JP2011503408A - 熱負荷を受ける流体機械のロータの残り寿命を求める方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱負荷を受ける流体機械（１０）のロータ（１１）の残り寿命を求める方法に関し、この方法では、ロータ（１１）上の温度を測定し、その測定した温度から、ロータ（１１）上の熱応力を導出し、導出した熱応力から、ロータ（１１）の残り寿命を推定する。残り寿命を正確かつ柔軟に簡単に求めることは、ロータ（１１）の予め定められた場所（１８）の温度を直接測定することと、測定した温度から、ロータ（１１）上の熱応力を導出することとによって達成される。

Description

本発明は、熱負荷を受ける流体機械の技術分野に関する。本発明は、請求項１の上位概念に基づく熱負荷を受ける流体機械のロータの残り寿命を求める方法に関する。更に、本発明は、そのような方法を実施するための装置に関する。

熱負荷を受ける流体機械（ここでは、蒸気タービンであるが、それに限定されない）におけるロータの寿命に影響を与える主な要因は、ロータ材料内部、詳しくは、特に、タービン入口における大きな温度勾配に起因することが非常に良く知られている。この急激な温度勾配は、そのような流体機械のタービンの遷移フェーズ中（例えば、起動時又は停止時）に熱力学的な条件が突然変化することによって引き起こされる。例えば、起動時にはロータが未だ低温である一方、動作ガス、即ち、蒸気タービンにおける蒸気は、高温・高圧の状態で高温蒸気通路に流入する。そして、高温蒸気に直に曝されるロータ表面がより高温になる一方、ロータ本体の主要部は未だ（低い）初期値にある。そのため、本体と表面の間に温度勾配が大きくなり、機械的な応力を発生させることとなる。特に、近代の迅速に起動する複合サイクル発電での用途及び高い蒸気温度（超々臨界；ＵＳＣ）のタービンでは、そのような蒸気タービンの起動フェーズ及び停止フェーズが長く続くために、熱応力が繰り返し作用する（低サイクル疲労；ＬＣＦ）ことによって、ロータの寿命が短くなる。そのため、ロータの応力に基づき残り寿命を算出する信頼性の高いアルゴリズムは、ロータ入口領域における温度の正確な測定に依存する。

今日まで、タービン入口領域におけるロータ温度は直接測定されていない。その代わり、例えば、内部ケーシングの異なる箇所の温度を熱電対により測定し、次に、それを元にロータとケーシングの間の伝達関数に基づきロータ上の温度を求めていた。そして、このような測定により、ロータ上の応力と、それを元に残り寿命とを導出していた。しかし、このような手法は、急激に変化するプロセス、詳しくは、特に、通常の蒸気温度よりも高い温度で動作する機械に対して一定の限界がある。この場合、例えば、（２段式の複合サイクル発電での）ロータの機械的な応力が１０％超過することは、寿命を４０％短縮することを意味する場合が有ることを考慮する必要がある。

特許文献１により、ターボ機械、特に、蒸気タービンの材料を監視する方法及び装置が周知であり、そこでは、ロータ翼における鍛造部品又は別のタービン部材から材料サンプルを取り出して、その鍛造部品の最終的な処理後に、そのために配備された凹部に収容する。そして、このサンプルは、運転中そこで生じる条件下に置かれる。所定の運転時間後に再びサンプルを取り出して、機械の残り寿命を求めることができるように、材料疲労等を検査している。この方法は、非常に負担がかかるとともに、適用に関する柔軟性が小さい。

特許文献２により、蒸気タービンのロータの残り寿命を求める方法が周知であり、そこでは、新しいロータの高温部の硬さを周期的な間隔で測定している。その測定結果から、硬さの低下率を算出し、それから最終的にロータの寿命を導出している。この方法も、停止している機械へのアクセスが必要であり、そのため負担がかかり柔軟性がない。

特許文献３により、タービンの寿命の推移を監視する方法及び装置が周知であり、そこでは、ケーシングとケーシング厚の中間部分での温度を測定し、これらの温度差から熱応力を算出して、計算した制限値と比較している。この方法は、先ずは静止した部材（ケーシング、バルブ等）に適している。この測定によって、せいぜいロータの残り寿命の間接的な推定しか可能でない。

特許文献４により、ロータの孔で蒸気タービンの寿命を測定する方法が周知であり、そこでは、孔の中で摺動可能な電気抵抗センサーによって、ロータの高い温度と低い温度の電気抵抗を測定している。そして、これらの抵抗の差から、高温部の寿命を推定している。この差の測定は、複雑で動作中に損傷し易く、取付に負担のかかる運動機構を必要とし、組込みと保守に大きな追加コストがかかる。

米国特許公開第４，７９６，４６５号明細書 特開平６−２００７０１号公報 特開平７−２１７４０７号公報 特開昭６３−１１７１０２号公報 欧州特許公開第１５３６１０２号明細書

