JP5667372B2 - 隙間制御方法及び装置 - Google Patents

Description

本書で開示する内容は、隙間(clearance) 制御技術に関し、より具体的には、回転機械の静止構成要素と回転構成要素との間の隙間を調節するためのシステム及び方法に関するものである。

特定の用途では、相対的に運動する構成要素相互間に隙間が存在する。例えば、隙間は、圧縮機、タービンなどのような回転機械内の回転構成要素と静止構成要素との間に存在し得る。隙間は、温度変化又は他の因子に起因して回転機械の運転中に増大又は減少することがある。

米国特許第７２３４９１８号

タービン・エンジンでは、性能及び耐久性の観点から、始動のような過渡状態の際は隙間をより大きくし且つ定常状態の際は隙間をより小さくすることが望ましい。

以下に、「特許請求の範囲」に記載された発明の範囲に相応する特定の実施形態について概要を記載する。これらの実施形態は「特許請求の範囲」に記載された発明の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ本発明の取り得る形態についての概要を提供しようとするに過ぎない。実際には、本発明は、以下に述べる実施形態と同様であるか又はそれらとは異なることのある様々な形態を包含することができる。

第１の実施形態では、タービン・エンジンが、燃焼ガスの流れを導くように構成されているタービン・ハウジングを含む。タービン・エンジンはまた、タービン・ハウジングの内部にシャフトに結合された複数の羽根を含む。タービン・エンジンはまた、シャフトに結合されていて、シャフトの軸に沿ってシャフトを磁気的に平行移動させて、タービン・ハウジングと複数の羽根との間の半径方向隙間を増大及び減少させるように構成されている磁気アクチュエータを含む。

第２の実施形態では、システムが、ハウジングと回転羽根との間の半径方向隙間を回転軸に沿った平行移動により調節するように構成されている磁気アクチュエータを含む。本システムはまた、帰還信号に応答して半径方向隙間を調節するために磁気アクチュエータに係合するように構成されている制御装置を含む。

第３の実施形態では、タービンを運転する方法が、タービンのシャフトを、該シャフトに結合された回転構成要素と該シャフトを囲む静止ハウジングとの間の隙間を増大させるように設定された第１の位置へ線形に位置決めする段階と、シャフトの回転速度を次第に増大させる段階と、回転構成要素とシャフトを囲むハウジングとの間の隙間を減少させるように設定された第２の位置へシャフトを磁気的に平行移動させる段階とを含む。

本発明のこれらの及び他の特徴、側面及び利点は、添付図面を参照した以下の詳しい説明を読むことによってより良く理解されよう。図面では、全図を通じて同様な部品を同様な参照符号で表している。

図１は、磁気作動型隙間制御装置を持つガスタービンを含むシステムの一実施形態を例示する概略図である。 図２は、図１のタービンの部分断面図であって、図１のタービンに用いられる隙間制御技術の実施形態を例示する。 図３は、図１のタービンの部分断面図であって、図１のタービンに用いられる隙間制御技術の実施形態を例示する。 図４は、図１のタービンの隙間調節を制御する負荷の一実施形態を例示する概略図である。 図５は、図１のタービンにおいて隙間調節を制御するために使用される線形アクチュエータの一実施形態を例示する概略図である。 図６は、磁気作動型隙間制御装置を持つガスタービンを含むシステムの別の実施形態を例示する概略図である。 図７は、磁気作動型隙間制御装置を持つガスタービンを含むシステムの別の実施形態を例示する概略図である。

本発明の１つ以上の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の説明を簡潔にするために、実際の具現化手段の全ての特徴を本明細書で説明することはできない。任意の工学的又は設計計画におけるような任意のこのような実際の具現化手段の開発において、具現化手段毎に変わることのあるシステム関連及び事業関連の制約を順守することのような開発者の特有の目標を達成するために、多数の具現化手段特有の決定を行わなければならないことを理解されたい。また更に、このような開発努力は複雑で時間がかかるが、それにも拘わらず、この開示を利用する通常の技術者にとって設計、製作及び製造についての日常的な仕事であることを理解されたい。

本発明の様々な実施形態の要素を導入するとき、数を明記しない要素及び「前記」と付した要素は、１つ以上の要素があることを意味するものとする。また用語「有する」、「含む」及び「持つ」は、排他的なものではなく、列挙した要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味するものとする。

以下に詳しく説明されるように、開示される実施形態は、相対的に運動する構成要素相互間の隙間を制御するための磁気アクチュエータを含む。隙間は、環状ギャップ、線形ギャップ、矩形ギャップ、或いは、システム、運動の種類及び他の因子に依存した任意の他の幾何学的形状に対応させることができる。例えば、隙間は、圧縮機、タービン又は同様な機器の静止ハウジングと回転羽根との間のギャップに対応させることができる。従って、隙間は、回転羽根とハウジングとの間での漏洩又は摩擦の量を制御することができる。漏洩は、空気、水、蒸気、高温燃焼ガスなどのような任意の流体に対応させることができる。磁気アクチュエータは、圧縮機又はタービンのような回転機械の回転軸に沿って直線的な運動を生じさせることができる。詳しく述べると、本書に開示する実施形態では、隙間を制御するためにタービンのシャフトを直線的に水平移動させるための技術を提供する。更に、シャフトの移動は、発電機のようなシステム負荷によって制御することができ、また流体圧でよりもむしろ電気的に制御することができる。これはタービンを簡単化し、既存の技術と比較して信頼性を改善することができる。また更に、実施形態によっては、シャフトの平行移動は、温度センサ、振動センサ、位置センサ、隙間センサなどのようなセンサによって測定することのできるタービンの動作状態に依存して、徐々に生じさせることができる。シャフトの調節を徐々に行うことによって、隙間は、任意の所与の時点におけるタービンの動作状態に従って、タービン羽根とタービン・ハウジングとの間の接触の可能性を防止することとタービン効率とを釣り合わせるように微細調節することができる。しかしながら、特定の実施形態では、磁気アクチュエータの係合と切り離しに対応する最大隙間と最小隙間を持つ簡単な２段又は２位置隙間制御装置を提供することができる。

