(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流タービン（１０）であって、
作動流体用の流路をその内部に形成したケーシング（１５）と、
該ケーシング（１５）に対して同軸状のロータ（１１）と、
複数の段（１６）であって、各段（１６）は、前記ケーシング（１５）に周方向に取り付けられた定置のベーン（１４）の列と、前記ロータ（１１）に周方向に取り付けられておりかつそれぞれが前記流路内へ延びる翼（１３）を有する回転するブレード（１２）の列とを有する、複数の段（１６）と、を備え、
該複数の段（１６）は、前記タービン（１０）の下流端部に配置された最終段のブレード（１２）の列を含み、前記最終段のブレード（１２）の翼（１３）は、前記ロータ（１１）から見て遠位の、翼（１３）の遠位領域（１９）を有し、
前記タービン（１０）は、監視制御システムを備え、該監視制御システムは、少なくとも１つの最終段のブレード（１２）の遠位領域（１９）に、該遠位領域（１９）における前記翼の少なくとも１つの物理的特性を測定するために構成および配置された、少なくとも１つのセンサ（２２）を有する、軸流タービン（１０）において、
前記制御システムは、
前記最終段（１８）の前記ブレード（１２）の前記遠位領域（１９）の物理的特性のうちの少なくとも１つに影響するように構成および配置された制御エレメント（２４）と、
少なくとも１つの測定された物理的特性に基づいて前記制御エレメント（２４）を調節し、それによって少なくとも１つの物理的特性を制御するように構成された制御装置（２０）と、を有し、
前記少なくとも１つの物理的特性は、水分であり、前記センサ（２２）は、前記翼（１３）の局所的な水分を測定するように構成されていることを特徴とする、軸流タービン（１０）。
【請求項２】
前記センサ（２２）は、前記翼（１３）に埋設されている、請求項１記載のタービン（１０）。
【請求項３】
前記翼（１３）は、複合コア本体（２５）を有し、さらに、前記翼（１３）の少なくとも一部分をカバーするカバー（２７）を備え、前記センサ（２２）は、前記複合コア本体（２５）と前記カバー（２７）との間に埋設されている、請求項２記載のタービン（１０）。
【請求項４】
前記翼（１３）は、複合層（２６）から形成されており、前記センサ（２２）は、前記複合層（２６）の間に埋設されている、請求項２記載のタービン（１０）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの物理的特性は、さらにひずみを含み、前記センサ（２２）は、前記翼（１３）における局所的なひずみを測定するように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のタービン（１０）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの物理的特性は、さらに温度を含み、前記センサ（２２）は、前記翼（１３）の局所的な温度を測定するように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のタービン（１０）。
【請求項７】
前記翼（１３）は、前記ロータ（１１）からの前記翼（１３）の延在長さに沿って分配された複数のセンサ（２２）をさらに有し、少なくとも１つの測定される物理的特性は、前記複数のセンサ（２２）の測定分布である、請求項１から６までのいずれか１項記載のタービン（１０）。
【請求項８】
前記翼（１３）は、導電性材料から成り、該導電性材料は、前記センサ（２２）のための接地であり、これにより、センサ（２２）が１本のワイヤ（１７）のみを有することを可能にする、請求項１から７までのいずれか１項記載のタービン（１０）。
【請求項９】
前記センサ（２２）と、前記制御装置（２０）とは、少なくとも部分的に無線手段によって通信する、請求項１から８までのいずれか１項記載のタービン（１０）。
【請求項１０】
前記制御エレメント（２４）は、水噴射、蒸気噴射、作動流体抽出およびタービンを通る質量流量から選択される少なくとも１つを調節するための手段である、請求項１から９までのいずれか１項記載のタービン（１０）。
【請求項１１】
