JP3696767B2 - ガスタービンの排出ガス温度計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスタービンの燃焼ガス排出側の流路に先端が突出するよう設置されて排出ガスを計測する熱電対と、この熱電対が収容されてガス排出側の流路壁に固定される保護管とを備えたガスタービンの排出ガス温度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電用や産業用にガスタービンが広く使用されるようになっている。これは、ガスタービンの燃焼器出口温度つまりタービン入口ガス温度が１１００℃級から１３００℃級以上にすることが可能となって、ガスタービン単体の効率が向上してきたこと、ガスタービンと蒸気タービンとを併せて熱効率の向上を目指した発電方式、すなわちコンバインドサイクル発電プラントが増加してきたこと、などによる。
【０００３】
上記したコンバインドサイクル発電プラントは、主体となるガスタービンの入口燃焼ガス温度を、上記した１３００℃級に高めることにより、高効率化、高出力化を実現している。このようなことから、発電プラントでは、ガスタービンを用いたコンバインドサイクル発電方式が主流となっている。
【０００４】
ガスタービンの運用に当たっては、ガスタービンの保護のためにガスタービン入口温度を計測する必要がある。ところが、この部分のガスは、上記したように１３００℃級と高温であり、かつ流れも高速であることから、熱電対で計測することは困難である。その理由は、熱電対とその保護管を、このような流体中に設置すると、損傷しやすく充分な信頼性を確保できないからである。
【０００５】
このため、一般のガスタービンでは、ガスタービンから排出されたガスの温度を計測し、この排出ガス温度によってガスタービンの入口温度を制御する手法が採用されている。ガスタービンの排出ガス温度からタービン入口温度は、熱力学的手法により求めることが可能である。
【０００６】
このように、ガスタービンの排出ガス温度の測定は、設備の安全保護上、最も重要な事項の一つとなっている。図５は、上部側の半分のみを示しているガスタービンの外観図であり、燃焼器１にて高温化された圧縮空気が、ガスタービンケーシング３内のタービンにより、排気フレーム５を経て後部ディフューザ７内の流路に送られ、排出ガスＧとなって排出される。この後部ディフューザ７の流路壁に、複数の熱電対取付孔９が全周にわたり形成されている。
【０００７】
図６は、熱電対取付孔９に、熱電対１１を備えた温度計測装置１３が取り付けられた状態を示している。温度計測装置１３は、熱電対１１を収容する保護管１５を備えており、この保護管１５を上記した熱電対取付孔９に挿入し、その外周に形成してある取付フランジ１７の周囲を後部ディフューザ７の流路壁に溶接によって固定する。
【０００８】
図７は、温度計測装置１３を拡大したもので、図中で右半分を断面で示している。保護管１５は、内部に熱電対１１を収容する貫通孔１９を備えるとともに、先端には円筒状の整流部２１を備え、整流部２１内の図中で左右に貫通する通路２１ａ内に先端が位置するよう熱電対１１を収容している。上記した通路２１ａは、排出ガスＧの流れ方向と平行となるよう設定されている。
【０００９】
熱電対１１は、保護管１５に対し、図６および図７中で上端部にて固定具２３によって固定されている。固定具２３は、保護管１５に対し、ねじ部２５を介して締結される本体２７と、本体２７に対し、ねじ部２９を介して締結されるナット３１とから構成されている。ナット３１の内周部には、押圧片３３の外周側の端部３３ａが取り付けられており、この押圧片３３は、ナット３１の本体２７への締結によって本体２７側の押圧部２７ａにより図中で上方に押し付けられ、これに伴い押圧片３３は内周面が熱電対１１の外周面に押し付けられて熱電対１１が固定される。
【００１０】
そして、図７に示すように（図６では図示せず）、温度計測装置１３が取り付けられた部分を含む後部ディフューザ７の外周部に、保温材３５が設けられている。保温材３５は、排出ガスの熱を図示しない蒸気タービンに有効利用するために設けるもので、取付フランジ１７より図７中で上部側の保護管１５全域および固定具２３の一部を覆っている。
【００１１】
