JP5675129B2 - 通路を介しての流体の送出に関する装置、方法及び／又はシステム - Google Patents

Description

本願は、一般的に云えば、産業用途又は他の用途におけるパイプ又は通路を通しての流体の送出を改善することに関する装置、方法及び／又はシステムに関するものである。より具体的には、限定するものではないが、本願は、流れが相対的に低い相対温度で送出されるように低放射率特性を持つ通路により流体ガスの送出を改善することに関連した装置、方法及び／又はシステムに関するものである。

多くの産業用途では、機械部品が高温に曝される。しばしば、水又は空気のような流体冷却剤が中空通路を介して部品に導かれて、部品の上に又は中に流れ、これによって部品を冷却する。冷却剤は、より低い温度で部品に到達する限り、部品を冷却する効果が高い。しかしながら、冷却剤は、例えばガスタービン・エンジン内の高温ガス流路部品のような、産業用途における多くの部品位置に到達するためには、温度の上昇した領域を横切る通路を通って流れなければならないことがある。一般に、これらの領域は、流体冷却剤が流れる通路又はパイプへかなりの量の熱を与える。これは冷却剤の温度レベルを上昇させ、これにより、冷却すべき特定の機械部品に到達したときの冷却剤の効果を減少させる。

米国特許第６２１０７９１号

このため、冷却剤の流れが通路の周囲から熱を吸収することなく送出されるように、通路による流体冷却剤の送出を改善する装置、方法及び／又はシステムを提供する必要性がある。本発明はこの必要性を満たし、更に以下に詳しく説明するように関連した利点をもたらす。

本出願では、流体の流れを差し向けるように構成されている中空通路であって、実質的に低い放射率を持つ外面を有している中空通路を記述する。

本出願では更に、産業用機械内において、動作中は流体冷却剤の所望の温度よりもかなり高い温度にある空間を通って流体冷却剤を輸送するように構成されている中空通路であって、実質的に約０．１未満の放射率を持つ外面を有している中空通路を記述する。

本出願では更に、動作時に、中空通路を介しての流体冷却剤の供給が、低くした温度で行われるように、産業用機械を構成する方法を記述する。本方法は、ａ）流体冷却剤の所望の温度よりもかなり高い温度にある空間を通って流体冷却剤を輸送する又は輸送すべき中空通路の少なくとも一部分を識別する段階と、ｂ）流体冷却剤の所望の温度よりもかなり高い温度にある空間を通って流体冷却剤を輸送する中空通路の前記識別されて部分の少なくとも大部分にわたって、中空通路の外面が実質的に約０．１未満の放射率を持つように中空通路を構成する段階と、を含む。

本願のこれらの及び他の特徴は、図面及び特許請求の範囲の記載と共に以下の詳しい説明を読めば明らかになろう。

本発明のこれらの及び他の目的及び利点は、添付の図面と共に本発明の模範的な実施形態のついての以下の詳しい説明を注意深く検討することによってより完全に理解され評価されよう。

図１は、本願の模範的な実施形態に従った模範的な通路又はパイプの概略図である。 図２は、本発明の一実施形態を適用して用いることのできるタービン・エンジンの断面図である。 図３は、図２に示されたタービン・エンジンのタービン部分に使用することのできるタービン静翼の概略図である。

通常「ε」と書かれる材料の放射率は、特定の材料によって放射されるエネルギと、同じ温度の黒体によって放射されるエネルギとの比である。それは、吸収されたエネルギを放射する材料の能力の測度である。真の黒体はε＝１であり、任意の実際の物体はε＜１である。放射率は、無次元量である（すなわち、単位を持たない）。一般的に、材料は光沢が無くなり且つ黒くなればなるほど、その放射率は１により近くなる。他方、材料は反射性が強くなればなるほど、その放射率はより低くなる。

当該技術分野で知られているように、高温に露出される機械部品の表面に低い放射率の被覆を適用することができる。この態様では、部品によって吸収される熱の量を減らすことができる。従って、例えば、部品の反対側の表面を冷却空気の流れにより冷却した場合、部品が到達する最高温度は、被加熱面から部品に入る熱量と被冷却面に流れる冷却空気によって除去される熱量との間の平衡によって決定される。このように部品を冷却することと吸収される熱を（低い放射率の被覆により）制限することとを組み合わせると、部品がより低い温度で動作するようになり、これにより、一般的に云えば、部品はより効果的に動作させ及び／又は寿命をより長くすることができる。

