JP4077080B2 - ガスタービン用光高温計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温測定の分野に関する。本発明は、特許請求の範囲の請求項１の前段によるガスタービンにおける温度測定のための高温計に起因し、特許請求の範囲の請求項９の前段による高温計を備えたガスタービンに起因し、そして、特許請求の範囲の請求項１３の前段による高温計の助けによるガスタービンを監視するための方法に起因する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ガスタービン内の温度測定のいくつかの方法が従来技術から知られている。基本的な物理測定原理は、特に、電気抵抗の温度依存性、ゼーベック効果（熱電対）、色反応（サーモカラー）、気体中の音速、又は散乱若しくは輻射された電磁気放射の分光分布に基づく。
ガスタービン用温度センサーは、温度、圧力及び振動に関する極端な負荷に耐えなければならない。在来の熱電対は、これらの使用条件下で非常に急速に老化する。その上、回転部品も測定すべきであり、これは複雑な遠隔測定手段によってのみ可能である。サーモカラーの使用は実験的研究に限られる。例えば、レイライ散乱或いはＣＡＲＳ（干渉反ストークスラーマン散乱）のような活性レーザー測定方法は、非接触であるにもかかわらず、複雑で実施するのに難しい。
【０００３】
従って、受光法のような放射高温測定が、作動状態のガスタービン内の温度測定にずっと適していることがすぐに認識された。国際特許出願ＷＯ／００１３１は、タービンの外側から第１列の動翼までの観測チャンネルをもった光高温計を開示する。測定装置は、高温計及び検出器を含むすべての光構成要素がのぞき窓によってガスタービンの高温高圧環境から分離されている点で区別される。観測チャンネルは、流れダクトの中を第１列の動翼から２つの案内翼の間の空間を通って、燃焼室側でタービンケーシングに向って本質的には直線で延び、熱ガスを運ぶタービン部品に触れない径路を接続するすべてのチャンネルであると考えられる。観測チャンネルは、熱変形した機械でも、観測伝達手段を自由に整備するに十分に広く、更に、動翼のいくつかの帯域を、チャンネル内のビーム径路の調整によって映すように設計される。観測チャンネル及びのぞき窓は圧縮空気によって清掃される。この型式の測定装置では、案内翼、熱ガスダクト、バーナー壁又はガスの温度を測定することができる。この高温計の主な欠点は、数メートルまでになる長大な測定距離による測定精度の固有限界である。これは、検出すべき熱像の範囲及び位置を、結果として、不十分に検査することしかできないからである。
【０００４】
観測チャンネルをもった関連した高温計及び気密なのぞき窓が、名称ＴＢＴＭＳ（タービン翼温度測定装置）の下、ランド・インスツルメンツ・インターナショナル社（Land Instruments International、Inc．）によって提供されている。図１によれば、のぞき窓をもった観測チャンネル２は、タービンケーシング１０の外側で終わる。そこでは、熱放射が光素子４によってファイバー５に送られ、ファィバー５によって防音フード（囲い）１１の外に導かれる。検出器６で、光信号は電気信号に変換され、電気信号は信号線７を経て測定回路８に供給される。インフィード光素子４及び接続ファィバー５は、高くても４００℃の周囲温度にさらされる。ガスタービン内部付近の光素子４の汚染の高い危険に、活性空気清掃９によって対抗しなければならない。この目的のために、タービンの内側の観測チャンネル２は、１．２ｍまでの保護チューブを有するのが良く、該保護チューブは、例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）からなり、且つ１５５０℃までの温度に耐え、煤粒子を近づけない。
【０００５】
ランドの高温計１の大きな欠点は、タービンケーシング１０に取付けられる光センサーヘッドの複雑さである。これは、センサーヘッドが、光素子４が放射測定物体を映すための調整ヘッド、のぞき窓を含む圧力及び温度の仕切り、複雑な空冷或いは水冷手段、及び保護又は観測チューブを、清掃装置と一緒に有するからである。この型式のセンサーヘッドの全重量は５０ｋｇを大きく超える。また、約１５ｍｍ乃至６０ｍｍの観測チューブの直径は、ガスタービン内の設置可能な場所を大きく制限し、タービン部品の望まない機械的脆弱を生じさせることがある。後でより詳細に説明するように、観測チャンネル２が直線である事実は、この制限が、動翼を映すことができる非常に平らな観察角度に帰着することを意味し、該観察角度は温度測定値をゆがめる。その上、観測チャネルが１ｍよりも長い場合には、測定距離は再び非常に大きくなる。従って、測定スポットは、動翼の帯域を非常に大きく、ある環境ではローターの部分をも覆い、その結果、更なる測定誤差が起こる。５０℃より大きい測定誤差の証拠が、ランドの高温計を用いたテストにより見つけられている。
