(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（２）に複数の動翼（２２）が配置され、これらの動翼の自由端（２３）がそれぞれ車室の円錐状内壁面（２１）とガスタービンの運転中に熱により拡大する半径方向隙間（２６）を形成し、
前記ロータ（２）が熱により拡大した前記隙間（２６）を補償すべく機械式の移動装置（９）によって軸方向に移動されるように構成されたガスタービンの運転方法であって、
前記隙間補償のために必要なロータ（２）の軸方向の移動が、ガスタービンが安定した運転状態に到達した後に行なわれることを特徴とするガスタービンの運転方法。
【請求項２】
ガスタービンの安定した運転状態への到達を、所定の継続時間、熱膨張により生ずる半径方向隙間（２６）及び/又は車室（２０）とロータ（２）との相対変位により検出することを特徴とする請求項1記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ロータの位置を車室に対して移動させる流体機械の運転方法に関する。この流体機械はロータ軸に沿って車室内を貫通して延びるロータを有し、車室は円錐状の内壁面を有する。ロータには複数の動翼が配置され、これらの動翼はそれぞれ内壁面側に自由端を有し、この自由端は内壁面に対応して円錐状をなしている。
【０００２】
国際特許出願公表第ＷＯ９３／２０３３５号明細書に、タービン部分と圧縮機部分とを備えた回転機械において、動翼自由端と固定車室との間の隙間幅を制御する方法とその装置が記載されている。その隙間幅の制御は、ガスタービンの始動時、ガスタービンの停止時、並びにガスタービンの負荷変動時に、隙間幅がガスタービンの連続運転中より大きくなるように、行われる。これによって、ガスタービンの始動時、停止時および負荷変動時に、タービン翼が車室に接触する危険が防止される。このために、圧縮機およびタービンのロータは、これらが唯一のロータを形成するように、互いに固く結合されている。圧縮機車室およびタービン車室は、互いに分離され、圧縮機車室はタービン車室に対して移動可能に配置されている。圧縮機車室の移動によって、同時に、ロータ全体の変位が生じ、これによって、タービン翼とタービン車室との相対移動が生ずる。
【０００３】
米国特許第１８２３３１０号明細書に、タービンの始動時および停止時、タービン翼とタービン車室との間に、タービンの通常運転時よりも大きな半径方向隙間が生ずるよう、ロータを軸方向に変位させるための手段を設けたタービン、特に蒸気タービンが記載されている。これによって、タービン翼の車室との接触あるいは損傷が防止される。動翼を変位させるための手段は、スラスト軸受に作用する。このスラスト軸受は、これが軸方向に移動する際にロータも変位するように、ロータに結合されている。その移動手段は、スラスト軸受、従ってロータも軸方向に移動させる歯車とラックとから成る装置を有している。タービンの動翼とタービン車室との間の隙間の同じ調整原理は、フランス特許出願公開第２７２２８３６号明細書において、圧縮機付きガスタービンに利用されている。そのガスタービンは、タービン側端において、主軸受に軸方向に移動可能に支持されている。このガスタービンのもう１つの支持は、圧縮機側端において、タービン全体を軸方向に固定する球軸受によって行われている。ガスタービンのロータに固く結合されたこの球軸受は、装置を介して軸方向に移動でき、これによって、タービンとタービン車室との軸方向相対変位も生じさせられる。その球軸受および／又はロータのタービン車室との相対変位の大きさは＋／−２ｍｍである。
【０００４】
