JP2014506972A - ターボ機械の、ローターブレードを備えたローターの直径を特定するための方法 - Google Patents

ターボ機械の、ローターブレードを備えたローターの直径を特定するための方法 Download PDF

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Abstract

ターボ機械の、ローターブレードを備えたローターの直径を特定するための方法。本発明は、ターボ機械の、ローターブレード（１１４）を備えたローターの直径を特定するための方法に関する。ローターブレードの相対的に長い寿命を、そして同時にターボ機械の特に高い効率を可能とするために、ローターブレードリングを備えたローターを回転状態に置き、そして、続いて、クリアランス測定デバイス（１２４）を通過して回転しているローターブレードリングのローターブレード（１１４）までの距離を測定するために、後者の領域の外部にローターブレードリングに対して割り当てられたクリアランス測定デバイス（１２４）を配置することが提案される。この距離は、その後、ローター直径を特定するために、センサーとローターの軸線との間の距離と関連付けて利用できる。ローター直径は、続いて、ターボ機械の設計および組み立てにおいて考慮することができる。

Description

本発明は、ターボ機械の、ローターブレードを備えたローターの直径を特定するための方法に関するものである。それはさらに、ターボ機械のローター用の測定システムに関する。
ターボ機械とは、一般に、圧縮機、蒸気タービンおよびガスタービンなどの連続作動流体エネルギー機械を包含する。ガスタービンは、高温燃焼ガスからのエネルギーを運動エネルギーへと変換するが、これは、一方で、上流側に接続された圧縮機を、そして他方側で、通常は発電機を駆動する。だが、ガスタービンはまた、航空機を推進させるために使用されることもある。
ガスタービンは、空気およびガスの流れを案内する静止ガイドベーンと、ターボ機械の軸線を中心として回転すると共に軸方向に重なり合って配置されたローターブレードリングを形成するガスタービンローターブレードとを備える。ローターブレードは、通常、ターボ機械の軸線からそれと同軸状に配置された内壁へと延在し、それはしたがって燃焼ガス用の流路を形成する。この例では、ローターブレードの本体と内壁との間のクリアランスは、内壁に沿ってローターブレードを経て流れる燃焼ガスによる効率の損失を最小限にするために可能な限り小さく維持される必要がある。
だが、内壁と、これと逆側に配置されたローターブレードチップとの間のクリアランスは、内壁およびローターブレードの異なる熱膨張、遠心力および半径方向加速度、そしてまた当該コンポーネントの組み立て遊びによって変化し得る。こうした場合には、ローターブレード本体へのおよび／または内壁へのダメージを回避するために、ガスタービンを製造する際には、ある最小クリアランスを計算に入れる必要がある。この特性のダメージは、特に、ローターブレードの、そして内壁の寿命低下の原因となり得る。
さらに、ターボ機械の稼働中に半径方向ギャップを測定するためのさまざまな光学式システムが、たとえば特許文献１および２から公知である。その上、ローターコンポーネントの確実な組み立てを実現するために二つの隣接するローターコンポーネントの半径を特定するためのセンサーを使用することが特許文献３から公知である。
米国特許第４，０４９，３４９号明細書 英国特許出願公開第２ ０６９ ６８９号明細書 米国特許第６，８９８，５４７号明細書
本発明の目的は、したがって、ローターブレードの相対的に長い寿命を、そして同時にターボ機械の非常に高い効率を実現する方法を提供することである。
この目的は、本発明によって達成されるが、本発明ではローターブレードを備えたローターの直径が特定され、ローターブレードリングを備えたローターが回転状態に置かれ、ローターブレードリングに対して割り当てられかつその領域の外部に配置されたクリアランス測定デバイスは、クリアランス測定デバイスを通過して回転しているローターブレードリングのローターブレードまでの距離を特定し、そして特定された距離はローターの直径を特定するために使用される。
