JPH11190205A - ロータ熱的安定性試験方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービン、蒸気タービンのロータの非定
常な熱曲りをロータ組込前に正確に調べる。 【解決手段】 ロータ１１は軸受１２、１３により支持
され、カップリング１４で駆動モータ１５に連結され、
回転可能に支持される。ロータ１１の中間部２１及びフ
ランジ２０Ａの面を部分的にチャンバ１０で覆い、シー
ル１６、１７で密閉する。熱伝達率の大きい流体１９を
ポンプ７０を介し、ヒータ６１で加熱して弁１８を介し
てチャンバ１０内に噴射し、この部分を他の部分と大き
な温度差を付ける。これによりフランジ２０Ａと２０Ｂ
との接合面の当り正常部と不良部とで温度差が著しくつ
き、この温度差が大きいと振動も発生するので熱的な不
つり合いによる不具合を調べることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービンや蒸気
タービンのロータを加熱し、熱的安定性試験を行う方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンや蒸気タービンのロータの
熱的安定性の検査を行う場合には、ロータを炉体の中に
入れて大気圧で空気加熱を行い、ロータの熱応力による
非定常な曲がりを起し、ロータに対する影響を調べてい
る。図５はこのようなロータの熱的試験を行う一般的な
装置構成を示す図であり、図において、５０はチャンバ
で、試験供試体となるロータ５１が軸受５２、５３を介
して配置されている。５４はカップリング、５５はモー
タであり、ロータ５１とモータ５５を連結してロータ５
１が回転する構成であり、チャンバ５０とロータ５１と
の回転部にはシール５６、５７が設けられ、チャンバ５
０内を密封し、熱が逃げないようにしている。

【０００３】６０はファン、６１はヒータであり、空気
を加熱してチャンバ５０内に送り、６２は真空ポンプ
で、チャンバ５０内の排気に用いられる。５９は振動セ
ンサ、６３はキーフェーサでありロータの計測に用いら
れる。

【０００４】上記のような試験装置により、チャンバ５
０内の空気をヒータ６１を制御して徐々に加熱してゆ
き、内部のロータ５１を加熱してロータを必要に応じて
回転させ、主要部が熱応力により、非定常な熱曲りが生
じているか否かをチェックする。このような熱応力によ
る曲がりを正確にチェックしないと、ロータが単体では
正常であっても、組立て後に熱負荷を与えると、熱曲り
が生じて事故が発生する原因となるものである。

【０００５】図６は蒸気タービンのロータの熱的アンバ
ランスを避けるためにロータを加熱する例であり、図に
おいて、４０は蒸気タービンのロータ、４１−１、４１
−２、４１−３、４１−４、４１−５、４１−６は動
翼、４２−１、４２−２、４２−３、４２−４、４２−
５、４２−６はそれぞれ固定側の静翼である。４３は電
源であり、４４は制御装置、４５は演算装置である。４
６、４７、４８、４９はそれぞれ加熱装置である。

【０００６】上記の蒸気タービンではロータ４０の熱変
化に対してロータが安定した形状を保つように演算装置
４５、制御装置４４によりロータ４０の両端部の加熱温
度を演算し、制御装置４４の信号で電源４３によりそれ
ぞれ加熱装置４６、４７、４８、４９を加熱し、これら
の熱によりロータ４０の軸受側両端部を加熱して熱的バ
ランスを保つように制御している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述のようにロータの
熱的な安定性をチェックする場合には、ロータを炉内に
入れて大気圧下において徐々に空気加熱しているが、単
にロータ全体を炉内に配置して加熱する方式であり、全
体を加熱しただけでは熱的勾配がつけにくく、ロータの
非定常的な熱曲がり現象を正確に再現することはむずか
しい。このためロータ単体では正常であってもロータを
ケーシング内に組立てて熱負荷を加えると熱曲がりを生
ずることがある。又、このような不具合を避けるため
に、図６に示すようにタービン装置に加熱装置を組込ん
でロータを加熱するようなシステムを装備させている
が、高温部に配線等を装備させるため、信頼性に問題が
あり、又、装置の制御も複雑となり、コストアップの原
因ともなってしまう。

