JP5792387B2 - 回転機械の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルによる回転機械に関連する。

一般的な回転機械は、例えば特許文献１に記載されている。当該文献においては、回転機械は、軸流構造のガスタービンであり、通常設けられる構成要素、圧縮機、燃焼室、タービンおよび圧縮機およびタービンに共通のローターを有する。既知のガスタービンは、ガスタービンローターの軸方向位置決めのための主ステップおよび第２ステップを有する圧縮機側アキシアル軸受を備える。この場合主ステップおよび第２ステップは、油圧オイルの流体式スライドフィルムを形成するように、それぞれの軸カラーの側面に当接することができる。２つのステップのどちらがローターの軸方向位置を予め決定するかは、この場合動作点次第である。このための適切な油圧コントローラは、特許文献２により知られている。ここでは、４／２方向弁によって、ローターが軸方向に移動するか否かに応じて、主ステップまたは第２ステップのどちらかが加圧されることができる。

この代替のアキシアル軸受は、特許文献３および４から明らかである。

ガスタービンの意図された運転中、タービンの領域においてローターに軸方向に作用する高温ガスの流れの力が圧縮機における流れの力以上であり、それにしたがって圧縮機からタービンユニットの方向にローターを常に動かすため、第１軸カラーの側面は、アキシアル軸受の主ステップに当接する。静止状態から定格回転速度までガスタービンのローターが加速される場合、第２ステップは、主ステップの代わりにアキシアル軸受の力の流れ内に位置する。前記加速中に、特にタービンユニットから圧縮機の方向に、運転スラスト力と反対向きの、合成の軸方向に作用するスラスト力がガスタービンローターにかかる。定格回転速度に達する直前に、ローターの軸方向位置が第２ステップから主ステップに変化するため、現在のスラスト方向は、突然変化する。

既知のアキシアル軸受には、ガスタービンの定常運転中に、高温ガスの流れ方向と逆にローターが移動するように、それにより翼先端およびこれらに対向して配置されたハウジング壁の間のタービンにおける半径方向の間隙が最小化されるように、軸方向に移動可能な軸受部材がさらに装備される。

ガスタービンの運転中、運転状態は、ローターの軸方向振動につながるものを生じる可能性があることがわかった。これらの軸方向振動は、軸方向振動の振幅が危険な大きさを越えると、最悪の場合、アキシアル軸受または力の流れ内の構成要素の損傷を招く場合がある。軸方向振動は、通常燃焼室内で起こる不安定な燃焼プロセスによって生じる。不安定の原因は、マニホールドであることが多く、因果的に予測不能である。

国際公開第００／２８１９０号パンフレット 欧州特許出願公開第１４７９８７５号明細書 国際公開第９１／０２１７４号パンフレット 米国特許第５，７９５，０７３号明細書

したがって、本発明の目的は、回転機械の運転方法を提供することであり、その方法においては、ローターの軸方向振動が減衰する、またさらには消散する。

方法に関する目的は、請求項１の特徴による方法によって達成される。本発明の好都合な改良およびさらなる特徴は、従属請求項によって特定される。

軸受に取り付けられたローターを有する回転機械の運転のための本発明による方法において、運転中ローターは、実質的に軸方向のみ、つまり主スラスト方向に作用するスラスト力にさらされ、前記スラスト力は、スライド手段を介して軸受の第１ステップ軸受によって吸収および消散され、軸受は、第２ステップ軸受を有し、それは、スラスト力が作用すると、ローターを介して、第１ステップ軸受に対して主スラスト方向に作用する力が発生するように、第２ステップ軸受が少なくとも一時的に同時に作動されるように設けられている。

発明者は、それぞれ無負荷のステップ−つまり第２ステップ軸受−によって、軸方向振動が起こる場合に、第２ステップ軸受がまたローターに係合するように配置され、かつそれにより負荷がかかった軸受、つまり第１ステップ軸受の軸方向のあそびを減少させることによって軸方向振動の減衰が実現することができることを特定した。この点において、その時点で１つの軸方向のみにかかるスラスト力の存在にかかわらず、ローターが振動する傾向を低減するために、回転機械のローターは、同じ方向にかかるさらなる力に追加的にさらされる。結果として第１ステップ軸受がスラスト力によって生じる力より強い力にさらされるとしても、これは通常第１ステップ軸受に過剰な負荷がかかる原因とはならない。この方法によって、ローターの軸方向振動の原因が大幅に変わらなくても、前記振動の特性は大幅に変わる、つまり軸方向振動の振幅が制限されるということを保証することができる。これは確実に軸受または力の流れに位置する構成要素の損傷を予防する。