【０００６】
高温に耐える剛性光ガイドサファイアロッドの形態の固体光センサーを更に備えることが、技術状態である。図２は、ラクストロン・コーポレーション（Luxtron Corporation）のアキュファイバー・ディビィジョン（accufiber Division）からの型を示す。サファイアロッド１４の先端のブラックキャビティーエミッター１３が測定プローブとして役立ち、該プローブは、熱ガス流内に支持され、そこで熱せられる。再度、熱放射が熱ガス帯域の外側、即ち、タービンケーシングの外側から、光カプラ１５を経て低温ファイバー１６に送られ、防音フードから外に導かれ、そして光フィルター１８及びフォトダイオード１９を有する検出器１７に供給される。動翼温度を測定するために、サファイアの先端も、所望の観察測定物体からの熱放射を非接触で吸収できるように、平らに研磨され、曲げられる。
【０００７】
サファイアロッドは、典型的には、０．４mまでの長さで１ｍｍよりも大きい直径を有する。サファイアロッドは、先端に向って極端に熱くなる。測定値は、主に特性放射、個々の吸収、冷却環境への放射損失、及び自立したサファイアロッドに沿った熱放射の横方向のインフィードによってゆがめられる。キャビティー１３をもった閉じた実施形態の場合には、加えて、サファイアロッドの熱伝達による測定誤差が起こる。望ましくない例では、測定した温度は、もはや共通した熱ガス又は測定物体の温度をほとんど有しない。その上、両実施形態とも、１３００℃より上でのロッド１４の流動変形が問題を呈し、この流動変形により、ガス流にさらすことができるサファイアの長さは１０ｍｍより短く制限される。水冷されたキャリアプローブ及びサファイア支持チューブが保護のために使用される。しかしながら、これらの解決は満足できない。というのは、キャリアプローブはガス流を妨げ、支持チューブは、ガス流内で風上側と風下側との間の著しい温度勾配にさらされ、その結果、高い内部応力を受けるからである。
【０００８】
既知の高温信号評価方法が、例えば、１９５６年のＷ．ペペルホフ（Pepperhoff）、フェルラーク・フォン・ドクター・Ｄ．シュタインコフ（Verlag Von Dr．Steinkopff）、ダルムシュタット（Darmstadt）による便覧「熱放射」に明示されているように、温度を熱放射から計算するために使用される。特に、温度を決定するための熱放射スペクトルは、単色法、二色法、或いは広域法で評価されるのが良い。なかでも、二色高温測定が、放射測定物体の可変な放射率の影響を除去するために有益である。
述べた高温測定センサーは、原則的には、動翼の列の平均温度又は個々の動翼の個々の温度を決定するために採用される。平均温度は、ガスタービンを保護するため、例えば、ガスタービンの熱負荷を自動的な負荷削減によって制限するために有用なパラメータである。個々の温度は、例えば冷却ダクトの遮断又は損傷による動翼過熱の早期の警告として適している。
【０００９】
しかしながら、これらの機能を果すために、温度測定の精度及び長期の信頼性について、極めて厳格な要求を課さなければならない。現在使用できる高温計は、上述した理由のために、所望の測定精度を達成していない。その上、高温計は複雑な設計であり、かさばり、高出力冷却装置を必要とし、全体的には、ガスタービンに合体させるのが難しい。可撓性光伝達の利点は低温でのみ完全に使用できる。対照的に、高温では、観測チャンネル又はサファイアロッドの幾何学的形状が、高温計の可撓性及び過酷なガスタービン環境へのそれらの適用性を制限する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の１つの目的は、改善された高温性能、幾何学的可撓性、及び測定精度によって区別され、ガスタービン内の温度測定に特に適した新規な高温計を提供することにあり、第２の目的は、この型式の高温計をもった改良されたガスタービンを提供することにあり、第３の目的は、この型式の高温計の助けによるガスタービンを監視するための方法を提供することにある。これらの目的は、本発明による特許請求の範囲の請求項１、請求項９及び請求項１３の特徴によって達成される。
本発明の核心は光ガイド測定プローブにあり、該プローブは、熱放射を検出するためのマイクロ光センサヘッド及び熱放射を検出器に伝達するための光ファイバーを有し、センサヘッド及びファイバーは、高温性能を有し且つ高温に耐える柔軟な鞘を有する。
【００１１】
第１の例示の実施形態は、石英ガラス又はサファイア結晶からなるマイクロレンズ、及びファイバーを有する測定プローブを示し、マイクロレンズ及びファイバーは、金からなる高温被覆を有し且つ／又はインコネル（登録商標）からなる薄い柔軟な保護キャピラリーに収納される。第２及び第３の例示の実施形態は、低圧案内翼及び高圧案内翼内の光ガイド測定プローブの好ましい設置を示す。第４の例示の実施形態は案内翼内の測定プローブの設置を示し、案内翼への設置では、めくら穴を有するボアが、サファイアファイバー又は石英ファイバーを受入れるための翼壁に設けられ、めくら穴は、マイクロキャビティー或いはブラックキャビティーエミッターとして作用する。
