回転機械、特にガスタービン
【課題】二次的な冷却領域における冷媒質量流量の制御によって、冷却の能率および機械の効率が改善されるガスタービンを提供する。
【解決手段】ガスタービン１０が、冷却空気によって冷却されるようになっており、該冷却空気が、ガスタービンを通して主流１２と二次流１３とで案内されるようになっている。ガスタービンが、ロータ２２とステータ２８とを有しており、冷却空気の二次流が、ステータに設けられた渦流通路２７を通ってプレ渦流ノズル２４に案内されるようになっていて、該プレ渦流ノズルでステータから流出するようになっており、プレ渦流ノズルの範囲に、二次流を温度に応じて自動的に制御するための制御手段３６〜５６が配置されており、該制御手段が、全体的にまたは部分的に形状記憶合金から成っている。
【解決手段】ガスタービン１０が、冷却空気によって冷却されるようになっており、該冷却空気が、ガスタービンを通して主流１２と二次流１３とで案内されるようになっている。ガスタービンが、ロータ２２とステータ２８とを有しており、冷却空気の二次流が、ステータに設けられた渦流通路２７を通ってプレ渦流ノズル２４に案内されるようになっていて、該プレ渦流ノズルでステータから流出するようになっており、プレ渦流ノズルの範囲に、二次流を温度に応じて自動的に制御するための制御手段３６〜５６が配置されており、該制御手段が、全体的にまたは部分的に形状記憶合金から成っている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械、特にガスタービンであって、該回転機械が、冷媒、特に冷却空気によって冷却されるようになっており、該冷媒が、回転機械を通して主流と二次流とで案内されるようになっている回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギを発生させる回転機械、たとえばガスタービンまたは発電機では、強く熱負荷される部材の所要の冷却が、システムの総効率および寿命に影響を与える主要な物理的なパラメータを成している。多くの場合、冷媒として空気が使用される。しかし、同じ目的のためには、蒸気発生器から分岐される蒸気が使用されてもよい。本発明を空冷式のガスタービンの例において説明するが、本発明は、特有の冷却形態に限定されるものではなく、したがって、あらゆる種類の冷媒に対して使用することができる。
【０００３】
図１には、断面図でガスタービン１０の一部が示してある。このガスタービン１０では、吸い込まれた空気が、圧縮機ハウジング３１と、圧縮機案内羽根３２と、圧縮機回転羽根３３とを有する圧縮機１１によって、周辺圧から出発して、設定された運転圧に圧縮される。圧縮後、圧縮された空気流は圧縮機空気主流１２と二次流１３とに分割される。圧縮機空気主流１２は、（図１に示していない）燃焼器の高温の部分を冷却した後、燃焼器内で燃料の燃焼のために使用され、これによって、タービンを運転するための高温ガスが発生させられる。圧縮された空気の二次流１３は、圧縮機１１から冷却通路１４を介してガスタービン１０の高温範囲１５に案内される。そこで、冷媒はタービンの案内羽根１６と回転羽根１７との内部冷却のために使用される。付加的には、冷媒が、案内羽根固定部材１８における温度と、機械軸線３４を中心としたロータ２２の回転速度２１に基づき最も高い遠心力にさらされている回転部材、たとえば羽根根元１９および羽根ネック２０における温度とを低下させる。
【０００４】
空気の一部は、特にガスタービン１０の回転部材、たとえばロータ２２と、静止部材、たとえばステータ２８との間のシール目的のためにも使用される（図１に示したシールシステム２３ａ，２３ｂ，２３ｃ参照）。その際、ギャップには、高温ガス通路（図１に示した高温ガス主流２９参照）内に流出する空気であって、この箇所で高温ガスの流入ひいては局所的な過熱を阻止する空気が押し流される。
【０００５】
通常、一般的には、これに関連して、渦流通路２７内に配置されたプレ渦流ノズル（Ｖｏｒｗｉｒｂｅｌｄｕｅｓｅ：図１に示した符号２４参照）と呼ばれる特殊な装置または圧縮機１１から分岐された空気をタービンの高温範囲１５に案内して、ロータ２２と高温の回転部材、たとえば羽根根元１９、羽根ネック２０および羽根プラットフォーム２５とを冷却する渦流発生器が使用される。
【０００６】
ガスタービン１０が部分負荷下で運転されるかまたは全負荷下で運転されるかに応じて、運転条件のもと、タービンの高温の構成部材に対する熱負荷が増減される。たとえば、ガスタービンの出口出力の低下は、通常、燃焼器内での火炎温度の低下によって引き起こされる。要求された出力に関連して、ガスタービンを全負荷および部分負荷で運転することができる。全負荷は通常の運転条件に対応している。種々異なる運転状態は、圧縮機段に設けられた可変案内羽根（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｕｉｄｅ Ｖａｎｅｓ：ＶＧＶ）によって制御される。この可変案内羽根はその食違い角を所望の出口出力に関連して変化させる。これによって、コンスタントな回転速度２１のまま、最大のまたはより少ない空気質量流量が得られる。
【０００７】
渦流通路２７内に配置された渦流羽根２６の下流側の空気の流速ｃの量（図１および図２参照）は、渦流通路２７内の質量流量に線形に関連している。ガスタービンの全負荷に対応する通常運転に対して、結果的に生じる速度ｗは、関係式
ｗ＝２π・Ｒ・Ω・ｃ
によって与えられている。ここで、Ωは、タービンの回転速度２１であり、Ｒは、渦流通路２７の出口における平均半径である（図２参照）。結果的に生じる空気速度ｗは、全体温度Ｔｔに関係式
Ｔｔ＝Ｔ＋ｗ２／（２Ｃｐ）
により影響を与える。ここで、Ｔは、静温度を表しており、Ｃｐは、比熱を表している。
【０００８】
コンスタントな回転速度Ωに対して、部分負荷は可変案内羽根ＶＧＶによって達成される。この可変案内羽根ＶＧＶは圧縮機１１内の質量流量を減少させる。次いで、渦流装置（渦流羽根２６）の下流側の空気速度ｃが低下させられる。最終的には、これによって、結果的に生じる速度ｗに影響が与えられる。このことは、高温の回転部材、たとえば羽根根元１９、羽根ネック２０およびプラットフォーム２５の金属温度に直接影響を与える。コンスタントな回転速度のまま、この金属温度が一定に保たれる場合には、相応の機械的な構成要素は低サイクル疲労（Ｌｏｗ Ｃｙｃｌｅ Ｆａｔｉｇｕｅ：ＬＣＦ）を受けない。このことは、制御される弁によって技術的に達成されてもよい。しかし、実際には、渦流装置は、通常、冷却通路１４内の質量流量に影響を与えることができる制御エレメントを備えていない。なぜならば、ロータ２２およびステータ２８のこの領域には、制限されてしか手を近づけることができないからである。
【０００９】
ロータ２２、ステータ２８およびタービン羽根における冷却空気分配の制御は、逆流を回避するための要求によって付加的に困難となる複雑な試みである。この結果、単純な絞り部材は良好な解決手段を成しておらず、空気力学的に最適化された構成を備えた制御装置を使用することが有利となる。このような装置がプレ渦流ノズル２４である。このプレ渦流ノズル２４は、通常、タービン案内羽根のような静止羽根列（図３ａに示した渦流羽根２６参照）によって形成される。この渦流羽根２６は圧縮機１１と高温範囲１５との間でステータ２８に固定されている。渦流羽根２６の間には、相応の面積Ｆ（図３ｃ参照）を備えた隘路３５（図３ｂ参照）が形成されている。
【００１０】
プレ渦流ノズル２４の領域において、質量流量の簡単で機能確実な自動的な調整を簡単に実現することができれば、大きな手間をかけずに、タービンの種々異なる負荷状態において、相応の領域の特に効果的な冷却を実現することができる。
【００１１】
英国特許出願公開第２３５４２９０号明細書に基づき、ガスタービンにおいて、タービン羽根の内部を通る冷却空気流を、形状記憶合金から成る円形の弁によって制御することが公知である。
【００１２】
米国特許出願公開第２００９／０２２６３２７号明細書に基づき、類似の解決手段が公知である。この公知の解決手段では、タービンの個々のディスク内に、形状記憶合金から成るスリーブが挿入されている。このスリーブは冷媒通路の横断面を温度に応じて変化させる。
