JPH11125199A - Clearance control device by cooling air compressor disc - Google Patents
Clearance control device by cooling air compressor discInfo
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- JPH11125199A JPH11125199A JP28982297A JP28982297A JPH11125199A JP H11125199 A JPH11125199 A JP H11125199A JP 28982297 A JP28982297 A JP 28982297A JP 28982297 A JP28982297 A JP 28982297A JP H11125199 A JPH11125199 A JP H11125199A
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Abstract
Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a clearance control method by cooling a disk of an air compressor. This is to reduce the temperature difference from the inner peripheral side and reduce the thermal stress.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art In a gas turbine plant, air from a compressor is guided to a combustor, high-temperature combustion gas generated by burning with fuel is guided to a gas turbine, and the gas turbine is driven and a part of the air is extracted. Then, they are led to the stationary and moving blades of the gas turbine to cool them. FIG. 8 is a general sectional view of such a connection portion between the compressor and the gas turbine. The compressor 1 includes a stationary blade 1-1 fixed to a fixed casing 8 and a rotor-side disk 2. Are attached in the circumferential direction, and are alternately arranged in the axial direction, and discharge the compressed air 40 by rotating the rotor.
【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。[0003] Compressed air 40 from the compressor 1 is led to a combustor (not shown) for combustion, and the combustion gas flows between the stationary blade 5-1 and the moving blade 5-2 of the gas turbine and expands. As a result, the rotor is rotated, and a part of the air 41 is guided from the air separator 7 to the gas turbine side, and the stationary blades 5-1 and 5-1.
The air is supplied as sealing air between the moving blades 5-2, is further guided to the moving blades 5-2, cools the moving blades 5-2, and the cooled air is discharged to the combustion gas passage.
【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。In the above-described gas turbine compressor,
At the time of startup, the clearance between the moving blade 1-2 and the casing 8 keeps a predetermined gap in order to avoid contact, and the clearance changes due to thermal expansion between the moving blade 1-2 and the casing 8 during the operation, The clearance reaches the minimum on the way, and gradually increases during normal operation.
If the clearance during the steady operation becomes too large, the performance of the compressor is reduced.
【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５７−１〜５
９−１と５７−２〜５９−２とはそれぞれ連通させてい
る。FIG. 9 is a sectional view of an aircraft engine.
When starting the engine, the clearance between the rotor blade and the casing is reduced, and a structure that prevents surging when the clearance is large is adopted.
FIG. 9A is a sectional view thereof, and FIG. 9B is a sectional view taken along line XX in FIG. 9A. In the figure, 50 is a casing,
Reference numeral 51 denotes a moving blade, which has a clearance d between itself and the casing 50. 52 is a disk, 53 is a rotor, and a plurality of holes 54,
55 and 56 are cavities 57-1 and 58-1, respectively.
59-1, and each cavity 57-1 to 5-5
9-1 is communicated with 57-2 to 59-2.
【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。[0006] In the aircraft engine having the above configuration, air 60 having an appropriate temperature is supplied to the holes 54, 55, 56 as indicated by arrows at the time of startup.
Through the cavities 57-1, 57-2, 58 respectively
-1, 58-2, 59-1, 59-2 to warm the rear part of the disc 52, keep the clearance between the moving blade 51 and the casing 50 small at the start, and maintain the performance of the engine at the start. doing.
【０００７】[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。As described above, the conventional gas turbine compressor has a relatively low pressure ratio, and the rear stage of the compressor has a relatively low temperature. Although the structure is not particularly adopted, recently, there is a tendency to increase the pressure ratio, and as a result, a high-strength material is adopted, resulting in high cost, and it is becoming difficult to design a long-life product due to its strength.
【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。Further, in an aircraft engine, there is an example in which air is supplied to a disk to warm the air and a clearance at the time of startup is kept small in order to ensure performance at the time of startup. The clearance is controlled during normal operation, the clearance is reduced at startup,
At present, a compressor clearance control method that avoids contact at the time of the minimum clearance on the way and allows operation with the smallest possible clearance during normal operation has not yet been generally applied.
【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。In particular, since a compressor in a gas turbine plant does not employ a cooling structure, the performance of the compressor affects the efficiency of the entire gas turbine plant if a long life design is performed by reducing thermal stress due to cooling. Because
There is a strong demand for improving the performance of the compressor by operating the compressor with a small clearance from the start of the compressor to the steady operation.
【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。Therefore, in the present invention, the cooling blades of the compressor are cooled by flowing cooling air to the disk at the rear stage of the compressor, and the clearance is reduced from startup to steady operation by controlling the air temperature. To provide a clearance control method by cooling an air compressor disk used for sealing and cooling by supplying air after cooling the disk to the stationary blades and moving blades of the gas turbine. It is an issue.
