JP2017082768A - ターボ機械の原位置でロータを加熱するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械の原位置でロータを加熱するシステム及び関連するロータを提供する。【解決手段】ターボ機械１９０の原位置でロータ２１０を加熱するシステム２００が、単に外部のタービンケーシング２０４から加熱する従来のシステムとは対照的に、ロータ２１０を加熱する。加熱システム２００は、ロータ２１０の外部表面の一部分を加熱するための加熱エレメント２３０を含む。他では、加熱システム２００は、少なくとも部分的にロータ２１０内に配置された加熱エレメント２３０と、加熱システム２００を有するロータ２１０とを含むことができる。また、加熱エレメント２３０の作動を制御するコントローラを含む。【選択図】図３

Description

本開示は一般に加熱システムに関し、詳細にはターボ機械の原位置でロータを加熱するシステム及び関連するロータに関する。

蒸気タービンなどの特定のターボ機械を始動させるために、通常、ターボ機械の各部材が適切な温度にあることを保証する必要がある。始動温度制御は、ターボ機械が冷間始動、暖気始動、又は高温始動から、すなわち動力発生が一時的に停止した後に始動するか否かに関わらず望ましい。始動温度制御は、例えば、部材間の適切な寸法公差及びクリアランスを保証して最適化するために、作動流体で部材を加熱することに起因する緩慢な始動を防止するために、及び部材寿命を短くする可能性のある低サイクル疲労を制御するために必要である。

従来、加熱ブランケットは、例えば蒸気タービンの高圧又は中圧ケーシングの外側に熱を加えるためにターボ機械のケーシング（又はシェル）に適用される。ブランケットからの熱は、ケーシングを通ってバケットを含むタービンの様々な部材の中へ、理想的にはロータ内を通って伝達される。加熱ブランケットは、単一のケーシングに対して適切に機能するが、二重ケーシングを用いる場合は問題を提起する。特に、図１の概略断面図に示すように、二重ケーシングのタービン６に関して、加熱ブランケット１０からの熱伝達８は、熱が内部部材に到達する前に外部ケーシング１４と内部ケーシング１６と間の間隔１２を通って熱を伝達する必要があるので、非常に困難である。加えて、ターボ機械の中に存在する種々の材料／部材の熱伝導率は、所望の熱伝達には有害となる場合のある断熱作用を有する接続部２０（複数の点）の間に一連の熱抵抗を生じる場合がある。例えば、外部ケーシング１４の熱抵抗は内部ケーシング１６より高い場合があり、もしくは内部ケーシング１６の熱抵抗はロータ２４より高い場合があり、各接続点セットの間の温度降下を引き起こす。また、加熱ブランケットの配置によって、ロータ２４の中を通って伝達される必要がある熱は、作動流体１８の流路によって奪われて弊害をもたらす。

米国特許第７９８５０４５号明細書

本開示の第１の態様は、ターボ機械のケーシングの原位置でロータを加熱するシステムを提供し、加熱システムは、ターボ機械のケーシングの原位置でロータの少なくとも一部分を加熱する加熱エレメントを備える。

本開示の第２の態様は、ターボ機械のケーシングの原位置でロータを加熱するシステムを提供し、加熱システムは、ターボ機械のケーシングの原位置でロータの外部表面の少なくとも一部分を加熱するように構成された第１の加熱エレメントと、第１の加熱エレメントの作動を制御するためのコントローラとを備える。

本開示の第３の態様は、ターボ機械のためのロータを提供し、ロータは、細長い本体と、ターボ機械の原位置でロータの少なくとも一部分を加熱するために細長い本体において少なくとも部分的に配置された加熱エレメントとを備える。

第４の態様は、ターボ機械のケーシングの原位置でロータを加熱するシステムを含むことができ、加熱システムは、ターボ機械のケーシングの原位置でロータの内側部分を加熱するために少なくとも部分的にロータ内に配置されるように構成された加熱エレメントと、加熱エレメントの作動を制御するコントローラとを備える。

本開示の例示した態様は、本明細書に記載した問題点及び／又は記載していないその他の問題点を解決するように設計されている。

本開示のこれら及び他の特徴は、本開示の種々の態様を表した添付図面を参照しながら本発明の種々の態様に関する以下の詳細な説明から容易に理解されるであろう。

加熱ブランケットを用いる従来のターボ機械の概略断面図。 本開示の実施形態による加熱システムを用いる蒸気タービンの形態での例示的なターボ機械の一部を切り取った斜視図。 本開示の実施形態による加熱システムを用いるターボ機械の概略断面図。 本開示の実施形態による、ロータの外部表面のための加熱システムの詳細断面図。 本開示の別の実施形態によるロータの外部表面のための加熱システムの詳細断面図。 本開示の別の実施形態によるロータの外部表面のための加熱システムの詳細断面図。 本開示の実施形態によるロータの内側部分のための加熱システムの詳細断面図。 本開示の別の実施形態によるロータの内側部分のための加熱システムの詳細断面図。 本開示の実施形態による永久磁石型発電機を用いるロータの内側部分のための加熱システムの詳細断面図。 本開示の実施形態によるロータの異なる内部軸方向位置に関する加熱システムの詳細断面図。 本開示の実施形態による種々の代替構造を用いる図１０の加熱システムの詳細断面図。

