JP2004258039A - 動圧プローブホルダ及び動圧信号を収集する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コイルシステムにおいて凝縮物を定期的にパージングするのではなく、音響減衰システムにおける凝縮物の形成を防止するため方法を提供する。
【解決手段】 動圧信号を高温環境から信号を著しく減衰させずに測定できる場所まで送信するのに適する構成要素（１０、１１０、２１０）を提供する。特に、この構成要素は、測定システムで凝縮物の形成を発生させず、従って、システムから凝縮物を定期的にパージングすることを不要にするように、動圧信号の送信を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、ガスタービン機械の燃焼チャンバの動圧を測定する装置及び方法に関する。

ガスタービンなどの回転機械の動作中の燃焼システムに対する監視制御要素及び診断ツールの一部として、燃焼チャンバの動圧を含む様々なデータを測定し、収集することが必要である。このデータは燃焼システムの適正な動作状態を確認するために使用され、更に、燃焼ダイナミクスと排出物質とのバランスを適切に保って動作するようにガスタービンエンジンを調整するためにも使用される。燃焼チャンバで動圧を直接に測定するには、２０００〜３０００°Ｆの範囲の温度を有する動作環境の中で機能するセンサが必要である。現在、既存の動圧プローブは約１０００°Ｆ以下の温度に耐えるように設計されている。その結果、これまでの燃焼動圧測定方法は燃焼チャンバに直接配置されたセンサを利用していない。現在のシステムは、燃焼チャンバから離れた場所に配置された動圧センサまで圧力信号を送信するために、導波管と呼ばれる金属管を使用する。燃焼チャンバから離れた場所に配置されたセンサに至る金属管は長いため、圧力信号は著しく減衰し、その結果、燃焼システムの真の動圧を測定することは不可能である。それらのシステムにおいては、管の内径、管の長さ、管内部の温度プロファイル、管内部の静圧及び動圧信号の周波数内容を含めて、いくつかの要因が信号減衰の程度に影響を及ぼす。システムによっては、測定システムにおける定在波の形成を防止するために、軸の周囲に巻き付けられた減衰コイルを使用するものもある。

しかし、この種のシステムでは、巻き付けられた減衰コイルで凝縮物が形成される。コイルに凝縮物が蓄積されると、その結果、管で定在波が形成され、その定在波は真の発生源信号を減衰し、信号の正確な測定を阻害する。

従って、音響減衰システムを連続して動作させるためには、コイルシステムにおける凝縮物の形成を防止しなければならない。この問題に対処するために、従来のシステムは減衰コイルから凝縮物を除去するように定期的にパージングされる必要がある。

コイルシステムにおいて凝縮物を定期的にパージングするのではなく、音響減衰システムにおける凝縮物の形成を防止するための少なくとも１つのメカニズムが提供される。本発明の一実施例によれば、減衰コイルの内側の温度は凝縮を防止するのに十分な高さであることが保証される。これは、高温を維持するために制動システムに近接して専用熱源を設けるか、又は凝縮を防止するように十分に高温である場所に音響減衰システムを配置し、それにより、追加の熱源を不要にすることにより実現できるであろう。

本発明の一実施例では、燃焼チャンバの内部などの高温の環境から導波管を介して、センサホルダの水平軸の周囲に巻き付けられた減衰コイルへ動圧信号が送信される。この例では、音響減衰システムを具備するコイルは圧力センサホルダの周囲に熱交換関係で巻き付けられるので、導波管に配置された媒体の熱は対流により減衰コイルへ伝達される。

従って、本発明は、圧力感知通路を有し、前記圧力感知通路に動作結合された圧力センサを収容するホルダ本体と、前記圧力感知通路と流れ連通関係であるように前記圧力感知通路に結合され、コイルにおける凝縮物の形成をほぼ回避するように熱源に対して熱交換関係で配置された細長い音響減衰コイルとを具備する燃焼器の動圧プローブホルダにおいて具現化されるであろう。

また、本発明は、圧力感知通路を有し、前記圧力感知通路に動作結合された圧力センサチャンバを規定するホルダ本体と、前記圧力感知通路に動作結合された孔を有し、コイルにおける凝縮物の形成をほぼ回避するために前記ホルダ本体に対して熱交換関係で配置されるように前記ホルダ本体の周囲に巻き付けられた細長い音響減衰コイルとを具備する燃焼器の動圧プローブホルダでも具現化されるであろう。

