JP2017519156A - 半径流ターボ機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、固定ケース６と、ケース内に設置され、その前面４、４’、４”上に取り付けられたロータブレード３、３’、３”を有する少なくとも１つのロータディスク２、２’、２”と、ケースから突出し、ロータディスクの近傍で終端する、複数の要素２５、３５であって、ロータディスクに対して作用するシール要素３４、又はロータディスクのロータブレード同士間に半径方向に挟まれたステータブレード１３を備える、突出要素２５、３５と、突出要素を支え、ケース内に設置された少なくとも１つの支持板１７、３７と、を備える、半径流ターボ機械に関する。支持板は、半径方向に延びており、複数の第１の円形部分２９と、第１の円形部分同士の間の複数の第２の円形部分３０とを備える。第１の円形部分は突出要素を支え、第２の円形部分は、第１の円形部分よりも半径方向に沿ってより変形し易い。【選択図】図１

Description

本発明の主題は、半径流ターボ機械である。半径流ターボ機械とは、エネルギーを変換する流体流が主としてこのターボ機械の回転軸線に対して半径の向きに方向付けられるターボ機械を意味する。本発明は、原動機としてのターボ機械（タービン）及び被動機としてのターボ機械（圧縮機）の両方に適用される。

好ましいが排他的ではないものとして、本発明は、電気的エネルギー及び／又は機械的エネルギーを発生させるための半径流型式の膨張タービンに関する。

好ましいが排他的ではないものとして、本発明は、蒸気ランキン・サイクル又は有機ランキン・サイクル（ＯＲＣ）によりエネルギーを発生させる装置内で用いられる半径流膨張タービンに関連する。

好ましいが排他的ではないものとして、本発明は、遠心半径流又は「アウトフロー」型式の膨張タービンに関連し、この用語は、流体流が中心からタービンの周囲に向かって半径方向に方向付けられることを意図している。

同一出願人による国際公開第２０１２／１４３７９９号は、軸線方向入口及び半径方向周囲出口を有する固定ケースと、ケース内に取り付けられ、それぞれの回転軸線を中心として回転可能な単一のロータディスクと、ロータディスクの前面に取り付けられ、ロータ軸線の周りに配置されたロータブレードの多重環状列と、ケース上に取り付けられ、ロータディスクに面し、ロータブレードと半径方向に交互配置されたステータブレードの多重環状列と、を備えた膨張タービンを示す。

国際公開第２０１３／１０８０９９号は、互いに半径方向に交互に配置されたロータ及びステータブレードの編成が設けられた、ランキン・サイクルによる有機流体の膨張のためのタービンを示す。タービン内の蒸気の供給は、正面方向で得られる。高圧側に定められたタービンの第１のセクション内で、作動流体の第１の膨張が実質的に半径方向でもたらされる。低圧側に定められた第２のセクション内で、作動流体の第２の膨張が実質的に軸線方向でもたらされる。ステータブレードは、タービンの外部ケーシングによって支持される。

ターボ機械は、通常、入ってくる流体の状態（圧力及び温度）が出ていく同じ流体の状態と異なることによって特徴付けられる。記載（国際公開第２０１２／１４３７９９号及び国際公開第２０１３／１０８０９９号）されたような膨張タービン（原動機としてのターボ機械）では、入口流体は、出口の圧力及び温度条件より高い圧力及び温度条件に置かれる。被動機としてりターボ機械では、その代わり、入口圧力及び温度が出口の圧力及び温度よりも低い。

ターボ機械が正常条件で動作しているとき、入口と出口との間の温度差は、影響を受けた構成要素内に機械的応力を発生させる温度勾配を作り出す。実際、ある１つの構成要素の、より高い温度を受ける部分は、同じ構成要素のより低い温度にある部分よりも膨張する傾向にあり、これらの部分は互いに一体なので、このことが内部応力を発生させる。

冷機械条件下で始動するステップにおいて、状況はさらにもっと重大である。この状況では、内部応力が、低熱慣性及び高熱交換の構成要素（例えば、ロータ又はステータブレード）と、高熱慣性の構成要素（例えば、ロータディスク、ダイアフラム又はケース）との間に作り出される。このような応力は、機械が正常動作条件にあるときに作り出される応力よりもかなり大きくなる場合がある。

さらに、高熱慣性の構成要素（通常、固定部品）は、低熱慣性の構成要素（通常、回転部品）と比べて変形しにくい及び／又は変形に長時間かかる傾向があり、これは、機械部品の損傷を与える干渉／付着（seizure）、場合によっては塑性変形さえも引き起こす場合があり、及び／又は、これら構成要素間のクリアランス及び／又は作動流体路のサイズの所望されない変動を引き起こす可能性がある。このようなクリアランスは、機械の効率に悪影響を及ぼす（回転部分を迂回する流体はエネルギー交換に関与しない）漏れによる損失を防ぐために、最小限のサイズ（数十ミリメートルのオーダー）にされているので、冷機械条件又は熱機械条件下のいずれにおいても保証されることができない。

上述のように、通常、可動部品は固定部品よりも低い熱慣性を有するので、この理由で、機械の始動／加熱ステップは、干渉／付着が引き起こされないことを保証するのに十分にゆっくりと行う必要がある。既知の型式のターボ機械の始動は、典型的には、最短で約半時間乃至３時間超にわたって様々である。

高可撓性要素の交互配列を通る熱勾配が相対運動を許すようなものであり、応力を十分に低く維持するような場合の、応力を制御するためのシステムが知られている。

クリアランスの干渉／相殺の問題を防止するために多数の解決策が今日知られているが、その全ては２つのカテゴリにまとめることができる。すなわち、第１に、回転部品に近接する固定部品がセクタにより形成され、ばねシステム及び圧力バランシングにより所定位置に保持される。第２に、固定部品が「軟らかい」材料で作られ、回転部品が固定部品を「変形させる」ことを可能にして、実際の付着を防止する。既知の両カテゴリの解決策は、欠点を有する。すなわち、第１の場合、部品間の心合わせが不十分であるので、より大きいクリアランスを許容しなければならず、他方、第２の場合には、接触の繰返しによりクリアランスが早期に劣化することになる。