本発明の図面は必ずしも縮尺通りではない点に留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面では、同じ参照符号は、複数の図面にわたり同じ要素を示している。

上述の通り、本開示は、ターボ機械の原位置でロータを加熱するシステムを提供する。単に外部ケーシングから熱を伝達する従来のシステムとは対照的に、本開示の実施形態はロータを直接的に加熱する。加熱システムは、様々な実施形態の形をとることができる。一実施形態では、加熱システムは、ターボ機械の原位置でロータ外部表面の一部を加熱するための加熱エレメントを含む。別の実施形態では、加熱システムは、ターボ機械の原位置でロータを加熱するために、少なくとも部分的にロータ内に配置された加熱エレメントを含むことができる。各実施形態は、加熱エレメントの作動を制御するコントローラを含むことができる。本明細書に記載の加熱システムは、限定されるものではないが、閉ループ温度制御を行って、加熱ブランケットからの内部熱流を補充及び／又は相殺して所望の構成部材の温度を維持する、温度変化率を制御する、始動前及び始動時プロセスの温度変化率を制御する、所望の始動特性に釣り合う構成部材温度を生成する、始動中のクリアランス、ケーシング応力、及び特異なサイクル疲労を管理及び最適化するためにケーシング及びロータ温度を調整する等の利点を提供することができる。付加的な利点としては、始動前のロータの「湾曲（ｂｏｗ）」状態の回復（ロータ加熱及びターニングギヤを用いて）、並びにロータ湾曲状態からの始動振動及び始動時間の低減を挙げることができる。また、本開示の実施形態を用いて、始動中にロータからロータへのラビットフィット界面の温度差（過度な温度差が生じる場合には、結合又はラビットフィットの喪失、及びターボ機械の過度の振動をもたらす場合がある）を低減することができる
図面を参照すると、図２は、蒸気タービン１００の例示的な形態でのターボ機械９０の一部を切り取った斜視図を示す。蒸気タービン１００は、ロータ１１４と、軸方向に間隔を空けて配置された複数のローターホイール１１８とを含む。複数の回転ブレード１２０は各ローターホイール１１８に機械的に連結される。より詳細には、ブレード１２０は、各ローターホイール１１８の周りに周方向に延びる列を成して配置されている。複数の固定ベーン１２２は、ロータ１１４の周りに周方向に延び、ベーンは、隣接するブレード１２０の列の間に軸方向に位置決めされる。固定ベーン１２２は、ブレード１２０と協働して段を形成し、タービン１００を通る蒸気流路の一部を定める。作動時、蒸気１２４はタービン１００の入口１２６に入り、固定ベーン１２２を通して送られる。ベーン１２２は、蒸気１２４をブレード１２０に対して下流へ配向する。蒸気１２４は、残りの段を通過して、ロータ１１４を回転させる力をブレード１２０に加える。ロータ１１４の１以上の端部は、限定されるものではないが、発電機及び／又は別のタービンなどの負荷又は機械装置（図示せず）に取り付けることができる。本開示の一実施形態では、図２に示すように、タービン１００は５段を備える。５段は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４と呼ぶ。段Ｌ４は第１段であり、５段の中で最も小さい（半径方向に）。段Ｌ３は第２段であり、軸方向に次の段である。段Ｌ２は第３段であり、５段の中央に示される。段Ｌ１は４番目で最後から２番目の段である。段Ｌ０は最終段であり、最も大きい（半径方向に）。５段は単に例示的に示されており、各タービンは５段よりも多い又は少ない段を有することができることを理解されたい。また、本明細書に記載するように、本発明の教示は複数段のタービンを必要としない。さらに、本発明の教示は蒸気タービンに関して記載されるが、ターボ機械９０は、例えば始動中に、限定されるものではないが、ガスタービン、蒸気タービン、及び圧縮機を含む内部部材の加熱を必要とする何らかの形態のターボ機械を含み得ることに留意されたい。

図３は、本開示の実施形態による加熱システム２００を用いる、例えば蒸気タービンなどの例示的なターボ機械１９０の概略断面図を示す。ターボ機械１９０は、例えば、ガスタービン、蒸気タービンシステムの高圧、中圧又は低圧部分、圧縮機などの、大型ターボ機械システムの何らかのセクションを含むことができる。例示的なターボ機械１９０は、外部ケーシング２０４及び内部ケーシング２０６を含めて示される。しかしながら、本発明の教示は二重シェル型ターボ機械に限定されず、単一シェル型機械に同様に適用できることに留意されたい。ロータ２１０が示されており、ターボ機械１９０の原位置つまりケーシング２０４、２０６内の作動位置に配置されている。タービン２１２は、ロータ２１０に連結し、図２のターボ機械９０に関して説明したように、ターボ機械１９０のブレード／ベーン段を含むことができる（集合的に台形で示す）。作動流体２１４（例えば、蒸気、空気、燃焼燃料など）が示されており、タービン２１２を通り抜ける及び／又はその周りを移動する。本開示の実施形態による熱伝達経路は、曲線矢印２２０で示されており、熱抵抗接続点２２２、例えばターボ機械内の離散的温度位置は、点の形態で示される。複数の軸受２２４は、従来方式でロータ２１０の軸方向長さに沿って用いることができる。

