JP2016500780A - 熱流束センサを有するガスタービン - Google Patents

Abstract

本発明は、熱流束センサ（１０）を有するガスタービン（１８）であって、前記熱流束センサ（１０）は、前記ガスタービン（１８）の構成部品（２０）の表面に配置されており、熱電対として構成されている、ガスタービン（１８）において、前記熱流束センサ（１０）は、横方向熱電素子である。ことを特徴とするガスタービン（１８）に関する。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の熱流束センサを有するガスタービンに関する。

産業用ガスタービンの効率及びエネルギ効率を増加させるために、このようなタービンの燃焼室における燃焼温度をますます増加させることが努力されている。その結果として生じる材料応力により、ガスタービンの各コンポーネントの動作パラメータ及び状態を精確に監視する必要性が生じている。

この際、部分的に相反するエネルギ効率と、排出量制御と、摩耗とに対する各要求を最適化するために、ガスタービンの温度を監視することが特に重要である。特に酸化及びクリープのような摩耗過程は熱活性的であり、基本的に温度に指数関数的に依存する。

監視すべき領域の温度が高いので、使用するセンサに対しては、特にセンサの長期的な機能完全性の点で高度な要求が課されている。

温度の他にも、タービン構成部品の熱障壁層を通過する熱流束も監視しなければならない。このために、複数の熱電対の積層体を熱障壁層の中に埋め込むことが知られている。熱障壁層の種々異なる深さにおいて測定された各温度から、当該熱障壁層を通過する熱流束を推測することができる。

しかしながらこのような熱流束センサは、製造において、並びに、ガスタービンの所定の動作条件下での電気接続に関して、非常に高コストである。

従って本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載のガスタービンにおいて、熱流束を簡単かつ確実に測定できるようにすることである。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載のガスタービンによって解決される。

このようなガスタービンは、１つの熱流束センサを有し、当該熱流束センサは、ガスタービンの構成部品の表面に配置されており、熱電対として構成されている。

本発明によれば、熱流束センサは、横方向熱電素子である。

横方向熱電素子は、異方性を有する熱電材料の使用に基づいており、異方性を有する熱電材料のゼーベックセンサは、ゼロではない非対角要素を有する。この結果、熱電素子に作用する温度勾配に対して垂直な方向に電圧が生じる。

このようにすると、例えば複数の熱電対の積層体のような複雑な構成を必要とすることなく、ただ１つのセンサを用いてガスタービン内の熱流束を検出することが可能となる。

本発明の別の１つの実施形態においては、熱流束センサは、単結晶の酸化亜鉛からなる。酸化亜鉛は、自身の熱電特性に関して固有異方性を有しており、スパッタリングによって、所定の軸傾斜を有する単結晶の形態で被着させことができ、ガスタービンの所定の動作条件下でも安定的である。

熱電圧から所期のように熱流束を求められるようにするために、酸化亜鉛の結晶学的ｃ軸が構成部品の表面の面法線に対して傾斜するように、熱電素子を配置すると有利である。

熱流束センサは、好ましくは、構成部品の熱障壁層の下側に配置されている。これによって一方では、障壁層自体を保護することができ、他方では、障壁層を通過する熱流束を精確に検出することが可能となる。

さらに有利には、熱流束センサと構成部品の表面との間に電気絶縁層が配置されている。これによって熱流量センサは、構成部品の導電性の表面によって短絡されなくなる。

本発明の別の１つの実施形態においては、熱流束センサのための接続線路が電気絶縁層と熱障壁層との間に配置されている。これによって、接続線路自体も障壁層によって保護される。

以下、本発明及び本発明の実施形態を、図面に基づいてより詳細に説明する。

横方向熱電センサの機能方法を示す概略図である。 本発明のガスタービンの１つの実施例における熱流束センサの設置領域の概略断面図である。

横方向熱電センサ１０は、例えばアルミニウムドープされた単結晶の酸化亜鉛のような、熱電効果に関して固有異方性を有する材料からなり、この材料は、結晶学的ｃ軸が、測定すべき熱流束に対して傾斜するように配置される。センサ１０を通過する熱流束に沿って温度勾配が生じ、この温度勾配自体によって、熱流束に対して垂直な電位差が引き起こされ、これによってセンサ１０の両側面１２，１４において当該熱流束に比例した電圧を取り出すことが可能となる。

図２にはガスタービン１８の一部が図示されている。ガスタービン１８の熱障壁層１６を通過する熱流束を測定するために、まず、構成部品２０（特にガスタービンの燃焼室の壁）の上に電気絶縁層２２が被着される。絶縁層の上には例えばスパッタリングによってセンサ１０が被着され、センサ１０の両側面１２，１４は、電気的な接続線路２４とコンタクトされる。

最後に、センサ１０及び接続線路２４の上に熱障壁層１６が被着される。このことは例えば、耐高温セラミックの溶射によって実施することができる。

ガスタービンの運転中には、熱障壁層１６と、ひいてはセンサ１０とを通過する熱流束が発生する。センサ１０は、結晶学的ｃ軸が構成部品２０の面法線に対して傾斜するように配置されているので、側面１２と側面１４の間には電位差が発生し、この電位差を、接続線路２４を介して取り出して、電圧計２６によって検出することが可能である。

検出された横方向熱電圧から、センサ１０の幾何形状を考慮して、熱障壁を通過する熱流束を求めることができる。この場合には、センサ１０の長さと厚さの比が特に重要である。なぜなら熱流束が所与の場合には、この比が増加すると熱電圧も増加するからである。

要約すると、熱障壁層を通過する熱流束を簡単かつ確実に監視でき、熱障壁層の障壁効果を所定の動作条件下でも常に確実に制御することが可能なガスタービンが提供される。

Claims (6)

1. 熱流束センサ（１０）を有するガスタービン（１８）であって、
   前記熱流束センサ（１０）は、前記ガスタービン（１８）の構成部品（２０）の表面に配置されており、熱電対として構成されている、
   ガスタービン（１８）において、
   前記熱流束センサ（１０）は、横方向熱電素子である。
   ことを特徴とするガスタービン（１８）。
2. 前記熱流束センサ（１０）は、単結晶の酸化亜鉛からなる、
   ことを特徴とする請求項１記載のガスタービン（１８）。
3. 前記酸化亜鉛の結晶学的ｃ軸は、前記構成部品（２０）の前記表面の面法線に対して傾斜されている、
   ことを特徴とする請求項２記載のガスタービン（１８）。
4. 前記熱流束センサ（１０）は、前記構成部品（２０）の熱障壁層（１６）の下に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のガスタービン（１８）。
5. 前記熱流束センサ（１０）と前記構成部品（２０）の前記表面との間に、電気絶縁層（２２）が配置されている、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のガスタービン（１８）。
6. 前記熱流束センサ（１０）のための接続線路（２４）が、前記電気絶縁層（２２）と前記熱障壁層（１６）との間に配置されている、
   ことを特徴とする請求項５記載のガスタービン（１８）。

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