(57)【要約】  ロータ（１０３）、間隙（ｄ）によってロータ（１０３）から離間したハウジング（１３８）、及び、固体伝搬音監視システムを含むタービン（１００）、特にガスタービンは、ロータとハウジングとの摩擦の位置を、可能な限り少ない技術的費用で特定することを可能にするべきである。そのために、第１及び第２の軸方向領域には、ハウジング（１３８）の１つ又は複数の内側を向いた摩擦歯（１４６）と、ロータ（１０３）の１つ又は複数の外側を向いた摩擦縁（１４８）と、がそれぞれ配置されており、１つ又は複数の摩擦歯（１４６）と、１つ又は複数の摩擦縁（１４８）と、は円周に沿って分散しており、それによって、ロータ（１０３）の所定の回転数における、それぞれの摩擦歯（１４６）と摩擦縁（１４８）との接触は、第１の軸方向領域では第２の軸方向領域とは異なる周波数で行われる。
2016524080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（１０３）、間隙（ｄ）によって前記ロータ（１０３）から離間したハウジング（１３８）、及び、固体伝搬音監視システムを含むタービン（１００）、特にガスタービンであって、
第１及び第２の軸方向領域には、前記ハウジング（１３８）の１つ又は複数の内側を向いた摩擦歯（１４６）と、前記ロータ（１０３）の１つ又は複数の外側を向いた摩擦縁（１４８）と、がそれぞれ配置されており、１つ又は複数の前記摩擦歯（１４６）と、１つ又は複数の前記摩擦縁（１４８）と、は円周に沿って分散しており、それによって、前記ロータ（１０３）の所定の回転数における、それぞれの前記摩擦歯（１４６）と前記摩擦縁（１４８）との接触は、第１の軸方向領域では、第２の軸方向領域とは異なる周波数で行われるタービン（１００）。
【請求項２】
第１及び第２の領域では、異なる数の摩擦縁（１４８）が、前記ロータ（１０３）の円周に沿って均等に配置されている、請求項１に記載のタービン（１００）。
【請求項３】
前記摩擦歯（１４６）が、前記ハウジング（１３８）の円周に沿って、周方向において隣り合う前記摩擦歯（１４６）の間に、異なる間隔が生じるように分散している、請求項１又は２に記載のタービン（１００）。
【請求項４】
周方向において隣り合う前記摩擦歯（１４６）が、周方向において直線的に増加する間隔を互いに対して有している、請求項３に記載のタービン（１００）。
【請求項５】
前記固体伝搬音監視システムが、円周に沿って分散した複数の振動センサを有している、請求項１から４のいずれか一項に記載のタービン（１００）。
【請求項６】
前記ロータ（１０３）と前記ハウジング（１３８）との間の間隙（ｄ）が、調整装置を用いて、特に、前記ロータ（１０３）と前記ハウジング（１３８）とを互いに対して摺動させることによって調整可能であり、前記調整装置は入力側で前記固体伝搬音監視システムに接続されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のタービン（１００）。
【請求項７】
ロータ（１０３）、間隙（ｄ）によって前記ロータ（１０３）から離間したハウジング（１３８）、及び、固体伝搬音監視システムを含むタービン（１００）、特にガスタービンにおいて摩擦を検知するための方法であって、
前記固体伝搬音監視システムによって、前記ロータ（１０３）の回転数から導出された第１の周波数の振幅限界を超過した場合に、第１の軸方向領域における接触が確認され、前記ロータの回転数から導出された、前記ロータの回転数が同じ場合に第１の周波数とは異なる第２の周波数を超過した場合に、第２の軸方向領域における接触が確認される方法。
【請求項８】
前記周波数が前記回転数の整数倍である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
同じ周波数の２つの重畳信号の位相シフトを用いて、周方向における接触の位置が特定される、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記位相シフトの大きさが、接触の角度位置と直線的に関連付けられている、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
円周に沿って分散した複数の振動センサの信号の振幅関係を用いて、周方向における接触の位置が特定される、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
間隙（ｄ）を最小化するための方法であって、前記間隙（ｄ）が、特にロータ（１０３）とハウジング（１３８）とを互いに対して摺動させることによって調整可能であり、請求項７から１１のいずれか一項に記載の摩擦検知方法を用いて、最小の間隙（ｄ）が調整される方法。
【請求項１３】
請求項７から１２のいずれか一項に記載の方法を実施するための手段を有するタービン（１００）。
【請求項１４】
請求項１から６又は１３のいずれか一項に記載のタービン（１００）を有する発電所設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータと、間隙によってロータから離間したハウジングと、固体伝搬音監視システムと、を含むタービン、特にガスタービンに関する。本発明はさらに、ロータと、間隙によってロータから離間したハウジングと、固体伝搬音監視システムと、を含むタービン、特にガスタービンにおける摩擦の検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンは、流れる流体（液体又は気体）の内部エネルギー（エンタルピー）を、回転エネルギー及び最終的には機械的駆動エネルギーに変換するターボ機械である。流体の流れからは、可能な限り旋回を生じない、タービンブレード周囲の層流を通じて、その内部エネルギーの一部が取り出され、タービンのロータブレードに伝えられる。ロータブレードによって、タービンシャフトは回転し、有効な動力が、発電機等の連結された作業機械に伝えられる。ロータブレードとシャフトとは、タービンの可動式ロータの一部であり、当該ロータはハウジングの内部に配置されている。