軸受およびしたがって２つのステップ軸受は、好ましくは、それぞれ流体式すべり軸受の形であり、ステップ軸受およびローターの間にある軸方向間隙への油圧オイルの供給によってステップ軸受およびローターの圧入結合が達成される。

方法は、特に好ましくは、ターボ機械の形の回転機械の一時的な運転中に、および／または部分負荷運転中に実行される。特に、ローターが通常軸方向に作用するスラスト力によって作用される静的ガスタービンの場合、軸方向振動は、例えば静止状態から定格回転速度ガスタービンのスタートアップなどの一時的な運転状態において生じることがある。このような振動状態はまた、低い部分負荷運転において生じることがある。この点において、前記運転状態の間のみ第２ステップ軸受がまた圧入方法でローターに接続されることが好都合である。通常、全負荷運転において、この運転状態においては軸方向振動が一般的に生じないため、第２ステップ軸受ではなく第１ステップ軸受のみが圧入方法でローターに結合される。これは、第２ステップ軸受に液圧媒体を供給するために必要なエネルギーを節約する。

ローターの軸方向振動が測定センサによって検出され、かつ閾値と比較されることがさらに好ましい。提案されるローターの減衰は、閾値を超過した場合にのみローターを介して主スラスト方向に第１ステップ軸受に作用する力が発生するように同時に作動される第２ステップ軸受によって好ましく作動される。

方法は、またローターの軸方向移動の前、最中および／または後で実行されることが自明である。

本発明は油圧アキシアル軸受に基づいて以下に記載される。本発明に対応して、軸方向振動が生じる場合に取り付けられた軸受に対向するスラスト力を同時に生成することができる２つの反対に作用する磁気アキシアル軸受によってアキシアル軸受の２つのステップが置換されることが可能であることは自明である。

本発明のさらなる利点および特徴は、添付図においてより詳細に記載される例示的な実施形態によって明らかになるだろう。

静的ガスタービンを部分的な縦断面図で示す。 第１および第２ステップ軸受を有する回転機械の軸受を通る縦断面図を示す。 図２による油圧アキシアル軸受を作動するための油圧システムを示す。 図３による油圧システムを作動する電気回路図を示す。

全ての図において、全く同一の機構は、同じ参照符号によって示されている。

図１は、部分的な縦断面における静的ガスタービン１０を示す。ガスタービン１０は、内部に回転軸１２回りに回転可能に取り付けられ、またタービンローターと呼ばれるローター１４を有する。吸入ハウジング１６、圧縮機１８、互いに対して回転対称に配置された多数のバーナー２２を有するトロイダル環状燃焼室２０、タービンユニット２４および排ガスハウジング２６がローター１４に沿って連続して配置されている。

圧縮機１８は、環状形で、カスケード式に連続して配置された動翼リングおよびガイドリングからなる圧縮ステージを有する圧縮ダクト２５を備える。ローター１４に配置された動翼２７は、自由端ブレード翼端２９が圧縮ダクト２５の外側のダクト壁に対向するように位置している。圧縮ダクト２５は、圧縮機出口ディフューザー３６を介してプレナム３８に開いている。前記プレナムに設けられているのは、燃焼空間２８を有する環状の燃焼室２０であり、燃焼空間は、タービンユニット２４の環状の高温ガスダクト３０に連通している。互いに直列に接続された４つのタービンステージ３２は、タービンユニット２４に配置されている。発電機または動作機械（どちらも図示されていない）がローター１４に連結される。

