(57)【要約】作動流体（Ａ）の流路（５）を備えた流体機械（１）に関し、流路を作動流体に濡れない表面構造（４７）を備えた流路壁（１５）で境界付けることを特徴とする。本発明は、作動流体が衝突する翼表面（３９）を備えたタービン翼にも関する。翼表面の少なくとも一部を作動流体に濡れない表面構造としたことにより、蒸気タービンの場合は付着した液滴が表面を転がりつつ付着した汚れを除き、ガスタービンの場合は表面の低い気体摩擦を利用して自己浄化を行う。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体（Ａ）の流路（５）を備えた流体機械（１）、特にガスタービン又は蒸気タービンにおいて、流路（５）が少なくとも部的に、微小組織（５３）、特にエピキューティクルワックス結晶から成る層（４５）の形をした作動流体（Ａ）に濡れない表面構造（４７）を持つ流路壁（１５）で境界付けられたことを特徴とする流体機械。
【請求項２】
流路壁（１５）が、前記表面構造（４７）を持つタービン翼（１９、２１）を有することを特徴とする請求項１記載の流体機械。
【請求項３】
表面構造（４７）が、作動流体（Ａ）による非濡れ性に合わせた表面粗さを有することを特徴とする請求項１又は２記載の流体機械。
【請求項４】
作動流体（Ａ）が衝突する翼表面（３９）を備えたタービン翼（１９、２１）において、翼表面（３９）が少なくとも部的に、作動流体（Ａ）に濡れない表面構造（４７）を有することを特徴とするタービン翼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、流路壁で境界付けた作動流体の流路を持つ流体機械に関する。又本発明は、作動流体が打ち当てられる翼表面を備えたタービン翼に関する。
【０００２】
ここで流体機械とは、タービン機械、特にガスタービン、蒸気タービン、圧縮機等を意味する。
【０００３】
この種流体機械では、流体機械に個々の翼車や軸方向に連続して配置した多数の翼車を設け、その動翼を運転中に気相や蒸気相の作動流体で洗流することは公知である。その際、作動流体は動翼に力を与え、この力が翼車にトルク、即ち動力を生じさせる。そのため、通常動翼を流体機械の回転軸に配置し、対応する案内車や静翼ホルダに、静翼を配置している。該静翼は、流路を形成した状態で回転軸を取り囲む静止ハウジング、即ち流体機械ハウジングに配置している。
【０００４】
遠心圧縮機やコンプレッサでは、作動流体に機械エネルギを与え、タービン、例えば蒸気タービンなら流路を貫流する作動流体から機械エネルギを取出す。
【０００５】
流体機械の効率損失を生じる種々のメカニズムが判っている。例えば所謂半径方向隙間損失により、効率の限界が定まる。即ち、例えば囲い輪を備える翼の場合、該囲い輪と流体機械ハウジングの内周面間の半径方向隙間を通って導かれる漏れ質量流量に対し、翼車にわたる静的圧力差が不利に作用する。その漏れ質量流量は、それによって生ずる半径方向隙間損失に比例する。隙間損失の他に、流路を境界付ける流路壁と作動流体の相互作用での、作動流体の摩擦作用による流れ損失が知られている。従って従来は、流路壁を作動流体との相互作用時にできるだけ小さな摩擦損失しか生じないように形成する努力を払ってきた。即ち、例えば静翼と動翼の翼形部（羽根）の構造が継続的に改良されてきた。又、流路壁を形成する構成要素の表面を、できるだけ平滑にする試みがなされてきた。
【０００６】
この一次的流れ損失以外に、作動流体内での横流れ並びに作動流体の内部摩擦に基づく二次流れ損失も知られている。
【０００７】
更に、流体機械の運転中、連続運転に伴う汚れに基づき効率低下が生ずる。これは、汚れの流路への侵入と流路壁への付着に基づく。汚れの原因は、通常汚れた作動流体、例えば蒸気タービンの蒸気やガスタービンの燃焼空気である。
【０００８】
国際公開第００／３４６５１号パンフレットで、風力発電設備の回転羽根の表面部に少なくとも部分的に撥水層を設けることが公知である。その際、表面に鋲組織や波形組織を形成し、その組織要素の相対弾力により、空気渦を減衰し、そのエネルギを消滅させ、かつ回転羽根の騒音を減らすようにしている。
【０００９】
英国特許出願公開第１２５３２７８号明細書において、ガスタービン圧縮機の表面にポリテトラフルオルエチレンを被着し、特にそのような機械を含塩雰囲気内で採用する際における表面腐食を防止することが知られている。これにより、洗流される表面の塩腐食による変化を防止する。
【００１０】
米国特許第４６９５２２９号明細書において、潤滑材不足による摩擦問題を解決するために、作動機械（ピストンエンジン）の活動表面に少なくとも部分的にポリテトラフルオルエチレンを被着することが知られている。
【００１１】
バースロットＷ他著、「蓮の清浄さ、即ち生物学的表面の汚れ防止」、プランタ（Ｐｌａｎｔａ）、第２０２巻、ドイツ、スプリンゲル出版、１９９７年に、自然に生ずるような所謂蓮表面の基本的な研究結果が知られている。この文献には、表面構造と自己浄化の関係が記載されている。