軸流タービン（１０）の最終段（１８）のブレード（１２）の遠位領域（１９）の物理的特性を制御する方法であって、
前記遠位領域（１９）の物理的特性に影響するように構成および配置された制御エレメント（２４）を提供するステップと、
前記遠位領域（１９）の物理的特性を測定するステップであって、該物理的特性は水分である、ステップと、
測定された物理的特性に応答して前記制御エレメント（２４）を調節し、これにより前記物理的特性を制御するステップとを含むことを特徴とする、軸流タービン（１０）の最終段（１８）のブレード（１２）の遠位領域（１９）の物理的特性を制御する方法。
【請求項１２】
前記物理的特性は、温度およびひずみのうちから選択される１つ以上をさらに含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
少なくとも部分的に複合層（２６）から形成された、最終段（１８）のブレード（１２）を提供することをさらに含み、前記物理的特性を測定するステップが、前記複合層（２６）の間の一箇所における物理的特性を測定することを含む、請求項１１または１２記載の方法。
【請求項１４】
前記制御エレメント（２４）の調節の対象は、水噴射、蒸気噴射、および抽出のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して低圧蒸気タービンを含む軸流タービン制御システム、特に、最終段ブレード、特に最終段ハイブリッド複合ブレード用の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
低圧蒸気タービンの回転ブレードは、ロータに大きな遠心力を誘発する。これは、最大効率を得るためにタービンを設計する際の制限的要因となり得る。１つの解決手段はより低密度のブレード材料を使用することである。なぜならば、このようなブレードはロータにより小さい力を加えるからである。しかしながら、この解決手段は、低密度材料が十分な機械的特性を有する場合にのみ適用することができる。チタンは１つの既存の解決手段であるが、状況によっては、さらにより優れた比強度を有する代替手段を用いることが好ましい。別の代替手段は複合材料であり、その一例はスイス特許第５４７９４３号明細書に開示されている。
【０００３】
複合材料の欠点は、複合材料が通常、金属よりも低い温度許容度を有するということである。これは、最終段ブレードがブレード先端領域において風損加熱を受けやすい場合に、低い体積流量運転および最高速度条件の間に、問題となる恐れがある。ブレード温度は、通常、６５°を超えない。しかしながら、補正手段がないと、この条件により、最終段ブレード先端温度は２５０°を超える恐れがある。この温度では、複合材料の機械的特性は著しく影響され、変形および強度低下を含む永久的な劣化を生じる恐れがある。
【０００４】
風損加熱に対する解決手段は、米国特許出願公開第２００７／２９２２６５号明細書によって提供される。この解決手段は、最終段先端領域の近くに冷却媒体を噴射することを含む。蒸気又は水を含む媒体が、ブレード先端の前方又は後方においてケーシングから噴射される。択一的に、または付加的に、外側側壁を通る流れを抽出するための小さな抽出溝が、ブレードのすぐ前方においてブレードの近くに設けられていてよい。
【０００５】
通常、これらの制御手段は、コンピュータ流体動的計算法などの手段を用いて予測的評価に基づいてなされる。最適な制御手段は、通常設備ごとに異なり、さらに、作動条件によっても異なるので、単純な普遍的に適用されるしきい値は、部分最適制御（suboptimal control）につながりやすい。特に、制御動作は、実際に必要とされるよりも多くの蒸気／水を噴射することがある。これは、どのようにおよびどこで噴射が生じるかに応じて、特にブレード前縁または後縁に沿って過剰な腐食的攻撃につながる場合がある。別の場合、制御動作は、十分な蒸気／水を噴射しないことがあり、不十分な冷却を生じる。さらに別の場合、抽出溝を介して抽出される作動流体が多すぎることがあり、これは蒸気タービン効率に不利に影響する。