JP2004044557A

JP2004044557A - ガスタービンエンジンの流体の流量計測方法及びガスタービンエンジンの流体の流量計測装置

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Publication number: JP2004044557A
Application number: JP2002206147A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Oyama; 大山　亜希彦
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンが設計仕様通りの性能を発揮しているか否かを試験するために、上記ガスタービンエンジンの運転中に上記ガスタービンエンジンに流入している空気の流量を正確に求めることを目的とする。
【解決手段】ガスタービンエンジン１が運転状態にあるときに、ガスタービンエンジン１の上流側で不活性ガスをガスタービンエンジン１内に注入し、ガスタービンエンジン１内の下流側を流れる流体の中の上記不活性ガスの割合を測定し、上記注入された不活性ガスの流量と、上記不活性ガスの上記割合とを用いて、ガスタービンエンジン１に流入している流入空気の流量を計測する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンの運転中にこれに流入している流入空気の流量を計測する方法等に係り、特に、アルゴンガス等の不活性ガスを上流側で所定流量注入し、下流側でその不活性ガスの濃度を測定し、この濃度と上記所定流量とによって、上記流入空気の流量を計測する方法等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、ガスタービンエンジン１の概略構成を、図１０を用いて説明する。
【０００３】
なお、図１０は、従来のタービンフローファンクション法を用いて、ガスタービンエンジン１への流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【０００４】
ガスタービンエンジン１は、たとえばジェットエンジンとして航空機に使用されるものであり、高温高圧の燃焼ガスを噴出させることによって推進力や回転力を得るエンジンである。
【０００５】
ガスタービンエンジン１は、中空のエンジンケース（図示せず）をベースとして備え、このエンジンケース内には、圧縮機３と燃焼室を構成する燃焼器９とタービン７とが、上流側（図１０の左側）から順に設けられている。また、圧縮機３とタービン７とはタービン軸５によって連動連結されており、タービン７の回転力によって圧縮機３が回転するようになっている。
【０００６】
圧縮機３とタービン７とタービン軸５とは、ベアリングで支持されることにより、上記エンジンケース内で、このエンジンケースの中心軸を回転軸にして、回転自在になっている。
【０００７】
また、上述のように構成されていることにより、上記エンジンケースの内側には、ガスタービンエンジン１内を流れる空気等の流体の流路である環状のエンジン流路ＦＬ１が形成されている。
【０００８】
そして、図１０の圧縮機３の左側から、流入空気Ｇｉ１０を吸入し、この吸入した空気を、圧縮機３が圧縮し、この圧縮された空気に、燃焼器９内で燃料を加えて連続的に燃焼加熱し、これによって生じた高温高圧ガスでタービン７を回転し、このタービン７の回転力で圧縮機３を回転させると共に、上記タービン７の回転力や、ガスタービン７から排出される排気ガスＧｏ１０の推力を出力として得るようになっている。
【０００９】
圧縮機３は、タービン軸５の前側（ガスタービンエンジン１の上流側；図１０の左側）で、タービン軸５の外周に、エンジン流路ＦＬ１に沿って設けられた複数段の圧縮動翼列（図示せず）と、上記エンジンケースの内側にエンジン流路ＦＬ１に沿って、複数段の圧縮動翼列と交互に設けられた複数の圧縮静翼列（図示せず）とを具備する。
【００１０】
ここで、上記圧縮動翼列は、タービン軸５の周方向へ放射状に設けられた複数の圧縮動翼からなり、上記圧縮静翼列は、タービン軸５の周方向へ放射状に設けられた複数の圧縮静翼からなるものである。
【００１１】
エンジン流路ＦＬ１における圧縮機３の下流側には、圧縮機３が圧縮した空気に燃料Ｆｕ１０を加えて燃焼させ、高温高圧のガスを得るための燃焼器９が設けられており、この燃焼器９の下流側には、タービン７が設けられている。このタービン７は、上述のように、上記燃焼器９からの高温高圧の燃焼ガスの膨張によって回転力を得て、タービン軸５を回転駆動させ、圧縮機３を回転させるものである。
【００１２】
なお、上述のように、タービン７を回転させた高温高圧の燃焼ガスは、排気ガスＧｏ１０として、タービン７の下流の大気に放出され、ガスタービンエンジン１が推力を発生する。
【００１３】
上記タービン７は、タービン軸５の後側（ガスタービンエンジン１の下流側；図１０の右側）にエンジン流路ＦＬ１に沿って設けられかつ高温高圧の燃焼ガスによって回転する複数段のタービン動翼列（図示せず）と、上記エンジンケースの内側にエンジン流路ＦＬ１に沿って、上記複数段のタービン動翼列と交互に設けられた複数段のタービン静翼列（図示せず）とを具備する。
【００１４】
