JP3758835B2 - Clearance control method by cooling air compressor disk - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法に関し、ディスクに空気を流すことにより換気を行い、起動時と定常運転時のクリアランスを小さくすると共に、ディスク外周側と内周側との温度差を小さくし、熱応力を低減するものである。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンプラントにおいては圧縮機からの空気を燃焼器に導き、燃料と共に燃焼させて発生した高温燃焼ガスをガスタービンに導き、ガスタービンを駆動すると共に、空気の一部を抽気してガスタービンの静翼と動翼に導き、これらを冷却している。図8はこのような圧縮機とガスタービンとの接続部の一般的な断面図であり、圧縮機1には固定側のケーシング8に固定された静翼1−1と、ロータ側のディスク2に取付けられた動翼1−2がそれぞれ円周方向に取付けられると共に、軸方向に交互に配置され、ロータが回転することにより圧縮空気40を吐出する。
【0003】
圧縮機1からの圧縮空気40は燃焼器(図示省略)に導かれ、燃焼に供され、燃焼ガスはガスタービンの静翼5−1と動翼5−2間に流れて膨張することによりロータを回転させ、その一部の空気41はエアセパレータ7からガスタービン側に導かれ、静翼5−1,動翼5−2間のシール用空気として供給され、更に動翼5−2にも導かれ、動翼5−2を冷却し、冷却後の空気は燃焼ガス通路へ放出される。
【0004】
上記のガスタービンの圧縮機においては、起動時には動翼1−2とケーシング8とのクリアランスは接触を避けるために所定の間隙を保っており、運転の過程において動翼1−2とケーシング8との熱伸びにより、クリアランスも変化し、途中で最小クリアランスに達し、定常運転時にはクリアランスが徐々に拡大する。この定常運転時のクリアランスがあまり大きくなると圧縮機の性能低下につながる。
【0005】
図9は航空機用エンジンの断面図であり、エンジンの起動時において動翼とケーシングとのクリアランスを小さくし、クリアランスが大きいときに生ずるサージングを防止するようにした構造を採用しており、図9(a)はその断面図、図9(b)は(a)におけるX−X断面図である。図において、50はケーシング、51は動翼であり、ケーシング50との間にクリアランスdを有している。52はディスク、53はロータであり、ディスク52には円周方向に均等に複数の穴54,55,56をそれぞれキャビティ57−1,58−1,59−1に貫通して設け、又各キャビティ57−1〜59−1と57−2〜59−2とはそれぞれ連通させている。
【0006】
上記構成の航空機用エンジンは、起動時に適切な温度の空気60を矢印の通り穴54,55,56を通してそれぞれキャビティ57−1,57−2,58−1,58−2,59−1,59−2に通してディスク52の後段部を暖気し、スタート時の動翼51とケーシング50とのクリアランスを小さく保ち、起動時のエンジンの性能を維持している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来のガスタービンの圧縮機においては、比較的低圧力比であり、圧縮機後方段は温度が比較的低いため、現状では強制的に冷却する構造は特に採用していないが、最近は高圧力比化の傾向があるため、結果的に高強度材料を採用し、高コストとなると共に、強度上長寿命設計が難しくなりつつある。
【0008】
又、航空機用エンジンにおいては、起動時の性能を確保するために、ディスクに空気を流して暖気を行い、起動時のクリアランスを小さく保つようにしている例があるが、起動時から定常運転時にかけてクリアランスを制御し、起動時にもクリアランスを小さくし、途中での最小クリアランス時での接触を避け、定常運転時にはできるだけ小さなクリアランスで運転できるような圧縮機のクリアランス制御方法は未だ一般的には適用されていないのが現状である。
【0009】
特にガスタービンプラントにおける圧縮機においては、冷却構造を採用してないので、冷却による熱応力の低減による長寿命設計を行うと圧縮機の性能がガスタービンプラント全体の効率に影響してくるので、圧縮機の起動時から定常運転時にかけてクリアランスを小さく保って運転し、圧縮機の性能を向上させることが強く望まれている。
【0010】
そこで本発明では、圧縮機の後段部のディスクに冷却空気を流すことにより圧縮機の動翼側を冷却し、またこの空気温度を制御することにより起動時から定常運転時にかけてクリアランスを小さくするように運転し、このディスクを冷却した後の空気はガスタービンの静翼と動翼に供給してシール用と冷却用に活用する空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法を提供することを課題としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために次の(1))の手段を提供する。
【0012】
(1)圧縮機の吐出空気の一部を抽気してクーラに導き、所定温度に冷却した後同圧縮機のロータディスク後段部のキャビティ内に流通させてディスクを冷却し、ディスク外周の動翼先端とケーシングとのクリアランスを制御し、ディスク冷却後の空気は同圧縮機とガスタービンとを連結する中間軸を介してガスタービンに導き、シール用と動翼冷却用空気として供給すると共に、前記クーラによる空気の冷却は起動開始時から所定の時間だけ行うことを特徴とする空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法。
