JP2007085345A

JP2007085345A - 液冷式燃焼用カメラ

Info

Publication number: JP2007085345A
Application number: JP2006252366A
Authority: JP
Inventors: David L Williamson; デイヴィッド・エル・ウィリアムソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2007-04-05
Also published as: US7336897B2; CN1945124B; US20070065141A1; CN1945124A; EP1765003A1

Abstract

【課題】工業用ガスタービン内の燃焼過程を観察するためのカメラ（１０３）を備える液冷式燃焼用カメラアセンブリ（１００）を提供すること。
【解決手段】液冷式燃焼用カメラアセンブリは、３重同心管アセンブリ（１０６、１０８、１１０）、および３重同心管アセンブリ（１０６、１０８、１１０）の第１の端部に配置された窓蓋（１０２）をさらに備える。カメラ（１０３）は、窓蓋（１０２）に隣接してその後ろに配置され得る。３重管アセンブリ（１０６、１０８、１１０）は、それぞれの管の間に、冷却材の流れを入口（１２４）からカメラ（１０３）へ、またカメラ（１０３）から出口（１２６）へ導くチャネルを形成することができる。冷却材は水でもよい。窓蓋（１０２）は円筒形で、直径が１インチ（２．５４ｃｍ）を超えずにおくことができる。窓蓋（１０２）はろう付け石英ガラスでもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、工業レベルで燃焼過程を観察するためのカメラアセンブリに関し、より詳細には、それに限定されないが、液体冷却された燃焼用カメラに関する。

燃焼用カメラは、工業用ガスタービンでは、燃焼過程を可視化するために設計され、使用されてきた。公知の設計では、一般には電荷結合素子（「ＣＣＤ」）カメラである、アセンブリに用いられるカメラを冷却するには空気を用いてきた。空気を冷却媒体として用いることに伴う限界のために、これらのアセンブリは、比較的大きかった。それにも拘わらず、これらアセンブリはまだ十分には冷却されず、その結果、ＣＣＤカメラは、その熱感度のために、しばしば誤動作を生じた。空気冷却媒体には大きなサイズが必要なために、燃焼過程を観察するのに燃焼チャンバに直径約２．０インチ（約５ｃｍ）の開口が必要になる。しかし、この大きさの開口は、工業用ガスタービンに許容されるものより一般に大きい。

さらに、公知の燃焼用カメラアセンブリは、一般に、ガスタービンの外側に装着され、レンズセットなど、カメラの小部分のみが、高圧、高温のタービン環境に挿入される。最近、多くの工業用ガスタービンに要求されるように、燃焼用カメラ全体をガスタービンの内部に装着すると、ＣＣＤカメラが著しく過熱され、不具合を生じることがある。公知の燃焼用カメラは、一般に、設計上の特徴として、それを通してＣＣＤカメラが燃焼過程を視認する透明層である石英ガラスの窓蓋を取り付け、シールするために、ねじ式機械的締結具およびガスケット構成を有している。しかし、この構成は、２つの望ましくない結果をもたらす。すなわち、（１）大きなカメラハウジング直径、および（２）高温環境下の劣化によるガスケットの頻繁な交換である。

公知の燃焼用カメラにはまた、ボイラ内の燃焼過程を観察するのに用いられるカメラ設計を改造したアセンブリが含まれている。これら改造アセンブリは、やはり空冷であり、その結果サイズが大きい。別の一般的な設計としては、レンズをカメラから分離したものがある。この種のカメラアセンブリのレンズには、一般に、燃焼過程の画像をボイラの外側に配置された後方のＣＣＤカメラに投影するのに使用する「レンズセット」が含まれている。この配置では、タービンの極度の温度および圧力状態中には、レンズセットのみを配置すればよい。この設計の欠点としては、光の減衰および画像の歪がある。光の減衰は、着火過程中のスパークの観察など、明度の低い燃焼過程局面の観察を妨げる。画像の歪は、画像を幾分ぼやけさせ、燃焼過程の細部の詳細な観察を妨げる。

