(57)【要約】  本発明は、ターボ機械の流路を径方向に限定する内側ハウジングを含むターボ機械であって、前記内側ハウジングの周囲には断熱層が配置されており、前記内側ハウジングの前記断熱層は、微多孔プラスチックから成るコーティングであり、前記コーティングには、様々な材料及び様々な大きさの中空球を加えることが可能であるターボ機械と、前記ターボ機械のコーティング方法と、微多孔プラスチックのターボ機械のコーティングへの使用と、に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械の流路を径方向に限定する内側ハウジングを含むターボ機械であって、前記内側ハウジングの周囲には、前記内側ハウジングの壁の外面に塗布された断熱層が配置されており、前記断熱層はコーティング（１）であり、前記コーティングは、微多孔プラスチックを有する基材（２）を有しているターボ機械。
【請求項２】
前記断熱層が、前記内側ハウジングを周方向において環状に覆っている、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項３】
前記内側ハウジング及び前記断熱層の周囲には、さらに外側ハウジングが配置されている、請求項１又は２に記載のターボ機械。
【請求項４】
前記微多孔プラスチックが、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、セラミック、エポキシ樹脂、エラストマー、ゼオライト、又は、それらの混合物、又は、セラミック等の無機材料を含む群から選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項５】
前記コーティング（１）の前記基材（２）が、充填材として中空球（３）を有している、請求項１から４のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項６】
前記中空球（３）の材料が、ポリマー、ガラス、又は、セラミックから選択される、請求項５に記載のターボ機械。
【請求項７】
前記中空球（３）の直径が、１０μｍから５００μｍの間である、請求項５又は６に記載のターボ機械。
【請求項８】
異なる中空球（３）が異なる直径を有している、請求項５から７のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項９】
前記中空球（３）が、有機及び／又は無機のコーティング（４）を有している、請求項５から８のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項１０】
前記コーティング（１）の全体積に対する前記中空球（３）の割合が、３５体積％から５０体積％である、請求項５から９のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項１１】
前記中空球（３）の内側空間（５）には、気体又は液体が満たされている、請求項５から１０のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項１２】
前記中空球（３）の前記内側空間（５）が真空にされている、請求項５から１０のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項１３】
前記ターボ機械が低圧タービンである、請求項１から１２のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項１４】
ターボ機械の内側ハウジングの壁の外面のコーティングへの、微多孔プラスチックの使用。
【請求項１５】
前記微多孔プラスチックが、充填材として中空球（３）を有している、請求項１４に記載の使用。
【請求項１６】
断熱層をターボ機械の内側ハウジング塗布するための方法であり、
‐微多孔プラスチックを有する基材を有する材料を準備するステップ；
‐前記基材を前記内側ハウジングに塗布することによって、前記内側ハウジングの壁の外面をコーティングするステップ；
‐塗布された材料を硬化させ、それによって前記断熱層を形成するステップ、
を有している方法。
【請求項１７】
前記微多孔プラスチックが、充填材として中空球（３）を有している、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路を径方向に限定する内側ハウジングを含むターボ機械であって、内側ハウジングの周囲にはコーティングが配置されているターボ機械と、さらに、コーティングへのプラスチックの使用と、ターボ機械のコーティング方法と、に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここで、ターボ機械という概念は、タービン、特にガスタービン、蒸気タービン、及び、特に低圧タービンに関するものである。本発明の説明におけるさらなる文脈では、タービンという概念は、蒸気タービン又は低圧タービンと同義であると理解される。
