JP2015179085A - ガスタービンの燃焼器における圧力振動を測定するプローブ - Google Patents

Abstract

【課題】著しい信号歪みおよび減衰なしに、重要な全周波数範囲を捕捉する冗長化プローブを提供する。【解決手段】段状の穴１０２は、少なくとも２つ以上の圧力発信器２を保持するセンサプレート１１０を受容しており、センサプレート１１０の面１１８と、肩部１０６とが、キャビティ１２０を画成しており、これにより、測定穴１０４を、少なくとも２つの圧力発信器２の検出面またはダイヤフラム１２２に接続している。【選択図】図３

Description

本発明は、圧力振動を測定するプローブに関する。本発明は特に、ガスタービンの燃焼器における圧力振動を測定するプローブに関する。本発明はさらに、本発明によるプローブの使用に関する。

現代のガスタービンの燃焼器において生じる圧力振動、いわゆる燃焼器脈動または燃焼脈動は、しばしば単に脈動とも呼ばれ、特に予混合バーナ技術を用いている場合に、燃焼の質の重要な指標を提供する。好ましくない条件下では、燃焼器脈動は、ガスタービン構成部材の機械的一体性が危険に曝されるような振幅に達し得る。これは、燃焼器圧力振動の永続的な監視が今や不可欠であることを意味する。高温のため、発生する圧力振動の直接的な検出は、耐熱性の圧力センサを必要とするが、耐熱性の圧力センサは、極めて高価である一方、継続的な運転中に故障が極めて起こりやすいような極端な使用条件に直面させられる。このようなセンサのセンサ特性が温度に依存することも知られ、このことは、測定された圧力振動の定量化をもより困難にするかまたは制限された精度での定量化のみを許容する。

独国特許出願公開第１０２００７０３５０１３号明細書から、１つの圧力発信器を備えるプローブを有する燃焼監視システムが知られている。独国特許出願公開第１０２００７０３５０１３号明細書の図２は、先端部と圧力発信器が煙道ソケット内に配置されているプローブの取付けを示している。

米国特許第６５５０３３６号明細書は、センサを燃焼の高温に曝さないように半無限管によって燃焼器壁部から所定距離だけ後退させられたセンサを有する燃焼監視システムを示している。これらのいわゆる長線路プローブでは、ガスタービン燃焼器内の実際の測定箇所は、線、基本的には小さな管によって、燃焼器の外部に位置決めされた圧力発信器と接続されている。この概念は、燃焼室と圧力発信器との間の距離により、圧力発信器をより低い温度に曝す。この理由から、寿命および測定精度が極端な使用条件によって制限されない、実質的により安価な圧力発信器またはマイクロフォンを使用することができる。

このような構成において、このような形式で形成された測定線路のエコーなし端子を保証し、可能であれば、測定線路内のあらゆる種類の反射をも回避することが重要である。半無限管による測定管の端子が知られている。これは、長い長さを有する線路によって実現され、この線路は、第１の端部において、測定箇所とは反対側に面した測定管の端部と接続されている。十分な長さがあるため、圧力振動は、内部消散の結果として半無限管内で減衰され、半無限管の第２の端部において、言及に値する振幅はもはや反射されない。

より高い振幅では、記録された音響信号が歪められ、全範囲の周波数を含まない。その理由は、燃焼器領域と、エンジンケーシングの外部に配置された圧力発信器との間の極めて長い距離である。それに加えて、温度および圧力の効果がさらに、信号の周波数依存減衰を付加または低減する。したがって、実用的な使用のためにプローブを較正するために、複雑な較正概念が必要とされる。

基本的に、現在利用可能な両アプローチは、正確かつ冗長な脈動測定を許容しない。ケーシングの外部の複数の圧力発信器は、重要な全周波数範囲を捕捉しない。なぜならば、圧力発信器は、燃焼器と、圧力発信器が後側に取り付けられた長線路プローブとに十分に近くなく、周波数依存減衰および信号歪みを生じるからである。

