(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン羽根車への環状入口を有する半径流タービンのための可変ノズルシステムにおいて、
上記環状入口内に旋回可能に取り付けられた入口ベーンと、
上記環状入口内で上記入口ベーンに隣接し、かつ連結されるとともに、上記入口ベーンに対して接離するように上記タービン羽根車の回転軸に平行な軸方向に移動可能なマウンティングリングと、
このマウンティングリングに設けられた環状室と、
この環状室に連通する第１通路と、この第１通路に連通して上記環状室内の圧力を制御する弁システムと、ノズル位置信号と、プロセス制御信号と、上記ノズル位置信号とプロセス制御信号との関係を決定し，上記入口ベーンでの吹抜けを表わすノズル位置信号とプロセス制御信号との選ばれた関係の決定に応じて上記弁システムを作動させるように接続された制御器とを有する制御システムを備えたことを特徴とする半径流タービンのための可変ノズルシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の可変ノズルシステムにおいて、上記制御システムは、上記環状室および上記弁システムを排気部または大気に連通させる排気通路と、上記ベーンの上流側の圧力を表わすタービン入口圧力信号と、上記タービン羽根車の下流側の圧力を表わすタービン出口圧力信号と、ノズル放出圧力信号とを更に有するとともに、上記制御器は、上記タービン入口圧力信号とタービン出口圧力信号との比およびタービン入口圧力信号と上記プロセス制御信号からノズル放出圧力の期待値を計算し、かつノズル放出圧力の期待値をノズル放出圧力信号と比較するとともに、上記マウンティングリングによる過剰クランプを表わすノズル放出圧力の期待値と実測値との選ばれた比の決定に応じて上記弁システムを作動させるように接続されていることを特徴とする半径流タービンのための可変ノズルシステム。
【請求項３】
タービン羽根車をもつ半径流タービンの可変第１ノズルシステムであって、この可変第１ノズルシステムが、上記タービン羽根車の回転軸に平行な軸方向および上記タービン羽根車の回転方向に相対運動するマウンティングリングの間にクランプされる旋回可能な入口ベーンによって形成される第１ノズルを有し、上記回転方向の相対運動が、アクチュエータへのノズル位置信号によって制御されるような可変第１ノズルシステムにおけるクランプ力を能動的に制御する方法において、
上記ノズル位置信号を測定するステップと、
プロセス制御信号を測定するステップと、
上記ノズル位置信号とプロセス制御信号との関係を決定するステップと、
上記ノズルでの過剰吹抜けを表わすノズル位置信号とプロセス制御信号との選ばれた関係を検知するステップと、
過剰吹抜けの状態下で上記マウンティングリングを互いに近づくように強制するステップとを備えたことを特徴とするクランプ力を能動的に制御する方法。
【請求項４】
請求項３に記載のクランプ力を能動的に制御する方法において、
上記ベーンの上流側のタービン入口圧力を測定するステップと、
上記タービン羽根車の下流側のタービン出口圧力を測定するステップと、
ノズル放出圧力を測定するステップと、
上記タービン出口圧力に対するタービン入口圧力の比を計算することによって確立したノズル応答特性を選ぶステップと、
測定されたタービン入口圧力および測定されたプロセス制御信号に対して選ばれた確立したノズル応答特性からノズル放出圧力の期待値を求めるステップと、
上記ノズル放出圧力の期待値と実測値を比較して、過剰クランプの状態を決定するステップと、
過剰クランプの状態下で上記マウンティングリングを互いに離れるように強制するステップとを備えたことを特徴とするクランプ力を能動的に制御する方法。
【請求項５】
タービン羽根車への環状入口を有する半径流タービンのための可変ノズルシステムにおいて、
上記環状入口内に旋回可能に取り付けられた入口ベーンと、
上記環状入口内で上記入口ベーンに隣接し、かつ連結されるとともに、上記入口ベーンに対して接離するように上記タービン羽根車の回転軸に平行な軸方向に移動可能なマウンティングリングと、
このマウンティングリングに設けられた環状室と、