図３に示す実施形態では、加熱システム２００は、本開示の実施形態に従って示されており、ターボ機械１９０のケーシング２０４及び／又は２０６の原位置でロータ２１０を加熱する。一般に、加熱システム２００は、ターボ機械のケーシングの原位置でロータ２１０の少なくとも一部を加熱する何らかの形態の加熱エレメント２３０を含むことができる（本明細書では例示的な実施形態を詳細に説明する）。図示のように、従来システムとは対照的に、熱はロータ２１０内で作り出され、その中を軸方向に伝達しかつケーシング２０４、２０６等の内部部材に伝達するので、熱は、矢印２２０で示すように半径方向外側へ伝達する。以下に説明するように、加熱ブランケット２３２を用いる場合、加熱システム２００は、熱伝達をバランスさせるように及び／又はターボ機械１９０、例えば熱抵抗接続部２２２を通る熱伝達を改善するように機能することができる。

図４〜図１１を参照すると、本開示による加熱システム２００の例示的な実施形態が提示される。図４〜図６は、加熱エレメント３３０、４３０がロータ２１０の外部表面２４０の少なくとも一部を加熱するように構成されるロータ２１０の拡大詳細断面図を示し、図７〜図１１は、加熱エレメント５３０がロータ２１０の内部の少なくとも一部を加熱するように構成されるロータ２１０の拡大詳細断面図を示す。

図４を参照すると、一実施形態では、ロータ２１０の外部表面２４０の一部分を加熱するための加熱エレメント３３０は、ロータ２１０の外部表面２４０の少なくとも一部に隣接して配置された誘導加熱コイル３３２を含むことができる。（加熱コイル３３２は、ロータ２１０を囲むようにページの内外に延びる）。加熱コイル３３２は、例えば９０°、１８０°、３５０°、３６０°等の所望の加熱を行うのに必要な程度にロータ２１０を取り囲むことができる。誘導加熱は公知の技術であり、発振回路が高周波電流（ＡＣ）を金属誘導加熱コイル３３２に送出する。この電流により、コイルで取り囲まれた体積の中に電磁束が生じる。この体積内に電気抵抗が小さい物体（例えば、金属）を配置すると、渦電流は、到来するコイル磁束に抗して物体の外部表面に発生する。次に、渦電流はジュール熱によって物体を加熱する。コントローラ３４０は、加熱エレメント３３０に接続してその作動を制御することができる。１又は２以上の温度センサ３３４を設けるこができ、温度センサ３３４は、センサロータ２１０の外部表面の少なくとも一部分の温度を検知するように構成できる。本開示の全体に亘って説明する温度センサ３３４としては、熱電対、赤外線センサ、光ファイバセンサ等の何らかの現在公知の又は今後開発される温度センサを挙げることができる。後述の実施形態に関して説明するように、温度センサ３３４は、光ファイバ温度センサの形態で設けることもできる。

図５に示す別の実施形態では、サセプタ部材４３２は、ロータ２１０の外部表面２４０の少なくとも一部、例えば９０°、１８０°、３５０°、３６０°を囲んで設けることができる。サセプタ部材４３２は、誘導加熱コイル３３４Ａ及び／又は電気抵抗ヒータ４３４からエネルギーを吸収して、そこから熱を伝達する及び／又はエネルギーを熱に変換することができる何らかの材料、例えば金属を含むことができる。図５の実施形態では、シールパック３３８が設けられており、外部ケーシング２０４及びロータ２１０をシールする。シールパック３３８は、何らかの現在公知の又は今後開発されるシールパック構造を含むことができる。サセプタ部材４３２をシールパック３３８と共に使用することによって、ロータ２１０及び外部ケーシング２０４の両方に熱が付与され、図４の実施形態に比べて追加の熱損失阻止が可能になる。さらに、熱は最初にサセプタ部材４３２に入り次にロータ２１０に入るので、サセプタ部材４３２の使用は、図４の実施形態に比べてより良好に熱を拡散するように機能することができるので、ロータ２１０及び／又は軸受２２４の過熱を低減することができる。図５の実施形態では、サセプタ部材４３２は、内部に加熱エレメント４３０を含むことができる。図５に示すように一実施形態では、加熱エレメント４３０は、抵抗ヒータ、つまり、電流を流すことで熱を作り出すことができる任意の要素を含むことができる。もしくは、図６に示すように、加熱エレメント４３０は、抵抗ヒータ４３４及びインダクタンスヒータ４３６（誘導加熱コイル３３２（図４）と同様）を含むことができる。いずれの場合も、ヒータ４３４及び／又は４３６の各々は、ヒータの作動を制御するコントローラ３４０に接続することができる。図４〜図６に示すように、１又は２以上の温度センサ３３４は、ロータ２１０又は他部材の温度を検知するように構成することができる。コントローラ３４０は、検知された温度に基づいて加熱エレメント４３４及び／又は４３６の作動を制御することができる。

