(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項２】
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。
【発明の詳細な説明】
【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）、（２）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】
（２）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（２）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６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（２）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
【図１】
0003758835.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003758835.tif 000008
【図８】
0003758835.tif 000009
【図９】
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