JP2008534836A - 測定プローブ用防護ケースを備えたガスタービンおよび防護ケース内に敷設された測定配線を保護する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、通路壁（２２）で囲まれた燃焼ガス（１１）に対する流路（２０）と、燃焼ガス（１１）のパラメータを検出するために通路壁（２２）に配置された少なくとも１個の測定プローブ（２６）とを有するガスタービンであって、この測定プローブ（２６）が、燃焼ガス（１１）と接触する耐熱性の測定尖端（３０）と、流路（２０）の外側に配置され防護ケース（３８）内に敷設された測定配線（３４）とを有するガスタービン（１）に関する。測定配線（３４）が安価に敷設され許容できない高い運転温度から確実に保護される、測定プローブ（２６）の測定配線（３４）に対する構造的に単純な防護ケース（３８）を備えたガスタービン（１）を形成するために、本発明は、防護ケース（３８）が、防護ケース（３８）に接続された冷却材源から取り出された冷却材（４２）で貫流される、ことを提案する。

Description

本発明は、通路壁で囲まれた燃焼ガス用の流路と、燃焼ガスのパラメータを検出するために通路壁に配置された少なくとも１個の測定プローブとを有するガスタービンであって、この測定プローブが、燃焼ガスと接触する耐熱性の測定尖端と、流路の外側に配置され防護ケース内に敷設された測定配線とを有するガスタービンに関する。さらに本発明は、そのような防護ケースおよびその防護ケース内に敷設された測定配線を保護する方法に関する。

英国特許出願公開第２２９３９２３号明細書において、断面円環状の通路内を流れる燃焼ガスの温度を測定するための測定装置を備えたガスタービンが知られている。そのために通路の円周にわたって分布された複数のサーモエレメントが通路壁に取り付けられている。その測定電気配線を通路外側における温度から保護するために、測定電気配線は気密保護外被内に敷設されている。その保護外被は、ステンレス鋼やアルミニウムから成る互いに接続された管と分岐箱とから成る系統で形成されている。

しかし管の分岐箱への接続箇所ないし結合箇所に熱膨張のために漏れが生じることがあり、その漏れを通して高温の周囲空気が保護外被の中に侵入し、測定配線の絶縁被覆が許容できない高温に曝される。これは測定結果を狂わせ、測定配線の絶縁被覆を損傷し、それどころか測定プローブを全損させてしまう。

他の欠点は、気密保護外被を形成するために管状防護ケースおよびその分岐箱への気密接続についての構造に経費がかかることにある。
（発明が解決しようとする課題）

本発明の課題は、測定プローブの測定配線に対する単純な構造の防護ケースを備え、この防護ケース内に測定配線が安価に敷設され、許容できない高温から確実に保護される、冒頭に述べた形式のガスタービンを提供することにある。また本発明の課題は、前記に該当する防護ケースを提供し、且つ、該防護ケース内に敷設された測定配線を保護する方法を提供することにある。
（課題を解決するための手段）

この課題を解決するために、防護ケースに冷却材を導入するために、防護ケースが冷却材が取り出される冷却材源に流体技術的に接続されている冒頭に述べた形式のガスタービンを提案する。また、防護ケースに向けられた課題は、請求項１３に記載の特徴によって解決され、方法に向けられた課題は、請求項１４に記載の特徴によって解決される。

本発明によって、測定電気配線をその絶縁被覆の運転温度より高い許容できない高温から保護するために採用される、ガスタービンの測定装置ないし測定プローブの測定配線に対する冷却材で貫流される通路系が、冒頭に述べた形式のガスタービンに設けられることを提案する。ガスタービンの運転中、測定配線を熱的に保護するために、機械的影響から保護する防護ケースの中に、防護ケースに流体技術的に接続された冷却材源から取り出された冷却材が導入される。本発明によって、測定配線の保護について熱的要件および機械的要件が互いに別個に解決されるが、これは従来のように共通の装置によって解決されるのではない。また、防護ケースを貫流する冷却材は、防護ケースの外からその防護ケースに作用して測定配線ないしその絶縁被覆を損傷させる熱エネルギを、簡単に安価に且つ確実に搬出する。そのようにして、防護ケースの内部における温度レベルが、測定配線およびその絶縁被覆にとって無害であり、従って、許容できる温度値に維持される。