図１は、本発明技術の実施形態に従った磁気作動型隙間制御装置を持つガスタービン・エンジン１２を含む模範的なシステム１０のブロック図である。システム１０は、航空機、船舶、機関車、発電システム、又はそれらの組合せを含むことができる。従って、タービン・エンジン１２は、発電機、プロペラ、伝動装置、駆動システム又はそれらの組合せのような様々な負荷１４を駆動することができる。例示したガスタービン・エンジン１２は、空気取入れ部１６、圧縮機１８、燃焼器部２０、タービン２２、及び排気部２４を含む。タービン２２はシャフト２６を介して圧縮機１８に駆動結合される。

矢印によって示されているように、空気が取入れ部１６を通って圧縮機１８に流入する。圧縮機１８は、取入れ空気を燃焼器部２０へ導く圧縮機ハウジング１９を含む。圧縮機１８の内部では、羽根３４がシャフト２６に結合され、且つシャフト２６と圧縮機ハウジング１９の内壁との間の半径方向ギャップにわたって延在する。圧縮機羽根３４は、圧縮機羽根３４と圧縮機ハウジング１９の内壁との間の接触を避けるために圧縮機ハウジング１９の内壁から小さな半径方向ギャップだけ離間する。シャフト２６の回転が圧縮機羽根３４の回転を生じさせることにより、空気を圧縮機１８に引き入れて、該空気を燃焼器部２０に入る前に圧縮する。

例示した燃焼器部２０は、圧縮機１８とタービン２２との間で軸方向のシャフト２６の周りに同心に又は環状に配置された燃焼器ハウジング２８を含む。燃焼器ハウジング２８の内部では、燃焼器部２０は、シャフト２６の周りに円形又は環状構成で複数の円周方向位置に配置された複数の燃焼器３０を含むことができる。圧縮機１８からの圧縮空気は各々の燃焼器３０に入り、次いでタービン２２を駆動するためにそれぞれの燃焼器３０内で燃料と混合して燃焼する。

矢印で示されているように、燃焼器１２から流出する高温燃焼ガスがタービン２２を駆動する。タービン２２は、燃焼ガスを排気部２４へ導くタービン・ハウジング２３を含む。タービン２２の内部では、タービン羽根３６がシャフト２６に結合され、且つシャフト２６とタービン・ハウジング２３の内壁との間の半径方向ギャップにわたって延在する。タービン羽根３６は、タービン羽根３６とタービン・ハウジング２３の内壁との間の接触を避けるためにタービン・ハウジング２３の内壁から小さな半径方向ギャップだけ離間する。タービンを通って流れる燃焼ガスがタービン羽根３６にぶつかり且つ羽根の間を流れて、タービン羽根３６を、従ってシャフト２６を駆動し回転させる。シャフト２６の回転は圧縮機１８及び／又は負荷１４に動力を与えるために用いることができる。実施形態によっては、排気はジェット機のような乗り物用の推進源として用いることができる。

図２及び図３を参照して更に以下に説明するように、タービン羽根３６の先端とタービン・ハウジング２３との間の半径方向隙間は、矢印３８で示されているように、シャフト２６の回転軸に沿って直線的にシャフト２６を動かすことによって調節することができる。実施形態によっては、この長手方向の又は直線的な移動は負荷によって遂行することができ、また電気的に又は磁気的に遂行することができる。このように、タービン２２によって負荷１４へ供給される動力の幾分かは、シャフト２６の直線的な平行移動を遂行するために用いることができる。また更に、システム１０は、温度、振動、ノイズ、線形位置、入口案内翼（ＩＧＶ）角度、又は羽根隙間のようなタービン２２のパラメータを測定する帰還回路４０も含むことができる。帰還回路４０は、測定されたパラメータを表す信号を負荷１４へ伝送することができ、その結果、負荷１４がそれに対応してシャフト２６の線形位置を調節することができる。このようにして羽根隙間を調節することによって、燃焼器部１２内での燃料の燃焼によって生じた動力のより多くをタービン２２によって捕捉することができる。

本書で述べる隙間制御技術は、シャフト２６の平行移動によりタービン２２の羽根隙間調節を例示する図２及び図３を参照すればより良く理解することができる。シャフト２６を作動し且つシャフト２６の位置を測定する技術が図４及び図５に示されている。本発明技術の様々な他の面及び用途が図６及び図７に示されている。

