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技術 ガスタービンクリアランスシミュレータシステム

出願人 三菱重工業株式会社
発明者 小代泰弘赤城弘一梅村直
出願日 1998年7月14日 (21年9ヶ月経過) 出願番号 1998-198839
公開日 2000年1月25日 (20年3ヶ月経過) 公開番号 2000-027606
状態 未査定
技術分野 タービンロータ・ノズル・シール タービンロータ・ノズル・シール
主要キーワード 構造データファイル 構造解析プログラム クリアランスセンサ 使用温度条件 変形データ シミュレータシステム 検出器配置 材料データ
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この項目の情報は公開日時点(2000年1月25日)のものです。
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課題

ガスタービンクリアランスシミュレータシステムに関し、動翼先端静止側とのクリアランスにクリアランスセンサを直接設置せずに、温度と圧力の計測値のみでクリアランスを予測する。

解決手段

シミュレータ1にはガスタービン構造部の各点における温度が温度検出器21〜26により検出され入力される。又、動翼先端と静翼保持環との間のクリアランス近辺圧力値圧力検出器41,42より入力される。シミュレータ1ではガスタービンの回転数Nを入力し、構造データファイル3からのガスタービンの構造データから該当する構造部の静止側、ロータ側の熱伸びによる変形データを算出し、両変形データからクリアランスを求め、記憶装置4へ入力すると共に表示装置2に表示す。クリアランスを設置せず、簡単な温度、圧力検出器のみで、クリアランスが正確に予測できる。

概要

背景

一般にガスタービンにおいては、運転中には高温燃焼ガスガス通路に流れロータディスク及びロータ、更に静翼が高温にさらされており、特に動翼熱伸びを生じ、固定側の翼環動翼先端との間のクリアランスが変化する。このクリアランスが熱伸びにより狭くなり、動翼先端部と翼環部とが接触するようなことが起きると動翼が破損することが起こる。そのためにこのクリアランスは運転中に接触しないように設計しなければならず、充分な試験を実施し、その結果を反映させて設計しなければならない。又、運転中にはこれを監視し、接触による動翼の破損が起きそうな状況となった時には負荷を制御し、又、最悪の場合にはトリップ、等を実施しなければならない。そのために従来はクリアランスセンサを用いて動翼先端等のクリアランスを計測していた。

図4は従来の動翼先端と翼環とのクリアランスを計測する一例を示し、圧縮機の動翼に適用した例で示す。図において30は圧縮機の最終段静翼、31は最終段動翼、32は静翼保持環、33は隣接する静翼、34はロータディスクである。35はクリアランスセンサであり、静翼保持環32に取付けられ、動翼31の先端と静翼保持環32との間のクリアランスを計測するものである。クリアランスセンサとしては動翼先端部とセンサとの間の静電容量を利用したもの、渦電流を利用したもの、細針を動翼の端部に向けて挿入し、その細針の先端に高電圧をかけたときに発生する放電電流を利用したもの等があり、電気的な手段を用いて高速回転し、かつ高温雰囲気にさらされる部分に設置されており、熱、振動の影響を受け、使用温度条件計測精度にはおのずと制限を受けるものである。

概要

ガスタービンクリアランスシミュレータシステムに関し、動翼先端と静止側とのクリアランスにクリアランスセンサを直接設置せずに、温度と圧力の計測値のみでクリアランスを予測する。

シミュレータ1にはガスタービン構造部の各点における温度が温度検出器21〜26により検出され入力される。又、動翼先端と静翼保持環との間のクリアランス近辺圧力値圧力検出器41,42より入力される。シミュレータ1ではガスタービンの回転数Nを入力し、構造データファイル3からのガスタービンの構造データから該当する構造部の静止側、ロータ側の熱伸びによる変形データを算出し、両変形データからクリアランスを求め、記憶装置4へ入力すると共に表示装置2に表示す。クリアランスを設置せず、簡単な温度、圧力検出器のみで、クリアランスが正確に予測できる。

目的

そこで本発明では、クリアランスセンサ等を高温で高速回転する近辺に設置することなく、比較的単純な温度や圧力の計測機器のみを用いてガスタービンの起動、運転中のクリアランスを算出し、予測することのできるガスタービンクリアランスシミュレータシステムを提供することを課題としてなされたものである。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
2件

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請求項1

ガスタービンの回転側と静止側の各位置に設置された複数の温度検出器及び圧力検出器と、ガスタービンの構造、材料等のデータを保有している構造データファイルと、前記温度、圧力検出器の各検出値とガスタービンの回転数の信号とを入力し、前記構造データファイルからのデータを参照してガスタービンの起動運転中及び停止時の回転側と静止側のそれぞれの構造部熱伸びを求め、これら熱伸びから前記回転側と静止側との所定位置での各時点でのクリアランスを算出するシミュレータと、同シミュレータからの算出結果を表示する表示装置とを有してなることを特徴とするガスタービンクリアランスシミュレータシステム

