある空気流が用いられている。浄化された空気流が用いられる産業機械として、ガスタービン（ＧＴ）システムのようなタービンシステムが挙げられる。ＧＴシステムでは、圧縮機からの空気流を燃焼目的及び冷却目的に用いる。例えば、空気流をＧＴシステムのタービン静翼又は動翼の翼形部の冷却回路に送って、静翼又は動翼を通過する高温燃焼ガスによる翼形部の過熱を防ぐことがある。冷却回路は、通例、翼形部内で複雑な経路を辿る非常に小さな冷却通路を多数含む。粒子は、冷却回路に入る前に除去しておかないと、冷却通路を詰まらせてしまうおそれがある。現在のアプローチでは、タービン静翼又は動翼の一体部分である様々な粒子分離器又はコレクタが用いられている。そのため、これらの分離器又はコレクタは、旧式のタービン静翼又は動翼に後付けすることができず、特定の静翼又は動翼用にカスタマイズすることもできない。
【0003】
遠心分離機又はサイクロン分離器は、従来から空気流の浄化に用いられている。これらの分離器は、ＧＴシステムのような繊細な産業機械での使用には、大きすぎ、また生じる圧力損失が大きすぎるので、適していない。流れを冷却に使用する場合、圧力損失が大きいため、分離器の下流での流れの冷却効果が制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】国際公開第２０２０／０６６２９４号
【発明の概要】
【0005】
以下に挙げるすべての態様、具体例及び特徴は、技術的に可能な方法で組合せることができる。
【0006】
本開示の一態様は、サイクロン粒子分離器を提供し、当該サイクロン粒子分離器は、ハウジングであって、複数の流入口が画成された円筒形側壁と、円筒形側壁の第１の端部を塞ぐカバー部材と、円筒形側壁の第２の端部の取付部材であって、流出開口が画成された取付部材とを含むハウジングと、ハウジング内に画成された１以上の粒子出口通路とを備えており、複数の流入口の各々は、ハウジングの上流からのガス流を円筒形側壁に対して接線方向にハウジングに進入させるように方向付け、サイクロン渦を生じさせる角度の付いた流れ案内面を含んでいる。
【0007】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、円筒形側壁内に配置された環状体をさらに含んでおり、環状体は、円筒形側壁の内側と環状体との間にサイクロン分離チャンバを画成する。
【0008】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、環状体は、カバー部材に近い小径端及び取付部材に近い大径端を有する。
【0009】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、環状体は、カバー部材に近い小径端及び取付部材に近い大径端を有する円錐台形状を有する。
【0010】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、流出開口と環状体の大径端及び円筒形側壁の一方との間に延在する壁をさらに含んでおり、壁は、円筒形側壁と共に環状粒子トラップを画成し、１以上の粒子出口通路は、環状粒子トラップと流体連通した第１の粒子出口通路を含む。
【0011】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、環状粒子トラップはトーラス形状を有する。
【0012】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、１以上の粒子出口通路は、カバー部材に隣接してハウジングの円筒形側壁に画成された第１の粒子出口通路と、取付部材に隣接してハウジングの円筒形側壁に画成された第２の粒子出口通路とを含む。
【0013】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、１以上の粒子出口通路は、取付部材に隣接した単一の粒子出口通路を含む。
【0014】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、ハウジングは、取付部材によってタービン静翼の内側端壁及び外側端壁の一方に動作可能に取り付けられ、流出開口は、取付部材の壁に画成され、ハウジングの下流のタービン静翼の翼形部内部の冷却回路と流体連通している。
【0015】
本開示の一態様は、タービン静翼に関し、当該タービン静翼は、内側端壁と、外側端壁と、内側端壁と外側端壁とを連結する翼形部と、サイクロン粒子分離器とを備えており、サイクロン粒子分離器は、ハウジングであって、複数の流入口が画成された円筒形側壁と、円筒形側壁の第１の端部を塞ぐカバー部材と、ハウジングを内側端壁及び外側端壁の一方に結合するように構成された円筒形側壁の第２の端部の取付部材であって、ハウジングの下流の翼形部内部の冷却回路と流体連通する流出開口が画成された取付部材とを含むハウジングと、ハウジング内に画成された１以上の粒子出口通路とを含んでおり、複数の流入口の各々は、ハウジングの上流からのガス流を円筒形側壁に対して接線方向にハウジングに進入させるように方向付け、サイクロン渦を生じさせる角度の付いた流れ案内面を含んでいる。
【0016】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、円筒形側壁内に配置された環状体をさらに含んでおり、環状体は、円筒形側壁の内側と環状体との間にサイクロン分離チャンバを画成する。
【0017】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、環状体は、カバー部材に近い小径端及び取付部材に近い大径端を有する。
【0018】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、環状体は、カバー部材に近い小径端及び取付部材に近い大径端を有する円錐台形状を有する。
【0019】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、流出開口と環状体の大径端及び円筒形側壁の一方との間に延在する壁をさらに含んでおり、環状壁は、環状粒子トラップを画成し、１以上の粒子出口通路は、環状粒子トラップと流体連通した第１の粒子出口通路を含む。
【0020】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、環状粒子トラップはトーラス形状を有する。
【0021】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、１以上の粒子出口通路は、カバー部材で塞がれた第１の端部に隣接した円筒形側壁に画成された第１の粒子出口通路と、取付部材に隣接して円筒形側壁に画成された第２の粒子出口通路とを含む。
【0022】