【0014】
)上記(1)の発明において、前記ケーシングと動翼とのクリアランスは起動後に生ずる最小クリアランスの許容値以内となるように予めつめて設定しておき、起動時にはディスクを冷却することにより前記最小クリアランスの許容値を保つと共に、定常運転時のクリアランスも所定の値に保つことを特徴とする空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法。
【0015】
高圧力比圧縮機のディスク後段部では、吐出する空気の温度が450〜500℃以上と高温になり、起動時にはディスク外周側が急激に加熱されてディスク外周側と内周側とでは温度差が大きく熱応力が大きくなり、高強度材料を用いる必要がある。又、起動時のケーシングと動翼とのクリアランスも大きく設定し、熱伸びによる最小クリアランス時の接触を回避し、そのために定常運転時のクリアランスも大きくとる必要がある。本発明の(1)では空気をクーラにより冷却し、この冷却した空気を圧縮機ディスクに流して換気することによりディスク後段部を冷却する。このためにディスクの外周側の熱を内周側に運び、ディスクを冷却するのでディスクの外周側と内周側との温度差が小さくなり、そのために熱応力が低減する。熱応力が低減すれば高強度材料を使用しなくて良いのでコスト低減につながる。
【0016】
又、ディスクの高温部である後段部を冷却することにより、ディスク後段部の熱伸びを抑え、起動時から定常運転時に至る間に最小クリアランスが生じるが、この間にクーラにより冷却した空気を流してディスク後段部を冷却することにより、最小クリアランスを大きくし、接触を避けると共に、ディスクの定常時までの伸びの応答を早くして、非定常時において効率良く、かつ安全な運転ができるようになる。
【0017】
本発明の()では、クーラで冷却した空気によりディスク後段部を冷却するとディスクの熱伸びが抑えられるが、特に最小クリアランスが生じる起動初期にはクーラの冷却能力を上げて熱伸びを少くするようにし、この熱伸びの減少した分だけケーシング側とのクリアランスを予めつめて小さく設定することができる。このように初期のクリアランスを小さく設定しても最小クリアランス時における接触を避けることができると共に定常運転時にもクリアランスを小さく維持することができる。
【0018】
本発明では、更にディスクを冷却した空気はガスタービン側に送り、ガスタービンのシール用空気と動翼冷却用の空気として用いることができるので圧縮機を冷却した空気を有効利用することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図1は本発明の空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法を適用したガスタービンの系統図である。図において、1は圧縮機であり、2は圧縮機1のディスクである。3は燃焼器であり、圧縮機からの空気と燃料を燃焼させて高温燃焼ガスを発生させる。4はガスタービンであり、内部に静翼・動翼5を有し、燃焼器3で発生した高温燃焼ガスを導き、ロータを回転させて発電機を回し、発電を行う。6はクーラであり、圧縮機1からの吐出する空気を一部抽気して所定の温度に冷却し、圧縮機1の後段側に送り、ディスクの換気を行い、これを冷却する。
【0020】
図2は本発明の実施の形態のクリアランス制御方法を適用する圧縮機ディスクの断面図である。図において、圧縮機1のディスク2にはキャビティ11が2ヶ所、12が3ヶ所、13が3ヶ所、それぞれ軸方向に配列して設けられており、キャビティ11には穴22,23が設けられ、軸方向2ヶ所のキャビティ11を連通している。キャビティ12には穴21,27,28が設けられ、軸方向に連通すると共に、キャビティ11とは穴24,25,26で互いに連通している。又、キャビティ13も同様に穴29,30,31でキャビティ12に連通すると共に、軸方向に穴32,33で連通している。
【0021】
上記構成の圧縮機において、クーラ6で冷却された空気の一部は圧縮機1に入り、後段の動翼、静翼間に流出し、高温の圧縮空気に対してシール用として供給されると共に、穴22,23に流入し、キャビティ11に入り、穴24,25,26からキャビティ12に入る。キャビティ12には穴21からも空気が流入し、キャビティ13に流れ、これらを流れる過程でディスク2の後段部を冷却して穴33,32を通り、ディスク外周側の熱を内周側へ運び、中間軸部34へ流出する。
【0022】
中間軸部34に流出した空気はボア部を通り、ガスタービン側へ流れ、静翼5−1と動翼5−2間のシール用の空気及び動翼5−2の冷却用の空気として供給される。動翼5−2にはエアセパレータ7より圧縮機1からの空気の一部が流入し、冷却用として供給されているが、この冷却用空気に圧縮機1のディスク2後段部を冷却した空気が一緒になり、動翼5−2へ供給される。
【0023】
図3はディスク2を冷却しない従来の状態を示す図で、(a)がその断面図、(b)はディスク2の外側と内側との温度差を示した図である。(a)において、外側をAとし、内側Bとすると、外側Aの方が温度が高く、内側Bは熱伝達率が小さいので温度が低い。この状態を(b)に示しており、AとBとの間にはBへの熱伝達率が小さいのでAとの間に温度差が生じている。