上記環状室への通路と、この通路に連通して上記環状室内の圧力を制御する弁機構と、上記ベーンの上流側の圧力を表わすタービン入口圧力信号と、上記タービン羽根車の下流側の圧力を表わすタービン出口圧力信号と、プロセス制御信号と、ノズル放出圧力信号と、制御器とを有する制御システムとを備えるとともに、上記制御器は、上記タービン入口圧力信号とタービン出口圧力信号との比およびタービン入口圧力信号と上記プロセス制御信号からノズル放出圧力の期待値を計算し、かつノズル放出圧力の期待値をノズル放出圧力信号と比較するとともに、上記マウンティングリングによる過剰クランプを表わすノズル放出圧力の期待値と実測値との選ばれた比の決定に応じて上記弁機構を作動させるように接続されていることを特徴とする半径流タービンのための可変ノズルシステム。
【請求項６】
タービン羽根車をもつ半径流タービンの可変第１ノズルシステムであって、この可変第１ノズルシステムが、上記タービン羽根車の回転軸に平行な軸方向および上記タービン羽根車の回転方向に相対運動するマウンティングリングの間にクランプされる旋回可能な入口ベーンによって形成される第１ノズルを有し、上記回転方向の相対運動が、アクチュエータへのノズル位置信号によって制御されるような可変第１ノズルシステムにおけるクランプ力を能動的に制御する方法において、
上記ベーンの上流側のタービン入口圧力を測定するステップと、
上記タービン羽根車の下流側のタービン出口圧力を測定するステップと、
プロセス制御信号を測定するステップと、
ノズル放出圧力を測定するステップと、
上記タービン出口圧力に対するタービン入口圧力の比を計算することによって確立したノズル応答特性を選ぶステップと、
測定されたタービン入口圧力および測定されたプロセス制御信号に対して選ばれた確立したノズル応答特性からノズル放出圧力の期待値を求めるステップと、
上記ノズル放出圧力の期待値と実測値を比較して、過剰クランプの状態を決定するステップと、
過剰クランプの状態下で上記マウンティングリングを互いに離れるように強制するステップとを備えたことを特徴とするクランプ力を能動的に制御する方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明の技術分野は、ターボエキスパンダとしても知られている半径流タービンであり、より詳しくは、半径流タービンの可変の第１ノズルシステムである。
半径流タービンは、タービン羽根車を取り囲む環状入口を有し、この環状入口を経て流入加圧流体が方向を変えられる。流入流体を均一に分配するため、環状入口の回りに静止ベーンが配置されて、これらの間にノズルが形成される。これらのノズルは、第１ベーンの旋回動作によって可変であることが多い。
上記第１ベーンは、典型的にはマウンティングリングの間に取り付けられる。一方のマウンティングリングは、他方のマウンティングリングに対して旋回可能に取り付けられて、ベーンを旋回させるための手段として用いられる。また、上記マウンティングリングは、それらの間で軸方向に相対運動するように取り付けられている。通常、一方のマウンティングリングが固定され、他方のマウンティングリングが軸方向に移動できて、上記相対運動を行なうようになっている。旋回可能なマウンティングリングには、空気圧または油圧シリンダが随伴していて、このマウンティングリングの位置を大きな力で制御し、従ってベーンを制御する。このようなシステムの１つは、可変ノズルタービンに関する米国特許第3,495,921号に開示されており、その開示内容は参考のため本明細書に一体化されている。
このような半径流タービンに本来的な圧力、特に第１ノズルを通る流れの静圧および動圧によって、一方または双方のマウンティングリングが軸方向に移動可能なら、マウンティングリングに隣接するベーンの側面にこのマウンティングリングによってクランプ力が加えられる。ベーンの回りへのマウンティングリングの密な嵌合は、「吹抜け」つまりノズルをバイパスして入口から出口への直接の漏流およびタービン効率の低下を防止する。しかし、結果として生じるクランプ力は、過剰になることが多く、ノズルを調整するためのベーンの作動が妨げられる。
クランプ力を制御しようとする方法は、ノズルクランプ力を制御する方法に関する米国特許第4,502,836号に開示されており、その開示内容は参考のため本明細書に一体化されている。この米国特許において、２つの供給ラインで駆動される流体圧駆動アクチュエータシステムは、マウンティングリングに隣接する環状空間への圧力を変化させている。ノズルは、定常状態での操作中、随伴するマウンティングリングによってクランプされる。ノズルを調整するためのアクチュエータシステムの圧力が上昇すると、環状空間は加圧されてクランプ力に打ち勝つ。より古い米国特許4,242,040号および米国特許4,300,869号を参照されたい。なお、これら米国特許の開示内容は、参考のため本明細書に一体化されている。
