JP4362231B2 - 段間シール機構を有するガスタービン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、多段回転機械に関し、さらに詳細には、段間に常設されるシールを保護し、段間の漏洩を抑制する能力を向上させる機構に関する。
【０００２】
【関連技術の説明】
タービンのようなエネルギー変換用の種々の多段回転機械は、流体により回転運動を発生させる。タービンの１つの段では、高圧−低速の流体が静止ノズルまたは静翼を通過するにつれて膨脹する結果、低圧で高速のジェットが発生し、このジェットがロータ組立体の動翼上に導かれてロータ組立体を回転させる。タービンは複数個のかかる段により構成され、各段の流体の運動エネルギーがロータ組立体の回転運動エネルギーに変換される。
【０００３】
段間に流体の漏洩があるとタービン性能及び効率が低下するため、かかる漏洩を減少させる目的で環状の段間シールがシールハウジングに設けられている。一般的に、回転するロータとシールの間のギャップを最小にすると流体の漏洩が減少する。タービンの始動時、ロータ組立体は、半径方向に膨脹して、実際にシールと接触し、シールを変形させる可能性がある。かかる望ましくない接触を防止するため、シールハウジングはロータ組立体のこの初期膨脹を許容する十分な距離だけロータ組立体から離隔してある。しかしながら、シールハウジングのこの初期位置のため、定常運転時では、シールとロータ組立体の間の距離は最適ではなく、このためタービン性能が低下する。
【０００４】
米国特許第３，８２９，２３３号は、タービンの内側シリンダと静翼とは無関係に熱膨脹することが可能なタービンの段間シールハウジングを開示している。しかしながら、この構成は過渡条件下におけるロータの熱膨脹を補償せず、シールとロータの間のギャップを定常運転時に必要なよりも広くする必要がある。
ドイツ特許DE 39 01 167 A1は、タービンが経験するよりも腐蝕性が格段に低い条件下で作動する遠心ポンプの同様な問題点を、始動時にポンプ軸を取り囲むポンプハウジングを加熱して熱がポンプ軸に平行な線に沿って加えられるようにして解決する。可撓性シールを設けて軸に対するシールの衝撃を吸収させる。遠心ポンプとタービンの間の質量及び運転条件の相違により、この思想を実現する方式はタービンに実際に適用できるようには思えない。
本発明は、定常運転時シールがロータ組立体により接近するようにして、バイパスする流体を最小限に抑えることにより、総合効率を増加させる機構を提供する。
【０００５】
本発明によると、段間シール機構、静止部、ロータ組立体及び複数の段を有するガスタービンであって、タービンの静止部に該静止部とは無関係に熱膨張可能なように接続され、周溝（７２）を有するシールハウジングと、ロータ組立体に近接してシールハウジングに支持された少なくとも１つのシールと、シールハウジングの周りに実質的に円周方向に該シールハウジングと直接熱接触関係に延びる加熱手段とより成り、加熱手段はシールハウジングの周溝に配置されたヒーターケーブルにより構成され、ロータ組立体の回転とは無関係に且つ少なくともタービン始動前の時間に、シールハウジングを加熱して該シールハウジングをシールと共に半径方向に移動させるように作動可能であることを特徴とするガスタービンが提供される。
【０００６】
【好ましい実施例の説明】
必ずしも実尺でない図面において、同一または対応部品を同一または対応参照番号で示す。
【０００７】
本発明は、種々の回転機械に適用できるが、タービン、特に一部を図１に示すガスタービンについて説明する。
【０００８】
図１は、ロータ組立体のロータディスク１２、１３にそれぞれに接続された２つのタービン動翼１０、１１を示す。これらのロータディスクはそれぞれディスクアーム１４、１５を備えている。環状のバンド１６は、ディスクアーム１４、１５と係合し、キャビティー１７内のロータ冷却用ガスがディスクキャビティー１８内へ流入するのを最小限に抑える。
【０００９】