本開示の一態様は、タービンシステムを包含し、当該タービンシステムは、圧縮機と燃焼器とタービンとが互いに動作可能に結合されたエンジンコアであって、タービンが、一つのタービン段に複数の静翼を含んでおり、各静翼が、内側端壁と、外側端壁と、内側端壁と外側端壁とを連結する翼形部とを含む、エンジンコアと、各静翼の内側端壁及び外側端壁の一方に取り付けられたサイクロン粒子分離器であって、サイクロン粒子分離器が、ハウジングであって、複数の流入口が画成された円筒形側壁と、円筒形側壁の第１の端部を塞ぐカバー部材と、ハウジングを内側端壁及び外側端壁の一方に結合するように構成された円筒形側壁の第２の端部の取付部材であって、ハウジングの下流の翼形部内部の冷却回路と流体連通する流出開口が画成された取付部材とを含むハウジングと、ハウジング内に画成された１以上の粒子出口通路とを備える、サイクロン粒子分離器とを備える。
【0023】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、サイクロン粒子分離器の円筒形側壁内に配置された環状体をさらに含んでおり、環状体は、円筒形側壁の内側と環状体との間にサイクロン分離チャンバを画成する。
【0024】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、環状体は、カバー部材に近い小径端及び取付部材に近い大径端を有する。
【0025】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、環状体は、カバー部材に近い小径端及び取付部材に近い大径端を有する円錐台形状を有する。
【0026】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、流出開口と環状体の大径端及び円筒形側壁の一方との間に延在する環状壁をさらに含んでおり、環状壁は、環状粒子トラップを画成し、１以上の粒子出口通路は、環状粒子トラップと流体連通した第１の粒子出口通路を含む。
【0027】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、１以上の粒子出口通路は、カバー部材に隣接して円筒形側壁に画成された第１の粒子出口通路と、取付部材に隣接して円筒形側壁に画成された第２の粒子出口通路とを含む。
【0028】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、１以上の粒子出口通路をタービンの高温ガス経路に流体結合する導管をさらに含む。
【0029】
本開示の一態様は、サイクロン粒子分離器を包含し、当該サイクロン粒子分離器は、ハウジングであって、複数の流入口が画成されかつ第１の直径を有する円筒形側壁と、円筒形側壁の第１の端部を塞ぐカバー部材と、円筒形側壁の第２の端部の取付部材であって、第２の直径を有する流出開口が画成された取付部材とを含むハウジングと、ハウジング内に画成された１以上の粒子出口通路とを備えており、第１の直径と第２の直径との差は１２．５ｍｍを超える。
【0030】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、円筒形側壁に画成された１以上の粒子出口通路は０．７６ｍｍ以上の直径を有する。
【0031】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、１以上の粒子出口通路は、円筒形側壁に対して接線方向に延在する。
【0032】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、１以上の粒子出口通路は、ハウジングよりも圧力の低い位置まで延在する。
【0033】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、円筒形側壁の内環部の面積は、複数の流入口の面積の合計の少なくとも１．５倍である。
【0034】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、円筒形側壁内に配置された環状体をさらに含み、環状体は、円筒形側壁の内側と環状体との間に環状サイクロン分離チャンバを画成し、環状体の半径方向外端と円筒形側壁の内側との間の環状面積は、複数の流入口の面積の合計と少なくとも同じ大きさである。
【0035】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、環状体に画成された中央開口の面積は、複数の流入口の面積の合計と少なくとも同じ大きさである。
【0036】
本開示の一態様は、タービン静翼を包含し、当該タービン静翼は、内側端壁と、外側端壁と、内側端壁と外側端壁とを連結する翼形部と、内側端壁及び外側端壁の一方に取り付けられたサイクロン粒子分離器とを備えており、サイクロン粒子分離器は、ハウジングであって、複数の流入口が画成されかつ第１の直径を有する円筒形側壁と、円筒形側壁の第１の端部を塞ぐカバー部材と、ハウジングを内側端壁及び外側端壁の一方に結合するように構成された円筒形側壁の第２の端部の取付部材であって、ハウジングの下流の翼形部内部の冷却回路と流体連通する流出開口であって第２の直径を有する流出開口が画成された取付部材とを含むハウジングと、ハウジング内に画成された１以上の粒子出口通路とを備えており、第１の直径と第２の直径との差は１２．５ｍｍを超える。
【0037】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、円筒形側壁に画成された１以上の粒子出口通路は０．７６ｍｍ以上の直径を有する。
【0038】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、１以上の粒子出口通路は、円筒形側壁に対して接線方向に延在する。
【0039】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、１以上の粒子出口通路は、取付部材を貫通する。
【0040】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、円筒形側壁の内環部の面積は、複数の流入口の面積の合計の少なくとも１．５倍である。
【0041】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、円筒形側壁内に配置された環状体をさらに含み、環状体は、円筒形側壁の内側と環状体との間に環状サイクロン分離チャンバを画成し、環状体の半径方向外端と円筒形側壁の内側との間の環状面積は、複数の流入口の面積の合計と少なくとも同じ大きさである。
【0042】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、環状体に画成された中央開口の面積は、複数の流入口の面積の合計と少なくとも同じ大きさである。
【0043】
本開示の一態様は、ガスタービンシステムに関し、当該ガスタービンシステムは、圧縮機と燃焼器とタービンとが互いに動作可能に結合されたエンジンコアであって、タービンが、一つのタービン段に複数の静翼を含んでおり、タービン段の各静翼が、内側端壁と、外側端壁と、内側端壁と外側端壁とを連結する翼形部とを含む、エンジンコアと、各静翼の内側端壁及び外側端壁の一方に取り付けられたサイクロン粒子分離器であって、サイクロン粒子分離器が、ハウジングであって、複数の流入口が画成されかつ第１の直径を有する円筒形側壁と、円筒形側壁の第１の端部を塞ぐカバー部材と、ハウジングを内側端壁及び外側端壁の一方に結合するように構成された円筒形側壁の第２の端部の取付部材であって、ハウジングの下流の翼形部内部の冷却回路と流体連通する流出開口であって第２の直径を有する流出開口が画成された取付部材とを含むハウジングと、ハウジング内に画成された１以上の粒子出口通路とを備えているサイクロン粒子分離器とを備えており、第１の直径と第２の直径との差は１２．５ｍｍを超える。
