(57)【要約】      （修正有）【課題】ターボポンプにおける案内羽根装置は、第１と第２の案内羽根で、第２案内羽根が第１案内羽根に隣接して配置されるので、流路が、第１案内羽根の前面と第２の案内羽根の後面との間に画定される、第２案内羽根とを具備する。【解決手段】第２案内羽根１４の後面は、第２案内羽根の後縁部に隣接して配置され且つ第１案内羽根１２の後縁部と第２案内羽根の後縁部により画定される、仮想平面に対して第１角度で配置される、後部分と、第２案内羽根の前縁部に隣接して配置され且つ第１案内羽根の後縁部と第２案内羽根の後縁部とにより画定される、仮想平面に対して第２角度で配置される、前部分であって、第２角度が第１角度より大きい、前部分と、後部分と前部分の間に配置され且つ第１の案内羽根の後縁部と第２案内羽根の後縁部で画定される、仮想平面に対して第３角度で配置される、中間部分で、第３角度が第１角度よりも小さい、中間部分とを具備する。【選択図】図３
2019206965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にターボポンプにおける使用のための案内羽根装置（１０）であって、この装置（１０）が、
第１の案内羽根（１２）と、
第２の案内羽根（１４）であって、前記第２の案内羽根（１４）が前記第１の案内羽根（１２）に隣接して配置されるので、流路（１６）が、前記第１の案内羽根（１２）の前面（１８）と前記第２の案内羽根（１４）の後面（２０）との間に画定される、第２の案内羽根（１４）と、を具備する案内羽根装置において、
前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）が、
前記第２の案内羽根（１４）の後縁部（３４）に隣接して配置されていて且つ前記第１の案内羽根（１２）の後縁部（３０）と前記第２の案内羽根（１４）の前記後縁部（３４）とにより画定される、仮想平面（Ｐ）に対して第１の角度（αｏｕｔ）において配置される、後部分（３２）と、
前記第２の案内羽根（１４）の前縁部（３８）に隣接して配置されていて且つ前記第１の案内羽根（１２）の前記後縁部（３０）と前記第２の案内羽根（１４）の前記後縁部（３４）とにより画定される、前記仮想平面（Ｐ）に対して第２の角度（αｉｎ）において配置される、前部分（３６）であって、前記第２の角度（αｉｎ）が前記第１の角度（αｏｕｔ）より大きい、前部分（３６）と、
前記後部分（３２）と前記前部分（３６）との間に配置されていて且つ前記第１の案内羽根（１２）の前記後縁部（３０）と前記第２の案内羽根（１４）の前記後縁部（３４）により画定される、前記仮想平面（Ｐ）に対して第３の角度（αｉｎｔｅｒ）において配置される、中間部分（４０）であって、前記第３の角度（αｉｎｔｅｒ）が前記第１の角度（αｏｕｔ）よりも小さい、中間部分（４０）と、を具備することを特徴とする案内羽根装置（１０）。
【請求項２】
前記第１の案内羽根（１２）の前記前面（１８）は、
前記第１の案内羽根（１２）の前縁部（２６）に隣接して配置されていて且つ前記流路（１６）の中心軸線（Ｃ）に対して、前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）の前記前部分（３６）に対向して配置される、入口部分（２４）であって、前記第１の案内羽根（１２）の前記前面（１８）の前記入口部分（２４）及び前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）の前記前部分（３６）が、前記流路（１６）を介して流れる流体流れ（Ｆ）の流れ方向において減少する、流れ断面を有する前記流路（１６）の制限部分（４２）を画定することが好ましい、入口部分（２４）と、
前記第１の案内羽根（１２）の後縁部（３０）に隣接して配置された出口部分（２８）であって、前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）の前記前部分（３６）の前記仮想平面（Ｐ）への投影は、前記第１の案内羽根（１２）の前記前面（１８）の前記出口部分（２８）の前記仮想平面（Ｐ）への投影と少なくとも部分的に一致することが好ましい、出口部分（２８）との内の少なくとも１つを具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の案内羽根装置。
【請求項３】
前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）の前記中間部分（４０）及び／又は前記後部分（３２）の前記仮想平面（Ｐ）への投影は、前記第１の案内羽根（１２）の前記前面（１８）の出口部分（２８）の前記仮想平面（Ｐ）への投影と一致しない、ことを特徴とする請求項２に記載の案内羽根装置。
【請求項４】
前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）は、第１の移行部分（４４）を更に具備しており、
前記第１の移行部分（４４）は、前記前部分（３６）と前記中間部分（４０）との間に配置されており、前記流路（１６）の前記中心軸線（Ｃ）に対して、前記第１の案内羽根（１２）の前記前面（１８）の前記出口部分（２８）に対向して配置されており、及び／又は、前記流路（１６）の前記中心軸線（Ｃ）に対して凸状曲率を有しており、
前記流路（１６）は、特に、前記流路（１６）を出る時に、前記流体流れ（Ｆ）が所望の第１の流速（Ｍｏｕｔ）において流れるように設計されており、