図２及び図３は、本発明技術に従った図１のタービンにおける隙間調節を例示する図１のタービンの部分断面図である。図２に示されているように、タービン・ハウジング２３の内側表面４４は円錐形であり、従って外向きにテーパが付けられている。すなわち、開口の直径が、（矢印４６によって表されている）燃焼ガスの外向きの流れの方向に増大している。更に、羽根３６の外側表面４８もまた、タービン・ハウジング２３の内側表面４４の輪郭に合わせてテーパが付けられている。このようなとき、タービン・ハウジング２３の内側表面４４と羽根３６の外側表面４８との間の半径方向ギャップ５０（例えば、テーパ付きの環状ギャップ又は円錐形ギャップ）は羽根３６の外側表面４８にわたって比較的一様である。半径方向ギャップ５０は羽根３６とハウジング２３との間の接触を防止する。しかしながら、半径方向ギャップ５０を通って流れる燃焼ガスは羽根３６の推進に寄与せず、その結果としてシャフト２６への動力の損失を生じる。従って、半径方向ギャップの距離５２が狭ければ狭いほど、タービン２２によって発生される動力を大きくすることができる。

始動の際、タービン２２内のロータ構造と静止構造との間の熱膨張の差により、半径方向ギャップの距離５２が減少して、潜在的に摩擦状態を引き起こそうとする傾向がある。従って、半径方向ギャップの距離５２を始動の際に増大させて、摩擦の可能性を低減することができる。タービンが燃焼器部２０からの燃焼ガスにより熱せられるにつれて、羽根３６及びロータ構造は半径方向に膨張して、半径方向ギャップの距離５２を減少させる傾向がある。羽根３６が半径方向に膨張するとき、半径方向ギャップの距離５２を、以下に述べるように、調節して、 所望の半径方向ギャップの距離５２に維持することができる。タービン２２及び羽根３６が熱平衡に達するにつれて、半径方向ギャップの距離５２は安定化しようとする。従って、タービン２２の安定な動作中は、半径方向ギャップの距離５２は比較的小さく保って、タービン２２の効率を増大させることができる。理解されるように、摩擦は材料特性の劣化を招き、この結果、高サイクル疲労により耐久性の問題を引き起こすことがある。また、摩擦は羽根先端及び静止構成要素の界面から材料を擦り落とし、これにより定常状態でのギャップを増大させて、性能の低下を招く。そこで、過渡状態中は摩擦状態の可能性を最小にし且つ定常状態中は性能を最大にするように能動隙間制御を設けることが望ましいと考えられる。

タービン２２はまた、タービン２２の動作状態を監視するために１つ以上のセンサ５４，５６を含むことができる。実施形態によっては、センサ５６はタービン２２の温度及び／又はタービン２２内の振動レベルを監視することができる。このセンサ５６からの信号は、タービン２２の振動安定性及び熱安定性に基づいて、所望の半径方向ギャップの距離５２を決定するために用いることができる。理解されるように、実際の隙間測定値と温度測定値に基づいて、温度と半径方向ギャップ隙間５２との間の関係を作成して、後者の温度測定値を用いて隙間を決定できるようにすることができる。このやり方では、タービン２２の静止部品の簡単な温度測定値を用いて、半径方向隙間５２を決定することができ、従って、半径方向隙間５２の調節を開始するための制御パラメータとして作用させることができる。しかしながら、実施形態によっては、センサ５４を用いることにより、実際の半径方向ギャップの距離５２を測定することができる。例えば、センサ５４は、センサ５４と羽根の外側表面４８との間の静電容量を検出することによって、実際の半径方向ギャップの距離５２を測定することができる。所望の半径方向ギャップの距離５２と実際の測定された半径方向ギャップの距離５２との間の差は、図４及び図５に関して以下に述べるように、所望の半径方向ギャップの距離５２を維持するように半径方向ギャップの距離５２を調節するために用いることができる。半径方向ギャップの距離５２はまた、設定時間、閾値出力レベルを越えた後の設定時間、又は別の動作パラメータに基づいて制御することができる。

センサ５４及び５６からの信号は帰還回路４０へ送ることができ、帰還回路４０はセンサ信号を処理して、例えば、温度、振動、実際の半径方向ギャップの距離５２などのような、測定されたパラメータを表す帰還信号を負荷１４へ送る。次いで、以下に詳しく説明するように、負荷１４は、半径方向ギャップの距離５２を電気的に調節するために帰還信号を使用することができる。このやり方では、半径方向ギャップの距離５２は、タービン２２の効率を増大させることと、タービン羽根３６とタービン・ハウジング２３との接触の可能性を減少させることとの間での適当な釣り合いを維持するために、タービン２２の動作全体を通じて連続的に調節することができる。

タービン羽根３６及びタービン・ハウジング２３のテーパを付けた形状の結果として、半径方向ギャップの距離５２は、矢印３８で示されるように、シャフト２６を前方及び後方に軸方向に平行移動させることによって調節することができる。以下に更に説明するように、シャフト２６の平行移動は磁気アクチュエータを用いて行うことができる。本説明のために、用語「前方」は、タービン２２の空気入口へ向かう内側を指す方向を表すために用いられ、また用語「後方」は、タービン２２の排気部へ向かう外側を指す方向を表すために用いられる。換言すれば、空気及び燃焼ガスの流れに関して表すと、前方は上流方向であり、また後方は下流方向である。図２に示されているように、シャフト２６は、矢印５８で示されるように、後方に位置決めされる。シャフト２６を後方に位置決めすると、羽根３６が後方へ動かされて、図示のように半径方向ギャップの距離５２を増大させ、従って、摩擦の可能性を減少させる。