【００１２】
追加の例示の実施形態を、特許請求の範囲の請求項の残りから集めることができる。
本発明による高温計の１つの利点は、その高温性能及び幾何学的可撓性により、高温計が、ガスタービン内の近づくことが難しい高温の場所への設置に特に適していることである。
他の利点は、高温計がガスタービン内の測定物体から短距離で、所望の観測角度に取付けられ、その結果、測定精度が明らかに改善されることから理解されるべきである。
動翼の温度を本発明による高温計の助けにより検査することができ、これにより、ガスタービンを、タービンの入口の円周にわたる温度分布、作動安全性、効率、メンテナンス間隔、及び全体としての信頼性及び利用可能性の点で改善できることは、特に有利である。
【００１３】
本発明のより完全な理解及び本発明の多くの付帯する利点は、添付図面と関連して考えるとき、以下の詳細な説明の参照によって、よりよく理解されるようになるので、前記利点は容易に手に入るであろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
今、図面を参照すれば、同じ参照番号がいくつかの図全体を通して同一部分又は相当する部分を指定する。図３は、本発明による高温計２０の第１の例示の実施形態を示す。高温測定プローブ又は光ガイド測定プローブ２１は、高温性能を有する光ファイバー２４及び高温性能を有するマイクロ光センサーヘッド２２を有し、ファイバー２４及びセンサーヘッド２２は、高温に耐える柔軟な鞘２５、２６、２７、２８を有する。マイクロ光センサーヘッド２２及びファイバー２４は互いに光学的に直接接続され、即ち、光をセンサーヘッド２２から光ファイバー２４に伝達するためにいかなるインフィード光学素子も必要ない。測定物体からの熱放射がセンサーヘッド２２によって検出され、光ファイバー２４に送り込まれ、検出器３２に伝達されて、少なくとも１つの電気信号に変換される。少なくとも１つの電気信号から、測定物体の温度の温度信号特性が、既知の高温測定信号評価方法の助けにより測定電子回路３３で計算される。
【００１５】
最も簡単な例では、マイクロ光センサーヘッド２２は光ファイバー２４の一端からなり、その端は、例えば、平らに研磨される。受光域を拡張するために、センサーヘッド２２が円錐（テーパ）２２であるならば有利である。図示したように、円錐２２が、凸形、例えば球形の前面を有するマイクロレンズ２２であるならば、特に有益である。円錐２２は、例えば、最大直径Ｄ＝１mm乃至２mm、長さＬ＝３mm乃至６mmを有する。ファイバー２４への光の効率的な伝達のために、円錐２２はファイバーの直径までテーパするべきである。測定プローブの可撓性及び設置性を全体として減じない限り、センサーヘッド２２を短いロッド状光ガイドによって光ファイバー２４に向かって長くすることも考えられる。
マイクロレンズ２２は測定プローブ２１の開口数及び光開口角を制限し、そして視野のこの絞りにより、干渉のない放射を受けられる。その上、マイクロレンズ２２の屈折力のために、測定物体から来て受光域にぶつかる全熱放射を光ファイバー２４に効率的に伝達することができる。特に、測定スポットの所望寸法及び所定の物体距離範囲のために、マイクロレンズ２２の焦点距離及び円錐長さＬを、例えば、光線追跡プログラムによって最適化することができる。最後的に、センサーヘッド２２及び光ファイバー２４をワンピースで設計し、或いは高温に耐える仕方で互いに光学的に接続することが重要である。
【００１６】
光ファイバー２４及びセンサーヘッド２２は、所望のスペクトル域では、透明な耐熱材料で構成されなければならない。適した選択が、１１００℃までの使用温度及び０．３μｍ乃至２μｍの典型的な伝達範囲を有する珪酸ガラス或いは石英ガラスである。特に、石英ガラスで構成されたコア及び外被（クラッド）を有する標準の全シリカガラスファイバーが、高温ファイバー２４として適している。好ましくは、ガラスファイバー２４は、段付きインデックス形状且つコア直径が４００ｍｍ未満の多モードであるように選択される。円錐２２とファイバー２４のワンピース型を既知の仕方で、例えば、加熱と圧縮によって、或いは加熱と落し形成によってファイバー端から、又ファイバー２４の製造の場合には、円錐２２を核として使用することにより、若しくは溶融速度（送り速度）及び延伸速度（引張り速度）を変化させることによって、作ることができる。必要ならば、円錐２２を研磨することによって、或いは表面張力の作用の下で前面のレーザー溶融及び再凝固等によって、凸形前面を作っても良い。この変形例として、円錐２２又はマイクロレンズ２２を、石英ガラスから予備成形し、特に、研磨して、添え継ぎ部２３を経て、即ち電気アーク融合によって、ファイバー２４を接続する。レーザー溶融法、ガラスはんだ等を、高温に耐える変形光接続技術として使用しても良い。