前記第１の移行部分（４４）及び前記第１の案内羽根（１２）の前記前面（１８）の前記出口部分（２８）は、前記流路（１６）を介して流れる前記流体流れの流れ方向において増大する、流れ断面を有する、前記流路（１６）の膨張部分（４６）を画定することが好ましく、更に、
前記膨張部分（４６）は、特に、前記膨張部分（４６）を介して流れる時に、前記流体流れ（Ｆ）が前記所望の第１の流速（Ｍｏｕｔ）よりも高い第２の流速（Ｍｅｘｐ）まで加速されるように設計される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の案内羽根装置。
【請求項５】
前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）は、第２の移行部分（４８）を更に具備しており、
前記第２の移行部分（４８）は、前記中間部分（４０）と前記後部分（３２）との間に配置されており、及び／又は、前記流路（１６）の前記中心軸線（Ｃ）に対して凹状の曲率を有しており、
前記第２の移行部分（４８）は、前記流路（１６）を介して流れる前記流体流れ（Ｆ）の流れ方向において減少する、流れ断面を有する、前記流路（１６）の再圧縮部分（５０）を画定することが好ましく、
前記再圧縮部分（５０）は、特に、前記流体流れ（Ｆ）が、前記再圧縮部分（５０）を介して流れる際に、前記所望の第１の流速（Ｍｏｕｔ）まで減速されるように設計される、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の案内羽根装置。
【請求項６】
前記第２の角度（αｉｎ）は、取り外し可能な支持構造により支持されることなく、付加製造法により前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）の前記前部分（３６）の製造を可能にするように選択されており、
前記第２の角度（αｉｎ）は、特に、２５度よりも大きく、好適には３０度よりも大きく、そして特に好適には３５度よりも大きい、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の案内羽根装置。
【請求項７】
前記第１の案内羽根（１２）と前記第２の案内羽根（１４）は、お互いに及びキャリア構造（２２）と一体的に形成されており、前記キャリア構造（２２）は特に、タービンマニホールド及び／又はタービンハウジングにより画定される、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の案内羽根装置。
【請求項８】
案内羽根装置（１０）を運転する方法であって、
第１の案内羽根（１２）の前面（１８）と第２の案内羽根（１４）の後面（２０）との間に画定された、流路（１６）に流体流れ（Ｆ）を供給する手順と、
前記第２の案内羽根（１４）の後縁部（３４）に隣接して配置された、前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）の後部分（３２）に沿って前記流体流れ（Ｆ）を案内する手順であって、それにより前記流体流れ（Ｆ）が前記第１の案内羽根（１２）の後縁部（３０）と前記第２の案内羽根（１４）の前記後縁部（３４）とにより画定される、仮想平面（Ｐ）に対して第１の流れ角度（αＦｏｕｔ）において流路（１６）を出るように、前記流体流れ（Ｆ）を偏向させる手順と、を具備する方法において、
前記流体流れ（Ｆ）は、前記後面（２０）の前記後部分（３２）に沿って案内される前に、前記第２の案内羽根（１４）の前縁部（３８）に隣接して配置された、前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）の前部分（３６）に沿って、前記流体流れ（Ｆ）が案内されており、それにより前記流体流れ（Ｆ）が前記第１の案内羽根（１２）の前記後縁部（３０）と前記第２の案内羽根（１４）の前記後縁部（３４）とにより画定される、前記仮想平面（Ｐ）に対して第２の流れ角度（αＦｉｎ）において流れるように偏向されており、前記第２の流れ角度（αＦｉｎ）は、前記第１の流れ角度（αＦｏｕｔ）より大きく、
そしてその後、前記流体流れ（Ｆ）は、前記後部分（３２）と前記前部分（３６）との間に配置された、第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）の中間部分（４０）に沿って案内されており、それにより前記第１の案内羽根（１２）の前記後縁部（３０）と前記第２の案内羽根（１４）の前記後縁部（３４）とにより画定される、前記仮想平面（Ｐ）に対して第３の流れ角度（αＦｉｎｔｅｒ）において、前記流体流れ（Ｆ）が流れるように偏向されており、前記第３の流れ角度（αＦｉｎｔｅｒ）は、前記第１の流れ角度（αＦｏｕｔ）よりも小さい、ことを特徴とする案内羽根装置の運転方法。
【請求項９】
前記第１の案内羽根（１２）の前記前面（１８）は、前記第１の案内羽根（１２）の前縁部（２６）に隣接して配置されていて且つ前記流路（１６）の中心軸線（Ｃ）に対して、前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）の前記前部分（３６）と対向して配置される、入口部分（２４）を具備しており、そして
