(57)【要約】【課題】ターボ機械内のロータディスクを加熱するためのシステムを提供すること。【解決手段】システムは、ターボ機械を含む。ターボ機械は、少なくとも１つのロータディスクを含む。システムはまた、少なくとも１つのロータディスクの一部分に加えられる電流または電圧によって、少なくとも１つのロータディスクの少なくとも一部分を抵抗で加熱するように構成されたロータディスク加熱システムを含む。ロータディスク加熱システムは、抵抗型ネットワークを備えることができ、抵抗型ネットワークは、多層加熱材料を備え、電流または電圧によってロータディスクの少なくとも一部分を抵抗で加熱するように構成される回転機械を備えることもできる。【選択図】図１
2013224660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのロータディスクと、
前記少なくとも１つのロータディスクの一部分に加えられる電流または電圧によって、前記少なくとも１つのロータディスクの少なくとも一部分を抵抗で加熱するように構成されたロータディスク加熱システムと
を備えるターボ機械を備えるシステム。
【請求項２】
前記ロータディスク加熱システムが、前記少なくとも１つのロータディスクの部分間で加熱を変えるように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記ロータディスク加熱システムが、前記少なくとも１つのロータディスク上に配設された抵抗型ネットワークを備え、前記抵抗型ネットワークの部分が多層加熱材料を備え、前記抵抗型ネットワークが前記電流または電圧を前記少なくとも１つのロータディスクに加えるように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのロータディスクが、内周および外周を有する環状表面と、前記環状表面内の溝とを備え、前記抵抗型ネットワークが前記環状表面下の前記溝の中に配設される、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記多層加熱材料が、熱伝導率を有する少なくとも１つの誘電体層と抵抗型加熱層とを備え、前記誘電体層が各溝の表面上に配設され、前記抵抗型加熱層が前記誘電体層上に配設される、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記抵抗型ネットワークが、前記多層加熱材料を有する複数の同心円と、前記内周から前記複数の同心円を横切って前記環状表面の前記外周に向かって径方向に延びる複数の径方向の導体とを備える、請求項３記載のシステム。
【請求項７】
前記複数の同心円どうしの間の径方向の間隔が変化して、前記少なくとも１つのロータディスクの均一な加熱がもたらされる、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つのロータディスクが環状表面を備え、前記ロータディスク加熱システムが、前記環状表面の少なくとも一部分の上に連続的に配設された、熱伝導率を有する第１の誘電体層を備える、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記第１の誘電体層がダイヤモンド粉末を含む、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記ロータディスク加熱システムが、前記第１の誘電体層上に連続的に配設された抵抗型加熱層を備える、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのロータディスクが休止している間に前記少なくとも１つのロータディスクを加熱するための電力を供給するために、前記ロータディスク加熱システムが、前記少なくとも１つのロータディスクに結合されたソケットと、前記ソケットに結合するように構成された着脱可能なプローブとを備える、請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
ロータディスク加熱制御システムが、少なくとも１つのセンサと、前記少なくとも１つのセンサからのフィードバックに基づいて前記少なくとも１つのロータディスクに加えられる電流または電圧を制御するように構成された制御器とを備える、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
前記ターボ機械が、前記少なくとも１つのロータディスクを有する圧縮機またはタービンを備える、請求項１記載のシステム。
【請求項１４】
内周および外周を有する環状表面と、前記環状表面内の溝とを備える少なくとも１つのロータディスクと、
前記環状表面下の前記溝の中に配設された抵抗型ネットワークを備えるロータディスク加熱システムと
を備え、前記抵抗型ネットワークの部分が多層加熱材料を備え、前記抵抗型ネットワークが、電流または電圧によって前記少なくとも１つのロータディスクの少なくとも一部分を抵抗で加熱するように構成される回転機械を備える、システム。
【請求項１５】
