JP2010197388A - 静圧を測定するための統合型装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成要素（１４）の内部における静圧を測定するための装置（１２）を提供する。
【解決手段】本装置（１２）は、構成要素（１４）に結合されたハウジング（２０）を含み、ハウジング（２０）は、その中に配置された可動構成要素（２６）を含み、可動構成要素（２６）は、構成要素（１４）の内部における静圧に応答して、作動可能に該構成要素（１４）内に伸長可能でありまた該構成要素（１４）から後退可能であり、また本装置（１２）はさらに、ハウジング（２０）内に配置されかつ構成要素（１４）の内部の流体から熱的に保護されたセンサ（５０）を含み、センサ（５０）は、構成要素（１４）の内部における静圧の測定を可能にするように構成される。
【選択図】 図２Ａ

Description

本明細書に開示した主題は、装置の内部における静圧を測定するためのシステム及び方法に関する。

燃焼器圧力低下の測定値は、正確なガスタービン性能評価及びエンジン健全性監視のための重要変数である。この情報を使用して燃焼器を通るコア流量を推定することができ、このコア流量は、二次流量の決定に役立つ。さらに、燃焼器圧力低下の測定値を使用して、燃焼器の健全性を監視することができる。

現在では、燃焼器に流入する圧力の測定は、ガスタービンのための標準的計測の一部であるが、燃焼器内部における圧力測定は標準的なものではなく、従って燃焼器にわたる圧力低下は、殆どの現場装置で算出することができない。

さらに、今の処、内部圧力計測器を設置する場合には、計測器プローブを受入れるために燃焼器ライナ壁に対して大幅な変更を加えなければならない。これらの変更には、ライナ壁内に孔を穿孔すること及びライナに対してフェルール／リテーナを溶接することが含まれる。これらの要素を付加することにより、１）フェルールの溶接部の冷却、及び２）フェルーラ／リテーナと圧力プローブとの間に生じる漏洩のために燃焼ゾーンから計測器位置に空気が分流されることになる。燃焼ゾーンにおける空気の損失及びこれらの設計要素によるコストの増大の両方は、回避しなければならないマイナス面である。

米国特許第４，２７５，５５９号公報

従って、最少の費用影響でガスタービンの構成要素の内部における静圧を測定することができることが望ましい。さらに、構成要素／ガスタービン設計の健全性を損なわないで、ガスタービンの構成要素の内部における静圧を測定することができることが望ましい。

本発明の１つの態様によると、構成要素の内部における静圧を測定するための装置を提供する。本装置は、構成要素に結合されたハウジングを含み、ハウジングは、その中に配置された可動構成要素を含み、可動構成要素は、構成要素の内部における静圧に応答して、作動可能に該構成要素内に伸長可能でありまた該構成要素から後退可能であり、また本装置はさらに、ハウジング内に配置されかつ構成要素の内部の流体から熱的に保護されたセンサを含み、センサは、構成要素の内部における静圧の測定を可能にするように構成される。

本発明の別の態様によると、燃焼器の内部における静圧を測定するためのシステムを提供する。本システムは、燃焼器に結合されたハウジングを含み、ハウジングは、その中に配置された可動構成要素を含み、可動構成要素は、燃焼器の内部における静圧に応答して、作動可能に該燃焼器内に伸長可能でありまた該燃焼器から後退可能であり、また本システムはさらに、ハウジング内に配置され、燃焼器の内部の流体から熱的に保護されかつ燃焼器の内部における静圧の測定を可能にするように構成されたセンサと、センサと通信状態になっておりかつ燃焼器の内部における静圧を決定するように構成されたプロセッサとを含む。

本発明のさらに別の態様によると、燃焼器の内部における静圧を測定するためのシステムを提供する。本システムは、燃焼器に結合されたハウジングを含み、ハウジングは、その中に配置された可動構成要素を含み、可動構成要素は、燃焼器の内部における静圧に応答して、作動可能に該燃焼器内に伸長可能でありまた該燃焼器から後退可能であり、また本システムはさらに、ハウジング内に配置され、燃焼器の内部の流体から熱的に保護され、かつ燃焼器の内部における静圧が増大するにつれて増加する可動構成要素上に作用する力を測定するようにさらに構成されたセンサと、センサと通信状態になっておりかつ燃焼器の内部における静圧を決定するように構成されたプロセッサとを含む。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。

