(57)【要約】  本発明は、ターボ機械（２）の出力（２５）を決定するための方法（２０）に関しており、当該ターボ機械は、当該ターボ機械の内部に、トルク（２３）に対して支持されているタービンハウジング（３）を有している。本発明に係る方法ではまず、タービンハウジング（３）の現在の支持力（８）が測定（２１）され、続いて格納された恒常的支持力（２６）との差が形成される。その後、これらの差の総和としてトルク（２３）が測定（２２）され、当該トルクからターボ機械（２）の出力（２５）が測定（２４）される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械（２）の出力（２５）を決定するための方法（２０）であって、当該ターボ機械は、当該ターボ機械の内部に、トルク（２３）に対して支持されているタービンハウジング（３）を有している方法において、
前記タービンハウジング（３）の現在の荷重支持力（８）が測定（２１）され、格納された恒常的荷重支持力（２６）に対する差が計算され、前記差の総和として前記トルク（２３）が測定（２２）され、当該トルクから前記ターボ機械（２）の前記出力（２５）が測定（２４）されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記タービンハウジング（３）の支持要素（７）の弾性変形が測定され、当該支持要素（７）の前記弾性変形からそれぞれ、前記現在の荷重支持力（８）が決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記支持要素（７）の前記弾性変形と前記現在の荷重支持力（８）との間の関係は、所定の力を付与することによって決定される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記所定の力は、前記ターボ機械（２）の前記内部において既知の負圧を付与することを、周囲に対して前記内部を封止することと組み合わせることによって作り出される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ターボ機械（２）の内部に配置されたタービンハウジング（３）を有するターボ機械（２）であって、当該タービンハウジング（３）は、中心軸線（１２）と、当該中心軸線（１２）から離間して配置された複数の支持要素（７）と、を有しており、当該複数の支持要素によって前記タービンハウジング（３）は、前記中心軸線（１２）周りに作用するトルクに対して支持されている、ターボ機械において、
各支持要素（７）に対して、当該支持要素（７）に作用する現在の荷重支持力（８）を決定するためのセンサ（９）が割り当てられており、前記センサ（９）は評価ユニットと接続されており、当該評価ユニットは請求項１から４のいずれか一項に記載の方法（２０）を実施するように構成されていることを特徴とするターボ機械。
【請求項６】
前記センサ（９）は、それぞれ、前記支持要素（７）の荷重支持位置（１０３）に配置された力測定センサ（９）である、請求項５に記載のターボ機械（２）。
【請求項７】
前記センサ（９）は、それぞれ、前記支持要素（７）に配置されたひずみゲージである、請求項５に記載のターボ機械（２）。
【請求項８】
前記ターボ機械（２）は、前記内部に負圧を作り出すための排気装置と、周囲に対して前記内部を封止するための流入補償器（１１）と、を含んでいる、請求項５から７のいずれか一項に記載のターボ機械（２）。
【請求項９】
前記ターボ機械は蒸気タービン（２）である、請求項５から８のいずれか一項に記載のターボ機械（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターボ機械の出力を決定するための方法とターボ機械とに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンセットにおいて特に低圧タービンの出力は、特に低圧タービンが駆動系においてさらなるタービンと共に配置されている場合、従来技術では直接的に測定され得ない。その場合、出力測定はタービンセットの他の構成要素の出力バランスを介して行われなければならない。これにより、既知の出力決定にはある程度の不確実性が伴う。
【０００３】
特許文献１には、構成要素のトルクを測定するためのトルク測定手段が開示されている。当該トルク測定手段は、一対の第一の連結バーを含み、当該第一の連結バーは一方の端部が固定された構造体に回動可能に接続されており、他方の端部が負荷変換器に接続されている。一対の第二の連結バーは、一方の端部が構成要素と回動可能に接続されており、他方の端部が第一の連結バーの両端部の間の位置において第一の連結バーと回動可能に接続され、変換器にトルクを伝達する。連結バーは共通の平面に対して対称な構成として形成されている。
【０００４】
