(57)【要約】【課題】タービンシェルを通る冷却または加熱流体の流れを調節するためのバルブ、アクチュエータ、または他の制御装置を使用しないクリアランス制御システムを提供すること。【解決手段】タービン（１０）を設計する方法は、タービンの運転期間に対応するステータ（１８）およびロータ（２０、２２）それぞれの半径方向熱膨張速度を見積もるステップと、半径方向熱膨張速度に基づいて、ロータとステータの間のクリアランスを見積もるステップと、クリアランスに基づいて、ステータまたはロータの質量または表面積を決定するステップと、を含む。【選択図】図１
2015075106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンの運転期間に対応するステータ（１８）およびロータ（２０、２２）それぞれの半径方向熱膨張速度を見積もるステップと、
前記半径方向熱膨張速度に基づいて、前記ロータと前記ステータの間のクリアランスを見積もるステップと、
前記クリアランスに基づいて、前記ステータまたは前記ロータの質量または表面積を決定するステップと
を含む、タービン（１０）を設計する方法。
【請求項２】
前記クリアランスの前記見積りが、前記期間での前記クリアランスの減少を決定するステップと、前記減少のピーク値を同定するステップとを含み、前記質量または前記表面積の前記決定が前記ピークを下げる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ステータが、前記ロータを収容する内側環状シェル（２６）を含み、前記ロータが、動翼（２０）の環状列が取り付けられたタービン翼車（２２）を含み、前記クリアランスの前記見積りが、前記内側環状シェルの半径方向熱膨張と、前記翼車と前記動翼の半径方向熱膨張の合計との間の差を決定するステップを含む、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記質量または前記表面積の前記決定が、前記内側環状シェルの冷却通路（４０、４６）の容積または内部表面積を決定するステップを含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記冷却通路がポケット室（４６）を含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記クリアランスのピークを見積もるステップと、前記内部容積または前記内部表面積の前記決定によって前記ピークを下げるステップと、をさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記運転の少なくとも一部分が起動段階である、請求項１記載の方法。
【請求項８】
内側環状シェル（２６）、ならびに、タービン翼車（２２）および前記翼車に取り付けられた動翼列（２０）を含む軸流タービンの、それぞれの半径方向熱膨張速度を見積もるステップと、
前記動翼の先端と前記先端に位置合わせされた前記内側環状シェルに取り付けられた内側表面（３０）との間のクリアランスを見積もるステップであって、前記クリアランスは前記半径方向熱膨張速度に基づいて見積もられる、ステップと、
前記クリアランスに基づいて前記内側環状シェルの質量または内部表面積（４０、４６）を決定するステップと、
を含む、回転する前記軸流タービン（２０、２２）を収容する内側環状シェル（２６）を設計する方法。
【請求項９】
前記内側環状シェルに取り付けられた前記内側表面がシュラウド（３０）の表面である、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記クリアランスの前記見積りが、前記タービンの運転期間での前記クリアランスの減少を決定するステップと、前記減少のピーク値を同定するステップとを含み、
前記質量または前記表面積の前記決定が前記ピークを下げる、
請求項８または９記載の方法。
【請求項１１】
