JP6899910B2 - 軸流タービン - Google Patents

Description

対象となる装置は、セラミック材料を含む一種の軸流タービンである。

軸流タービンは、典型的には高い圧力及び温度でタービンに供給され、通常、装置に沿って軸方向に流れる原動流体から有用な軸仕事を取り出す回転機械である。典型的な軸流タービンは、静止（ステータ）及び回転（ロータ）ブレード（ブレードは、典型的には空気力学的構造である）を含む従来の空気力学を使用する。ステータは、供給された圧力を旋回速度に変換する。ロータは、作用する空気力学的ブレード力により、回転運動を通じてその速度を取り出す。そのようなタービンは、多段構成の交互に配置されたロータ及びステータ部分からなり、ロータは、回転中心シャフトに固定され、ステータは、静止ケーシングに固定されることが一般的である。この従来のレイアウトは、内側ロータ部分が回転し、それに対して外側ケーシングが動かないことを意味して「インランナ(in-runner)」と称され得る。

特許文献１は、回転ケーシングを有する、ステータのないガスタービンを示している。ロータは、中心シャフトに取り付けられるのではなく、そのケーシングに取り付けられる。（その特許の一部の実施形態では、中心シャフトは、静止固定部材として設けることができる）。これは、ロータブレードにセラミック材料を使用することを一層可能にする。なぜなら、それは、ハブに取り付けられたロータブレードが遠心力によって高い引張り応力を受ける一方、ケーシングに取り付けられたロータブレードが代わりに圧縮応力を受けることを意味するからである。そのようなレイアウトは、上記の「インランナ」タービン構造と異なって「アウトランナ(out-runner)」と称され得る。

エンジニアリングセラミックは、非常に高温のタービン入口流れを可能にし、それにより出力発生サイクルの効率及び出力密度を高めることが長年にわたって知られている。セラミックは、タービンでより一般的に使用される金属合金と比較して、そのような高温において良好な機械特性を実現することが知られている。しかし、軸流タービンでのセラミックの使用は、主として、セラミックがそれらの全く異なる設計要件のために最先端のエンジン構造に組み込むことが困難であるという理由から、比較すると依然としてきわめて稀である。

国際公開第２０１３／１１３３２４号パンフレット

本発明は、添付の特許請求の範囲に準じる。

本発明は、軸方向に配置された一連のロータ部分を含む軸流タービンであって、各ロータ部分は、外側リングとロータブレードとを含み、及びロータ部分の外側リングは、回転外側ケーシングを形成するように接続し、ロータ部分は、反応結合窒化ケイ素から作製される、軸流タービンと、タービンアセンブリは、軸流タービンのための構造支持体を提供する外装であって、緻密性窒化ケイ素（ＤＳＮ）から作製される外装を含むタービンアセンブリとを含むタービンアセンブリであって、ロータ部分は、外装の内側に装着され、及び外装と回転外側ケーシングとは、共に回転するように配置される、タービンアセンブリを提示する。

好ましくは、軸流タービンは、軸方向に配置された一連のステータ部分も含み、各ステータ部分は、内側ハブとステータブレードとを含み、ステータ部分の内側ハブは、静止シャフトを形成するように接続し、ステータ部分は、反応結合窒化ケイ素から作製される。

ロータ部分が外装の内側に装着され、外装と、連結されたロータ部分から形成された回転外側ケーシングとが共に回転するため、タービンアセンブリが動作しているとき、外側向きの遠心力が外装に向かう。その結果、主に外装で動作歪みが生じ、外装は、反応結合窒化ケイ素と比較した緻密性窒化ケイ素の機械特性の結果としてきわめて良好に取り扱うことができる。それに対して、ロータ部分（及び存在する場合にはステータ部分）が反応結合窒化ケイ素から作製されることは、性能を最適化するのに必要とされる不可欠の複雑形状にロータ部分（及び存在する場合にはステータ部分）を成形することを容易にする。

最終的な結果として、反応結合窒化ケイ素のみで形成されたタービンアセンブリよりも大きい機械歪みに耐えることができるが、同時に同じ形状であるが、全体的に緻密性窒化ケイ素で作製されるタービンアセンブリよりも容易且つ安価に作製できるタービンアセンブリが得られる。さらに、反応結合窒化ケイ素及び緻密性窒化ケイ素は、概ね同じ熱特性、特に熱膨張特性を有するため、本発明のタービンアセンブリは、（例えば）タービンが金属外装で覆われたアセンブリよりも高い温度で動作することができる。