本発明の１つの例示的な実施形態による、燃焼器の内部における静圧を測定するための装置を備えた燃焼器の概略図。 本発明の１つの例示的な実施形態による、燃焼器の内部における静圧を測定するための圧電変換器と統合したスパークプラグを備えた装置の断面図。 本発明の１つの例示的な実施形態による、燃焼器の内部における静圧を測定するための圧電変換器と統合したスパークプラグを備えた装置の断面図。 本発明の１つの例示的な実施形態による、燃焼器の内部における静圧を測定するための歪みゲージと統合したスパークプラグを含む装置の断面図。 本発明の１つの例示的な実施形態による、燃焼器の内部における静圧を測定するためのコンデンサプローブと統合した完全伸長位置におけるスパークプラグの断面図。 本発明の１つの例示的な実施形態による、燃焼器の内部における静圧を測定するためのコンデンサプローブを備えた完全に後退した位置におけるスパークプラグの断面図。

詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

例示的な実施形態は、構成要素（例えば、燃焼器）の内部における静圧を測定するためのセンサを備えた装置（例えば、スパークプラグ）に関する。１つの例示的な実施形態では、センサは、装置のハウジング内に配置されかつ構成要素の内部の流体から熱的に保護される。例示的な実施形態はまた、システム（例えば、ガスタービン）の構成要素の内部における静圧を測定するためのこれらの例示的な装置を組込んだシステム及び最少の費用影響でかつ構成要素／システムの健全性を損なわないでそのようなシステムを組立てる方法に関する。さらに、それらの実施形態では、本システムは、構成要素の内部における静圧を求める（決定する）ためのプロセッサを含む。

１つの例示的な実施形態によると、センサは、ハウジング内に取付けられるか又は統合され、ハウジングは、システムの内部における静圧を測定するために該システム内に組込まれて該システムの流体からセンサを熱的に保護する。１つの非限定的かつ例示的な実施形態では、センサ（例えば、圧電変換器）は、可動構成要素と該センサをシステムの流体から熱的に保護するハウジングとの間に軸方向に取付けられるか又は統合される。例えば、センサは、スパークプラグの伸長後退式プローブと本体との間に軸方向に取付けることができ、スパークプラグは、ガスタービンの燃焼器チャンバ内に組込むことができる。この実施例では、伸長後退式プローブは、チャンバ圧力が低い（例えば、装置が停止している時のような）時には燃焼チャンバ内に伸長する。点火した後には、燃焼器内の圧力が増大し、プローブは、該プローブがスパークプラグハウジングの本体に当接して停止するまで燃焼器のライナ壁まで強制的に後退させられる。プローブが完全に後退しかつ変換器に対して押圧されると、プローブ上に作用する軸方向押圧力を測定し、それによって燃焼器の内部における静圧に関するフィードバックを行なうことができる。それに代えて、センサは、非限定的かつ例示的な実施形態により、ハウジング内に配置された可動構成要素上に取付けられる。本発明の他の例示的な実施形態によると、上記の同じ実施例を使用して、センサをプローブ上に取付けて、該プローブ上に作用する軸方向応力／力を測定して燃焼器の内部における静圧に関するフィードバックを行なうことができる。さらに別の実施形態では、センサを可動構成要素シャフト上に取付けて該可動構成要素の圧縮を測定し、この圧縮を可動構成要素上に作用する軸方向応力／力に変換して燃焼器の内部における静圧に関するフィードバックを行なうことができる。これらの様々な構成により、最少の費用影響で性能及び健全性監視についての有益なデータ（例えば、燃焼器の内部における静圧）が得られ、また直接的システム圧力測定のための必要な計測器設計要素を有しない既存の装置に対して容易に改造を加えることができる。

次に図面を参照すると、図１は、１つの例示的な実施形態による、ガスタービンの燃焼器の内部における静圧を測定するためのシステム１０を示す概略図である。本システム１０は、ガスタービンエンジン（図示せず）の燃焼器組立体１４に組込まれかつ費用及び燃焼器性能の両方に影響を与えないで燃焼器の内部における静圧を測定するように構成された装置を含む。１つの例示的な実施形態によると、装置１２は、図示するようにスパークプラグである。勿論、他の例示的な実施形態では、センサを収納しかつ該センサを燃焼器流体から熱的に保護して、燃焼器の健全性又は性能を損なわないで該燃焼器の内部における静圧を測定することができる他の公知の装置を使用することができる。説明を分かり易くするために、下記においてスパークプラグ構成をより詳細に説明することにする。

