(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータディスク面に対向するガスタービン静翼シールリング部に固定され、該当間のクリアランスを計測するセンサと；圧縮機からの空気を静翼内を通り、同静翼内側のキャビティに導くシール用空気供給系路に設けられ、同空気を冷却するクーラと；同クーラに並設されたバイパス流路に設けられた流量調整弁と；  同流量調整弁を制御する制御装置とを備え；  同制御装置は前記センサからの信号を入力し、同信号があらかじめ定められた設定値よりも大きいと前記流量調整弁を開き、同信号が前記設定値よりも小さいと前記流量調整弁を閉じるように制御することを特徴とするガスタービン静翼の段間シールアクティブクリアランス制御システム。
【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静翼の段間シールアクティブクリアランス制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの静翼には外側シュラウドから圧縮機の空気を一部抽気して導き、静翼内部を通り、内側シュラウドのキャビティ内に導き、キャビティ内を外部の高温の燃焼ガス側よりも圧力を高め、高温ガスの内側への侵入を防止するようにしている。
【０００３】
図３はガスタービン静翼の一般的なシール構造を示す断面図である。図において、２１は静翼であり、２２は外側シュラウド、２３は内側シュラウドである。内側シュラウド２３のフランジはシールリング保持環２４を支持し、シールリング２５はシールリング保持環２４に支持され、ロータ側のディスク３３ａ，３３ｂとの間をシールしている。このシールリング保持環２４と内側シュラウド２３とによってキャビティ２６が形成されている。２７はシールリング保持環２４に設けられた穴、２８はシール用空気のチューブで、静翼内を外側シュラウド２２から内側シュラウド２３へ貫通して設けられている。
【０００４】
３１ａ，３１ｂは静翼２１の前後に隣接して配置された動翼であり、３２ａ，３２ｂはそれら動翼のプラットフォームである。３４，３５は静翼２１の内側において動翼３１ａ，３１ｂ間にそれぞれ形成された空間、３６，３７は内側シュラウド２３両端のシール部であり、それぞれ動翼３２ａ，３２ｂと静翼２１の内側シュラウド２３の両端部との間をシールしている。
【０００５】
上記構成の静翼において、圧縮機の空気を一部抽気したシール用空気４０が車室側から外側シュラウド２２へ導かれ、シール用のチューブ２８から静翼２１内を通り、矢印４０ａで示すようにキャビティ２６内へ流入する。キャビティ２６内に流入した空気の一部はシールリング保持環２４の穴２７を通り、矢印４０ｂで示すように前方の空間３４へ流出し、シール部３６を通り矢印４０ｃで示すように燃焼ガス通路へと流出する。更に、シール用空気はシール装置２５のシール部を通り、後方の空間３５にも矢印４０ｄで示すように流れ、矢印４０ｅで示すように後方のシール部３７から燃焼ガス通路へと流出する。
【０００６】
上記に説明のシール用空気４０により内側シュラウド２３内に形成されたキャビティ２６、及び両空間３４，３５内を燃焼ガス通路よりも圧力を高くして高温の燃焼ガスが内側シュラウド２３内に侵入するのを防止している。
【０００７】
又、静止部であるシール装置２５と回転部であるロータディスク３３ａ，３３ｂとの対向する面にはクリアランスδＨ  が保持される必要があり、このクリアランスδＨ  が大きすぎると空気の漏れ量が多くなり、シール性能を低下させることになり、又、逆に小さすぎると静止側と回転側とが接触することになり、このクリアランスを適切に設定しなければならない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述のようにガスタービンの静翼の内側にはシールリング２５が設けられ、回転部であるロータディスク部との対向面にクリアランスδＨ  を保持しており、このクリアランスδＨ  が大きすぎると漏れ量が大きくなってシール性能に影響し、又、小さすぎると静止部と回転部が接触する恐れが生ずる。
【０００９】
このクリアランスδＨ  はガスタービンの運転状態、即ち、起動時や負荷運転時により回転部と静止部との熱伸びの影響により伸縮し、変化している。この熱伸びは静止部と回転部により多少異るが、運転中の最小クリアランス時には両者が接触しないようなクリアランスδＨ  を設定しなければならない。通常は、このクリアランスδＨ  は組立時に最小クリアランスをむかえても接触しないようにある程度余裕を見込んで設定しているが、このクリアランスをできるだけ小さく設定し、かつ接触しないように適切なクリアランスの設定が必要であるが、現状ではこのクリアランスを適切に制御する手段がなく、このような方法の実現が強く望まれていた。
【００１０】
そこで本発明は、ガスタービンの固定側と静止側のクリアランスの熱伸びによる変化に対し、クリアランスの変化を絶えず検出し、クリアランスが大きくなると狭くするように、小さすぎると広げるようにシール用空気の温度により熱伸びを制御してクリアランスを絶えず最適に設定できるようなシールクリアランスアクティブ制御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。