【０００３】
蒸気タービンは、蒸気がタービンに流入する際の蒸気圧に応じて、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンに分類可能であり、これらは、タービン設備全体の部分であるので、タービンセクションとも表記される。低圧タービンは一般的に、蒸気の圧力勾配に対応して、タービン設備内部で、高圧タービン又は中圧タービンの下流に配置されている。その際、蒸気の温度は同じく低下し、タービンセクション間の蒸気の温度は、いわゆる中間過熱器を通じて再び上昇し得る。
【０００４】
温度は、タービンセクション内部において、内側ハウジングの流入領域と排蒸気領域との間で均一ではない。なぜなら、流入する蒸気の温度は、排蒸気に比べて非常に高いからである。さらに、内側ハウジングの壁の内側と外側との間には、温度勾配が存在している。ここから、材料内に応力が生じ、当該応力は、ハウジングの変形をもたらす可能性がある。
【０００５】
温度勾配と、温度勾配に起因する応力又は変形とに抵抗するために、蒸気タービンの内側ハウジングには、板金構造が設けられることが一般的である。当該板金構造は、外側に対する内側ハウジングの断熱と、タービンの内側ハウジング全体にわたる温度の均一化とに用いられる。現在のところ、タービンのための断熱性板金構造は、個々の板金部材から形成されている。板金を構造に従って組立て、ハウジングに適合させなければならない。板金は、成形又は溶接されたスペーサに載置され、ネジで固定されるので、内側ハウジングと板金構造との間には空洞が形成される。当該空洞は、滞留した蒸気で満たされ、それによって絶縁効果が得られる。
【０００６】
板金構造の欠点は、タービンの型式ごとに新しく設計しなければならないことにある。また、１つの型式内で、それぞれの構造上の変化に対して、板金構造を新たに適合させなければならない。この関連において、板金構造の取り付けが複雑かつ時間を要するものであることは、さらなる欠点である。加えて、振動及び摩耗の結果、当該構造からそれぞれの板金が剥離し、板金のネジによる固定が解除される可能性があり、それによって、タービンの安定性、断熱性と、従って効率とに、ネガティブな影響が加えられる。
【０００７】
特許文献１は、高温ガスを通過させる二重壁の部材のための断熱について開示している。特許文献２は、密な壁構造を備えた密に詰め込まれた中空形状を有する材料系について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０３７４６０３号明細書
【特許文献２】米国特許第６６４１９０７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の課題は、ターボ機械のための、容易に生成可能な断熱を提供することと、断熱の生成方法を創出することとにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本課題は、独立請求項１、１４及び１６の特徴によって解決される。そのための好ましい態様は、従属請求項及び図面に記載されている。
【００１１】
本課題は、ターボ機械によって解決されることが明らかになっており、当該ターボ機械は、ターボ機械の流路を径方向に限定する内側ハウジングを含んでおり、当該内側ハウジングの周囲には断熱層が配置されており、当該断熱層はコーティングであり、当該コーティングは、微多孔プラスチックを有する基材を有している。ターボ機械は、好ましくはタービンであり、より好ましくは蒸気タービンであり、特に好ましくは低圧タービンである。
【００１２】
断熱層は、断熱ジャケット又はライナとも表記され得る。コーティングの特徴ゆえに、断熱層という概念が好まれる。
【００１３】
内側ハウジングの本発明に係る断熱層は、コーティングを内側ハウジングの壁の外面に塗布することで容易に形成できるので、有利である。従って、従来のライナの場合のように、内側ハウジングにスペーサを取り付けることは不要である。本発明に係る断熱層はさらに、任意の形状で塗布され得るので、有利である；それによって、時間を要する従来のライナの適合及び取り付けに必要な時間、労力、材料、従って費用も削減される。有利な費用対効果によって、本発明は、高い効率も有する。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態において、内側ハウジングは、断熱層によって環状に覆われている。言い換えると、断熱層は、内側ハウジングを、好ましくは完全に包囲している。ハウジング全体のコーティングは、内側ハウジングがそれによって断熱されるので有利である；それによってもたらされる温度の均一化は、内側ハウジング内部の温度勾配を減少させ、内側ハウジングの変形の危険を減少させる。
【００１５】