温度センサ３３４は、温度監視が望まれる任意の数の場所に配置することができる。一実施形態では、図５〜図６に示すように、温度センサ３３４Ａはサセプタ部材４３２の中に又はその表面にある。追加的に又は代替的に、外部ケーシング２０４の一部をロータ２１０に対してシールするためのシールパック３３８がロータ２１０に隣接して配置される場合、温度センサ３３４Ｂは、シールパックの中に又は表面に配置することができる。この断面図には示されていないが、温度センサ３３４は、ロータ２１０の周りの任意の場所に配置できることを理解されたい。

さらに図４〜図６の実施形態に関して、ケーシング２０４の１つの端部で１つの軸方向位置が加熱されるように示されるが、本明細書で説明するような加熱エレメント２３０、３３０、４３０を用いてロータ２１０の任意の数の軸方向位置を加熱することが可能であることに留意されたい。例えば、図３に示すように、ロータ２１０は、ケーシング２０４の各端部で加熱することができる。もしくは、図４に示すように、例えば、加熱エレメント３３０及び３３０’（点線で示す）を使用して、ケーシング２０４の１つの端部での２以上の軸方向位置を加熱することができる。同様に、複数の軸方向位置加熱は、図５及び６の実施形態に対して適用することができる。

本明細書で説明する様々な実施形態で使用されるコントローラ、例えば図４〜図６のコントローラ３４０は、使用する１又は２以上の温度センサからのフィードバックに基づいて、加熱エレメントを制御することができる何らかの現在公知の又は今後開発される産業機械制御プロセッサを含むことができる。コントローラ３４０は、独立型コントロータとすること、又は他のターボ機械１９０の制御部と一体とすることができる。例えば、図４〜図６の実施形態に関して、コントローラ３４０は、検知温度に基づいて加熱エレメント３３０、４３０及び／又は３３０’（図４）の作動を自動的に制御して、所望の熱を発生させること及び軸受２２４等の過熱を防止することができる。コントローラ３４０は、様々な目的の一部を達成するように加熱エレメントを作動させることができ、限定されるものではないが、閉ループ温度制御を行って、加熱ブランケット２３２（図３）（存在する場合）からの内部熱流を補充及び／又は相殺して所望の構成部材の温度を維持する、温度変化率を制御する、始動前及び始動時プロセスの温度変化率を制御する、所望の始動温度に釣り合う構成部材温度を生成する、始動中のクリアランスを管理及び最適化するためにケーシング及び／又はロータ温度を調整する、ロータ湾曲をなくすためにロータ温度を管理する等である。別の実施例では、コントローラ３４０は始動初期段階でロータ温度を制御して、クリアランスを最適化して最初に流入する蒸気の冷却作用に最小にすることができる。本明細書では、コントローラから種々の他の部品への特定の数の電線／線路が示されているが、電線の数は使用する実施形態に応じて様々であることに留意されたい。例えば、ロータが接地される場合、ロータ本体を電流のリターンパスとして使用することができるので、カルロッド（ｃａｌｒｏｄ）回転電気接続点の数を、例えばカルロッドにつき２から１に低減することができる。

図４〜図６の実施形態の非接触性は多くの利点を提供する。例えば、加熱エレメント３３０、４３０及び／又は３３０’は、新規のターボ機械に容易に組み込むことができ、又はスペースに余裕がある場合には既に現場にあるロータに組み込むことができる。さらに、熱は、ロータ２１０を何ら変更することなくロータ２１０等の回転部材に付与することができる。

図７〜図１１を参照すると、別の実施形態では、加熱エレメント５３０は、少なくとも部分的にロータ２１０の中に配置することができる。本明細書で用いる場合、「〜の中に配置する」とは、加熱エレメントからの熱をロータに伝達できる方法で、加熱エレメントが少なくとも部分的にロータ２１０の細長い本体の内部にあることを示し、加熱エレメントは、必ずしもロータの材料と完全に接触するか又はそれで取り囲まれる必要はない。換言すると、加熱エレメント５３０が配置されるロータ２１０の開口又はボア５３２は、図７に示すように加熱エレメントに近接すること又は接触すること、又は図８に示すように加熱エレメント５３０を単に取り囲むこと、又はこれらの組合せとすることができる。