ここで、上記タービン動翼列は、タービン軸５の周方向へ放射状に設けられた複数のタービン動翼からなり、上記タービン静翼列は、タービン軸５の周方向へ放射状に設けられた複数のタービン静翼からなるものである。
【００１５】
また、たとえばガスタービンエンジン１のストールを防止するために、圧縮機３で圧縮された空気の一部を抽気空気Ｇｂ１０として取り出している。
【００１６】
ところで、設計製作したガスタービンエンジン１が、設計仕様通りの性能を発揮するか否かを試験運転によって検査する必要があり、そのためには、ガスタービンエンジン１の燃焼器９の出口における流体の温度を測定する必要がある。しかし、上記温度は、１６００℃〜２０００℃の高温であり、この温度を測定するための熱電対が溶けてしまい、上記出口の温度を直接測定することが困難である。
【００１７】
そこで、ガスタービンエンジン１に流入する流入空気量を計測し、この計測値に基づいて、上記ガスタービンエンジン１の燃焼室の出口の温度を求めると共に、ガスタービンエンジン１が、設計仕様通りの性能を発揮するか否かを検査する。
【００１８】
次に、従来のタービンフローファンクション法を用いて、ガスタービンエンジン１への流入空気量を計算する場合について、図１０を用いて説明する。
【００１９】
タービンフローファンクション法は、ガスタービンエンジン１の運転中にタービンノズルのチョーク流量が一定になることと、圧縮機３で圧縮され燃焼器９に流入する前の空気の圧力と燃焼器９出口のガスの圧力との関係と、燃焼器９の前後（上流側と下流側）の熱の収支とに基づいて、ガスタービンエンジン１に流入する流入空気量を計測する方法である。
【００２０】
ここで、タービンノズルは、タービン７の入り口に存在するノズルであり、このタービンノズルでチョークされた流体の速度はマッハ１になり、上記タービンノズルを実際に通過する流量を所定の条件下で修正した修正流量とチョーク流量とが等しく、そして一定になる。
【００２１】
なお、上記チョーク流量は、ガスタービンエンジン１の運転とは別に、要素試験や解析によって求める必要がある。
【００２２】
【数１】

上記数式１は、ガスタービンエンジン１の運転中に上記タービンノズルを流れる流体の流量と、上述のように要素試験等で別途求めたチョーク流量との関係を示す式である。
【００２３】
数式１の左辺に示されている「Ｗ_ｉｎ」は、流入空気Ｇｉ１０の流量であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ（秒）」である。「Ｗ_Ｆｕｅｌ」は、燃料Ｆｕ１０の流量であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」である。「Ｗ_{ｂｌｅｅｄ}」は、抽気空気Ｇｂ１０の流量であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」である。ここで、「（Ｗ_ｉｎ＋Ｗ_Ｆｕｅｌ−Ｗ_{ｂｌｅｅｄ}）」が、ガスタービンエンジン１の運転中に上記タービンノズルを実際に流れる流体の流量である。
【００２４】
また、「Ｔ_４」は、燃焼器９の出口位置（位置ＰＡ）における流体の絶対温度であり、単位は「Ｋ（ケルビン）」である。「２８８．１５」は、基準温度であり、単位は「Ｋ」である。「Ｐ_４」は、燃焼器９の出口位置（位置ＰＡ）における流体の圧力であり、単位は「ＫＰａ（キロパスカル）」である。「１０３．１５」は、基準圧力であり、単位は「ＫＰａ」である。
【００２５】
そして、上記「Ｔ_４」、「２８８．１５」、「Ｐ_４」、「１０３．１５」と、ガスタービンエンジン１の運転中に上記タービンノズルを実際に流れる流体の流量「（Ｗ_ｉｎ＋Ｗ_Ｆｕｅｌ−Ｗ_{ｂｌｅｅｄ}）」とを用いて、上記修正流量が算出される。
【００２６】
また、数式１の右辺に示されている「Ｗ_{ｃｈｏｋｅ}」は、チョーク流量であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」である。
【００２７】
【数２】

上記数式２は、ガスタービンエンジン１の運転中における、圧縮機３で圧縮され燃焼器９に流入する前の位置（位置ＰＢ）の空気の圧力と燃焼器９出口のガスの圧力との関係を示す式である。
【００２８】
数式２の左辺に示されている「Ｐ_４」は、上述のように、燃焼器９の出口位置（位置ＰＡ）における流体の圧力であり、数式２の右辺に示されている「Ｐ_３」は、圧縮機３で圧縮され燃焼器９に流入する前の位置（位置ＰＢ）における空気の圧力であり、単位は「ＫＰａ」であり、「ΔＰ_ｃｏｍｂ」は、燃焼器９の全圧力損失率であり、単位は「ＮＯＮＤ（無次元）」である。
【００２９】
【数３】

上記数式３は、燃焼器９の前後（位置ＰＢと位置ＰＡ）の熱の収支を示す式である。
【００３０】
数式３の左辺に示されている「Ｗ_ｉｎ」は、流入空気Ｇｉ１０の流量であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」である。「Ｗ_{ｂｌｅｅｄ}」は、抽気空気Ｇｂ１０の流量であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」である。「Ｔ_３」は、圧縮機３で圧縮され燃焼器９に流入する前の位置（位置ＰＢ）における空気の絶対温度であり、単位は「Ｋ」である。
【００３１】