前記抵抗型ネットワークが、前記多層加熱材料を有する複数の同心円と、前記内周から前記複数の同心円を横切って前記環状表面の前記外周に向かって径方向に延びる複数の径方向の導体とを備える、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記多層加熱材料が、熱伝導率を有する少なくとも１つの誘電体層と抵抗型加熱層とを備え、前記誘電体層が各溝の表面上に配設され、前記抵抗型加熱層が前記誘電体層上に配設される、請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
環状表面を備える少なくとも１つのロータディスクと、
前記少なくとも１つのロータディスクの一部分に加えられる電流または電圧によって前記少なくとも１つのロータディスクの少なくとも一部分を抵抗で加熱するように構成されたロータディスク加熱システムと
を備え、前記ロータディスク加熱システムが、前記少なくとも１つのロータディスクの前記環状表面上に配設された多層加熱材料を備える回転機械を備える、システム。
【請求項１８】
前記多層加熱材料が、前記環状表面に沿って連続的な層を形成する、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記多層加熱材料が前記環状表面に沿って配設された複数の個別のセクションを備え、個別のセクションのそれぞれに個々に加えられる前記電流または電圧を変えることが可能になる、請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記多層加熱材料が、前記環状表面の少なくとも１つの環状部分の上に配設された、熱伝導率を有する誘電体層と、第１の誘電体層上に配設された抵抗型加熱層とを備える、請求項１７記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題は、圧縮機およびガスタービンなど、様々な種類のターボ機械内のロータディスクを加熱するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機およびタービンなど（たとえば、ガスタービン、蒸気タービンなど）、ターボ機械または回転システムは、一般に、システムの動作中に軸周りに回転するロータ部分を含み得る。たとえば、ガスタービンの圧縮機において、ロータ部分は、シャフト周りに配設されたいくつかのブレードを含み得る。ガスタービンの圧縮機の動作中にこのシャフトが回転して、取り付けられたブレードを回転させる。しかしながら、ガスタービンの圧縮機内に存在する温度は、高くなる（たとえば、約４２６℃を上回る）可能性がある。詳細には、過渡的な事象（たとえば、ガスタービンのコールドスタート）の間、圧縮機のロータディスクの部分（たとえば、径方向の外側部分）が、流路の空気（たとえば、圧縮空気）によって加熱される一方で、ロータディスクの他の部分は加熱をそれほど受けない可能性がある。このことが、ロータディスクの径方向断面に沿って変化する温度プロファイルをもたらして、ディスクの寿命に悪影響を及ぼす高応力状態をもたらす可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０３１６７４８号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
当初から請求される本発明の範囲に対応するいくつかの実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求される本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、むしろ、これらの実施形態は、単に、本発明の可能な形態の概要を提供することを意図している。実際、本発明は、以下に説明する実施形態と類似するかまたは異なる多様な形態を包含し得る。
【０００５】
第１の実施形態によれば、システムはターボ機械を含む。ターボ機械は、少なくとも１つのロータディスクを含む。システムはまた、少なくとも１つのロータディスクの一部分に加えられる電流または電圧によって、少なくとも１つのロータディスクの少なくとも一部分を抵抗で加熱するように構成されたロータディスク加熱システムを含む。
【０００６】
第２の実施形態によれば、システムは回転機械を含む。回転機械は、少なくとも１つのロータディスクを含む。少なくとも１つのロータディスクは、内周および外周を有する環状表面と、環状表面内の溝とを含む。システムはまた、環状表面下の溝の中に配設された抵抗型ネットワークを含むロータディスク加熱システムを含む。抵抗型ネットワークの部分は、多層加熱材料を含む。抵抗型ネットワークは、電流または電圧によって少なくとも１つのロータディスクの少なくとも一部分を抵抗で加熱するように構成される。
【０００７】
第３の実施形態によれば、システムは回転機械を含む。回転機械は、少なくとも１つのロータディスクを含む。少なくとも１つのロータディスクは、環状表面を含む。システムはまた、少なくとも１つのロータディスクの一部分に加えられる電流または電圧によって、少なくとも１つのロータの少なくとも一部分を抵抗で加熱するように構成されたロータディスク加熱システムを含み、ロータディスク加熱システムは、少なくとも１つのロータの環状表面上に配設された多層加熱材料を含む。