手短に図３について説明すると、シャフト２６が前方位置に示されており、これにより、矢印６０で示されるように羽根３６が前方へ動かされて、図３に示されているように半径方向ギャップの距離５２を減少させて、半径方向ギャップ５０を通る燃焼ガスの流れを減少させる。半径方向ギャップ５０を通るガス流を減少させると、ガス流が優先的に羽根３６に当たって羽根３６を通過してシャフト２６を回転駆動するようになることによって、タービン２２の効率が増大する。ここで、図２及び図３に示されているシャフト２６の位置が単に２つの取り得るシャフト２６の位置を表しているに過ぎないこと、及びシャフトが図示の２つの位置の間の任意の場所にも位置決めすることができること、すなわち、所望の半径方向ギャップの距離５２が離散的な変分に制限されないことが理解されよう。実施形態によっては、ギャップ幅５２は後方位置での約１〜３ｍｍから前方位置での約０．５〜１．５ｍｍまで変えることができる。また更に、ギャップ幅５２のこの変化は、シャフトを約１〜５ｍｍ平行移動させることによって達成することができる。理解されるように、実際の値はタービンの大きさ（例えば、外径）に比例する。

次に図４について説明すると、本発明技術に従って、図１のタービン２２の隙間調節を制御する負荷１４の一実施形態を例示するブロック図である。図４に示されているように、負荷１４は発電機６４を含むことができる。発電機６４はシャフト２６の回転によって駆動することができ、また電気出力６６を発生することができる。実施形態によっては、電気出力６６は三相交流（ＡＣ）であってよい。電力出力６６は、任意の適当な種類の電気機械に電力を供給する送電網に結合することができる。

負荷１４はまたアクチュエータ６８を含むことができ、アクチュエータ６８は、前に述べたように、シャフト２６を前方及び後方に平行移動させる。アクチュエータ６８は任意の適当な電気的線形位置決め装置を含むことができる。例えば、アクチュエータ６８は、電動機、ソレノイド、可動コイル・アクチュエータなどを含むことができる。実施形態によっては、アクチュエータは、図５を参照して以下に詳しく説明するよう、シャフト２６を動かすために可変磁気力を供給することのできる磁気スラスト軸受を含むことができる。更に、図４に示されているように、アクチュエータ６８は発電機６４から給電することができる。このやり方では、シャフト２６を動かすために第２の電源が使用されないと云う事実により、システム１０は簡単化することができる。しかしながら、代替実施形態では、アクチュエータ６８はまた、負荷１４の外部にある外部電源（図示せず）から給電することができる。また更に、アクチュエータ６８はまた、負荷１４の外側である場所を含めて、シャフト２６に沿った任意の場所に配置することができる。

アクチュエータ６８は、発電機６４の出力６６から電気エネルギを受け取る制御回路７０によって制御することができる。このやり方では、シャフト２６の回転を介してタービン２２から受け取る機械エネルギにより、発電機６４及び制御回路７０の両方が作動される。実施形態によっては、発電機６４の出力レベルを用いることにより、タービン２２の動作状態に関する情報を制御回路７０に与えることができる。例えば、低電圧の出力６６は一般に、タービン２２が始動動作段階にあることを表すことができ、この始動動作時には、半径方向ギャップの距離５２は広いことが望ましい。対照的に、高電圧の出力６６は一般に、タービン２２が定常状態の動作段階にあること表すことができ、この定常状態の動作時には、半径方向ギャップの距離５２は狭いことが望ましい。タービンの動作状態に関するこの情報は、次いで、シャフト２６の適当な線形位置を少なくとも部分的に決定するために制御回路７０によって用いることができる。例えば、実施形態によっては、シャフト２６の線形位置は発電機６４の出力電圧に比例させることができる。

制御回路７０はまた帰還回路４０から１つ以上の帰還信号を受け取ることができる。前に述べたように、帰還信号は、センサ５４及び５６によって測定されている１つ以上のパラメータを表すデータを制御回路７０に供給することができる。例えば、制御回路７０はセンサ５６からの温度データ又は振動データを使用して、所望の半径方向ギャップの距離５２を推定することができる。別の例では、制御回路７０はセンサ５４によって測定された実際の半径方向ギャップの距離５２を用いて、実際の測定された半径方向ギャップの距離５２を所望の半径方向ギャップの距離５２に持って来るためのシャフト位置調節量を推定することができる。制御回路７０が帰還回路４０から受け取る信号は、アナログ又はディジタルであってよい。更に、制御回路７０は受け取った信号を、該制御回路７０にプログラムされたファームウエア又はソフトウエアに従って処理することができる。

