JP2011094483A - Turbocompressor and tip clearance control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ターボコンプレッサとそのチップクリアランス制御方法に関する。 The present invention relates to a turbo compressor and a tip clearance control method thereof.
ターボファンエンジン、ターボジェットエンジンを構成するターボコンプレッサでは、起動から停止までの運転時間全体において、回転するディスクの外周に設けられた動翼列の先端(以下「チップ」という)と、動翼列を囲むケースとの間に適切な隙間(以下「チップクリアランス」という)を設ける必要がある。 In a turbo compressor constituting a turbofan engine and a turbojet engine, the tip of a moving blade row (hereinafter referred to as “chip”) provided on the outer periphery of a rotating disk and the moving blade row throughout the entire operation time from start to stop. It is necessary to provide an appropriate gap (hereinafter referred to as “chip clearance”) between the case and the surrounding case.
本発明と関連するコンプレッサの冷却装置は、例えば特許文献1に開示されている。また、ターボコンプレッサにおけるチップクリアランスの制御は、例えば特許文献2に開示されている。
A compressor cooling device related to the present invention is disclosed in Patent Document 1, for example. Moreover, the control of the tip clearance in the turbo compressor is disclosed in
図1は、ターボコンプレッサの運転時間(横軸)とケース及びディスクの半径方向の変形量(変位)(縦軸)との関係図である。図1(A)において、起動時(時間0)のケースとディスクのチップクリアランスを初期クリアランス(ICL)、減速し停止する際の最小のチップクリアランスをピンチポイント(PP)と呼ぶ。 FIG. 1 is a relationship diagram between the operation time (horizontal axis) of the turbo compressor and the amount of deformation (displacement) (vertical axis) in the radial direction of the case and the disk. In FIG. 1 (A), the case at startup (time 0) and the chip clearance of the disk are called initial clearance (ICL), and the minimum chip clearance when decelerating and stopping is called pinch point (PP).
ターボコンプレッサの定常時の運転性能を確保するために、定常状態におけるチップクリアランス(CL)は、ピンチポイントを確保できる限りで、通常小さく設定される。しかし従来のターボコンプレッサでは、起動時のケースの熱膨張による変位が、ディスクの変位よりも大きいため、定常時に、チップクリアランスが過大となり、ターボコンプレッサの性能が低下する問題点があった。 In order to ensure the normal operation performance of the turbo compressor, the tip clearance (CL) in the steady state is usually set to be small as long as a pinch point can be secured. However, the conventional turbo compressor has a problem that the displacement due to the thermal expansion of the case at the start-up is larger than the displacement of the disk, so that the tip clearance becomes excessive in a steady state and the performance of the turbo compressor is lowered.
そこで、ケース材料に低熱膨張材料(例えばINCO909)を用い、起動時のケースの変位を小さくすると、ケースの変位は、図1(B)のようになる。
図1(B)は、従来のディスクをそのまま用いた場合である。この場合、定常状態におけるチップクリアランス(CL)は、小さく設定できるが、ディスクの時間に対する変位条件は変わらないので、定常状態のチップクリアランス(CL)をディスクに合わせて設定した場合、初期クリアランス(ICL)が従来以上に大きくなる問題点がある。
Therefore, when a low thermal expansion material (for example, INCO 909) is used as the case material and the displacement of the case at the time of startup is reduced, the displacement of the case is as shown in FIG.
FIG. 1B shows a case where a conventional disk is used as it is. In this case, the chip clearance (CL) in the steady state can be set small, but the displacement condition with respect to the time of the disk does not change. Therefore, when the chip clearance (CL) in the steady state is set according to the disk, the initial clearance (ICL) ) Is larger than before.
一方、図1(C)は、ディスクの変位を従来よりも小さく抑えたものである。このディスクと低熱膨張材料を用いたケースを用いることで、初期クリアランス(ICL)を維持したまま、定常状態におけるチップクリアランス(CL)を、従来よりも小さく設定することができ、かつ図に両矢印で示すように起動時及び停止時のチップクリアランスも従来よりも小さくできる。 On the other hand, FIG. 1 (C) shows a case where the displacement of the disk is suppressed to be smaller than the conventional one. By using this disk and a case using a low thermal expansion material, the tip clearance (CL) in the steady state can be set smaller than the conventional one while maintaining the initial clearance (ICL), and a double-headed arrow in the figure. As shown in FIG. 2, the tip clearance at the time of starting and stopping can also be made smaller than before.
