JP2006307853A - 軸流流体機械におけるラジアル隙間の調整方法と圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】軸流流体機械の暖機始動性能を改善し、有用性を高め、同時に効率を高める。
【解決手段】翼先端縁（３５）と、該先端縁（３５）に対向して位置する案内面（３３）との間に形成されたラジアル隙間（３６）を、前記案内面（３３）を形成する案内輪（２１、２３）に機械の始動前に冷却材（５１）を供給して案内輪（２１、２３）を冷却することによって調整する。これによって、暖機始動時、翼先端が車室や案内輪に接触するのを防止し、始動特性を向上できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、軸流流体機械における翼先端縁と、該先端縁に対向して位置する案内面との間に形成されたラジアル隙間を調整する方法であって、その案内面を形成する案内輪に冷却材が供給される軸流流体機械におけるラジアル隙間の調整方法に関する。本発明はまた圧縮機に関する。

特許文献１により、ガスタービンのステータ装置とロータ装置との間に的確なラジアル隙間を形成する方法と装置が知られている。構造上生ずるラジアル隙間は、流体機械のロータにおける動翼と、ステータに固定されロータに対向して位置する案内面との間に形成されている。案内面は、作動媒体を案内すべく用いられ、円周方向に分割されたリングセグメントで形成され、該セグメントは、案内輪としてロータの回転軸線を中心に同心的に且つ軸方向に延びている。ガスタービンの運転中、ロータの動翼は案内面に対し間隔を隔てて回転する。また片持ち支持の静翼も、ロータに配置された円錐状又は円筒状の回転案内面に対し、案内面と共にラジアル隙間を形成している。ガスタービンの効率を更に改善するには、ラジアル隙間をできるだけ狭く形成せねばならない。前記特許文献１により、案内輪を半径方向に対し傾斜して配置したホルダによりステータに固定することと、案内輪をガスタービンの運転中に案内輪の材料熱膨張に基づき動翼先端に向けてラジアル隙間を狭める方向に変位することとが公知である。

特許文献２も同様なことを開示する。タービン翼の先端に対向して位置する案内要素はガスタービンの運転中、熱膨張に伴い動翼先端に向けてラジアル隙間を狭める方向に変形する。同時に該要素は、流路内の温度に耐えるべく、背面から冷却空気を供給される。

また、特許文献３により、タービンの案内輪を支持構造物に対し熱絶縁することが公知である。

更に、隙間寸法を決定する構造的パラメータを、可能最小運転隙間、即ち可能最小ラジアル隙間を得るべく、ガスタービンの暖機始動に対し設計することは公知である。ガスタービンの停止後、車室はガスタービンのロータに比べ非常に速く冷える。この冷却に基づき、車室ないし案内輪は元々の構造的大きさに収縮して戻る。その際、まだ暖かいロータは目下のところ、その中に蓄えられた熱のために熱膨張したままであり、遅れて冷え、収縮する。かくして所謂狭窄作用が生ずる。この状況は、ラジアル隙間を狭め、ロータの翼を車室や案内輪に接触させ、それどころか擦りさえ生じさせてしまう。これは永続的なラジアル隙間の増大か、翼の損傷を引き起こす。ラジアル隙間の増大によって燃料消費が増え、損傷した翼は早期点検を必要とし、それに応じて高い経費がかかる。

ガスタービンの始動中、即ち加速中、動翼に作用する遠心力は、動翼を更に膨張させ、該膨張は、ガスタービンの始動前になお存在したラジアル隙間を塞ぎ、翼の意図しない有害な擦りを生じさせる。
独国特許出願公開第１９９３８２７４号明細書 欧州特許出願公開第１１６３４３０号明細書 英国特許出願公開第２３９７１０２号明細書

本発明の課題は、流体機械の有用性を高めるべく、暖機始動を改善し、同時に効率を高める冒頭に述べた形式の方法を提供することにある。また本発明の課題はそのような圧縮機を提供することにある。

方法に関する課題は請求項１に記載の方法、そして圧縮機に関する課題は請求項７に記載の圧縮機により解決される。

本発明は、流体機械の始動前に案内輪に冷却材を供給することを特徴とする。本発明はまだ暖かいか加熱されているが未稼働の流体機械に対し、本発明の方法に従い、ラジアル隙間の隙間寸法が同じ状態である従来公知のガスタービンのラジアル隙間寸法に比べて増大することで、流体機械の暖機始動条件をラジアル隙間の影響により改善できるという考えから出発する。断面ハンマ状案内輪を、円周方向に互いに接する複数のリングセグメントによって形成できる。