本願の発明は、比較的低い放射率を持つ材料を用いて、流体を輸送する通路又はパイプを構成するか又はその外側被覆として使用することにより、通路によるエネルギの吸収を小さくし、従って、輸送中の流体によるエネルギの吸収を小さくするようにすることを対象とする。すなわち、本発明によれば、通路の外面がより高い放射率を持つ材料で形成された場合と比べて、通路の中を流れる流体が通路を囲む空間から吸収するエネルギを小さくするように、低い放射率を持つ材料で通路の外面を形成する。

本願の実施形態によっては、「低い」放射率を持つ材料とは、約０．１未満の放射率を持つ任意の材料として定義することができる。他のより好ましい実施形態では、「低い」放射率を持つ材料とは、約０．０６未満の放射率を持つ任意の材料として定義することができる。他のより理想的な実施形態では、「低い」放射率を持つ材料とは、約０．０３未満の放射率を持つ任意の材料として定義することができる。また、本書で用いる用語「放射率」とは、放射率ε＝１を持つ理想的な「黒体」からの熱の放射と比べた、シュテファン・ボルツマンの法則に従った「灰色体」からの熱の放射であることに注意されたい。更に、材料によっては放射率が温度につれて変化するので、本書で識別する放射率は、３００Ｋの温度における放射率に基づくものである。

典型的には、当業者には理解されるように、温度の上昇した領域を通って流体を輸送又は差し向ける産業用途では、鋼又はステンレス鋼の外側層で形成された通路が使用されている。鋼及びステンレス鋼の放射率は一般に、０．１（非常によく研磨されている場合）〜０．８である。研磨されたときの鋼及びステンレス鋼の放射率は比較的低いが、実際には、このような鋼又はステンレス鋼を使用すると、長期間にわたって低い放射率値が保たれない。すなわち、使用により、鋼又はステンレス鋼は変色し、これによりその放射率が上記の範囲の高い方へ向かって急激に上昇する。

本願の実施形態によれば、通路は、低い放射率を持つ材料の外面又は被覆を持つように形成することができる。例えば、図１は、本願による通路３０の断面図を例示する。通路３０は、冷却剤が流れることのできる内部流路３２を持つことができる。内部流路３２は壁３４によって囲むことができ、壁３４の外面は、外面被覆３６を形成する材料で覆うことができる。前に述べたように、外面被覆３６は、約０．１未満の放射率を持つ材料で形成することができる。従って、本発明の模範的な一実施形態では、外面被覆３６はカドミウム（一般的に、約０．０２の放射率を持つ）の被覆で形成することができる。本発明の別の模範的な実施形態では、外面被覆３６はクロム（一般的に、約０．０７の放射率を持つ）の被覆により形成することができる。本発明の別の模範的な実施形態では、外面被覆３６は研磨銅（一般的に、約０．０３の放射率を持つ）の被覆により形成することができる。本発明の別の模範的な実施形態では、外面被覆３６は銅ニッケル合金（一般的に、約０．０６の放射率を持つ）の被覆により形成することができる。本発明の別の模範的な実施形態では、外面被覆３６は電気めっきニッケル（一般的に、約０．０３の放射率を持つ）の被覆により形成することができる。本発明の別の模範的な実施形態では、外面被覆３６は研磨ニッケル（一般的に、約０．０７の放射率を持つ）の被覆により形成することができる。本発明の別の模範的な実施形態では、外面被覆３６はプラチナ（一般的に、約０．０５の放射率を持つ）の被覆により形成することができる。本発明の別の模範的な実施形態では、外面被覆３６は銀（一般的に、約０．０６の放射率を持ち、且つ研磨されたとき、約０．０３の放射率を持つ）の被覆により形成することができる。本発明の別の模範的な実施形態では、外面被覆３６は未酸化錫（これは一般的に約０．０４の放射率を持つ）の被覆により形成することができる。本発明の別の模範的な実施形態では、外面被覆３６は研磨タングステン（これは一般的に約０．０４の放射率を持つ）の被覆により形成することができる。本発明の別の模範的な実施形態では、外面被覆３６は金（これは一般的に約０．０３の放射率を持つ）の被覆により形成することができる。

壁３４は前に列挙した低い放射率の材料のいずれかで形成することができ、その場合、外面被覆３６を設ける必要性がないことが理解されよう。低い放射率の材料によってはそれらの全体の経費や低い強度特性を考えると、それらを外面被覆として最小限使用した方がより費用効率を高くすることができる。