これに関して、本発明は、内壁とローターブレードチップとの間の最小クリアランスの制御された低減によって、同時に効率を最適化しながら、比較的長い寿命を達成できるという知見に基づいている。この最小クリアランスは、ここでは、特に必須である。なぜなら、ローターブレードは、冷温状態でローターに設置されたとき、個々の公差モデル内に組み込む必要がある、ある程度の遊びを有しているからである。この遊びは、個々のローターブレードリング上の一体化されたローターブレードを備えたローターの直径のばらつきにつながる。
回転速度が十分に高い場合、回転中の遠心力はローター上の個々のホルダーにおけるローターブレードの遊びを排除する。この理由から、ローターブレードを備えたローターの直径は、存在しない遊びのために、ここで述べたように回転中に特定されるべきであり、実質的により小さな交差が、この場合には、内壁からの最小クリアランスに関して計画されるべきである。このために、ローターブレードリングに割り当てられたクリアランス測定デバイスは、後者の外部に配置され、そしてクリアランス測定デバイスを通過して回転しているローターブレードリングのローターブレードまでの距離が測定される。ローターの絶対直径は、この場合、センサーとローターの軸線との間の指定された、したがって既知のクリアランスに関連した計算によって特定することができる。ローターの半径を特定するには、既知のクリアランスから検出されたクリアランス減算する必要がある。
有利な形態では、ローターブレードリングに割り当てられた第２のクリアランス測定デバイスは、その領域の外部に配置される。単一のクリアランス測定デバイスは、ローターブレードと固定基準系との間のクリアランスのみを測定できるが、ローターの固定軸線に対する後者の関係は必ずしも既知ではない。第２のクリアランス測定デバイスとの組み合わせ、そして二つの測定デバイスの対応する較正によって、ローターの絶対直径の自動測定が可能となる。このために、第１のクリアランス測定デバイスに対する第２のクリアランス測定デバイスのポジションが特定され、そして第２のクリアランス測定デバイスを通過して回転しているローターブレードリングのローターブレードまでの距離が測定される。一般に、ターボ機械のローターの直径は軸方向に変動する。ガスタービンのタービン部はガスを膨張させるので、この例では、直径は出口に向かって増大する。したがって、この例でも内壁に対する最小距離の最適化を実現するために、別個のローターブレード長を有する各ローターブレードリングに関して、さらなる直径測定が実施されるべきである。このために、第２のローターブレードリングに割り当てられた第３のクリアランス測定デバイスが、有利なことには、後者の領域の外部に配置され、そして第３のクリアランス測定デバイスを通過して回転している第２のローターブレードリングのローターブレードに対する距離が測定される。一つ以上のクリアランス測定デバイスからなる、このタイプの付加的構成は、ローターの各軸方向領域の直径を、同時にかつ確実に特定することを可能とする。
上記方法の代替的または付加的な有利な実施形態では、個々のクリアランス測定デバイスは、ローターの軸方向に変位させられる。そうした変位可能に配置されたクリアランス測定デバイスによって、多数のクリアランス測定デバイスを使用することを要さずに、ローターのさまざまな軸方向領域における、さまざまなローターブレードリングでの測定が可能となる。
有利なことには、光学式クリアランス測定デバイス（特に有利な形態ではレーザークリアランス測定デバイス）が上記個々のクリアランス測定デバイスとして使用される。これによって、クリアランスの特に正確な測定が可能となり、これによって、内壁とローターブレードとの間の最小クリアランスを、さらに高い精度を伴って適合させることができる。
特に有利な形態では、上記方法は、バランス取りシステムにおいて、かつ／またはローターのバランス取りの間に実施される。バランス取りの間、ローターの不平衡は、それがタービン内での最終組み付けのために供給される前に対処される。このために、ローターは回転状態に置かれ、そして対応する不平衡が測定される。この処置（ここで回転がローターブレードの遊びを排除する）はまた、第２の目的、すなわち上記クリアランス測定のために使用でき、これによって、ローターの直径を特定するための特に迅速かつ経済的なプロセスが実現される。
有利なことには、測定の実行中に、回転動作に関して最小回転速度が指定される。これは、ローターブレードの遊びを確実に排除し、対応する誤差を除去するために選択される。この場合、最小回転速度は、特にローターのパラメータに基づいて特定されるべきである。