前記流体流れ（Ｆ）の流速は、前記第１の案内羽根（１２）の前記前面（１８）の前記入口部分（２４）と前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）の前記前部分（３６）とにより画定されていて且つ前記流路（１６）を介して流れる前記流体流れ（Ｆ）の流れ方向において減少する、流れ断面を有する、前記流路（１６）の制限部分（４２）を介して案内される時に加速される、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）は、第１の移行部分（４４）を更に具備しており、前記第１の移行部分（４４）は、
前記前部分（３６）と前記中間部分（４０）との間に配置されており、
前記流路（１６）の前記中心軸線（Ｃ）に対して、前記第１の案内羽根（１２）の後縁部（３０）に隣接して配置される、前記第１の案内羽根（１２）の前記前面（１８）の出口部分（２８）に対向して配置されており、及び／又は、
前記流路（１６）の前記中心軸線（Ｃ）に対して、凸状曲率を有しており、
前記流路（１６）内の前記流体流れ（Ｆ）の流速は、前記流路（１６）を出る時に前記流体流れ（Ｆ）が所望の第１の流速（Ｍｏｕｔ）において流れるように制御されており、そして、
前記流体流れ（Ｆ）の流速は、前記第１の移行部分（４４）と前記第１の案内羽根（１２）の前記前面（１８）の前記出口部分（２８）とにより画定されていて且つ前記流路（１６）を介して流れる前記流体流れ（Ｆ）の前記流れ方向において増大する流れ断面を有する、前記流路（１６）の膨張部分（４６）を介して案内される時に、前記所望の第１の流速（Ｍｏｕｔ）より高い、第２の流速（Ｍｅｘｐ）まで加速される、ことを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の案内羽根（１４）の前記後面（２０）は、第２の移行部分（４８）を更に具備しており、
前記第２の移行部分（４８）は、前記中間部分（４０）と前記後部（３２）との間に配置されており、及び／又は、前記流路（１６）の前記中心軸線（Ｃ）に対して、凹状曲率を有しており、
前記流体流れ（Ｆ）の前記流速は、前記第２の移行部分（４８）により画定されていて且つ前記流路（１６）を介して流れる前記流体流れ（Ｆ）の前記流れ方向において減少する流れ断面を有する、前記流路（１６）の再圧縮部分（５０）を介して案内される時に、前記所望の第１の流速（Ｍｏｕｔ）まで減速される、ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記案内羽根装置（１０）は、付加製造法により製造される、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の案内羽根装置の製造方法。
【請求項１３】
前記案内羽根装置（１０）の層状形成において、少なくとも前記中間部分（４０）及び選択可能に後部分（３２）もまた、支持構造（Ｓ）により支持される、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記案内羽根装置（１０）の層状形成が完了した後に、前記支持構造（Ｓ）を取り外す手順を具備する、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の案内羽根装置（１０）を具備する、特にはターボポンプにおける使用のためのタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンにおいて使用するための案内羽根装置と、案内羽根装置の運転方法と、案内羽根装置の製造方法と、案内羽根装置を具備するタービンと、に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばターボポンプにおいて使用するためのタービン等の、タービンは一般的に、タービンの回転子の上流に配置されていて且つ流体流れが供給される前に流体流れを加速及び偏向させるように機能する、案内羽根装置又は案内格子を備える。特に、案内羽根装置は、回転子がその設計条件において動作することを可能にする、角度及び流速において流体流れが回転子翼に衝突するような状態で流体流れを加速及び偏向させる。
【０００３】
ターボポンプタービンにおいて使用するための案内羽根装置は、多段階式製造工程において製造される。第１の手順において、案内羽根及び、同様に案内羽根装置のキャリア（支持部）構成要素、例えばタービンマニホールド管の管本体又はタービンハウジング等は、お互いに別々に鋳造又は機械加工される。その後、個別の構成要素は、お互いに溶接される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、その複雑な幾何学的形状にも係わらず、簡単で且つ費用効果の高い方法で製造可能な案内羽根装置を特定することを目的とする。更に、本発明は、この種の案内羽根装置を運転する方法を提供することを目的とする。更に、本発明は、この種の案内羽根装置を簡単で且つ費用効果の高い方法で製造することを可能にする、方法を提供することを目的とする。最後に、本発明は、この種の案内羽根装置を備えた、タービンを特定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、請求項１の特徴を有する案内羽根装置と、請求項９の特徴を有する案内羽根装置を運転する方法と、請求項１２の特徴を有する案内羽根装置を製造するための方法と、請求項１５の特徴を有するタービンと、により達成される。
【０００６】