【０００８】そこで本発明は、ガスタービンや蒸気ター
ビンのロータの熱的安定性試験を行う場合に熱的な応力
が発生しやすい部分を特定し、この部分のみにロータの
温度と大きな温度差を与えて、熱的勾配がつくようにし
てロータの不具合の原因となる非定状な熱曲がり現象を
再現しやすいようにしたロータ熱的安定性試験方法を提
供することを課題としてなされたものである。

【０００９】

【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（１）、（２）の手段を提供する。

【００１０】（１）回転自在に支持されたタービンロー
タをチャンバ内に配置して密閉し、加熱することにより
熱応力を発生させてロータの熱的安定性を調べる試験方
法において、前記チャンバは前記ロータ軸方向の所定の
一部分の周囲のみを覆う構成とし、同チャンバには流体
を流入させて同チャンバで覆った一部分と他の部分とで
温度差を与えることを特徴とするロータ熱的安定性試験
方法。

【００１１】（２）上記（１）の発明において、前記流
体は高温水又は蒸気の少くともいずれかであることを特
徴とするロータ熱的安定性試験方法。

【００１２】ロータ単独で熱的安定性試験を行う場合
に、ロータ径の急変部やフランジの接合面等に構造的な
アンバランス部や非接合部分等が存在するとこれらの部
分に熱的な不つり合いが発生し、これら部分の振動も大
きくなる。従来はロータ全体を炉の中に配置し、ゆっく
りと大気圧下で空気加熱を行って熱応力の状態を調べて
いたが、このように単にロータ全体を加熱するのみでは
ロータに熱的な勾配がつかないのでロータの非定常な熱
曲がり現象を正確に再現することがむずかしかった。

【００１３】本発明の（１）の試験方法では、ロータの
上記のような不つり合いを発生しやすい個所を特定し、
この部分の周囲のみをシールを含むチャンバで包み、そ
のチャンバ内にロータの現状の温度と大幅に異なった熱
伝達率の大きな流体を入れ、ロータの軸方向でこの部分
に温度差を与える。これにより、特定した部分に非定状
な熱曲りが生じているか、又、振動が大きくなっている
か否かを調べることができ、又、フランジ面の局部的な
当り不良部を調べることができ、タービン運転時に発生
する非定常な熱曲り振動を未然に防止することができ
る。

【００１４】本発明の（２）ではチャンバ内に流入する
流体を高温水や水蒸気とすることによりロータの加熱や
温度調整が容易になされ、上記（１）の試験が一層正確
になされるものである。

【００１５】

【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
施の第１形態に係るロータ熱的安定性試験方法を実施す
る装置の構成図である。図において、１１はロータであ
り、軸受１２、１３により回転自在に支持されている。
１０はチャンバであり、２０Ａ、２０Ｂはロータ１１の
中間部２１のフランジである。チャンバ１０は図示のよ
うにロータ１１の中間部２１においてフランジ２０Ａ、
２０Ｂのうち２０Ａの面を含むように部分的に設けら
れ、シール１６、１７によりロータ１１の回転部から内
部を密閉している。１４はカップリング、１５は駆動モ
ータで、モータ１５によりロータ１１を回転させる構成
である。

【００１６】１９は熱伝達率の大きな流体であり、高温
水や蒸気等からなる。流体１９はポンプ７０で加圧さ
れ、ヒータ６１で適正な温度に加熱され、弁１８を介し
てチャンバ１０内に噴射され、ロータの中間部２１及び
フランジ２０Ａの部分を加熱する。又、必要に応じて７
１のポンプで流体を排出し、チャンバ１０内の圧力を調
整することができる。なお、５９は振動センサ、６３は
キーフェーサで従来例と同じく測定用のものである。

【００１７】上記のような試験装置において、チャンバ
１０内には、弁１８を制御することにより、高温の水又
は蒸気が噴射され、ロータ１０の中間部２１及びフラン
ジ２０Ａの面に部分的に噴射してこの部分にロータの軸
方向での温度差を与える。この際に、加熱温度の調節
は、ヒータ６１、弁１８を制御し、必要に応じてポンプ
７１でチャンバ１０内の流体を排出することにより行う
ことができる。