前記クリアランスの前記見積りが、前記内側環状シェル（２６）の半径方向熱膨張と、前記翼車（２２）と前記動翼（２０）の半径方向熱膨張の合計との間の差を決定するステップを含む、請求項８乃至１０のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記質量または前記内部表面積の前記決定が、前記内側環状シェルの冷却通路（４０）の容積または内部表面積を決定するステップを含む、請求項８乃至１１のいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記冷却通路がポケット室（４６）を含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記クリアランスのピークを見積もるステップと、前記内部容積または前記内部表面積の前記決定によって前記ピークを下げるステップと、をさらに含む請求項８乃至１３のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンなどのタービンのクリアランス制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンのクリアランスとは、通常、タービンのロータとロータを囲むステータとの間のことを指す。ガスタービンでは、ロータは、通常、タービン翼車にそれぞれが取り付けられた動翼列を有する軸流タービンである。ガスタービンのステータは、動翼列および動翼列の間の静翼列を囲む環状のシュラウドを支持する内側環状シェルを含むケーシングである。クリアランスは、回転動翼の先端と環状のシュラウドとの間である。
【０００３】
クリアランスは、動翼がシュラウドをこすらないで回転できるようにするために必要である。クリアランスが大きすぎる場合、燃焼ガスが動翼の先端を越えて漏れ、それはタービンの回転を駆動しない。クリアランスが小さすぎる場合、動翼の先端がシュラウドをこすり、タービンに損傷を与える振動を引き起こすことがある。
【０００４】
クリアランスは、起動中にタービンが昇温する間、全速全負荷運転時（ＦＳＦＬ：ｆｕｌｌ  ｓｐｅｅｄ、  ｆｕｌｌ  ｌｏａｄ）にガスタービンが高温である間、および停止時にタービンが冷えているときを含めて、タービン動翼が回転するときは必ず必要である。タービンは、通常、様々な熱膨張率をもつ金属の構成部品で形成される。特に、タービン翼車、翼車に取り付けられた動翼、および動翼の周りの環状シェルは、タービンが昇温および降温するときに、異なった速度で膨張および収縮する。異なった熱膨張速度のため、クリアランスは、ガスタービンが昇温および降温するときに増大または減少することがある。
【０００５】
制御システムおよび技術は、クリアランスがすべての運転の段階で小さくなりすぎないこと、および長期間の運転で、特にＦＳＦＬのときには、大きくなりすぎないことを確実にするために、ガスタービンで従来使用されている。従来のクリアランス制御システムおよび技術は、ガスタービンに隣接する外部スキッドに据えられた冷却システム、冷却システムのための複雑な検知および作動システム、圧縮機からの圧縮空気の流れ経路の変更、および他の組立体を含むことがある。従来のクリアランス制御システムおよび技術は、シェルまたは動翼を通って流れる冷却流体量の調節を能動的に行う傾向にある。
【０００６】
従来のクリアランスシステムの中には、クリアランスが最も小さくなるときのピンチポイントなどの特定の運転状態に応答して作動するものがある。例えば、ピンチポイントにおけるクリアランスを増大するために、ケーシングシェルを追加的に加熱することがある。これらの従来のシステムにもかかわらず、頑丈で経済的なクリアランス制御システムおよび仕組みが長年必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すべての運転段階にわたって十分なクリアランスを維持するために、タービンの構成部品が運転中に熱膨張および熱収縮するよう設計された、タービン用クリアランス制御の手法が考えられた。タービンの設計の一部として、タービン構成部品の熱膨張および熱収縮が、すべての運転状態に対して予測される。タービン構成部品の熱膨張および熱収縮を知ることにより、クリアランスはガスタービンの各運転段階に対して予測される。予測したクリアランスが不十分な場合、ステータの質量の増加または減少、およびステータ内の冷却通路の増大または制限など、タービンの構成部品の設計を調節する。調節後、クリアランスが全運転状態で適正であることを確認するために、再度、クリアランスが予測される。所望のクリアランスを達成するためにタービンを設計して、そのタービンの設計のクリアランスを予測するというサイクルは、すべての運転状態でクリアランスが許容できるまで繰り返すことができる。
