JPS6060003B2 - 蒸気タ−ビンのロ−タ温度監視装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は蒸気タービンのロータ温度監視装置に関す
る。

蒸気タービンでは負荷変化に伴つて機内随所に熱応力
が発生する。

特に動翼を固定するロータの蒸気流入側の表面は熱応力
が大であり、この熱応力を許容値内に抑制しながら蒸気
タービンを運転制御して熱疲労による寿命消費を正しく
管理する−必要がある。同様にロータの中心に生じる熱
応力の疲労による寿命消費、およびロータの遠心応力
によるクリープ寿命消費等も応力を許容値内に抑制しつ
つ正しく管理する必要がある。このことから前記した寿
命消費を正しく管理して蒸気タービンを適正に運転制御
させるにはその前提として、ロータにおける発生応力が
苛酷となる箇所の熱応力を精度よく監視することが重要
てある。かかるロータに生じる熱応力は、監視すべき箇
所の表面温度、中心温度および内部平均温度を求めるこ
とにより、表面温度、中心温度と平均温度との温度”差
からそれぞれロータの表面、中心の熱応力を計算によつ
て求められる。またロータのクリープ寿命消費はロータ
に働く遠心力と中心温度とから計算により求められる。
それ故各種応力を正確に算出するには、ロータにおける
監視すべき箇所の温度分布を精度よく求めることが特に
重要となる。しカルて、蒸気タービンのロータは回転体
であることから、直接にロータの温度分布を実測するこ
とは極めて困難である。このために従来より、ロータの
温度分布を求める手段として、ロータに対向する静止側
の例えばケーシング内壁、あるいは静置ホルダの内壁の
温度力伯−タの表面温度に等価であると見做した上で、
該部の温度を温度センサで検出し、更にこの検出温度を
演算装置て模擬することにより、ロータの監視すべき箇
所の内部温度分布、特に半径方向の平均温度、あるいは
ロータ中心温度を求める方法が既に実用化されて公知で
ある。かかる従来のロータ温度監視装置の概要を第１図
に示す。

図において１は蒸気タービンのロータ、２はケーシング
であり、ロータの表面に対向して蒸気通路を隔てたケー
シングの内壁には温度センサ３が設置されており、該温
度センサ３が監視すべき箇所のロータ表面温度と等価な
温度を検出する。該検出温度信号Ｔ１は一方では蒸気タ
ービンの制御を行う計算機４のロータ表面温度入力端子
に加えられ、他方てはロータ内部の平均温度を演算する
演算装置５に加えられ、該装置５で得られた平均温度信
号Ｔｍが計算機４の平均温度入力端子に加えられる。そ
して計算機内では温度センサ３で実測されたロータ１の
表面等価温度Ｔ１と平均温度Ｔｍとから温度差Ｔ１−Ｔ
ｍを求め、この値を熱応力の尺度として、予め定められ
た許容値以内に抑えるように負荷変化に応じた主蒸気弁
の開閉速度などを決定し、タービンの運転制御を行つて
いる。この発明は上記のように蒸気タービンの静止側て
検出した温度を基に、ロータにおける監視すべき箇所の
半径方向平均温度あるいはロータ中心温度を演算により
求めるロータ温度監視装置に関する。

ところて、従来の方式は、ロータの内部温度分布を演算
によつて模擬するに当つては、まずロータ内部の熱伝導
は、表面に与えられた熱がロータ中心へ向けて半径方向
へ１次元流として流れる１次遅れ系と見做した上で、ロ
ータを輪切にし、更に半径方向に複数個の同心仮想円筒
形に分割した数学的モデルを用い、ロータ表面温度を基
に前記各仮想円筒相互間の熱収支の推移からロータ内部
の温度分布をアナログあるいはディジタル演算装置て求
める方法を、あるいは円筒の熱伝導方程式の理論解を基
に、演算装置により複数個１次遅れ関数の加重平均を演
算してロータ内部の温度分布を近似的に模擬する方法が
知られている。

