(57)【要約】ロータ中央部（２２）が外側ロータ部ほど早く加熱されないので、始動時にガスタービンロータ（２０）内で過渡熱応力が発生する。このような応力は、この中央部が誘導加熱の可能な装置（４０）を用いて加熱されると緩和される。装置（４０）は、ロータの中央ボア（３２）の表面に設けられた導電体（５０，５２）と、この導電体に隣接する少なくとも１つの磁界生成要素（４２）と、を備える。この導電体は、好ましくは銅から作製された内側スリーブ（５０）と、好ましくは鋼から作製された外側スリーブ（５２）と、を備える。磁界生成要素は、好ましくは内側軸（３０）の内側に配置される管状の支持構造体（４４）の周りに取り付けられた永久磁石または電磁石である。内側軸（３０）とロータ（２０）との間の相対的な回転は、導電体（５０，５２）内で渦電流をもたらし、これによって、ロータ中央部（２２）を加熱させる。ガスタービンエンジンロータ内の過渡熱応力を低減させる関連方法もまた開示される。
2008533366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン内に回転するように取り付けられるロータの中央部を、渦電流で加熱する装置であって、
前記ロータの前記中央部の導電部に隣接する少なくとも１つの磁界生成要素と、
前記磁界生成要素が取り付けられる支持構造体と、
を備え、
前記支持構造体が、前記導電部に対して相対的に回転するように構成および配置されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記磁界生成要素が永久磁石を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記導電部が、前記ロータの残りの部分の材料より高い導電性を有する材料から作製されたスリーブを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記スリーブが、銅を含む材料から作製されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記スリーブが、異なる材料から作製された外側スリーブによって前記ロータの残りの部分に連結されることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記外側スリーブの材料が鋼を含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記支持構造体および前記永久磁石が、前記ロータから独立した軸の内側に配置され、前記軸と同軸に配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記支持構造体が、回転しないことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記支持構造体が、キュリー温度を有する材料から作製され、前記材料が前記装置の所望の停止温度に対応するキュリー温度を有するように選択されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記支持構造体が、フェライトから作製されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記支持構造体をそのキュリー温度を超えて選択的に加熱する手段をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
ガスタービンエンジン内に回転するように取り付けられたロータの中央部を加熱する装置であって、
前記ロータの前記中央部の導電部に隣接して磁界を生成する手段と、
前記ロータの前記導電部に対して前記磁界を移動させる手段であって、これによって渦電流を生成し、前記ロータの前記中央部を加熱する移動手段と、
を備える装置。
【請求項１３】
前記磁界の生成手段が永久磁石を含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記導電部が、前記ロータの残りの部分の導電性より高い導電性を有する材料から作製されたスリーブを備えることを特徴とする請求項１２または１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記スリーブが銅を含む材料から作製されることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記スリーブが、異なる材料から作製された外側スリーブによって前記ロータの残りの部分に連結されることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記外側スリーブの前記材料が鋼を含むことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記磁界の生成手段および前記磁界の移動手段が、前記ロータから独立した軸の中に配置され、前記軸と同軸に配置されることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
前記磁界の生成手段が、回転しない支持構造体に取り付けられ、前記ロータが前記磁界に対して移動されることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
所望の停止温度を提供し、該所望の停止温度と適合するように選定されたキュリー温度を有する材料から作製された支持構造体を含む手段をさらに備えることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
前記支持構造体が、フェライトから作製されることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記支持構造体をそのキュリー温度を超えて選択的に加熱する手段をさらに備えることを特徴とする請求項２０または２１に記載の装置。