このような背景において、出願人は、上述のターボ機械を、異なる局面に関して、特に、温度勾配に起因する高機械応力の発生を防止するために、及びその迅速な始動を可能にするために、改善することができることに気付いた。

特に、出願人は、以下の必要性を認識していた。
・高い温度勾配の存在下であっても、正常動作条件及び始動時の両方において動作するターボ機械の固定部品内の機械応力を大幅に低減すること。
・ターボ機械の始動／加熱時間を大幅に低減すること。
・固定部品と回転部品との間のクリアランスの相殺を防止すること。

出願人は、熱勾配の作用下で、少なくともその環状部分において、半径方向に変形しない支持ディスク上に可動部品の極めて近傍で動作する固定部品を取り付けることによって、上で示した目的を達成することができることを見いだした。

本説明及び含まれる請求項において、「軸線方向」という形容詞は、ターボ機械の回転軸線「Ｘ−Ｘ」に対して平行に方向付けられた方向を定めることを意図する。「半径方向」という形容詞は、回転軸線「Ｘ−Ｘ」から直交して延びる半径のように方向付けられた方向を定めることを意図する。「円周方向」という形容詞は、回転軸線「Ｘ−Ｘ」と同軸の円周の接線方向を意図する。

より詳細には、第１の態様によれば、本発明は、少なくとも一部は半径流及び／又は半径流−軸流のターボ機械であって、
固定ケースと、
ケース内に設置され、少なくともその前面上に取り付けられたロータブレードを有する少なくとも１つのロータディスクであって、ケース内で対応の回転軸線を中心として回転可能であり、場合によってはディスクの外周上に軸線方向ブレードを有する、ロータディスクと、
ケースから突出し、ロータディスクの近傍で終端する複数の要素と、
突出要素を支える、ケース内に設置された少なくとも１つの支持板と、
を備え、
少なくとも１つの支持板は、ロータディスクの正面にて半径方向に延びており、
支持板は、
回転軸線と同心の複数の第１の円形部分であって、第１の円形部分の少なくとも幾つかが突出要素を支える、第１の円形部分と、
第１の円形部分同士の間に半径方向に挟まれた複数の第２の円形部分と、
を備え、
第２の円形部分は、第１の円形部分よりも半径方向に沿ってより変形し易く、支持板が熱勾配の作用を受けたときに第１の円形部分間の相対運動を可能にするようになっている、
ターボ機械に関する。

出願人は、特許請求する解決策が、突出要素が拘束されているケースの部分内に発生する内部応力の大きさをかなり低減することを可能にすることを立証した。これは、第２の円形部分が、より冷たい部分が受ける変形に比べて大きい、より熱い部分が受ける変形を吸収／減衰することによるものである。例えば、流体流が、ターボ機械の半径方向内側の部分でより熱く、そして外側に向かって漸進的に冷却される場合、より熱い半径方向内側の第１の部分は、半径方向外側の第１の部分よりも膨張する。半径方向内側の第１の部分の膨張は、より可撓性の第２の部分の半径方向圧縮を決定し、このことが、異なる温度に置かれた２つの半径方向に連続する第１の部分間の過剰応力の発生を防止する。流体流がターボ機械の半径方向内側部分でより冷たく、そして外側に向かって漸進的に加熱される場合、より冷たい半径方向内側の第１の部分はそのサイズを維持する傾向にある一方で、より熱い半径方向外側の第１の部分が膨張する。半径方向外側の第１の部分の膨張は、より可撓性の第２の部分の半径方向膨張を決定し、このことが、異なる温度に置かれた２つの半径方向に連続する第１の部分間の過剰応力の発生を防止する。

さらに、出願人は、特許請求する解決策が、ロータブレードのような低熱慣性及び高熱交換の構成要素の半径方向の変形に従って、ケースから突出した要素が熱勾配の作用下で半径方向に動くことを可能にすることを立証した。ケースから突出した要素のこのような運動は、仮にこれら要素がケースの壁又はケース内に取り付けられた剛性ディスクに直接拘束されている場合には許されないであろう。

出願人は、ターボ機械の始動を既知の機械の始動よりも迅速に、すなわち最短で約５分間乃至最長で約半時間で行うことができることを立証した。

出願人はまた、このような解決、構造的に単純かつ比較的安価であり、ターボ機械の簡単かつ迅速な組立てを可能にすることを立証した。

一態様において、第２の円形部分の各々は、半径方向に曲げられるのに適合されるように半径方向に対して横向きの、少なくとも１つの可撓体を備える。

好ましくは、第２の円形部分の各々は、複数の可撓体を備える。

好ましくは、支持板は、材料の除去により及び／又は成形により得られることが好ましい、単一部材（可撓体が第１の部分と一体に作られる）である。

各可撓体は、それに対して一方は半径方向内側にもう一方は半径方向外側に接続した第１の部分が、温度勾配に起因して異なる状態で半径方向に膨張したときに、曲げられる傾向にある。

一態様において、各可撓体は、２つの半径方向に連続した第１の円形部分を接続するアームである。

好ましくは、各アームは、回転軸線に対して垂直な平面内に実質的に位置し、変形され／曲げられながらその平面内で動く。これは、突出要素の限定された運動（熱勾配に起因する）が常にロータディスクの前面に対して平行に生じることを保証する。

好ましくは、アームは、円周方向に沿って延びる。

好ましくは、アームは、円周方向に連続して配置される。

好ましくは、アームは、湾曲している。

好ましくは、アームは、円周方向に対して傾いている。

好ましくは、各第２の部分は、少なくとも１つのアーム列を有し、ここでアームは円周方向に連続して配置される。

アームの数、形状、配置及びサイズの選択は、第２の部分の半径方向剛性を特定の必要性に応じて適合させることを可能にする。

一態様において、第２の円形部分は、板を貫通する貫通開口部を有する。貫通開口部は、第２の部分を、第１の部分より半径方向により変形し易くする。貫通開口部は、支持板を軽量化し、その熱慣性を小さくすることに寄与する。