図７に示すように、熱電対１１は、保護管１５における貫通孔１９の中心に収容されかつ、先端が整流部２１における通路２１ａの中心に位置するように位置決めするための環状の位置決め具３７を備えている。図８は、この位置決め具３７周辺の拡大された断面図で、熱電対１１は、熱電対素線３９が中空の金属シース４１内に収容された構成であり、金属シース４１が位置決め具３７の挿入孔４３に挿入された状態で両者相互が溶接により固定されている。
【００１２】
位置決め具３７の図中で下部側全周には、テーパ面４５が形成され、これに対応して貫通孔１９の内面にはストッパ面４７が形成されている。位置決め具３７が溶接固定された熱電対１１を、保護管１５の貫通孔１９に図７中で上方から挿入し、位置決め具３７のテーパ面４５が貫通孔１９のストッパ面４７に密着することで、熱電対１１が、貫通孔１９の中心に収容されかつ、先端が整流部２１における通路２１ａの中心に位置決めされることになる。この位置決め作業後に、あらかじめ熱電対１１が挿入されている前述した固定具２３のナット３１を、保護管１５に締結固定されている本体２７に締結することで、熱電対１１が保護管１５に固定されることになる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したように、ガスタービンの高効率化に伴う燃焼ガス温度の高温化により、ガスタービンの排出ガス温度もより高温となっている。このため、図８に示すような熱電対１１の保護管１５に対する位置決め構造では、位置決め具３７のテーパ面４５が保護管１５のストッパ面４７に面接触していることから、この接触面で焼き付きが生じ、熱電対１１が保護管１５から引き出せなくなるという不具合が発生している。
【００１４】
また、図７のように、保温材３５が、固定具２３を保護管１５に締結固定するためのねじ部２５を覆っているような場合には、このねじ部２５も高温に保持されて焼き付きが生じ、上記と同様な問題が発生している。
【００１５】
熱電対１１は、ガスタービンの保護や燃焼制御に用いることから、温度計測の応答性を高める必要があり、熱電対素線３９が極めて細く形成してあるため、断線しやすく、交換を必要とする。しかしながら、上述したように、焼き付きによって熱電対１１が保護管１５から引き出せなくなると、熱電対１１単体での交換ができず、後部ディフューザ７に溶接固定されている保護管１５ごと交換しなければならなくなり、交換作業に多大の時間を要し、設備の運用を著しく阻害する要因となる。
【００１６】
そこで、この発明は、熱電対を保護管に位置決めするための位置決め部および、熱電対を保護管に固定するための固定具の、保護管に対する焼き付きを防止して、熱電対を保護管から容易に引き出せるようにすることを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、ガスタービンの燃焼ガス排出側の流路に先端が突出するよう設置されて排出ガスの温度を計測する熱電対と、この熱電対が収容されて前記ガス排出側の流路壁に固定される保護管とを備えたガスタービンの排出ガス温度計測装置において、前記熱電対の外周と前記保護管の内周との間に、熱電対の保護管に対する先端側への移動を規制する位置決め部を設け、この位置決め部における相互の接触部を、点もしくは線接触状態とする構成としてある。
【００１８】
このような構成のガスタービンの排出ガス温度計測装置によれば、熱電対を保護管内に挿入すると、位置決め部によって熱電対の保護管に対する先端側への移動が規制されて位置決めされる。このとき、熱電対と保護管とは、位置決め部において、点もしくは線接触状態となって焼き付き防止に有効となる。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１の発明の構成において、接触部は、一方がテーパ面で構成されている。
【００２０】
上記構成によれば、テーパ面に、他方の接触部が点もしくは線接触することで、熱電対が保護管に対して半径方向の位置決めがなされる。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項２の発明の構成において、接触部は、他方がテーパ面に線接触する環状の突起で構成されている。
【００２２】
