JP5583473B2 - 能動的ケーシング位置合わせ制御システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービンなどの回転機械に関し、より詳細には、ロータとそれを取り囲むケーシング構造の間のクリアランスを測定して制御するためのシステム及び方法に関する。

ガスタービンなどの回転機械は、一般にロータと呼ばれる部分を有し、ロータは、シュラウドなど静止ケーシング部品の内部で回転する。部品同士がぶつかり合わないように、ロータとシュラウドの間でクリアランス寸法を保たなければならない。これは、ガスタービンにおいて特に懸念される。

ガスタービンは、燃焼室から放出される高温ガスを使用してロータを回転させ、ロータは、典型的には、シャフトの周りに円周方向に離間配置された複数のロータブレードを含む。ロータシャフトは、圧縮空気を燃焼室に供給するための圧縮機に結合され、さらに、いくつかの実施形態では、ロータの機械的エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機に結合される。ロータブレード（「動翼」と呼ばれることもある）は、通常、シャフトに沿って多段式に提供され、ケーシング構成の内部で回転し、ケーシング構成は、外側ケーシングと、各ステージそれぞれのための内側ケーシング又はシュラウドリングとを含むことがある。高温ガスがブレードに衝突するとき、シャフトが回転される。

ブレードの先端とシュラウドリングの距離は、「クリアランス」と呼ばれる。クリアランスが増加するにつれて、高温ガスがクリアランスを通って逃げるので、タービンの効率が低下する。したがって、タービンの効率を最大にするために、ブレード先端とシュラウドの間のクリアランスを最小にすべきである。他方で、クリアランスの大きさが小さすぎると、ブレード、シュラウド、及び他の部品の熱膨張及び熱収縮により、ブレードがシュラウドに擦れることがあり、これは、ブレード、シュラウドリング、及びタービン全体の損傷を招くおそれがある。したがって、様々な動作条件下で最小限のクリアランスを保つことが重要である。

タービンの動作中にケーシングの熱膨張を抑えるために、圧縮機からケーシングの周りにバイパス空気を送ることによって正確なクリアランスを保つことを試みる方法及びシステムが知られている。例えば、米国特許第６１２６３９０号に、受動的加熱／冷却システムが記載されており、そのシステムでは、タービンケーシングの冷却速度を制御する、又はさらにはケーシングを加熱するために、流入空気の温度に応じて、圧縮機又は燃焼室からタービンケーシングに気流が計量供給される。

しかし、従来の受動的空気冷却システムは、ロータ及び／又はシュラウドの一様な円周膨張を仮定しており、ロータとシュラウドの間に生じる又は元々ある偏心を考慮することができない。偏心は、製造公差又は組立公差により生じることがあり、又はタービンの動作中に、軸受オイルリフト、軸受構造の熱的膨張、振動、タービン部品の不均一な熱膨張、ケーシングすべり、重力サグなどにより生じることがある。予想される偏心は設計時に考慮しなければならず、したがって、これらの偏心は、ブレードとシュラウドが擦れないようにしながら実現することができる最小の設計クリアランスの量を制限する。この問題に対処する従来の手法は、高温動作の際に生じる偏心を補償するために、低温組立て中に部品の相対位置を静的に調節することであった。しかし、この方法は、タービンの動作寿命中に生じる偏心の変動を正確に考慮することができない。

したがって、能動的位置合わせ制御システム及び方法が、タービン部品間で生じる偏心を広範な動作条件にわたって正確に検出して考慮するために必要とされる。

米国特許出願公開第２００９／００５３０４２号公報

本発明は、従来の制御システムの欠点のいくつかに対処する能動的位置合わせ制御システム及び方法を提供する。本発明の追加の態様及び利点は、以下の説明に一部記載してあり、又は以下の説明から明らかになることがあり、又は本発明の実施により理解することができる。