また、「Ｗ_Ｆｕｅｌ」は、燃料Ｆｕ１０の流量であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」である。「Ｔ_Ｆｕｅｌ」は、燃料Ｆｕ１０の絶対温度であり、単位は「Ｋ」である。「η_ｃｏｍｂ」は、燃焼器９の燃焼効率である。「ＬＨＶ」は、燃料Ｆｕ１０の単位質量当たりの発熱量であり、単位は「ｋＪ（キロジュール）／ｋｇ」である。
【００３２】
また、「ｆ_ａｉｒ」は、気体の温度から、この気体のエンタルピー（単位質量あたりのエネルギー）を算出する関数であり、「ｆ_ａｉｒ（Ｔ_３）」によって、圧縮機３で圧縮され燃焼器９に流入する前の位置（位置ＰＢ）における空気のエンタルピーが算出される。
【００３３】
「ｆ_Ｆｕｅｌ」は、燃料Ｆｕ１０の温度から、この燃料Ｆｕ１０のエンタルピー（単位質量あたりのエネルギー）を算出する関数であり、「ｆ_Ｆｕｅｌ（Ｔ_Ｆｕｅｌ）」によって、燃料Ｆｕ１０のエンタルピーが算出される。
【００３４】
数式３の右辺に示されている「Ｗ_ｉｎ」、「Ｗ_{ｂｌｅｅｄ}」、「Ｗ_Ｆｕｅｌ」、「ｆ_ａｉｒ」は、数式３の左辺に示されたものと同じものであり、「ｆ_ａｉｒ（Ｔ_４）」によって、燃焼器９の出口位置（ＰＡ）における流体のエンタルピーが算出される。
【００３５】
上記数式１〜上記数式３において、流入空気Ｇｉ１０の流量である「Ｗ_ｉｎ」、燃焼器９の出口における流体の温度である「Ｔ_４」、燃焼器９の出口における流体の圧力である「Ｐ_４」以外の値（「Ｗ_Ｆｕｅｌ」、「Ｗ_{ｂｌｅｅｄ}」、「Ｐ_３」、「ΔＰ_ｃｏｍｂ」、「Ｔ_３」、「Ｔ_Ｆｕｅｌ」、「η_ｃｏｍｂ」、「ＬＨＶ」の値）は、比較的容易に測定することができ、また、「Ｗ_{ｃｈｏｋｅ}」は、別途要素試験等で求めることができる。
【００３６】
したがって、数式１〜数式３に、「Ｗ_ｉｎ」、「Ｔ_４」、「Ｐ_４」以外の値を代入すれば、上記数式１〜上記数式３は、「Ｗ_ｉｎ」、「Ｔ_４」、「Ｐ_４」の三元連立方程式になり、この方程式を解くことによって、流入空気Ｇｉ１０の流量である「Ｗ_ｉｎ」を求めることができる。
【００３７】
次に、従来のヒートバランス法を用いて、ガスタービンエンジン１への流入空気量を計算する場合について説明する。
【００３８】
図１１は、従来のヒートバランス法を用いて、ガスタービンエンジン１への流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【００３９】
ヒートバランス法は、ガスタービンエンジン１において任意の検査面ＳＦ１１をとり、この検査面ＳＦ１１における熱の受け渡し（熱の収支）から、ガスタービンエンジン１の流入空気Ｇｉ１０の流量を求める方法である。
【００４０】
ガスタービンエンジン１が運転状態にあるときには、ガスタービンエンジン１は、流入空気Ｇｉ１０を圧縮機３に吸い込み、圧縮機３で圧縮された空気に、燃料Ｆｕ１０を加えて、この燃料Ｆｕ１０を燃焼器９で燃焼し、この燃焼によって発生した高温高圧のガスによりタービン７を回転させ、タービン７を回転させた上記高温高圧のガスは、排気ガスＧｏ１０として大気に放出されている。
【００４１】
また、圧縮機３で圧縮された圧縮空気の一部は、上述のように抽気空気Ｇｂ１０として、ガスタービンエンジンの外部に取り出されている。さらに、ガスタービンエンジン１の上記運転中においては、機械的なロスＱが発生しているものとする。
【００４２】
ここで、上記運転状態において、次に示す数式４と数式５とが成立する。
【００４３】
【数４】

【数５】

上記数式４は、ガスタービンエンジン１の運転状態での検査面ＳＦ１１における熱の収支を示す式であり、上記数式５は、ガスタービンエンジン１の運転状態での検査面ＳＦ１１における流入空気Ｇｉ１０、燃料Ｆｕ１０、排気ガスＧｏ１０等の流量の収支を示す式である。
【００４４】
なお、数式４の左辺に示されている「Ｗ_ｉｎ」は、流入空気Ｇｉ１０の流量であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」である。「Ｔ_ｉｎ」は、流入空気Ｇｉ１０の絶対温度であり、単位は「Ｋ」である。「Ｗ_Ｆｕｅｌ」は、燃料Ｆｕ１０の流量であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」である。「Ｔ_Ｆｕｅｌ」は、燃料Ｆｕ１０の絶対温度であり、単位は「Ｋ」である。「η_ｃｏｍｂ」は、燃焼器９の燃焼効率である。「ＬＨＶ」は、燃料Ｆｕ１０の単位質量当たりの発熱量であり、単位は「ｋＪ／ｋｇ」である。
【００４５】
また、数式４の右辺に示されている「Ｗ_ｅｘ」は、排気ガスＧｏ１０の流量であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」である。「Ｔ_ｅｘ」は、排気ガスＧｏ１０の絶対温度であり、単位は「Ｋ」である。「Ｗ_{ｂｌｅｅｄ}」は、抽気空気Ｇｂ１０の流量であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」である。「Ｔ_{ｂｌｅｅｄ}」は、抽気空気Ｇｂ１０の絶対温度であり、単位は「Ｋ」である。「Ｑ」は、上述のように、ガスタービンエンジン１の運転中において発生している機械的なロスであり、単位は「ｋＪ／ｓｅｃ」である。
【００４６】
