(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム（１０）であって、
シャフト（２４）及び該シャフトに結合したタービンブレード（２２）を含むタービンロータと、
前記タービンロータのタービンブレードを囲むシュラウド（２３）を含むタービンステータと、
冷却チャンネル（８０）であって少なくともその第１の部分が前記システムの圧縮機（１２）の最終段の上流側に延びており、その第２の部分が前記タービンロータに近接して配置されている冷却チャンネル（８０）と
を備えており、
前記冷却チャンネル（８０）が、前記圧縮機から冷却圧縮空気（４８）を受け取り、前記タービンロータに隣接する箇所に前記冷却圧縮空気を導いて、前記タービンロータの熱膨張及び／又は軸方向変位を低減させて前記タービンブレードと前記タービンステータとの間のブレード先端クリアランスを低減するように構成されている、システム（１０）。
【請求項２】
バルブ（８８）及び熱交換器（４６）をさらに備えており、前記バルブが、圧縮空気の一部を前記熱交換器に分流できるように構成されており、前記熱交換器が、前記圧縮空気の一部を冷却して冷却圧縮空気（４８）を生成するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記バルブの作動を調整して、前記熱交換器への圧縮空気の一部の流れを制御するように構成されたコントローラ（８６）をさらに備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記システムの１以上の作動条件を検出して、前記１以上の作動条件に関する情報を前記コントローラに送信するように構成されたセンサ（８４）をさらに備えており、前記コントローラが、前記１以上の作動条件を前記センサから受け取るように構成され、前記コントローラが、前記センサから受け取った情報に基づいて又は手動入力に基づいて、或いはその両方に基づいて前記バルブの作動を調整するように構成されている、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記１以上の作動条件が、温度、圧力、作動段階又はこれらの組合せを含み、前記作動段階が、一般過度段階、一般定常状態段階、低温始動段階、全速無負荷段階、全速全負荷段階、定常状態段階、シャットダウン段階又はこれらの組合せを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記タービンロータが第１の材料を含み、前記タービンステータが第２の材料を含み、第１の材料と第２の材料とが異なる、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の材料が低い熱膨張係数の材料を含み、前記第２の材料が高い熱膨張係数の材料を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
燃焼室をさらに備えており、前記冷却チャンネルが、前記燃焼室の第１の端部から該第１の端部と反対側の第２の端部まで該燃焼室に近接して延在する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
ターボ機械のタービンブレード先端クリアランスを低減する方法（１１０）であって、
前記ターボ機械の特定の作動段階の間に圧縮空気（１９）の第１の部分を熱交換器（４６）に分流するステップと、
前記熱交換器で前記圧縮空気の第１の部分を冷却して冷却圧縮空気（４８）を発生させるステップと、
前記ターボ機械のタービンロータに近接するチャンネルであって、少なくともその第１の部分が前記ターボ機械の圧縮機（１２）の最終段の上流側に延びており、その第２の部分が前記タービンロータに近接して配置されているチャンネルを通して前記冷却圧縮空気を送るステップと、
前記タービンロータに隣接する箇所を冷却して、前記タービンロータの熱膨張及び／又は軸方向変位を低減させ、前記ターボ機械のタービンブレードと前記ターボ機械のタービンステータとの間のブレード先端クリアランスを低減するステップと
を含む、方法。
【請求項１０】
前記圧縮機を介して前記圧縮空気を発生させるステップと、前記圧縮空気の第１の部分をバルブ（８８）を介して前記熱交換器に分流するステップとをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
コントローラ（８６）を介して前記バルブを開閉して、前記圧縮空気の第１の部分を前記熱交換器に分流できるようにするステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
センサ（８４）を介して１以上の作動条件を検知し、該１以上の作動条件に関する情報を前記センサから前記コントローラに送信するステップをさらに含み、前記コントローラが、前記１以上の作動条件に関する情報、手動入力又はその両方に基づいて前記バルブを開閉するように構成されている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記１以上の作動条件が、温度、圧力、作動段階又はこれらの組合せを含み、前記作動段階が、一般過度段階、一般定常状態段階、低温始動段階、全速無負荷段階、全速全負荷段階、定常状態段階、シャットダウン段階又はこれらの組合せを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
燃焼室において圧縮空気の第２の部分を燃焼させて、燃焼生成物を生成し、該燃焼生成物を介して前記タービンステータを加熱するステップをさらに含み、前記燃焼生成物を介して前記タービンステータを加熱するステップが、前記タービンステータの熱膨張及び軸方向変位を生じさせ、前記タービンステータの軸方向変位により、前記タービンブレードと前記タービンステータとの間のブレード先端クリアランスを制御する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記タービンロータが低い熱膨張係数材料を含み、前記タービンステータが高い熱膨張係数材料を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ターボ機械システム（１０）であって、当該ターボ機械システム（１０）が、
シャフト（２４）及び該シャフトに結合したタービンブレード（２２）を含むタービンロータと、
前記タービンロータのタービンブレードを囲むシュラウド（２３）を含むタービンステータと、
冷却チャンネル（８０）であって少なくともその第１の部分が前記ターボ機械システムの圧縮機（１２）の最終段の上流側に延びており、その第２の部分が前記タービンロータに近接して配置されている冷却チャンネル（８０）と
を備えており、前記冷却チャンネル（８０）が、前記圧縮機から冷却圧縮空気（４８）を受け取り、前記タービンロータに隣接する箇所に前記冷却圧縮空気を導いて、前記タービンロータの熱膨張及び／又は軸方向変位を低減させて前記タービンブレードと前記タービンステータとの間のブレード先端クリアランスを低減するように構成されており、
前記ターボ機械システムがさらに、