【0024】
図4はディスクを冷却した本発明の状態を示す図であり、(a)がディスクの断面図、(b)はディスク2の外側と内側との温度差を示す図である。(a)において冷却空気30をディスクに設けた穴を通して換気して冷却することにより、ディスク外周側の熱を内側に熱交換させるとともに、熱伝達率が向上するので、ディスクの外側A’と内側B’との間には温度差が図3に示す従来のディスクより小さくなる。この状態を(b)に示しており、A’とB’の温度差は図3の(b)と比べると接近するようになる。
【0025】
図5は図1に示した圧縮機からの空気を冷却するクーラ6の特性を示す図で、圧縮機吐出側の空気温度は約450〜500℃程度となるが、この空気を定常時において約200〜250℃位になるように冷却する。冷却の過程において冷却の初期で圧縮機運転中にケーシングと動翼とのクリアランスが最小となるまでの時間帯Tの間はクーラの能力を最大にして温度を低くするように制御し、定常時において、200〜250℃となるように冷却能力を制御する。
【0026】
図6は上記図5で説明した特性でクーラを作動させた時の動翼先端の半径方向の伸びを示す図であり、実線がケーシングの伸びの特性、一点鎖線が冷却空気を流さない時の動翼先端の伸びの特性、点線が冷却空気を流した場合の動翼先端の伸びの特性である。冷却しない場合(一点鎖線)の特性では運転初期には遠心力の作用により伸びが大きくなり、ケーシングとのクリアランスを大きくしておかないと接触する恐れがある。この時期にクーラをONにして冷却し、図に示す特性に従って冷却空気を送り、ディスク2を換気することによりディスクを冷却すると、点線で示すような特性となる。従って、ケーシングと動翼先端とのクリアランスが厳しい期間に動翼先端の伸びを抑え、結果として最小クリアランス(MCL)を保つことができる。
【0027】
クーラによる冷却は、運転開始から遠心力によりロータ部分の伸びが大きくなる間にクーラをONにして冷却した空気を流し、この間の伸びを抑え、その後OFFとしてロータ側を定常な伸び状態とする方法と、クーラを遠心力が作用して伸びが大きい間を強とし、その後所定期間弱として空気を冷却し、その後OFFとして徐々に定常状態にする方法があるが、いずれか適した方法を採用する。
【0028】
図7は上記に説明の方法により、ケーシングと動翼先端とのクリアランスを制御した場合の効果を示す図で、(a)はケーシングと動翼先端の半径方向の伸びの関係を、(b)はクリアランスの制御による効果を、それぞれ示している。(a)において、動翼冷却無しの場合には、動翼先端の伸びの特性は起動後に遠心力の作用によりケーシングとディスクの間に最小クリアランスMCLに達し、その後定常状態ではクリアランスは徐々に大きくなり、ケーシングとの間にクリアランスCL1 となり安定する。
【0029】
ディスクに冷却空気を流し、図6で説明したような冷却を行うと、動翼先端の伸びは点線で示すような特性となり、定常状態までの応答が早くなり、最小クリアランスがδ1 だけ広がって、MCL+δ1 となり、定常時にも伸びがδ2 だけ広がり、定常運転時のクリアランスはCL1 +δ2 となり、やや広くなる。但し、この時の冷却特性はδ1 >δ2 となるように制御する。
【0030】
そこで、(b)に示すように、ケーシングの初期の設定値をδ1 だけつめて二点鎖線で示すように設定すると、ケーシングと動翼先端とのクリアランスの関係は図中二点鎖線と点線の関係となる。このような関係では冷却しない状態での最小クリアランスの発生する時点では隙間を接触しない最小の点にするまでつめることができ、最小クリアランスはMCL’のように移動し、定常時のクリアランスはCL1 からCL2 に変化する。
【0031】
クリアランスCL2 はもとの状態のCL1 から(−δ1 +δ2 )だけ小さくなることになり、結果として、クーラ6により圧縮機1からの空気を抽気して冷却し、圧縮機ディスク2の後段に流して換気を行い、この部分を冷却することにより、起動初期のクリアランスをδ1 だけつめることができ、更に、定常運転時のクリアランスを冷却を行わない時と比べて(−δ1 +δ2 )だけ小さくすることができる。
【0032】
上記のように、ディスクを空気で冷却し、起動時と定常時のクリアランスを従来よりも小さくすることができるので効率が上がる。更に、起動時のディスク2の外周と内周との温度差が小さくなるので熱応力が低減できるとともに、低級の材料が適用できてコストを低減することが可能となり、長寿命設計が可能となる。
【0033】
【発明の効果】
本発明の空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法は、圧縮機の吐出空気の一部を抽気してクーラに導き、所定温度に冷却した後同圧縮機のロータディスク後段部のキャビティ内に流通させてディスクを冷却し、ディスク外周の動翼先端とケーシングとのクリアランスを制御し、ディスク冷却後の空気は同圧縮機とガスタービンとを連結する中間軸を介してガスタービンに導き、シール用と動翼冷却用空気として供給すると共に、前記クーラによる空気の冷却は起動時から所定の時間だけ行うことを特徴としている。このような方法により、ディスク外周側の熱を内側に運び、ディスクのメタル温度を均一にさせ、ディスクの熱応力を低減できるので高強度材料を使用しないで設計ができ、コスト低減となる。
【0034】