【００１８】このように中間部２１及びフランジ２０Ｂ
に部分的に熱変化を与えると、この部分に熱による応力
が発生しやすくなり、非定常な熱曲りが発生すると軸方
向の温度差により振動が発生するので、これらをロータ
１７を回転させながら測定し、正常か否かを判定するこ
とができ、運転時に発生する非定常な熱曲がりの振動を
事前に防止することができる。

【００１９】図２は本発明の実施の第１形態における試
験方法による結果の一例を示し、フランジ２０Ａの面の
非定常な温度偏差とそれに伴う振動の例である。図にお
いて、（ａ）は縦軸にフランジの温度と振動を、横軸に
時刻を示し、上部が温度分布、下部に振動を示し、本例
では通常のロータ温度よりもフランジ２０Ａを低くして
温度差を付けている。（ｂ）はフランジ２０Ａ、２０Ｂ
の側面図、（ｃ）は両フランジの接合面をそれぞれ示し
ている。

【００２０】図２（ａ）において、フランジ接合面の当
りが正常な部分Ｔａ（実線）と当り不良部Ｔｂ（点線）
とではバルブ１８を開いた後に温度差ΔＴが生じ、当り
不良部Ｔｂの方が高くなっている。又、温度差ΔＴの最
大の差の時点では振動が大きくなっている。このような
結果からフランジ２０Ａ、２０Ｂの接合面に当り不良部
Ｔｂが生じており、この部分に振動が発生することがわ
かる。

【００２１】図３は本発明の実施の第２形態に係るロー
タ熱的安定性試験を実施する装置の構成図である。図に
おいて、符号５０乃至５７、６０乃至６２は図５に示す
従来例と同じ構成であるので詳しい説明は省略し、その
まま引用して説明するが、本実施の第２形態ではこの構
成に更に次の構成を付加したものである。

【００２２】即ち、８０はポンプであり、流体１９を加
圧するもの、８１はクーラであり、流体１９を冷却し、
流体の温度調節をする。８２は弁で、８３はチャンバで
ありロータの軸５１の５１Ａ部分を局部的に覆い、シー
ル８４、８５で回転部から密封している。８６はポンプ
であり、必要に応じてチャンバ８３内の流体を排出して
チャンバ８３内の温度調節をする。

【００２３】上記のような構成の装置において、ロータ
５１は従来例と同様に、ファン６０、ヒータ６１を通っ
てチャンバ５０内に空気が送られ、チャンバ５０内に配
置されているロータ５１を加熱しているが、従来例でも
説明したように熱的不つり合いを発生する部分に熱的勾
配が付けにくく、ロータの非定常な熱曲がりがつかめに
くい。

【００２４】そこで、本実施の第２形態においては、熱
的不つり合いを発生しやすい軸部の５１Ａと５１Ｂの境
界部分を特定し、ロータ５１の５１Ａ部分をチャンバ８
３で部分的に覆い、この部分にチャンバ５０内で加熱し
たロータの温度と大幅に異なった熱伝達率の大きい流体
１９を噴射し、局部的に温度差を付け、非定常な軸曲り
が発生するようにする。これにより、この部分の温度変
化と軸曲り変化を調べ、ロータが異常か正常かを調べる
ことができる。

【００２５】図４は上記の実施の第２形態の装置による
試験結果の一例であり、縦軸がロータ温度と軸曲り変化
を、横軸に時刻を示している。図中実線はロータ５１の
大径部５１Ｂの温度、一点鎖線は５１Ａの小径部分の温
度変化をそれぞれ示し、点線は軸曲り変化を示してい
る。

【００２６】図４において、バルブ開の時刻まではロー
タはチャンバ５０内の空気で加熱され、５１Ａ、５１Ｂ
はわずかの温度差を保ち、５１Ｂの方がわずかに高く、
途中でΔＴ₁ max の最大の温度差をむかえるが、ほぼ同
じ傾向を保って上昇している。