前記圧縮機と前記冷却チャンネルとの間を選択的に流体連通させるように構成された制御システム（４２）と
を備えており、前記制御システムが、
前記圧縮機と前記冷却チャンネルとの間に配置されたバルブ（８８）であって、前記ターボ機械システムの作動条件に基づいて選択的に開放されて前記圧縮機と前記冷却チャンネルとの間を流体連通させるように構成されたバルブ（８８）と、
前記冷却チャンネルの近傍に配置されたセンサ（８４）であって、前記ターボ機械システムの作動条件に関するパラメータを検出するように構成されたセンサ（８４）と、
前記ターボ機械システムの作動条件に関するパラメータを受け取り、該作動条件に基づいて、前記圧縮機と前記冷却チャンネルとの間を流体連通させるため前記バルブを選択的に開閉させるように構成されたコントローラ（８６）と
を含む、ターボ機械システム。
【請求項１７】
前記パラメータが、温度、圧力、作動段階又はこれらの組合せを含み、前記作動段階が、一般過度段階、一般定常状態段階、低温始動段階、全速無負荷段階、全速全負荷段階、定常状態段階、シャットダウン段階又はこれらの組合せを含む、請求項１６に記載のターボ機械システム。
【請求項１８】
前記圧縮機と前記冷却チャンネルとの間に配置された熱交換器（４６）をさらに備えており、該熱交換器が、前記圧縮機からの圧縮空気を冷却して冷却圧縮空気（４８）を発生させるように構成されている、請求項１６に記載のターボ機械システム。
【請求項１９】
燃焼室をさらに備えており、前記冷却チャンネルが、該燃焼室の第１の端部から第２の端部まで延在する、請求項１６に記載のターボ機械システム。
【請求項２０】
前記冷却チャンネルが、前記冷却圧縮空気を前記ターボ機械システムのタービン（１８）に向かう第１の方向に送るように構成された順方向流れ部分を含み、前記冷却チャンネルが、前記冷却圧縮空気を前記ターボ機械システムの圧縮機（１２）に向かう第２の方向に送るように構成された逆方向流れ部分を含み、前記第１の方向が前記第２の方向と反対向きである、請求項１６に記載のターボ機械システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ターボ機械のブレード先端クリアランスを低減するためのシステム及び方法に関する。詳細には、本開示は、ターボ機械構成要素の軸方向変位を制御することによってブレード先端クリアランスを低減するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ターボ機械は、固定のターボ機械シュラウド内に回転ブレードを備えたタービンを含む。クリアランスは、各ブレードの先端とターボ機械シュラウドとの間に含めることができる。このクリアランスは、ブレード先端クリアランスと呼ぶことができる。ブレード先端クリアランスにより、ターボ機械を通過する燃焼ガスが、ブレード先端とターボ機械シュラウドとの間でブレードの先端を越えて漏洩可能となる。このような燃焼ガスの漏洩は、ターボ機械システム全体、特にターボ機械自体の効率を低下させる可能性がある。従って、現在のところ、ブレード先端クリアランスを改善、低減、又は排除するシステム及び方法に対する必要性があることが認識されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８，４４９，２４３号明細書
【発明の概要】
【０００４】
最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある特定の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろそれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本発明は、下記に説明した実施形態と同様のもの又は該実施形態と異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。
【０００５】
第１の実施形態では、システムは、シャフトと、該シャフトに結合したターボ機械ブレードとを有するターボ機械ロータを含む。本システムは、ターボ機械ロータのターボ機械ブレードを囲むシュラウドを有するターボ機械ステータも含む。さらに、本システムは、冷却チャンネルであって少なくともその第１の部分がシステムの圧縮機の最終段の上流側に延びる冷却チャンネルを含み、冷却チャンネルは、圧縮機から冷却圧縮空気を受け取り、ターボ機械ロータに隣接する箇所に冷却圧縮空気を導いて、ターボ機械ロータの熱膨張及び／又は軸方向変位を低減するように構成されている。
【０００６】
第２の実施形態では、ターボ機械のブレード先端クリアランスを低減する方法は、ターボ機械の特定の作動段階の間に圧縮空気の第１の部分を熱交換器に分流するステップと、熱交換器で圧縮空気の第１の部分を冷却して冷却圧縮空気を発生させるステップを含む。本方法は、ターボ機械のロータに近接するチャンネルを通して冷却圧縮空気を送るステップも含んでおり、該チャンネルは、ターボ機械の圧縮機の最終段の上流側に延びるチャンネルの第１の部分を少なくとも含む。さらに、本方法は、ロータを冷却して該ロータの熱膨張及び／又は軸方向変位を低減させ、ターボ機械のブレードとターボ機械のステータとの間のブレード先端クリアランスを低減するステップを含む。
【０００７】
第３の実施形態では、システムは、シャフトと、該シャフトに結合したターボ機械ブレードとを有するターボ機械ロータを含む。本システムは、ターボ機械ロータのターボ機械ブレードを囲むシュラウドを有するターボ機械ステータも含む。さらに、本システムは、冷却チャンネルであって少なくともその第１の部分がシステムの圧縮機の最終段の上流側に延びる冷却チャンネルを含み、冷却チャンネルは、圧縮機から冷却圧縮空気を受け取り、ターボ機械ロータに隣接する箇所に冷却圧縮空気を導いて、ターボ機械ロータの熱膨張及び／又は軸方向変位を低減するように構成されている。本システムは、制御システムも含む。制御システムは、圧縮機と冷却チャンネルとの間を選択的に流体連通させるように構成されている。制御システムは、圧縮機と冷却チャンネルとの間に配置されたバルブを含んでおり、バルブは、ターボ機械システムの作動条件又は作動段階に基づいて選択的に開放されて圧縮機と冷却チャンネルとの間を流体連通させるように構成されている。本制御システムは、冷却チャンネルの近傍に配置されたセンサであって、ターボ機械システムの作動条件に関するパラメータを検出するように構成されたセンサも含む。さらに、本制御システムは、ターボ機械システムの作動条件に関するパラメータを受け取り、該作動条件に基づいて、圧縮機と冷却チャンネルとの間を流体連通させるためバルブを選択的に開閉させるように構成されたコントローラを含む。
【０００８】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の態様による、軸方向変位制御システムを有するターボ機械システムの１つの実施形態の概略図。
【図２】本開示の態様による、ターボ機械ブレード及びタービンシュラウド上に配置されたハニカム構造体の１つの実施形態の側断面図。
