JP3564286B2 - ガスタービン静翼の段間シールアクティブクリアランス制御システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン静翼の段間シールアクティブクリアランス制御システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンの静翼には外側シュラウドから圧縮機の空気を一部抽気して導き、静翼内部を通り、内側シュラウドのキャビティ内に導き、キャビティ内を外部の高温の燃焼ガス側よりも圧力を高め、高温ガスの内側への侵入を防止するようにしている。
【0003】
図3はガスタービン静翼の一般的なシール構造を示す断面図である。図において、21は静翼であり、22は外側シュラウド、23は内側シュラウドである。内側シュラウド23のフランジはシールリング保持環24を支持し、シールリング25はシールリング保持環24に支持され、ロータ側のディスク33a,33bとの間をシールしている。このシールリング保持環24と内側シュラウド23とによってキャビティ26が形成されている。27はシールリング保持環24に設けられた穴、28はシール用空気のチューブで、静翼内を外側シュラウド22から内側シュラウド23へ貫通して設けられている。
【0004】
31a,31bは静翼21の前後に隣接して配置された動翼であり、32a,32bはそれら動翼のプラットフォームである。34,35は静翼21の内側において動翼31a,31b間にそれぞれ形成された空間、36,37は内側シュラウド23両端のシール部であり、それぞれ動翼32a,32bと静翼21の内側シュラウド23の両端部との間をシールしている。
【0005】
上記構成の静翼において、圧縮機の空気を一部抽気したシール用空気40が車室側から外側シュラウド22へ導かれ、シール用のチューブ28から静翼21内を通り、矢印40aで示すようにキャビティ26内へ流入する。キャビティ26内に流入した空気の一部はシールリング保持環24の穴27を通り、矢印40bで示すように前方の空間34へ流出し、シール部36を通り矢印40cで示すように燃焼ガス通路へと流出する。更に、シール用空気はシール装置25のシール部を通り、後方の空間35にも矢印40dで示すように流れ、矢印40eで示すように後方のシール部37から燃焼ガス通路へと流出する。
【0006】
上記に説明のシール用空気40により内側シュラウド23内に形成されたキャビティ26、及び両空間34,35内を燃焼ガス通路よりも圧力を高くして高温の燃焼ガスが内側シュラウド23内に侵入するのを防止している。
【0007】
又、静止部であるシール装置25と回転部であるロータディスク33a,33bとの対向する面にはクリアランスδH が保持される必要があり、このクリアランスδH が大きすぎると空気の漏れ量が多くなり、シール性能を低下させることになり、又、逆に小さすぎると静止側と回転側とが接触することになり、このクリアランスを適切に設定しなければならない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようにガスタービンの静翼の内側にはシールリング25が設けられ、回転部であるロータディスク部との対向面にクリアランスδH を保持しており、このクリアランスδH が大きすぎると漏れ量が大きくなってシール性能に影響し、又、小さすぎると静止部と回転部が接触する恐れが生ずる。
【0009】
このクリアランスδH はガスタービンの運転状態、即ち、起動時や負荷運転時により回転部と静止部との熱伸びの影響により伸縮し、変化している。この熱伸びは静止部と回転部により多少異るが、運転中の最小クリアランス時には両者が接触しないようなクリアランスδH を設定しなければならない。通常は、このクリアランスδH は組立時に最小クリアランスをむかえても接触しないようにある程度余裕を見込んで設定しているが、このクリアランスをできるだけ小さく設定し、かつ接触しないように適切なクリアランスの設定が必要であるが、現状ではこのクリアランスを適切に制御する手段がなく、このような方法の実現が強く望まれていた。
【0010】
そこで本発明は、ガスタービンの固定側と静止側のクリアランスの熱伸びによる変化に対し、クリアランスの変化を絶えず検出し、クリアランスが大きくなると狭くするように、小さすぎると広げるようにシール用空気の温度により熱伸びを制御してクリアランスを絶えず最適に設定できるようなシールクリアランスアクティブ制御システムを提供することを課題としてなされたものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の手段を提供する。
【0012】