【０００８】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照しながら読めばより良く理解されよう。図面を通して、同じ記号は同じ部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ロータディスク加熱システムを有する圧縮機およびタービンを含むターボ機械システム（たとえば、ガスタービンシステム）の一実施形態の断面側面図である。
【図２】制御器および電源を含むロータディスク加熱システムを有する回転機械の一実施形態の概略ブロック図である。
【図３】ロータディスク加熱システム（たとえば、スパイダーウェブ（ｓｐｉｄｅｒ  ｗｅｂ））を有するロータディスクの一実施形態の部分側面図である。
【図４】ロータディスク加熱システム（たとえば、格子）を有するロータディスクの一実施形態の部分側面図である。
【図５】溝の中に配設された多層加熱材料を含むロータディスク加熱システムを有するロータディスクの一実施形態の、図３および図４の線５−５で示す側方断面図である。
【図６】溝の１つの中に配設された多層加熱材料の一実施形態の、図５の線６−６内で取られた詳細な側方断面図である。
【図７】環状表面上に配設されたロータディスク加熱システムを有するロータディスクの一実施形態の部分側面図および部分側方図である。
【図８】環状表面上に配設されたロータディスク加熱システムを有するロータディスクの一実施形態の部分側方図である。
【図９】環状表面上に配設された多層加熱材料の一実施形態の、図８の線９−９内で取られた詳細な側方図である。
【図１０】環状表面上に配設された、（たとえば、セグメント化された）多層加熱材料の一実施形態の、図８の線９−９内で取られた詳細な側方図である。
【図１１】ロータディスク加熱システムのための電力を供給するために回転機械のケーシング内に挿入された着脱可能なプローブの一実施形態の概略図である。
【図１２】ロータディスク加熱システムのための電力を供給する着脱可能なプローブおよびソケットの一実施形態の、図１１の線１２−１２内で取られた詳細な概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供するために、実際の実施態様のすべての特徴が、明細書の中で説明されるわけではない。任意のエンジニアリングまたは設計のプロジェクトにおけるように、いずれかのそのような実際の実施態様の開発において、実施態様毎に変化し得る、システム関連および業務関連の制約への順守など、開発者固有の目的を達成するために、多数の実施態様固有の決定がなされなければならないことを諒解されたい。その上、そのような開発努力は、複雑であり、時間がかかるとはいえ、本開示の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、製作および製造の定常的業務であろうことを諒解されたい。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を紹介するとき、「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「ｓａｉｄ」という冠詞は、１つまたは複数の要素が存在することを意味することが意図されている。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であることが意図されており、列挙された要素以外に追加の要素が存在する可能性があることを意味する。
【００１２】
本開示は、ターボ機械（たとえば、ガスタービンシステム）の回転機械（たとえば、圧縮機またはタービン）のロータディスクを加熱するためのシステムを対象とする。過渡的な事象（たとえば、ガスタービンのコールドスタート）の間、ロータディスクの部分（たとえば、径方向の外側部分）が、流路の空気（たとえば、圧縮空気）によって加熱される一方で、ロータディスクの他の部分は加熱をそれほど受けず、結果としてロータディスクの径方向断面に沿って変化する温度プロファイルをもたらす可能性がある．この変化する温度プロファイルに対処するために、ロータディスク加熱システムは、電流または電圧によって１つまたは複数のロータディスクの少なくとも一部分を抵抗で加熱する。電流または電圧が、ロータディスクの環状表面上の溝の中に配設された多層加熱材料を有する抵抗型ネットワーク（たとえば、スパイダーウェブまたは格子状に形成された）に加えられ得る。代わりに、電流または電圧が、ロータディスクの環状表面の少なくとも環状部分の上に連続的に配設された多層加熱材料に加えられ得る。多層加熱材料は、溝の表面上または環状表面上に直接配設された、高い熱伝導率を有する誘電体層（たとえば、ダイヤモンド粉末）と、続いて誘電体層上に配設された抵抗型加熱層とを含み得る。ロータディスク加熱システムは、ロータディスクの部分間で加熱を変えることができ、ロータディスクの均一な加熱が確保される。いくつかの実施形態では、ロータディスク加熱制御システムは、センサからのフィードバックに基づいてロータディスクに加えられる電流または電圧を制御するための制御器を含み得る。いくつかの実施形態では、ディスクを加熱するための電力を供給するために、着脱可能なプローブが、１つまたは複数のロータディスクに結合されたソケットに結合し得る。ロータディスク加熱システムは、ロータディスクに対する可変温度補正を可能にして、ロータディスクの繰返し寿命を改善する。加えて、ロータディスク加熱システムは、ターボ機械内で（たとえば、始動中に）ブレード先端のクリアランスの制御を可能にする。