【００１２】
バースロットＷ他著、「粗面だけで自己浄化」、テヒニッシェ  ルントシャウ（Ｔｅｃｈｎｉｓｈｅ Ｒｕｎｄｓｃｈａｕ）、第９１巻、第１０号、スイス、ベルン、ハルウェイ出版に、微小組織形成により自然にどのように自己浄化効果が生ずるかが開示されている。
【００１３】
本発明の課題は、流路壁で境界付けられた作動流体の流路を備えた流体機械の効率を向上することにある。特に、流体機械の運転中における汚れに伴う効率低下を減少することにある。本発明の他の課題は、作動流体が衝突する翼表面を備えたタービン翼を提供することにある。
【００１４】
流体機械に関する課題は、本発明に基づき、作動流体の流路を備えた流体機械において、流路が少なくとも部分的に、作動流体に濡れない表面構造を備えた流路壁で境界付けられていることにより解決される。
【００１５】
本発明は、流路壁の流れ技術的品質が流体機械の効率に大きく影響するという知見に基づく。流体機械内部でのエネルギ変換効率に対する特性係数は等エントロピ効率である。公知の流体機械では、運転時間の経過に伴い効率が下がる。その原因は、汚れの付着による流路壁、例えば翼の流れ技術的品質の悪化にある。
【００１６】
本発明は、流体機械の特に汚れに伴う効率低下を的確に阻止する全く新たな方式を提案する。この問題を解決すべく、流体機械の運転中に作動流体が衝突する流路壁に、的確な表面構造を設ける。流路壁の表面構造は、流路壁が作動流体に濡れないよう形成する。濡れない表面構造の場合、作動流体と流路壁、特に流路壁表面との粘着は生ぜず、少なくとも通常の流路壁に比べ著しく減少する。この結果、流路壁に沿って流れる作動流体の表面摩擦による流れ抵抗はかなり減少する。これは、流体機械の効率に直接有利に作用する。
【００１７】
濡れない表面構造は、例えば所謂「蓮効果」を用いて実現できる。従来から公知のように、流れ抵抗を減少すべく流路壁の表面をできるだけ平滑にかつテクスチュアがないよう流路壁を製造してきた。これに反し本発明は、流路壁を的確にテクスチュア化することを提案する。この結果、流路壁は少なくとも部的に作動流体を撥く。「蓮効果」を生ずるよう形成した表面のテクスチュア化により、流路壁、例えば翼の汚れを防止し、この結果、汚れに基づく効率低下を避けるか、少なくともかなり減少できる。汚れの減少により、流路壁、特に流路壁の静翼や動翼の浄化、監視或いは検査作業をかなり減少できる。更に、かかる処置の時間間隔をかなり延ばせる。又恐らく、作動流体、例えば高温蒸気や燃焼ガスの調製についての要件が緩和される。従って、流路壁の表面のテクスチュア化により、濡れない表面が殆ど汚れないので、自己浄化効果が得られる。この関係はごく最近になって初めて詳しく研究され、実験で確認された。
【００１８】
従って、「蓮効果」の基礎は、水や粒子が実際に付着しない極端に粗くされた疎水性表面にある。本発明はこの知識を利用し、流体機械の効率を向上ないし維持するために初めて利用した。この構想における流路壁表面の特別なテクスチュア化と再生能力は、従来の流体機械と根本的に異なっている。
【００１９】
特に、流路壁は表面構造を持つタービン翼を有する。該タービン翼は流体機械の動翼か静翼である。その翼および翼表面は流体機械の効率にとって特に重要である。従って、タービン翼の表面に、作動流体に濡れないよう形成した表面構造を設けると特に有利である。又、翼は通常、流路内に作動流体と共に侵入した粒子の付着と汚れに特に敏感である。従ってそれによって、翼の点検や手間のかかる浄化を省き或いは少なくとも時間的に長い点検サイクルにできる。
【００２０】
表面を微小組織、特にエピキューティクルワックス結晶（ｅｐｉｃｕｔｉｃｕｌａｒｅｎ Ｗａｃｈｓｋｒｉｓｔａｌｌｅｎ）から成る層で形成し、該層が、作動流体への非濡れ性に的確に合った表面粗さを有するようにするとよい。
【００２１】
この際、表面構造は層の形成や設置により、例えば通常のタービン翼上の微小構造化に伴い生ずる。その代わりに又はそれに加えて、流路壁の被覆すべき構成要素上に、被着法により層を設ける。その場合、代表的には例えば数μｍの大きさの微小結晶構造（微小結晶）を用いる。層材料として、生物学系で公知の所謂エピキューティクルワックス結晶が利用できる。かかる結晶構造は「蓮効果」を生じる。又エピキューティクルワックス結晶に類似の結晶系も利用できる。これは用途に、特に作動流体の物理的・化学的組成に左右される。
【００２２】
この場合、例えば表面構造の表面粗さが特に重要な意味を持つ。流路壁の範囲の濡れ度は表面粗さに応じ調整される。表面粗さは表面構造で定まり、この構造は、表面上の微小結晶の配列と大きさに応じ調整される。作動流体と表面構造付き流路壁との間の表面力（粘着力）は、粗さパラメータを適合させる場合、そのようにテクスチュア化されていない通常の流体機械の流路壁に比べかなり減少する。これに伴い、各作動流体に合わせて形成した表面粗さにより、上述の利点を持ち、作動流体に濡れない表面構造が生ずる。作動流体は、テクスチュア化された表面との相互作用時、気相、蒸気相或いは液相の状態にある。