最新の工業用ガスタービンの多くでは、燃焼用カメラアセンブリが以下の基準を満たすように設計する必要がある。すなわち、（１）３５０ｐｓｉ、８２５°Ｆ（２４．６ｋｇ／ｃｍ^２、４４０℃）の環境内に全体が取り付けられ、３０００°Ｆ（１６５０℃）の燃焼過程を観察しながら作動すること、（２）冷却媒体を燃焼器中に排出することがないように冷却すること、冷却媒体が燃焼器中へ排出されると、燃焼過程に影響を及ぼし、したがって、燃焼過程が実際の過程を表さなくなる、（３）直径１．０インチ（約２．５ｃｍ）の開口を通して燃焼過程を観察すること、（４）ＣＣＤカメラが、燃焼着火過程中のスパークプラグの作動を観察することができるように、光の減衰量を制限すること、（５）工業用タービンおよび燃焼器テストスタンドの空間上の制約を満足するように、全体の周囲寸法が小さいこと、および（６）タービンまたはテストスタンド内の燃焼用カメラアセンブリ位置への限られた難しいアクセスを要する点検整備を行うことなく、長時間の作動が可能であることである。

したがって、これらの要件を満足し、上記の公知の設計に見られる幾つかの限界を改善する燃焼用カメラアセンブリが必要であると長い間思われてきた。

したがって、本出願は、工業用ガスタービン内の燃焼過程を観察するためのカメラを備える液冷式燃焼用カメラアセンブリを記載することができ、その液冷式燃焼用カメラアセンブリは、３重同心管アセンブリ、および３重同心管アセンブリの第１の端部に配置された窓蓋をさらに備える。カメラは、窓蓋に隣接してその後ろに配置され、３重管アセンブリは、それぞれの管の間に、冷却材の流れを入口からカメラへ、またカメラから出口へ導くチャネルを形成する。冷却材は水でもよい。

ある実施形態では、窓蓋の幅が１インチ（２．５４ｃｍ）の長さを超えずにおくことができる。別の実施形態では、窓蓋は円筒形で、直径が１インチ（２．５４ｃｍ）を超えずにおくことができる。窓蓋はろう付け石英ガラスでもよい。液冷式燃焼用カメラは、液体冷却材の流れを入口に送り込み、出口から液体冷却材の流れを排出させる液体循環手段をさらに備える。

ある実施形態では、液冷式燃焼用カメラは、３重同心管アセンブリの第２の端部に接続されたハウジングをさらに備えることができる。ハウジングは、供給ホースに接続された入口、および排出ホースに接続された出口を備えることができる。ハウジングは、水の流れを入口から３重同心管アセンブリへ、また３重同心管アセンブリから出口へ導く複数のハウジングチャネルをさらに備えることができる。

他の実施形態では、３重同心管アセンブリは、内側カメラ管、中間カメラ管、および外側カメラ管を備えることができる。内側カメラ管が中間カメラ管内に配置され、それにより第１の冷却材チャネルを生成し、中間カメラ管が前記外側カメラ管内に配置され、それにより第２の冷却材チャネルを生成することができる。第１のハウジングチャネルが、冷却材の流れを入口から第１の冷却材チャネルへ導き、第２のハウジングチャネルが、冷却材の流れを第２の冷却材チャネルから出口へ導くことができる。

本発明のこれらおよび他の特徴は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を、図面および添付特許請求の範囲と併せて考察することによって明らかになる。

ここで図面を参照すると、複数の図を通して同じ数字は同じ要素を指すが、図１は、本明細書に記述する液冷式燃焼用カメラアセンブリ１００の一実施形態を表す。液冷式燃焼用カメラ（アセンブリ）１００は、窓蓋１０２を備えることができる。窓蓋１０２は、ＧＥ−２１４など、当技術分野では公知のろう付け石英ガラス材から製作することができる。窓蓋１０２は、カメラ１０３にとって、燃焼過程を視るための透明な圧力境界であり得る。他の公知の材料もまた、カメラ１０３がそれを通して燃焼過程を観察することができる透明な窓をもたらすと共に、燃焼環境中で作動するために必要な物理的特性を備えていれば、窓蓋１０２に用いることができる。