図７〜図１１において、加熱エレメント５３０は少なくとも１つのカルロッド（ｃａｌｒｏｄ）５４０を含むことができる。「カルロッド」は、熱が電流によって抵抗性（ジュール熱）で生成される管体、コイル、又は他の構成の形態の何らかの種々の公知のワイヤ加熱エレメントとすることができる。カルロッド５４０は、限定されるものではないが、例えば、ＦＩＲＥＲＯＤ（商標）としてＷａｔｌｏｗ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．から入手可能なカートリッジヒータ等の多くの方法で用いることができる。一般的に、カートリッジヒータは、カルロッドを囲むケーシング及び何らかのこれに対する必須の電気接続点を含む。図示の実施形態では、各カルロッド５４０は、ロータ２１０の一方の端部からロータ（穴５３２）の中に延在する。各カルロッド５４０は、ロータ２１０の外部に少なくとも１つの電気接点５４２を含み、ロータ２１０が回転する際にカルロッドに電力を供給することができる。一実施形態では、図７に示すように単一のカルロッドを用いる場合、電気接点５４２は、ロータ２１０と共に回転する際にそれぞれのカルロッド５４０の外部と電気的に接触するブラシ電気接点５４４を含むことができる。ブラシ電気接点５４４はコントローラ３４０に作動的に接続され、コントローラ３４０は、カルロッド５４０への電力供給に適した大きさの交流（ＡＣ）電源を含むことができる。別の実施形態では、図８に示すように、電気接点５４２は、カルロッドに電力を供給するためにカルロッド４０に作動的に接続された誘導変圧器５５０を含むことができる。誘導変圧器５５０は、固定部材とロータ上の回転部材との間で電力を電磁誘導する何らかの現在公知の又は今後開発されるデバイスを含むことができる。また、誘導変圧器５５０はコントローラ３４０に作動的に接続され、コントローラ３４０は、カルロッド５４０に電力を供給するのに適した大きさの交流（ＡＣ）電源を含むことができる。各カルロッド５４０自体は、誘導変圧器５５０に対する結合部を有することができ、各カルロッドは、結合部を共有することができる。

別の実施形態では、図９に示すように、随意的に、永久磁石式発電機５６０は、ロータ２１０と作動的に結合して、例えば加熱エレメント５３０及び／又はコントローラ３４０に電力を供給することができる。発電機５６０はロータ２１０と相互作用して、公知の方法でコントローラ３４０及び／又は加熱エレメント５３０のための電力を発生する。コントローラ３４０は、発電機５６０によって生成される電力及び加熱エレメント（複数可）５３９に送出される電力を制御することができる。図９には、誘導変圧器５５０を含む加熱システム２００が示されているが、発電機５６０は、本明細書に記載する実施形態の何れかと共に用いることができることに留意されたい。

図１０を参照すると、別の実施形態では、加熱エレメント５３０は、少なくとも部分的にロータ２１０内に配置された複数の加熱サブ要素５７０、例えばカートリッジヒータの形態のカルロッド５４０を含むことができる。この場合、各加熱サブ要素５７０は、ロータ２１０の異なる軸方向位置を加熱する。換言すると、各加熱サブ要素５７０は、ロータ２１０の中へ異なる距離で延在してロータ２１０の異なる軸方向位置を加熱することができる。このようにして、ロータ２１０は、非常に正確に加熱することができる。コントローラ３４０は、各加熱サブ要素５７０の作動を制御することができる。ロータは１つのカルロッドが作動可能である限り依然として加熱することができるので、複数のカルロッドは、ロータ加熱システムの信頼性を高める。

複数の温度センサ３３４は、異なる軸方向位置のそれぞれの位置でロータ２１０の温度を検知するように構成された各温度センサ３３４を用いることができる。コントローラ３４０は、異なる軸方向位置の検知温度、例えば、それぞれの温度及び／又はその周囲の温度に基づいて各加熱サブ要素５７０の作動を制御することができる。温度センサ３３４は、ロータ２１０上の熱電対、ロータ２１０に関する異なる外部軸方向位置に焦点を合わせた光学式センサなど、多くの様式で実装することができる。一実施形態では、図１０に示すように、熱電対又は光ファイバ温度センサ等の複数の温度センサ３３４は、ロータ２１０の中に配置することができる。本技術分野で理解されるように、光ファイバ温度センサ５８０は、１又は複数の光ファイバのストランド５８２を含むことができ（図１１参照）、その端部は、ロータ２１０の選択された軸方向位置に配置することができ、原位置で温度を測定する。光ファイバ温度センサ５８０は、単一の光ファイバケーブルを用いてロータ開口５３２内部のロータ軸に沿った複数位置でのロータ温度監視を可能にする。図１０及び１１の実施形態に関して示されているが、光ファイバ温度センサ５８０は、本明細書に記載の何らかの実施形態に適用することができる。

