JP2011069352A - ガスタービンにおける温度検出 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンにおける温度検出器及び温度検出方法を提供する。
【解決手段】本温度検出器（１０）は、第１の金属（４）と該第１の金属とは異なる第２の金属（６）とを含む。第１の金属は、複数のワイヤを含み、また第２の金属は、ワイヤを含む。第１の金属の複数のワイヤは、並列接合部（８）として第２の金属のワイヤに接続される。別の温度検出器は、複数の抵抗温度検出器を含む。複数の抵抗温度検出器は、複数の接合部において接続される。タービンの部品（１２）の温度変化を検出する本方法は、複数の接合部において互いに接続されかつ該部品と接触状態になった第１の金属及び該第１の金属とは異なる第２の金属を備えた温度検出器を準備するステップと、任意の接合部において任意の電圧変化を検出するステップとを含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの燃焼器における逆火を検出するための装置及び方法に関する。

ガスタービン製造業者は通常的に、高効率で作動しかつ望ましくない大気汚染物質排出（エミッション）の発生がより少なくなる新規なガスタービンを作製するための研究及び技術設計プログラムに関与している。従来通りの炭化水素燃料を燃焼させるガスタービンによって通常発生する主な大気汚染物質エミッションは、窒素酸化物、一酸化炭素及び未燃炭化水素である
空気吸入式エンジンにおける窒素分子の酸化は、燃焼システム反応ゾーン内の最高高温ガス温度に大きく依存する。窒素酸化物（ＮＯｘ）を形成する化学反応速度は、温度の関数である。燃焼室高温ガスの温度を十分に低いレベルに制御した場合には、熱ＮＯｘが減少することになる。

燃焼器の反応ゾーンの温度を熱ＮＯｘが形成されるレベル以下に制御する１つの方法は、燃焼に先立って燃料及び空気を予混合して希薄混合気にすることである。希薄予混合燃焼器の燃焼ゾーン内に存在する過剰空気の熱質量は、熱を吸収しかつ燃焼生成物の温度上昇を熱ＮＯｘの発生が減少するレベルまで低下させる。

燃料及び空気の希薄予混合で作動する乾式低エミッション燃焼器に関連した幾つかの問題が存在する。燃料及び空気の可燃性混合気が、燃焼器の予混合セクション内に存在し、この予混合セクションは、燃焼器の反応ゾーンの外部に位置している。１つの問題は、逆火により予混合セクション内で燃焼が発生する傾向である。逆火は、燃焼器反応ゾーンから予混合セクション内に火炎が伝播した時に発生する。伴流内部に保持された火炎は、燃料噴射コラム（ジェット直交流）又はベーン後縁の背後に流れる。

別の問題は、自己着火である。自己着火は、予混合セクション内の燃料／空気混合気におけるドウェル時間及び温度が点火器なしで燃焼を開始するのに十分となった時に発生する。予混合セクション内での燃焼の結果として、エミッション性能の低下を生じ、また／或いは一般的に燃焼の熱に耐えるように設計されていない予混合セクションに対する過加熱及び損傷が生じる。

米国特許第６３５４７３５号明細書

従って、解決すべき問題は、予混合セクション内で燃焼を引き起こす逆火、保炎及び／又は自己着火を防止することである。逆火、保炎及び／又は自己着火の懸案は、より反応性がある燃料の使用により高まるので、信頼性がある逆火検出方法に対する必要性が増大する。

１つの実例実施形態では、温度検出器は、第１の金属と該第１の金属とは異なる第２の金属とを含む。第１の金属は、複数のワイヤを含み、また第２の金属は、ワイヤを含む。第１の金属の複数のワイヤは、並列接合部として第２の金属のワイヤに接続される。

別の実例実施形態では、温度検出器は、複数の抵抗温度検出器を含む。複数の抵抗温度検出器は、複数の接合部において接続される。

さらに別の実例実施形態では、タービンの部品の温度変化を検出する方法は、複数の接合部において互いに接続されかつ該部品と接触状態になった第１の金属及び該第１の金属とは異なる第２の金属を備えた温度検出器を準備するステップと、任意の接合部において任意の電圧変化を検出するステップとを含む。