ロータディスクに対向するガスタービン静翼シールリング部に固定され、該当間のクリアランスを計測するセンサと;圧縮機からの空気を静翼内を通り、同静翼内側のキャビティに導くシール用空気供給系路に設けられ、同空気を冷却するクーラと;同クーラに並設されたバイパス流路に設けられた流量調整弁と、同流量調整弁を制御する制御装置とを備え;同制御装置は前記センサからの信号を入力し、同信号があらかじめ定められた設定値よりも大きいと前記流量調整弁を開き、同信号が前記設定値よりも小さいと前記流量調整弁を閉じるように制御することを特徴とするガスタービン静翼の段間シールアクティブクリアランス制御システム。
【0013】
本発明は、静止部と回転部のクリアランスがセンサの計測を通して制御装置により常時モニタされており、ガスタービンの起動時又は負荷運転時に熱伸びによりクリアランスが変化するとその信号はセンサにより検出され、制御装置に入力される。制御装置にはあらかじめ最適なクリアランスの値が設定されており、入力されたセンサの信号が設定値よりも大きいと流量調整弁を開くように制御し、圧縮機からの空気の一部をクーラを通さずにバイパスさせて混入し、キャビティ内に導き、シール用空気の温度を上げて熱伸びを大きくし、クリアランスが小さくなるようにする。
【0014】
又、入力されたセンサの信号が設定値よりも小さいと、静止部と回転部とが接触の恐れがあるので、流量調整弁を閉じ、空気の全量をクーラにより冷却してシール用空気の温度を下げて熱伸びを小さくし、クリアランスが広がるように制御する。センサの信号が設定値にあるときは流量調整弁はその現状の開度を維持すように設定されている。
【0015】
このようにして制御装置が絶えずクリアランスをモニタしてクリアランスが最適の値となるように制御するので、クリアランスが最適な値に保持され、漏れ空気量を少くしてシール性能を向上すると共に、静止部と回転部との接触を防止し、安全な運転を可能とするものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図1は本発明の実施の一形態に係るガスタービン静翼の段間シールクリアランスアクティブ制御システムの構成図である。図において、静翼21には外側シュラウド22と内側シュラウド23が設けられ、内側シュラウド23のフランジはシールリング保持環24を保持し、シールリング保持環24はシールリング25を支持し、シールリング25と内側シュラウド23とでキャビティ26を形成しシールリング25とロータディスク33a,33bとの対向面にはクリアランスδH を保持している。このような構成は図3で説明した従来の構造と同じものである。
【0017】
10は制御装置であり、11は流量調整弁で空気の流量を調整し、バイパスさせるもの、12はクーラであり、シール用空気を冷却するものである。このクーラ12は、入口ガス温度が1500℃クラスのガスタービンではシール用空気系統に設けられるものであり、このような常設のクーラがないガスタービンには新たに設ける。13はバイパス流路、14はクリアランス計測センサであり、センサ14はロータディスク面と対向するガスタービン静翼シールリング25に取付け固定される。
【0018】
シール用空気の系統は、圧縮機からの空気を抽気し、クーラ12を通して導かれたシール用空気50が車室内に導かれ、外側シュラウド22を通して静翼21内のシール用空気のチューブ28から内側シュラウド23を貫通し、キャビティ26内へ導かれる。このキャビティ26からのシール用空気は従来と同様にシールリング保持環24の穴27を通って矢印のように空間34へ行き、更にシール部36に流失される。同様にシールリング25通ったシール用空気は空気室35に至り、シール部37に流失される。このようにして内側シュラウド23内を高温の燃焼ガスからシールしてガスの侵入を防止するように構成されている。
【0019】
又、バイパス流路13により流量調整弁11を開くことにより、空気の一部をクーラ12をバイパスさせて導く流路が設けられ、この流路13は制御装置10により流量調整弁11の開閉を制御して空気をバイパスさせるように制御される。
【0020】
上記の構成のシステムにおいて、クリアランスδH はクリアランス計測センサ14で常時モニタリングされて制御装置10とその信号が入力されている。シール用空気は圧縮機からの空気が抽気され、クーラ12を通して冷却されてシール用空気50となってシール用チューブ28からキャビティ26内へ導かれる。この場合の圧縮機からの空気温度Tairはガス入口温度が1300℃クラスのガスタービンの例では200℃〜300℃位であり、クーラ12で冷却してTc=150℃〜200℃位に下げてシール用空気50として供給している。
【0021】
制御装置10ではクリアランス計測センサ14からの信号をモニタし、あらかじめ設定した最適のクリアランスの値と比較し、大きすぎると流量調整弁11を開き、圧縮機からの空気の一部をクーラ12を通さずにバイパスして冷却空気に混入し、冷却空気の温度を上昇させてクリアランスの熱伸びを大きくしてクリアランスを狭めるように制御する。
