JP6906458B2 - タービンロータ熱応力評価装置、および、タービンロータ熱応力評価方法 - Google Patents
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Description
[A]蒸気タービン1の全体構成
まず、第1実施形態に係る蒸気タービン1の概要について図1を用いて説明する。図1では、蒸気タービン1について、回転中心軸AXに沿った鉛直な断面を模式的に示している。
蒸気タービン1のうち、ケーシング2は、図1に示すように、たとえば、内部ケーシング21と外部ケーシング22とを有する二重構造である。ケーシング2のうち、内部ケーシング21は、外部ケーシング22の内部に収容されている。そして、内部ケーシング21がタービンロータ3を内部に収容している。
蒸気タービン1のうち、タービンロータ3は、たとえば、円柱形状の棒状体である。タービンロータ3は、回転中心軸AXが水平方向に延在しており、ケーシング2を貫通している。タービンロータ3は、ケーシング2の外部において、一端部と他端部とのそれぞれが軸受6に回転可能に支持されている。
図2は、第1実施形態に係る蒸気タービン1の一部を拡大して示す拡大断面図である。図2では、蒸気タービン1に関しては、高圧タービン部1Aのうち、初段のタービン段落と、初段のタービン段落の下流に位置する第2段のタービン段落とが設けられた部分を示している。また、タービンロータ熱応力評価装置100に関しては、機能ブロック図で示している。
図2に示すように、本実施形態の蒸気タービン1では、第1温度センサ71と第2温度センサ72とが設けられている。第1温度センサ71および第2温度センサ72は、ケーシング2の温度を計測するために設置されている。ここでは、第1温度センサ71および第2温度センサ72は、ケーシング2を構成する複数のケーシング部材(内部ケーシング21,外部ケーシング22)のうち、内側に位置する内部ケーシング21について温度の計測を行う。
更に、本実施形態の蒸気タービン1においては、図2に示すように、タービンロータ熱応力評価装置100が設けられている。
タービンロータ熱応力評価装置100のうち、ケーシング内壁表面熱伝達率算出部110は、ケーシング2において径方向で異なる複数の点について計測した温度に基づいて、ケーシング2の内壁表面における熱伝達率h1を算出する。本実施形態では、ケーシング内壁表面熱伝達率算出部110は、内部ケーシング21の内壁部分の温度について第1温度センサ71が計測した温度測定値T1と、内部ケーシング21の内壁部分の温度について第2温度センサ72が計測した温度測定値T2とに基づいて、内部ケーシング21の内壁表面(空間S1側の表面)における熱伝達率h1を算出する。つまり、ケーシング内壁表面熱伝達率算出部110が、ケーシング内壁表面熱伝達率算出ステップを実行する。
本ステップでは、まず、内部ケーシング21の内壁表面における熱流束q(W/m2)をケーシング内壁表面熱伝達率算出部110が算出する。
そして、内部ケーシング21の内壁表面における熱流束q(W/m2)の算出値を用いて、内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1(W/m2/K)の算出をケーシング内壁表面熱伝達率算出部110が行う。
タービンロータ熱応力評価装置100のうち、熱応力算出部120は、ケーシング内壁表面熱伝達率算出部110で算出した熱伝達率h1を用いて、タービンロータ3に発生する熱応力を算出する。つまり、熱応力算出部120が熱応力算出ステップを実行する。
本ステップでは、最初に、ケーシング内壁表面熱伝達率算出部110で算出した熱伝達率h1に基づいて、タービンロータの外周面における熱伝達率h2を熱応力算出部120が推定する。ここでは、たとえば、内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1を、タービンロータの表面における熱伝達率h2として仮定する(h1=h2)。
つぎに、タービンロータ3の外周面における熱伝達率h2を用いて、タービンロータ3の内部の温度分布を熱応力算出部120が求める。ここでは、タービンロータ3の内部に関して非定常熱伝導解析を実行することで、タービンロータ3の内部の温度分布を算出する。非定常熱伝導解析は、タービンロータ3の外周面における熱伝達率h2と共に、他の値(初段のタービン段落の出口における蒸気温度、タービンロータ3の初期温度などの計測値)を用いて実行される。たとえば、タービンロータ3の径方向について一次元の非定常熱伝導解析を行うことで、タービンロータ3の径方向における温度の推移を求める。