また、数式４に示されている「ｆ_ａｉｒ」は、上述のように、気体の温度から、この気体のエンタルピー（単位質量あたりのエネルギー）を算出する関数であり、「ｆ_ａｉｒ（Ｔ_ｉｎ）」によって、流入空気Ｇｉ１０のエンタルピーが算出され、「ｆ_ａｉｒ（Ｔ_ｅｘ）」によって、排気ガスＧｏ１０のエンタルピーが算出され、ｆ_ａｉｒ（Ｔ_{ｂｌｅｅｄ}）」によって、抽気空気Ｇｂ１０のエンタルピーが算出される。
【００４７】
さらに、数式４に示されている「ｆ_Ｆｕｅｌ」は、上述のように、燃料Ｆｕ１０の温度から、この燃料Ｆｕ１０のエンタルピー（単位質量あたりのエネルギー）を算出する関数であり、「ｆ_Ｆｕｅｌ（Ｔ_Ｆｕｅｌ）」によって、燃料Ｆｕ１０のエンタルピーが算出される。
【００４８】
また、数式５に示されている「Ｗ_ｉｎ」、「Ｗ_Ｆｕｅｌ」、「Ｗ_ｅｘ」、「Ｗ_{ｂｌｅｅｄ}」は、数式４に示されているものと同じものである。
【００４９】
上記数式４と上記数式５とにおいて、流入空気Ｇｉ１０の流量である「Ｗ_ｉｎ」、排気ガスＧｏ１０の流量である「Ｗ_ｅｘ」以外の値（「Ｔ_ｉｎ」、「Ｗ_Ｆｕｅｌ」、「Ｔ_Ｆｕｅｌ」、「η_ｃｏｍｂ」、「ＬＨＶ」、「Ｔ_ｅｘ」、「Ｗ_{ｂｌｅｅｄ}」、「Ｔ_{ｂｌｅｅｄ}」、「Ｑ」の値）は、比較的容易に測定することができる。したがって、数式４と数式５とに、「Ｗ_ｉｎ」、「Ｗ_ｅｘ」以外の測定した値を代入すれば、上記数式４と上記数式５とは、「Ｗ_ｉｎ」、「Ｗ_ｅｘ」の二元連立方程式になり、この方程式を解くことによって、流入空気Ｇｉ１０の流量である「Ｗ_ｉｎ」を求めることができる。
【００５０】
上記２つの方法以外の他の方法として、たとえば、圧縮機３入り口の空気の全圧力、静圧力、全温度をそれぞれ計測し、また、これらの計測した値と、圧縮機３の有効面積から、ガスタービンエンジン１への流入空気量を求める方法がある。
【００５１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のタービンフローファンクション法では、ガスタービンエンジン１の運転とは別個に、要素試験や解析によって上記チョーク流量を求める必要があるので、試験のコストが高くなるという欠点がある。
【００５２】
また、上記チョーク流量を要素試験で求める場合、タービンノズルにおける流体の温度は１００℃程度であり、実際のガスタービンエンジン１の運転状態ではタービンノズルにおける流体の温度は１０００℃であるので、これらの温度差が大きく、正確なチョーク流量を測定することは困難である。したがって、ガスタービンエンジン１の運転状態における流入空気の流量を正確に測定することが困難であるという問題がある。
【００５３】
また、上記ヒートバランス法では、ガスタービンエンジン１の排気ガスＧｏ１０の温度（Ｔ_ｅｘ）を正確に測定することが困難であり、したがって、ガスタービンエンジン１の運転状態における流入空気の流量を正確に測定することが困難であるという問題がある。
【００５４】
ガスタービンエンジン１の排気ガスＧｏ１０の上記温度を正確に測定できない理由は、排気ガスＧｏ１０の温度は通常１０００℃〜１１００℃と高温であり、伝熱によって温度計測器から熱が急激に逃げ、排気ガスＧｏ１０の温度と計測器とに温度差が生じてしまうためである。
【００５５】
また、上記他の方法では、圧縮機３の入り口における全圧力等が均一ではなく、すなわち、圧縮機３の円周方向において、上記全圧力等が変化しているので、正確に上記全圧力等を測定することが困難であり、したがって、ガスタービンエンジン１の運転状態における流入空気の流量を正確に測定することが困難であるという問題がある。
【００５６】
本発明は、ガスタービンエンジンが設計仕様通りの性能を発揮しているか否かを試験するために、上記ガスタービンエンジンの運転中に上記ガスタービンエンジンに流入している空気の流量を正確に求めることができるガスタービンエンジンの流体の流量計測装置及び流体の流量計測方法を提供することを目的とする。
【００５７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、ガスタービンエンジンが運転状態にあるときに、上記ガスタービンエンジンの上流側で不活性ガスを上記ガスタービンエンジン内に注入し、上記ガスタービンエンジン内の下流側を流れる流体の中の上記不活性ガスの割合を測定し、上記注入された不活性ガスの流量と、上記不活性ガスの上記割合とを用いて、上記ガスタービンエンジンに流入している流入空気の流量を計測するガスタービンエンジンの流体の流量計測方法である。
【００５８】
請求項２に記載の本発明は、ガスタービンエンジンが運転状態にあるときに、上記ガスタービンエンジンの上流側で上記ガスタービンエンジン内に不活性ガスを所定の流量注入する不活性ガス注入手段と、上記運転状態にあるときに、上記ガスタービンエンジン内の下流側を流れる流体中から上記不活性ガスの割合を測定する不活性ガス割合測定手段と、上記注入された不活性ガスの上記所定の流量と、上記測定された上記不活性ガスの上記割合とに基づいて、上記運転状態における上記ガスタービンエンジンに流入している流入空気の流量を算出する空気流量算出手段と、上記算出された空気流量を出力する空気流量出力手段とを有するガスタービンエンジンの流体の流量計測装置である。