しかし、外周部に動翼列を有し高速で回転するディスクは、機械的要求が厳しいため、ケースのような低熱膨張材料を用いることができないので、低熱膨張材料を用いる事ではディスクの変位を小さくすることが出来ない。そのため、上述した変位条件を満たすことができる、すなわちディスクの変位を従来よりも小さく抑えることができるターボコンプレッサとそのチップクリアランス制御方法が要望されていた。 However, a disk that has a moving blade row on the outer periphery and rotates at a high speed has severe mechanical requirements, so a low thermal expansion material such as a case cannot be used. I can't make it smaller. Therefore, there has been a demand for a turbo compressor and its tip clearance control method that can satisfy the above-described displacement condition, that is, can suppress the displacement of the disk to be smaller than the conventional one.
本発明は上述した要望を満たすために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、起動から停止までの運転時間全体において、回転するディスクの外周に設けられた動翼列の先端と、動翼列を囲むケースとの間の隙間を、大幅に低減することができるターボコンプレッサとそのチップクリアランス制御方法を提供することにある。 The present invention has been devised to meet the above-described needs. That is, the object of the present invention is to greatly reduce the gap between the tip of the moving blade row provided on the outer periphery of the rotating disk and the case surrounding the moving blade row over the entire operation time from start to stop. An object of the present invention is to provide a turbo compressor that can be used and a tip clearance control method thereof.
本発明によれば、複数段の動翼列を有し空気を多段圧縮するターボコンプレッサであって、
最終列を含む複数の動翼列がそれぞれ設けられた複数の半径方向外端部と、動翼列の回転軸を間隔を隔てて囲む中空孔を有する単一の半径方向内端部と、該半径方向内端部から複数の各半径方向外端部までそれぞれ延びる複数の薄板の半径方向中間部とを有する冷却ディスクと、
前記半径方向内端部の中空孔内面を上流側の主流から抽気した冷却空気で冷却する冷却構造と、を備え、
前記冷却ディスクは、半径方向外端部と動翼列からなる流路面に遮熱コーティングを有する、ことを特徴とする多段ターボコンプレッサが提供される。
According to the present invention, a turbo compressor having a plurality of stages of moving blade rows and compressing air in multiple stages,
A plurality of radially outer ends each provided with a plurality of blade rows including a final row, a single radially inner end portion having a hollow hole that surrounds the rotation axis of the blade rows at a distance, and A cooling disk having a plurality of thin plate radial intermediate portions extending respectively from a radially inner end portion to a plurality of radially outer end portions;
A cooling structure that cools the inner surface of the hollow hole at the radially inner end with cooling air extracted from the upstream main stream, and
The cooling disk has a thermal barrier coating on a flow path surface including a radially outer end portion and a moving blade row, and a multistage turbo compressor is provided.
本発明の実施形態によれば、前記遮熱コーティングの厚さは、0.1mm〜0.5mmである。
また、前記遮熱コーティングは、イットリア安定化ジルコニアである。
According to an embodiment of the present invention, the thermal barrier coating has a thickness of 0.1 mm to 0.5 mm.
The thermal barrier coating is yttria stabilized zirconia.
上述した本発明の装置及び方法によれば、半径方向内端部の中空孔内面を上流側の主流から抽気した冷却空気で冷却するので、冷却ディスクの単一の半径方向内端部を冷却空気に近い低温に保持することができる。
また、半径方向外端部と動翼列からなる流路面に遮熱コーティング(例えばイットリア安定化ジルコニア)を有するので、流路面を流れる高温の空気(例えば500〜700℃)からの入熱を遮熱して、半径方向外端部及び半径方向中間部の温度上昇を小さく抑えることができ、冷却ディスク全体の熱膨張による変位を小さくすることができる。
従って、本発明による冷却ディスクと低熱膨張材料を用いたケースを用いることで、起動から停止までの運転時間全体において、回転するディスクの外周に設けられた動翼列の先端と、動翼列を囲むケースとの間の隙間を、大幅に低減することができる。
According to the apparatus and method of the present invention described above, the inner surface of the hollow hole at the radially inner end is cooled by the cooling air extracted from the upstream main stream, so that the single radially inner end of the cooling disk is cooled by the cooling air. Can be kept at a low temperature close to.