防護ケースに漏れが生じた場合、この漏れが防護ケースの危険な接続点ないし結合点で生じたか、あるいはその中間において生じたかに無関係に、防護ケースの中に流入する冷却材が漏れ箇所を通して封じ媒体として流出するので、高温の周囲空気の侵入が防止され、ガスタービンの安全運転が達成される。勿論、冷却材の圧力は周囲空気の圧力より高くされている。

また、防護ケースを通って流れる冷却材は、測定電気配線を保護し、防護ケースを冷却する。これにより、防護ケースを形成するために安価な材料を利用することができる。さらに、管と分岐箱から成る従来技術における高価な防護ケース構造が単純化され、これにより、コストが削減される。

有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

防護ケースの領域内の通路壁に複数の測定プローブが設けられていることによって、それらの測定配線は唯一の防護ケースの内部に敷設することができる。各測定配線が固有の防護ケース内に敷設される必要はない。

防護ケースが測定プローブに対する少なくとも１個の貫通部を有していることが有利である。これによって、測定配線あるいは測定プローブの尖端が、外から防護ケースの中に挿入することができる。また、これによって、測定プローブを通路壁と防護ケースとの間の任意の箇所に配置することが、従来のようにそのために特別に形成された別個の配管を必要とすることなしに可能とされる。公知の分岐箱は不要となる。

測定プローブは貫通部に気密に取り付けられている。これによって、防護ケースへの高温の周囲空気の侵入が効果的に防止され、これにより、測定配線の絶縁被覆は、最大で規定運転温度にしか曝されない。また、冷却空気が漏れないので、冷却空気が節約できる。

しかし、貫通部における測定プローブの取付け部は、冷却材がその箇所で流出できるように、気体通過性を有するようにすることもできる。冷却材が透過可能な貫通部は気密構造に対するよりも僅かな部品点数しか必要としないので、かかる取付け部に対する製造費は比較的安価である。また、これは気密防護ケースの場合より大きな公差で作ることができる。これによって、かかる形態では製造費並びに組立費が小さくなる。そのほかに、必要な場合には、測定プローブの利用範囲を拡大するために、測定プローブを補助的に一緒に冷却することができる。

通路壁はその長手方向に対して直角に環状に形成され、燃焼ガスとは反対の側の円周面を有し、この円周面において防護ケースが流路を少なくとも部分的に取り囲んでいる。これは、保護外被の単純で安価な配置を可能にする。

特に有利な実施態様において、測定配線がスペーサ要素によって防護ケースの内壁から離されている。これによって、測定配線が防護ケースに接することが防止される。さらにこれによって、測定配線が周囲を冷却材で洗流され、これにより、測定装置従ってガスタービンの特に安全運転が可能とされる。そのスペーサ要素は熱伝導性の低い材料で作られている。

冷却材の防護ケースの中への流入が防護ケースの最低位箇所で行われ、冷却材の流出が防護ケースの最高位箇所で行われることが特に有利である。これは、防護ケースを特に効果的に冷却させる。同時に、冷却材の供給路は、ガスタービンの測定装置、調整装置あるいは評価装置に測定配線を導入する際の案内要素として用いられる。

流路は、燃焼器の内部、タービン装置の内部あるいは定置形ガスタービンの排気・ディフューザの内部に形成されている。測定プローブがサーモエレメント特に排気・サーモエレメントであるとき、本発明は特に有利である。安価で簡単に組み立てできる防護ケースとして、防護ケースはたわみ性金属ホースとすることができる。測定配管が湾曲管によって案内されていた従来技術に比べて、防護ケースとしてたわみ性金属ホースの利用によって、鋼管の曲げ加工が不要となる。