【００１３】
次に図面を参照すると、図１は、ロータディスク加熱システムを有するターボ機械システム１０（たとえば、ガスタービンシステム）の一実施形態を示す。以下に詳細に説明するロータディスク加熱システムは、１つまたは複数のロータディスク１２の少なくとも一部分を抵抗で加熱することができ、ロータディスク１２の繰返し寿命を改善し、ターボ機械システム１０内のブレード先端のクリアランスを制御する。詳細には、ロータディスク加熱システムによって、可変温度補正が可能になり、ロータディスク１２の環状表面にわたって均一な加熱が確保される。システム１０は、圧縮機１４（たとえば、回転機械）と、燃料ノズル１８を有する燃焼器１６と、タービン２０（たとえば、回転機械）とを含む。燃料ノズル１８は、液体燃料および／または、天然ガスもしくは合成ガスなどのガス燃料を、燃焼器１６内にルーティングする。燃焼器１６は、燃料−空気混合物を点火して燃焼させ、次いで、高温の加圧された燃焼ガス（たとえば、排気）をタービン２０内に送る。タービンブレード２４は、図示のように、シャフト２６に回転可能に取り付けられたロータディスク１２に結合され、シャフトはまた、ターボ機械システム１０を全体を通していくつかの他の構成要素に結合される。燃焼ガスが、タービン２０内のタービンブレード２４を通過するときに、タービン２０が駆動されて回転し、そのことが、シャフト２６に回転軸２８周りの回転をもたらす。最終的に、燃焼ガスは、排気出口３０を経てタービン２０を出る。
【００１４】
図示の実施形態では、圧縮機１４は、圧縮機ブレード３２を含む。圧縮機１４内の圧縮機ブレード３２は、ロータディスク１２に結合され、圧縮機１４のロータディスク１２（シャフトを形成する）がタービン２０によって駆動されて回転するのにつれて、回転する。圧縮機ブレード３２が圧縮機１４内で回転するのにつれて、ブレード３２は、吸気口３４からの空気を圧縮して加圧空気にし、加圧空気は、燃焼器１６と、燃料ノズル１８と、ターボ機械システム１０の他の部分とにルーティングされ得る。次いで、燃料ノズル１８は、加圧空気と燃料とを混合することができ、燃焼器１６内で燃焼して燃焼ガスを生成し、タービン２０を駆動するのに適切な燃料−空気混合物を生み出す。さらに、シャフト２６は、シャフト２６の回転によって動力供給される負荷に結合され得る。例として、負荷は、発電プラントまたは外部の機械的負荷など、ターボ機械システム１０の回転出力によって動力を生成し得る、任意の適切な装置であってよい。たとえば、負荷は、発電機、航空機のプロペラなどを含み得る。以下の説明では、軸方向または軸方向軸３８、径方向または径方向軸４０、および周方向または周方向軸４２など、様々な方向に対して参照がなされる。軸方向３８は、一般に、回転軸２８に沿って配向される。
【００１５】
図２は、制御器４６および電源４８を含むロータディスク加熱システム４４を有する回転機械４２（たとえば、圧縮機１４またはタービン２０）の一実施形態の概略ブロック図である。上述のように、回転機械４２は、ロータディスク１２を含む。ロータディスク加熱システム４４は、１つまたは複数のロータディスク１２に結合されたロータディスク加熱装置５０を含む。以下でより詳細に説明するように、ロータディスク加熱装置５０は、加熱のために電流または電圧を加えるために、ロータディスク１２の１つまたは複数の上に配設された抵抗型ネットワークを含み得る。抵抗型ネットワークは、多層加熱材料を含む。いくつかの実施形態では、抵抗型ネットワークは、１つまたは複数のロータディスク１２の環状表面内の溝の中に配設され得る。代わりに、以下でより詳細に説明するように、ロータディスク加熱装置５０は、１つまたは複数のロータディスク１２の環状表面に沿って（たとえば、連続的に）配設された多層加熱材料を含み得る。いくつかの実施形態では、多層加熱材料の連続的な層が、個別のセクションに分割されてよく、個別のセクションのそれぞれに個々に加えられる電流または電圧を変えることが可能になる。
【００１６】
以下でより詳細に説明するように、多層加熱材料は、１つまたは複数のロータディスク１２の環状表面上または溝の表面上に配設された、高い熱伝導率を有する第１の誘電体層（たとえば、ダイヤモンド粉末）を含む。加えて、多層加熱材料は、第１の誘電体層上に配設された抵抗型加熱層を含む。さらに、多層加熱材料は、環境保護および／または絶縁のために抵抗型加熱層上に配設された低い熱伝導率を有する第２の誘電体層（たとえば、セラミックブランケットまたは環境障壁コーティングなどの熱障壁コーティング（ＴＢＣ））を含み得る。
【００１７】