上記構成によれば、テーパ面に対し、環状の突起が線接触することで、熱電対の保護管に対する先端側への移動が規制されて位置決めされる。
【００２３】
請求項４の発明は、請求項３の発明の構成において、環状の突起は、複数形成されている。
【００２４】
上記構成によれば、熱電対の保護管に対する半径方向の位置決めが確実となる。
【００２５】
請求項５の発明は、請求項３または４の発明の構成において、環状の突起は、熱電対側に設けられている。
【００２６】
上記構成によれば、熱電対を保護管に組み込む前の状態では、環状の突起は外部に露出する状態となるので、環状の突起の形成が容易となる。
【００２７】
請求項６の発明は、請求項２ないし５のいずれかの発明の構成において、熱電対と保護管との相互の接触部における少なくともテーパ面側に、耐酸化被膜を形成してある。
【００２８】
上記構成によれば、テーパ面は、耐酸化被膜を形成することで、高温による酸化が抑制され、焼き付き防止に有効となる。
【００２９】
請求項７の発明は、ガスタービンの燃焼ガス排出側の流路に先端が突出するよう設置されて排出ガスの温度を計測する熱電対と、この熱電対が収容されて前記ガス排出側の流路壁に固定される保護管とを備えたガスタービンの排出ガス温度計測装置において、前記熱電対の外周と前記保護管の内周との間に、熱電対の保護管に対する先端側への移動を規制する位置決め部を設け、この位置決め部における相互の接触部の少なくともいずれか一方に、耐酸化被膜を形成してある。
【００３０】
上記構成によれば、熱電対を保護管内に挿入すると、位置決め部によって熱電対の保護管に対する先端側への移動が規制されて位置決めされる。このとき、熱電対と保護管とは、位置決め部において耐酸化被膜を介して接触し、焼き付き防止に有効となる。
【００３１】
請求項８の発明は、請求項６または７の発明の構成において、耐酸化被膜は、少なくとも保護管側に対しては加熱により酸化被膜を形成してなる。
【００３２】
上記構成によれば、保護管の熱電対に対する位置決め部は、熱電対が挿入される孔の内部に位置しており、このため耐酸化被膜を形成するにあたり、加熱によって酸化被膜を形成することが製造上有利である。酸化被膜をあらかじめ形成しておくことで、使用時に高温雰囲気下となっても、酸化が抑制される。
【００３３】
請求項９の発明は、請求項８の発明の構成において、熱電対に対しては、金属溶射により耐酸化被膜を形成してある。
【００３４】
上記構成によれば、熱電対側の保護管に対する位置決め部は、保護管への組み付け前においては外部に露出しており、金属溶射が容易に行える。
【００３５】
請求項１０の発明は、ガスタービンの燃焼ガス排出側の流路に先端が突出するよう設置されて排出ガスの温度を計測する熱電対と、この熱電対が収容されて前記ガス排出側の流路壁に固定される保護管とを備えたガスタービンの排出ガス温度計測装置において、前記保護管の基端部に、保護管の流路壁への固定部から離れる方向に延長され、前記熱電対が挿入される保護管延長部を設け、この保護管延長部の前記保護管と反対側の端部に、前記熱電対を外側から押し付けて固定する固定具を締結固定する構成としてある。
【００３６】
上記構成によれば、流路壁の外周において、保護管全域および、保護管への保護管延長部の取付部付近が、例えば保温材にて覆われて、この付近が高温に保持されていても、保護管側の熱は、保護管延長部にて放熱され、固定具の保護管延長部に対する締結固定部の高温化が抑制され、この部位の焼き付き防止に有効となる。
【００３７】
請求項１１の発明は、請求項１０の発明の構成において、保護管と保護管延長部との相互の対向面の一部に空間を形成してある。
【００３８】
上記構成によれば、保護管から保護管延長部への熱伝導が抑制される。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００４０】
図１は、この発明の実施の一形態を示す、前記従来例で説明した図８に相当する断面図で、従来例で示した図５ないし図８と同一の構成要素には同一の符号を付しある。この実施の形態における、従来のものに対して異なる点は、熱電対１１の外周部に溶接固定されている位置決め具３７の、保護管１５側のストッパ面４７に接触するテーパ面４５（図８参照）を、環状となる複数の段差４９を設けて、環状の突起５１としたことと、保護管１５をあらかじめ排出ガス雰囲気程度の温度（約６００℃）に加熱してストッパ面４７の表面に酸化被膜を形成し、耐酸化被膜としたことである。
