(57)【要約】【課題】  タービンにおけるブレード先端間隙を制御するためのシステムを提供する。【解決手段】  本システムは、複数のシュラウドセグメント（３８）を有するシュラウドを備えたステータとシュラウド内で回転可能なブレード（１４）を備えたロータ（１２）とを含む。アクチュエータ組立体（３０）が、シュラウドの周りに半径方向に配置されかつ複数のアクチュエータ（１８）を含む。センサ（１６）が、タービン・パラメータを検知しかつタービン・パラメータを表すセンサ信号を生成する。モデリング・モジュール（２２）が、タービンサイクル・パラメータに応答して先端間隙予測値を生成する。コントローラ（２０）が、センサ信号及び先端間隙予測値を受信しかつ１つの指令信号を生成する。アクチュエータ（１８）は、指令信号を受信する１つのアクチュエータを含みかつ指令信号に応答してシュラウドセグメント（３８）の１つの位置を調整する。【選択図】      図１
2005195020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンにおけるブレード先端間隙を制御するためのシステムであって、
複数のシュラウドセグメント（３８）を有するシュラウドを含むステータと、
前記シュラウド内で回転可能なブレード（１４）を含むロータ（１２）と、
複数のアクチュエータ（１８）を含む、前記シュラウドの周りに半径方向に配置されたアクチュエータ組立体（３０）と、
タービン・パラメータを検知しかつ該タービン・パラメータを表すセンサ信号を生成するセンサ（１６）と、
タービンサイクル・パラメータに応答して先端間隙予測値を生成するモデリング・モジュール（２２）と、
前記センサ信号及び先端間隙予測値を受信しかつ少なくとも１つの指令信号を生成するコントローラ（２０）と、
を含み、
前記アクチュエータ（１８）が、前記指令信号を受信しかつ該指令信号に応答して前記シュラウドセグメント（３８）の少なくとも１つの位置を調整する、
システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの指令信号が、複数の指令信号を含み、前記複数のアクチュエータ（１８）の各々が、それぞれの指令信号を受信して前記シュラウドセグメント（３８）のそれぞれの１つの位置を調整する、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記コントローラ（２０）が、前記センサ信号に応答して実タービン・パラメータを導き出し、かつ該実タービン・パラメータに応答して前記少なくとも１つの指令信号を生成する、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記モデリング・モジュール（２２）が、リアルタイムで前記先端間隙予測値を生成する、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記モデリング・モジュール（２２）が、環境変化に応答して前記先端間隙予測値を生成するのに使用するモデルを更新する、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記モデリング・モジュール（２２）が、エンジン劣化に応答して前記先端間隙予測値を生成するのに使用するモデルを更新する、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記アクチュエータ（１８）が、駆動機構に結合された円周方向スクリュを含み、前記指令信号が、前記円周方向スクリュの回転を制御するように前記駆動機構に適用される、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記アクチュエータ（１８）が、駆動機構に結合された半径方向スクリュを含み、前記指令信号が、前記半径方向スクリュの回転を制御するように前記駆動機構に適用される、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記アクチュエータ（１８）が、ポンプと流体連通した膨張式ベローズを含み、前記指令信号が、前記膨張式ベローズの圧力を制御するように前記ポンプに適用される、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記アクチュエータ（１８）と共に作動して前記シュラウドセグメント（３８）の少なくとも１つを位置決めする受動先端間隙制御装置をさらに含む、請求項１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には先端間隙制御に関し、より具体的にはタービンにおける能動先端間隙制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブレード先端間隙を制御することができることは、タービン効率及び燃料消費率を維持するのに役立つと同時に、ブレード寿命を向上させかつタービンの実使用時間を増大させるのに役立つ。その意図した目的に良好に適合させる際に、改善した先端間隙制御が得られるように既存の先端間隙制御法を機能強化することができる。
【特許文献１】特開平０５−３４０２７１号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