静翼２０はタービンの静止部に接続され、前方環状フランジ２２と後方環状フランジ２３とを有する。これらフランジ間には、シールハウジング２４が配置されている。シールハウジング２４は、可調バネ付勢位置決め機構２６によりフランジ２２と２３の間の定位置に維持されるが、この位置決め機構は、シールハウジング２４が静翼組立体とは無関係に熱膨張するのを可能にする。
【００１０】
シールハウジング２４は、ラビリンスシールのような少なくとも１つのシール３０を備えるが、このシールからはフィンガー３１がディスクアーム１４、１５の方へ延びている。図１は、さらに、別種のシールであるブラシシール３４を示している。このシールは、上流から下流へ（図１の左から右へ）流れるガス流を最小限に抑えるようにディスクアーム１５と接触可能な剛毛３５を有する。
【００１１】
シールハウジング２４の上方の環状チェンバ４０には静翼２０の内部通路を介して冷却用ガスが供給されるが、このガスはフランジ２２、２３及びシールハウジング２４の間を通過して前方のディスクキャビティー４２だけでなく後方のディスクキャビティー１８へに流入する。さらに、チェンバ４０からの冷却用ガスはシールハウジング２４のガス通路４４を介してシール３０の左側の空間に導かれる。このガスの一部は、ナイフシール４６を介してディスクキャビティー４２に流入する。
【００１２】
ディスクキャビティー１８、４２内のガスは、タービンの動翼１０、１１の基部の冷却を支援するだけでなく、矢印５０、５１で示すタービン動翼を駆動する高温ガスの圧力をバランスさせる機能を有する。すなわち、高温ガスは、確立された圧力条件により、ディスクキャビティー１８、４２へ流入しないようにされる。シールが摩耗かまたは他の理由でディスクアーム１４、１５で示すロータ組立体から離れ過ぎると、必要とされる冷却用ガスが極度に多くなり、タービンの全体効率が低下する。
【００１３】
一例として、また図２をさらに参照して、図１に示すような典型的なタービンの段間部位における始動サイクルを説明する。水平軸には時間を、左側の垂直軸には曲線６０で示す規準化されたシールとロータの間の距離（すなわち、シール頂部とディスクアームの間の距離）を、さらに右側の垂直軸には曲線６１で示すタービン速度をプロットしてある。この曲線はラビリンスシールをプロットしたものであるが、クリアランスが小さい点を除くとブラシシールも同様である。
【００１４】
タービンは種々の速度曲線をたどることができるが、一例として、時間ｔ0における始動後、時間ｔ1まで速度を増加させ、時間ｔ1からｔ2まで速度を一定に保持する。時間ｔ0からｔ1までの間はロータ組立体の直径が遠心力により増加するため、シールとロータの間の距離はそれに応じて減少し、その後時間ｔ1からｔ2まで一定値となる。ｔ2からｔ3への第２の速度上昇時においてロータは引き続き膨脹するため、時間ｔ3で最大の密封度（最小のクリアランス）が得られる。時間ｔ3からタービンが時間ｔ4で定常運転速度に到達するまで、シールハウジングは加熱効果により膨脹を開始するため、シールとロータの間隔が増加する。
【００１５】
時間ｔ5においてシールハウジングがその最大半径方向位置（１の値に規準化されている）に移動した後、ロータが熱作用により引き続き膨脹するため、これらの間の間隔は引き続き減少し、ついに時間ｔ6において、シールとロータ間の距離が約０．７５（時間ｔ5における最大値１及び時間ｔ3における最小値約０．３３と比較して）である定常運転状態に到達する。定常運転状態におけるシールハウジングとロータの間のこの距離がより小さければ、シール機能は格段に向上する。しかしながら、低温時におけるシールハウジングとロータ組立体の間の初期距離を小さくした場合、最初にロータ組立体が膨脹するため、シールが時間ｔ3においてロータ組立体と実際に接触し損傷を受ける危険性がある。本発明はこの潜在的な損傷の問題を解消し、定常運転時にクリアランスが小さくなるようにする。
【００１６】
再び図１を参照して、本発明は、実際、シールハウジング２４とそのシール３０、３４を、タービンの始動前にロータ組立体から離れる方向に半径方向に移動させる。この移動は、シールハウジング２４を熱膨脹させ、それに応じて半径方向に移動させる加熱手段を設けることにより達成する。さらに詳しく説明すると、ヒーターケーブル７０をシールハウジング２４と熱接触関係に配置し、電気エネルギーを供給してシールハウジングを半径方向に膨脹させる。