好ましくは、貫通開口部は、可撓体／アームを画定している。

好ましくは、各アームは、２以上の隣接する貫通開口部によって画定される。

好ましくは、貫通開口部はスロットである。

好ましくは、スロットは、半径方向に対して傾いている。

好ましくは、スロットは、湾曲している。

好ましくは、スロットは、主として円周方向に細長い。

好ましくは、スロットの各々は、円周方向に沿って延びている。

好ましくは、スロットは、円周方向に対して傾いている。

好ましくは、各第２の部分は、少なくとも１つのスロット列を有し、スロットは円周方向に連続して配置される。

好ましくは、各第２の部分は、少なくとも２つのスロット列を有し、各列のスロットは、円周方向に連続して配置される。

好ましくは、２つの異なる列のスロットは、角度を成してオフセットされる。

一態様において、少なくとも１つの可撓体は、実質的に円筒形又は円錐形の壁である。

好ましくは、実質的に円筒形又は円錐形の壁は、回転軸線と同軸である。

軸方向平面（回転軸線を含む平面）に沿った各断面内で、実質的に円筒形又は円錐形の壁の変形及び曲げは、軸方向平面内で生じる。

好ましくは、軸方向平面に沿った断面内で、支持板は、少なくとも１つの実質的に円筒形又は円錐形の壁を定める少なくとも１つの蛇行断面を有する。

好ましくは、蛇行断面は、支持板の両面上に設けられるキャビティにより定められる。

変形は、一種の蛇行部の蛇腹運動として生じる。

一態様において、第１の部分は、中実リングである。

好ましくは、中実リングは、回転軸線に対して垂直な、互いに対向する面を有する。

一態様において、突出要素は、シール要素を備える。

好ましくは、シール要素は、ロータディスクに対して作用する。

好ましくは、シール要素は、ロータディスクの後面上で作動的に有効である。

支持ディスクは、ロータディスクの、ロータブレードを支える前面の反対側の後面に面し、ロータディスクに対して作用するシール要素を支える。

シール要素は、ロータディスクの後部とターボ機械の静止部分との間の漏れ損失に起因するエネルギー損失を低減する目的で設置される。シール要素は、ターボ機械の入口からロータディスクの後部内に漏れる傾向にある流体流量を最小限にする。

好ましくは、シール要素は、ロータブレードとステータブレードとの間で作用する。

一態様において、ターボ機械は、単一のロータディスクと、ケースに対して固定されるとともにロータディスクのロータブレード間に半径方向に挟まれるステータブレードとを備える。

一態様において、突出要素は、ロータディスクのロータブレード間に半径方向に挟まれるステータブレードを備える。

支持ディスクは、ロータディスクの前面に面し、ステータブレードを支える。

一態様において、ターボ機械は、対面する前面と、半径方向に交互配置されたロータブレードとを有する、２つの逆回転ロータディスクを備える。この場合、ステータブレードは存在しない。

好ましくは、逆回転ターボ機械は、２つの支持ディスクを備える。各支持ディスクは、対応のロータディスクの、ロータブレードを支える前面の反対側の後面に面し、ロータディスクに対して作用するシール要素を支える。

一態様において、ターボ機械は、作動流体の流れ方向に対してロータディスクの下流、及びロータディスクの各々の下流に配置された、少なくとも１つの軸流段を備える。好ましくは、軸流段は、対応のロータディスクの半径方向周囲部分に位置する（半径流−軸流ターボ機械）。

一態様において、支持板の一部は、ケースと一体である。好ましくは、そのような一部は、半径方向周囲であり、好ましくはねじによって、好ましくはケースに固定される。

一態様において、支持板の半径方向周囲面は、常にケースの当接面に当接している。好ましくは、支持板の半径方向周囲面は、円筒形である。好ましくは、ケースの当接面は、半径方向内側円筒面である。この結合は、回転軸線に対する支持板及び突出要素の心合わせを保証する。

一態様において、支持板は、突出要素を支える第１の面と、第１の面の反対側にあり、ケースの壁に対して嵌合すると第２の面とを有する。

一態様において、ケースの１つの壁に、検査アクセス部（開閉可能）が設けられる。検査アクセス部は、貫通開口部のところに配置される。このようにして、ターボ機械が組み立てられているときにターボ機械の内部（ロータディスク、シール要素、ブレード）をこの貫通開口部を通じて検査することが可能になる。好ましくは、アクセス部及び貫通開口部は、シール要素の公差を目視検査及び確認すること（例えば、アクセス部及び貫通開口部に隙間ゲージを導入することにより）を可能にする。

したがって、本発明はまた、
・検査アクセス部の少なくとも１つを開くことと、
・必要であれば、アクセスと貫通開口部の少なくとも１つとを、好ましくは支持板を回転させることによって位置合わせすることと、
・アクセス部と貫通開口部の少なくとも１つとを通して、ターボ機械の内部を検査することと、
・アクセス部を再び閉じることと、
を規定する、検査方法に関する。

この方法はまた、シール要素の公差を、好ましくは隙間ゲージをアクセス部及び貫通開口部の１つを通して導入することによって確認することを規定する。

一態様において、第２の面は、ケースの壁と協働して隙間を画定する。隙間は、板の２つの面に作用する圧力のバランシング（又は少なくとも圧力差を小さくすること）を可能にする。換言すれば、支持ディスク、特にステータブレードを支えるディスクの幾何学的形状は、半径方向圧力勾配が軸線方向推力を生じさせないように得られる。これは、熱慣性を最小限に低減する、限定された厚さの支持ディスクを得ることを可能にする。