窓蓋１０２の直径は、約１インチ（約２．５４ｃｍ）以下であり得る。窓蓋１０２の厚さは、１／８〜１／４インチ（約３．１８〜６．３５ｃｍ）であり得る。窓蓋１０２は、窓蓋保持部１０４に固定することができる。

液冷式燃焼用カメラアセンブリ１００はさらに、外側カメラ管１０６、中間カメラ管１０８、および内側カメラ管１１０を備える３重同心管構成を有することができる。３重同心管構成は、ステンレス鋼、インコネル、または他の同様な当技術分野では公知の材料から製作することができる。これらの管は、内側カメラ管１１０が中間カメラ管１０８内に嵌り、中間カメラ管１０８は外側カメラ管１０６内に嵌るような寸法にすることができる。さらに、組み立てたときに、３重同心管構成の寸法は、内側カメラ間１１０の外径と中間カメラ間１０８の内径との間、および中間カメラ間１０８の外径と外側カメラ管１０６の内径との間に空間を残すようにすることができる。この空間により、流体がその中を通るチャネルを生成することができる。

窓蓋保持部１０４は、溶接または当技術分野で公知の手段によって、外側カメラ管１０６の一方の端部に固定することができ、それによって一体の部品を形成する。外側カメラ管１０６の他方の端部は、管締込み接手１１４を介してカメラ取付けフランジ１１２に取り付け、シールすることができる。カメラ取付けフランジ１１２は、管締込み接手１１４をその中に取り付けることができる中心開口１１６を備えることができる。以下により詳細に説明し、より詳細に図２および３に示すように、カメラ取付けフランジ１１２はまた、液体流が特別な方式でその内部を通して導かれる内部チャネルを備えることができる。カメラ取付けフランジ１１２は、液冷式燃焼用カメラ１００を所望の位置に取り付けるためにボルト１２０がそれを通って使用され得る複数の開口１１８をさらに備えることができる。カメラ取付けフランジ１１２は、ステンレス鋼、インコネル、または他の同様な当技術分野では公知の材料から製作することができる。

中間カメラ管１１０は、溶接または他の手段によって、上部ハウジング１２２に取り付けることができ、それによって一体部品を形成する。上部ハウジングは、ステンレス鋼、インコネル、または他の同様な当技術分野では公知の材料から製作することができる。上部ハウジング１２２は、入口１２４および出口１２６を備えることができる。入口１２４は入口管接手１２８に接続され、それによって、入口１２４が供給ホース（図示せず）に接続され得る。ポンプ（図示せず）が、供給ホースを通して入口１２４の中へ加圧液体を循環させることができる。ポンプは、遠心ポンプ、往復ポンプ、または他の同様なポンプおよび流体移動装置など、当技術分野で公知のいかなるポンプでもよい。出口１２４は出口管接手１３０に接続され、それによって、出口１２６が排出ホース（図示せず）に接続され得る。より詳細に図２および３に示されるように、上部ハウジング１２２はさらに、その内部を通って水の流れが特別な方式で導かれる内部チャネルを備えることができる。

上部ハウジング１２２内の入口内部チャネル２０２は、水の流れを入口１２４から内部カメラ管１１０の外径と中間カメラ管１０８の内径との間の空間へ導くことができる。上部ハウジング１２２内の出口チャネル１３２は、液体冷却材の流れをカメラ取付けフランジ１１２内に形成された接続チャネル２０４から出口１２６へ導くことができる。接続チャネル２０４は、液体冷却材を、中間カメラ管１０８の外径と外側カメラ管１０６の内径との間の空間から出口チャネル１３２へ導くことができる。上部ハウジング１１４は、カメラ取付けフランジ１１２に対してＯ−リング１３４によってシールされ得る。カメラ取付けフランジ１１２の接続チャネル２０４は、上部ハウジング１２２の出口チャネル１３２に対してＯ−リング１３６によってシールされ得る。併せてアセンブリのハウジングと呼ぶことができるカメラ取付けフランジ１１２と上部ハウジング１２２中にこれら冷却通路を機械加工することによって、装置全体の寸法を減少させることができ、それは、工業用燃焼装置中での観察および試験装置の取付けに関する空間的制約を考慮すれば、重要なことである。