本発明の例示的な実施形態による装置１２は、様々な構成を有する燃焼器組立体内に組込むことができかつ図１に示す構成に限定されるべきではない。一般的に、高圧ガスが、燃焼器組立体１４に供給されかつノズル１６内において例えばプロセスガス及び／又は合成ガスのような燃料と混合される。燃料／空気つまり可燃性混合気は、燃焼器チャンバ１８内に流れかつスパークプラグ１２によって点火されて、高圧高温燃焼ガスストリームを形成する。次に、１つの例示的な実施形態によると、燃焼器チャンバ１８の内部における静圧が、スパークプラグによって測定されるが、そのことについては、下記により詳細に説明する。

次に、図２Ａを参照すると、スパークプラグ１２の基本的要素は一般的に、主外側本体つまりハウジング２０を含み、このハウジング２０は、１つの例示的な実施形態によると金属で形成される。１つの実施形態によると、ハウジング２０は、取付けフランジ２２及び基部フランジ２４を含む。スパークプラグ１２はさらに、ハウジング２０内に配置されたピストン組立体つまり伸長後退可能本体２８を備えた可動構成要素２６を含む。１つの例示的な実施形態によると、可動構成要素２６は伸長後退式プローブである。勿論、他の例示的な実施形態によると、ハウジング内に配置された可動構成要素２６は、燃焼器チャンバ１８内の流体に応答して移動又は位置変化するように構成されたあらゆるその他のメカニズムとすることができる。伸長後退可能本体２８は、燃焼器チャンバ１８内における静圧に応答して該燃焼器チャンバ１８内にまた該燃焼器チャンバ１８から外に移動するように構成される。伸長後退可能本体２８は、図２Ｂに示すように、取付けフランジ２２に近接して伸長後退可能本体２８のショルダ部分３０に当接した一端部及び基部フランジ２４内のショルダ部３２に当接した他端部を有するリターンスプリング２９によって、その完全伸長位置に保持される。１つの例示的な実施形態によると、伸長後退可能本体２８は、該伸長後退可能本体がその完全伸長位置にある時に、ハウジング２０の基部フランジ２４と該伸長後退可能本体２８の後端部３６との間に形成されたその全体を参照符号３４で示したストローク距離を有する。

１つの例示的な実施形態によると、可動構成要素２６はさらに、複数の内向きに延びるタブ４２を備えた先端組立体４０を含み、このタブ４２は中心電極４４から間隔を置いて配置されてスパーク放電ギャップ４６を形成したサイド電極として作用する。図示するように、スパークプラグ１２が取付けフランジ２２によって燃焼器チャンバ１８に連結されると、先端組立体４０は燃焼器チャンバ１８内に延びる。作動中に、燃焼器の内部における圧力が低い（点火が行われる前）時には、伸長後退可能本体２８はその完全伸長位置に保持され、従って先端組立体４０が燃焼器チャンバ内に完全に伸長することが可能になる。点火した後には、燃焼器チャンバ１８内の圧力が上昇し、伸長後退可能本体２８は、該伸長後退可能本体２８の後端部３６が基部フランジ２４内のショルダ部３２に当接して停止するまで、強制的に後退させられる。燃焼器チャンバ１８内における圧力はまた、先端組立体４０又はその一部分を燃焼器チャンバ１８内における火炎の領域から移動させ、それにより、スパークプラグ１２に対する損傷が防止される。

伸長後退可能本体及び先端組立体を含む伸長後退式プローブの構成は、あらゆる従来型の方法で形成することができるが、それに限定すべきではない。

１つの例示的な実施形態によると、センサ５０は、ハウジング２０内に配置されており、該ハウジング２０が燃焼器に結合された時に燃焼器チャンバ１８の内部の流体から熱的に保護される。センサ５０は、燃焼器の内部における静圧の測定を可能にするように構成される。１つの例示的な実施形態によると、センサ５０は、伸長後退式プローブ２６とハウジング２０の基部フランジ２４との間に軸方向に配置される。具体的には、センサ５０は、１つの例示的な実施形態によると、伸長後退可能本体２８の後端部３６と基部フランジ２４内のショルダ部３２との間に軸方向に配置される。１つの例示的な実施形態では、センサ５０は、例えば溶接、高温接着剤、又はあらゆるその他の公知の手段のような固定するためのあらゆる手段によって基部フランジ２４内のショルダ部３２に固定される。１つの非限定的かつ例示的な実施形態によると、センサは、伸長後退式プローブ２６が完全に後退しかつセンサ５０に押圧されると、伸長後退式プローブ２６上に作用する軸方向押圧力を測定し、従って燃焼器チャンバ１８の内部における静圧に関するフィードバックを行なうように構成される。