米国特許第５２６３８１７号明細書に、動翼と固定車室との間の隙間を能動的に制御するための装置を備えたラジアル圧縮機およびガスタービンが記載されている。そのロータに球軸受が設けられ、その球軸受の外輪は、ストッパで制限された僅かな軸方向距離だけ動けるように、車室に固定されている。その球軸受の外輪は、ストッパと電磁式駆動装置との間に固定されている。このストッパおよび電磁式駆動装置はそれぞれ車室に固く結合されている。電磁式駆動装置は電磁石を有し、この電磁石は、ロータに固く結合された強磁性ラジアルディスクに軸方向に隣接している。電磁石で発生された磁界の強さに応じて、ディスクは大きくあるいは僅かに引き寄せられ、これによって、ロータ全体の軸方向位置を変化させることができる。これによって、動翼の軸方向位置、従って動翼とタービンの円錐状車室との間の隙間幅を、能動的に制御できる。
【０００５】
ドイツ特許出願公開第４２２３４９５号明細書は、小さな翼隙間を設定するためのロータ変位装置を備えたガスタービンを開示する。この装置は、スラスト軸受を収容する２分割構造の浮動ハウジングと、入口室ハウジングに固定された２つの環状支持板とから成っている。その支持板に圧力計が設けられ、ガスタービンの始動時および停止時に、円錐状タービン翼通路における隙間が大きくなるよう、圧力計により軸受全体位置、従ってロータの位置が調整される。
【０００６】
本発明の課題は、効率向上のために、及び半径方向隙間の損失を低減するために、軸方向に移動可能なロータを備えた流体機械の運転方法を提供することにある。
【０００７】
流体機械の運転方法についての前記課題は、軸受要素の移動を、流体機械の運転状態に応じ動翼自由端と車室の内壁面との間に所定の半径方向隙間が生じるよう、ロータと車室との相対変位を生じさせることにより解決される。これは本質的に受動的に、隙間幅の能動的調整から目を転じて、各運転状態に応じて設定されたロータの変位が実行されるように行われる。かかる移動は、例えば軸受要素に所定の移動値が得られるように、所定圧力の圧液を供給して行うか、軸受要素を無圧にするかによって実現できる。従って、その隙間幅の受動的調整は、ロータの変位を実行しないか、ロータの所定の変位しか実行しないことに起因している。勿論、相応の装置によって、ロータを可変的に変位させることもできる。
【０００８】
ロータの変位は、流体機械の定常運転状態に到達した時に初めて実行される。流体機械の定常運転状態では、個々の構成要素は、運転状態に応じた完全な定常温度分布となっている。そのような流体機械の運転状態、特に通常出力運転状態の達成は、予め規定された継続時間、車室における温度測定、温度差の測定、熱膨張により生ずる半径方向隙間の測定および車室とロータとの相対移動により検出される。好適には、ロータと車室との相対移動は、スラスト軸受として使用する主軸受に対向して位置するロータの端部で測定される。
【０００９】
前記軸受要素の軸方向移動によって、同時に、ロータの軸方向変位が生ずる。
【００１０】
これは特に、圧縮機、ガスタービン、蒸気タービンのような流体機械において有利である。これによって、円錐状内壁面を備えたタービン特に定置形ガスタービンの半径方向隙間における流れ損失が減少する。この半径方向隙間は、ロータに設けた動翼の半径方向外側縁と、これに対向して位置する車室部分（内壁面）との間の自由空間である。タービンの運転中、動翼の腹と背との圧力差に基づいて、活動流体、ガスタービンの場合にはガスが、その隙間を通って流れる。この隙間を通って流れる質量流量は、軸方向に互いに間隔を隔てられた動翼列において仕事をせず、従って、タービンの効率を低下させる。ガスタービンの場合、流れ損失の約３０％はその隙間漏洩によってひき起こされる。これは、ガスタービンの４％に及ぶ効率低下を意味する。漏洩質量流量の大きさ、従ってひき起こされる流れ損失の大きさも、半径方向隙間の隙間幅によって決定される。この場合、定置形ガスタービンにおいて、定常運転中即ち設定出力運転状態において生ずる隙間幅が問題となる。この隙間幅は以下において温間隙間と呼ぶ。この温間隙間の存在理由は、例えば製造公差によって偏差が生ずること、並びに例えば地震などの場合のような異常運転に対して安全を図ることにある。発生する温間隙間の約半分は、個々のタービン構成要素の時間依存熱膨張差により生じ、その温間隙間の定常状態は、タービンの完全加熱後に生ずる。タービンのこの運転状態において、車室部分あるいは動翼のような個々のタービン構成要素は、大きく異なる温度を持ち、このため特に個々の部品に歪みを生じさせる。上述の主軸受によれば、流体機械が定常運転状態、特に出力運転状態に到達した後、簡単にロータを軸方向に変位させられるので、温間隙間の大きさは、場合により存在する製造偏差および安全予備を考慮に入れて、予め設定できる非常に小さな値になる。