【０００８】
クリアランス制御システムは受動的とすることができる。クリアランス制御システムは、タービンの構成部品の熱膨張に依存する。クリアランス制御システムは、タービンシェルを通る冷却または加熱流体の流れを調節するためのバルブ、アクチュエータ、または他の制御装置を使用せずに実現できる。
【０００９】
タービンの運転期間に対応して、ステータおよびロータそれぞれの半径方向熱膨張速度を見積もるステップと、半径方向熱膨張速度に基づいて、ロータとステータの間のクリアランスを見積もるステップと、クリアランスに基づいて、ステータまたはロータの質量または表面積を決定するステップと、を含むタービンを設計する方法が考えられた。クリアランスの見積りは、その期間でのクリアランスの減少を決定するステップと、減少のピーク値を同定するステップとを含むことができ、質量または表面積の決定によりピークを下げる。
【００１０】
ステータは、ロータを収容する内側環状シェルを含むことができ、ロータは、動翼の環状列が取り付けられたタービン翼車を含むことができ、クリアランスの見積りは、内側環状シェルの半径方向熱膨張と、翼車と動翼の半径方向熱膨張の合計との間の差を決定するステップを含むことができる。質量または表面積の決定は、内側環状シェルの冷却通路の容積または内部表面積を決定するステップを含むことができる。
【００１１】
本方法は、運転が起動段階の間において、クリアランスのピークを見積もるステップと、内部容積または内部表面積の決定によってピークを下げるステップと、を含むことができる。
【００１２】
内側環状シェルならびにタービン翼車および翼車に取り付けられた動翼列を含む軸流タービンのそれぞれの半径方向熱膨張速度を見積もるステップと、動翼の先端と先端に位置合わせされた内側環状シェルに取り付けられた内側表面との間のクリアランスを見積もるステップであって、クリアランスは半径方向熱膨張速度に基づいて見積もられる、ステップと、クリアランスに基づいて内側環状シェルの質量または内部表面積を決定するステップとを含む、回転軸流タービンを収容する内側環状シェルを設計する方法が考えられた。内側表面はシュラウドの表面であってもよい。
【００１３】
クリアランスの見積りは、タービンの運転期間でのクリアランスの減少を決定するステップと、減少のピーク値を同定するステップとを含むことができ、質量または表面積の決定によりピークを下げる。クリアランスの見積りは、内側環状シェルの半径方向熱膨張と、タービン翼車と動翼の半径方向熱膨張の合計との間の差を決定するステップを含むことができる。質量または内部表面積の決定は、内側環状シェルの冷却通路の容積または内部表面積を決定するステップを含むことができる。クリアランスのピークは、内部容積または内部表面積の決定によって下げることができる。
【００１４】
タービン動翼列を支持するタービン翼車を収容する内側環状シェルを含むガスタービンのクリアランス制御の方法が考えられた。この方法は、ガスタービンの起動段階の間、タービン翼車およびタービン動翼列が熱膨張するより速い速度で内側環状シェルを熱膨張させることと、起動運転の間、圧縮気体を内側環状シェルの内側通路を通るように方向づけることと、内側環状シェルがより速く熱膨張するように寸法が決められた内側通路の表面積または容積に基づいて、タービン動翼の先端と内側環状シェルの内側表面または内側環状シェルに結合した内側表面との間のクリアランスを制御することと、を含む。
【００１５】