独国特許出願公開第１０２００７０３５０１３号明細書 米国特許第６５５０３３６号明細書

請求項に記載された発明の課題は、従来技術の欠点を克服し、著しい信号歪みおよび減衰なしに、重要な全周波数範囲を捕捉する冗長なプローブを提供することである。

前記課題は、圧力振動を測定するプローブであって、該プローブは、以下の要素、すなわち：
センサホルダであって、測定穴と肩部とを有する段状の穴と、測定穴の内部と接続した圧力発信器とを含むセンサホルダを備える、プローブにおいて、段状の穴は、少なくとも２つ以上の圧力発信器を保持するセンサプレートを受容しており、センサプレートの面と、肩部とが、キャビティを画成しており、これにより、測定穴を、少なくとも２つの圧力発信器の検出面またはダイヤフラムに接続していることを特徴とする、圧力振動を測定するプローブによって達成される。

段状の穴の肩部と、センサプレートの面との間のキャビティは、測定穴からの圧力振動を分配する。これにより、２つ以上の圧力発信器を配置する際に、圧力発信器の感圧面がキャビティと同一平面を成し、これにより、感圧面またはセンサダイヤフラムが、キャビティ内に分配された圧力振動を受け取るようにすることができる。その結果、圧力発信器からの冗長な圧力信号を得ることができ、ガスタービンを制御するために使用することができる。例えば、３つの圧力発信器からの３つの冗長な出力信号が利用できるので、圧力発信器のうちの１つの圧力発信器の誤った出力信号を検出することができる。

このキャビティは、ガスタービンの燃焼室の近くに配置し得るので、キャビティ内の圧力振動は歪められたり減衰されたりせず、したがって、圧力発信器の出力信号は高い質を有する。

キャビティは、段状の測定穴の肩部と、センサプレートの面とによって画成されているので、キャビティ自体をセンサプレートの面および／または段状の穴の肩部に配置することができる。センサプレートの面は、例えばフライス加工またはその他の方法によってより容易に機械加工することができるので、ほとんどの場合は、キャビティはセンサプレートの一部である。

キャビティ内で測定穴の圧力振動の歪みをできるだけ少なくするために、キャビティの体積をできるだけ小さく維持することが好ましい。これは、キャビティのクローバー状の形状につながる。０．２ｍｍ〜１ｍｍのキャビティの深さが十分であることが分かった。

キャビティ内およびセンサダイヤフラム上における圧力振動の質をさらに改善するために、測定穴が半無限管と接続されていることが好ましい。この半無限管は、例えば１５メートルを超える、３０メートルまたは５０メートルまでの長さを有してよい。半無限管の内径は好適には、測定穴の内径と同じであり、４ｍｍ〜８ｍｍ、好適には６ｍｍである。

この設計により、半無限管の圧力振動の測定の質に対する望ましい効果を、請求項に記載された発明に関連して使用することもできる。

請求項に記載された発明の別の有利な実施の形態では、プローブは、支持ディスクを有する。支持ディスクおよびセンサプレートはそれぞれ、各センサまたは各圧力発信器用の１つの穴を有しており、各圧力発信器は、段状の輪郭を有する。これにより、軸方向の力を支持ディスクから圧力発信器を介してセンサプレートへ伝達することができる。そうすることによって、段状の測定穴の肩部とセンサプレートの面との間の気密封止が達成され、攻撃的な汚染物を含む場合がある高温ガスがキャビティから流出し得ない。

請求項に記載された発明の好適な実施の形態において支持ディスクにこのような軸方向の力を加えるために、プローブは締付け手段を有しており、センサホルダはねじ山を有しており、締付け手段はねじ山と協働して、支持ディスクと、少なくとも１つのセンサと、センサプレートとに軸方向の力を加える。

好適な実施の形態において、締付け手段は、中空ねじまたは支持管であり、センサホルダは、雌ねじ山を有する。これは、中空ねじを固定することによって、支持ディスク、その結果としてセンサプレートに軸方向の力が加えられることを意味する。

請求項に記載された発明の別の実施の形態において半無限管を損傷から保護するために、プローブは保護管を有する。この保護管は、半無限管をカバーするのみならず、圧力発信器の配線をも機械的損傷から保護する。