したがって、タービン効率を最大化しかつ冷却流体の消費を最小限にしつつ、許容できるブレード寿命を保証する制御システムを提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】スイス特許第５４７９４３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／２９２２６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本開示は、ブレード寿命を短縮させる最終段ブレード遠位領域における風損の不都合な効果の部分最適制御の問題を克服するタービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、独立請求項の主体によってこの問題に対処することを試みる。有利な実施の形態は従属請求項に示されている。
【０００９】
本開示は、ブレード過熱に対する補正作用を開始および調節するために、ブレードの物理的特性の直接測定を利用する制御装置を提供するという一般的概念に基づく。
【００１０】
１つの態様は、作動流体用の流路をその内部に形成したケーシングを有する軸流タービンを提供する。ケーシング内には、ケーシングと同軸状にロータが配置されている。複数の段が流路に取り付けられている。各段は、ケーシングに周方向に取り付けられた定置のベーン列と、ロータに周方向に取り付けられた回転ブレード列とを有し、ブレードの各翼は流路内へ延びている。複数の段のうち、流れ方向でタービンの下流端部よりに配置されたブレード列として規定される最終段ブレード列は、ロータから見て遠位の翼の端部において遠位領域を有する。タービンは、さらに、以下の３つの主要なエレメントを有する監視制御システムを有する：
・遠位領域における翼の少なくとも１つの物理的特性を測定するための、少なくとも１つの最終段ブレードの遠位領域に構成及び配置された少なくとも１つのセンサ
・最終段ブレードの遠位領域の物理的特性のうちの少なくとも１つに影響するように構成及び配置された制御エレメント
・測定された物理的特性のうちの少なくとも１つに基づいて制御エレメントを調節し、それによって物理的特性のうちの少なくとも１つを制御するように構成された制御装置。
【００１１】
フィードバック制御装置は、制御動作を最適化することができることを保証し、過多なまたは過少な制御動作がなされないことを保証し、これにより、ブレード寿命の観点からタービン効率を最適化することを可能にする。
【００１２】
別の態様において、センサは翼に埋設されている。ブレードの外面に配置されたセンサは、通常、これらのセンサが損傷および／または腐食される前に、制限された時間のみ、たとえば試運転の間のみ作動可能である。さらに、ブレードの外面に配置されたセンサはブレード空力効率に負の影響を与える恐れがある。これは、ブレードを商業的利用のために不適切にする。しかしながら、センサを埋設することによりこれらの問題を克服することができる。
【００１３】
別の態様において、翼は、複合コア本体を有し、さらに、翼の少なくとも一部をカバーするカバーを有し、センサは、複合コア本体とカバーとの間、または択一的に複合層の間に埋設されている。これらの位置において、センサは、翼の外面の近くに配置されるので、翼の表面に配置されたセンサを有するという欠点および信号応答時間を減じるという欠点なしに、翼が曝される極端な状態を評価することを可能にする。
【００１４】
別の態様において、センサは、ひずみ、温度および含水率から選択される１つ以上の物理的特性を測定するよう構成されている。特に、特定の温度と、温度およびひずみの組み合わされた関係とが、ほとんどのブレード材料の寿命に普遍的な影響を与える一方、水分は、ポリマベースマトリックスに埋設された繊維材料を含む複合材料から形成されたブレードにとって特に重要である。マトリックス材料のより高い含水率は、通常、増大した弾性係数、強度およびガラス転移温度を生じる。あるレベルの水分吸収が、通常、雰囲気条件において、たとえば貯蔵中に、生じるが、蒸気タービンにおける濡れ条件は、特に冷却水の過剰噴射によって過剰な濡れが生じた場合、付加的な吸収を生じる場合がある。
【００１５】
１つの態様において、翼は、ロータからの翼の延在長さに沿って分配された複数のセンサを有し、制御装置は、複数のセンサの測定分布に基づいて制御エレメントを調節するよう構成されている。
【００１６】
