(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン冷却組立体を備えたシステム（１０）であって、該タービン冷却組立体が、
タービンセクション（２０）内の第１の凹部（１１８）に装着するよう構成され、第１の複数の半径方向クーラント通路（１６６、１６８）が両面に形成された板状の第１のクーラントインサート（１２２）と、
前記タービンセクション（２０）内の第１の凹部（１１８）から軸方向にオフセットした第２の凹部（１２０）に装着するよう構成され、第２の複数の半径方向クーラント通路（１８０、１８２）が両面に形成された板状の第２のクーラントインサート（１２４）と、
第１のクーラントインサート（１２２）と第２のクーラントインサート（１２４）との間で前記タービンセクション（２０）に装着するよう構成されたカップリング部品（１４２）と
を備えており、前記カップリング部品（１４２）が、前記第１の複数の半径方向クーラント通路（１６６、１６８）及び前記第２の複数の半径方向クーラント通路（１８０、１８２）に結合された少なくとも１つの軸方向通路（１７２）を含む、システム。
【請求項２】
前記第１のクーラントインサート（１２２）、前記カップリング部品（１４２）、及び第２のクーラントインサート（１２４）を通るクーラント流の流量、温度、又はこれらの組み合わせを調整し、前記タービンセクション（２０）のクリアランスを変えるよう構成されたクリアランスコントローラ（４６）を備える、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
回転軸（１３９）を有するシャフト（２４）と、
前記シャフト（２４）に結合される複数のブレード（３６）と、
前記ブレード（３６）の周りに円周方向に配置され、第１のフック（１０４）及び第２のフック（１０６）を有する内側シュラウドセクション（３８）と、
前記シュラウド（３８）の周りに円周方向に配置され、前記第１のフック（１０４）に結合された第３のフック（１００）と、前記第２のフック（１０６）に結合された第４のフック（１０２）とを有する内側タービンケーシング（９８）と、
前記内側タービンケーシング（９８）の周りに円周方向に配置された外側シュラウド部品（１２８）と
を備えており、前記第１のクーラントインサート（１２２）が、前記内側タービンケーシング（９８）と前記外側シュラウド部品（１２８）との間に配置され、前記第１のクーラントインサート（１２２）が、前記第３のフック（１００）に半径方向に延びる第１の環状溝（１１８）に埋め込まれ、前記第２のクーラントインサート（１２４）が、前記内側タービンケーシング（９８）と前記外側シュラウド部品（１２８）との間に配置され、前記第４のフック（１０２）に半径方向に延びる第２の環状溝（１２０）に埋め込まれ、前記カップリング部品（１４２）が、対向する軸方向端部位置において前記第１及び第２の複数の半径方向クーラント通路（１６６、１６８、１８０、１８２）両方に結合される、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの軸方向通路（１７２）が、前記第１及び第２の複数の半径方向クーラント通路（１６６、１６８、１８０、１８２）に結合された複数の軸方向クーラント通路を含む、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記第１及び第２の複数の半径方向クーラント通路（１６６、１６８、１８０、１８２）が各々、前記回転軸（１３９）に対して円周方向（１４１）に互いにオフセットした複数のＵ字形通路を含む、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記第１のクーラントインサート（１２２）が、半径方向溝の第１のセット（１６６）と、半径方向溝の第２のセット（１６８）と、前記半径方向溝の第１及び第２のセット（１６６、１６８）間に軸方向に配置された第１の分割器と、を含み、前記第１の環状溝（１１８）が、前記第１のクーラントインサート（１２２）の対向する軸方向側部上の前記半径方向溝の第１及び第２のセット（１６６、１６８）を少なくとも実質的に閉鎖して、前記第１の複数の半径方向クーラント通路（１６６、１６８）を定め、
前記第２のクーラントインサート（１２４）が、半径方向溝の第３のセット（１８０）と、半径方向溝の第４のセット（１８２）と、前記半径方向溝の第３及び第４のセット（１８０、１８２）間に軸方向に配置された第２の分割器と、を含み、前記第２の環状溝（１２０）が、
前記第２のクーラントインサート（１２４）の対向する軸方向側部上の前記半径方向溝の第３及び第４のセット（１８０、１８２）を少なくとも実質的に閉鎖して、前記第２の複数の半径方向クーラント通路（１８０、１８２）を定める、請求項３記載のシステム。
【請求項７】
前記カップリング部品（１４２）が、前記内側タービンケーシング（９８）の表面に接して配置されて少なくとも１つの軸方向クーラント通路を定める軸方向溝のセット（１７２）を含む、請求項３記載のシステム。
【請求項８】
前記内側タービンケーシング（９８）の周りに配置されたクーラントスリーブ（１４４）を備え、該クーラントスリーブ（１４４）が、第１のタービン段（７６）と第２のタービン段（７８）との間に延び、該第１のタービン段が、第１のクーラントインサート（１２２）、前記第２のクーラントインサート（１２４）、及び前記カップリング部品（１４２）を含む、請求項３記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クリアランス制御技術に関し、より詳細には、回転機械の固定構成部品と回転構成部品との間のクリアランスを調整するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特定の応用において、相対的に移動する構成部品間にはクリアランスが存在することができる。例えば、圧縮機、タービン、又は同様のものなどの回転機械における固定構成部品と回転構成部品との間にクリアランスが存在することができる。クリアランスは、温度変化又は他の要因に起因して、回転機械の作動中に増減する可能性がある。理解できるように、クリアランスがより小さい程、ブレードと周囲のシュラウドとの間を漏出する流体が少ないので、圧縮機又はタービンの性能及び効率を改善することができる。しかしながら、クリアランスがより小さい程、摩擦状態の可能性も高くなる。運転条件もまた、摩擦状態の可能性に影響を及ぼす。例えば、摩擦状態の可能性は、過渡状態の間は高くなり、定常状態の間は低下することができる。残念ながら、既存のシステムは、回転機械のクリアランスを適正に制御していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７２８７９５５号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。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技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
【０００５】
一実施形態では、システムはタービン冷却組立体を含む。タービン冷却組立体は、タービンセクション内の第１の凹部に装着するよう構成された第１のクーラントインサートを含む。第１のクーラントインサートは、第１の複数の半径方向クーラント通路を含む。タービン冷却組立体は更に、タービンセクション内の第１の凹部から軸方向にオフセットした第２の凹部に装着するよう構成された第２のクーラントインサートを含む。第２のクーラントインサートは、第２の複数の半径方向クーラント通路を含む。加えて、タービン冷却組立体は、第１及び第２のクーラントインサート間でタービンセクションに装着するよう構成されたカップリング部品を含み、カップリング部品は、第１の複数の半径方向クーラント通路及び第２の複数の半径方向クーラント通路に結合された少なくとも１つの軸方向通路を含む。