好ましくは、隙間は、貫通開口部と流体連通する。したがって圧力のバランシングは、その貫通開口部を通じて行われる。

好ましくは、ターボ機械は、支持板の第２の面とケースの壁との間に配置された環状ガスケット（回転軸線と同軸）を備える。

好ましくは、各環状チャンバは、対応の突出要素のところに配置される。

連続する突出要素の対は協働して環状チャンバを画定する。環状ガスケットは、各々が対応の環状チャンバのところに配置された隙間の環状容積部を隔離する。このようにして、各環状チャンバは、対応の環状容積部と圧力が等しくなる。

各環状容積部及び環状チャンバ対は、等圧のバンドを定める。環状ガスケットは、環状容積部を画定する役割を果たし、また、高圧のバンドと低圧のバンドとの間で蒸気が逃げてターボ機械の効率を低下させることを防止する。

環状ガスケットは、支持ディスクとケースとの間の相対運動（特に第２の部分の半径方向変形に起因する）の場合でも、完全なシールを保証する。

好ましくは、環状ガスケットは、ケースの壁内に設けられた環状座部内に収容される。

好ましくは、環状ガスケットは、エラストマー及び／又は金属及び／又はグラファイト製である。

一態様において、突出要素は各々、支持板に接合された第１の縁部と、ロータディスクに向かって方向付けられるとともに接合部が設けられた第２の縁部とを有する、環状バンドを備える。環状バンドは、一種の円筒であり、好ましくは回転軸線と同軸である。

一態様において、接合部は、ステータブレードを支える。

一態様において、接合部は、シール要素を支える。

一態様において、接合部は、ステータブレード及びシール要素を支える。

一態様において、環状バンドの各々は、対応の接合部の半径方向サイズ未満の半径方向厚さを有する。

好ましくは、半径方向厚さは、半径方向サイズの約１／２〜約１／１０であり、より好ましくは半径方向サイズの約１／４に等しい。

好ましくは、環状バンドの軸線方向長さとそれぞれの半径方向厚さとの間の比は、約３〜約１０である。

このような構造により、ステータブレード及び／又はシール要素を支える突出要素は、低い熱慣性を有し、かつロータディスクから弾性的拘束を受けていないことになる。

回転部分（ロータディスク）に「接触」している（シールされた）固定部分が低熱慣性で構築されている前提で、加熱中に、固定部分は回転部分より前に正常動作温度に達し、シールのクリアランスを増大させ、可能性のある摺動を防止する。

ステータブレード及び／又はシール要素は支持ディスクに剛に拘束されていないので、環状バンドの半径方向の降伏し易さは、ステータブレード及び／又はシール要素に高い内部応力を生じさせることなくその半径方向サイズを変化させることを可能にする。

この構造は、ターボ機械が高熱勾配で働くことを可能にすることに寄与する。さらに、前述の態様において説明した突出要素の構造はまた、支持板の構造とは無関係にターボ機械内に存在することができる。説明したような突出要素は、例えば、固体支持板に拘束される又はケースに直接拘束されるものとすることができる。

一態様において、ターボ機械は、圧縮機である。少なくとも１つのモータが１つ又は複数のロータディスクに接続される。

一態様において、ターボ機械は、タービンである。少なくとも１つの発電機が１つ又は複数のロータディスクに接続される。

一態様において、ターボ機械は、アウトフロー半径流型である。作動流体の流れは、主として回転軸線から１つ又は複数のロータディスクの周囲に向かって移動する。

一態様において、ターボ機械は、インフロー半径流型である。作動流体の流れは、主として１つ又は複数のロータディスクの周囲から回転軸線に向かって移動する。

さらなる特徴及び利点は、本発明によるターボ機械の好ましいが排他的ではない実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。

このような説明は、以下、非限定的な例としてのみ提供される図面の組を参照して記述される。

本発明によるターボ機械の第１の実施形態の縦断面を示す。 本発明によるターボ機械の第２の実施形態の縦断面を示す。 図１及び図２に従うターボ機械に属する支持板の一部の後面図である。 図３の支持板の縦半断面図である。 図３の支持板の変形例を示す。 図５の支持板の縦半断面図である。 図３の支持板のさらなる変形例を示す。 図７の支持板の縦半断面図である。 図３の支持板のさらなる変形例を示す。 図９の支持板の縦半断面図である。 第１の動作構成にある図１のターボ機械のステータ要素の拡大図である。 第２の動作構成にある図１１のステータ要素である。 動作状態を示す、図１及び図２に従うターボ機械に属するシール要素の拡大図である。 動作状態を示す、図１及び図２に従うターボ機械に属するシール要素の拡大図である。 動作状態を示す、図１及び図２に従うターボ機械に属するシール要素の拡大図である。 図１のターボ機械に属するステータ要素及びロータ要素を示す。

上記図面を参照して、参照符号１は、本発明によるターボ機械を全体として示す。図１に示すターボ機械１は、単一のロータディスク２を有するアウトフロー半径流型の膨張タービンである。図２に示すターボ機械１は、２つの逆回転ロータディスク２を有するアウトフロー半径流型の膨張タービンである。

図１を参照すると、タービン１は、ロータディスク２のそれぞれの前面４上に同心リングの列として配置された複数のロータブレード３が設けられた、ロータディスク２を備える。ロータブレード３の各列は、タービン１のロータ段の一部である。ロータディスク２は、回転軸線「Ｘ−Ｘ」に沿って延びるシャフト５に剛に接続される。シャフト５は、次に発電機（図示せず）に接続される。ロータブレード３は、ロータディスク２の前面４から遠ざかる方向に延びており、その前縁部は回転軸線「Ｘ−Ｘ」に対して実質的に平行である。

含まれる図面内に示されたものによれば、各列のロータブレード３の第１の端部は、ロータディスク２と一体のそれぞれの第１のロータリング３０１によって接続され、支持される。列の同じロータブレード３の反対側の端部は、第２のロータリング３０２に拘束される（図１６）。