【０００３】
一般的に、複数のブレードがシャフト上に取り付けられている。平面に取り付けられたロータブレードは、それぞれブレードホイール又はインペラを形成する。当該ブレードは、航空機の主翼のように、軽く屈曲するように輪郭付けられている。一般的には、それぞれのインペラの上流には、ガイドホイールが存在している。ガイドベーンは、ハウジングから流れる媒体の内に突出しており、当該媒体を旋回させる。ガイドホイール内に形成された渦（運動エネルギー）は、後続のインペラ内で、インペラブレードが取り付けられたシャフトを回転させるために用いられる。
【０００４】
ガイドホイールとインペラとを合わせて、段と称する。しばしば、複数の当該段が相前後して接続されている。ガイドホイールは固定されているので、そのガイドベーンは、ハウジングの内部にもハウジングの外部にも固定可能であり、従って、インペラのシャフトに軸受を提供している。
【０００５】
ロータのガイドベーン端とハウジングとの間には、一般的に間隙が存在しており、当該間隙は、例えば動作中の熱膨張の補償に用いられる。しかしながら、高い効率を得るためには、ブレード端とハウジングとの間の間隙を最小にするべきである。なぜなら、流体は、間隙を通って、ロータブレードの横を通り過ぎるので、エネルギー生成には寄与しないからである。
【０００６】
タービンとタービンを取り囲むハウジングとは円錐形であるので、対応する調整装置を用いてロータをハウジングに対して摺動させることによって、間隙の大きさに影響を与えることが可能になる。実際には、ロータの摺動は、例えば２．４ｍｍ又は３．０ｍｍといった明確な、所定の長さ分だけで行われることが典型的である。タービンの摩擦を、ロータとハウジングとの摩擦によって発生する振動の検知によって動的に検知し、間隙をさらなる手順によって最適化するために、固体伝搬音監視システムを用いることも知られている。
【０００７】
従来のシステムでは、摩擦の基本的な検知のみが可能であった。しかしながら、例えば設備の始動直後に、タービンがまだ完全には作動できる状態になっていない場合に、さらに間隙を最適化するためには、摩擦の位置を可能な限り正確に特定することが望ましいであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の課題は、冒頭に記したタービン及び方法を示すことにあり、それによって、ロータとハウジングとの摩擦の位置を、可能な限り少ない技術的費用で特定することが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によると、タービンに関する本課題は、第１及び第２の軸方向領域に、ハウジングの１つ又は複数の内側を向いた摩擦歯（Anstreifzaehne）と、ロータの１つ又は複数の外側を向いた摩擦縁（Anstreifkanten）と、をそれぞれ配置することによって解決される。１つ又は複数の摩擦歯と、１つ又は複数の摩擦縁と、は円周に沿って分散しており、それによって、ロータの所定の回転数における、それぞれの摩擦歯と摩擦縁との接触は、第１の軸方向領域では第２の軸方向領域とは異なる周波数で行われる。
【００１０】
方法に関する本課題は、固体伝搬音監視システムによって、ロータの回転数から導出された第１の周波数の振幅限界を超過した場合に、第１の軸方向領域における接触が確認され、ロータの回転数から導出された、ロータの回転数が同じ場合に第１の周波数とは異なる第２の周波数を超過した場合に、第２の軸方向領域における接触が確認されることによって解決される。
【００１１】
この際、本発明は、技術的に特別な摩擦位置の特定が実現され得るのは、付加的なセンサを必要とせずとも、固体伝搬音監視システムだけで位置の特定が可能である場合であろう、という考察から出発している。このために、様々な位置の摩擦事象は、摩擦事象によって生じる固体振動を用いて識別可能であるに違いないので、特定の固体伝搬音信号を、特定の位置に割り当てることができる。ここで、容易に識別できるパラメータは、信号の周波数である。これは、現在の回転数に依存するが、対応する摩擦縁をロータに接するように配置し、対応する摩擦歯をハウジングに接するように配置することによって修正され得る。縁及び歯の構成に応じて、摩擦の際に、特性信号が生じる。縁と歯とが、異なる軸方向領域において異なる周波数を生成するように配置されることによって、軸方向における摩擦の位置を特定することができる。
【００１２】
タービンの有利な一態様では、第１の領域及び第２の領域に、異なる数の摩擦縁が、ロータの円周に沿って均等に配置されている。均等に分散した複数の摩擦縁は、つまり、当該方法に関して有利に、回転数の整数倍に相当する周波数を有する固体振動を生じる。例えば、第１の軸方向領域において３つの摩擦縁が、及び、第２の軸方向領域において４つの摩擦縁が、ロータに接して配置される場合、摩擦の際に、それぞれの領域において、回転数の３倍又は４倍の周波数を有する信号が生成される。従って、これら両方の信号は、特に良好に識別可能であり、摩擦は、軸方向において位置を特定され得る。
【００１３】
タービンのさらなる有利な一態様では、摩擦歯が、ハウジングの円周に沿って、周方向において隣り合う摩擦歯の間に異なる間隔が生じるように分散している。その際、歯が十分に密に配置されていて、２つの歯の間で摩擦が生じる場合、同じ周波数の２つの振動が生成され、その相間間隔は、歯の間隔と相互関係を有している。当該方法に関して、有利には、同じ周波数の２つの重畳信号の位相シフトを用いて、周方向における接触の位置が特定される。
【００１４】
特に容易な有利な一態様では、周方向において隣り合う摩擦歯は、周方向において直線的に増加する間隔を互いに対して有している。それによって、当該方法に関して、有利には、位相シフトの大きさが、接触の角度位置と直線的に関連付けられている。これによって、周方向において摩擦の位置を特に容易に特定することが可能になる。