内側ハウジング及び断熱層の周囲には、好ましくは外側ハウジングが配置されている。当該外側ハウジングは、内側に位置する部材の機械的保護に用いられ、典型的には、ターボ機械の部材である。その際、内側ハウジングの本発明に係る断熱層のさらなる利点は、外側ハウジングの材料の熱的負荷が低く保たれることにある。
【００１６】
本発明によると、ターボ機械のコーティングの基材は、微多孔プラスチック又はガラス若しくはセラミック等の微多孔無機材料を有している。ここでは、基材は、同義語として、マトリックスとも表記される。微多孔と表されるのは、その細孔径が２ｍｍ未満で、特に数ミクロンの範囲の多孔質の材料である。微多孔材料の使用は有利である。なぜなら、当該材料は、低い熱伝導率と、従って優れた断熱性とを特徴としており、軽量で、優れた機械的特性を有しているからである。さらに、微多孔プラスチックは、様々な充填材と良好に混合可能である。材料の孔隙率の程度、すなわち細孔の全体積とコーティングの外体積との間の比率は、１０％から９０％の間、好ましくは２０％から７０％の間、より好ましくは２５％から５０％の間、特に極めて好ましくは２０％から４０％の間である。
【００１７】
好ましくは、コーティングのマトリックスの微多孔プラスチックは、有機ポリマー、特にポリウレタン、ポリエチレン、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、エポキシ樹脂、エラストマー、ゼオライト、又は、それらの混合物、又は、無機材料、特にセラミック、を含む群から選択される。その際、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ノボラック等のフェノール樹脂、及び、エラストマーがより好ましい。特に好ましいのは、ポリウレタンの使用である。また、プラスチックが、熱硬化性を有しており、それによって、コーティングの熱安定性が増大することも好ましい。その際、当該マトリックスは、樹脂、発泡体、鋳造材料、注型用樹脂、分散、溶液、二成分系、湿気硬化形プレポリマーとして、しかしまた、顆粒又は粉末としても、コーティングのために供給され得る。
【００１８】
コーティングのマトリックスは、微多孔プラスチックから成るコーティングの特性のプロファイルに影響を与える充填材を有し得る。コーティングのマトリックスが、充填材として中空球を有していることが好ましい。マトリックスに中空球を添加することは有利である。なぜなら、それによって特に断熱性が改善され、コーティングの密度を減少させることによって、コーティングの重量を軽減させることができるからである。さらに、中空球の内容物は、マトリックスが有し得る収縮傾向に抵抗し、従って、コーティングの材料の変形傾向を減少させ、コーティングの安定性に寄与する。つまり、中空球を有するコーティングは、より軽量であり、絶縁性に優れており、より安定しており、使用するプラスチックが減少することによって、より安価になる。
【００１９】
以下に、本発明を、添付された概略図を用いて詳細に説明する。示されているのは以下の図である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】中空球が埋め込まれた、微多孔プラスチックを有するコーティングの構造を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
マトリックス２に埋め込まれた中空球３の材料は、有機材料、特に上で挙げたポリマーから、又は、ポリアクリル酸塩からも構成され得るが、しかしまた、無機材料、特にガラス又はセラミックからも構成され得る。
【００２２】
このとき、コーティング１の断熱と重量とに影響を与える重要な要因は、中空球３の大きさである。中空球３が大きければ大きいほど、充填率は高くなり、従ってコーティング１の重量は低くなり、熱伝導性も低くなる。しかしながら、中空球３の大きさは、コーティングの機械的強度が危うくなることのないように選択する必要がある。中空球３の大きさは、その直径によって決定される。中空球の直径は、５μｍから１０００μｍの間であることが好ましく、より好ましくは１０μｍから５００μｍの間、さらに好ましくは２０μｍから３００μｍの間、さらに好ましくは２５μｍから２００μｍの間である。
本発明の一実施形態において、充填材として用いられる中空球３は全て、同じ直径を有し得る。しかしながら、異なる中空球３が異なる直径を有すること、すなわち、異なる大きさの中空球３を充填材として用いることも可能である。異なる大きさの中空球を用いることは有利であり、好ましい。なぜなら、比較的小さい球は、比較的大きい球の間の空間に適合し、それによって、コーティング１内のより多くの空間を中空球３で満たすことができるからである。言い換えると、異なる大きさの中空球３を用いることによって、より高い充填密度が得られる。
【００２３】