本発明の課題は、周知の方法の欠点を解消し、適用する際の柔軟性、簡単な構造、高い動作信頼性を特徴とする、熱負荷を受ける流体機械のロータの残り寿命を求める方法及びその方法を実施するための装置を提供することである。ここで、特に強調したいことは、このロータで生じる熱応力の測定方法が、有利には、少なくともタービンの起動制御に適用することができ、それによって、例えば、蒸気タービンにおいて、高い負荷を受けるタービン部分の許容される熱応力を考慮して、タービンの起動前及び／又は起動中にタービン入口及びボイラ出口で許容される蒸気パラメータを求めるという事実である。

この課題は、請求項１及び請求項９に記載の特徴全体によって解決され、ここで、請求項９に関して、基本的に蒸気タービンのみに限定されない。本発明による方法に関して、ロータの１つ又は複数の予め定められた場所で温度を直接測定することと、その測定した温度からロータ上の熱応力を導出することとが重要である。

本発明の実施形態では、ロータ上の温度測定が、非接触式に、詳しくは、高温計を用いて行われる。

本発明による方法の別の実施形態は、ロータが軸の回りを回転可能に軸支されるとともに、ケーシングによって包囲されていることと、ロータ上には、回転翼の配列が軸方向に順番に配置されており、その回転翼の配列に対して、高温の動作ガスが軸方向に貫流することと、流入領域の動作ガスが、ロータの翼配列部に導入されることと、ロータの温度が流入領域で測定されることとを特徴とする。

特に、流入領域が、ケーシング内に形成された、軸をリング状に包囲する、高温の動作ガスを半径方向に導入するための流入螺旋部と、この流入螺旋部に繋がる、導入された動作ガスを半径方向から軸方向へ偏向させるための偏向流路とから構成されている場合、偏向流路内における翼配列部の始端直前でロータの温度を測定するのが有利である。

別の実施形態は、ロータの温度測定が、周囲を包囲するケーシング上の固定位置の点から行われて、特に、ロータの温度測定が、周囲を包囲するケーシング上の動作ガス流路内の対向する点から直接行われることを特徴とする。

本発明による装置の実施形態は、温度測定器が高温計であることを特徴とする。

特に、流体機械が、動作ガスをロータの翼配列部に導入するための入口領域を有し、その場合、高温計が、その入口領域内に有るロータの測定領域の方向を向いている。

有利には、温度測定器又は高温計は、ロータの所定位置又は測定領域と直に対向する形でケーシング上に配置される。

この場合、温度測定器又は高温計をケーシング上の固定位置に配置するのが、本発明の目的に適っている。

本発明による装置の別の実施形態は、温度測定器又は高温計が評価ユニットと繋がっており、その評価ユニットの後に、残り寿命を表示するための表示機器が接続されており、評価ユニットが、特に、流体機械の動作を制御するための制御出力部を備えていることを特徴とする。

以下において、図面と関連して、実施例に基づき、本発明を詳しく説明する。

本発明の実施例による非接触式にロータ温度を測定するための高温計を備えた蒸気タービンの入口領域の例の縦方向断面図

本発明では、熱応力を監視する装置用の入力素子として高温計を使用することを提案する。この高温計は、従来から知られている通り、固定した物体の表面温度を非接触式に測定するのに適しており、物体から放出される熱線を感知するものである。そのようにして、伝達関数に基づき間接的に求めることなく、特に重要な場所におけるロータの温度を直接検知することが可能である。

図１には、例えば、特許文献５に開示されているような蒸気タービン構造を出発点として、そのような蒸気タービンの入口領域の縦方向断面が図示されており、そこには、本発明の実施例に基づき温度測定用の高温計が配置されている。図１の蒸気タービン１０は、軸２２の回りを回転可能なロータ１１を有し、その一端が、ロータシャフト１２にまで延びている。ロータ１１は、（内側の）ケーシング１３によって同心状に包囲されており、ロータ１１とケーシング１３の間には、高温蒸気通路２６が形成されて、その中には、案内翼１６と回転翼１７から成る翼配列部が配置されている。案内翼１６がケーシング１３と固定されている一方、回転翼１７はロータ１１と共に軸２２の回りを回転する。

高温の蒸気は、ケーシング１３内に同心状に形成された流入螺旋部１４を介してタービンに供給されると、偏向流路１５によって半径方向から軸方向に偏向されて、軸方向に向かって、翼配列部１６，１７を備えた高温蒸気通路２６に流入し、そこで動力を発生しながら減圧される。偏向流路１５内が高温になる一方、変化する大きな熱負荷が、１列目の翼の下のロータ領域に特に強く生じ、その場合、測定領域１８において、ケーシング１３上のそれと対向する側の固定位置に取り付けられた高温計２０によって、ロータ１１の温度を非接触式に測定し、その高温計には、測定領域１８から放出された熱線又は赤外線の照射ビーム１９が当たる。ロータ１１が回転している場合の測定領域１８は、各時点の角度位置に応じて異なるロータ１１の表面領域に相当することが明らかに分かる。高温計２０による温度測定をロータ１１の回転と好適な手法で同期させた場合、常にロータ１１の同じ表面領域で温度測定を行うことができる。そうでない場合、ロータ１１のリング形状の同心の表面区分に渡って連続した測定が行われる。