測定がなされる回転速度は、好ましくは、ローターの設定値回転速度と同じか、あるいは少なくともほとんど同じか、あるいはより高いものである。これは、特に、意図された使用の場合、特にタービンおよび圧縮機ブレードおよびディスクの場合のように、ローターの絶対直径を特定する際に考慮しなければならないコンポーネント長における遠心力依存変化が生じる、という利点を有する。そうしたブレードのエアフォイルが捻じれたものである場合、遠心力はブレードを直線状にすることさえあり、これはローターの直径に影響を及ぼし、そしてまた、内壁の直径を特定しかつ確定する際に考慮される。こうして特定されるローター直径は、これまでよりも、より正確に、内壁の直径を指定するために利用でき、ローターブレードチップと内壁との間の半径方向クリアランス寸法を、これまでよりも小さくすることができる。動作時、このように設計されたターボ機械は、それゆえ、これまでよりも、良好な効率を実現でき、そして製造の間に選択された半径方向ギャップが過度に小さいことによる、ローターブレードと内壁との間の擦れを確実に抑止することができる。
このようにして特定されたローターの直径は、有利なことには、ターボ機械の内部ケーシングの製造のために使用される。この例では、ローター直径の今や著しく低減された公差によって最小クリアランスを低減することができ、より高い効率が達成される。
ターボ機械は、有利なことには、上記方法を用いて製造され、そして有利な形態では、発電プラントにおいて使用される。
ターボ機械のローター用の測定システムに関して、本発明は、ローターブレードリングを形成する多数のローターブレードを備えたローターのための保持装置と、ローターを取り囲むバランス取りハウジングと、ローターを回転状態に置くよう構成された駆動装置と、クリアランス測定デバイスを通過して回転しているローターブレードリングのローターブレードまでの距離を測定するよう構成されたクリアランス測定デバイスとを備える測定システムによって達成される。測定システムは、続いて、ローター直径を特定するために、センサーとローターの軸線との間の距離を利用できる。
この測定は、ローターの不平衡とローター直径とを、後者のために、さらなる順次作業ステップを要することなく、同時に特定することを可能とする。したがって上記製造方法は時間を節約する。
さらに、センサーはバランス取りハウジングの内部に配置できるが、これは、製造に関して、ターボ機械の内部あるいは別体フレームワーク上よりも構築がはるかに容易である。この例では、センサーあるいは（状況次第では）センサヘッドと、ローターとの間の距離はまた、半径方向ギャップを特定するためにターボ機械で常に使用される従来型センサーの場合よりも実質的に大きな（たとえば数十セントメートル）ものとすることができる。これは、測定のセットアップを容易にし、かつ、センサーのコスト高な組み付けを回避する。別の利点に関して、センサーは、バランス取り中に生じる温度に耐えればよく、ガスタービンの運転温度に耐える必要はない。これは、実施可能なセンサーおよび測定方法の範囲を著しく増大させ、そしてまた安価なセンサーの使用を可能とする。好ましくは光学式センサーが使用される。
本発明を用いて得られる利点は、特に、回転中にローター直径を測定することは、内壁に対するクリアランスを製造の間に低減できかつターボ機械の効率をこれによって増大させることができるように、さらなる精度を伴ってローター直径を特定することを可能とするという事実にある。これは、ローター直径ならびにそれと関連付けられた交差およびアウトレット寸法の正確な予測によって初めて可能となる。ローター直径の最適制御は、したがって製造プロセスが最適化されることにつながる。
図面を参照して、本発明の代表的実施形態について説明する。
ガスタービンを示す図である。 バランス取りプロセス中のローターの理想化された断面図である。
全図において、同一部材には同じ参照符号を付している。
図１に示すように、ガスタービン１０１は、燃焼用空気用の圧縮機１０２と、燃焼器１０４と、圧縮機１０２および発電機または作業機械（図示せず）を駆動するためのタービンユニット１０６とを備える。このため、タービンユニット１０６および圧縮機１０２はタービンローターとも呼ばれる共通タービンシャフト１０８上に配置されるが、それに対しては発電機あるいは（状況によっては）作業機械もまた接続され、そして、それは、その中心軸線１０９を中心として回転可能に設置される。これらのユニットはガスタービン１０１のローターを形成する。燃焼器１０４（これは環状燃焼器として具現される）は液体または気体燃料を燃焼させるための複数のバーナー１１０を備えている。