【００１１】[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）乃至（３）の手段を提供する。The present invention provides the following means (1) to (3) to solve the above-mentioned problems.
【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。(1) A part of the air discharged from the compressor is extracted and guided to a cooler, cooled to a predetermined temperature, and then circulated through a cavity in a rear part of a rotor disk of the compressor to cool the disk and to cool the disk. The clearance between the rotor blade tip and the casing is controlled, and the air after disk cooling is guided to the gas turbine via an intermediate shaft connecting the compressor and the gas turbine, and is supplied as sealing air and blade cooling air A clearance control method by cooling an air compressor disk.
【００１３】（２）上記（１）の発明において、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。(2) In the above invention (1), a method of controlling clearance by cooling an air compressor disk, wherein cooling of the air by the cooler is performed only for a predetermined time from the start of startup.
【００１４】（３）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。(3) In the invention of the above (1), the clearance between the casing and the moving blade is preset so as to be within an allowable value of a minimum clearance generated after the start, and the disk is cooled at the start. A clearance control method for cooling the air compressor disk, wherein the allowable value of the minimum clearance is maintained, and the clearance during steady operation is also maintained at a predetermined value.
【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。At the rear stage of the disk of the high pressure ratio compressor, the temperature of the discharged air is as high as 450 to 500 ° C. or more, and at the time of startup, the outer peripheral side of the disk is rapidly heated. The difference is large and the thermal stress is large, and it is necessary to use a high-strength material. In addition, the clearance between the casing and the rotor blades at the time of start-up must be set large to avoid contact at the time of the minimum clearance due to thermal expansion, and therefore, the clearance at the time of steady operation needs to be large. In (1) of the present invention, the air is cooled by a cooler, and the cooled air is passed through a compressor disk for ventilation to cool the rear part of the disk. For this reason, the heat on the outer peripheral side of the disk is transferred to the inner peripheral side to cool the disk, so that the temperature difference between the outer peripheral side and the inner peripheral side of the disk becomes smaller, thereby reducing the thermal stress. If the thermal stress is reduced, it is not necessary to use a high-strength material, which leads to cost reduction.
【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、特に（２）の発明のように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。Further, by cooling the latter part, which is the high temperature part of the disk, the thermal expansion of the latter part of the disk is suppressed, and a minimum clearance is generated from the time of startup to the time of steady operation. During this time, the air cooled by the cooler is flowed to cool the rear part of the disk, thereby increasing the minimum clearance, avoiding contact, and speeding up the response of the disk to the steady state during the unsteady state. Efficient and safe driving can be performed.
【００１７】本発明の（３）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。In the method (3) of the present invention, when the rear part of the disk is cooled by air cooled by the cooler, the thermal expansion of the disk is suppressed. Can be reduced, and the clearance with the casing side can be previously reduced by the reduced thermal expansion.
Thus, even if the initial clearance is set to be small, contact at the time of the minimum clearance can be avoided, and the clearance can be kept small even during steady operation.
【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。According to the present invention, the air after further cooling the disk is sent to the gas turbine side, and can be used as air for sealing the gas turbine and air for cooling the moving blades. Can be.
【００１９】[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。Embodiments of the present invention will be specifically described below 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 of the present invention is applied. In the figure, 1
Denotes a compressor, and 2 denotes a disk of the compressor 1. Reference numeral 3 denotes a combustor, which burns air and fuel from the compressor to generate high-temperature combustion gas. Reference numeral 4 denotes a gas turbine, which has a stationary blade and a moving blade 5 therein, guides high-temperature combustion gas generated in the combustor 3, rotates a rotor to rotate a generator, and generates power. Reference numeral 6 denotes a cooler, which partially bleeds air discharged from the compressor 1 and cools the air to a predetermined temperature, sends the air to the subsequent stage of the compressor 1, ventilates the disk, and cools it.
【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２
２，２３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。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, two cavities 11, three cavities 12, and three cavities 13 are provided in the disk 2 of the compressor 1 in the axial direction, respectively.
2, 23 are provided and communicate with the two cavities 11 in the axial direction. Holes 21, 27, 28 in cavity 12
Are provided and communicate with each other in the axial direction.
Communicate with each other through holes 24, 25 and 26. Similarly, the cavity 13 communicates with the cavity 12 through holes 29, 30, and 31, and also communicates with holes 32 and 33 in the axial direction.
【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。In the compressor having the above structure, a part of the air cooled by the cooler 6 enters the compressor 1, flows out between the moving blades and the stationary blades at the subsequent stage, and supplies the high-temperature compressed air for sealing. At the same time, it flows into the holes 22, 23, enters the cavity 11, and enters the cavity 12 through the holes 24, 25, 26. Air flows into the cavity 12 from the hole 21,
In the process of flowing through the cavities 13, the rear part of the disk 2 is cooled in the course of flowing through the cavities 13, passes through the holes 33 and 32, carries the heat on the outer peripheral side of the disk to the inner peripheral side, and flows out to the intermediate shaft 34.