【００１３】
両例では、冷媒の主流に影響が与えられている。
【００１４】
さらに、英国特許出願公開第２４７０２５３号明細書には、ガスタービン内の冷媒流を制御するための装置が開示されている。環状のフローリミッタが使用される。このフローリミッタは、全周にわたって分配されて配置された複数の貫通孔を備えている。これらの貫通孔の流れ横断面は、それぞれ弁エレメントによって変化させることができる。この弁エレメントの、孔に対して相対的な位置は、形状記憶金属（ＳＭＭ）エレメントによって変化させられる。一方の従来例（同明細書の図５参照）が、羽根による主流の公知の調整に関するのに対して、他方の従来例（同明細書の図４参照）は、ロータシャフトのシール領域における二次的な冷媒流の制御に関する。
【００１５】
米国特許出願公開第２００２／０７６３１８号明細書は、回転羽根を冷却するための、外部からガスタービンのロータへの冷却空気の接線方向でのノズル供給に関する。このノズル供給は、２つの別個の流れの混合下で行われる。両流れのうち、一方の流れは、内部から、ノズル供給のために設けられたノズル供給羽根によって放出される。特に形状記憶合金の使用下での横断面変化による制御は開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】英国特許出願公開第２３５４２９０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０２２６３２７号明細書
【特許文献３】英国特許出願公開第２４７０２５３号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００２／０７６３１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の課題は、二次的な冷却領域における冷媒質量流量（ＳＡＦ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ａｉｒ Ｆｌｏｗ）の制御によって、冷却の能率および機械の効率が改善される回転機械、特にガスタービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この課題を解決するために本発明に係る回転機械によれば、回転機械が、ロータとステータとを有しており、前記冷媒の二次流が、ステータに設けられた渦流通路を通ってプレ渦流ノズルに案内されるようになっていて、該プレ渦流ノズルでステータから流出するようになっており、プレ渦流ノズルの範囲に、二次流を温度に応じて自動的に制御するための制御手段が配置されており、該制御手段が、全体的にまたは部分的に形状記憶合金から成っている。
【００１９】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、プレ渦流ノズルの範囲に渦流羽根が配置されており、該渦流羽根の範囲で温度に応じて渦流通路の流れ横断面が可変であるように、制御手段が形成されている。
【００２０】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、制御手段が、渦流通路内に向かって突入した、形状記憶合金から成るそれぞれ１つの湾曲させられたダイヤフラムを有しており、該ダイヤフラムが、曲率の変化によって渦流通路の横断面を変化させるようになっている。
【００２１】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、制御手段が、渦流通路内に壁平行に配置されたそれぞれ１つの壁エレメントを有しており、該壁エレメントが、温度に応じて長さ変化する、形状記憶合金から成る調節エレメントによって壁に対して横方向に移動可能であり、渦流通路の横断面を変化させるようになっている。
【００２２】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、調節エレメントが、ピンまたはばねとして形成されている。
【００２３】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、壁エレメントが、上流側に設置された面に案内金属薄板を備えており、該案内金属薄板が、渦流通路内で流れる媒体を、壁エレメントによって狭隘された横断面に導入するようになっている。
【００２４】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、渦流羽根が、それぞれ横断面を変化させるように渦流通路内に流れ方向に対して横方向に移動可能に配置されており、渦流羽根を温度に応じて移動させるために、形状記憶合金から成る調節エレメントが設けられている。
【００２５】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、移動可能な渦流羽根が、それぞれ上流側に設置された面に案内金属薄板を備えており、該案内金属薄板が、渦流通路内で流れる媒体を、渦流羽根によって狭隘された前記横断面に導入するようになっている。
【００２６】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、前記制御手段が、渦流羽根の長手方向軸線の方向に向けられた、形状記憶合金から成るそれぞれ１つのねじりエレメントを有しており、該ねじりエレメントが、渦流羽根の迎え角ひいては前記流れ横断面を温度に応じて変化させるようになっている。
【００２７】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、渦流通路の出口に、それぞれ出口開口を温度に応じてカバーするための手段が配置されている。
【００２８】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、カバー手段が、温度制御される絞りを有している。
【００２９】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、絞りもしくは絞りの絞りエレメントが、形状記憶合金から成っていて、温度に依存した絞りもしくは絞りエレメントの寸法の変化によって前記出口開口のカバー量を変化させるようになっている。
【００３０】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、前記絞りが、それぞれ複数の絞りエレメントから成っており、該絞りエレメントが、それぞれ形状記憶合金から成るねじりエレメントに連結されており、該ねじりエレメントが、絞りエレメントを、温度制御されてねじるようになっていて、前記出口開口のカバー量を変化させるようになっている。
【発明の効果】
【００３１】
本発明は、回転機械、特にガスタービンであって、この回転機械が、冷媒、特に冷却空気によって冷却されるようになっており、この冷媒が、回転機械を通して主流と二次流とで案内されるようになっている形式の回転機械に関する。本発明は、回転機械が、ロータとステータとを有しており、冷媒の二次流が、ステータに設けられた渦流通路を通ってプレ渦流ノズルに案内されるようになっていて、このプレ渦流ノズルでステータから流出するようになっており、プレ渦流ノズルの範囲に、二次流を温度に応じて自動的に制御するための制御手段が配置されており、この制御手段が、全体的にまたは部分的に形状記憶合金から成っていることを特徴としている。
【００３２】
１つの態様は、プレ渦流ノズルの範囲に渦流羽根が配置されており、この渦流羽根の範囲で温度に応じて渦流通路の流れ横断面が可変であるように、制御手段が形成されていることを特徴としている。
【００３３】
別の態様によれば、制御手段が、渦流通路内に向かって突入した、形状記憶合金から成るそれぞれ１つの湾曲させられたダイヤフラムを有しており、このダイヤフラムが、曲率の変化によって渦流通路の横断面を変化させるようになっている。
【００３４】