【００１７】
センサーヘッド２２及びファイバー２４の材料の他の有利な選択は、約１９００℃までの使用温度及び０．２μｍ乃至５μｍの典型的な伝達範囲を有するサファイア結晶である。その上、サファイアの化学的不活性により、サファイアは、高温でも腐蝕環境でも顕著な長期の耐性によって区別される。今では、直径が、例えば３００μｍで長さが数メートルまでの柔軟な単結晶サファイアファイバーを得ることができる。高温ファイバー２４は、全体的に或いは部分的にそのようなサファイアファイバーである。円錐２２又はマイクロレンズ２２とサファイアファイバー２４とのワンピース型が、原理的には、周知の方法によって石英から得られる。円錐２２又はマイクロレンズ２２をまた、サファイア結晶から直接作り出し、研磨、レーザー溶融等によって機械加工し、高温に耐える仕方で、例えばガラスはんだを経て、サファイアファイバー２４に光学的に接続される．サファイアを、石英に光学的に接続しても良く、特にサファイアセンサーヘッド２２をガラスはんだによって石英ファイバー２４に接続する。
【００１８】
実際には、このように設計された測定プローブ２１が、腐蝕、湿気、機械的損傷等から保護されるべきである。特に、石英ファイバー２４及び／または石英センサーヘッド２２は、高温で、化学的に活性な環境で著しい腐蝕にさらされ、金属からなる、良好な付着性を有する化学的に不活性な高温被覆２５、２６を必要とする。金は７５０℃までに特に有益であり、アルミニウムは５５０℃までに有益である。内方拡散がこれらの温度より上では大きすぎる。石英ファイバーにそのような被覆を設け又は鞘２６を設けることは周知である。本発明によれば、センサーヘッド２２がはんだ２５で被覆され、金或いはアルミニウムのプライマーが、はんだ２５のより良好な付着のためにスパッタリングされる。高温被覆２５、２６の機械的保護作用はほんの僅かである。本発明によれば、大変改善された機械的保護が、好ましくは金属、特に、例えばインコネル（登録商標）のような耐熱耐蝕合金からなる保護キャピラリー２７、２８によって達成される。保護キャピラリー２７、２８は小さくて薄いチューブの形態であり、より良好な柔軟性のために、その形態はセンサーヘッド２２に向かって段付きテーパを有しても良い。センサーヘッド２２自体は、同様に、保護キャピラリー２７、２８、特にヘッド部分２７で囲まれる。ヘッド部分２７は、セラミック高温接着剤、クリンピング等によってはんだ２５を経てセンサーヘッド２２に固定される。
【００１９】
サファイアファイバー２４及び／またはサファイアセンサーヘッド２２の場合には、光ガイドに影響することなしに、機械的保護を確保することが必要である。特に、金及びアルミニウムは、赤外線スペクトル域で高反射能を有するので、ここでも、高温被覆２５、２６が同様に可能である。その上クラッド付きサファイアファイバーはまた、将来、期待されるべきものである。再び、保護キャピラリー２７、２８が高温被覆２５、２６の代わりに、或いはそれに追加して設けられる。
全体的に見れば、困難な測定環境で測定プローブを使用する可能性は、本発明による被覆２５、２６、２７、２８、特に高温被覆２５、２６及び／または保護キャピラリー２７、２８によって著しく改善された。ここで、高温被覆２５、２６及び保護キャピラリー２７、２８が機械的に曲がりやすいことが、測定プローブ２１の柔軟性の利益を保つためには本質的である。更に、長いファイバー２４では、補償ループ２９が、ファイバー２４及びキャピラリー２８の異なった熱膨張率を補償するために設けられる。検出器３２までの距離を、光コネクター３０を備えた在来の延長ファイバー３１によって橋渡しする。
【００２０】
本発明による高温計は、既知の先行技術と比較して、重要な利点を有する。光ガイド測定プローブ２１は、図１による剛性の直線観測チャンネル２又は図２によるサファイアロッド１４を不要にする。ガスタービンの高温領域と低温領域との境界にある低温ファイバー５、１６用のインフィード光学素子並びに気密なのぞき窓３も同様に、複雑な冷却手段、脱気システム９及び重い取り付けフランジと一緒に不要にされる。それどころか、光ガイド測定プローブ２１は、同時的に維持されるコンパクトさ、構成要素及びデザインの耐熱性、機械的作用及び腐蝕作用に対抗する簡単な保護性能、及び光ファイバーの可撓性によって区別される。測定プローブ２１は、数ｃｍまでの狭い半径でも柔軟であり、従って、近づくことが困難な場所でも、多くの場所で機械に設置される。極めて高温な物体でさえも、マイクロ光センサー２２によって至近から高局部分解能で観察することができる。本発明による測定プローブ２１の多面性は、検出器３２及び測定回路３３が熱放射の分光測定評価を供給することができる事実からも明らかである。高温計２０からの不均一なスペクトル伝達によるスペクトル歪曲を、担保し修正することができる。スペクトルは、例えば、測定物体の表面の特徴の情報を与えることができる。