以下図を参照して本発明を詳細に説明する。

図１はガスタービン１を縦断面図で示している。ガスタービン１は内部に中心軸線２を中心として回転可能に支持されタービンロータとも呼ばれるロータ３を有している。このロータ３に沿って順々に、吸込み室４、圧縮機５、複数のバーナ７が同心的に配置されたトーラス状環状燃焼器６、タービン装置８および排気室９が続いている。環状燃焼器６は環状の燃焼ガス通路１８に連通する燃焼室１７を形成している。そこで直列接続された４つのタービン段１０がタービン装置８を形成している。各タービン段１０は２つの翼列で形成されている。燃焼ガス１１の流れ方向に見て、燃焼ガス通路１８内において各静翼列１３に、多数の動翼１５から成る翼列１４が続いている。静翼１２はステータに固定され、これに対して、翼列１４の動翼１５はタービン円板によってロータ３に設置されている。ロータ３に発電機あるいは作業機械（図示せず）が連結されている。

図２は、ガスタービン１の排気室９を横断面図で示している。高温排気の流路２０は、断面円形通路壁２２によって囲まれ、タービン装置８で膨張された燃焼ガス１１はその流路２０を通して排気として排出される。排気室９に複数の、例えば２０個のサーモエレメント２４が測定プローブ２６として配置されている。これらの測定プローブ２６は、通路壁２２の円周にわたって分布され、回転軸線２に対する同心円上に置かれている。各測定プローブ２６は、燃焼ガス１１の温度に対して耐熱性の測定尖端３０を有し、その先端３２において燃焼ガス温度１１のパラメータ例えばその温度が検出される。また、測定プローブ２６は測定電気配線３４を有し、その絶縁被覆は、通路壁２２の外側面３６における外側温度に対する耐熱性を有している。測定配線３４の絶縁被覆を燃焼ガス１１ないし排気で加熱された外側温度による損傷および破壊から保護するために、測定配線３４は防護ケース３８内に敷設されている。防護ケース３８は、円状に置かれた測定プローブ２６と同様に、少なくとも区域的にガスタービン１の流路２０の周りに環状に敷設されている。防護ケース３８の内部に複数の測定プローブ２６の測定配線３４を敷設することができる。

ホース状防護ケース３８は例えばガスタービン１の台座４０の両側で冷却媒体源に接続されている。その冷却媒体源は例えば圧縮機５あるいは外部冷却源である。ガスタービン１の運転中、防護ケース３８の両端４１にそれぞれ、冷却媒体源で用意された冷却材４２が、特に圧縮機５で圧縮された冷却空気が供給される。その冷却材４２は、防護ケース３８を冷却するためおよびその中に敷設された測定配線３４を熱的に防護するために、防護ケース３８の中に吹き込まれ、続いて、防護ケース３８のほぼ最高位点から適切な流出開口４６を通して排出され、あるいは大気に放出される。

防護ケース３８は各測定プローブ２６に対してそれぞれ貫通部４８を有し、各測定プローブ尖端３０は、その貫通部から燃焼ガス１１に接触するように突出している。その場合、冷却材を節約するために、貫通部４８と測定尖端３０は例えば互いに気密にねじ結合されている。

その気密ねじ結合の代わりに、貫通部４８と測定尖端３０は、場合によっては測定尖端３０の周りの温度を下げるために、冷却材が所定量、即ち、限られた量だけその箇所に流出できるように互いに接続することもできる。これは測定プローブ２６の利用範囲を拡大させる。この場合、測定プローブ２６がサーモエレメント２４として形成されているとき、得られた測定値は相応して補正できる。

測定プローブ２６が冷却空気や他の適当な冷却材４２が貫流するような防護ケース３８を装備されているとき、排気流の代わりに、燃焼器特に管形燃焼器における燃焼ガス流も監視できる。

図３には、例えばガスタービン１の防護ケース３８が展開図で示されている。この防護ケース３８は安価なアルミニウム波板から成るホースである。測定プローブ２６に対する貫通部は、防護ケース３８の横に配置することも（図２）、通路壁２２の外側面３６あるいは円周面に接する防護ケース３８の部位に配置することもできる（図３）。