【０００６】
別の実施形態では、システムは、複数のタービンブレードの周りでシュラウドを支持するタービンケーシング内の凹部に装着するよう構成されたタービンクーラントインサートを含み、タービンクーラントインサートは、タービンケーシングのシュラウドフック内に半径方向に延びるよう構成された複数の半径方向クーラント通路を含む。タービンクーラントインサートは更に、タービンクーラントインサートを通過するクーラント流に基づいてシュラウド及びタービンブレード間のクリアランスを調整するよう構成される。
【０００７】
更に別の実施形態では、システムは、第２のフックと組み合わせて、複数のタービンブレードの周りにタービンシュラウドを支持するよう構成された第１のフックを有するタービンケーシングを含む。タービンケーシングは、クーラント回路を含み、該クーラント回路が、該回路を通過するクーラント流に基づいてタービンシュラウド及びタービンブレード間のクリアランスを調整するよう構成される。クーラント回路が、第１のフック（１００）に延びる第１の複数の半径方向クーラント通路を含む。
【０００８】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による、クリアランス制御機構を有するガスタービンエンジンを含むシステムを示す図。
【図２】本発明の一実施形態による、図１に示すタービンシステムの切り欠き側面図。
【図３】図２の弓状線３−３で囲まれ、クリアランス制御用のクーラント通路を有するタービンケーシングの一実施形態を示す、図１のタービンの部分軸方向断面。
【図４】本発明の一実施形態による、クーラントインサートと、複数の半径方向及び軸方向クーラント通路を定めるカップリング部品との組み立て体を示す、図３のタービンケーシングの部分分解斜視図。
【図５】本発明の一実施形態による、複数の半径方向クーラント通路を有するクーラントインサートの一部を示し、図３の切り欠き線５−５に沿った図３のタービンケーシングの部分半径方向断面図。
【図６】本発明の一実施形態による、複数の軸方向クーラント通路を有するカップリング部品の一部を示し、図３の切り欠き線６−６に沿った図３のタービンケーシングの部分半径方向断面図。
【図７】本発明の別の実施形態による、複数の軸方向クーラント通路を有するカップリング部品の一部を示し、図３の切り欠き線６−６に沿った部分半径方向断面図。
【図８】本発明の一実施形態による、半径方向及び軸方向通路を通るクーラント流を示し、図５の切り欠き線８−８に沿い且つ図３の弓状線８−８で囲まれたタービンケーシングのより詳細な部分軸方向断面図。
【図９】本発明の一実施形態による、タービンシステムの運転条件に基づいたクリアランス制御の方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。作動パラメータ及び／又は環境条件の例は、開示した実施形態以外のパラメータ／条件を除外するものではない。さらに、本発明の「一実施形態」又は「実施形態」という場合、その実施形態に記載された特徴をもつ別の実施形態が存在することを除外するものではない。
【００１２】
以下で詳細に検討するように、本開示は全体的に、強制対流冷却を用いたクリアランス制御技術に関する。このような技術は、タービンエンジンベースのシステム（例えば、航空機、機関車、発電機、その他）のようなシステムで実施することができる。本明細書で使用される用語「クリアランス」又は同様のものは、作動中に相対移動するシステムの２以上の構成部品間に存在できるスペース又はギャップを指すことを理解されたい。クリアランスは、環状ギャップ、線形ギャップ、矩形ギャップ、又は当業者には理解されるように、システム、移動タイプ、及び他の種々の要因に応じた他の何れかの幾何形状に相当することができる。１つの応用において、クリアランスは、圧縮機、タービン、又は同様のものの１以上の回転ブレードを囲むハウジング構成部品間の変形方向ギャップ又はスペースを指すことができる。本開示の技術を使用してクリアランスを制御することにより、摩擦（例えば、ハウジング構成部品と回転ブレードとの間の接触）の可能性を最小限にすると同時に、回転ブレードとハウジング間の漏出量を大きく低減して運転効率を高めることができる。理解されるように、漏出は、空気、蒸気、燃焼ガス、その他などの何れかの流体に相当することができる。
【００１３】
本発明の実施形態によれば、本明細書で開示されるクリアランス制御機能を利用するタービンエンジンは、複数の半径方向及び軸方向クーラント通路を有するタービンケーシングを含むことができる。例えば、１以上の段を有するタービン応用の一実施形態では、タービンケーシングは、各段に対して、タービンの回転軸の周りに円周方向に位置付けられ且つ１以上のタービンブレードを密閉するシュラウド上に対応する第３及び第４のフックにそれぞれ結合するよう構成された第１及び第２のフックを含む。環状溝は、タービンケーシング上の第１及び第２のフックの各々に半径方向に延びることができる。両側部上に半径方向の溝を有するクーラントインサート要素は、環状溝の各々に挿入され、又は凹部に配置することができる。クーラントインサートの両側部上の半径方向溝は流体結合され、従って、各環状溝内に複数のほぼＵ字形の通路を形成することができる。複数の軸方向溝を有するカップリング部品は、環状溝間でタービンケーシング上に配置され、複数の軸方向通路を形成することができる。幾つかの実施形態では、カップリング部品は、ほぼリング形（例えば、環状）とすることができる。軸方向通路は、第１のフック内のＵ字形通路を第２のフック内のＵ字形通路に流体結合することができる。
【００１４】
上記で検討したように、タービンブレードとシュラウドとの間の半径方向ギャップは、温度変化又は他の要因に起因して運転中に増減することができる。例えば、運転中にタービンが加熱すると、タービンハウジング構成部品の熱膨張によってシュラウドが回転軸から離れて半径方向に移動するようになり、従って、ブレードとシュラウドとの間のクリアランスが増大する場合がある。このことは、半径方向ギャップを介してブレードを迂回する燃焼ガスが該ブレードによって取り込まれず、従って、回転エネルギーに変換されない理由から一般的には望ましいことではない。これによりタービンエンジンの効率及び出力が低下する。
【００１５】
クリアランスを制御するために、クーラント流を上述のＵ字形通路及び軸方向通路に導入することができる。クーラント流体は、タービンに流れる燃焼ガスよりも相対的に低温の場合があり、圧縮機の１以上の段から供給される空気とすることができる。他の実施形態では、別個の空気供給源及び／又は熱交換器を利用して、クーラント流を提供することができる。別の実施形態では、液体クーラントも使用することができる。作動時には、クーラントは、第１のフックのＵ字形通路の第１のセットに導入される。クーラントは、Ｕ字形通路の第１のセットを通り、すなわち半径方向に回転軸に向かった後に回転軸から離れて流れ、カップリング部品により定められる対応する軸方向通路に流入し、次いで、第２のフックのＵ字形通路の第２のセットに流れ込む。クーラントは、Ｕ字形通路の第２のセットから出て、タービンケーシングの外側表面により定められる環状通路及び円周方向に配置されるクーラントスリーブに流入する。クーラントは、環状通路に沿って下流側（例えば、燃焼ガスの流れに対して）に流れることができ、タービンケーシング上の１以上の入口を介して環状通路から出ることができ、該入口は、環状通路をタービンケーシングの内側表面上のキャビティに流体結合する。本明細書で使用される用語「下流側」は、クーラント通路を通るクーラント流の軸方向（例えば、タービンを通る燃焼ガスの流れと同じ方向）を指し、用語「上流側」は、下流側方向のクーラントの流れと反対の軸方向を意味する点を理解されたい。
【００１６】