請求項に記載されたプローブは、高温が生じるガスタービンに取り付けられており、プローブは、かなりの長さを有するので、半無限管が熱膨張により軸方向に膨張できるようにするコンペンセータ手段が好ましい。

請求項に記載された発明を以下で図面を参照しながらより詳しく説明する。

本発明に従って構成されたプローブを示す図である。 ガスタービン内における、請求項に記載されたプローブの取付け状態を示す図である。 ３つのセンサを備えたプローブ先端部の断面図である。 センサ取付けアセンブリの正面図である。 センサ取付けアセンブリの分解図である。 センサケーブルのリードアウトを示す図である。 ドラムと、プローブの圧力シールとの詳細を示す図である。 請求項に記載されたプローブの結果を示す図である。

図１は、請求項に記載されたプローブ１００の実施の形態を示している。図１の左側には、３つの圧力発信器２と、半無限管３と、案内管４とを備えるセンサホルダ１が示されている。図１の右側には、補償手段と、半無限管３用のドラムとが示されている。図１から分かるように、案内管４は、ハウジング１５および補償手段によって支持されている。このプローブ１００の詳細は、以下の図面に関連して説明される。（図１の左側における）プローブ１００の先端部は、例えば、独国特許出願公開第１０２００７０３５０１３号明細書の図２に関して説明されたガスタービンの煙道ソケットに取り付けられている。換言すれば、請求項に記載されたプローブ１００は、独国特許出願公開第１０２００７０３５０１３号明細書に記載されたプローブのための改装ソリューションとして使用されてよい。

図２は、３つの圧力発信器２と、半無限管３とを備えたセンサホルダ１の断面図を示している。図２は断面図であるから、３つの圧力発信器２のうちの２つだけが示されている。

図２から分かるように、センサホルダ１は、段状の穴１０２を有する。図２の左側における段状の穴の部分は、測定穴１０４とも呼ばれる。

測定穴１０４は、センサホルダ１の先端部において周囲へ開放している。右側において、測定穴１０４は肩部１０６において終わっている。段状の穴１０２は、センサホルダ１の先端部とは反対側の端部において、雌ねじ山１０８を有している。

肩部１０６を起点として、段状の穴１０２内には、３つのセンサ２を受容するセンサプレート１１０と、支持ディスク１１２とが配置されている。

センサホルダ１の雌ねじ山１０８は、中空ねじ１１４と協働する。中空ねじ１１４は、保護管４の一体的部分であるかまたは保護管４とは別個のものであってよい。中空ねじ１１４の面と支持ディスク１１２との間には、選択的なスペーサ１１６が取り付けられている。

中空ねじ１１４を固定することによって、センサプレート１１０は、センサホルダ１の肩部１０６に押し付けられる。軸方向の力は、スペーサ１１６と、支持ディスク１１２と、圧力発信器２とを介して、センサプレート１１０へ伝達される。

図３には、センサホルダ１を備えないセンサ取付けアセンブリの正面図が示されている。図３によれば、センサプレート１１０の面１１８においてクローバー状のキャビティ１２０が機械加工されていることが分かる。半無限管３の端部はキャビティ１２０の底部と同一平面を成している。キャビティ１２０は、圧力発信器２のダイヤフラム１２２と、測定穴１０４と、半無限管３とを接続している。半無限管３は、センサプレート１１０に溶接されていてよい。

キャビティ１２０のクローバー状の設計は、キャビティ１２０の体積を減じ、最適な形式で、測定穴１０４と半無限管３とを３つの圧力発信器２のダイヤフラム１２２に接続し、これにより、測定穴１０４および無限管３内の圧力振動は、大きな歪みまたは減衰を一切生じることなく３つの圧力発信器２によって検出され得る。

その結果、圧力発信器２は、測定穴１０４内の圧力振動を極めて正確に検出する。同じ振動に曝される３つの圧力発信器２が存在するので、圧力発信器２の出力信号の冗長化が達成される。通常の作動条件下では、３つの圧力発信器２の出力信号は、多かれ少なかれ等しくなっているべきである。

圧力発信器２のうちの１つに欠陥がある場合、この欠陥のある圧力発信器の出力信号は、他の２つの圧力発信器２の出力信号とは著しく異なるので、欠陥のある圧力発信器２の出力信号は、この圧力発信器２が修理されるかまたは交換されるまで無視されてよい。