【請求項２３】
中央部を有するガスタービンエンジンロータ内の過渡熱応力を低減させる方法であって、
前記ロータの前記中央部の導電部に隣接して移動磁界を生成するステップと、
前記移動磁界によって前記ロータの前記導電部で生成された渦電流を用いて前記導電部を加熱するステップと、
を含む方法。
【請求項２４】
前記エンジンが所望の温度に達したときに前記加熱が終了されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術分野は、一般にガスタービンエンジンのロータに関し、より詳細には内部の過渡熱応力を低減させる装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷えたガスタービンエンジンを始動するとき、ロータの外側部の温度は非常に急速に上昇する。一方、これらロータの中央部の周囲における材料の温度は、概して熱伝導によって緩やかに上昇するにすぎず、この結果、中央部は比較的長い運転時間の後でしか、その最高運転温度に到達しないことになる。その間、ロータの内部の温度勾配により熱応力が生成される。これら過渡熱応力により、ロータのいくつかの最も影響を受ける領域をより厚く、またはより大きく設計することが必要となる。材料の選択やロータの耐用年数もまた、これらの応力によって影響を受けることがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
概して、ガスタービンエンジンのロータ内の過渡熱応力を低減させることが非常に望ましい。というのは、このような低減が、耐用年数、および／または重量、サイズもしくは形状などロータの物理特性に肯定的な影響を与えるからである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
ガスタービンエンジンのロータ内の過渡熱応力は、ロータの中央部が渦電流を用いて加熱されると緩和される可能性がある。これらの渦電流は熱を生成し、この熱は次いで外向きに広がる。この加熱によりロータの内側で過渡熱応力が低くなる。
【０００５】
１つの態様では、本発明は、ロータの中央部を渦電流で加熱する装置を提供し、ロータはガスタービンエンジン内で回転するように取り付けられ、この装置は、ロータの中央部の導電部に隣接する少なくとも１つの磁界生成要素と、この磁界生成要素が取り付けられる支持構造体と、を備え、この支持構造体は導電部に対して相対的に回転するように構成および配置される。
【０００６】
第２の態様では、本発明は、ガスタービンエンジン内で回転するように取り付けられたロータの中央部を加熱する装置を提供し、この装置は、ロータの中央部の導電部に隣接して磁界を生成する手段と、このロータの導電部に対して磁界を移動させ、内部に渦電流を生成しロータの中央部を加熱する手段と、を備える。
【０００７】
第３の態様では、本発明は、中央部を有するガスタービンエンジンロータ内の過渡熱応力を低減させる方法を提供し、この方法は、ロータの中央部の導電部に隣接して移動磁界を生成するステップと、この移動磁界によってロータの導電部内で生成された渦電流を用いて導電部を加熱するステップと、を含む。
【０００８】
本発明のそれらおよび他の態様のさらなる詳細は、以下に含まれる詳細説明および図から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、亜音速飛行で使用するために設けられることが好ましいタイプのガスタービンエンジン１０の例の概略図であり、一般に、直列に流体連通し、周囲空気が推進されるファン１２と、この空気を加圧する多段コンプレッサ１４と、高温燃焼ガスの流れを生成するためにこの圧縮空気が燃料と混合され点火される燃焼器１６と、この燃焼ガスからエネルギを抽出するタービン部１８と、を備える。この図は、ロータを用いることができる環境の例を示すだけのものである。
【００１０】
図２は、ガスタービンエンジンロータ２０の例、具体的には多段コンプレッサ１４で用いられるインペラの半分の例を概略的に示す。ロータ２０は、符号２２で全体的に識別される中央部と、符号２４で全体的に識別される外側部と、を備える。外側部２４は複数のインペラブレード２６を支持する。これらのブレード２６は、ロータ２０が高回転速度で回転するときに空気を圧縮するために用いられる。ロータ２０は、主軸（図示せず）と共に回転するように取り付けられる。例示の実施例では、主軸は内部キャビティを有し、この内部キャビティ内に、内側軸３０と称される第２の軸が同軸に取り付けられる。典型的には、この構成は、高圧コンプレッサおよび低圧コンプレッサを有するガスタービンエンジンで用いられる。両軸は、機械的に独立しており、通常異なる回転速度で回転する。内側軸３０は、ロータ２０の中央部２２に設けられた中央ボア３２を通って延びる。
【００１１】
符号４０と全体的に称される装置が、渦電流を用いてロータ２０の中央部２２を加熱するために設けられている。渦電流は、中央部２２の導電体の表面を横切る移動磁界によって誘導される電流である。導電体は中央ボア３２の表面に設けられることが好ましい。装置４０はこの導電体部に隣接する少なくとも１つの磁界生成要素を備える。
【００１２】
図２〜図４は、磁界生成要素として好ましくは１組の永久磁石４２が設けられ、さらに好ましくは永久磁石４個が設けられた装置４０を示す。これらの磁石４２は、例えばサマリウムコバルトから作製される。これらの磁石は支持構造体４４の周りに取り付けられ、内側軸３０の内側に配置されることが好ましい。フェライトが、支持構造体４４の可能な１つの材料である。支持構造体４４は、管状であることが好ましく、磁石４２はこの上にはめ合うように形成される。磁石４２および支持構造体４４は、内側軸３０の内側に締まりばめで取り付けられることが好ましい。磁石４２および支持構造体４４の位置は、組み立てられた後で、磁石４２がロータ２０の導電体部に可能な限り近づいているように選択される。
