JPS62111104A

JPS62111104A - ガスタ−ビン間隙調整システム

Info

Publication number: JPS62111104A
Application number: JP24882985A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Kumada; 和彦熊田; Nobuyuki Iizuka; 飯塚　信之; Soichi Kurosawa; 黒沢　宗一
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-11-08
Filing date: 1985-11-08
Publication date: 1987-05-22

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明はインタークーラを備え九ガスタービンに係り、
タービン部ロータとケーシングの冷却空気の温度、流量
を制御することによシ、定格時の間隙値を最小に設定し
、高効率のガスタービンとするガスタービン間隙調整シ
ステムに関する。

〔発明の背景〕

ガスタービンの効率の向上ハ。

（１）タービンの入口温度を高くする。

（２）圧縮機の圧力比を高くする。

（８）タービン部の冷却空気量を削減する。

等により達成されることは勿論であるが、タービン部の
動翼先端の間隙部のガスリークを最小にすることも重要
な要素の一つである。このガスリークを最少量とするに
は、動翼先端の間隙量を最小にすることが必要となる。

第４図で、従来ガスタービンのタービン部の構造及び冷
却空気系統を説明する（特開昭４８−８７２１２号公報
）。

タービン部は、ロータ本体ｌと動翼２からなる回転体部
と、ケーシング３、シュラフトセグメント４及び静翼５
からなる静止体部から構成される。

燃焼器６からの高温・高圧な燃焼ガスは静ｊＫ５によっ
て高速流に変換され、この高速流によシ動翼２が回転し
、動力が発生する。

燃焼ガスに近接する回転体と静止体の各構成部材は、燃
焼ガスからの入熱により、許容温度以上に温度が上がら
ないように冷却する必要があシ、図中に矢印（集線は静
止体側、破線は回転体側）で示される冷却空気が流れる
。

この冷却空気は、圧縮機からの抽出空気、または、吐出
空気が使用される。

静止体へ流れる冷却空気は、ケーシング３の内面、及び
、７ユラワドセグメント４の内側を通シ、静翼５を冷却
後、高温ガス通路に合流、または、各シール部を通如、
高温ガス通路に合流する経路で流れる。回転体へ流れる
冷却空気は、ロータ本体１の外周、または、内周に沿？
て流れた後、動翼２を冷却し、高温ガス通路に合流する
経路で流れる。この冷却空気は、ガスタービン起動直後
の、各構成部材の温度の低い時は、加熱の作用をし、−
その後は冷却の作用をすることになる。

ハ：動翼先端の間隙量は、静止体側の熱膨張量と、回転体
側の回転による伸びと熱くよる伸びを合わせた膨張量と
の相対的差によシ設定されることになる。

第５図は、ガスタービンの効率向上対策の一つとして、
冷却空気の流量を削減するため、吐出空気７の一部を外
部に導き出し、インタークー２８により減温し、一定温
夏にコントロールした後の空気をロータ冷却空気９及び
ケージング冷却空気１０として使用する、従来のインタ
ークーラ付ガスタービンの系統を示す。

第６図は、第５図で説明したインタークーラ付ガスター
ビンのタービン部冷却空気系統を示す。

インタークーラによシある一定の温度にコントロールさ
れ九冷却空気は、静止体冷却用１０と回転体冷却用９に
分岐され、各構成部材間を通シ、高温ガス通路部に流れ
込む。

動翼２の先端間隙から見た場合、ケーシング３の温度が
上昇すると、間隙は大きくなる方向に、シュラフトセグ
メント４の温度が上昇すると、間隙は小さくなる方向に
、ロータ本体１と動翼２の回転数及び温度が上昇すると
、間隙は小さくなる方向に、それぞれ動くことになる。

従って、動翼先端の間隙は、静止体側と回転体部との相
対的な膨張差により設定されることになる。特に、起動
時等の非定常状態では、各構成部材の温度及び回転数が
刻々と変化することになるので、動Ｘ２の先端間隙も、
この変化に伴い、変わることになシ、間隙を設定する場
合の重要ポイントとなる。

ガスタービンの場合、急速起動が一般的であシ、この場
合、第７図に示すような各状態となる。回転数は起動装
置により着火速度まで昇速し、着火後は定格回転数まで
、数分間で昇速する。負荷は回転数が定格になってから
、十分前後で全負荷まで制御される。タービン人口温度
は着火時から、回転数及び負荷に比例して上昇し、定格
負荷で一定温度となるように制御される。