図１１を参照すると、別の実施形態では、本明細書に記載する加熱システム２００の変形形態を統合することができ、これは、例えば、内部加熱エレメント５３０の能力を低減するために、又はタービン２１２（図３）の始動中に補足的な加熱を与えるバックアップシステムとして好都合である。統合システムは、蒸気タービンロータの前方端部に対して特に好都合である。図１１は統合した加熱エレメントの一例を示し、図７〜図１０のようにロータ２１０内に配置された少なくとも１つの第１の加熱サブ要素５７０と、図４〜図６のようにロータ２１０の外部表面２４０の少なくとも一部を加熱するように構成された少なくとも１つの第２の加熱エレメント３３０（例えば、誘導加熱コイル）とを含むことができる。図１１は、内部及び外部加熱エレメントの特定の実施形態を示すが、何らかの実施形態を組合せて使用できることに留意されたい。また、図１１に示すように、上述の何れの実施形態でも、外部ケーシング２０４の外側を加熱するように構成された加熱ブランケット５８３を用いることができる。

コントローラ３４０は、加熱中にロータ２１０を回転させるための、ターボ機械１９０の一部分であるターニングギア５８４を制御するために作動的に接続することができ、これによって、より均一なロータの加熱及びホットスポットの防止を助けることができる。また、コントローラ３４０は、例えば、流量調節弁の直接制御によって又はターボ機械コントローラ全体によって、ターボ機械１９０の中への作動流体の流れを制御するために作動的に接続することができ、結果的に、コントローラ３４０は、作動流体の流れを制御することでターボ機械の加熱をさらに制御することができる。

また、図７〜図１１に示すように、本開示の実施形態は、ターボ機械用のロータ２１０を含むことができる。ロータ２１０は、細長い本体２１８（図１０）と、本明細書で説明するようにロータの少なくとも一部を加熱するために少なくとも部分的に細長い本体の中に配置された加熱エレメント５３０とを含むことができる。また、ターボ機械１９０のケーシング２０４の原位置でロータ２１０を加熱するシステム２００も設けられており、加熱エレメント５３０は、ロータの内側部分を加熱するためにロータ内に少なくとも部分的に配置されるように構成される。コントローラ３４０は、加熱エレメント５３０の作動を制御する。

ロータ２１０に対する内部加熱を可能にする本開示の実施形態、図７〜図１１は、図４〜図６の外部ヒータに比較して多くの付加的な利点をもたらす。例えば、内部加熱は、タービン２１２（図３）のコアに対して直接的に熱を供給し、そこでは、ロータ２１０の軸に沿うボア（開口）５３２（図１０）を介して最も効率的に熱が付与される。また、加熱エレメント５３０がロータ２１０の低応力領域に配置されるので、内部加熱はより安全とすることができる。また、内部加熱エレメント５３０により、例えば定期保守時の加熱エレメントの付加、除去、及び交換が容易になる。また、内部加熱エレメント５３０は、「ロータ湾曲」の回復時間を改善し、かつスローロール及び／又はターニングギア作動中のロータ湾曲に起因するロータ振動を低減することができる。さらに、内部加熱は、ロータ２１０からの（間接的な又は放射）加熱による内部タービン又は圧縮機ケーシング温度を与え、結果的に始動時の温度勾配が小さくなり、始動速度及び時間が低減する。また、内部加熱は、ロータ−ケーシングの熱的膨張の管理、並びにロータ、ケーシング、シールパック、及び関連部材のクリアランスの最適化を可能にするので、熱的膨張の過渡クリアランス極値が低減され、始動時の熱的性能が改善される。結果として、内部加熱は、温度勾配の低減による回転するブラケット、ブレード、ベーン、及びノズル／ダイアフラム翼形部寿命と、蒸気タービン始動中の衝撃とを改善し、これによって低サイクル疲労（ＬＣＦ）の問題及び部材寿命を改善する。

ロータ２１０内部に複数の加熱エレメント５３０を使用することによって、図１０−１１に関連して説明したように、多くの付加的な利点がもたらされる。例えば、複数の加熱エレメントは、適切な加熱エレメント長の選択によって加熱位置の選択を可能にすることによって、すなわち軸受からの熱の伝達を最適化するために、軸受２２４の加熱を最小限にする。また、加熱出力は、複数の加熱エレメントを用いてロータの軸方向位置に関して容易にカスタマイズすることができる。また、加熱エレメント長を変えることで、ロータ２１０の軸に沿った「ゾーンロータ温度制御」が可能になり、必要であればその長さに沿ったロータ２１０の可変加熱が可能になり、又はタービン始動の最適化のための温度上昇が可能になる。また、複数の加熱エレメント５３０は、ターボ機械１９０の耐用期間での信頼性に関してある程度の冗長性を与える。