【００１７】
図１に実施例では、シールハウジング２４に研削により形成した周溝７２内にヒーターケーブル７０を配置し、例えば、熱伝導性の接着剤により定位置に保持する。シールハウジングの温度状態を指示させるため、この装置はヒーターケーブル７０に接続される１または２以上の温度センサー７０を有する。
【００１８】
図３は、市販のヒーターケーブルであり、このケーブルは加熱素子７６、７７が酸化マグネシウムの絶縁材７８内に収容され、その周りを合金の保護管８０で取り囲んだものである。温度センサー７４は保護管８０の外側に固着されている。ケーブルは周溝７２に一致する所望の曲率を有するように形成するか、または十分な可撓性があれば、ケーブルを挿入時に曲げるようにしてもよい。
【００１９】
１８０°の２つの弓形部分より成るシールハウジング２４を用いる場合、ヒーターケーブル７０も同様に、図４に示すように、１８０°の２つの弓形部分７０ａ、７０ｂにより構成されるようにする。ヒーターケーブル部分７０ａ、７０ｂをヒーター制御装置８２に電気接続するが、この制御装置は、図５にさらに示すように、ケーブルに電気エネルギーを供給する。
【００２０】
図５において、電源は、電気エネルギーをヒーターケーブル７０、すなわち２つの半部７０ａ、７０ｂにそれぞれのサーモスタット８６ａ、８６ｂを介して供給する。これらのサーモスタットは、ラインスイッチ８８ａ、８８ｂを制御する。
【００２１】
スイッチ８８ａの開閉は、正の入力９１ａが設定点制御器９２ａから所望のヒーター温度を示す電圧を受けるコントローラ９０ａにより制御する。負の入力９３ａは、判断回路９４ａを介して現在のヒーター温度を示す信号を受ける。図５の実施例では、２つの離隔配置した温度センサーを用いてヒーター温度の値を示す信号を発生させる。これらの信号は電気リード９５ａ、９６ａを介して判断回路９４ａへ送られるが、この判断回路は高い方の値または低い方の値を選択するか若しくは２つの信号の或る平均値を出力する。
【００２２】
入力９１ａと９３ａに印加される信号間の差は、コントローラ９０ａの比例回路９７ａに送られるが、これらの信号が等しいかまたは互いにある所定のしきい値内にあって、所望の温度に到達したことを示す場合、この比例回路９７ａがスイッチ８８ａを開く。
【００２３】
サーモスタット８６ａの上述した動作は、ヒーター７０ｂに供給される電気エネルギーを制御するサーモスタット８６ｂの動作についても等しくあてはまる。
【００２４】
図６は、本発明によりタービンの段間部位における始動サイクルを示す。タービン速度の曲線６１だけでなくそれぞれの軸は、図２に示したものと同一である。しかしながら、シールのクリアランスの曲線９９は図１に示す曲線６０とは全く異なっている。
【００２５】
さらに詳細に説明すると、時間ｔ0である通常のタービン始動時の前に、シールのヒーター７０が時間−ｔにおいて付勢されているため、シールハウジング２４はシールと共に熱膨脹してロータ組立体から離れる方向に移動する。そのため、時間ｔ0における実際のタービン始動時におけるシールのクリアランスは既に約０．８９になっている。この値は、最初の低温時においてロータに接近して形成されているため、図２の場合のように最大値１には到達しない。ｔ0からｔ1への速度上昇時には、ロータ組立体は遠心力により膨脹し、クリアランスを減少させる。このクリアランスはｔ2からｔ3への第２の速度上昇時にさらに減少し、タービンが時間ｔ4で定常運転速度に到達した後、ロータ組立体の熱膨脹によりクリアランスは時間ｔ6まで定常状態を保つ。この時間ｔ6における定常運転状態のクリアランスは約０．４６であり、図２に示す従来技術の０．７５の値よりも有意に小さい。ブラシシールでは、この定常運転状態のクリアランスはさらに大きい。
【００２６】