ステータと、ステータ内に収納されたロータと、ステータとロータの間のクリアランスと、タービンの起動段階の間、ステータをロータの半径方向膨張より速く半径方向に膨張させるように寸法が決められた内部表面積または内部容積を有するステータの内部の冷却流体通路とを備えるタービンのクリアランス制御システムが考えられた。ステータは内側環状シェルを含むことができ、ロータはタービン翼車および翼車に取り付けられた動翼を含む。流体通路は、ステータの外表面に近接する入口とステータの内表面に近接する出口とを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】タービンおよびタービンシェルの切断部を示すガスタービンの概略図である。
【図２】図１に示すガスタービンの内側環状シェルの一部分の切断図である。
【図３】タービンの構成部品の熱膨張による半径方向の変位、および、これらの構成部品の膨張に伴うクリアランスの減少の予測される変化を示す、例示的なグラフである。
【図４】図２に示す内側環状シェルの拡大部分の断面図である。
【図５】図４に示す内側環状シェルの部分に作用する予測される熱伝達率を示す、例示的なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、圧縮機１２、燃焼器１４、およびタービン１６を有するガスタービン１０を示す。ガスタービンは、空気を圧縮し、圧縮空気を燃料と混合し、その混合物を燃焼し、そして燃焼ガスでタービンを駆動することによって動力を発生する。タービンは、軸２３の周りを回転するタービン動翼列２０を収容する環状ケーシング１８を含む。各列の動翼は、タービン翼車２２に取り付けられる。動翼列の間に静翼列２４（案内翼）がある。
【００１８】
高温の燃焼ガス２７は、動翼列２０および静翼列２４を通って、環状通路２８内を流れる。タービンケーシング１８は、高温ガス通路２８の外表面を形成する。通路の内壁は、翼車２２の外側リムの近くにある。
【００１９】
タービンケーシング１８は、内側環状シェル２６を収容して支持する外側環状シェル３２を含む。内側環状シェルは動翼列を囲む。静翼２４は、内側環状シェル２６に取り付けられる。
【００２０】
シュラウド３０の環状列は、内側タービンシェル２６に取り付けられており、動翼の先端に位置合わせされている。シュラウド３０と動翼２０の先端の間の隙間は、ガスタービンの「クリアランス（ｃｌｅａｒａｎｃｅ）」または「クリアランス隙間（ｃｌｅａｒａｎｃｅ  ｇａｐ）」と称する。
【００２１】
クリアランスが小さいと、動翼の先端を越えて漏れる高温燃焼ガスの量を確実に最小限にできる。クリアランスが小さくなりすぎると、動翼の先端はシュラウドをこすって動翼やシュラウドを摩耗させ、さらにタービンに振動を与える場合もある。磨耗は、クリアランス隙間を増大させ、動翼およびシュラウドに損傷を与える場合があるので、一般に望ましくない。振動は、タービンに損傷を与える場合があるので、一般に望ましくない。
【００２２】
環状プレナム３４、３６は、タービンケーシング１８の外側環状シェル３２と内側環状シェル２６の間に形成される。これらのプレナム３４、３６は、圧縮空気を内側環状シェル２６内の冷却通路に分配する。圧縮空気は、圧縮機１２の１つまたは複数の段から抽出される。動翼前方段周りのプレナム３４は、タービンの後方段を囲むプレナム３６に比べて、より圧縮された、圧縮機のより後方段からの空気を受け入れる。タービンシェル１８のプレナムの構成および数、ならびにプレナムのそれぞれに接続する圧縮機の段の選択は、設計の選択の問題である。
【００２３】
図２は、内側環状シェル２６の一部分の斜視図である。内側環状シェルは、通常、金属材料で形成される。シェルの外表面は、外側環状シェル３２に係合する環状の出張りおよびリブを有する。内側環状シェルの外表面は、圧縮空気のためのプレナム３４、３６（図１）の壁面を形成する。内側環状シェルの内側表面は、シュラウド３０のフックを受け入れるためにスロット列３８を含む。
【００２４】
内部冷却通路４０（点線参照）は内側タービンシェルの中に配置される。環状プレナム３４、３６の１つからの圧縮空気は入口４２から冷却通路４０に入る。空気は、通路（蛇行している矢印４４参照）および出口４５を通ってスロット３８の中へ流れる。冷却通路４０は、ガスタービンの回転軸に沿って長手方向に延在するように配置することができる。冷却通路は、内側環状シェルの軸端部近くの渡りポケット室４６において向きを逆転することによって、蛇行経路、例えばスイッチバック経路、をとることができる。数本の冷却通路４０が、タービンシェルの周囲に対称に配置することができる。渡りポケット室は、内側環状シェルの前面６２のプレート４７（図４）によって塞ぐことができる。シェル内の冷却通路の配置は、設計の選択の問題であり、タービンシェルの設計の経験を積んだ技術者の技術の範囲内である。