１つの例示的な実施形態によると、監視装置６０が、センサ５０に対して選択的に結合されて、燃焼器チャンバ１８の内部における静圧を測定するようになっている。１つの実施形態では、監視装置６０は、１つの例示的な実施形態によるとハウジング２０の外部に位置しかつケーブルを介してスパークプラグ１２のセンサ５０に結合される。他の例示的な実施形態では、監視装置６０がセンサ５０と無線通信するように構成されることを意図している。

監視装置６０は、エンジン及びその構成要素の健全性／状態／状況を監視すると同時に性能についてのデータ（例えば、燃焼器の内部における静圧）を提供するために使用するあらゆる形式の標準的計測器とすることができる。１つの例示的な実施形態によると、監視装置６０は、可動構成要素２６上に作用する測定力及び燃焼器チャンバ１８の内部における静圧に曝される該可動構成要素２６の所定の表面積に基づいて該燃焼器チャンバ１８の内部における静圧を決定するように構成される。１つの例示的な実施形態によると、燃焼器の内部における静圧に曝される全表面積には、燃焼器チャンバ１８に面する先端組立体４０の表面積及び伸長後退可能本体２８の表面積を含むことができる。

１つの例示的な実施形態によると、監視装置６０は、とハードウェア及び／又はソフトウェア／ファームウェアとの組合せを有するプロセッサを含み、コンピュータプログラムは、ロードされかつ実行された時にコンピュータのプロセッサが本明細書に記載した方法を実行するように動作するのを可能にする。

１つの非限定的かつ例示的な実施形態によると、センサ５０は、あらゆる従来型形式の圧力変換器である。別の非限定的かつ例示的な実施形態では、図２に示すように、センサ５０は、あらゆる従来型形式の圧電変換器である。それに代えて、図３に示すように、１つの例示的な実施形態によると、センサ５０は、伸長後退可能本体２８の表面部分上に配置されたあらゆる従来型形式の歪みゲージである。歪みゲージは、可動構成要素２６が基部フランジ２４に近接して完全に後退させられた時に該可動構成要素２６上に作用する軸方向応力／力を測定する。

センサ５０としての歪みゲージは、可動構成要素２６が基部フランジ２４に近接して完全に後退させられると、該可動構成要素２６上に作用する軸方向応力／力を測定し、従って燃焼器チャンバ１８の内部における静圧に関するフィードバックを行なうように構成される。可動構成要素２６上に作用する力は、燃焼器チャンバ１８の内部における静圧が増大するにつれて増加する。従って、センサ５０（例えば、圧電変換器）によって測定される力は、燃焼器チャンバ１８の内部における静圧が変化するにつれて変化する。

本発明の別の例示的な実施形態では、図４及び図５に示すように、センサ５０は、あらゆる従来型形式のコンデンサプローブである。図４では、可動構成要素２６は、その完全伸長位置で示している。図５では、可動構成要素２６は、その完全後退位置で示している。この実施形態では、図４に示すように、伸長後退可能本体２８の前端部６４に近接して該伸長後退可能本体２８の表面上には、基準要素６２が設置されるか又は機械加工される。コンデンサプローブは、該コンデンサプローブに対する基準要素の変位量を測定することによって可動構成要素２６の圧縮の量を測定するように構成される。言い換えれば、圧縮の量は、コンデンサプローブ（距離プローブ）によって軸方向撓みとして測定することができる。１つの例示的な実施形態によると、監視装置６０は、コンデンサプローブによる測定軸方向撓みを可動構成要素２６上に作用する軸方向応力／力に動作可能に変換するか又は関連付ける。上記したように、監視装置６０は次に、可動構成要素２６上に作用する軸方向力及び燃焼器チャンバ１８の内部における静圧に曝される可動構成要素２６の全表面積に基づいて燃焼器チャンバ１８の内部における静圧を決定する。

他の例示的な実施形態によると、他の形式のセンサを使用して、燃焼器の内部における静圧を測定するか又は静圧の決定を可能にすることができ、またセンサは、本明細書に記載した実施例に限定されるべきではないことを意図している。

燃焼器チャンバ１８の内部における静圧に曝される可動構成要素２６の全表面積は、用途次第で変化させることができる該可動構成要素２６の設計構成に応じて決まり、かつ本明細書に示した構成に限定されるべきではないことを理解されたい。

