(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンブレードを熱膨張率１２．７×１０−６／℃の材料によって構成し、上記タービンブレードの材料の熱膨張率より小さい熱膨張率９．４×１０−６／℃を有する材料によって車室を構成すると共に、作動流体の高温高圧ガスを供給する加熱器をバイパスしてタービン入口に連絡される冷却用配管を設け、定常運転状態から停止状態へ移る時に上記冷却用配管を経由して上記加熱器上流側から低温高圧ガスを供給することを特徴とする超高速小型ガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車輛、航空機，水中航走体などの動力装置に適用される超高速小型ガスタービンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の超高速小型ガスタービンの部分縦断面図である。図において、８は加熱器からの連絡配管、１は加熱器から供給される作動流体の高温高圧ガス、５は同連絡配管に連る給気車室、７は同給気車室に連る給気ノズル、４は排気車室、１３は回転軸、１５は同回転軸を支承する軸受、１４はシール、１２は回転軸１３に連るロータ、６は同ロータの周囲に設けられているタービンブレードである。
【０００３】
本装置は、加熱器から供給された作動流体の高温高圧ガス１が給気車室５に導かれ給気ノズル７からの噴流を、ロータ１２の外周に配設したタービンブレード６でエネルギを回収し回転軸１３を介してタービン出力を発生させるものである。排気車室４とタービンブレード６との間のクリアランスδではガスが一部漏洩し損失を生じる。このクリアランスδは、通常遠心力、熱、加工精度などによる変化を考慮してタービンブレード６の外周が接触しないよう設定される。小型タービンの場合、Start 、Stop時に運転範囲の回転数（例えば６００００rpm 〜１１００００rpm ）以下に設定された軸系のCritical Speed（例えば３００００rpm ）を通過するため、その際の振動振幅が問題となる。上記「Start 時」とは停止から定常運転状態へ移る過程、「Stop時」とは定常運転状態から停止へ移る過程を意味する。
【０００４】
Critical Speed通過時のクリアランス確保（例えば０．０３mm以上）を狙い初期クリアランスδを決める必要があり、実際に重要な運転範囲（例えば６００００rpm 〜１１００００rpm ）でのクリアランスが目標（例えば０．０３mm）に比べ大きくなることが懸念される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
初期クリアランスをδO 、熱変化量をδT 、Critical Speed（例えば３００００rpm ）の振動振幅による変化量をδV とするとStart 時のクリアランスδ1 は熱影響がほとんどないためδ1 ＝δO ＋δV 、Stop時のクリアランスδ2 はδ2 ＝δO ＋δT ＋δV 、運転範囲の回転数（例えば６００００rpm 〜１１００００rpm ）でのクリアランスδ3 はほとんど振動がないためδ3 ＝δO ＋δT で示される。ここで熱による変化量δT は熱膨張率をα、寸法をＬ、温度をＴとし、それぞれ車室、タービンブレードを添字Ａ，ＢとするとδT ＝（αA ×ＴA ×ＬA −αB ×ＴB ×ＬB ）／２となる。表１は従来の各クリアランスの値の例を示したものである。
【０００６】
【表１】
0003727706.tif 000002
【０００７】
従来例の車室材ＳＵＳ３０４、ブレード材 INCONEL７１３Ｃまたは INCONEL７１８では車室４、タービンブレード６の接触防止のため最小クリアランスが例えば０．０３mm以上（Start 時）になるように初期クリアランスを設定したため、重要な運転範囲でのクリアランスが比較的大きくなっていた。クリアランスが大きいほど、損失も大きくなる傾向があるため、性能（タービン効率）の低下が懸念されていた。
【０００８】
本発明は上記従来技術の欠点を解消し、定常運転時のタービンブレードと車室とのクリアランスを小さくすると共に、特に定常運転から停止へ移る過程においてCritical Speedを通過する時においても、タービンブレードと車室とか接触しないようにしようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決したものであって、タービンブレードを熱膨張率１２．７×１０−６／℃の材料によって構成し、上記タービンブレードの材料の熱膨張率より小さい熱膨張率９．４×１０−６／℃を有する材料によって車室を構成すると共に、作動流体の高温高圧ガスを供給する加熱器をバイパスしてタービン入口に連絡される冷却用配管を設け、定常運転状態から停止状態へ移る時に上記冷却用配管を経由して上記加熱器上流側から低温高圧ガスを供給することを特徴とする超高速小型ガスタービンに関するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態に係る超高速小型ガスタービンの部分縦断面図である。図において、９は加熱器を経由しないで連絡配管８に連なる加熱器バイパス配管、１１は同バイパス配管に設けられた電磁弁、１０は同バイパス配管に設けられた逆止弁、２は加熱器バイパス配管を経由して連絡配管８へ導入される低温高圧ガスである。上記以外の部分の構成は従来技術と同じである。
【００１１】
本装置においては、
（１）加熱器からタービンへの連絡配管８の途中に加熱器などをバイパスする配管９をＴ字形に接続し、バイパス配管９に加熱器からの高温高圧の作動流体１が流れ込まない方向に逆止弁１０を取り付け、そのバイパス配管９の逆止弁１０の下流に電磁弁１１が設置してある。
（２）給気車室５、排気車室４の材料にタービンブレード６の材料INCONEL ７１３Ｃまたは INCONEL７１８（熱膨張率１２．７×１０-6／℃）に比べて熱膨張率の小さい材料Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（熱膨張率９．４×１０-6／℃）を採用し、最小クリアランスが例えば０．０３mm以上になるように初期クリアランスδが設定してある。表２は本実施形態における各クリアランスの例を示したものである。