【００１５】
タービンの代替的又は付加的な一態様では、固体伝搬音監視システムは、複数の円周に沿って分散した振動センサを有している。当該方法に関しては、それによって、有利には、円周に沿って分散した振動センサの信号の振幅関係（Amplitudenverhaeltnisse）を用いて、周方向における接触の位置を決定し得る。従って、接触位置の特定は、方位測定（Peilortung）の意味でも行われ得る。なぜなら、摩擦位置の最も近くに位置する振動センサにおける振幅が最大だからである。
【００１６】
タービンの有利な一態様では、ロータとハウジングとの間の間隙は、調整装置を用いて、特にロータとハウジングとを互いに対して摺動させることによって調整可能であり、当該調整装置は、入力側において、固体伝搬音監視システムと接続されている。好ましくは、間隙を最小化するための方法において、記載された摩擦検知方法を用いて、最小の間隙（ｄ）が調整される。その際、ロータは、出力信号を生成する接触がもはや存在しなくなるまで摺動する。すなわち、ロータは、タービンロータブレードがハウジングと接触するまで摺動する。当該接触は、固体伝搬音監視システムを用いて監視され、それによって移動経路（Verfahrweg）が制限される。第１の接触表示が記録されると、ロータは、必要に応じてわずかに位置を戻した後、ちょうど接触に関する境界に固定される。摺動の方向は、摩擦位置の正確な特定に基づいて最適化され得る。
【００１７】
タービンは、有利には、記載された方法を実施するための手段を有している。
【００１８】
発電所設備は、有利には、記載されたタービンを含んでいる。
【００１９】
本発明によって得られる利点は、特に、ロータとハウジングとの間の接触位置を正確に特定できることによって、ロータとハウジングとの間の間隙の最小化をさらに最適化することが、技術的に特に容易な手段によって可能になることにある。摩擦は、多くの位置において、軸方向でも周方向でも、タービンの動作中に、内部に装置を取り付けることなく、わずかの測定センサを用いて検知され得る。すでに存在するタービンに、対応する摩擦縁及び摩擦歯を後から取り付けることも可能である。
【００２０】
タービンの効率は、それによって最大化され、出力は増大する。これは、環境適合性に関しても利点を提供する。なぜなら、制御技術上の変化によって、明らかに燃料の節約及びエミッションの削減が実現されるからである。
【００２１】
本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。示されているのは以下の図である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ガスタービンの部分的な縦断面の図である。
【図２】ガスタービンの第１の径方向領域の横断面を概略的に示す図である。
【図３】ガスタービンの第２の径方向領域の横断面を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
全ての図において、同一の部材には同じ参照符号が付されている。
【００２４】
図１は、タービン１００、当該図面ではガスタービンを、部分的な縦断図で示している。ガスタービン１００は、内部に、回転軸１０２の周囲を（軸方向に）回転可能に支承されたロータ１０３を有しており、当該ロータは、タービンロータとも称される。ロータ１０３に沿って、吸気ハウジング１０４、圧縮機１０５、複数の同軸に配置されたバーナー１０７を有するトーラス様の燃焼室１１０、特に環状燃焼室１０６、タービン１０８、及び、排気ハウジング１０９が続いている。
【００２５】
環状燃焼室１０６は、環状の高温ガス導管１１１と連通している。高温ガス導管では、例えば４つの前後に接続されたタービン段１１２がタービン１０８を形成している。タービン段１１２は、２つのブレードリングから形成されている。作動媒体１１３の流れる方向に見て、高温ガス導管１１１内では、ガイドベーン列１１５に、ロータブレード１２０から形成された列１２５が続いている。
【００２６】
このとき、ガイドベーン１３０は、ステータ１４３に固定されているが、列１２５のロータブレード１２０は、タービンディスク１３３を用いて、ロータ１０３に取り付けられている。従って、ロータブレード１２０は、ロータ１０３の構成要素を成している。ロータ１０３には、発電機又は作業機械が連結されている（図示はされていない）。
【００２７】
ガスタービン１００の動作中には、圧縮機１０５によって、吸気ハウジング１０４を通って空気１３５が吸入され、圧縮される。圧縮機１０５のタービン側端部に供給される、圧縮された空気は、バーナー１０７に導かれ、バーナー１０７において燃料と混合される。当該混合物は、燃焼室１１０内で燃焼され、作動媒体１１３を生成する。作動媒体１１３は、燃焼室１１０を出発し、高温ガス導管１１１に沿って、ガイドベーン１３０及びロータブレード１２０の横を通過する。ロータブレード１２０では、作動媒体１１３が膨張し、運動量を伝達するので、ロータブレード１２０はロータ１０３を駆動し、ロータ１０３は当該ロータに連結された作業機械を駆動する。
【００２８】
高温の作動媒体１１３に曝露される部材には、ガスタービン１００の動作中、熱的負荷が加えられる。作動媒体１１３の流れる方向に見て第１のタービン段１１２のガイドベーン１３０及びロータブレード１２０は、環状燃焼室１０６を内張りしている遮熱石材を除けば、最も大きな熱的負荷を加えられている。ガイドベーン１３０及びロータブレード１２０は、そこで支配的な温度に耐えるために、冷却剤で冷却される。同様に、ブレード１２０、１３０は、腐食から防護するためのコーティング（ＭＣｒＡｌＸ；Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、希土類）及び熱から防護するためのコーティング（断熱層、例えばＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ４−ＺｒＯ２）を有していて良い。