【0044】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、円筒形側壁の内環部の面積は、複数の流入口の面積の合計の少なくとも１．５倍である。
【0045】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、サイクロン粒子分離器の円筒形側壁内に配置された環状体をさらに含んでおり、環状体は、円筒形側壁の内側と環状体との間に環状サイクロン分離チャンバを画成し、環状体の半径方向外端と円筒形側壁の内側との間の環状面積は、複数の流入口の面積の合計と少なくとも同じ大きさである。
【0046】
本開示の別の態様は、上述の態様のいずれかを包含し、環状体に画成された中央開口の面積は、複数の流入口の面積の合計と少なくとも同じ大きさである。
【0047】
この発明の概要の欄に記載した態様も含めて、本開示に記載した２以上の態様を組合せて、本明細書に具体的に記載されていない実施態様としてもよい。
【0048】
１以上の実施態様の詳細を、添付の図面及び以下の説明に記載する。その他の特徴、目的及び利点は、発明の詳細な説明、図面並びに特許請求の範囲から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【0049】
本開示の上記その他の特徴については、本開示の様々な実施形態について記載する添付図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができよう。
【図1】本開示の実施形態を用いることができる例示的なタービンシステムの概略図。
【図7】多数の代替的特徴を含む、サイクロン粒子分離器のハウジングの断面図。
【図8】本開示の他の実施形態に係るサイクロン粒子分離器及びタービン静翼の断面図。
【図9】本開示の実施形態に係る環状粒子トラップの拡大断面図。
【図10】本開示の他の実施形態に係る環状粒子トラップの拡大断面図。
【図11】本開示の他の実施形態に係るサイクロン粒子分離器及びタービン静翼の断面図。
【図12】本開示の追加の実施形態に係る２つのサイクロン粒子分離器及びタービン静翼の断面図。
【図13】説明のため複数の寸法を強調した分離器の拡大断面図。
【図14】本開示の他の実施形態に係るサイクロン粒子分離器の斜視図。
【0050】
なお、本開示の図面は必ずしも縮尺通りではない。図面は、本開示の典型的な態様を例示するものにすぎず、本開示の技術的範囲を限定するものではない。図面において、同様の符号は複数の図面間で同様の構成要素を表す。
【発明を実施するための形態】
【0051】
まず、本開示の主題を明確に説明するため、タービンシステムのようにサイクロン分離器を用いる産業機械内の関連する機械部品について言及及び説明する際に、用語を選択する必要がある。できるだけ、当技術分野で一般的な用語を、その通常の意味と一致するように用いる。別途記載されていない限り、かかる用語は、本願の文脈及び添付の特許請求の範囲に則して広義に解釈すべきである。ある部品について幾つかの異なる又は重複する用語を用いて言及することが多々あることは当業者には明らかであろう。本明細書において、単一の部材として記載したものであっても、別の文脈では複数の部品からなるものとして記載することもある。或いは、本明細書のある箇所で複数の部品を含むものとして記載したものであっても、別の箇所では単一の部材として記載することもある。
【0052】
さらに、本明細書では幾つかの記述的用語を繰返し用いるが、本欄の冒頭でこれらの用語を定義しておくと有用であろう。これらの用語及びその定義は、別途明記しない限り、以下の通りである。本明細書で用いる「下流」及び「上流」という用語は、流体の流れ（例えばタービンを通る作動流体の流れ、或いは燃焼器を通る空気又はタービンの部品系の１つを通る冷却剤の流れなど）に関する方向を示す用語である。「下流」という用語は流体が流れていく方向に対応し、「上流」という用語は流れと反対の方向（すなわち、流れて来る方向）をいう。「前方」及び「後方」という用語は、それ以上は特定されない方向をいい、「前方」はエンジンの前方又は圧縮機端を示し、「後方」はターボ機械の後方セクションを示す。
【0053】
中心軸に対して異なる半径方向位置に配置された部品について説明する必要が多々ある。「半径方向」という用語は、軸に垂直な運動又は位置をいう。例えば、第１の部品が第２の部品よりも軸に近い場合、本明細書では第１の部品は第２の部品の「半径方向内側」又は「中心軸近位側」と記載される。一方、第１の部品が第２の部品よりも軸から遠く位置する場合、本明細書では第１の部品は第２の部品の「半径方向外側」又は「中心軸遠位側」と記載される。「軸方向」という用語は、軸に平行な運動又は位置をいう。最後に、「周方向」という用語は、軸を中心とした運動又は位置をいう。自明であろうが、かかる用語は、ガスタービンの中心軸との関係で適用される。
【0054】
さらに、本明細書では、以下に記載する通り、幾つかの記述的用語を繰返し用いる。「第１」、「第２」及び「第３」という用語は、ある部品を他の部品と区別するために互換的に用いられ、個々の部品の位置又は重要性を示すものではない。
【0055】
本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明するためのものにすぎず、開示内容を限定するものではない。本明細書において、単数形で記載したものであっても、前後関係から別途明らかでない限り、複数の場合も含めて意味する。本明細書において、「備える」及び／又は「含む」という用語は、記載した特徴、整数、ステップ、操作、構成要素及び／又は部品が存在することを示し、他の１以上の特徴、整数、ステップ、操作、構成要素、部品及び／又はこれらの群の存在又は追加を除外するものではない。「任意」又は「適宜」という用語は、その用語に続いて記載された事象又は状況が起きても起きなくてもよいこと或いはその用語に続いて記載された部品又は構成要素が存在しても存在しなくてもよいことを意味しており、かかる記載はその事象又は状況が起こる場合と起こらない場合並びにその部品が存在する場合と存在しない場合とを包含する。
【0056】
ある構成要素又は層が別の構成要素又は層「の上」、「に係合」、「に接続」又は「に結合」しているという場合、その別の構成要素又は層の上に直接位置していても、その別の構成要素又は層に直接係合、接続又は結合していてもよいし、或いは介在する構成要素又は層が存在していてもよい。対照的に、ある構成要素が別の構成要素又は層「の直接上」、「に直接係合」、「に直接接続」又は「に直接結合」しているという場合、介在する構成要素又は層は存在しない。構成要素間の関係について説明するために用いられる他の用語（例えば、「～の間」と「直接～の間」、「隣接」と「直接隣接」など）も同様に解釈される。本明細書で用いる「及び／又は」という用語は、記載されたものの１以上のあらゆるすべての組合せを包含する。
