JP2000282802A - 熱媒体によるタービンロータ部品間の熱的不整合の調整 - Google Patents

熱媒体によるタービンロータ部品間の熱的不整合の調整

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 タービンロータ要素間の熱的不整合を所定の
熱的不整合以内に保つ装置と方法を提供する。 【解決手段】 タービンロータにおいて、後軸ホイール
とロータの最終段ホイールとがさねはぎによって結合さ
れている。タービンの停止と始動中、後軸ホイールと最
終段ホイールとの間の熱的不整合が、後軸ホイールの加
熱と冷却それぞれによって、容認し得る限度内に抑えら
れ、これにより、さねはぎの開きを防止しそしてロータ
の不釣合いと振動が発生するおそれを無くする。熱媒体
を後ろ側軸受空洞内の管によって前側閉板と後軸ホイー
ルとの間の空洞内に供給することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】本発明は一般的にはタービンに関し、特
に、発電用の陸上ガスタービンに関する。さらに詳しく
は、本発明は、ロータ部品、例えば、タービンホイール
とスペーサまたは後軸との間の熱的不整合を調整するた
めに、タービン部品の一つの外面上の熱媒体の流れを制
御することに関し、こうして熱的不整合を実質的に除去
しあるいはそれを所定の熱的不整合以内に保ち得る。
【０００２】
【発明の背景】代表的なガスタービンでは、タービンロ
ータはロータホイールとスペーサとを重ね合わせること
によって形成され、重ね合わせた複数のホイールとスペ
ーサは互いにボルト止めされる。さねはぎが通例スペー
サとホイールとの間に設けられる。さらに進んだガスタ
ービンでは、ロータを通る冷却回路が設けられてバケッ
トを冷却する。例えば、冷却蒸気が、ロータアセンブリ
の一部分を構成する後軸に通され、ロータのリムに沿っ
て流れてタービン段の１段以上のバケットに達してバケ
ットを冷却し得る。使用済み冷却蒸気も、バケットから
戻り通路内をロータのリムに沿って流れそして後軸を通
流する。
【０００３】
【発明の概要】ロータホイールとスペーサとが重ね合わ
されており、そしてタービン運転中の異なる時点、すな
わち、始動、定常運転および停止時に、様々なロータ要
素に相異なる温度が与えられると、本発明によって発見
されたように、タービンロータ要素間の熱的不整合が、
特定のタービン運転段階中に次のような大きさ、すなわ
ち、これらのタービン要素の相対移動が生じてさねはぎ
を開きそして下記の有害な結果をひき起こすほどの大き
さになり得る。この不整合は特に現在の進んだガスター
ビン設計において発生する。なぜなら、蒸気冷却回路
が、最終タービン段例えば第４段のホイールと係合する
後軸に設けられるからである。タービンの定常運転中、
タービンロータの要素間、特に後軸と最終段ホイール間
の熱的不整合は所定の容認し得る範囲内にあることを認
識されたい。従って、ホイールとスペーサ間または後軸
と最終段ホイール間の相対移動は実質上発生せず、さね
はぎが移行したり開いたりすることはない。すなわち、
ロータがバランスを失うおそれがあり、従って高振動が
発生しそして再釣合せまたはロータ交換が必要になって
かなりの費用がかかるおそれがある、タービンロータ部
品の相対移動は定常運転では起らない。
【０００４】しかし、タービン停止中は、高温燃焼ガス
がもはや高温ガス通路を通流せず、そして比較的短い時
間、すなわち、約１時間で、タービンは３０００ｒｐｍ
から７ｒｐｍまで減速する。この低い回転速度ではター
ビンを通る流れはごくわずかであり、蒸気冷却回路は閉
ざされ、そしてタービンホイールの質量は比較的大きい
ので、タービンホイールの温度は後軸の温度低下よりか
なり緩やかに低下し、両要素間の熱的不整合をひき起こ
すということを認識されたい。両要素間の２８０゜Ｆも
の大きな熱的不整合がタービン停止中に示された。この
ような大きな熱的不整合はさねはぎを無荷重にして両要
素間の相対移動をひき起こすおそれがある。もちろん、
時間の経過とともに熱的不整合は減少し、結局両要素間
に実質的な熱平衡が生じる。
【０００５】同様に、タービンの始動時に、熱的不整合
が様々なロータ要素間に発生する。例えば、始動時に
は、タービンの高温ガス通路を通流する高温ガスが最終
段タービンホイールを非常にゆっくり加熱する。なぜな
らその質量が大きいからである。逆に、冷却媒体として
最初は空気そしてその後は蒸気を導く後軸はかなり急速
に加熱され、後軸と最終段ホイール間の熱的不整合をひ
き起こす。これによっても、これらの要素間のさねはぎ
が開き、その結果ロータの不釣合いが発生するおそれが
ある。