【００２９】
ガイドベーン１３０は、タービン１０８の内側ハウジング１３８に対向するガイドベーン根元部（ここには図示されていない）と、ガイドベーン根元部の反対側にあるガイドベーン端部と、を有している。ガイドベーン端部は、ロータ１０３に対向しており、ステータ１４３の固定リング１４０に固定されている。
【００３０】
制御技術の面では、当該図面に係るガスタービン１００は、詳細には図示されていない固体伝搬音監視システムを有しており、当該固体伝搬音監視システムは、複数のセンサで、ロータ１０３及びハウジング１３８に接続されており、当該センサは、タービン１００内に発生する音響振動に関する出力信号を検知する。
【００３１】
さらに、ロータ１０３は、軸１０２に沿って軸方向に摺動可能である。ロータ１０３のロータ端部とハウジング１３８とが互いに対して先細であることに基づいて、ロータ１０３又はハウジング１３８の軸方向の摺動によって、ロータ１０３、特にロータブレード端部とハウジング１３８との間の間隙ｄは減少するか、又は、拡大する。この軸方向の摺動は、油圧によって行われる。
【００３２】
ロータ１０３をハウジング１３８に対して軸方向に摺動することによって、既存の間隙ｄは狭くなり、最終的には、振動と、従って音響の形成につながる、第１の接触が形成される。当該音響は、ハウジング１３８を通って伝達され、固体伝搬音監視システムによって検知され、対応する出力信号に変換される。
【００３３】
ガイドベーン１２０のハウジング１３８に対する軸方向の摺動に応じて、タービンブレード１２０とハウジング１３８との間に、多かれ少なかれ強い接触が形成され、それによって、生成される固体伝搬音及び出力信号の強さも変化する。従って、軸方向摺動の値に応じて、様々な出力信号が生成される。
【００３４】
第１の接触が形成された場合、ガイドベーン１２０は固定されるか、又は、接触が依然として強すぎる場合には、対応する出力信号によって指示される接触が存在しなくなるまで、押し戻される。そのときには、最小の間隙ｄが調整されている。この最小の間隙の調整は、動作中、典型的には、タービン１００が完全に作動できるようになってから行われる。
【００３５】
摩擦の位置を正確に特定し、間隙ｄの正確な調整を可能にするために、タービン１００には対応する構造的手段が備えられており、当該構造的手段については、以下の図２及び図３において説明される。
【００３６】
図２及び図３は、圧縮機１０５の２つの径方向領域の横断面を示しており、より正確にはそれぞれ、ロータブレード１２０の輪を、周囲のハウジング１３８と共に横断面で示している。ハウジング１３８の内面には、円周に沿って、摩擦歯１４６が配置されており、当該摩擦歯は径方向内側に突出している。いくつかのロータブレード１２０の径方向外側端部には、摩擦縁１４８が配置されている。
【００３７】
図２に示された領域では、４つの摩擦縁１４８が、円周に沿って均等な間隔で、すなわち、それぞれ９０°の角距離で配置されている。図３に示された領域では、３つの摩擦縁１４８が、円周に沿って均等な間隔で配置されている。すなわち、それぞれ１２０°の角距離で配置されている。従って、第１の領域において摩擦縁１４８と摩擦歯１４６とが接触した場合、ロータ１０３の現在の回転数の４倍に相当する周波数を有する固体伝搬音信号が発生するが、第２の領域において摩擦縁１４８と摩擦歯１４６とが接触した場合、ロータ１０３の現在の回転数の３倍に相当する周波数を有する固体伝搬音信号が発生する。同様に、圧縮機の他の領域では、摩擦縁１４８が異なる間隔で分散している。従って、固体伝搬音の周波数を分析することによって、摩擦の位置を軸方向において特定することができる。
【００３８】
図２及び図３では、ハウジング１３８上の摩擦歯１４６は、周方向において、最上点から直線的に増加する間隔を有して分散している。これによって、周方向において摩擦の位置を特定することも可能になる。なぜなら、２つの摩擦歯１４６で摩擦が生じる際、同じ周波数の２つの固体伝搬音信号が発生するが、その位相シフトは、摩擦歯１４６の間隔に応じて異なるからである。隣り合う摩擦歯１４６の間隔がそれぞれ異なるので、位相シフトの大きさから、摩擦の周方向位置を推測することができる。
【００３９】
適切な構造的手段は、タービン１０８内に設けられている。摩擦縁及び摩擦歯１４６、１４８は、外側摩耗層を有している。当該外側摩耗層は、例えば多孔質及び／又はセラミックであるので、わずかな接触が持続的な損傷を引き起こすこともない。
【００４０】
固体伝搬音監視システムにおける評価方法は、信号を適切に分析するために設計されており、周波数及び位相シフトを分解することができる。摩擦縁及び摩擦歯１４６、１４８の構造上の配置に関するデータは、固体伝搬音監視システムに保存されている。同様に、固体伝搬音監視システムは、入力側で、ロータ１０３の現在の回転数にアクセスする。
【００４１】
代替的な、図示されていない実施形態において、固体伝搬音監視システムは、方位測定のために設計されている。すなわち、複数の音響センサが、円周に沿って分散している。音響センサの振幅の大きさを分析することによって、固体伝搬音監視システムは、それぞれの音響センサに対する摩擦事象の相対的な近さを決定し、一種の方位測定として、位置の特定を行うことができる。
【符号の説明】
【００４２】
１００  タービン
１０２  回転軸
１０３  ロータ
１０４  吸気ハウジング
１０５  圧縮機
１０６  環状燃焼室
１０７  バーナー
１０８  タービン
１０９  排気ハウジング
１１０  燃焼室
１１１  高温ガス導管
１１２  タービン段
１１３  作動媒体
１１５  ガイドベーン列
１２０  ロータブレード
１２５  列
１３０  ガイドベーン