翼が伝導性材料から成る１つの態様において、伝導特性は、センサのための接地として伝導性材料を使用することによって利用される。この場合、センサは１本のワイヤのみを必要とし、これは、ひずみを最小限に減じるためにワイヤを配置することができるという利点を有し、したがって、センサの寿命を延長させる。
【００１７】
択一的な態様においてセンサおよび制御装置は、少なくとも部分的にあらゆる公知の無線手段によって通信し、これにより、センサ据付けを単純化する。
【００１８】
１つの態様において、制御エレメントは、水噴射、蒸気噴射、作動流体抽出およびタービンを通る質量流量から選択される少なくとも１つを調節するための手段である。
【００１９】
別の態様は、軸流タービンの最終段ブレードの遠位領域の物理的特性を制御する方法を提供する。この方法は、
・遠位領域の物理的特性に影響するように構成及び配置された制御エレメントを提供するステップと、
・遠位領域の物理的特性を測定するステップと、
・測定された物理的特性に応答して制御エレメントを調節し、それによって、測定された物理的特性を制御するステップと、を含む。
【００２０】
この態様の測定される物理的特性は、温度、水分、ひずみおよび水分のうちの、１つ以上の選択であってよい。最終段ブレードが少なくとも部分的に複合材料から形成されている場合、物理的特性を測定するステップは、複合層の間の一箇所において物理的特性を測定することを含む。温度センサおよびひずみセンサの組合せは、これらの温度センサを、ひずみ測定のための温度補正のために使用することもできるという付加的な利点を有する。
【００２１】
別の態様において、各態様は、低圧蒸気タービンに組み込まれる。
【００２２】
発明の別の目的は、従来技術の不利および欠点を克服または少なくとも改良するかまたは有効な代替策を提供することである。
【００２３】
本開示のその他の態様および利点が、例として本発明の例示的な実施の形態を示す添付の図面に関連した以下の説明から明らかになるであろう。
【００２４】
たとえば、本開示の１つの実施の形態は添付の図面を参照して以下により詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】例示的な軸流タービンの概略図である。
【図２】例示的な制御システムをさらに示す、図１のタービンの最終段ブレードの断面Ｉの拡大図である。
【図３】埋設されたセンサを示す、図２のブレード先端部のＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図４】翼のカバーに埋設されたセンサを示す、図２のブレード先端部のＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図５】凹所に埋設されかつカバーによってカバーされたセンサを示す、図２のブレード先端部のＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図６】複数のセンサを備えた例示的な翼の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本開示の例示的な実施の形態がここで図面を参照して説明される。図面において同一の参照番号は全体を通じて同一のエレメントを指すために用いられる。以下の説明において、説明のために、開示の十分な理解を提供するために複数の特定の詳細が示される。しかしながら、本開示は、これらの特定の詳細なしに実施されてよく、ここに開示される例示的な実施の形態に限定されない。
【００２７】
本明細書を通じて、制御装置に対する言及は、入力を受け取り、入力を設定値と比較し、アルゴリズムを使用して操作値を計算し、最後に操作値を制御エレメントに適用して制御目的を達成するシステムを意味すると解される。
【００２８】