ガスタービン１０の運転中、圧縮される媒体としての周囲の空気３４は、吸入ハウジング１６を通り吸い込まれおよび圧縮機１８によって圧縮される。圧縮空気は、圧縮機出口ディフューザー３６を通りプレナム３８へ伝わり、プレナムからバーナー２２に流れる。燃料はまた、バーナー２２を介して燃焼空間２８へ入る。そこで、圧縮空気が追加され燃料が燃焼して高温ガスＭを形成する。高温ガスＭは、その後高温ガスダクト３０へ流れ、そこで膨張し、タービンユニット２４のタービンブレードに対して仕事をする。結果として放出されるエネルギーは、ローター１４によって吸収され、かつ第一に圧縮機１８を駆動するために、および第二に作動機械または発電機を駆動するために利用される。

ローター１４の取り付けのための圧縮機側軸受３９は、図１では単に図式的に示されている。

図２は、軸受３９を縦断面図で詳細に示す。軸受３９は、中央軸受本体４０を備え、そこに２つのアキシアル軸受４７，４９およびラジアル軸受４１が設けられている。アキシアル軸受４７，４９は、この場合主ステップ軸受および第２ステップ軸受の形である。２つのアキシアル軸受４７，４９は、以下でそれぞれ短く主ステップ４７および第２ステップ４９と、または共同でステップ４７，４９と呼ばれる。全ての軸受４１，４７，４９は、流体式すべり軸受の形である。

主ステップ４７は、要素キャリア５１およびそこに載置された多数の周辺に分布した軸受要素４６を備え、軸受要素は、いずれの場合にも１つの軸受面５０を有する。軸受要素４６の軸受面５０は、横のローター面４２に直接隣接する。同様に、第２ステップ４９は、多数の周辺に分布した軸受要素４８を有する要素キャリア５３を備え、いずれの場合にも横のローター面４４に面する１つの軸受面５２を有する。この場合軸受要素４６，４８は、ローター１４の軸方向配置のために、要素キャリア５１，５３に作用する液圧媒体よってローター面４２，４４に対して押されることができる。

２つのステップ軸受４３，４５の作動のために、液圧システム６０（図３）が設けられ、これによって、ローター１４が変位する場合、およびまたローター１４が変位しない場合の両方の場合に、本発明による軸方向振動の減衰が作動する。前記液圧システム６０は、液圧媒体６１のためのタンク６２およびタンク６２を主ステップ４７の供給ポート６４および第２ステップ４９の供給ポート６４に接続するためのラインシステムを備える。各ステップ４７，４９のために、制御のための多数の弁が供給ライン６８，７０に設けられている。第１ポンプＰ_１は、第２ポンプＰ_２よりも高圧ｐ_１の液圧媒体６１を提供することができる。第２ポンプは、比較的低い圧力ｐ_２で液圧媒体６１を提供する。圧力ｐ_１，ｐ_２の調整は、圧制限弁７２，７４によって実現され、その入口側ポートは、ポンプＰ_１，Ｐ_２の出口側ポートに接続されている。圧制限弁７２，７４は、過剰な液圧媒体６１をタンク６２に戻すように導く。

入口側においてポンプＰ_１の出口に接続されている４／２方向弁Ｖ１２は、電気駆動部Ｋ_１が作動するとシャトル弁Ｖ_７を介して主ステップ４７に、または電気駆動部Ｋ２が作動するとシャトル弁Ｖ_８を介して第２ステップ４９に比較的高い圧力ｐ_１で液圧媒体６１を供給することができる。許容できないローター１４の大きい振幅の軸方向振動が起こる場合、または起こった後で、２つの３／２方向弁Ｖ_３，Ｖ_４によって、高い圧力ｐ_１が供給されないステップ４７，４９に対して、対応するシャトル弁Ｖ_７，Ｖ_８を介して比較的低い圧力ｐ_２で液圧媒体６１を供給することができる。３／２方向弁Ｖ_３，Ｖ_４を作動するために、それぞれ関連した電気駆動部Ｋ_３およびＫ_４を作動しなければならない。

ローター１４の軸方向変位が停止する際に、または減衰が停止する際に生じる流れのように、ステップ４７，４９から戻り流れる液圧媒体は、２／２方向弁Ｖ_５，Ｖ_６を介して導かれ、該２／２方向弁は、各場合にシャトル弁Ｖ_７およびＶ_８に対して並行に接続され、その後４／２方向弁Ｖ１２を介してタンク６２に戻る。