１３３  タービンディスク
１３５  空気
１３８  ハウジング
１４０  固定リング
１４３  ステータ
１４６  摩擦歯
１４８  摩擦縁
ｄ  間隙
【図１】
2016524080.tif 000003
【図２】
2016524080.tif 000004
【図３】
2016524080.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月9日(2015.3.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（１０３）、間隙（ｄ）によって前記ロータ（１０３）から離間したハウジング（１３８）、及び、固体伝搬音監視システムを含むタービン（１００）、特にガスタービンにおいて、
第１及び第２の軸方向領域には、前記ハウジング（１３８）の１つ又は複数の内側を向いた摩擦歯（１４６）と、前記ロータ（１０３）の１つ又は複数の外側を向いた摩擦縁（１４８）とがそれぞれ配置されており、１つ又は複数の前記摩擦歯（１４６）と、１つ又は複数の前記摩擦縁（１４８）とは、円周に沿って分散しており、それによって、前記ロータ（１０３）の所定の回転数における、それぞれの前記摩擦歯（１４６）と前記摩擦縁（１４８）との接触は、第１の軸方向領域では、第２の軸方向領域とは異なる周波数で行われることを特徴とするタービン（１００）。
【請求項２】
第１及び第２の領域では、異なる数の摩擦縁（１４８）が、前記ロータ（１０３）の円周に沿って均等に配置されている、請求項１に記載のタービン（１００）。
【請求項３】
前記摩擦歯（１４６）が、前記ハウジング（１３８）の円周に沿って、周方向において隣り合う前記摩擦歯（１４６）の間に、異なる間隔が生じるように分散している、請求項１又は２に記載のタービン（１００）。
【請求項４】
周方向において隣り合う前記摩擦歯（１４６）が、周方向において直線的に増加する間隔を互いに対して有している、請求項３に記載のタービン（１００）。
【請求項５】
前記固体伝搬音監視システムが、円周に沿って分散した複数の振動センサを有している、請求項１から４のいずれか一項に記載のタービン（１００）。
【請求項６】
前記ロータ（１０３）と前記ハウジング（１３８）との間の間隙（ｄ）が、調整装置を用いて、特に、前記ロータ（１０３）と前記ハウジング（１３８）とを互いに対して摺動させることによって調整可能であり、前記調整装置は入力側で前記固体伝搬音監視システムに接続されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のタービン（１００）。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のタービン（１００）、特にガスタービンにおいて摩擦を検知するための方法であって、
前記固体伝搬音監視システムによって、前記ロータ（１０３）の回転数から導出された第１の周波数の振幅限界を超過した場合に、第１の軸方向領域における接触が確認され、前記ロータの回転数から導出された、前記ロータの回転数が同じ場合に第１の周波数とは異なる第２の周波数を超過した場合に、第２の軸方向領域における接触が確認される方法。
【請求項８】
前記周波数が前記回転数の整数倍である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
同じ周波数の２つの重畳信号の位相シフトを用いて、周方向における接触の位置が特定される、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記位相シフトの大きさが、接触の角度位置と直線的に関連付けられている、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
円周に沿って分散した複数の振動センサの信号の振幅関係を用いて、周方向における接触の位置が特定される、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
間隙（ｄ）を最小化するための方法であって、前記間隙（ｄ）が、特にロータ（１０３）とハウジング（１３８）とを互いに対して摺動させることによって調整可能であり、請求項７から１１のいずれか一項に記載の摩擦検知方法を用いて、最小の間隙（ｄ）が調整される方法。
【請求項１３】
請求項１から６のいずれか一項に記載のタービン（１００）を有する発電所設備。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータと、間隙によってロータから離間したハウジングと、固体伝搬音監視システムとを含むタービン、特にガスタービンに関する。本発明はさらに、ロータと、間隙によってロータから離間したハウジングと、固体伝搬音監視システムとを含むタービン、特にガスタービンにおける摩擦の検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンは、流れる流体（液体又は気体）の内部エネルギー（エンタルピー）を、回転エネルギー及び最終的には機械的駆動エネルギーに変換するターボ機械である。流体の流れからは、可能な限り旋回を生じない、タービンブレード周囲の層流を通じて、その内部エネルギーの一部が取り出され、タービンのロータブレードに伝えられる。ロータブレードによって、タービンシャフトは回転し、有効な動力が、発電機等の連結された作業機械に伝えられる。ロータブレードとシャフトとは、タービンの可動式ロータの一部であり、当該ロータはハウジングの内部に配置されている。
【０００３】
一般的に、複数のブレードがシャフト上に取り付けられている。平面に取り付けられたロータブレードは、それぞれブレードホイール又はインペラを形成する。当該ブレードは、航空機の主翼のように、軽く屈曲するように輪郭付けられている。一般的には、それぞれのインペラの上流には、ガイドホイールが存在している。ガイドベーンは、ハウジングから、流れる媒体の内に突出しており、当該媒体を旋回させる。ガイドホイール内に形成された渦（運動エネルギー）は、後続のインペラ内で、インペラブレードが取り付けられたシャフトを回転させるために用いられる。