ロータディスク加熱システム４４は、少なくとも１つのロータディスク１２の一部分に加えられる電流または電圧によって、少なくとも１つのロータディスク１２の少なくとも一部分を加熱するように構成される。詳細には、電源４８が、１つまたは複数のロータディスク１２に結合されたロータディスク加熱装置５０に電力を供給する。いくつかの実施形態では、電源４８のための電力が、回転機械４２の内部で作成され得る。たとえば、ロータシャフト２６またはロータディスク１２は交流発電機として働くことができ、磁力を発生して電力を発生する。このことで、回転機械４２が動作している（たとえば、ロータディスク１２が回転している）間に、電力をロータディスク加熱装置５０に供給することが可能になる。いくつかの実施形態では、電源４８からの電力が、回転機械４２の外部から１つまたは複数のロータディスク１２にルーティングされ得る。たとえば、電源４８からのリード線が、スリップリングおよび／またはブラシ装置を使用して、シャフト２６に沿って１つまたは複数のロータディスク１２にルーティングされ得る。このことで、同じく、回転機械４２が動作している（たとえば、ロータディスク１２が回転している）間に、電力をロータディスク加熱装置５０に供給することが可能になる。他の実施形態では、電源４８は、回転機械４２のロータディスク１２が休止している間（たとえば、コールドスタート事象の前）に、１つまたは複数のロータディスク１２を加熱するための電力を供給するために、ポート（たとえば、ボロスコープポート）を介して回転機械４２のケーシングの中に入り得る、着脱可能（および／または格納可能）なプローブ（図１１および図１２参照）であってよい。
【００１８】
電源４８は、制御器４６で制御される。詳細には、制御器４６は、１つまたは複数のロータディスク１２に加えられる電流または電圧を制御する。いくつかの実施形態では、制御器４６は、１つまたは複数のロータディスク１２のためのロータディスク加熱装置５０に関連する１つまたは複数のセンサ５２（たとえば、熱電対）からのフィードバックに基づいて、加えられる電流または電圧を制御し得る。いくつかの実施形態では、制御器４６は、着脱可能なプローブの中に統合され得る。たとえば、制御器４６は、センサ５２からの直接フィードバックに基づいて加えられる電流または電圧を監視し、制御することができる。代わりに、制御器４６は、電流、電圧もしくは抵抗の感知を使用するモデルベース手法を利用することができ、ロータディスク加熱装置５０に供給する温度および／または電流もしくは電圧を制御する。加えて、ロータディスク加熱システム４４は、ロータディスク１２の部分間で、加熱を変え得る。この加熱は、制御器４６、および／またはロータディスク加熱装置５０の設計（たとえば、セグメント化されたセクションまたは径方向の間隔）によって変えられ得る。可変温度補正によって、１つまたは複数のロータディスク１２の均一な加熱が可能になり、ロータディスク１２の繰返し寿命が伸びる。加えて、ロータディスク加熱システムは、回転機械内で（たとえば、始動中に）ブレード先端のクリアランスの制御を可能にする。
【００１９】
図３は、ロータディスク加熱システム４４（たとえば、スパイダーウェブ）を有するロータディスク１２の一実施形態の部分側面図である。ロータディスク１２は、外周５３と、内周５４と、外周５３と内周５４との間に配設された環状表面５６とを含む。外周５３、内周５４、および環状表面５６は、回転軸２８周りを周方向４２に３６０度延びる。ロータディスク１２はまた、タービンブレード２４または圧縮機ブレード３２をロータディスク１２に取り付けるための蟻継ぎ（ｄｏｖｅｔａｉｌ）領域５８を含む。いくつかの実施形態では、ロータディスク１２は、ロータディスク１２どうしを結合するためのボルト締め領域６０を含み得る。ロータディスク１２はまた、メインボディ領域６２およびボア領域６４を含む。環状表面５６のメインボディ領域６２および／またはボア領域６４は、ロータブレード加熱システム４４によって、ロータディスク加熱装置５０を介して抵抗で加熱され得る。ロータディスク加熱装置５０は、メインボディ領域６２の環状表面５６に沿って配設された抵抗型ネットワーク６８を含む。いくつかの実施形態では、抵抗型ネットワーク６８は、環状表面５６下の、環状表面５６内にエッチングされた溝の中に配設され得る（図５および図６参照）。抵抗型ネットワーク６８は、低電圧で高電流の電気信号をロータディスク１２に加えて、メインボディ領域６２を加熱する。以下でより詳細に説明するように、抵抗型ネットワーク６８は、多層加熱材料を含む（図５参照）。多層加熱材料は、環状表面５６の上または溝（図５参照）の中に配設された高い熱伝導率を有する第１の誘電体層（たとえば、ダイヤモンド粉末）と、第１の誘電体層上に配設された抵抗型加熱層とを含む。いくつかの実施形態では、多層加熱材料は、環境保護および／または絶縁のために抵抗型加熱層上に配設された、第１の誘電体層に対して低い熱伝導率を有する第２の誘電体層（たとえば、セラミックブランケットまたは環境障壁コーティングなどの熱障壁コーティング（ＴＢＣ））を含み得る。
【００２０】