軸流タービンの断面図を示す。 図１の軸流タービンの外観図を示す。 別の軸流タービンの断面図を示し、外装特徴部を示している。

本発明によるタービンは、アウトランナ軸流タービン構造を窒化ケイ素材料と組み合わせて利用する。セラミック材料から製造されるタービンは、先行技術で公知である。しかし、これらのタービンは、（様々な応力が様々な構成要素に作用するために製造上の様々な検討事項がある）インランナ軸流タービン構造又は（軸流タービンと完全に異なる原理に基づいて設計された）半径流タービンのいずれかに関係するものが圧倒的である。アウトランナタービン構造での窒化ケイ素の使用は、本発明が初めてである。特定の構造レイアウトを窒化ケイ素材料と組み合わせることで優れた性能及び低コストが得られることが分かった。

セラミックタービン材料に関する限り、１つの許容できる材料は、一般的に、主として窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）から構成されるセラミックの広範なクラスを指し、通常、ベータ（β）六方晶系の結晶形態を取る緻密性窒化ケイ素（ＤＳＮ）である。緻密化は、通常、高温での液相の形成に寄与する少量の金属酸化物の添加によって達成される。これは、窒化ケイ素粒状体が圧力及び温度をかけられた状態で再配列して、液相緻密化によって緻密化することを可能にする（Ｋｉｎｇｅｒｙ Ｗ．Ｄ．，Ｂｏｗｅｎ Ｈ．Ｋ．，Ｕｈｌｍａｎｎ Ｄ．Ｒ．，“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｃｅｒａｍｉｃｓ”，ｐｕｂ．Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ．ＩＳＢＮ ０−４７１−４７８６０−１を参照されたい）。市販のＤＳＮセラミックは、理論密度の９６％を超える密度を有すると考えられる。高温機械性能は、通常、セラミックの緻密化を促進するために使用される焼結助剤によって制御される。耐熱ガラスの使用、最小量の焼結助剤（典型的には、セラミックの緻密化が高温状態での加圧によって補助される場合）又は粒界ガラスの製造後の失透は、すべて高温での耐クリープ性を改善する。このクラスのセラミックには、ＰＳＳＮ（常圧焼結窒化ケイ素）、ＳＳＮ（焼結窒化ケイ素）、ＨＰＳＮ（ホットプレス窒化ケイ素）、ＧＰＳＮ（ガス圧焼結窒化ケイ素）、ＨＩＰＳＮ（熱間等方圧縮窒化ケイ素）及びＳＰＳＳＮ（スパークプラズマ焼結窒化ケイ素）がある。適切なセラミックの例には、それらに限定するものではないが、京セラ株式会社から提供されるＳＮ２８２及びＳＮ２４０、Ｃｏｏｒｓｔｅｋ Ｌｔｄから提供されるＮＴ１５４、並びにＦＣＴ Ｉｎｇｅｎｉｅｕｒｋｅｒａｍｉｋ ＧｍｂＨから提供されるＧａｓ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｓｉｎｔｅｒｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ（ＧＰＳ−ＳＮ）がある。

別の適切なクラスの材料には、サイアロンセラミックがある。サイアロンセラミックは、緻密性窒化ケイ素セラミックの一部とみなすことができる。一般に利用されるセラミックは、通常、化学式Ｓｉ_６−ｚＡｌ_ｚＯ_ｚＮ_８−ｚを有する拡張ベータ（β）六方晶系Ｓｉ_３Ｎ_４格子であり、ここで、ｚは、典型的には１．５より大きい（しかし、４超まで拡張され得る）。通常、金属酸化物の組み合わせ又は他の適切な液体焼結助剤を加えることで緻密化を達成する。サイアロンセラミックは、緻密化助剤からの一部の陽イオンを窒化ケイ素格子内に組み込むことで得られる格子歪みの程度が、上記の緻密性窒化ケイ素セラミックと異なる。