【００４１】
上記したストッパ面４７と突起５１とが、相互に接触する接触部であり、この接触部によって、熱電対１１の保護管１５に対する先端側（図１中で下部側）への移動を規制する位置決め部を構成することになる。
【００４２】
位置決め部においては、ストッパ面４７に対し環状の突起５１が線接触する上、ストッパ面４７にはすでに酸化被膜が形成されていることから、高温雰囲気下での表面の酸化促進が抑制されるので、ガスタービンとして排出ガス温度が高温化しても、位置決め具３７と保護管１５との焼き付きを防止することができる。これにより、熱電対１１の保護管１５からの引き抜きが可能となり、熱電対１１の交換が容易となる。
【００４３】
上記した環状の突起５１は、複数設けられているので、ストッパ面４７にそれぞれが当接することで、熱電対１１の図１中で上下方向の中心線と保護管１５の同中心線とを確実に一致させることができ、熱電対１１の保護管１５に対する半径方向（図１中で左右方向）の位置決めをより確実に行うことができる。
【００４４】
なお、位置決め具３７の突起５１を形成した部位にも耐酸化被膜を形成することで、焼き付き防止をより一層確実なものとすることができる。この場合の耐酸化被膜は、前述の加熱による酸化被膜のほかに、金属溶射を行うことも可能である。また、テーパ面４７に接触する位置決め具３７側の接触部は、環状の突起５１に限るものではなく、周方向に断続的に形成されるものや、テーパ面４７の傾斜方向に延長される突起や、あるいはテーパ面４７に対して点接触するような突起でも構わない。いずれにしても、テーパ面４７に対し、面接触せず、点もしく線接触する形態であれば、どのようなものでもよい。
【００４５】
図２は、この発明の他の実施の形態を示している。この実施の形態は、図１における段差４９および突起５１に代え、表面に金属溶射を施して、耐酸化被膜５３を形成したものである。位置決め具３７において、ストッパ面４７に対する接触面に、耐酸化被膜５３を形成することで、ガスタービンとして排出ガス温度が高温化しても、位置決め具３７と保護管１５との焼き付きを防止することができる。
【００４６】
なお、耐酸化被膜５３としては、金属溶射に代えて、前記図１の例で説明した加熱による酸化被膜を形成することもできる。また、図２の例では、ストッパ面４７側に、前記図１の例で示した位置決め具３７側の段差４９と同様な段差を設け、耐酸化被膜５３に対して突起により線接触もしくは点接触させるようにしてもよい。
【００４７】
図３は、熱電対１１を保護管１５に固定するための前記図７に示した固定具２３の保護管１５側に対する固定構造を示している。なお、この図３は、右側半分のみを断面で示している。保護管１５の上部端面に、保護管１５より細径の保護管延長部５５を溶接により固定してある。保護管延長部５５には、熱電対１１が挿入される挿入孔５７が形成され、この挿入孔５７の保護管１５と反対側の端部内面に雌ねじ部５９が形成されている。
【００４８】
この雌ねじ部５９に、前記図７に示したものと同様な固定具２３が締結固定されている。つまり、固定具２３の本体２７が、保護管延長部５５の雌ねじ部５９に締結固定される。そして、従来と同様の保温材３５は、保護管延長部５５に対しては、保護管１５側の一部のみを覆っており、固定具２３の保護管延長部５５に対する締結部となる雌ねじ部５９を覆ってはいない。
【００４９】
このため、上記締結部が保温材３５によって保温されて高温に保持されることがなく、しかも細径化された保護管延長部５５によって保護管１５からの熱が放熱され、固定具２３と保護管延長部５５との締結部の焼き付きを防止することができる。焼き付き防止によって固定具２３を保護管延長部５５から容易に取り外せ、熱電対１１の保護管１５からの引き抜きが可能となり、熱電対１１の交換が容易となる。
【００５０】
図４は、図３の変形例で、保護管延長部５５の保護管１５に対向する面に、凹部６１を形成し、保護管延長部５５と保護管１５との間に空間６３を形成してある。凹部６１の外周側には、保護管１５の端面に当接する環状の当接部６５が形成されることとなる。