本発明の()は、上記(1)において前記ケーシングと動翼とのクリアランスは起動後に生ずる最小クリアランスの許容値以内となるように予めつめて設定しておき、起動時にはディスクを冷却することにより前記最小クリアランスの許容値を保つと共に、定常運転時のクリアランスも所定の値に保つことを特徴としている。
【0035】
このような方法により、クーラで冷却した空気でディスクの熱応力を低減すると共に、特に最小クリアランスが生じる起動初期にはクーラの冷却能力を上げて熱伸びを少くするようにし、この熱伸びの減少した分だけケーシング側とのクリアランスを予めつめて小さく設定することができる。このように初期のクリアランスを小さく設定しても最小クリアランス時における接触を避けることができると共に定常運転時にもクリアランスを小さく維持することができる。
【0036】
更に、本発明においては、ディスクを冷却した空気はガスタービン側に送り、ガスタービンのシール用空気と動翼冷却用の空気として用いることができるので圧縮機を冷却した空気を有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態に係る空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法を適用した系統図である。
【図2】本発明の実施の一形態に係る空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法を適用する圧縮機の断面図である。
【図3】空気圧縮機ディスクの無冷却時の温度状態を示し、(a)はディスクの断面図、(b)はディスク外側と内側の温度状態を示す図である。
【図4】空気圧縮機ディスクの冷却時の温度状態を示し、(a)はディスクの断面図、(b)はディスク外側と内側の温度状態を示す図である。
【図5】本発明の実施の一形態に係る空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法におけるクーラの冷却特性を示す図である。
【図6】本発明の実施の一形態に係る空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法におけるケーシングと動翼との関係を示す図である。
【図7】本発明の実施の一形態に係る空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法を適用した特性を示し、(a)はケーシングと動翼冷却無、動翼冷却有、の場合のクリアランスの状態を示す図、(b)はケーシングの起動前のクリアランスをつめた時の特性図である。
【図8】従来の空気圧縮機の断面図である。
【図9】従来の航空機用エンジンの断面図である。
【符号の説明】
1 圧縮機
2 ディスク
3 燃焼器
4 ガスタービン
5 静翼・動翼
6 クーラ
11,12,13 キャビティ
21〜33 穴
30 冷却空気
34 中間軸部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a clearance control method by cooling an air compressor disk, ventilates air by flowing it through the disk, reduces the clearance during start-up and steady operation, and the temperature difference between the disk outer peripheral side and the inner peripheral side. Is reduced to reduce thermal stress.
[0002]
[Prior art]
In a gas turbine plant, air from a compressor is guided to a combustor, and high-temperature combustion gas generated by combustion with fuel is guided to the gas turbine, the gas turbine is driven, and a part of the air is extracted to extract the gas turbine. They are guided to the stationary and moving blades to cool them. FIG. 8 is a general cross-sectional view of a connecting portion between such a compressor and a gas turbine. The compressor 1 includes a stationary blade 1-1 fixed to a casing 8 on the fixed side, and a disk 2 on the rotor side. Are attached in the circumferential direction and are alternately arranged in the axial direction, and the rotor rotates to discharge the compressed air 40.