【0057】
上述の通り、本開示は、サイクロン粒子分離器を提供する。サイクロン粒子分離器は、複数の流入口が画成された円筒形側壁を含むハウジングを含む。ハウジングは、円筒形側壁の第１の端部を塞ぐカバー部材、及び円筒形側壁の第２の端部の取付部材も含む。取付部材には、流出開口が画成される。１以上の粒子出口通路がハウジング内に画成される。複数の流入口の各々は、ハウジングの上流からのガス流を円筒形側壁に対して接線方向にハウジングに進入させるように方向付け、サイクロン渦を生じさせる角度の付いた流れ案内面を含む。サイクロン渦は、ガス流から粒子を分離するように作用する。
【0058】
ある実施形態では、円筒形側壁は第１の直径を有し、流出開口は第２の直径を有し、第１の直径と第２の直径との差は１２．５ｍｍ（約０．５インチ）を超える。サイクロン粒子分離器は、清浄なガス流が必要とされるほぼあらゆる産業機械に用いることができるが、本願ではタービンシステムのタービン静翼に応用されるものについて説明する。サイクロン粒子分離器は、タービン静翼の端壁のような小さな領域に適用するための小さいプロファイルを与える。本明細書に記載の他の構造の中でも、特に円筒形側壁の流入口は、圧縮ガス流の後段での（例えば分離器の下流のタービン静翼の冷却回路での冷却のための）使用に悪影響を与えるような著しい圧力損失を伴わずに、粒子分離を可能にする。
【0059】
図１は、ガスタービン（ＧＴ）システムの形態の例示的なタービンシステム１００の概略図である。タービンシステム１００は、圧縮機１０２と燃焼器１０４とタービン１０８とが互いに動作可能に結合されたエンジンコア１０１を含む。燃焼器１０４は、燃焼領域１０５及び燃料ノズルアセンブリ１０６を含む。タービンシステム１００は、共通の圧縮機／タービンシャフト１１０（「ロータ１１０」ともいう。）も含んでいる。一実施形態では、タービンシステム１００は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社（米国サウスカロライナ州グリーンビル）から市販の７ＨＡ．０３エンジンである。本開示は、いかなる特定のＧＴシステムに限定されるものではなく、例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社の他のＨＡ、Ｆ、Ｂ、ＬＭ、ＧＴ、ＴＭ及びＥクラスエンジンモデル、並びに他社のエンジンモデルを含始めとする、他のタービンエンジンに関しても使用し得る。上述の通り、本願に記載のサイクロン粒子分離器は、タービンシステム以外の様々な産業機械にも使用できる。タービンシステムでは、サイクロン粒子分離器で浄化されるガスは空気であるが、他の産業機械ではガスは空気以外のものであってもよい。
【0060】
図２は、図１のタービンシステム１００で使用し得る３段の動翼及びノズルを備える例示的なタービン１０８の断面図である。タービン１０８に含まれる段の数は、図に示すものよりも多くても少なくてもよい。タービン１０８は、一つのタービン段に（頁面の内側及び外側に）配置された複数の静翼１１２を含む。各静翼１１２は、（半径方向）外側端壁１１４と、（半径方向）内側端壁１１６と、外側端壁１１４と内側端壁１１６とを連結する翼形部１２０とを含む。静翼１１２は、外側端壁１１４によってタービン１０８のケーシング１２２内に保持される。自明であろうが、圧縮ガス（空気）流１２４は、圧縮機１０２（図１）からケーシング１２２を通って、静翼１１２内の冷却回路（図２には図示せず）に入り、静翼を冷却する。タービン１０８は、（頁面の内側及び外側に）複数の動翼１２３も含んでおり、動翼１２３は、隣接する上流の静翼１１２と共に一つのタービン段を画成する。各動翼１２３は、ロータ１１０に結合される基部１２５と、基部１２５から延在する翼形部１２７とを含む。自明であろうが、圧縮空気流１２９は、圧縮機１０２（図１）から基部１２５を通って、動翼１２３内の冷却回路（図２には図示せず）に入り、動翼を冷却する。
【0061】
図１及び図２を参照すると、運転中、空気が圧縮機１０２を流れ、圧縮空気が燃焼器１０４に供給される。具体的には、圧縮空気は、燃焼器１０４に内蔵された燃料ノズルアセンブリ１０６に供給される。燃料ノズルアセンブリ１０６は燃焼領域１０５と流体連通している。燃料ノズルアセンブリ１０６は燃料源（図１には図示せず）とも流体連通しており、燃料及び空気を燃焼領域１０５に導く。燃焼器１０４は、燃料を着火して燃焼させ、燃焼ガスを生成する。燃焼器１０４はタービン１０８と流体連通しており、ガス流の熱エネルギーはタービン１０８の高温ガス経路１８０を通って機械的回転エネルギーへと変換される。タービン１０８は、ロータ１１０に回転可能に結合しており、ロータ１１０を駆動する。静翼１１２によって導かれる燃焼ガスは、動翼１２３及びロータ１１０を回転させる。圧縮機１０２も、シャフト１１０と回転可能に結合していてもよい。例示した実施形態では、複数の燃焼器１０４及び燃料ノズルアセンブリ１０６が存在する。
【0062】
図３は、その外端壁１１４にサイクロン粒子分離器１２６（以下「分離器１２６」という）を含む１個の例示的な静翼１１２の斜視図を示す。ある実施形態では、分離器１２６は、タービンシステム１００の１以上の静翼１１２の内側端壁１１６（図１１参照）及び外側端壁１１４（図３）の一方に取り付けることができる。図１２に示す別の実施形態では、分離器１２６は、タービンシステム１００の１以上の静翼１１２の内側端壁１１６及び外側端壁１１４の両方に取り付けることができる。説明のため、図４は、タービン静翼１１２の外側端壁１１４上の分離器１２６の断面図を示す。図５は、外側端壁１１４上の分離器１２６の部分断面図を示す。
【0063】
分離器１２６は、ハウジング１３０を含む。図４及び図５に最も明瞭に示されているように、ハウジング１３０は、複数の流入口１３４が画成された円筒形側壁１３２を含む。ガス流１２４（例えば、図２参照）は、円筒形ハウジング１３２の外側から（例えばケーシング１２２（図２）の内側から）流入口１３４を通って円筒形ハウジング１３２の内部に流れる。ハウジング１３０は、円筒形側壁１３２の第１の端部１３８を塞ぐカバー部材１３６を含む。ハウジング１３０は、円筒形側壁１３２の第２の端部１４２に取付部材１４０も含んでいる。
【0064】
ハウジング１３０は、使用環境に耐えることができる材料で作ることができる。円筒形側壁１３２は、真円筒形からの僅かなずれを有していてもよいが、複数の流入口１３４（単に「流入口１３４」ともいう）を通って入るガス流１２４のサイクロン渦１７０（図６）を生じさせるのに十分な湾曲を有する。流入口１３４は様々に配置し得る。図４では、１列の流入口１３４が円筒壁１３２の高さＨｓの大半に延在している。図１３に示す別の例では、流入口１３４は、半径方向に離間した一対の列２３０Ａ，２３０Ｂに配置されている。流入口１３４の種々異なる配置も可能である。