一種の緻密性窒化ケイ素とみなすことができる別の適切な材料には、反応焼結窒化ケイ素（ＳＲＢＳＮ）がある。反応焼結窒化ケイ素は、焼結プロセスにかけられた、下記に説明する反応結合窒化ケイ素（ＲＢＳＮ）の一種である。この製造では、金属酸化物が焼結助剤として開始Ｓｉ金属粉末に加えられる。こうして、１４５０℃を超えた状態でＳｉをＳｉ_３Ｎ_４に変換した後、温度を上げることで、ある程度の緻密化を達成することが可能である。この緻密化は、収縮（典型的には＜１０％）及び気孔率の低下と並行して起こる。この焼結の結果として、ＳＲＢＳＮの密度は、典型的には理論上の窒化ケイ素密度の９６％未満である一方、同時に、ＳＲＢＳＮは、ＲＢＳＮの密度を超える中間密度を有する。結果として、ＳＲＢＳＮは、ＲＢＳＮから製造されるロータ部分の密度を超える密度を有することから、本発明によるタービンアセンブリで外装材料として使用するのに適する。

添付の特許請求の範囲に記載するように、本発明のタービンアセンブリは、ロータ部分を構造的に支持し、ロータと共に回転するように適応され、緻密性窒化ケイ素から作製される外装を含む。この用途に適した緻密性窒化ケイ素材料には、それらに限定するものではないが、ガス圧焼結窒化ケイ素材料、サイアロンセラミック及びＳＲＢＳＮを含む上記の緻密性窒化ケイ素材料のいずれかが含まれる。好ましくは、外装のために使用される緻密性窒化ケイ素材料は、理論上の密度の９６％を超える密度を有する。より好ましくは、外装のために使用される緻密性窒化ケイ素材料は、理論上の密度の９８％を超える密度を有する。

様々な製造技術を使用して、ＤＳＮ及びサイアロンセラミックを含むタービン構成要素を製造することができる。構成要素の製造段階は、以下のように説明する未焼結品の形成（Green Formation）、緻密化及び仕上げであり得る。

未焼結品の形成とは、セラミック粉末が、焼結助剤及び一般的には逸散性バインダとの混合後、基本的な製品形状に形成されるものである。未焼結品の形成には、それらに限定するものではないが、鋳込成形、圧力鋳造、凍結鋳込成形、射出成形、ダイ圧縮成形及び等方圧縮成形がある。機械加工ステップは、最初の形状形成に続くことができる。

緻密化は、熱及び任意選択的に圧力を加えるプロセスである。この緻密化は、使用される未焼結品形成手順及び配合に応じて低温熱処理段階によって先行され得る。プロセスのこの段階では、１８〜２２％の線収縮が典型的である。

仕上げは、「焼成」以外の必要とされる任意の面仕上げ又は厳密な寸法公差を保証するのに必要である。ダイヤモンド研削又は研磨によって構成要素を機械加工するのが一般的である。

特許請求される本発明の特定の構成要素に対して、反応結合窒化ケイ素（ＲＢＳＮ）が使用される。反応結合窒化ケイ素（ＲＢＳＮ）は、セラミックの中でも独特であり、形成手順及びＲＢＳＮが多孔質である（典型的には１０〜３０％の気孔率を有する）という事実の両方において緻密性窒化ケイ素（ＤＳＮ）と異なる。

ＲＢＳＮの１つの製造方法は、純粋な窒素雰囲気中において、焼成により窒化物形態に変換する前に、適切なシリコン中実ビレット（前記ビレットは、適切なシリコン粉末を冷間圧縮成形することで形成される）から形状体に機械加工することである。軟性及び延性の金属シリコン相での機械加工は、より硬質でより脆性のセラミック相のダイヤモンド研削と比較して工具費を大きく削減する。これは、上記の「未焼結品の形成」と類似している。窒素雰囲気中での加熱プロセスは、１４５０℃を超えた状態で行われて、シリコン（Ｓｉ）金属を窒化ケイ素セラミックに変える。変換プロセスは、最大で１％の体積変化をもたらし、したがって内部応力を最小限にし、さらに費用のかかる仕上げをほとんど必要としないか又は全く必要としないことさえあり、収縮を補償するという課題もない。結果として、窒化物加熱プロセスは、他の焼結プロセスと比較して収縮を最小限にし、したがって内部応力を最小限にし、焼成後のさらなる機械加工を必要とせず、費用のかかるさらなる仕上げをほとんど（又は全く）必要とせず、収縮を補償するという課題がほとんどなくなる。或いは、シリコン材料（シリコン粉末など）は、射出成形することができ、収縮量が小さいため、この場合にも焼成後にさらなる機械加工を全く又はほとんど必要としない。