前に述べたように、本願の発明は多くの産業用途に用いることができる。例示のために、一つの模範的な用途を説明する。本願は、極端な温度の領域を通過する冷却剤輸送通路を必要とするような場所にある部品を冷却するために、ガスタービン・エンジンの中に冷却剤（この場合、圧縮空気）を輸送することに関する。この種の用途は、多くの産業用途に共通なことがある。図２について説明すると、ガスタービン・エンジン１００の概略図が例示されている。一般に、通常の技術者に理解されるように、ガスタービン・エンジンは、圧縮空気の流れの中で燃料を燃焼させることによって生じた高温の加圧ガス流からエネルギを抽出するように動作する。ガスタービン・エンジン１００は、共通のシャフト又はロータを介して下流のタービン部分又はタービン１１０に機械的に結合された軸流圧縮機１０６と、圧縮機１０６及びタービン１１０の間に配置された燃焼器１１２とを備えるように構成することができる。ここで、前に述べたように、本願の発明が、ガスタービン・エンジン、航空機エンジンなどを含めて、あらゆる種類の産業用途及び他の種類の使途で用いることができることに留意されたい。以後、本発明をガスタービン・エンジンに関連して説明する。この説明は模範的なものに過ぎず、発明を制限しようとするものではない。

図示のように、圧縮機１０６は複数の段を含むことができる。各段は、一列の圧縮機動翼とそれに続く一列の圧縮機静翼とを含むことができる。従って、第１段は、中心シャフトの周りを回転する一列の圧縮機動翼の後に、運転時に静止状態に留まっている一列の圧縮機静翼とを含むことができる。圧縮機静翼は、一般に、円周方向に間隔を置いて設けられ且つ回転軸の周りに固定されている。圧縮機動翼は円周方向に間隔を置いて設けられ、且つ運転時にシャフトが回転するときにシャフトの周りを回転するようにシャフトに取り付けられている。圧縮機動翼１２０は、シャフトの周りを回転しているとき、圧縮機１０６を通って流れる空気又は作動流体に運動エネルギを与える。

タービン１１０もまた複数の段を含むことができる。各段は、図示のように、運転時にシャフトの周りを回転する複数のタービン羽根又はタービン動翼と、運転時に静止状態に留まっている複数のノズル又はタービン静翼を含むことができる。タービン静翼は、一般に、円周方向に間隔を置いて設けられ且つ回転軸の周りに固定されている。タービン動翼は、シャフトの周りを回転するためにタービン翼車に取り付けることができる。タービン静翼及びタービン動翼はタービンの高温ガス流路内に配置されることが理解されよう。

使用されているとき、軸流圧縮機１０６内の圧縮機動翼の回転により、空気の流れを圧縮することができる。燃焼器１１２では、圧縮空気が燃料と混合されて点火されたときエネルギを放出することができる。その結果得られる燃焼器１１２からの高温ガス流はタービン１１０内のタービン動翼に対して差し向けることができ、これによりシャフトの周りのタービン動翼の回転を誘起して、高温ガス流のエネルギを動翼及び（動翼とシャフトとの間の接続により）回転シャフトの機械的エネルギへ変換することができる。次いで、シャフトの機械的エネルギは、圧縮空気の所要の供給が得られるように圧縮機動翼を回転駆動し、また例えば電力を発生するように発電機を回転駆動するために用いることができる。

当業者に理解されるように、多くの場合、圧縮空気は圧縮機１０６から抽出されて、タービン１１０内の様々な領域へ送られている。このような用途の１つでは、矢印１３２で示されているように、パージ用空気が圧縮機の後方の段から抽出されて、タービン・ケーシングの外側の通路又はパイプを介してタービン１１０の第３段の静翼へ差し向けられるようにすることができる。この場所で、パージ用空気は、矢印１３４で更に示されているように、タービン・ケーシングの中へ戻されて、半径方向内向きに（一部分の距離の間は、タービン静翼の中を通るチャンネルを用いて）、パージ用空気を必要とする翼車及びシャフトの近くまで導くことができる。

図３は、模範的な静翼１４０を例示すると共に、圧縮機１０６から静翼１４０の半径方向内側の場所へパージ用空気を送出するために上述のシステムに設けることのできるパージ用空気送出パイプ１４４の幾何学的配置を例示する。図示のように、パージ用空気送出パイプ１４４は、（タービンを囲むタービン・ケーシングの近くに配置することのできる）半径方向外側の位置から静翼１４０へ延在する最初の部分を含むことができる。そこで、パージ用空気は静翼１４０の中を流れて（そのための通路は図３に示していない）、パージ用空気送出パイプ１４４の第２の部分を半径方向内側の方向に流れ続けることができる。パージ用空気送出パイプ１４４の第２の部分はパージ用空気を静翼１４０から、静翼１４０の半径方向内側にある位置へ差し向けることができ、該位置でパージ用空気を放出させることができる。通常の技術者に理解されるように、パージ用空気は、一旦送出されると、タービン１１０の翼車及びシャフトの両方を冷却し、且つその空間を通る正圧の流れを生成することができ、該正圧の流れは作動流体の高温ガスがその半径方向内側の位置に到達するのを防止するのに役立つ。パージ用空気は送出の際に冷たければ冷たいほど、これらの機能を遂行する際の効果がより高くなる。