【００１３】
１組の磁石４２および支持構造体４４が内側軸３０に取り付けられ、内側軸３０がロータ２０に対して異なる速度で一般に回転するので、磁石４２は移動磁界を生成する。次いで、この磁界は、内側軸３０が透磁性材料製であるならば、ロータ２０の中央部の導電体部とともに磁気回路を生成する。
【００１４】
同様に、移動しない支持構造体上に、ロータ２０に隣接して磁石４２を設けると、相対的に回転し、移動磁界が生成される。
【００１５】
ロータ２０の中央部２２の導電体部は、例えばロータ２０が導電性の良好な材料から作製された場合、中央ボア３２自体の表面であってもよい。そうでない場合、またはロータ２０の材料内で渦電流の生成が最適ではない場合、異なる材料から作製されたスリーブまたはカートリッジを中央ボア３２の内側に追加することができる。例示の実施形態では、装置４０は、２個のスリーブ５０，５２から作製されたカートリッジを備える。内側スリーブ５０は銅または他の任意の非常に良好な導電体から作製されることが好ましい。好ましくは鋼または同様の特性を有する任意の材料から作製された外側スリーブ５２が、磁路を改善し、内側スリーブ５０を保持するために設けられる。この対のスリーブ５０，５２は、スリーブ５０，５２と加熱されるべきボアとの間で良好な熱接触をもたらすために、中央ボア３２の内側に締まりばめで取り付けることも、他の方法で取り付けることもできる。
【００１６】
使用時には、図２のロータ２０は非常に高速度で回転され、空気はブレード２６によって圧縮される。この圧縮により熱が生成され、この熱はブレード２６、次いでロータ２０の外側部２４に伝達される。同時に、両者が異なる回転速度で一般に回転するのでロータ２０と内側軸３０との間に相対的な回転が生じる。これにより、ロータ２０に取り付けられた内側スリーブ５０に移動磁界が生成され、渦電流を誘導する。したがって、材料は加熱され、熱は、伝導を介して外側スリーブ５２および外側部２４自体に伝達される。
【００１７】
理解することができるように、内側からロータ２０を加熱することにより、ガスタービンエンジン１０の暖機運転中に経験される過渡熱応力が緩和されることになる。ロータ２０に対する応力がより小さくなるので、より軽量に、または他の方法でより効率的にするために、その設計の変更が可能である。
【００１８】
上述のように、フェライトが、支持構造体４４の可能な１つの材料である。フェライトは、キュリー点を有する材料である。キュリー点を有する材料は、「キュリー温度」と呼ばれる温度を超えて加熱されると磁気特性を失う。この特徴は、ロータ２０の内側部２２が最高運転温度に到達した後で装置４０による熱生成を減少させるために用いられる。したがって、支持構造体４４は、キュリー点を有するフェライトまたは任意の他の材料が用いられたときに、渦電流を減少させるように加熱させることができる。フェライトのキュリー点を制御するための熱は、ガスタービンエンジン１０のより高温の部分から来る高温空気６０の流れを用いて生成され、内側軸３０の内側に向けて送られることが好ましい。ブリード弁６２または同様の装置が、所望ならば支持構造体４４を選択的に加熱するために用いられてもよい。しかし、ガスタービンエンジン１０が離陸速度に加速されたときに、軸区域内の空気はエンジン速度の増加により本質的に加熱され、したがって支持構造体４４は自動的に加熱され、それゆえ弁も制御部も必要とはされない。エンジンによるこの本質的な加熱は、離陸するためにエンジン１０が加速されるにつれて、渦電流の加熱効果を著しく低減させる。したがって、この装置は、好ましいことに、始動後や、離陸前の暖機運転中などの仕事をするために十分なエンジンの高温空気がないときに、所望の対象を加熱するだけである。この用途での渦電流加熱は、もし磁界が常に完全に「オン」のままであるならば、この加熱効果が速度増加につれて拡大され、加熱がより早い速度では必要とされないので、使用に適さなくなるであろう。したがって、本発明の本質的な温度自動調節機能により、提示されている加熱概念がうまく運ぶ。
【００１９】
上記の説明はただ例示的であることが意図され、当業者なら、開示されている本発明の範囲から逸脱することなく、説明されている実施形態に変更を加えることができることを理解するであろう。例えば、装置は、タービンロータを含めて、添付図に示したロータと異なる種類のロータとともに用いることができる。これら磁石は、示したものとは異なる数または異なる構成で設けることができる。電磁石の使用もまた可能である。磁石は、内側の代わりに内側軸３０の上に取り付けることができる。渦電流加熱を引き起こすように相対的な移動をもたらす任意の構成を用いることができる。例えば、これらの磁石は回転軸上にある必要はない。フェライト以外の材料が支持構造体４４に可能である。セマリウムコバルト以外の材料が磁石４２に可能である。本発明の請求の範囲の中に含まれるさらなる他の変更が、本開示の説明に照らして当業者には明らかであり、これら変更は、添付の特許請求の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明を用いることができる一般的な環境の例を示すための一般的なガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態による渦電流加熱器を有するガスタービンエンジンロータの実施例の切開斜視図である。
【図３】図２に示すロータおよび加熱器の半径方向断面図である。
【図４】図２および図３に示す加熱器の分解図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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