【図３】本開示の態様による、ブレード先端クリアランスが無い、図２のターボ機械ブレード及びハニカム構造体の１つの実施形態の側断面図。
【図４】本開示の態様による、軸方向変位制御システムを有するターボ機械システムの１つの実施形態の側断面図。
【図５】本開示の態様による、ブレード先端クリアランスを制御する方法のプロセスフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実施構成の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実施構成毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実施時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。
【００１１】
本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。
【００１２】
本開示の実施形態は、ターボ機械ステータ及びターボ機械ロータを有するターボ機械（例えば、ターボ機械システム）を含む。ターボ機械は、圧縮機及び／又はタービン（ガスタービン、蒸気タービン、水力タービン、又はこれらの組み合わせなど）を含むことができる。以下の検討では、クリアランス制御システムの実施形態は、ガスタービンの関連で検討しているが、他のタイプのタービンにも同様に適用することができる。
【００１３】
ターボ機械のステータは固定であり、圧縮機シュラウド、圧縮機ベーン、タービンシュラウド、タービンベーン、及び圧縮機シュラウドとタービンシュラウドとの間にある任意選択の移行シュラウドを含むことができる。ロータは、シャフト及び圧縮機ブレードと、シャフトに結合されたタービンブレードとを含むことができ、ここでロータ構成要素は、シャフトを貫通して延びる回転軸線の周りを回転する。ターボ機械システムの圧縮機は、圧縮機シュラウド、ステータの圧縮機ベーン、及びロータの圧縮機ブレードを含み、ターボ機械システムのタービンは、ステータのタービンシュラウド及びタービンベーンと、ロータのタービンブレードとを含む。圧縮機ブレード及び圧縮機ベーンは、回転軸線に沿って多段で交互配置され、タービンブレード及びタービンベーンは、回転軸線に沿って多段で交互配置される。ロータのシャフトは、圧縮機とタービンの両方を通って延び、上述のように、圧縮機ブレード及びタービンブレードに結合される。従って、シャフトが回転すると、圧縮機ブレード及びタービンブレードも回転し、ここで圧縮機ブレード及びタービンブレードの各段は、圧縮機ベーン及びタービンベーンそれぞれの段の間に配置される。例えば、タービンと負荷の間に別個のシャフト（例えば、負荷シャフト）を結合することができ、タービンブレードの回転により負荷シャフトが回転して、負荷を駆動するようになる。タービンの様々な構成要素を回転させるためにタービン内にあらゆる数のシャフトを含めることができる。
【００１４】
タービンブレードは、金属ハニカムのようなアブレイダブル構造に入り込み又は物理的に接触することができる。ハニカム構造体は、固定タービンシュラウド上に配置することができ、他方、タービンブレードは、作動中にシャフトと共に回転する。作動中（回転中）にハニカム構造体に接触することにより、タービンブレードは、タービンを通って送られる高温燃焼ガスがタービンブレードとタービンシュラウド上に配置されたハニカム構造体との間のタービンブレードの先端を越えて漏洩するのを阻止する。しかしながら、ターボ機械の種々の構成要素の熱膨張に起因して、タービンブレードは、種々の動作条件又は作動段階の間にハニカム構造体から軸方向（例えば、回転軸線に平行な軸方向で）に離隔される可能性がある。タービンブレード先端がハニカム構造体から離隔されている間の各ブレードの先端と固定タービンシュラウドのハニカム構造体との間の距離は、ブレード先端クリアランスと呼ぶことができる。軸方向ブレード先端クリアランス（例えば、長手方向ブレード先端クリアランス）は、ブレード先端からハニカム構造体まで軸方向で、すなわち回転軸線に対して軸方向で測定されたブレード先端クリアランスと呼ぶことができる。半径方向ブレード先端クリアランスは、ブレード先端からハニカム構造体まで半径方向で、すなわち回転軸線に対して半径方向で測定されたブレード先端クリアランスと呼ぶことができる。
【００１５】
ブレード先端クリアランス（詳細には、軸方向ブレード先端クリアランス）を低減又は排除するために、本開示の実施形態は、軸方向変位制御システム、すなわち略して制御システムを含む。軸方向変位制御システムは、圧縮機によって生成された圧縮空気又は圧縮空気の一部、或いは、不活性ガス（例えば、窒素）又は他の何れかのガス、液体もしくは蒸気などの他の何れかのタイプの冷却剤を利用することにより、少なくとも部分的に、ステータ及び／又はロータの種々のターボ機械構成要素の軸方向変位を制御することができる。詳細には、軸方向変位制御システムは、ステータに対してのロータの一部の軸方向変位を制御することができる。例えば、圧縮機によって生成された圧縮空気の一部は、冷却のため熱交換器に送出することができる。次いで、圧縮空気の一部は、冷却されてロータの近接部分に送られ、ロータを冷却することができる。冷却圧縮空気を用いてロータを冷却することによって、冷却圧縮空気を用いてロータが冷却されていない実施形態と比べてロータの軸方向変位を低減することができる。結果として、ロータを冷却することにより、ロータに結合されている、換言するとロータの一部であるタービンブレードの軸方向変位も低減される。タービンブレードの軸方向変位を低減することにより、タービンブレードのブレード先端は、ハニカム構造体と接触したままにすることができる。換言すると、タービンブレードの軸方向変位を低減することにより、軸方向ブレード先端クリアランスを低減又は排除することができる。
【００１６】
制御システムはまた、ロータだけでなくターボ機械の他の構成要素の軸方向変位を制御することができる。例えば、制御システムは、実質的に冷却圧縮空気をロータにのみ又は大部分をロータに分流することができ、その結果、ステータの加熱及び膨張が可能となる。従って、ロータのタービンブレードが、タービンシュラウド上に配置されたハニカム構造体内に反対の軸方向に「収縮」している（すなわち、より正確には、ハニカム構造体から離れて軸方向に拡張するのが阻止されている）間、（ステータの）タービンシュラウドは、（ロータの）ブレード内に軸方向に熱膨張し、軸方向ブレード先端クリアランスの閉鎖を更に可能にすることができる。実際に、ステータをロータよりも熱膨張させるのを確実にするための他の機構を利用することができる。例えば、冷却圧縮空気によって冷却される領域に近接したタービン構成要素用に特定の材料を選択することができる。少なくとも互いに対して、ロータ構成要素の材料が低い熱膨張係数を有することができ、ステータ構成要素の材料が高い熱膨張係数を有することができる。例えば、ロータ及び／又はステータの構成要素として、様々な量の鉄、アルミニウム、ホウ素、炭素、クロム、コバルト、銅、鉛、マンガン、モリブデン、ニッケル、リン、ケイ素、硫黄、タンタル、チタン、タリウム、タングステン、及びジルコニウムとの合金鋼を用いることができる。このような合金の一般的名称としては、ステンレス鋼、インコネル、及びクロム−モリブデン合金が挙げられる。適切な材料を選ぶことにより、ロータの軸方向の熱膨張は、ステータの軸方向の熱膨張に比べて低減することができ、これにより本開示において記載されたブレード先端クリアランスを低減することができる。