１つの実施形態は、タービンにおけるブレード先端間隙を制御するためのシステムである。本システムは、複数のシュラウドセグメントを有するシュラウドを備えたステータとシュラウド内で回転可能なブレードを備えたロータとを含む。アクチュエータ組立体が、シュラウドの周りに半径方向に配置されかつ複数のアクチュエータを含む。センサが、タービン・パラメータを検知しかつタービン・パラメータを表すセンサ信号を生成する。モデリング・モジュールが、タービンサイクル・パラメータに応答して先端間隙予測値を生成する。コントローラが、センサ信号及び先端間隙予測値を受信しかつ少なくとも１つの指令信号を生成する。アクチュエータは、指令信号を受信する少なくとも１つのアクチュエータを含みかつ指令信号に応答してシュラウドセグメントの少なくとも１つの位置を調整する。
【０００４】
別の実施形態は、複数のシュラウドセグメントを持つシュラウド内で回転するブレードを有するタービンにおけるブレード先端間隙を制御する方法である。本方法は、タービン・パラメータを収集する段階とタービンサイクル・パラメータに応答して先端間隙予測値を生成する段階とを含む。少なくとも１つの指令信号が、タービン・パラメータ及び先端間隙予測値に応答して生成される。指令信号をアクチュエータに与えて、シュラウドセグメントの少なくとも１つの位置を調整する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
幾つかの図において同じ構成要素には同様の符号を付けた例示的な図面を参照する。
【０００６】
図１は、本発明の１つの実施形態における先端間隙の能動制御のための例示的なシステムを示す。図１は、ジェットエンジンの形態のガスタービン１０を示す。本発明の実施形態は、種々のタービン（例えば、発電タービン）に使用することができ、ジェットエンジンタービンに限定されるものではない。タービン１０は、該タービンの高圧タービン（ＨＰＴ）セクション内に設置されたブレード１４を有するロータ１２を含む。ブレード１４はシュラウド内で回転し、ブレード１４の先端とシュラウドとの間の間隔が制御される。シュラウドは、図２に関してさらに詳細に記載するようにセグメント化されている。
【０００７】
１つ又はそれ以上のセンサ１６が、タービン１０のＨＰＴ又は他の任意のセクションに関連する、例えば温度、圧力などのパラメータを監視する。センサは、センサ信号を生成し、このセンサ信号がコントローラ２０に提供される。コントローラ２０は、コンピュータコードを実行する公知のマイクロプロセッサ又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）のような他の装置を使用して動作させることができる。センサ信号は、コントローラ２０が短期間での離陸・巡航・着陸条件及び長期間での劣化に応答して先端間隙を調整することを可能にする。
【０００８】
センサ１６は、容量式、誘導式、超音波式、光学式などを含む様々なセンサ技術を使用して動作させることができる。センサ１６は、該センサが過酷な環境条件（例えば温度、圧力）に曝されないようにタービンのＨＰＴセクションに対して配置することができる。このことに関連して、コントローラ２０は、例えば補間法、補外法などの方法によってセンサ信号に基づいて実タービン・パラメータを導き出すことができる。これにより、センサ寿命が延びることになる。
【０００９】
コントローラ２０は、タービンサイクル・パラメータ（例えば、作動時間、速度など）を受信して該コントローラ２０に対して先端間隙予測値を出力するモデリング・モジュール２２に結合される。モデリング・モジュール２２は、コントローラ２０によってソフトウェアルーチンとして動作させるか又はタービン作動をモデリングするためのコンピュータプログラムを実行する分離した装置とすることができる。モデリング・モジュール２２は、リアルタイムで先端間隙予測値を生成し、この予測値をコントローラ２０に提供する。
【００１０】
モデリング・モジュール２２は、物理学ベースの３Ｄパラメトリック過渡エンジンモデルに基づいた高忠実度高精度間隙予測アルゴリズムを使用する。これらのモデルには、能動制御システムにおいて使用可能なリアルタイム先端間隙予測値を提供する簡易型高計算効率の応答曲面が統合されている。これらのモデルには、タービン・ジオメトリ及びタービンサイクル・パラメータにおける変動を考慮して先端間隙を正確に計算する幾何学的及び物理学ベースのミッション情報が組み込まれる。モデルは、環境変化及び長期間でのエンジン悪化（例えば、ブレード先端侵食）を考慮するように、Ｂａｙｓｉａｎ法又はＫａｌｍａｎフィルタと共同してセンサ情報に基づいた数学モデルを調整することによって、リアルタイムで更新されることができる。
【００１１】
コントローラ２０は、１つ又はそれ以上のアクチュエータ１８に指令信号を送信してシュラウドを調整しかつ先端間隙を制御する。本明細書でさらに詳細に説明するように、アクチュエータ１８は、タービンステータの内側ケーシングの周りに半径方向に配列され、シュラウド位置を制御するための外力を加える。１つ又はそれ以上のシュラウドセグメントの位置は、シュラウド・ロータ同心度及び／又はシュラウド・ロータ非円形度を制御するように調整することができる。