【００１１】
【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手段を提供する。
【００１２】
ロータディスクに対向するガスタービン静翼シールリング部に固定され、該当間のクリアランスを計測するセンサと；圧縮機からの空気を静翼内を通り、同静翼内側のキャビティに導くシール用空気供給系路に設けられ、同空気を冷却するクーラと；同クーラに並設されたバイパス流路に設けられた流量調整弁と、同流量調整弁を制御する制御装置とを備え；同制御装置は前記センサからの信号を入力し、同信号があらかじめ定められた設定値よりも大きいと前記流量調整弁を開き、同信号が前記設定値よりも小さいと前記流量調整弁を閉じるように制御することを特徴とするガスタービン静翼の段間シールアクティブクリアランス制御システム。
【００１３】
本発明は、静止部と回転部のクリアランスがセンサの計測を通して制御装置により常時モニタされており、ガスタービンの起動時又は負荷運転時に熱伸びによりクリアランスが変化するとその信号はセンサにより検出され、制御装置に入力される。制御装置にはあらかじめ最適なクリアランスの値が設定されており、入力されたセンサの信号が設定値よりも大きいと流量調整弁を開くように制御し、圧縮機からの空気の一部をクーラを通さずにバイパスさせて混入し、キャビティ内に導き、シール用空気の温度を上げて熱伸びを大きくし、クリアランスが小さくなるようにする。
【００１４】
又、入力されたセンサの信号が設定値よりも小さいと、静止部と回転部とが接触の恐れがあるので、流量調整弁を閉じ、空気の全量をクーラにより冷却してシール用空気の温度を下げて熱伸びを小さくし、クリアランスが広がるように制御する。センサの信号が設定値にあるときは流量調整弁はその現状の開度を維持すように設定されている。
【００１５】
このようにして制御装置が絶えずクリアランスをモニタしてクリアランスが最適の値となるように制御するので、クリアランスが最適な値に保持され、漏れ空気量を少くしてシール性能を向上すると共に、静止部と回転部との接触を防止し、安全な運転を可能とするものである。
【００１６】
【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は本発明の実施の一形態に係るガスタービン静翼の段間シールクリアランスアクティブ制御システムの構成図である。図において、静翼２１には外側シュラウド２２と内側シュラウド２３が設けられ、内側シュラウド２３のフランジはシールリング保持環２４を保持し、シールリング保持環２４はシールリング２５を支持し、シールリング２５と内側シュラウド２３とでキャビティ２６を形成しシールリング２５とロータディスク３３ａ，３３ｂとの対向面にはクリアランスδＨ  を保持している。このような構成は図３で説明した従来の構造と同じものである。
【００１７】
１０は制御装置であり、１１は流量調整弁で空気の流量を調整し、バイパスさせるもの、１２はクーラであり、シール用空気を冷却するものである。このクーラ１２は、入口ガス温度が１５００℃クラスのガスタービンではシール用空気系統に設けられるものであり、このような常設のクーラがないガスタービンには新たに設ける。１３はバイパス流路、１４はクリアランス計測センサであり、センサ１４はロータディスク面と対向するガスタービン静翼シールリング２５に取付け固定される。
【００１８】
シール用空気の系統は、圧縮機からの空気を抽気し、クーラ１２を通して導かれたシール用空気５０が車室内に導かれ、外側シュラウド２２を通して静翼２１内のシール用空気のチューブ２８から内側シュラウド２３を貫通し、キャビティ２６内へ導かれる。このキャビティ２６からのシール用空気は従来と同様にシールリング保持環２４の穴２７を通って矢印のように空間３４へ行き、更にシール部３６に流失される。同様にシールリング２５通ったシール用空気は空気室３５に至り、シール部３７に流失される。このようにして内側シュラウド２３内を高温の燃焼ガスからシールしてガスの侵入を防止するように構成されている。
【００１９】
又、バイパス流路１３により流量調整弁１１を開くことにより、空気の一部をクーラ１２をバイパスさせて導く流路が設けられ、この流路１３は制御装置１０により流量調整弁１１の開閉を制御して空気をバイパスさせるように制御される。
【００２０】
上記の構成のシステムにおいて、クリアランスδＨ  はクリアランス計測センサ１４で常時モニタリングされて制御装置１０とその信号が入力されている。シール用空気は圧縮機からの空気が抽気され、クーラ１２を通して冷却されてシール用空気５０となってシール用チューブ２８からキャビティ２６内へ導かれる。この場合の圧縮機からの空気温度Ｔａｉｒはガス入口温度が１３００℃クラスのガスタービンの例では２００℃〜３００℃位であり、クーラ１２で冷却してＴｃ＝１５０℃〜２００℃位に下げてシール用空気５０として供給している。
