(57)【要約】本発明は、回転外側ケーシング（４）及び固定シャフト（８）を備える軸流タービンと、そのタービン用のロータ部分（１０）を製造する方法とに関する。タービンは、軸方向に配置された一連のロータ部分（１０）を備える。各ロータ部分（１０）は、外側リング（１４）とロータブレード（２）とを備え、ロータ部分（１０）の外側リング（１４）は、回転外側ケーシング（４）を形成するように接続する。ロータ部分（１０）は、炭化ケイ素又は窒化ケイ素から作製される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に配置された一連のロータ部分を備える軸流アウトランナタービンであって、
各ロータ部分が、外側リングとロータブレードとを備え、
前記ロータ部分の前記外側リングが、回転外側ケーシングを形成するように接続し、
前記ロータ部分が、炭化ケイ素又は窒化ケイ素から作製されている、軸流アウトランナタービン。
【請求項２】
前記ロータ部分が、ＲＢＳＮから作製され、前記タービンの最大軸速度で、前記半径方向部分が１８０ＭＰａ以下の応力を受けるように選択された半径サイズを有する、請求項１に記載の軸流アウトランナタービン。
【請求項３】
前記半径方向部分が、１００ＭＰａ以下の応力を受ける、請求項２に記載の軸流アウトランナタービン。
【請求項４】
前記ロータ部分が、ガス圧焼結窒化ケイ素（ＧＰＳＳＮ）、焼結窒化ケイ素（ＳＳＮ）又は再結晶窒化ケイ素（Ｒｘ  ＳＮ）の組から選択された窒化ケイ素から作製されている、請求項１に記載の軸流アウトランナタービン。
【請求項５】
前記ロータ部分が、焼結炭化ケイ素（Ｓ−ＳｉＣ）、窒化物結合炭化ケイ素（Ｎ−ＳｉＣ）、再結晶炭化ケイ素（Ｒｘ  ＳｉＣ）、ケイ素含浸炭化ケイ素（Ｓｉ−ＳｉＣ）又は反応結合炭化ケイ素（ＲＢＳｉＣ）の組から選択された炭化ケイ素から作製されている、請求項１に記載の軸流アウトランナタービン。
【請求項６】
前記ロータ部分が、外側の外装の内側に取り付けられており、
前記外装及び回転する外側ケーシングが合わせて回転するように配置され、
前記外装が、窒化ケイ素又は炭化ケイ素から作製されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸流アウトランナタービン。
【請求項７】
前記外装が、緻密な窒化ケイ素（ＤＳＮ）、ガス圧焼結窒化ケイ素（ＧＰＳＳＮ）、焼結窒化ケイ素（ＳＳＮ）、再結晶窒化ケイ素（Ｒｘ  ＳＮ）、反応結合窒化ケイ素（ＲＢＳＮ）又は反応焼結窒化ケイ素（ＳＲＢＳＮ）の組から選択された窒化ケイ素から作製されている、請求項５に記載の軸流アウトランナタービン。
【請求項８】
前記外装が、焼結炭化ケイ素（Ｓ−ＳｉＣ）、窒化物結合炭化ケイ素（Ｎ−ＳｉＣ）、再結晶炭化ケイ素（Ｒｘ  ＳｉＣ）、ケイ素含浸炭化ケイ素（Ｓｉ−ＳｉＣ）又は反応結合炭化ケイ素（ＲＢＳｉＣ）の組から選択された炭化ケイ素から作製されている、請求項５に記載の軸流アウトランナタービン。
【請求項９】
請求項１〜２及び５〜７のいずれか一項に記載の軸流アウトランナタービン用のロータ部分を製造する方法であって、前記ロータ部分がＲＢＳＮから作製され、前記方法が、冷間成形、鋳造、射出成形、フレーム溶射、付加製造、３Ｄ印刷、粘性プラスチック処理又はゾルゲル法を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
軸流タービンは、原動流体から有用な軸仕事を取り出す回転機械である。この原動流体は、典型的には高圧及び高温でタービンに供給され、一般に装置に沿って軸方向に流れる。典型的な軸流タービンは、固定された空気力学的ブレード（ステータ）及び回転する空気力学的ブレード（ロータ）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し、ロータは、その速度を、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取り出す。こうしたタービンは、多段の交互に配置されたロータ部分及びステータ部分からなり、ロータは、それらの半径方向最内点で回転中心シャフトに取り付けられ、ステータは、それらの半径方向最外点で固定ケーシングに取り付けられることが通例である。この従来のレイアウトは、外側ケーシングが固定されている一方で内側ロータ部分が回転することを示すように、「インランナ（ｉｎ−ｒｕｎｎｅｒ）」と称され得る。
【０００２】
代替的な構成は、特許文献１である。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、中心シャフトに据え付けられる代わりに、そのケーシングに据え付けられている。（その特許のいくつかの実施形態では、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）。これにより、ロータブレードにセラミック材料を使用することがより実現可能となる。それは、そのような構成が、ハブに据え付けられたロータブレードが遠心力によって高い引張応力を受ける一方、ケーシングに据え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ためである。この構成では、引張力は、ブレードではなく、代わりに回転ケーシングに現れる。こうしたレイアウトは、上述した「インランナ」タービン設計と異なって「アウトランナ（ｏｕｔ−ｒｕｎｎｅｒ）」と称され得る。
【０００３】