つぎに、そのタービンロータ3の温度分布から、タービンロータ3の熱応力を熱応力算出部120が算出する。
σb=Eβ(Tav−Tb)/(1−ν) ・・・(4)
以上のように、本実施形態では、内部ケーシング21において径方向で異なる複数の点について計測した温度に基づいて、内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1を算出する。このため、内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1の正確性を高めることができる。その結果、タービンロータ3に発生する熱応力についても同様に、正確性を高めることが可能である。
[D−1]変形例1−1
本実施形態では、ケーシング2が、内部ケーシング21と外部ケーシング22とを有する二重構造である場合について説明したが、これに限らない。たとえば、ケーシング2について、複数の部材で構成せずに、単一の部材で構成してもよい。
本実施形態の熱応力算出部120では、内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1を、タービンロータ3の表面における熱伝達率h2として仮定する場合(h2=h1)について説明したが、これに限らない。内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1とタービンロータ3の外周面における熱伝達率h2との間を関連付けた関数(h2=f(h1),たとえば、h2=k・h1(kは、予め定めた定数))を用いて、内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1から、タービンロータ3の外周面における熱伝達率h2を求めてもよい。そして、そのタービンロータ3の外周面における熱伝達率h2の算出値を用いて、タービンロータ3に発生する熱応力の評価を実行してもよい。h1とh2を関連付けた適切な関数を用いることで、より精度よくh2を推定することができる。
本実施形態において、タービンロータ3は、内部に空洞が無い中実タイプであるが、これに限らない。タービンロータ3は、たとえば、軸中心に空洞が設けられた中空タイプであってもよい。
図4は、第2実施形態に係る蒸気タービン1の一部を拡大して示す拡大断面図である。図4では、図2と同様に、蒸気タービン1の高圧タービン部1Aのうち、初段のタービン段落と、初段のタービン段落の下流に位置する第2段のタービン段落とが設けられた部分を示している。
[A−1]第1温度センサ71,第2温度センサ72,第3温度センサ73
第1温度センサ71は、内部ケーシング21において第1実施形態の場合と同様に、内部ケーシング21の内壁部分の温度を計測するために設置されている。つまり、第1温度センサ71の温度検知点P71は、内部ケーシング21の内壁表面近傍であって、タービンロータ3の回転中心軸AXから径方向において、第1の距離R1分、離れている。
タービンロータ熱応力評価装置100は、第1実施形態の場合と同様に、ケーシング内壁表面熱伝達率算出部110と熱応力算出部120とを含む。タービンロータ熱応力評価装置100は、第1実施形態の場合と異なり、第1温度センサ71が計測した温度測定値T1および第2温度センサ72が計測した温度測定値T2の他に、第3温度センサ73が計測した温度測定値TS2が、入力信号として入力される。そして、タービンロータ熱応力評価装置100は、その入力された入力信号に基づいて演算処理を実行し、熱応力の算出結果を出力信号として出力する。
タービンロータ熱応力評価装置100において、ケーシング内壁表面熱伝達率算出部110は、内部ケーシング21の内壁部分の温度について第1温度センサ71が計測した温度測定値T1、および、内部ケーシング21の外壁部分の温度について第2温度センサ72が計測した温度測定値T2と共に、内部ケーシング21と外部ケーシング22との間の空間S2の温度について第3温度センサ73が計測した温度測定値TS2とに基づいて、内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1を算出する。
本実施形態において、内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1を算出する際には、まず、内部ケーシング21の外壁表面(空間S2側の表面)における熱伝達率h3を求める演算処理を実施する。
つぎに、内部ケーシング21の外壁表面(空間S2側の表面)における熱伝達率h3を算出した後には、内部ケーシング21の内壁表面(空間S1側の表面)における熱伝達率h1を求める演算処理を行う。