【００１２】
図２は、本発明の１つの実施形態における例示的なタービンステータを示す。アクチュエータ組立体３０は、環状の内側ケーシングの周りに半径方向に位置した状態で配置される。全体を符号３４で示すステータ組立体は、それぞれ前方及び後方ケースフック３５及び３６によって内側ケーシング３２に取付けられる。ステータ組立体３４は、セグメント化シュラウド支持体４４に対してシュラウドフック４０及び４２によって取付けられた、複数のシュラウドセグメントに分割された環状のステータシュラウド３８を含む。シュラウド３８は、ロータ１２のタービンブレード１４を囲み、かつ半径方向ブレード先端間隙Ｔを最小化することによって流れがブレード１４の半径方向外側先端の周りで漏洩するのを防止するために使用される。シュラウド３８を位置決めするために、アクチュエータ組立体３０によって内側ケーシング３２に外力が加えられる。
【００１３】
図３は、セグメント化シュラウド３８と、内側ケーシング３２と、内側ケーシングの周辺部を囲むアクチュエータ組立体３０とを示す。内側ケーシング３２とシュラウドセグメント３８との間の機械的相互結合は、明瞭には示していない。各アクチュエータ１８は、コントローラ２０からの指令信号を受信して、ブレード１４の先端に対するシュラウド３８の位置を調整するように該シュラウド３８の１つ又はそれ以上のセグメントへの押圧力を増大又は減少させる。アクチュエータ１８は、種々の構成を有することができる。１つの実施形態では、各アクチュエータ１８は、駆動機構（油圧、空気圧など）に結合された円周方向スクリュを含む。コントローラ２０からの指令信号に応答して、駆動機構は円周方向スクリュを時計方向又は反時計方向に回転させる。アクチュエータ組立体３０は、全体的に（すなわち、全アクチュエータにおいて）又は局所的に（すなわち、全アクチュエータよりも少ないアクチュエータにおいて）収縮又は拡張してブレード１４の先端に対するシュラウド３８の位置を調整する。
【００１４】
別の実施形態では、アクチュエータ１８は、シュラウド内側ケーシング３２上に半径方向外力を加えてシュラウド３８の位置を調整する膨張式ベローズである。各アクチュエータは、膨張式ベローズに結合されたポンプを含み、制御信号に応答してベローズ内の圧力を増大又は減少させる。また、各アクチュエータは、独立した制御信号に応答して独立して作動して、シュラウド３８の各セグメントの位置のセグメント化した制御を行うことができる。
【００１５】
別の実施形態では、アクチュエータ１８は、円周方向にではなく半径方向に取付けられたスクリュである。１つの実施形態では、各アクチュエータ１８は、駆動機構（油圧、空気圧など）に結合された半径方向スクリュを含む。コントローラ２０からの指令信号に応答して、駆動機構は半径方向スクリュを時計方向又は反時計方向に回転させる。アクチュエータ１８は、内側ケーシング上への半径方向外力を増大又は減少させてシュラウド３８の位置を調整する。また、各アクチュエータは、独立した制御信号に応答して独立して作動して、シュラウド３８の各セグメントの位置のセグメント化した制御を行うことができる。
【００１６】
能動先端間隙制御は、既存の受動先端間隙制御法と組合せて使用することができる。例示的な受動先端間隙制御法は、先端間隙を制御するためにシュラウドを膨張又は収縮させる熱的方法を使用する。受動（緩慢動）及び能動（迅速動）先端間隙制御を組合せることにより、広範囲のタービン作動時に緊密な間隙が維持される。この実施形態では、モデリング・モジュール２２は、受動先端間隙制御のモデリングを含む。
【００１７】
本発明の実施形態は、タービン効率を増大させかつ排気温度（ＥＧＴ）を低下させて、点検間隔をより長くする。本発明の実施形態は、ブレードの先端がシュラウドと摩擦する恐れなしに、高性能タービンが現在の緩慢動受動システムで可能なよりもさらに緊密な間隙で作動することを可能にする完全な解決策をもたらす。
【００１８】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく本発明の構成要素に対して様々な変更を加えまた均等物でそれらの構成要素を置き換えることができることは、当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるものではなくそれらを容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態における、先端間隙を能動制御するための例示的なシステムを示す図。
【図２】本発明の実施形態におけるタービンステータの一部を示す図。
【図３】本発明の実施形態における例示的なアクチュエータ組立体を示す図。
【符号の説明】
【００２０】
１０  ガスタービン
１２  ロータ
１４  ブレード
１６  センサ
１８  アクチュエータ
２０  コントローラ
２２  モデリング・モジュール
３０  アクチュエータ組立体
３２  内部ケーシング
３４  ステータ組立体
３８  シュラウド
４４  シュラウド支持体
【図１】
2005195020.tif 000003
【図２】
2005195020.tif 000004
【図３】
2005195020.tif 000005
【外国語明細書】
2005195020000001.pdf