従って、本発明によると、シールはタービン始動時の前に最初に離れる方向に熱的に移動されるため、シールを最初からロータ組立体により近いところに配置することが可能である。従来型シールハウジングを時間ｔ0において最初にシールとロータ間のクリアランスが大きい値となるように形成した場合、このシールハウジングは始動時に熱膨脹し、定常運転状態におけるクリアランスが大きくなりすぎる問題がある。逆に、シールハウジングをロータ組立体に最初からより接近させて配置すると、シールは始動時におけるロータ組立体の膨脹により損傷を受ける可能性がある。
【００２７】
本発明をある程度詳細に説明したが、種々の変形例及び設計変更を頭書の特許請求の範囲において定義した本発明の精神及び範囲から逸脱することなく想到することが可能であることがわかる。例えば、所望であれば、ヒーターをタービンの運転停止時にも作動させ、かかる運転停止プロセスの後半にシールをロータから離れる方向に移動させるかあるいはその位置で保持するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、ガスタービンの一部を示す軸方向断面図である。
【図２】 図２は、典型的なガスタービン段間部位の始動サイクルを示す曲線である。
【図３】 図３は、本発明の実施に用いる加熱素子を示す。
【図４】 図４は、図１のタービンの加熱装置の概略図である。
【図５】 図５は、図４の装置のヒーター制御装置のブロック図である。
【図６】 図６は、本発明によるガスタービン段間部位の始動サイクルを示す曲線である。

Claims (8)

1. 段間シール機構、静止部（２０）、ロータ組立体（１２、１３、１４，１５）及び複数の段を有するガスタービンであって、
   （Ａ）タービンの静止部（２０）に該静止部とは無関係に熱膨張可能なように接続され、周溝（７２）を有するシールハウジング（２４）と、
   （Ｂ）ロータ組立体（１４、１５）に近接してシールハウジング（２４）に支持された少なくとも１つのシール（３０）と、
   （Ｃ）シールハウジング（２４）の周りに実質的に円周方向に該シールハウジングと直接熱接触関係に延びる加熱手段（７０）とより成り、
   加熱手段（７０）はシールハウジング（２４）の周溝（７２）に配置されたヒーターケーブルにより構成され、ロータ組立体（１４、１５）の回転とは無関係に且つ少なくともタービン始動前の時間に、シールハウジング（２４）を加熱して該シールハウジングをシール（３０）と共に半径方向に移動させるように作動可能であることを特徴とするガスタービン。
2. ヒーターケーブルは２つの１８０°弓状部分（７０ａ、７０ｂ）より成る請求項１のガスタービン。
3. 少なくとも１つの温度センサー（７４）がシールハウジング（２４）の温度を測定するように配置されている請求項１のガスタービン。
4. 加熱手段（７０）の作動を制御するヒーター制御装置（８２）を有する請求項１のガスタービン。
5. ヒーター制御装置（８２）は、
   （ｉ）加熱手段（７０）に電気接続された電気エネルギー源（８４）と、
   （ｉｉ）所定の温度状態に応答して電気エネルギー源（８４）を加熱手段（７０）に電気的に接続しまたその接続を遮断するサーモスタット（８６）とを有する請求項４のガスタービン。
6. サーモスタット（８６）は、
   （ｉ）電気エネルギー源（８４）を加熱手段（７０）に電気的に接続しまたその接続を遮断するスイッチ（８８）と、
   （ｉｉ）第１の入力（９１）がシールハウジングの所望温度を示す設定点信号を受け、第２の入力（９３）がシールハウジングの実際の温度を示す入力信号を受けるコントローラ（９０）と、
   （ｉｉｉ）これらの信号間の差に応答してスイッチ（８８）の作動を制御する回路（９７）とを有する請求項５のガスタービン。
7. （Ａ）互いに離隔した部位のシールハウジングの温度を示す信号を与える少なくとも２つの温度センサー（７４）と、
   （Ｂ）少なくとも２つの温度センサー（７４）からの信号に応答してコントローラ（９０）の第２の入力（９３）に印加される信号を発生する判断回路（９４）とを有する請求項６のガスタービン。
8. シールハウジング（２４）が所与の温度を越えた後、加熱手段（７０）を非作動にする請求項４のガスタービン。

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