Ｓｉ金属粉末金属成形体は、（ダイヤモンド研削ではなく）従来の金属機械加工プロセスにより、最終形状が生成されることを可能にするように焼結することができる。「未焼結品の形状（Green Formation）」は、火炎／プラズマ溶射によって容易に用意することができる。（配合及び製造時に使用される金属酸化物添加剤ではなく）わずかなガラスが完成したセラミックに存在し、したがって高温クリープ耐性の改善が期待される。主な用途制限は、局所雰囲気による腐食又は酸化を起こしやすい残存開放気孔率によって生じる。結果として、ＲＳＢＮは、焼結によって形成されたものなどのより高密度の窒化ケイ素に対して機械特性が劣る傾向がある。より高密度の窒化ケイ素は、通常、（収縮度がより大きいことで必要とされる）費用のかかる研削及びより多くのプロセスステップ、又は他に収縮を正確に補償するための射出成形型の調整に要するかなりのコスト及び時間により、製造コストがはるかに高い。したがって、ＲＳＢＮは、その潜在的に劣った機械特性を許容することを条件として、ＤＳＮと比較して部品の複雑性がより高い部品に対する実現性がより高い。本発明において、ロータ部分及び（好ましくは）ステータ部分は、ＲＢＳＮから作製される。

窒化ケイ素として定義される材料の広範なカテゴリは、それらに限定するものではないが、緻密性窒化ケイ素、サイアロン材料、ＲＢＳＮ及びＳＲＢＳＮを包含する（サイアロン材料及びＳＲＢＳＮは、一種の緻密性窒化ケイ素である）。これらのすべては、同様の熱膨張特性と、金属と比較して高温での高い強度（及び力又は圧力に耐える能力）及びクリープ耐性と、他のセラミックと比較して良好な熱衝撃特性とを共有する。ほとんどのセラミックに対して広く言及されるように、窒化ケイ素材料は、引張り負荷よりも圧縮負荷に対する耐性の方がはるかに良好である。上記のように、本発明では、ロータ部分及び好ましくはステータ部分は、ＲＢＳＮから製造される一方、外装は、（場合によりＳＲＢＳＮ又はサイアロン材料を含む）緻密性窒化ケイ素から製造される。

回転シャフトに取り付けられたロータブレードを、周囲ケーシングに取り付けられたステータブレードと併用する従来のインランナ軸流タービンと異なり、図１及び図２に示すタービンは、すべてが一緒に回転する、外側ケーシング４を形成するように接続する外側リング１４にロータブレード２を取り付け、回転しないシャフト８にステータブレード６を取り付けることで上記と逆になっており、したがって一種のアウトランナタービンである。

図１〜３のタービンは、ロータ部分１０及びステータ部分１２を含む。ロータ部分は、外側円形リング１４の半径方向内側に配置された空気力学的ロータブレード２を含む。本発明の一実施形態では、図１及び図２に示すように、隣接するロータ部分１０を互いに嵌合させると、外側リング１４は、連続する外側シリンダ又はケーシング４を形成するように接続する。本発明の代替の実施形態では、図３に示すように、独立した外装１６も設けられる。隣接するロータ部分１０は、前記外装１６の内側に取り付けられる。外側リング１４は、外装１６の内側に連続するシリンダ４を形成するように接続する。この実施形態を用いる場合、アセンブリは、外装１６の内径の研削をより容易にするために円筒形であることが好ましい。ロータ部分１０及びケーシング４と、存在する場合には外装１６とは、すべて一緒に回転する。（本発明による他のタービンは、円錐形などのケーシングと異なる管状形態を有することができ、任意選択的に厚さが軸方向にある程度変動する）。