さらに別の実例実施形態では、タービンの部品における温度を検出する方法は、１以上のワイヤの抵抗の変化によって或いは１以上のワイヤの断線によって生じた該１以上のワイヤを通る電流又はパルス信号における変化を検出するステップを含む。

温度を検出するための熱電対を概略的に示す図。 実例実施形態による熱電対ネットを概略的に示す図。 ガスタービンエンジンの燃焼器のバーナチューブ内に設けた、図２の熱電対ネットを概略的に示す図。 別の実例実施形態による熱電対ネットを概略的に示す図。 別の実例実施形態による逆火検出を概略的に示す図。 別の実例実施形態による逆火検出を概略的に示す図。

図１を参照すると、熱電対２は、１つの位置又は接合部８において接合された２つの異種金属４、６を含む。ゼーベック効果により、接合部８（図１）における温度の関数として、電圧が発生する。

逆火検出（又は、検出すべき他の温度関連過渡信号）の場合に、火炎の正確な温度を測定することは、必要でない。逆火は、ガスタービン内の燃焼関連部品の複数位置において温度過渡信号を検出することによって検出して、それらの位置の任意の位置において温度が上昇した場合には何時でも作動を迅速に停止させることができるようにすることができる。図２を参照すると、並列熱電対接合部８ａ〜８ｅを備えた熱電対ネット（網）１０が、２つの異種金属４、６によって形成される。熱電対ネット１０は、該ネット１０上の接合部８ａ〜８ｅのいずれかが温度変化、例えば温度上昇を受けた場合に、電圧変化を示す。

火炎事象において、火炎が接合部８ａ近くにある場合には、接合部８ａは、正確なつまり最高の温度変化を測定することになる。火炎が接合部８ｅ近くにある場合には、接合部８ｅは、より低い温度変化を測定することになるが、火炎がそれが発生すべきではない場所で発生しているかどうかを示すことになる変化を検出することになる。接合部８ｂ〜８ｄ近くの火炎は、接合部８ａと接合部８ｅとの間の温度の変化を示すことになる。

図３を参照すると、ネット１０は、例えばバーナチューブ、キャップ又はライナなどのガスタービンの部品１２上に配置して、それが発生するあらゆる場所における温度偏差を検出することができる。複数位置で発生する可能性がある逆火火炎１４は、ネット１０及び単一のモニタ（図示せず）によって検出することができる。

図４を参照すると、並列接合部８ａ〜８ｅの複数のネットは、互いに連結して、完成ネット１６を形成することができる。ネット１６は、単一のモニタ（図示せず）に接続することができる。モニタは、最も強い信号を読取って、ネット１６上の任意の接合部における温度上昇を検出することになるようにすることになる。これにより、ハードウェアの大きな領域にわたり単一のモニタで検出することが可能になる。

別の実施形態は、図５に示すように部品１２の周りに螺旋状に巻いた連続抵抗温度検出器（ＲＴＤ）又はワイヤ１８を含むことができ、この連続抵抗温度検出器（ＲＴＤ）又はワイヤ１８は次に、該ＲＴＤ又はワイヤ１８に対する抵抗率変化を測定することによって、例えば逆火火炎１４により生じた該ＲＴＤ又はワイヤ１８に沿ったあらゆる場所における温度変化を検出することができる。それに代えて、温度変化は、ＲＴＤ又はワイヤ１８によりもたらされたパルス信号の周波数における変化を検出することによって検出することができる。前述した１つ又は複数のネットと同様に、１つ又は複数のＲＴＤのネットを使用することができることを理解されたい。例えば、第１のＲＴＤは、第１の材料の複数のＲＴＤ素子を含むことができ、これら第１の材料の複数のＲＴＤ素子は、並列接合部として第２の材料の第２のＲＴＤ素子に接続することができる。

