(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相異なる温度が加わると過渡的な熱的不整合を生じる１対の部品（１８，４２）を有し、該部品はバケット（１８ａ）を支持するタービンロータホイール（１８）とさねはぎ（４０）を備える隣接ホイール（４２）とからなりその間に整合する面を形成するガスタービンにおいて、前記両部品（１８，４２）間の前記熱的不整合を、前記さねはぎ（４０）を形成している要素の相対変位を防止するための所定の熱的不整合以内に保つ方法であって、前記タービンロータホイール（１８）が最終段ホイール（１８）であって、前記隣接ホイール（４２）が後軸ホイール（４２）であり、
流体媒体を、前記隣接ホイール（４２）の、前記タービンロータホイール（１８）から軸方向に遠い方の表面に沿って流して前記熱的不整合を前記所定の熱的不整合以内に減らすことを含む方法。
【請求項２】
前記さねはぎ（４０）は両ホイール（１８，４２）の整合した軸方向面間に形成されており、そして前記流体媒体を前記隣接ホイール（４２）の前記タービンロータホイールから軸方向に遠い方の表面に沿って流す段階を含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
高温燃焼ガスを前記タービンを通るように流すことにより前記タービンを始動し、こうして前記部品（１８，４２）間の熱的不整合の増大を起こし、そして冷却媒体を前記表面に沿って流して両部品（１８，４２）間の前記熱的不整合を前記所定の熱的不整合以内に保つことを含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記タービンを通る高温燃焼ガスの流れを終わらせることにより前記タービンを停止し、こうして前記部品（１８，４２）間の熱的不整合の増大を起こし、そして加熱媒体を前記表面に沿って流して両部品（１８，４２）間の前記熱的不整合を前記所定の熱的不整合以内に保つことを含む請求項１又は請求項３に記載の方法。
【請求項５】
高温燃焼ガスを前記タービンを通るように流すことにより前記タービンを始動し、こうして前記部品（１８，４２）間の熱的不整合の増大を起こし、そしてタービン始動中冷却媒体を前記表面に沿って流して両部品（１８，４２）間の前記熱的不整合を前記所定の熱的不整合以内に保ち、前記タービンを定常状態で運転し、そして前記タービンを通る高温燃焼ガスの流れを終わらせることにより前記タービンを停止し、こうして両部品（１８，４２）間の熱的不整合の増大を起こし、そしてタービン停止中加熱媒体を前記表面に沿って流して両部品（１８，４２）間の前記熱的不整合を前記所定の熱的不整合以内に保つことを含む請求項３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は一般的にはタービンに関し、特に、発電用の陸上ガスタービンに関する。さらに詳しくは、本発明は、ロータ部品、例えば、タービンホイールとスペーサまたは後軸との間の熱的不整合を調整するために、タービン部品の一つの外面上の熱媒体の流れを制御することに関し、こうして熱的不整合を実質的に除去しあるいはそれを所定の熱的不整合以内に保ち得る。
【０００２】
【発明の背景】
代表的なガスタービンでは、タービンロータはロータホイールとスペーサとを重ね合わせることによって形成され、重ね合わせた複数のホイールとスペーサは互いにボルト止めされる。さねはぎが通例スペーサとホイールとの間に設けられる。さらに進んだガスタービンでは、ロータを通る冷却回路が設けられてバケットを冷却する。例えば、冷却蒸気が、ロータアセンブリの一部分を構成する後軸に通され、ロータのリムに沿って流れてタービン段の１段以上のバケットに達してバケットを冷却し得る。使用済み冷却蒸気も、バケットから戻り通路内をロータのリムに沿って流れそして後軸を通流する。
【０００３】
【発明の概要】
ロータホイールとスペーサとが重ね合わされており、そしてタービン運転中の異なる時点、すなわち、始動、定常運転および停止時に、様々なロータ要素に相異なる温度が与えられると、本発明によって発見されたように、タービンロータ要素間の熱的不整合が、特定のタービン運転段階中に次のような大きさ、すなわち、これらのタービン要素の相対移動が生じてさねはぎを開きそして下記の有害な結果をひき起こすほどの大きさになり得る。この不整合は特に現在の進んだガスタービン設計において発生する。なぜなら、蒸気冷却回路が、最終タービン段例えば第４段のホイールと係合する後軸に設けられるからである。タービンの定常運転中、タービンロータの要素間、特に後軸と最終段ホイール間の熱的不整合は所定の容認し得る範囲内にあることを認識されたい。従って、ホイールとスペーサ間または後軸と最終段ホイール間の相対移動は実質上発生せず、さねはぎが移行したり開いたりすることはない。すなわち、ロータがバランスを失うおそれがあり、従って高振動が発生しそして再釣合せまたはロータ交換が必要になってかなりの費用がかかるおそれがある、タービンロータ部品の相対移動は定常運転では起らない。