動翼（或いは静翼）に対向して位置する案内輪が、より半径方向外側に（又はより半径方向内側に）位置している故、案内輪への冷却材の供給は、案内面をそれに対向して位置する翼先端縁から遠ざける方向に変位させる。かくして生ずるラジアル隙間の増大が、上述の狭窄作用を減少し、その結果擦りの恐れを減らし、このため流体機械の暖機始動性能を顕著に改善する。即ち、流体機械を（前の停止時点から）早期に始動できる。

またラジアル隙間を、暖機始動後不利な運転を伴うような寸法とする必要がない。

暖かい案内輪の冷却は、無稼働の流体機械のラジアル隙間を増大させる。この状態で生ずるラジアル隙間の増大は、暖機始動性を改善する代わりに、冷えた状態、即ち常温にある無稼働の流体機械のラジアル隙間を、従来公知の流体機械に比べて小さく設計するためにも部分的に利用できる。

このことは、流体機械、特に圧縮機およびタービン装置の運転、特に定常運転に有利に作用する。この運転状態では、本発明に基づく方法はもはや利用されず、従ってラジアル隙間は再び狭まっている。構造上生ずるラジアル隙間の縮小は、運転中の作動媒体の損失を減少し、効率を高める。作動媒体の損失は、特に流路内での、増大した作動媒体の圧力比において、ラジアル隙間を利用されずに通る漏洩流によって生ずる。

従属請求項は、本発明の有利な実施態様を示している。

流体機械の（暖機）始動後、流体機械のロータ並びに車室は、運転時間の継続に伴い最大運転温度迄暖まる。その際、車室並びにロータは熱膨張し、この結果狭窄の危険はもはや存在しない。それに応じてこの方法は、流体機械の始動中、案内輪への冷却材の供給を調整するときに特に有利である。最大運転温度に到達後、流体機械、即ちステータおよびロータの温度上昇に伴う熱膨張は終える。その結果、案内輪も暖まり、このため案内輪が熱膨張し、その案内面が翼先端縁に向けて変位し、これは、ラジアル隙間を狭めて効率を向上させる。このことは、特に流体機械の運転時、案内輪が通常冷却されないガスタービンの圧縮機として形成されているとき、有利に利用できる。

冷却材を外部冷却材源から取り出すと特に有利である。ガスタービンとして形成した流体機械の場合、通常、冷却材は冷却空気の形で圧縮機から取り出される。しかしこれは、この方法がガスタービンの始動前に採用されるので行えない。従って、ガスタービンの暖機始動前に案内輪を冷却するための冷却材を用意すべく、外部冷却材源、例えば別個に運転される補助圧縮機或いは別個の送風機を採用せねばならない。

流体機械の始動後に案内輪に加熱材を供給するとよい。これは特に、流体機械が例えば圧縮機やガスタービンのタービンであり、ラジアル隙間を調整するために案内輪の材料膨張が採用される従来公知の方法が圧縮機の案内輪に利用されているときに有利である。好適には、加熱材として空気や蒸気が利用される。案内輪の加熱に伴い、その案内面が翼先端縁に向けて延び、その結果案内面で取り囲まれたラジアル隙間が狭まる。

以下、図を参照して本発明を詳細に説明する。

図１は、流体機械の一例としてガスタービン１を縦断面図で示す。ガスタービン１は内部に回転軸線２を中心として回転可能に支持されたロータ３を有し、該ロータ３はタービンロータとも呼ばれる。ロータ３に沿って順に吸込み室４、圧縮機５、複数のバーナ７が同心的に配置された円環面（トーラス）状環状燃焼器６、タービン装置８および排気室９が続いている。環状燃焼器６は燃焼室１７を形成し、該燃焼室１７は環状流路１８に連通している。ここでは、直列配置された４つのタービン段１０でタービン装置８を形成している。各タービン段１０および各圧縮段は、各々２つの翼列で形成されている。

流路１８内に、タービン装置８の燃焼ガス１１の流れ方向に見て、静翼列１３に動翼１５で形成された動翼列１４が続いている。静翼１２はステータに固定され、これに対し、動翼列１４の動翼１５はタービン円板によってロータ３に設けられている。ロータ３に発電機或いは作業機械（図示せず）が連結されている。

これに対し圧縮機５では、圧縮段が、動翼列１３と、該列１３に圧縮すべき空気の流れ方向に後続する静翼１２の静翼列とによって形成されている。

動翼１５の半径方向外側に案内輪２１が、静翼１２の半径方向内側に案内輪２３が各々対向して位置している。これら案内輪２１、２３はロータ３の軸方向に延びる流路１８を半径方向に境界づけている。案内輪２１、２３は円周方向に互いに接して位置する複数のリングセグメントで形成される。