Further, since a heat shielding coating (for example, yttria-stabilized zirconia) is provided on the flow path surface including the radially outer end portion and the moving blade row, heat input from high-temperature air (for example, 500 to 700 ° C.) flowing through the flow path surface is blocked. Heating can suppress the temperature rise at the radially outer end portion and the radially intermediate portion to be small, and the displacement due to the thermal expansion of the entire cooling disk can be reduced.
Therefore, by using the case using the cooling disk and the low thermal expansion material according to the present invention, the tip of the moving blade row provided on the outer periphery of the rotating disc and the moving blade row are arranged over the entire operation time from start to stop. A gap between the surrounding case and the surrounding case can be greatly reduced.
以下、本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, the best mode for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図2は、本発明によるターボコンプレッサを有するジェットエンジンの部分構成図である。
この図において、1は動翼列の回転軸、2はタービンとコンプレッサを連結する中空のロングシャフト、3は動翼列を囲むケース、4はタービンノズルである。なお図2(A)は、回転軸1の上半分のみを示す図であり、図2(B)は動翼列C5部分の拡大図である。
FIG. 2 is a partial configuration diagram of a jet engine having a turbo compressor according to the present invention.
In this figure, 1 is a rotating shaft of a moving blade row, 2 is a hollow long shaft connecting a turbine and a compressor, 3 is a case surrounding the moving blade row, and 4 is a turbine nozzle. 2A is a diagram showing only the upper half of the rotary shaft 1, and FIG. 2B is an enlarged view of the rotor blade row C5.
この図において、本発明によるターボコンプレッサは、複数段(この例では6段)の動翼列C1〜C6を有し、空気5を多段圧縮するようになっている。
In this figure, the turbo compressor according to the present invention has a plurality of stages (six stages in this example) of moving blade rows C1 to C6, and compresses the
本発明のターボコンプレッサは、冷却ディスク10と冷却構造20を備える。
冷却ディスク10は、複数の半径方向外端部10a、単一の半径方向内端部10b、及び複数の半径方向中間部10cを有する。以下、「半径方向」を省略して、それぞれ外端部10a、内端部10b、中間部10cと呼ぶ。
The turbo compressor of the present invention includes a
The
複数(この例で5つ)の外端部10aには、最終列の動翼列C6を含む複数(この例で5段)の動翼列C2〜C6がそれぞれ設けられている。動翼列C2〜C6の外端部10aへの設置は、好ましく一体成形であるが、別個に成形し組立ててもよい。
最終列を含む複数の動翼列における主流温度は、例えば500〜700℃である。
A plurality (five in this example) of moving blade rows C2 to C6 including the last row of moving blade rows C6 are provided on the plurality (five in this example) of
The mainstream temperature in the plurality of rotor blade rows including the final row is, for example, 500 to 700 ° C.
単一の内端部10bは、動翼列の回転軸1を所定の間隔を隔てて囲む中空孔12を有する。中空孔12の内径は、中空孔とロングシャフト2との隙間を冷却空気6が所定の流速で流れるように設定されている。
なお、内端部10bは、「単一」である限り、一体に組み立ててもよい。
The single
The
複数(この例で5つ)の中間部10cは、内端部10bから複数の各外端部10aまでそれぞれ延びる複数(この例で5つ)の薄板からなる。各薄板は、外端部10aから内端部10bへの熱伝導を抑制するように、薄く(例えば4〜9mm)設定されている。
The plurality (five in this example) of
冷却構造20は、上流側の主流から抽気した冷却空気6を、内端部10bの中空孔12の内面に沿って下流側に流し、内端部10bを冷却するようになっている。冷却空気6の温度は、好ましくは、200〜300℃である。
The
上述した冷却ディスク10は、外端部10aと動翼列C2〜C6からなる流路面に遮熱コーティング14を有する。
遮熱コーティング14は、好ましくは、厚さ0.1mm〜0.5mmのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)である。
The
The
上述したターボコンプレッサを用いて、本発明によるチップクリアランス制御方法は、
(1) 上述した冷却ディスク10を備え、
(2) 冷却ディスク10の外端部10aと動翼列からなる流路面に厚さ0.1mm〜0.5mmのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)からなる遮熱コーティング14を施し、
(3) 内端部10bの中空孔12の内面を上流側の主流から抽気した200〜300℃の冷却空気6で冷却する。
Using the turbo compressor described above, the tip clearance control method according to the present invention is:
(1) Provided with the
(2) A
(3) The inner surface of the
遮熱コーティングの適用位置は、この例に限定されず、中段より後、望ましくはブリード段(抽気位置の段)より後段であるのがよい。これは、冷却のしにくい後段において本発明による冷却効果を得るためである。 The application position of the thermal barrier coating is not limited to this example, and is preferably after the middle stage, preferably after the bleed stage (extraction position stage). This is to obtain the cooling effect according to the present invention in the latter stage where cooling is difficult.