【0065】
カバー部材１３６は、円筒形側壁１３２の第１の端部１３８を流体閉塞することができるいかなる構造部材であってもよい。図に示す例では、カバー部材１３６は、円筒形側壁１３２の第１の端部に結合した平板である。しかし、他の実施形態では、カバー部材１３６は、粒子分離及び／又は圧力損失を改善するため、円筒形側壁１３２内で形成されたサイクロン渦１７０（図６）に好影響を与えるように構成された内面（図示せず）を有していてもよい。
【0066】
取付部材１４０は、ハウジング１３０を出る浄化されたガス流１４４（図４）（例えば空気）が後段での用途（例えばタービン静翼１１２の翼形部１２０内の冷却回路１４８（図４）など）と流体連通するように、ハウジング１３０を例えば外側端壁１１４に流体結合することができる構造を含むことができる。図示した非限定的な例では、取付部材１４０は、壁１５０（例えば、プレート要素）と、外側端壁１１４と結合してマニホールド１５４を形成するための任意の数の連結壁１５２（図５）とを含む。取付部材１４０は、分離器１２６が結合される構造に応じて多種多様な形態を取り得る。いずれにせよ、取付部材１４０は、取付部材（例えば取付部材１４０の壁１５０，１５２）を貫通して画成された流出開口１６０を含む。流出開口１６０は、マニホールド１５４を介して、例えば翼形部１２０（及び場合によっては外側端壁１１４）内の１以上の開口１５６と流体連通しており、流出開口１６０を通過する浄化ガス流１４４（空気）が少なくとも翼形部１２０内の冷却回路１４８に入る。翼形部１２０及び／又は外側端壁１１４内の冷却回路１４８は、現在公知の又は将来開発される任意の形態を取り得るが、典型的には、マニホールド１５４と流体連通した外側端壁１１４内の１以上の開口１５６を含んでいて、浄化ガス流１４４は開口１５６に入ることができる。
【0067】
図６は、分離器１２６の断面図、特に図４のハウジング１３０の６－６矢視図を示す。図６は、複数の流入口１３４の各々が、ハウジング１３０の上流からのガス流１２４（矢印）を円筒形側壁１３２に対して接線方向にハウジング１３０に進入させるように方向付け、サイクロン渦１７０を生じさせる角度の付いた流れ案内面１６６を含んでいることを示す。タービンシステム１００（図１）の用途では、ガス流１２４は、圧縮機１０２（図１）からの圧縮空気を含んいるが、他の用途では他のガスを含んでいてもよい。以下で説明する通り、分離器１２６の特徴は、最小限の圧力損失でガス流１２４から粒子を効率的に分離するため、サイクロン渦１７０の効率及び他の作動態様を最適化するために選択することができる。
【0068】
図４及び図５に最も明瞭に示されているように、分離器１２６は、ハウジング１３０内に画成された１以上の粒子出口通路１７６も含んでおり、ガス流１２４からサイクロン渦１７０によって分離された粒子は粒子出口通路１７６を通してハウジング１３０から排出される。こうして、１以上の出口通路１７６は、浄化されたガス流１４４（図４）の使用に先立って、ハウジング１３０から粒子が離れるための経路を提供する。１以上の粒子出口通路１７６は、サイクロン渦１７０からの粒子運動量が妨げられないように、円筒形側壁１３２に対して接線方向に延在する。任意の数の出口通路１７６を用いることができる。図４及び図５では、単一の出口通路１７６が示してあり、この出口通路１７６は、必須ではないものの、好ましくは取付部材１４０に隣接して配置される。
【0069】
図７は、多数の代替的特徴を含むハウジング１３０の断面図を示す。例えば、他の実施形態では、図７に示すように、ハウジング１３０は、カバー部材１３６に隣接してハウジング１３０の円筒形側壁１３２に画成された第１の粒子出口通路１７６Ａ（破線で示す）、取付部材１４０に隣接してハウジング１３０の円筒形側壁１３２に画成された第２の粒子出口通路１７６Ｂ（部分的に破線で示す）を含んでいてもよい。１以上の出口通路１７６は、ガス流１２４（図４）から粒子を除去するため、ハウジング１３０よりも圧力の低い所望の位置に粒子を案内し得る。例えば実施形態では、図５に示すように、１以上の粒子出口通路１７６は、タービン１０８（図１）の高温ガス経路１８０（図２～図５）に粒子を案内し得る。この場合、１以上の出口通路１７６は、取付部材１４０（例えば取付部材１４０の壁１５０）を貫通し、例えば外側端壁１１４を通って高温ガス経路１８０へとつながる経路を形成し得る。こうして、粒子はガス流１２４から除去され、高温ガス経路１８０を介して除去される。他の実施形態では、１以上の出口通路１７６は、粒子を捕集キャビティ（図示せず）に案内し得る。
【0070】
図８は、本開示の他の実施形態に係る分離器１２６及びタービン静翼１１２の断面図である。ある実施形態では、図７及び図８に示すように、１以上の分離器１２６は、円筒形側壁１３２内に位置する環状体１９０を含んでいてもよい。換言すると、環状体１９０は、タービンシステム１００（図１）の複数の分離器１２６の１以上の分離器の円筒形側壁１３２内に位置し得る。環状体１９０は、円筒形側壁１３２の内側１９４と環状体１９０の外側１９６との間にサイクロン分離チャンバ１９２を画成する。環状体１９０は、環状体１９０の内径１９７と取付部材１４０との間にサイクロン分離チャンバ１９５も画成する。環状体１９０は、略円形であるが、真円からの僅かなずれを有していてもよく、例えば楕円形であってもよい。
【0071】
環状体１９０は、多くの方法で配置し得る。一例では、環状体１９０は、円筒形側壁１３２の第２の端部１４２の近傍で円筒形側壁１３２に結合され、それらは互いに結合されるか或いは一体部材として形成される。ただし、他の位置構成も可能である。例えば、別の配置（図示せず）では、環状体１９０は、取付部材１４０及び／又はカバー部材１３６と結合又は一体に形成し得る。環状体１９０は、カスタマイズされたサイクロン分離チャンバ１９２及び／又はサイクロン分離チャンバ１９５が得られる寸法及び形状とすることができ、その寸法及び形状は、各々、著しい圧力損失を伴わずに粒子の除去が効率的に改善されるように働く。環状体１９０は、タービンシステム１００（図１）の特定の分離器１２６の円筒形側壁１３２内に配置し得る。ある非限定的な例では、分離器１２６は、タービン１０８（図１）の下半分にあるタービン静翼１１２に設けることができる。ただし、環状体１９０は、いかなる所望の分離器１２６に用いてもよい。
【0072】
一実施形態では、環状体１９０は、カバー部材１３６に近接した小径端２００と取付部材１４０に近接した大径端２０２とを有する。分離器１２６を外側端壁１１４に結合した場合、小径端２００はロータ１１０（図２）に対して半径方向外側であり、大径端２０２は半径方向内側である。環状体１９０は、小径端２００に中央開口２０６を画成する。ある実施形態では、中央開口２０６は、流出開口１６０の直径Ｄｃｏｏｌ（図１３）よりも僅かに大きい直径Ｄｃｏｎｅ（図１３）を有する。ただし、これはすべての事例で必須というわけではない。一実施形態では、例えば図８に示すように、環状体１９０は、カバー部材１３６に近い小径端２００及び取付部材１４０に近い大径端２０２を有する円錐台形状を有する。ここでは、環状体１９０は概して大径端２０２から小径端２００まで断面が直線的な壁（すなわち、一定の傾斜を有する壁）を有する。対照的に、図７に示すように、環状体１９０は、断面が湾曲した壁を有する（すなわち火山状の形状を生じる）略円錐台形状を有していてもよく、カバー部材１３６に近接した小径端２００上の点と、取付部材１４０に近接した大径端２０２上の対応点との間に画成される線は、凸曲線を画成する。換言すると、環状体１９０の断面直径は、第１の傾きを有する部分と、第１の傾きとは異なる第２の傾きを有する部分とがつながっている。環状体１９０は、流れを半径方向外側に送り、次いで壁を越えて半径方向内側に送る任意の形状、例えばＬ字形を有することができる。