【００２１】
制御装置１０ではクリアランス計測センサ１４からの信号をモニタし、あらかじめ設定した最適のクリアランスの値と比較し、大きすぎると流量調整弁１１を開き、圧縮機からの空気の一部をクーラ１２を通さずにバイパスして冷却空気に混入し、冷却空気の温度を上昇させてクリアランスの熱伸びを大きくしてクリアランスを狭めるように制御する。
【００２２】
又、逆に少なすぎると接触の恐れがあるので、流量調整弁１１を閉じ、空気のバイパス量をなくしてシール用空気の温度を下げ、熱伸びを小さくしてクリアランスが広がるように制御する。センサの信号が設定値にあるときは流量調整弁はその現状の開度を維持するように設定される。
【００２３】
図２は上記の制御の状況を示すフローチャートである。図において、Ｓ１ではクリアランス計測センサ１４からの信号を制御装置１０がモニタし、Ｓ２において、計測したクリアランスがあらかじめ制御装置１０に設定しておいた最適の設定値になったか否か調べる。結果が等しいとＳ１５でクリアランスは最適と判断し、そのときの流量調整弁の開度を維持する。
【００２４】
Ｓ２においてクリアランスが設定値に等しくないと、Ｓ３において設定値よりも大きいか否かを選べ、大きくないと、Ｓ４で計測クリアランス小と判定し、Ｓ５で流量調整弁１１を閉め、Ｓ６において冷却空気温度Ｔｃが低下し、Ｓ７ではそれにより静止側のシールリング保持環２４等の熱伸びが減少し、Ｓ８においてクリアランスδＨ  が拡大し、Ｓ９においてクリアランスが変化したとそれぞれ判断して再びＳ１に戻りクリアランス計測センサ１４の信号をモニタする。
【００２５】
Ｓ３においてクリアランス計測センサ１４の計測値が設定値よりも大きいと、Ｓ１０で計測クリアランス大と判断してＳ１１において流量調整弁１１を開き、Ｓ１２で冷却空気温度Ｔｃが上昇、Ｓ１３で静止側のシールリング保持環２４の熱伸びが増大し、Ｓ１４でクリアランス１４が減少した、とそれぞれ判断し、Ｓ９へ進み、再びＳ１へ戻ってクリアランス計測センサ１４の信号をモニタする。
【００２６】
以上説明の実施の形態のガスタービン静翼の段間シールクリアランスアクティブ制御システムによれば、静止側のシールリング保持環２４に設置したクリアランス計測センサ１４の信号を制御装置１０で常時モニタしてクーラ１２で冷却するシール用空気５０の温度を制御し、クリアランスδＨ  を制御して最適な値となるように熱伸びを調整するようにしたので、静止側と回転側のクリアランスを常に最適に保ち、シール性能を向上すると共に、接触事項も防止されるものである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明のガスタービン静翼の段間シールクリアランスアクティブ制御システムは、ロータディスク面に対向するガスタービン静翼シールリング部に固定され、該当間のクリアランスを計測するセンサと；圧縮機からの空気を静翼内を通り、同静翼内側のキャビティに導くシール用空気供給系路に設けられ、同空気を冷却するクーラと；同クーラに並設されたバイパス流路に設けられた流量調整弁と、同流量調整弁を制御する制御装置とを備え；同制御装置は前記センサからの信号を入力し、同信号があらかじめ定められた設定値よりも大きいと前記流量調整弁を開き、同信号が前記設定値よりも小さいと前記流量調整弁を閉じるように制御することを特徴としている。このような構成により、制御装置が絶えずクリアランスをモニタしてクリアランスが最適な値となるように制御するので、静止部と回転部のクリアランスが最適に保持され、漏れ空気量を少くしてシール性能が向上すると共に、静止部と回転部との接触を防止し、安全な運転がなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るガスタービン静翼の段間シールクリアランスアクティブ制御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静翼の段間シールクリアランスアクティブ制御システムの制御フローチャートである。
【図３】ガスタービンの静翼のシール構造の一般的な断面図である。
【符号の説明】
１０            制御装置
１１            流量調整弁
１２            クーラ
１３            バイパス流路
１４            クリアランス計測センサ
２１            静翼
２２            外側シュラウド
２３            内側シュラウド
２４            シールリング保持環
２５            シールリング
２６            キャビティ
２８            チューブ
３１ａ，３１ｂ  動翼
３２ａ，３２ｂ  プラットフォーム
３３ａ，３３ｂ  ロータディスク
３４，３５      空間
３６，３７      シール部
【図１】
0003564286.tif 000002
【図２】
0003564286.tif 000003
【図３】
0003564286.tif 000004