カメラ保持部１３８は、カメラ１０３を、使用中は窓蓋１０２に近接して支持し位置合わせすることができる。カメラ１０３はＣＣＤカメラでもよい。ＣＣＤカメラ１０３は、当技術分野では公知のこの形式のカメラから選択することができる。複数の小ねじ１３９が、カメラ保持部１３８の所定の位置にＣＣＤカメラ１０３を強固に固定する。カメラ保持部１１０は、内部カメラ管１１０の一方の端部に溶接し、または当技術分野で公知の他の手段によってそこに取り付けることができる。次に、ＣＣＤカメラのカメラケーブル１４０は、内部カメラ管１１０を上って水供給ホースの中へ導かれ得る。水供給ホースの中を通ってカメラケーブル１０４はガスタービンから外へ出ることができ、当技術分野で公知のカメラ画像装置（図示せず）に接続され、その結果、ＣＣＤカメラ１０３が視認した画像が、調査され記録される。この手法によれば、燃焼炎のごく近くに光減衰が軽微または皆無の状態でＣＣＤカメラ１０３を配置することができ、それにより、低温ＣＣＤカメラ１０３およびカメラケーブル１４０をタービン環境の高温から保護しながら、燃焼過程の明るく、鮮明で、はっきりした画像を生成することができる。

内部カメラ管１１０は、その他方の端部で４ボルトフランジ１４１に固定することができる。４ボルトフランジ１４１は、上部ハウジング１２２の上面にある複数の開口（図示せず）に位置あわせされ、ボルト１４２によって上部ハウジング１２２に取り付けられ得る。ボルト１４２は、組み立てられたとき、内部カメラ管１１０を上部ハウジング１１４中および中間カメラ管１０８内に機械的に固定し位置あわせする。

上部カメラフランジ１４４およびＯ−リング１４６は、４ボルトフランジ１４１の上側に配置され、複数のシーリングボルト１４８と共に、アセンブリをシールし一体に纏めるのに使用され得る。シーリングボルト１４８は、上部カメラフランジ１４４の開口１５０および上部ハウジング１２２の開口１５２を通って、カメラ取付けフランジ１１２の上面のねじ式開口（図示せず）に差し込まれ得る。アセンブリを一体に纏めながら、シーリングボルト１４８はまた、中間カメラ管１０８を外側カメラ管１０６中に機械的に固定し位置合わせすることができる。当業者は、アセンブリをシールし一体に纏めるのに、他の公知の手段を使用できることを理解するであろう。

この液冷式燃焼用カメラ１００の設計は、装置を効率的に組み立て、点検整備することを可能にし得る。たとえば、窓蓋１０２が損傷した場合、外側カメラ管１０６を管締込み接手１１４から取り外し、窓蓋１０２／窓蓋保持部１０４／外側カメラ管１０６アセンブリを新しいものに交換することによって、窓蓋１０２を効率的に交換することができる。

さらに、ろう付け石英ガラス１０２を使用することにより、ねじ式機械的取付け機構をなくすことによって、カメラハウジングの直径（すなわちそれは一般に窓蓋１０２および窓蓋保持部１０４または同様の構成部品の直径を含むが）を、１インチ（約２．５４ｃｍ）以下の直径に減少させることができる。石英ガラスを金属製保持部にろう付けすることにより、石英ガラスと金属を一体に融合させ、それによって密封シールを形成することができる。したがって、石英ガラスを金属に取り付け／固定するのに機械的締結具を必要とせず、それによってアセンブリを小型化することができる。ろう付け石英ガラスの手法はまた、高温高圧環境では通常頻繁な点検整備を必要とする高温ガスケットまたはシールの必要性を低減することができる。すなわち、ろう付け石英ガラスの手法で形成されたシールは、ガスケットまたは他のシールを必要なくすることができる。

