(57)【要約】小型ガスタービンエンジンに於いて、ラジアルコンプレッサ部のティップクリアランスの測定のために静電容量センサ（３１，３２，４２、４６）が用いられ、同センサからの出力に応じてロータシャフト（１２）を軸線方向に変位させるためにアクチュエータ（２５）が用いられる。静電容量の変化が、ティップクリアランスの大きさの正確な尺度を与えるため、特にティップクリアランスの小さい部分に於いて高感度が達成され、それだけ高精度のティップクリアランス制御が可能となる。
2005525494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクティブティップクリアランス制御を伴うガスタービンエンジンであって、
ベアリングにより回転自在に支持されたロータシャフトと、
前記ロータシャフトに一体的に結合され、第１の外周シュラウドと協働して吸気を圧縮するためのラジアルコンプレッサ部を形成するコンプレッサホイールと、
前記コンプレッサ部により得られた圧縮空気により燃料を燃焼させるための燃焼室と、
前記ロータシャフトに一体的に結合され、第２の外周シュラウドと協働して、前記燃焼室の出口端に連通する入口端及び燃焼ガスを排出する出口端を有するタービン部を形成するタービンホイールと、
前記コンプレッサホイールと前記第１の外周シュラウドとの間のティップクリアランスを検出するためのセンサと、
前記ロータシャフトの軸線方向変位を選択的に引き起こすためのアクチュエータと、
前記センサからの出力に基づき、前記アクチュエータを選択的に作動させることにより、ティップクリアランスを制御するべく、前記センサに機能的に接続されたコントローラとを有することを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記センサが、前記コンプレッサホイールの表面部上に形成された第１の電極と、前記第１の電極に対向するようにシュラウド部分上に形成された第２の電極とを有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
前記第１の電極が、前記ロータシャフトの表面部上に延出し、前記センサが更に、前記第１の電極の、前記ロータシャフト上の延出部分に対向するハウジング部分に形成された第３の電極を有し、前記コントローラが、前記第２の電極に機能的に接続された第１の入力端子と、前記第３の電極に機能的に接続された第２の入力端子とを有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記アクチュエータがピエゾアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
前記アクチュエータの作動端が、レバー機構を介して前記ロータシャフトに係合することを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記アクチュエータの作動端が、回転自在継手を介して前記ロータシャフトに係合することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
前記アクチュエータの作動端が、磁気継手を介して前記ロータシャフトに係合することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
前記アクチュエータが、前記ロータシャフトの端部に空気を衝当させるためのフラッパノズルを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
前記ロータシャフトが、前記コンプレッサホイール及び前記タービンホイールを一体化した一体的ユニットをなすことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
前記一体的ユニットがセラミックからなることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１１】
前記ロータシャフトが、前記コンプレッサホイール又は前記タービンホイールを一体化した一体的ユニットをなすことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１２】
前記コントローラが、フィードバック制御により前記ティップクリアランスを制御するべく適合されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１３】
前記コントローラが、所定のスケジュールに基づいて前記ティップクリアランスを制御するべく適合されていることを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
前記センサが、前記コンプレッサホイールの表面部上に形成された第１の電極と、前記第１の電極に対向するようにシュラウド部分上に形成された第２の電極とを有し、更に前記第１の電極に対向し、前記第２の電極に隣接するように設けられた第３の電極を有し、前記コントローラが、前記第２の電極に機能的に接続された第１の入力端子と、前記第３の電極に機能的に接続された第２の入力端子とを有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１５】
前記第２及び第３の電極が、共通のロータブレードのエッジに概ね整合するように配置されていることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
前記第２及び第３の電極が、異なるロータブレードに整合するように概ね共通の円周上に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
前記第２及び第３の電極の少なくとも一方が、保護電極により外囲されていることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１８】
アクティブティップクリアランス制御を伴うガスタービンエンジンであって、
ベアリングにより回転自在に支持されたロータシャフトと、