タービンロータ熱応力評価装置100において、熱応力算出部120は、ケーシング内壁表面熱伝達率算出部110で算出した熱伝達率h1を用いて、タービンロータ3に発生する熱応力を算出する。
本ステップでは、最初に、ケーシング内壁表面熱伝達率算出部110で算出した熱伝達率h1に基づいて、タービンロータの外周面における熱伝達率h2を熱応力算出部120が推定する。ここでは、第1実施形態の場合と同様に、たとえば、内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1を、タービンロータの表面における熱伝達率h2として仮定する(h1=h2)。
つぎに、タービンロータ3の外周面における熱伝達率h2を用いて、タービンロータ3の内部の温度分布を熱応力算出部120が求める。ここでは、第1実施形態の場合と同様な方法で、タービンロータ3の径方向における温度の推移を求める。
つぎに、そのタービンロータ3の温度分布から、タービンロータ3の熱応力を熱応力算出部120が算出する。ここでは、第1実施形態の場合と同様な方法で、タービンロータ3の表面における温度Ts、タービンロータ3の中心における温度Tbなどを用いて、タービンロータ3の表面における熱応力σs、タービンロータ3の中心における熱応力σbを求める。
以上のように、本実施形態では、内部ケーシング21の内壁部分について計測した温度(温度測定値T1)、内部ケーシング21の外壁部分について計測した温度(温度測定値T2)、内部ケーシング21と外部ケーシング22との間の空間S2について計測した温度(温度測定値TS2)に基づいて、内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1を算出している。このため、内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1の正確性を高めることができる。その結果、タービンロータ3に発生する熱応力についても同様に、正確性を高めることが可能である。
本実施形態において、第3温度センサ73の温度検知点P73は、内部ケーシング21と外部ケーシング22との間に介在する空間S2に位置しているが、これに限らない。
[A]タービンロータ熱応力評価装置100の詳細構成
図9は、第3実施形態において、タービンロータ熱応力評価装置100の概要を示す機能ブロック図である。
以上のように、本実施形態のタービンロータ熱応力評価装置100においては、フィッティング関数記憶部130が、タービンロータ3の表面における熱伝達率h2と、蒸気タービン1の運転パラメータとの間を関連付けたフィッティング関数FFを記憶している。このため、本実施形態では、蒸気タービン1の起動を実行する前に、フィッティング関数FFを用いて、運転パラメータ(蒸気流量SFなど)に対応する熱伝達率h2について把握し、タービンロータ3に生ずる応力を求めることができる。その結果、蒸気タービン1の起動を実行する際の起動シーケンスの妥当性を事前に検討することができる。
なお、フィッティング関数記憶部130は、ケーシング2の内壁表面における熱伝達率(内部ケーシング21の内壁表面における熱伝達率h1)と、蒸気タービン1の運転パラメータとの間を関連付けたフィッティング関数を記憶するように構成されていてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
Claims (8)
- ケーシングの内部にタービンロータが設けられており、前記タービンロータの軸方向に沿って蒸気が流れることによって前記タービンロータが回転する蒸気タービンにおいて、前記タービンロータに発生する熱応力を評価するタービンロータ熱応力評価装置であって、
前記ケーシングにおいて径方向で異なる複数の点について計測した温度に基づいて、前記ケーシングの内壁表面における熱伝達率を算出する、ケーシング内壁表面熱伝達率算出部と、
前記ケーシング内壁表面熱伝達率算出部で算出した熱伝達率を用いて、前記タービンロータに発生する熱応力を算出する、熱応力算出部と
を有し、
前記ケーシングは、
前記タービンロータを内部に収容する内部ケーシングと、
前記内部ケーシングを内部に収容する外部ケーシングと
を有し、
前記ケーシング内壁表面熱伝達率算出部は、
前記内部ケーシングの内壁部分について計測した温度、前記内部ケーシングの外壁部分について計測した温度、および、前記外部ケーシングの内壁部分について計測した温度に基づいて、前記内部ケーシングの内壁表面における熱伝達率を前記ケーシングの内壁表面における熱伝達率として算出する、
タービンロータ熱応力評価装置。 - ケーシングの内部にタービンロータが設けられており、前記タービンロータの軸方向に沿って蒸気が流れることによって前記タービンロータが回転する蒸気タービンにおいて、前記タービンロータに発生する熱応力を評価するタービンロータ熱応力評価装置であって、