【００５９】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンエンジン１の流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【００６０】
なお、ガスタービン１は、従来の技術において説明したものと同一に構成されている。
【００６１】
ガスタービンエンジン１が運転状態にあるときに、すなわち、ガスタービンエンジン１が空気を流入し、この流入空気を圧縮機３で圧縮し、この圧縮した空気にたとえばケロシン等の燃料を供給して燃焼器９で燃焼させ、この燃焼によって得られた高温高圧のガスでタービン７を回転し、このタービン７の回転力で上記圧縮機３を回転し、ガスタービンエンジン１から回転力や推力を出力しているときに、上記ガスタービンエンジン１の入り口側で、上記ガスタービンエンジン１に流入している空気（流入空気）Ｇｉ１と共に、所定流量のアルゴンガスＡｉ１を、たとえば、高圧のアルゴンガスＡｉ１が詰め込まれているボンベからこのボンベに取付けられているレギュレータを介して、上記ガスタービンエンジン１内に注入する。
【００６２】
なお、上記アルゴンガスＡｉ１の上記所定流量は、ガスタービンエンジン１の運転（作動）に、影響を極力及ぼさないようにするために、少量にすることが望ましい。
【００６３】
また、上記アルゴンガスＡｉ１の流量は、注入前にたとえばオリフィス等を用いたフローメータで計測する。
【００６４】
さらに、上記アルゴンガスＡｉ１の総てをガスタービンエンジン１の中に注入させるために、たとえば、圧縮機３の上流側であって、しかも、圧縮機３にできるだけ近い位置で、上記アルゴンガスＡｉ１を上記ボンベから放出して注入する。
【００６５】
次に、圧縮機３の出口と燃焼器９との間の位置（エンジン流路ＦＬ１内の位置）ＰＳ１において、ガスタービンエンジン１のエンジン流路ＦＬ１中を流れる流体中のアルゴンガスの割合（濃度）を測定する。
【００６６】
なお、上記アルゴンガスの測定方法として、たとえば分光器を用いた分光法を採用することができる。
【００６７】
ここで、分光法とは、気体状の元素（たとえばアルゴンガス）が所定の波長の光を吸収しまたは放出する性質を利用して、アルゴンガスの濃度を測定する方法である。たとえば、上記位置ＰＳ１における流体に光源が発する光を通し、上記流体を通過した光の中から、アルゴンガスに相当する波長の光の強度の減少度合いを検出し、アルゴンガスの濃度を測定する方法である。
【００６８】
続いて、上記注入されたアルゴンガスＡｉ１の上記所定流量と、上記測定された、上記位置ＰＳ１における流体中のアルゴンガスの上記割合とを用いて、上記ガスタービンエンジン１に流入している流入空気の流量を測定する。
【００６９】
アルゴンガスＡｉ１の上記所定流量と、上記位置ＰＳ１におけるアルゴンガスの上記割合とを用いて、上記流入空気の流量を求める場合には、次に示す数式６が用いられる。
【００７０】
【数６】

上記数式６において、「ｘ」は、上記位置ＰＳ１におけるアルゴンガスの質量パーセントであり、「Ｍ」は、ガスタービンエンジン１に流入している流入空気の流量（単位時間あたりの質量）であり、この単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」である。
【００７１】
また、上記数式６において、「Ａ」は、ガスタービンエンジン１に注入されているアルゴンガスの流量（単位時間あたりの質量）であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」であり、「ｐ」は、大気中のアルゴンガスの質量パーセントである。
【００７２】
上記数式６においては、「ｐ」は既知であり、「Ａ」と「ｘ」とは、測定によって値を知ることができるので、これら、「ｐ」、「Ａ」、「ｘ」の値を用いて、ガスタービンエンジン１に流入している流入空気Ｇｉ１の流量「Ｍ」の値を算出することができる。
【００７３】
また、上記数式６を成立させるためには、ガスタービンエンジン１が運転状態であり、アルゴンガスＡｉ１を供給し始めてから一定の時間経過後に、すなわち、圧縮機３の手前で注入されたアルゴンガスＡｉ１が、位置ＰＳ１まで流れてきて、位置ＰＳ１におけるアルゴンガスＡｉ１の比率（割合）が、ガスタービンエンジン１の入り口（圧縮機３の上流側）におけるアルゴンガスＡｉ１の比率（割合）と同じになった状態で、位置ＰＳ１においてアルゴンガスの濃度を測定する必要がある。そして、上記濃度の測定後、アルゴンガスＡｉ１の注入を停止し、ガスタービンエンジ１の運転を停止する。
【００７４】
なお、ガスタービンエンジン１が運転状態であって、しかも、アルゴンガスＡｉ１を注入している時に、位置ＰＳ１にてアルゴンガスの濃度を測定する必要はない。つまり、上記運転状態であって、しかも、アルゴンガスＡｉ１を注入している時に、位置ＰＳ１で、エンジン流路ＦＬ１を流れている流体のサンプルを採取し、上記採取したサンプル中のアルゴンの割合を後に測定するようにしてもよい。
【００７５】
次に、図２に示すように、実際の数値を用いて、本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンエンジン１の流入空気量を計測する場合について説明する。
【００７６】