更に、本発明は、凝縮物の形成を防止しつつ、燃焼器からの動圧信号を収集する方法であって、圧力感知通路を有し、前記圧力感知通路に動作結合された圧力センサを収容するホルダ本体と、前記圧力感知通路に結合され、熱源に対して熱交換関係で配置された細長い減衰コイルとを具備する動圧プローブ装置を設けることと、燃焼器から前記圧力感知通路を介して動圧信号を供給することと、前記動圧信号を前記圧力センサによって検出することと、前記圧力センサの下流側で前記動圧信号を前記減衰コイルを具備する信号減衰メカニズムへ送信し、それにより、前記熱源からの熱が前記減衰コイルにおける凝縮物の形成を防止するようにすることとから成る方法において具現化されるであろう。

これに加えて、又はその代わりに、減衰コイルにおける凝縮物を防止するために高温空気による受動連続パージングが実行される。この実施例によれば、巻き付けられた減衰コイルの一端部が減衰ラインを介して導波管に結合され、巻き付けられた減衰コイルの他端部はパージコイルを介して高温空気の供給源に接続される。

一実施例によれば、高温空気の供給源は圧縮機排気であり、システムの穏やかな連続パージングを実行する。

図１を参照すると、本発明を具現化したプローブホルダ１０が概略的に示されており、プローブホルダ１０はSwagelok（登録商標）１７などの従来の圧縮取り付け器具を介して燃焼器１５の外壁又はケーシング１２に装着されている。以下に更に説明するように、プローブの先端部は、外壁又はケーシング１２と同軸であり且つそこから半径方向内側へ離間して配置されている燃焼ライナ１４にある開口部に嵌合している。動圧信号はホルダの通路を介して、以下に更に詳細に説明するようにホルダ内部の、その先端部から相対的に離れた場所に配置されているセンサへ送信される。動圧信号は、同様に以下に詳細に説明するように、音響減衰システム１９において減衰される。

本発明の第１の実施例を更に詳細に示す図２を参照すると、プローブホルダはほぼ円筒形又はその他の適切な形状のホルダ本体１６を含み、ホルダ本体には、その後端部２０から前端部２２まで延出する第１の貫通孔又は導波管通路１８が形成されている。前端部２２はより細い前方延出部分２４を含み、後端部２０はより細い後方延出部分２６を含む。前端部は、通路１８への入口が燃焼器の動圧にさらされるように燃焼器ライナ１４に形成された開口部を通って突出する。通路１８の内径と等しい内径を有する金属管又は減衰ライン２８を（従来の圧縮取り付け具２９を介して）装着できるようにするために、通路１８は後方延出部分２６でも穴ぐりされている。従って、通路１８と金属管２８の内径は至るところで等しくなっている。

ホルダ本体１６のセンサハウジング部分３０は、後端部２０に隣接してホルダ本体に接合されており（又はそれと一体であり）、ホルダ本体に対して垂直に延出している。相対的に薄い壁３２だけでハウジング部分の内部が貫通孔又は第１の通路１８から分離されるように、センサハウジング部分３０には、ホルダ本体１６の壁の中へ延出する円筒形の内部空間が形成されており、壁３２の中央には圧力送り出し穴又は開口部３４が配置されている。

センサハウジング部分３０の外側端部は、複数のねじ穴３８が形成された半径方向フランジ３６を含む。ハウジング部分３０の内部には、金属スリーブ４０の底部がハウジング部分３０の底壁３２で支持されるように金属スリーブ４０が嵌合されている。Ｏリング４２はスリーブを壁３２に対して密封し、スリーブ４０の反対側の、すなわち、外側の端部にある第２のＯリング４４はスリーブをセンサ４８の半径方向フランジコネクタ４６に対して密封する。