前記ロータシャフトに一体的に結合され、第１の外周シュラウドと協働して吸気を圧縮するためのラジアルコンプレッサ部を形成するコンプレッサホイールと、
前記コンプレッサ部により得られた圧縮空気により燃料を燃焼させるための燃焼室と、
前記ロータシャフトに一体的に結合され、第２の外周シュラウドと協働して、前記燃焼室の出口端に連通する入口端及び燃焼ガスを排出する出口端を有するタービン部を形成するタービンホイールと、
前記コンプレッサホイールと前記第１の外周シュラウドとの間のティップクリアランスを検出するためのセンサと、
前記ロータシャフトの一部を外囲するハウジングと、
前記コンプレッサホイールと前記第１の外周シュラウドとの間のティップクリアランスを検出するためのセンサと、
前記ロータシャフトの軸線方向変位を選択的に引き起こすためのアクチュエータと、
前記センサからの出力に基づき、前記アクチュエータを選択的に作動させることにより、ティップクリアランスを制御するべく、前記センサに機能的に接続されたコントローラとを有し、
前記センサが、前記ロータシャフトの表面部上に形成された第１の電極と、前記第１の電極に対向するようにハウジング部分上に形成された第２の電極と、前記第１の電極に対向し、前記第２の電極に隣接するようにハウジング部分上に設けられた第３の電極と、前記第２及び第３の電極の間に配置された共通電極とを有し、
前記第１の電極が部分的にのみ前記第２及び第３の電極に重合されることにより、これらの電極により差動静電容量アセンブリが形成され、
前記コントローラが、前記第２及び第３の電極に機能的に接続された１対の差動入力端子と、前記共通電極に接続された共通入力端子とを有することにより、
前記ロータシャフトの軸線方向変位を決定するように、前記第２及び第３の電極間の静電容量を検出するようにしたことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１９】
アクティブティップクリアランス制御を伴うガスタービンエンジンであって、
ベアリングにより回転自在に支持されたロータシャフトと、
前記ロータシャフトに一体的に結合され、第１の外周シュラウドと協働して吸気を圧縮するためのラジアルコンプレッサ部を形成するコンプレッサホイールと、
前記コンプレッサ部により得られた圧縮空気により燃料を燃焼させるための燃焼室と、
前記ロータシャフトに一体的に結合され、第２の外周シュラウドと協働して、前記燃焼室の出口端に連通する入口端及び燃焼ガスを排出する出口端を有するタービン部を形成するタービンホイールと、
前記コンプレッサホイールと前記第１の外周シュラウドとの間のティップクリアランスを検出するためのセンサと、
前記ロータシャフトの軸線方向変位を選択的に引き起こすためのアクチュエータと、
前記センサからの出力に基づき、前記アクチュエータを選択的に作動させることにより、ティップクリアランスを制御するべく、前記センサに機能的に接続されたコントローラとを有し、
前記センサが、前記コンプレッサホイールのブレードに対向するシュラウド部分上に形成された１対の電極を有し、前記コントローラが、前記第２の電極に機能的に接続された第１の入力端子と、前記第３の電極に機能的に接続された第２の入力端子とを有することを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２０】
前記両電極の一方が、少なくとも前記両電極の他方を外囲する環状部分を有することを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）  本出願は、２００２年５月１４日に出願された米国仮特許出願１０／３７８，１１２号に基づく優先権を主張するもので、同出願に言及することをもってその全内容を本出願の一部とする。
【０００２】
本発明は、アクティブティップクリアランス制御を伴うマイクロガスタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００３】
環境問題や資源の有効利用の観点から、様々な形式のパワーユニットが開発された。マイクロガスタービンエンジンは、その様なパワーユニットの１つである。ガスタービンエンジンは、比較的クリーンで効率的なパワーユニットとして知られているが、そのサイズの問題のために、その用途が今まで比較的限定されていた。しかしながら、最近の製造技術の進歩により、ガスタービンエンジンのサイズを極めて小型にすることが可能となった。例えば、コンプレッサホイールとタービンホイールとを一体化してなるロータシャフトを一体のセラミック部材によって構成することにより、ガスタービンエンジンの長さを約１０センチメートルまでに短縮することが可能となった。このようなマイクロガスタービンエンジンをオルタネータその他の形式の発電機と組み合わせれば、小型のパワーユニットとして広く用いられてはいるが、比較的効率が悪く、重く且つ不便であることが知られているバッテリに取って代わることが可能となる。
【０００４】
小型のガスタービンエンジンは、高速動作により高出力を発生し得る点で魅力的である。マイクロガスタービンの大きな欠点は、大型のガスタービンエンジンに比べて効率が低い点にある。効率を制御する上でキーとなるパラメータとしては、コンプレッサブレードとシュラウドとの間のクリアランスがある。従って、コンプレッサ部に於けるティップクリアランスを制御することが重要である。製造公差及び様々な部品の複雑な熱膨張の態様のために、特定のガスタービンについて、ティップクリアランスを固定した場合には、常に満足できる性能を発揮することができない。従って、実際にティップクリアランスを測定し、測定されたティップクリアランスを、フィードバックによりティップクリアランスのアクティブな（能動的）制御のために利用することが望まれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、改良されたティップクリアランス制御を備えたマイクロ（小型）ガスタービンエンジンを提供することにある。
【０００６】
本発明の第２の目的は、あらゆる作動条件下に於いて稼働可能な改良されたティップクリアランス制御を備えたマイクロガスタービンエンジンを提供することにある。
【０００７】