図２（１）は、大気の組成を示す図表であり、大気は、質量比７５．５８％の窒素分子（Ｎ_２）と、質量比２３．１３％の酸素分子（Ｏ_２）と、質量比１．３％のアルゴン（Ａｒ）とによって構成されている。
【００７７】
図２（２）は、上記大気と同じ組成の流入空気（ガスタービンエンジン１への流入空気）Ｇｉ１の流量Ｍを、毎秒１００ｋｇとした場合における、窒素、酸素、アルゴンの上記流入空気における質量を示す図表である。上記毎秒１００ｋｇの吸入空気の流量Ｍは、７５．５８ｋｇ／ｓｅｃの窒素と、２３．１３ｋｇ／ｓｅｃの酸素と、１．３０ｋｇ／ｓｅｃのアルゴンとによって構成されている。
【００７８】
図２（３）は、ガスタービンエンジン１に注入されるアルゴンガスＡｉ１の流量Ａを示す図である。そして、この流量は１０ｋｇ／ｓｅｃになっている。
【００７９】
図２（４）は、位置ＰＳ１における流体中の各成分の割合を示す図表である。そして、この図表では、アルゴンガスの割合は質量比で１０．２７％になっている。
【００８０】
ここで、数式６に、図２（２）のアルゴンの質量比ｐ「１．３％」、図２（２）の流入空気の流量Ｍ「１００ｋｇ／ｓｅｃ」、図２（３）のアルゴンガスの注入流量Ａ「１０ｋｇ／ｓｅｃ」、図２（４）のアルゴンの質量比ｘ「１０．２７％」を代入すると、数式６の右辺の値と左辺の値とが互いに等しくなり、数式６が正しいことが理解される。
【００８１】
なお、実際の計測では、図２（２）のアルゴンの質量比ｐ「１．３％」と、図２（３）のアルゴンの注入流量Ａ「１０ｋｇ／ｓｅｃ」と、図２（４）のアルゴンの質量比ｘ「１０．２７％」とによって、図２（２）の流入空気の流量Ｍ「１００ｋｇ／ｓｅｃ」が求められる。
【００８２】
本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンエンジン１の流入空気量を計測する方法によれば、ガスタービンエンジン１の上流側で注入したアルゴンガスの流量と、ガスタービンエンジン１内の下流側を流れる流体の中の上記アルゴンガスの割合とを、正確に測定することができるので、上記ガスタービンエンジン１の運転中に上記ガスタービンエンジン１に流入する流入空気の流量を正確に求めることができる。そして、この求めた流入空気の流量に基づいて、ガスタービンエンジン１が設計仕様通りの性能を発揮しているか否かを正確に計測することができる。
【００８３】
また、本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンエンジン１の流入空気量を計測する方法によれば、別途要素試験等を実施する必要がないので、容易にガスタービンエンジン１に流入する流入空気の流量を求めることができる。
【００８４】
［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係るガスタービンエンジン１の流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【００８５】
第２の実施の形態では、タービン７の出口位置ＰＳ３において、ガスタービンエンジン１の排気ガスＧｏ１に含まれているアルゴンガスの割合を測定する点が上記第１の実施の形態とは異なり、その他の点は、上記第１の実施の形態とほぼ同様である。
【００８６】
ただし、第２の実施の形態では、ガスタービンエンジン１の運転状態において供給されている燃料Ｆｕ１が排気ガスＧｏ１に含まれているので、次に示す数式７を用いて、流入空気の流量Ｍを求める。
【００８７】
【数７】

上記数式７において、「ｘ」、「Ｍ」、「Ａ」、「ｐ」は、上記数式６のものと同じであり、また、「Ｆ」は、ガスタービンエンジン１の運転状態において供給されている燃料Ｆｕ１の流量（単位時間あたりの質量）であり、単位は「ｋｇ／ｓｅｃ」である。
【００８８】
また、上記「Ｆ」は、たとえばフローメータを用いた測定によって値を知ることができるので、「ｐ」、「Ａ」、「ｘ」、「Ｆ」の値を用いて、ガスタービンエンジン１に流入している流入空気の流量「Ｍ」の値を算出することができる。
【００８９】
なお、タービン７の出口位置ＰＳ３において、ガスタービンエンジン１の排気ガスＧｏ１に含まれているアルゴンガスの割合を測定する場合、上記排気ガスＧｏ１が大気と混ざり合わないようにするために、タービン７の出口のできるだけ近傍で、アルゴンガスの割合を測定することが望ましい。
【００９０】
［第３の実施の形態］
図４は、本発明の第３の実施の形態に係るガスタービンエンジン１の流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【００９１】
第３の実施の形態では、圧縮機３の出口と燃焼器９との間の位置（エンジン流路ＦＬ１内の位置）ＰＳ４において、ガスタービンエンジン１のエンジン流路ＦＬ１内にアルゴンガスＡｉ１を注入している点が上記第２の実施の形態とは異なり、その他の点は、上記第２の実施の形態とほぼ同様である。
【００９２】
そして、第３の実施の形態では、上記数式７を用いて流入空気の流量Ｍが求められる。
【００９３】
［第４の実施の形態］
図５は、本発明の第４の実施の形態に係るガスタービンエンジン２１の流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【００９４】