本発明の別の態様は、制御手段が、渦流通路内に壁平行に（つまり、渦流通路壁に対して平行に）配置された、それぞれ１つの壁エレメントを有しており、この壁エレメントが、温度に応じて長さ変化する、形状記憶合金から成る調節エレメントによって（渦流通路）壁に対して横方向に移動可能であり、渦流通路の横断面を変化させるようになっていることを特徴としている。
【００３５】
特に調節エレメントが、ピンまたはばねとして形成されている。
【００３６】
別の態様は、壁エレメントが、上流側に設置された面に案内金属薄板を備えており、この案内金属薄板が、渦流通路内で流れる媒体を、壁エレメントによって狭隘された横断面に導入するようになっていることを特徴としている。
【００３７】
更なる態様は、渦流羽根が、それぞれ横断面を変化させるように渦流通路内に流れ方向に対して横方向に移動可能に配置されており、渦流羽根を温度に応じて移動させるために、形状記憶合金から成る調節エレメントが設けられていることを特徴としている。
【００３８】
別の態様によれば、移動可能な渦流羽根が、それぞれ上流側に設置された面に案内金属薄板を備えており、この案内金属薄板が、渦流通路内で流れる媒体を、渦流羽根によって狭隘された横断面に導入するようになっている。
【００３９】
本発明の更なる態様は、制御手段が、渦流羽根の長手方向軸線の方向に向けられた、形状記憶合金から成るそれぞれ１つのねじりエレメントを有しており、このねじりエレメントが、渦流羽根の迎え角ひいては流れ横断面を温度に応じて変化させるようになっていることを特徴としている。
【００４０】
さらに、渦流通路の出口に、それぞれ出口開口を温度に応じてカバーするための手段が配置されていることが可能である。
【００４１】
特にカバー手段が、温度制御される絞りを有していてよい。
【００４２】
１つの態様によれば、絞りもしくは絞りの絞りエレメントが、形状記憶合金から成っていて、温度に依存した絞りもしくは絞りエレメントの寸法の変化によって出口開口のカバー量を変化させるようになっている。
【００４３】
別の態様によれば、絞りが、それぞれ複数の絞りエレメントから成っており、これらの絞りエレメントが、それぞれ形状記憶合金から成るねじりエレメントに連結されており、このねじりエレメントが、絞りエレメントを、温度制御されてねじるようになっていて、出口開口のカバー量を変化させるようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】冷却空気を分配するための種々異なる経路を備えたガスタービンの一部の断面図である。
【図２】渦流通路の構成の拡大断面図である。
【図３】プレ渦流ノズル内に配置された渦流羽根をそれぞれ異なる方向から見た図である。
【図４】渦流通路内の冷却空気質量流量を自動的に調整するための本発明に係る種々異なる実施の形態（図４ｂ〜図４ｆ）を、調整されないアッセンブリ（図４ａ）に対して示す種々異なる部分図である。
【図５】渦流羽根の旋回によって渦流通路内の冷却空気質量流量を自動的に調整するための実施の形態を２つの方向から見た図である。
【図６】出口横断面の自動的な変更によって渦流通路内の冷却空気質量流量を自動的に調整する実施の形態の断面図である。
【図７】出口横断面を自動的に制御するための実施の形態における種々異なる状態を示す複数の部分図である。
【図８】出口横断面を自動的に制御するための別の実施の形態における種々異なる状態を示す複数の部分図である。
【図９】個々のエレメントがそれぞれ軸を中心として自動的にねじられる、図７に対応する構成を示す図である。
【図１０】個々のエレメントがそれぞれ軸を中心として自動的にねじられる、図８に対応する構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。
【００４６】
本発明の有利な実施の形態によれば、図１に示したガスタービン１０に設けられたプレ渦流ノズル２４が、全体的にまたは部分的に形状記憶合金（ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ：ＳＭＡ）から形成されている。通常の運転温度よりも低くてよい設定された限界温度未満では、プレ渦流ノズル２４の、形状記憶合金から成る部分が作動させられ、プレ渦流ノズル２４の隘路の範囲における横断面（積）を減少させる。これによって、ガスタービン１０の高温範囲１５への冷却空気質量流量が有効に減少させられる。その際、形状記憶合金から成る部分の収縮、伸び、ねじれおよび反りを、その他の点で鋼から成る単純なシステムの通流横断面を減少させるためのメカニズムとして利用することができる。図４には、調整なしのアッセンブリ（図４ａ参照）と比較して、種々異なる実施の形態が示してある。たとえば、形状記憶合金から成る種々異なるアッセンブリの使用によって、それぞれ異なる機械的な変形に基づき、自動的に制御されるプレ渦流ノズル２４を実現することができる（図４ｂ〜図４ｆ参照）。全ての実施の形態は、上側の壁エレメント３８（図４ｃおよび図４ｄ）、下側の壁エレメント４４（図４ｅ参照）、ダイヤフラム３６（図４ｂ参照）または渦流羽根２６それ自体（図４ｆ参照）の並進運動に基づく渦流通路２７の高さの減少による図３ｃに示した面積Ｆの減少に基づいている。
【００４７】
図４ｂの実施の形態では、渦流羽根２６の羽根先端の領域に、渦流通路２７内に向かって湾曲させられたダイヤフラム３６が設けられている。このダイヤフラム３６の曲率（湾曲量）ひいては渦流通路２７における流れ横断面が変化させられる。
【００４８】
図４ｃの実施の形態では、渦流羽根２６の羽根先端の領域に調節装置３７が設けられている。この調節装置３７は、壁平行な、つまり、渦流通路壁に対して平行な壁エレメント３８を備えている。この壁エレメント３８は、相応のハウジングに組み付けられた、形状記憶合金から成る調節エレメント４０によって、（渦流通路）壁に対して垂直に移動することができる。調節エレメント４０は、ピンまたはばねの形を有していてよい。流れ方向で見て壁エレメント３８の前方に（上流側に）配置された、この壁エレメント３８によって調節可能な案内金属薄板３９が、流れを、壁エレメント３８によって減少させられた横断面に導く。
【００４９】
図４ｄの実施の形態では、調節装置４１が、その他の点では図４ｃと同じ構造のまま、ピンまたはばねの形の開放した調節エレメント４２を有している。
【００５０】
図４ｅの実施の形態では、調節装置４３が、渦流羽根２６の羽根根元の側に配置された、対応配置された案内金属薄板４５を備えた壁平行な壁エレメント４４を有している。この壁エレメント４４も同じく、形状記憶合金から成る調節エレメント４２によって壁に対して垂直に移動することができる。
【００５１】
図４ｆの実施の形態では、渦流羽根２６それ自体が、形状記憶合金から成る相応の調節エレメント４６によって壁に対して垂直に移動させられ、これによって、（プラットフォームの移動により）渦流通路２７の横断面が変化させられる。この実施の形態でも、案内金属薄板４７が設けられており、これによって、流れが、狭隘された横断面に向かって導かれる。当然ながら、図４ｂ〜図４ｆの種々異なる調節機構が互いに組み合わされてもよい。
【００５２】
適切な調節機構に対する別の実施の形態が、図５に示してある。部分図ａ）には、渦流羽根２６の側面図が示してあり、部分図ｂ）には、渦流羽根２６を上方から見た図が示してある。この実施の形態における渦流羽根２６は、羽根長手方向に向けられた、形状記憶合金から成るねじりエレメント４８によって形成される軸を中心としてねじり可能である。渦流羽根２６の相応のねじれ（図５ｂに示した実線および破線参照）によって、アッセンブリの自由流れ横断面が変化させられる。
【００５３】
別の可能な実施の形態は、図６によれば、渦流通路２７の流出開口に絞り４９を配置することにある。この絞り４９は全体的にまたは部分的に形状記憶合金から成っていて、流出開口を温度に応じて変化させる（図６に示した符号４９に対する破線参照）。機械の出力が減少させられ、これによって、高温ガス、圧縮された空気または何らかの部材の金属温度が変化させられると、徐々に絞り４９が閉鎖され、冷媒の質量流量を減少させる。
【００５４】