本発明の第３の目的は、様々な部品の製造公差及び様々な部品の複雑な熱膨張の対応を許容し得るような改良されたティップクリアランス制御を備えたマイクロガスタービンエンジンを提供することにある。
【０００８】
本発明の第４の目的は、構造が簡単で廉価に製造可能な改良されたティップクリアランス制御を備えたマイクロガスタービンエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、このような或いは他の目的は、アクティブティップクリアランス制御を伴うガスタービンエンジンであって、ベアリングにより回転自在に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトに一体的に結合され、第１の外周シュラウドと協働して吸気を圧縮するためのラジアルコンプレッサ部を形成するコンプレッサホイールと、前記コンプレッサ部により得られた圧縮空気により燃料を燃焼させるための燃焼室と、前記ロータシャフトに一体的に結合され、第２の外周シュラウドと協働して、前記燃焼室の出口端に連通する入口端及び燃焼ガスを排出する出口端を有するタービン部を形成するタービンホイールと、前記コンプレッサホイールと前記第１の外周シュラウドとの間のティップクリアランスを検出するためのセンサと、前記ロータシャフトの軸線方向変位を選択的に引き起こすためのアクチュエータと、前記センサからの出力に基づき、前記アクチュエータを選択的に作動させることにより、ティップクリアランスを制御するべく、前記センサに機能的に接続されたコントローラとを有し、前記センサが、前記コンプレッサホイールの表面部上に形成された第１の電極と、前記第１の電極に対向するようにシュラウド部分上に形成された第２の電極とを有し、前記コントローラが、前記第１及び第２の電極間の静電容量の変化の大きさが前記ロータシャフトの軸線方向変位の大きさの尺度を与えるようにしたことを特徴とするガスタービンエンジンを提供することにより達成される。
【００１０】
本発明の或る実施例によれば、前記第１の電極が、前記ロータシャフトの表面部上に延出し、前記センサが更に、前記第１の電極の、前記ロータシャフト上の延出部分に対向するハウジング部分に形成された第３の電極を有し、前記コントローラが、前記第２の電極に接続された第１の入力端子と、前記第３の電極に接続された第２の入力端子とを有する。
【００１１】
静電容量は、ティップクリアランスの大きさに概ね反比例することから、ティップクリアランスが小さい部分に於いて最も高い感度が達成され、高度に正確なティップクリアランス制御が達成される。絶対静電容量値を決定することが困難である問題に対処するために、静電容量がティップクリアランスの非線形な関数であることを利用して、ティップクリアランスの評価のための追加の信号を得ることができるようにすることができる。センサの出力は、２つの静電容量の直列結合により与えられる。しかしながら、第３の電極と第１の電極の延出部との間の静電容量を比較的大きくし、ロータシャフトの軸線方向変位による影響を比較的受けないようにすることにより、第３の電極と第１の電極の延出部との間の静電容量を電気的接続部として利用することができる。従って、第１の電極に対して物理的なリード線を接続し得ないにも関わらず、第１及び第２の電極間の静電容量を検出することが可能となる。
【００１２】
或いは、更に第３の電極を、前記第１の電極に対向し、前記第２の電極に隣接するように設け、前記コントローラが、前記第２の電極に接続された第１の入力端子と、前記第３の電極に接続された第２の入力端子とを有するものとすることができる。この場合も、センサの出力は２つの静電容量の直列接続として与えられる。第２及び第３の電極は単に互いに隣接するように配置したり、外部からの外乱或いは迷走或いは漂遊静電容量からの影響を遮断するために、それぞれを保護電極により外囲されたものとすることができる。
【００１３】
ロータの輪郭は概ね個々のロータブレードにより形成されるため、第２及び第３の電極を、ロータブレードの位置を考慮して配置することが重要である。例えば、第２及び第３の電極が共通のロータブレードに対向するようにしようとすると、シュラウド上に第２及び第３の電極を好適に配置する上で、スペース上の制約による困難が引き起こされる場合がある。このような点を考慮して、第２及び第３の共通のロータブレードのエッジに概ね整合するように配置したり、第２及び第３の概ね共通の円周上に配置し、異なるロータブレードと整合するようにすると良い。更に、第２及び第３の電極を軸線方向及び周方向の両方についてオフセットさせ、それらが異なるロータブレードの異なる部分に対向するようにすることもできる。この場合は、両ロータブレードの異なる部分は、これら両電極を概ね同時に通過する必要がある。
【００１４】
本発明の更に別の実施例によれば、前記センサが、前記ロータシャフトの表面部上に形成された第１の電極と、前記第１の電極に対向するようにハウジング部分上に形成された第２の電極と、前記第１の電極に対向し、前記第２の電極に隣接するようにハウジング部分上に設けられた第３の電極と、前記第２及び第３の電極の間に配置された共通電極とを有し、前記第１の電極が部分的にのみ前記第２及び第３の電極に重合されることにより、これらの電極により差動静電容量アセンブリが形成され、前記コントローラが、前記第２及び第３の電極に機能的に接続された１対の差動入力端子と、前記共通電極に接続された共通入力端子とを有することにより、前記ロータシャフトの軸線方向変位を決定するように、前記第２及び第３の電極間の静電容量を検出するようにしている。
【００１５】
このように、静電容量を差分的に測定することにより、ロータシャフトの軸線方向変位またはティップクリアランスを概ね線形に測定することが可能となり、これによりアクチュエータを用いてティップクリアランスを好適にフィードバック制御することが可能となる。
【００１６】