【００２３】
タービン翼に関する課題は、本発明に基づき、作動流体が衝突する翼表面を備えたタービン翼において、翼表面が少なくとも部分的に、作動流体に濡れない表面構造を有することにより解決される。
【００２４】
本発明に基づくタービン翼の利点は、上述の流体機械の利点に対応する。
【００２５】
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号を付している。
【００２６】
図１は、蒸気タービン３、例えば低圧蒸気タービンを例に、流体機械１を縦断面図で示す。蒸気タービン３は回転中心軸線７に沿って順に入口範囲９、翼範囲１１、出口範囲１３を備える。又蒸気タービン３は流路壁１５で境界付けられた流路５を持つ。ここでは、入口範囲９、翼範囲１１および出口範囲１３が流路５の部分領域と解される。翼範囲１１に、回転中心軸線７に沿い、多数の動翼１９と静翼２１が交互に連続して配置されている。動翼１９はタービン軸２９（ロータ）の外周面に配置されている。静翼２１は静翼ホルダ２３に配置され、このホルダ２３は動翼１９付きの軸２９を半径方向に間隔を隔てて取り囲み、その結果流路が生じている。入口範囲９は半径方向において入口ハウジング２５で境界付けられ、このハウジング２５は静翼ホルダ２３の上流側に結合されている。静翼ホルダ２３の下流側に出口ハウジング２７があり、該ハウジング２７は出口範囲１３を半径方向において境界付けている。
【００２７】
蒸気タービン３の運転中、作動流体Ａ、例えば加圧高温蒸気が入口範囲９に供給される。該流体Ａは入口範囲９から翼範囲５に流入し、そこで回転中心軸線７に沿って膨張し、その際、動翼９を軸２９と共に回転させる。
【００２８】
蒸気タービン３での流れ損失を減少し、自己浄化効果を得るべく、流路壁１５は流路壁部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃを備える。そのため、流路壁部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃは、各々作動流体Ａに濡れない表面構造４７（図３Ａ〜Ｃ参照）を持つ。静翼２１は流路壁部１７Ａ、動翼１９は流路壁部１７Ｂ、軸２９は流路壁部１７Ｃを各々備える。これら流路壁部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃは一例であり、簡単化のため、各タービン構成要素１９、２１、２９の部分として示す。通路壁１５は、作動流体Ａに濡れない表面構造４７を持つ流路壁部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃの他に、別の流路壁部を含んでもよい。特に、作動流体Ａの流路１５を境界付ける全流路壁１５を、流路壁部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃで囲む。
【００２９】
図２は、図１の蒸気タービン３、例えば低圧蒸気タービンの動翼１９の斜視図である。動翼１９は翼長手軸線４１に沿い延びている。翼長手軸線４１に沿い、取付け部３３、翼台座３７、翼形部（羽根）３１が連続する。取付け部３３は翼脚３５を持ち、該脚３５は断面Ｔ形をなす。翼脚３５は、断面ダブテール形やクリスマスツリー形でもよい。動翼１９は翼脚３５で蒸気タービン３のロータ２９に取り付けられる（図１参照）。動翼１９は翼表面３９を持ち、該表面３９は少なくとも部分的に、羽根３１と翼台座３７からなる。動翼１９が蒸気タービン３に設置されている間、翼表面３９は流路壁１５で包囲される。
【００３０】
動翼１９の運転中、翼表面３９、特に羽根３１に、作動流体Ａ、即ち蒸気タービン３の高温蒸気が衝突する。流れ損失を減少し、自己浄化効果を得るべく、動翼１９は流路壁部１７Ｂを持つ。該壁部１７Ｂは羽根３１上にある。流路壁部１７Ｂは作動流体Ａに濡れない表面構造４７を持つ。このため、流路壁部１７Ｂの翼表面３９は、表面構造４７でテクスチュア化されている。これを図２の詳細部Ｘ１に拡大して示す。流路壁部１７Ｂの翼表面３９をテクスチュア化した場合、表面摩擦による流れ損失を最小にしかつ自己浄化効果を得るように、「蓮効果」を的確に利用する。
【００３１】