絞り４９が、図７に示したように、複数の絞りエレメント５０から成っている場合には、渦流通路２７の出口は撮影機器の絞りと同様に次第に閉鎖される（図７ａが、タービンの全負荷に対応しているのに対して、図７ｂおよび図７ｃは、タービンの部分負荷に対応している）。
【００５５】
しかし、渦流通路２７の形状に関連して、絞り４９は、図８によれば、複数の絞りエレメント５１から形成されたスルースゲートのように形成されていてもよい。全体的にまたは部分的に形状記憶合金から成るこのスルースゲートは、温度に応じて渦流通路２７内の冷媒流を減少させるかまたは渦流通路２７内の冷媒流を完全に遮断する。この場合には、個々の絞りエレメント５１が温度に応じて、冷媒流に影響を与える伸長５２を受ける。
【００５６】
しかし、図７または図８に示したアッセンブリを従来の材料から製造することも可能である。図９または図１０によれば、個々の絞りエレメント５３；５５に、形状記憶合金から成る対応するねじりエレメント５４；５６によって、流れ横断面を変化させるための所要のねじり運動が付与される。
【００５７】
全体として、本発明は、冷媒消費量を回転機械の負荷状態に関連して、効率が向上するように調整するために、回転機械の二次的な冷媒システムに形状記憶合金を使用することを説明している。上述した実施の形態において説明した渦流手段は、調節機構の相応の変更を要求する種々異なる形状をとることができる。形状記憶合金に基づく前述した自動的な調整機構は、熱遮蔽体で使用されてもよく、これによって、冷媒消費量が（ガスタービンの）出力に関連して制御される。
【００５８】
提案したアッセンブリは、回転する基準フレームにおける全体温度に対して相対的に冷媒温度をさらに低下させる点で有利である。これによって、必要となる冷却空気質量流量をさらに減少させ、ひいては、ガスタービンの出力と効率とを高めることが可能となる。
【００５９】
形状記憶合金は、種々異なる元素のそれぞれ異なる冶金組成から成っていてよく、種々異なるテクノロジによって製造されてもよい。機械の温度の変化および／または機械の機械的な変更は、形状記憶合金から成る構成部材の幾何学的形状変更のプロセスを開始する。組立て時の誤差の減少に際しては、伸長の代わりに、構成部材の収縮特性が考慮される。
【００６０】
提案した機構をガスタービンの例において説明したが、形状記憶合金から成るエレメントに基づく冷媒制御は、冷媒質量流量の能動的な自動的な制御が必要となる別の機械に使用されてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 圧縮機空気主流
１３ 二次流
１４ 冷却通路
１５ 高温範囲
１６ 案内羽根
１７ 回転羽根
１８ 案内羽根固定部材
１９ 羽根根元
２０ 羽根ネック
２１ 回転速度
２２ ロータ
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ シールシステム
２４ プレ渦流ノズル
２５ プラットフォーム
２６ 渦流羽根
２７ 渦流通路
２８ ステータ
２９ 高温ガス主流
３１ 圧縮機ハウジング
３２ 圧縮機案内羽根
３３ 圧縮機回転羽根
３４ 機械軸線
３５ 隘路
３６ ダイヤフラム
３７ 調節装置
３８ 壁エレメント
３９ 案内金属薄板
４０ 調節エレメント
４１ 調節装置
４２ 調節エレメント
４３ 調節装置
４４ 壁エレメント
４５ 案内金属薄板
４６ 調節エレメント
４７ 案内金属薄板
４８ ねじりエレメント
４９ 絞り
５０ 絞りエレメント
５１ 絞りエレメント
５２ 伸長
５３ 絞りエレメント
５４ ねじりエレメント
５５ 絞りエレメント
５６ ねじりエレメント
Ｆ 面積
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械、特にガスタービンであって、該回転機械が、冷媒、特に冷却空気によって冷却されるようになっており、該冷媒が、回転機械を通して主流と二次流とで案内されるようになっている回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギを発生させる回転機械、たとえばガスタービンまたは発電機では、強く熱負荷される部材の所要の冷却が、システムの総効率および寿命に影響を与える主要な物理的なパラメータを成している。多くの場合、冷媒として空気が使用される。しかし、同じ目的のためには、蒸気発生器から分岐される蒸気が使用されてもよい。本発明を空冷式のガスタービンの例において説明するが、本発明は、特有の冷却形態に限定されるものではなく、したがって、あらゆる種類の冷媒に対して使用することができる。
【０００３】
図１には、断面図でガスタービン１０の一部が示してある。このガスタービン１０では、吸い込まれた空気が、圧縮機ハウジング３１と、圧縮機案内羽根３２と、圧縮機回転羽根３３とを有する圧縮機１１によって、周辺圧から出発して、設定された運転圧に圧縮される。圧縮後、圧縮された空気流は圧縮機空気主流１２と二次流１３とに分割される。圧縮機空気主流１２は、（図１に示していない）燃焼器の高温の部分を冷却した後、燃焼器内で燃料の燃焼のために使用され、これによって、タービンを運転するための高温ガスが発生させられる。圧縮された空気の二次流１３は、圧縮機１１から冷却通路１４を介してガスタービン１０の高温範囲１５に案内される。そこで、冷媒はタービンの案内羽根１６と回転羽根１７との内部冷却のために使用される。付加的には、冷媒が、案内羽根固定部材１８における温度と、機械軸線３４を中心としたロータ２２の回転速度２１に基づき最も高い遠心力にさらされている回転部材、たとえば羽根根元１９および羽根ネック２０における温度とを低下させる。
【０００４】
空気の一部は、特にガスタービン１０の回転部材、たとえばロータ２２と、静止部材、たとえばステータ２８との間のシール目的のためにも使用される（図１に示したシールシステム２３ａ，２３ｂ，２３ｃ参照）。その際、ギャップには、高温ガス通路（図１に示した高温ガス主流２９参照）内に流出する空気であって、この箇所で高温ガスの流入ひいては局所的な過熱を阻止する空気が押し流される。
【０００５】
通常、一般的には、これに関連して、渦流通路２７内に配置されたプレ渦流ノズル（Ｖｏｒｗｉｒｂｅｌｄｕｅｓｅ：図１に示した符号２４参照）と呼ばれる特殊な装置または圧縮機１１から分岐された空気をタービンの高温範囲１５に案内して、ロータ２２と高温の回転部材、たとえば羽根根元１９、羽根ネック２０および羽根プラットフォーム２５とを冷却する渦流発生器が使用される。
【０００６】
ガスタービン１０が部分負荷下で運転されるかまたは全負荷下で運転されるかに応じて、運転条件のもと、タービンの高温の構成部材に対する熱負荷が増減される。たとえば、ガスタービンの出口出力の低下は、通常、燃焼器内での火炎温度の低下によって引き起こされる。要求された出力に関連して、ガスタービンを全負荷および部分負荷で運転することができる。全負荷は通常の運転条件に対応している。種々異なる運転状態は、圧縮機段に設けられた可変案内羽根（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇｕｉｄｅ Ｖａｎｅｓ：ＶＧＶ）によって制御される。この可変案内羽根はその食違い角を所望の出口出力に関連して変化させる。これによって、コンスタントな回転速度２１のまま、最大のまたはより少ない空気質量流量が得られる。
【０００７】
渦流通路２７内に配置された渦流羽根２６の下流側の空気の流速ｃの量（図１および図２参照）は、渦流通路２７内の質量流量に線形に関連している。ガスタービンの全負荷に対応する通常運転に対して、結果的に生じる速度ｗは、関係式
ｗ＝２π・Ｒ・Ω・ｃ
によって与えられている。ここで、Ωは、タービンの回転速度２１であり、Ｒは、渦流通路２７の出口における平均半径である（図２参照）。結果的に生じる空気速度ｗは、全体温度Ｔｔに関係式
Ｔｔ＝Ｔ＋ｗ２／（２Ｃｐ）
により影響を与える。ここで、Ｔは、静温度を表しており、Ｃｐは、比熱を表している。
【０００８】