キャビティ１２０の体積を最小限に減じるために、圧力発信器２のダイヤフラム１２２は測定穴１０４の長手方向軸線に対して垂直であることが好ましい。キャビティ１２０の深さが０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であれば十分である。

図４は、図２に示された状態の斜視図であるが、センサホルダ１を備えており、再び、圧力振動への影響をできるだけ小さくするためにキャビティ１２０の体積が最小限にされていることを示している。さらに、中空ねじ１１４は、センサプレート１１０とは反対側の端部において保護管４を受容していることが分かる。

図５は、センサプレート１１０と、圧力発信器２と、支持プレート１１２と、スペーサ１１６との分解図である。

センサプレート１１０は、穴１２４を有しており、各穴１２４は、１つの圧力発信器２を受容する。同様の形式で、支持ディスク１１２は、３つの穴１２６を有する。穴１２４および１２６は、段状になっていてもよい。センサプレート１１０の厚さおよび圧力発信器２の段状の輪郭により、アセンブリが組み立てられると、ダイヤフラム１２２はセンサプレート１１０のキャビティ１２０と同一平面になる。圧力発信器２の段状の輪郭と、穴１２４，１２６とが、中空ねじ１１４からセンサプレート１１０への軸方向力の伝達を可能にする。

図６は、保護管４の内部において半無限管３の周囲にらせん状に延びた、圧力発信器２のワイヤ１２８（センサ信号ケーブル）のリードアウトを示している。ワイヤ１２８は、半無限管３の周囲に巻き付けられているので、無限管の熱膨張および／または振動による損傷の危険性が減じられている。

図７は、ハウジング１５および補償手段を詳細に示している。図７における符号１１は、センサ信号ケーブルを示している。半無限管３は、半無限として設計されている。なぜならば、前述の内径を有すると、測定される圧力変動、基本的には音波が、この長い長さにわたって消散され、したがって、半無限管の端部においてもはや反射され得ないからである。これは、音響的に、半無限管が本当にこの方向で無限管として作用することを意味する。この装置の実用的な使用において、長い管の取扱いは、これまで使用されているような長線路プローブにおいて極端に問題であることが分かった。極めてコンパクトなユニットではない構成部材は、どかされまたは踏みつけられ、連続的な使用の間にかなり過酷な扱いが予測されなければならないことを経験が示している。しかしながら、これは、半無限管として設計された線路にとって極めて決定的な問題である。例えば６ｍｍの内径と、適切な壁厚とを備えるこのような線路は、内壁において容易にもつれさせられまたはさもなければ損傷され、これは、結果的に、圧力振動の望ましくない反射を生じる。したがって、発明の概念によれば、プローブには、プローブの一体的な構成部材を意味する巻取りキャリヤまたは回転プレートモジュール１３が設けられている。半無限管３は、このモジュール１３に巻線として位置決めされている。このモジュールは加えて、保護スリーブ１３２によってカバーされている。これは、組立およびメンテナンススタッフが、取り付けられたプローブを踏みつけたときでも、半無限管の一体性を保証する。第２の端部１４において、半無限管３は、円環状空間１３０と、フラッシングガス供給部とに接続されている。フラッシングガス供給部の構造的設計は、実用的な使用において半無限管３と極めて類似の問題を生じる。すなわち、機械的な一体性を保証するために、フラッシングガス供給部は、“浮動自在”に取り付けられてはならず、コンパクトなユニットに一体化されなければならない。本発明によれば、これは、ハウジング１５を保護管４の周囲に配置することによって達成される。保護管４とハウジング１５との間には、上述の円環状空間１３０が形成されている。この円環状空間１３０には、フラッシングガスを導入することができる。フラッシングガスは、次いで、測定穴１０４の測定箇所側の端部の方向へ半無限管３および測定管１０４を通って流れる。これは、測定穴１０４内への高温で攻撃的な燃焼ガスの侵入、および燃焼ガスとの圧力発信器２の接触を防止する。フラッシングガスの永久的な流れは、さらに、全長にわたって測定管内に実質的に一定の温度を保証する。

