(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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Ｃ２〜Ｃ６がそれぞれ設けられた複数の半径方向外端部１０ａと、動翼列の回転軸１を間隔を隔てて囲む中空孔１２を有する単一の半径方向内端部１０ｂと、内端部から複数の各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１０ｃとを有する冷却ディスク１０と、内端部の中空孔１２の内面を上流側の主流から抽気した冷却空気６で冷却する冷却構造２０とを備え、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。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、ことを特徴とするターボコンプレッサ。
【請求項２】
前記遮熱コーティングの厚さは、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである、ことを特徴とする請求項１に記載のターボコンプレッサ。
【請求項３】
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、ことを特徴とする請求項１に記載のターボコンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５６８５１５８号公報、「ＣＯＭＰＲＥＳＳＯＲ  ＲＯＴＯＲ  ＣＯＯＬＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  Ａ  ＧＡＳ  ＴＵＲＢＩＮＥ」
【特許文献１】特開２００６−２２８１４号公報、「ブレードのクリアランスの制御」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ターボコンプレッサの運転時間とケース及びディスクの半径方向の変位との関係図である。
【図２】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。
【図３】本発明によるターボコンプレッサの部分モデルである。
【図４】図３の部分モデルにおける温度差を示す図である。
【図５】図３の部分モデルのシミュレーション結果である。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【実施例１】
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
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。
【００３６】
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。
【符号の説明】
【００３７】
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
【図１】
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【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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