【００２１】
光高温計２０は、特にガスタービン内の放射温度を決定するのに適している。そのような展開又は用途に対して、測定プローブ２１が、高熱負荷を受けた構造部品からの熱放射を検出するためにガスタービンの内部に配置され、検出器３２に熱放射を伝達するためのファイバー２４、３１が、好ましくは、ガスタービンの外側に設けられ、検出器３２が測定回路３３に接続される。
高温計２０の特に有益な展開又は用途は、回転する或いは静止したタービン翼の正確で干渉に鈍い温度測定に関する。この目的のために、測定プローブ２１は、好ましくは、第１列或いは第２列の案内翼３４、４８のボア４１に据付けられる。ファイバー２４、３１、特に熱ガス帯域の高温ファイバー２４は、少なくとも部分的にガスタービンの冷却ダクト内に位置する。更に、ファイバー２４、３１及び／または測定プローブ２１を受け入れるための案内チューブ４３が設けられる。この型式の高温計２０の３つの好ましい実施形態を、図４乃至図６に詳細に示す。
【００２２】
図４は、低温ガスタービンの、好ましくは第１列又は第２列の案内翼３４及び動翼３５を側面図及び横断面Ａ−Ａにおける輪郭で示す。案内翼３４は翼脚３６及び翼プラットフォーム３７との間に固定され、熱ガス流４６をローター４４に固定された動翼３５に導く。案内翼３４内では、ガスタービン冷却ダクト（図示せず）からの冷却空気が供給される翼冷却ダクト３９が、翼脚３６と後縁３８との間に延びる。ボア４１が案内翼３４に、特に、鋳造され或いは腐食されて作られ、前記ボア４１は案内翼３４の後縁３８にオリフィス４２を有する。センサーヘッド２２はオリフィス内で動翼３５に向かう、特に動翼３５の前縁４５に向かう観測方向に配置される。
ボア４１は、好ましくは、翼冷却ダクト３９に沿って延び、測定プローブ２１を受け入れるための案内チューブ４３を有する。案内チューブ４３は、その端に、センサーヘッド２２を案内翼３４に正確に位置決めすることを確実にする停止部を有し、冷却空気４０が案内チューブを通って流れる。更に、冷却空気４０のための穴を、測定プローブ２１のより効率的な冷却及びそれと同時のセンサーヘッド２２の清掃のために、案内チューブ４３に設けるのが良い。異なる圧力レベルを有する異なるガスタービン壁又はガスタービン充気部を、ファイバー２４、３１を受け入れるための案内チューブ４３又はその延長部（図示せず）及び気密なリードスルーによって、簡単な仕方で貫通させることができる。案内チューブ４３と保護キャピラリー２８との間の密封部が、案内チューブの端に設けられる。測定プローブ２１を、その可撓性及び安定性により、曲がった案内チューブ４３に約６ｍまでの距離まで容易に押し入れることができる。
【００２３】
この型式の高温計の配置において、上述の利点を、先行技術と比較して完全に達成した。測定プローブ２１の直径は、既在の高温計１の破線で指示した観測チャンネル４６では６０ｍｍまでであることと対比して、保護キャピラリー２７、２８を有しても２ｍｍよりも小さく、案内チューブ４３を有しても２．５ｍｍである。この方法でのみ、本発明による高温計２０を有害な機械的脆弱なく案内翼３４に設置することができ、測定プローブ２１を高温帯域までガスタービンの冷却システムに位置させることができる。かくして、冷却はいかなる追加の経費もなく行われ、高温計２０の寿命は明らかに増す。その上、ガスタービンが作動中でも、高温計２０を簡単な仕方で交換することができる。
測定精度に関する利点もまた重要である。測定すべき動翼３５の表面温度が約７００℃乃至１０００℃であるとき、センサーヘッド２２及び金等からなる高温被覆２５、２６の特性放射及び個別吸収による問題は、測定プローブ２１を約６００℃の温度の冷却された案内翼３４に設置することによって、大部分は無視できるようになる。マイクロレンズ２２の小領域、及び翼冷却ダクト３９間のマイクロレンズ２２の位置決めは、冷却空気４０による高効率の清掃及び清浄の維持を確保する。測定スポット及び測定物体までの距離は非常に小さく、或いはむしろ最小である。その結果、隣接した翼、翼脚３６、ローター４４、熱ガスダクトのケーシング周り等からの拡散的に反射された無関係な放射によって生じた外乱が減少する。最終的に、回転する動翼３５の温度測定の高い局部分解能を、高速作動測定回路３３と組合わされた小測定スポットによって達成する。１００ｋＨｚ乃至１ＭＨｚの必要帯域幅を、インジウムガリウム砒素フォトダイオード及び高速作動ＤＳＰプロセッサーによって達成する。そのような形態では、第１列のすべての動翼３５の個々の温度分布を記録し、高温動翼３５を見分け、個々の動翼３５の最大温度を検出することができる。
【００２４】