【００１７】
軸方向に熱膨張することにより、ステータ（又はより具体的には、ステータ上に配置されたハニカム構造体）は、タービンブレードの先端内に軸方向に変位する可能性がある。（ａ）ロータの冷却と（ｂ）ステータの加熱との間を変わるか同時に可能にすることにより、ロータ及び対応するタービンブレードは、ステータから離れる軸方向成長が阻止され、ステータは、ロータのタービンブレード内又はタービンブレードに向かって軸方向に膨張する。制御システムは、作動条件又は作動段階に応じて、ロータ冷却及び／又はステータ加熱（或いは単に冷却の低減又は無効）が適切であるか又は望ましいかどうか、そのタイミング、及び／又はその程度を決定することができる。制御システム及びターボ機械構成要素について、図面を参照しながら以下で詳細に説明する。
【００１８】
ここで図面を参照すると、図１は、圧縮機１２、燃焼器１４、燃料ノズル１６及びタービン１８を有するターボ機械システム１０の１つの実施形態の概略図である。燃料ノズル１６は、液体燃料及び／又はガス燃料（天然ガス又はシンガスなど）を燃焼器１４内に送る。燃焼器１４はまた、圧縮機１２によって生成された圧縮空気１９を受け取って燃料と混合するようにして、燃料−空気混合気を点火及び燃焼させる。次いで、高温の加圧燃焼ガス２０（例えば、排気ガス）が燃焼器１４からタービン１８に流入する。タービン１８は、タービンブレード２２及びタービンシュラウド２３を含み、ここでタービンブレード２２は、回転シャフト２４に結合され、タービンシュラウド２３は、シャフト２４及びタービンブレード２２に対して固定である。タービンシュラウド２３には、複数のタービンベーン２５が結合され、該タービンベーン２５は、タービンブレード２２の各セットの間の高温の加圧燃焼ガス２０の流れを配向又は変更する（例えば、流れの圧力／速度を制御することにより）。従って、高温の加圧燃焼ガス２０がタービン１８を通過すると、タービン１８のタービンブレード２２が回転して、シャフト２４を回転駆動し、タービンベーン２５は、タービンブレード２２の各連続段に向けて高温の加圧燃焼ガス２０を調製する。
【００１９】
シャフト２４はまた、システム１０の構成要素の中でも特に圧縮機１２を貫通して延びて、シャフト２４を通って延びる回転軸線２６の周りに回転する。圧縮機１２は、シャフト２４に結合された複数の圧縮機ブレード２８を含む。従って、シャフト２４が上述のようにタービンブレード２２の回転駆動を介して回転すると、圧縮機ブレード２８もまた回転する。圧縮機１２は、空気（例えば、周囲空気）を受け取るよう構成され、空気は、圧縮機１２のブレード２８が回転するにつれて、及び圧縮機１２の断面積が回転軸線２６に平行な圧縮機１２の軸方向３０で減少するにつれて、該圧縮機１２において圧縮される。タービン１８と同様に、圧縮機１２はまた、シャフト２４及び圧縮機ブレード２６に対して固定である圧縮機シュラウド３２を含む。圧縮機１２は同様に、圧縮機ベーン３４を含み、該圧縮機ベーン３４は、空気が圧縮されるときに圧縮機１２を通る空気の流れの圧力／速度を再配向又は変更することができる。圧縮機ベーン３４は、圧縮機シュラウド３２に結合することができ、その結果、圧縮機ベーン３４は、回転シャフト２４及び該シャフト２４に結合された構成要素（例えば、圧縮機ブレード２８及びタービンブレード２２）に対して固定である。
【００２０】
最終的に、ターボ機械システム１０は、シャフト２４に又はタービン１８のブレード２２の最終段に結合された別個のシャフトに結合可能な負荷３６を駆動することができる。換言すると、一部の実施形態において、タービン１８のブレード２２の一部は、シャフト２４、圧縮機１２、及びタービン１８を駆動するのに用いることができ、ブレード２２の他のものは、負荷３６を駆動する別のシャフトを駆動するのに用いることができる。
【００２１】
多くの場合、ターボ機械システム１０の回転又は回転している構成要素は、総称してロータと呼ばれる。例えば、例示の実施形態におけるロータは、シャフト２４、圧縮機ブレード２８、圧縮機ブレード２８、及びタービンブレード２２を含むことができる。更に、ターボ機械システム１０の固定構成要素は、多くの場合、総称してステータと呼ばれる。例えば、例示の実施形態におけるステータは、少なくとも、圧縮機シュラウド３２、圧縮機ベーン３４、タービンシュラウド２３、タービンベーン２５、及び圧縮機シュラウド３２とタービンシュラウド２３との間に配置された任意選択の移行シュラウド３８を含むことができる。一部の実施形態において、任意選択の移行シュラウド３８は、回転カバー（ロータの一部とすることができる）と置き換えることができ、或いは、全く含めなくてもよい。例えば、一部の実施形態において、圧縮機シュラウド３２は、タービンシュラウド２３に途切れなく移行することができ、圧縮機シュラウド３２及びタービンシュラウド２３は、互いに近接して配置することができる。
【００２２】
タービン１８の効率を高めるために、タービンシュラウド２３とタービンブレード２２の先端との間のクリアランスを低減することができる。このクリアランスは、ブレード先端クリアランスと呼ぶことができる。ブレード先端クリアランスは、実際には、２つの構成要素、すなわち、軸方向ブレード先端クリアランスと半径方向ブレード先端クリアランスを含むことができる。軸方向ブレード先端クリアランスは、ブレード２２の先端とタービンシュラウド２３との間の軸方向３０で測定した距離を指すことができる。半径方向ブレード先端クリアランスは、ブレード２２の先端とタービンシュラウド２３との間の軸方向３０に略垂直な半径方向４０に沿って測定した距離を指すことができる。例示の実施形態において、軸方向変位制御システム４２は、ロータ及び／又はステータ構成要素の軸方向変位を制御するのに利用することができる。このようにすることで、軸方向ブレード先端クリアランスを低減又はなくすことができるが、これは、以下に記載されるように、同時に半径方向ブレード先端クリアランスも低減することができる。軸方向変位制御システム４２は、例えば、圧縮空気１９（又は不活性ガス（例えば、窒素、水蒸気、蒸気、水、冷媒、その他）などの他の何れかの冷却剤）の一部４４を熱交換器４６（例えば、直接式熱交換器及び／又は液体又は気体冷却剤を用いた間接式熱交換器）に送出することができ、これにより、圧縮空気１９の一部４４を冷却し、冷却圧縮空気４８を生成することができる。次いで、冷却圧縮空気４８を用いて、ロータの構成要素を冷却することができる。例えば、冷却圧縮空気４８を用いて、移行シュラウド３８内の場所においてシャフト２４を冷却することができる。代替として又はこれに加えて、冷却圧縮空気４８を用いて、制御システム４２に近接した圧縮機ブレード２８を冷却することができる。更に、冷却圧縮空気４８は、タービン１８に近いシャフト２４を冷却するのに用いることができ、或いは、タービン１８のブレード２２のシャフト２４への接続部に近接したロータ構成要素を冷却するのに用いることができる。しかしながら、一般には、冷却圧縮空気４８は、タービン１８の上流側に実質的に定められた領域に配向することができる。実際に、タービン１８（例えば、タービンブレード２２又はそのディスク）内の又はタービン１８内の下流側に遙かに離れた構成要素の冷却は、タービンブレード２２がタービンシュラウド２３から離れてシャフト２４に向けて半径方向に収縮し、ブレード先端クリアランスの増大をもたらす可能性がある。