本発明の例示的な実施形態によると、ガスタービンの燃焼器の内部における静圧を測定するためのシステムを組立てる例示的な方法を提供する。本方法は一般的に、ハウジング２０内に可動構成要素（例えば、伸長後退式プローブ２６）を、燃焼器の内部における静圧に応答して該可動構成要素が作動可能に該燃焼器内に伸長しまた該燃焼器から後退するように配置するステップを含む。次に本方法は、１つの例示的な実施形態によると、ハウジングに対してセンサ５０を配置するステップを含む。１つの実施形態では、センサ５０は、例えば溶接、高温接着剤、又はあらゆるその他の公知の手段のような固定するためのあらゆる手段によってハウジング２０に固定される。１つの例示的な実施形態によると、センサ５０は、可動構成要素上に作用する力を測定するように構成される。それに代えて、本発明の他の例示的な実施形態によると、センサ５０は、可動構成要素上に作用する圧縮の量を該センサ５０の軸方向撓みとして測定する。１つの実施形態によると、センサ５０は、可動構成要素とハウジング２０との間に軸方向に配置することができる。それに代えて、別の実施形態によると、センサ５０は、伸長後退式プローブの表面部分上に配置することができる。そのようにすることで、燃焼器ライナに対する大幅なハードウェア変更を回避することができる。次に本方法は、１つの非限定的かつ例示的な実施形態によると、ケーブルを介してセンサ５０に対して監視装置６０を結合するステップを含む。監視装置は、可動構成要素上に作用する力及び燃焼器の内部における静圧に曝される該可動構成要素の所定表面積に基づいて、燃焼器の内部における静圧を決定するように構成される。

本明細書に説明した例示的な実施形態は、様々な構成のスパークプラグに関するものであるが、燃焼器に結合されたハウジング２０は、センサと統合された時に燃焼器の内部における静圧を測定することができる他の形式の公知の装置のためハウジングとすることができることを理解されたい。

さらに、本明細書に説明した静圧を測定するための統合型装置は、他の例示的な実施形態により測定することができる内部圧力を有する様々な形式の構成要素／システムに組込むことができ、また本明細書に記載した構成要素／システムに限定されるべきではないことを意図している。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０ システム
１２ スパークプラグ
１４ 燃焼器組立体
１６ ノズル
１８ 燃焼器チャンバ
２０ ハウジング
２２ 取付けフランジ
２４ 基部フランジ
２６ 可動構成要素
２８ 伸長後退可能本体
２９ リターンスプリング
３０ ショルダ部分
３２ ショルダ部
３４ ストローク距離
３６ 後端部
４０ 先端組立体
４２ 複数の内向きに延びるタブ
４４ 中心電極
４６ スパーク放電隙間
５０ センサ
６０ 監視装置
６２ 基準要素
６４ 前端部

Claims (10)

1. 構成要素（１４）の内部における静圧を測定するための装置（１２）であって、
   前記構成要素（１４）に結合されたハウジング（２０）と、
   前記ハウジング（２０）内に配置されかつ前記構成要素（１４）の内部の流体から熱的に保護されたセンサ（５０）と、を含み、
   前記ハウジング（２０）が、その中に配置された可動構成要素（２６）を含み、
   前記可動構成要素（２６）が、前記構成要素（１４）の内部における前記静圧に応答して、作動可能に該構成要素（１４）内に伸長可能でありまた該構成要素（１４）から後退可能であり、
   前記センサ（５０）が、前記構成要素（１４）の内部における前記静圧の測定を可能にするように構成される、
   装置（１２）。
2. 前記構成要素（１４）が、ガスタービンの燃焼器である、請求項１記載の装置（１２）。
3. 前記センサ（５０）が、圧力変換器である、請求項１記載の装置（１２）。
4. 前記可動構成要素（２６）が、スパークプラグ（１２）の後退可能プローブ（２６）である、請求項１記載の装置（１２）。
5. 前記センサ（５０）が、前記可動構成要素（２６）上に作用する力を測定するように構成され、
   前記可動構成要素（２６）上に作用する前記力が、前記構成要素（１４）の内部における前記静圧が増大するにつれて増加する、
   請求項１記載の装置（１２）。
6. 前記構成要素（１４）の内部における前記静圧が、前記可動構成要素（２６）上に作用する前記力及び前記静圧に曝される前記可動構成要素（２６）の所定の表面積に基づいて決定される、請求項１記載の装置（１２）。
7. 前記センサ（５０）が、前記可動構成要素（２６）と前記ハウジング（２０）との間に軸方向に配置される、請求項１記載の装置（１２）。
8. 前記センサ（５０）が、前記可動構成要素（２６）の表面部分上に配置される、請求項１記載の装置（１２）。
9. 前記センサ（５０）が、歪みゲージである、請求項１記載の装置（１２）。
10. 前記センサ（５０）が、該センサ（５０）によって前記可動構成要素（２６）の圧縮を軸方向撓みとして測定するように構成される、請求項１記載の装置（１２）。

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