コンスタントな回転速度Ωに対して、部分負荷は可変案内羽根ＶＧＶによって達成される。この可変案内羽根ＶＧＶは圧縮機１１内の質量流量を減少させる。次いで、渦流装置（渦流羽根２６）の下流側の空気速度ｃが低下させられる。最終的には、これによって、結果的に生じる速度ｗに影響が与えられる。このことは、高温の回転部材、たとえば羽根根元１９、羽根ネック２０およびプラットフォーム２５の金属温度に直接影響を与える。コンスタントな回転速度のまま、この金属温度が一定に保たれる場合には、相応の機械的な構成要素は低サイクル疲労（Ｌｏｗ Ｃｙｃｌｅ Ｆａｔｉｇｕｅ：ＬＣＦ）を受けない。このことは、制御される弁によって技術的に達成されてもよい。しかし、実際には、渦流装置は、通常、冷却通路１４内の質量流量に影響を与えることができる制御エレメントを備えていない。なぜならば、ロータ２２およびステータ２８のこの領域には、制限されてしか手を近づけることができないからである。
【０００９】
ロータ２２、ステータ２８およびタービン羽根における冷却空気分配の制御は、逆流を回避するための要求によって付加的に困難となる複雑な試みである。この結果、単純な絞り部材は良好な解決手段を成しておらず、空気力学的に最適化された構成を備えた制御装置を使用することが有利となる。このような装置がプレ渦流ノズル２４である。このプレ渦流ノズル２４は、通常、タービン案内羽根のような静止羽根列（図３ａに示した渦流羽根２６参照）によって形成される。この渦流羽根２６は圧縮機１１と高温範囲１５との間でステータ２８に固定されている。渦流羽根２６の間には、相応の面積Ｆ（図３ｃ参照）を備えた隘路３５（図３ｂ参照）が形成されている。
【００１０】
プレ渦流ノズル２４の領域において、質量流量の簡単で機能確実な自動的な調整を簡単に実現することができれば、大きな手間をかけずに、タービンの種々異なる負荷状態において、相応の領域の特に効果的な冷却を実現することができる。
【００１１】
英国特許出願公開第２３５４２９０号明細書に基づき、ガスタービンにおいて、タービン羽根の内部を通る冷却空気流を、形状記憶合金から成る円形の弁によって制御することが公知である。
【００１２】
米国特許出願公開第２００９／０２２６３２７号明細書に基づき、類似の解決手段が公知である。この公知の解決手段では、タービンの個々のディスク内に、形状記憶合金から成るスリーブが挿入されている。このスリーブは冷媒通路の横断面を温度に応じて変化させる。
【００１３】
両例では、冷媒の主流に影響が与えられている。
【００１４】
さらに、英国特許出願公開第２４７０２５３号明細書には、ガスタービン内の冷媒流を制御するための装置が開示されている。環状のフローリミッタが使用される。このフローリミッタは、全周にわたって分配されて配置された複数の貫通孔を備えている。これらの貫通孔の流れ横断面は、それぞれ弁エレメントによって変化させることができる。この弁エレメントの、孔に対して相対的な位置は、形状記憶金属（ＳＭＭ）エレメントによって変化させられる。一方の従来例（同明細書の図５参照）が、羽根による主流の公知の調整に関するのに対して、他方の従来例（同明細書の図４参照）は、ロータシャフトのシール領域における二次的な冷媒流の制御に関する。
【００１５】
米国特許出願公開第２００２／０７６３１８号明細書は、回転羽根を冷却するための、外部からガスタービンのロータへの冷却空気の接線方向でのノズル供給に関する。このノズル供給は、２つの別個の流れの混合下で行われる。両流れのうち、一方の流れは、内部から、ノズル供給のために設けられたノズル供給羽根によって放出される。特に形状記憶合金の使用下での横断面変化による制御は開示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】英国特許出願公開第２３５４２９０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０２２６３２７号明細書
【特許文献３】英国特許出願公開第２４７０２５３号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００２／０７６３１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の課題は、二次的な冷却領域における冷媒質量流量（ＳＡＦ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ａｉｒ Ｆｌｏｗ）の制御によって、冷却の能率および機械の効率が改善される回転機械、特にガスタービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この課題を解決するために本発明に係る回転機械によれば、回転機械が、ロータとステータとを有しており、前記冷媒の二次流が、ステータに設けられた渦流通路を通ってプレ渦流ノズルに案内されるようになっていて、該プレ渦流ノズルでステータから流出するようになっており、プレ渦流ノズルの範囲に、二次流を温度に応じて自動的に制御するための制御手段が配置されており、該制御手段が、全体的にまたは部分的に形状記憶合金から成っている。
【００１９】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、プレ渦流ノズルの範囲に渦流羽根が配置されており、該渦流羽根の範囲で温度に応じて渦流通路の流れ横断面が可変であるように、制御手段が形成されている。
【００２０】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、制御手段が、渦流通路内に向かって突入した、形状記憶合金から成るそれぞれ１つの湾曲させられたダイヤフラムを有しており、該ダイヤフラムが、曲率の変化によって渦流通路の横断面を変化させるようになっている。
【００２１】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、制御手段が、渦流通路内に壁平行に配置されたそれぞれ１つの壁エレメントを有しており、該壁エレメントが、温度に応じて長さ変化する、形状記憶合金から成る調節エレメントによって壁に対して横方向に移動可能であり、渦流通路の横断面を変化させるようになっている。
【００２２】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、調節エレメントが、ピンまたはばねとして形成されている。
【００２３】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、壁エレメントが、上流側に設置された面に案内金属薄板を備えており、該案内金属薄板が、渦流通路内で流れる媒体を、壁エレメントによって狭隘された横断面に導入するようになっている。
【００２４】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、渦流羽根が、それぞれ横断面を変化させるように渦流通路内に流れ方向に対して横方向に移動可能に配置されており、渦流羽根を温度に応じて移動させるために、形状記憶合金から成る調節エレメントが設けられている。
【００２５】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、移動可能な渦流羽根が、それぞれ上流側に設置された面に案内金属薄板を備えており、該案内金属薄板が、渦流通路内で流れる媒体を、渦流羽根によって狭隘された前記横断面に導入するようになっている。
【００２６】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、前記制御手段が、渦流羽根の長手方向軸線の方向に向けられた、形状記憶合金から成るそれぞれ１つのねじりエレメントを有しており、該ねじりエレメントが、渦流羽根の迎え角ひいては前記流れ横断面を温度に応じて変化させるようになっている。
【００２７】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、渦流通路の出口に、それぞれ出口開口を温度に応じてカバーするための手段が配置されている。