位置合わせ制御システムを有するガスタービンの１つの特定の実施形態では、ロータブレードの１つ以上のステージを備えるロータが含まれる。ロータは、ケーシング構造の内部に収容され、ケーシング構造は、外側ケーシングと、ロータブレードの各ステージに関連する内側ケーシング又はシュラウドとを含むことがある。複数のアクチュエータが、シュラウドの周りに円周方向に離間配置されて、シュラウドを外側ケーシングに接続する。例えば、４つのアクチュエータが、シュラウドの周りに円周方向に９０度間隔で離間配置されることがある。アクチュエータは、外側ケーシングに対して（したがってロータに対して）シュラウドを偏心変位させるように構成される。複数のセンサが、シュラウドの周りに円周方向に離間配置され、ロータがシュラウドの内部で回転するときに、ロータブレードとシュラウドの間のブレード先端クリアランスなど、ロータとシュラウドの間の偏心を示すパラメータを検出又は測定するように構成される。制御システムが、センサ及びアクチュエータと連絡して構成され、センサによって検出されたロータの偏心を補償するためにシュラウドを偏心変位させるようにアクチュエータを制御する。１つの特定の実施形態では、制御システムは、閉ループフィードバック制御システムであってよい。

また、本発明は、ガスタービンにおいてクリアランスを制御するための方法であって、円周方向に離間配置されたロータブレードの１つ以上のステージを有するロータが、外側ケーシング及び内側シュラウドを有するケーシング構造の内部で回転する方法を包含する。ガスタービンの動作中、ロータとシュラウドの間の偏心を検出するためにシュラウドの周りの複数の位置にある能動的又は受動的手段によって、ロータブレードとシュラウドの間のブレード先端クリアランスなど、偏心を示すパラメータが感知される。この方法は、検出された偏心に応答して、ロータがシュラウドの内部で回転するときに、検出された偏心を補償するために外側ケーシングに対して（したがってロータに対して）シュラウドを偏心変位させることを含む。

また、本発明は、回転機械全般に関するロータとケーシングの位置合わせシステムを包含する。このシステムは、外側ケーシング及び内側ケーシングを含むケーシング構造の内部で回転するロータを含む。複数のアクチュエータが、内側ケーシングの周りに円周方向に離間配置されて、内側ケーシングを外側ケーシングに接続する。アクチュエータは、外側ケーシングに対して（したがってロータに対して）内側ケーシングを偏心変位させるように構成される。複数のセンサが、内側ケーシングの周りに円周方向に離間配置され、ロータが内側ケーシングの内部で回転するときに、ロータと内側ケーシングの間のクリアランスなど、偏心を示すパラメータを検出するように構成される。制御システムが、複数のセンサ及び複数のアクチュエータと連絡し、複数のセンサによって検出されたロータと内側ケーシングの間の偏心を補償するために、内側ケーシングを偏心変位させるように複数のアクチュエータを制御するように構成される。

例示的な回転機械、特にガスタービンの概略図である。 ガスタービンなど回転機械のロータとシュラウドの概して均一な同心関係を示す概略断面図である。 ガスタービンなど回転機械のロータとシュラウドの偏心関係を示す概略断面図である。 ロータとシュラウドの間の偏心を補償するためにセンサ及びアクチュエータを組み込むガスタービンの概略断面図である。 制御システムの例示的な図である。 本発明の方法の一実施形態の流れ図である。

次に、本発明の特定の実施形態を参照し、それらの１つ以上の例を図面に示す。各実施形態は、本発明の態様の例示として提供するものであり、本発明を限定するものとみなすべきではない。例えば、１つの実施形態に関して図示又は説明する特徴を別の実施形態と合わせて使用して、さらなる実施形態を提供することができる。本発明は、本明細書で述べる実施形態に施されるこれら及び他の修正又は変形も含むものと意図される。

図１は、ガスタービン１０など、従来の回転機械の例示的実施形態を示す。ガスタービン１０は、圧縮機１２と、燃焼室１４と、タービン１６とを含む。圧縮機１２は、タービンシャフト１８によってタービン１６に結合され、タービンシャフト１８はさらに、発電機２０に結合されることがある。タービン１６は、タービンステージ２２と、タービンステージ２２それぞれの内側ケーシング又はシュラウド２４（共通の単一のケーシング構造、又は個別のリングであってよい）と、外側ケーシング構造２６とを含む。各タービンステージ２２が、複数のタービンブレード２３を含む。

本明細書では、本発明の態様をガスタービン構成に関して説明する。しかし、本発明は、ガスタービンに限定されず、ロータとそれを取り囲むケーシング構造の間の偏心を検出して補償することが望まれる回転機械全般に適用可能であることを理解すべきである。