図示のように、抵抗型ネットワーク６８は、スパイダーウェブ設計を含む。他の実施形態では、抵抗型ネットワーク６８は、小さい正方形の格子（図４参照）または任意の他の形状で配列され得る。図示のように、抵抗型ネットワーク６８は、多層加熱材料を有する複数の同心円７０と、同心円７０と結合する複数の径方向の導体７２とを含む。具体的には、径方向の導体７２は、内周５４から複数の同心円７０を横切って外周５３に向かって径方向４０に延びる。径方向の導体７２に結合された１つまたは複数のリード線（図示せず）を介して電源４８から径方向の導体７２に、電力が供給される。上述のように、ロータディスク加熱システム４４は、ロータディスク１２の部分間で、加熱を変えることができる。ロータディスク１２の部分間で加熱を変えることで、ロータディスク１２にわたって均一な加熱がもたらされ得る。詳細には、同心円７０どうしの間の径方向の間隔を変えることができ、ロータディスク１２の均一な加熱がもたらされる。たとえば、導体７４と７６との間の径方向の間隔７３は、導体７６と８０との間の径方向の間隔７８より大きい。同心円７０どうしの間の径方向の間隔は、径方向４０に増加することができ、内周５４に近いほど（たとえば、流路から遠いほど）より多量の熱を発生することを可能にする一方で、内周５４から遠いほど（たとえば、流路に近いほど）より少量の熱を発生することを可能にする。可変温度補正によって、１つまたは複数のロータディスク１２の均一な加熱が可能になり、ロータディスク１２の繰返し寿命が伸びるとともに、ブレード先端のクリアランスの制御が可能になる。
【００２１】
図４は、ロータディスク加熱システム４４（たとえば、格子）を有するロータディスク１２の一実施形態の部分側面図である。一般に、ロータディスク１２およびロータディスク加熱システム４４は、抵抗型ネットワーク６８の配列を除いては、図３で説明するようなものである。図示のように、抵抗型ネットワーク６８は、直線形状の格子で配列される。他の実施形態では、形状は変化してよい（たとえば、三角形または任意の他の形状）。図示のように、抵抗型ネットワーク６８は、多層加熱材料を有する複数の格子線８２と、格子線８２と結合する複数の導体８４とを含む。具体的には、導体８４は、複数の格子線８２にわたって延びる。導体８４に結合された１つまたは複数のリード線（図示せず）を介して電源４８から導体８４に、電力が供給される。上述のように、ロータディスク加熱システム４４は、ロータディスク１２の部分間で、加熱を変えることができる。ロータディスク１２の部分間で加熱を変えることで、ロータディスク１２にわたって均一な加熱がもたらされ得る。詳細には、格子線８２どうしの間の径方向の間隔を変えることができ、ロータディスク１２の均一な加熱がもたらされる。たとえば、導体８８と９０との間の径方向の間隔８６は、導体９０と９４との間の径方向の間隔９２より大きい。格子線８２どうしの間の径方向の間隔は、径方向４０に増加することができ、内周５４により近いほど（たとえば、流路から遠いほど）より多量の熱を発生することを可能にする一方で、内周５４から遠いほど（たとえば、流路に近いほど）より少量の熱を発生することを可能にする。可変温度補正によって、１つまたは複数のロータディスク１２の均一な加熱が可能になり、ロータディスク１２の繰返し寿命が伸びるとともに、ブレード先端のクリアランスの制御が可能になる。
【００２２】
図５は、溝９８の中に配設された多層加熱材料９６を含むロータディスク加熱システム４４（たとえば、ロータディスク加熱装置５０）を有するロータディスク１２の一実施形態の、図３および図４の線５−５で示す側方断面図である。図６は、溝９８のうちの１つの中に配設された多層加熱材料９６の一実施形態の、図５の線６−６内で取られた詳細な側方断面図である。図５に示すように、ロータディスク１２は、ロータディスク１２の環状表面５６内にエッチングされた複数の溝９８を含む。図示された溝９８は矩形の形状を含むが、他の実施形態では、溝９８の形状は変化してよい（たとえば、凹面、三角形など）。溝９８は、ロータディスク１２の中に軸方向３８に延び、かつロータディスク１２に沿って周方向４２に延びる。加えて、溝９８は、径方向４０に互いに離隔される。各溝９８は、環状表面５６下に表面１００を含む。環状表面５６下の溝９８の中に抵抗型ネットワーク６８を配設することで、回転機械４２内で、抵抗型ネットワーク６８と、他の密に嵌め込まれた構成要素（たとえば、ディスク１２どうしの間のラベット（ｒａｂｂｅｔ）または他の摩擦軸受構成要素）の表面との間の干渉が回避される。
【００２３】
図５および図６に示すように、多層加熱材料９６は、各溝９８の表面１００上に配設された、高い熱伝導率を有する第１の誘電体層１０２を含む。第１の誘電体層１０２の熱伝導率は、材料に応じて、約１０００〜４０００Ｗ／（ｍＫ）に及ぶ。いくつかの実施形態では、第１の誘電体層１０２は、ダイヤモンド粉末を含み得る。ダイヤモンド粉末は、第１の誘電体層としていくつかの恩恵をもたらす。たとえば、ダイヤモンド粉末は、恩恵の中に、極度の機械的硬さと、低い圧縮率と、室温における高い熱伝導率の値とを含む。加えて、ダイヤモンド粉末は、化学的浸食に対して耐性があり、低いかまたは負の電子親和力を示し、良好な導電体として働き、ドープされてその抵抗率を変える。ダイヤモンド粉末は、化学気相蒸着または任意の他の技法によってロータディスク１２上に堆積され得る。多層加熱材料９６はまた、第１の誘電体層１０２上に配設された抵抗型加熱層１０４を含む。抵抗型加熱層１０４は、他の抵抗型加熱材料の領域内で抵抗を示す導体として働く。たとえば、抵抗型加熱層１０４のための材料は、白金、銅、ニッケル、タングステン、または任意の他の金属もしくは金属合金（たとえば、ニクロム、ニッケル−鉄、鉄−クロム−アルミニウム、銅−ニッケルなど）を含み得る。抵抗型加熱層１０４の抵抗率は、材料に応じて、約５×１０-8〜１．４９６×１０-6Ωｍに及ぶ。いくつかの実施形態では、多層加熱材料９６は、環境保護および／または絶縁のために抵抗型加熱層１０４上に配設された、（たとえば、第１の誘電体層１０２に対して）低い熱伝導率を有する第２の誘電体層１０６を含む。第２の誘電体層１０６の熱伝導率は、材料に応じて、約０〜２Ｗ／（ｍＫ）に及ぶ。たとえば、第２の誘電体層１０６は、セラミックブランケットなど、熱障壁コーティングを含み得る。