【００５１】
空間６３が形成されることで、保護管１５から保護管延長部５５へ伝達される熱量が少なくなり、固定具２３と保護管延長部５５との締結部の焼き付きがより確実に防止される。また、凹部６１を形成することで、溶接時における保護管延長部５５の割れを防止することもできる。
【００５２】
上記図４の例では特に、保護管１５と保護管延長部５５との溶接は、シール性確保のため、全周行うことが望ましい。
【００５３】
なお、上記した凹部６１は、当接部６５より内側全域に形成してもよいが、全域でなく部分的に設けても構わない。また、保護管延長部５５に凹部６１を設ける代わりに、保護管１５側に凹部を設けるようにしても、また、保護管１５と保護管延長部５５との双方に凹部を設けるようにしてもよい。
【００５４】
このように、熱電対１１を保護管１５に位置決めするための位置決め具３７と保護管１５との接触部にて焼き付きが防止されるとともに、熱電対１１を保護管１５と一体の保護管延長部５５に固定するための固定具２３と、保護管延長部５５との締結部においても焼き付きが防止されるので、熱電対１１は、保護管１５から容易に引き抜くことができて交換が容易となり、設備の信頼性が向上する。
【００５５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、熱電対と保護管とは、熱電対の保護管に対する先端側への移動を規制する位置決め部において、相互の接触部が点もしくは線接触するようにしたので、熱電対と保護管との接触部位での焼き付きを防止でき、熱電対の交換を容易に行うことができる。
【００５６】
請求項２の発明によれば、接触部は、一方がテーパ面で構成されているので、熱電対が保護管に対して半径方向の位置決めがなされつつ、熱電対と保護管との接触部位での焼き付きを防止することができる。
【００５７】
請求項３の発明によれば、接触部は、他方がテーパ面に線接触する環状の突起で構成されているので、テーパ面に対し、環状の突起が接触することで、熱電対の保護管に対する先端側への移動が規制されつつ、熱電対と保護管との接触部位での焼き付きを防止することができる。
【００５８】
請求項４の発明によれば、環状の突起は、複数形成されているので、熱電対の保護管に対する半径方向の位置決めを確実に行うことができる。
【００５９】
請求項５の発明によれば、環状の突起は、熱電対側に設けられているので、環状の突起の形成が容易になる。
【００６０】
請求項６の発明によれば、熱電対と保護管との相互の接触部における少なくともテーパ面側に、耐酸化被膜を形成したので、高温による酸化を抑制でき、熱電対と保護管との接触部位での焼き付きを防止することができる。
【００６１】
請求項７の発明によれば、熱電対と保護管とは、熱電対の保護管に対する先端側への移動を規制する位置決め部において、相互の接触部の少なくともいずれか一方に、耐酸化被膜を形成したので、熱電対と保護管との接触部位での焼き付きを防止でき、熱電対の交換を容易に行うことができる。
【００６２】
請求項８の発明によれば、耐酸化被膜は、少なくとも保護管側に対しては加熱により形成するようにしたので、熱電対に対する接触部が内部に形成されている保護管に対する酸化被膜の形成を容易に行うことができる。
【００６３】
請求項９の発明によれば、熱電対に対しては、金属溶射により耐酸化被膜を形成したので、熱電対と保護管との相互の接触部における焼き付きを防止することができる。
【００６４】
請求項１０の発明によれば、保護管の基端部に、保護管の流路壁への固定部から離れる方向に延長され、熱電対が挿入される環状の保護管延長部を設け、この保護管延長部の保護管と反対側の端部に、熱電対を外周から押し付けて固定する固定具を締結固定するようにしたので、固定具の保護管延長部に対する締結部が、保護管の端部から離れた位置となり、保護管側の熱は保護管延長部にて放熱され、上記締結部への熱伝達を抑制できて締結部での焼き付きを防止でき、熱電対の交換を容易に行うことができる。
【００６５】