図３Ａ〜Ｃは、各々本発明に基づき用意した流路壁部１７Ｂの自己浄化効果を詳細に説明すべく、図２のタービン翼１９の部分Ｘ１をＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図で示す。これに対比して図４Ａ〜図４Ｃは、従来の翼表面３９を対応の図で示す。図３Ａに示す翼表面３９は、流路壁部１７Ｂに、作動流体Ａに濡れない表面構造４７を持つ。該組織４７は作動流体Ａの流路５（図１参照）を境界付ける。組織４７は、微小結晶５３、例えばエピキューティクルワックス結晶や類似の結晶組織等から成る層４５で形成してある。該層４５は、作動流体Ａによる非濡れ性に合わせた表面粗さを持つ。この結果、蒸気タービン３の運転中、流路壁部１７Ｂの翼表面３９は作動流体Ａで濡れない。このため、流れ抵抗が大幅に減る。なお浄化作用については、以下に図３Ａ〜図３Ｃを参照し詳細に説明する。
【００３２】
運転に伴い、翼表面３９に汚れ粒子５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃが付着する。この汚れ５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃは、従来の如く形成した流路壁の場合、汚れに伴い流体機械１の効率を低下させる。しかし微小結晶５３を備えた表面構造４７のため、微小液滴４９は流路壁部１７Ｂで翼表面３９に付着しない。これは、付与した表面粗さのため、微小液滴４９と翼表面４９の間に粘着力が生じないか、少なくとも大きく抑制されるからである。従って、微小液滴４９は微小組織４７に沿い移動する。この結果、微小液滴４９は、例えば流れ力のために作動流体Ａの流れ方向に沿って動き、流路壁部１７Ｂで翼表面３９に沿って転がり移動し、その際粒子５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃを吸収し、流路壁部１７Ｂから搬出する。この結果、汚れ５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃは翼表面３９に永続的に付着しない。従って、流体機械１の運転中、微小結晶５３を有する表面構造４７による自己浄化効果が生ずる。蒸気タービン３、例えば低圧蒸気タービンでは、微小液滴４９は主に水から成る。例えばガスタービンに表面構造４７を利用する際、低い気体摩擦により、同様の自己浄化効果を期待できる。従って本発明は気相、蒸気相並びに液相の作動流体Ａに利用できる。この場合、微小結晶５３付きの層４５は、タービン翼１９の基礎材料４３、例えば耐熱合金や特殊鋼上に被着法で設ける。しかし微小結晶５３付きの層４５は、例えばミクロ技術やナノ技術による基礎材料４３の直接のテクスチュア化でも実現できる。通常のタービン翼１９、２１を、所望の「蓮効果」を得るべく、例えば単純に被着や塗装してもよい。
【００３３】
これに対し図４Ａ〜Ｃは、作動流体Ａが作用する通常の動翼１９の表面３９を示す。粗さと自己浄化との関係が明瞭に判る。汚れ５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ（図４）は、非常に滑らかな翼表面３９上では微小液滴４９により変位するだけである。しかるに表面構造４７を備えた粗い翼表面３９（図３Ａ）上では、微小液滴４９にくっつき、微小液滴４９の転がりや滴りでの移動時に、翼表面３９から搬出され、浄化される。微小液滴４９と粒子状汚れ５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃのこの粘着減少は、図４Ａ〜Ｃに示す通常の翼表面３９では達成されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に基づく流体機械の概略断面図。
【図２】
本発明に基づくタービン翼の斜視図。
【図３】
図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図で、Ａ〜Ｃは翼表面の浄化過程を示す。
【図４】
Ａ〜Ｃは従来の翼表面を持つタービン翼の、図３Ａ〜Ｃに相当する図。
【符号の説明】
１        流体機械
５        流路
１５        流路壁
１９、２１  タービン翼
３９        翼表面
４５        微小結晶付きの層
４７        表面構造
５３        微小結晶
Ａ        作動流体
【国際公開パンフレット】
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2004526089.tif 000005
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2004526089.tif 000017
2004526089.tif 000018
2004526089.tif 000019
2004526089.tif 000020
【国際調査報告】
2004526089.tif 000021
2004526089.tif 000022
2004526089.tif 000023
2004526089.tif 000024
2004526089.tif 000025
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