タービンユニット１０６はタービンシャフト１０８に結合された多数の回転ローターブレード１１２を有する。ローターブレード１１２は、タービンシャフト１０８上にリング状に配置され、したがって、多数のブレードリングすなわち列を形成する。タービンユニット１０６は、さらに、多数の静止ガイドベーン１１４を備えるが、これは、ガイドベーン列を形成するためにタービンユニット１０６のガイドベーンキャリア１１６に対して、やはりリングの形態で取り付けられる。ローターレード１１２は、この例では、タービンユニット１０６を経て流れる作動流体Ｍからの衝撃伝達によってタービンシャフト１０８を駆動するように機能する。ガイドベーン１１４は、他方では、各場合に、（作動媒体Ｍの流れの方向に見たとき）二つの連続したローターブレード列またはローターブレードリング間の作動媒体Ｍの流れを案内する役割を果たす。ガイドベーン１１４のリングまたはガイドベーン列から、そしてローターブレード１１２のリングあるいはローターブレード列からなる連続した対は、この場合には、タービンステージと呼ばれる。
各ガイドベーン１１４はプラットフォーム１１８を有するが、これは、タービンユニット１０６のガイドベーンキャリア１１６に対して個々のガイドベーンを取り付けるための壁要素として機能する。プラットフォーム１１８は、この例では、比較的高い熱応力にさらされかつタービンユニット１０６を経て流れる作動媒体Ｍ用の高温ガス流路の外側境界を形成するコンポーネントである。各ローターブレード１１２は、類似の方法で、ブレードルートとも呼ばれるプラットフォーム１１９によって、タービンシャフト１０８に対して固定される。
リングセグメント１２１は、各場合に、二つの隣接するガイドベーン列のガイドベーン１１４の離間したプラットフォーム１１８間で、タービンユニット１０６のガイドベーンキャリア１１６上に配置されている。各リングセグメント１２１の外面は、この例ではやはり、タービンユニット１０６を経て流れる高温作動媒体Ｍにさらされ、しかも、ギャップによって向き合って配置されたローターブレード１１２の外側端部から半径方向に離間させられている。隣接するガイドベーン列間に配置されたリングセグメント１２１は、この例では、特に、被覆要素として機能するが、これは、タービン１０６を経て流動している高温作動媒体Ｍによって生じる熱的過負荷から、ガイドベーンキャリア１１６の内部ハウジングを、あるいはその他の一体化されたハウジング部品を保護する。
代表的実施形態では、燃焼器１０４は、環状燃焼器と呼ばれるものとして構成されるが、この場合、周方向にタービンシャフト１０８の周囲に配置された多数のバーナー１１０は、共通の燃焼器スペース内に開口している。このために、燃焼器１０４は、全体として、タービンシャフト１０８の周囲に配置された環状構造体として構成される。
一方側のローターブレード１１２と、他方側のリングセグメント１２１およびプラットフォーム１１８（これは共同で高温ガスチャネルの内壁を形成する）との間の図示するギャップは、効率を高めるために、特に小さく維持されるべきである。これは、ローター直径を正確に特定することによって可能となる。
ローター直径は、バランス取りプロセス中に測定される。ここで、タービンシャフト１０８およびローターブレード１１２を備えたローターが、図２に大まかに示すように、バランス取りハウジング１２２内に配置される。バランス取りプロセスの間、ローターは回転状態に置かれ、ローターの設定値回転速度で回転させられる。例えば、発電のために使用される定置型タービンのローターの場合、これはメイン周波数に依存して、３０００ｍｉｎ−１あるいは３６００ｍｉｎ−１である。この間に、対応する不均衡は特定され、そして相殺される。回転は、したがって、指定の最小回転速度で実施され、それゆえまた、タービンシャフト１０８への取り付け部におけるローターブレード１１２の遊びが排除される。この状態で、ローター直径は、このようにして、特別な精度を伴って測定できる。
特に、直径が特定される高い回転速度によって、ローターが動作中に有する直径は、シミュレーションによる場合に比べて、はるかに正確に特定することができる。ブレードは続いて、その保持スロット内に遊びを伴わずに着座させられ、一方、そのエアフォイルには遠心力依存伸びが生じるが、これは、ローター直径が特定されている間に測定システムによって検出される。