以下で更に詳細に検討するように、クーラント通路（例えば、Ｕ字形及び軸方向通路）を通るクーラントの流れは、強制対流冷却によりタービンケーシングを冷却することができ、これは、シュラウドの熱膨張を相殺及び／又は低減することができる。すなわち、タービンケーシングは、クーラント通路内のクーラントの温度及び／又は流量に基づいた一定量を収縮又は膨張させるよう構成することができる。コントローラは、クーラント流量及び／又は温度を能動的に制御するようタービンシステムと共に利用することができる。このようにして、回転タービンブレード及びシュラウドに対する所望のクリアランスを能動的に維持することができる。幾つかの実施形態において、クーラント通路は、タービンケーシングの種々の円周方向位置にて異なって構成することができる。例えば、熱的作用により敏感なタービンケーシング領域では、より多くのクーラント流（例えば、クーラント通路の濃度がより高い）を受けるよう構成することができる。すなわち、タービンケーシング自体が非真円である場合、又は運転中に（不均一な熱膨張などによって引き起こされる変形に起因して）非真円になる場合でも、所望のクリアランスを維持することができる。クーラントインサート及びカップリング部品の各々は個々に作製できる点に留意されたい。従って、上述のクーラント通路を有するタービンケーシングの製造は、モジュール方式でタービンケーシングに容易に組み立てることができる（例えば、単一片の材料からタービンケーシングを機械加工するのとは対称的に）別個の個別部品としてクーラントインサート及びカップリング部品を設けることによって簡易化することができる。
【００１７】
更に、クーラントに加えて、加熱流体もまたクーラント通路に供給し、一定条件下での熱膨張の迅速化又は増大を行うことができる。例えば、過渡状態中、少なくとも運転が定常状態に達するまでは、より大きな半径方向ギャップを設けて摩擦の可能性を軽減するのが望ましいとすることができる。すなわち、本明細書ではＵ字形及び軸方向通路は「クーラント通路」と呼ばれるが、加熱流体を個々に供給し、一定条件下でのクリアランスの膨張を行うこともできる点は理解されたい。従って、コントローラは更に、温度センサ、振動センサ、位置センサ、その他などのセンサにより測定した動作条件を検知することができる。検知条件に応じて、実質的にタービン性能を最適にするために、クリアランスを減少（例えば、クーラントをクーラント通路に流すことによる）又は増大（加熱流体をクーラント通路に流すことによる）させることができる。これらの態様、利点、及び他の種々の特徴は、図１から９を参照しながら以下で検討する。
【００１８】
上記を考慮して、図１は、本発明の実施形態による、クリアランス制御用の半径方向及び軸方向クーラント通路を有するガスタービンエンジン１２を含む例示的なシステム１０のブロック図である。特定の実施形態では、システム１０は、航空機、船舶、機関車両、発電システム、又はこれらの何れかの組み合わ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、トランスミッション、ドライブシステム、又はこれらの組み合わせなど、様々な負荷を駆動することができる。タービンシステム１０は、天然ガス及び／又は水素リッチ合成ガスなどの液体又はガス燃料を用いてタービンシステム１０を運転することができる。タービンエンジン１２は、吸気セクション１４、圧縮機１６、燃焼器セクション１８、タービン２０、及び排気セクション２２を含む。図１に示すように、タービン２０は、シャフト２４を介して圧縮機１６に駆動可能に結合することができる。
【００１９】
作動時には、空気が吸気セクション１４を通ってタービンシステム１０に流入し（矢印で示す）、圧縮機１６を加圧することができる。圧縮機１６は、シャフト２４に結合された圧縮機ブレード２６を含むことができる。圧縮機ブレード２６は、シャフト２４と、該圧縮機ブレード２６が配置される圧縮機ハウジング３０の内側壁又は表面２８との間の半径方向ギャップにわたることができる。例示として、内側壁２８は、ほぼ環状又は円錐の形状とすることができる。シャフト２４の回転により圧縮機ブレード２６の回転が生じ、これにより空気を圧縮機１６に引き込み、燃焼室セクション１８に入る前に空気を加圧することができる。燃焼室セクション１８は、シャフト２４の周りに円周方向又は環状に且つ圧縮機１６とタービン２０間に軸方向に配置された燃焼器ハウジング３２を含む。燃焼器ハウジング３２内では、燃焼室セクション１８は、シャフト２４の周りにほぼ円形又は環状構成で複数の円周位置に配置された複数の燃焼器３４を含むことができる。加圧空気が圧縮機１６から出て燃焼器３４の各々に入ると、加圧空気は燃料と混合され、各それぞれの燃焼器３４内で燃焼することができる。例えば、各燃焼器３４は、１以上の燃料ノズルを含むことができ、該ノズルは、燃料−空気混合気を最適燃焼、エミッション、燃料消費、及び出力に好適な比率で燃焼器３４内に噴射することができる。空気及び燃料の燃焼は、高温の加圧排気ガスを生成することができ、次いで、これを利用してタービン２０内の１以上のタービンブレード３６を駆動することができる。
【００２０】
タービン２０は、上述のタービンブレード３６と、外側タービンケーシング４０とを含むことができる。以下で更に詳細に示すように、外側ケーシング４０は、タービンブレード３６の周りに配置されたシュラウド３８と、シュラウドに結合され且つ外側ケーシング内に同心状に配置される内側タービンケーシングとを含むことができる。タービンブレード３６は、シャフト２４に結合され、シャフト２４とシュラウド３８との間の半径方向ギャップにわたることができ、該シュラウドは、ほぼ環状又は円錐の形状とすることができる。小さな半径方向ギャップは一般に、タービンブレード３６をシュラウド３８から分離し、タービンブレード３６及びシュラウド３８間の接触の可能性を低減する。理解されるように、タービンブレード３６及びシュラウド３８間の接触は、一般に「摩擦」と呼ばれる望ましくない状態を生じる可能性があり、タービンエンジン１２の１以上の構成部品に対する過度の摩耗又は損失をもたらす可能性がある。
【００２１】
タービン２０は、タービンブレード３６の各々をシャフト２４に結合するロータ要素を含むことができる。加えて、本実施形態に示されたタービン２０は、各々が図示のタービンブレード３６のそれぞれ１つによって表される、３つの段を含む。ノズルは、各段間に配置され、タービン２０を通る燃焼ガスの流れを誘導することができる。他の構成ではこれよりも多い又は少ないタービン段を含むことができる点は理解されたい。作動時には、タービン２０に流入し且つ貫流する燃焼ガスは、タービンブレード３６に接触してこれらの間を流れ、これによりタービンブレード３６すなわちシャフト２４を駆動し回転させ、負荷を駆動する。また、シャフト２４の回転によって、圧縮機１６内のブレード２６が吸気口１４により受け取られる空気を吸い込み加圧するようになる。更に、幾つかの実施形態において、排気セクション２２から出る排気は、例えば、ジェット機などの移動体への推力源として用いることができる。
【００２２】
図１に更に示すように、タービンシステム１０は、クリアランス制御システム４４を含むことができる。クリアランス制御システム４４は、クリアランスコントローラ４６と、タービンシステム１０の種々の位置に配置することができる１以上のセンサ４８とを含むことができる。クリアランスコントローラ４６は、タービンブレード３６及びシュラウド３８間のクリアランス（例えば、半径方向ギャップ）を調整するためルーチン及びアルゴリズムを実行するようプログラムされた種々のハードウェア及び／又はソフトウェア構成要素を含むことができる。センサ４８は、クリアランスコントローラ４６がクリアランスを相応に能動制御できるように、タービンエンジン１２の動作条件に関する種々のデータ５０を伝達するのに用いることができる。例えば、センサ４８は、温度を検知する温度センサ、振動を検知する振動センサ、流量を検知する流量センサ、位置センサ、又はシャフト２４の回転速度、出力、その他などのタービンの種々の動作状態を検出するのに好適な他の何れかのセンサを含むことができる。センサ４８は、タービン２０に結合されるように図示されているが、吸気口１４、圧縮機１６、燃焼器１８、タービン２０、及び／又は排気セクション２２、その他を含む、タービンシステム１０の何れかの構成部品に位置付けることができる点を理解されたい。