【００１１】
公知の主軸受は、第１軸受面から軸方向に間隔を隔てられたもう１つの（第２）軸受面を有する。その両軸受面は、互いに軸方向に間隔を隔てた２つのロータラジアル面を別々に支持するために使われる。各軸受面は、それぞれ単一の、特に環状の軸受要素により又は多数の軸受要素により形成される。この両軸受面は、それぞれ相応の軸受要素を介して軸方向に移動可能に形成されている。主軸受は、負荷側面（第１軸受面）と無負荷側面（第２軸受面）が存在するスラスト軸受であり、その負荷側面は主にこの方向に生ずるロータの軸方向推力を受け、無負荷側面は例えば過渡状態（始動時）あるいは故障時に一時的に荷重を受ける。その両軸受面は、これが滑り面として使われるように、軸受の運転中に潤滑膜（油膜）を備えている。この潤滑膜により生ずる軸受隙間は、好適には１０分の数ｍｍの大きさを持つ。両軸受面の特に同方向への移動によって、その隙間が保たれる。これによって、片側の軸受面において軸受隙間が小さくなるのを防止できるので、追加的な損失は生じない。そしてまた、過大な軸受隙間も防止できる。過大な軸受隙間は、ロータの軸方向推力の方向が変化した際、高いピーク加速度および質量力を持ったロータの、不所望の激しい運動を生じさせてしまう。
【００１２】
一方の軸受面が１つあるいは複数の軸受要素の軸方向移動によって移動でき、他方の軸受面が軸方向に固定されていることも考えられる。この場合、ロータの変位は一方の軸受面だけで行われ、これによって、構造的および圧液供給技術的に安価な主軸受が得られる。
【００１３】
軸方向に移動可能な軸受要素は、好適には、軸方向に移動できる環状ピストンである。これによって、主軸受並びにロータラジアル面の特に一様な負荷が達成される。これは更に、軸方向に移動可能な軸受要素が液圧式に移動されるとき、環状ピストンの全周にわたる一様な圧力分布が保証される点で有利である。もっとも、軸方向に移動できる複数の軸受要素（軸受金）を、特にロータを包囲する円上に配置して設けることもできる。
【００１４】
軸方向に移動可能な軸受要素は、機械式移動装置、特に液圧式で移動させるとよい。この場合、流体機械の全負荷運転中でもロータの変位が保証されるように、軸受要素に圧液、特に圧油が供給される。この場合、好適には或る軸方向位置に到達した後、移動にとって必要な油体積が一定に保たれる。油は公知のように本質的に非圧縮性流体なので、油量が一定に保たれる場合、軸受面、従ってロータの軸方向位置は、力（軸方向推力）が変動しても殆ど変化しない。油体積を一定に保つため、弾性配管（ホース）の利用は考慮されず、剛性配管が利用される。これにより、油圧が一定し推力が変動する際、ロータの軸方向位置が左側ストッパ点と右側ストッパ点との間で移動するのを防止できる。圧液、特に油を一定した体積の空間領域内に閉じ込めた場合、推力が変動すると軸受面に対向力が作用し、これに伴い力のバランスが維持される。ロータの軸方向位置の積極的な調整を行わない場合、好適には、両軸方向にストッパが存在し、相応の油圧によりロータの軸方向推力に対向して、その油圧をかなり超過する圧力が存在する。その場合、移動は軸方向に移動可能な２つの軸受面を介して行うのがよく、軸受面を押す圧液（油）の体積は、ロータが所望の軸方向位置に達する迄変化し、その後圧液はその都度の体積で一定に保たれる。この一定した体積により、油圧により惹起されて軸受面に作用する力が、ロータの軸方向推力に同じ大きさで対抗するようにできる。潤滑剤（圧液）により滑り軸受を行う主軸受の場合、圧液供給のため、既存の圧液供給装置を利用するとよい。そのため、例えば低速回転中に軸を持ち上げるための液圧装置を利用する。この装置は、相応の高い圧力を発生する働きをする。この装置は、従って場合により流体機械の通常運転中も、ロータの軸方向変位を生じさせるべく、補助的に投入できる。このため補助高圧配管が主軸受に導かれる。この供給方式の場合、１６０バール迄の圧液の圧力、特に油圧が利用される。