ロータブレード２間にステータブレード６のための空間が残される。ステータ部分１２は、内側ハブ２０上にあるステータブレード６を含む。ステータ部分１２の内側ハブ２０は、互いに嵌合して、回転しないようにロックされたシャフト８を形成する。（シャフト８は、ケーシング４による回転を防止するようにロックされ得る）。典型的には、組立てのプロセスは、ロータ部分１０及びステータ部分１２を交互に配置して、ブレードを有する２つの同心アセンブリを形成することを含む。

本発明の一部の実施形態では、ロータ部分１０及びステータ部分１２は、それぞれ多くのブレード（典型的には２０〜６０個）を組み込んだ一体部片として形成される。或いは、本発明の一部の実施形態は、保守を容易にするために、共通ハブへの個々のブレードの取付け又は少数のブレードのアセンブリの取付けを可能にする。

本発明の一部の実施形態では、ロータリング１４及び／又はステータ部分１２は、相互にトルクを伝達するために、ケーシング４又は外装１６の取付部からの摩擦に依存するのではなく、一種のキー溝又は他の非平面境界部を組み込んでいる。

静止したシャフト８と、回転する外側アセンブリとの配置は、動作時、従来のタービンと同様に、回転する中心シャフトにロータブレードが取り付けられた場合のようにロータブレードに引張り力がかかるのではなく、圧縮遠心力がロータブレード２に作用することを意味する。これは、セラミック材料からロータブレード２を製造する場合に好ましい。なぜなら、セラミックは、引張り力がかかった場合、破断又はクリープし易い傾向があるからである。したがって、ロータブレード２を外側ケーシング４に配置することで、従来の配置と比較してロータブレードに対する機械的要求が少なくなる。

回転負荷下において、ケーシング４は、引張り力がかかった状態にある。これは、はるかにより単純なブレード幾何形状が使用されることを可能にし、したがって優れた構造効率を可能にする。すなわち、動作時、タービンの大部分は、許容可能な応力に対する最大限界に接近し、いずれの材料も許容荷重未満の状態で不必要に作用を及ぼさない。より単純なブレード幾何形状は、より複雑な幾何形状に特有である応力集中がないことも意味する。そのような幾何形状はまた、製造するのに及び滑らかな仕上げまで研削するのに単純で費用がかからず、起こり得るクラック発生における面欠陥の影響を最小限にする。

これらの特徴（ロータブレード２をケーシング４に配置すること及びケーシングを引張り力がかかった状態にすること）は、ブレードがより速い速度で回転することを可能にし、段の仕事量を増大させ、したがって段数を削減し、したがって同じ出力に対して必要とされる重量を削減し（すなわち出力／重量比を改善し）、結果として材料コストに対する利益が得られる。その特徴は、同じ空気力学的負荷がより薄いブレード（１ｍｍ厚程度）から得られることも可能にし、１段当たりでより多くのブレードを使用することを可能にする。ブレード数をより多くすることで、短縮した軸方向長さと組み合わせた場合、ピッチに対するブレードの軸方向長さの比が最適化される。そのため、より薄いブレードを使用することで、効率に影響を及ぼすことなくタービンの全長が短縮され、タービンの重量が低減される。これは、特に車両用途に有用である。

トルクは、以下の様々な方法でタービンの回転部分からを取り出すことができるが、それらに限定するものではない。
回転部分に取り付けられたベルト若しくはギア、又は、
一端でステータシャフト８を片持ちにして、他端で、ロータを回転シャフトに連結すること及び／若しくステータアセンブリを介して連結すること、又は、
２つの別の片持ち梁(cantilevers)が中央で対合するようなステータアセンブリを有し、中央のロータ段が、両方のステータを通過する回転中心シャフトに連結されることを可能にすること。

任意選択的に、ロータ部分１０の外側リング１４及び／又はステータ部分１２の内側ハブ２０は、翼端漏れを抑制するシュラウドを含むことができる。任意選択的に、シュラウドは、代わりに、ロータ部分１０及び／若しくはステータ部分１２と接するように設計されたさらなるリング及び／若しくはハブ部分を設けることで提供することができ、又はロータブレードの内側若しくはステータブレードの外側に取り付けられて互いに接続するさらなるリングを組み込むことでロータ部分１０及び／若しくはステータ部分１２に提供することもできる。これは、翼端漏れ及び環状損失を抑制し、ブレードにさらなる構造剛性を付与する。