弁Ｖ_３，Ｖ_４，Ｖ_５，Ｖ_６は、電気駆動部Ｋ_ｘが停止する場合にバネ力によってリセットされる。電気駆動部は、通常電磁気コイルの形である。

図４はまた、液圧システム６０の電気駆動部Ｋ_１〜Ｋ_６を起動するための電気回路図を示す。回路図は、６つの電流経路ＳＰ１〜ＳＰ６を備える。不変位ローター１４での運転から変位ローター１４での運転への転換は、スイッチＳ１の作動によって達成される。ローター１４の減衰は、以下により詳細に説明されるように、スイッチＳ２の作動によって作動することができる。

ガスタービン１０の加速中に、ガスタービンローター１４は、０ｒｐｍから定格回転速度まで加速される。この期間、およびガスタービン１０の運転中、ローター１４に働く流れの力は、圧縮機１８内およびタービンユニット２４内に生じる。前記流れの力の軸方向成分は、互いに対向し、かつ互いに部分的に補う。加速中、合成された軸方向の流れの力は、初めにローター１４を吸入ハウジング１６の方向に変位させる。定格回転速度よりわずかに下の反転回転速度に達する場合にのみ、ローター１４を排ガスハウジング２６の方向に変位させるように、得られた軸方向スラスト力が突然反転する。ガスタービンの意図した運転中にも、ローター１４は、高温ガスＭの流れの力によって前記方向に変位する。前記方向を主スラスト方向と呼ぶ。

ガスタービン１０の加速中およびまた運転中には、ローター１４およびラジアル軸受４１間に液圧媒体５４の膜がある。

ローター１４が主スラスト方向と逆に変位する間ずっと、前記ローターの軸方向配置のために２つの面４４，５２は、例えば油圧オイルまたはタービンオイルなどの液圧媒体の薄い膜によって単に離隔されている。軸受面５０およびローター面４２の間にエアギャップ（図２には図示されていない）があるのに対して、ローター１４および第２ステップ４９は、圧入方法で接続されている。これは、主ステップ４７およびローター１４の間は圧入結合ではないという意味である。

反転回転速度に達した後、軸方向配置は、第２ステップ４９から主ステップ４７へ変化する。この目的のために、流体力学的に作用する液圧媒体の膜が軸受面５０およびローター面４２の間に形成される。同時に、第２ステップ４９は、軸受面５２およびローター面４４（図２に図示）の間に形成されたエアギャップ５５の効果により荷重が解放される。

この時、電気回路ＳＰ２によって駆動部Ｋ_２のみが作動されるように、スイッチＳ１およびスイッチＳ２は、作動されない。

半径方向の間隙を調節するために、軸受要素４６が軸方向に変位可能であり、要素キャリア５１および軸受要素４６の同期した軸方向変位が実現するように、軸方向変位のために、軸受３９にオイルチャンバ５６が配置されており、スイッチＳ１の作動によってその中に比較的高い圧力ｐ_１で油圧オイルを供給することができる。それに対応して設置される圧制限弁７２により、比較的高い圧力ｐ_１が実現される。要素キャリア５１は、オイルチャンバ５６の方向に、内径および外径に各場合に１つのシールリングを有する。相互作用する軸受要素４８および要素キャリア５３は、同様に軸方向に変位可能に設計される。

ローター１４がガスタービン１０の部分負荷運転において燃焼の不安定により軸方向振動の傾向がある場合、ローター１４の軸方向のあそびを低減する目的で、力の流れ内に位置する（かつ荷重がかかっている）第１ステップ軸受４３としての主ステップ４７に加えて、軸受面５２およびローター面４４の間の間隙への液圧媒体の同時供給により、第２ステップ軸受４５としての第２ステップ４９もまた圧入方法で結合させることが可能である。この目的のために、第２ステップ軸受４５の液圧媒体は、ローター１４の主スラスト方向に追加的に作用する力が第２ステップ軸受４５によってローター１４を介して第１ステップ軸受４３に加えられるような高い圧力でなければならない。軸方向振動が生じた際に、前記力は、高温ガスＭの流れ方向と逆のローター１４の戻り振幅を弱め、かつ制限する。このように、力の流れ内に位置するローター１４およびガスタービン１０の軸受部品両方の損傷を確実に防ぐことができる。これを達成するために、許容できない大きな軸方向振動が超過した場合に、Ｓ２は、手動または自動で作動され、それによって駆動部Ｋ_４は、弁Ｖ_４を作動する。軸方向振動減衰ステップの終わりの後で、Ｓ２は停止され、それによって駆動部Ｋ_６は弁Ｖ_６を作動する。このように、第２ステップ４９の液圧媒体は、ライン７０および弁Ｖ_６およびＶ_１２を介してタンク６２に流れることができる。