[0003]
The compressed air 40 from the compressor 1 is guided to a combustor (not shown) and used for combustion, and the combustion gas flows between the stationary blades 5-1 and the moving blades 5-2 of the gas turbine and expands to become a rotor. , And a part of the air 41 is guided from the air separator 7 to the gas turbine side and supplied as sealing air between the stationary blade 5-1 and the moving blade 5-2, and also to the moving blade 5-2. It guide | induces and cools the moving blade 5-2, and the air after cooling is discharge | released to a combustion gas channel | path.
[0004]
In the compressor of the gas turbine described above, the clearance between the moving blade 1-2 and the casing 8 is kept at a predetermined gap to avoid contact at the time of start-up. The clearance also changes due to the thermal elongation of the gas, reaches the minimum clearance on the way, and gradually increases during steady operation. When the clearance during the steady operation becomes too large, the performance of the compressor is reduced.
[0005]
FIG. 9 is a cross-sectional view of an aircraft engine, which employs a structure in which the clearance between the moving blade and the casing is reduced when the engine is started to prevent surging that occurs when the clearance is large. (A) is the sectional drawing, FIG.9 (b) is XX sectional drawing in (a). In the figure, 50 is a casing, 51 is a moving blade, and has a clearance d between the casing 50 and the casing 50. 52 is a disk, 53 is a rotor, and the disk 52 is provided with a plurality of holes 54, 55, 56 through the cavities 57-1, 58-1, 59-1 equally in the circumferential direction. The cavities 57-1 to 59-1 and 57-2 to 59-2 are communicated with each other.
[0006]
The aircraft engine having the above-described configuration has air 60 having an appropriate temperature at the time of startup through the cavities 57-1, 57-2, 58-1, 58-2, 59-1, 59 through the holes 54, 55, 56 as indicated by arrows. -2 is used to warm the rear stage of the disk 52, keeping the clearance between the moving blade 51 and the casing 50 at the start small, and maintaining the performance of the engine at the start.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional gas turbine compressor has a relatively low pressure ratio, and the compressor rear stage has a relatively low temperature. Recently, there is a tendency to increase the pressure ratio. As a result, a high-strength material is adopted, resulting in high costs and a long-life design in terms of strength is becoming difficult.
[0008]
Also, in aircraft engines, there is an example in which air is supplied to the disk to warm up and the clearance at startup is kept small in order to ensure startup performance. The clearance control method for compressors that can be operated with as little clearance as possible during steady state operation is still generally applicable. The current situation is not.
[0009]
Especially in the compressor in the gas turbine plant, since the cooling structure is not adopted, the performance of the compressor affects the efficiency of the entire gas turbine plant when the long life design by reducing the thermal stress by cooling is performed. It is strongly desired to improve the performance of the compressor by keeping the clearance small from the start of the compressor to the steady operation.
[0010]
Therefore, in the present invention, the cooling blade is cooled by flowing cooling air through the disk at the rear stage of the compressor, and the clearance is reduced from the start to the steady operation by controlling the air temperature. It is an object of the present invention to provide a clearance control method by cooling an air compressor disk that is operated and supplied to the stationary blades and moving blades of the gas turbine after cooling the disk and used for sealing and cooling. .
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides the following means (1) and ( 2 ) to solve the above-mentioned problems.
[0012]
(1) A part of the discharge air from the compressor is extracted and guided to a cooler, cooled to a predetermined temperature, and then circulated into a cavity at the rear stage of the rotor disk of the same compressor to cool the disk, and the rotor blades on the outer periphery of the disk controlling the clearance between the tip and the casing, together with the air after the disc cooling leads to the gas turbine via an intermediate shaft which connects the gas turbine the compressor, and supplies the sealing and moving blade cooling air, the A clearance control method by cooling an air compressor disk, wherein cooling of air by a cooler is performed for a predetermined time from the start of startup .
[0014]
( 2 ) In the invention of the above (1), the clearance between the casing and the moving blade is set in advance so as to be within an allowable value of the minimum clearance generated after startup, and the disk is cooled during startup to cool the disk. A clearance control method by cooling an air compressor disk, wherein an allowable value of a minimum clearance is maintained and a clearance during steady operation is also maintained at a predetermined value.