案内翼の後縁３５から動翼の前縁４５までの観測方向が、観察される熱放射面に対して本質的に垂直であることも有利である。これは、実際の非拡散的な散乱表面では、発せられた放射の角度分布が、厳密には、ランベルトの余弦法則から発散し、厳密には、特に、３０°より上の臨界角度範囲に属することがあるからである。このふるまいは、例えば、ワシントンのヘミスフィア・パブリッシング・コーポレーション（Hemisphere Publishing Corporation）発行の「熱放射熱伝達」と題するＲ．シーゲル（Siegel）とジョンＲ．ハウエル（John R. Howell）の便覧から明らかである（例えば１７８ページ参照）。臨界角度範囲は、実際には、６０°乃至８０°でしばしば起こり、放射率の変化性又は不確定性により温度測定値をゆがめる。しかしながら、本発明による高温計２０により、観測方向が、動翼３５の観察帯域の表面に対する垂直方向からほぼ３０°の開口角を有する円錐内にある限り、測定を行うことができる。これと対照して、在来の観測チャンネル４７では、観測角度は６０°以上に達し、これにより、相当な測定誤差が生じる。
【００２５】
図５は、高圧ガスタービンの、好ましくは第１列或いは第２列の案内翼４８及び動翼４９を側面図で示し、且つ動翼４９を横断面Ｂ−Ｂにおける輪郭で示す。案内翼４８の冷却構造のため、在来の高温計１用の観測チャンネルを設置することができない。しかしながら、本発明による高温計２０を翼脚３７に合体させることができる。再び、ボア４１が案内翼４８内に設けられ、ボア４１は、案内翼４８の翼脚３６の後壁５０にオリフィス４２を有する。センサーヘッド２２が、オリフィス４２内で動翼４９に向かう観測方向に配置される。ボア４１、案内チューブ４３、測定プローブ２１、保護キャピラリ２７、２８等及び利点に関する限り、図４に関してなされた言及は、ここで等しく又は相当するように適用される。熱ガス流方向に対するボア４１の傾き角度はほぼ３０°で、小さいままであり、その結果、測定プローブ２１の観測方向５１は、動翼４９の表面の垂直方向に対して小さい角度を形成する。輪郭で図示したように、ローターが回転するとき、測定プローブ２１は動翼４９の大部分にわたって、特に前縁４５及び後縁の範囲の圧力側を清掃する。これにより、高圧動翼４９を、熱帯域に関して非常に正確に監視することができる。
【００２６】
図６は、案内翼３４、４８の表面温度を測定するための高温計２０の実施形態を示す。ボア４１は、案内翼３４、３８の壁の表面のできるだけ近くに配置され、そこでボア４１は、特に侵食されて作られ、そしてボア４１は、センサーヘッド２２用のスペーサーをもっためくら穴５３を有する。センサーヘッド２２は、ボア４１のめくら穴５３と一緒にマイクロキャビティー５４を形成し、該マイクロキャビティー５４は、ブラックキャビティーエミッターとして作用する。測定プローブ２１及びセンサーヘッド２２は、再び、図３に関して説明したように設計される。測定プローブ２１は、好ましくは、非常に薄い保護キャピラリー２８をもった単結晶サファイアファイバー２４を有する。約０．８ｍｍの直径で、好ましくは、例えば１００ｍｍの長さのボア４１は、それで十分である。案内チューブ４３がボア４１の外側にだけ設けられる。原理的には、ボア４１が斜めに又は弧状に延びることも考えられる。スペーサーは、段付きショルダー、ボア４１のテーパ、スリーブ等である。約４ｍｍ乃至６ｍｍの一定距離がセンサーヘッド２２とボア４１の端との間に維持されることが確実である。マイクロキャビティー５４の寸法及び設計は、与えた情報と大きく異なることがよくある。正確な温度測定に必要なすべてのことは、マイクロキャビティー５４の壁が測定すべき温度、即ちこの場合には、少なくとも概ね案内翼３４、４８の表面温度であることであり、且つマイクロキャビティー５４の大きさ及び、従って、放射率が一定に保たれることである。
【００２７】
この高温計の設置は、案内翼３４、４８の近表面温度用のほとんど理想的なブラックキャビティーエミッターを提供することである。このように設計された高温計２０が、前述した利点によって区別される。その上、高温計２０は、寿命、信号強さ及び測定精度の点から現在使用されている高温熱電対より優れている。例えば、老化効果は約９５０℃の高い壁温でも小さく、熱放射の信号強さ又は光エネルギーは温度と共にはっきりと増し、非接触測定方法の長所によって、センサーの熱伝導及び３００℃までの翼壁の非常に高い温度勾配による測定誤差が除去される。
本発明による高温計２０は、例えばローター４４又はケーシング周りのような、ガスタービンのその他の構造部分の温度測定、ガス温度測定又はガスタービン駆動ユニット内の温度測定にも適している。ここに開示した実施形態及び設置変形例を、適宜、これらの用途に適用することができる。ガスタービン内のいくつかの場所での同時的な温度測定のために、複数の高温計２０を設置しても良く、これらの熱放射信号は共通の測定回路によって評価される。表面の性質の分光測定記録も、各々の場合に、高温測定温度決定に追加して或いはその代わりに可能である。
【００２８】