【００２７】バルブ８２を開とし、チャンバ８３に流体
１９を噴射すると、５１Ａと５１Ｂとでは５１Ａの方が
高温の流体により直接加熱されるので５１Ｂよりも温度
が高くなり、この小径軸部分に不具合があると、その最
大の温度差ΔＴ₂ max が所定の範囲を越えて大きくな
り、これにより、この部分の軸曲り変化も大きくなるの
でロータが正常か否かの判定ができる。

【００２８】以上説明の実施の第１、第２形態によれ
ば、チャンバ１０又は８３を設け、このチャンバでロー
タ１１又は５１の熱的不つり合いの発生しやすい部分を
局部的に覆い、この部分に流体１９を噴射し、ロータの
他の軸方向部分と大きな温度差を与え従来よりも明確に
熱曲がりを調べることができるので、ロータを組込んで
運転した時に発生する非定常な熱曲りによる振動を未然
に防止することが可能となる。

【００２９】

【発明の効果】本発明の（１）のロータ熱的安定性試験
方法は、回転自在に支持されたタービンロータをチャン
バ内に配置して密閉し、加熱することにより熱応力を発
生させてロータの熱的安定性を調べる試験方法におい
て、前記チャンバは前記ロータ軸方向の所定の一部分の
周囲のみを覆う構成とし、同チャンバには流体を流入さ
せて同チャンバで覆った一部分と他の部分とで温度差を
与えることを特徴としている。このような構成により、
ロータに熱的不つり合いが発生しやすい個所を特定し、
この個所をチャンバで覆い、チャンバ内にロータの現状
の温度と大幅に異なった熱伝達率の大きな流体を入れ、
ロータの軸方向でこの部分に温度差を与え、これによ
り、特定した部分に非定状な熱曲りが生じているか、
又、振動が大きくなっているか否かを調べることがで
き、又、フランジ面の局部的な当り不良部を調べること
ができ、タービン運転時に発生する非定常な熱曲り振動
を未然に防止することができる。

【００３０】本発明の（２）は、上記（１）の発明にお
いて、前記流体は高温水又は蒸気の少くともいずれかで
あることを特徴としている。このような構成により、チ
ャンバ内に流入する流体を高温水や水蒸気とすることに
よりロータの加熱や温度調整が容易になされ、上記
（１）の試験が一層正確になされるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第１形態に係るロータ熱的安定
性試験方法を実施する装置構成図である。

【図２】本発明の実施の第１形態に係るロータの熱的安
定性試験方法による試験結果を示す図で、（ａ）は温度
変化とは振動特性を、（ｂ）は試験対象のフランジの側
面図、（ｃ）はフランジ接合面をそれぞれ示す。

【図３】本発明の実施の第２形態に係るロータ熱的安定
性試験方法を実施する装置構成図である。

【図４】本発明の実施の第２形態に係るロータ熱的安定
性試験方法による試験結果を示す図で、温度変化と軸曲
り変化を示す。

【図５】従来の一般的なロータ熱的安定性試験方法を実
施する装置構成図である。

【図６】従来の蒸気タービンロータに加熱装置を付加し
た蒸気タービンの断面図である。

【符号の説明】

１０，５０，８３ チャンバ １１，５１ ロータ １２，１３，５２，５３ 軸受 １４，５４ カップリング １５，５５ 駆動モータ １６，１７，５６，５７，８４，８５ シール １８，８２ 弁 １９ 流体 ２０Ａ，２０Ｂ フランジ ６０ ファン ６１ ヒータ ６２ 真空ポンプ ７０，７１，８０，８６ ポンプ ８１ クーラ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転自在に支持されたタービンロータを
   チャンバ内に配置して密閉し、加熱することにより熱応
   力を発生させてロータの熱的安定性を調べる試験方法に
   おいて、前記チャンバは前記ロータ軸方向の所定の一部
   分の周囲のみを覆う構成とし、同チャンバには流体を流
   入させて同チャンバで覆った一部分と他の部分とで温度
   差を与えることを特徴とするロータ熱的安定性試験方
   法。
2. 【請求項２】 前記流体は高温水又は蒸気の少くともい
   ずれかであることを特徴とする請求項１記載のロータ熱
   的安定性試験方法。