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の流れを可能にすることができ、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、タービンでより慣習的に使用されている金属合金と比較して、そうした高温において良好な機械特性を提供することが知られている。しかしながら、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設計に組み込むことが困難であったため、軸流タービンでのセラミックの使用は、比較すると依然として非常に稀である。
【０００４】
特許文献２は、ロータ部分及びステータ部分より緻密な、より高強度のセラミック材料から作製された構造的外装を含む完全セラミックタービンを示す。（本明細書の目的で緻密という用語の定義は、特許文献２によって定義されている。）緻密なセラミック外装が、タービンアセンブリに改善された構造的支持を提供し、回転構成要素のためにより高速な翼端速度を可能にする。しかしながら、こうしたより緻密なセラミックは、製造がより困難であるとともに費用がかかり、より緻密ではないセラミックほどにはステータ部分及びロータ部分に必要な複雑な幾何学的形状には適していない。難題及び複雑な製造プロセスにより、タービンアセンブリの製造コストが高くなる。
【０００５】
高温で機能するために、金属構成要素を使用する従来のインランナタービン及びアウトランナタービンはともに、高価で特殊な金属合金から構築する必要があり、動作温度が制限される（約１，１００℃未満、これにより出力発生効率が制限される）か、又は、ブレードの機械的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に複雑な毛管チャネルが必要となる。冷却チャネルは、タービンブレード設計及び製造に実質的な複雑性を追加し、空気流を促進するために寄生圧縮機負荷を追加し、マイクロタービン（すなわち、公称動力出力が約１ＭＷ未満であるガスタービン）に典型的な非常に薄く且つ小型のブレードに容易に嵌まることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１１３３２４号パンフレット
【特許文献２】ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５２８５０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５２８５０号明細書等の完全セラミックタービンにより、特殊な金属合金又は冷却チャネルなしに１，１００℃を超える動作が可能になり、したがって、薄く且つ小型のブレードを備えたマイクロタービンであっても、高い性能が可能でありながら、ブレードのコスト及び複雑性が大幅に低減する。ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５２８５０号明細書は、複雑な幾何学的形状に製造するのにより適したより低緻密のセラミック材料から作製されるロータ部分及びステータ部分と組み合わせた、より緻密で高強度のセラミック材料から作製された構造的外装の使用を利用する。この利点にも関わらず、ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５２８５０号明細書のタービンは、同じ出力の典型的な金属設計より低い回転速度、したがって、多くの場合のおよそ１００，０００ｒｐｍではなく、典型的には約２０，０００ｒｐｍ未満を必要とする。同じ出力及び効率を維持するために、これにより、タービン段の数が増加し、タービンが軸方向に大型化するとともにより多くの部品が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本出願人は、予期せずに、ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５２８５０号明細書に記載されているタービン設計の緻密な構造的外装を取り除き、複雑なタービンアセンブリのためにより低緻密なセラミックのみを使用することが可能であることを発見した。段の半径、速度及び数を操作することにより、ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５２８５０号明細書に記載されている同じ設計のタービンを、構造的外装なしに構築することができる。外装を使用するか否かのこの選択には利点及び不都合があり、ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５２８５０号明細書及び本発明はともに、本明細書に記載するように異なる環境に適している。構造的外装のないセラミックアウトランナタービンは、依然として、冷却チャネルの複雑性なしに金属部品を有するタービンより高温で動作することができ、外装を使用する場合より製造が安価になる。しかしながら、外装なしでは、翼端速度を低下させる必要がある。それにより、各段から取り出される仕事量が低減する結果となり、タービン段の数を増加させるか、又はブレード角度がより大きい流れの転向を有する必要があり、いずれの場合もタービンの効率が低下する。外装を使用するか否かの費用便益比は、選択される市場によって決まる（たとえば、自動車市場は、効率よりコスト及び／又はサイズによってより制約される可能性があるが、定置型発電の目的では、サイズははるかに制約されず、製造コストの削減より優れた効率が優先される）とともに、生産量によって決まる（たとえば、緻密なセラミックを射出成形することができるためには、収縮をより大きく補償する必要がある）。
【０００９】