【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。The air that has flowed out to the intermediate shaft portion 34 passes through the bore portion and flows toward the gas turbine, where air for sealing between the stationary blade 5-1 and the moving blade 5-2 and cooling for the moving blade 5-2 are provided. Supplied as air. A 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 for cooling the rear part of the disk 2 of the compressor 1 is added to the cooling air. Are supplied together to the rotor blade 5-2.
【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。FIGS. 3A and 3B are views showing a conventional state in which the disk 2 is not cooled. FIG. 3A is a sectional view thereof, and FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a temperature difference between the outside and the inside of the circumstance. In (a), when the outside is assumed to be A and the inside B, the temperature of the outside A is higher and the temperature of the inside B is low because the heat transfer coefficient is small.
This state is shown in (b). Since the heat transfer coefficient between B and A is small between A and B, a temperature difference occurs between A and B.
【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。FIGS. 4A and 4B are views showing the state of the present invention in which the disk is cooled, wherein FIG. 4A is a sectional view of the disk, and FIG. 4B is a view showing the temperature difference between the outside and the inside of the disk 2.
In (a), the cooling air 30 is ventilated and cooled through the holes provided in the disk, whereby the heat on the outer peripheral side of the disk is exchanged inward and the heat transfer coefficient is improved. The temperature difference between B 'and the conventional disk shown in FIG. 3 is smaller. This state is shown in FIG. 3B, and the temperature difference between A ′ and B ′ is closer to that in FIG. 3B.
【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。FIG. 5 is a graph showing the characteristics of the cooler 6 for cooling the air from the compressor shown in FIG. 1. The air temperature at the compressor discharge side is about 450 to 500 ° C. It is always cooled to about 200 to 250 ° C. In the cooling process, during the time period T until the clearance between the casing and the rotor blades becomes minimum during the operation of the compressor at the initial stage of cooling, control is performed so that the temperature of the cooler is reduced by maximizing the capacity of the cooler. , The cooling capacity is controlled so as to be 200 to 250 ° C.
【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５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
で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。FIG. 6 is a diagram showing the radial elongation of the blade tip when the cooler is operated with the characteristics described in FIG. 5 above. The solid line indicates the elongation characteristics of the casing, and the dashed line indicates the cooling air flow. The dotted line indicates the elongation characteristics of the moving blade tip when no cooling air is supplied. In the case where the cooling is not performed (dashed line), the elongation increases due to the action of the centrifugal force in the early stage of the operation, and there is a risk of contact unless the clearance with the casing is increased. At this time, the cooler is turned on to perform cooling, the cooling air is sent in accordance with the characteristics shown in FIG. 5, and the disk 2 is cooled by ventilating the disk 2. The characteristic shown by the dotted line is obtained. Accordingly, the extension of the blade tip can be suppressed during a period in which the clearance between the casing and the blade tip is severe, and as a result, the minimum clearance (MCL) can be maintained.
【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ＯＦ
Ｆ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。In the cooling by the cooler, the cooler is turned on while the elongation of the rotor portion is increased by centrifugal force from the start of operation.
A method in which the cooled air is flowed and the elongation during this period is suppressed, and then the rotor is turned OFF and the rotor side is set to a steady elongation state. Cool the air and then OF
Although there is a method of gradually bringing the state into a steady state as F, any suitable method is adopted.
【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Ｃ
Ｌ1 となり安定する。FIG. 7 is a diagram showing the effect of controlling the clearance between the casing and the tip of the moving blade by the method described above. FIG. 7A shows the relationship between the casing and the tip of the moving blade in the radial direction. (B) shows the effect of the clearance control. In (a), when there is no blade cooling, the elongation characteristic of the blade tip reaches the minimum clearance MCL between the casing and the disk by the action of the centrifugal force after startup, and thereafter the clearance gradually increases in a steady state. Clearance C between the casing and
L 1 next stable.
【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。When cooling air is supplied to the disk to perform the cooling as described with reference to FIG. 6, the elongation of the blade tip has a characteristic shown by a dotted line, the response to a steady state is fast, and the minimum clearance is δ 1. spread only, MCL + [delta] 1, and the even elongation spread only [delta] 2 during steady clearance during steady operation CL 1 + [delta] 2, and becomes slightly wider. However, the cooling characteristics at this time are controlled so that δ 1 > δ 2 .
【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。Therefore, as shown in (b), when the initial set value of the casing is set by dashed lines by δ 1 and set as shown by a two-dot chain line, the relationship between the clearance between the casing and the tip of the moving blade becomes two points in the figure. The relationship between the chain line and the dotted line is obtained. In such a relationship, at the time when the minimum clearance occurs without cooling, the gap can be reduced to the minimum point where the gap 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】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。The clearance CL 2 is the original CL 1.
