(57)【要約】【課題】簡易な構造でケーシング及びタービン動翼を冷却し、タービンチップクリアランスを制御し、かつ冷却空気の有効利用ができるタービンチップクリアランス制御装置を提供する。【解決手段】タービン動翼７内に冷却空気を流して内部冷却し冷却後の空気をパージエアとして供給する内部冷却空気ライン１２と、タービンケーシング８内に冷却空気を流して冷却し冷却後の空気をパージエアとして供給する外部冷却空気ライン１４とを備える。内部冷却空気ライン１２及び外部冷却空気ライン１４は、それぞれ内部を流通する冷却空気量を制御する流量制御装置１６、１７を内蔵し、メタル温度の上昇／下降により、メタル温度と同時にタービンチップクリアランスを所定の範囲に制御する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン動翼内に冷却空気を流して内部冷却し冷却後の空気をパージエアとして供給する内部冷却空気ライン（１２）と、タービンケーシング内に冷却空気を流して冷却し冷却後の空気をパージエアとして供給する外部冷却空気ライン（１４）とを備え、
前記内部冷却空気ライン及び外部冷却空気ラインは、それぞれ内部を流通する冷却空気量を制御する流量制御装置（１６、１７）を内蔵する、ことを特徴とするタービンチップクリアランス制御装置。
【請求項２】
前記流量制御装置（１６、１７）は、流路面積を増減させる可変弁（１６ａ、１７ａ）と該可変弁をその取り付け部のメタル温度に応じて増減するバイメタル機構（１６ｂ、１７ｂ）とからなり、
取付け位置のメタル温度の上昇により、流路面積を増大して冷却空気流量を増加させ、メタル温度の低下により、流路面積を低減して冷却空気流量を減少させ、これにより、メタル温度とタービンチップクリアランスを所定の範囲に制御する、ことを特徴とする請求項１に記載のタービンチップクリアランス制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、タービンチップクリアランス制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２はターボジェットエンジンの模式的構成図であり、空気取入口１、圧縮機２、燃焼器３、ガスタービン４、アフターバーナ５、ジェットノズル６、等を備えている。かかるターボジェットエンジンでは、空気を空気取入口１から導入し、圧縮機２でこの空気を圧縮し、燃焼器３内で燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、発生した燃焼ガスでガスタービン４を駆動し、このガスタービン４で圧縮機２を駆動し、アフターバーナ５でタービンを出た排ガスにより燃料を再度燃焼させ、高温の燃焼排ガスをジェットノズル６で膨張させて後方に噴出し、推力を発生するようになっている。この構成は、ターボジェットエンジン以外のジェットエンジンでも同様である。
【０００３】
上述したジェットエンジンやその他のガスタービンにおいて、タービンを構成する動翼の先端（チップ）とケーシング内面との隙間を一般にチップクリアランスと呼ぶ。チップクリアランスは、タービンの効率を高める上で、常に小さい程好ましいが、実際の運転においては、（１）動翼の遠心力による伸び、（２）動翼の熱膨張、（３）ケーシングの熱膨張、等の影響を受けるため、運転状態により種々に変動する。
【０００４】
図３は、起動時のチップクリアランスの変化を模式的に示す図である。タービンの停止状態では、動翼、動翼が取り付けられたローター、ケーシング等がすべて常温（例えば２０〜３０℃）であり、チップクリアランスは最大（ポイントＡ）となっている。タービンを起動し、動翼が回転を始めると、遠心力により動翼が伸びチップクリアランスが小さくなる（Ｂ）。次いで燃焼器に着火し燃焼ガスが流入しだすと、熱容量の小さい動翼が先ず熱膨張してチップクリアランスが最小（Ｃ）まで小さくなる。次いで、熱容量が大きいケーシング及びローターが熱膨張し、チップクリアランスが徐々に増大し、定常状態ではほぼ一定の設計範囲（Ｄ）となる。
【０００５】