図６を参照すると、別の実例実施形態では、部品１２の周りに低融点ワイヤ２０を螺旋状に巻くことができる。温度の上昇は、低融点ワイヤ２０に参照符号２２における破損開放部を生じさせて、低耐熱性ワイヤ２０を通しての信号の喪失に注目することによって温度上昇を検出することができるようにすることができる。

直列にした及び／又は並列にした熱電対接合部或いはＲＴＤ接合部の１つ又は複数のネットの使用により、部品損傷のリスクを減少させかつ／又はリスクを軽減させる方法を可能にすることによってガスタービンの作動性能を高めるのを可能にすることができる。直列にした及び／又は並列にした熱電対接合部或いはＲＴＤ接合部の１つ又は複数のネットの使用により、複数センサを必要としない高い信頼性の逆火検出方法を得ることができる。

熱電対接合部及び／又はＲＴＤ接合部の１つ又は複数のネットは、燃焼ノズル、バーナチューブ、キャップ或いはライナで使用して、あらゆる温度偏差を検出しかつ該温度偏差に応答するのを可能にすることができる。熱電対接合部及び／又はＲＴＤ接合部の１つ又は複数のネットはまた、大きな温度偏差が懸案であるあらゆるその他の部品又は製品において使用することができる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

２ 熱電対
４ 第１の金属
６ 第２の金属
８ 接合部
１０ 熱電対ネット
１２ バンパチューブ、キャップ、ライナ
１４ 逆火火炎
１６ 熱電対ネット
１８ 抵抗温度検出器
２０ 低温ワイヤ
２２ 破損開放部

Claims (12)

1. 温度検出器（１０）であって、
   第１の金属（４）と、
   前記第１の金属とは異なる第２の金属（６）と
   を備えており、
   前記第１の金属が複数のワイヤを含みまた前記第２の金属がワイヤを含み、
   前記第１の金属の複数のワイヤが、並列接合部（８）として前記第２の金属のワイヤに接続される、
   温度検出器。
2. 複数の並列接合部をさらに含む、請求項１記載の温度検出器。
3. 複数の抵抗温度検出器を含む温度検出器であって、
   前記複数の抵抗温度検出器が複数の接合部において接続される、温度検出器。
4. 前記複数の抵抗温度検出器が、第１の材料の複数の抵抗温度検出器と該第１の材料とは異なる第２の材料の第２の抵抗温度検出器とを含み、
   前記第１の材料の複数の抵抗温度検出器が、並列接合部として前記第２の材料の抵抗温度検出器に接続される、
   請求項３記載の温度検出器。
5. 前記並列接合部が、複数の並列接合部を含む、請求項４記載の温度検出器。
6. タービンの部品（１２）の温度変化を検出する方法であって、
   複数の接合部（８）において互いに接続されかつ前記部品と接触状態になった第１の金属（４）及び該第１の金属とは異なる第２の金属（６）を備えた温度検出器（１０）を準備するステップと、
   任意の接合部において任意の電圧変化を検出するステップと
   を含む方法。
7. 前記任意の電圧変化を検出するステップが、複数の位置における任意の温度変化による電圧を検出するステップを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記第１の金属が１以上のワイヤを含みまた前記第２の金属が１以上のワイヤを含み、
   前記第１の金属の１以上のワイヤが、並列接合部として前記第２の金属の１以上のワイヤに接続される、請求項６記載の方法。
9. 前記並列接合部が、複数の並列接合部を含む、請求項８記載の方法。
10. 前記接合部が、前記部品に螺旋状に沿って該部品と接触状態になっている、請求項６記載の方法。
11. 前記部品が、燃焼ノズル、バーナチューブ、キャップ及び／又はライナを含む、請求項６記載の方法。
12. タービンの部品における温度を検出する方法であって、
    １以上のワイヤ（１８）の抵抗の変化によって或いは１以上のワイヤ（２０）の断線によって生じた該１以上のワイヤ（１８、２０）を通る電流又はパルス信号における変化を検出するステップを
    含む方法。

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