更に、本発明の主題は、特に電気エネルギーを発生するのに適した、本発明による高温計２０を有するガスタービンにあり、本発明によって、高い熱負荷を受けた構造部品からの熱放射を検出するための測定プローブ２１がガスタービンの内部に配置され、ファイバー２４、３１が熱放射を検出器３２に伝達するために設けられ、熱放射の検出器３２は測定回路３３に接続される。検出器３２は、好ましくは、ガスタービンの外側に構成される。
有益な実施形態は、案内翼３４、３８をもったガスタービンに関し、該案内翼３４、３８は測定プローブを受入れるためのボア４１を有し、少なくとも部分的にファイバー２４、３１を受入れるのに役立つ冷却ダクト、及びファイバー２４、３１及び／又は測定プローブ２１を受入れるための案内チューブ４３を有する。特に、ボア４１はオリフィス４２を、案内翼３４の後縁３８或いは案内翼４８の翼脚３６の後壁５０に有し、センサーヘッド２２は、オリフィス４２内で動翼３５に向かう観測方向に配置される。この変形例として、ボア４１は、案内翼３４、３８の壁の表面のできるだけ近くに配置されても良いし、めくら穴５３を有しても良い。めくら穴５３に、センサーヘッド２２用のスペーサーが、センサーヘッド２２がめくら穴と一緒にマイクロキャビティー５４を形成するように構成される。
【００２９】
本発明は又、ガスタービンを、本発明による高温計２０の助けによって監視するための方法に関する。予備条件は、前述のように、測定プローブが、高い熱負荷を受けた構造部品からの熱放射を検出するためにガスタービンの内部に配置され、熱放射を検出器３２に伝達するためのファイバー２４、３１が、好ましくは、ガスタービンの外側に設けられ、検出器３２は測定回路３３に接続されることである。特性温度信号は、高い熱負荷を受けた少なくとも１つの構造部品のものであり、次いで、測定回路３３で計算された温度信号は、ガスタービンを監視する保護信号として使用される。燃料供給を抑えることによる負荷削減、又は推定寿命を見積もるための構造部品の熱負荷履歴の記録を必要とするならば、監視は構造部品の過剰熱応力の検査を含む。
【００３０】
特に第１列及び第２列の動翼３５、４８の温度監視は、特に重要である。翼３４、３５、４８、４９は、それらの寿命が、数十℃の比較的中くらいの超過温度によってさえも著しく減少することがあるような熱負荷を受ける。しかしながら、そのような超過温度の危険は、熱ガスと冷却された翼３４、３５、４８、４９との間の数百℃の大きな温度差のために無視できない。その上、個々の翼３４、３５、４８、４９は、欠陥のために過熱することがある。本発明による高温計２０は、その改善された測定精度の長所により、これらに対する保護にとても適している。詳細には、高温計２０は、最初に、完全ブラックエミッターによる比較測定によって較正される。次いで、測定精度が±１０℃より良くなる１０００℃での絶対温度測定が行われる。これは、翼３４、３５、４８、４９の超過温度を十分な精度及び信頼性をもって、初めて測定できることを意味する。動翼３５、４９又は案内翼３４、４８、特に動翼３５、４９又は案内翼３４、４８の列からの平均温度信号及び／又は個々の温度信号は、好ましくは、特性温度信号として使用される。その上、高温計２０はまた、作動中、翼温度を抑制された仕方で負荷限界のより近くまでもっていく貴重な助けであり、これにより、ガスタービンの効率を増大させる。
【００３１】
全体から見て、本発明は、高温に耐え、近づくことが難しい高温環境に設置されることが意図された、コンパクトで可撓性のある高温計２０を開示し、高温計２０は、その高い測定精度のために、タービン出力の保護及び増大に特に有益である。
明らかに、本発明の多くの修正及び変形が、上記の技術の観点で可能である。従って、本発明は、特許請求の範囲内で、特にここで説明した以外に実施されることがあろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランド・インスツルメンツ・インターナショナル社の観測チャンネルをもった高温計を示す（先行技術）。
【図２】ランストロン・コーポレーション、アキュファイバー・ディビィジョンのサファイアロッドをもった高温計を示す（先行技術）。
【図３】マイクロ光センサーヘッドを有する高温に耐える可撓性測定プローブをもった本発明による高温計を示す。
【図４】低圧動翼内への図３による高温計の設置を示す。
【図５】高圧動翼内への図３による高温計の設置を示す。
【図６】案内翼内への、マイクロキャビティーをもった図３による高温計の設置を示す。
【符号の説明】
２０ 高温計
２１ 光ガイド測定プローブ
２２ マイクロ光センサーヘッド、円錐、マイクロレンズ
２４ 光ファイバー
２５ 高温被覆
２６ 高温被覆
２７ 保護キャピラリー
２８ 保護キャピラリー
３１ 延長ファイバー
３２ 検出器
３３ 測定回路
３４ 低圧案内翼
３５ 低圧動翼
３６ 翼脚
３８ 案内翼後縁
３９ 翼冷却ダクト
４１ ボア