【0022】
又、逆に少なすぎると接触の恐れがあるので、流量調整弁11を閉じ、空気のバイパス量をなくしてシール用空気の温度を下げ、熱伸びを小さくしてクリアランスが広がるように制御する。センサの信号が設定値にあるときは流量調整弁はその現状の開度を維持するように設定される。
【0023】
図2は上記の制御の状況を示すフローチャートである。図において、S1ではクリアランス計測センサ14からの信号を制御装置10がモニタし、S2において、計測したクリアランスがあらかじめ制御装置10に設定しておいた最適の設定値になったか否か調べる。結果が等しいとS15でクリアランスは最適と判断し、そのときの流量調整弁の開度を維持する。
【0024】
S2においてクリアランスが設定値に等しくないと、S3において設定値よりも大きいか否かを選べ、大きくないと、S4で計測クリアランス小と判定し、S5で流量調整弁11を閉め、S6において冷却空気温度Tcが低下し、S7ではそれにより静止側のシールリング保持環24等の熱伸びが減少し、S8においてクリアランスδH が拡大し、S9においてクリアランスが変化したとそれぞれ判断して再びS1に戻りクリアランス計測センサ14の信号をモニタする。
【0025】
S3においてクリアランス計測センサ14の計測値が設定値よりも大きいと、S10で計測クリアランス大と判断してS11において流量調整弁11を開き、S12で冷却空気温度Tcが上昇、S13で静止側のシールリング保持環24の熱伸びが増大し、S14でクリアランス14が減少した、とそれぞれ判断し、S9へ進み、再びS1へ戻ってクリアランス計測センサ14の信号をモニタする。
【0026】
以上説明の実施の形態のガスタービン静翼の段間シールクリアランスアクティブ制御システムによれば、静止側のシールリング保持環24に設置したクリアランス計測センサ14の信号を制御装置10で常時モニタしてクーラ12で冷却するシール用空気50の温度を制御し、クリアランスδH を制御して最適な値となるように熱伸びを調整するようにしたので、静止側と回転側のクリアランスを常に最適に保ち、シール性能を向上すると共に、接触事項も防止されるものである。
【0027】
【発明の効果】
本発明のガスタービン静翼の段間シールクリアランスアクティブ制御システムは、ロータディスク面に対向するガスタービン静翼シールリング部に固定され、該当間のクリアランスを計測するセンサと;圧縮機からの空気を静翼内を通り、同静翼内側のキャビティに導くシール用空気供給系路に設けられ、同空気を冷却するクーラと;同クーラに並設されたバイパス流路に設けられた流量調整弁と、同流量調整弁を制御する制御装置とを備え;同制御装置は前記センサからの信号を入力し、同信号があらかじめ定められた設定値よりも大きいと前記流量調整弁を開き、同信号が前記設定値よりも小さいと前記流量調整弁を閉じるように制御することを特徴としている。このような構成により、制御装置が絶えずクリアランスをモニタしてクリアランスが最適な値となるように制御するので、静止部と回転部のクリアランスが最適に保持され、漏れ空気量を少くしてシール性能が向上すると共に、静止部と回転部との接触を防止し、安全な運転がなされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態に係るガスタービン静翼の段間シールクリアランスアクティブ制御システムの構成図である。
【図2】本発明の実施の一形態に係るガスタービン静翼の段間シールクリアランスアクティブ制御システムの制御フローチャートである。
【図3】ガスタービンの静翼のシール構造の一般的な断面図である。
【符号の説明】
10 制御装置
11 流量調整弁
12 クーラ
13 バイパス流路
14 クリアランス計測センサ
21 静翼
22 外側シュラウド
23 内側シュラウド
24 シールリング保持環
25 シールリング
26 キャビティ
28 チューブ
31a,31b 動翼
32a,32b プラットフォーム
33a,33b ロータディスク
34,35 空間
36,37 シール部
Claims (1)
- ロータディスク面に対向するガスタービン静翼シールリング部に固定され、該当間のクリアランスを計測するセンサと;圧縮機からの空気を静翼内を通り、同静翼内側のキャビティに導くシール用空気供給系路に設けられ、同空気を冷却するクーラと;同クーラに並設されたバイパス流路に設けられた流量調整弁と; 同流量調整弁を制御する制御装置とを備え; 同制御装置は前記センサからの信号を入力し、同信号があらかじめ定められた設定値よりも大きいと前記流量調整弁を開き、同信号が前記設定値よりも小さいと前記流量調整弁を閉じるように制御することを特徴とするガスタービン静翼の段間シールアクティブクリアランス制御システム。
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