ロータディスク２及びシャフト５は、固定ケース６内に収容され、これらが回転軸線「Ｘ−Ｘ」の周りを自在に回転することができるような方式でケースによって支持される。固定ケース６は、ロータディスク２の前面４の正面に配置される前壁７と、ロータディスク２の前面４の反対側の後面９の正面に位置する後壁８とを備える。スリーブ１０は、後壁８と一体であり、適切な軸受１１の介在により、シャフト５を回転可能に収容する。前壁７は、回転軸線「Ｘ−Ｘ」のところに位置する、作動流体のための入口開口部１２を有する。

固定ケース６はまた、ロータディスク２の前面４に向かって方向付けられた同心リングの列として配置された複数のステータブレード１３を収容する。ステータブレード１３の列は、ロータブレード３の列と半径方向に交互配置され、作動流体の半径方向膨張路を定め、作動流体は、入口開口部１２を通って入り、ロータディスク２の周囲に向かって半径方向に遠ざかる方向に膨張する。固定ケース６はまた、前壁７及び後壁８から延びて内部に作動流体のための出口容積部１５を画定する半径方向周囲壁１４を備える。

タービン１は、入口開口部１２内に配置されるとともに進入する流れに向かって方向付けられた、凸壁により定められるデフレクタ又はノーズ１６を備える。

ステータブレード１３は、ケース６内に設置されてこれに拘束された支持板１７によって支持される。支持板１７は、ロータディスク２の前面４の正面にこれに平行に配置され、ケース６の前壁７の内面７ａに対して嵌合する。

図３〜図１０から分かるように、支持板１７は、中央通路１８が設けられた円板である。中央通路１８内に、ケース６の一部である管状壁１９が収容される。管状体１９は、前壁７からロータディスク２に向かって延び、内部にタービン１の入口開口部１２を画定する。支持板１７の半径方向内縁部２０と管状体１９との間にクリアランスが存在する。

支持板１７は、その半径方向周囲部分に複数の貫通穴２１を有する（図３〜図１０）。貫通穴２１内及びケース６内に設けたねじ穴内に収容されたねじ２２が、支持板１７をケース６に拘束する。支持板１７の半径方向周囲面２３は、常にケース６の当接面２４に当接して置かれる。当接面２４は、ケース６の内側の円筒面であり、回転軸線「Ｘ−Ｘ」と同軸であるとともに回転軸線「Ｘ−Ｘ」に向かって方向付けられている（図１）。

図１、図１１及び図１２から分かるように、ステータブレード１３の各列は、支持板１７から遠ざかる方向に延びた突出要素２５の一部である。各突出要素２５は、支持板１７の第１の面１７ａに接合する第１の縁部と、ロータディスク２に向かって方向付けられるとともに同じくリング形状を有する接合部２７が設けられた第２の縁部とを有する、環状バンド２６（回転軸線「Ｘ−Ｘ」と同軸の円筒）を備える。

１つの列のステータブレード１３の第１の端部は、接合部２７に接合する。同じ列のステータブレード１３の第１の端部の反対側の第２の端部は全て、これもまた回転軸線「Ｘ−Ｘ」と同軸の端リング２８に拘束される。端リング２８は、ロータブレード３の列とロータディスク２の前面４の近傍との間に配置される。

各接合部２７は、それぞれの第２のロータリング３０２に半径方向で面し、端リング２８は、それぞれの第１のロータリング３０１に半径方向で面する。シール要素３０３（例えば、ラビリンスシール）は、各端リング２８及び各接合部２７によって支えられ、作動流体の半径方向膨張路を画定するためにそれぞれの第１のロータリング３０１及び第２のロータリング３０２に対して作用する（図１６）。

環状バンド２６は、それぞれの接合部２７の半径方向サイズ「ｄ１」未満の半径方向厚さ「ｔ１」を有する。例えば、半径方向厚さ「ｔ１」は、半径方向サイズ「ｄ１」の約１／６に等しい。例えば、環状バンド２６の軸線方向長さ「ｌ１」とそれぞれの半径方向厚さ「ｔ１」との間の比は、約３〜約１０である。

支持板１７は、回転軸線「Ｘ−Ｘ」と同心の複数の第１の円形部分２９と、第１の円形部分２９間に半径方向に挟まれた複数の第２の円形部分３０とにより形成される。

ステータブレード１３を支える突出要素２５は、第１の円形部分２９に接続されるとともにこれにより支持される。

第２の円形部分３０は、第１の円形部分２９よりも半径方向に沿ってより変形し易く、支持板１７が熱勾配の作用を受けたときに第１の円形部分２９間（及びステータブレード１３の異なる列間）の相対運動を可能にするようになっている。

図３及び図４の実施形態並びに図５及び図６の変形例によれば、支持板１７は、一定の厚さ（図１で分かるように）を有する。第１の部分２９は、回転軸線「Ｘ−Ｘ」に対して垂直な、互いに対向する面を有する中実リングによって定められる。第２の部分３０は、各第２の部分３０の円周方向延長部に沿って配置された複数の貫通開口部３１を有する。図示された貫通開口部３１は、細長い形状のスロットである。

図３及び図４の実施形態によれば、第２の部分３０の各々は、半径方向内側のスロット３１の第１の列と、半径方向外側のスロット３１の第２の列とを有する。２つの列の各々は、円周方向に連続して配置された複数のスロット３１を含み、スロット３１の各々は、円周方向に沿って延びている。さらに、２つの異なる列のスロット３１は、角度を成してオフセットされており、すなわち回転軸線「Ｘ−Ｘ」を中心として相互に回転されており、その結果、回転軸線「Ｘ−Ｘ」から延びるあらゆる半径がスロット３１の少なくとも１つと交差するようになっている。スロット３１の２つの列は協働して、円周方向に沿って延びるとともに円周方向に連続して配置される可撓体又はアーム３２を画定する。アーム３２は、半径方向に対して垂直である。

図５及び図６の変形例によれば、第２の部分３０の各々は、スロット３１の単一列を有する。列は、円周方向に連続して配置された複数のスロット３１を含む。スロット３１の各々は、湾曲し、円周方向に対して傾いている。隣接するスロット３１の対は協働して、アーム又は可撓体３２を画定する。各アーム３２は、湾曲し、半径方向に連続した第１の円形部分２９のうちの２つを接続する。