ガスタービン１の始動後、流路１８を流れる作動媒体によって、ガスタービン１の全ての構成要素は暖められる。これら構成要素、即ちロータ３、動翼１５、静翼１２および内部車室２７は、温度上昇のために冷温状態に比べて膨張する。

ガスタービン１が完全に暖められ、もはや変化しない温度分布が生じたとき、あらゆる熱膨張も終了する。その場合、ガスタービン１は定常状態にある。

図２は、あらゆる熱膨張が終了した後の、図１における部分ＩＩを、案内輪２１およびそれに対向して位置する翼を通る断面図で示す。図２に示す装置は、ガスタービン１のタービン装置８および／又は圧縮機５に利用される。

各翼は、作動媒体で洗流される前縁２０と後縁２２とを持つ横断面液滴状の翼形部（羽根）１９を有している。

ガスタービンロータ３の回転軸線２に対し円筒状或いは円錐状に延びる壁２５は、固定内部車室２７の一部を形成している。壁２５は環状流路１８を取り囲んでいる。内部車室２７又は壁２５に、円周方向に延びる断面ハンマ状の溝２９が加工され、該溝２９内に案内輪２１が配置されている。この結果、案内輪２１は流路１８をロータ３の回転軸線２に対し同心的に囲んでいる。

壁２５又は内部車室２７が翼に向かって収縮しないようにすべく、壁２５と案内輪２１の間に、案内輪２１を壁２５に対し熱的に遮蔽し絶縁する絶縁層２６が形成されている。

案内輪２１は、熱の作用下で、即ち温度上昇下で熱膨張する材料で作られ、好適には壁２５ないし内部車室２７より大きく熱膨張する材料で作られる。即ち案内輪２１は、壁２５や内部車室２７より大きな熱膨張係数を有している。

案内輪２１は本質的に断面ハンマ状溝２９に対応して形成され、背面が溝２９の底に直に接し、又は図示の如く絶縁層２６を介して接し、前面がアンダーカット３１の接触支持面（支持段部）５０に接している。このため案内輪２１は固定されている。接触支持面５０は案内輪２１の半径方向位置を決定し、動翼１５（又は静翼１２）の先端に対向して位置する案内面３３よりかなり半径方向外側（又は半径方向内側）に配置されている。

動翼１５、特にその翼先端縁３５は、案内輪２１の流路１８の側の案内面３３に対向して位置している。各動翼１５の翼先端縁３５と案内面３３との間にラジアル隙間３６が形成されている。ガスタービンの運転中、動翼１５は案内面３３から離れて回転する。それを分かり易くすべく、回転軸線２を（実寸通りでない位置に）示している。

案内輪２１の案内面３３と反対側の背面３７に溝３９が設けられ、該溝３９は、壁２５と共に、絶縁層２６が存在するなら該絶縁層２６と共に、円周方向に延びる環状の供給路４１を形成している。

更に複数の、好適には３つの冷却通路４３が円周方向、即ち回転軸線２に対して同心的に延び、これら冷却通路４３は供給路４１に連通している。

壁２５の流路１８とは反対の側４７から、入口通路４９が壁２５を貫通して延び、供給路４１に開口している。

ガスタービン１の運転停止後、車室がロータ３より急速に冷える故、車室の熱膨張は急速に減少ないし解消し、まだ暖かく、従って熱膨張しているロータ３に向けて収縮する。このためラジアル隙間３６の隙間寸法が減少する。

これは、まだ暖かいガスタービン１の早期始動時、即ち暖機始動時、ロータ３と動翼１５と作用遠心力とに、追加的半径方向成長を生じさせ、このためラジアル隙間３６を、翼先端縁３５が案内面３３を擦り傷つけてしまうほどに狭める。

ここで本発明が採用される。まだ暖かいガスタービンの運転再開前に、入口通路４９を経て供給路４１に冷却材５１を供給する。冷却材５１はそこから接続路４５を経て冷却路４３に達し、案内輪２１を冷却する。冷却材５１は案内輪２１に蓄えられている熱を吸収し、続いて図示しない開口を経て流路１８内に吹き出すか、同様に図示しない帰還路を経て機械内部から外に戻る。案内輪２１からの熱の搬出、特に案内面近くの熱の搬出によって、案内輪２１の材料熱膨張が解消する。この結果流路１８を境界づける案内面３３は、案内輪２１が溝２９内にその半径方向外側を固定して置かれた状況に応じ、位置３３′に変位する。そのため、ラジアル隙間３６は間隔Ｘだけ増大して間隔３６′となる。この結果、暖機始動時に動翼１５が案内面３３、３３′に触れる恐れが減る。この効果は、ガスタービンの運転停止又は運転遮断と暖機始動との時間間隔を短縮すべく利用できる。