技術分野

0001

本発明はガスタービンクリアランスシミュレータシステムに関し、クリアランスセンサを用いることなく単純な計測機器を用いてクリアランスを予測し、算出することができるものである。

背景技術

0002

一般にガスタービンにおいては、運転中には高温燃焼ガスガス通路に流れロータディスク及びロータ、更に静翼が高温にさらされており、特に動翼熱伸びを生じ、固定側の翼環動翼先端との間のクリアランスが変化する。このクリアランスが熱伸びにより狭くなり、動翼先端部と翼環部とが接触するようなことが起きると動翼が破損することが起こる。そのためにこのクリアランスは運転中に接触しないように設計しなければならず、充分な試験を実施し、その結果を反映させて設計しなければならない。又、運転中にはこれを監視し、接触による動翼の破損が起きそうな状況となった時には負荷を制御し、又、最悪の場合にはトリップ、等を実施しなければならない。そのために従来はクリアランスセンサを用いて動翼先端等のクリアランスを計測していた。

0003

図4は従来の動翼先端と翼環とのクリアランスを計測する一例を示し、圧縮機の動翼に適用した例で示す。図において30は圧縮機の最終段静翼、31は最終段動翼、32は静翼保持環、33は隣接する静翼、34はロータディスクである。35はクリアランスセンサであり、静翼保持環32に取付けられ、動翼31の先端と静翼保持環32との間のクリアランスを計測するものである。クリアランスセンサとしては動翼先端部とセンサとの間の静電容量を利用したもの、渦電流を利用したもの、細針を動翼の端部に向けて挿入し、その細針の先端に高電圧をかけたときに発生する放電電流を利用したもの等があり、電気的な手段を用いて高速回転し、かつ高温雰囲気にさらされる部分に設置されており、熱、振動の影響を受け、使用温度条件計測精度にはおのずと制限を受けるものである。

発明が解決しようとする課題

0004

前述のように従来のガスタービンの動翼先端と静止側とのクリアランスの計測にはクリアランスセンサを用いて実施しているが、クリアランスセンサは高速回転して振動し、かつ高温雰囲気の厳しい状況で使用され、温度範囲や計測精度には制限があり、かならずしもすべての運転条件で正確なクリアランスを測定できるとは限らない。又、計測装置も電気、電子的手段を用いており、大がかりとなってしまう。従ってクリアランスの正確な測定を簡略な装置で行うことが以前より強く望まれていた。

0005

そこで本発明では、クリアランスセンサ等を高温で高速回転する近辺に設置することなく、比較的単純な温度や圧力の計測機器のみを用いてガスタービンの起動、運転中のクリアランスを算出し、予測することのできるガスタービンクリアランスシミュレータシステムを提供することを課題としてなされたものである。

課題を解決するための手段

0006

本発明は前述の課題を解決するために次の手段を提供する。

0007

ガスタービンの回転側と静止側の各位置に設置された複数の温度検出器及び圧力検出器と、ガスタービンの構造、材料等のデータを保有している構造データファイルと、前記温度、圧力検出器の各検出値とガスタービンの回転数の信号とを入力し、前記構造データファイルからのデータを参照してガスタービンの起動、運転中及び停止時の回転側と静止側のそれぞれの構造部の熱伸びを求め、これら熱伸びから前記回転側と静止側との所定位置での各時点でのクリアランスを算出するシミュレータと、同シミュレータからの算出結果を表示する表示装置とを有してなることを特徴とするガスタービンクリアランスシミュレータシステム。

0008

本発明では従来のように高温雰囲気で高速回転する部分にクリアランスセンサを直接設置することなく、ガスタービンの構造体の各点に簡単な温度検出器と圧力検出器とを設置し、これら検出信号をシミュレータに入力し、シミュレータでは構造データファイルのデータと回転数とから該当するクリアランスの回転側と静止側との熱伸びを求め、これらの差よりクリアランスを求める。このクリアランスはガスタービンの起動時、運転中、停止時の各時点において常時監視することができ、各時点でのクリアランスを正確に予測することができる。

発明を実施するための最良の形態

0009

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は本発明の実施の一形態に係るガスタービンクリアランスシミュレータシステムの全体構成図、図3はそのシミュレータシステムの内部のフローチャート図3は温度、圧力検出器の配置図をそれぞれ示す。

0010

まず、図2は温度、圧力検出器の配置を示し、ガスタービンの圧縮機に適用した例で説明する。図3において符号30〜34は図4に示す構造と同じものであり、35は車室を示している。このようなガスタービンの圧縮機において温度検出器21〜26を6ヶ所配置する。21,22は車室35の外表面、23は静翼保持環32の外側、24はその内側で高温ガス通路側、25はディスク、26はディスクのロータを介した反対側にそれぞれ配置される。