本発明の一実施形態では、中空球３の外壁自体にコーティング４を塗布することが可能である。その際、中空球３は、有機及び／又は無機のコーティング４を有し得る。有機のコーティング４は、全ての適した高分子化合物から構成され得るが、ポリウレタン、フッ化ビニル樹脂、又は、ポリエステルから構成されることが好ましい。無機のコーティング４も同様に、全ての適した物質又は化合物を有することが可能であり、例えば、ガラス、セラミック、ケイ酸塩、金属、金属合金、並びに、金属又はその他の元素の塩及び酸化物等を有し得る。中空球３のコーティング４は、コーティングの種類に応じて、従来の適切な方法に従って行われる。中空球３のコーティング４は有利である。なぜなら、当該コーティングは、例えばマトリックス２内での中空球３の分布、並びに、コーティング１の機械的強度及び断熱効果の増大に関して、球の材料特性を変化させるからである。
【００２４】
コーティング１の全体積に対して、中空球３の割合は、好ましくは１０％から９０％、より好ましくは２０％から７０％、さらに好ましくは３０％から６０％、さらに好ましくは３５％から５０％である。
【００２５】
本発明の一実施形態において、中空球３の内側空間５は、気体又は液体で満たされている。充填物は、中空球３の重量と、従ってコーティング１の総重量とに影響を与えるが、充填物の種類に応じては、特に断熱性にも影響を与える。ここでは、気体を充填することが好ましい。なぜなら、気体は軽く、液体よりも熱伝導率が低いからである。最も単純な場合では、中空球３は、単にほぼ標準圧力下の空気の充填物を有し得る。しかしながら、過剰圧力下の気体の充填物が存在することも可能である。過剰圧力は、コーティングがそれによって、付加的に振動を減衰するように作用し得るので有利である。過剰圧力はさらに、それによって中空球３が、マトリックス２の材料による機械的圧力に抗し得るので有利である。しかしながら、わずかな低圧下の気体の充填物が存在することも可能である。さらに、異なる中空球３内で、様々な圧力、すなわち標準圧力、過剰圧力、及び／又は、低圧が支配することが可能である。
【００２６】
中空球３の内側空間５の充填には、空気の他に、窒素又は二酸化炭素等の、他のあらゆる適切な気体を用いることが可能である。液体が用いられる場合には、あらゆる適切な液体が考えられる。
【００２７】
さらなる好ましい実施形態では、中空球３は真空にされる。すなわち、中空球内では、真空又は少なくともほぼ真空に近い状態が支配している。真空になった中空球は有利である。なぜなら、熱は真空中では伝導されず、従って、断熱層の断熱作用がより効果的になるからである。さらに、真空になった中空球が、気体及び／又は液体で満たされた中空球と混在しており、気体が満たされた中空球内では、異なる圧力が存在し得ることが好ましい。
【００２８】
本発明の対象はさらに、ターボ機械の内側ハウジングのコーティングに、微多孔プラスチックを使用することである。このとき、ターボ機械は好ましくは蒸気タービンであり、より好ましくは低圧タービンである。好ましい実施形態では、充填材としての中空球と混合された微多孔プラスチックが、コーティングに用いられる。微多孔プラスチック及び中空球３の種類は、上述されている。
【００２９】
本発明の対象はさらに、断熱層をターボ機械の内側ハウジングに塗布するための方法であり、当該方法は以下のステップを有している：
‐微多孔プラスチックを有する基材を有する材料を準備するステップ；
‐基材を内側ハウジングに塗布することによって、内側ハウジングをコーティングするステップ；
‐塗布された材料を硬化させ、それによって断熱層を形成するステップ。
【００３０】
当該方法は、微多孔プラスチックから成るコーティング１を、内側ハウジングに微多孔プラスチックをコーティングした後に硬化させることによって形成するために用いられる。その際、微多孔プラスチックは、上述の微多孔プラスチックから選択される。微多孔プラスチックは、射出成形プロセスのための鋳造材料の形で、又は、塗布材料（Spachtelmasse）の形でも供給され得る。塗布材料の使用が好ましい。なぜなら、ターボ機械の内側ハウジングのコーティングが、単に塗布材料をパテナイフで塗布することによって行われ得るからである。内側ハウジングの材料との微多孔材料の結合と、形成されるコーティング１の硬化とは、後続の乾燥の間に行われる。ハウジングの外壁の材料には、コーティングがより良好に接着するように、従来の方法に従って前処理が施される。
【００３１】
好ましい実施形態では、材料の硬化の前に、コーティング１に接合部が挿入される。接合部の挿入は有利である。なぜなら、それによって、必要に応じて、コーティング１を傷つけることなく容易に取り外し、再び取り付けるための始点が存在するからである。
【００３２】