巻取りキャリヤまたはモジュール１３は、フラッシングガス供給に関する別の機能を果たす。なぜならば、巻取りキャリヤ１３には、半無限管３の巻取り部の周囲の空気の自由循環を保証する開口が設けられているからである。

ハウジング１５には、前端部において雄ねじ山１３４が設けられており、ハウジング１５はこの雄ねじ山１３４によってガスタービン（図示せず）の外側スリーブに螺合させられる。ハウジング１５はこれにより外側スリーブに密に螺入させられ、封止リングまたは封止コードと機能接続した外側管のシール座部は、外部圧力に対するプレナム圧力の確実な封止を生ぜしめる。もちろん、専門家に公知のその他の装置、例えば、フランジ継手を、外側スリーブ１０４への外側管１２の取付けおよび封止のために使用することができる。

測定箇所とは反対側に面したハウジング１５の前側には、プレート１３６が取り付けられている。このプレート１３６は、圧力ばね５用の第１の支持部として機能する。ばね５用の第２の支持部は、軸方向に可動に半無限管３に固定された停止ブシュ６である。これにより、圧力ばね５は、保護管４に軸方向の力を加えることができる。軸方向寸法は、取り付けられた状態において、センサホルダ１の円錐形座部の気密な着座が保証されるように軸方向の力が常に保護管４に加えられるように選択されている。

加えて、ハウジング１５における半無限管３および保護管４のばね付勢された軸方向に可動な位置決めは、一方では外側スリーブとガスタービンのフードとの間、他方では半無限管３とハウジング１５との間の膨張差の補償を保証し、これにより、フードおよびセンサホルダ１における円錐形座部の密着性が保証される。

プレート１３６には、直径が半無限管３の直径よりも大きな開口が設けられている。これは、ハウジング１５における半無限管３の固着を防止する。

他方では、軸方向に可動な支持部６とハウジング１５との間には、気密な着座を達成することができない。作動中、保護管４とハウジング１５との間の軸方向移動を妨げることなく依然として大気に向かって封止されていなければならないプレナム圧力は、依然として、プレート１３６の貫通孔に存在する。その理由から、この貫通孔は、気密式にベローズ１３８へ続いており、ベローズ１３８もまた第２の端部において気密状態でブシュ１４０に取り付けられている。

このブシュ１４０には再び、気密管接続用の高圧フィッティング１０、例えばスエージロック接続が設けられており、これは、半無限管３の２つの部分に関して気密シールを提供する。ブシュ１４０は、シース１４２と密なすべりばめを生じながら軸方向に可動に配置されており、これにより、半無限管３を半径方向においても固定している。シース１４２は、プレート１３６を介してハウジング１５に固定状態で結合されている。

後側部分における３つの位置決め箇所における半無限管３の頑強な半径方向支持、および前側部分におけるばね５による予荷重は、実際に薄くかつ柔軟な管３の固有振動周波数を増大させる。一方では、これは、数１０⁴作動時間にわたって連続運転中に振動損傷を防止する。他方では、潜在的に測定を誤る恐れがある圧力発信器２を含む全測定装置の振動は、実質的に防止される。

本発明によるプローブのその他の実施の形態および適用は、発明の概念から逸脱することなくまたは発明の請求項に記載された範囲を超越することなく専門家にとって明らかになるであろう。