これらの方法により、演算装置へ温度監視箇所のロータ
表面温度を与えることにより、ロータ半径方向の平均温
度または中心温度が得られる。しかしながら、上記した
従来の方式ては、精度よくロータ内部の温度分布を求め
ることができない。すなわち上記した数学的モデルでは
、ロータ内で半径方向のみの熱流束を考慮して温度分布
を求めているが、実際の蒸気タービンでは、翼列に沿つ
て蒸気入口側から出口側に向うにしたがい、蒸気温度が
降下しており、したがつてロータ内部では半径方向に加
えて軸方向にも熱の流れが生じる。それゆえ、ロータ温
度監視箇所の実際の平均温度、中心温度は、前述の従来
方式によつて得た監視温度の値よりも低い温度になつて
いる。このために、従来の温度監視装置てロータ温度を
監視している際には実際の温度と監視装置で求めた温度
とは正しく対応せず、次のような誤認をする場合がある
。すなわち、蒸気タービンが長時間安定した状態で定常
運転を続けていた場合には、実際には軸方向の熱流束の
ため表面温度と平均温度には差があるにもかかわらず、
温度監視装置はロータ内の半径方向の温度を平衡してい
るものと見做すのて、結果的に表面温度と平均温度が殆
ど同じ値を示す。それ故この状態から運転条件が変わつ
て、蒸気温度が低下し、ロータの表面温度が降下し始め
ると、監視装置で得られるロータ内部の平均温度の変化
は表面温度の変化よりも更に時間的に遅れて現われるの
で、実際にはロータ表面温度が未だ平均温度より高い状
態にあるにもかかわらす、監視装置は逆に表面温度の方
が低くくなつているものと誤認したり、また表面温度と
平均温度との差の読みを実際の温度差よりも大きく誤認
したりして、熱応力を実際よりも過大評価してしまうこ
とがある。このために蒸気タービンの運転制御上、急速
起動、急速負荷変化が望まれるにもかかわらず、寿命消
費量に余裕を残して必要以上に厳しく運転制御が制限さ
れたりする不具合を招く。この発明は上記の点にかんが
みなされたもので、その目的は温度監視箇所のロータの
平均温度あるいは中心温度を実質的に従来方式よりもよ
ソー層実際の値に近づけて精度よく監視できるロータ温
度監視装置を提供することにある。かかる目的はこの発
明により、従来方式における温度監視箇所のロータ表面
温度と等価な温度を静止側で検出する温度センサ、およ
び該温度センサの検出温度を基にロータの半径方向の熱
流束による半径方向の平均温度あるいはロータ中心温度
を演算する演算装置に加えて、新たに前記温度センサよ
りも翼に沿つた下流位置のロータ表面温度に対応する温
度を静止側て検出する第２の温度センサ、および第２の
温度センサの検出温度を基に演算によつてロータ軸方向
の熱流束による前記温度監視箇所における平均温度ある
いはロータ中心温度の修正量を模擬する第２の演算装置
を備え、前者の演算装置で得た値に第２の演算装置で得
た修正量を加算して温度監視箇所の半径方向平均温度あ
るいはロータ中心温度を求めることにより達成される。

以下この発明を図示実施例に基づき詳述する。

第２図はロータの表面熱応力を求める場合の実施例を示
すもので、図において、ロータ１に対向して翼列６の静
翼を支持した静翼ホルダ７には、熱応力が最も苛酷とな
る蒸気流入側の場所Ａに対応した位置に、ロータ１の表
面温度と等価な温度を検出する第１の温度センサ３がホ
ルダの内壁近くに埋設されている。一方、第１の温度セ
ンサ３に対し翼列６の下流側の位置には、その位置のロ
ータ表面温度に対応する温度を静止側て検出する第２の
温度センサ８が第１の温度センサ３と同様に静翼ホルダ
７に配備されている。そして第１の温度センサ３て検出
されたロータ表面温度と等価な温度信号Ｔ１は、一方で
は関数演算器９，１０および１１の各伝達要素を並列結
合させた第１の演算装置１２を介して第１の加算器１３
へ、他方は直接第２の加算器１４へ導入される。また第
２の温度センサ８て検出された下流側におけるロータの
表面等価温度信号Ｔ２は、第２の演算装置１５の伝達要
素である関数演算器１６を介して前記した第１の加算器
１３へ導入される。ここで各関数演算器９，１０，１１
，１６を伝達関数で表わすと、それぞれの伝達関数を使
つて第２図の回路をブロック線図で示せば第３図のごと
くなる。