特にターボポンプにおける使用のために適した、案内羽根装置は、第１の案内羽根と第２の案内羽根とを具備する。第２の案内羽根は、流路が、第１の案内羽根の前面と第２の案内羽根の後面との間において画定されるように、第１の案内羽根に隣接して配置される。案内羽根装置は、例えば回転対称な案内格子を形成するように配置されてもよい、複数の第１と第２案内羽根を具備することが好ましい。案内格子は、タービン回転子の上流でタービンマニホールド内に設置されてもよく、そして回転子シャフト（軸）の周りにおいて回転対称な状態で伸びてもよい。案内羽根装置の案内羽根は、隣接する案内羽根の間に画定された流路を介してタービン回転子に供給されるべき流体流れを、流体流れが所望の速度及び所望の角度において回転子の回転子翼に衝突するように制御する、即ち偏向させ且つ加速させる、ように機能する。
【０００７】
第１と第２の案内羽根は、同一の形状を有することが好ましい。従って、本明細書において１つの隣接する「第２の案内羽根」に対して「第１の案内羽根」と指定される、案内羽根はまた、別の隣接する「第１の案内羽根」に対して「第２の案内羽根」を構成する。
【０００８】
第２の案内羽根の後面は、第２の案内羽根の後縁部に隣接して配置されていて且つ第１の案内羽根の後縁部と第２の案内羽根の後縁部とにより画定される、仮想平面に対して第１の角度において配置される、後部分を具備する。具体的には、後部分と仮想平面とによって画定される第１の角度は、流体流れが仮想平面に対して所望の流れ角度において流路から出るように、流路を介して流れる流体流れが制御されるように選択される。一般的には、後部分と仮想平面とにより画定される第１の角度は、流路を出る時に、流体流れが仮想平面と画定する、所望の流れ角度に実質的に対応する。
【０００９】
第２の案内羽根の後面は、第２の案内羽根の前縁部に隣接して配置されていて且つ第１の案内羽根の後縁部と第２の案内羽根の後縁部とにより画定される、仮想平面に対して第２の角度において配置される、前部分を更に具備する。第２の角度は、第１の角度より大きい。従って、流路に入った後に、流体流れは、前部分に沿って流れ、それにより流路を出る時の流体流れの所望の流れ角度よりも大きい、仮想平面との流れ角度を画定するように偏向される。
【００１０】
従って、第２の案内羽根の後面はまた、後部分と前部分との間に配置されていて且つ第１の案内羽根の前縁部と第２の案内羽根の後縁部により画定される、仮想平面に対して第３の角度（αｉｎｔｅｒ）において配置される、中間部分を備える。第３の角度は、第１の角度よりも小さい。従って、中間部分に沿って流れる時に、流体流れは、流路を出る時の流体流れの所望の流れ角度よりも小さい、仮想平面との流れ角度を画定するように偏向される。
【００１１】
第２の案内羽根の後面の上述の設計は、第２の案内羽根の後面の前部分が、従来技術の設計よりも大きな角度である、案内羽根の後縁部により画定される仮想平面に対する角度で伸びることを可能にする。結果として、例えば前部分に表面仕上げを施すために、又は付加製造法中に前部分を支持するために付加製造法により形成された支持構造を取り外すために、前部分への接近可能性は改善される。案内羽根装置の設計に応じて、場合によっては、支持構造もまた完全に回避されてもよい。結果として、案内羽根装置は、付加製造法により費用効果の高い方法で製造可能である。
【００１２】
特に、案内羽根装置は、粉末原料から生成的層形成法により製造可能である。具体的には、原料粉末層は、キャリア（支持部）に塗布されてもよく、そして生成されるべき案内羽根装置の所望の幾何学形状に応じて、選択された位置においてレーザー放射を受けてもよい。レーザーは、ＣＡＤデータにより制御される。粉末層を貫通するレーザー放射は、原料粉末粒子の加熱、ひいては溶融又は焼結を引き起こす。続いて、案内羽根配置が所望の形状及び寸法を有するまで、キャリア上の既に放射された層に、順次更なる原料粉末層が塗布される。例えば、案内羽根装置は、金属、特にチタン、あるいはチタン又はニッケル合金で構成されてもよい。
【００１３】
それとは別に、案内羽根装置はまた、しかしながら、例えばアルミニウム又は鋼合金等の別の金属材料から製作されてもよい。
【００１４】
第１の案内羽根の前面は、第１の案内羽根の前縁部に隣接して配置されていて且つ流路の中心軸線に対して、第２の案内羽根の後面の前部分に対向して配置される、入口部分を具備してもよい。第１の案内羽根の前面の入口部分及び第２の案内羽根の後面の前部分は、流路の制限部分を画定してもよい。流路の制限部分は、流路を介して流れる流体流れの流れ方向において減少する、流れ断面を有してもよい。流路の制限部を介して流れる時に、流体流れは加速される。
【００１５】
更に、第１の案内羽根の前面は、第１の案内羽根の後縁部に隣接して配置された、出口部分を具備してもよい。第２の案内羽根の後面の前部分の仮想平面への投影は、第１の案内羽根の前面の出口部分の仮想平面への投影と少なくとも部分的に一致することが好ましい。従って、案内羽根の後縁部の方向から見た時に、第２の案内羽根の後面の前部分は、第１の案内羽根の前面の出口部分により少なくとも部分的に覆われる。
【００１６】
反対に、第２の案内羽根の後面の中間部分の仮想平面への投影は、第１の案内羽根の前面の出口部分の仮想平面への投影と一致しないことが好ましい。これとは別に又はそれに加えてやはり、第２の案内羽根の後面の後部分の仮想平面への投影は、第１の案内羽根の前面の出口部分の仮想平面への投影と一致しないことが好ましい。
【００１７】