【０００６】前述の熱的不整合の問題を解決するため
に、熱的に不整合になる１対の要素の少なくとも一方
を、タービン停止中かタービン始動中かによって、優先
的に加熱するか冷却する。例えば、停止中、加熱された
流体媒体、例えば高温空気が、後軸ホイール表面と前側
閉板との間の空洞内に送給される。従って、この加熱さ
れた空気は後軸ホイールの表面と熱伝達関係にあって後
軸ホイールの急速な冷却を防止する。この加熱空気流
は、後軸ホイールと最終段タービンホイールとの間の熱
的不整合を所定の容認し得る熱的不整合以内の値、例え
ば、７０または８０゜Ｆ程度の差に減らす。同様に、始
動中、冷却用媒体例えば空気が同じ空洞内に供給されて
後軸ホイールの温度増加速度を最終段ホイールの温度増
加と実質的に合致するように保ち、従って、始動時の両
ホイール間の熱的不整合は所定の容認し得る限度内に保
たれる。加熱または冷却媒体は適当な管路を通って前側
閉板空洞内に送給され得る。
【０００７】本発明による好適実施例では、異なる所与
温度に応じて過渡的な熱的不整合を生じる１対の部品を
有するガスタービンにおいて、両部品間の熱的不整合を
所定の熱的不整合以内に保つ方法が提供され、この方法
は、流体媒体を両部品の一方の一表面に沿って流してこ
の一方の部品を、両部品の熱的不整合の大きさを所定熱
的不整合以内にとどめ得る温度まで加熱または冷却する
段階を含む。
【０００８】本発明による他の好適実施例では、相互に
固定されかつ相互に軸方向に整合しているタービンホイ
ールと後ろ側ホイールとを有し、両ホイールは相互間に
さねはぎを有しそして異なる所与温度に応じて相互間に
過渡的な熱的不整合を生じるようなタービンにおいて、
所定の熱的不整合を超える両ホイール間の熱的不整合の
結果としての両ホイール間の相対移動を防止する方法が
提供され、この方法は、流体媒体を両ホイールの一方の
一表面に沿って流してこの一方のホイールを前記熱的不
整合を所定の熱的不整合以内の値に減らす温度まで加熱
または冷却する段階を含む。
【０００９】従って、本発明の主目的は、一つのタービ
ンロータ要素の表面への加熱媒体または冷却媒体の供給
を制御することによってタービンロータ要素間の熱的不
整合を所定の熱的不整合以内に保つ装置と方法を提供す
ることである。
【００１０】
【発明の詳述】図１は、総体的に１０で表されたタービ
ンロータを含むタービンの一部分を示し、タービンロー
タ１０は重ね合わせた複数の要素、例えば、４段タービ
ンロータを部分的に構成するロータホイール１２、１
４、１６、１８と、これらのホイールと交互に配置され
たスペーサ２０、２２、２４とで構成されている。ロー
タにおいてホイールおよびスペーサ要素は１本だけ２６
で示した複数本の周方向に相隔たる細長いボルトによっ
て合体されていることを認識されたい。ホイール１２、
１４、１６、１８はそれぞれ複数の周方向に相隔たるタ
ービンバケット１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａを支持
している。ノズル３０、３２、３４、３６がそれぞれバ
ケット１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａとともに段をな
している。ホイールとスペーサは互いに軸方向に整合し
ておりそしてさねはぎがホイールとスペーサとの間に設
けられていることに注意されたい。さねはぎの一例４０
が最終段ホイール１８と、後軸４４の一部分を構成する
後軸ホイール４２との間に示されている。それぞれのさ
ねはぎはタービンの全運転範囲にわたって互いに係止さ
れた状態に保たれる。図示のように、後軸４４は後ろ側
軸受４６内でロータ１０とともに回転し得る。
【００１１】本発明の譲受人（本件出願人）の先進ガス
タービン設計では、後軸４４は、同時係属米国特許出願
に詳細に説示されているボアチューブアセンブリを内蔵
している。
【００１２】ボアチューブアセンブリは一般に外管４８
と内管５０を含み、両管は環状蒸気冷却通路５２と使用
済み蒸気冷却戻り通路５４とを画成している。通路５
２、５４により蒸気がロータの外側リムにそして同リム
から複数組の半径方向延在ボアまたは導流路５６、５８
それぞれを通って流れ、ボア５６、５８は、ロータのリ
ムの周沿いに相隔たる複数の長手方向延在管と連通して
いる。蒸気通路５２とボア５６を通って供給される蒸気
は第１および第２段のバケットに冷却蒸気を供給するの
に対し、ボア５８と戻り通路５４はバケットから戻る使
用済み冷却蒸気を受入れると言えば十分である。
【００１３】前述のように、ロータの様々な要素間の熱
的不整合がタービンの運転中、特にタービンの停止と始
動中に発生する。タービンの定常運転中、様々なタービ