【００２３】
ロータの構成要素を冷却することにより、ロータの構成要素の軸方向３０の熱膨張を低減することができる。従って、タービンブレード２２は、軸方向３０でタービンシュラウド２３（又はそのハニカム構造体）との接触から離れて延びるのを阻止することができる。例えば、シャフト２４を冷却することにより、シャフト２４の軸方向３０の熱膨張を低減することができる。タービンブレード２２がシャフト２４に結合されるので、タービンブレード２２は同様に、軸方向３０で変位されず、又は変位が低減される。タービンシュラウド２３は一般に、軸方向３０で断面積が増大する（例えば、テーパ付き環状壁）ので、軸方向３０でのタービンブレード２２の変位により、タービンブレード２２がタービンシュラウド２３（又はタービンシュラウド２３上に配置されたハニカム構造体）から離隔するようになる。シャフト２４の熱膨張を阻止することにより、シュラウド２３のハニカム構造体からのタービンブレード２２の離隔が低減又は排除される。更に、冷却圧縮空気４８が、熱交換器４６からターボ機械システム１０のステータではなくロータの一部に大部分出力されるので、ステータ（例えば、タービンシュラウド２３及びタービンベーン２５）は、軸方向３０でタービンブレード２２に向けて熱膨張できるようにすることができる。従って、タービンシュラウド２３上又はタービンシュラウド２３に近接して配置されたハニカム構造体は、タービンブレード２２の先端内に軸方向に変位することができる。
【００２４】
制御システム４２は、特定の作動条件又は作動段階に基づいて上述の技術を選択的に利用することができる。例えば、特定の作動間隔の間（例えば、作動段階）、他の作動間隔の間よりもブレード先端クリアランスを能動的に低減又は排除することはあまり有利ではない場合がある。実際には、一部の作動間隔の間、制御システム４２を全く使用することなくブレード先端クリアランスを排除することができる。従って、熱交換器４６に送出される圧縮空気１９の一部４４は、特にロータ冷却によってブレード先端クリアランスが恩恵を受ける特定の作動間隔（例えば、作動段階）の間に熱交換器４６に送出することができる。例えば、制御システム４２は、ターボ機械システム１０が全速無負荷状態であるとき、すなわち、ターボ機械システム１０が全速で稼働しているが負荷３６に結合されていないときに、ロータ構成要素を冷却するために圧縮空気１９の一部４４を熱交換器４６に送出することができる。或いは、制御システム４２は、全速無負荷と定常状態運転の間の全ての始動間隔の間など、他の作動間隔の間にロータ構成要素を冷却するために圧縮空気１９の一部４４を熱交換器４６に送出することができる。更に、作動条件（又は作動段階）に応じて、制御システム４２は、圧縮空気１９の特定量を熱交換器４６に送出することができ、制御システム４２によって考慮される作動入力に応じて圧縮空気１９をある程度まで冷却することができる。制御システム４２及び該制御システム４２を介して制御可能な種々の構成要素については、残りの図面を参照しながら以下で詳細に説明する。
【００２５】
ここで図２及び３を参照すると、図１の線２−２で囲まれた、タービンブレード２２及びタービンシュラウド２３の一部の側断面図が示される。図２及び３は、ブレード先端クリアランスに近接したターボ機械システム１０の構成要素に対するブレード先端クリアランスの特定の態様を明確にすることを目的としている。図２に注目すると、ブレード２２の先端７０は、タービンシュラウド２３の一部に配置されたハニカム構造体７２から僅かに離隔されて示されており、ここでハニカム構造体７２は、ブレード２２の先端７０に比べて軟質の材料（例えば、アブレイダブル材料）である。例えば、ハニカム構造体７２は、何らかのアブレイダブル材料を含むことができる。ハニカム構造体７２は、ゲル化アルミメッキコーティングを有して又は有さずに、ニッケル系フォイル（箔）（ニッケル−１６クロム−４．５アルミニウム−３．５鉄）を有するベース材料を含むことができる。ハニカム構造体７２の他の実施形態は、点火後に燃焼されて金属粉体（例えば、ＭＣｒＡｌＹ又はコバルト／ニッケル−クロム−アルミニウム−イットリウム）と混合されたポリエステル細孔形成体を有する多孔質金属材料を含むことができ、ここでポリエステル細孔形成体は、プラズマ溶射を介して施工することができる。一部の実施形態において、Ｎｉ、黒鉛、及び／又はＡｌなどの軟質金属をハニカム構造体７２のアブレイダブル材料として用いることができる。
【００２６】
本発明の実施形態によれば、ハニカム構造体７２は、円錐又は円筒形状とすることができる。例えば、例示のハニカム構造体７２は円錐形であり、図３に示すように、ステータ／ロータ構成要素の軸方向の熱変位により、ブレード先端７０がハニカム構造体７２内に軸方向（方向７４と反対）に移動できるようになり、又は、タービンシュラウド２３がハニカム構造体７２内に軸方向（方向７４）に移動できるようになる。しかしながら、ハニカム構造体７２はまた、過渡作動及び定常状態作動中の両方でブレード７２の先端７０がハニカム構造体７２内に入り込むことができるよう構成された他の何れかの形状とすることができる。例えば、一部の実施形態は、例示の実施形態に示すような傾斜状にされていない円筒形ハニカム構造体７２を含むことができる。過渡作動中、ブレード先端７０は、ハニカム構造体７２（例えば、円筒形ハニカム構造体７２）の特定部分においてトレンチを切り開くことができる。定常状態作動中、ブレード先端７０は、本発明の実施形態による、ステータ及び／又はロータの軸方向熱膨張によりハニカム構造体７２のトレンチ形成されていないハニカム（例えば、異なる部分）と接触可能にすることができる。従って、ハニカム構造体７２は、ブレード２２の先端７０に代わられて、過渡状態及び定常状態作動中の両方でブレード２２がハニカム構造体７２に入り込むようになる。従って、ブレード先端クリアランスは、過渡状態及び定常状態作動又は負荷運転中に低減される。更に、ハニカム構造体７２（例えば、アブレイダブル材料）は、一般に、タービンブレード２２の回転に対する実質的な抵抗を加えることなく、タービンブレード２２の回転を可能にする。上述のように、タービンブレード２２は、作動中、ロータの構成要素として回転することができる。例示の実施形態において、タービンブレード２２は、第１の半径方向７４で回転軸２６の周りを回転することができる。
【００２７】