定常状態（Ｄ）において、空冷却翼における燃焼ガス温度は、動翼入口において、８００〜９００℃に達する。上述したチップクリアランスはこのような温度条件において最適値となるように設計されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図４は、定常状態（Ｄ）における従来のタービンチップクリアランス制御の模式図である。チップクリアランスＴＣは、タービンの効率に大きな影響を及ぼす要因である。そのため、従来技術ではケーシング８をインピンジ冷却等で積極的に強冷却して、ケーシング８の熱伸びを低減し、チップクリアランスをできるだけ小さくするように制御していた。
【０００７】
しかし、この制御手段では、以下の問題点があった。
（１）ケーシングを積極的に強冷却するための構造（例えばインピンジ冷却構造）が必要があり、複雑であるばかりか重量が過大となる。
（２）ケーシングを冷却した冷却空気（二次空気）は冷却後、そのまま廃棄されるので、タービンの仕事に使われず、エネルギーロスが大きい。
（３）タービン動翼７は冷却されないので、最高使用温度が低い。
【０００８】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、簡易な構造でケーシング及びタービン動翼を冷却し、タービンチップクリアランスを制御し、かつ冷却空気の有効利用ができるタービンチップクリアランス制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、タービン動翼内に冷却空気を流して内部冷却し冷却後の空気をパージエアとして供給する内部冷却空気ライン（１２）と、タービンケーシング内に冷却空気を流して冷却し冷却後の空気をパージエアとして供給する外部冷却空気ライン（１４）とを備え、前記内部冷却空気ライン及び外部冷却空気ラインは、それぞれ内部を流通する冷却空気量を制御する流量制御装置（１６、１７）を内蔵する、ことを特徴とするタービンチップクリアランス制御装置が提供される。
【００１０】
上記本発明の構成によれば、内部冷却空気ライン（１２）でタービン動翼を内部冷却し、外部冷却空気ライン（１４）でタービンケーシングを冷却するので、簡易な構造でケーシング及びタービン動翼を冷却することができる。また、流量制御装置（１６、１７）で、内部冷却空気ライン及び外部冷却空気ラインそれぞれの内部を流通する冷却空気量を制御するので、タービンチップクリアランスを制御することができる。さらに、内部冷却空気ライン及び外部冷却空気ラインの冷却後の空気をパージエアとして供給するので、冷却空気の有効利用ができる。
【００１１】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記流量制御装置（１６、１７）は、流路面積を増減させる可変弁（１６ａ、１７ａ）と該可変弁をその取り付け部のメタル温度に応じて増減するバイメタル機構（１６ｂ、１７ｂ）とからなり、取付け位置のメタル温度の上昇により、流路面積を増大して冷却空気流量を増加させ、メタル温度の低下により、流路面積を低減して冷却空気流量を減少させ、これにより、メタル温度とタービンチップクリアランスを所定の範囲に制御する。
【００１２】
この構成により、自動制御装置等を用いることなく簡易な構造で、冷却空気流量を増減させて、メタル温度を所定の範囲に制御することができる。また、メタル温度の上昇／下降により、ケーシング及びタービン動翼が熱膨張／熱収縮するが、バイメタル機構（１６ｂ、１７ｂ）の作動特性を最適に設定することにより、同時にタービンチップクリアランスを所定の範囲に制御することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００１４】
図１は、本発明のタービンチップクリアランス制御装置を備えたタービンの模式的断面図である。この図に示すように、本発明のタービンチップクリアランス制御装置１０は、内部冷却空気ライン１２と外部冷却空気ライン１４とを備える。
【００１５】
内部冷却空気ライン１２は、タービン動翼７内に冷却空気９ａを流して内部冷却し、冷却後の空気をパージエア９ａ’としてタービンのガス流路内に供給するようになっている。パージエア９ａ’は翼面からタービンのガス流路内に直接噴出してもよい。