ロータ部分１０又はステータ部分１２のいずれかは、流れがタービンを通って圧力低下したときに一定の軸方向速度を維持するために通常実施するように、流路の環状の広がりを容易にし、結果的に円錐形のアセンブリを作成してもしなくてもよい。

ロータ部分１０及びステータ部分１２は、複雑な幾何形状を有するにもかかわらず、安価に製造できるＲＢＳＮから作製される。

任意選択的に、外側ケーシング４又は外装１６は、生じる熱応力がこの利益を相殺しないことを条件として、セラミックの動作温度を下げるために外部から冷却することができる。従来の軸流タービンは、ブレードに埋め込まれたマイクロチャネルによる冷却を使用する。代わりに、外側ケーシング４又は外装１６を外部冷却することは、ロータブレード２及びステータブレード６がそのようなチャネルを必要としないことを意味し、したがって設計検討事項及び製造プロセスを単純化する。

任意選択的に、より高い強度材料から製造された外装１６は、スライドして前記ロータ部分１０の外側に載る（又は図３の実施形態と同様に、組立プロセスの一部としてロータ部分１０を外装に装着する）ことができ、それにより、引張り力における遠心負荷に対する耐性を有することで十分な強度を付加する。好ましくは、外装１６は、内径の研削を容易にするために円筒形である。他の円錐形態もこの役割を果たすことができ、コストを上げるが、環状路が後の段で外側に広がり、空気力学的に好ましくなることを可能にする。

外装材料は、ロータ部分１０が製造される材料と同じ熱−機械特性を有することが好ましいが、必ずしもそうとは限らない。ロータ部分は、ＲＢＳＮから製造され、外装材料は、上記の緻密性窒化ケイ素から製造される。適切な緻密性窒化ケイ素の例には、（それらに限定するものではないが）京セラから提供される窒化ケイ素２８２（ＳＮ２８２）、（Ｃｏｏｒｓｔｅｋから提供される）ＮＴ１５４、焼結窒化ケイ素（ＳＳＮ）、ガス圧焼結窒化ケイ素（ＧＰＳ−ＳＮ）又は高ガス圧焼結窒化ケイ素（ＨＧＰＳ−ＳＮ）などのセラミックがある。比較例において、外装１６は、ニッケル合金などの高温用金属若しくは圧延鋼などの高強度金属のいずれかの金属又は場合により断熱内側層若しくは適切な冷却方法を備えた様々なグラファイト系材料から形成することができる（金属ケーシングが使用される場合、外装１６は、典型的にはニッケル合金から作製される）。金属円筒物及び円錐物は、製造することが容易であり、そのため、異なる熱膨張を補償するのに適切な締まり嵌めを使用する場合にケーシングにも適切であり得る。比較例では、様々なグラファイト系材料は、本明細書で説明した本発明の範囲から逸脱することなくロータ部分又は外装のいずれかとして機能を果たすこともできる。外装１６が使用される場合、外装に含まれるより高強度の材料は、通常、優れており、より信頼性が高く、且つ／又は十分に実証された機械特性を有するように選択され、したがってロータハブ構成要素よりも引張り力に耐えることができる。これらの比較例と比較して、本発明と同様に、ロータ部分及び外装部分の両方を窒化ケイ素材料で作製する利点は、ＲＢＳＮ及び緻密性窒化ケイ素の熱特性が、熱膨張が異なることから生じる任意の問題を大幅に削減するか又はなくすのに十分な程度に等しくし易いことである。

ケーシング４（及び使用する場合には外装１６）の内側にロータブレード２を配置することと、それらを組み合わせたアセンブリを回転させることとは、設計者が空力特性及び構造という２つの機能に対する材料要件を切り離すことを可能にし、それぞれの材料要件ごとに様々な材料特性を並置することを可能にする。

本発明によるタービンでは、ロータリング（すなわちケーシング）を使用するアウトランナ配置の前記形態が存在しなければならない。加えて、ロータ部分１０、ステータ部分１２若しくはケーシング４又は存在する場合には外装１６の少なくとも１つが窒化ケイ素から作製される。一部の実施形態では、ケーシング４、ロータ部分１０若しくはステータ部分１２又は（存在する場合には）外装１６に材料の組み合わせを使用することができる。これらの組み合わせは、任意の他の材料と共に任意の形態の窒化ケイ素を含む。