【００２８】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、カバー手段が、温度制御される絞りを有している。
【００２９】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、絞りもしくは絞りの絞りエレメントが、形状記憶合金から成っていて、温度に依存した絞りもしくは絞りエレメントの寸法の変化によって前記出口開口のカバー量を変化させるようになっている。
【００３０】
本発明に係る回転機械の有利な態様によれば、前記絞りが、それぞれ複数の絞りエレメントから成っており、該絞りエレメントが、それぞれ形状記憶合金から成るねじりエレメントに連結されており、該ねじりエレメントが、絞りエレメントを、温度制御されてねじるようになっていて、前記出口開口のカバー量を変化させるようになっている。
【発明の効果】
【００３１】
本発明は、回転機械、特にガスタービンであって、この回転機械が、冷媒、特に冷却空気によって冷却されるようになっており、この冷媒が、回転機械を通して主流と二次流とで案内されるようになっている形式の回転機械に関する。本発明は、回転機械が、ロータとステータとを有しており、冷媒の二次流が、ステータに設けられた渦流通路を通ってプレ渦流ノズルに案内されるようになっていて、このプレ渦流ノズルでステータから流出するようになっており、プレ渦流ノズルの範囲に、二次流を温度に応じて自動的に制御するための制御手段が配置されており、この制御手段が、全体的にまたは部分的に形状記憶合金から成っていることを特徴としている。
【００３２】
１つの態様は、プレ渦流ノズルの範囲に渦流羽根が配置されており、この渦流羽根の範囲で温度に応じて渦流通路の流れ横断面が可変であるように、制御手段が形成されていることを特徴としている。
【００３３】
別の態様によれば、制御手段が、渦流通路内に向かって突入した、形状記憶合金から成るそれぞれ１つの湾曲させられたダイヤフラムを有しており、このダイヤフラムが、曲率の変化によって渦流通路の横断面を変化させるようになっている。
【００３４】
本発明の別の態様は、制御手段が、渦流通路内に壁平行に（つまり、渦流通路壁に対して平行に）配置された、それぞれ１つの壁エレメントを有しており、この壁エレメントが、温度に応じて長さ変化する、形状記憶合金から成る調節エレメントによって（渦流通路）壁に対して横方向に移動可能であり、渦流通路の横断面を変化させるようになっていることを特徴としている。
【００３５】
特に調節エレメントが、ピンまたはばねとして形成されている。
【００３６】
別の態様は、壁エレメントが、上流側に設置された面に案内金属薄板を備えており、この案内金属薄板が、渦流通路内で流れる媒体を、壁エレメントによって狭隘された横断面に導入するようになっていることを特徴としている。
【００３７】
更なる態様は、渦流羽根が、それぞれ横断面を変化させるように渦流通路内に流れ方向に対して横方向に移動可能に配置されており、渦流羽根を温度に応じて移動させるために、形状記憶合金から成る調節エレメントが設けられていることを特徴としている。
【００３８】
別の態様によれば、移動可能な渦流羽根が、それぞれ上流側に設置された面に案内金属薄板を備えており、この案内金属薄板が、渦流通路内で流れる媒体を、渦流羽根によって狭隘された横断面に導入するようになっている。
【００３９】
本発明の更なる態様は、制御手段が、渦流羽根の長手方向軸線の方向に向けられた、形状記憶合金から成るそれぞれ１つのねじりエレメントを有しており、このねじりエレメントが、渦流羽根の迎え角ひいては流れ横断面を温度に応じて変化させるようになっていることを特徴としている。
【００４０】
さらに、渦流通路の出口に、それぞれ出口開口を温度に応じてカバーするための手段が配置されていることが可能である。
【００４１】
特にカバー手段が、温度制御される絞りを有していてよい。
【００４２】
１つの態様によれば、絞りもしくは絞りの絞りエレメントが、形状記憶合金から成っていて、温度に依存した絞りもしくは絞りエレメントの寸法の変化によって出口開口のカバー量を変化させるようになっている。
【００４３】
別の態様によれば、絞りが、それぞれ複数の絞りエレメントから成っており、これらの絞りエレメントが、それぞれ形状記憶合金から成るねじりエレメントに連結されており、このねじりエレメントが、絞りエレメントを、温度制御されてねじるようになっていて、出口開口のカバー量を変化させるようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】冷却空気を分配するための種々異なる経路を備えたガスタービンの一部の断面図である。
【図２】渦流通路の構成の拡大断面図である。
【図３】プレ渦流ノズル内に配置された渦流羽根をそれぞれ異なる方向から見た図である。
【図４】渦流通路内の冷却空気質量流量を自動的に調整するための本発明に係る種々異なる実施の形態（図４ｂ〜図４ｆ）を、調整されないアッセンブリ（図４ａ）に対して示す種々異なる部分図である。
【図５】渦流羽根の旋回によって渦流通路内の冷却空気質量流量を自動的に調整するための実施の形態を２つの方向から見た図である。
【図６】出口横断面の自動的な変更によって渦流通路内の冷却空気質量流量を自動的に調整する実施の形態の断面図である。
【図７】出口横断面を自動的に制御するための実施の形態における種々異なる状態を示す複数の部分図である。
【図８】出口横断面を自動的に制御するための別の実施の形態における種々異なる状態を示す複数の部分図である。
【図９】個々のエレメントがそれぞれ軸を中心として自動的にねじられる、図７に対応する構成を示す図である。
【図１０】個々のエレメントがそれぞれ軸を中心として自動的にねじられる、図８に対応する構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。
【００４６】
本発明の有利な実施の形態によれば、図１に示したガスタービン１０に設けられたプレ渦流ノズル２４が、全体的にまたは部分的に形状記憶合金（ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ：ＳＭＡ）から形成されている。通常の運転温度よりも低くてよい設定された限界温度未満では、プレ渦流ノズル２４の、形状記憶合金から成る部分が作動させられ、プレ渦流ノズル２４の隘路の範囲における横断面（積）を減少させる。これによって、ガスタービン１０の高温範囲１５への冷却空気質量流量が有効に減少させられる。その際、形状記憶合金から成る部分の収縮、伸び、ねじれおよび反りを、その他の点で鋼から成る単純なシステムの通流横断面を減少させるためのメカニズムとして利用することができる。図４には、調整なしのアッセンブリ（図４ａ参照）と比較して、種々異なる実施の形態が示してある。たとえば、形状記憶合金から成る種々異なるアッセンブリの使用によって、それぞれ異なる機械的な変形に基づき、自動的に制御されるプレ渦流ノズル２４を実現することができる（図４ｂ〜図４ｆ参照）。全ての実施の形態は、上側の壁エレメント３８（図４ｃおよび図４ｄ）、下側の壁エレメント４４（図４ｅ参照）、ダイヤフラム３６（図４ｂ参照）または渦流羽根２６それ自体（図４ｆ参照）の並進運動に基づく渦流通路２７の高さの減少による図３ｃに示した面積Ｆの減少に基づいている。
【００４７】
図４ｂの実施の形態では、渦流羽根２６の羽根先端の領域に、渦流通路２７内に向かって湾曲させられたダイヤフラム３６が設けられている。このダイヤフラム３６の曲率（湾曲量）ひいては渦流通路２７における流れ横断面が変化させられる。
【００４８】
図４ｃの実施の形態では、渦流羽根２６の羽根先端の領域に調節装置３７が設けられている。この調節装置３７は、壁平行な、つまり、渦流通路壁に対して平行な壁エレメント３８を備えている。この壁エレメント３８は、相応のハウジングに組み付けられた、形状記憶合金から成る調節エレメント４０によって、（渦流通路）壁に対して垂直に移動することができる。調節エレメント４０は、ピンまたはばねの形を有していてよい。流れ方向で見て壁エレメント３８の前方に（上流側に）配置された、この壁エレメント３８によって調節可能な案内金属薄板３９が、流れを、壁エレメント３８によって減少させられた横断面に導く。