ガスタービンエンジン２１は、２軸のガスタービンエンジンであり、エンジンケース内に、上流側から下流側に向かって（図５の左側から右側へ）順に、低圧圧縮機２３と高圧圧縮機２９と燃焼器３５と高圧タービン３３と低圧タービン２７とを備えた構成であり、これらによって、ガスタービンエンジン１とほぼ同様にエンジン流路ＦＬ２１が形成され、また、上記高圧タービン３３と上記高圧圧縮機２９とは高圧タービン軸３１を介して連動連結されており、上記低圧タービン２７と上記低圧圧縮機２３とは低圧タービン軸２５を介して連動連結されている。
【００９５】
なお、運転中において、ガスタービンエンジン２１に流入している流入空気Ｇｉ５の流量は「Ｍ」であり、注入されているアルゴンガスＡｉ５の流量は「Ａ」である。また、上記運転中においては、低圧タービン２７から排気ガスＧｏ０５が排出されている。
【００９６】
第４の実施の形態では、低圧圧縮機２３の出口と高圧圧縮機２９の入り口との間の位置ＰＳ５において、ガスタービンエンジン２１のエンジン流路ＦＬ２１内のアルゴンガスの割合を測定する点が上記第１の実施の形態とは異なり、その他の点は、上記第１の実施の形態とほぼ同様である。
【００９７】
そして、第４の実施の形態では、上記数式６を用いて流入空気の流量Ｍが求められる。
【００９８】
［第５の実施の形態］
図６は、本発明の第５の実施の形態に係るガスタービンエンジン２１の流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【００９９】
第５の実施の形態では、高圧圧縮機２９の出口と燃焼器３５との間の位置ＰＳ６において、ガスタービンエンジン２１のエンジン流路ＦＬ２１内のアルゴンガスの割合を測定する点が上記第４の実施の形態とは異なり、その他の点は、上記第１の実施の形態とほぼ同様である。
【０１００】
そして、第５の実施の形態では、上記数式６を用いて流入空気の流量Ｍが求められる。
【０１０１】
［第６の実施の形態］
図７は、本発明の第６の実施の形態に係るガスタービンエンジン２１の流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【０１０２】
第６の実施の形態では、高圧タービン３３の出口と低圧タービン２７との間の位置ＰＳ７において、ガスタービンエンジン２１のエンジン流路ＦＬ２１内のアルゴンガスの割合を測定する点が上記第５の実施の形態とは異なり、その他の点は、上記第５の実施の形態とほぼ同様である。
【０１０３】
ただし、第６の実施の形態では、ガスタービンエンジン２１の運転状態において供給されている燃料Ｆｕ７が排気ガスＧｏ５に含まれているので、上記数式７を用いて、流入空気の流量Ｍを求める。なお、上記供給されている燃料Ｆｕ７の流量は「Ｆ」である。
【０１０４】
［第７の実施の形態］
図８は、本発明の第７の実施の形態に係るガスタービンエンジン２１の流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【０１０５】
第７の実施の形態では、低圧タービン３３の出口位置ＰＳ８において、ガスタービンエンジン２１の排気ガスＧｏ１に含まれているアルゴンガスの割合を測定する点が上記第６の実施の形態とは異なり、その他の点は、上記第６の実施に形態とほぼ同様である。
【０１０６】
そして、第７の実施の形態では、上記数式７を用いて流入空気の流量Ｍが求められる。
【０１０７】
［第８の実施の形態］
図９は、本発明の第８の実施の形態に係るガスタービンエンジン２１の流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【０１０８】
ガスタービンエンジン２１には、圧縮機２３、２９の中段等から抽気した空気を、タービン２７、３３の高温部位を冷却するために、タービン２７、３３に導く二次空気配管３７内に、アルゴンガスＡｉ５を注入している点が、上記第６の実施の形態とは異なり、その他の点は、上記第６の実施の形態とほぼ同様である。
【０１０９】
そして、第７の実施の形態では、上記数式７を用いて流入空気の流量Ｍが求められる。
【０１１０】
なお、第８の実施の形態においては、高圧タービン３３の出口位置ＰＳ７において、ガスタービンエンジン２１のエンジン流路ＦＬ２１内の流体に含まれているアルゴンガスの割合を測定してもよい。
【０１１１】
上記第２〜第８の実施の形態においても、上記第１の実施の形態とほぼ同様の効果を得ることができる。
【０１１２】
また、アルゴンガスを注入する位置とアルゴンガスの濃度（割合）を測定する位置とを、上記各実施形態に限定する必要はない。すなわち、アルゴンガスを上記ガスタービンエンジン１、２１内に注入する位置が、上記ガスタービンエンジン１、２１内に形成されているエンジン流路ＦＬ１、ＦＬ２１の上流側であり、アルゴンガスの濃度（割合）を測定する位置が、タービンエンジン１、２１の内に形成されているエンジン流路ＦＬ１、ＦＬ２１の下流側であればよい。
【０１１３】
ただし、上記上流側で注入されたアルゴンガスは、上記下流側で均一に分散されている必要がある。
【０１１４】
さらに、上記各実施の形態では、１軸のガスタービンエンジン１や２軸のガスタービンエンジン２１を掲げて説明したが、３軸以上の軸を備えるガスタービンエンジンにも、上記各実施の形態を適用することができる。
【０１１５】