【００２５】
冷却通路４０によって、プレナム３４、３６からの圧縮空気は、内側タービンシェル２６を通過して、高温燃焼ガス通路へ抜くことができる。空気が冷却通路４０を通って流れると、内側タービンシェル２６と圧縮空気の間で熱伝達が生じる。シェルが圧縮空気より高温の場合、圧縮空気は内側タービンシェルを冷却する。高温燃焼ガスがタービンを流れている間は、普通、内側タービンシェルは圧縮気体よりも高温である。もし圧縮空気が内側タービンシェルよりも温い場合、空気はシェルを加熱する。ガスタービンの起動運転の初期段階の間、燃焼器で燃焼が生じる前には、圧縮空気がより温かいことがある。
【００２６】
冷却気体から内側環状シェルへの熱伝達量は、冷却空気通路４０およびポケット室４６の内部表面積に依存する。熱伝達量は、内側タービンシェル２６の熱膨張と冷却に影響を及ぼす。さらに、冷却通路４０とポケット室４６の容積は、内側環状シェルの質量に影響を及ぼす。シェルの質量は、シェルの熱膨張に影響を及ぼす。
【００２７】
ガスタービンの設計の際、内側環状シェルは、所望の熱膨張特性を有するように設計される。所望の熱膨張特性は、ガスタービンの異なる運転段階においてあるレベルの熱伝達になるように、冷却通路４０および渡りポケット室４６の形状、長さ、および断面積を設計することによって、少なくとも部分的には、達成することができる。また所望の熱膨張特性は、冷却通路４０および渡りポケット室４６の容積を選んで内側環状シェルの質量を調節することによって、少なくとも部分的には、達成することができる。
【００２８】
タービン、および、特に内側環状シェルの所望の熱膨張を決めるためのステップは、ガスタービンの異なる運転段階でのクリアランス隙間を予測することである。クリアランス隙間は、タービン構成部品の熱膨張および熱収縮を見積もることによって予測することができる。例えば、熱膨張および熱収縮による動翼の先端の半径方向の変位を見積もるためには、タービン翼車と動翼の半径方向の膨張を見積もって、足し合わせる。同様に、熱膨張による内側環状シェルの半径方向の変位を見積もることができる。動翼の先端の半径方向の変位と内側環状シェルの半径方向の変位の差がクリアランス隙間を示す。
【００２９】
クリアランス隙間は、コールドスタート、高速（ウォーム）スタート、定常状態（全速、全負荷など）、および停止を含む、ガスタービンの通常運転状態すべてにわたって見積もられる。見積もられたタービン構成部品それぞれの熱膨張およびクリアランス隙間は、ガスタービンの運転段階でのクリアランスを示すために図示的にプロットされてもよい。
【００３０】
図３は、ガスタービンのコールドスタート段階でのタービン構成部品の半径方向の変位を示す例示的なグラフである。グラフは、タービンの特定の段のタービン構成部品の半径方向の変位および隙間の減少に対するコールドスタート段階での時間を示す。見積もった半径方向の変位を、タービン翼車（実線）および翼車に取り付けられた動翼（△印および×印のついた線）について示す。内側環状ケーシングの熱変位は、○印のついた線で示す。クリアランスの減少（点線）は、内側環状ケーシングの変位と、タービン翼車と動翼の変位の合計と、の差を示す。
【００３１】
図３に示した例では、タービン翼車（実線）と一方の動翼（Ｘ印のついた線）の半径方向の変位が、内側環状シェルの半径方向の変位（○印のついた線）よりも急速に増大している。タービン翼車および動翼の変位が内側環状シェルよりも急速に増大するので、動翼の先端とシュラウドの間のクリアランスは、クリアランスの減少を示すプロット（点線）の急速な増大に示されるように、狭くなり始める。一般に、クリアランスの減少は、内側環状シェルの半径方向の変位の速度が増加するとともに定常値になる。
【００３２】