高温計２０により取得（測定）した温度値は、導線２１を介して評価ユニット２３に伝送され、そこで評価されて、熱応力の値に変換され、最終的に残り寿命に変換される。これらの値は、表示機器２４で表示することができる。しかし、これらの値は、例えば、ロータ１１の残り寿命を最適化するために、蒸気タービン１０の過渡的な状態を制御するための制御出力部２５を介して取り出すこともできる。

本発明を新しい蒸気タービンに最初から適用して組み入れることができる。しかし、そのような装置を既に有る蒸気タービンに後から配備することも考えられる。同様に、残り寿命の計測を改善するために、蒸気タービンの複数の、或いは異なる場所で温度測定を行うことも考えられる。当然のことながら、上述の実施形態は蒸気タービンにのみ限定されない。同様に、熱負荷を受ける別の如何なる流体機械も、本発明の技術的な適用対象となり得る。

１０ 蒸気タービン
１１ ロータ
１２ ロータシャフト
１３ ケーシング
１４ 流入螺旋部
１５ 偏向流路
１６ 案内翼
１７ 回転翼
１８ 測定領域
１９ 照射ビーム
２０ 高温計
２１ 導線
２２ 軸
２３ 評価ユニット
２４ 表示機器
２５ 制御出力部
２６ 高温蒸気通路

Claims (16)

1. 熱負荷を受ける流体機械（１０）のロータ（１１）の残り寿命を求める方法であって、タービンのロータ（１１）上の温度を測定し、その測定した温度から、ロータ（１１）上の熱応力を導出し、導出した熱応力から、ロータ（１１）の残り寿命を推定する方法において、
   ロータ（１１）の予め定められた場所（１８）の温度を直接測定することと、
   測定した温度から、ロータ（１１）上の熱応力を導出することと、
   を特徴とする方法。
2. 当該の流体機械が蒸気タービンであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 当該のロータ（１１）上の温度測定を非接触式に行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 当該のロータ（１１）上の温度測定を高温計（２０）を用いて行うことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. ロータ（１１）が、軸（２２）の回りを回転可能に軸支されるとともに、ケーシング（１３）によって包囲されていることと、
   ロータ（１１）上には、回転翼（１７）の配列が軸方向に順番に配置されており、その回転翼の配列に対して、高温の動作ガスが軸方向に貫流することと、
   流入領域（１４，１５）の動作ガスが、ロータ（１１）の翼配列部（１７）に導入されることと、
   ロータ（１１）上の温度を流入領域（１４，１５）において測定することと、
   を特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
6. 当該の流入領域が、ケーシング（１３）内に形成された、軸（２２）をリング形状に包囲する、動作ガスを半径方向に導入するための流入螺旋部（１４）と、流入螺旋部（１４）に繋がる、導入された動作ガスを半径方向から軸方向に偏向するための偏向流路（１５）とで構成されていることと、
   ロータ（１１）上の温度を偏向流路（１５）内の翼配列部（１７）の入口直前で測定することと、
   を特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 周囲を包囲するケーシング（１３）上の固定位置の地点から、ロータ（１１）の温度測定を行うことを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
8. 動作ガス通路（２６）内の周囲を包囲するケーシング（１３）上の対向する点から直接ロータ（１１）の温度測定を行うことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 大きな熱負荷を受ける流体機械又は蒸気タービン（１０）で請求項１に記載の方法を実施するための装置であって、この装置は、軸（２２）の回りを回転可能に軸支されたロータ（１１）を有し、そのロータは、軸方向に延びる翼配列部（１７）を有するとともに、ケーシング（１３）で包囲されて高温動作ガス通路又は高温蒸気通路（２６）を形成している装置において、
   ロータ（１１）の予め定めれた場所（１８）の温度を検出する、非接触式に動作する温度測定器（２０）がケーシング（１３）上に配置されていることを特徴とする装置。
10. 当該の温度測定器が高温計（２０）であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 流体機械又は蒸気タービン（１０）が、動作ガス又は高温蒸気をロータ（１１）の翼配列部（１７）に導入するための流入領域（１４，１５）を有することと、
    高温計（２０）が、流入領域（１４，１５）内に有るロータ（１１）の測定領域（１８）の方向を向いていることと、
    を特徴とする請求項９又は１０に記載の装置。
12. 温度測定器又は高温計（２０）が、ロータ（１１）の所定の場所又は測定領域（１８）と直に対向する形でケーシング（１３）上に配置されていることを特徴とする請求項９から１１までのいずれか一つに記載の装置。
13. 温度測定器又は高温計（２０）が、ケーシング（１３）上の固定位置に配置されていることを特徴とする請求項９から１２までのいずれか一つに記載の装置。
14. 温度測定器又は高温計（２０）が、評価ユニット（２３）と接続されていることを特徴とする請求項９から１３までのいずれか一つに記載の装置。
15. 評価ユニット（２３）の後に、残り寿命を表示するための表示機器（２４）が接続されていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 評価ユニット（２３）は、流体機械又は蒸気タービン（１０）の動作を制御するための制御出力部（２５）を有することを特徴とする請求項１４又は１５記載の装置。

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