２つの電極間の静電容量は、両電極間の距離ばかりでなく、両電極間に介在する材料の誘電率によっても決定される。従って、２つの電極がシュラウド側に設けられ、両電極間に形成される電界をコンプレッサブレードが通過した場合、ティップクリアランス及びブレードの存在を両電極間の静電容量の変化としてとらえることができ、コンプレッサブレードには格別電極を設ける必要がない。電界を所定領域内に閉じこめ、外部に対する不要な干渉を回避するために、両電極を一方が他方を外囲するように設けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に添付の図面に示された具体例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明に基づくマイクロガスタービンエンジンにより駆動される発電機を示す。マイクロガスタービンエンジンは、発電機から離反する側の端部が閉じられた環状のメインハウジング１の開かれた端部に取り付けられたエンドプレート２と、燃焼室４を画定するようにメインハウジング１の内部に同軸的に受容された多孔環状インナーハウジング３と、燃焼室４内に突出するノズル端を有するフュエルインジェクタ５とを有する。
【００１９】
発電機は、円筒形のメインハウジング６と、その両軸線方向端に取り付けられたエンドプレート７、８とを有する。メインハウジング６は、ステータコイル９を同軸的に受容する。ガスタービンエンジンに対向するエンドプレート７は、ガスタービンエンジンに向けてエンドプレート７から延出する筒状延出部１０を有する。ガスタービンエンジンに対向するエンドプレート７は、複数のステイ部材１１によりガスタービンエンジンのエンドプレート２に結合されている。
【００２０】
ガスタービンエンジンには、更にコンプレッサホイール１３及びタービンホイール１４を支持する一体的なロータシャフト１２が備えられている。コンプレッサホイール１３及びタービンホール１４はそれぞれ複数のコンプレッサブレード及びタービンブレードにより構成されている。本実施例に於ける一体的なロータシャフト１２はセラミック材料からなり、一体的なセラミックロータユニットから構成するように、コンプレッサホイール１３及びタービンホール１４が一体的に形成され或いはその他の態様をもって結合されている。或いは、ユニットを同種のまたは異なる材料からなる複数の部品を組み合わせたものとすることもできる。タービンブレードの材料は、導電性であっても絶縁性であって良く、セラミック或いは他の耐熱性の材料からなるであって良い。材料の選択は、ガスタービンエンジンの特定の構造及び仕様に応じて定められる。マイクロガスタービンエンジンの軸線方向は長さは約１０センチメートルである。
【００２１】
コンプレッサホイール１３は、ガスタービンハウジングのエンドプレート２の一部により形成されるシュラウド１５と協働してラジアルコンプレッサ部を形成する。コンプレッサ部の入口端は、軸線方向に発電機に向けて開かれている。コンプレッサ部の出口端はメインハウジング１とインナーハウジング３との間に画定されるギャップに、ステータベーン１８のアレイ及びディフューザ１７を介して連通している。
【００２２】
タービンホイール１４は、メインハウジング１の一部をなすタービンケーシング１６と協働してラジアルタービン部を形成する。タービン部の入口端は、入口ノズル１９を介して燃焼室４の出口端に連通している。本実施例の燃焼室４は、タービン部の入口端から発電機から離反する方向に延出している。タービン部の出口端は、発電機から軸線方向に離反する側の方向に向けて開かれている。
【００２３】
一体的なロータシャフト１２は、発電機の中心部を貫通するジェネレータシャフト２０を、その一体的な延長部として備えている。永久磁石片２１が、ステータコイル９と協働して発電機の主機能部分を構成するように、ジェネレータシャフト２０に取り付け或いは他の手段により一体化されている。一体的ロータシャフト１２を２点で支持するために、各エンドプレートにローラベアリング２２が設けられている。ベアリング２２は、後記するようにジェネレータシャフト２０の軸線方向変位を好適に許容するようにエアベアリングからなるものであっても良い。容易に理解できるように、ベアリングの種類或いは発電機の種類は本発明の概念から逸脱することなく任意の公知のものから選択することができる。
【００２４】
ジェネレータシャフト２０の、ガスタービンエンジンから離反する側のジェネレータのエンドプレート８から突出する軸線端部には、複数の鋼球２４を受容する凹部２３が設けられており、アクチュエータ２５のテーパ端部が、これらの鋼球２４を介してジェネレータシャフト２０の軸線方向端の凹部２３に当接している。アクチュエータ２５は、ステイ部材２９のような適宜なステイ部材を介してメインハウジング６に固定されているものであって良い。アクチュエータ２５は、本実施例の場合ピエゾアクチュエータからなるが、所要の応答特性を備えたものであれば電磁的或いはその他の形式のアクチュエータからなるものであっても良い。
【００２５】
ピエゾアクチュエータは、他の駆動機構に比較して様々な利点がある。ピエゾアクチュエータは、固体のピエゾ効果に基づく運動を行うものであることから、再現性のあるナノメータ或いはナノメータ以下の単位のステップをもって、高周波で作動することができる。ピエゾアクチュエータは、何トンもの大きな負荷を駆動するように構成したり、或いは数１０ｋＨｚの高周波をもって軽い負荷を駆動することができる。ピエゾアクチュエータは、静電性の負荷として機能し、静的動作に際しては極めてわずかのパワーを消費するのみで、電力供給に伴う問題が小さい。ピエゾアクチュエータは固体であることから、維持を必要とすることなく、その運動は強誘電性結晶内に於ける分子的効果に基づくものである。
【００２６】
ピエゾアクチュエータの１つの欠点は、その歪みが０．１％のオーダの小さなものであることにある。これは、１００ミリメートルの長さのピエゾアクチュエータは、最大限許容される電界が加えられた時に、１００マイクロメートルしか膨張できないことを意味する。しかしながら、簡単な変位トランスジューサにより、この変位を増幅することができる。但し、伝達される力は、同じ比率をもって減少させられる。ピエゾアクチュエータは、ガスタービンエンジンのロータシャフトに於ける軸線方向力よりも遙かに大きな力を発揮することができる。従って、変位トランスジューサを用いて、ピエゾアクチュエータの長さを短縮することができる。図２は、ジェネレータシャフト２０の軸線方向端とアクチュエータ２５との間に設けられたレバー部材２６を模式的に示している。レバー部材２６の基端部は、アセンブリの固定点に枢着され、レバー部材２６の遊端部２６ａは、ジェネレータシャフト２０の軸線方向端に設けられた凹部２３に鋼球２４を介して当接するべきテーパ端を備えている。