以上のように、本開示の実施形態は、例えば、蒸気タービン、ガスタービン、及び圧縮機等のあらゆるターボ機械環境に適用可能である。結果として、本開示の実施形態は、低サイクル疲労を含むロータのサイクル応力を著しく低減するか又は除去し、多種多様なターボ機械に関する冷間始動に関連する温度サイクルを除去することによってロータ寿命を延ばすことができる。さらに、本開示の教示は、温度及び温度変化率を監視及び制御するために、温度過渡状態を制御して所望の温度を維持するために、冷却速度を制御するために、並びにロータとケーシングの温度を一致させるために適用可能である。本開示の教示は、種々のターボ機械セクションに適用して、例えば、蒸気タービン用途で高圧、低圧、及び中圧ロータ等の様々な温度を必要とする種々のセクションに対して。可変の熱注入を可能にすることができる。

本開示の教示は、多くの実施形態に関連して本明細書に記載したが、本開示の範囲内と見なされる多くの代替的な方法でロータを加熱できることに留意されたい。例えば、加圧された熱水又は蒸気等の他の媒体を用いてロータ内の流路を介してロータを加熱することができる。

本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、「含む」及び／又は「備える」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部材の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部材及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。

特許請求の範囲における全ての手段又はステッププラス機能要素の対応する構造、材料、作用及びその均等物は、特に特許請求したような他の特許請求した要素と組合せて機能を実行するあらゆる構造、材料又作用を含むことを意図している。本開示の記載は例示及び説明の目的で示してきたが、本開示を開示の形態のみを包含するものとすること或いはその形態に限定することを意図するものではない。本開示の範囲及び技術的思想から逸脱することなく、多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。本実施形態は、本開示の原理及び実施可能な用途を最も良く説明するようにまた企図される特定の用途に適するような様々な修正を含む様々な実施形態の開示を当業者が理解するのを可能にするように、選択しかつ説明してきた。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
ターボ機械のケーシングの原位置でロータを加熱するシステムであって、
ターボ機械のケーシングの原位置でロータの少なくとも一部分を加熱する加熱エレメントを備える、加熱システム。
［実施態様２］
加熱エレメントは、ロータの外部表面の少なくとも一部分を加熱するように構成される、実施態様１に記載の加熱システム。
［実施態様３］
ロータの外部表面の少なくとも一部分の温度を検知するように構成された温度センサと、検知温度に基づいて加熱エレメントの作動を制御するコントローラとをさらに備える、実施態様２に記載の加熱システム。
［実施態様４］
加熱エレメントは、ロータの外部表面の少なくとも一部分に隣接して位置決めされる誘導加熱コイルを含む、実施態様２に記載の加熱システム。
［実施態様５］
ロータの外部表面の少なくとも一部分を取り囲むサセプタ部材をさらに備え、サセプタ部材は、内部に加熱エレメントを有している、実施態様２に記載の加熱システム。
［実施態様６］
加熱エレメントは、抵抗ヒータ及びインダクタンスヒータのうちの少なくとも１つを含む、実施態様５に記載の加熱システム。
［実施態様７］
ロータの温度を検知するように構成された温度センサと、検知温度に基づいて加熱エレメントの作動を制御するコントローラとをさらに備える、実施態様５に記載の加熱システム。
［実施態様８］
温度センサは、サセプタ部材の中に又は表面にある、実施態様７に記載の加熱システム。
［実施態様９］
ロータと共にケーシングの一部分をシールするためにロータに隣接するシールパックをさらに備え、温度センサは、シールパックの中に又は表面にある、実施態様７に記載の加熱システム。
［実施態様１０］
加熱エレメントは、少なくとも部分的にロータの中に配置される、実施態様１に記載の加熱システム。
［実施態様１１］
加熱エレメントは、少なくとも１つのカルロッドを含む、実施態様１０に記載の加熱システム。
［実施態様１２］
カルロッドの各々は、ロータの一端からロータの中に延び、カルロッドのそれぞれを加熱するために、ロータの外部でカルロッドの各々に対する少なくとも１つの電気接点をさらに備える、実施態様１１に記載の加熱システム。
［実施態様１３］
カルロッドの各々は、カルロッドに電力を供給するために誘導加熱コイルの近くで誘導変圧器に接続する、実施態様１１に記載の加熱システム。
［実施態様１４］
少なくとも１つの加熱エレメントに電力を供給するためにロータに作動的に結合した永久磁石型発電機をさらに備える、実施態様１０に記載の加熱システム。
［実施態様１５］
加熱エレメントは、少なくとも部分的にロータの中に配置された複数の加熱エレメントを含み、加熱エレメントの各々は、ロータの異なる軸方向位置にある、実施態様１０に記載の加熱システム。
［実施態様１６］
加熱エレメントの各々を制御するコントローラをさらに備える、実施態様１５に記載の加熱システム。
［実施態様１７］
複数の温度センサをさらに備え、温度センサの各々は、異なる軸方向位置でそれぞれの温度を検知するように構成され、
コントローラは、異なる軸方向位置での検知温度に基づいて加熱エレメントの各々の作動を制御する、実施態様１６に記載の加熱システム。
［実施態様１８］
複数の温度センサの各々は、ロータの中に配置された光ファイバ温度センサの一部である、実施態様１７に記載の加熱システム。
［実施態様１９］
加熱エレメントの各々はカルロッドを含み、カルロッドの各々は、ロータ内に軸方向に異なる長さで延在する、実施態様１５に記載の加熱システム。
［実施態様２０］
加熱エレメントは、複数の温度センサをさらに備え、温度センサの各々は、異なる軸方向位置でそれぞれの温度を検知するように構成される、実施態様１に記載の加熱システム。
［実施態様２１］
加熱エレメントは、ロータ内に少なくとも部分的に配置された少なくとも１つの第１の加熱エレメントと、ロータの外部表面の少なくとも一部分を加熱するように構成された少なくとも１つの第２の加熱エレメントとを含む、実施態様１に記載の加熱システム。
［実施態様２２］
ケーシングの外部を加熱するように構成された加熱ブランケットをさらに備える、実施態様１に記載の加熱システム。
［実施態様２３］
加熱中にロータを回転させるためのターニングギアをさらに備える、実施態様１に記載の加熱システム。
［実施態様２４］
ロータの温度を検知するように構成された温度センサと、検知温度に基づいて加熱エレメントの作動を制御するコントローラとをさらに備える、実施態様１に記載の加熱システム。
［実施態様２５］
コントローラは、ターボ機械への作動流体の流れをさらに制御する、実施態様２４に記載の加熱システム。