ン要素間の温度分布は、タービンの運転に悪影響を及ぼ
さない熱的不整合の所定範囲内にある。しかし、過渡的
運転中、すなわち、停止と始動中、熱的不整合はかなり
大きく、対処が必要である。例えば、後軸ホイール４２
と、最終段例えば第４段のホイール１８との間のさねは
ぎ４０は、容認し得る熱的不整合をかなり超える大きな
熱的不整合を起こす。このような大きな熱的不整合によ
りさねはぎは開くか無荷重になるおそれがある。このよ
うな状態により、当該要素は相互に対して移動するので
ロータがバランスを失うおそれがあり、その場合、高振
動が発生し、そして費用のかかる再釣合せまたはロータ
交換が必要になる。
【００１４】さらに詳述すると、停止中、様々なタービ
ン段の高温ガス通路を通流する高温ガスと、ボアチュー
ブ冷却回路アセンブリを通る蒸気の流れは消滅する。ホ
イール１８は非常に大きな質量を有しそしてタービンの
定常運転中に高温に加熱されているので、ホイール１８
は後軸ホイール４２における熱の消失と比べて非常に緩
やかな速度で熱を失い、さねはぎ４０における大きな熱
的不整合をひき起こす。前述のように、熱的不整合は２
８０゜Ｆほど大きくなり得るので、さねはぎが開くおそ
れがある。同様に、大きな熱的不整合が始動時に発生す
る。始動時には、ホイール１８は低温であり、そして通
路５２、５４とボアチューブ５６、５８を通る冷却媒
体、例えば、最初は空気そしてその後は冷却蒸気の流れ
による後軸ホイール４２に吸収される熱の増加の速度と
比べて、高温ガス通路から熱を比較的緩やかに奪う。こ
のように、過渡的状態中、かなりの熱勾配または熱的不
整合が両要素間に発生する。すなわち、停止中はホイー
ル１８が後軸ホイール４２と比べて高い温度を有するの
に対し、始動中は後軸ホイール４２がホイール１８の温
度より高い温度を有する。
【００１５】これらの過渡的なタービン運転段階中の熱
的不整合を減らすために、熱媒体が前側閉板６２と後軸
ホイール４２の後面との間の空洞６０に供給される。熱
媒体は、軸受空洞６６内に延在しかつ前側閉板６２を貫
通している一連の管７０によって供給可能である。空洞
６０は最終段の後方で高温ガス通路と連通している。
【００１６】管７０を通って空洞６０に供給される熱媒
体は、任意の適当な供給源から送給することができる。
停止中、後軸と後軸ホイールを加熱して後軸ホイール４
２と第４段ホイール１８との熱的不整合を容認し得る所
定の熱的不整合以内に保つことが望ましいということを
認識されたい。例えば、さねはぎ４０に悪影響を及ぼさ
ない容認し得る熱的不整合は約８０゜Ｆ以下である。す
なわち、このような大きさの熱的不整合は、さねはぎを
開くおそれのあるような後軸４４と第４段ホイール１８
との相対移動をひき起こさない。従って、停止中後軸ホ
イール４２の表面を加熱することにより、後軸ホイール
と第４段ホイール１８との間の熱的不整合が所定限度内
に保たれる。
【００１７】逆に、始動中は、冷却媒体を管７０によっ
て空洞６０内に送給し得る。後軸ホイール４２を冷却す
ることにより、その温度を後軸ホイールと第４段ホイー
ル１８との間の容認し得る熱的不整合の範囲内に保つこ
とができる。なぜなら、ホイール１８は高温ガス通路内
を流れる高温ガスにより比較的緩やかに加熱されるから
である。ひとたび定常運転に達しそしてホイール１８と
後軸４４との間の実質的な温度均衡によって熱的不整合
を容認し得る限度内に保つことができると、後軸４４へ
の冷却媒体の供給を終わらせることができる。
【００１８】以上、本発明の最適実施例と考えられるも
のについて説明したが、本発明は開示した実施例に限定
されるものではなく、本発明の範囲内で様々な改変およ
び均等な構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】１対のタービン要素の熱応答を調整する方式を
例示するタービンの一部分の部分断面図である。
【符号の説明】
１０ タービンロータ １８ 最終段ホイール １８ａ 最終段バケット ４０ さねはぎ ４２ 後軸ホイール ４４ 後軸 ６０ 空洞 ６２ 前側閉板 ７０ 管

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 相異なる所与温度に応じて過渡的な熱的
    不整合を生じる１対の部品を有するガスタービンにおい
    て、両部品間の前記熱的不整合を所定の熱的不整合以内
    に保つ方法であって、流体媒体を両部品の一方の一表面
    に沿って流して前記一方の部品を、両部品の前記熱的不
    整合の大きさを前記所定熱的不整合以内にとどめ得る温
    度まで加熱または冷却する段階を含む方法。
  2. 【請求項２】 前記タービン部品は、バケットを支持す