コーティング方法のさらなる好ましい実施形態では、微多孔プラスチックは、充填材として中空球３を有している。当該方法にとって、中空球３は利点を有する。なぜなら、中空球は、玉軸受における場合と同様に、共に、又は、重なり合って回転し、微多孔プラスチックに、高い粘性と優れた流動性とを与えるからである。このとき、中空球３の材料は、上述したように選択される。
【００３３】
本発明を、好ましい実施例によって、詳細に図示かつ説明してきたが、本発明は、記載された例に限定されるものではなく、当業者は、本発明の保護範囲を離れることなく、その他の変型例を引き出すことができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  コーティング
２  マトリックス
３  中空球
４  コーティング
５  内側空間
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年9月7日(2016.9.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械の流路を径方向に限定する内側ハウジングを含むターボ機械であって、前記内側ハウジングの周囲には、前記内側ハウジングの壁の外面に塗布された断熱層が配置されており、前記断熱層はコーティング（１）であり、前記コーティングは、微多孔プラスチックを有する基材（２）を有しているターボ機械。
【請求項２】
前記断熱層が、前記内側ハウジングを周方向において環状に覆っている、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項３】
前記内側ハウジング及び前記断熱層の周囲には、さらに外側ハウジングが配置されている、請求項１又は２に記載のターボ機械。
【請求項４】
前記微多孔プラスチックが、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、エポキシ樹脂、エラストマー、又は、それらの混合物を含む群から選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項５】
前記コーティング（１）の前記基材（２）が、充填材として中空球（３）を有している、請求項１から４のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項６】
前記中空球（３）の材料が、ポリマー、ガラス、又は、セラミックから選択される、請求項５に記載のターボ機械。
【請求項７】
前記中空球（３）の直径が、１０μｍから５００μｍの間である、請求項５又は６に記載のターボ機械。
【請求項８】
異なる前記中空球（３）が異なる直径を有している、請求項５から７のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項９】
前記中空球（３）が、有機及び／又は無機のコーティング（４）を有している、請求項５から８のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項１０】
前記コーティング（１）の全体積に対する前記中空球（３）の割合が、３５体積％から５０体積％である、請求項５から９のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項１１】
前記中空球（３）の内側空間（５）には、気体又は液体が満たされている、請求項５から１０のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項１２】
前記中空球（３）の前記内側空間（５）が真空にされている、請求項５から１０のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項１３】
前記ターボ機械が低圧タービンである、請求項１から１２のいずれか一項に記載のターボ機械。
【請求項１４】
ターボ機械の内側ハウジングの壁の外面のコーティングへの、微多孔プラスチックの使用。
【請求項１５】
前記微多孔プラスチックが、充填材として中空球（３）を有している、請求項１４に記載の使用。
【請求項１６】
断熱層をターボ機械の内側ハウジングに塗布するための方法であり、
‐微多孔プラスチックを有する基材を有する材料を準備するステップ；
‐前記基材を前記内側ハウジングに塗布することによって、前記内側ハウジングの壁の外面をコーティングするステップ；
‐塗布された材料を硬化させ、それによって前記断熱層を形成するステップ、
を有している方法。
【請求項１７】
前記微多孔プラスチックが、充填材として中空球（３）を有している、請求項１６に記載の方法。
【国際調査報告】
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2016538457.tif 000005
2016538457.tif 000006
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