【００２３】
クーラント流は、流れ管路５２及び５４を介してタービン２０のクーラント通路に供給することができる。図示のように、流れ管路５２は、圧縮機１６から吸い上げられた空気流を提供するよう構成することができる。理解されるように、圧縮機１６の各連続する段において、吸気口１４を介して受けられる空気は、増圧状態に曝され、従って、温度が上昇する。単に例証として、１６段圧縮機の８番目の段における加圧空気の温度は、およそ４００から６００°Ｆの間とすることができ、１２番目の段における加圧空気の温度は、およそ７００から１０００°Ｆの間とすることができる。圧縮機空気は燃焼器３４に送給され、燃料と反応して燃焼プロセスを実施すると、燃焼器３４内の結果として得られる燃焼ガスの温度は、およそ２０００から３５００°Ｆの間又はそれよりも高い温度に達する場合がある。燃焼ガスが燃焼器３４から出て、タービンセクション２０に（例えば、排気ガスとして）入ると、燃焼ガスの温度は、例えば、およそ９００から１３００°Ｆの間まで低温にすることができる。すなわち、圧縮機空気は、タービンセクション２０に流れる燃焼ガスの温度に対して全体的に低温である点に留意されたい。従って、特定の実施形態において、コントローラ４６は、動作条件の特定のセットの元で目標クリアランスを維持するのに必要な冷却量に応じて、圧縮機段の何れかから流れ管路５２に対する空気源を選択するよう構成することができ、或いは、単一圧縮機段からの空気を用いて流量を変えることができる。
【００２４】
流れ管路５４は熱交換器５６に結合され、該熱交換器５６は、外部流体源５８に結合される。熱交換器５６は、システム１０に統合することができ、或いは、別個の外部スキッド上に設けることもできる。熱交換器５６は、コントローラ４６からの制御信号６８に応答して、例えば、検知されたデータ５０に基づいて外部流体源５８を所望の温度にまで冷却又は加熱することができる。すなわち、特定の目標クリアランスを維持するのに必要な冷却に基づいて、流れ管路５２又は５４の何れかを選択し、タービン２０のクーラント通路にクーラント流を提供することができる。図示のように、流れ管路５２又は５４の何れかは、バルブ６０及び６２をそれぞれ含むことができる。コントローラ４６は、制御信号６４及び６６をそれぞれ用いてバルブ６０及び６２を能動的に操作し、流れ管路５２及び５４を通るクーラントの流量を能動的に制御することができる。例証として、バルブ６０及び６２は、およそ０から１５ポンド毎秒の間の範囲の流量を提供するよう構成することができる。一実施形態では、流量は、およそ３、４、５、６、７、８、９、又は１０ポンド毎秒よりも少なくとも小さくすることができる。別の実施形態では、バルブ６０及び６２は、開閉バルブとすることができ、コントローラは、開放状態と閉鎖状態との間でバルブ６０及び６２を切り替え、クーラント流を供給する、又は供給しないようにすることができる。加えて、上述のように、加熱流体はまた、タービン２０のクーラント通路に送られ、過渡タービン運転状態などでクリアランスを増大させることができる。
【００２５】
図２を参照すると、図１に概略的に示されたタービンエンジン１２の一実施形態の切り欠き側面図が示されている。タービンエンジン１２は、１以上の燃焼器３４内部に位置付けられる１以上の燃料ノズル７０を含む。作動時には、吸気口１４を通ってタービンエンジン１２に空気が流入し、圧縮機１６において加圧される。次いで、加圧空気がガスと混合され、燃焼器３４内で燃焼することができる。例えば、燃料ノズル７０は、燃料−空気混合気を最適燃焼、エミッション、燃料消費、及び出力に好適な比率で燃焼器３４内に噴射することができる。この燃焼は、高温の加圧排気ガスを生成し、次いで、該排気ガスがタービン２０内の１以上のタービンブレード３６を駆動してシャフト２４を回転させる。シャフト２４の回転により、圧縮機１６内の圧縮機ブレード２６が、吸気口１４により受け取られる空気を吸い込み加圧するようになる。
【００２６】
以下で更に詳細に検討するように、タービン２０は、シュラウド３８に結合された内側タービンケーシングを含むことができる。複数の半径方向及び軸方向のクーラント通路は、上記で検討したように、流れ管路５２及び／又は５４により提供されるクーラント流を受けることができる。クーラントがクーラント通路を流れると、強制対流冷却の原理によりタービンケーシングから熱が伝達され、すなわち、タービンケーシング及び／又はシュラウドの熱膨張が低減され、タービンブレード３６及びシュラウド３８間の半径方向ギャップを低減することができる。一実施形態では、クーラントは、流れ管路５２を介して供給される圧縮機空気の一部とすることができ、圧縮機２６内に流れる空気全体のおよそ０．１から１０パーセントの間とすることができる。例えば、流れ管路５２を介して供給される圧縮機空気の一部は、全圧縮機空気のおよそ０．１、０．５、１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０パーセントよりも少なくとも少ないものとすることができる。
【００２７】
本明細書で説明される能動クリアランス制御機能は、図３を参照するとより理解することができ、図３は、図２の弓状線３−３で囲まれた図１及び２のタービンセクション２０の部分軸方向断面を示している。図示の実施形態は、第１段タービンブレード３６ａ、第２段タービンブレード３６ｂ、及び第３段タービンブレード３６ｃにより示される、３段タービンである。他の実施形態では、より少ないか又はより多くのタービン段を含むことができる。燃焼ガス７４が燃焼器３４の下流側端部から出ると、該燃焼ガス７４は、燃焼ガス７４を配向するよう構成された第１段ノズル７６を通って第１段ブレード３６ａに向かって流れる。次いで、燃焼ガス７４は、第２段ノズル７８を通って第２段ブレード３６ｂに向かって流れる。最後に、燃焼ガス７４は、第３段ノズル８０を通って第３段ブレード３６ｃに向かって流れる。
【００２８】
図示のように、タービンブレード３６ａの先端８６は、半径方向ギャップ８４により内側シュラウドセクション３８ａから分離することができる。同様に、タービンブレード３６ｂの先端９４は、半径方向ギャップ９２により内側シュラウドセクション３８ｂから分離することができる。上記で検討したように、半径方向ギャップ８４及び９２は、タービンブレード３６ａ及び３８ｂと、内側シュラウドセクション３８ａ及び３８ｂとの間の接触の可能性を低減し、更に、基準軸線で示すように、燃焼ガス７４が下流側軸方向１４０に沿って下流側に流れるときに、タービンブレード３６を迂回するための燃焼ガス７４用経路を提供する。理解されるように、迂回ガスからのエネルギーはタービンブレード３６により取り込まれずに回転エネルギーに変換され、従って、タービンエンジン１２の効率及び出力を低下させるので、ガスバイパスは一般的に望ましい。すなわち、タービンシステム効率は、タービンブレード３６により取り込まれる燃焼ガスの量に少なくとも部分的に依存する。従って、半径方向ギャップ８４及び／又は９２を減少させることにより、タービン２０からの出力を増大させることができる。しかしながら、上述のように、半径方向ギャップ８４及び／又は９２が小さすぎる場合、タービンブレード３６とシュラウド３８との間に摩擦が生じる可能性があり、結果としてタービンエンジン１２の構成部品に摩耗及び損傷が生じる場合がある。
【００２９】