【００２４】
図７および図８はそれぞれ、環状表面５６上に配設されたロータディスク加熱システム４４（たとえば、ロータディスク加熱装置５０）を有するロータディスク１２の一実施形態の部分側面図および部分側方図である。図９は、環状表面５６上に配設された多層加熱材料９６の一実施形態の、図８の線９−９内で取られた詳細な側方図である。ロータディスク１２は、図３に説明するようなものである。図示のように、ロータディスク１２のメインボディ領域６２は、一般に、環状表面５６に対してくぼんでいる。ロータディスク加熱システム４４は、メインボディ領域６２に沿って配設された多層加熱材料９６を含む。くぼんだメインボディ領域６２は、回転機械４２内で、多層加熱材料９６と、他の密に嵌め込まれた構成要素（たとえば、ディスク１２どうしの間のラベットまたは他の摩擦軸受構成要素）の表面との間の干渉を回避する。多層加熱材料９６は、メインボディ領域６２の環状表面５６に沿って、連続的な層を形成する。多層加熱材料９６に結合された１つまたは複数のリード線（図示せず）を介して電源４８から多層加熱材料９６に、電力が供給される。多層加熱材料は図５および図６で上に説明したようなものである。詳細には、第１の誘電体層１０２が、ロータディスク１２の環状表面５６上に配設され、抵抗型加熱層１０４が、第１の誘電体層１０２上に配設される。いくつかの実施形態では、多層加熱材料９６は、環境保護および／または絶縁のために抵抗型加熱層１０４上に配設された低い熱伝導率を有する第２の誘電体層１０６を含む。ロータディスク加熱システム４４によってもたらされる可変温度補正によって、１つまたは複数のロータディスク１２の均一な加熱が可能になり、ロータディスク１２の繰返し寿命が伸びるとともに、ブレード先端のクリアランスの制御が可能になる。
【００２５】
図１０は、環状表面５６上に配設された、（たとえば、セグメント化された）多層加熱材料９６の一実施形態の、図８の線９−９内で取られた詳細な側方図である。ロータディスク１２は、図３に説明するようなものである。図示のように、多層加熱材料９６は、隙間１１０を介して複数の個別のセクション１０８にセグメント化される。いくつかの実施形態では、セクション１０８は、サイズ（たとえば、幅、長さ、厚さ、面積など）が変わってもよい。他の実施形態では、セクション１０８は同じサイズを有し得る。いくつかの実施形態では、個別のセクション１０８は、セクション１０８どうしの間で加熱を変えるために、加えられる電流または電圧を別個に（たとえば、制御器４６によって）変えることを可能にする。たとえば、他のセクション１１４、１１６（たとえば、流路により近い）よりも多い電流が、セクション１１２（たとえば、流路からより遠い）に加えられてよい。また、セクション１１６（たとえば、流路により近い）よりも多い電流が、セクション１１４（たとえば、流路からより遠い）に加えられてよい。したがって、内周５４により近いほど（たとえば、流路から遠いほど）より多量の熱発生が、（ロータディスク加熱システム４４によって）起こり得る一方で、内周５４から遠いほど（たとえば、流路に近いほど）より少量の熱が発生することが可能になる。可変温度補正によって、１つまたは複数のロータディスク１２にわたって均一な加熱が可能になり、ロータディスク１２の繰返し寿命が伸びる。
【００２６】
上述のように、ロータディスク加熱システム４４のための電力は、着脱可能なプローブ１１８によって供給され得る。図１１は、ロータディスク加熱システム４４のための電力を供給するために回転機械４２（たとえば、圧縮機１４またはタービン２０）のケーシング１２０内に挿入された着脱可能なプローブ１１８の一実施形態の概略図である。図１２は、ロータディスク加熱システム４４のための電力を供給する着脱可能なプローブ１１８およびソケット１２２の一実施形態の、図１１の線１２−１２内で取られた詳細な概略図である。プローブ１１８は、特に回転機械４２のロータディスク１２が休止している間（たとえば、コールドスタート事象の前）に、１つまたは複数のロータディスク１２を加熱するための電力を供給する。プローブ１１８は、アクチュエータ部分１２４および延長部分１２６を含む。延長部分１２６は、ポート１２８を介して回転システム４２のケーシング１２０内に（たとえば、径方向４０に）挿入されるように構成される。ポート１２８は、既存のポート（たとえば、ボレスコープポート）またはプローブ１１８のために設計されたカスタムポートであってよい。ケーシング１２０は、１つまたは複数のポート１２８を含む。プローブ１１８は、ロータディスク加熱システム４４のための電力を供給するために、ソケット１２２と結合するように構成される。