仮想平面に対する前部分の増大する角度は、後部分と仮想平面との間に画定される角度よりも更により小さい、仮想平面に対する角度で伸びる、中間部分の存在を必要とする。しかしながら、第２の案内羽根の上記の設計は、案内羽根の後縁部の方向から見た時に、第２の案内羽根の後面の中間部分及び／又は後部分が第１の案内羽根の前面の出口部分により覆われないこと、及び従って例えば、表面仕上げを提供するために、又は中間部分及び／又は後部分を支持するための案内羽根装置の付加製造中に形成される、支持構造を除去するために、容易に接近可能であることを保証する。
【００１８】
第２の案内羽根の後面は、前部分と中間部分との間に配置される第１の移行部分を更に具備してもよい。流路の中心軸線に対して、第１の移行部分は、第１の案内羽根の前面の出口部分に対向して配置されてもよい。第１の移行部分は、流路の中心軸線に対して凸状曲率を有することが好ましい。
【００１９】
案内羽根装置の第１と第２案内羽根との間に画定された流路は、特に、流路を出る時に、流体流れが所望の第１の流速において流れるように設計される。第１の移行部分及び第１の案内羽根の前面の出口部分は、流路の膨張部分を画定してもよい。流路の膨張部分は、流路を介して流れる流体流れの流れ方向において増大する、流れ断面を有してもよい。流路の膨張部分を介して流れる時に、流体流れは加速される。第１の移行部分と第１の案内羽根の前面の出口部分とにより画定される膨張部分は、しかしながら、膨張部分を介して流れる時に、流体流れが所望の第１の流速よりも高い第２の流速まで加速されるように設計されてもよい。従って、膨張部分は、流体流れを過膨張させる。
【００２０】
第２の案内羽根の後面は、中間部分と後部分との間に配置される、第２の移行部分を更に具備することが好ましい。第２の移行部分は、流路の中心軸線に対して、凹状の曲率を有することが好ましい。案内羽根装置の好適な実施の形態において、第２の移行部分は、流路を介して流れる流体流れの流れ方向において減少する、流れ断面を有する、流路の再圧縮部分を画定する。特に、第２の移行部分により画定される再圧縮部分は、流体流れが、再圧縮部分を介して流れる際に、膨張部分を出る時で且つ第２の案内羽根の後面の中間部分に沿って流れる間に、流体流れが流れる第２の速度から、流路の出口における所望の第１の流速まで減速されるように設計される。目的は、後縁部３０及び３４により画定される、出口平面Ｐにおいて平均設計流速及び平均設計角度を生成することである。出口流れ角度及び出口速度の両方の所望の平均値を達成するように、αｉｎｔｅｒ及びαｏｕｔの値は、設定されなければならない。
【００２１】
案内羽根配置の好適な実施の形態において、第２の角度、即ち、第２の案内羽根の後面の前部分と、第１と第２の案内羽根の後縁部により画定される仮想平面と、により画定される角度は、取り外し可能な支持構造により支持されることなく、付加製造法により前部分の製造を可能にするように選択される。好適には、第２の角度は、２５度よりも大きく、特に３０度よりも大きく、そして特に好適には３５度よりも大きい。それ（第２の案内羽根の後面の前部分）が案内羽根装置の付加製造中に支持をもはや必要としないような状態で、第２の案内羽根の後面の前部分を設計することにより、付加製造法の効率は、更に向上可能である。
【００２２】
第２の案内羽根の後面の後部分と、第１と第２の案内羽根の後縁部により画定される仮想平面と、により画定される第１の角度は、好適には１０〜３５度又は１５〜３５度の範囲内であり、好適には２０〜３０度の範囲内にあり、そして特には約２５度である。第２の案内羽根の後面の前部分と、第１と第２の案内羽根の後縁部により画定される仮想平面と、により画定される第２の角度は、好適には５０〜７０度の範囲内にあり、好適には５５〜６５度の範囲内にあり、そして特には約６０度である。第２の案内羽根の後面の中間部分と、第１と第２の案内羽根の後縁部により画定される仮想平面と、により画定される第３の角度は、好適には１〜１５度又は５〜１５度の範囲内にあり、好適には７〜１３度の範囲内にあり、そして特には約１０度である。
【００２３】
案内羽根装置の特に好適な実施の形態において、第１と第２案内羽根は、お互いに及びキャリア構造と一体的に形成される。キャリア構造は、例えば、タービンマニホールド及び／又はタービンハウジングにより画定されてもよい。案内羽根は、案内羽根装置を画定するように、お互いに隣接してキャリア構造に取り付けられてもよい。特に、キャリア構造と案内羽根と、好適には複数の第１と第２の案内羽根と、を具備する一体型の案内羽根装置は、付加製造法により製造される。
【００２４】
案内羽根装置を運転する方法において、第１の案内羽根の前面と第２の案内羽根の後面との間に画定された流路に流体流れを供給する。流体流れは、第２の案内羽根の後縁部に隣接して配置された、第２の案内羽根の後面の後部分に沿って案内されており、そしてそれにより、流体流れは、第１の案内羽根の後縁部と第２の案内羽根の後縁部とにより画定される、仮想平面に対して第１の流れ角度において流路を流体流れが出るように偏向される。後面の後部分に沿って案内される前に、第２の案内羽根の前縁部に隣接して配置された、第２の案内羽根の後面の前部分に沿って流体流れが案内されており、それにより流体流れが第１の案内羽根の後縁部と第２の案内羽根の後縁部とにより画定される、仮想平面に対して第２の流れ角度において流れるように、流体流れは偏向される。第２の流れ角度は、第１の流れ角度よりも大きい。その後、流体流れは、後部分と前部分との間に配置された、第２の案内羽根の後面の中間部分に沿って案内されており、それにより第１の案内羽根の後縁部と第２の案内羽根の後縁部とにより画定される、仮想平面に対して第３流れ角度において、流体流れが流れるように偏向される。第３の流れ角度は、第１の流れ角度よりも小さい。