請求項１１の発明によれば、保護管と保護管延長部との相互の対向面の一部に空間を形成したので、保護管から保護管延長部への熱の伝達を抑制でき、固定具の保護管延長部に対する締結部の焼き付きを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態を示すガスタービンの温度計測装置における、熱電対の保護管に対する位置決め部周辺の断面図である。
【図２】この発明の他の実施の形態を示すガスタービンの温度計測装置における、熱電対の保護管に対する位置決め部周辺の断面図である。
【図３】熱電対の保護管に対する固定具周辺の右半分のみ断面で示す説明図である。
【図４】図３の変形例を示す要部の拡大された断面図である。
【図５】上部側の半分を示しているガスタービンの外観図である。
【図６】図５のガスタービンの後部ディフューザに温度計測装置が取り付けられている状態を示す断面図である。
【図７】図６の温度計測装置を拡大して右半分を断面として示した説明図である。
【図８】図７における熱電対の保護管に対する位置決め部周辺の拡大された断面図である。
【符号の説明】
１１ 熱電対
１３ 温度計測装置
１５ 保護管
２３ 固定具
３７ 位置決め具
４７ ストッパ面（接触部）
５１ 環状の突起（接触部）
５３ 耐酸化被膜
５５ 保護管延長部
６３ 空間

Claims (11)

1. ガスタービンの燃焼ガス排出側の流路に先端が突出するよう設置されて排出ガスの温度を計測する熱電対と、この熱電対が収容されて前記ガス排出側の流路壁に固定される保護管とを備えたガスタービンの排出ガス温度計測装置において、前記熱電対の外周と前記保護管の内周との間に、熱電対の保護管に対する先端側への移動を規制する位置決め部を設け、この位置決め部における相互の接触部を、点もしくは線接触状態とすることを特徴とするガスタービンの排出ガス温度計測装置。
2. 接触部は、一方がテーパ面で構成されていることを特徴とする請求項１記載のガスタービンの排出ガス温度計測装置。
3. 接触部は、他方がテーパ面に線接触する環状の突起で構成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の排出ガス温度計測装置。
4. 環状の突起は、複数形成されていることを特徴とする請求項３記載のガスタービンの排出ガス温度計測装置。
5. 環状の突起は、熱電対側に設けられていることを特徴とする請求項３または４記載のガスタービンの排出ガス温度計測装置。
6. 熱電対と保護管との相互の接触部における少なくともテーパ面側に、耐酸化被膜を形成したことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載のガスタービンの排出ガス温度計測装置。
7. ガスタービンの燃焼ガス排出側の流路に先端が突出するよう設置されて排出ガスの温度を計測する熱電対と、この熱電対が収容されて前記ガス排出側の流路壁に固定される保護管とを備えたガスタービンの排出ガス温度計測装置において、前記熱電対の外周と前記保護管の内周との間に、熱電対の保護管に対する先端側への移動を規制する位置決め部を設け、この位置決め部における相互の接触部の少なくともいずれか一方に、耐酸化被膜を形成したことを特徴とするガスタービンの排出ガス温度計測装置。
8. 耐酸化被膜は、少なくとも保護管側に対しては加熱により酸化被膜を形成してなることを特徴とする請求項６または７記載のガスタービンの排出ガス温度計測装置。
9. 熱電対に対しては、金属溶射により耐酸化被膜を形成したことを特徴とする請求項８記載のガスタービンの排出ガス温度計測装置。
10. ガスタービンの燃焼ガス排出側の流路に先端が突出するよう設置されて排出ガスの温度を計測する熱電対と、この熱電対が収容されて前記ガス排出側の流路壁に固定される保護管とを備えたガスタービンの排出ガス温度計測装置において、前記保護管の基端部に、保護管の流路壁への固定部から離れる方向に延長され、前記熱電対が挿入される保護管延長部を設け、この保護管延長部の前記保護管と反対側の端部に、前記熱電対を外側から押し付けて固定する固定具を締結固定したことを特徴とするガスタービンの排出ガス温度計測装置。
11. 保護管と保護管延長部との対向面の一部に空間を形成したことを特徴とする請求項１０記載のガスタービンの排出ガス温度計測装置。

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