上述した本発明の装置及び方法によれば、半径方向内端部10bの中空孔12の内面を上流側の主流から抽気した冷却空気6で冷却するので、冷却ディスク10の単一の半径方向内端部10bを冷却空気6に近い低温(例えば300℃前後)に保持することができる。
According to the above-described apparatus and method of the present invention, the inner surface of the
また、半径方向外端部10aと動翼列からなる流路面に遮熱コーティング14(例えばイットリア安定化ジルコニア)を有するので、流路面を流れる高温の空気(例えば500〜700℃)からの入熱を遮熱して、半径方向外端部10a及び半径方向中間部10cの温度上昇を小さく(例えば従来より5〜20℃低く)抑えることができ、冷却ディスク全体の熱膨張による変位を小さくすることができる。
Further, since the heat shielding coating 14 (for example, yttria-stabilized zirconia) is provided on the flow path surface including the radially
従って、本発明による冷却ディスク10と低熱膨張材料を用いたケース(図1のケースB)を用いることで、起動から停止までの運転時間全体において、回転するディスク(冷却ディスク10)の外周に設けられた動翼列の先端と、動翼列を囲むケース(ケースB)との間の隙間を、大幅に低減することができる。
Therefore, by using the
図3は、本発明によるターボコンプレッサの部分モデルである。
この図において、冷却ディスク10の外端部10aの幅(軸方向長さ)は25mm、半径は170mm、中間部10cの厚さ(軸方向長さ)は5mm、中空孔12の半径は55mmである。
また、この例において、動翼列における主流温度は395℃、冷却空気6の温度は283℃である。
FIG. 3 is a partial model of a turbo compressor according to the present invention.
In this figure, the width (axial length) of the
In this example, the main stream temperature in the moving blade row is 395 ° C., and the temperature of the cooling
図4は、図3の部分モデルにおける温度差を示す図である。
この図に示すように、以下の説明において、動翼列における主流中央と遮熱コーティング14の表面との温度差をdT1、遮熱コーティング14の表面と外端部10aの外面との温度差をdT2、外端部10aの外面と中空孔12の内面との温度差をdT3、中空孔12の内面と冷却空気6の流路中央との温度差をdT4とする。
FIG. 4 is a diagram showing a temperature difference in the partial model of FIG.