緻密なセラミック外装がないにも関わらず、完全セラミックアウトランナ構成は、依然としてユニークであり、以下の理由でセラミックインランナ構成と比較して有益である。この利益が得られるのは、回転ロータハブケーシングにおける引張応力が、非常に一様であり、予測が容易であり、流路に影響を及ぼすことなく外部をより厚くすることができるためである。インランナ構成とは対照的に、引張応力はロータブレードにおいて現れる。ロータブレードに対する複雑な幾何学的形状により、製造欠陥、表面酸化及び異物の影響を受けやすい薄い部分と組み合わさって応力集中がもたらされる。ブレードが圧縮状態にあるセラミックアウトランナ構成は、これらの問題に対してより耐性がある。さらなる利点は、ロータブレードが加えられる応力及び高温でクリープするに従い、アウトランナ構成では、ロータが経時的にステータから離れる方向に変形し、単に翼端漏れが大きくなるのみであるのに対して、ロータブレードがケーシングに向かって延びるインランナ構成は、最終的に汚損し、前兆なしに破局的な故障をもたらす可能性がある、ということである。
【００１０】
外装が使用される場合、ロータ部分は外装の内側に取り付けられ、ロータ部分及び外装は、外装及びロータ部分が互いに対して一貫した位置決めを維持するように、合わせて回転するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】軸流タービンの断面図を示す。
【図２】図１の軸流タービンの外観図を示す。
【図３】外装特徴部を示す、別の軸流タービンの断面図を示す。
【図４】冷間成形に基づくＲＢＳＮ製造技法を示す。
【図５】鋳造に基づくＲＢＳＮ製造技法を示す。
【図６】射出成形又はフレーム溶射に基づくＲＢＳＮ製造技法を示す。
【図７】付加製造又はゾルゲル法に基づくＲＢＳＮ製造技法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
セラミックタービンに関する限り、１つの許容可能な材料は、緻密な窒化ケイ素（ＤＳＮ）である。これは、通常、主に窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）から構成される広範な種類のセラミックを指し、通常、ベータ（β）六方晶系の結晶形態である。緻密化は、通常、高温での液相の形成に役立つ少量の金属酸化物の添加によって達成される。これにより、窒化ケイ素粒状体が圧力及び温度を加え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ができる（Ｋｉｎｇｅｒｙ  Ｗ．Ｄ．，Ｂｏｗｅｎ  Ｈ．Ｋ．，Ｕｈｌｍａｎｎ  Ｄ．Ｒ．，“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ”，ｐｕｂ．Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ．ＩＳＢＮ  ０−４７１−４７８６０−１を参照）。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ことが期待される。高温機械性能は、一般に、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。より耐熱性のガラスの使用、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での圧力印加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。この種のセラミックには、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（熱間静水圧成形窒化ケイ素）及びＳＰＳＳＮ（スパークプラズマ焼結窒化ケイ素）がある。好適なセラミックの例としては、限定されないが、京セラ株式会社によって提供されるＳＮ２８２及びＳＮ２４０、Ｃｏｏｒｓｔｅｋ  Ｌｔｄによって提供されるＮＴ１５４、並びにＦＣＴ  Ｉｎｇｅｎｉｅｕｒｋｅｒａｍｉｋ  ＧｍｂＨから提供されるＧａｓ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｓｉｎｔｅｒｅｄ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ（ＧＰＳ−ＳＮ）が挙げられる。
【００１３】
別の好適な材料の種類は、サイアロンセラミックという種類である。サイアロンセラミックは、緻密な窒化ケイ素セラミックの一部とみなすことができる。通常利用されるセラミックは、一般に、化学式Ｓｉ６−ｚＡｌｚＯｚＮ８−ｚを有する拡張ベータ（β）六方晶系Ｓｉ３Ｎ４格子であり、ここで、ｚは、典型的には１．５より大きい（ただし、４を超えるまで拡張され得る）。通常、金属酸化物の組合せ又は他の適切な液体焼結助剤を添加することで緻密化が達成される。サイアロンセラミックは、緻密化助剤からの陽イオンの一部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、上述した緻密な窒化ケイ素セラミックと異なる。一種の緻密な窒化ケイ素とみなすことができる別の好適な材料は、反応焼結窒化ケイ素（Ｓｉｎｔｅｒｅｄ  Ｒｅａｃｔｉｏｎ−Ｂｏｎｄｅｄ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）（ＳＲＢＳＮ）である。反応焼結窒化ケイ素は、焼結プロセスにかけられた、後述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金属粉末に添加される。したがって、１４５０℃未満でＳｉをＳｉ３Ｎ４に変換した後、温度を上昇させることにより、幾分か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％）及び気孔率の低下を伴う。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、ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５２８５０号明細書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好適である。ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５２８５０号明細書のタービンアセンブリは外側の外装を含み、外装は、ロータ部分を構造的に支持し、ロータ部分とともに回転するように適合され、緻密な窒化ケイ素から作製される。この目的に好適な緻密な窒化ケイ素材料としては、限定されないが、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を含む上述した緻密な窒化ケイ素材料のうちの任意のものが挙げられる。好ましくは、外装に使用される緻密な窒化ケイ素材料は、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、外装に使用される緻密な窒化ケイ素材料は、理論上の密度の９８％を超える密度を有する。
【００１４】
種々の製造技法を使用して、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グリーン体形成、緻密化及び仕上げとみなすことができる。
【００１５】
グリーン体形成では、セラミック粉末が、焼結助剤及び一般的には逸散性（ｆｕｇｉｔｉｖｅ）バインダとの混合後、基本的な製品形状に形成される。グリーン体形成には、限定されないが、鋳込成形、加圧鋳造、凍結鋳造、射出成形、金型成形、粘性プラスチック処理及び静水圧成形が挙げられる。機械加工ステップが、初期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。この緻密化に先行して、使用されるグリーン体形成手順及び配合に応じて低温熱処理段階を行うことができる。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（ａｓ−ｆｉｒｅｄ）」以外の必要とされる任意の表面仕上げに対して、又は厳密な寸法公差を確実にするのに必要である。通常、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。
【００１６】
好ましくは、請求項に係る本発明の完全なアセンブリに対して、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略ユニークであり、形成手順とＲＢＳＮが多孔質である（典型的には１０〜３０％の気孔率を有する）という事実との両方において緻密な窒化ケイ素（ＤＳＮ）と異なる。
【００１７】
ＲＢＳＮの１つの製造方法は、窒素含有雰囲気中において、焼成により窒化物形態に変換する前に、好適なシリコン中実ビレット（前記ビレットは、好適なシリコン粉末を、ドライバッグ（ｄｒｙ  ｂａｇ）又はウェットバッグ（ｗｅｔ  ｂａｇ）静水圧成形（ｉｓｏｐｒｅｓｓｉｎｇ）又は金型成形を通して冷間成形することによって形成される）から形状体を機械加工することである。シリコン圧粉体相（強度を増大させ多孔性を低減させるために予備焼結されている場合もあればされていない場合もある）での機械加工により、より硬質でより脆性のセラミック相でのダイヤモンド研削と比較して工具費が大幅に削減される。これは、上述した「グリーン体形成」段階と非常に類似している。グリーン状態での機械加工の前に、バインダ除去及び予備焼結段階が必要とされる場合がある。別法として、圧縮段階の前に、元のシリコン粉末におけるバインダの割合を増大させることができる。これにより、バインダ硬化、又は重合化が可能となり、これにより、構成要素が硬くなり、機械加工が容易になるとともに、予備焼結段階が回避される。窒素含有雰囲気における加熱プロセスは、シリコン（Ｓｉ）金属を窒化ケイ素セラミックに変換するのに十分な温度で行われる。変換プロセスにより、最大１％の寸法変化がもたらされ、したがって内部応力が最小限になるとともに、それ以上費用のかかる仕上げがほとんど又はさらには全く必要でなくなり、収縮を補償するという難題が最小限になる。結果として、窒化物加熱プロセスにより、他の焼結プロセスと比較して収縮が最小限になり、したがって内部応力が最小限になり、焼成後のさらなる機械加工が不要となり、費用のかかるさらなる仕上げがほとんど（又はさらには全く）必要でなくなり、収縮を補償するという難題が大幅に除去される。
【００１８】
別法として、シリコン材料（好適な担体を含むシリコン粉末）は、塑性変形させて形状体を形成することができ、通常、射出成形が用いられ、収縮量が小さいため、この場合もまた、焼成後にさらなる機械加工をまったく又はほとんど必要としない。ある特定の構成要素に対して、バインダ除去の前のグリーン状態の機械加工を行うことができる。こうした構成要素は、グリーン状態に追加の強度を与えるためにより高い割合のバインダを必要とする。Ｓｉ金属の金属圧粉体を焼結して、（ダイヤモンド研削の代わりに）従来の金属機械加工プロセスにより、最終的な形状体を生成することができるようにすることができる。任意選択的に、射出成形の前にポリマー型にインサートを追加することができ、インサートの周囲に構成要素が成形される（通常、インサート射出成形又はオーバーモールドと称される）。これらのインサートは、他の製造方法によって、又は、適合性のある、すなわち、同様の収縮特性を通して若しくは異なる収縮に対する幾何学的許容差を通して適合性のある、異なるセラミック材料から、事前に作製された構成要素であり得る。インサートは、ロータ部分の外側リング、又はロータ部分のロータブレードのうちの１つ若しくは複数、又は両方に成形することができる。
【００１９】