クリアランスの減少のプロットは、ガスタービンの運転中のクリアランス隙間の寸法を示す。クリアランスの減少のプロットの値が増大すると、クリアランス隙間量が減少する。図３に示すように、クリアランスの減少のプロット値が増大することは、タービンの回転構成部品（タービン翼車および動翼）が、静止構成部品（内側環状シェル）よりも速く昇温するので、起動時にクリアランスが狭くなることを示している。
【００３３】
最小のクリアランスは、クリアランスの減少のプロットのピーク４８において生じる。クリアランスの減少のプロットにおける急峻で狭いピークは、クリアランスが最小となる運転期間が短いことを示している。ガスタービンの運転のほんの短時間にクリアランスを適応させるために調節しなければならないことを避けるために、急峻で狭いピークを下げて最小にすべきである。
【００３４】
クリアランスの減少線のプロットのピークは、タービン構成部品の設計を変更することによって下げることができる。例えば、冷却通路４０の表面積を増大すると、起動時の内側環状シェルをより急速に昇温することができる。急速に昇温すると、減少線のプロットのピークを下げることができる。図３の減少線のプロットは、内側環状シェルをタービン翼車および動翼と少なくとも同じくらいに速く昇温するように設計することによって、小さくて急峻でないピーク４８を得ている。
【００３５】
静止構成部品の熱膨張を決定する手法は、内側環状シェルの一部分６０の構成部品への入熱の計算が必要となる。この手法は、図４および図５に示される。部分６０を伝わる熱伝達率を知ることにより、内側環状シェルの熱膨張を見積もることができる。
【００３６】
図４は、タービンの静止構成部品の一部分６０の断面を示す。部分６０はタービンの第１段に対応することができる。部分６０は、クリアランス隙間が最も狭くなる傾向がある内側環状シェルの部分として選択することができる。部分６０を、内側環状シェルの他の部分６２（図２）は、クリアランス隙間が狭くなりにくいという仮定に基づいて、クリアランス隙間の見積りに使うことができる。
【００３７】
この構成部品は、内側環状シェル２６およびシュラウド３０を含む。タービン動翼２０の先端は、先端とシュラウドの内側表面の間の狭いクリアランス隙間（ｃ）とともに示されている。図４のクリアランス隙間（ｃ）は、例示目的のために誇張されている。クリアランス隙間（ｃ）が小さくなりすぎると、動翼の先端はシュラウドをこする。隙間が大きすぎると、隙間を通って漏れる高温燃焼ガスが過多となり、高温ガスを仕事に変換するタービンの効率を低下させる。
【００３８】
２６や３０などの静止構成部品の熱膨張は、これらの構成部品の表面を伝わる熱伝達率に基づいて見積もることができる。例えば、タービンの段に近接する内側環状シェルの一部分６０を伝わる熱伝達は、部分６０の前面６２および後面６４を伝わる熱伝達に基づいて見積もることができる。また、シェルの部分６０は、半径方向外表面６６、およびシュラウドのフック７０のためのスロットに相当する半径方向内表面６８を有する。半径方向内表面は、シュラウドの中に漏れる高温の燃焼ガスに曝されるので、高温ガス通路（ＨＧＰ：ｈｏｔ  ｇａｓ  ｐａｓｓａｇｅ）境界面として処理してもよい。部分６０は、リガメント７２によって、内側環状シェルの第２段などのもう一つの部分７４（図２）の段に結合される。リガメントは、部分６０の表面ではないが、リガメントを伝わる熱伝達率を見積もることができる。冷却通路４０および渡りポケット室４６の表面を伝わる熱伝達率もまた、内側環状シェルの熱膨張を決定する際に考慮される。
【００３９】
図５は、内側環状シェルの部分６０の各表面およびリガメントの熱伝達率を示す棒グラフである。熱伝達率は、ガスタービンの異なる運転段階で示されている。
【００４０】
図５は、ガスタービンの各運転段階の熱伝達率７６、７８、８０、８２、８４、８６、および８８を表わす棒グラフを示す。図５では、棒グラフの左から右の順序（７６、７８、８０、８２、８４、８６、および８８）は、ガスタービンのコールドスタート、定常状態、停止、ターニングギア、およびリスタート（ホットスタート）の各運転段階に対して同じである。
【００４１】