従来のガスタービン構成の構造及び動作は当業者に周知であり、その詳細な説明は本発明の理解には必要ない。また、図１における簡略化したタービン１０は、いかなるタイプの適切なタービン又は他の回転機械構成も表すように示してあるにすぎず、本発明のシステム及び方法は、様々なタービン構成で有用であり、いかなる特定のタイプのガスタービン又は他の回転機械にも限定されないことを理解すべきである。

図２Ａは、ロータシャフト１８に取り付けられた個別のブレード又は動翼２３を有するタービンステージ２２を示す概略図である。タービンステージ２２は、内側シュラウド２４（すべてのタービンステージに共通の単一の内側ケーシング構造、又は個別のシュラウドリング）の内部で回転し、内側シュラウド２４は、ケーシング構造２６の外側ケーシング２８の内部に同心で位置する。回転ブレード２３の先端と内側シュラウド２４の間で、理想的なブレード先端クリアランス３４が望まれる。このクリアランス３４は、図２Ａでは説明のために大きく誇張してある。

図２Ｂに示されるように、タービンステージ２２と内側シュラウド２４の間で偏心が生じることがある。これらの偏心は、製造又は組立公差、軸受位置合わせ、軸受オイルリフト、軸受構造の熱的膨張、振動、タービン部品の不均一な熱膨張、ケーシングすべり、重力サグなどの要因の任意の組合せによって生じることがある。図２Ｂに示されるように、この偏心関係は、性質上それ自体が偏心性をもつタービンブレードクリアランス３４をもたらすことがある。偏心により、許容できる最小の仕様値未満のタービンブレードクリアランスが生じることがあり、その結果、ブレード２３の先端と内側シュラウド２４が擦れる可能性がある。さらに、偏心により、設計仕様値を超えるブレード先端クリアランスが生じることがあり、その結果、大きなロータ損失が生じることがある。

図２Ａ及び図２Ｂは、内側シュラウド２４をケーシング構造２６の外側ケーシング２８に接続する働きをするアクチュエータ３０を示す。以下でより詳細に述べるように、これらのアクチュエータ３０は、本質的に瞬時に検出されるタービンステージ２２とシュラウド２４の間の偏心を能動的に補償するための手段にもなる。

より詳細には、図３及び図４を参照すると、複数のアクチュエータ３０が、内側シュラウド２４の周りに円周方向に離間配置される。アクチュエータ３０の数及び位置は変えることができるが、アクチュエータ３０が、タービンステージ２２と内側シュラウド２４の間での検出された偏心を円周方向に完全に補償できるようにすることが望ましい。アクチュエータ３０は、外側ケーシング２８に対してシュラウド２４を偏心変位させるように構成される。アクチュエータ３０は、それらの設計又は構成については限定されず、いかなる様式の空気圧、水圧、電気、熱、又は機械作動機構を含むこともできる。例えば、アクチュエータ３０は、個別に制御される電動機、空気圧又は水圧ピストン、サーボ、ねじ式又は歯車式構成などとして構成されることがある。例示した実施形態では、４つのアクチュエータ３０が、シュラウド２４の円周の周りに９０度間隔で均等に離間配置される。上下のアクチュエータ３０が垂直方向の調節を行い、左右のアクチュエータ３０が水平方向の調節を行う。アクチュエータ３０の組合せにより、望まれる程度がいかなるものであれ、内側シュラウド２４の全周にわたる水平方向及び垂直方向調節を行うことができるようになる。