【０００４】
しかし、タービン停止中は、高温燃焼ガスがもはや高温ガス通路を通流せず、そして比較的短い時間、すなわち、約１時間で、タービンは３０００ｒｐｍから７ｒｐｍまで減速する。この低い回転速度ではタービンを通る流れはごくわずかであり、蒸気冷却回路は閉ざされ、そしてタービンホイールの質量は比較的大きいので、タービンホイールの温度は後軸の温度低下よりかなり緩やかに低下し、両要素間の熱的不整合をひき起こすということを認識されたい。両要素間の２８０゜Ｆもの大きな熱的不整合がタービン停止中に示された。このような大きな熱的不整合はさねはぎを無荷重にして両要素間の相対移動をひき起こすおそれがある。もちろん、時間の経過とともに熱的不整合は減少し、結局両要素間に実質的な熱平衡が生じる。
【０００５】
同様に、タービンの始動時に、熱的不整合が様々なロータ要素間に発生する。例えば、始動時には、タービンの高温ガス通路を通流する高温ガスが最終段タービンホイールを非常にゆっくり加熱する。なぜならその質量が大きいからである。逆に、冷却媒体として最初は空気そしてその後は蒸気を導く後軸はかなり急速に加熱され、後軸と最終段ホイール間の熱的不整合をひき起こす。これによっても、これらの要素間のさねはぎが開き、その結果ロータの不釣合いが発生するおそれがある。
【０００６】
前述の熱的不整合の問題を解決するために、熱的に不整合になる１対の要素の少なくとも一方を、タービン停止中かタービン始動中かによって、優先的に加熱するか冷却する。例えば、停止中、加熱された流体媒体、例えば高温空気が、後軸ホイール表面と前側閉板との間の空洞内に送給される。従って、この加熱された空気は後軸ホイールの表面と熱伝達関係にあって後軸ホイールの急速な冷却を防止する。この加熱空気流は、後軸ホイールと最終段タービンホイールとの間の熱的不整合を所定の容認し得る熱的不整合以内の値、例えば、７０または８０゜Ｆ程度の差に減らす。同様に、始動中、冷却用媒体例えば空気が同じ空洞内に供給されて後軸ホイールの温度増加速度を最終段ホイールの温度増加と実質的に合致するように保ち、従って、始動時の両ホイール間の熱的不整合は所定の容認し得る限度内に保たれる。加熱または冷却媒体は適当な管路を通って前側閉板空洞内に送給され得る。
【０００７】
本発明による好適実施例では、異なる所与温度に応じて過渡的な熱的不整合を生じる１対の部品を有するガスタービンにおいて、両部品間の熱的不整合を所定の熱的不整合以内に保つ方法が提供され、この方法は、流体媒体を両部品の一方の一表面に沿って流してこの一方の部品を、両部品の熱的不整合の大きさを所定熱的不整合以内にとどめ得る温度まで加熱または冷却する段階を含む。
【０００８】
本発明による他の好適実施例では、相互に固定されかつ相互に軸方向に整合しているタービンホイールと後ろ側ホイールとを有し、両ホイールは相互間にさねはぎを有しそして異なる所与温度に応じて相互間に過渡的な熱的不整合を生じるようなタービンにおいて、所定の熱的不整合を超える両ホイール間の熱的不整合の結果としての両ホイール間の相対移動を防止する方法が提供され、この方法は、流体媒体を両ホイールの一方の一表面に沿って流してこの一方のホイールを前記熱的不整合を所定の熱的不整合以内の値に減らす温度まで加熱または冷却する段階を含む。
【０００９】
従って、本発明の主目的は、一つのタービンロータ要素の表面への加熱媒体または冷却媒体の供給を制御することによってタービンロータ要素間の熱的不整合を所定の熱的不整合以内に保つ装置と方法を提供することである。
【００１０】
【発明の詳述】
図１は、総体的に１０で表されたタービンロータを含むタービンの一部分を示し、タービンロータ１０は重ね合わせた複数の要素、例えば、４段タービンロータを部分的に構成するロータホイール１２、１４、１６、１８と、これらのホイールと交互に配置されたスペーサ２０、２２、２４とで構成されている。ロータにおいてホイールおよびスペーサ要素は１本だけ２６で示した複数本の周方向に相隔たる細長いボルトによって合体されていることを認識されたい。ホイール１２、１４、１６、１８はそれぞれ複数の周方向に相隔たるタービンバケット１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａを支持している。ノズル３０、３２、３４、３６がそれぞれバケット１２ａ、１４ａ、１６ａ、１８ａとともに段をなしている。ホイールとスペーサは互いに軸方向に整合しておりそしてさねはぎがホイールとスペーサとの間に設けられていることに注意されたい。さねはぎの一例４０が最終段ホイール１８と、後軸４４の一部分を構成する後軸ホイール４２との間に示されている。それぞれのさねはぎはタービンの全運転範囲にわたって互いに係止された状態に保たれる。図示のように、後軸４４は後ろ側軸受４６内でロータ１０とともに回転し得る。
【００１１】
本発明の譲受人（本件出願人）の先進ガスタービン設計では、後軸４４は、同時係属米国特許出願に詳細に説示されているボアチューブアセンブリを内蔵している。
【００１２】