測定プローブ２６をガスタービン１および測定配線３４に組み立てる際、さらに防護ケース３８に、クランプ状スペーサ要素５０（図４）が利用される。このスペーサ要素５０は、測定配線３４を防護ケース３８の壁から離し、即ち、スペーサ要素５０は測定配線３４を防護ケース３８の中心に置く。この場合、防護ケース３８は冷却材が貫流できる切欠き開口５２を有しているので、防護ケース３８の冷却材４２による洗流は制限されない。特に熱伝導性の低いかかるスペーサ要素５０は、測定配線３４に例えばほぼ１０〜１５ｃｍ毎に設けられる。

定置形ガスタービンの縦断面図。 ガスタービンの測定装置を備えた排気室の横断面図。 測定装置における防護ケースの展開図。 スペーサ要素の横断面図。

符号の説明

１ ガスタービン
１１ 燃焼ガス（高温ガス）
２０ 流路
２２ 通路壁
２６ 測定プローブ
３０ 測定尖端
３４ 測定配線
３８ 防護ケース
４２ 冷却材
４８ 貫通部

Claims (14)

1. 通路壁（２２）で囲まれた燃焼ガス（１１）用の流路（２０）と、燃焼ガス（１１）のパラメータを検出するために通路壁（２２）に配置された少なくとも１個の測定プローブ（２６）とを有するガスタービンであって、該測定プローブ（２６）が、燃焼ガス（１１）と接触する耐熱性の測定尖端（３０）と、流路（２０）の外側に配置され防護ケース（３８）内に敷設された測定配線（３４）とを有するガスタービン（１）において、
   防護ケース（３８）に冷却材（４２）を導入するために、防護ケース（３８）が、冷却材（４２）が取り出される冷却材源に流体技術的に接続されていることを特徴とするガスタービン（１）。
2. 防護ケース（３８）の領域内の通路壁（２２）に複数の測定プローブ（２６）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン（１）。
3. 防護ケース（３８）が測定プローブ（２６）用の少なくとも１個の貫通部（４８）を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン（１）。
4. 測定プローブ（２６）が貫通部（４８）に気密に取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン（１）。
5. 貫通部（４８）における測定プローブ（２６）の取付け部が、冷却材（４２）に対して気体通過性を有していることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン（１）。
6. 通路壁（２２）がその長手方向に対して直角に環状に形成され、燃焼ガス（１１）とは反対の側の円周面を有し、この円周面において防護ケース（３８）が流路（２０）を少なくとも部分的に取り囲んでいることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のガスタービン（１）。
7. 測定配線（３４）がスペーサ要素（５０）によって防護ケース（３８）の内壁から離されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のガスタービン（１）。
8. 防護ケース（３８）の中への冷却材（４２）の入口が防護ケース（３８）の最低位箇所に設けられ、冷却材（４２）の出口が防護ケース（３８）の最高位箇所に設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載のガスタービン（１）。
9. 流路（２０）が、燃焼器（６）の内部、タービン装置（８）の内部あるいは定置形ガスタービン（１）の排気・ディフューザの内部に形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載のガスタービン（１）。
10. 測定プローブ（２６）がサーモエレメント（２４）、特に排気・サーモエレメントであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載のガスタービン（１）。
11. 防護ケース（３８）がたわみ性金属ホースであることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のガスタービン（１）。
12. 冷却材（４２）として冷却空気が採用されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載のガスタービン（１）。
13. 測定プローブ（２６）が耐熱性の測定尖端（３０）と防護ケース（３８）内に敷設された測定配線（３４）とを有するガスタービンの測定プローブ（２６）に対する防護ケースにおいて、
    防護ケース（３８）に冷却材（４２）を導入するために、防護ケース（３８）が、冷却材（４２）が取り出される冷却材源に流体技術的に接続されていることを特徴とするガスタービンの測定プローブに対する防護ケース。
14. ガスタービン（１）の測定プローブ（２６）の防護ケース（３８）内に敷設された測定配線（３４）を熱負荷から保護する方法において、
    防護ケース（３８）内に敷設された測定配線（３４）が、防護ケース（３８）内を流れる冷却材（４２）により保護されることを特徴とする測定配線を熱負荷から保護する方法。

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