タービンブレード２２の例示の先端７０は、ハニカム構造体７２から離隔され、先端７０とハニカム構造体７２との間にクリアランスが存在するようになる。クリアランスは、軸方向構成要素（例えば、軸方向クリアランス７４）と半径方向構成要素（例えば、半径方向クリアランス７６）とを含むことができる。軸方向クリアランス７４及び半径方向クリアランス７６は共に、２つのうちの何れか一方で排除又は低減することができる。タービンブレード２２及びハニカム構造体７２を軸方向３０で共に近付けるように移動させることにより、ブレード先端７０及びハニカム構造体７２が接触し、軸方向クリアランス７４と半径方向クリアランス７６の両方を排除するようになる。タービンブレード２２及びハニカム構造体７２を半径方向４０で共に近付けるように移動させることにより、ブレード先端７０及びハニカム構造体７２が接触し、同様に軸方向クリアランス７４と半径方向クリアランス７６の両方を排除するようになる。実際に、上述の手法の両方でのブレード先端クリアランス７４，７６の低減は、ハニカム構造体７２の角度付き配向（例えば、軸線２６周りのテーパ付き環状構造）及び軸方向３０でのタービンシュラウド２３の断面積の増大により可能となる。
【００２８】
本開示の実施形態は、制御システム４２を利用して、ハニカム構造体７２及びタービンブレード２２の先端７０を軸方向３０で共に引き寄せることに関するが、構成要素の一部の熱膨張及び／又は収縮はまた、半径方向４０でも生じることができる。これは、タービンブレード２２が例えばロータのシャフト２４（図示せず）に結合されるロータ構成要素を冷却することで、タービンブレード２２の熱膨張を低減又は排除することによって達成することができる。代替として又はこれに加えて、ブレード先端クリアランスの排除は、軸方向３０でのステータ（例えば、ステータのタービンシュラウド２３）の熱膨張を生じさせ、タービンシュラウド２３上に配置されたハニカム構造体７２がタービンブレード２２の先端７０内に軸方向に変位できるようにすることによって達成することができる。このことは、以下で詳細に記載されるように制御システム４２を使用することにより達成することができ、また、少なくとも互いに対して、ロータの材料に熱膨張係数の低い材料（ロータの軸方向膨張が低減されるように）を選択することによって、及びステータの材料に熱膨張係数の高い材料（ステータの軸方向の膨張を増大させることができるように）を選択することによって強化することができる。特にターボ機械システム１０の構成要素の軸方向３０での軸方向移動を通じてブレード先端クリアランスの低減又は排除を達成するための制御システム４２の使用について、残りの図面を参照しながら以下で詳細に説明する。
【００２９】
ここで図４を参照すると、ターボ機械システム１０の１つの実施形態の一部の側断面図が示される。ターボ機械システム１０の例示の実施形態は、シャフト２４を含むロータと、圧縮機ブレード２８と、タービンブレード２２と、並びにターボ機械システム１０の中央部８２付近のシャフト２４の一部を通って延びる冷却区域８０（例えば、冷却チャンネル又は冷却キャビティ）とを含む。冷却区域８０は、上述のように、制御システム４２を介して（ロータの）シャフト２４を冷却するのに用いることができ、該冷却区域８０は、シャフト２４の内部又はシャフト２４の外部に存在することができ、或いは、両方の一部を含むことができる。また、例示の実施形態にはステータが含められ、圧縮機シュラウド３２と、圧縮機ベーン３４と、タービンシュラウド２３と、タービンベーン２５とを備える。任意選択の移行シュラウド３８も図示されているが、移行シュラウド３８は、実際には、圧縮機シュラウド３２の一部及び／又はタービンシュラウド２３の一部とすることができる。実際に、３つのシュラウド２３，３２，及び３８は全て、ターボ機械システム１０のステータ用のケーシングとして使用される一体形シュラウドとすることができる。
【００３０】
上述のように、ターボ機械システム１０の外部の空気（又は不活性ガス（例えば、窒素、水蒸気、液体、蒸気、その他）などの他の冷却剤）は、圧縮機１２内に吸い込まれ、圧縮機ベーン３４及び圧縮機ブレード２８を介して圧縮されて、圧縮空気１９を生成する。圧縮空気１９は、燃料ノズル１６からの燃料と共に、燃焼器１４（１つが図示されている）に送給される。燃焼器１４は、圧縮空気１９を燃焼させて燃焼ガス２０を発生し、該燃焼ガスは、タービン１８のタービンブレード２２を通って送られて、該タービンブレード２２を回転駆動する。タービンブレード２２はシャフト２４に結合されて、該タービンブレード２２がシャフト２４を回転駆動するようにし、その結果、圧縮機ブレード２８を回転駆動する。
【００３１】
圧縮機１２によって生成される圧縮空気１９の一部は、燃焼器１４から分流することができる。例えば、圧縮空気１９の一部４４は、制御システム４２を介して燃焼器１４から離れて分流される。制御システム４２は、１又はそれ以上のセンサ８４、コントローラ８６、及びバルブ８８を含むことができ、ここで１又はそれ以上のセンサ８４は、圧力、温度、光、振動、ノイズ、燃焼ダイナミックス、又はこれらの組み合わせを検出するよう構成することができ、これら全ては、クリアランスを増大又は減少させる必要性を示すよう構成することができる。コントローラ８６は、プロセッサと共に含めることができ、或いは、プロセッサの一部とすることができ、また、実行可能な命令を格納するメモリ９０を含むことができる。例えば、コントローラ８６は、実行可能な命令を含むことができ、該命令は、実行時に、圧縮空気１９を燃焼器１４から分流するかどうか、分流のタイミング、及び／又は分流の量を決定する。コントローラ８６は、バルブ８８に完全に開放するよう、又はある程度まで開放するよう指示し、適切な量の圧縮空気１９が燃焼器１４から分流されるようにする。従って、分流された圧縮空気１９の一部４４は、熱交換器４６を介して適切に冷却され、ロータ構成要素（例えば、シャフト２４）を通って又は近接して送られ、ロータ構成要素を冷却することができる。
【００３２】
コントローラ８６は、センサ８４の１又はそれ以上から入力データを受け取ることができ、該センサは、ターボ機械システム１０の作動条件に関するデータをコントローラ８６に提供することができる。作動条件は、例えば、ターボ機械システム１０の種々の構成要素の温度、ターボ機械システム１０の種々の構成要素（例えば、シャフト２４）の軸方向変位、又はターボ機械システム１０の作動段階を含むことができる。作動段階は、低温始動（ＣＳ）（例えば、ターボ機械システム１０が最初に始動した時）、全速無負荷（ＦＳＮＬ）（例えば、ターボ機械システム１０が全速状態にあるが、負荷３６に接続されていない場合）、全速全負荷（ＦＳＦＬ）（例えば、ターボ機械システム１０が全速状態で、負荷３６に接続された場合）、定常状態（ＳＳ）（例えば、ターボ機械システム１０がもはや過渡作動ではない場合）、シャットダウン、又は他の何れかの過渡又は定常段階又は状態を含むことができる。センサ８４はまた、タービン構成要素の軸方向変位を検出して、タービン構成要素の軸方向変位に関連するデータをコントローラ８６に提供することができる。例えば、１つのセンサ８４は、タービン１８の第３段タービンブレード９２に近接したシャフト２４上に配置することができる。センサ８４は、センサ８４が配置される場所（例えば、センサ８４のホーム位置に対して第３段タービンブレード９２に近接した）でシャフト２４の軸方向変位（例えば、軸方向３０の）を検出することができる。センサ８４のホーム位置（例えば、回転軸２６に沿った）は、ターボ機械システム１０がオフラインにされるセンサ８４の位置とすることができる。従って、ターボ機械システム１０が作動し始めると、センサ８４は、回転軸２６に沿ったセンサ８４のホーム位置に対するシャフト２４の軸方向変位を検出し、軸方向変位に関する情報をコントローラ８６に中継することができる。次いで、コントローラ８６は、シャフト２４又は冷却区域８０に近接した他のロータ構成要素を冷却するために圧縮空気１９を冷却区域８０に分流するかどうか、分流のタイミング、及び／又は分流の量を決定することができる。加えて、センサ８４からのフィードバックに基づいて（又は他の何らかの入力情報に基づいて）、コントローラ８６は、ブレード先端７０がハニカム構造体７２に既に接触している場合など、シャフト２４又は冷却区域８０に近接した他のロータ構成要素を冷却するために圧縮空気１９を冷却区域８０に分流するのを遮断するタイミングを決定することができる。