図７及び図８の実施形態並びに図９及び図１０の変形例によれば、（半径方向により変形し易い）第２の円形部分３０の各々は、回転軸線「Ｘ−Ｘ」と同軸の実質的に円筒形の壁３３によって定められる少なくとも１つの可撓体を含む。

図７及び図８の実施形態によれば、縦断面において、支持板１７は、半径方向断面と軸線方向断面とによって定められる蛇行形状を有する。軸線方向断面は、実質的に円筒形の壁３３を構成する。半径方向断面の一部は、環状バンド２６を支える第１の部分２９を構成する。換言すれば、第２の部分３０の各々は、半径方向断面により接続された２つの軸線方向断面３３を含む。第１の部分２９の各々は、半径方向断面により定められる。別の観点から見れば、支持板１７は、前述の蛇行形状を定めるように半径方向に交互配置された環状キャビティを両面上に有する。

図９及び図１０の実施形態によれば、縦断面において、第２の部分３０は各々、実質的に円筒形の壁３３を構成する１つの軸線方向断面と、軸線方向断面３３の対向する両端から延びる２つの半径方向断面とを含む。第１の部分２９は各々、軸線方向部分３３の軸線方向長さに等しい厚さ（軸線方向で測定される）を有する。別の観点から見れば、第２の部分３０の各々は、各々が支持板１７の片面上に形成された、半径方向に連続した２つの環状キャビティにより定められる。

支持板１７は、上記実施形態によれば、材料の除去より及び／又は成形により得られることが好ましい、単一部材である。

図１のタービン１はまた、ロータディスク２の後面９において作用するシール要素３４（例えば、ラビリンスシール）を備える。シール要素３４は、ステータブレード１３を支える突出要素２５と幾何学的に類似した突出要素３５によって支えられる。

タービン１は、ロータディスク２の反対側の上に位置する段のうち少なくとも幾つかのところに半径方向に連続して配置された、回転軸線と同軸の複数の突出要素３５を備える。

図１３〜図１５でより良く分かるように、各突出要素３５は、支持板３７の第１の面３７ａに接合する第１の縁部と、ロータディスク２に向かって方向付けられるとともに同じくリング形状を有するシールキャリア接合部３８が設けられた第２の縁部とを有する、環状バンド３６（回転軸線「Ｘ−Ｘ」と同軸の円筒）を備える。

環状バンド３６は、それぞれのシールキャリア接合部３８の半径方向サイズ「ｄ２」未満の半径方向厚さ「ｔ２」を有する。例えば、半径方向厚さ「ｔ２」は、半径方向サイズ「ｄ２」の約１／６に等しい。例えば、環状バンド３６の軸線方向長さ「ｌ２」とそれぞれの半径方向厚さ「ｔ２」との間の比は、約３〜約１０である。

図示した実施形態において、シール要素３４は、シールキャリア接合部３８から回転軸線「Ｘ−Ｘ」に向かって半径方向に延びる可撓性の付加物（appendage）である。ロータディスク２の第２の面９又は後面上に、同数の環状リリーフ３９と突出要素３５とが存在する。環状リリーフ３９の各々は、それぞれのシールキャリア接合部３８のシール要素３４に面した半径方向外面４０を有する。

シール要素３４を支える支持板３７は、ステータブレード１３を支える支持板１７と（具体的なサイズ以外は）構造的に同一である。したがって、シール要素３４を支える支持板３７の詳細な説明に関しては、ステータブレード１３のための支持板１７に関する前出の説明及び関連の図３〜図１０を参照されたい。支持板３７は、ロータディスク２の後面９の正面にこれに平行に配置され、ケース６の後壁８の内面８ａに対して嵌合する。

またシール要素３４のための支持板３７は、貫通穴２１を貫通するねじ２２によってケース６に拘束される。支持板３７の半径方向周囲面２３は、常にケース６の当接面２４に当接して置かれる。当接面２４は、ケース６の内側の円筒面であり、回転軸線「Ｘ−Ｘ」と同軸であるとともに回転軸線「Ｘ−Ｘ」に向かって方向付けられている（図１）。

両方の支持板１７、３７に関して、第１の面１７ａ、３７ａは、突出要素２５、３５の環状バンド２６、３６に接続され、第１の面の反対側の第２の面１７ｂ、３７ｂは、ケース６のそれぞれの壁７、８の内面７ａ、８ａと共に隙間４１を画定する。環状ガスケット４２（回転軸線「Ｘ−Ｘ」と同軸）が、支持板１７、３７の第２の面１７ｂ、３７ｂとケース６の壁７、８との間に、各々、突出要素２５、３５のところに配置される。環状ガスケット４２は、ケース６のそれぞれの壁７、８の内面７ａ、８ａ上に設けられた環状座部４２ａ内に収容される。

連続する突出要素２５、３５の対が一緒に、環状チャンバ４３’、４３”を画定する。第１の環状チャンバ４３’は、ステータブレード１３を支える２つの半径方向に連続する突出要素２５と、それぞれの支持板１７と、ロータブレード３の端部との間に画定される。第２の環状チャンバ４３”は、シール要素３を支える２つの突出要素３５と、それぞれの支持板３７と、ロータディスク２の第２の面９との間に画定される。

環状ガスケット４２は、各々がそれぞれの環状チャンバ４３’、４３”のところに配置された隙間４１の環状容積部を隔離する。隙間４１の各環状容積部は、それぞれの環状チャンバ４３’、４３”と、図３〜図６のそれぞれのプレート１７、３７の貫通開口部３１を通じて、又は図７〜図１０の支持板１７、３７内に適宜設けた貫通開口部（図示せず）を通じて流体連通する。

ケース６の前壁７及び／又は後壁８内に、検査用アクセス部４４（図１にその１つが模式的に示されている）、すなわち、貫通開口部３１のところに配置された取外し及び再配置ができる適切なシール閉鎖要素を有する穴／開口部が設けられる。