ここでＫ１〜Ｋ４はゲイン定数、Ｓはラプラス演算子、
τ１〜τ４は時定数を表わす。なお、前記の伝達関数の
代りに各関数演算器の動特性をステップ応答で表わせば
、それぞれＦ（母か）となる。

そして第１の演算装置１２では、従来方式と同じく温度
信号Ｔ１を基に各関数演算器９，１０，１１としての各
伝達要素の並列結合によつて半径方向の熱流束によるロ
ータ半径方向の平均温度を得る。これに対し第２の演算
装置１５では、温度信号Ｔ２を基に関数演算器１６とし
ての伝達要素により、ロータ軸方向の熱流束分が、前記
温度監視箇所に及ぼす該部の温度変化の度合、つまり第
１の演算装置で求めたロータ平均温度の修正量を得る。
そして第１および第２の演算装置１２と１５の各演算出
力を第１の加算器１３で加算することにより、より実際
の値に近いロータの平均温度Ｔｍが求められる。ここで
上記回路によつて求められる温度監視箇所のロータ平均
温度Ｔｍと第３図で示した伝達関数を用いて式で表わせ
ば、Ｋ１＋Ｋ２＋Ｋ３＋Ｋ４＝１を条件として、
］となる。

また上記の式における定数Ｋ１〜Ｋ４、およびτ１〜τ
４は次のようにして決定される。

すなわち定数Ｋｌ，Ｋ２，Ｋ３は円筒の熱伝導方式の理
論解を基に後述のように？を加味して修正した値に決定
される。また時定数τ１，γ２，τ３は円筒の祷伝導方
程式に理論解にロータの直径およびロータ材料の温度伝
導率を代人して求めた値となる。一方、定数Ｋ４および
τ４はタービンの定常運転状態における第１温度センサ
と第２温度センサによる温度検出点の間の蒸気温度差（
Ｔ１−Ｔ２）、ロータの形状および温度伝導率、第１温
度センサと第２温度センサの間隔距離などに関連して決
定される。この定数決定の手順の一例を更に具体的に説
明すると、ます温度監視箇所の温度Ｔ１を固定したまま
、第２温度センサの温度検出点の温度Ｔ２をステップ変
化させた際に得られる温度箇所のステップ応答から、時
定数τ４を求める。なおこの場合に温度Ｔ２の変化で得
られる温度監視箇所のステップ応答は１次遅れ関数で近
似させることができる。また定常運転状態ではロータに
おける半径方向の熱流束による温度差Ｔ１−Ｔｍと、軸
方向の熱流束による温度差Ｔ１−Ｔ２とは比例の関係に
あることから、これを基に定数＼をＫ４＝１として求め
る。

次に定数Ｋ４を基に比例定数Ｃ＝１−Ｋ４を定め、この
比例定数Ｃを用いてＫ，＋Ｋ２＋Ｋ３＋Ｋ４＝１となる
ように、半径方向の熱流束のみを考慮して円筒の熱伝導
方程式の理論解より得た定数Ｋｌ，ｋ２，ｋ３（ｋ１＋
Ｋ２＋Ｋ３＝１）をそれぞれＫ１＝Ｃｋ，，Ｋ２＝Ｃｋ
２，Ｋ３＝Ｃｋ３に修正する。上記により求められた平
均温度Ｔｍは、ロータにおける温度分布の演算に関して
半径方向の熱流束に加えて軸方向の熱流束も考慮に入れ
て模擬されており、実際の平均温度により近い精度の高
い温度となる。