【００４９】
図４ｄの実施の形態では、調節装置４１が、その他の点では図４ｃと同じ構造のまま、ピンまたはばねの形の開放した調節エレメント４２を有している。
【００５０】
図４ｅの実施の形態では、調節装置４３が、渦流羽根２６の羽根根元の側に配置された、対応配置された案内金属薄板４５を備えた壁平行な壁エレメント４４を有している。この壁エレメント４４も同じく、形状記憶合金から成る調節エレメント４２によって壁に対して垂直に移動することができる。
【００５１】
図４ｆの実施の形態では、渦流羽根２６それ自体が、形状記憶合金から成る相応の調節エレメント４６によって壁に対して垂直に移動させられ、これによって、（プラットフォームの移動により）渦流通路２７の横断面が変化させられる。この実施の形態でも、案内金属薄板４７が設けられており、これによって、流れが、狭隘された横断面に向かって導かれる。当然ながら、図４ｂ〜図４ｆの種々異なる調節機構が互いに組み合わされてもよい。
【００５２】
適切な調節機構に対する別の実施の形態が、図５に示してある。部分図ａ）には、渦流羽根２６の側面図が示してあり、部分図ｂ）には、渦流羽根２６を上方から見た図が示してある。この実施の形態における渦流羽根２６は、羽根長手方向に向けられた、形状記憶合金から成るねじりエレメント４８によって形成される軸を中心としてねじり可能である。渦流羽根２６の相応のねじれ（図５ｂに示した実線および破線参照）によって、アッセンブリの自由流れ横断面が変化させられる。
【００５３】
別の可能な実施の形態は、図６によれば、渦流通路２７の流出開口に絞り４９を配置することにある。この絞り４９は全体的にまたは部分的に形状記憶合金から成っていて、流出開口を温度に応じて変化させる（図６に示した符号４９に対する破線参照）。機械の出力が減少させられ、これによって、高温ガス、圧縮された空気または何らかの部材の金属温度が変化させられると、徐々に絞り４９が閉鎖され、冷媒の質量流量を減少させる。
【００５４】
絞り４９が、図７に示したように、複数の絞りエレメント５０から成っている場合には、渦流通路２７の出口は撮影機器の絞りと同様に次第に閉鎖される（図７ａが、タービンの全負荷に対応しているのに対して、図７ｂおよび図７ｃは、タービンの部分負荷に対応している）。
【００５５】
しかし、渦流通路２７の形状に関連して、絞り４９は、図８によれば、複数の絞りエレメント５１から形成されたスルースゲートのように形成されていてもよい。全体的にまたは部分的に形状記憶合金から成るこのスルースゲートは、温度に応じて渦流通路２７内の冷媒流を減少させるかまたは渦流通路２７内の冷媒流を完全に遮断する。この場合には、個々の絞りエレメント５１が温度に応じて、冷媒流に影響を与える伸長５２を受ける。
【００５６】
しかし、図７または図８に示したアッセンブリを従来の材料から製造することも可能である。図９または図１０によれば、個々の絞りエレメント５３；５５に、形状記憶合金から成る対応するねじりエレメント５４；５６によって、流れ横断面を変化させるための所要のねじり運動が付与される。
【００５７】
全体として、本発明は、冷媒消費量を回転機械の負荷状態に関連して、効率が向上するように調整するために、回転機械の二次的な冷媒システムに形状記憶合金を使用することを説明している。上述した実施の形態において説明した渦流手段は、調節機構の相応の変更を要求する種々異なる形状をとることができる。形状記憶合金に基づく前述した自動的な調整機構は、熱遮蔽体で使用されてもよく、これによって、冷媒消費量が（ガスタービンの）出力に関連して制御される。
【００５８】
提案したアッセンブリは、回転する基準フレームにおける全体温度に対して相対的に冷媒温度をさらに低下させる点で有利である。これによって、必要となる冷却空気質量流量をさらに減少させ、ひいては、ガスタービンの出力と効率とを高めることが可能となる。
【００５９】
形状記憶合金は、種々異なる元素のそれぞれ異なる冶金組成から成っていてよく、種々異なるテクノロジによって製造されてもよい。機械の温度の変化および／または機械の機械的な変更は、形状記憶合金から成る構成部材の幾何学的形状変更のプロセスを開始する。組立て時の誤差の減少に際しては、伸長の代わりに、構成部材の収縮特性が考慮される。
【００６０】
提案した機構をガスタービンの例において説明したが、形状記憶合金から成るエレメントに基づく冷媒制御は、冷媒質量流量の能動的な自動的な制御が必要となる別の機械に使用されてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 圧縮機空気主流
１３ 二次流
１４ 冷却通路
１５ 高温範囲
１６ 案内羽根
１７ 回転羽根
１８ 案内羽根固定部材
１９ 羽根根元
２０ 羽根ネック
２１ 回転速度
２２ ロータ
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ シールシステム
２４ プレ渦流ノズル
２５ プラットフォーム
２６ 渦流羽根
２７ 渦流通路
２８ ステータ
２９ 高温ガス主流
３１ 圧縮機ハウジング
３２ 圧縮機案内羽根
３３ 圧縮機回転羽根
３４ 機械軸線
３５ 隘路
３６ ダイヤフラム
３７ 調節装置
３８ 壁エレメント
３９ 案内金属薄板
４０ 調節エレメント
４１ 調節装置
４２ 調節エレメント
４３ 調節装置
４４ 壁エレメント
４５ 案内金属薄板
４６ 調節エレメント
４７ 案内金属薄板
４８ ねじりエレメント
４９ 絞り
５０ 絞りエレメント
５１ 絞りエレメント
５２ 伸長
５３ 絞りエレメント
５４ ねじりエレメント
５５ 絞りエレメント
５６ ねじりエレメント
Ｆ 面積
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械（１０）、特にガスタービンであって、該回転機械（１０）が、冷媒、特に冷却空気によって冷却されるようになっており、該冷媒が、回転機械（１０）を通して主流（１２）と二次流（１３）とで案内されるようになっている回転機械において、回転機械（１０）が、ロータ（２２）とステータ（２８）とを有しており、前記冷媒の二次流（１３）が、ステータ（２８）に設けられた渦流通路（２７）を通ってプレ渦流ノズル（２４）に案内されるようになっていて、該プレ渦流ノズル（２４）でステータ（２８）から流出するようになっており、プレ渦流ノズル（２４）の範囲に、二次流（１３）を温度に応じて自動的に制御するための制御手段（３６〜５６）が配置されており、該制御手段（３６〜５６）が、全体的にまたは部分的に形状記憶合金から成っていることを特徴とする、回転機械。
【請求項２】
プレ渦流ノズル（２４）の範囲に渦流羽根（２６）が配置されており、該渦流羽根（２６）の範囲で温度に応じて渦流通路（２７）の流れ横断面が可変であるように、制御手段（３６〜４８）が形成されている、請求項１記載の回転機械。
【請求項３】
制御手段（３６〜４７）が、渦流通路（２７）内に向かって突入した、形状記憶合金から成るそれぞれ１つの湾曲させられたダイヤフラム（３６）を有しており、該ダイヤフラム（３６）が、曲率の変化によって渦流通路（２７）の横断面を変化させるようになっている、請求項２記載の回転機械。
【請求項４】
制御手段（３６〜４７）が、渦流通路（２７）内に壁平行に配置されたそれぞれ１つの壁エレメント（３８，４４）を有しており、該壁エレメント（３８，４４）が、温度に応じて長さ変化する、形状記憶合金から成る調節エレメント（４０，４２）によって壁に対して横方向に移動可能であり、渦流通路（２７）の横断面を変化させるようになっている、請求項２記載の回転機械。
【請求項５】
調節エレメント（４０，４２）が、ピンまたはばねとして形成されている、請求項４記載の回転機械。
【請求項６】
壁エレメント（３８，４４）が、上流側に設置された面に案内金属薄板（３９，４５）を備えており、該案内金属薄板（３９，４５）が、渦流通路（２７）内で流れる媒体を、壁エレメント（３８，４４）によって狭隘された横断面に導入するようになっている、請求項４または５記載の回転機械。