開示される実施形態は、内側タービンケーシング９８において複数の流体結合された半径方向及び軸方向クーラント通路にクーラントを供給し、タービン２０の効率の向上と、タービンブレード３６及び内側シュラウド３８（例えば、３８ａ、３８ｂ）間の接触又は摩擦の可能性低減との好適なバランスをもたらす。内側タービンケーシング９８は、シュラウドセグメント上のそれぞれの対応するフックに結合するよう構成された複数のフックを含むことができる。例えば、タービン２０の第１段を参照すると、内側タービンケーシング９８は、内側シュラウドセクション３８ｂの対応するフック１０４及び１０６それぞれに結合するフック１００及び１０２を含む。第２段では、タービンケーシング９８は、内側シュラウドセクション３８ｂのそれぞれのフック１１４及び１１６に結合するフック１１０及び１１２を含む。タービンエンジン１２の作動中、燃焼ガス７４からの熱により、内側タービンケーシング９８及びシュラウド３８が熱的に膨張し、すなわち、タービンブレード３６よりも大きな割合で半径方向１３６外向きに移動するようにすることができる。熱膨張が生じると、半径方向ギャップ８４及び９２が増大することができる。上記で検討したように、クリアランスの増大は、タービンブレード３６を迂回するより多くのガスを生じさせ、従って、タービン出力及び効率が低下する。幾つかの実施形態において、内側シュラウドセクション３８ａ及び３８ｂは、特定のクリアランスを維持するのに適切な制御措置を決定する際に使用するため、コントローラ４６にデータをフィードバックすることができる位置センサを含むことができる。
【００３０】
クリアランスを制御するために、複数の流体結合された半径方向及び軸方向クーラント通路を内側タービンケーシング９８に設けることができる。例えば、タービン２０の第１段を参照すると、環状溝１１８及び１２０は、フック１００及び１０２にそれぞれ半径方向に延びる。クーラントインサートは、環状溝１１８及び１２０の各々に埋め込み又は挿入することができる。例えば、クーラントインサート１２２は、環状溝１１８に埋め込むことができ、クーラントインサート１２４は環状溝１２０に埋め込むことができる。この断面図には図示されていないが、クーラントインサート１２２及び１２４の各々は、上流側部上の複数の半径方向溝を含むことができ、その各々は、インサートの下流側上のそれぞれの半径方向溝に対応する。それぞれの溝１１８及び１２０に埋め込まれると、クーラントインサート１２２及び１２４上の半径方向溝は、複数のＵ字形クーラント通路を形成することができ、クーラントインサートの下流側部上の対応する半径方向クーラント通路に流体結合されているクーラントインサートの上流側の半径方向クーラント通路を各々備える。換言すると、クーラントインサート１２２及び１２４は、環状溝１１８及び１２０に埋め込まれると、各環状溝１１８及び１２０に円周方向に離間して配置される複数のＵ字形通路を形成することができる。以下で検討するように、環状溝１１８及び１２０内のＵ字形通路は、複数の軸方向クーラント通路により流体結合され、フック１００及び１０２の各々を通る（例えば、方向１３６及び１３８の）冷却流体の流れを提供することができる。
【００３１】
ほぼ環状の外側タービンシュラウド１２８は、内側タービンケーシング９８の周りに同心状に結合することができる。外側シュラウド１２８の上流側端部１３２は、複数の入口１３０を含むことができ、該入口は、外側タービンシュラウド１２８上に円周方向に配列され、矢印１３３で示されるように、流れ管路５２及び／又は５４からのクーラントの流れを受けるよう構成することができる。シール部材１３４は、内側タービンケーシング９８と外側シュラウド１２８との間に配置され、クーラント流１３３を第１のクーラントインサート１２２の上流側部上の半径方向通路に配向するよう構成することができる。別の実施形態において、シール部材１３４は、別の開口を含むことができ、更にインサート１２２上の半径方向通路の入口に位置することができ、その結果、クーラント流が、シール部材上の開口を通り、インサート１２２の半径方向通路内に流入するようになる。従って、クーラントは、クーラントインサート１２２の上流側部上の半径方向通路に沿って半径方向１３８（例えば、シャフト２４の回転軸１３９に向かって）に流れ、次いで、クーラントインサート１２２の下流側に沿って反対の半径方向１３６（例えば、シャフト２４の回転軸１３９から離れて）に流れることができ、その結果、流路はほぼＵ字形となる。これに続いて、クーラントは、例えば、カップリング部品１４２により定められた１以上のほぼ軸方向の通路に沿って流れることができる。軸方向通路は、溝１１８内のＵ字形通路を、溝１２０において同様に構成されたＵ字形通路に流体結合する。従って、クーラントは、カップリング部品１４２の軸方向通路に沿って軸方向１４０に流れ、次いで、第２のクーラントインサート１２４（例えば、溝１２０における）の上流側部上の半径方向通路に流入する。次に、クーラントは、クーラントインサート１２４の上流側部上の半径方向通路に沿って半径方向１３８に流れた後、インサート１２４の下流側の対応する半径方向通路に沿って半径方向１３６に流れる。
【００３２】
クーラント流がインサート１２４の下流側半径方向通路から出ると、クーラントは、内側タービンケーシング９８の外側表面とクーラントシール１４４との間に形成された環状通路１４３に流入する。これに続いて、クーラントは、内側タービンケーシング９８の外側表面にほぼ沿って下流側（方向１４０）に複数の入口１４６に向かって流れ、該入口は、タービンケーシング９８上に円周方向に配列することができる。クーラント流は、環状通路１４３から出てキャビティ１４８に流入する。ここから流出するクーラント流は分散することができ、及び／又は排気セクション２２に向けて更に下流側に送ることができる。通路１４６は、本実施形態においてはクーラントをキャビティ１４８内に放出するように示されているが、他の実施形態では、通路１４６は、例えば、フック１１０及び１１２間の領域内など、内側タービンケーシング９８に沿った異なる位置に配置することができる。本明細書で検討したＵ字形通路及び軸方向通路の構成を以下で更に詳細に例示し検討する。
【００３３】
領域１５０は、外側シュラウド１２８及び内側タービンケーシング９８によって形成することができ、クーラント流（例えば、Ｕ字形通路及び軸方向通路を通る）と、外側タービンケーシング４０及び外側シュラウド１２８間のキャビティ１５２を通る空気流との境界部としての役割を果たすことができる。キャビティは、入口１５４及び１５６を介して空気流を受けることができる。キャビティ１５２内の空気と内側タービンケーシング９８を通って流れるクーラントとの間に存在することができる圧力差によって、領域１５０は絶縁性を提供することができる。幾つかの実施形態では、領域１５０は、絶縁材料を充填してもよい。
【００３４】
理解されるように、クーラントが、Ｕ字形通路を通りフック１００及び１０２に流入すると、強制対流冷却によって熱伝達を行うことができる。従って、内側タービンケーシング９８が次第に冷却されると、熱膨張が減少し、従って、内側タービンケーシング９８及び特にフック１００及び１０２が半径方向１３８で収縮して半径方向ギャップが減少するようにすることができる。単なる例証として、本明細書で開示されるクリアランス制御技術を用いた内側タービンケーシング９８の膨張／収縮の範囲は、内側タービンケーシング９８の直径（例えば、燃焼器３４のノズルに結合された端部にて測定）の関数として表すことができる。例えば、膨張／収縮の範囲は、直径のおよそ１から３径方向ミル毎インチとすることができる。従って、一実施形態を提供するために、内側タービンケーシング９８直径が１００インチ、膨張量が直径の１．２５径方向ミル毎インチと仮定すると、内側タービンケーシング９８の膨張／収縮範囲は、回転軸１３９に対してほぼ１２５径方向ミル毎インチ（０．１２５径方向インチ）とすることができる。同様に、膨張量が、直径の２半径方向ミル毎インチである場合、内側タービンケーシング９８の膨張／収縮範囲は、回転軸１３９に対しておよそ２００径方向ミル（０．２径方向インチ）とすることができる。この場合も同様に、本明細書で提供される特定の関係は単なる例証である点を理解されたい。実際に、特定の実施、動作温度、材料、及び／又は使用するクーラントに応じて、様々な割合の膨張／収縮を達成することができる。