センサ４８の内側部分すなわち感知部分５０は、スリーブ４０内に受け入れられており、ダイアフラム５２により規定される最も内側の端部はセンサハウジング部分３０の底壁３２から離間して配置されて、ダイアフラム５２と壁３２との間に圧力チャンバ５４を規定している。センサ４８は、フランジコネクタ４６から外側へ延出するケーブルコネクタ７０を更に含み、ケーブルコネクタ７０には、センサを適切な監視及び／又は制御装置と接続するケーブル（図示せず）が装着される。この点に関して、開示内容全体が参考として本明細書に取り入れられ、センサの一例の特徴を更に詳細に開示している同時係属出願Ｎｏ. ０９／９８９，１０２を参照。

本発明の一実施例では、動圧信号は燃焼チャンバの内部などの高温の環境から導波管通路を介して減衰コイルへ送信される。従って、動圧信号は、開口部３４（ダイアフラム５２にさらされている）を通過した後、図１及び図２に示すように更に減衰ライン２８へ送り出される。プローブホルダ／減衰ラインの境界面における定在波の形成を防止するために、減衰ライン２８とプローブホルダ動圧信号（導波管）通路１８の内径は先に述べたように全く同じである。減衰ライン２８は減衰コイル８６に接続されている。

凝縮物の形成を防止するために、減衰コイルは熱源と熱交換関係にある。熱源は専用熱源であっても良いし、あるいは既存の加熱環境であっても良い。センサホルダ自体が燃焼器との連通によって高温になることが認識されているので、図示される実施例では、図２に概略的に示すように、減衰コイル８６は圧力センサホルダと熱交換関係で配置されるようにセンサホルダの水平軸の周囲に巻き付けられている。図示される実施例においては、減衰コイル８６は減衰ライン２８を構成している金属管と同じ内径を有する金属管から製造されている。プローブホルダに巻き付けられた減衰コイル８６と減衰ライン２８とを合わせて局部取り付け音響減衰システムと呼んでも良い。

減衰コイルを熱源に対して熱交換関係で配置することにより減衰コイルの内側の温度が凝縮物を防止するのに十分な高さになることが保証されるため、システムが連続して動作できるように凝縮物の形成が防止されることは理解されるであろう。凝縮物を更に防止することが必要である又は望ましいと思われる場合には、システムを連続して穏やかにパージングするために、減衰コイルの、減衰ラインとの連通端部とは反対側の端部を高温空気の供給源と流れ連通させても良い。

高温空気による受動連続パージングを実行する別の例が図１に概略的に示されている。このオプションによれば、燃焼器の外壁１２の中から延出する第２の孔又は通路７２が設けられ、その入口は外壁１２とライナ１４との間の半径方向空間８４にある圧縮機排出空気にさらされている。第２の孔７２は、センサハウジング部分３０とほぼ整列され且つ通路７２に対して垂直である出口ブシュ７６に至る。出口ブシュ７６の内部には、例えば、圧縮取り付け具を介して管７８が固着されており、管７８は孔７２と連通する孔を含む。この第２の軸方向孔又は通路７２は、半径方向空間８４から圧縮機排出空気を取り出し、圧縮機排出空気を音響減衰システムの巻き付けられた減衰コイル８６の上側に供給するために使用される。この高温の圧縮機排出空気は水平に巻き付けられた減衰コイル８６の連続受動パージングを行い、それにより、減衰コイルにおける凝縮物の形成を防止する。

動圧信号がその発生源の場所を離れて、金属管の内側を通って進むとき、信号と管の側壁との摩擦によって、信号は徐々に減衰される。信号が更に管に沿って進むにつれて、更に大きな減衰が起こる。信号が管の端部（減衰コイルを含む）に到達すると、信号は反射され、信号発生源に向かって戻り始める。従って、システムは、測定ポイント（３４）から音響減衰システム２８、８６の端部までの距離が十分に長く、反射信号が測定ポイントまで戻る前に完全に減衰されることが保証されるような大きさに規定されているのが好都合である。また、一実施例では、測定ポイントから動圧源までの距離は、測定ポイントで最小限の量の減衰が起こるように絶対最小の距離に保持されている。