【００１２】
【表２】
0003727706.tif 000003
【００１３】
図２は上記実施形態におけるクリアランスと温度・振動との関係を示す線図である。図１と図２とによって上記実施形態の作用を説明する。
【００１４】
（１）電磁弁１１を作動させ運転をStopする場合、低温高圧の作動流体２はバイパス配管９およびタービン入口に連絡される配管８を通り加熱器などをバイパスしてタービンに供給されタービンを冷却する作用がある。この場合熱による変化量δT をほぼ０にでき、Start 時とStop時のクリアランス差δ1 −δ2 はδ1 −δ2 ＝（δO ＋δV ）−（δO ＋δT ＋δV ）＝−δT ≒０、すなわちStop時の状態（図２（ｂ））をStart 時の状態（図２（ａ））とほぼ同じにする作用があり、Critical Speed通過時のクリアランスδ1 （図２（ｂ）→図２（ａ））に余裕ができる。逆止弁１０は加熱器からの高温高圧の作動流体１のバイパス配管９への流れ込みを防止し、電磁弁１１を保護する。
【００１５】
（２）超高速小型タービンの場合、小型であるにもかかわらず大出力を発生させなければならず、タービン入口温度、圧力は一般に高く、耐熱強度上ブレード材には図２に示すように INCONEL７１３Ｃまたは INCONEL７１８（図中のＩ）など超合金が使用される。給気車室４、排気車室５の材料としてＳＵＳ３０４を使用した場合（図中のII，従来例）は、熱膨張率が大きい（αA ＝１８．０×１０-6／℃）ため運転範囲（ＴA ）でのクリアランスδ3 が大きくなる。車室材料として、熱膨張率の小さい（αA ≦１１×１０-6／℃）材料のうち、ステンレス鋼ＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４１０および鋳鉄はＳＵＳ３０４と同様高温強度に余裕がなく、かつ重い（ρ＝７〜８ｇ／cm3 ）ため小型タービン車室には不適である。また、同様に熱膨張率の小さい超硬合金は一般に切削工具などに用いられるが、車室のような構造体としては不適であり、また白金族金属は非常に高価で実用性に難点がある。従って熱膨張率の小さい小型タービンの車室４の材料としては、軽く耐熱強度も十分なＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ（αA ＝９．４×１０-6／℃、ρ＝４．４３ｇ／cm3 ）が最適であり（図中のII’，本実施形態）、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖを用いることにより熱による変化量δT ' （＝（αA ×ＴA ×ＬA −αB ×ＴB ×ＬB ）／２）を負の変化量とすることができ、運転範囲（ＴA ）でのクリアランスδ3'（＝δO ' ＋δT ' ）を縮めることができる。
【００１６】
本装置においては、給気車室５、排気車室４の材料にタービンブレード６の材料 INCONEL７１３Ｃまたは INCONEL７１８（熱膨張率１２．７×１０-6／℃）に比べて熱膨張率の小さな材料Ｔi −６Ａｌ−４Ｖ（熱膨張率９．４×１０-6／℃）を採用するため、タービンが高温（熱影響が大きい）となる運転範囲でのクリアランスを運転Start 前の初期設定クリアランスより縮める効果がある。
【００１７】
一方車室５，４にタービンブレード６より熱膨張率の小さな材料Ｔi −６Ａｌ−４Ｖを採用した場合、運転Stop時にタービンは高温状態から運転範囲（例えば６００００rpm 〜１１００００rpm ）以下に設定されたCritical Speed（例えば３００００rpm ）を通過するため、運転Start 時よりクリアランス条件は厳しくなる。そこで運転Stop時、加熱器をバイパスしてタービン入口に連絡される配管９の電磁弁１１の開操作を行い低温流体２をタービン入口に供給することにより、タービンを冷却してクリアランスを拡げ、接触を防止する効果がある。
【００１８】
このように運転Stop時にタービンブレード６と車室４が接触することなく、性能上重要な運転範囲のクリアランスを小さく保つことができ、図３は上記実施形態の試験結果によるタービン効率線図である。この試験結果に示すようにタービン効率が約２％向上する効果があった。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の超高速小型ガスタービンにおいては、タービンブレードを熱膨張率１２．７×１０−６／℃の材料によって構成し、上記タービンブレードの材料の熱膨張率より小さい熱膨張率９．４×１０−６／℃を有する材料によって車室を構成すると共に、作動流体の高温高圧ガスを供給する加熱器をバイパスしてタービン入口に連絡される冷却用配管を設け、定常運転状態から停止状態へ移る時に上記冷却用配管を経由して上記加熱器上流側から低温高圧ガスを供給するので、定常運転時のタービンブレードと車室とのクリアランスを小さくすると共に、特に定常運転から停止へ移る過程においてCritical Speedを通過する時においても、タービンブレードと車室との接触を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る超高速小型ガスタービンの部分縦断面図。
【図２】上記実施形態におけるクリアランスと温度・振動との関係を示す線図。
【図３】上記実施形態における試験結果のタービン効率線図。
【図４】従来の超高速小型ガスタービンの部分縦断面図。
【符号の説明】
１      加熱器からの高温高圧ガス
２      低温高圧ガス
３      クリアランス
４      排気車室
５      給気車室
６      タービンブレード
７      給気ノズル
８      加熱器からタービン入口に連絡される配管
９      加熱器バイパス配管
１０    逆止弁
１１    電磁弁
１２    タービンロータ
１３    タービン軸
１４    シール
１５    軸受
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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