JP4467112B2 - タービン部品の熱応答とそれによる部品の相対移動により位置づけられるシールを用いたタービン始動／停止中の冷却／加熱増強 - Google Patents

Description

【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、過渡的運転中ロータ部品、例えば、タービンホイールと後軸ホイールとの間の熱的不整合を調整するために、自己位置づけ熱応答シールを用いてこれらの部品の一つに沿う熱媒体の流れを制御することに関する。
【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相異なる時点、すなわち、始動と定常運転と停止時に、様々なロータ要素に相異なる温度が与えられると、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、これらの要素の相対移動とそれによる悪影響とをひき起こすほどの大きさになり得る。例えば、ロータホイールと隣接スペーサとの熱的不整合により相互間のさねはぎが開くおそれがある。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後軸と後軸ホイールに設けられそして後軸ホイールは最終タービン段例えば第４段のホイールと係合しているからである。タービンの定常運転中、タービンロータの要素間、特に後軸および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。この範囲内の熱応答はホイールとスペーサ間または後軸ホイールと最終段ホイール間の相対移動をひき起こすには不十分であり、従って、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、定常運転では、タービンロータ部品の相対移動は起らないが、さもなければ、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。
【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理解されたい。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と後軸ホイールは幾分急速に加熱され、後軸ホイールと最終段ホイールと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】
タービンロータ部品の熱応答を制御する様々な方法が考えられている。本発明の一実施例によれば、過渡的運転中のタービン部品の熱応答とその結果としての同部品の相対移動に従って熱媒体の流れを制御するためのシールが設けられる。すなわち、シールの位置におけるタービン部品の相対位置は、タービンの始動と停止中、熱的不整合を起こしやすい部品への熱媒体の流れを制御する。例えば、タービン停止時には、最終段ホイールが後軸ホイールに対して緩やかに冷却し、この時シールは、後軸ホイールに対する熱媒体流の冷却効果を減らすように熱媒体流路内に位置づけられ、これにより最終段ホイールと後軸ホイールとの熱的不整合を減らす。詳述すると、熱媒体を後軸ホイールの表面を通過するように流し、そしてタービン部品の固有の熱応答相対移動の結果として熱媒体の流量を減らすことにより、停止中熱的不整合を減らすことができる。シールを、例えば、後軸ホイールと熱伝達関係にある熱媒体の流路内で排気フレームと後軸ホイールとの間に配置すれば、停止時の排気フレームとロータとの相対移動によりシールが熱媒体の流量を減らす。これは停止中後軸ホイールと第４段ホイールとの熱的不整合を減らす。シール自体は可動部分を持たずそして受動的に応答して熱媒体の流れを制御することを認識されたい。
【０００７】
逆に、始動中は、同一シールが熱媒体の流量を増して、質量の比較的少ない、従って加熱しやすいタービン部品を冷却してそれと隣接タービン部品との熱的不整合を所定の熱的不整合以内に保つ。詳述すると、排気フレームとタービンロータとの間に配置したシールは、前側閉板空洞を通る熱媒体の流路を開き、これによりその流量を増して後軸ホイールの蓄熱速度を緩め、従って、後軸ホイールと第４段ホイールとの熱的不整合が所定限度内に保たれる。
【０００８】
本発明による好適実施例では、熱媒体を流す流路をタービン内に画成する第１および第２部品であって、所与温度に対して相異なる熱応答をなして両部品間の相対移動を発生する第１および第２部品と、第１部品により前記流路内に担持されたシールとを含むタービンが設けられ、シールは両部品間の相対移動に応じて、前記流路を通る熱媒体の流れを調整し、これにより前記流路を通る熱媒体の流れを増すか減らして両部品の一方の温度を調整する。
【０００９】
本発明による他の好適実施例では、熱媒体を流す流路をタービン内に画成する第１および第２部品であって、所与温度に対して相異なる熱応答をなして両部品間の相対移動を発生する第１および第２部品と、両部品の一方により前記流路内に担持されたシールと、第２部品に結合された第３部品であって、それらに与えられた相異なる温度に応じて相互間の熱的不整合を起こす第３部品とを含むタービンが設けられ、シールは第１および第２部品間の相対移動に応じて、前記流路を通ってシールを通過する熱媒体の流れを調整し、これにより第３部品の温度を調整して第２および第３部品間の熱的不整合を所定範囲内にとどめ得る。
【００１０】
本発明によるさらに別の好適実施例では、熱媒体を流す流路を画成する第１および第２部品であって、所与温度に対して相異なる熱応答をなして両部品間の相対移動を発生する第１および第２部品を有するタービンにおいて、両部品の一方の温度を調整する方法が提供され、この方法は、両部品間の相対移動に応じて前記流路を通る熱媒体の流量を受動的に調整して該流量を増すか減らし、これにより前記一方の部品の温度を調整する段階を包含する。
【００１１】
従って、本発明の主目的は、タービン部品の熱応答相対移動により位置づけられるシールを用いてタービンの過渡的運転状態、すなわち、停止／始動中タービン部品の冷却／加熱を増強する装置と方法を提供することであり、このようなシールを用いることにより当該要素の一つの表面への加熱または冷却媒体の供給を受動的に制御し、従って当該部品間の熱的不整合を制御する。
【００１２】
【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、１４、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、後ろ側軸受空洞６６によって囲まれた後ろ側軸受４６内でロータ１０とともに回転し得る。
【００１３】
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。
【００１４】
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５２、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冷却蒸気を第１および第２段のバケットに供給するのに対し、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。
【００１５】
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、過渡的運転中、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し、その結果、さねはぎは開くか無荷重になるおそれがある。すなわち、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。
【００１６】
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２８０゜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。
【００１７】
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。熱媒体は適当な供給源から供給可能であり、そして後軸ホイールの半径方向表面上を通過して外方に流れそして最終段の後方で高温ガス通路に入る。
【００１８】
タービン運転の過渡的段階で熱媒体の流れを受動的に制御して熱的不整合を減らすために、環状シール７２を次のようなタービン部品、すなわち、所与温度に対して相異なる熱応答をなして部品間の相対移動を発生するような部品の間に設ける。図示の例では、シール７２は空洞６０の下流において熱媒体の流路内に配置されかつロータ１０と排気フレーム７４の一方または他方に設けられる。シール７２は排気フレームとロータとの相対的な軸方向移動に応じてこのような部品間の環状開口を拡大または縮小することがわかるであろう。例えば、停止中、最終段ホイール１８は後軸ホイール４２より緩やかに冷却するが、この時は、後軸ホイール４２を流れ過ぎる熱媒体の流量を減らすことにより、後軸ホイール４２の冷却速度をホイール１８の冷却速度とより良く合致する速度に減らすことが望ましい。停止中、排気フレームとロータは、それらの熱応答により、相互間の環状開口を閉ざす方向の相対移動をなす。開口を閉ざすことにより、シール７２は後軸ホイール４２に沿って通過する冷却媒体の流量を減らし、後軸ホイールの冷却速度を下げる。このようにして後軸ホイール４２と第４段ホイール１８との熱的不整合は所定限度内に保たれる。すなわち、熱的不整合がこのような限度内に保たれた時、停止中にさねはぎを開くような後軸ホイール４２と第４段ホイール１８との相対移動は発生しない。従って、容認し得る熱的不整合が保たれる。
【００１９】
逆に、後軸ホイールが最終段ホイールの加熱より速く加熱される始動中は、後軸ホイールの表面に沿う熱媒体の流れを増してその加熱速度を遅くすることが望ましい。すなわち、始動中、排気フレームとロータは、それらの熱応答により、相互間の環状開口を拡開する方向の相対移動をなす。流路の拡開は、後軸ホイールに施される熱媒体の冷却効果を高め、これにより始動中の後軸ホイールと最終段ホイールとの熱的不整合を減らす。ひとたびタービンの定常運転がなされると、熱的不整合は、両部品、すなわち、ホイール１８と後軸ホイール４２間の実質的な温度平衡により容認し得る限度内に保たれる。すなわち、シール７２を、所与温度に対して相異なる熱応答をなすタービン部品、例えば、第１部品７４と第２部品４２との間において熱媒体流路内に配置すると、両部品の相対移動によってシールは流路を通る流れを制御し、こうして第２部品の温度を調整して第２部品と第３部品例えば最終段ホイール１８との熱的不整合を所定不整合以内に保つ。
【００２０】
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と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好適方式を例示するタービンの一部分の部分断面図である。
【図２】タービン停止中の本発明の受動的シールの位置を例示する拡大図である。
【図３】タービン始動中の本発明の受動的シールの位置を例示する拡大図である。
【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
７２ 環状シール
７４ 排気フレーム