外装１６は、場合により厚さにある程度の勾配があるが、円筒形又は円錐形などの単純な形状のみを必要とするため、及び研削機は、専門的な研削工具をあまり使用せず、より少数の機械軸を使用して内面に沿って軸方向に容易に挿入できるため、ＳＮ２８２若しくはＧＰＳ−ＳＮなどの材料又は他の緻密性窒化ケイ素材料の研削コストは、非常に複雑な空気力学的ブレード形状の場合よりもはるかに低い。外装の内径の正確な測定を使用して、それに合わせるようにロータハブの外径を研削することができる。結果的に、２つの材料のうちの一般的に弱い方の外径の研削のしやすさを利用し、それにより研削コストを削減する。

複雑な幾何学形状にかかわらず、安価に製造でき、圧縮に有利なように配置されたＲＢＳＮロータ片と、引張りに有利なように配置された、より強度の高い材料から構成される幾何学的に単純な（したがって比較的低コストの）外装との併用は、このように、欠点を軽減しながら両方の材料の好ましい特性を利用する。

任意選択的に、前記外装１６は、（特にロータ部分がＲＢＳＮを含む場合に）組立時に適度の温度差を加えることでロータ部分１０を覆って焼き嵌めすることができ、ロータ部分に残留圧縮強さを付与し、それにより回転時に弱い方のロータ部分１０の引張り負荷を軽減する。或いは、許容差は、スライドできる状態にしておくことができる。この場合、組立前に、不可欠の精密な許容差を機械加工で出すのではなく、通常弱い方の材料のロータハブに、締まり嵌めがロータハブ自体によって形成されるまでクリープさせておくことは容認可能であり得る。

従来の金属インランナタービン及び前述した先行技術のアウトランナタービンは、共に高温で機能を果たすために高価で特殊な金属合金で構築されなければならず、動作温度が限定される（約１１００℃未満、これは、出力発生効率を制限する）という欠点を有するか、又はブレードの機械強度を維持するために、冷却空気がブレードを吹き抜けるようにするための複雑な毛管チャネルを必要とするかのいずれかである。冷却チャネルは、タービンブレード構造にかなりの複雑性を付与し、空気流を供給するための寄生コンプレッサ負荷を付加し、マイクロタービン（すなわち１ＭＷ未満のガスタービン）に特有のきわめて薄く且つ小型のブレードに容易に収まることができない。対象となる新規のタービンで使用されるセラミック材料は、特殊な金属合金又は冷却チャネルなしに、１１００℃を超える高温での動作を可能にし、したがってコスト及び複雑さを大幅に低減する一方、薄く且つ小型のブレードを有するマイクロタービンに対しても高い性能を可能にする。

セラミックインランナ軸流タービンの先行技術の実施形態は、原則的に、特殊な金属合金又は冷却チャネルなしに、１１００℃を超える高温で機能することができる。しかし、そのような先行技術例は、構造支持体を提供する窒化ケイ素外装１６の均等物を有さない。ブレード自体は、構造的（引張り負荷に耐える）でかつ複雑なものであるようにせざるを得ない。そのため、先行技術例は、様々な窒化ケイ素材料を組み合わせるオプション又は製造オプションを利用することができず、はるかに費用がかかり、製造するのが困難であり得る。

窒化ケイ素材料の最良の使用法であるにもかかわらず、セラミックの信頼性を保証するために、本発明によるタービンは、１ＭＷ未満の出力レベルに対して、通常２００００ｒｐｍを超える、同じ出力の典型的な先行設計よりも低い２００００ｒｐｍ未満の回転数にせざるを得ない。これは、同じ出力及び効率を維持するためにタービン段数を増加させ、タービンを軸方向により長くする。タービンの構造一体化は、主として高い強度の外装によってもたらすことができる。より多くの段にわたって外装を延長することは、コストにほとんど影響を及ぼさない。より低い温度のタービン段は、同等の構造支持を必要としないことがあるため、任意選択的に、外装１６は、タービンに沿った途中で終端することができる。また、より低い速度及び低い材料密度（したがって小さい軸受負荷）は、フォイル軸受又は磁気軸受などのより特殊なオプションではなく、ＳＫＦ Ｌｔｄから提供されるセラミックハイブリッド深溝ころ軸受などのより確立された軸受オプションに一層適合する。低い速度は、軸受損失、騒音及び振動も低減する。