ボアチューブアセンブリは一般に外管４８と内管５０を含み、両管は環状蒸気冷却通路５２と使用済み蒸気冷却戻り通路５４とを画成している。通路５２、５４により蒸気がロータの外側リムにそして同リムから複数組の半径方向延在ボアまたは導流路５６、５８それぞれを通って流れ、ボア５６、５８は、ロータのリムの周沿いに相隔たる複数の長手方向延在管と連通している。蒸気通路５２とボア５６を通って供給される蒸気は第１および第２段のバケットに冷却蒸気を供給するのに対し、ボア５８と戻り通路５４はバケットから戻る使用済み冷却蒸気を受入れると言えば十分である。
【００１３】
前述のように、ロータの様々な要素間の熱的不整合がタービンの運転中、特にタービンの停止と始動中に発生する。タービンの定常運転中、様々なタービン要素間の温度分布は、タービンの運転に悪影響を及ぼさない熱的不整合の所定範囲内にある。しかし、過渡的運転中、すなわち、停止と始動中、熱的不整合はかなり大きく、対処が必要である。例えば、後軸ホイール４２と、最終段例えば第４段のホイール１８との間のさねはぎ４０は、容認し得る熱的不整合をかなり超える大きな熱的不整合を起こす。このような大きな熱的不整合によりさねはぎは開くか無荷重になるおそれがある。このような状態により、当該要素は相互に対して移動するのでロータがバランスを失うおそれがあり、その場合、高振動が発生し、そして費用のかかる再釣合せまたはロータ交換が必要になる。
【００１４】
さらに詳述すると、停止中、様々なタービン段の高温ガス通路を通流する高温ガスと、ボアチューブ冷却回路アセンブリを通る蒸気の流れは消滅する。ホイール１８は非常に大きな質量を有しそしてタービンの定常運転中に高温に加熱されているので、ホイール１８は後軸ホイール４２における熱の消失と比べて非常に緩やかな速度で熱を失い、さねはぎ４０における大きな熱的不整合をひき起こす。前述のように、熱的不整合は２８０゜Ｆほど大きくなり得るので、さねはぎが開くおそれがある。同様に、大きな熱的不整合が始動時に発生する。始動時には、ホイール１８は低温であり、そして通路５２、５４とボアチューブ５６、５８を通る冷却媒体、例えば、最初は空気そしてその後は冷却蒸気の流れによる後軸ホイール４２に吸収される熱の増加の速度と比べて、高温ガス通路から熱を比較的緩やかに奪う。このように、過渡的状態中、かなりの熱勾配または熱的不整合が両要素間に発生する。すなわち、停止中はホイール１８が後軸ホイール４２と比べて高い温度を有するのに対し、始動中は後軸ホイール４２がホイール１８の温度より高い温度を有する。
【００１５】
これらの過渡的なタービン運転段階中の熱的不整合を減らすために、熱媒体が前側閉板６２と後軸ホイール４２の後面との間の空洞６０に供給される。熱媒体は、軸受空洞６６内に延在しかつ前側閉板６２を貫通している一連の管７０によって供給可能である。空洞６０は最終段の後方で高温ガス通路と連通している。
【００１６】
管７０を通って空洞６０に供給される熱媒体は、任意の適当な供給源から送給することができる。停止中、後軸と後軸ホイールを加熱して後軸ホイール４２と第４段ホイール１８との熱的不整合を容認し得る所定の熱的不整合以内に保つことが望ましいということを認識されたい。例えば、さねはぎ４０に悪影響を及ぼさない容認し得る熱的不整合は約８０゜Ｆ以下である。すなわち、このような大きさの熱的不整合は、さねはぎを開くおそれのあるような後軸４４と第４段ホイール１８との相対移動をひき起こさない。従って、停止中後軸ホイール４２の表面を加熱することにより、後軸ホイールと第４段ホイール１８との間の熱的不整合が所定限度内に保たれる。
【００１７】
逆に、始動中は、冷却媒体を管７０によって空洞６０内に送給し得る。後軸ホイール４２を冷却することにより、その温度を後軸ホイールと第４段ホイール１８との間の容認し得る熱的不整合の範囲内に保つことができる。なぜなら、ホイール１８は高温ガス通路内を流れる高温ガスにより比較的緩やかに加熱されるからである。ひとたび定常運転に達しそしてホイール１８と後軸４４との間の実質的な温度均衡によって熱的不整合を容認し得る限度内に保つことができると、後軸４４への冷却媒体の供給を終わらせることができる。
【００１８】
以上、本発明の最適実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は開示した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で様々な改変および均等な構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】１対のタービン要素の熱応答を調整する方式を例示するタービンの一部分の部分断面図である。
【符号の説明】
１０  タービンロータ
１８  最終段ホイール
１８ａ  最終段バケット
４０  さねはぎ
４２  後軸ホイール
４４  後軸
６０  空洞
６２  前側閉板
７０  管
【図１】
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