この方法は、案内輪２１が壁２５に対し熱絶縁されているときに特に有効である。この実施態様では、案内輪２１だけが冷却され、壁２５は冷却されない。これは、案内輪２１の特に効果的冷却を生じさせ、壁２５が同じように一緒に動くことを阻止する。これによって、案内輪２１しかその熱膨張を解消しないことが保証される。

ガスタービン１の始動後ないし始動過程中、車室が暖まり、熱膨張する。車室と内部車室２７も半径方向外側に変位する。動翼１５の先端縁３５が案内輪２１の案内面３３に接する恐れは減り、この結果所定の運転時間経過後、案内輪２１の冷却が調整される。

同時にガスタービン１は、もはや変化しない温度分布が生じ終える迄一層暖まる。

案内輪２１の材料が一層の温度上昇に耐えるなら、ガスタービン１の運転中、冷却材５１に代えて、加熱材を通路４９、４１、４５を経て導く。案内輪２１の一層の温度上昇は追加的な半径方向熱膨張を引き起し、このため、ラジアル隙間２６が更に狭まる。これは狭まったラジアル隙間３６を経て、少量の作動媒体（圧縮機５で圧縮すべき気体と、タービン装置８で膨張する燃焼ガス１１）しか未利用のまま逃げない故、効率が向上する。

ラジアル隙間３６は半径方向外側に位置する案内面３３と動翼１５との間ばかりか、静翼１２とロータ３に配置された案内面２３との間にも存在する。その際、壁２５はロータ３の一部であり、案内輪２３に静翼１２が対向して位置する。この場合には、変位方向も外側から内側に変化する。

ラジアル隙間３６を変化するための本発明に基づく方法は、特に圧縮機５に対して適用される。しかしタービン装置８にも採用できる。

圧縮機とタービン装置とを備えたガスタービンとして形成された流体機械の縦断面図。 図１の部分ＩＩにおける案内輪とそれに対向して位置する翼先端の断面図。

符号の説明

１ ガスタービン、５ 圧縮機、１２ 静翼、１５ 動翼、２１、２３ 案内輪、３３ 案内面、３５ 翼先端縁、３６ ラジアル隙間、５０ 接触支持面、５１ 冷却材

Claims (11)

1. 軸流流体機械における翼先端縁（３５）と該先端縁（３５）に対向して位置する案内面（３３）との間に形成されたラジアル隙間（３６）の調整方法であって、前記案内面（３３）を形成する案内輪（２１、２３）に冷却材（５１）が供給される軸流流体機械におけるラジアル隙間の調整方法において、
   流体機械の始動前に、案内輪（２１、２３）に冷却材（５１）を供給することを特徴とする方法。
2. ガスタービンの始動中、案内輪（２１、２３）への冷却材（５１）の供給を調整することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 冷却材（５１）を外部冷却材源から取り出すことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 冷却材（５１）として空気又は水を利用することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
5. 流体機械の始動後に、案内輪（２１、２３）に加熱材を供給することを特徴とする請求項２記載の方法。
6. 加熱材として空気又は蒸気を利用することを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 軸流圧縮機（５）の翼先端縁（３５）と、該先端縁（３５）に対向して位置する案内面（３３）との間に形成されたラジアル隙間（３６）を調整するための装置を備えた圧縮機（５）であって、前記案内面（３３）を形成する案内輪（２１、２３）が支持構造物に固定された圧縮機（５）において、
   案内輪（２１、２３）に冷却材（５１）が供給されることを特徴とする圧縮機。
8. 案内輪（２１、２３）が支持構造物に対し熱絶縁されたことを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 案内輪（２１、２３）が支持構造物より大きな熱膨張係数を有することを特徴とする請求項７又は８記載の装置。
10. 支持構造物が案内輪（２１、２３）が突き当たる接触支持面（５０）を有し、該支持面（５０）が動翼（１５）（又は静翼（１２））の翼先端縁（３５）に対向して位置する案内面（３１）より半径方向外側に（或いはかなり半径方向内側に）配置されたことを特徴とする請求項７から９の１つに記載の装置。
11. 請求項１から６の１つに記載の方法を実施するための装置であることを特徴とする装置。

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