0011

又、圧力検出器41は静翼保持環32の外側、圧力検出器42は動翼31と対向する側にそれぞれ配置される。40は計測すべき動翼31と静翼保持環32とのクリアランスである。

0012

図1はガスタービンクリアランスシミュレータシステムの全体構成図であり、1はシミュレータ、2は表示装置、3は構造データファイルであり、図3に示す圧縮機等の3次元構造データ材料データ等が保有されている。4は記憶装置である。21〜26は温度検出器で、41,42は圧力検出器であり、図3に示す個所に配置されている。Nは回転数のデータである。

0013

シミュレータ1はこれら温度検出器21〜26、圧力検出器41,42の各検出信号を入力し、構造データファイル3の構造データを参照し、運転中の静止側、固定側の熱伸びを計算し、クリアランスを計算して、運転中のクリアランスを予測し、その結果を表示装置2に表示したり、記憶装置4に記憶する。

0014

図2図1におけるシミュレータ1内の演算を示すフローチャートである。図において、S1では温度検出器21〜26の各構造部の温度が入力され、又、動翼と静止側とのクリアランスの近辺の圧力が圧力検出器41,42から入力される。S2において計測すべき部分の、熱伝達率(α)、メタル温度(T)、回転数(N)を計算データとしてセットする。

0015

S3において、構造解析プログラム50に入力すべきデータを編集し、構造解析プログラム50に入力する。S4においては、構造解析プログラム50により該当する静止側の構造部分の熱膨張データを求めてその変形データを算出する。S5においては同様にロータ側の熱膨張データを求めて変形データを算出する。

0016

S6においては、S4,S5で求めた変形データより該当する構造部分のクリアランスを求め、S7においてこのクリアランスの結果を記憶装置4に入力して記憶すると共に、S8において表示装置2に出力して表示する。S9において運転が継続しているか否かを判断し、運転中であれば、S1に戻り、計測を繰り返し、監視を継続し、運転が停止されればS10で終了する。

0017

以上説明の実施の形態によれば、ガスタービンの静止側に温度検出器21〜24を、ロータ側に25,26を配置し、圧力検出器41,42を動翼31の近辺にそれぞれ配置する。これら検出器からの各構造部の検出データはシミュレータ1に入力され、シミュレータ1では運転中の回転数Nの信号を入力し、ガスタービンの起動時、負荷変化時、停止時のそれぞれにおいて動翼31と静翼保持環32との間のクリアランス40を算出し、表示装置2に表示するようにしたので、従来のような高温雰囲気中回転体の近辺にクリアランスセンサ等を設置することがなく、簡単な温度と圧力検出器21〜26、41,42の検出値のみでガスタービン運転中の時々刻々のクリアランスを正確に予測することができるようになった。

0018

なお、上記の実施の形態においては、ガスタービンの圧縮機に適用した例で説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、ガスタービンの静翼のラビリンスシールとロータ側とのクリアランス、その他のクリアランスを有する構造部分に適用されるものであり、更にガスタービンのみならず蒸気タービンを含め、その他回転部と静止部との間にクリアランスを有するプラントであれば適用でき、同様の効果を有するものである。

発明の効果

0019

本発明のガスタービンクリアランスシミュレータシステムは、ガスタービンの回転側と静止側の各位置に設置された複数の温度検出器及び圧力検出器と、ガスタービンの構造、材料等のデータを保有している構造データファイルと、前記温度、圧力検出器の各検出値とガスタービンの回転数の信号とを入力し、前記構造データファイルからのデータを参照してガスタービンの起動、運転中及び停止時の回転側と静止側のそれぞれの構造部の熱伸びを求め、これら熱伸びから前記回転側と静止側との所定位置での各時点でのクリアランスを算出するシミュレータと、同シミュレータからの算出結果を表示する表示装置とを有してなることを特徴としている。このようなシステムにより、従来のように高温雰囲気で高速回転するクリアランス近辺にクリアランスセンサを設置することなく、単純な温度検出器と圧力検出器のみでガスタービンの起動時、運転中、停止時のクリアランスが正確に予測することができる。

図面の簡単な説明

0020

図1本発明の実施の一形態に係るガスタービンクリアランスシミュレータシステムの構成図である。
図2本発明の実施の一形態に係るガスタービンクリアランスシミュレータシステムのシミュレータのフローチャートである。
図3本発明の実施の一形態に係るガスタービンクリアランスシミュレータシステムの検出器配置図である。
図4従来のガスタービン圧縮機におけるクリアランスセンサの配置図である。

--

0021

1シミュレータ
2表示装置
3構造データファイル
4記憶装置
21〜26温度検出器
31動翼
32静翼保持環
40 クリアランス

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