任意選択的に、製造段階は、グリーン状態機械加工に対する必要性を低減させることができる液体処理手順を使用することができる。こうした技法としては、鋳込成形、加圧鋳造又は凍結鋳造が挙げられる。シリコン材料を、スリップを形成するように材料と混合して、構成要素のネットシェイプと同様の石膏型内に流し込むことができる。このスリップは、十分な液体除去を可能にする好適な時間放置され、その後、スリップは除去されて、石膏型の周囲に凝固した多孔質Ｓｉ堆積物が残る。別法として、シリコンスリップは、スリップが射出される多孔質ポリマー型を使用して、射出成形に類似して、加圧鋳造することができ、真空を使用して余分な液体が除去される。任意選択的に、インサート射出成形と類似して、インサートを含めることができる。別法として、スリップは、凍結鋳造されるように配合することができる。スリップは、好適な型内に流し込まれ、型の温度は（たとえば、液体窒素フリーザ内に配置することによって）下げられる。温まると、スリップの液体部分は融解し、固形成分のみが残る。
【００２０】
複雑な形状体の製造を可能にし、グリーン状態機械加工を不要にすることができる他の製造技法としては、３Ｄ印刷又は積層印刷等の付加製造技法が挙げられる。たとえば、ネットシェイプを３Ｄ印刷することができ、シリコン材料は好適な担体と混合され、層状に蓄積される。別法として、積層印刷を使用することができ、そこでは、シリコン材料の各蓄積層がレーザによって部分的に焼結される。別法として、ゾルゲル製造段階を採用することができ、そこでは、典型的には液体形態である２つの投入物質が、合わせて反応し、所望の構成要素形状のシリコン材料を形成する。先行する段落で記載したように、あり得る製造プロセスのブロックフローの視覚化を示す。
【００２１】
「グリーン形状体」は、フレーム／プラズマ溶射によって容易に準備することができる。完成したセラミックには、（配合及び製造中に使用される金属酸化物添加剤とは対照的に）ごくわずかなガラスが存在し、したがって高温耐クリープ性の向上が期待される。主な適用限界は、局所雰囲気に応じた腐食又は酸化を起こしやすい残存開放気孔率からもたらされる。結果として、ＲＢＳＮは、焼結によって形成されたもの等、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、一般に、（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により、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の実質的な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、ＲＢＳＮ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。ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／０５２８５０号明細書及び本発明の状況では、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。
【００２２】
窒化ケイ素として定義される材料の広範なカテゴリは、限定されないが、緻密な窒化ケイ素、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、緻密な窒化ケイ素の種類である）。これらはすべて、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）及び耐クリープ性と、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。大部分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、引張負荷より圧縮負荷に対する耐性の方がはるかに良好である。
【００２３】
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ともに使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、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（それらはすべて合わせて回転する）、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。
【００２４】
図１及び図２のタービンは、ロータ部分１０及びステータ部分１２を備える。ロータ部分は、外側円形リング１４の半径方向内側に位置決めされた空気力学的ロータブレード２を備える。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は接続して、連続する外側シリンダ又はケーシング４を形成する。本発明による他のタービンは、ケーシングに対して、任意選択的に幅に幾分かの軸方向の変動がある、円錐形状等、異なる管状形態を有することができる。図３のタービンは、任意選択的な外装特徴部１６を組み込んでいることを除き、図１及び図２のタービンと非常に類似している。
【００２５】
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上に構成されたステータブレード６を備える。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るシャフト８を形成する。（シャフト８は、ケーシング４によって回転しない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。
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態では、ロータ部分１０及びステータ部分１２は、各々が多くのブレード（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。別法として、本発明のいくつかの実施形態は、製造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ことができる。