[0015]
At the rear stage of the disk of the high pressure ratio compressor, the temperature of the discharged air becomes as high as 450 to 500 ° C., and the outer periphery of the disk is rapidly heated at the start-up, resulting in a large temperature difference between the outer periphery and the inner periphery of the disk. Thermal stress increases, and it is necessary to use a high-strength material. In addition, the clearance between the casing and the moving blades at the time of starting is set to be large so that contact at the minimum clearance due to thermal elongation is avoided, and therefore the clearance during steady operation must be large. In (1) of the present invention, air is cooled by a cooler, and the cooled air is allowed to flow through a compressor disk for ventilation to cool the rear stage of the disk. For this reason, the heat on the outer peripheral side of the disk is carried to the inner peripheral side and the disk is cooled, so that the temperature difference between the outer peripheral side and the inner peripheral side of the disk is reduced, and the thermal stress is reduced. If the thermal stress is reduced, it is not necessary to use a high-strength material, which leads to cost reduction.
[0016]
Further, by cooling the second part is a high temperature portion of the disk, suppressing thermal expansion of the disc back stage, the minimum clearance is formed between leading to the steady operation from the start, the air cooled by the cooler between this By cooling and cooling the rear stage of the disc, the minimum clearance is increased, contact is avoided, and the response of elongation to the steady state of the disc is accelerated so that efficient and safe operation can be performed in the unsteady state. become.
[0017]
In ( 2 ) of the present invention, when the rear stage of the disk is cooled by the air cooled by the cooler, the thermal expansion of the disk is suppressed, but the cooling capacity of the cooler is increased and the thermal elongation is reduced particularly at the initial stage of starting when the minimum clearance occurs. In this way, the clearance from the casing side can be preliminarily set to be small by an amount corresponding to the decrease in the thermal elongation. Thus, even if the initial clearance is set small, contact at the minimum clearance can be avoided and the clearance can be kept small even during steady operation.
[0018]
In the present invention, the air that has further cooled the disk can be sent to the gas turbine side and used as the sealing air for the gas turbine and the air for cooling the rotor blades, so that the air that has cooled the compressor can be used effectively.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 1 is a system diagram of a gas turbine to which a clearance control method by cooling an air compressor disk according to the present invention is applied. In the figure, 1 is a compressor and 2 is a disk of the compressor 1. A combustor 3 combusts air and fuel from the compressor to generate high-temperature combustion gas. Reference numeral 4 denotes a gas turbine, which has a stationary blade / moving blade 5 therein, guides high-temperature combustion gas generated in the combustor 3, rotates a rotor, rotates a generator, and generates power. Reference numeral 6 denotes a cooler, which partially extracts air discharged from the compressor 1 and cools it to a predetermined temperature, sends it to the rear stage side of the compressor 1, ventilates the disk, and cools it.
[0020]
FIG. 2 is a sectional view of a compressor disk to which the clearance control method according to the embodiment of the present invention is applied. In the figure, the disk 2 of the compressor 1 is provided with two cavities 11, 12 three places, 13 three places arranged in the axial direction, and the cavities 11 are provided with holes 22 and 23. The two cavities 11 in the axial direction communicate with each other. Holes 21, 27, and 28 are provided in the cavity 12 and communicate with each other in the axial direction, and communicate with the cavity 11 through holes 24, 25, and 26. Similarly, the cavity 13 communicates with the cavity 12 through the holes 29, 30, and 31, and also communicates with the holes 32 and 33 in the axial direction.
[0021]
In the compressor having the above-described configuration, a part of the air cooled by the cooler 6 enters the compressor 1 and flows out between the moving blades and stationary blades of the subsequent stage, and is supplied as a seal for high-temperature compressed air. , Flows into the holes 22, 23, enters the cavity 11, and enters the cavity 12 through the holes 24, 25, 26. Air also flows into the cavity 12 from the hole 21, flows into the cavity 13, and in the process of flowing through these, the rear stage of the disk 2 is cooled and passes through the holes 33 and 32 to carry the heat on the outer periphery of the disk to the inner periphery. , Flows out to the intermediate shaft portion 34.
[0022]
The air flowing out to the intermediate shaft part 34 passes through the bore part and flows to the gas turbine side, and is supplied as sealing air between the stationary blade 5-1 and the moving blade 5-2 and cooling air for the moving blade 5-2. Is done. Part of the air from the compressor 1 flows into the rotor blade 5-2 from the air separator 7 and is supplied for cooling. The air obtained by cooling the rear stage of the disk 2 of the compressor 1 with this cooling air. Are combined and supplied to the rotor blade 5-2.
[0023]
3A and 3B are views showing a conventional state in which the disk 2 is not cooled. FIG. 3A is a cross-sectional view thereof, and FIG. 3B is a view showing a temperature difference between the outside and the inside of the disk 2. In (a), when the outer side is A and the inner side B, the outer side A has a higher temperature, and the inner side B has a lower heat transfer coefficient, so the temperature is lower. This state is shown in (b). Since the heat transfer coefficient to B is small between A and B, a temperature difference is generated between A and B.