前記ケーシングにおいて径方向で異なる複数の点について計測した温度に基づいて、前記ケーシングの内壁表面における熱伝達率を算出する、ケーシング内壁表面熱伝達率算出部と、
前記ケーシング内壁表面熱伝達率算出部で算出した熱伝達率を用いて、前記タービンロータに発生する熱応力を算出する、熱応力算出部と
を有し、
前記熱応力算出部は、
前記ケーシングの内壁表面における熱伝達率と前記タービンロータの外周面における熱伝達率との間を関連付けた関数を用いて、前記ケーシング内壁表面熱伝達率算出部で算出した熱伝達率から、前記タービンロータの外周面における熱伝達率を求めた後に、前記タービンロータの外周面における熱伝達率を用いて、前記タービンロータに発生する熱応力の評価を実行する、
タービンロータ熱応力評価装置。 - 前記ケーシングは、
前記タービンロータを内部に収容する内部ケーシングと、
前記内部ケーシングを内部に収容する外部ケーシングと
を有し、
前記ケーシング内壁表面熱伝達率算出部は、前記内部ケーシングの内壁部分について計測した温度、前記内部ケーシングの外壁部分について計測した温度、および、前記内部ケーシングと前記外部ケーシングとの間の空間について計測した温度に基づいて、前記内部ケーシングの内壁表面における熱伝達率を前記ケーシングの内壁表面における熱伝達率として算出する、
請求項2に記載のタービンロータ熱応力評価装置。 - 前記熱応力算出部は、非定常熱伝導解析を実行することによって、前記タービンロータに発生する熱応力の評価を行う、
請求項1から3のいずれかに記載のタービンロータ熱応力評価装置。 - 前記ケーシングの内壁表面における熱伝達率および前記タービンロータの外周面における熱伝達率の少なくとも1つと、前記蒸気タービンの運転パラメータとの間を関連付けた
フィッティング関数を記憶するフィッティング関数記憶部
を有する、
請求項2または3に記載のタービンロータ熱応力評価装置。 - 前記運転パラメータは、前記蒸気タービンに作動流体として導入される蒸気の流量と温度と圧力、および、前記タービンロータの回転数のうち少なくとも1つである、
請求項5に記載のタービンロータ熱応力評価装置。 - ケーシングの内部にタービンロータが設けられており、前記タービンロータの軸方向に沿って蒸気が流れることによって前記タービンロータが回転する蒸気タービンにおいて、前記タービンロータに発生する熱応力を評価するタービンロータ熱応力評価方法であって、
前記ケーシングにおいて径方向で異なる複数の点について計測した温度に基づいて、前記ケーシングの内壁表面における熱伝達率を算出する、ケーシング内壁表面熱伝達率算出ステップと、
前記ケーシング内壁表面熱伝達率算出ステップで算出した熱伝達率を用いて、前記タービンロータに発生する熱応力を算出する、熱応力算出ステップと
を有し、
前記ケーシングは、
前記タービンロータを内部に収容する内部ケーシングと、
前記内部ケーシングを内部に収容する外部ケーシングと
を有し、
前記ケーシング内壁表面熱伝達率算出ステップでは、
前記内部ケーシングの内壁部分について計測した温度、前記内部ケーシングの外壁部分について計測した温度、および、前記外部ケーシングの内壁部分について計測した温度に基づいて、前記内部ケーシングの内壁表面における熱伝達率を前記ケーシングの内壁表面における熱伝達率として算出する、
タービンロータ熱応力評価方法。 - ケーシングの内部にタービンロータが設けられており、前記タービンロータの軸方向に沿って蒸気が流れることによって前記タービンロータが回転する蒸気タービンにおいて、前記タービンロータに発生する熱応力を評価するタービンロータ熱応力評価方法であって、
前記ケーシングにおいて径方向で異なる複数の点について計測した温度に基づいて、前記ケーシングの内壁表面における熱伝達率を算出する、ケーシング内壁表面熱伝達率算出ステップと、
前記ケーシング内壁表面熱伝達率算出ステップで算出した熱伝達率を用いて、前記タービンロータに発生する熱応力を算出する、熱応力算出ステップと
を有し、
前記熱応力算出ステップでは、
前記ケーシングの内壁表面における熱伝達率と前記タービンロータの外周面における熱伝達率との間を関連付けた関数を用いて、前記ケーシング内壁表面熱伝達率算出ステップで算出した熱伝達率から、前記タービンロータの外周面における熱伝達率を求めた後に、前記タービンロータの外周面における熱伝達率を用いて、前記タービンロータに発生する熱応力の評価を実行する、
タービンロータ熱応力評価方法。
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