本発明の概要
本発明は、半径流タービンの第１ノズルシステムにおいてクランプ力を制御する方法に関する。より詳しくは、本発明は、操作されるタービンおよびプロセスシステムから測定されたデータに応じて、調整可能なマウンティングリングのクランプ力を自動的に制御する方法に関する。
本発明では、発信器が、プロセスシステムとノズルシステムのデータを連続的に測定して制御器に伝送する。制御器は、受信したデータを処理し、非能率的なクランプ状態の始まりを検知し、自動的に修正動作を開始する。
従って、本発明の主たる目的は、半径流タービンにおける可変ノズルシステムへのクランプ力を自動的に制御する方法を提供することである。本発明の他の更なる目的および利点は、以降の記述から明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、可変ノズルシステムの断面図である。
図２は、図１の２−２線に沿う矢視図である。
図３は、可変ノズルシステムのノズル位置とプロセス制御信号との直線的関係を示すグラフである。
図４は、ノズル位置とノズルを横切る圧力の圧力比Ｐr／Ｐ1との関係の曲線群を示すグラフである。
好ましい実施例の説明
図面を参照すると、可変ノズル装置の半径流タービン１０に関する部分が描かれている。図１において、可変第１ノズルシステムは、環状入口１５内のマウンティングリング１２と１４の間に旋回可能に設けられた幾つかの入口ベーン１１を備える。マウンティングリング１２と１４は、半径流タービンの本体１６に取り付けられている。マウンティングリング１２は、固定される一方、マウンティングリング１４は、本体１６に対して旋回可能かつ軸方向に移動可能になっている。
旋回可能な入口ベーン１１をマウンティングリング１２と１４の間に操作可能に取り付けるべく、各ベーン１１は、ベーン１１をマウンティングリング１２に対して旋回せしめるようにこのマウンティングリング１２とベーン１１の間に延びる第１ピン１８に連合させられている。第２ピン２２は、上記第１ピン１８から横方向に離れた位置で各ベーン１１とマウンティングリング１４との間に延びている。第２ピン２２は、マウンティングリング１４またはベーン１１のいずれかに溝穴２４によって収容される。各溝穴２４は、マウンティングリング１４のマウンティングリング１２に対する回転が、第２ピン２２を溝穴２４に沿って動かして旋回ベーン１１を第１ピン１８の軸の回りに回転させるように所定の角度に傾けられている。総てのベーン１１を同一に形成すれば、ノズルの断面積は、各旋回ベーンの前部が隣接するベーン１１の後端に接近または離間するに応じて変化せしめられる。図２には、ベーン１１の旋回能が破線で示されている。
マウンティングリング１４は、軸方向に動きうるように取り付けられている。かくて、マウンティングリング１２と１４の軸方向の相対運動が生じ得て、ベーン１１とマウンティングリング１２，１４との間の空間の開閉がもたらされる。マウンティングリング１２，１４に働く全圧力の合計の結果として、ベーン１１とマウンティングリング１２，１４との間隔が極端になることがあり、そうなると、可変第１ノズルシステムの作動が非能率的となる。
マウンティングリング１２，１４の間隔が極端に狭くなると、ベーン１１の旋回動作を拘束する過剰クランプの状態が生じて、ノズルシステムの可変性が損なわれる。マウンティングリング１２，１４の間隔が極端に広くなると、「吹抜け」として知られる現象が生じて、流入流体がノズルを通過しないでシステムから漏れる。ノズルシステムの効率に悪影響を与えるこれらの状態のため、ベーン１１とマウンティングリング１２，１４との間隔を連続的かつ能動的に監視して制御することが有利である。
マウンティングリング１２，１４のベーン１１へのクランプ力を制御するために、半径流タービン内の種々の圧力が用いられる。調整可能なマウンティングリング１４のベーン１１に隣接する側面は、ノズルシステム入口においてプロセスガスに存する高圧からノズルシステム出口において最終的なプロセスガス源がもつ低圧までに亙る変動する圧力分布に曝される。調整可能なマウンティングリング１４のベーン１１から離れて対向する裏面は、部分的にノズルシステムの入口圧力に、かつ部分的にノズルシステムの出口圧力に夫々曝される。