図１は、例示的な軸流タービン１０の多数の段１６を示す。タービン１０はケーシング１５を有する。ケーシング１５は、ケーシング１５に周方向に取り付けられた定置のベーン１４と、ロータ１１に周方向に取り付けられた回転ブレード１２とを包囲しており、ロータはケーシング１５に対して同軸状に配置されている。ケーシング１５自体は、ケーシング１５内に作動流体用の流路を形成している。各ブレード１２は翼１３を有する。翼１３は、流路内へロータ１１から遠位領域１９まで延びており、遠位領域１９は、翼１３の先端の３分の１として規定される。翼１３は、合金を含む金属、層状炭素繊維強化ポリマを含む層状複合材または金属マトリックス複合材を含む複合材から形成されていてよい。タービン１０の多数の段１６は、定置のベーン１４と可動ブレード１２の列との対として規定され、タービン１０の最終段１８は、タービン１０を通る通常の流れ方向によって規定される場合、タービン１０の下流端部よりに配置されている。この形式の例示的なタービン１０は、蒸気タービン１０、特に低圧蒸気タービン１０を含む。
【００２９】
図２は、図１に示されたタービン１０に提供されてよい例示的な監視制御システムを示す。制御システムは、少なくとも１つの最終段１８のブレード１２の翼１３の遠位領域１９に配置された少なくとも１つのセンサ２２を有する。センサ２２は、好適には、たとえば図４に示したようにカバー２７と複合材料との間に、ブレード１２の空力特性を妨害しないように配置されているか、または図３に示したように複合材料に埋設されている。例示的な実施の形態において、カバー２７はコーティングである。別の例示的な実施の形態において、カバー２７は金属シートである。例示的な実施の形態において、ブレード１２は金属から形成されており、センサ２２は翼１３内の空洞に配置されている。例示的な実施の形態において、ブレード１２は、少なくとも部分的に複合材料から形成されており、センサ２２は、図３に示したように、複合材の複合層２６の間に埋設されている。例示的な実施の形態において、これは、硬化または樹脂浸透プロセスが開始する前にセンサ２２が設置されることによって達成される。センサ２２は、択一的に、硬化の前に、特にセンサ２２が複合構造の一体的な部分を形成するように、予備含浸または樹脂浸透（たとえば樹脂注入成形）を用いた場合に、埋設されてよい。例示的な実施の形態において、硬化の後に初めてカバー２７が提供される。
【００３０】
図４に示したように、例示的な実施の形態において、翼１３はカバー２７を有し、センサ２２は、翼１３の複合コア本体２５とカバー２７との間に埋設されている。この例示的な実施の形態において、翼１３は、図４に示したように、層状複合材料から形成されているか、または非層状材料（図示せず）から形成されていてよい。この実施の形態は、翼１３の境界条件の特に有効な測定を可能にし、したがって、センサ２２が温度センサ２２である場合に特に有効である。
【００３１】
図５に示された別の例示的な実施の形態において、複合コア本体２５は、凹所を備えて硬化される。次いで、センサ２２が凹所に取り付けられ、次いで、カバー２７がセンサ２２上に提供される。
【００３２】
翼１３にセンサ２２を埋設する手段は、提供された例示的な実施の形態に限定されるわけではなく、翼１３の空力特性を妨害しないかまたは機械的一体性をブレードの寿命に著しく影響する程度にまで低下させない、公知の方法をも含む。
【００３３】
別の例示的な実施の形態において、センサ２２は、温度センサ２２、ひずみセンサ２２、温度およびひずみセンサ２２または水分センサ２２である。例示的な実施の形態において、複数の同じまたは異なるセンサ２２、すなわち温度、ひずみまたは水分センサは、少なくとも１つの最終段１８のブレード１２の翼１３の遠位領域１９に埋設されている。
【００３４】
図２に示したように、例示的な実施の形態は、さらに制御エレメント２４を有する。制御エレメント２４は、センサ２２によって測定された最終段１８のブレード１２の局所的な温度、ひずみ、水分、または局所的な温度、ひずみまたは水分のあらゆる組合せ、に影響するように構成および配置されている。これは、複数の手段によって達成することができ、各手段は等しく有効であってよい。
【００３５】
例示的な実施の形態において、これは、風損もしくはウィンデージを受けやすい領域における最終段１８のブレード１２の遠位領域１９の上流において、ケーシング１５内の空洞から水または蒸気を噴射するように構成された制御エレメント２４によって達成される。噴射された水または蒸気は、ブレード１２の局所的な加熱を克服するための冷却手段を提供する。
【００３６】