任意選択的に、本発明によるタービンにおいて、ロータは、風損を防止し、タービン外装１６又は外側ケーシング４を効果的に断熱するために真空内に配置することができ、それにより伝導損失とケーシング４又は外装１６内の熱過渡応力とを低減する。真空は、回転シールによって軸受に対して封止することができる。真空は、独立したポンプシステムによって維持される必要があり得る。

任意選択的に、本発明によるタービンは、燃焼器と併用することができる。任意選択的に、タービンの外側は、当業者に公知の任意の適切な形状及び大きさの環状燃焼器で囲むことができる。この燃焼器は、適切な状態及び組成のガスをタービンの入口に供給することができる。任意選択的に、この燃焼器は、軸方向で燃焼器に沿った温度勾配がタービンの温度勾配と一致して、タービン外側ケーシング又は外装に作用する半径方向の熱応力を小さくするように、ずらした燃料噴射位置を有することができる。この種の燃焼器は、タービンサイクルの冷却及び／又は断熱要件を緩和し、２つの圧力容器を共に組み込んで、必要とされる圧力保持構造の量を低減する。任意選択的に、高回転数のタービンロータへの暴露により、（多くの場合、ＭＩＬＤ、ＨｉＴＡＣ及びＦＬＯＸと称される）無炎燃焼システムを形成することができ、ガス速度が典型的な火炎速度を超えることに寄与する。

任意選択的に、本発明によるタービンは、吸気のためのコンプレッサと、タービン排気ガスから圧縮空気に熱を伝達する回転再生器又は熱交換レキュペレータと、圧縮空気の温度を所望のタービン入口状態まで上げる燃焼器と、本明細書で説明したタービンとを含むことができる再生タービンサイクルの一部であり得る。タービンを含むそのようなサイクルは、他のマイクロタービンサイクルと比較して高い効率を有することができる。

様々な実施形態及び特徴が上記に説明された。これらの実施形態は、ここで特許請求される本発明の単なる例に過ぎず、実施形態自体で個別に又は組み合わせて発明事項を形成する。

Claims (7)

1. ｉ）軸方向に配置された一連のロータ部分を含む軸流タービンであって、各ロータ部分は、外側リングとロータブレードとを含み、前記ロータ部分の前記外側リングは、回転外側ケーシングを形成するように接続し、前記ロータ部分は、反応結合窒化ケイ素から作製される、軸流タービンと、
   ｉｉ）前記軸流タービンのための構造支持体を提供する外装であって、緻密性窒化ケイ素（ＤＳＮ）から作製される外装を含むタービンアセンブリと
   を含むタービンアセンブリであって、
   前記ロータ部分は、前記外装の内側に装着され、及び前記外装と前記回転外側ケーシングとは、共に回転するように配置される、タービンアセンブリ。
2. 前記軸流タービンは、軸方向に配置された一連のステータ部分をさらに含み、
   各ステータ部分は、内側ハブとステータブレードとを含み、
   前記ステータ部分の前記内側ハブは、静止シャフトを形成するように接続し、
   前記ステータ部分は、反応結合窒化ケイ素から作製される、請求項１に記載のタービンアセンブリ。
3. 前記軸流タービンは、内側ハブに含まれる少なくとも１つのシュラウドをさらに含む、請求項２に記載のタービンアセンブリ。
4. 前記軸流タービンは、外側リングに含まれる少なくとも１つのシュラウドをさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービンアセンブリ。
5. 前記外装は、理論密度の９６％を超える密度を有する緻密性窒化ケイ素（ＤＳＮ）から作製される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービンアセンブリ。
6. 前記外装は、窒化ケイ素２８２又はガス圧焼結窒化ケイ素で構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービンアセンブリ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のタービンアセンブリと、コンプレッサと、燃焼器と、再生器又はレキュペレータとを含むシステム。

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