As shown in this figure, in the following description, the temperature difference between the mainstream center in the rotor blade row and the surface of the
図5は、図3の部分モデルのシミュレーション結果である。この図において、横軸は遮熱コーティング14の厚さ、縦軸は各部(dT1〜dT4)の温度差である。
この図から、遮熱コーティング14がない場合(厚さ:0)と比較して、厚さ0.1mm〜0.5mmの場合に、遮熱コーティング14による温度差dT2が5〜20℃であり、外端部10a及び中間部10cの温度上昇をその分、小さく抑えることができることがわかる。
FIG. 5 shows a simulation result of the partial model of FIG. In this figure, the horizontal axis represents the thickness of the
From this figure, the temperature difference dT2 due to the
図6は、シミュレーションによる遮熱コーティングの厚さとディスク変位との関係図である。この図において、横軸は遮熱コーティング14の厚さ、縦軸はディスク(動翼列の先端)の変位である。
この図から、遮熱コーティング14がない場合(厚さ:0)の変位0.85mmと比較して、厚さ0.1mm〜0.5mmの場合に、変位を最大0.82mmまで小さくできることがわかる。
FIG. 6 is a relationship diagram between the thickness of the thermal barrier coating and the disc displacement by simulation. In this figure, the horizontal axis represents the thickness of the
From this figure, the displacement can be reduced to a maximum of 0.82 mm when the thickness is 0.1 mm to 0.5 mm, compared to the displacement 0.85 mm when the
表1は、シミュレーションによる遮熱コーティングの厚さとターボコンプレッサの性能との関係を示す図である。この表では、遮熱コーティング14がない場合(厚さ:0)と厚さが0.5mmの場合とを比較している。
なおディスクの変位は、ディスクの熱的変位とディスクの機械的変位の和である。
Table 1 is a graph showing the relationship between the thickness of the thermal barrier coating and the performance of the turbo compressor by simulation. This table compares the case where there is no thermal barrier coating 14 (thickness: 0) and the case where the thickness is 0.5 mm.
The disc displacement is the sum of the thermal displacement of the disc and the mechanical displacement of the disc.
この結果から、厚さ0.5mmのコーティングにより、高回転時のディスクの変位が0.03mm(0.85mm→0.82mm)減少することがわかる。この場合、高回転時のチップクリアランスを同じに保つように組立時のクリアランス(表1の初期クリアランス)を調整(0.45mm→0.42mm)することで、低回転時のクリアランス(表1のクリアランス)が12%(0.26mm→0.23mm)改善される。 From this result, it can be seen that the coating with a thickness of 0.5 mm reduces the displacement of the disk at high rotation by 0.03 mm (0.85 mm → 0.82 mm). In this case, the clearance during assembly (initial clearance in Table 1) is adjusted (0.45 mm → 0.42 mm) so that the tip clearance during high rotation is kept the same, so that the clearance during low rotation (Table 1) is adjusted. Clearance) is improved by 12% (0.26 mm → 0.23 mm).
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.
1 回転軸、2 ロングシャフト、3 ケース、
4 タービンノズル、5 空気、6 冷却空気、
10 冷却ディスク、
10a 外端部、10b 内端部、10c 中間部、
12中空孔、14 遮熱コーティング、
20 冷却構造
1 rotating shaft, 2 long shaft, 3 case,
4 turbine nozzle, 5 air, 6 cooling air,
10 cooling disk,
10a outer end portion, 10b inner end portion, 10c intermediate portion,
12 hollow holes, 14 thermal barrier coating,
20 Cooling structure
Claims (3)
最終列を含む複数の動翼列がそれぞれ設けられた複数の半径方向外端部と、動翼列の回転軸を間隔を隔てて囲む中空孔を有する単一の半径方向内端部と、該半径方向内端部から複数の各半径方向外端部までそれぞれ延びる複数の薄板の半径方向中間部とを有する冷却ディスクと、
前記半径方向内端部の中空孔内面を上流側の主流から抽気した冷却空気で冷却する冷却構造と、を備え、
前記冷却ディスクは、半径方向外端部と動翼列からなる流路面に遮熱コーティングを有する、ことを特徴とするターボコンプレッサ。 A turbo compressor having a plurality of stages of moving blade rows and compressing air in multiple stages,
A plurality of radially outer ends each provided with a plurality of blade rows including a final row, a single radially inner end portion having a hollow hole that surrounds the rotation axis of the blade rows at a distance, and A cooling disk having a plurality of thin plate radial intermediate portions extending respectively from a radially inner end portion to a plurality of radially outer end portions;
A cooling structure that cools the inner surface of the hollow hole at the radially inner end with cooling air extracted from the upstream main stream, and
The turbo compressor according to claim 1, wherein the cooling disk has a thermal barrier coating on a flow path surface including a radially outer end portion and a moving blade row.
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Cited By (1)
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JP2018009569A (en) * | 2016-07-11 | 2018-01-18 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | Gas turbine compressor passive clearance control |
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2009
- 2009-10-27 JP JP2009246114A patent/JP2011094483A/en active Pending
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