制御回路７０はまた、位置センサ７２から、シャフト２６の線形位置を表す１つ以上の信号を受け取ることができる。位置センサ７２は、例えば光学センサ又はホール効果センサのような任意の種類の線形位置センサとすることができる。実施形態によっては、制御回路７０は、シャフト２６の線形位置とその結果の半径方向ギャップの距離５２とに関する情報を含むプログラム可能なメモリを含むことができる。位置センサ７２はシャフト位置信号を制御回路７０に送ることができ、この信号は、少なくとも部分的に、測定された半径方向ギャップの距離５２を所望の半径方向ギャップの距離５２に持って来るためにシャフト２６の位置を調節するように用いることができる。実施形態によっては、シャフト２６の線形位置とその結果の半径方向ギャップの距離５２との間の関係は、位置センサ７２を較正するために用いられる経験的な測定値に基づいて定めることができ、この経験的な測定値は制御回路７０のメモリにプログラムすることができる。このやり方では、半径方向ギャップの距離５２は、シャフト２６の線形位置のみに基づいて、又はそれに部分的に基づいて推定することができる。位置センサ７２及び帰還回路４０（例えば、センサ５４及び５６）の１つ以上から受け取ったデータに応答して、制御回路７０はシャフト２６の線形位置を調節するために電気信号をアクチュエータ６８に送ることができる。実施形態によっては、位置センサ７２又はセンサ５４及び５６の１つ以上を省略することができる。実施形態によっては、システム１０の信頼性を高めるために、位置センサ７２並びにセンサ５４及び５６の２つ以上を一緒に使用することができる。

システム１０の動作中、アクチュエータ６８は、発電機６４の出力電圧、帰還回路４０からの信号、位置センサ７２からの信号、又はそれらの組合せに基づいて、シャフト２６を前方及び後方に平行移動させることができる。例えば、一実施形態では、アクチュエータ６８は、発電機６４の増大する電圧出力に応答してシャフト２６を前方に平行移動させることができる。しかも、平行移動の程度は発電機６４の電圧出力に比例させることができる。別の実施形態では、アクチュエータ６８は、タービン・エンジン１２の始動中はシャフト２６を後方に平行移動させ、またタービン・エンジン１２の定常状態動作中は前方に平行移動させることができる。更に、シャフト２６は、センサ５４及び５６並びに／又は発電機６４の電気出力によって表されるようにタービン・エンジン１２が定常動作状態に近づくにつれて後方位置から前方位置へ徐々に平行移動させることができる。例えば、シャフト２６は、タービン羽根３６がセンサ５４によって表されるように熱的安定及び／又は振動安定に近づくにつれて前方位置へ徐々に平行移動することができる。別の実施形態では、センサ５４によって測定されるような回転羽根及び／又はハウジングの温度は、タービン羽根３６及びタービン・ハウジング２３の既知の熱膨張又は収縮特性に基づいて実際の半径方向ギャップの距離５２の表示として役立てることができる。この実施形態では、制御回路７０は、回転羽根３６及び／又はタービン・ハウジング２３の温度に少なくとも部分的に基づいて所望の半径方向ギャップの距離５２を維持するためにシャフト２６を平行移動させるように構成することができる。

実施形態によっては、タービン羽根３６に突き当たる燃焼ガスは、シャフト２６に後方への力を加えることができる。更に、シャフト２６の配置方向が垂直である実施形態では、重力もシャフト２６に後方への力を加えることができる。更にまた、実施形態によっては、システム１０は、シャフト２６を後方へ偏圧する弾性装置（例えば、バネ）を含むことができる。従って、アクチュエータ６８は、シャフト２６に前方への力のみを加えるように構成することができる。このやり方では、シャフト２６の位置は、燃焼ガス、重力、又はバネによって加えられる後方への力に抗して、アクチュエータ６８によって加えられる前方への力を釣り合わせることによって、制御することができる。このやり方では、アクチュエータ６８の設計を簡単化することができる。その上、このやり方はまたフェールセーフ機構の利点をもたらすことができる。換言すると、アクチュエータ６８が予想外にパワーを失うか、さもなくば機能停止した場合、シャフト２６は後方へ自動的に平行移動させ、これにより半径方向ギャップの距離５２を増大させて、タービン羽根３６とタービン・ハウジング２３との間の接触の可能性を低減する。他の実施形態では、アクチュエータ６８はシャフト２６に前方への力及び後方への力の両方を加えるように構成することができる。

次に図５について説明すると、本発明技術に従った一実施形態の線形アクチュエータ６８を例示する概略図が示されている。図５は構成要素の特定の配置方向を例示しているが、線形アクチュエータ６８は開示された実施形態の範囲内で任意の適当な配置方向又は構成で使用することができる。例えば、線形アクチュエータ６８は、タービン２２、圧縮機１８、又はタービン・エンジン１２内の任意の適当な場所に沿って、低温端、高温端、中間位置、又は複数の位置に配置することができる。別の例では、線形アクチュエータ６８の１つを複数の独立のシャフトに関連させることができ、例えば、第１の線形アクチュエータ６８は第１のタービン段内の第１のタービン・シャフトに使用することができ、第２の線形アクチュエータ６８は第２のタービン段内の第２のタービン・シャフトに使用することができ、第３の線形アクチュエータ６８は第３のタービン段内の第３のタービン・シャフトに使用することができると云うようになされる。この態様では、システムは様々なタービン段において独立の隙間制御を行うことができる。同じ考え方を圧縮機１８の異なる段で用いることができる。