【００１５】
あるいはまた同様に、少なくとも１つの軸受要素を移動するため、別方式の機械式移動装置を用意することができる。この別方式の機械式移動装置は、好適にはスピンドルなどのような移動要素と、移動駆動装置とを有する。この移動駆動装置は、特に電動機である。移動駆動装置を形成するための他の方式は機械式の移動駆動装置であり、これは例えば流体機械の運転中におけるロータの回転を利用するかあるいは流体機械を貫流する活動流体の流れを利用する。
【００１６】
主軸受は好適には、軸受面とロータラジアル面との間に潤滑剤膜、特に圧油膜が生ずる滑り軸受として形成される。この種軸受は、特に、例えば発電用の定置形ガスタービンに利用されるような重いロータを支持するのに有利である。
【００１７】
軸受面、従ってロータの移動距離は、好適には０．５〜５ｍｍである。この移動性は、好適には、流体機械の通常運転中に動翼と車室の内壁面との間の隙間幅が減少されるよう一方向のみに与えられる。
【００１８】
主軸受は、軸受面間の所定の最小軸方向間隔を維持するスペーサ、例えばストッパを備えるとよい。これは特に、ロータの変位がロータに作用する力、例えば流体機械を貫流する活動流体により惹起される力に抗し、軸受要素により行われるときに有利である。この場合スペーサは、たとえ圧液供給装置又は移動駆動装置が休止したときでも、ロータが、軸方向変位なしに軸受要素により支持されていた軸方向位置をとることを保証する。この結果、仮に軸受要素の軸方向移動装置が故障しても、流体機械の運転安全性が保証される。この場合ガスタービンに生ずる軸方向推力により、ロータは気体圧力で初期位置に押し戻される。
【００１９】
この流体機械は、車室が軸方向に円錐状に拡がる内壁面を有し、車室を貫通して延びるロータが多数の動翼を有し、これらの動翼がその内壁面側に動翼自由端を有し、この動翼自由端が内壁面に対応して円錐状に延びる。また、この流体機械は、１つのロータラジアル面に隣接し、好適には２つのロータラジアル面間に配置され、ロータを軸方向に変位させるための軸方向に移動できる少なくとも１つの軸受要素を有する主軸受を有する。
【００２０】
流体機械における車室の内壁面の少なくとも部位的な円錐状輪郭によって、ロータが車室に対して相対移動したとき、隙間が変化する。上述の流体機械におけるロータと車室の相対位置は、タービンの定常状態（定常出力運転状態）において、温間隙間が、不安定な熱膨張を考慮に入れた分だけ減少するように変化させられる。流体機械においてそのような不安定な熱膨張は、その全構成要素が、定常運転状態を特徴づける運転温度になり、従って相応の熱膨張（ゆがみ）を永続的に生ずるまでの時間にわたって生ずる。
【００２１】
流体機械は、好適にはガスタービン、航空機タービンあるいは発電用の定置形ガスタービンである。このタービンは６０ＭＷ以上の電力を発生する。
【００２２】
流体機械のタービンは、好適には、互いに軸方向に間隔を隔てた少なくとも２つの動翼列を有し、車室および／又は動翼自由端は、ロータの軸方向変位が各動翼列に対して同じ半径方向隙間を生ずるように、形成されている。このために、すべてのタービン段即ち翼列における傾き（円錐率）はほぼ同じである。
【００２３】
以下図に示した実施例を参照して、本発明に基づく流体機械およびその運転方法を詳細に説明する。
【００２４】