ガスタービンのコールドスタートの運転段階の間では、内側環状シェルの部分６０は、前面（率７６）、ＨＧＰ境界面（率７８）、および外表面（率８０）を伝わって高い率でシェルに熱が入るので、すばやく昇温する。コールドスタートの間では、渡りポケット室（率８２）および冷却管（率８４）による熱伝達はほとんどない。また、後面（率８６）および内側環状シェルのリガメント（率８８）接続を伝わる内側環状シェルの部分６０への熱伝達率は、比較的低い。
【００４２】
コールドスタート段階の間では、内側環状シェル、タービン翼車、および動翼は急速に昇温し、膨張する。タービン設計者は、コールドスタートの間にクリアランスが不十分になることを避けるために、内側環状シェルがタービン翼車および動翼と同じくらい速く、またはそれらより急速に膨張することを好むことがある。内側環状シェルの膨張速度を増大するために、設計者は、例えば冷却通路４０や渡りポケット室４６の容積を増やして、シェルの質量を減少させることができる。また、設計者は、内側環状シェルの厚さを減らし、またはシェルの設計に対して他の調節をして、シェルの質量を減少させることができる。
【００４３】
定常状態段階の間、前面（率７６）、ＨＧＰ境界面（率７８）、および外表面（率８０）がシェルを加熱し続ける一方で、冷却通路および渡りポケット室の熱伝達率８２、８４は内側環状シェルを冷却する。設計者は、定常状態段階での内側環状シェルの熱膨張または熱収縮を最小限にするために、この段階でのシェルの加熱速度と冷却速度をバランスさせようとすることがある。設計者は、例えば、冷却通路４０および渡りポケット室４６の内部表面積を変更して、冷却熱伝達率８２、８４を調節することができる。
【００４４】
停止段階の間、内側環状シェルは、冷却熱伝達率により急速に半径方向内側に収縮する。停止の間の最大の冷却熱伝達率８２、８４は、冷却通路４０および渡りポケット室４６による。停止の間の内側環状シェルの半径方向内側への収縮は、シェルがタービン翼車および動翼よりも速く収縮する場合には、クリアランスを小さくする可能性がある。設計者は、冷却通路および渡りポケット室の容積および表面積を決める際に、停止段階の間の冷却通路および渡りポケット室による熱伝達率を考慮する必要がある場合がある。これらの容積および表面積は、停止段階の間の内側環状シェルの過度に急速な収縮を避けるために、小さくする必要がある場合がある。
【００４５】
ターニングギア段階の間、内側環状シェルの部分６０を伝わる熱伝達はほとんどない。したがって、ターニングギア段階の間、内側環状シェルは、著しくは膨張または収縮しない。
【００４６】
ガスタービンのリスタートの段階の間、内側環状シェルの部分６０は、前面（熱伝達率７６）、ＨＧＰ境界面（熱伝達率７８）、および外表面（熱伝達率８０）を伝わって入る大きな熱伝達率によって加熱される。部分６０への小さいが重要な熱伝達率が、渡りポケット室（熱伝達率８２）、冷却通路（熱伝達率８４）、後面（熱伝達率８６）、およびリガメント（熱伝達率８８）から入る。リスタートの段階の間の熱伝達率によって内側環状シェルは急速に膨張する。設計者は、リスタートの間、内側環状シェルの半径方向熱膨張速度が、タービン翼車および動翼の半径方向膨張速度と少なくとも同じくらい大きいことを確認することがある。内側環状シェルの半径方向熱膨張速度が十分でなければ、設計者は、シェルの質量を減らすか、渡りポケット室および冷却通路の表面積を増大させることができる。
【００４７】
クリアランスは、タービンの設計だけに基づいて制御することができる。例えば、内側環状シェルは、コールドスタートおよびリスタート段階の間、タービン翼車および動翼と少なくとも同じくらいに速く、半径方向に熱膨張するように、かつすべての運転段階の間、クリアランスのピンチポイントを最小にするように設計することができる。
【００４８】
クリアランス制御を実現するために、設計者は、内側環状シェルの質量を調節するために、冷却通路および渡りポケット室の表面積を調節し、また、これらの通路およびポケット室の容積を変更することができる。冷却通路の表面積および容積は、これらの通路の内径を変更することによって調節できる。同様に、渡りポケット室の表面積または容積は、ポケット室の高さ、幅、または深さなどの内部寸法を変更することによって調節できる。