【０００４】
ガイドホイールとインペラとを合わせて、段と称する。しばしば、複数の当該段が相前後して接続されている。ガイドホイールは固定されているので、そのガイドベーンは、ハウジングの内部にもハウジングの外部にも固定可能であり、従って、インペラのシャフトに軸受を提供している。
【０００５】
ロータのガイドベーン端とハウジングとの間には、一般的に間隙が存在しており、当該間隙は、例えば動作中の熱膨張の補償に用いられる。しかしながら、高い効率を得るためには、ブレード端とハウジングとの間の間隙を最小にするべきである。なぜなら、流体は、間隙を通って、ロータブレードの横を通り過ぎるので、エネルギー生成には寄与しないからである。
【０００６】
タービンとタービンを取り囲むハウジングとは円錐形であるので、対応する調整装置を用いてロータをハウジングに対して摺動させることによって、間隙の大きさに影響を与えることが可能になる。実際には、ロータの摺動は、例えば２．４ｍｍ又は３．０ｍｍといった明確な、所定の長さ分だけで行われることが典型的である。タービンの摩擦を、ロータとハウジングとの摩擦によって発生する振動の検知によって動的に検知し、間隙をさらなる手順によって最適化するために、固体伝搬音監視システムを用いることも知られている。このようなシステムは、例えば特許文献１から知られている。
【０００７】
従来のシステムでは、摩擦の基本的な検知のみが可能であった。しかしながら、例えば設備の始動直後に、タービンがまだ完全には作動できる状態になっていない場合に、さらに間隙を最適化するためには、摩擦の位置を可能な限り正確に特定することが望ましいであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】英国特許出願公開第２３９６４３８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の課題は、冒頭に記したタービン及び方法を示すことにあり、それによって、ロータとハウジングとの摩擦の位置を、可能な限り少ない技術的費用で特定することが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によると、タービンに関する本課題は、第１及び第２の軸方向領域に、ハウジングの１つ又は複数の内側を向いた摩擦歯（Anstreifzaehne）と、ロータの１つ又は複数の外側を向いた摩擦縁（Anstreifkanten）とをそれぞれ配置することによって解決される。１つ又は複数の摩擦歯と、１つ又は複数の摩擦縁とは、円周に沿って分散しており、それによって、ロータの所定の回転数における、それぞれの摩擦歯と摩擦縁との接触は、第１の軸方向領域では第２の軸方向領域とは異なる周波数で行われる。
【００１１】
方法に関する本課題は、これまでの段落に基づいて構成されたタービン内で、固体伝搬音監視システムによって、ロータの回転数から導出された第１の周波数の振幅限界を超過した場合に、第１の軸方向領域における接触が確認され、ロータの回転数から導出された、ロータの回転数が同じ場合に第１の周波数とは異なる第２の周波数を超過した場合に、第２の軸方向領域における接触が確認されることによって解決される。
【００１２】
この際、本発明は、技術的に特別な摩擦位置の特定が実現され得るのは、付加的なセンサを必要とせずとも、固体伝搬音監視システムだけで位置の特定が可能である場合であろう、という考察から出発している。このために、様々な位置の摩擦事象は、摩擦事象によって生じる固体振動を用いて識別可能であるに違いないので、特定の固体伝搬音信号を、特定の位置に割り当てることができる。ここで、容易に識別できるパラメータは、信号の周波数である。これは、現在の回転数に依存するが、対応する摩擦縁をロータに接するように配置し、対応する摩擦歯をハウジングに接するように配置することによって修正され得る。縁及び歯の構成に応じて、摩擦の際に、特性信号が生じる。縁と歯とが、異なる軸方向領域において異なる周波数を生成するように配置されることによって、軸方向における摩擦の位置を特定することができる。
【００１３】
タービンの有利な一態様では、第１の領域及び第２の領域に、異なる数の摩擦縁が、ロータの円周に沿って均等に配置されている。均等に分散した複数の摩擦縁は、つまり、当該方法に関して有利に、回転数の整数倍に相当する周波数を有する固体振動を生じる。例えば、第１の軸方向領域において３つの摩擦縁が、及び、第２の軸方向領域において４つの摩擦縁が、ロータに接して配置される場合、摩擦の際に、それぞれの領域において、回転数の３倍又は４倍の周波数を有する信号が生成される。従って、これら両方の信号は、特に良好に識別可能であり、摩擦は、軸方向において位置を特定され得る。
【００１４】
タービンのさらなる有利な一態様では、摩擦歯が、ハウジングの円周に沿って、周方向において隣り合う摩擦歯の間に異なる間隔が生じるように分散している。その際、歯が十分に密に配置されていて、２つの歯の間で摩擦が生じる場合、同じ周波数の２つの振動が生成され、その相間間隔は、歯の間隔と相互関係を有している。当該方法に関して、有利には、同じ周波数の２つの重畳信号の位相シフトを用いて、周方向における接触の位置が特定される。
【００１５】
特に容易な有利な一態様では、周方向において隣り合う摩擦歯は、周方向において直線的に増加する間隔を互いに対して有している。それによって、当該方法に関して、有利には、位相シフトの大きさが、接触の角度位置と直線的に関連付けられている。これによって、周方向において摩擦の位置を特に容易に特定することが可能になる。
【００１６】