複数のセンサ３２が、シュラウド２４の周りに円周方向に離間配置される。この特定の実施形態では、センサ３２は、ロータステージ２２がシュラウド２４の内部で回転するときに、ロータブレード２３の先端と内側シュラウド２４の間のブレード先端クリアランス３４を測定するように構成されたクリアランスセンサである。これらのセンサ３２の数及び位置は変えることができるが、内側シュラウド２４の円周の周りでのいかなる様式の偏心も検出するのに十分であることが望ましい。様々なタイプのブレード先端センサが、当技術分野で既知であって使用されており、そのようなセンサの任意の１つ又は組合せを、本発明の範囲及び精神の範囲内で使用することができる。例えば、センサ３０は、容量センサや誘導センサなどの受動的デバイスであってよく、これらのセンサは、センサの下を金属ブレード先端が通過することによって発生されるキャパシタンス又はインダクタンスの測定値の変化に応答し、その変化の大きさが、ブレード先端クリアランスの相対的な程度を反映する。典型的には、これらのタイプの容量センサは、シュラウド２４の内側円周面と面一になるように、シュラウド２４の凹部に取り付けられる。代替実施形態では、センサ３０は、いかなる様式又は構成の能動的感知デバイスであってもよく、例えばマイクロ波送信機／受信機センサや、レーザ送信機／受信機センサなどであってよい。さらなる１つの代替実施形態では、能動的センサ３０は、光学構成を備えることがあり、この場合、光がタービンブレードに伝送され、タービンブレードから反射される。

本発明は、センサのタイプ又は構成によっては限定されず、ロータとそれを取り囲む構造の間の偏心を示すパラメータを測定又は検出することによって偏心を検出するためのいかなる様式又は構成の既知のセンサ若しくは先進のセンサ、又は他のデバイスをも利用することができることが容易に理解できよう。本明細書で述べたように、このパラメータは、例えばブレード先端クリアランスであってよい。

図４を参照すると、例示的な制御システム３６が、センサ３２及びアクチュエータ３０と連絡して構成される。制御システムは、ソフトウェア実装プログラムを備えることがあり、これらのプログラムは、センサから受信された信号からロータ偏心の大きさ及び円周方向位置を計算し、ロータがシュラウドの内部で回転するときに、計算されたロータ偏心を補償するようにアクチュエータを制御する。

制御システム３６は、様々なそれぞれのセンサ３２のブレード先端クリアランス測定値から偏心を計算するための任意の様式のハードウェア又はソフトウェアプログラム４０を備えた構成の制御装置４２を含む。制御システム３６は、１つの特定の実施形態では、閉ループフィードバックシステム３８として構成され、偏心は、センサ３２が発生する信号から本質的に瞬時に計算される。次いで、制御システム３６は、それぞれの各アクチュエータ３０に制御信号３３を発生する。アクチュエータ３０は、制御信号３３に応答して、外側ケーシング２８に対して（したがってロータに対して）内側シュラウド２４を移動させて、偏心を最小にして、許容限度内に入れる。内側シュラウド２４が再位置決めされるとき、センサ３２がブレード先端クリアランス３４を継続的に感知し、計算される偏心が継続的に監視される。制御システム３６は、任意の数の制御機能、例えば減衰回路又は時間遅延回路、或いは任意の他のタイプの既知の閉ループフィードバック制御システム機能を含むことができ、偏心を許容限度内で保つために必要な調節を最小回数でシステムが行うことを保証することが容易に理解できよう。例えば、制御システム３６は、シュラウド２４の位置の増分的調節を行い、各調節の合間に規定の待機期間を取るように構成することができ、それにより、次の調節を行う前に、検出された偏心の変化を安定させる。

制御システム３６は、例えば偏心設定値や調節制御値など、その機能に関連する入力３５、又は任意の他の関連の制御システムからの入力３５を受信することができる。さらに、センサからの出力３７は、診断や保守など何らかの理由により、他の関連の制御システム又は機器によって使用されることがある。

図５は、本発明による制御方法の一実施形態を例示する流れ図を示す。段階１００で、タービンがシュラウドの内部で回転するときに、ブレード先端クリアランスが、シュラウドの周りの複数の位置で測定される。上述したように、ブレード先端クリアランスは、シュラウドの周りに円周方向に配設された任意の様式のセンサによって感知されることがある。

段階１１０で、測定されたブレード先端クリアランスを使用して、シュラウドとロータの間の偏心の大きさ及び相対的な円周方向位置が計算される。

段階１２０で、計算された偏心が、規定の許容限度と比較される。

段階１３０で、計算された偏心が限度内にある場合、段階１００で監視プロセスが継続される。

段階１３０で、計算された偏心が許容設定値を超える場合、制御システムがアクチュエータ制御信号を発生し、これらの信号が、シュラウドの周りに配設された様々なアクチュエータに印加されて、段階１５０で、ケーシング内部でシュラウドを偏心移動させて、偏心を補償する。上述したように、アクチュエータによって行われる調節は、増分的段階で行われることがあり、又は全体の偏心を補償するために計算された単一の段階で行われることもある。シュラウドに対する調節が１つ終わるたびに、段階１００で監視が継続される。