    るタービンロータホイールと、このホイールとの間にさ
    ねはぎを有する隣接ホイールとからなり、前記段階は、
    前記流体媒体を両ホイールの一方の表面に沿って流して
    前記熱的不整合を前記所定熱的不整合以内に減らして前
    記さねはぎを形成している要素の相対変位を防止するこ
    とを含む、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記さねはぎは両ホイールの整合した軸
    方向面間に形成されており、そして前記流体媒体を前記
    隣接ホイールの前記タービンロータホイールから軸方向
    に遠い方の一面に沿って流す段階を含む請求項２記載の
    方法。
  4. 【請求項４】 高温燃焼ガスを前記タービンを通るよう
    に流すことにより前記タービンを始動し、こうして前記
    部品間の熱的不整合の増大を起こし、そして冷却媒体を
    前記一表面に沿って流して両部品間の前記熱的不整合を
    前記所定熱的不整合以内に保つことを含む請求項１記載
    の方法。
  5. 【請求項５】 前記タービンを通る高温燃焼ガスの流れ
    を終わらせることにより前記タービンを停止し、こうし
    て前記部品間の熱的不整合の増大を起こし、そして加熱
    媒体を前記一表面に沿って流して両部品間の前記熱的不
    整合を前記所定熱的不整合以内に保つことを含む請求項
    １記載の方法。
  6. 【請求項６】 高温燃焼ガスを前記タービンを通るよう
    に流すことにより前記タービンを始動し、こうして前記
    部品間の熱的不整合の増大を起こし、そしてタービン始
    動中冷却媒体を前記一表面に沿って流して両部品間の前
    記熱的不整合を前記所定熱的不整合以内に保ち、前記タ
    ービンを定常状態で運転し、そして前記タービンを通る
    高温燃焼ガスの流れを終わらせることにより前記タービ
    ンを停止し、こうして両部品間の熱的不整合の増大を起
    こし、そしてタービン停止中加熱媒体を前記一表面に沿
    って流して両部品間の前記熱的不整合を前記所定熱的不
    整合以内に保つことを含む請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】 相互に固定されかつ相互に軸方向に整合
    しているタービンホイールと後ろ側ホイールとを有し、
    両ホイールは相互間にさねはぎを有しそして相異なる所
    与温度に応じて相互間に過渡的な熱的不整合を生じるよ
    うなタービンにおいて、所定の熱的不整合を超える両ホ
    イール間の熱的不整合の結果としての両ホイール間の相
    対移動を防止する方法であって、流体媒体を両ホイール
    の一方の一表面に沿って流して前記一方のホイールを前
    記熱的不整合を前記所定熱的不整合以内の値に減らす温
    度まで加熱または冷却する段階を含む方法。
  8. 【請求項８】 高温燃焼ガスを前記タービンを通るよう
    に流すことにより前記タービンを始動し、こうして前記
    ホイール間の熱的不整合の増大を起こし、そしてタービ
    ン始動中冷却媒体を前記一表面に沿って流して両ホイー
    ル間の前記熱的不整合を前記所定熱的不整合以内の値に
    保つことを含む請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記タービンを通る高温燃焼ガスの流れ
    を除くことにより前記タービンを停止し、こうして両部
    品間の熱的不整合の増大を起こし、そしてタービン停止
    中加熱媒体を前記一表面に沿って流して前記熱的不整合
    を前記所定熱的不整合以内の値に減らすことを含む請求
    項７記載の方法。
  10. 【請求項１０】 高温燃焼ガスを前記タービンを通るよ
    うに流すことにより前記タービンを始動し、こうして前
    記ホイール間の熱的不整合の増大を起こし、そしてター
    ビン始動中冷却媒体を前記一表面に沿って流して両ホイ
    ール間の前記熱的不整合を前記所定熱的不整合以内の値
    に保ち、前記タービンを定常状態で運転し、そして前記
    タービンを通る高温燃焼ガスの流れを終わらせることに
    より前記タービンを前記定常運転から停止し、こうして
    両部品間の熱的不整合の増大を起こし、そしてタービン
    停止中加熱媒体を前記一表面に沿って流して前記熱的不
    整合を前記所定熱的不整合以内の値に減らすことを含む
    請求項７記載の方法。
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