また、カメラ保持部１３８／内部カメラ管１１０／４ボルトフランジ１４１アセンブリは、効率的なＣＣＤカメラ１０３の装着および交換を可能にし得る。ＣＣＤカメラ１０３は、内部カメラ管１１０を上部ハウジング１２２から取り外した状態で、内部カメラ管１１０の下部でカメラ保持部１３８に挿入し、３本の小ねじ１３９を締め込むことによって取り付けることができる。次いで、内部カメラ管１１０を、上部ハウジング１２２に挿入し、シールボルト１４８によって所定位置に固定することができる。使用中、液冷式燃焼用カメラアセンブリ１００は、工業用ガスタービンの高圧高温環境内にあるＣＣＤカメラ１０３を、液体冷却材の内部流れを用いて保護し冷却することができる。空気より大きな水の冷却能力によって、カメラハウジングの大きさを減少させることが可能になる。この使用例では、液体冷却材は水として説明されるが、他の液体も使用することができる。

図３に示されるように、冷却水が、入口管接手１２８に取り付けられた可撓金属ホース（図示せず）を介しタービン外部から、入口１２４を通って上部ハウジング１２２に流入することができる。水ポンプ（図示せず）が、加圧水の流れを可撓金属ホースを通して供給することができる。水は、圧力１０〜８０ｐｓｉ、流量約５〜３０ｇａｌ／ｓ（約０．３２〜１．８９ｌ／ｓ）で供給され得る。次いで、冷却水は、入口内部チャネル２０２を通って内部カメラ管１１０の外径と中間カメラ管１０８の内径とによって画成される空間へ流れる。次いで、水は、この空間を下方へ窓蓋１０２に向かって流れ下ることができる。冷却水が窓蓋１０２に達すると、窓蓋１０２は、流れの方向を１８０度変えて、冷却水が、中間カメラ管１０８の外径と外側カメラ管１０６の内径とによって画成される空間に導かれるようにすることができる。次いで、冷却水は、この空間を通って、カメラ取付けフランジ１１２に向かって流れ戻る。カメラ取付けフランジ１１２で、冷却水は、カメラ取付けフランジ１１２内に機械加工された接続チャネル２０４に導入され得る。

接続チャネル２０４から、冷却水は、上部ハウジング１２２内の出口チャネル１３２に導入され得る。次いで、冷却水は、出口チャネル１３２を通って出口１２６および出口管接手１３０へ流れ、出口管接手１３０に接続された可撓金属ホース（図示せず）によってそこから運び去られ得る。このようにして、カメラ１０３は、燃焼過程に影響を与えるであろう燃焼器中への冷却材の流出を生じることなしに冷却され得る。冷却材は、約８０°Ｆ（約２６．７℃）でアセンブリに流入し、約９２°Ｆ（約３３．３℃）で流出し得る。このように冷却することによって、液冷式燃焼用カメラ１００は、圧力が３５０ｐｓｉを超え、温度が９００°Ｆ（約４８２．２℃）を超えることが多い工業用ガスタービン内で作動することができる。

図５に示されるように、アセンブリから流出した冷却水は、次いで、水ポンプ５０２、熱交換器５０４、ならびに当技術分野で公知の他の装置およびバルブ類（図示せず）を用いて再循環され、それによって閉ループ冷却システムを形成することができる。熱交換器５０４に於いて、冷却水は、水ポンプ５０２によって燃焼用カメラアセンブリ１００内へ再循環させられる前に、アセンブリを通って流れている間に吸収したエネルギーを放出することができる。当業者は、この熱伝達目的を満足する他の方法も思い付くであろう。

上記は本発明の好ましい実施形態のみに関するものであり、添付特許請求の範囲およびその同等物によって定義された本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に数多くの変更および修正を加えることができることは明らかであろう。

本発明の液冷式燃焼用カメラの実施形態を示す分解組立図である。図１の液冷式燃焼用カメラの平面図である。図１の液冷式燃焼用カメラの側方断面図である。図１の液冷式燃焼用カメラを通る液体冷却材の流れを示す側方断面図である。図１の液冷式燃焼用カメラと共に用いることができる閉ループ冷却システムの例を示す略図である。