図４のシステム及び図５の方法で示される閉ループタイプのフィードバックシステムが本発明を限定するものではないことは容易に理解できよう。ロータとシュラウドの間の偏心を補償するために外側ケーシングの内部で内側シュラウドを偏心移動させるという目的を実現するために、当業者は様々なタイプの制御システムを容易に開発することができる。

本発明の主題を、本発明の特定の例示的実施形態及び方法に関して詳細に説明してきたが、上述したことを当業者が理解すれば、そのような実施形態の代替形態、変形形態、及び等価形態を容易に形成することができることを理解されよう。したがって、本開示の範囲は、限定するものではなく例示であり、当業者に容易に明らかであるように、主題の開示は、そのような修正形態、変形形態、及び／又は追加形態を本発明の主題に包含することを除外しない。

１０ ガスタービン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼室
１６ ロータ／タービン
１８ ロータ／タービンシャフト
２０ 発電機
２２ タービンステージ
２３ タービンブレード又は動翼
２４ 内側シュラウド／内側ケーシング
２６ ケーシング構造
２８ 外側ケーシング
３０ アクチュエータ
３２ センサ
３３ 制御信号
３４ ブレード先端クリアランス
３５ 入力
３６ 制御システム
３７ 出力
３８ 閉ループフィードバックシステム
４０ ハードウェア又はソフトウェアプログラム
４２ 制御装置
１００ ブレードクリアランスを測定する
１１０ 偏心の大きさ及び位置を計算する
１２０ 計算された偏心を限度と比較する
１３０ 限度内かどうか判定する
１４０ アクチュエータ制御信号を発生する
１５０ ケーシング内部でシュラウドを偏心移動させる

Claims (10)