【0073】
図７を続けて参照すると、ある実施形態では、分離器１２６は、流出開口１６０と環状体１９０の大径端２０２及びハウジング１３０の円筒形側壁１３２の一方との間に延在する環状壁２１０を含んでいてもよい。環状壁２１０は、略円形であるが、真円からの僅かなずれを有していて（例えば楕円形であって）もよく、ある程度の不連続性を有していてもよい。壁２１０は、円筒形側壁１３２又は環状体１９０の大径端２０２と共に環状粒子トラップ２１２を画成する。図９及び図１０は、ハウジング１３０及び壁２１０の拡大断面図を示す。図７及び図９では、壁２１０は、流出開口１６０とハウジング１３０の円筒形側壁１３２との間に延在している。この場合、環状体１９０の大径端２０２は、壁２１０の上方にあり、流出開口１６０と円筒形側壁１３２との間に介在していない。サイクロン分離チャンバ１９２は、環状粒子トラップ２１２の上方（半径方向外側）にある。或いは、図１０に示すように、壁２１０は、流出開口１６０と環状体１９０の大径端２０２との間に延在していてもよく、円筒形側壁１３２は壁２１０のすぐ隣りにはない。本実施形態では、サイクロン分離チャンバ１９２は環状粒子トラップ２１２に隣接している。いずれにせよ、壁２１０は、円筒形側壁１３２又は環状体１９０の大径端２０２と共に環状粒子トラップ２１２を画成する。環状粒子トラップ２１２は、サイクロン流から粒子を捕集し、それらを粒子出口通路１７６へと導くように作用する。
【0074】
１以上の粒子出口通路１７６は、環状粒子トラップ２１２と流体連通していてもよい。図９は、単一の粒子出口通路１７６（環状粒子トラップ２１２内の破線）を示す。ある実施形態では、図７に示すように、１以上の粒子出口通路１７６Ｂは環状粒子トラップ２１２と流体連通していてもよく、１以上の他の粒子出口通路１７６Ａは、ハウジング１３０の円筒形側壁１３２にカバー部材１３６に隣接して画成し得る。
【0075】
壁２１０は、所望の形状の環状粒子トラップ２１２を生じる任意の形状を有し得る。一例では、図７及び図１０に示すように、壁２１０は外側に湾曲した面２１４を有しており、環状体１９０の大径端２０２又は円筒形側壁１３２の合わせ面２１６と共に、トーラス形状の粒子トラップ２１２を生じる。他の形状の環状粒子トラップ２１２も可能であり、例えば三角形又は矩形断面のトーラスであってもよい。
【0076】
上述の通り、一実施形態では、分離器１２６のハウジング１３０は、取付部材１４０によってタービン静翼１１２の外側端壁１１４に動作可能に取り付けることができる。図１１に示すように、別の実施形態では、分離器１２６のハウジング１３０は、取付部材１４０によってタービン静翼１１２の内側端壁１１６に動作可能に取り付けることができる。流出開口１６０は、取付部材１４０の壁１５０及び／又は１５２に画成され、円筒形側壁１３２の下流のタービン静翼１１２の翼形部１２０内部の冷却回路１４８と流体連通している。図１２に示すように、別の実施形態では、分離器１２６のハウジング１３０は、それぞれの取付部材１４０によってタービン静翼１１２の外側端壁１１４及び内側端壁１１６の各々に動作可能に取り付けることができる。各分離器１２６の流出開口１６０は、その取付部材１４０の壁１５０及び／又は１５２に画成され、円筒形側壁１３２の下流のタービン静翼１１２の翼形部１２０内部の冷却回路１４８と流体連通している。清浄なガス流１４４が、タービン静翼１１２の翼形部１２０の両端に供給される。
【0077】
運転中、圧縮機１０２（図１）からの空気のような圧縮ガス流１２４が、分離器１２６の円筒形側壁１３２内の流入口１３４に入る。ガス流１２４は、例えばタービン静翼１１２の冷却回路１４８での効率的使用には大きすぎる粒子及び除去すべき粒子を含んでいる。流入口１３４の流れ案内面１６６は、ガス流１２４を円筒形側壁１３２に対して接線方向に方向付けて、環状体１９０（設けられる場合）の中央開口２０６及び流出開口１６０に導き、サイクロン渦１７０を発生させる。ガス流１２４に含まれる粒子は、円筒形側壁１３２の内側１９４に向かう遠心力によって外側に押し出され、粒子は、１以上の粒子出口通路１７６を通して排出される。浄化されたガス流１４４は、円筒形側壁１３２の第２の端部１４２で内側に移動し、流出開口１６０から排出されて例えばタービン静翼１１２の翼形部１２０内の冷却回路１４８に送られる。環状体１９０が設けられる場合、環状体１９０は、円筒形側壁１３２内部で、流れを半径方向外側にかつ環状体１９０を超えて移動させる中空流れ偏向特徴として作用する。環状体１９０は、このように、粒子が移動する流路を延長させ、流入口１３４から流出開口１６０までの視線を制限し、空力的抗力によって粒子を周方向に加速させて、流れからの粒子の分離をもたらす遠心慣性力を増大させる。サイクロン流は、環状体１９０の第１の半径方向外端２００を越えて、半径方向外端２００の中央開口２０６を通り、次いで円筒形側壁１３２の第２の端部１４２に向かって外側に進む。粒子は、このようにして、円筒形側壁１３２の第２の端部１４２の近傍で円筒形側壁１３２の外側に遠心分離される。１以上の粒子出口通路１７６は、例えば流れを妨げないように接線方向の、粒子の除去を可能にする。浄化ガス流１４４は、流出開口１６０を通って出る。
【0078】
図１３は、分離器１２６の拡大断面図を示し、説明のため分離器１２６の多数の寸法が強調されている。上述の通り、分離器１２６は、複数の流入口１３４が画成された円筒形側壁１３２と、円筒形側壁１３２の第１の端部１３８を塞ぐカバー部材１３６と、円筒形側壁１３２の第２の端部１４２の取付部材１４０とを含むハウジング１３０を含む。流出開口１６０は、取付部材１４０（例えばその壁１５０）に画成し得る。１以上の粒子出口通路１７６がハウジング１３０内に画成される。分離器１２６の特定の寸法を制御することは、粒子分離効率の至適化及び圧力損失の抑制に関して利点をもたらすことができる。
【0079】
図１３に示すように、円筒形側壁１３２は直径Ｄｓｅｐを有し、流出開口１６０は直径Ｄｃｏｏｌを有する。低い圧力損失で効率的な粒子分離をもたらすため、分離器１２６の１次元態様は、直径Ｄｓｅｐと直径Ｄｃｏｏｌとの差が１２．５ｍｍ（約０．５インチ）を超えるように制御することである。一実施形態では、その差は２５ｍｍ（約１．０インチ）超とすることができる。別の実施形態では、その差は、３７．５ｍｍ（約１．５インチ）超とすることができる。一般に、直径Ｄｓｅｐと直径Ｄｃｏｏｌの差が大きいほど、サイクロン渦１７０内で粒子が加速され、円筒形側壁１３２及び出口通路１７６に向かって半径方向に外側に移動する時間が増える。流出開口１６０の直径Ｄｃｏｏｌは、冷却回路１４８に必要とされる浄化ガス流１４４の量及び許容圧力損失に基づいて決定することができる。様々な実施形態では、円筒形側壁１３２の直径Ｄｓｅｐは、流出開口１６０の直径Ｄｃｏｏｌよりも格段に大きく、２倍を超える大きさである。