符号の説明

１００液冷式燃焼用カメラアセンブリ
１０２窓蓋
１０３カメラ
１０４窓蓋保持部
１０６外側カメラ管
１０８中間カメラ管
１１０内側カメラ管
１１２カメラ取付けフランジ
１１４管締込み接手
１１６中心開口
１１８開口
１２０ボルト
１２２上部ハウジング
１２４入口
１２６出口
１２８入口管接手
１３０出口管接手
１３２出口チャネル
１３４Ｏ−リング
１３６Ｏ−リング
１３８カメラ保持部
１３９小ねじ
１４０カメラケーブル
１４１４ボルトフランジ
１４２ボルト
１４４上部カメラフランジ
１４６Ｏ−リング
１４８シーリングボルト
１５０開口
１５２開口
２０２入口内部チャネル
２０４接続チャネル
５０２水ポンプ
５０４熱交換器

Claims

工業用ガスタービン内の燃焼過程を観察するためのカメラ（１０３）を備える液冷式燃焼用カメラアセンブリ（１００）であって、
３重同心管アセンブリ（１０６、１０８、１１０）と、
前記３重同心管アセンブリ（１０６、１０８、１１０）の第１の端部に配置された窓蓋（１０２）と
を備え、
前記カメラ（１０３）は、前記窓蓋（１０２）に隣接してその後ろに配置され、前記３重同心管アセンブリ（１０６、１０８、１１０）は、それぞれの管の間に、冷却材の流れを入口（１２４）から前記カメラ（１０３）へ、また前記カメラ（１０３）から出口（１２６）へ導くチャネルを形成する、液冷式カメラアセンブリ（１００）。
前記冷却材が水である、請求項１記載の燃焼用カメラアセンブリ（１００）。
前記窓蓋（１０２）の幅が２．５４ｃｍを超えない、請求項１記載の液冷式燃焼用カメラアセンブリ（１００）。
前記窓蓋（１０２）が円筒形であり、その直径が２．５４ｃｍを超えない、請求項１記載の液冷式燃焼用カメラアセンブリ（１００）。
前記窓蓋（１０２）がろう付け石英ガラスを備える、請求項１記載の液冷式燃焼用カメラアセンブリ（１００）。
液体冷却材の流れを前記入口（１２４）に送り込み、前記出口（１２６）から前記液体冷却材の流れを排出させる液体循環手段（５０２）をさらに備える、請求項１記載の液冷式燃焼用カメラアセンブリ（１００）。
３重同心管アセンブリ（１０６、１０８、１１０）の第２の端部に接続されたハウジング（１１２、１２２）をさらに備える、請求項１記載の液冷式燃焼用カメラアセンブリ（１００）であって、
前記ハウジング（１１２、１２２）が、供給ホースに接続された前記入口（１２４）、および排出ホースに接続された前記出口（１２６）を備える、液冷式燃焼用カメラアセンブリ（１００）。
前記ハウジング（１１２、１２２）が、水の流れを前記入口（１２４）から前記３重同心管アセンブリ（１０６、１０８、１１０）へ、また前記３重同心管アセンブリ（１０６、１０８、１１０）から前記出口（１２６）へ導く複数のハウジングチャネルを備える、請求項７記載の液冷式燃焼用カメラアセンブリ（１００）。
前記３重同心管アセンブリ（１０６、１０８、１１０）が、内側カメラ管（１１０）と、中間カメラ管（１０８）と、外側カメラ管（１０６）とを備え、
前記内側カメラ管が前記中間カメラ管（１０８）内に配置され、それによって第１の冷却材チャネルを生成し、前記中間カメラ管（１０８）が前記外側カメラ管（１０６）内に配置され、それによって第２の冷却材チャネルを生成する、請求項８記載の液冷式燃焼用カメラアセンブリ（１００）。
第１のハウジングチャネル（２０２）が、前記冷却材の流れを前記入口（１２４）から前記第１の冷却材チャネルへ導き、第２のハウジングチャネル（１３２）が、前記冷却材の流れを前記第２の冷却材チャネルから前記出口（１２６）へ導く、請求項９記載の液冷式燃焼用カメラアセンブリ（１００）。