【００２５】
第１の案内羽根の前面は、第１の案内羽根の前縁部に隣接して配置されていて且つ流路の中心軸線に対して第２の案内羽根の後面の前部分に対向して配置される、入口部分を具備することが好ましい。流体流れの流速は、第１の案内羽根の前面の入口部分と第２の案内羽根の後面の前部分とにより画定されていて且つ流路を介して流れる流体流れの流れ方向において減少する流れ断面を有する、流路の制限部分を介して案内される時に加速されてもよい。
【００２６】
第２の案内羽根の後面は、第１の移行部分を更に具備することが好ましく、第１の移行部分は、前部分と中間部分との間に配置されており、流路の中心軸線に対して、第１の案内羽根の後縁部に隣接して配置される、第１の案内羽根の前面の出口部分に対向して配置されており、及び／又は流路の中心軸線に対して、凸状曲率を有する。流路内の流体流れの流速は、流路を出る時に流体流れが所望の第１の流速において流れるように制御されることが好ましい。流体流れの流速は、第１の移行部分と第１の案内羽根の前面の出口部分とにより画定されていて且つ流路を介して流れる流体流れの流れ方向において増大する流れ断面を有する、流路の膨張部分を介して案内される時に、所望の第１の流速より高い、第２の流速まで加速されることが好ましい。
【００２７】
第２の案内羽根の後面は、第２の移行部分を更に具備することが好ましく、第２の移行部分は、中間部分と後部分との間に配置されており、及び／又は流路の中心軸線に対して凹状曲率を有する。流体流れの流速は、第２の移行部分により画定されていて且つ流路を介して流れる流体流れの流れ方向において減少する流れ断面を有する、流路の再圧縮部分を介して案内される時に、所望の第１の流速まで減速されることが好ましい。
【００２８】
上述の案内羽根装置の製造方法において、案内羽根装置は、付加製造法により製造される。
【００２９】
案内羽根装置を層状に形成する時に、少なくとも中間部分及び選択可能に後部分もまた、支持構造により支持されてもよい。
【００３０】
案内羽根装置の層状形成が完了した後に、支持構造は、取り外されてもよい。
【００３１】
ターボポンプにおける使用に特に適したタービンは、上述の案内羽根装置を具備する。
【００３２】
本発明の好適な実施の形態はここで、添付の概略図を用いてより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、従来技術による二段階式タービンを示す。
【図２】図２は、図１によるタービンの案内羽根装置であって、９０度回転される案内羽根装置を示す。
【図３】図３は、本発明による案内羽根装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、第１の段階１０２と第２の段階１０４とを具備する、従来の二段階式タービン１００を示す。第１のタービン段階１０２は、複数の第１の案内羽根１０６ａと、複数の第１の回転子翼１０８ａを有する第１の回転子１０８と、を有する第１の案内羽根装置１０６を具備する。第２のタービン段階１０４は、複数の第２の案内羽根１１０ａと、複数の第２の回転子翼１１２ａを有する第２の回転子１１２と、を有する第２の案内羽根装置１１０を具備する。第１と第２の案内羽根装置１０６、１１０の案内羽根１０６ａ、１１０ａがタービンマニホールド及び／又はタービンハウジング（図示せず）内に静止して設置される一方で、第１と第２の回転子１０８、１１２の回転子翼１０８ａ、１１２ａは、回転可能なシャフト（軸）（図示せず）に取り付けられるので、従って流体流れＦが回転子翼１０８ａ、１１２ａに衝突してタービン回転子１０８、１１２を駆動する時に、タービンマニホールド及び／又はタービンハウジングに対して回転可能である。
【００３５】
第１の案内羽根装置１０６は、第１の回転子１０８に供給される、流体流れＦを制御するように機能する。具体的には、流体流れＦは、第１の案内羽根装置１０６の隣接する案内羽根１０６ａの間に画定される、チャネル（流路）１１４を介して配向されると偏向されて更に、第１の回転子１０８がその設計条件において駆動されることを可能にする、角度及び流速において第１の回転子１０８の回転子翼１０８ａに、流体流れＦが供給されるように加速される。同様に、第２の案内羽根装置１１０は、第２の回転子１１２に供給される流体流れＦ’を制御するように機能する。具体的には、流体流れＦ'は、第２の案内羽根装置１１０の隣接する案内羽根１１０ａの間に画定される、チャネル１１６を介して配向されると偏向されて更に、流体流れＦが第２の回転子１１２の回転子翼１１２ａに、第２の回転子１１２がその設計条件において駆動されることを可能にする、流れ角度及び流速において供給されるように加速されてもよい。
【００３６】
案内羽根装置１０６、１１０のチャネル１１４、１１６内の流体流れＦ、Ｆ’の偏向及び加速は、案内羽根装置１０６、１１０の設計、即ち個々の案内羽根１０６ａ、１１０ａの形状及び寸法、並びに隣接する案内羽根１０６ａ、１１０ａの間の間隔に依存する。第１の案内羽根装置１０６において、隣接する案内羽根１０６ａの間に画定されたチャネル１１４は、１つの案内羽根１０６ａの前面１１９の一部と隣接する案内羽根の後面１２０の一部との間に画定された流れ膨張領域１１８を具備する。流れ膨張領域１１８を介して流れると、第１の回転子１０８に供給されるべき流体流れＦは、所望の速度まで、図示の例においてＭＡＢＳ＝１．１０ ／ ＭＲＥＬ＝０．７３まで加速される。