９０ ターボ機械
１００ 蒸気タービン
１１４ ロータ
１１８ ローターホイール
１２０ ブレード
１２２ 固定ベーン
１２４ 蒸気
１２６ 入口
１９０ ターボ機械
２００ 加熱システム
２０４ 外部ケーシング
２０６ 内部ケーシング
２１０ ロータ
２１２ タービン
２１４ 作動流体
２２０ 曲線矢印
２２２ 熱抵抗接続部
２２４ 軸受
２３０ 加熱エレメント
２３２ 加熱ブランケット
２４０ 外部表面
３３０ 加熱エレメント
３３２ 加熱コイル
３３４ 温度センサ
３３４Ａ 温度センサ
３３４Ｂ 温度センサ
３４０ コントローラ
４３０ 加熱エレメント
４３２ サセプタ部材
５３２ 中央ボア
５３０ 加熱エレメント
５４０ カルロッド
５４２ 電気接点
５４４ 電気接続点
５５０ 誘導変圧器
５６０ 発電機
５７０ サブ要素
５８０ 温度センサ
５８３ 加熱ブランケット

Claims (10)

1. ターボ機械（９０、１９０）のケーシングの原位置でロータ（１１４、２１０）を加熱するシステムであって、
   ターボ機械（９０、１９０）のケーシングの原位置でロータ（１１４、２１０）の少なくとも一部分を加熱する加熱エレメント（２３０、３３０、５３０、４３０）を備える、加熱システム（２００）。
2. 加熱エレメント（２３０、３３０、５３０、４３０）は、ロータ（１１４、２１０）の外部表面（２４０）の少なくとも一部分を加熱するように構成される、請求項１に記載の加熱システム（２００）。
3. ロータ（１１４、２１０）の外部表面（２４０）の少なくとも一部分の温度を検知するように構成された温度センサ（５８０）と、検知温度に基づいて加熱エレメント（２３０、３３０、５３０、４３０）の作動を制御するコントローラ（３４０）とをさらに備える、請求項２に記載の加熱システム（２００）。
4. 加熱エレメント（２３０、３３０、５３０、４３０）は、ロータ（１１４、２１０）の外部表面（２４０）の少なくとも一部分に隣接して位置決めされる誘導加熱コイル（３３２）を含む、請求項２に記載の加熱システム（２００）。
5. ロータ（１１４、２１０）の外部表面（２４０）の少なくとも一部分を取り囲むサセプタ部材をさらに備え、サセプタ部材は、内部に加熱エレメント（２３０、３３０、５３０、４３０）を有している、請求項２に記載の加熱システム（２００）。
6. 加熱エレメント（２３０、３３０、５３０、４３０）は、抵抗ヒータ及びインダクタンスヒータのうちの少なくとも１つを含む、請求項５に記載の加熱システム（２００）。
7. ロータ（１１４、２１０）の温度を検知するように構成された温度センサ（５８０）と、検知温度に基づいて加熱エレメント（２３０、３３０、５３０、４３０）の作動を制御するコントローラ（３４０）とをさらに備える、請求項５に記載の加熱システム（２００）。
8. 温度センサ（５８０）は、サセプタ部材の中に又は表面にある、請求項７に記載の加熱システム（２００）。
9. ロータ（１１４、２１０）と共にケーシングの一部分をシールするためにロータ（１１４、２１０）に隣接するシールパックをさらに備え、温度センサ（５８０）は、シールパックの中に又は表面にある、請求項７に記載の加熱システム（２００）。
10. 加熱エレメント（２３０、３３０、５３０、４３０）は、少なくとも部分的にロータ（１１４、２１０）の中に配置される、請求項１に記載の加熱システム（２００）。