図示されている実施例においては、減衰コイルを収容するために、コイル巻線セグメントを形成するようにホルダを予め成形しておいても良い。別の例では、図２に概略的に示すように、例えば、‘１０２出願に図示され且つ開示されている種類のホルダの本体１６にコイルホルダを取り外し自在に固着しても良い。この点に関して、ホルダの周囲に減衰コイルを巻き付けることは、熱交換によって凝縮物が減少する又は最小限に抑えられるという点で有利である。しかし、巻き付けコイルを収容するためには、ある長さの管又はホルダのそれ専用の部分が必要である。図２に示される実施例では、同時係属出願Ｎｏ. ０９／９８９，１０２に開示される種類のＴ字形ホルダがコイルホルダに対応するように変形されている。従って、この実施例においては、管として規定されたコイルホルダ６０が取り付け具６２によってプローブホルダの本体１６に固着され、導波管通路１８と同軸に本体から先へ突出している。導波管通路１８をライナ壁１４まで延出させるために、導波管延出部分６４が設けられている。導波管延出部分に関してコイルホルダ管６０を支持するために、導波管延出部分に対して離間した関係で支持管６６が設けられ、支持管６６は、例えば、取り付け具６８によってコイルホルダ管６０の末端部に固着されている。

図２は、同時係属‘１０２出願に概して示される種類のＴ字形ホルダを減衰コイル８６との熱交換を行えるようにどのように変形すれば良いかということを示していることが理解されるであろう。減衰コイルホルダ６０と、延出部分６４及び６６とを具備するレトロフィット構成を提供するのではなく、最初から、減衰コイルを受け入れるためのある長さの減衰コイル支持部分を有するようにプローブホルダ本体を形成しても良いことを理解すべきである。

本発明の別の実施例を図３に示す。この実施例では、プローブホルダ１１０はＴ字形構成ではなく、まっすぐな形状を有する。従って、図３の実施例においては、圧力センサハウジング部分１３０は導波管１１８の軸と同軸に配置されており、減衰ライン１２８は導波管１１８の軸に関してほぼ垂直に延出するように規定されている。鋳造壁（図示せず）を貫通する取り付け管１６６は、例えば、Swagelok（登録商標）構造１１７によってプローブホルダ１１０の本体１１６に結合されている。プローブの先端が機械の内部へ侵入しないように保証するために、導波管１６４に止めリング１６５を装着しても良い。

図３に示す実施例では、減衰コイル１８６は圧力センサ１４８のハウジング部分１３０の周囲に巻き付けられているため、構成が単純であり、センサ１４８を圧力源から最短の距離に配置することができる。しかし、図２の実施例のように、減衰コイルを導波管１１８と同軸になるように取り付ける場合と比較して、圧力センサ自体の熱交換効果は劣ることを理解すべきである。従って、更に別の実施例（図示せず）として、コイルを導波管１１８と同軸且つ同心に配置し、圧力センサ１４８を導波管１１８の下流側に、導波管１１８と軸方向に整列させて配置することも可能であろう。

本発明の更に別の実施例を図４に示す。この実施例は図３の実施例に類似するまっすぐな形状を有してるので、圧力センサハウジング部分２３０は導波管２１８の軸と同軸に配置されており、減衰ライン２２８は導波管２１８の軸に対してほぼ垂直に延出するように規定されている。図３の実施例と同様に、図４の実施例においても、取り付け管２６６は鋳造壁２１２を貫通し、導波管２６４は燃焼器ライナ２１４で終わっている。取り付け管２６６は、例えば、Swagelok（登録商標）構造２１７によってプローブホルダ２１０の本体２１６に結合されている。プローブの先端が機械の中へ侵入しないように保証するために、導波管２６４に止めリング２６５を装着しても良い。

図４に示す実施例では、減衰コイル２８６は圧力センサ２４８のハウジング部分２３０の周囲に巻き付けられている。具体的には、減衰コイルは、ハウジング部分２３０と同軸に配置され且つコイルを限定するために半径方向に突出する端壁を有する金属スプール２８７の周囲に巻き付けられている。スプールを収容し、組み立て工程を簡単にするために、ハウジング部分２３０の外側端部は端部材２４６に設けられた相補形のねじ山と係合するための内側ねじ山、例えば、左ねじと、止めナット２３６に設けられた相補形のねじ山と係合するための外側ねじ山、例えば、右ねじとを含む。端部材２４６には、端部材２４６のフランジと止めナット２３６との間で係止されるように止め板２９０が摺動自在に配置されている。端部材２４６と止めナット２３６は協働して係止し、センサ２４８をハウジング部分２３０内で位置決めし、保持することが理解されるであろう。