【００２７】
本発明のいくつかの実施形態では、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の取付部からの摩擦に依存するのではなく、キー溝の形態又は他の非平面相互作用部を組み込んでいる。
【００２８】
固定シャフト８と回転する外側アセンブリとの配置は、動作時、従来のタービンにおけるように、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張力下でロータブレードを引っ張るのではなく、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。それは、セラミックが、張力下にあるとき、破断及びクリープし易い傾向があるためである。したがって、ロータブレード２を外側ケーシング４に配置することにより、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低減する。
【００２９】
回転負荷下では、ケーシング４は、張力がかかった状態にある。これにより、はるかにより単純なブレード幾何学的形状を使用することができ、したがって優れた構造効率が可能になる。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近づき、そのため、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学的形状は、より複雑な幾何学的形状に典型的である応力集中がないことも意味する。こうした幾何学的形状はまた、製造し平滑な仕上げまで研削するのが単純であり且つ費用がかからず、潜在的なクラック発生における表面欠陥の影響を最小限にする。この新規の設計によって提供される革新的な幾何学的形状により、より低コストの技法によって製造し、通常はタービンアセンブリに関連しないセラミックの組合せを使用する、より多くの機会が提供される。
【００３０】
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張力下におくこと）により、ブレードはより高速で回転することができ、段の仕事量が増大し、したがって段数が減少し、そのため同じ出力に対して必要な重量が低減し（すなわち出力／重量比が改善され）、結果として材料コストに対する利益が得られる。この特徴により、同じ空気力学的負荷がより薄いブレード（たとえば、１ｍｍ又は２ｍｍ厚程度）から得られることも可能になり、１段当たりでより多くのブレードを使用することが可能になる。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された場合、ピッチに対するブレードの軸方向長さの最適な比が得られる。そのため、より薄いブレードを使用することにより、効率に影響を及ぼすことなくタービンの全体的な長さ及び重量が低減する。これは、車両用途に特に有用である。
【００３１】
トルクは、様々な方法でタービンの回転部分から取り出すことができる。そうした方法としては、限定されないが、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、他端で回転シャフトに戻るように且つ／又はステータアセンブリを介して戻るようにロータを連結すること、又は、２つの別の片持ち梁が中央で一緒にな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接続することができるようにすることが挙げられる。
【００３２】
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、翼端漏れを制限するためにシュラウドを備えることができる。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と相互作用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により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それらを合わせて接続するさらなるリングを組み込むことによりロータ部分１０及び／若しくはステータ部分１２に提供することができる。これにより、翼端漏れ及び環状損失が制限され、ブレードにさらなる構造剛性が与えられる。
【００３３】
ロータ部分１０又はステータ部分１２のいずれかが、流れがタービンを通って圧力低下する際に一定の軸方向速度を維持するために通常実施されるように、流路の環状の広がりを促進し、それにより、円錐形のアセンブリをもたらすことができ、又はそうでない場合もあり得る。
【００３４】
任意選択的に、ロータ部分１０及びステータ部分１２は、複雑な幾何学的形状を有するにも関わらず、安価に製造することができるＲＢＳＮから作製される。これにより、ロータ部分の外側部が、原則的に最大１８０ＭＰａの応力を扱うことができる能力が得られるが、後述するように、ロータ部分は好適に長いクリープ寿命を有することが重要である。妥当なクリープ寿命が、１０，０００〜１００，０００時間の運転時間の範囲であるとみなされる応用の場合、外装なしタービンアセンブリのＲＢＳＮロータ部分は、（たとえば、＞１，１００℃又は＞１，２００℃のいずれかから選択される）高温で、ＤＳＮ構造的外装を有するタービンアセンブリの場合の１２０〜１３０ＭＰａに対して、９０〜１２０ＭＰａ（又は任意選択的に９０〜１００ＭＰａ）の範囲の応力で動作することができる。
【００３５】