【００３３】
コントローラ８６は、センサ８４、バルブ８８（例えば、アクチュエータ又はドライバを介して）、及び／又は熱交換器４６（例えば、バルブ又は他の制御装置を介して）に結合される。従って、コントローラ８６は、センサ８４、バルブ８８及び熱交換器４６のうちの何れか１又はそれ以上の動作を制御することができる。コントローラ８６は、バルブ８８の何らかの局面（例えば、バルブ８８を開放するかどうか及びそのタイミング、バルブ８８をどの程度まで開放するか、その他）及び熱交換器４６の何らかの局面（例えば、圧縮空気１９の分流された部分４４をどの程度まで冷却するか）を制御することができる。コントローラ８６はまた、センサ８４のうちの何れか１又はそれ以上からデータ入力を受け取り、バルブ８８及び／又は熱交換器４６を適切にどのように制御するかを決定することができる。コントローラ８６はまた、オペレータからの手動入力を受け取ることができる。コントローラ８６は、センサ８４、バルブ８８及び熱交換器４６に電気的に結合することができ、或いは、コントローラ８６、センサ８４、バルブ８８及び熱交換器４６は、ネットワーク９６（例えば、インターネット、イントラネット、産業用制御ネットワーク）、或いは他の有線又は無線システムに結合することができ、これにより、ネットワーク９６を介して構成要素間で情報及び命令を共有することができるようになる。更に、一部の実施形態において、コントローラ８６及びバルブ８８は、一体の構成要素、或いは、互いに近接近して物理的に結合することができる。また、一部の実施形態において、コントローラ８６は、熱交換器４６に結合されない場合がある点に留意されたい。従って、一部の実施形態において、圧縮空気１９の分流された部分４４がバルブ８８を通過できるようになると、熱交換器４６は、この分流された部分４４を常に同じ程度まで冷却することができる。
【００３４】
ロータ構成要素（詳細には、シャフト２４）の冷却を介してブレード先端クリアランスを低減又は排除できることを判定した後、コントローラ８６は、バルブ８８を開放することができる。コントローラ８６は、例えば、ターボ機械システム１０が特定の作動段階にあるときにロータ冷却を可能にすることができる。例えば、ターボ機械システム１０が全速無負荷（ＦＳＮＬ）状態になった後、ブレード先端クリアランスは大きくすなわち増大する可能性があり、これにより高温の燃焼ガス２０が各タービンブレード２２の先端７０を越えて漏洩可能となる。従って、コントローラ８６は、ＦＳＮＬ到達後にバルブ８８を開放することによりロータの冷却を可能にすることができる。同じことが、ターボ機械システム１０の全速全負荷時、定常状態（ＳＳ）時、又は低温始動（ＣＳ）時、或いは状況が許容される場合には他の何れかの作動段階の際に当てはまることができる。一般に、コントローラ８６は、１又は複数の熱交換器４６を通じて冷却剤（例えば、圧縮空気、蒸気、冷媒、又は他の何れかのガス、液体、又は蒸気）の流れを制御するよう構成され、これにより、ターボ機械１０の構成要素の冷却度が制御される。
【００３５】
次いで、圧縮空気１９の一部４４は、冷却区域８０に分流することができ、ここで熱交換器４６は、圧縮空気１９の一部４４を冷却して、冷却圧縮空気４８を生成する。冷却圧縮空気４８は、ロータの１又はそれ以上の構成要素によってその一部を定めることができる冷却区域８０を通って送ることができる。例示の実施形態において、冷却区域８０は、ロータのシャフト２４内全体に定められ、燃焼器１４の第１の端部９７から（又はすぐ向こうから）燃焼器１４の第２の端部９８まで（又はすぐ向こうまで）燃焼器１４の下方に延びる。燃焼器１４の第１の端部９７は、燃焼器１４の燃焼室の第１の端部とすることができるが、燃焼器１４の他の構成要素（例えば、燃料噴射装置）は、冷却区域８０を越えて軸方向３０と反対側に延びることができる点に留意されたい。更に、例示の実施形態において、冷却区域８０は、後方の圧縮機１２に向けて（例えば、軸方向３０と反対側に）冷却圧縮空気４８を配向する部分を含む。冷却区域８０はまた、タービン１８に向けて前方に（例えば、軸方向３０に）冷却圧縮空気４８を配向する部分を含む。更にまた、冷却区域８０（例えば、冷却チャンネル）は出口９９を有することができ、冷却圧縮空気４８は、例えばシャフト２４から熱を取りだした後にターボ機械１０のシャフト２４から流出することができる。他の実施形態において、冷却区域８０は、シャフト２４の外部に存在することができ、及び／又は冷却区域８０は、ロータの他の構成要素に接触し、又は近接して配置することができる。実際に、冷却区域８０は、１つのチャンネル又は一連のチャンネルとすることができる。或いは、冷却区域８０は、例えば、１又はそれ以上のロータ構成要素の内部領域とすることができ、ここで内部領域は、ロータ構成要素の他の特徴部により定めることができる。
【００３６】
更に、冷却区域８０は、実施形態によっては、ターボ機械１０の特定の位置に配置することができる。例えば、一部の実施形態において、冷却区域８０は、圧縮機１２の最終段（例えば、圧縮機ブレード２８段）に近接して及び／又はタービン１８の最初の段（例えば、タービンブレード２２段）に近接して配置することができる。しかしながら、一部の実施形態において、冷却区域８０は、ロータ構成要素にのみに、又は主としてロータ構成要素のみに、及び特にロータのシャフト２４に実質的に近接して配置することができる。従って、シャフト２４は、適切な場合に冷却され、シャフト２４が軸方向３０に過剰に熱膨張するのが阻止されるようにすることができる。そうでない場合には、ブレード先端７０は、ハニカム構造体７２から離れて軸方向３０で軸方向に変位する可能性があり、その結果、ブレード先端クリアランスが増大することになる。更に、タービン１８内のロータ構成要素（例えば、タービンブレード２２）の冷却は、タービンシュラウド２３から離れてシャフト２４に向かってタービンブレード２２を半径方向に収縮させ、これにより、ブレード先端クリアランスを増大させることになるので、冷却区域８０は、一部の実施形態において、たとえあったとしてもタービン１８内にそれほど延びることはない。
【００３７】