本発明を現時点で最も実用的で好ましい実施例であると考えられるものに関連して説明したが、本発明は開示された実施例に限定されてはならず、添付の特許請求の範囲の趣旨の範囲内に含まれる様々な変形及び等価の構成を含むことが意図されていると理解すべきである。

本発明の一実施例に従って圧力センサホルダによって燃焼器外壁に装着された動圧センサを示す、燃焼器の部分横断面概略図。 図１のセンサホルダの概略横断面図。 本発明の第２の実施例によるセンサホルダの概略横断面図。 本発明の第３の実施例によるセンサホルダの概略横断面図。

符号の説明

１０、１１０、２１０…プローブホルダ、１２…ケーシング、１４…燃焼器ライナ、１５…燃焼器、１６、１１６、２１６…ホルダ本体、１８、１１８，２１８…第１の貫通孔又は導波管通路、２８…減衰ライン、３０…センサハウジング部分、４８…センサ、７２…第２の孔又は通路、７８…管、８６、１８６、２８６…減衰コイル

Claims (10)

1. 燃焼器の動圧プローブホルダ（１０、１１０、２１０）において、
   圧力感知通路（１８、１１８、２１８）を有し、前記圧力感知通路に動作結合された圧力センサチャンバを規定するホルダ本体（１６、１１６、２１６）と、
   前記圧力感知通路に動作結合された孔を有し、コイルにおける凝縮物の形成を回避するために前記ホルダ本体に対して熱交換関係で配置されるように前記ホルダ本体の周囲に巻き付けられた細長い音響減衰コイル（８６、１８６、２８６）とを具備するプローブホルダ。
2. 前記減衰コイルは前記圧力感知通路と同軸に巻き付けられている請求項１記載のプローブホルダ。
3. 前記圧力センサチャンバは前記圧力感知通路に対してほぼ垂直に配置されている請求項１記載のプローブホルダ。
4. 前記圧力センサチャンバは前記圧力感知通路とほぼ同軸に配置されている請求項１記載のプローブホルダ。
5. 減衰ライン（２８）は前記ホルダ本体に同軸に結合され、前記圧力感知通路から前記減衰コイル（８６）まで延出している請求項１記載のプローブホルダ。
6. 前記ホルダ本体に、前記減衰ラインの側ではない一端部で前記減衰コイルの孔との間で圧縮機排出空気を連通する第２の通路（７２）が形成されている請求項５記載のプローブホルダ。
7. 凝縮物の形成を防止しつつ、燃焼器からの動圧信号を収集する方法において、
   圧力感知通路（１８、１１８、２１８）を有し、前記圧力感知通路に動作結合された圧力センサを収容するホルダ本体（１６、１１６、２１６）と、前記圧力感知通路に結合され、熱源に対して熱交換関係で配置された細長い減衰コイル（８６、１８６、２８６）とを具備する動圧プローブ（１０、１１０，２１０）装置を設けることと、
   燃焼器から前記圧力感知通路を介して動圧信号を供給することと、
   前記動圧信号を前記圧力センサによって検出することと、
   前記圧力センサの下流側で前記動圧信号を前記減衰コイルを具備する音響減衰システム（１９）へ送信し、それにより、前記熱源からの熱が前記減衰コイルにおける凝縮物の形成を防止するようにすることとから成る方法。
8. 前記ホルダ本体は前記熱源を具備し、前記減衰コイルは前記ホルダ本体と熱交換関係にあるように前記ホルダ本体の周囲に巻き付けられている請求項７記載の方法。
9. 前記減衰コイルの受動パージングを実行し、それにより、前記減衰コイルにおける凝縮物の形成を防止するために、前記減衰コイルに圧縮機排出空気（７２、７８）を供給することを更に含む請求項８記載の方法。
10. 前記供給する過程は、前記燃焼器の外壁（１２）とライナ（１４）との間の半径方向空間内で圧縮機排出空気にさらされる入口を有する第２の通路（７２）を前記ホルダ本体（１６）に設けることにより実行される請求項９記載の方法。

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