【００３５】
更に、クーラント通路の同様の構成は、半径方向ギャップ９２のクリアランス制御を向上させるためにフック１１０及び１１２において実施することができる点に留意されたい。実際に、タービンエンジン１２の構造に応じて、本明細書で検討されるクーラント通路の構成は、１以上のタービン段において実施することができる。簡単にするために、図３のタービン２０の第１の段におけるクーラント通路だけが図示され説明されている。
【００３６】
ここで図４を参照すると、一実施形態による内側タービンケーシング９８、クーラントインサート１２２及び１２４、並びにカップリング部品１４２の部分分解斜視図が示されている。環状溝１１８から完全に分解され且つ半径方向高さ１６４を有して示される第１のインサート１２２は、上流側部１６０上の半径方向溝１６６と、下流側部１６２上の半径方向溝１６８とを含む。半径方向溝１６６及び１６８は、インサート１２２のベースにおいて軸方向スペース１６３により流体結合され、従って、ほぼＵ字形の溝を定め、環状溝１１８に埋め込まれると第１の複数のＵ字形通路を形成する。更に、この実施形態において、半径方向溝１６６は、インサート１２２の半径方向高さ１６４全体に沿って延びることができるが、半径方向溝１６８は、半径方向高さ１６４の一部だけに沿って延びることができ、その結果、クーラントがカップリング部品１４２の底部側部上の対応する軸方向溝１７２に配向されるようになり、これは、カップリング部品１４２が内側タービンケーシング９８上に組み付けられたときに軸方向通路を形成する。
【００３７】
第２のインサート１２４は、環状溝１２０から部分的に分解され、半径方向高さ１７８を有するように示されている。内側タービンケーシング９８並びにインサート１２２及び１２４の構造に応じて、半径方向高さ１６４及び１７は同じとすることができ、或いは異なることもできる。インサート１２４は、上流側部１７４上には半径方向溝１８０（仮想線で示される）を含み、下流側部１７６上には半径方向溝１８２を含む。半径方向溝１８０及び１８２は、インサート１２４のベースにおいて軸方向スペース１８３により流体結合され、従って、ほぼＵ字形の溝を定め、環状溝１２０に埋め込まれると第２の複数のＵ字形通路を形成する。更に、図示のように、環状溝１８０は、高さ１７８の一部だけに沿って延びて、半径方向１３８で軸方向通路１７２から流出するクーラント流を配向するようにすることができる。半径方向溝１８２は、インサート１２
４の半径方向高さ１７８全体に沿って延びて、環状通路１４３（図３）へのクーラント流用の出口を提供することができる。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、冷却インサート１２２及び１２４は、環状溝１１８及び１２０の円周方向にほぼわたるが、複数のセグメント（例えば、２から１００セグメント）から形成することができる。例えば、冷却インサート１２２は、４つの弓形セグメントを含むことができ、各々は、環状溝１１８の円周方向９０度にわたる。一実施形態では、セグメントの各々は、コントローラ４６により独立して制御することができる。例えば、別個の独立したクーラント流は、流れ管路５２に沿って設けられ、各それぞれの個々のインサートセグメントのＵ字形通路に配向することができる。加えて、特定のインサートセグメントが位置付けられる内側タービンケーシング９８の熱特性に応じて、各インサートセグメント上の半径方向溝の構造を変えることができる。例えば、内側タービンケーシング９８の特定の熱的に敏感なセクションにおけるインサートは、他のセグメントよりも多くのクーラントを受け取るよう構成することができ、及び／又はより多くの及び／又はより深い半径方向溝１６６及び１６８を含むことができる。別の実施形態では、半径方向溝１６６及び１６８は、インサート１２２の各セグメントについてほぼ均一にすることができ、コントローラ４６は、各インサートセグメントの温度特性に応じて、様々な温度及び／又は流量のクーラントの独立した流れを配向することができる。例えば、タービンケーシング９８の特定のセクションがより急激に膨張する場合、コントローラ４６は、より低温の圧縮機段からのクーラント流を供給し、或いは、クーラントの流量を増大させることができる。同様に、タービンケーシング９８の特定のセクションがより緩慢に膨張する場合、コントローラ４６は、より暖かい又はより高温の圧縮機段からのクーラント流を供給し、或いは、クーラントのより緩慢な流量を提供することができる。他の実施形態では、タービンケーシング９８自体及び／又はカップリング部品１４２は、ボルト又は締結部材の他の何れかのタイプを通すことによって結合される複数のセクションを含むことができる。
【００３９】
理解されるように、インサートの複数のセクション（セグメント化することができる）へのクーラント流の独立した制御は、非真円問題に対処するのに特に有用とすることができる。例えば、幾つかの実施形態では、タービンケーシング９８は、シャフト２４中心線（例えば、回転軸１３９）を通る平面にて分割され、例えばサービス及びメンテナンス中にタービン２０の内部構成部品に良好にアクセス可能にすることができることに起因して、該タービンケーシング９８は、運転中に変形する可能性がある。このような構造において、水平ジョイントを用いて、内側タービンケーシング９８の２つの要素を組み合わせることができる。例証として、ジョイントは、フランジ間のクランプ圧をもたらす貫通ボルトを備えた２つの嵌合フランジを含み、従って、タービンケーシング９８の部品を共に結合することができる。しかしながら、フランジが存在することによる半径方向厚みの追加は、タービンケーシング９８の残りの部分とは異なるフランジの全体的近接の熱応答、並びにタービン２０の作動中に生じる可能性のある円周方向応力の不連続性を生じる可能性がある。フランジジョイントにおける熱応答及び応力不連続性の組み合わされた作用によって、タービンケーシング９８がタービン２０の運転中に非真円になる可能性がある。従って、独立して制御可能なクーラント流を内側タービンケーシング９８の複数のセクションに提供することにより、熱膨張を制御して、非真円に起因するタービンケーシング９８の非円形を補正し、従って、タービンケーシング９８及びシュラウド３８の可能性のある非円形にもかかわらず、タービン２０の円周全体の周りに好適なクリアランスを維持することができる。
【００４０】
次に進む前に、クーラントインサート１２２及び１２４並びにカップリング部品１４２の各々は個々に作製又は製造（例えば、機械加工による）することができる点に留意されたい。従って、内側タービンケーシング９８の製造コストは、ボルト、ネジ、溶接、及び同様のものなどの固定技術の好適な何れかのタイプを用いて、モジュール方式でタービンケーシング９８に組み立てることができる別個の個別部品としてクーラントインサート１２２及びカップリング部品１４２を設けることによって簡易化することができる。他の実施形態では、カップリング部品１４２はまた、単一の固体部品（例えば、モジュールではない）とすることができる。加えて、別の実施形態では、カップリング部品１４２は、溝１７２の無い環状部材として設けることができ、その結果、環状通路が形成され、カップリング部品１４２がインサート１２２及び１２４に固定されるようになる。このような実施形態では、インサート１２２から流出するクーラント流が環状通路（別個のそれぞれの軸方向溝ではない）に入り、インサート１２４上の半径方向通路に流れる。単なる例証として、このような実施形態では、カップリング部品１４２は、内側タービンケーシング９８の周りに同心状に取り付けて、インサート１２２及び１２４上に半径方向通路を結合する環状通路を定めるよう適合された環状シート要素とすることができる。更に、溝１７２は、図示の実施形態では軸方向１３９にほぼ直線状で且つ互いに平行として描かれているが、当該溝１７２は、異なる実施形態では他の構造を有することができる点は理解されたい。例えば、溝１７２はまた、湾曲及び／又はＶ字形（例えば、互いに平行ではない）の通路、或いは半径方向及び／又は円周方向要素（回転軸に対して）と組み合わせた軸方向構成要素を有する通路を定めることができる。