図５に示されているように、実施形態によっては、線形アクチュエータ６８は磁気スラスト軸受とすることができる。このようなとき、線形アクチュエータ６８は、前方ステータ８４内に保持されていて、矢印９０で示されるように、シャフト２６を前方に平行移動させるように構成されているスラスト・ディスク８０及び前方コイル８２を含むことができる。実施形態によっては、線形アクチュエータ６８はまた、後方ステータ８８内に保持されていて、点線の矢印９２で示されるように、シャフト２６を後方に平行移動させるように構成されている後方コイル８６を含むことができる。明確にするために、コイル８２，８６及びステータ８４，８８は断面で示されている。スラスト・ディスク８０は、鉄のような強磁性材料を含む円形ディスクとすることができる。更に、スラスト・ディスク８０はシャフト２６に固定されていて、コイル８２に隣接して、又は２つのコイルを持つ実施形態では、コイル８２及び８６の間で、シャフト２６と共に回転する。コイル８２及び８６の各々は、シャフト２６の周りに複数回巻装された導体を含むことができ、且つコイルを付勢する電流を導いて、磁力線９４及び９６によって表されるように、スラスト・ディスク８０付近に磁界を発生するように構成されている。ステータ８４及び８８は鉄のような強磁性材料を含むことができ、且つスラスト・ディスク８０付近にコイル８２及び８６によって発生された磁界を集中させるように構成することができる。この実施形態では、システム１０はまた、シャフト２６を支持するように構成されている磁気ラジアル軸受９８を含むことができる。このような場合、制御回路７０は磁気ラジアル軸受９８へ制御信号を送ることができる。制御回路からの制御信号は磁気ラジアル軸受９８内に磁界を発生させ、該磁界は、シャフト２６が磁気ラジアル軸受９８に直接接触することなく磁気ラジアル軸受９８内で自由に浮動するように作用する。特定の実施形態では、磁気ラジアル軸受９８により得られるこの自由な浮動は、線形アクチュエータ６８（例えば、磁気スラスト軸受）による軸方向の平行移動を容易にすることができる。

制御回路７０は、コイル８２及び８６に電気結合されて、磁界を発生する電流をコイル８２及び８６に生じさせるように構成することができる。シャフト２６の平行移動の際、制御回路７０はコイル８２及び８６を付勢し、この結果、コイル８２及び８６によって発生される磁界がスラスト・ディスク８０に推進力を加える。例えば、シャフト２６を前方９０に平行移動させるために、制御回路７０はコイル８２に電流を供給して、コイル８２を囲み且つスラスト・ディスク８０に侵入する磁界９４を発生させることができる。磁界９４はスラスト・ディスク８０に推進力を生じさせ、これによりスラスト・ディスク８０を前方９０に引っ張って、タービン羽根３６とタービン・ハウジング２３との間のギャップの距離５２を減少させる（図３参照）。シャフト２６の位置を維持するために、制御回路７０はコイル８２をターンオフするか、或いは図４に関して前に述べたように、タービン羽根３６に燃焼ガスよって及び／又は偏圧機構によって加えられる後方への推進力に抗して、コイル８２によって加えられる前方への推進力を釣り合わせるレベルまで、コイル８２の電流を減少させることができる。

破線の矢印９２によって示されているように、シャフト２６を後方に平行移動させるため、制御回路７０は、実施形態によっては、燃焼ガス又はバネによって加えられる後方への力が磁界９４によって加えられる前方への力を克服することができるレベルまでコイル８２の電流を減少させることができ、これによりシャフト２６を後方９２に平行移動させることができる。しかしながら、他の実施形態では、アクチュエータ６８は、コイル８６を介してシャフト２６を後方に平行移動させることができる。この実施形態では、シャフト２６を後方に平行移動させるために、制御回路７０はコイル８６に電流を供給して、コイル８６を囲み且つスラスト・ディスク８０に侵入する磁界９６を発生させることができる。磁界９６はスラスト・ディスク８０に推進力を生じさせ、これによりスラスト・ディスク８０を後方９２に引っ張って、タービン羽根３６とタービン・ハウジング２３との間のギャップの距離５２を増大させる（図２参照）。様々な実施形態では、制御回路７０からアクチュエータ６８へ出力される電流は、シャフト２６の所望の程度の平行移動に比例するものとすることができる。また更に、実施形態によっては、制御回路７０からアクチュエータ６８へ出力される電流は、発電機６４の電気出力６６が増大するにつれて増大させることができ、また発電機６４の電気出力６６に比例させることさえもできる。このやり方では、シャフト２６の位置は発電機６４の電気出力６６の大きさに依存させることができる。この実施形態では、発電機６４の電気出力６６は始動直前の時点でゼロである。従って、アクチュエータ６８のコイル８２に対する入力電流もまたゼロであり、またシャフト２６は後方９２の位置にあって、半径方向ギャップの距離５２を比較的大きくすることができる。発電機６４が出力上昇を開始すると、発電機６４の出力電圧が次第に増大し、従ってコイル８２に印加される電流も増大する。コイル８２に印加される電流が増大すると、シャフト２６を徐々により前方の位置へ平行移動させ、従って半径方向ギャップの距離５２を減少させ且つタービン２２の効率を増大させる。このやり方では、半径方向ギャップの距離５２は、始動の際の大きいギャップから、次第にタービン２２が定常動作状態に近づくにつれて徐々により小さいギャップへ減少する。実施形態によっては、コイル８２への電流は発電機出力６６に完全に比例しないことがある。むしろ、発電機出力電圧に加えて、帰還回路４０及び／又は位置センサ７２からの信号もまた、コイル８２への電流出力を制御するために用いることができる。このやり方では、タービン羽根温度、シャフト２６の測定された位置などのような因子もまた、シャフト２６の位置を調節するために用いることができる。