また、上記各実施の形態では、不活性ガスとしてアルゴンガスを使用したが、アルゴンガスの代わりに、ガスタービンエンジン１、２１の運転時の性能等に影響をおよぼすことが少なく、ガスタービンエンジン１、２１内を流れる高温高圧の空気や燃料の成分と化学反応を起こさず、しかも、濃度を計測可能なガス（たとえば、ヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガス等の希ガス元素等）を採用することができる。
【０１１６】
また、上記各実施の形態を、装置の発明として把握することができる。すなわち、上記各実施の形態を、ガスタービンエンジンが運転状態にあるときに、上記ガスタービンエンジンの上流側で上記ガスタービンエンジン内に不活性ガスを所定の流量注入する不活性ガス注入手段と、上記運転状態にあるときに、上記ガスタービンエンジン内の下流側を流れる流体から上記不活性ガスの割合を測定する不活性ガス割合測定手段と、上記注入された不活性ガスの上記所定の流量と、上記測定された上記不活性ガスの上記割合とに基づいて、上記運転状態における上記ガスタービンエンジンに流入している流入空気の流量を算出する空気流量算出手段と、上記算出された空気流量を出力する空気流量出力手段とを有するガスタービンエンジンの流体流量計測装置として把握してもよい。
【０１１７】
【発明の効果】
本発明によれば、ガスタービンエンジンが設計仕様通りの性能を発揮しているか否かを試験するために、上記ガスタービンエンジンの運転中に上記ガスタービンエンジンに流入している空気の流量を正確に求めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンエンジンの流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【図２】実際の数値を用い、本発明の第１の実施の形態に係るガスタービンエンジンの流入空気量を計測する場合について説明する図表である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るガスタービンエンジンの流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係るガスタービンエンジンの流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係るガスタービンエンジンの流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係るガスタービンエンジンの流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態に係るガスタービンエンジンの流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【図８】本発明の第７の実施の形態に係るガスタービンエンジンの流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【図９】本発明の第８の実施の形態に係るガスタービンエンジンの流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【図１０】従来のタービンフローファンクション法を用いて、ガスタービンエンジンへの流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【図１１】従来のヒートバランス法を用いて、ガスタービンエンジンへの流入空気量を計測する場合のモデルを示す図である。
【符号の説明】
１、２１　ガスタービンエンジン
３　圧縮機
５　タービン軸
７　タービン
９、３５　燃焼器
２３　低圧圧縮機
２５　低圧タービン軸
２７　低圧タービン
２９　高圧圧縮機
３１　高圧タービン軸
３３　高圧タービン
３７　二次空気配管
Ａｉ１、Ａｉ５　アルゴンガス
ＦＬ１、ＦＬ２１　エンジン流路
Ｆｕ１、Ｆｕ７　燃料
Ｇｉ１、Ｇｉ５　流入空気
Ｇｏ１、Ｇｏ５　排気ガス
ＰＳ１、ＰＳ３、ＰＳ４、ＰＳ５、ＰＳ６、ＰＳ７、ＰＳ８　位置

Claims

ガスタービンエンジンが運転状態にあるときに、上記ガスタービンエンジンの上流側で不活性ガスを上記ガスタービンエンジン内に注入し、上記ガスタービンエンジン内の下流側を流れる流体の中の上記不活性ガスの割合を測定し、
上記注入された不活性ガスの流量と、上記不活性ガスの上記割合とを用いて、上記ガスタービンエンジンに流入している流入空気の流量を計測することを特徴とするガスタービンエンジンの流体の流量計測方法。
ガスタービンエンジンが運転状態にあるときに、上記ガスタービンエンジンの上流側で上記ガスタービンエンジン内に不活性ガスを所定の流量注入する不活性ガス注入手段と；
上記運転状態にあるときに、上記ガスタービンエンジン内の下流側を流れる流体中から上記不活性ガスの割合を測定する不活性ガス割合測定手段と；
上記注入された不活性ガスの上記所定の流量と、上記測定された上記不活性ガスの上記割合とに基づいて、上記運転状態における上記ガスタービンエンジンに流入している流入空気の流量を算出する空気流量算出手段と；
上記算出された空気流量を出力する空気流量出力手段と；
を有することを特徴とするガスタービンエンジンの流体の流量計測装置。