【００２７】
図３は、静電容量自体或いはティップクリアランスの変化に伴う静電容量の変化の測定に基づく、本発明の実施例に於いて用いられているティップクリアランス測定の原理を模式的に示している。シュラウド及びハウジングの他の部分は、導電性の金属材料からなるが、一体的なロータシャフト１２は、非導電性のセラミック材料からなる。また、一体的なロータシャフト１２は動作中に高速で回転することから、ロータシャフト１２に対して電流を供給したり、引き出すことは極めて困難である。従って、本実施例では、ジェネレータのエンドプレート７の筒状延長部１０に受容されたジェネレータシャフト２０の一部と、少なくともコンプレッサホイール１３の外面が、シュラウド１５の筒状延出部１０と協働して静電容量を形成するように、一体的なロータシャフト１２の表面が導電性となるような適宜な表面処理が施されている。より詳細に述べるなら、コンプレッサホイール１３のブレード１３ａの表面には、ジェネレータシャフト２０の表面を覆う延長部を含む第１の電極３１が形成され、第２及び第３の電極３２、３３が、それぞれシュラウド１５及び筒状延出部１０の対向する表面にそれぞれ形成されている。容易に理解できるように、シュラウド１５及び筒状延出部１０は、互いに電気的に絶縁されなければならない。所望に応じて、必要な絶縁が確保されるなら、或いはコンプレッサホイール１３が、開示した測定の手法の目的に関して接地された状態である限り、コンプレッサホイール１３は導電性材料或いは金属材料と絶縁材料との組み合わせからなるものであって良い。
【００２８】
本実施例に於いて、ロータシャフト１２は全体がセラミック材料からなるが、適宜な手段により第３の電極３１に対して所要の電気的絶縁が確保される限り導電性金属材料と電気的に絶縁性の材料とを組み合わせたものからなるものであって良い。
【００２９】
シュラウド１５及び筒状延出部１０に設けられた電極３２，３３の間には、ＡＣ電源４１及び計測回路を含むコントローラ４０の直列接続回路が接続されている。シュラウド電極３２とロータ電極３１との間の静電容量がＣ１であって、ロータ電極３１と筒状延出部の電極３３との間の静電容量がＣ２である場合、コントローラ４０からみた全体的な静電容量はＣ１Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）となる。ガスタービンエンジンの作動中Ｃ２は比較的固定されており、しかも、Ｃ２を形成する電極の面積がＣ１を形成する電極の面積よりも実質的に大きいことから、Ｃ２はＣ１よりも実質的に大きい。従って、全体としての静電容量をＣ１により近似することができる。また、Ｃ１は、コンプレッサホイール１３のブレード１３ａと、対応するシュラウド１５との間のクリアランスに対して概ね反比例する。このようなＣ１とティップクリアランスとの間の関係はやや非線形であって、発明者は、それによってティップクリアランスを正確に測定し得ることを見出した。特に、Ｃ１は、クリアランスが小さくなるに従って、またクリアランスが小さい部分に於いて、クリアランスに対する感度が高くなる。図３は、図１のハッチングされた部分を単純化して拡大した図である。図３は、図示を明瞭にするために、ギャップをやや誇張して示している。当業者であれば容易に理解できるように、ここに開示された図面は正しい縮尺に基づくものでなく、本発明を何ら限定するものでないことを了解されたい。
【００３０】
本実施例の作動の要領を図４及び図５について以下に説明する。図４は、ガスタービンエンジンの起動及び停止時に於けるティップクリアランスの経時的な履歴を示している。最初に、ティップクリアランスは比較的大きいが、定常状態に達するまでに最小値に向けて漸減する。ガスタービンエンジンが停止しようとする時、ティップクリアランスは徐々に増大される。負荷の変更及び他の外乱により、理想的なティップクリアランスを必ずしも維持することはできない。
【００３１】
図５は、このマイクロガスタービンエンジンのための制御装置を示すフロー図である。まず、エンジンの回転速度及びエンジンの代表的な温度を測定する（ステップＳＴ１）。測定された回転速度及び温度から現在の作動モードが判定される（ステップＳＴ２）。作動モードとしては起動、点火、加速、定常状態、減速、冷却及び停止がある。クリアランステーブルを参照することにより、理想的なティップクリアランスが決定される（ステップＳＴ３）。コントローラは、現在のティップクリアランスが理想的なティップクリアランスに基づいて変化するように、アクチュエータに対して適切なコマンドを提供する（ステップＳＴ４）。
【００３２】
電気的な出力を制御ループに於ける追加の手段として用いることにより、システムの効率を一層向上することができる。これは、電気的出力をティップクリアランスの制御量の関数として測定することにより、最新の技術を用いて実現することができる。
【００３３】
図６は、アクチュエータの作動端とシャフト端との間に配置し得るような、図１に示された継手に替えて用い得るような磁気的な継手を示している。この磁気的継手は、ジェネレータシャフト２０の軸端に取り付けられた永久磁石片５１と、アクチュエータ２０の作動端に設けられた電磁石片５０とを有する。電磁石片５０の磁極を適宜制御し、アクチュエータ２５とジェネレータシャフト２０との間に反発及び吸引力を選択的に発生することにより、ジェネレータシャフト２０に接触することなく所望の軸線方向力を加えることができる。
【００３４】