【0080】
分離器１２６の直径Ｄｓｅｐ及びＤｃｏｏｌ及び高さＨｓを許容設計範囲内で最大にすることも有利である。直径Ｄｓｅｐ及び高さＨｓは、流入口１３４の面積を含めた円筒形側壁１３２の内側１９４（内面）の面積（すなわち円筒面積）である内環部面積Ａａｎｎの成分である。換言すると、内環部面積Ａａｎｎが大きいほど、サイクロン渦１７０の周方向速度成分はサイクロン渦１７０の半径方向速度成分に比較して大きくなり、粒子分離効率が高まる。したがって、内環部面積Ａａｎｎが大きいと、圧力損失を最小限に抑制しながら、分離効率に有益な影響を与える。一例では、粒子の７５％以上が除去され、例えば、翼形部１２０及び他の構造における冷却回路１４８の耐久性が４倍増加する。
【0081】
複数の流入口１３４の面積の合計（Ａｖｅｎｔ）を制御することも、粒子分離効率に有益な影響を与えることができる。一実施形態では、内環部面積Ａａｎｎは、流入口１３４の面積Ａｖｅｎｔの合計の少なくとも１．５倍である。一実施形態では、内環部面積Ａａｎｎは、流入口１３４の面積Ａｖｅｎｔの合計の少なくとも２．０倍である。流入口１３４の高さＨｖｅｎｔも理想的には許容ハウジング高さＨｓ内で最大化され、環状体１９０（設けられる場合）、１以上の出口通路１７６及び必要とされる相互接続構造（例えば取付部材１４０の壁１５２（図５））のための空間をもたらす。流入口１３４の数、個々の高さＨｐｏｒｔ、幅Ｗ及び偏心オフセット（流れ案内面１６６（図６）の角度）は、用途に固有の必要な流れ面積に基づくことができる。さらに、図６に示すように、これらのパラメータは、好ましくは、円筒形側壁１３２に対して接線方向の流れを生じさせ、かつ強い円周速度成分を有するサイクロン渦１７０を生じさせるために、流出開口１６０に対するガス流１２４の視線を軽減するように制御することができる。
【0082】
１以上の粒子出口通路１７６の寸法及び配向を制御することも、効率的な粒子分離に役立ち得る。これに関して、一実施形態では、円筒形側壁１３２に画成される１以上の粒子出口通路は、各々０．７６ｍｍ（約０．０３０インチ）以上の直径Ｄｅｘｉｔを有する。ある非限定的な例では、円筒形側壁１３２に画成される１以上の粒子出口通路１７６は、各々５．５９ｍｍ（約０．２２インチ）以上の直径Ｄｅｘｉｔを有する。
【0083】
環状体１９０が円筒形側壁１３２内に配置されて、円筒形側壁１３２の内側１９４と環状体１９０の外側１９６との間に環状サイクロン分離チャンバ１９２を画成する実施形態では、分離器１２６の特定の寸法を、分離器１２６を通しての圧力損失がさらに抑制されるように設計することができる。例えば、一実施形態では、環状体１９０の半径方向外端２００と円筒形側壁１３２の内側１９４との間の環状面積Ａ１は、流入口１３４の面積Ａｖｅｎｔの合計と少なくとも同じ大きさにすることができる。ある非限定的な例では、環状面積Ａ１は、流入口１３４の面積Ａｖｅｎｔの合計の４倍とすることができる。環状面積Ａ１は、サイクロン分離チャンバ１９２のサイズを制御し、それによって生じる圧力損失を制御する。別の例として、ある実施形態では、環状体１９０の半径方向外端２００とカバー部材１３６の内側２３２との間の半径方向面積Ａ２（円筒面積）は、流入口１３４の面積Ａｖｅｎｔの合計と少なくとも同じ大きさにすることができる。ある非限定的な例では、半径方向面積Ａ２は、流入口１３４の面積Ａｖｅｎｔの合計の４～６倍とすることができる。半径方向面積Ａ２は、サイクロン分離チャンバ１９２の半径方向範囲を制御するので、この面積の制御は、サイクロン渦１７０が半径方向に延在できる範囲と、この空間による許容圧力損失を制御する。別の例として、ある実施形態では、環状体１９０（すなわち半径方向外端２００に）に画成される中央開口２０６の面積Ａ３は、流入口１３４の面積Ａｖｅｎｔの合計と少なくとも同じ大きさである。ある非限定的な例では、面積Ａ３は、流入口１３４の面積Ａｖｅｎｔの合計の４倍とすることができる。面積Ａ３は、環状体１９０の中央開口２０６の寸法であり、分離器１２６において中央開口２０６によって生じる圧力損失を制御する。
【0084】
図１４は、本開示の他の実施形態に係る分離器１２６の斜視図である。本例では、分離器１２６は、図４～図１３に示すものよりも外側端壁１１４の半径方向外側に大きく延在している。取付部材１４０は、流出開口（図示せず、内壁１５０）からの延長導管２４０を含む。壁１５０は外側端壁１１４のすぐ隣にはないので、粒子出口通路１７６は、外側端壁１１４に届く専用導管２４２を有する。上述の通り、取付部材１４０は、様々な配置及び用途での分離器１２６の使用に対応するために様々な形態を取り得る。
【0085】
分離器１２６は、現在公知の又は将来開発される任意の技術を用いて製造し得る。好適には、分離器１２６は、例えば直接金属レーザー溶融（ＤＭＬＭ）技術を用いて、積層造形することができる。
【0086】
本開示の実施形態は、夾雑物を最小限に抑制し、例えばタービン静翼１１２（図３）又はタービン動翼１２３（図１４）のメンテナンスコストを低減し、寿命を延ばし、信頼性及び耐久性を高めることができるサイクロン粒子分離器１２６を提供する。分離器１２６は、好適には、旧式の静翼及び動翼にも簡単に後付けしてその寿命を延ばすことができる。分離器１２６のサイズは、限定されるものではないが、ガスタービンシステム１００のような多くの産業機械におけるタイトな間隔に収まるようなものである。
【0087】
本明細書及び特許請求の範囲で用いる近似表現は、数量の修飾語であって、その数量が関係する基本機能に変化をもたらさない許容範囲内で変動し得る数量を表すために適用される。したがって、「約」、「略」及び「実質的に」のような用語で修飾された値はその厳密な数値に限定されない。場合によっては、近似表現は、その値を測定する機器の精度に対応する。本明細書及び特許請求の範囲において、数値限定の範囲は互いに結合及び／又は交換可能であり、かかる範囲は、前後関係等から別途明らかでない限り、その範囲に含まれるあらゆる部分範囲を特定しかつ包含する。範囲の特定の値に用いられる「約」は、上下限に適用され、その値を測定する機器の精度に依存する場合を除いて、記載された数値の±１０％を示すことがある。
【0088】
以下の特許請求の範囲において機能的記載によって特定された構成要素の対応する構造、材料、行為及び均等物は、特許請求の範囲に具体的に記載された他の構成要素と組合せて機能を発揮するあらゆる構造、材料又は行為を包含する。本開示の記載は、例示及び説明を目的としたものであり、網羅的なものでもなければ、開示された形態に限定するものでもない。本開示の技術的範囲及び技術的思想から逸脱せずに、数多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。本開示の実施形態は、本開示の原理及び実用的用途の説明として最も適しかつ当業者が様々な実施形態に関する開示内容及び特定の用途に適した様々な修正について理解できるように、選択して記載したものである。