ここで、上述の技術は、互いに相対的に動く構成要素相互の間、例えば、回転及び静止構成要素の間に隙間が維持される任意の適当なシステムに用いることができることを理解されよう。例えば、上述の技術は、ガスタービン・エンジン、又は蒸気タービン・エンジン、又は水力タービンに用いることができる。同様に、上述の技術は、圧縮機に、例えば、独立型圧縮機又は多段圧縮機に用いることができる。次に図６及び図７について説明すると、本発明の実施形態に従ったシステム１０の様々な模範的な実施形態が示されている。図６に示されているように、上述の技術は単一シャフト高温端駆動用途で具現化することができる。この実施形態では、図１に示された実施形態と異なり、タービン・エンジン１２の排気端で仕事が発生される。このような場合、シャフト２６はタービン・エンジン１２及び排気部２４を通過して、負荷１４に結合される。前に述べたように、負荷１４は、開示した技術に従ってシャフト２６の作動を制御するように構成することができる。

図７に示されているように、上述の技術はまた、多重シャフト用途で具現化することができる。この実施形態では、図６の場合と同様に、タービン・エンジン１２の排気端で仕事が発生される。しかしながら、この実施形態では、システム１０は複数のタービン段又は部分、例えば、高圧タービン１１０及び低圧タービン１１２を含むことができる。燃焼ガスは両方のタービン部分１１０，１１２を通過することができる。高圧タービン部分１１０は第１組のタービン羽根１１４を含むことができ、該第１組のタービン羽根１１４は、燃焼ガスが高圧タービン１１０を通過して第１組の羽根１１４に衝突するとき第１のシャフト１１５を回転させることによって、圧縮機１８に動力を供給するように構成されている。また更に、第１組のタービン羽根１１４は、圧縮機１８に伝達される動力を増大又は減少させるように調節可能とすることができる。例えば、第１組のタービン羽根１１４の羽根ピッチは、燃焼ガスによって第１のシャフト１１５に加えられる仕事が少なくなるように調節することができる。次いで、燃焼ガスは高圧タービン１１０を出て、低圧タービン１１２に入って負荷１４を駆動する。従って、低圧タービン１１２は、第２のシャフト１１８に結合された第２組のタービン羽根１１６を含む。特定の実施形態では、タービン羽根１１６の上流の可変面積タービン翼（ＶＡＴＮ）を回転することによって、第１及び第２のタービン部分１１０及び１１２の間の動力整合を達成することができる。上述のタービン２２の場合と同様に、タービン羽根１１６とタービン・ハウジングとの間の半径方向ギャップの距離５２（図２及び図３）は、低圧タービン１１２の効率に影響を及ぼす。そこで、前に述べたように、半径方向ギャップの距離５２を増大又は減少させるために第２のシャフト１１８を負荷１４によって平行移動させることができる。

この場合も、前に述べたように、システム１０は、異なるタービン段、異なる圧縮機段、又は両方に独立の隙間制御装置を提供することができる。例えば、独立なシャフト１１５及び１１８を備えたシステム１０は、それぞれのタービン１１０及び１１２において半径方向ギャップの距離５２を独立に制御するために各々のシャフト１１５及び１１８を磁気的に平行移動させることができる。理解されるように、それぞれのタービン１１０及び１１２の各々のシャフト１１５及び１１８に別々の磁気アクチュエータを関連させることができる。同様に、単一の制御装置又は独立の複数の制御装置をこれらの別々の磁気アクチュエータと共に用いることができる。

以上の説明から、開示した技術を用いて幾つかの利点を得ることができることが理解されよう。例えば、シャフトを電気的に平行移動させるために負荷を使用することによって、システムは流体圧又は他の技術と比較して簡単化することができる。別の例として、シャフトを流体圧によるよりもむしろ電気的に平行移動させることによって、作動流体の漏れに起因したシステム故障の可能性を無くすことができる。また更に、シャフトの平行移動を徐々に生じさせることができると云う事実に起因して、隙間は、タービン効率とタービン羽根及びタービン・ハウジングの接触の可能性との間で適当な釣り合いを与えるように微細に調節することができる。開示した電気的／磁気的隙間制御システムは、タービンの寿命及び性能を向上させながら、一般に清潔で維持費が低い。開示した電気的／磁気的隙間制御システムは、非流体駆動型又は無流体システムとして記述することができ、また可動部品（例えば、流体圧システムのピストン・シリンダ）相互間の摩耗表面を無くすか又は低減する。本発明の技術的効果は、タービンの測定された動作特性に従って、ハウジング内で回転するタービン羽根とタービン・ハウジングとの間の隙間を調節することを含む。