別の例示的な実施の形態において、これは、たとえばタービンのディフューザにおいて、最終段１８のブレード１２の下流の箇所においてケーシング１５から、ケーシング１５内の空洞から水または蒸気を噴射するように構成された制御エレメント２４によって達成される。噴射された水または蒸気は、ブレード１２の上流に水または蒸気を噴射することによって生ぜしめられる可能な腐食効果を減じつつ、ブレード１２の局所的な加熱を克服するための冷却手段を提供する。
【００３７】
別の例示的な実施の形態において、冷却媒体としての水または蒸気は、最終段１８のブレード１２の下流において噴射され、そこで、水または蒸気は、循環する流れと混合され、その結果、最終段１８の上流へ引き込まれる。
【００３８】
別の例示的な実施の形態において、これは、最終段１８のブレード１２の遠位領域１９の周囲から作動流体を抜き取る、抽出するおよび／または引き出すように構成された制御エレメント２４によって達成される。この手段によって、風損は減じられ、したがって局所的な過熱を減じる。
【００３９】
別の例示的な実施の形態において、制御エレメント２４は、タービンを通る質量流量を調節するように構成されており、これにより、著しい風損は最小タービン質量流量よりも低い場合にのみ生じるという原理に基づいて風損を制御する。
【００４０】
センサ２２および制御エレメント２４に加えて、例示的な実施の形態は、さらに、図２に示すような制御装置２０を有する。制御装置２０は、センサ２２によって測定された物理的特性に応答して制御エレメント２４を調節することによって最終段１８のブレード１２の遠位領域１９の局所的な過熱を回避するために、プログラミングによってならびにセンサ２２および制御エレメント２４への接続によって構成されている。
【００４１】
図４に示された例示的な実施の形態において、最終段１８のブレード１２は、導電性材料、たとえば金属または炭素繊維などの導電性繊維から形成されており、信号伝達手段が１本のワイヤ１７によって達成されている。これは、センサ２２のためのアース／接地として導電性部材を利用することによって達成される。この実施の形態の１つのワイヤ１７の配置は、タービン１０作動中のワイヤ１７におけるひずみを最小限に減じるために伝達ワイヤ１７の配置におけるより大きな柔軟性を可能にし、これにより、センサ２２の信頼性を高める。
【００４２】
例示的な実施の形態において、センサ２２と制御装置との通信は、少なくとも部分的に無線手段によって行われる。これは、たとえば、遠隔計測システムまたはコンタクトリングの使用によって実現されてよく、制御装置２０によって作動中に読み取られるように構成されたＲＦＩＤ（無線周波数識別デバイス）の利用を含む。
【００４３】
図６に示された例示的な実施の形態において、翼１３は、ロータ１１からの翼１３の延在長さに沿って分配された複数のセンサを有する。別の例示的な実施の形態において、制御装置２０の制御動作は、翼１３の延在長さに沿った相対的な測定および／または測定分布に基づく。
【００４４】
開示は、最も実用的な例示的な実施の形態であると考えられるものにおいてここに示されかつ説明されているが、本開示はその他の特定の形態で具体化することができることが当業者によって認められるであろう。たとえば、発明は、ガスタービン１０において使用される軸流圧縮機にも適用されてよい。さらに、センサの位置は、遠位領域１９に限定されるのではなく、翼１３の全長に沿って分配することができる。したがって、ここに開示された実施の形態は、全ての観点において例示的であると考えられ、制限されない。開示の範囲は、前記説明ではなく、添付の請求項によって示され、請求項の意味および範囲および均等物に当てはまる全ての変更はそこに含まれることが意図されている。
【符号の説明】
【００４５】
１０  軸流タービン
１１  ロータ
１２  ブレード
１３  翼
１４  ベーン
１５  ケーシング
１６  段
１７  ワイヤ
１８  最終段
１９  遠位領域
２０  制御装置
２２  センサ
２４  制御エレメント
２５  複合コア本体
２６  複合層
２７  コーティング
【図１】
0005717793.tif 000002
【図２】
0005717793.tif 000003
【図３】
0005717793.tif 000004
【図４】
0005717793.tif 000005
【図５】
0005717793.tif 000006
【図６】
0005717793.tif 000007