特許文献２は、設備において、特に一軸式のガス及び蒸気タービン複合発電設備において、出力測定および出力調節を行うための方法および装置を示している。ここで、駆動入力部内の操作変数が測定されることにより、駆動入力部内の出力測定がそれぞれ行われる。駆動出力部内の操作変数が測定されることにより、駆動出力部内の出力測定が行われる。ねじりによって生じるひずみを検出するために、駆動入力部を駆動出力部と連結している駆動系に沿って測定センサが設けられている。当該測定センサからの測定信号は、回転速度および内部的に得られた操作変数と組み合わされて、設備全体の実際の出力を決定するために使用される。測定された設備の実際の出力は、目標出力と比較され、目標値／実際値の比較に応じて駆動部は目標とする出力変更を行うために制御される。
【０００５】
特許文献３は内燃機関のためのトルク測定システムを開示している。当該システムにおいて、エンジンブロックとエンジンブラケットとの間に、当該エンジンブロックとエンジンキャリアとの間で作り出される圧力を測定するために圧力測定装置が配置されている。圧力測定装置によって作り出される測定信号に反応して、電気回路がトルク検出信号を作り出す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】英国特許出願公開第２１０７８８７号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１９８２９１７８号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第４３１３３４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ターボ機械の出力を決定するための改善された方法とターボ機械とを提供するという目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、請求項１に記載の出力決定方法と、請求項５に記載のターボ機械と、によって達成される。本発明の有利なさらなる改良は従属請求項に記載されているとともに、詳細な説明において説明されている。
【０００９】
ターボ機械であって、当該ターボ機械の内部に、トルクに対して支持されたタービンハウジングを含んでいる、ターボ機械の出力を決定するための本発明に係る方法では、タービンハウジングの現在の荷重支持力がまず測定され、続いて格納された恒常的荷重支持力に対する差が計算される。その後、前記差の総和としてトルクが測定され、当該トルクからターボ機械の出力が測定される。
【００１０】
これにより簡単に実施され得るとともに、ターボ機械の出力に対して比較的正確な値を提供する方法が提供される。
【００１１】
本発明に係る方法の有利な実施において、タービンハウジングの支持要素の弾性変形が測定される。支持要素の当該変形からその後、現在の荷重支持力がそれぞれ決定される。
【００１２】
これにより特にハウジング支持アームを有する低圧タービンの構成原理の利点を得ることが可能である。本発明ではそのために、特にひずみゲージが用いられる。
【００１３】
本発明に係る方法のさらなる有利な実施形態において、支持要素の変形と現在の荷重支持力との間の関係は、所定の力を付与することによって決定される。
【００１４】
支持要素の弾性変形は、付与される付加力に対して線形に変化する。これによりセンサの較正を行い、測定結果を改善することが可能である。
【００１５】
本発明に係る方法のさらなる有利な実施形態において、所定の力は、ターボ機械の内部において既知の負圧を供給することを、周囲に対して当該内部を封止することと組み合わせることによって作り出される。これにより、周囲圧力は、既知の大きさの表面積において、付加的な力としてタービンハウジングに作用する。周囲圧力が作用する表面積は、タービンハウジングの流入管の断面に相当する。
【００１６】
これにより、排気装置のような装置が付加的な力を付与するために用いられ得、当該装置は多くのターボ機械、特に蒸気タービンにおいて他の目的のためにすでに設けられている。これにより較正の実施は極めて容易になる。
【００１７】
本発明に係るターボ機械は、内部と、当該内部に配置されたタービンハウジングと、を有しており、当該タービンハウジングは、中心軸線と、当該中心軸線から離間して配置された複数の支持要素と、を有しており、当該複数の支持要素によってタービンハウジングは中心軸線周りに作用するトルクに対して支持されている。本発明では、各支持要素に対して、支持要素に作用する現在の荷重支持力を決定するためのセンサが割り当てられている。センサは評価ユニットと接続されている。評価ユニットは本発明に係る方法を実施するように構成されている。
【００１８】
これにより、本発明に係る方法を実施するためのターボ機械が提供され、当該ターボ機械の出力は容易に決定される。
【００１９】
本発明に係るターボ機械の有利な改良において、センサはそれぞれ、支持要素の荷重支持位置に配置された力測定センサである。
【００２０】
これにより荷重支持力は直接的に測定可能である。他の変数からの変換を行う必要はない。