【００３７】
加えて、図２から明らかになるように、流体流れＦは、それ（流体流れＦ）が流体流れＦと案内羽根１０６ａの後縁部１２２により画定される仮想平面Ｐとの間に画定される、流れ角度αＦｏｕｔにおいて流路１１４から出るように偏向される。一般的に、流体流れＦと仮想平面Ｐとの間に画定される流れ角度αＦｏｕｔは、案内羽根１０６ａの後面１２０と案内羽根１０６ａの後縁部１２２により画定される仮想平面Ｐとの間に画定される、角度αｏｕｔに実質的に対応する。図１に示される例示的なタービン１００において、約２０度の流れ角度αＦｏｕｔにおいて第１の案内羽根装置１０６から出る流体流れＦは、流体流れＦが第１の回転子１０８の回転子翼１０８ａにα＝６７．２度及びβ＝５８．０度の所望の流れ角度で供給されることを確保する。
【００３８】
第１の案内羽根装置１０６において、案内羽根１０６ａの後面１２０と案内羽根１０６ａの後縁部１２２により画定される仮想平面Ｐとの間に画定される角度αｏｕｔは、約１５度、即ち＜２５度である。しかしながら、それは、角度が２５度よりも大きい場合であってもよい。結果として、付加製造法により第１の案内羽根装置１０６を製造することは、図２において参照番号１２４により指定される、支持構造の提供を必要とする。特に、チャネル１１４の流れの横断面が小さいことにより、チャネル１１４の流れ膨張領域１１８において及びそれに隣接して伸びる、支持構造１２４の一部分１２４ａを取り外すことは非常に困難である。
【００３９】
本発明による案内羽根装置１０は、図３に示される。案内羽根装置１０は、第１の案内羽根１２と第２の案内羽根１４とを具備する。流路１６が第１の案内羽根１２の前面１８と第２の案内羽根１４の後面２０との間に画定されるように、第２の案内羽根１４は、第１の案内羽根１２に隣接して配置される。案内羽根装置１０がタービン内に設置される時に、案内羽根装置１０の下流に設置される、回転子の回転子翼に流体流れＦを案内するように、流路１６は機能する。
【００４０】
図３は、単一の第１の案内羽根１２と単一の第２の案内羽根１４のみを示す。しかしながら、案内羽根装置１０は、お互いに隣接するように配置されて複数の流路１１４を画定する、複数の第１と第２の案内羽根１２、１４を備える。案内羽根装置１０の案内羽根１２、１４は、同一の形状及び寸法である。従って、図３の構成において、第１の案内羽根１２の右側に配置された第２の案内羽根１４に対して第１の案内羽根１２を構成する、案内羽根は、第１の案内羽根１２左側に配置された別の案内羽根（図３に示されない）に対して第２の案内羽根を構成する。
【００４１】
第１と第２の案内羽根１２、１４は、お互いに、且つ図３において点線で概略的に示されるキャリア（支持部）構造２２と、一体的に形成される。キャリア構造２２は、例えば、回転対称なタービンマニホールド及び／又はタービンハウジングの形態で設計されてもよく、それ（タービンマニホールド及び／又はタービンハウジング）に対して、案内羽根装置１０の個々の案内羽根１２、１４は、案内羽根装置１０の下流のタービン内に設置されるべき回転子に供給されるべき、流体流れＦのための案内格子を形成するように取り付けられる。
【００４２】
第１の案内羽根１２の前面１８は、第１の案内羽根１２の前縁部２６に隣接して配置された入口部分２４と、第１の案内羽根１２の後縁部３０に隣接して配置された出口部分２８と、を具備する。第１の案内羽根１２の前面１８と共に流路１６を画定する、第２の案内羽根１４の後面２０は、第２の案内羽根１４の後縁部３４に隣接して配置された後部分３２と、第２の案内羽根１４の前縁部３８に隣接して配置された前部分３６と、後部分３２と前部分３６との間に配置された中間部分４０と、を具備する。
【００４３】
第１の案内羽根１２の前面１８の入口部分２４は、流路１８の中心軸線Ｃに対して、第２の案内羽根１４の後面２０の前部分３６に対向して配置されており、そして第２の案内羽根１４の後面２０の前部分３６と共に、流路１６の制限部分４２を画定する。流路１６の制限部分４２は、流路１６を介して流れる流体流れＦの流れ方向において減少する、流れ断面を有する。従って、流体流れＦは、制限部分４２を介して案内される時に加速される、即ち制限部分４２を出る時に、流体流れＦは、第１と第２の案内羽根１２、１４の前縁部２６、３８の領域内の流路１６に入る時の流体流れＦの流速よりも速い流速を有する。
【００４４】
図３から明らかになるように、第２の案内羽根１４の後面２０の後部分３２は、第１と第２の案内羽根１２、１４の後縁部３０、３４により画定される仮想平面Ｐに対して第１の角度αｏｕｔにおいて伸びる。案内羽根装置１０の運転中に、流体流れＦは、後部分３２に沿って案内され、それにより、流体流れＦは、第１の角度αｏｕｔに実質的に対応する、仮想平面Ｐに対する第１の流れ角度αＦｏｕｔにおいて流路１６から出るように偏向される。
【００４５】
第２の案内羽根１４の後面２０の前部分３６は、第１と第２の案内羽根１２、１４の後縁部３０、３４により画定される仮想平面Ｐに対して第２の角度αｉｎで伸びる。案内羽根装置１０の運転中に、流体流れＦは、後部分３２に沿って案内される前に、前部分３６に沿って案内され、それにより、前部分３６の領域において、第２の角度αｉｎに実質的に対応する、仮想平面Ｐに対する第２の流れ角度αＦｉｎにおいて、流体流れＦが流れるように偏向される。
【００４６】