図１は、流体機械１９、この例ではガスタービンの縦断面を示す。このタービンは圧縮機２７と本来のタービン１８を備える。圧縮機２７とタービン１８の間に、複数のバーナ２９を備えた燃焼器２８が配置されている。ガスタービン１９は、タイロッド原理に基づくロータディスク（図示せず）により形成されたロータ２を備える。ガスタービン１９は圧縮機側に主軸受１（図２、３参照）を有する。本来のタービン１８は、車室２０内で軸方向に円錐状に拡がる内壁面２１を備えている。この面２１は壁セグメント（図示せず）と静翼３０の台座（図示せず）とから成る。この台座および壁セグメントは、各ロータ２のロータ軸線３に対し種々の傾きにできる。ロータ２には多数の動翼２２が結合されている。これら動翼２２は、互いに軸方向に間隔を隔てた全部で４列の動翼列２４、２５の形で配置されている。各動翼２２は、内壁面２１側に動翼自由端２３を有し、この自由端２３は内壁面２１に対応した傾き（ロータ軸線３に対する傾き）を有している。各動翼自由端２３とそれに対応した内壁面２１の部位との間に、半径方向隙間２６（図６参照）が形成されている。タービン１８は、通常運転中、高温ガス（図示せず）によって貫流される。高温ガスは、燃焼器２８からタービン１８に到達し、このタービン１８からタービン出口３１を通って流出する。
【００２５】
図２は、固定滑り軸受として形成された主軸受１の縦断面を示す。主軸受１はロータ２を円周方向に包囲し、軸方向において２つのロータラジアル面６、７間に配置されている。この軸受１は互いに軸方向に間隔を隔てた軸受要素４、５を有し、これら要素４、５は各々軸受面１４、１５を有している。軸受要素５の軸受面１５はロータラジアル面７の直近にあり、この面７から、圧液（圧油）８の膜によって分離されている。ロータ２の外周面と主軸受１の内周面との間にも、圧液８の膜が存在している。従って、この主軸受１はスラスト・ラジアル複合軸受である。主軸受１は、勿論スラスト軸受として形成することも可能であり、その場合別個のラジアル軸受が設けられる。軸受要素５は軸方向に移動でき、そのために主軸受１内に油室１７が設置されている。軸受要素５の軸方向移動が可能なよう、油室１７に圧油が加圧状態で供給される。軸受要素５は油室１７に対し内径側および外径側に各々シールリング３２を有している。軸受要素５は好適には円環ピストンとして形成される。軸受要素４も好適には、同様に軸方向に移動可能に形成される。油室１７、軸受要素４、５並びにロータ２の外周面に、各々圧液８の供給管１６が通じ、管１６は圧液供給装置１２に接続されている。この装置１２は、圧液８の液溜まり（図示せず）と、高圧を発生し且つ圧液を軸受面１４、１５とロータ２の外周面に供給するポンプ（図示せず）とを有する。この場合圧液供給装置１２は、好適には圧液を軸受要素４、５に、ロータ２の軸方向変位を起こすに足りる圧力で供給できるよう構成されている。ロータ２を軸方向に変位させた後、圧液供給装置１２又は場合により別の適当な装置（図示せず）を介し、例えば１つあるいは複数の止め弁により、軸受要素４、５に作用する圧液の体積を各々一定に保つことができる。これに伴い、たとえロータ２の軸方向推力が変化しても、圧液の非圧縮性に基づき、主軸受１内にその都度逆向きで同一の対向力が発生し、従ってロータ２は所望の軸方向位置にとどまる。
【００２６】
図３は、主軸受１の異なった実施例を同様に縦断面図で示す。この主軸受１の場合、図２の実施例と異なり、軸受要素５は液圧式にではなく、電気機械式に移動される。図３における主軸受１のその他の構造については、図２における実施例を参照されたい。主軸受１の内部において軸受要素５に、移動要素１０、特にスピンドルが作用する。このスピンドルは移動駆動装置１１、この例では電動機によって軸方向に移動される。移動要素１０および駆動装置１１は、配線付き電流供給装置のような他の構成要素（図示せず）と共に、軸受要素５を軸方向に移動するための機械式移動装置９を構成している。
【００２７】