Claims (5)

1. 熱媒体を流す流路をタービン内に画成する第１部品（７４）および第２部品（４２）であって温度に対して相異なる熱応答をなして両部品間の相対移動を発生する第１部品（７４）および第２部品（４２）と、前記第１および第２部品（７４，４２）の一方により前記流路内に担持されたシール（７２）とを含み、前記シール（７２）は両第１および第２部品（７４，４２）間の前記相対移動に応じて、前記流路を通る前記熱媒体の流れを調整し、これにより前記流路を通る前記熱媒体の流れを増すか減らして前記第２部品（４２）の温度を調整する、タービンにおいて、
   第３部品（１８）と前記第２部品（４２）が互いに結合されそして相異なる温度が加わると第２および第３部品（１８，４２）間の過渡的な熱的不整合を発生し、前記シール（７２）は前記流路を通る熱媒体の流れを調整して前記第２部品（４２）を加熱または冷却して前記第２部品（４２）と前記第３部品（１８）との熱的不整合の大きさを減らすよう構成され、
   前記第３部品（１８）はバケットを支持するタービンロータホイール（１８）からなりそして前記第２部品（４２）は前記タービンロータホイールとのさねはぎを有する隣接ホイール（４２）からなり、前記隣接ホイール（４２）は加熱または冷却されて前記タービンロータホイール（１８）と前記隣接ホイール（４２）との熱的不整合を両ホイール間のさねはぎの相対変位を防止するための所定の熱的不整合以内に減らす、タービン。
2. 前記シール（７２）は前記第１および第２部品（７４，４２）の一方の前記第１および第２部品の他方に向かう移動に応じて前記流路を通る流れを減らして両部品の一方または他方から前記熱媒体への熱伝達を減らす、請求項１記載のタービン。
3. 前記シール（７２）は前記第１および第２部品（７４，４２）の一方の前記第１および第２部品の他方から遠ざかる移動に応じて前記流路を通る流れを増して両部品の一方または他方から前記熱媒体への熱伝達を促進する、請求項１記載のタービン。
4. 前記第１および第２部品（７４，４２）はそれぞれ前記タービンの静止構成部と回転構成部からなる請求項１記載のタービン。
5. 前記第１部品（７４）がタービンの排気フレームである、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービン。

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