従って、ガスタービンの起動時には、回転体側は、回転
による遠心力の伸びと、動翼２０の質量が小さく、かつ
、高温のガスに直接接触することに熱伸びを合わせ、短
時間に膨張するのに対し、静止体側は質量が大きく、か
つ、間接的に高温ガスによシ昇温されることになるので
、昇温速度、及び、これに伴う熱膨張速度が小さくなる
。この結果、動翼２の先端間隙を構成する動翼２の先端
とシュラフトセグメント４の内径の膨張に時間的なずれ
が生じることになる。

この関係を第８図によシ更に詳しく説明する。

回転体は曲線Ｃで示すように、タービン起動時から、定
常状態になるまで、急激に、径方向に熱及び遠心力によ
シ膨張して変位するのに対し、ケ−シンク３及びシュラ
ウドセグメント４からなる静止体側は曲線Ａ１または、
Ｂで示すように、回転体側と比較し、緩やかに変位する
ことになる。

定常運転中の動翼２先端の最小必要間隙は、（１）ケー
シング３のゆがみ（２）ケーシング３とロータ本体１の軸方向九わみ差（８）軸受油膜厚さく４）振動振幅値（５）設計余裕等を考慮して設定される。

図中、曲線Ｂは定常運転中におけるこの最小必要間隙Ｇ
ＨＩとした場合の静止体側の径方向変位を示す。図中、
ハツチングで示すように、起動途中で、回転体と静止体
が接触することになる。

この接触を防止するため、起動途中でも、回転体と静止
体がある間隙量以下とならないように１定常状態での間
隙量をあらかじめ大きくしておくことが必要となる。図
中、曲線人はあらかじめ定常状態での間隙量ｋ　Ｇａｙ
と大きく設定した場合の静止体側の径方向変位を示す。

従来のガスタービンでは、この間隙ｉｔ　ＧｕｔはＧＨ
Ｉに比較し、充分大きな値とせざるをえず、この分ガス
リーク量が増大し、効率も比例して低下することになる
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、起動時、または、非定常状態時におけ
る動翼先端の間隙量を制御することにより、間隙量を必
要最小な値に設定し、ガスの＋７−り量を減らすことに
より、高効率なガスタービンを提供することにある。

〔発明の概要〕

ガスタービンの非定常状態時、特に、起動時には、従来
のガスタービンの場合、回転体側と静止体側へは同一温
度の圧縮機吐出空気、ま九は、抽出空気が流れることに
なるため、回転による遠心力の伸びも加わシ、どうして
も、径方向伸びに関し、回転体と静止体とで時間的ずれ
ｔ生じる。この時間的ずれは、動翼先端部の間隙から見
た場合、必要以上に大きな値とせざるを得ない。この回
転体と静止体との径方向伸びの時間的ずれをなくすには
、静止体の伸び速度を早くするか、または、遅くする必
要が出てくる。静止体の伸び速度を早めるため、ケーシ
ングを電気ヒータ等の熱源によシ加熱することも考えら
れるが、信頼性の面を考えると問題点が多い。

最近、ガスタービンを高効率化するため、タービン部を
冷却する空気量を削減する目的で、圧縮機の抽出空気、
または、吐出空気をインタークーラによυ減温し、この
減温した空気をタービン部へ流すシステムとすることが
多い。この場合も、前述の回転体と静止体の径方向熱伸
びの時間的ずれによる問題は同じく発生する。

本発明は、このインタークーラ方式のガスターピノにお
いて、起動時からの非定常状態までの範囲において、動
翼先端の間隙を、定格状態に、必要最小量に設定した場
合でも、接触することがないように、回転体と静止体の
径方向伸びを制御することを特徴とする。

この制御方法として、ケーシングメタル温度及び回転数
を検知し、回転数と静止体へ流れる空気の温度と流量を
あらかじめ計算しておいた値に設定することにより行な
う。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図において、入口空気１１は圧縮機１２により圧縮
され（−例として圧縮機出口の圧力は約１５ＡＴＧ、温
度は４００℃）、燃焼器１３で、高温燃焼ガスとなり、
タービン１４に入す、仕事をした後、排気ガス１５とし
て外部に排出される。

タービン部冷却空気系統は、圧縮機１２からの吐出空気
７の一部を外部に導き出し、インタークーラ８．８′に
流す。８はケーシング冷却用、８′はロータ冷却用とし
て分割する。ロータ冷却用のインタークー２８′　は、
タービン部のロータ及び動翼の定常、非定常状態に最適
となるように、冷却空気の温度が一定となるように制御
される。また、冷却空気の流量も一定となるように制御
されることになる。インタークーラ８はケージ／グ冷却
用空気１０用で、温度制御弁１６と流量制御弁１７をも
つ。ケーシング冷却用空気１０はこの二つの制御弁によ
）、ガスタービン運転状態１８（この条件にはガスター
ビン負荷に基づく各段落温度。