【００１６】
内部冷却空気ライン１２は、内部を流通する冷却空気量を制御する流量制御装置１６を内蔵する。この流量制御装置１６は、内部冷却空気ライン１２の流路面積を増減させる可変弁１６ａと、この可変弁をその取り付け部のメタル温度に応じて増減するバイメタル機構１６ｂとからなる。バイメタル機構１６ｂは、例えば熱膨張係数の異なる２枚の金属板を張り合わせたバイメタル板を有し、温度変化によりバイメタル板が変形（例えば円弧の半径が変化）する。
【００１７】
この流量制御装置１６は、取付け位置（この例ではタービン動翼７）のメタル温度の上昇により、バイメタル機構１６ｂの変位により流路面積を増大して冷却空気流量を増加させ、逆にメタル温度の低下により、流路面積を低減して冷却空気流量を減少させる。この構成により、取付け位置のメタル温度を所定の範囲に制御するようになっている。
【００１８】
外部冷却空気ライン１４は、タービンケーシング８に設けられたジャッケット８ａ内に冷却空気９ｂを流して冷却し、冷却後の空気９ｂ’をパージエアとして供給する。
【００１９】
この外部冷却空気ライン１４は、ジャッケット８ａの内部を流通する冷却空気量を制御する流量制御装置１７を内蔵する。この流量制御装置１７は、流路面積を増減させる可変弁１７ａと、この可変弁をその取り付け部のメタル温度に応じて増減するバイメタル機構１７ｂとからなる。バイメタル機構１７ｂはバイメタル機構１６ｂと同様の構成である。
【００２０】
この流量制御装置１７は、取付け位置（この例ではタービンケーシング８）のメタル温度の上昇により、バイメタル機構１７ｂの変位により、流路面積を増大して冷却空気流量を増加させ、メタル温度の低下により、流路面積を低減して冷却空気流量を減少させ、取付け位置のメタル温度を所定の範囲に制御するようになっている。
【００２１】
また、ケーシング８及びタービン動翼７のメタル温度の上昇／下降により、ケーシング及びタービン動翼が熱膨張／熱収縮するが、バイメタル機構１６ｂ、１７ｂの作動特性は、メタル温度と同時にタービンチップクリアランスＴＣも所定の範囲に制御するように設定されている。
【００２２】
この設定は、例えば、タービン動翼７の冷却空気量をほぼ一定、又は増減量を小さく設定し、ケーシング８の冷却空気量の増減量を大きく設定することにより、ケーシング８の冷却空気量の増減量によりタービンチップクリアランスＴＣをケーシング８のメタル温度の上昇／下降により対応させて制御することができる。
【００２３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。例えば、タービン動翼７の冷却の必要性が低い場合には、流量制御装置１６を固定オリフィス等で代用してもよい。また、本発明はタービン動翼入口温度が９００℃以上で使用される冷却翼にも適用できることは勿論である。
【００２４】
【発明の効果】
上述したように、本発明のタービンチップクリアランス制御装置は、簡易な構造でケーシング及びタービン動翼を冷却し、タービンチップクリアランスを制御し、かつ冷却空気の有効利用ができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のタービンチップクリアランス制御装置を備えたタービンの模式的断面図である。
【図２】ターボジェットエンジンの模式的構成図である。
【図３】従来のチップクリアランスの変動を示す模式図である。
【図４】従来のタービンチップクリアランス制御機構を備えたタービンの模式的断面図である。
【符号の説明】
１　空気取入口、２　圧縮機、３　燃焼器、４　ガスタービン、
５　アフターバーナ、６　ジェットノズル、
７　動翼列、８　ケーシング、８ａ　ジャッケット、
９ａ，９ｂ　冷却空気、
１０　タービンチップクリアランス制御装置、
１２　内部冷却空気ライン、１４　外部冷却空気ライン、
１６、１７　流量制御装置、
１６ａ、１７ａ　可変弁、
１６ｂ、１７ｂ　バイメタル機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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