図７は、図１に示された回転自在継手に替えて、アクチュエータの作動端と軸端との間に配置し得るフラッパノズル継手を示している。アクチュエータ２５は、互いに離反する方向を向く２組のフラッパノズル５３、５４を有し、フラッパ片５５はジェネレータシャフト２０の一端部から延出し、２組のフラパノズル５３、５４から噴出する空気流が、フラッパ片５５に対して両軸線方向から衝当するようにしてある。この空気流は、コンプレッサ部の出口端から圧縮空気の一部を引き出すことにより得る事ができる。エンジンの作動中の圧縮空気を蓄積するためにアクチュエータに関連してアキュムレータ５７を設け、エンジンが作動していない時にも圧縮空気を供給し得るようにすると良い。そのために、シャットオフバルブ５８に加えてスイッチバルブ５６を設けることができる。
【００３５】
図８は、ティップクリアランス制御のための静電容量センサの第２の実施例を示す。この実施例によれば、ティップクリアランスを直接測定する替わりに、ロータシャフト１２の軸線方向変位を測定することができる。これは、本発明の別の実施例と同様に、実際のティップクリアランスとセンサの出力との間の関係を定めるような較正を行っておくことを必要とする。
【００３６】
この実施例に於いて、第１の電極３４は一体的なロータシャフト１２の外周に設けられている。ロータシャフト１２は好ましくはセラミック材料からなるが、少なくともその表面の部分に電気的に絶縁された部分を備えた金属製の材料からなるものであっても良い。ジェネレータのエンドプレートの筒状延出部１０の対向する内周面上には、比較的細幅の領域からなる共通電極３５が、第１の電極３４の軸線方向中間部に対向するような軸線方向位置に設けられており、第２の電極３６及び第３の電極３７が、共通電極３７の両側にて軸線方向に隣接するように、また第１の電極３４の遠い側の端部をやや超えて延出するように設けられている。これらの電極の全てが、全外周に渡って延出しているのが好ましい。
【００３７】
当業者であれば容易に理解できるように、第２及び第３の電極の一方３６と第１の電極３４との間の静電容量がＣａであって、第２及び第３の電極の他方３７と第１の電極３４との間の静電容量がＣｂであった時、ロータシャフト１２と筒状延出部１０との間の相対軸線方向変位ｄｘが次の式により与えられる。
【００３８】
ｄｘ／Ｌ  ＝  （Ｃａ−Ｃａ）／（Ｃａ＋Ｃａ）
ここで、大文字Ｌは第１の電極３４の軸線方向の長さである。
【００３９】
静電容量Ｃａ及びＣｂを測定するために、共通電極３５が必要となる。なぜなら、第１の電極３４に対する直接的な電気的接触が不可能であって、ロータシャフト１２が高速で回転するからである。共通電極３５は、共通電極３５と第１の電極３４との間の静電容量が、相対的な軸線方向変位に依存しないように構成される必要がある。この場合、コントローラ４０には、共通電極３５に接続される共通入力と、第２及び第３の電極３６、３７に接続される一対の差動入力とを有する。
【００４０】
本実施例によれば、静電容量センサが、コンプレッサ部のメインの部分ではなくコンプレッサ部の端部或いはコンプレッサ部に隣接する部分に設けられていることから、全体的な構成を、高度にコンパクトなユニットとして構成することができる。また、共通電極３５ばかりでなく、第２及び第３の電極３６，３７も筒状延出部１０の他方の側からアクセス可能であることから、静電容量センサの結線が極めて単純化される。
【００４１】
図９はティップクリアランスコントロールのための第３の実施例を示し、前記実施例と対応する部分には同様の符号が付されている。本実施例に於いて、第１の電極４６は、コンプレッサホイール１３のブレード１３ａの外周面上に形成されている。第２及び第３の電極４２，４３はシュラウド１５の対向面に形成されている。シュラウド１５を貫通するようにスロットまたは四角形の開口が設けられており、且つこの開口は絶縁材料４５により埋められている。第２及び第３の電極４２、４３は、互いに平行をなして絶縁部材４５を厚さ方向に貫通するロッド部材からなっている。第２及び第３の電極４２、４３は、コントローラ４０の２つの端子に接続されている。
【００４２】
本実施例に於いて、第２及び第３の電極４２，４３は、シャフトから異なる半径方向距離に於いて、１つの共通なロータブレード１３ａのエッジに概ね整合するように配置されている。この場合、共通のロータブレード１３ａが、絶縁性材料からなり且つ導電性材料層により覆われているか或いはコンプレッサホイール１３が単に導電性材料からなるものであって良い。
【００４３】
或いは、図１０に示されるように、第２及び第３の電極４２、４３が、同様の要領をもって２つの異なるブレード１３ａに整合するように共通の円周上に配置されているものであっても良い（第４実施例）。この場合も、共通のロータブレード１３ａが、絶縁性材料からなり且つ導電性材料層により覆われているか或いはコンプレッサホイール１３が単に導電性材料からなるものであって良い。
【００４４】
図９及び図１０に於いて示された実施例に於いては、シュラウド側の第２及び第３の電極４２，４３が、コンプレッサホイール１３のブレード１３ａに対応するように配置されていることから、両電極４２，４３を、感度を犠牲にすることなく互いに比較的離間した位置に配置することができる。これにより、迷走或いは漂遊静電容量を低減することができ、電極の配置の自由度を改善することができる。
【００４５】
用途によっては、保護電極を用いて外乱を防止することもできる。図１１はそのような実施例（第５実施例）を示し、これは図９に示された実施例と同様であって、対応する部分には同様の符号を付し、それらの説明を省略する。第２及び第３の電極４２，４３のそれぞれが、第２及び第３の電極４２，４３に対して同軸をなすように、絶縁部材４５を厚さ方向に貫通するように延在する筒状の保護電極４７により外囲されている。
【００４６】
この実施例に於いては、第２及び第３の電極４２，４３がシュラウド１５内に設けられた２つの別個の開口内に配置されているが、適切な絶縁が保たれる限り、シュラウドに１つの開口を設け、第２及び第３の電極をこの同一の開口内に配置することもできる。
【００４７】
図１２，１３は、ティップクリアランスコントロールのための静電容量センサの第６実施例を示す。この実施例によれば、ティップクリアランスを直接測定することができる。本実施例に於いては、一対の電極４８，４９が、コンプレッサホイール１３のブレード１３ａに対向するシュラウド１５の部分に設けられている。シュラウド１５を貫通するように円形の開口が設けられ、この開口が絶縁部材４５により埋められている。第１の電極４８は、絶縁部材４５の中心を厚さ方向に貫通するロッド部材からなり、第２電極４９は第１の電極４８を同軸的に外囲するように、絶縁部材４５を厚さ方向に貫通する筒状部材からなる。第１及び第２の電極４８，４９は、第１実施例と同様にコントローラ４０の２つの入力端子にそれぞれ接続されている。