パージ用空気送出パイプ１４４は、タービン・ケーシング内においては、極端な温度によって囲まれる空間を横切ることが理解されよう。従来のシステムでは、パージ用空気送出パイプ１４４は鋼又はステンレス鋼で構成されており、従って、約０．５〜０．８の放射率を持つ。その結果、かなりの熱量が、パージ用空気送出パイプ１４４を介して、その周囲の極端な温度の領域と該パイプの中を流れる冷却剤すなわち圧縮空気との間で伝達される。本願の実施形態に従って、パージ用空気送出パイプ１４４は、低い放射率を持つ材料、すなわち、約０．１未満、より好ましくは約０．０６未満、理想的には約０．０３未満の放射率を持つ材料で構成するか、又は該材料で作られた被覆を持つことができる。試験データによれば、パージ用空気送出パイプ１４４についてのこの性質及び大きさの放射率の低減が放出点におけるパージ用空気の温度の減少にかなりの影響を持つことが確認された。

本発明の好ましい実施形態の以上の説明から、当業者には様々な改良、変更及び修正が考えられよう。当該分野の技術内にあるこのような改良、変更及び修正は特許請求の範囲に含まれるものとする。更に、このことが上述の本願の実施形態にのみ関するものであること、また特許請求の範囲の記載及びその等価な事項によって規定される本願の精神及び範囲から逸脱することなく多数の変更及び修正を為し得ることは明らかであろう。

３０ 通路
３２ 内部流路
３４ 壁
３６ 外面被覆
１００ ガスタービン・エンジン
１０６ 圧縮機
１１０ タービン
１１２ 燃焼器
１４０ 静翼
１４４ パージ用空気送出パイプ

Claims (8)

1. 産業用機械において、動作時に流体冷却剤の所望の温度よりもかなり高い温度にある空間を通って流体冷却剤を輸送するように構成されている中空通路（３０）であって、該中通通路（３００）が０．０３未満の放射率を持つ外面を有しており、前記産業用機械がガスタービン・エンジン（１００）であり、前記中空通路（３０）が、圧縮機（１０６）から抽出された圧縮空気をタービン（１１０）内の所定の場所へ輸送するように構成されている、中空通路（３０）。
2. 前記中空通路（３０）が壁（３４）によって囲まれた内部流路（３２）と、前記壁（３４）の外面を覆う外面被覆（３６）とを有し、前記外面被覆（３６）が０．０３未満の放射率を持つ前記外面を構成する材料で形成されている、請求項１記載の中空通路（３０）。
3. 前記外面被覆（３６）が、カドミウム、クロム、研磨銅、銅ニッケル合金、電気めっきニッケル、研磨ニッケル、プラチナ、銀、研磨銀、未酸化錫、研磨タングステン、及び金から選択される１種類を含む、請求項２記載の中空通路（３０）。
4. 前記中空通路（３０）がパージ用空気送出パイプ（１４４）である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の中空通路。
5. 動作時に中空通路（３０）を通しての流体冷却剤の供給が低下した温度で行われるように産業用機械を構成する方法であって、当該方法が、
   ａ）中空通路（３０）のうち、流体冷却剤の所望の温度よりもかなり高い温度にある空間を通して流体冷却剤が輸送される部分を識別する段階と、
   ｂ）中空通路（３０）のうちの少なくとも流体冷却剤の所望の温度よりもかなり高い温度にある空間を通して流体冷却剤が輸送される部分として識別された部分について、中空通路（３０）の外面が０．０３未満の放射率を持つように中空通路（３０）を構成する段階と
   を含んでおり、前記産業用機械がガスタービン・エンジン（１００）であり、前記中空通路（３０）が、圧縮機（１０６）から抽出された圧縮空気をタービン（１１０）内の所定の場所へ輸送するように構成される、方法。
6. 前記中空通路（３０）を壁（３４）によって囲まれた内部流路（３２）と、前記壁（３４）の外面を覆う外面被覆（３６）とで構成し、０．０３未満の放射率を持つ前記外面を構成する材料で前記外面被覆（３６）を形成する、請求項５記載の方法。
7. 前記外面被覆（３６）が、カドミウム、クロム、研磨銅、銅ニッケル合金、電気めっきニッケル、研磨ニッケル、プラチナ、銀、研磨銀、未酸化錫、研磨タングステン、及び金から選択される１種類を含む、請求項５又は請求項６記載の方法。
8. 前記中空通路（３０）がパージ用空気送出パイプ（１４４）である、請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
   

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