【００４１】
続いて図５を参照すると、図３の切り欠き線５−５に沿った内側タービンケーシング９８及びクーラントインサート１２２の一部を示す部分半径方向断面が示される。図示のように、クーラントインサート１２２は、環状溝１１８内に埋め込まれる。インサート１２２の上流側部１６０は、上記で検討した複数の半径方向溝１６６を含み、環状溝１１８に埋め込まれたときに半径方向通路を形成する。本明細書において、インサート１２２及び１２４又はカップリング部品１４２上の対応する溝を介して形成される冷却通路は、同じ参照符号を用いて示すことにする。
【００４２】
本発明の実施形態において、半径方向通路１６６は、４つのグループで構成されるが、他の何れかの好適な構成を実施することができる。半径方向通路１６６の各グループ間では、インサート１２２は、開口１９４を有する非溝付きの部分１８９を含むことができる。開口１９４は、組み立て中に内側タービンケーシング９８にインサート１２２を固定するためのボルト又はネジ、或いは他の何らかの好適なタイプの固定装置を受けるよう構成することができる。上記で検討したように、クーラント流は、流れ矢印１９０で示すように、インサート１２２の上流側部１６０上の半径方向通路１６６の各々に配向される。クーラントは、シャフト２４の回転軸１３９（図３）に向かって且つ軸方向スペース１６３を通って下流側部１６２（仮想矢印及びリード線で示される）上の対応する半径方向通路１６８に流入する。上記で検討したように、半径方向通路１６８は、半径方向高さ１６４の一部に沿ってのみ流れ、カップリング部品１４２上に形成された対応する下流側軸方向通路内にクーラント流を配向するようにする。
【００４３】
ここで図６を参照すると、図３の切り欠き線６−６に沿った内側タービンケーシング９８及びカップリング部品１４２の一部を示す部分半径方向断面図が示される。図示のように、カップリング部品１４２は、内側タービンケーシング９８上に組み立てられて軸方向通路１７２を形成する。カップリング部品１４２は、インサート１２２上の開口１９４と整列することができる開口１９６を含むことができる。従って、インサート１２２を内側タービンケーシング９８に固定するのに使用される締結部材（例えば、ボルト、スクリュー）は、開口１９６を貫通して延びて、カップリング部品１４２をインサート１２２及び内側タービンケーシング９８に付加的に固定することができる。図示の実施形態において、軸方向通路１７２は一般に、図５に示す半径方向Ｕ字形通路の各グループと一対一で対応する４つのグループに構成される。すなわち、各半径方向通路１６８（インサート１２２の下流側部１６２上の）は、図示の軸方向通路１７２のそれぞれの通路に流体結合することができる。
【００４４】
幾つかの実施形態では、軸方向通路１７２は、半径方向通路１６８に一対一で対応しなくてもよい。例えば、図７を参照すると、図３の切り欠き線６−６に沿った内側タービンケーシング９８及びカップリング部品１４２の一部の別の実施形態を示す部分半径方向断面図が示される。ここで、軸方向通路１７２は、半径方向溝１６８の２以上に対応することができる。例えば、図示のように、軸方向通路１７２ａは、２つの半径方向通路１６８に流体結合することができ、軸方向通路１７２ｂは、４つの半径方向通路１６８のグループ全体に流体結合することができる。上記で検討したように、半径方向溝１６８から流出するクーラントは、軸方向（図３の方向１４０）下流側に流れ環状溝１２０内のインサート１２４上の第２の複数のＵ字形通路に入ることができる。クーラントは、インサート１２４の下流側部上の半径方向通路１８２から出て、クーラントシール１４４及び内側タービンケーシング９８により形成された環状通路１４３に流入することができる。
【００４５】
Ｕ字形通路及び軸方向通路を通るクーラントの流路は、図８を参照して説明するとより理解することができ、図８は、図３の弓状線８−８で囲まれ且つ図５の切り欠き線８−８に沿った内側タービンケーシング９８のより詳細な部分軸方向断面である。図８に示すように、クーラント流れ管路５２又は５４によって（コントローラ４６を介して）提供することができるクーラントの流れ１３３は、外側シュラウド１２８の上流側端部１３２に沿って円周方向に配列することができる。クーラント流１３３は、キャビティ１９８に流入し、方向１３８で半径方向通路１６６に配向される。上記で検討したように、半径方向通路１６６は、環状溝１１８に挿入されたときにインサート１２２の上流側部上の半径方向溝により形成される。クーラントは、軸方向スペース１６３に達するまで方向１３８に流れ続ける。ここで、クーラント流が反転（矢印２００）し、半径方向通路１６８に沿って方向１３６に流れる。クーラントは、半径方向通路１６８から軸方向通路１７２に流入し、内側タービンケーシング９８にカップリング部品１４２を組み立てることにより形成することができる。
【００４６】
クーラントは、軸方向通路１７２（矢印２０２）に沿って流れて進み、インサート１２４の上流側部上の半径方向通路１８０に流入する。クーラントは、軸方向１８３に達するまで方向１３８に半径方向通路（矢印２０４）を通って配向される。次いで、クーラントは、半径方向通路１８２（矢印２０６）を通って方向１３６に流れ、最終的には半径方向通路１８２から出て、上記で検討したように内側タービンケーシング９８及びクーラントシール１４４の外側表面により定められる環状通路１４３に流入する。次いで、クーラントは、続いて下流側（方向１４０）に流れ、最終的には、１以上の入口１４６（図３）により環状通路１４２から出る。上記で検討したように、領域１５０は、内側タービンケーシング９８と外側シュラウド１２８との間に定めることができる。
【００４７】
上記で検討したように、Ｕ字形通路を通るクーラントの流れは、強制対流冷却により熱伝達を可能にする。フック１００及び１０２への半径方向通路提供することによって、本発明は、これらの領域における熱伝達を向上させ、より効率的なクリアランス制御を提供する。詳細には、Ｕ字形半径方向通路を有するインサート１２２及び１２４は、フック１００及び１０２へのより深い（例えば、半径方向１３８の）冷却を可能にし、従って、半径方向の冷却のパーセンテージをより大きくし、結果としてより大きな範囲のクリアランス制御をもたらす。本質的に、冷却容積がより大きいことにより、クーラントは、内側タービンケーシング９８のより多くの膨張及び収縮を提供できるようになる。理解されるように、提供される膨張及び収縮度は、Ｕ字形半径方向通路がフック１００及び１０２内に半径方向に延びる深さに多少比例することができる。詳細には、より深い冷却（例えば、フック１００及び１０２内への）によって、クーラントのより効率的な使用が、内側ケーシング要素９８の収縮／膨張を改善することができる。フックへのより深い冷却は、内側タービンケーシング９８のより低い平均温度になることができる熱障壁を提供することができる。加えて、カップリング部品１４２を介して形成される軸方向通路１７２が熱障壁を提供することができ、インサート１２２及び１２４間で且つ軸方向通路１７２（例えば、半径方向１３６の）の上のスペースにわたってほぼ一定の温度が存在するようになる。
【００４８】
上記で検討したように、センサ４８から受け取ったデータ５０は、タービン２０の１以上のセクションに提供されるクーラントの流量及び／又は温度を変化させるのにクリアランスコントローラ４６が利用することができる。クリアランスを減少させるべきであるとコントローラ４６が判断した場合、半径方向通路１６６、１６８、軸方向通路１７２、並びに半径方向通路１８０及び１８２は熱を除去し、すなわち、タービン運転中の内側タービンケーシング９８の熱膨張を低減することができる。内側タービンケーシング９８が収縮すると、フック１００及び１０２は、シャフト２４の回転軸１３９（方向１３８）に向かって半径方向に収縮することができ、すなわち、シュラウド（例えば、内側シュラウドセクション３８ａ）が回転軸１３９（方向１３８）に向かって半径方向に移動するようになる。従って、シュラウド３８とタービンブレード３６との間の半径方向ギャップ（例えば、８４）が減少し、これによりタービン出力及び効率が向上する。