任意選択的に、結果として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低下させるために、外側ケーシング４を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を介する冷却を使用する。代わりに、外側ケーシング４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がこうしたチャネルを必要としないことを意味し、したがって設計考慮事項及び製造プロセスが簡略化する。
【００３６】
任意選択的に、第１のロータ部分及び最後のロータ部分１０は、外側リング１４に加えて、回転軸に向かって配置された内側回転ハブを備えることができる。他の実施形態におけるように、外側リング１４は、介在するロータ部分１０の１４の外側リングと、任意選択的に外装の内側で接続して、外側ケーシング１４を形成する。一方で、第１のロータ部分１４及び最後のロータ部分１４の内側回転ハブは各々、タービンのそれらのそれぞれの端部において軸受との接続部に戻るように接合する。前記接続部により、内側回転ハブが回転することができ、第１のロータ部分及び最後のロータ部分がその内側回転ハブとともに回転し、それにより、ロータ構造体全体が回転する。
【００３７】
代替的なオプションとして、内側回転ハブを備えた第１のロータ部分又は最後のロータ部分を外装内に組み込んで、単一の大型の一体部品を形成することができ、これは一端において軸受との接続部に戻るように接合することができる。そして、残りのロータ部分は、この大型の一体部品内に軸方向に摺動して、任意選択的に何らかの形態の接着又は係止デバイスを介して、他端において軸受との接続部に戻るように接合して、アセンブリを完成することができる。これには、軸受間の接続部品の数が低減し、それによりタービンのいずれの端部においても同心性の欠如が低減し、それにより、軸受寿命が延長され振動の不均衡が低減するという利点がある。
【００３８】
任意選択的に、ロータ部分１０及びステータ部分１２は、従来の金属構成要素タービンアセンブリと比較した本発明の利点が維持されるように、選択された回転速度でタービンアセンブリ設計の基準を満足させる任意のセラミック材料（又はその複合材）から作製することができる。これら利点には、高温（典型的には、１０００℃を超える）でのごくわずかなクリープ及び強度の維持、タービンアセンブリに対する適合性のある熱膨張、良好な耐熱衝撃性、熱循環能力、及び目標幾何学的形状に製造されるのに好適であることが挙げられる。タービンのタービン入口温度及び圧力、回転速度並びに半径サイズに応じて、異なるセラミック材料が好適であり得る。
【００３９】
本発明のタービンアセンブリに好適であり得るセラミック材料としては、限定されないが、焼結炭化ケイ素（Ｓ−ＳｉＣ）、ケイ素含浸（ｓｉｌｉｃｏｎｉｚｅｄ）炭化ケイ素（Ｓｉ−ＳｉＣ）、反応結合炭化ケイ素（ＲＢＳｉＣ）、窒化物結合炭化ケイ素（Ｎ−ＳｉＣ）、再結晶炭化ケイ素（Ｒｘ  ＳｉＣ）等の炭化ケイ素材料ファミリが挙げられる。セラミック材料の選択又はその複合材の使用は、必要な動作条件に直接基づき、したがって、効率の低下又は他の不都合をもたらす可能性がある。しかしながら、限定され得ないが、製造コスト、製造の簡易性、及び大量製造の可能性を含むことができる利益をもたらすことができる。
【００４０】
表１は、材料の特性及び所望の動作条件に応じてＤＳＮ外装及び／又はＲＢＳＮコアのいずれかを置き換えることができる、あり得る材料の表を示す。耐クリープ性の列は、クリープに耐える材料の能力の定性的記述である。潜在的コストは、材料の性能のいかなる犠牲も潜在的コスト削減と比較することができるように、アルミナファミリが１という基準コストを有すると想定して、現時点でのおおよそのコストである。プロセス収縮度の列は、その材料に対する最も明確な製造プロセス中のおおよその収縮量を定義する。表におけるすべての値が、おおよその値であり、本明細書を書いている時点での典型的な値である。この表はまた、アルミナに対する数字も提供する。アルミナは、好適な材料ではないが、比較の目的で表に組み込まれている。
【００４１】
【表１】
2021519395.tif 000003
【００４２】
別法として、ＰＣＴ／ＧＭ２０１７／０５２８５０号明細書におけるＤＳＮから構築された外装を、炭化ケイ素外装、又は別のセラミック若しくはその複合材から作製された外装によって置き換えることができる。
【００４３】
任意選択的に、ＲＢＳＮ、ＳＲＢＳＮ又はＲＢＳｉＣは、緻密なセラミックから作製されたインサートを使用して強化することができる。緻密なインサートの使用により、相対的に高い応力を受ける領域が、相対的に強固な材料を使用することができる。たとえば、インサートとして緻密なセラミックリングを使用し、ＲＢＳＮをオーバーモールドしてロータ部分を形成することができる。任意選択的に、これらのインサートは、適切なアスペクト比の炭素繊維等、適切な繊維製品であり得る。これにより、セラミックタービンに典型的な高温性能を維持しながら、ロータ部分に強度が追加される。この種の強化は、このタービンのロータ部分に限定されず、高温耐性を必要とする任意の回転装置がこの種の強化を利用することができる。たとえば、インランナタービンは、繊維強化から利益を得る。バインダとしての適切な繊維の使用は、炭素繊維フェノール樹脂複合材を含むことができる。ここで、フェノール樹脂は、炭化され、その後ＳｉＣに変換され、炭素繊維バインダは構成要素に保持される。したがって、炭素繊維の構造的利益をセラミックの熱的利益と結合することができる。
【００４４】