主軸受１に、ストッパとして形成したスペーサ１３（図２又は３参照）を設けてある。このスペーサ１３により、軸受要素４の方向への軸受要素５の軸方向移動が制限される。この結果、軸受要素４の方向へのロータ２の軸方向運動も制限される。このことは、ロータ２のタービン出口３１の方向への変位が生じないことを保証する。かかる変位は純粋な熱膨張では生じず、半径方向隙間を拡大し、これに伴い効率損失を高めてしまう。従って、たとえ圧液供給装置ないし移動装置９が故障しても、半径方向隙間は、ロータ２の熱膨張による半径方向隙間２６の補償を全く行わないガスタービン１９の場合より大きくならない。
【００２８】
図４は、滑りスラスト軸受として形成した主軸受１の実施例を示す。図２、３に示す実施例と異なり、この主軸受１は、半径方向に延びる両側ロータラジアル面６、７を形成する軸フランジを包囲している。これら両ロータラジアル面６、７に各々軸受面１４、１５が隣接し、これら軸受面１４、１５はロータラジアル面６、７から潤滑剤、特に圧油によって間隔を隔てられている。主軸受１の作用および構造については、図２および３の実施例の説明を参照されたい。
【００２９】
図５は、円環状軸受面１４を持つ主軸受１の横断面を示す。面１４は複数の軸受要素４、軸受金により形成されている。これら要素４は、環状力伝達要素（図示せず）により、各々個々にあるいはグループ毎に、又は全部一緒に軸方向に移動される。軸受面１４を唯一の円環状軸受要素で形成することも勿論できる。
【００３０】
図６は、車室２０が円錐状に拡がった流体機械１９の一部縦断面を示す。ロータ２上に１つの動翼２２を代表的に示している。動翼自由端２３は、車室の内壁面２１に対応し、それと同じ傾きで形成されている。破線で示す動翼２２は、ロータ２が完全に熱膨張した流体機械１９の運転状態に相当する。この熱膨張により、動翼自由端２３と内壁面２１との間に比較的大きな半径方向隙間２６Ａが生じ、このため、流体機械１９における効率を低下させる流れ損失が生ずる。動翼２２を示す実線は、図２、３に示す主軸受１を介し半径方向隙間２６を減少するべくロータ２の変位が実行された流体機械１９の運転状態を示す。従って、半径方向隙間２６は、ロータ２が変位しない場合の半径方向隙間２６Ａよりかなり狭くなっている。軸方向に移動可能な軸受要素５を備える主軸受１を介してロータ２を変位させることで、流体機械１９の半径方向隙間２６における流れ損失が減少する。この方法は、長時間にわたり出力運転状態で運転される定置形ガスタービンにおいて、流れ損失を減少するのに特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ガスタービンの縦断面図。
【図２】  液圧式に移動できる軸受要素を備えた主軸受の一部断面図。
【図３】  電気機械式に移動できる軸受要素を備えた主軸受の一部断面図。
【図４】  スラスト滑り軸受として形成された主軸受の一部断面図。
【図５】  円環状軸受面を備えた主軸受の横断面図。
【図６】  車室が円錐状に拡がっている流体機械の一部縦断面図。
【符号の説明】
１        主軸受
２        ロータ
３        ロータ軸線
４、５    軸受要素
６、７    ロータラジアル面
８        圧液（圧油）
９        移動装置
１０        移動要素
１１        移動駆動装置
１２        圧液供給装置
１３        スペーサ
１４、１５  軸受面
１９        流体機械
２０        車室
２１        内壁面
２２        動翼
２３        動翼自由端
２４        動翼列
２５        静翼列
【図１】
0004509385.tif 000002
【図２】
0004509385.tif 000003
【図３】
0004509385.tif 000004
【図４】
0004509385.tif 000005
【図５】
0004509385.tif 000006
【図６】
0004509385.tif 000007