タービンの代替的又は付加的な一態様では、固体伝搬音監視システムは、複数の円周に沿って分散した振動センサを有している。当該方法に関しては、それによって、有利には、円周に沿って分散した振動センサの信号の振幅関係（Amplitudenverhaeltnisse）を用いて、周方向における接触の位置を決定し得る。従って、接触位置の特定は、方位測定（Peilortung）の意味でも行われ得る。なぜなら、摩擦位置の最も近くに位置する振動センサにおける振幅が最大だからである。
【００１７】
タービンの有利な一態様では、ロータとハウジングとの間の間隙は、調整装置を用いて、特にロータとハウジングとを互いに対して摺動させることによって調整可能であり、当該調整装置は、入力側において、固体伝搬音監視システムと接続されている。好ましくは、間隙を最小化するための方法において、記載された摩擦検知方法を用いて、最小の間隙（ｄ）が調整される。その際、ロータは、出力信号を生成する接触がもはや存在しなくなるまで摺動する。すなわち、ロータは、タービンロータブレードがハウジングと接触するまで摺動する。当該接触は、固体伝搬音監視システムを用いて監視され、それによって移動経路（Verfahrweg）が制限される。第１の接触表示が記録されると、ロータは、必要に応じてわずかに位置を戻した後、ちょうど接触に関する境界に固定される。摺動の方向は、摩擦位置の正確な特定に基づいて最適化され得る。
【００１８】
発電所設備は、有利には、記載されたタービンを含んでいる。
【００１９】
本発明によって得られる利点は、特に、ロータとハウジングとの間の接触位置を正確に特定できることによって、ロータとハウジングとの間の間隙の最小化をさらに最適化することが、技術的に特に容易な手段によって可能になることにある。摩擦は、多くの位置において、軸方向でも周方向でも、タービンの動作中に、内部に装置を取り付けることなく、わずかの測定センサを用いて検知され得る。すでに存在するタービンに、対応する摩擦縁及び摩擦歯を後から取り付けることも可能である。
【００２０】
タービンの効率は、それによって最大化され、出力は増大する。これは、環境適合性に関しても利点を提供する。なぜなら、制御技術上の変化によって、明らかに燃料の節約及びエミッションの削減が実現されるからである。
【００２１】
本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。示されているのは以下の図である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ガスタービンの部分的な縦断面の図である。
【図２】ガスタービンの第１の径方向領域の横断面を概略的に示す図である。
【図３】ガスタービンの第２の径方向領域の横断面を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
全ての図において、同一の部材には同じ参照符号が付されている。
【００２４】
図１は、タービン１００、当該図面ではガスタービンを、部分的な縦断面で示している。ガスタービン１００は、内部に、回転軸１０２の周囲を（軸方向に）回転可能に支承されたロータ１０３を有しており、当該ロータは、タービンロータとも称される。ロータ１０３に沿って、吸気ハウジング１０４、圧縮機１０５、複数の同軸に配置されたバーナー１０７を有するトーラス様の燃焼室１１０、特に環状燃焼室１０６、タービン１０８、及び、排気ハウジング１０９が続いている。
【００２５】
環状燃焼室１０６は、環状の高温ガス導管１１１と連通している。高温ガス導管では、例えば４つの前後に接続されたタービン段１１２がタービン１０８を形成している。タービン段１１２は、２つのブレードリングから形成されている。作動媒体１１３の流れる方向に見て、高温ガス導管１１１内では、ガイドベーン列１１５に、ロータブレード１２０から形成された列１２５が続いている。
【００２６】
このとき、ガイドベーン１３０は、ステータ１４３に固定されているが、列１２５のロータブレード１２０は、タービンディスク１３３を用いて、ロータ１０３に取り付けられている。従って、ロータブレード１２０は、ロータ１０３の構成要素を成している。ロータ１０３には、発電機又は作業機械が連結されている（図示はされていない）。
【００２７】
ガスタービン１００の動作中には、圧縮機１０５によって、吸気ハウジング１０４を通って空気１３５が吸入され、圧縮される。圧縮機１０５のタービン側端部に供給される、圧縮された空気は、バーナー１０７に導かれ、バーナー１０７において燃料と混合される。当該混合物は、燃焼室１１０内で燃焼され、作動媒体１１３を生成する。作動媒体１１３は、燃焼室１１０を出発し、高温ガス導管１１１に沿って、ガイドベーン１３０及びロータブレード１２０の横を通過する。ロータブレード１２０では、作動媒体１１３が膨張し、運動量を伝達するので、ロータブレード１２０はロータ１０３を駆動し、ロータ１０３は当該ロータに連結された作業機械を駆動する。
【００２８】
高温の作動媒体１１３に曝露される部材には、ガスタービン１００の動作中、熱的負荷が加えられる。作動媒体１１３の流れる方向に見て第１のタービン段１１２のガイドベーン１３０及びロータブレード１２０は、環状燃焼室１０６を内張りしている遮熱石材を除けば、最も大きな熱的負荷を加えられている。ガイドベーン１３０及びロータブレード１２０は、そこで支配的な温度に耐えるために、冷却剤で冷却される。同様に、ブレード１２０、１３０は、腐食から防護するためのコーティング（ＭＣｒＡｌＸ；Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、希土類）及び熱から防護するためのコーティング（断熱層、例えばＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ４−ＺｒＯ２）を有していて良い。
【００２９】