このために、図２には、四つのクリアランス測定デバイス１２４（これはレーザークリアランス測定デバイスとして形成されている）が、各場合に、互いに対向して、対をなすように配置されている。クリアランス測定デバイス１２４は、中心軸線１０９に沿って軸方向に移動可能であり、かつ、したがって、各場合に、いずれか一つのローターブレードリングに対して、対をなすように、割り当てることができる。各ローターブレードリングにおけるローター直径が両側においてローターブレード１１２までの距離を測定することによって正確に特定できるように、各場合に、対をなすように配置されたクリアランス測定デバイス１２４間の分離距離は予め正確に特定された。
総括すると、本発明は、ターボ機械の、ローターブレード１１４を備えたローターの直径を特定するための方法に関する。ローターブレードの相対的に長い寿命を、そして同時にターボ機械の特に高い効率を実現するために、ローターブレードリングを備えたローターを回転状態に置き、そしてクリアランス測定デバイス１２４を通過して回転しているローターブレードリングのローターブレード１１４に対する距離を続いて測定するために、その領域の外部にローターブレードリングに対して割り当てられたクリアランス測定デバイス１２４を配置することが提案される。この距離は、ローター直径を特定するために、センサーとローターの軸線との間の距離と関連付けて利用できる。ローター直径は、続いて、ターボ機械の設計および組み立てにおいて考慮することができる。
この知識は、ガスタービン１０１の製造の際に、内壁とローターブレード１１２との間のギャップを最小化することを、そして、そうすることで効率を高めることを可能とする。
１０１ ガスタービン
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ タービンユニット
１０８ タービンシャフト
１０９ 中心軸線
１１０ バーナー
１１２ 回転ローターブレード
１１４ 静止ガイドベーン
１１６ ガイドベーンキャリア
１１８ プラットフォーム
１１９ プラットフォーム
１２１ リングセグメント
１２２ バランス取りハウジング
１２４ クリアランス測定デバイス
この目的は、本発明によって達成されるが、本発明ではローターブレードを備えたローターの直径が特定され、ローターブレードリングを備えたローターが回転状態に置かれ、ローターブレードリングに対して割り当てられかつその領域の外部に配置されたクリアランス測定デバイスは、ローターの設定値回転速度と同じか、あるいはほとんど同じか、あるいはより高い回転速度でクリアランス測定デバイスを通過して回転しているローターブレードリングのローターブレードまでの距離を特定し、そして特定された距離はローターの直径を特定するために使用される。
回転速度が十分に高い場合、回転中の遠心力はローター上の個々のホルダーにおけるローターブレードの遊びを排除する。この理由から、ローターブレードを備えたローターの直径は、存在しない遊びのために、ここで述べたように回転中に特定されるべきであり、実質的により小さな交差が、この場合には、内壁からの最小クリアランスに関して計画されるべきである。このために、ローターブレードリングに割り当てられたクリアランス測定デバイスは、後者の外部に配置され、そしてクリアランス測定デバイスを通過して回転しているローターブレードリングのローターブレードまでの距離が測定される。ローターの絶対直径は、この場合、センサーとローターの軸線との間の指定された、したがって既知のクリアランスに関連した計算によって特定することができる。ローターの半径を特定するには、既知のクリアランスから検出されたクリアランス減算する必要がある。測定がなされる回転速度は、ローターの設定値回転速度と同じか、あるいは少なくともほとんど同じか、あるいはより高いものである。これは、特に、意図された使用の場合、特にタービンおよび圧縮機ブレードおよびディスクの場合のように、ローターの絶対直径を特定する際に考慮しなければならないコンポーネント長における遠心力依存変化が生じる、という利点を有する。そうしたブレードのエアフォイルが捻じれたものである場合、遠心力はブレードを直線状にすることさえあり、これはローターの直径に影響を及ぼし、そしてまた、内壁の直径を特定しかつ確定する際に考慮される。こうして特定されるローター直径は、これまでよりも、より正確に、内壁の直径を指定するために利用でき、ローターブレードチップと内壁との間の半径方向クリアランス寸法を、これまでよりも小さくすることができる。動作時、このように設計されたターボ機械は、それゆえ、これまでよりも、良好な効率を実現でき、そして製造の間に選択された半径方向ギャップが過度に小さいことによる、ローターブレードと内壁との間の擦れを確実に抑止することができる。