第２の案内羽根１４の後面２０の中間部分４０は、第１と第２の案内羽根１２、１４の後縁部３０、３４により画定される仮想平面Ｐに対して第３の角度αｉｎｔｅｒにおいて伸びる。案内羽根装置１０の運転中に、流体流れＦは、中間部分４０に沿って案内され、それにより、中間部分４０の領域内において、流体流れＦが第３の角度αｉｎｔｅｒに実質的に対応する、仮想平面Ｐに対する第３の流れ角度αＦｉｎｔｅｒにおいて流れるように偏向される。
【００４７】
第２の角度αｉｎは、第１の角度αｏｕｔより大きく、第３の角度αｉｎｔｅｒは、第１の角度αｏｕｔより小さい。同様に、第２の流れ角度αＦｉｎは、第１の流れ角度αＦｏｕｔより大きく、第３の流れ角度αＦｉｎｔｅｒは、第１の流れ角度αＦｏｕｔより小さい。図３に示される案内羽根装置１０の例示的な実施の形態において、第１の角度αｏｕｔ及び第１の流れ角度αＦｏｕｔは約２５度であり、第２の角度αｉｎ及び第２の流れ角度αＦｉｎは約６０度であり、そして第３の角度αｉｎｔｅｒ及び第３の流れ角度αＦｉｎｔｅｒは約１０度である。
【００４８】
更に、案内羽根１２、１４は、第２の案内羽根１４の後面２０の前部分３６の仮想平面Ｐへの投影ＰＲ１が、第１の案内羽根１２の前面１８の出口部分２８の仮想平面Ｐへの投影ＰＲ０と実質的に一致する一方で、第２の案内羽根１４の後面２０の中間部分４０及び後部分３２の仮想平面の投影ＰＲｉ、ＰＲｔが、第１の案内羽根１２の前面１８の出口部分２８の仮想平面Ｐへの投影と一致しないようにお互いに対して設計され且つ配置される。従って、案内羽根１２、１４の後縁部３０、３４の方向から見た時に、第２の案内羽根１４の後面２０の前部分３６だけが第１の案内羽根１４の前面１８の出口部分２８により覆われるのに反して、第２の案内羽根１４の後面２０の中間部分４０及び後部分３２は、自由に接近可能である。
【００４９】
第２の案内羽根１４の後面２０は更に、第１の移行部分４４を備える。第１の移行部分４４は、前部分３６と中間部分４０との間において配置されており、及び流路の中心軸線Ｃに対して、第１の案内羽根１２の前面１８の出口部分２８に対向して配置される。流路１６の中心軸線Ｃに対して、第１の移行部分４４は、凸状の曲率を有する。第１の移行部分４４及び第１の案内羽根１２の前面１８の出口部分２８は、流体流れＦの流れ方向において増大する、流れ断面を有する、流路１６の膨張部分４６を画定する。
【００５０】
流路１６は一般的に、流体流れＦが、流路１６を出る時に所望の第１の流速Ｍｏｕｔで流れることを確保する設計を有する。しかしながら、膨張部分４６は、流体流れＦが膨張部分４６を流れる時に所望の第１の流速Ｍｏｕｔよりも速い第２の流速Ｍｅｘｐまで加速されるように設計される。言い換えれば、膨張部分４６は、流体流れＦの過膨張をもたらす。
【００５１】
最後に、第２の案内羽根１４の後面２０は、中間部分４０と後部分３２との間に配置されていて且つ流路１６の中心軸線Ｃに対して凹状の曲率を有する、第２の移行部分４８を備える。案内羽根装置１０はまた、４４と後縁部３４との間において後面２０の全長に沿って伸びる、緩やかな曲線により設計されてもよい。その場合において、部分４０及び３２は、一点に落ち込み、そして角度αｉｎｔｅｒ及びαｏｕｔは、移行部分４８の始点及び終点における壁の傾斜を画定する。
【００５２】
第２の移行部分４８は、流路１６を介して流れる流体流れＦの流れ方向において減少する、流れ断面を有する再圧縮部分５０を画定する。再圧縮部分５０は、流体流れＦが再圧縮部分５０を介して流れる時に、所望の第１の流速Ｍｏｕｔまで減速されるように設計される。従って、再圧縮部分５０は、膨張部分４６内の流体流れＦの過膨張の補償を提供する。
【００５３】
案内羽根装置１０の作動中に、制限部分４２と膨張部分４６と再圧縮部分５０は、流体流れＦが所望の第１の流速Ｍｏｕｔにおいて流路１６を出ることを確保するように流体流れＦの流速を制御する。同時に、案内羽根１２、１４の設計により、付加製造法による案内羽根装置１０の製造が可能になる。特に、図３に示される案内羽根装置１０の例示的な実施の形態において約６０度である、第２の角度αｉｎは、支持構造による支持なしで、付加製造法により第２の案内羽根１４の後面２０の前部分３６の製造を可能にする。従って、第２の案内羽根１４の後面２０の前部分３６を、第１の案内羽根１２の前面１８の出口部分２８により覆うことにより接近することが困難である、支持構造を取り外す手順は、省略可能である。
【００５４】
それとは反対に、付加製造法において案内羽根装置１０を層状に形成すると、少なくとも低角度の中間部分４０、及び必要であれば、第２の案内羽根１４の後面２０の後部分３２もまた、取り外し可能な支持構造Ｓにより支持される。しかしながら、案内羽根装置１０の設計は、第２の案内羽根１４の後面２０の中間部分４０及び後部分３２への妨げられない接近を可能にするので、支持構造Ｓは、案内羽根装置１０の層状形成の完成後に容易に取り外すことができる。付加製造法により、キャリア構造２２及び案内羽根１２、１４は、一体的に製造可能である。
【００５５】
図３に示されるような本発明による案内羽根装置１０は、超音速タービンにおける使用に適しており、そして同じ基本原理を用いること（後縁部３０及び３４により画定される、出口平面Ｐにおける平均設計流速及び平均設計角度を得るように、後面２０に沿って輪郭を調整すること）は、亜音速タービンにも同様に適用可能である。
【図１】
2019206965.tif 000003
【図２】
2019206965.tif 000004
【図３】
2019206965.tif 000005
【外国語明細書】
2019206965000001.pdf