【００４９】
設計者は、冷却通路および渡りポケット室の表面積および容積の調節が必要かどうかを決めるために、コールドスタート、定常状態、停止、ターニングギア、およびリスタートの段階を含む様々な運転段階でのタービン翼車、動翼、および内側環状シェルの半径方向の熱変位を考慮することができる。設計者は、これらの段階のそれぞれに対して、その段階でのクリアランスの減少を見積り、クリアランスが最小となるピンチポイントを同定することができる。ピンチポイントを最小にする、またはピンチポイント近くのクリアランスの減少の変化率を最小にするように、調節することができる。
【００５０】
さらに、タービンの設計者は、内側タービンシェルなどのタービンの構成部品の加熱速度または冷却速度を考慮することができる。これらの速度は、段階１（１）など特定の段階でのタービン近くのシェルの一部分の表面またはリガメントに対応することがある。表面またはリガメントを伝わる結合した熱伝達率によるシェルの熱膨張が、タービン翼車および動翼の半径方向の結合した熱膨張に釣り合わない（例えば、一致する、または、わずかに超える）場合、内側環状シェルの設計を、シェル内の冷却通路および渡りポケット室の表面積または容積を調節することなどによって、変更することができる。
【００５１】
冷却通路および渡りポケット室は、コールドスタートおよびリスタート運転の間、内側環状シェルが、タービン翼車および動翼よりも速く半径方向に熱膨張するように設計することができる。同様に、冷却通路および渡りポケット室は、停止運転の間、内側環状シェルが、タービン翼車および動翼よりも遅く半径方向に収縮するように設計することができる。これらの設計目標を達成することにより、ガスタービンの運転の間、クリアランスの減少においてピンチポイントが減少する。
【００５２】
ガスタービンのクリアランス制御は、内側環状シェルの半径方向の熱膨張および熱収縮を、タービン翼車および動翼の半径方向の熱膨張および熱収縮に一致させることによって達成できる。ガスタービンの様々な運転段階の間、一致するような膨張が起こるであろう。クリアランス制御は、内側環状シェルの熱膨張または熱収縮を変更するために通路４０を通る圧縮空気の流れを調節する冷却流バルブなどの能動的な装置、またはこのようなバルブを操作する制御器を使わずに、実現することができる。
【００５３】
現時点で最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関連して本発明を記述してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の精神と範囲に含まれる様々な変更および同等な構成を包含するものと理解されたい。
【符号の説明】
【００５４】
１０  ガスタービン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  タービンケーシング
２０  動翼
２２  翼車
２３  軸
２４  静翼
２６  内側環状シェル
２７  燃焼ガス
２８  環状ガス通路
３０  シュラウド
３２  外側環状シェル
３４、３６  環状プレナム
３８  シュラウド用スロット
４０  冷却通路
４２  入口
４４  流れの矢印
４５  流れの出口
４６  渡りポケット
４７  ポケットのプレート
４８  減少線のプロットのピーク
６０  第１段に対する環状シェルの部分
６２  前面
６４  後面
６６  外表面
６８  内表面
７０  シュラウドのフック
７２  環状シェルの部分を結合するリガメント
７４  第２段に対する環状シェルの部分
７６  前面の熱伝達率
７８  ＨＧＰ境界面の熱伝達率
８０  外表面の熱伝達率
８２  ポケットの熱伝達率
８４  冷却通路の熱伝達率
８６  後面の熱伝達率
８８  リガメントの熱伝達率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2015075106.tif 000006
【図５】
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