【００４８】
この場合、コンプレッサホイール１３のブレード１３ａは電極を備えている必要が無く、それを導電性材料或いは絶縁性材料のいずれをもっても構成することができる。ブレード１３ａが両電極を通過する際に、ブレードは両電極間に形成される電界を通過する。ブレード１３ａは、通常空気と異なる誘電率を有する。従って、両電極４８，４９間の静電容量が、ブレード１３ａが両電極を通過するに伴い変化し、この変化の大きさがティップクリアランスの大きさの尺度を与える。
【００４９】
以上、本発明を特定の実施例について説明したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の概念から逸脱することなく様々に変形、変更を加え得ることは明らかであって、
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施例としてのマイクロガスタービンエンジンにより駆動される発電機の模式的縦断面図である。
【図２】アクチュエータの作動端を示す部分側面図である。
【図３】図１のハッチングされた領域に示された本発明に基づく静電容量センサを単純化して示す模式的縦断面図である。
【図４】理想的なティップクリアランスの典型的な経時的履歴を示す。
【図５】本発明に基づくコントローラにより実行される制御過程を示すフロー図である。
【図６】アクチュエータの作動端とロータシャフトとの間に設けられた継手の別の実施例を示す。
【図７】アクチュエータの作動端とロータシャフトとの間に設けられた継手の更に別の実施例を示す。
【図８】本発明に基づく静電容量センサの第２実施例を示す図３と同様の図である。
【図９】本発明に基づく静電容量センサの第３実施例を示す単純化された断面図である。
【図１０】本発明の第４実施例を示す図９と同様の図である。
【図１１】本発明の第５実施例を示す図９と同様の図である。
【図１２】本発明の第６実施例を示す図９と同様の図である。
【図１３】図１２の矢印ＸＩＩＩの方向から見た端面図である。
【図１】
2005525494.tif 000003
【図２】
2005525494.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005525494.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005525494.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年1月15日(2004.1.15)
【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】
アクティブティップクリアランス制御を伴うガスタービンエンジンであって、
ベアリングにより回転自在に支持されたロータシャフト（１２）と、
前記ロータシャフトに一体的に結合され、第１の外周シュラウド（１５）と協働して吸気を圧縮するためのラジアルコンプレッサ部を形成するコンプレッサホイール（１３）と、
前記コンプレッサ部により得られた圧縮空気により燃料を燃焼させるための燃焼室（４）と、
前記ロータシャフトに一体的に結合され、第２の外周シュラウド（１６）と協働して、前記燃焼室の出口端に連通する入口端及び燃焼ガスを排出する出口端を有するタービン部を形成するタービンホイール（１４）と、
前記コンプレッサホイールと前記第１の外周シュラウドとの間のティップクリアランスを検出するためのセンサと、
前記ロータシャフトの軸線方向変位を選択的に引き起こすためのアクチュエータ（２５）と、
前記センサからの出力に基づき、前記アクチュエータを選択的に作動させることにより、ティップクリアランスを制御するべく、前記センサに機能的に接続されたコントローラ（４０）とを有し、
前記センサが、前記コンプレッサホイールの表面部上に形成された第１の電極（３１，４６）と、前記第１の電極に対向するようにシュラウド部分上に形成された第２の電極（３２，４２）とを有することを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記第１の電極（３１）が、前記ロータシャフトの表面部上に延出し、前記センサが更に、前記第１の電極の、前記ロータシャフト上の延出部分に対向するハウジング部分（１０）に形成された第３の電極（３３）を有し、前記コントローラが、前記第２の電極に機能的に接続された第１の入力端子と、前記第３の電極に機能的に接続された第２の入力端子とを有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
前記アクチュエータがピエゾアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記アクチュエータの作動端が、レバー機構を介して前記ロータシャフトに係合することを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
前記アクチュエータの作動端が、回転自在継手を介して前記ロータシャフトに係合することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記アクチュエータの作動端が、磁気継手を介して前記ロータシャフトに係合することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
前記アクチュエータが、前記ロータシャフトの端部に空気を衝当させるためのフラッパノズルを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
前記ロータシャフトが、前記コンプレッサホイール及び前記タービンホイールを一体化した一体的ユニットをなすことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