図２の逆回転タービン１は、第１のロータディスク２’及び第２のロータディスク２”をその内側に収容する固定ケース６を備える。ロータディスク２’、２”は、ケース６内で各自互いに独立して共通回転軸線「Ｘ−Ｘ」を中心として自在に回転することができる。この目的で、第１のディスク２’は、軸受１１によってケース６内に取り付けられたそれぞれの第１の回転シャフト５’と一体である。第２のディスク２”は、図示されていない軸受１１によってケース６内に取り付けられたそれぞれの第２の回転シャフト５”と一体である。

第１のロータディスク２’には、第１のロータディスク２’のそれぞれの前面４’上に同心リングの列として配置された複数のロータブレード３’が設けられる。第２のロータディスク２”には、第２のロータディスク２”のそれぞれの前面４”上に同心リングの列として配置された複数のロータブレード３”が設けられる。

第１のロータディスク２’の前面４’は、第２のロータディスク２”の前面４”の正面に配置され、第１のディスク２’のブレード３’は、第２のディスク２”のブレード３”と半径方向に交互配置される。第１のロータディスク２’のブレード３’は、第２のロータディスク２”の前面４”の近傍で終端し、第２のロータディスク２”のブレード３”は、第１のロータディスク２’の前面４’の近傍で終端する。

図２のタービン１はまた、ロータディスク２’、２”の後面９’、９”において作用するシール要素３４を備える。シール要素３４は、支持板３７上に取り付けられた突出要素３５により支えられる。ロータディスク２’、２”の各々の第２の面９’、９”上に、同数の環状リリーフ３９と突出要素３５とが存在する。環状リリーフ３９の各々は、それぞれのシールキャリア接合部３８のシール要素３４に面した半径方向外面４０を有する。

支持板３７、突出要素３５及びシール要素３４は、図１のタービン１に関して説明され、図３〜図１０及び図１３〜図１５（同じ参照符号を使用している）に示されたものと完全に類似であり、したがってここで新たに説明はしない。

図２の逆回転タービン１はまた、第１のロータディスク２’及び第２のロータディスク２”の各々に対して軸流段４５’、４５”を備える。軸流段は、各ロータディスク２’、２”の半径方向周囲部分に配置される。より詳細には、それぞれの軸流段４５’、４５”のロータブレード４６’、４６”の列が、それぞれのロータディスク２’、２”の周縁部から半径方向に延びている。それぞれの軸流段４５’、４５”のステータブレード４７’、４７”の列は、ケース６の部分４８から回転軸線「Ｘ−Ｘ」に向かって半径方向に延びている。ロータブレード４６’、４６”は、ステータブレード４７’、４７”の正面に軸線方向に沿って配置される。

軸流段、例えば上述の型式のものは、図１のターボ機械の実施形態の変形例（図示せず）に設けることもできる。

使用時、図１のタービン１を参照すると、作動流体は、入口開口部１２を通ってターボ機械内に入り、膨張し、ロータブレード３に仕事を伝達し、最終的に出口容積部１５を横切ってタービン１から出る。力学的仕事は、ロータディスク２によってシャフト５を通じて発電機（図示せず）に伝達される。

半径流機械の特性構造を前提として、温度プロファイルは、入口から出口に向かって、すなわち半径方向に変化する。この温度の変化は、支持板１７、３７上及び突出要素２５、３５上に軸線方向の温度勾配を作り出す。

半径方向内側の第１の円形部分２９は、次に続く第１の円形部分２９より前に加熱され、これはより膨張する傾向があり、膨張は、これら２つの間に置かれた第２の円形部分３０の半径方向圧縮により吸収される。この現象は、ディスク１７、３７が漸進的に加熱されるにつれて、支持板１７、３７全体にわたって立証され、過剰の内部応力の発生を防ぐ。

図１１及び図１２は、例として、ステータブレード１３を支える突出要素２５の幾何学的変化を示す。支持ディスク１７は、たとえ半径方向に（第１の部分２９より）変形し易い第２の円形部分３０が設けられたとしても、接合部２７及び端リング２８よりも半径方向への膨張が少ないので、熱（正常動作）条件下で環状バンド２６が変形され、接合部２７及び端リング２８を膨張させる（図１１：冷構成、図１２：動作条件における構成）。

図１３〜図１５は、例として、シール要素３４で何が起こるかを示す。機械が停止して冷えている段階（図１３）から開始して、始動段階（図１４）を経て動作条件段階（図１５）に至る。最初に（図１４）、シールキャリア接合部３８が環状バンド３６の可撓性により半径方向に膨張し、次いでロータディスク２が膨張し、支持ディスク３７も僅かに膨張する。これらの全ての段階中に、本発明は、シール要素３４と環状リリーフ３９との間の最小限のクリアランス（δ１、δ２、δ３）を保証する。このようなクリアランスは、始動速度の関数として、始動条件に関して大きくなることしかできず、回転部品と固定部品との間に干渉が生じないことを保証する。

Claims (25)