上述のように、ブレード先端クリアランスを低減するために特定の作動間隔又は条件で制御システム４２を介して冷却を可能にすることが望ましい場合があるが、また、他の特定の作動間隔又は条件においてブレード先端クリアランスの低減を阻止するよう制御システム４２を介したロータ構成要素の冷却を阻止することも望ましい場合がある点に留意されたい。換言すると、先端７０が既にハニカム構造体７２内に入り込んでいる場合には、先端７０が最終的にハニカム構造体７２から半径方向外向きにタービンシュラウド２３のような構成要素内に入り込まないように、冷却を阻止するのを有利とすることができる。例えば、１つの実施形態において、始動又はシャットダウン（例えば、過度段階又は条件）中は、冷却剤がロータ構成要素を冷却するのを阻止することが有利とすることができる。定常段階又は条件の間は、冷却剤がロータ構成要素を冷却できることが望ましいとすることができる。或いは、別の実施形態において、始動又はシャットダウン（例えば、過渡段階又は条件）中は、冷却剤がロータ構成要素を冷却できるようにすることが有利とすることができる。このような実施形態において、定常状態段階又は条件の間は、冷却剤がロータ構成要素を冷却するのを阻止することが有利とすることができる。
【００３８】
一部の実施形態において、冷却区域８０は、一部のステータ構成要素に近接して配置することができる。しかしながら、一般に、冷却区域８０は、主としてロータ構成要素に近接して配置される。実際に、ブレード先端クリアランスは、上述のようにステータ及び詳細にはタービンシュラウド２３及び該タービンシュラウド２３上に配置されたハニカム構造体７２がタービンブレード２２の先端７０内に又は先端７０に向かって軸方向３０に確実に熱膨張することにより更に低減することができる。実際に、例示の実施形態で線１００で示されるように、タービンシュラウド２３（及び一般にはタービン１８）は、回転軸２６に沿って軸方向３０に開いている。換言すると、タービンシュラウド２３を通って延びる線１００（例えば、スロープ）は、回転軸２６に対して傾斜され、タービン１８の断面積が軸方向３０に増大するようになる。従って、ブレード先端クリアランスは、タービンシュラウド２３のスロープ１００に起因して、特定の構成要素の軸方向変位によって、又は軸方向変位を阻止することによって低減又は排除することができる。例えば、軸方向３０でシャフト２４及びひいてはシャフト２４に結合されたブレード２２（ブレード先端７０を有する）を収縮させ、又は軸方向変位を阻止する（例えば、冷却により）ことによって、ブレード先端７０は、タービンシュラウド２３のスロープ１００に沿って配置されたハニカム構造体７２から離隔されるのが阻止される。更に、軸方向３０でのタービンシュラウド２３の軸方向変位（例えば、熱膨張を通じた）を生じさせることにより、タービンシュラウド２３は、線１００に沿って傾斜しているので、ブレード先端７０内又はブレード先端７０に向かって熱膨張する。種々の作動段階の間にロータの冷却及びステータの加熱（例えば、制御システム４２を介して）を同時に又は独立して制御することによって、ブレード先端クリアランスを適切な場合に低減又は排除することができる。
【００３９】
しかしながら、ハニカム構造体７２は、スロープ１００に追従することができ、又は追従していなくてもよい点は留意されたい。例えば、例示の実施形態において、ハニカム構造体７２は、上記の説明に従って円錐形である。しかしながら、一部の実施形態において、ハニカム構造体７２は円筒形とすることができる。このような実施形態において、ブレード先端７０は、過渡的負荷運転中にハニカム構造体７２の第１の部分に接触し、定常状態負荷運転中にハニカム構造体の第２のトレンチ形成されていない部分に接触することができる。ブレード先端７０は、本開示による、ステータ及び／又はロータ構成要素の軸方向熱変位（例えば、冷却／加熱を介した）を介してハニカム構造体７２の異なる部分に接触することができる。
【００４０】
ここで図５を参照すると、ブレード先端クリアランスを低減するための方法１１０のプロセスフロー図が示される。例示の方法１１０は、圧縮空気１９を発生させるステップ（ブロック１１２）と、圧縮空気１９の一部４４を熱交換器４６に分流するステップ（ブロック１１４）とを含む。圧縮空気１９は、ターボ機械システム１０の圧縮機１２によって発生させることができ、圧縮空気１９の一部４４は、上述のように、コントローラ８６によって制御可能な場売る部８８を介して熱交換器４６に分流することができる。本方法１１０は更に、熱交換器４６を介して圧縮空気１９の一部４４を冷却し、冷却圧縮空気４８を生成するステップ（ブロック１１６）を含む。更にまた、本方法１１０は、ターボ機械システム１０の領域を通じて冷却圧縮空気４８を送り、ターボ機械システム１０のロータ構成要素を冷却するステップ（ブロック１１８）を含む。この領域は、ロータ構成要素に近接して配置され、ターボ機械システム１０の圧縮機１２に近接して延びる。この領域は、ロータ構成要素を冷却することができ、それによりロータ構成要素の軸方向変位が低減されるように、ロータ構成要素に近接して配置される。ロータ構成要素の軸方向変位を低減することにより、タービンブレード２２とタービンシュラウド２３（又はタービンシュラウド２３上に配置されたハニカム構造体７２）との間のブレード先端クリアランスを低減することができる。本開示によれば、ターボ機械システム１０の構成要素の軸方向変位の制御を介してブレード先端クリアランスを低減することにより、タービンブレード２２の先端７０を越える燃焼ガスの漏洩を低減することができる。更に、液圧又は作動変位機構を用いたものとは対照的に、本開示の制御システム２４を利用してこのようにすることで、材料コストを節減し、製造の複雑さを軽減することができる。更にまた、ロータ構成要素の冷却がタービン１８内にまで確実に延びないようにすることにより、ロータ構成要素は、軸方向３０の熱膨張を阻止すると同時に、タービンブレード２２がタービンシュラウド２３からシャフト２４に向かって収縮しないようにすることができる。
【００４１】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、又は請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４２】
１０  ターボ機械システム
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  燃料ノズル
１８  タービン
１９  圧縮空気
２０  加圧燃焼ガス（例えば、排気ガス）
２２  タービンブレード
２４  回転シャフト
２５  タービンベーン
２６  回転軸線
２８  ブレード
３０  軸方向
３２  圧縮機シュラウド
３４  圧縮機ベーン
３６  負荷
３８  移行シュラウド
４０  半径方向
４２  軸方向変位制御システム
４４  圧縮空気１９の一部
４６  熱交換器
４８  冷却圧縮空気
【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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