起動時の回転数等を含む。）とケーシングメタル温度を
検知することによシ、あらかじめ、この条件から動翼先
端の間隙量を非定常状態で一定に保てるように設定して
おいた冷却空気の温度、流量を演算器２０によシ算出し
、連続的に制御する。

ガスタービンの起動時には、静止体側のイ！び速度を回
転体よシ早くしてやるため、ケーシングへ流す空気の温
度、流量金アップさせることになる。

この関係金弟２図に示す。

ケーシング用冷却（起動時は加熱となる。）空気の温良
、流量をアップし、ケーシングの伸び速度をロータ伸び
速度以上となるように制御することによシ、起動時にお
ける静止体側径方向変位及び回転体側径方向変位は、第
３図に示す関係となる。回転体の変位を示す曲線ＣＫ対
し、静止体側の変位は曲ＩＷＤとなるように制御するこ
とにより、定常状態における動翼先端の間隙を必要最小
値ＧＨ＋とすることができる。

ガスタービンの性能向上について、動翼先端間隙の影響
は大きく、通常その効果は、間隙縮少量／動翼長の入側
程度となる。

仮に、翼長１００ｍｍで間隙の縮小ｆ　１　ｍｍ行なっ
たとすれば、０．８％のタービン効率向上を行なったこ
とになる。また、タービン出力の６０９６は圧縮機動力
、４０チが発電出力でおるので、発電出力に換算すると
、０．８　／　０．４　＝　２とな＃）２チの発電出力
向上となる。

本発明は、ケーシング側冷却（加熱）空気の温度、流量
を制御することとしたが、ロータ側冷却空気を制御、あ
るいは、ケーシング側、ロータ側両方の冷却空気を制御
することにしても同じ効果がある。

また、制御する条件として、ケーシングメタル温度や運
転状態による他、直接、動翼先端の間隙値を測定しても
よい。

図中１９はメタル温度、２０は動翼間隙演算器である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、起動時等の非定常状態において、ター
ビン部の回転体及び静止体へ流れる冷却空気の温度と流
量を制御することによシ、回転体と静止体の径方向伸び
速度を制御し、両者が接触することなく、定常状態まで
運転することができるので、動翼先端の間隙量を必要最
小とすることができ、ガスタービンの効率向上の効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のガスタービンの全体系統図
、第２図は第１図における空気温度流量制御図、第３図
は本発明の径方向変位を示す図、第４図は従来のガスタ
ービンの構造図、第５図はインターターラ付ガスタービ
ン系統図、第６図は第５図におけるタービン内空気系統
図、第７図はガスタービン起動時の運転状態図、第８図
は従来のガスタービンにおける起動時間と径方向変位と
の関係図である。８・・・インターターラ、１２・・・圧縮機、１４・・
・タービン、１６・・・温度制御弁、１７・・・流量制
御弁、２０・・・動翼間隙演算器、２１・・・制御弁コ
ントロー第２０招３図蔵千カイ艷の時間躬５図躬６図ろ′Ｉ　呪起動Ｔ支の時間躬８図（α）（ジ）

Claims

【特許請求の範囲】１、圧縮機吐出空気または抽出空気を外部に導き出し、
インタークーラで減温した空気でタービン部を冷却する
システムのガスタービンにおいて、動翼先端の間隙量を
検知して、常にある値を維持できるように、タービン部
の回転体側と静止体側へ流れる空気の温度と流量を別個
に制御することにより、各々の伸び速度を制御し、前記
動翼先端の間隙が定常状態において最小とできるように
したことを特徴とするガスタービン間隙調整システム。２、特許請求の範囲第１項において、前記タービン部の
前記回転体と前記静止体の伸び速度の制御として、前記
一方の伸び速度を一定とし、前記他方の伸び速度を制御
することにより、同じ効果を得るガスタービン間隙調整
システム。３、特許請求の範囲第１項において、前記動翼先端の前
記間隙値を検知する代りに、運転条件とケーシングメタ
ル温度を検知するようにしたことを特徴とするガスター
ビン間隙調整システム。４、前記回転体と前記静止体へ流れる空気の温度と流量
を運転シーケンスと組合わせて設定しておき、自動的に
制御できるようにしたことを特徴とするガスタービン間
隙調整システム。