1. 固定ケース（６）と、
   前記固定ケース（６）内に設置され、前面（４、４’、４”）に取り付けられたロータブレード（３、３’、３”）を有する少なくとも１つのロータディスク（２、２’、２”）であり、前記固定ケース（６）内でそれぞれの回転軸線（Ｘ−Ｘ）を中心として回転可能である、ロータディスク（２、２’、２”）と、
   前記固定ケース（６）から突出し、前記ロータディスク（２、２’、２”）の近傍で終端する、複数の要素（２５、３５）と、
   前記固定ケース（６）から突出した前記要素（２５、３５）を支える、前記固定ケース（６）内に設置された少なくとも１つの支持板（１７、３７）と
   を備える半径流ターボ機械であって、
   前記少なくとも１つの支持板（１７、３７）が、前記ロータディスク（２、２’、２”）の正面にて半径方向に延びており、
   前記支持板（１７、３７）が、
   前記回転軸線（Ｘ−Ｘ）と同心の複数の第１の円形部分（２９）であって、前記第１の円形部分（２９）の少なくとも幾つかが前記突出要素（２５、３５）を支える、第１の円形部分（２９）と、
   前記第１の円形部分（２９）同士の間に半径方向に挟まれた複数の第２の円形部分（３０）と
   を備え、
   前記第２の円形部分（３０）が、前記第１の円形部分（２９）よりも半径方向に沿ってより変形し易く、前記支持板（１７、３７）が熱勾配の作用を受けたときに前記第１の円形部分（２９）同士の間の相対運動を可能にするようになっている、半径流ターボ機械。
2. 前記第２の円形部分（３０）の各々が、半径方向に曲げられるのに適合されるように半径方向に対して横向きの主延長部を有する少なくとも１つの可撓体（３２、３３）、好ましくは複数の可撓体（３２、３３）を備える、請求項１に記載の半径流ターボ機械。
3. 前記第２の円形部分（３０）が、前記支持板（１７、３７）を貫通する貫通開口部（３１）を有し、前記貫通開口部（３１）が、前記可撓体（３２）を画定している、請求項１又は２に記載の半径流ターボ機械。
4. 前記可撓体（３２、３３）の各々が、２つの半径方向に連続した第１の円形部分（２９）を接続するアームである、請求項３に記載の半径流ターボ機械。
5. 前記アーム（２９）が円周方向に沿って延びている、請求項４に記載の半径流ターボ機械。
6. 前記アーム（２９）が円周方向に対し傾斜している、請求項４に記載の半径流ターボ機械。
7. 前記アーム（２９）の各々が、２以上の隣接する貫通開口部（３１）によって画定される、請求項４〜６のいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。
8. 前記貫通開口部（３１）がスロットである、請求項３〜７のいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。
9. 前記スロット（３１）が主として円周方向に細長い、請求項８に記載の半径流ターボ機械。
10. 前記少なくとも１つの可撓体（３２、３３）が、前記回転軸線（Ｘ−Ｘ）と同軸の実質的に円筒形又は円錐形の壁（３３）である、請求項２に記載の半径流ターボ機械。
11. 軸線方向面に沿った断面内で、前記支持板（１７、３７）が、前記少なくとも１つの実質的に円筒形又は円錐形の壁（３３）を定める少なくとも１つの蛇行断面を有する、請求項１０に記載の半径流ターボ機械。
12. 前記蛇行断面は、前記支持板（１７、３７）の両面上に設けたキャビティにより定められている、請求項１１に記載の半径流ターボ機械。
13. 前記第１の円形部分（２９）は、前記回転軸線（Ｘ−Ｘ）に対して垂直な、互いに対向する面を有する中実リングである、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。
14. 前記突出要素（２５、３５）は、前記ロータディスク（２、２’、２”）に対して作用するとともに前記ロータディスク（２、２’、２”）の後面（９、９’、９”）上で作動的に有効であるシール要素（３４）を備える、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。
15. 前記突出要素（２５、２５）は、前記ロータディスク（２）の前記ロータブレード（３）同士の間に半径方向に挟まれたステータブレード（１３）を備える、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。
16. 前記突出要素（３５）の各々が、前記支持板（３７）に接合された第１の縁部と、前記ロータディスク（２、２’、２”）に向かって方向付けられるとともに前記シール要素（３４）を支える接合部（３８）が設けられた第２の縁部とを有する環状バンド（３６）を備える、請求項１４に記載の半径流ターボ機械。
17. 前記突出要素（２５）の各々が、前記支持板（１７）に接合された第１の縁部と、前記ロータディスク（２）に向かって方向付けられるとともにステータブレード（１３）を支える接合部（２７）が設けられた第２の縁部とを有する環状バンド（２６）を備える、請求項１５に記載の半径流ターボ機械。
18. 前記環状バンド（２６、３６）の各々が、対応の前記接合部（２７、３８）の半径方向サイズ（ｄ１、ｄ２）未満の半径方向厚さ（ｔ１、ｔ２）を有する、請求項１６又は１７に記載の半径流ターボ機械。
19. 前記半径方向厚さ（ｔ１、ｔ２）が、前記半径方向サイズ（ｄ１、ｄ２）の約１／４〜約１／１０である、請求項１８に記載の半径流ターボ機械。
20. 前記支持板（１７、３７）の一部が、前記固定ケース（６）と一体である、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。
21. 前記支持板（１７、３７）の半径方向周囲面（２３）が、前記回転軸線（Ｘ−Ｘ）に対する前記突出要素（２５、３５）の心合わせを保証するために、常に前記固定ケース（６）の当接面（２４）に当接している、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。
22. 前記固定ケース（６）の前記当接面（２４）が、半径方向内側円筒面である、請求項２１に記載の半径流ターボ機械。
23. 前記支持板（１７、３７）が、前記突出要素（２５、３５）を支える第１の面（１７ａ、３７ａ）と、前記第１の面の反対側にあり、前記固定ケース（６）の壁（７ａ、８ａ）に対して嵌合する第２の面（１７ｂ、３７ｂ）とを有する、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。
24. 前記固定ケースの壁（７ａ、８ａ）に、前記貫通開口部（３１）を通じて当該半径流ターボ機械（１）の内部を検査することを可能にするための、前記貫通開口部（３１）のところに位置する検査アクセス部（４４）が設けられた、請求項２３に記載の半径流ターボ機械。
25. 前記支持板（１７、３７）が、前記突出要素（２５、３５）を支える第１の面（１７ａ、３７ａ）と、前記第１の面の反対側にあり、前記固定ケース（６）の壁（７ａ、８ａ）に対して嵌合する第２の面（１７ｂ、３７ｂ）とを有し、前記第２の面（１７ｂ、３７ｂ）が、前記固定ケース（６）の前記壁（７ａ、８ａ）と協働して隙間（４１）を画定する、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の半径流ターボ機械。

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