1. クリアランス制御システムを有するガスタービン（１０）であって、
   ロータブレード（２３）の１つ以上のステージ（２２）を備えるロータ（１８）と、
   前記ロータが内部に収容されたケーシング構造（２６）であって、静止外側ケーシング（２８）と、ロータブレードの各前記ステージに関連付けられた内側シュラウド（２４）であって前記外側ケーシングに対して変位可能な内側シュラウド（２４）とを含むケーシング構造（２６）と、
   前記外側ケーシング内に収容されかつ前記内側シュラウドの周りに円周方向に離間して配置され、前記内側シュラウドを前記外側ケーシングに接続する複数のアクチュエータ（３０）であって、前記外側ケーシングに対して前記内側シュラウドを偏心変位させるように構成された複数のアクチュエータ（３０）と、
   前記内側シュラウドの周りに円周方向に離間して配置され、前記ロータが前記内側シュラウドの内部で回転するときに、前記ロータと前記内側シュラウドの間の偏心を示すパラメータを測定するように構成された複数のセンサ（３２）と、
   前記複数のセンサ及び前記複数のアクチュエータと連絡し、前記複数のセンサによって検出された前記ロータと前記内側シュラウドの間の偏心を補償するために、前記内側シュラウドを偏心変位させるように前記複数のアクチュエータを制御するように構成された制御システム（３６）と
   を備えるガスタービン（１０）。
2. 前記制御システム（３６）が、前記複数のセンサ（３２）から受信される信号からロータ偏心の大きさ及び回転位置を計算し、前記ロータ（１８）が前記内側シュラウドの内部で回転するときに、計算されたロータ偏心を補償するように前記複数のアクチュエータ（３０）を制御するソフトウェア実装プログラムを有する閉ループフィードバックシステム（３８）を備える、請求項１記載のガスタービン（１０）。
3. 前記複数のセンサ（３２）が、前記ロータブレードで反射される信号を送信及び受信することによって前記ロータブレード（２３）と前記内側シュラウドの間のブレード先端クリアランス（３４）を測定するために前記内側シュラウド（２４）の周りに円周方向に離間して配置された能動的クリアランスセンサ、或いは前記ロータブレードと前記内側シュラウドの間のブレード先端クリアランスを測定するために前記内側シュラウドの周りに円周方向に離間して配置された受動的クリアランスセンサである、請求項１又は請求項２記載のガスタービン（１０）。
4. 静止外側ケーシング（２８）に対して変位可能な内側シュラウド（２４）を有する静止ケーシング構造（２６）内で、円周方向に離間して配置されたロータブレード（２３）の１つ以上のステージ（２２）を有するロータ（１８）が回転するガスタービン（１０）においてクリアランスを制御するための方法であって、
   前記ガスタービンの動作中、前記ロータが前記内側シュラウドの内部で回転するときに、偏心を示すパラメータを感知することによって前記ロータとシュラウドの間の偏心を検出する段階と、
   検出された偏心に応答して、前記外側ケーシング内に収容されかつ前記内側シュラウドを前記外側ケーシングに接続する複数のアクチュエータ（３０）によって前記ケーシング構造の外側ケーシング（２８）に対して前記内側シュラウドを偏心変位させ、前記内側シュラウド内でロータが回転するときに、検出された偏心を補償する段階と
   を含む方法。
5. 前記内側シュラウドの周りに円周方向に離間して配置された能動的センサ（３２）、又は前記内側シュラウドの周りに円周方向に離間して配置された受動的センサを用いて、前記内側シュラウドの周りの複数の位置で、前記ロータブレード（２３）とシュラウド（２４）の間のブレード先端クリアランス（３４）を感知する段階と、前記ロータ（１８）が前記内側シュラウドの内部で回転するときに前記偏心を継続的に補償するために、前記偏心の大きさ及び相対的な回転位置を計算する段階とを含む、請求項４記載の方法。
6. 前記内側シュラウド（２４）の周りの複数の位置でブレード先端クリアランス（３４）を感知する段階と、前記偏心の大きさ及び相対的な回転位置を計算する段階と、閉ループフィードバックシステム（３８）において、前記内側シュラウド内で前記ロータが回転するときに、前記偏心を補償するように前記アクチュエータ（３０）を継続的に制御する段階とを含む、請求項５記載の方法。
7. ロータとケーシングの位置合わせシステムであって、
   ロータ（１８）と、
   前記ロータが内部に収容されたケーシング構造（２６）であって、外側ケーシング（２８）と前記外側ケーシングに対して変位可能な内側ケーシング（２４）とを含むケーシング構造（２６）と、
   前記外側ケーシング内に収容されかつ前記内側ケーシングの周りに円周方向に離間して配置され、前記内側ケーシングを前記外側ケーシングに接続する複数のアクチュエータ（３０）であって、前記外側ケーシングに対して前記内側ケーシングを偏心変位させるように構成された複数のアクチュエータ（３０）と、
   前記内側ケーシングの周りに円周方向に離間して配置され、前記ロータが前記内側ケーシングの内部で回転するときに、前記ロータと前記内側ケーシングの間の偏心を検出するように構成された複数のセンサ（３２）と、
   前記複数のセンサ及び前記複数のアクチュエータと連絡し、前記複数のセンサによって前記ロータと前記内側ケーシングの間で検出される偏心を補償するために、前記内側ケーシングを偏心変位させるように前記複数のアクチュエータを制御するように構成された制御システム（３６）と
   を備えるロータとケーシングの位置合わせシステム。
8. 前記制御システム（３６）が、前記複数のセンサ（３２）から受信される信号からロータ偏心の大きさ及び回転位置を計算し、前記ロータ（１８）が前記内側ケーシングの内部で回転するときに、計算されたロータ偏心を補償するように前記複数のアクチュエータ（３０）を制御するソフトウェア実装プログラムを有する閉ループフィードバックシステム（３８）を備える、請求項７記載のシステム。
9. 前記複数のセンサ（３２）が、前記ロータ（１８）から反射された信号を送信及び受信する、前記内側ケーシング（２４）の周りに円周方向に離間して配置された能動的センサである、請求項８記載のシステム。
10. 前記複数のセンサ（３２）が、前記内側ケーシング（２４）の周りに円周方向に離間して配置された受動的センサである、請求項８記載のシステム。