閉鎖環状体積２６を形成する軸方向に延びうる環状室は、調整可能なマウンティングリング１４の裏面に曝される２つの圧力レベルを分離する。閉鎖環状体積２６は、同心円状、かつ調整可能なマウンティングリング１４と半径流タービンの最も隣接する部分との間に配置された２つの同心円のシールリング２８，２９の間に形成される。シールリング２８，２９は、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）またはマウンティングリング１２，１４の軸方向相対運動の全範囲に亙ってそのシール特性を維持できる同様の弾性シール材料からなる。シールリング２８に用いられる材料は、プロセスガス中の腐食性成分に耐え、かつ運転中の温度や圧力レベルなどの条件に耐えるように選ばれるのが好ましい。また、選ばれた材料は、小さい摩擦係数をもつべきである。
閉鎖環状体積２６の直径は、調整可能なマウンティングリング１４の両面に加わる通常の圧力が等しくなって、このマウンティングリングの位置が維持されるように計算される。しかし、プロセス条件における僅かな偏差、ベーン１１の僅かなエロージョン、他の多くの異常が、圧力変動を生んで、調整可能なマウンティングリング１４に働く圧力が釣り合わなくなる。
シールリング２８，２９は、図１に示されたマウンティングリング１４の裏面の溝３１に嵌め込まれる。溝３１は、半径流タービンの本体１６の最も隣接する部分に、択一的または付加的に設けることができる。マウンティングリング２８，２９の材料の弾性能およびマウンティングリング１４が出せる移動量に応じて、シールリング２８，２９は、溝３１内に固定されたり、クランプリング１４と半径流タービンの最も隣接する部分との間に相対運動に伴って動くように弾性的に取り付けたりすることができる。シールリング２８，２９は、マウンティングリング１４の裏面または半径流タービンの本体１６の部分のいずれかに固定することができ、溝３１内でスライド可能にできる。
移動可能なマウンティングリング１４の軸方向の制御は、一定の操作パラメータを監視することによって行なわれる。偏差が検知されると、平衡が回復されるように閉鎖環状体積２６内の圧力が調整される。通路３２は、閉鎖環状体積２６からタービンの本体部分を経て、高圧制御弁３４と低圧制御弁３６をもつ弁機構へ延びている。ノズルシステムの流入部は、閉鎖環状体積２６に高圧の流入流体源を供給すべく高圧制御弁３４に接続される一方、ノズルシステムの排気部または大気は、閉鎖環状体積２６からの低圧のベントを提供すべく低圧制御弁３６に接続されることができる。
マウンティングリング１２，１４のクランプ力を増加するために、入口の制御弁３４が閉鎖環状体積２６内の圧力を増すように作動させられ、その結果、マウンティングリング１４がベーン１１およびマウンティングリング１２に向かって軸方向に移動する。マウンティングリング１２，１４のクランプ力を減少させるため、出口の制御弁３６が閉鎖環状体積２６内の圧力を減らすように作動させられ、その結果、マウンティングリング１４がベーン１１およびマウンティングリング１２から離れるように軸方向に移動する。
クランプ状態の検知は、物理的に関連するシステムパラメータを連続的に監視して比較することによって行なわれる。２つの機構が用いられ、そのうちの１つは過剰クランピングを測定し、もう１つは過剰吹抜けを測定する。
過剰吹抜けを検知するために、ノズル位置発信器３８が、ノズル位置を連続的に測定する。このノズル位置は、ベーンの方位、ひいてはノズルの断面積を決定するマウンティングリング１４の角度位置に対応する。ノズル位置は、タービン羽根車の速度によって決定され、ノズル位置はタービン羽根車の所定速度を維持するように正確に維持される。なぜなら、過剰吹抜けの際には、マウンティングリング１２，１４は、ベーン１１に対してクランプされないからである。こうして、ノズル位置発信器３８の信号は、装置のタービン羽根車の速度に特有のものでもある。この信号は、制御器４０に与えられる。
上記制御器４０には、プロセス制御信号発信器４２からのプロセス制御信号も与えられる。発信器４２は、このような装置にプロセス制御のために通常用いられる可能なシステムパラメータのうちの１群を連続的に測定する。かかるシステムパラメータの例は、ターボエキスパンダの上流側圧力，ターボエキスパンダの下流側圧力，ターボエキスパンダから空間的に離れたプロセス流体の圧力，ターボエキスパンダ入口流量およびノックアウトドラム圧力である。（吹抜けまたは過剰クランプを生じる）不均衡なクランプ力を表わし、かつ測定できるパラメータを反映したシステム変数は、プロセス条件が不変な場合は、通常のエキスパンダ排気温度よりも熱いとか、通常の回転速度よりも遅いとか、通常のエキスパンダ入口圧力よりも高いということであり、プロセス条件が不変でかつ通常のエキスパンダ出力よりも低い場合は、通常のエキスパンダ入口圧力よりも低いということである。