ガイドベーン１３０は、タービン１０８の内側ハウジング１３８に対向するガイドベーン根元部（ここには図示されていない）と、ガイドベーン根元部の反対側にあるガイドベーン端部と、を有している。ガイドベーン端部は、ロータ１０３に対向しており、ステータ１４３の固定リング１４０に固定されている。
【００３０】
制御技術の面では、当該図面に係るガスタービン１００は、詳細には図示されていない固体伝搬音監視システムを有しており、当該固体伝搬音監視システムは、複数のセンサで、ロータ１０３及びハウジング１３８に接続されており、当該センサは、タービン１００内に発生する音響振動に関する出力信号を検知する。
【００３１】
さらに、ロータ１０３は、軸１０２に沿って軸方向に摺動可能である。ロータ１０３のロータ端部とハウジング１３８とが互いに対して先細であることに基づいて、ロータ１０３又はハウジング１３８の軸方向の摺動によって、ロータ１０３、特にロータブレード端部とハウジング１３８との間の間隙ｄは減少するか、又は、拡大する。この軸方向の摺動は、油圧によって行われる。
【００３２】
ロータ１０３をハウジング１３８に対して軸方向に摺動することによって、既存の間隙ｄは狭くなり、最終的には、振動と、従って音響の形成につながる、第１の接触が形成される。当該音響は、ハウジング１３８を通って伝達され、固体伝搬音監視システムによって検知され、対応する出力信号に変換される。
【００３３】
ガイドベーン１２０のハウジング１３８に対する軸方向の摺動に応じて、タービンブレード１２０とハウジング１３８との間に、多かれ少なかれ強い接触が形成され、それによって、生成される固体伝搬音及び出力信号の強さも変化する。従って、軸方向摺動の値に応じて、様々な出力信号が生成される。
【００３４】
第１の接触が形成された場合、ガイドベーン１２０は固定されるか、又は、接触が依然として強すぎる場合には、対応する出力信号によって指示される接触が存在しなくなるまで、押し戻される。そのときには、最小の間隙ｄが調整されている。この最小の間隙の調整は、動作中、典型的には、タービン１００が完全に作動できるようになってから行われる。
【００３５】
摩擦の位置を正確に特定し、間隙ｄの正確な調整を可能にするために、タービン１００には対応する構造的手段が備えられており、当該構造的手段については、以下の図２及び図３において説明される。
【００３６】
図２及び図３は、圧縮機１０５の２つの径方向領域の横断面を示しており、より正確にはそれぞれ、ロータブレード１２０の輪を、周囲のハウジング１３８と共に横断面で示している。ハウジング１３８の内面には、円周に沿って、摩擦歯１４６が配置されており、当該摩擦歯は径方向内側に突出している。いくつかのロータブレード１２０の径方向外側端部には、摩擦縁１４８が配置されている。
【００３７】
図２に示された領域では、４つの摩擦縁１４８が、円周に沿って均等な間隔で、すなわち、それぞれ９０°の角距離で配置されている。図３に示された領域では、３つの摩擦縁１４８が、円周に沿って均等な間隔で配置されている。すなわち、それぞれ１２０°の角距離で配置されている。従って、第１の領域において摩擦縁１４８と摩擦歯１４６とが接触した場合、ロータ１０３の現在の回転数の４倍に相当する周波数を有する固体伝搬音信号が発生するが、第２の領域において摩擦縁１４８と摩擦歯１４６とが接触した場合、ロータ１０３の現在の回転数の３倍に相当する周波数を有する固体伝搬音信号が発生する。同様に、圧縮機の他の領域では、摩擦縁１４８が異なる間隔で分散している。従って、固体伝搬音の周波数を分析することによって、摩擦の位置を軸方向において特定することができる。
【００３８】
図２及び図３では、ハウジング１３８上の摩擦歯１４６は、周方向において、最上点から直線的に増加する間隔を有して分散している。これによって、周方向において摩擦の位置を特定することも可能になる。なぜなら、２つの摩擦歯１４６で摩擦が生じる際、同じ周波数の２つの固体伝搬音信号が発生するが、その位相シフトは、摩擦歯１４６の間隔に応じて異なるからである。隣り合う摩擦歯１４６の間隔がそれぞれ異なるので、位相シフトの大きさから、摩擦の周方向位置を推測することができる。
【００３９】
適切な構造的手段は、タービン１０８内に設けられている。摩擦縁及び摩擦歯１４６、１４８は、外側摩耗層を有している。当該外側摩耗層は、例えば多孔質及び／又はセラミックであるので、わずかな接触が持続的な損傷を引き起こすこともない。
【００４０】
固体伝搬音監視システムにおける評価方法は、信号を適切に分析するために設計されており、周波数及び位相シフトを分解することができる。摩擦縁及び摩擦歯１４６、１４８の構造上の配置に関するデータは、固体伝搬音監視システムに保存されている。同様に、固体伝搬音監視システムは、入力側で、ロータ１０３の現在の回転数にアクセスする。
【００４１】
代替的な、図示されていない実施形態において、固体伝搬音監視システムは、方位測定のために設計されている。すなわち、複数の音響センサが、円周に沿って分散している。音響センサの振幅の大きさを分析することによって、固体伝搬音監視システムは、それぞれの音響センサに対する摩擦事象の相対的な近さを決定し、一種の方位測定として、位置の特定を行うことができる。
【符号の説明】
【００４２】
１００  タービン
１０２  回転軸
１０３  ロータ
１０４  吸気ハウジング
１０５  圧縮機
１０６  環状燃焼室
１０７  バーナー
１０８  タービン
１０９  排気ハウジング
１１０  燃焼室
１１１  高温ガス導管
１１２  タービン段
１１３  作動媒体
１１５  ガイドベーン列
１２０  ロータブレード
１２５  列
１３０  ガイドベーン
１３３  タービンディスク
１３５  空気
１３８  ハウジング
１４０  固定リング
１４３  ステータ
１４６  摩擦歯
１４８  摩擦縁
ｄ  間隙
【国際調査報告】
2016524080.tif 000006
2016524080.tif 000007
2016524080.tif 000008
2016524080.tif 000009