前記一体的ユニットがセラミックからなることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
前記ロータシャフトが、前記コンプレッサホイール又は前記タービンホイールを一体化した一体的ユニットをなすことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１１】
前記コントローラが、フィードバック制御により前記ティップクリアランスを制御するべく適合されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１２】
前記コントローラが、所定のスケジュールに基づいて前記ティップクリアランスを制御するべく適合されていることを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１３】
前記センサが更に、前記第１の電極（４６）に対向し、前記第２の電極（４２）に隣接するように設けられた第３の電極（４３）を有し、前記コントローラが、前記第２の電極に機能的に接続された第１の入力端子と、前記第３の電極に機能的に接続された第２の入力端子とを有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
前記第２及び第３の電極が、共通のロータブレードのエッジ（１３ａ）に概ね整合するように配置されていることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１５】
前記第２及び第３の電極が、異なるロータブレードに整合するように概ね共通の円周上に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
前記第２及び第３の電極の少なくとも一方が、保護電極（４７）により外囲されていることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
アクティブティップクリアランス制御を伴うガスタービンエンジンであって、
ベアリングにより回転自在に支持されたロータシャフト（１２）と、
前記ロータシャフトに一体的に結合され、第１の外周シュラウド（１５）と協働して吸気を圧縮するためのラジアルコンプレッサ部を形成するコンプレッサホイール（１３）と、
前記コンプレッサ部により得られた圧縮空気により燃料を燃焼させるための燃焼室（４）と、
前記ロータシャフトに一体的に結合され、第２の外周シュラウド（１６）と協働して、前記燃焼室の出口端に連通する入口端及び燃焼ガスを排出する出口端を有するタービン部を形成するタービンホイール（１４）と、
前記コンプレッサホイールと前記第１の外周シュラウドとの間のティップクリアランスを検出するためのセンサと、
前記ロータシャフトの一部を外囲するハウジング（１０）と、
前記コンプレッサホイールと前記第１の外周シュラウドとの間のティップクリアランスを検出するためのセンサと、
前記ロータシャフトの軸線方向変位を選択的に引き起こすためのアクチュエータ（２５）と、
前記センサからの出力に基づき、前記アクチュエータを選択的に作動させることにより、ティップクリアランスを制御するべく、前記センサに機能的に接続されたコントローラ（４０）とを有し、
前記センサが、前記ロータシャフトの表面部上に形成された第１の電極（４３）と、前記第１の電極に対向するようにハウジング部分上に形成された第２の電極（３５）と、前記第１の電極に対向し、前記第２の電極に隣接するようにハウジング部分上に設けられた第３の電極（３７）と、前記第２及び第３の電極の間に配置された共通電極（３５）とを有し、
前記第１の電極が部分的にのみ前記第２及び第３の電極に重合されることにより、これらの電極により差動静電容量アセンブリが形成され、
前記コントローラが、前記第２及び第３の電極に機能的に接続された１対の差動入力端子と、前記共通電極に接続された共通入力端子とを有することにより、
前記ロータシャフトの軸線方向変位を決定するように、前記第２及び第３の電極間の静電容量を検出するようにしたことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１８】
アクティブティップクリアランス制御を伴うガスタービンエンジンであって、
ベアリングにより回転自在に支持されたロータシャフト（１２）と、
前記ロータシャフトに一体的に結合され、第１の外周シュラウドと協働して吸気を圧縮するためのラジアルコンプレッサ部を形成するコンプレッサホイール（１３）と、
前記コンプレッサ部により得られた圧縮空気により燃料を燃焼させるための燃焼室（４）と、
前記ロータシャフトに一体的に結合され、第２の外周シュラウド（１６）と協働して、前記燃焼室の出口端に連通する入口端及び燃焼ガスを排出する出口端を有するタービン部を形成するタービンホイール（１４）と、
前記コンプレッサホイールと前記第１の外周シュラウドとの間のティップクリアランスを検出するためのセンサと、
前記ロータシャフトの軸線方向変位を選択的に引き起こすためのアクチュエータ（２５）と、
前記センサからの出力に基づき、前記アクチュエータを選択的に作動させることにより、ティップクリアランスを制御するべく、前記センサに機能的に接続されたコントローラ（４０）とを有し、
前記センサが、前記コンプレッサホイールのブレードに対向するシュラウド部分上に形成された１対の電極（４２，４３）を有し、前記コントローラが、前記両電極の一方に機能的に接続された第１の入力端子と、前記両電極の他方に機能的に接続された第２の入力端子とを有することを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１９】
前記両電極の一方が、前記両電極の他方を外囲する環状部分を有することを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジン。
【国際調査報告】
2005525494.tif 000016
2005525494.tif 000017
2005525494.tif 000018