上述したような材料の組合せは、緻密化時の収縮、及び／又は異なる材料間の熱膨張特性を利用して、動作中にセラミック材料がインサートを適切に把持するのを確実にすることができる。たとえば、緻密化時の収縮を使用して、オーバーモールドに使用されるインサートを把持することができる。これを実施することができる１つの方法は、ＳＲＢＳＮ製造プロセスにおいて焼結段階を制御することによる。適切な特性（強度、耐クリープ性等）のセラミックを組み合わせる可能性により、目標デューティサイクルに対する設計最適化が可能になる。
【００４５】
構築材料としてＲＢＳＮが使用される場合、動作ｒｐｍ、最大半径サイズ及び具体的な温度条件は、いかなる構造的外装も不要であるように、９０〜１８０ＭＰａ範囲未満の応力を維持するように選択することができる。翼端速度がより低いために、本発明は、同じ出力及び効率を維持するために、ＤＳＮの構造的外装を含むセラミックタービンより低い回転速度が必要であり、これによりタービン段数が増加し、タービンが軸方向に長くなる。
【００４６】
ＲＢＳＮはＤＳＮより製造が安価であるため、これをより多くの段にわたって延在させ、外装を除去することは、構造的外装を含むことと比較してコストに有益な影響を与える。より低い速度及び低い材料密度（したがってより低い軸受負荷）は、フォイル軸受又は磁気軸受等のより特殊なオプションではなく、ＳＫＦ  Ｌｔｄによって提供されるようなセラミックハイブリッド深溝ころ軸受等、より確立された軸受オプションとより一層適合性がある。低速化より、軸受損失、騒音及び振動も低減する。
【００４７】
クリープは、所定の温度及び負荷における寸法変化の尺度である。ゼロ負荷では、所与の温度ではクリープは最小（破壊条件未満）である。温度が上昇するに従い、クリープする傾向は（セラミックの質量のみで十分にあり得る低負荷下であっても）増大する。閾値に達すると、一定負荷でのクリープの速度は、温度によって上昇する。動作しているタービンに対して許容できない時間枠で高レベルのクリープが観察される前は、温度が高いほど、低い負荷が必要である。外装なしのタービンにおける最大応力は、ロータ部分の外側部、すなわち、遠心加速度が最も高い部分で発生する。一定応力を超えると、温度に応じて、動作しているタービンに対して許容可能な時間枠内でクリープ寿命故障が発生するのを回避するために、ＲＢＳＮロータ部分に構造的支持を提供する緻密な外装を含めることが必要になる。この限界未満では、外装のないＲＢＳＮタービンを構築することが可能であり、そこでは、ＲＢＳＮのクリープ特性、システム効率及びプロジェクト固有の制約に基づいて、ロータ部分の負荷及び動作温度を選択することができる。
【００４８】
１２５０℃では、ＲＢＳＮの即時破壊強度は約２００ＭＰａであり、そのため、この温度で妥当なクリープ寿命を有する実現性のあるタービンは、２００ＭＰａを十分に下回る応力を示さなければならない。ＲＢＳＮのロータ部分の回転速度及び最外縁の直径により、応力が大きく決まる。ロータハブの厚さに応じて、回転速度は、２００ＭＰａで応力を維持するために、約２５０ｍ／ｓである必要がある。したがって、実現可能なタービンは、これを下回る回転速度、たとえば、約１８０ＭＰａの応力に対応して約２３５ｍ／ｓ、又はより好ましくは、即時破壊強度の約半分である約１００ＭＰａの応力に対応する１７５ｍ／ｓである必要がある。これにより、最大軸速度及びタービンの直径が制限され、したがって、より軸速度が速いより大型のタービンと同じ仕事量を取り出すためにより多くの段が必要となるか、又は、大幅に増大するブレード負荷が必要となり、いずれの場合もタービンの機械的効率が低下する。しかしながら、効率に対するこうした不利益は、許容されるタービン入口温度の上昇を考慮すると緩和することが可能である。
【００４９】
１２５０℃のタービン入口温度が、ＲＢＳＮ外装なしアウトランナタービンに対して適切な温度であると考えられる。温度が高いほどサイクル効率がよくなるが、材料の耐クリープ性が低下するため機械的効率が不十分になり、したがって、タービン設計（たとえば、速度及びサイズ）に妥協がある。より低温では逆が当てはまる。最適なタービン入口温度は、システムパラメータ及び特定の設計要件の多くの選択によって決まるが、本発明では、現時点で利用可能な処理方法を使用して製造されるように、基本タービン材料としてＲＢＳＮを使用する場合は、最大１４００℃であるべきである。ただし、この温度は、さらなる開発により、又は本発明の範囲から逸脱することなく他の材料で、上昇させることができる可能性がある。
【００５０】
上記制約を考慮すると、ＲＢＳＮ外装なしアウトランナタービンは、単価の低下に対して見返りとしてサイズ及び／又は効率を犠牲にすることが許容可能である、車両又は他の状況での使用により適切である可能性がある。サイズに対する制限は、応用サイズ制約により、且つ材料処理に必要な機器のサイズ、たとえば、静水圧成形プレス又はキルンのサイズによって調整される。したがって、ＲＢＳＮ外装なしアウトランナタービンは、典型的には、処理条件により４００ｍｍのロータ径に制限される可能性がある。したがって、外装なしアウトランナタービンの応用は、４００ｍｍ未満、又は２５０ｍｍ未満、又は１００ｍｍ未満、又は５０ｍｍ未満の直径が必要である可能性がある。
【００５１】
逆に、外装を利用するセラミックアウトランナタービンは、定置型発電の目的に対してより適切である可能性がある。それは、より高い温度及び速度での効率の向上により十分な節約がもたらされるとすれば、サイズがそれほど制約されず、単価の上昇が許容可能である状況である。外装のあるＲＢＳＮアウトランナタービンは、典型的には、処理条件により４００ｍｍのロータ径に制限される可能性があるが、適切な処理機器によってより大きい直径が容易に利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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