４２ オリフィス
４３ 案内チューブ
４４ ローター
４８ 高圧案内翼
４９ 高圧動翼
５０ 翼脚の後壁
５３ めくら穴
５４ マイクロキャビティー

Claims (9)

1. ガスタービンであって、
   ガスタービン内の温度測定のための高温計（２０）を有し、
   前記高温計は、熱放射を検出して、熱放射を、測定回路（３３）に接続された検出器（３２）に伝達するための光ガイド測定プローブ（２１）を有し、
   前記測定プローブ（２１）はマイクロ光センサーへッド（２２）と、それに接続された光ファイバー（２４）の一方の端部分とを含み、光ファイバー（２４）の端部分及びマイクロ光センサーヘッド（２２）は、耐熱性であると共に、耐熱性で可撓性の耐熱被覆（２５、２６）及び／又は保護キャピラリー（２７、２８）を有し、
   マイクロ光センサーヘッドは、それから離れた測定物体からの熱放射を検出するための受光面を有し、
   マイクロ光センサーヘッド及び光ファイバーは、所望のスペクトル範囲に対して透明な材料からなり、
   前記測定プローブは、ケーシング周りの温度又はガス温度による熱負荷を受けた構造部品からの熱放射を検出するために、ガスタービンの内部の熱に晒された領域内に配置され、
   前記測定プローブ（２１）は、第１列又は第２列の案内翼（３４、４８）の壁のボア（４１）内に据付けられ、
   光ファイバー（２４）の残りの部分はガスタービンの冷却ダクト内に少なくとも部分的におかれ、
   光ファイバー（２４）の前記残りの部分及び／又は測定プローブ（２１）を受入れるための案内チューブ（４３）が設けられ、
   前記案内翼（３４，４８）の壁のボア（４１）は、前記案内翼（３４，４８）の壁の近くに置かれ、且つめくら穴（５３）を有し、
   めくら穴（５３）は、センサーへッド（２２）用のスペーサー保持装置を有し、
   センサーヘッド（２２）は、めくら穴（５３）と一緒にマイクロキャビティーを形成し、このマイクロキャビティーは、案内翼（３４，４８）の近表面温度のための黒キャビティー放射器として作用する、ガスタービン。
2. 保護キャピラリー（２７，２８）を有する前記測定プローブ（２１）の直径は、２ｍｍよりも小さく、案内チューブを有する前記測定プローブの直径は、２．５ｍｍよりも小さく、
   光ファイバー（２４）の他方の端部から高温領域のところまでの部分は、ガスタービンの冷却システム内に配置される、請求項１に記載のガスタービン。
3. 検出器（３２）はガスタービンの外側に構成され、
   熱放射を検出器（３２）に伝達するための延長ファイバー（３１）が設けられる、請求項１又は２に記載のガスタービン。
4. 前記高温計（２０）は、前記ガスタービンの作動中でも交換可能である、請求項３に記載のガスタービン。
5. ボア（４１）は、案内翼（３４）の後縁（３８）又は案内翼（４８）の翼脚（３６）の後壁（５０）にオリフィス（４２）を有し、
   センサーヘッド（２２）は、オリフィス（４２）に動翼（３５、４９）に向かう観測方向に配置され、
   前記観測方向は、動翼（３５，４９）の観測帯域の表面に対する垂直方向から３０度の開口角を有する円錐内にある、請求項１乃至４の何れか１項に記載のガスタービン。
6. マイクロ光センサーヘッド（２２）は円錐（２２）又はマイクロレンズ（２２）であり、マイクロ光センサーヘッド（２２）及びファイバー（２４）は一体部品で設計され又は互いに光学的に接続され、耐熱性であり、
   マイクロレンズの焦点距離又は円錐長さ（Ｌ）は、測定スポットの所望寸法及び所定の物体距離範囲に応じて最適化される、請求項１乃至５の何れか１項に記載のガスタービン。
7. 光ファイバー（２４）は耐熱被覆（２６）及び保護キャピラリー（２８）を有し、センサーヘッド（２２）は耐熱被覆（２５）及び／又は保護キャピラリー（２７）を有し、
   ファイバー（２４）及びセンサーヘッド（２２）は、石英ガラス又はサファイア結晶からなり、耐熱被覆（２５、２６）は金属からなり、保護キャピラリー（２７、２８）は金属からなる、請求項１乃至６の何れか１項に記載のガスタービン。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載のガスタービンを監視する監視方法において、
   熱負荷を受けた少なくとも１つの構造部品からの特性温度信号を、測定回路（３３）で計算し、
   前記特性温度信号を、ガスタービンを監視するための信号として使用し、
   前記構造部品は、動翼（３５、４９）又は案内翼（３４、４８）の列によって構成され、動翼（３５、４９）又は案内翼（３４、４８）からの平均温度信号及び／又は個々の温度信号を、前記特性温度信号として使用する、監視方法。
9. 更に、構造部品の推定寿命の見積りのために、構造部品の過剰熱応力を検査し、且つ／又は、放射線の分光評価を行い、測定物体の表面の特徴をスペクトルから決定する、請求項８に記載の監視方法。

Images