Claims (13)

  1. ターボ機械の、ローターブレード（１１４）を備えたローターの直径を特定するための方法であって、
    ローターブレードリングを備えた前記ローターが回転状態に置かれ、前記ローターブレードリングに対して割り当てられたクリアランス測定デバイス（１２４）は、前記ローターブレードリングの領域の外部に配置され、かつ、
    前記クリアランス測定デバイス（１２４）を通過して回転している前記ローターブレードリングの前記ローターブレード（１１４）までの距離が測定され、かつ、前記ローターの前記直径を特定するために使用されることを特徴とする方法。
  2. 前記ローターブレードリングに対して割り当てられた第２のクリアランス測定デバイス（１２４）は、前記ローターブレードリングの領域の外部に配置され、
    前記第１のクリアランス測定デバイス（１２４）に対する前記第２のクリアランス測定デバイスのポジションが特定され、
    前記第２のクリアランス測定デバイス（１２４）を通過して回転している前記ローターブレードリングの前記ローターブレード（１１４）までの距離が測定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 第２のローターブレードリングに対して割り当てられた第３のクリアランス測定デバイス（１２４）が前記第２のローターブレードリングの領域の外部に配置され、
    前記第３のクリアランス測定デバイス（１２４）を通過して回転している前記第２のローターブレードリングの前記ローターブレード（１１４）までの距離が測定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
  4. 前記個々のクリアランス測定デバイス（１２４）は、前記ローターの軸方向に変位させられることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 光学式クリアランス測定デバイス（１２４）が、前記個々のクリアランス測定デバイス（１２４）として使用されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の方法。
  6. レーザークリアランス測定デバイス（１２４）が、前記光学式クリアランス測定デバイス（１２４）として使用されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. バランス取りシステムおよび／または前記ローターのバランス取り中に実施されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 最小回転速度が回転動作のために規定されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 測定中、前記回転速度は、前記ローターの前記設定値回転速度と同じあるか、ほとんど同じであるか、あるいはそれよりも高いことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 前記ローターの前記直径は、前記ターボ機械の前記内部ハウジングの製造および／または組立中に考慮されることを特徴とする請求項１ないし請求項９の方法。
  11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の方法を用いて製造されたターボ機械。
  12. 請求項１１に記載のターボ機械を有する発電プラント。
  13. ターボ機械のローター用の測定システムであって、ローターブレードリングを形成する多数のローターブレード（１１４）を備えた前記ローター用の保持装置と、前記ローターを取り囲むバランス取りハウジングと、前記ローターを回転状態に置くよう構成された駆動装置と、前記バランス取りハウジング内に配置されかつ前記クリアランス測定デバイス（１２４）を通過して回転している前記ローターブレードリングの前記ローターブレード（１１４）までの距離を測定するよう構成されたクリアランス測定デバイス（１２４）と、を有することを特徴とする測定システム。
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