加速中に軸方向振動が生じる場合、既に荷重がかかっている第２ステップ４９に加えて主ステップ４７が作動されることにより振動を減衰することができる。この場合、スイッチＳ１は、作動せず、スイッチＳ２が作動する。そして主ステップ４７は、ローター１４を介して第２ステップ４９にさらなる荷重を加える追加的な力を生成する。

方法は、ガスタービンのみならず、他の回転機械にも適用できことは自明である。

したがって全体として、本発明は、軸受３９に取り付けられたローター１４を有する回転機械の運転方法に関連し、ローター１４は、運転中に実質的に軸方向のみに働くスラスト力にさらされ、前記スラスト力は、スライド手段を介して軸受３９の第１ステップ軸受４３によって吸収かつ消散され、軸受３９は、第２ステップ軸受４５を有する。ローター１４の軸方向振動が減衰される、または除去される方法を規定するために、スラスト力が働くと、第２ステップ軸受４５が少なくとも一時的に同時にスラスト方向に第１ステップ軸受４３に働く力を生成することが提案される。このように、ローター１４は、軸方向から見て支持され、その間回転可能に取り付けられることは自明である。

１０ ガスタービン
１４ ローター
１６ 吸入ハウジング
１８ 圧縮機
２０ 燃焼室
２２ バーナー
２４ タービンユニット
２５ 圧縮ダクト
２６ 排ガスハウジング
２７ 動翼
２８ 燃焼空間
２９ 自由端ブレード翼端
３０ 高温ガスダクト
３２ タービンステージ
３４ 空気
３６ 圧縮機出口ディフューザー
３８ プレナム
３９ 軸受
４０ 中央軸受本体
４１ ラジアル軸受
４２，４４ ローター面
４３ 第１ステップ軸受
４４，５２ 面
４５ 第２ステップ軸受
４６，４８ 軸受要素
４７ 主ステップ
４９ 第２ステップ
５０，５２ 軸受面
５１，５３ 要素キャリア
５４ 液圧媒体
５５ エアギャップ
５６ オイルチャンバ
６０ 液圧システム
６１ 液圧媒体
６２ タンク
６４ 供給ポート
６８，７０ 供給ライン
７２，７４ 圧制限弁

Claims (6)

1. 流体式すべり軸受けの形の軸受（３９）に取り付けられたローター（１４）を有する回転機械を運転する方法であって、
   運転中に該ローター（１４）は、実質的に軸方向のみに働くスラスト力にさらされ、前記スラスト力は、液圧媒体および軸受面を介して前記軸受（３９）の第１ステップ軸受（４３）によって吸収かつ消散され、
   前記軸受（３９）は、第２ステップ軸受（４５）を有する、方法において、
   前記スラスト力が働くと、前記第２ステップ軸受（４５）が、主スラスト方向に前記第１ステップ軸受（４３）に作用する力を少なくとも一時的に同時に生成するステップによって特徴付けられる方法。
2. 前記ローター（１４）の軸方向振動が発生した後、または発生した際にのみ、前記主スラスト方向に作用する前記力が作動される、請求項１に記載の方法。
3. 前記方法が、ターボ機械の形の回転機械の過渡的運転状態の間および／または部分負荷運転の間に実行される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記方法が、静的ガスタービン（１０）の形のターボ機械において実行される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記方法が、前記ローター（１４）の軸方向変位の前および／またはその最中に実行される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第１および第２ステップ軸受が液圧アキシアル軸受の形である請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。

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