本明細書は、最良の実施形態を含めて、本発明を開示するために、また当業者が任意の装置又はシステムを作成し使用し、任意の採用した方法を遂行すること含めて、本発明を実施することができるようにするために、様々な例を使用した。本発明の特許可能な範囲は「特許請求の範囲」の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの記載から実質的に差異のない構造的要素を持つ場合、或いはそれらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０ システム
１２ ガスタービン・エンジン
１８ 圧縮機
１９ 圧縮機ハウジング
２０ 燃焼器部
２２ タービン
２３ タービン・ハウジング
２８ 燃焼器ハウジング
３０ 燃焼器
３４ 圧縮機羽根
３６ 複数の羽根
３８ 平行移動の方向
４４ 内側表面
４６ 燃焼ガスの流れ
４８ 外側表面
５０ 半径方向ギャップ
５２ 半径方向ギャップの距離
５４ センサ
５６ センサ
５８ 後方への移動方向
６０ 前方への移動方向
６６ 電気出力
８０ スラスト・ディスク
８２ 前方コイル
８４ 前方ステータ
８６ 後方コイル
８８ 後方ステータ
９０ 前方への移動方向
９２ 後方への移動方向
９４ 磁力線
９６ 磁力線
９８ 磁気ラジアル軸受
１１０ 高圧タービン
１１２ 低圧タービン
１１４ 第１組のタービン羽根
１１５ 第１のシャフト
１１６ 第２組のタービン羽根
１１８ 第２のシャフト

Claims (10)

1. 空気と燃焼ガスの流れを導くように構成されているタービン・ハウジング（２３）と、
   前記タービン・ハウジング（２３）の内部のシャフト（２６）に結合された複数の羽根（３６）と、
   前記空気と燃焼ガスの流れ方向に関し前記シャフト（２６）を後方へ偏圧する弾性装置と、
   前記シャフト（２６）に結合されていて、前記空気と燃焼ガスの流れ方向に関し前記シャフト（２６）の軸に沿って前記シャフト（２６）を前方へ磁気的に平行移動させて、前記タービン・ハウジング（２３）と前記複数の羽根（３６）との間の半径方向隙間（５０，５２）を増大及び減少させるように構成されている磁気アクチュエータ（６８）と、
   を有するタービン・エンジン（１２）。
2. 前記タービン・ハウジング（２３）の内側表面が燃焼ガスの流れの方向に外向きにテーパが付けられており、また前記複数の羽根（３６）が、前記タービン・ハウジング（２３）の前記内側表面からずれているテーパ付きの表面を有している、請求項１記載のタービン・エンジン（１２）。
3. 前記磁気アクチュエータ（６８）は磁気スラスト軸受を有している、請求項１又は２記載のタービン・エンジン（１２）。
4. 前記磁気アクチュエータ（６８）の入力に電気的に結合されていて、前記半径方向隙間（５０，５２）に関連した帰還信号に応答して前記シャフト（２６）を平行移動させるために前記磁気アクチュエータ（６８）に電気信号を送るように構成されている制御回路（７０）を更に有している請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタービン・エンジン（１２）。
5. 前記タービン・エンジン（１２）は、前記制御回路（７０）の別の入力に結合された出力を持つ発電機（６４）を更に有しており、前記制御回路（７０）から前記磁気アクチュエータ（６８）に送られる前記電気信号が、前記発電機（６４）の出力電力に少なくとも部分的に基づいて定められ、前記磁気アクチュエータ（６８）が前記出力電力の変化に応答して前記半径方向隙間（５０，５２）を変更する、請求項４記載のタービン・エンジン（１２）。
6. 前記複数の羽根（３６）の各々と前記タービン・ハウジング（２３）との間の半径方向隙間（５０，５２）の幅を測定して、対応する隙間信号を帰還信号として前記制御回路（７０）へ送るように構成されている隙間センサ（５４）を更に有している請求項４又は５記載のタービン・エンジン（１２）。
7. 前記タービン・ハウジング（２３）及び前記複数の羽根（３６）の内の少なくとも１つの温度を測定して、対応する隙間信号を帰還信号として前記制御回路（７０）へ送るように構成されている温度センサ（５６）を更に有している請求項４又は５記載のタービン・エンジン（１２）。
8. ハウジング（２３）と回転羽根（３６）との間の半径方向隙間（５０，５２）を流体の流れ方向に関し回転軸に沿った前方への平行移動により調節するように構成されている磁気アクチュエータ（６８）と、
   前記流体の流れ方向に関し前記回転軸を後方へ偏圧する弾性装置と、
   帰還信号に応じて前記半径方向隙間（５０，５２）を調節するために前記磁気アクチュエータ（６８）に係合するように構成されている制御装置（７０）と、
   を有するシステム。
9. 前記磁気アクチュエータ（６８）は、定常状態及び非定常状態を表す帰還信号に基づいた平行移動により前記半径方向隙間（５０，５２）を徐々に調節するように構成されている、請求項８記載のシステム。
10. 前記制御装置（７０）は、前記磁気アクチュエータ（６８）に係合して、非定常状態の際は前記半径方向隙間（５０，５２）を増大させ且つ定常状態の際は前記半径方向隙間（５０，５２）を減少させるように構成されている、請求項９記載のシステム。
    

Images