【００２１】
本発明に係るターボ機械の代替的な改良において、センサはそれぞれ、支持要素に配置されたひずみゲージである。
【００２２】
ひずみゲージは後からでも容易に利用され得るとともに、比較的廉価である。ターボ機械はこれにより、簡単かつ廉価な方法で本発明に係る方法に対して準備されている。
【００２３】
本発明に係るターボ機械のさらなる有利な改良において、ターボ機械は、内部に負圧を作り出すための排気装置と、周囲に対して内部を封止するための流入補償器と、を含んでいる。
【００２４】
このような流入補償器と排気機械とは、様々なターボ機械構成において他の目的のためにすでに設けられている。排気装置は特に蒸気タービンにおいて普及している。これによりターボ機械には、本発明に係る出力決定を可能にするために、付加的な構成要素が設けられる必要はない。
【００２５】
本発明の例示的な実施形態は図面と以下の詳細な説明に基づいてより詳しく説明される。図に示すのは以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るターボ機械を有するタービンセットを示す図である。
【図２】本発明に係るターボ機械のタービンハウジングを示す図である。
【図３】本発明に係るターボ機械のタービンハウジングの支持要素を示す図である。
【図４】本発明に係る出力決定方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１において例としてのタービンセット１が示されている。図に示されたタービンセット１は、本発明に係るターボ機械２と、軸１３によって当該ターボ機械２と接続されている発電機４と、を含んでいる。軸１３は複数のベアリング１６において取り付けられている。ターボ機械２及び発電機４は、基礎６に配置されている。ターボ機械２は特に蒸気タービン２であり、当該蒸気タービンの排気はコンデンサ５によって受容される。
【００２８】
本発明に係るターボ機械２は内部を有している。当該内部にタービンハウジング３が配置されている。
【００２９】
ターボ機械２はさらに入口開口部を有しており、当該入口開口部を介してターボ機械２の作動中に、蒸気がタービンハウジング３内に入ることができる。
【００３０】
タービンハウジング３は図２において例として示されている。タービンハウジング３は中心軸線１２周りに配置されている。ターボ機械２が例としての実施形態のように蒸気タービン２であるとき、タービンハウジング３は上方領域に流入管を有している。流入補償器１１は、タービンハウジング３の流入管を、ターボ機械２の入口開口部と接続し、それによりターボ機械２の内部は当該場所で周囲に対して封止されている。同時に流入補償器１１はターボ機械２内でのタービンハウジング３の可動性を保証している。流入補償器１１は、タービンハウジング３とターボ機械２との間のフレキシブルな結合部材である。
【００３１】
タービンハウジング３は、特に、案内翼を収容しており、本図においてより詳しくは示されていない、動翼が装着されたロータの周囲に配置されている。ターボ機械２の作動時に、ロータは中心軸線１２周りに回転し、軸１３を駆動し、当該軸はトルク２３を発電機４に伝達する。
【００３２】
タービンハウジング３は、本発明によれば複数の支持要素７を有している。タービンハウジング３は、支持要素７によって取り付けられている。支持要素７は、中心軸線１２から離間して配置されている。これによりタービンハウジング３はまた、ターボ機械２の作動時に中心軸線周りに作用するトルクに対して支持されている。図２では例として４個の支持要素７１，７２，７３，７４が示されており、当該支持要素は支持アームとして形成されている。支持要素７は図２において例として端面側に設けられている。支持要素７は、側面に、または端面側と側面とに、配置されていてもよい。支持要素７は、対応する形状及び寸法を有している支持ベアリング（本図においてより詳しく示されていない）に取り付けられている。
【００３３】
本発明によれば支持要素７１，７２，７３，７４のそれぞれは、センサ９１，９２，９３，９４を有している。センサ９１，９２，９３，９４を用いて、全ての支持要素７１，７２，７３，７４における現在の荷重支持力８１，８２，８３，８４であって、現在の時点において支持要素７１，７２，７３，７４に作用している、荷重支持力を決定可能である。個々の支持要素７においてそれぞれ、現在の荷重支持力８が作用する。センサ９は、評価ユニット（図示せず）と接続されている。
【００３４】
現在の荷重支持力８は、図により詳しく示されていない排気ユニットを用いて、周囲圧力よりも低い圧力がタービンハウジング３内に作り出されるとき、増大する。その場合、流入補償器１１の断面に相当する表面積には、タービンハウジング３の荷重に加えて、周囲圧力１４が正圧として作用する。この事実は本発明に係る方法２０において用いられる。
【００３５】
図３には例として、現在の荷重支持力８の影響下にある支持要素７の一つが示されている。このとき支持要素７は弾性的に変形されている。図に示す変形は大きく誇張して示されている。