【００４９】
加えて、幾つかの実施形態では、加熱流体はまた、半径方向通路１６６、１６８、軸方向通路１７２、並びに径方向通路１８０及び１８２に導入され、過渡状態の間のように、熱膨張を増大又は促進することができる。例えば、始動時には、少なくとも運転が定常状態に達するまでは摩擦の可能性を軽減するためにクリアランスの度合いを大きくするのが望ましいとすることができる。
【００５０】
ここで図９を参照すると、タービンエンジン１２の測定パラメータに基づいてクリアランスを能動的に調整するコンピュータ実装方法２１２が示されている。方法２１２は、ブロック２１４で示すように、タービンエンジン１２の１以上のパラメータを監視する段階で始まることができる。パラメータは、上記で検討したタービンセンサ４８により測定することができ、適切なクリアランスを決定するのに使用できるタービンエンジン１２の何れかの好適なパラメータに関連することができる。例えば、幾つかのパラメータは、タービン２０内の温度又はタービン２０の特定の構成部品（例えば、ブレード３６、内側タービンケーシング９８、その他）の温度、タービン２０の振動レベル、シャフト２４の回転速度、タービンエンジン１２の出力、燃焼ガスの流量、圧力データ、又はこれらの組み合わせに関連することができる。加えて、一部のパラメータは、タービンエンジン１２の制御入力に関連することができる。例えば、一部のパラメータは、タービンエンジン１２の特定の出力レベル又は運転状態、タービンエンジン１２が始動してからの経過時間、又は始動及び／又は運転停止入力に関連することができる。
【００５１】
次に、ブロック２１４で監視したタービンエンジン１２のパラメータを用いて、決定ブロック２１６及び２１８で所望のクリアランス設定を決定することができる。例えば、検知されたブロック２１４からのパラメータに基づいて、コントローラ４６は、ブロック２１６において、パラメータがタービンエンジン１２の過渡状態、すなわちタービンエンジン１２の変化するパラメータがクリアランスの急激な変化を引き起こす傾向を有する可能性がある状態を示すか否かを判断することができる。例えば、１以上のパラメータは、外側ケーシング４０、内側ケーシング９８、ブレード３６、又はタービンエンジン１２の他の幾つかの構成部品の温度に関連することができる。温度が急激に変化しているように検出された場合、これは、タービンエンジン１２が始動又は運転停止などの過渡状態にあることを示すことができる。
【００５２】
過渡状態が検出されると、方法２１２は、ブロック２１８に進み、ここでは過渡状態設定を達成する制御措置が実施される。例えば、一実施形態では、過渡状態中のシュラウドセクション３８及びタービンブレード３６間の接触の可能性を低減するためにクリアランスを可能な限り迅速に最大レベルに設定することを目的として、このような制御措置により、タービンフック１００及び１０２内のクーラント通路に加熱流体を通すことで内側タービンケーシング９８の熱膨張を増大又は促進させることができる。その後、方法２１２は、ブロック２１４に戻り、引き続きタービンエンジン１２の運転パラメータを監視することができる。一実施形態では、タービンエンジン１２が過渡状態又は定常状態の何れで運転しているかに関する判断はまた、タービンエンジン１２の始動後又は出力設定の他の何らかの変化の後に定常状態に達するのに必要な時間に関する経験的測定値又は理論推定値に基づくことができる。経験的データを用いて、タービンエンジン１２の出力設定の何らかの変化が開始した後に定常状態に達するのに必要な時間を表す指定時間定数をクリアランスコントローラ４６にプログラムすることができる。例えば、タービンエンジン１２の出力設定の特定の変化が起こった後、クリアランスコントローラ４６は、出力設定の変化以降の経過した時間を追跡し、タービンエンジン１２が過渡状態か安定状態かを判断することができる。経過時間が指定時間定数よりも大きい場合、これは、タービンエンジン１２が定常運転状態に達したことを示すことができる。しかしながら、経過時間が指定時間定数よりも小さい場合、これは、タービンエンジン１２がまだ過渡運転状態にあることを示すことができる。
【００５３】
決定ブロック２１６を参照すると、監視パラメータが過渡状態を示していない場合、方法１２０は、定常状態決定ブロック２２０に進むことができる。例えば、測定パラメータ（例えば、温度）がある時間期間にわたって比較的一定であると判断される場合、これは、タービンエンジン１２が定常運転状態に達したことを示すことができる。従って、方法２１２がステップ２２２に進み、ここで、定常状態設定を得るための１以上の制御措置が実施される。例えば、このような制御措置は、コントローラ４６により実施されて、シュラウド３８とタービンブレード３６間のクリアランスを減少させることができる。例えば、コントローラ４６は、（バルブ６０及び６２を操作することにより）流れ管路５２又は５４などを介してクーラント流に導入することができる。上記で検討したように、クーラントは、Ｕ字形通路（１６６及び１６８、１８０及び１８２）及び軸方向通路１７２を通って流れ、従って、強制対流熱伝達を介してフック１００及び１０２を冷却し、タービンケーシング９８の熱膨張を低減又は反転することができる。内側タービンケーシング９８が収縮すると、フック１００及び１０２は、シャフト２４の回転軸に向かって（方向１３８）半径方向に収縮し、従って、シュラウド（例えば、内側シュラウドセクション３８ａ）が回転軸に向かって（方向１３８）半径方向に移動できるようにする。従って、シュラウド３８とタービンブレード３６間の半径方向ギャップ（例えば、８４）が減少し、これによりタービン出力及び効率を増大させる。その後、方法２１２は、ブロック２２２からブロック２１４に戻り、タービンエンジン１２の運転パラメータの監視を継続する。加えて、方法２１２はまた、決定ブロック２２０からブロック２１４に戻り、決定ブロック２１６及び２２０で過渡状態又は定常状態が何れも検出されないかどうかタービンパラメータの監視を継続する。
【００５４】
上記の説明では、タービン２０の第１の段に全体として相当するフック１００及び１０２に関してクーラント通路の構成に重点を置いたが、上述の技術はタービン２０の他の段においても実施できることは理解されたい。例えば、クーラント通路の同様の構成は、タービン２０（図３）の第２の段のフック１１０及び１１２に設けることができる。実際には、複数の段のタービン２０において、クーラント通路は、タービン段の１以上に設けることができる。更に、本発明の実施例は、タービンエンジンシステムのタービンに関して本明細書で記載されるクリアランス制御技術の応用について全体的に記載しているが、前述の技術はまた、タービンエンジンシステムの圧縮機に、並びに固定及び回転構成部品間でクリアランスを維持するような、固定及び回転構成部品を含むシステムの何れかのタイプに適用することができる点は更に理解されたい。
【００５５】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【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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【図８】
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【図９】
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