[0024]
4A and 4B are views showing the state of the present invention in which the disk is cooled, wherein FIG. 4A is a cross-sectional view of the disk, and FIG. 4B is a view showing a temperature difference between the outer side and the inner side of the disk 2. In (a), the cooling air 30 is ventilated and cooled through a hole provided in the disk, whereby the heat on the disk outer peripheral side is exchanged inward and the heat transfer coefficient is improved. The temperature difference with B ′ is smaller than that of the conventional disk shown in FIG. This state is shown in (b), and the temperature difference between A ′ and B ′ comes closer to that in FIG. 3 (b).
[0025]
FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of the cooler 6 that cools the air from the compressor shown in FIG. 1. The air temperature on the discharge side of the compressor is about 450 to 500 ° C. Cool to about 200-250 ° C. During the cooling process, during the compressor operation, during the time period T until the clearance between the casing and the moving blades becomes the minimum, the cooler capacity is controlled to be maximized and the temperature is lowered. , The cooling capacity is controlled to be 200 to 250 ° C.
[0026]
FIG. 6 is a diagram showing the radial extension of the rotor blade tip when the cooler is operated with the characteristics described in FIG. 5, with the solid line indicating the casing extension characteristic and the alternate long and short dash line when the cooling air does not flow. The characteristics of elongation of the blade tip, and the dotted line are the characteristics of elongation of the blade tip when cooling air flows. In the case of not cooling (the alternate long and short dash line), the elongation is increased by the action of centrifugal force in the initial stage of operation, and there is a risk of contact unless the clearance with the casing is increased. Cooler and cooled to ON at this time, the feed cooling air according to the characteristics shown in FIG. 6, when cooled by Ride disc to ventilate the disc 2, a characteristic as shown by a dotted line. Therefore, the extension of the blade tip can be suppressed during a period when the clearance between the casing and the blade tip is severe, and as a result, the minimum clearance (MCL) can be maintained.
[0027]
Cooling with a cooler is a method of turning on the cooler and flowing the cooled air while the elongation of the rotor part increases due to centrifugal force from the start of operation, and suppressing the expansion during this time, and then turning it off to turn the rotor side into a steady stretch state There is a method of making the cooler strong during the period when the centrifugal force is applied and increasing the elongation, then cooling the air for a predetermined period of time and then gradually turning it off and gradually turning it to a steady state. .
[0028]
FIG. 7 is a diagram showing the effect when the clearance between the casing and the blade tip is controlled by the method described above. FIG. 7A shows the relationship between the radial extension of the casing and the blade tip, and FIG. Indicates the effect of controlling the clearance. In (a), when there is no cooling of the rotor blade, the extension characteristic of the rotor blade tip reaches the minimum clearance MCL between the casing and the disk by the action of centrifugal force after startup, and then the clearance gradually increases in the steady state. The clearance CL 1 between the casing and the casing becomes stable.
[0029]
When cooling air is passed through the disk and cooling as described with reference to FIG. 6 is performed, the tip of the rotor blade has the characteristics indicated by the dotted line, the response to the steady state is accelerated, and the minimum clearance is increased by δ 1. , MCL + δ 1 , the elongation increases by δ 2 even during steady state, and the clearance during steady operation becomes CL 1 + δ 2 , which is slightly wider. However, the cooling characteristics at this time are controlled so that δ 1 > δ 2 .
[0030]
Therefore, as shown in (b), when the initial set value of the casing is packed by δ 1 and set as indicated by a two-dot chain line, the relationship between the clearance between the casing and the blade tip is indicated by the two-dot chain line and the dotted line in the figure. It becomes the relationship. In such a relationship, when the minimum clearance occurs without cooling, the gap can be filled up to the minimum point that does not contact, the minimum clearance moves like MCL ′, and the clearance in the steady state is CL 1. It changes to CL 2 from.
[0031]
The clearance CL 2 is reduced by (−δ 1 + δ 2 ) from CL 1 in the original state. As a result, the air from the compressor 1 is extracted and cooled by the cooler 6, and the compressor disk 2 By flowing in the latter stage and ventilating and cooling this part, the clearance at the initial stage of starting can be filled by δ 1 , and the clearance during steady operation is (−δ 1 + δ compared to when cooling is not performed). 2 ) can only be made smaller.
[0032]
As described above, the disk is cooled with air, and the clearance at the time of starting and at the time of steady state can be made smaller than before, so that the efficiency is improved. Furthermore, the thermal stress can be reduced because the temperature difference between the outer periphery and the inner periphery of the disk 2 at the time of startup is reduced, lower materials are applicable it is possible to reduce the cost, and can be long-life design Become.