ノズル位置発信器３８およびプロセス制御信号発信器４２から制御器４０に与えられる信号は、所定の運転条件に対して例えば図３の直線４３で示すように直線的に関係している。正確な関係は、プロセス制御信号によって決定される。過剰吹抜けが生じた場合、ノズル速度は、プロセス制御信号に基づく期待値以下に低下する。このことが、今度は、上記直線関係が、実際は維持されずに図３の直線以下に低下するようにノズル位置を調整する。制御器４０は、両発信器３８，４２から受けた信号の値を比較して、２つの値が定義された曲線に適合するか否かを決定する。ノズル位置が期待値よりも閉じられていると、過剰吹抜けが表示される。
過剰吹抜けを検知した状態下で、制御器４０は、電子-空気圧信号変換器４４に指令を与える。上記変換器４４は、入口の制御弁３４のアクチュエータ４６を空気圧で作動させる。これが、閉鎖環状体積２６内の圧力を増加させて、マウンティングリング１４がベーン１１に向かって移動して吹抜けを減じる。
過剰クランプの検知は、ノズル出口とタービン羽根車１０入口との間のプロセスガスの圧力Ｐrの期待値と実測値を比較することによって行なわれる。タービン羽根車入口でのプロセスガスの圧力の期待値を定義するために、幾つかのパラメータが監視される。エキスパンダ入口圧力発信器４８は、流入プロセスガスの圧力Ｐ1を連続的に測定し、測定結果を電気的に制御器５０に伝える。この測定は、ベーン１１の上流側で行なわれる。同様に、エキスパンダ出口圧力発信器５２は、タービン羽根車１０から放出されるプロセスガスの圧力Ｐ2を連続的に測定し、測定結果を電気的に制御器５０に伝える。プロセス制御発信器４２が、測定した制御変数を電気的に制御器５０に伝え、あるいは、ノズル位置発信器３８が、ノズルがどこにセットされるべきかを指令する位置信号を電気的に伝える。ノズルのベーン１１が、クランプされて過剰クランプの状態で動けなくなると、実際のノズル位置は、信号が指示する位置にない。過剰クランプが解除されるまで、ノズルアクチュエータは、ノズルを調整するためのノズル位置信号に応答することができない。プロセス制御発信器４２またはノズル位置発信器３８のいずれかを用いることができる。なぜなら、両者は、制御器５０によって格納されることができる直線関係を有するからである。最後に、ノズル放出圧力発信器５４は、ノズル出口とタービン羽根車１０入口との間のプロセスガスの実際の圧力Ｐrを測定する。
上記制御器では、エキスパンダ入口圧力Ｐ1に対する出口圧力Ｐ2の比が計算され、計算された比は、どの曲線群がノズル開度とノズルを横切る圧力比Ｐr／Ｐ1との関係を定義するかを確定する。このような曲線の例が、図４に示されている。適切な曲線およびノズルまたはプロセス制御信号から、ノズルを横切る圧力比の期待値を決定することができる。入口プロセスガスの圧力Ｐ1が与えられれば、圧力Ｐrの期待値を決定できる。そして、制御器５０によって圧力Ｐrの期待値が実測値Ｐrと比較され、ノズルが適切に位置付けられていないとか、クランプ力が過剰であるとかを表わす閾値信号を超える何らかの偏差が検知される。
偏差が適切であれば、制御器５０は、電子-空気圧信号変換器５８に電気的信号を伝える。これが、出口制御弁３６のアクチュエータ６０を空気圧で作動させて、閉鎖環状体積２６内の圧力の減少を可能にし、過剰クランプ状態を緩和する。
以上の説明では、説明の簡単化のため、過剰クランプを検知，制御する制御器と、「吹抜け」を検知，制御する制御器が別々である場合を述べたが、単一の制御器がこれら両機能を果たすようにしてもよい。
以上、半径流タービンの可変ノズルについて能動的自動クランピング制御を述べた。本発明の実施例と適用が説明されたが、本発明の概念から離れることなくより多くの変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。従って、本発明は、添付の請求項の精神以外には何ら制限されない。
【図１】
0003947221.tif 000002
【図２】
0003947221.tif 000003
【図３】
0003947221.tif 000004
【図４】
0003947221.tif 000005