したがつて第２図における加算器１４でロータ表面温度
Ｔ１と前記により得られた平均温度Ｔｍとの差Ｔ１−Ｔ
ｍを求めることにより、この温度差を熱応力の尺度とし
て、熱応力に関する寿命消費を許容値以内に抑制しつつ
、蒸気タービンを適正に制御させることができる。なお
図示実施例ては第２の温度センサ８を静翼ホルダ７に設
置した例を示したが、必ずしもロータ表面に対応した静
止部の温度を実測する必要はなく、この代りに翼列６を
通じて流れる蒸気の温度を測定し、更に蒸気圧力、ター
ビン出力等からロータ表面の熱伝導率を推定して、測定
点のロータ表面温度に対応する等価な温度Ｔ２を演算に
よつて近似的に求めることもできる。したがつてこの方
法を採用すれば、蒸気タービンの抽気あるいは排気蒸気
温度を静止側て実測し、これから先記の温度Ｔ２を演算
によつて求めることも可能てある。また図示例は、第１
および第２の演算装置でロータ半径方向の平均温度を求
める例を示したが、演算装置における各伝達要素の定数
の決め方を変えることにより、同様な温度監視装置を用
いてロータの監視すべき箇所の中心温度を求めることも
でき、ここで求めた中心温度とロータに働く遠心力から
、ロータ温度に依存するクリープ消費寿命の計算、管理
を適正に行うこともできる。更に中心温度監視専用の演
算装置と、先記した平均温度監視専用の演算装置を併設
することにより、頭述したようにロータの平均温度と中
心温度の温度差から、ロータ中心の熱応力による消費寿
命の計算、管理も正しく行うことも可能である。以上述
べたようにこの発明によれば、従来のロータ温度監視方
式と較べて、ロータ内における半径方向の熱流束に加え
て、軸方向の熱流束も考慮してロータ上の温度監視箇所
における半径方向の平均温度、あるいはロータ中心温度
を求めるようにしたので、定常運転時には従来方式ては
求め得られなかつた実際のロータ表面温度と平均温度と
の温度差も精度良く求めることができ、特に定常運転状
態から蒸気温度が降下し始めた場合にも、先述したよう
な監視温度の誤認を防げる。

またこれに伴いロータに生じる熱応力を正しく評価する
ことができるので、寿命消費に見合つた許容応力範囲内
での蒸気タービンの適正な運転制御を可能にするなど、
実用的効果の得られるロータ温度監視装置を提供するこ
とがてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来におけるロータ温度監視装置の要概図、第
２図はこの発明の実施例の回路図、第３図は伝達関数を
用いて表わした第２図のブロック線図である。 １・・・・・・ロータ、３・・・・・・第１の温度セン
サ、５・・・・・・平均温度の演算装置、６・・・・・
・翼列、７・・・・・・静翼ホルダ、８・・・・・・第
２の温度センサ、９，１０，１１・・・・・・第１の演
算装置の関数演算器、１３，１４・・・・・加算器、１
６・・・・・・第２の演算装置の関数演算器、Ｔｌ，Ｔ
２・・・・・・温度センサによる検出温度、Ｔｍ・・・
・・平均温度。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ロータにおける温度監視箇所の表面温度と等価な静
   止側の温度を検出する第１の温度センサと、第１の温度
   センサの検出温度を基に演算によつてロータ半径方向の
   熱流束による前記温度監視箇所における半径方向の平均
   温度あるいはロータ中心温度を模擬する第１の演算装置
   と、第１の温度センサの温度検出位置よりもタービン翼
   列に沿つた下流位置のロータ表面温度に対応する温度を
   静止側で検出する第２の温度センサと、第２の温度セン
   サの検出温度を基に演算によつてロータ軸方向の熱流束
   による前記温度箇所の平均温度あるいは中心温度の修正
   量を模擬する第２の演算装置とを有し、第１の演算装置
   で得た値に第２の演算装置で得た修正量を加算して温度
   監視箇所の半径方向平均温度あるいはロータ中心温度を
   求める蒸気タービンのロータ温度監視装置。