図８は、従来技術のプローブと比較して広い周波数範囲における請求項に記載されたプローブの極めて優れた動作を示している。

線１４４は、約３０００Ｈｚにおける共振周波数を有する従来のプローブの試験結果を示している。この共振周波数は、圧力発信器の出力信号に不利に影響する。

線１４６は、本発明によるプローブの試験結果を示している。このプローブは、共振周波数を有さず、その結果、圧力発信器２の出力信号の質は改善される。

１ センサホルダ
２ 圧力発信器
３ 半無限管
４ 案内管
５ ばね
６ 停止ブシュ
７ コンペンセータ
８ フランジ
９ 高圧フィッティング支持部
１０ 高圧フィッティング
１１ センサ信号ケーブル
１２ 半無限管
１３ 回転プレートモジュール
１４ スエージロック
１５ ハウジング
１００ プローブ
１０２ 段状の穴
１０４ 測定穴
１０６ 肩部
１０８ 雌ねじ山
１１０ センサプレート
１１２ 支持ディスク
１１４ 中空ねじ
１１６ スペーサ
１１８ 面
１２０ キャビティ
１２２ ダイヤフラム
１２４，１２６ 穴
１２８ ワイヤ（３つのセンサ信号ケーブル）
１３０ 円環状空間
１３２ スリーブ
１３４ ねじ山
１３６ プレート
１３８ ベローズ
１４０ ブシュ
１４２ シース
１４４ 線
１４６ 線

Claims (15)

1. 圧力振動を測定するプローブであって、該プローブは、以下の要素、すなわち：
   センサホルダ（１）であって、測定穴（１０４）と肩部（１０６）とを有する段状の穴（１０２）と、前記測定穴（１０４）の内部と接続した圧力発信器（２）とを含むセンサホルダ（１）を備える、プローブにおいて、
   前記段状の穴（１０２）は、少なくとも２つ以上の前記圧力発信器（２）を保持するセンサプレート（１１０）を受容しており、該センサプレート（１１０）の面（１１８）と、前記肩部（１０６）とが、キャビティ（１２０）を画成しており、これにより、前記測定穴（１０４）を、少なくとも２つの前記圧力発信器（２）の検出面またはダイヤフラム（１２２）に接続していることを特徴とする、圧力振動を測定するプローブ。
2. 前記センサプレート（１１０）および／または前記肩部（１０６）は、その面（１１８）においてキャビティを有する、請求項１記載のプローブ。
3. 前記段状の穴（１０２）の前記肩部（１０６）と、前記センサプレート（１１０）の前記面との間のキャビティは、前記測定穴（１０４）からの圧力振動を分配する、請求項１または２記載のプローブ。
4. 前記キャビティは、０．２ｍｍ〜１ｍｍの深さを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のプローブ。
5. 前記測定穴（１０４）は、半無限管（３）と接続されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のプローブ。
6. 前記センサプレート（１１０）は、前記肩部（１０６）に封止状態で押し付けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載のプローブ。
7. 支持ディスク（１１２）を備え、該支持ディスク（１１２）と、前記センサプレート（１１０）とはそれぞれ、各圧力発信器（２）用の１つの穴（１２４，１２６）を有し、各圧力発信器（２）は、段状の輪郭を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載のプローブ。
8. 締付け手段（１１４）を備え、前記センサホルダ（１）はねじ山（１０８）を有し、前記締付け手段（１１４）は、前記支持ディスク（１１２）と、少なくとも１つの前記圧力発信器（２）と、前記センサプレート（１１０）とに軸方向の力を加えるように前記ねじ山（１０８）と協働する、請求項１から７までのいずれか１項記載のプローブ。
9. 前記締付け手段は中空のねじ（１１４）であり、前記センサホルダ（１）は、雌ねじ山（１０８）を有する、請求項１から８までのいずれか１項記載のプローブ。
10. 前記半無限管（３）と、前記圧力発信器（２）のワイヤ（１２８）とを損傷から保護するために保護管（４）を備える、請求項５から９までのいずれか１項記載のプローブ。
11. 熱膨張により前記半無限管（３）を軸方向で膨張させることができるようにコンペンセータ手段を備える、請求項１から１０までのいずれか１項記載のプローブ。
12. 前記半無限管（３）は、４０メートルを超える長さを有しており、前記測定穴（１０４）と同じ内径を有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載のプローブ。
13. ハウジング（１５）を備え、該ハウジング（１５）と、前記保護管（４）とは、円環状空間（１３０）を画成しており、該円環状空間はフラッシングガス供給部に接続されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のプローブ。
14. 前記測定穴（１０４）の測定箇所端部がガスタービンの燃焼器に向かって開放している、ガスタービンにおける請求項１から１３までのいずれか１項記載のプローブの使用。
15. 前記円環状空間（１３０）がガスタービンのプレナムに接続されている、請求項１４記載のプローブの使用。

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