【符号の説明】
【0089】
１００ タービンシステム
１０１ エンジンコア
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０８ タービン
１１２ 静翼
１１４ 外側端壁
１１６ 内側端壁
１２０ 翼形部
１２３ 動翼
１２４ ガス流
１２６ サイクロン粒子分離器
１３０ ハウジング
１３２ 円筒形側壁
１３４ 流入口
１３６ カバー部材
１４０ 取付部材
１４４ 浄化ガス流
１４８ 冷却回路
１５４ マニホールド
１６０ 流出開口
１６６ 流れ案内面
１７０ サイクロン渦
１７６ 粒子出口通路
１９０ 環状体
１９２ サイクロン分離チャンバ
１９５ サイクロン分離チャンバ
１０１ エンジンコア
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０８ タービン
１１２ 静翼
１１４ 外側端壁
１１６ 内側端壁
１２０ 翼形部
１２３ 動翼
１２４ ガス流
１２６ サイクロン粒子分離器
１３０ ハウジング
１３２ 円筒形側壁
１３４ 流入口
１３６ カバー部材
１４０ 取付部材
１４４ 浄化ガス流
１４８ 冷却回路
１５４ マニホールド
１６０ 流出開口
１６６ 流れ案内面
１７０ サイクロン渦
１７６ 粒子出口通路
１９０ 環状体
１９２ サイクロン分離チャンバ
１９５ サイクロン分離チャンバ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【手続補正書】
【提出日】2024-06-27
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
タービンシステム（１００）のタービン静翼（１１２）のためのサイクロン粒子分離器（１２６）であって、当該サイクロン粒子分離器（１２６）が、ハウジング（１３０）であって、複数の流入口（１３４）が画成された円筒形側壁（１３２）と、前記円筒形側壁（１３２）の第１の端部を塞ぐカバー部材（１３６）と、前記ハウジング（１３０）を前記タービン静翼（１１２）の内側端壁（１１６）及び外側端壁（１１４）の一方に結合するように構成された前記円筒形側壁（１３２）の第２の端部の取付部材（１４０）であって、流出開口（１６０）が画成された取付部材（１４０）とを含むハウジング（１３０）と、
前記ハウジング（１３０）内に画成された１以上の粒子出口通路（１７６）と
を備えており、前記複数の流入口（１３４）の各々が、前記ハウジング（１３０）の上流からのガス流を前記円筒形側壁（１３２）に対して接線方向に前記ハウジング（１３０）に進入させ、前記ハウジング（１３０）内にサイクロン渦（１７０）を生じさせる角度のついた流れ案内面（１６６）を含んでいる、サイクロン粒子分離器（１２６）。
【請求項2】
タービン静翼（１１２）であって、当該タービン静翼（１１２）が、内側端壁（１１６）と、
外側端壁（１１４）と、
前記内側端壁（１１６）と前記外側端壁（１１４）とを連結する翼形部（１２０）と、
前記内側端壁（１１６）及び前記外側端壁（１１４）の一方に結合したサイクロン粒子分離器（１２６）と
を備えており、前記サイクロン粒子分離器（１２６）が、
ハウジング（１３０）であって、複数の流入口（１３４）が画成された円筒形側壁（１３２）と、前記円筒形側壁（１３２）の第１の端部を塞ぐカバー部材（１３６）と、前記ハウジング（１３０）を前記内側端壁（１１６）及び前記外側端壁（１１４）の一方に結合するように構成された前記円筒形側壁（１３２）の第２の端部の取付部材（１４０）であって、前記ハウジング（１３０）の下流の前記翼形部（１２０）内部の冷却回路と流体連通する流出開口（１６０）が画成された取付部材（１４０）とを含むハウジング（１３０）と、
前記ハウジング（１３０）内に画成された１以上の粒子出口通路（１７６）と
を備えており、前記複数の流入口（１３４）の各々が、前記ハウジング（１３０）の上流からのガス流を前記円筒形側壁（１３２）に対して接線方向に前記ハウジング（１３０）に進入させ、前記ハウジング（１３０）内にサイクロン渦（１７０）を生じさせる角度のついた流れ案内面（１６６）を含んでいる、タービン静翼（１１２）。
【請求項3】
前記流出開口（１６０）が、前記取付部材（１４０）の壁（１５０，１５２）に画成されていて、かつ前記ハウジング（１３０）の下流の当該タービン静翼（１１２）の翼形部の内部の冷却回路（１４８）と流体連通している、請求項２に記載のタービン静翼（１１２）。
【請求項4】
前記サイクロン粒子分離器（１２６）が、前記円筒形側壁（１３２）内に配置された環状体（１９０）をさらに備えており、前記環状体（１９０）が、前記円筒形側壁（１３２）の内側（１９４）と前記環状体（１９０）との間にサイクロン分離チャンバ（１９２）を画成する、請求項２に記載のタービン静翼（１１２）。
【請求項5】
前記環状体（１９０）が、前記カバー部材（１３６）に近い小径端（２００）及び前記取付部材（１４０）に近い大径端（２０２）を有する配向した円錐台形状を有する、請求項４に記載のタービン静翼（１１２）。
【請求項6】
前記流出開口（１６０）と前記環状体（１９０）の大径端（２０２）及び前記円筒形側壁（１３２）の一方との間に延在する環状壁（２１０）をさらに備えており、前記環状壁（２１０）が環状粒子トラップ（２１２）を画成しており、前記１以上の粒子出口通路（１７６）が、前記環状粒子トラップ（２１２）と流体連通した第１の粒子出口通路を含む、請求項４に記載のタービン静翼（１１２）。
【請求項7】
前記環状粒子トラップ（２１２）がトーラス形状を有する、請求項１４に記載のタービン静翼（１１２）。
【請求項8】
前記１以上の粒子出口通路（１７６）が、前記取付部材（１４０）に隣接した単一の粒子出口通路を含む、請求項２に記載のタービン静翼（１１２）。
【請求項9】
前記１以上の粒子出口通路（１７６）が、前記カバー部材（１３６）に隣接して前記ハウジング（１３０）の前記円筒形側壁（１３２）に画成された第１の粒子出口通路（１７６Ａ）と、前記取付部材（１４０）に隣接して前記ハウジング（１３０）前記円筒形側壁（１３２）に画成された第２の粒子出口通路（１７６Ｂ）とを含む、請求項２に記載のタービン静翼（１１２）。
【請求項10】
タービンシステム（１００）であって、当該タービンシステム（１００）が、圧縮機（１０２）と燃焼器（１０４）とタービン（１０８）とが互いに動作可能に結合されたエンジンコア（１０１）であって、前記タービン（１０８）が、複数の静翼を有するタービン段を含んでいる、エンジンコア（１０１）
を備えており、前記タービン段の複数の静翼の少なくとも１つの静翼が、請求項２乃至請求項９のいずれか１項に記載のタービン静翼（１１２）である、タービンシステム（１００）。
【請求項11】
前記サイクロン粒子分離器（１２６）の１以上の粒子出口通路（１７６）を前記タービン（１０８）の高温ガス経路（１８０）に流体結合する導管（２４２）をさらに備える、請求項１０に記載のタービンシステム（１００）。
【国際調査報告】