ソケット１２２は、加熱されるべきロータディスク１２のそばに配設されたスペーサ１３０内におかれる。いくつかの実施形態では、ソケット１２２は、ソケット１２２の容易な取り替えを促進するために、ねじ山１３２を含む。いくつかの実施形態では、回転機械４２は、ロータディスク１２を加熱するために複数のソケット１２２を含む。他の実施形態では、回転機械４２は、１つまたは複数のロータディスク１２の加熱を可能にするために、単一のソケット１２２を含む。１本または複数本のリード線１３４が、ソケット１２２から加熱されるべきロータディスク１２まで伸びる。単一のソケット１２２を有する実施形態では、１本または複数本のリード線１３４が、ソケット１２２から複数のロータディスク１２まで伸び得る。延長部分１２６の（たとえば、アクチュエータ部分１２４に対する）遠位端１３６は、ソケット１２２に接続する１本または複数本のリード線１３８（たとえば、電力リード線、制御リード線など）を含む。ひとたび延長部分がソケット１２２に接続されると、リード線１３４を介してロータディスク加熱システム４４（たとえば、ロータディスク加熱装置５０）に、電力が供給される。いくつかの実施形態では、延長部分１２８は、（たとえば、径方向１４０に）格納可能である。たとえば、アクチュエータ部分１２４は、延長部分１２６を引っ込めるかまたは伸ばすために、空気、液圧、または電気で駆動されるアクチュエータであってよい。また、他の手段が、アクチュエータ部分１２４を駆動し得る。上述のように、プローブ１１８は、制御器４６を含み得る。加えて、プローブ１１８は、フィードバックをプローブ１１８に供給するために、センサ５２を含み得る。プローブ１１８は、ロータディスク加熱システム４４の残りと連動して働いて、１つまたは複数のロータディスク１２を均一に加熱するための可変温度補正をもたらし、ロータディスク１２の繰返し寿命を伸ばす。
【００２７】
開示する実施形態の技術的効果は、回転機械４２（たとえば、圧縮機１４またはタービン２０）のロータディスク１２を加熱するためのシステムを含む。詳細には、システムは、低電圧で高電流の電気信号によってロータディスク１２を抵抗で加熱するためのロータ加熱システム４４を含む。電流または電圧は、ロータディスク１２上に配設されたロータディスク加熱装置５０によってロータディスク１２に加えられる。ロータディスク加熱装置５０は、抵抗型ネットワーク６８（たとえば、ロータディスク１２の環状表面５６下の溝９８の中に配設される）または多層加熱材料９６の連続的な層を含み得る。ロータ加熱システム４４によって、可変温度補正と、それによるロータディスク１２の均一な加熱とが可能になり、ロータディスク１２の繰返し寿命が伸びる。加えて、ロータ加熱システム４４は、ブレード先端のクリアランスの制御を可能にする。
【００２８】
本明細書は、本発明を、最良の形態を含めて開示し、また当業者が本発明を、任意のデバイスまたはシステムを作製し使用することおよび任意の組み込まれた方法を実施することを含めて実行することを可能にするために、例を使用する。本発明の特許性がある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。そのような他の例は、文字通りの特許請求の範囲の言葉遣いに相違しない構造要素を有する場合、または文字通りの特許請求の範囲の言葉遣いとわずかに異なる同等の構造要素を含む場合に、特許請求の範囲内に入ることが意図されている。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ターボ機械システム
１２  ロータディスク
１４  圧縮機
１６  燃焼器
１８  燃料ノズル
２０  タービン
２２  ソケット
２４  タービンブレード
２６  シャフト
２８  回転軸
３０  排気出口
３２  圧縮機ブレード
３４  吸気口
３８  軸方向
４０  径方向
４２  回転機械、周方向
４４  ロータディスク加熱システム
４６  制御器
４８  電源
５０  ロータディスク加熱装置
５２  センサ
５３  外周
５４  内周
５６  環状表面
５８  蟻継ぎ領域
６０  ボルト締め領域
６２  メインボディ領域
６４  ボア領域
６８  抵抗型ネットワーク
７０  同心円
７２  導体
７３  間隔
７４  導体
７６  導体
７８  間隔
８０  導体
８２  格子線
８４  導体
８６  間隔
８８  導体
９０  導体
９２  間隔
９４  導体
９６  多層加熱材料
９８  溝
１００  溝の表面
１０２  第１の誘電体層
１０４  抵抗型加熱層
１０６  第２の誘電体層
１０８  セクション
１１０  隙間
１１２  セクション
１１４  セクション
１１６  セクション
１１８  プローブ
１２０  ケーシング
１２２  ソケット
１２４  アクチュエータ部分
１２６  延長部分
１２８  ポート
１３０  スペーサ
１３２  ねじ山
１３４  リード線
１３６  延長部分の末端
１３８  リード線
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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