【請求項７】
渦流羽根（２６）が、それぞれ横断面を変化させるように渦流通路（２７）内に流れ方向に対して横方向に移動可能に配置されており、渦流羽根（２６）を温度に応じて移動させるために、形状記憶合金から成る調節エレメント（４６）が設けられている、請求項２記載の回転機械。
【請求項８】
移動可能な渦流羽根（２６）が、それぞれ上流側に設置された面に案内金属薄板（４７）を備えており、該案内金属薄板（４７）が、渦流通路（２７）内で流れる媒体を、渦流羽根（２６）によって狭隘された前記横断面に導入するようになっている、請求項７記載の回転機械。
【請求項９】
前記制御手段が、渦流羽根（２６）の長手方向軸線の方向に向けられた、形状記憶合金から成るそれぞれ１つのねじりエレメント（４８）を有しており、該ねじりエレメント（４８）が、渦流羽根（２６）の迎え角ひいては前記流れ横断面を温度に応じて変化させるようになっている、請求項２記載の回転機械。
【請求項１０】
渦流通路（２７）の出口に、それぞれ出口開口を温度に応じてカバーするための手段（４９〜５１，５３〜５６）が配置されている、請求項１記載の回転機械。
【請求項１１】
カバー手段（４９〜５１，５３〜５６）が、温度制御される絞り（４９〜５１，５３〜５６）を有している、請求項１０記載の回転機械。
【請求項１２】
絞り（４９）もしくは絞り（４９）の絞りエレメント（５０，５１）が、形状記憶合金から成っていて、温度に依存した絞り（４９）もしくは絞りエレメント（５０，５１）の寸法の変化によって前記出口開口のカバー量を変化させるようになっている、請求項１１記載の回転機械。
【請求項１３】
前記絞りが、それぞれ複数の絞りエレメント（５３，５５）から成っており、該絞りエレメント（５３，５５）が、それぞれ形状記憶合金から成るねじりエレメント（５４，５６）に連結されており、該ねじりエレメント（５４，５６）が、絞りエレメント（５３，５５）を、温度制御されてねじるようになっていて、前記出口開口のカバー量を変化させるようになっている、請求項１１記載の回転機械。
【請求項１】
回転機械（１０）、特にガスタービンであって、該回転機械（１０）が、冷媒、特に冷却空気によって冷却されるようになっており、該冷媒が、回転機械（１０）を通して主流（１２）と二次流（１３）とで案内されるようになっている回転機械において、回転機械（１０）が、ロータ（２２）とステータ（２８）とを有しており、前記冷媒の二次流（１３）が、ステータ（２８）に設けられた渦流通路（２７）を通ってプレ渦流ノズル（２４）に案内されるようになっていて、該プレ渦流ノズル（２４）でステータ（２８）から流出するようになっており、プレ渦流ノズル（２４）の範囲に、二次流（１３）を温度に応じて自動的に制御するための制御手段（３６〜５６）が配置されており、該制御手段（３６〜５６）が、全体的にまたは部分的に形状記憶合金から成っていることを特徴とする、回転機械。
【請求項２】
プレ渦流ノズル（２４）の範囲に渦流羽根（２６）が配置されており、該渦流羽根（２６）の範囲で温度に応じて渦流通路（２７）の流れ横断面が可変であるように、制御手段（３６〜４８）が形成されている、請求項１記載の回転機械。
【請求項３】
制御手段（３６〜４７）が、渦流通路（２７）内に向かって突入した、形状記憶合金から成るそれぞれ１つの湾曲させられたダイヤフラム（３６）を有しており、該ダイヤフラム（３６）が、曲率の変化によって渦流通路（２７）の横断面を変化させるようになっている、請求項２記載の回転機械。
【請求項４】
制御手段（３６〜４７）が、渦流通路（２７）内に壁平行に配置されたそれぞれ１つの壁エレメント（３８，４４）を有しており、該壁エレメント（３８，４４）が、温度に応じて長さ変化する、形状記憶合金から成る調節エレメント（４０，４２）によって壁に対して横方向に移動可能であり、渦流通路（２７）の横断面を変化させるようになっている、請求項２記載の回転機械。
【請求項５】
調節エレメント（４０，４２）が、ピンまたはばねとして形成されている、請求項４記載の回転機械。
【請求項６】
壁エレメント（３８，４４）が、上流側に設置された面に案内金属薄板（３９，４５）を備えており、該案内金属薄板（３９，４５）が、渦流通路（２７）内で流れる媒体を、壁エレメント（３８，４４）によって狭隘された横断面に導入するようになっている、請求項４または５記載の回転機械。
【請求項７】
渦流羽根（２６）が、それぞれ横断面を変化させるように渦流通路（２７）内に流れ方向に対して横方向に移動可能に配置されており、渦流羽根（２６）を温度に応じて移動させるために、形状記憶合金から成る調節エレメント（４６）が設けられている、請求項２記載の回転機械。
【請求項８】
移動可能な渦流羽根（２６）が、それぞれ上流側に設置された面に案内金属薄板（４７）を備えており、該案内金属薄板（４７）が、渦流通路（２７）内で流れる媒体を、渦流羽根（２６）によって狭隘された前記横断面に導入するようになっている、請求項７記載の回転機械。
【請求項９】
前記制御手段が、渦流羽根（２６）の長手方向軸線の方向に向けられた、形状記憶合金から成るそれぞれ１つのねじりエレメント（４８）を有しており、該ねじりエレメント（４８）が、渦流羽根（２６）の迎え角ひいては前記流れ横断面を温度に応じて変化させるようになっている、請求項２記載の回転機械。
【請求項１０】
渦流通路（２７）の出口に、それぞれ出口開口を温度に応じてカバーするための手段（４９〜５１，５３〜５６）が配置されている、請求項１記載の回転機械。
【請求項１１】
カバー手段（４９〜５１，５３〜５６）が、温度制御される絞り（４９〜５１，５３〜５６）を有している、請求項１０記載の回転機械。
【請求項１２】
絞り（４９）もしくは絞り（４９）の絞りエレメント（５０，５１）が、形状記憶合金から成っていて、温度に依存した絞り（４９）もしくは絞りエレメント（５０，５１）の寸法の変化によって前記出口開口のカバー量を変化させるようになっている、請求項１１記載の回転機械。
【請求項１３】
前記絞りが、それぞれ複数の絞りエレメント（５３，５５）から成っており、該絞りエレメント（５３，５５）が、それぞれ形状記憶合金から成るねじりエレメント（５４，５６）に連結されており、該ねじりエレメント（５４，５６）が、絞りエレメント（５３，５５）を、温度制御されてねじるようになっていて、前記出口開口のカバー量を変化させるようになっている、請求項１１記載の回転機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１１２３８２（Ｐ２０１２−１１２３８２Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５３７５２（Ｐ２０１１−２５３７５２）
【出願日】平成２３年１１月２１日（２０１１．１１．２１）
【出願人】（５０３４１６３５３）アルストム テクノロジー リミテッド (394)
【氏名又は名称原語表記】ＡＬＳＴＯＭ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ
【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ７， ＣＨ−５４０１ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２１日（２０１１．１１．２１）
【出願人】（５０３４１６３５３）アルストム テクノロジー リミテッド (394)
【氏名又は名称原語表記】ＡＬＳＴＯＭ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ
【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ７， ＣＨ−５４０１ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
【Ｆターム（参考）】
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