[0033]
【The invention's effect】
The clearance control method by cooling the air compressor disk of the present invention extracts a part of the discharge air of the compressor, guides it to the cooler, cools it to a predetermined temperature, and then distributes it in the cavity at the rear stage of the rotor disk of the compressor The disk is cooled to control the clearance between the rotor blade tip on the outer periphery of the disk and the casing, and the air after cooling the disk is guided to the gas turbine through an intermediate shaft connecting the compressor and the gas turbine for sealing. And cooling blade air is supplied , and air cooling by the cooler is performed for a predetermined time from the start. By such a method, the heat on the outer periphery side of the disk can be carried inward, the metal temperature of the disk can be made uniform, and the thermal stress of the disk can be reduced. Therefore, the design can be performed without using a high-strength material and the cost can be reduced.
[0034]
( 2 ) of the present invention is that the clearance between the casing and the moving blade in the above (1) is set in advance so as to be within an allowable value of the minimum clearance generated after startup, and the disk is cooled at startup. Thus, an allowable value of the minimum clearance is maintained and a clearance during steady operation is also maintained at a predetermined value.
[0035]
In this way, the air cooled by the cooler reduces the thermal stress of the disk and increases the cooling capacity of the cooler to reduce the thermal elongation, especially at the beginning of the start when the minimum clearance occurs. It is possible to set the clearance with the casing side by a predetermined amount so as to be small. Thus, even if the initial clearance is set small, contact at the minimum clearance can be avoided and the clearance can be kept small even during steady operation.
[0036]
Furthermore, in the present invention, the air that has cooled the disk is sent to the gas turbine side and can be used as sealing air for the gas turbine and air for cooling the blades. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram to which a clearance control method by cooling an air compressor disk according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a compressor to which a clearance control method by cooling an air compressor disk according to an embodiment of the present invention is applied.
FIGS. 3A and 3B show a temperature state when the air compressor disk is not cooled; FIG. 3A is a cross-sectional view of the disk, and FIG.
4A and 4B show a temperature state during cooling of the air compressor disk, where FIG. 4A is a cross-sectional view of the disk, and FIG. 4B is a diagram showing a temperature state on the outer side and the inner side of the disk.
FIG. 5 is a diagram showing cooling characteristics of a cooler in a clearance control method by cooling an air compressor disk according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a casing and a moving blade in a clearance control method by cooling an air compressor disk according to an embodiment of the present invention.
7A and 7B show characteristics to which a clearance control method by cooling an air compressor disk according to an embodiment of the present invention is applied, and FIG. The figure which shows the state of (b) is a characteristic view when the clearance before starting of a casing is filled.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional air compressor.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional aircraft engine.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Compressor 2 Disc 3 Combustor 4 Gas turbine 5 Stator blade, moving blade 6 Cooler 11, 12, 13 Cavity 21-33 Hole 30 Cooling air 34 Intermediate shaft part

Claims (2)

圧縮機の吐出空気の一部を抽気してクーラに導き、所定温度に冷却した後同圧縮機のロータディスク後段部のキャビティ内に流通させてディスクを冷却し、ディスク外周の動翼先端とケーシングとのクリアランスを制御し、ディスク冷却後の空気は同圧縮機とガスタービンとを連結する中間軸を介してガスタービンに導き、シール用と動翼冷却用空気として供給すると共に、前記クーラによる空気の冷却は起動開始時から所定の時間だけ行うことを特徴とする空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法。A part of the compressor discharge air is extracted and guided to a cooler, cooled to a predetermined temperature, and then circulated in a cavity at the rear stage of the rotor disk of the same compressor to cool the disk. The air after cooling the disk is guided to the gas turbine through an intermediate shaft connecting the compressor and the gas turbine, and is supplied as sealing air and cooling blade cooling air. The clearance control method by cooling the air compressor disk, wherein the cooling of the air compressor is performed for a predetermined time from the start of startup . 前記ケーシングと動翼とのクリアランスは起動後に生ずる最小クリアランスが許容値以内となるように予めつめて設定しておき、起動時にはディスクを冷却することにより前記最小クリアランスの許容値を保つと共に、定常運転時のクリアランスも所定の値に保つことを特徴とする請求項1記載の空気圧縮機ディスクの冷却によるクリアランス制御方法。 The clearance between the casing and the rotor blades is set in advance so that the minimum clearance generated after startup is within the allowable value, and at the time of startup, the disc is cooled to maintain the allowable value of the minimum clearance, and the steady operation is performed. 2. The clearance control method by cooling the air compressor disk according to claim 1 , wherein the clearance at the time is also maintained at a predetermined value .
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