【００３６】
図３において例として、可能なセンサ位置１０が示されている。センサ９は、本発明に係るターボ機械２の第一の変化形態では、それぞれの支持要素７における現在の荷重支持力８を直接的に決定し得る。そのためにセンサ９はそれぞれ、支持要素７の荷重支持位置１０３に直接的に配置されている。このときセンサ９は例えば圧電素子、ロードセル、または薄膜センサである。また本発明に係るターボ機械２の第二の変化形態では、現在の荷重支持力８は支持要素７の変形の測定を介しても決定され得る。そのために、センサ９は、それぞれ、引張ひずみの位置１０２で、あるいは圧縮ひずみの位置１０１で支持要素７に配置されている。この場合、センサ９は特にひずみゲージである。二つの変化形態を同時に用いることもできる。
【００３７】
支持要素７ごとの現在の荷重支持力８は、ターボ機械２の作動時において、ターボ機械２の静止状態における支持要素７ごとの恒常的荷重支持力２６とは異なる値を有している。本発明に係る方法２０では、個々の支持要素７における現在の荷重支持力８と恒常的荷重支持力２６との間の前記差から、ターボ機械２の現在の出力が決定される。本発明に係る出力決定方法２０は、図４において例として線図で表示されている。
【００３８】
本発明に係る方法２０ではまず、荷重支持力測定ステップ２１において各支持要素７に作用する現在の荷重支持力８が測定される。この場合、現在の荷重支持力８の測定は、荷重支持位置１０３に配置された力測定センサ９を用いて現在の荷重支持力８を直接的に測定することによって、あるいは圧縮ひずみの位置１０１および／または引張ひずみの位置１０２に配置されている変形センサ９を用いる間接的な決定によって行われる。
【００３９】
その後、トルク測定ステップ２２において、軸１３のトルク２３が測定される。このためにまず、各支持要素７に対して現在の荷重支持力８と恒常的荷重支持力２６との間の差が計算される。これは、中間値として、支持要素７ごとにそれぞれ差分荷重支持力を生み出す。当該差分荷重支持力は、中心軸線１２に対する既知の空間とともに、それぞれ個々のトルクを生じさせる。個々の要素の総和が軸１３のトルク２３となる。軸のトルク２３の大きさは案内翼のトルクの大きさと等しく、案内翼のトルクの大きさはタービンハウジング３のトルクの大きさと等しいからである。
【００４０】
その後、出力測定ステップ２４において、ターボ機械２の出力２５が測定される。ターボ機械２の出力は軸１３の出力に相当する。軸１３の出力は、軸１３のトルク２３と、軸の現在の角速度と、の積から決定される。
【００４１】
特に荷重支持力測定ステップ２１が支持要素７の変形のモニタリングを用いて行われるとき、本発明によれば荷重支持力測定ステップ２１の前に、支持要素７の変形と付加的に付与される力との間の関係を決定することが可能であり、それによりセンサ９の較正１９を実施する。このために特に、タービンハウジング３内に負圧が付与される。タービンハウジング３内の圧力を低下させることにより、タービンハウジング３に対して周囲圧力１４が正圧として作用する。このとき周囲圧力は流入補償器１１の断面の表面積に作用する。タービンハウジング圧力と周囲圧力１４との間の作り出された圧力差、および流入補償器１１の断面積が分かっているので、付加的にタービンハウジングに作用する力も分かっている。付加的な力と支持要素７の弾性変形とは互いに対して線形に変化する。較正１９のためのこの可能性は、構成型式の理由のために、特に蒸気タービン２の場合に存在し、当該蒸気タービンには本来の作動のために排気装置がすでに割り当てられている。
【００４２】
本発明は、好適且つ例示的な実施形態によってより詳細に表示かつ説明されたが、本発明は開示された例に限定されるものではなく、当業者によって、本発明の保護範囲から離れることなく、開示された例から他の変化形態が導き出されてよい。
【符号の説明】
【００４３】
１  タービンセット
２  ターボ機械
３  タービンハウジング
４  発電機
５  コンデンサ
６  基礎
７１，７２，７３，７４  支持要素
８１，８２，８３，８４  現在の荷重支持力
９１，９２，９３，９４  センサ
１０１  圧縮ひずみの位置
１０２  引張ひずみの位置
１０３  支持位置
１１  流入補償器
１２  中心軸線
１３  軸
１４  周囲圧力
１６  ベアリング
１９  較正
２０  本発明に係る方法
２１  荷重支持力測定
２２  トルク測定
２３  トルク
２４  出力測定
２５  出力
２６  恒常的荷重支持力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2016515179.tif 000007
2016515179.tif 000008
2016515179.tif 000009
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