From (−δ 1 + δ 2 ). As a result, the air from the compressor 1 is extracted and cooled by the cooler 6, and the air is ventilated by flowing to the subsequent stage of the compressor disk 2.
By cooling this part, it is possible to pack the starting initial clearance only [delta] 1, further than when the clearance at the time of steady operation is not performed cooling (- [delta 1 +
δ 2 ).
【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るり、長寿命設計が可能とな
る。As described above, the disk is cooled with air,
Efficiency is increased because the clearance between startup and steady can be made smaller than before. Furthermore, the temperature difference between the outer circumference and the inner circumference of the disk 2 at the time of startup is reduced, so that the thermal stress can be reduced, and a low-grade material can be applied to reduce the cost, and a long life design is possible. Becomes
【００３３】[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
することを特徴としている。又、（２）の発明では、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。According to the clearance control method of the present invention, a part of the air discharged from the compressor is extracted to a cooler, cooled to a predetermined temperature, and cooled to a predetermined temperature. Cooling the disk by flowing it through the cavity, controlling the clearance between the rotor blade tip and the casing on the outer periphery of the disk, and air after cooling the disk is passed through an intermediate shaft connecting the compressor and the gas turbine. And supplied as air for sealing and for cooling the moving blades. Further, the invention of (2) is characterized in that cooling of the air by the cooler is performed only for a predetermined time from the start. According to such a method, the heat on the outer peripheral side of the disk can be transferred to the inside, the metal temperature of the disk can be made uniform, and the thermal stress of the disk can be reduced.
【００３４】本発明の（３）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。According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the clearance between the casing and the moving blade is previously set so as to be within an allowable value of a minimum clearance generated after the start, and the disk is set at the time of the start. By cooling, the allowable value of the minimum clearance is maintained, and the clearance during steady operation is also maintained at a predetermined value.
【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。According to such a method, the thermal stress of the disk is reduced by the air cooled by the cooler, and the cooling capacity of the cooler is increased to reduce the thermal elongation, particularly in the initial start-up when the minimum clearance occurs. The clearance from the casing side can be reduced by setting the clearance with the casing in advance by the reduced elongation. Thus, even if the initial clearance is set to be small, contact at the time of the minimum clearance can be avoided, and the clearance can be kept small even during steady operation.
【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。Further, in the present invention, the air having cooled the disk is sent to the gas turbine side, and can be used as the air for sealing the gas turbine and the air for cooling the moving blades. can do.
【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。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.
【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。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.
【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。3A and 3B show the temperature state of the air compressor disk when the disk is not cooled, FIG. 3A is a cross-sectional view of the disk, and FIG.
【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。FIGS. 4A and 4B show a temperature state during cooling of an air compressor disk, wherein FIG. 4A is a cross-sectional view of the disk, and FIG.
【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。FIG. 5 is a diagram illustrating a cooling characteristic of a cooler in a clearance control method by cooling an air compressor disk according to an embodiment of the present invention.
【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。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 one embodiment of the present invention.
【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。FIGS. 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. FIG.
(B) is a characteristic diagram when the clearance before the casing is closed is reduced.
【図８】従来の空気圧縮機の断面図である。FIG. 8 is a sectional view of a conventional air compressor.
【図９】従来の航空機用エンジンの断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional aircraft engine.
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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Compressor 2 Disk 3 Combustor 4 Gas turbine 5 Stator blade / rotor blade 6 Cooler 11, 12, 13 Cavity 21-33 Hole 30 Cooling air 34 Intermediate shaft part
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ // Ｆ０２Ｃ 7/28 Ｆ０２Ｃ 7/28 Ａ ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI // F02C 7/28 F02C 7/28 A
Claims (3)
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。1. A part of air discharged from a compressor is extracted and led to a cooler, cooled to a predetermined temperature, and then circulated through a cavity in a rear part of a rotor disk of the compressor to cool the disk. Control the clearance between the blade tip and the casing, guide the air after cooling the disk to the gas turbine via the intermediate shaft connecting the compressor and the gas turbine, and supply it as sealing and blade cooling air. A clearance control method by cooling an air compressor disk.
時から所定の時間だけ行う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。2. The clearance control method according to claim 1, wherein the cooling of the air by the cooler is performed only for a predetermined time from the start of startup.
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。3. The clearance between the casing and the rotor blades is previously set so that the minimum clearance generated after startup is within an allowable value, and the allowable value of the minimum clearance is set by cooling the disk at the time of startup. 2. The clearance control method according to claim 1, wherein the clearance during normal operation is maintained at a predetermined value.
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