JP4180664B2 - 燃焼タービンの静翼または動翼の高温箇所検知装置 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は燃焼タービンの静翼または回転翼上の高温領域または高温箇所の検知システムに関する。
米国政府は、エネルギー省との契約（契約番号：ＤＥ−ＦＣ２１−９５ＭＣ３２２６７）の条件に従って、本発明に関する一括支払い済みライセンスと、限られた状況において特許権者に対して合理的な条件で他者にライセンスを供与するのを強制する権利とを有する。
当業者であれば分かるように、タービンは一般的に、ロータと、ロータに固定された回転翼と、タービンの外側円筒部に固定された静翼と、高温流体を取り込むための入口と、その流体を排出するため出口とを有する。通常は蒸気か気体である高温流体は、入口から流入して回転翼と静翼の外側上を通過し出口に至る。流体はタービンを通過するにつれて回転翼を駆動する。回転翼はロータに接続されているため、回転翼が回転するとロータもまた回転する。
タービンの効率を増加するために、タービンは現在、静翼及び動翼を冷却して熱による損傷を防止できるような温度で運転されるように設計されている。しかしながら、高温流体が静翼または動翼の外側を流れると、静翼または動翼の一部に高温箇所（高温を有する局在化した領域）が生じることがある。現在、動翼または静翼は、閉ループ冷却システムにより、それらの内部に冷却媒体を送り込むことによって冷却される。加えて、静翼及び動翼は、それらの外側に薄い熱障壁被膜（ＴＢＣ）を付着させてこれらを高温に起因する熱損傷から保護する。この薄い熱障壁被膜は、高温ガスから静翼または動翼への熱伝達を減少させるか最小限に抑えるための断熱層となる。このため、高温箇所の発生が防止される。高温箇所が発生すると、静翼または動翼からＴＢＣが剥がれ、静翼または動翼が高温ガスに露される。高温ガスに露されると、静翼または動翼は高温になって熱損傷を受ける。静翼または動翼が高温になったか否かを確かめるため、各静翼または動翼の温度をモニターする。静翼及び動翼の温度のモニター法には貫入式モニター法が含まれる。例えば、熱電対または抵抗温度検知器（ＲＴＤ）のような温度検知器をタービン内に設置して、種々の場所における静翼及び動翼の温度をモニターすることが可能である。しかしながら、この貫入式モニター法には顕著な欠点がある。即ち、この方法は静翼または動翼の表面全体の温度をモニターするのではなくて、離散的箇所での温度をモニターするに過ぎない。
静翼または動翼のようなタービン部品の温度を表面全体に亘ってモニターするのは、これらの部品が比較的均等な温度分布をもつように設計されているため特に重要である。当業者であれば分かるように、タービン部品は窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を減少させるために温度分布が均等になるように設計されている。従って、特定箇所の温度が高温になる蓋然性は、別の箇所が比較的高温になる蓋然性と比べて著しく異なることではない。従って、貫入式温度モニターシステムでは、部品が温度検知器により直接モニターされない領域で著しく高い温度になる可能性がある。この状態が発生すると、ＴＢＣが破壊されて静翼または動翼が熱損傷を受ける。タービンの動翼及び静翼、それらの支持構造及び他の部品は比較的大型で複雑な性質をもつため、貫入式モニター法による全体的検知システム（部品の温度を表面全体に亘ってモニターするシステム）を提供することは実際的でない。従って、静翼または動翼の温度を表面全体に亘ってモニターする改良型温度検知システムが必要とされている。
発明の概要
本発明は、圧縮器、燃焼器及びタービン部分を有する燃焼タービン内のタービンの静翼または動翼の表面上の任意の点が臨界温度に到達したか否かを検知する検知システムを含む。本発明を以下においてタービンの静翼に関連して説明するが、回転翼についても同様なシステムを使用できる。
本発明によると、タービンの構成要素の表面上の任意の点の温度が臨界温度に到達したか否かを検出する検出システムであって、該構成要素が臨界温度にほぼ等しい温度に到達すると粒状物の形で該構成要素から離脱する、該構成要素の内部に付着させた化学物質の被膜を備えてなり、化学物質の被膜がアダマンチルイミドよりなることを特徴とするる検出システムが提供される。
本発明によると、タービン構成要素の内部の任意の点の温度が臨界温度に到達したか否かを検知する方法であって、該構成要素の内部を冷却媒体に曝すことにより該構成要素を冷却し、臨界温度の近くで粒状物となるアダマンチルイミドよりなる化学物質が冷却媒体中に存在するか否かを判定する検知器に冷却媒体を通すステップよりなることを特徴とする検知方法をも提供される。
本発明を特徴付ける上記及び他の種々の利点及び新規な特徴部分については本願の一部を形成する後記の請求範囲に特定的に記載されている。しかしながら、本発明及びその利点並びにその利用により達せられる目的をよりよく理解するためには、本願のさらに別の部分を形成する図面、及び本発明の好ましい実施例を説明した以下の説明を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来技術による燃焼タービンの概略図である。
図２は、本発明の好ましい実施例によるタービンの静翼である。
図３は、本発明の好ましい実施例による温度検知システムの概略図である。
図４は、本発明の別の好ましい実施例による温度検知システムの概略図である。
図５は、本発明の別の好ましい実施例による温度検知システムの概略図である。
好ましい実施例の詳細な説明
同じ参照番号が図面全体に亘り対応する構造物を示す図面、特に図１を参照して、ガスタービン８は一般的に、圧縮器１６、タービン部分１４、燃焼室１８及び燃焼器１２を含む。圧縮器１６からの圧縮空気は燃焼室１８内に入り、この燃焼室１８から燃焼器１２へ流入して天然ガスのような燃料と燃焼される。燃焼器１２から高温ガスがタービン部分１４へ流入する。タービン部分１４では、ガスが膨脹し、高温ガスのエネルギーが仕事に変換されてロータ軸２０を駆動する。さらに詳細には、ロータ軸２０が回転すると圧縮器１６と別の負荷（図示せず）とが駆動される。この負荷は典型的には発電機である。このタービン８は従来型のものであり、以下に述べる本発明の温度検知システム２２及び静翼２４または動翼２３を備えることができる。
図１に示すように、複数の回転翼または動翼２３がタービン部分１４に配置されている。これらの動翼２３は従来通りロータ２２へ固定されている。タービンはまた、ロータ２０の周囲に設置された複数の静翼２４を備えている。通常、これらの動翼２３及び静翼２４はニッケル合金で作られている。負荷条件、静翼及び動翼の形状及び他のパラメータにもよるが、静翼または動翼は破損温度に到達すると破損することがある。さらに詳説すると、材料の特性、例えば降伏強さは温度に反比例して変化するため、静翼または動翼の温度がその材質が著しく劣化する点まで上昇すると破損することがある。ペンシルベニヤ州ピッツバーグのウエスチングハウス・エレクトリック・コーポレーションの製造になるモデル番号５０１Ｇ型タービンのような好ましい実施例では、静翼及び動翼の破損温度は約１８００°−２０００°Ｆ（９８０°−１０９０℃）である。
図２に示すように、タービンの静翼２４または動翼２３は内側表面３６及び外側表面３８を有する。図２には静翼２４だけを示すが、タービン８は同様な静翼２４または動翼２３を複数個備えている。燃焼器１２からの高温ガスはタービン８の運転時、静翼２４の外側表面３８上を流れる。このガスは比較的高温であるため、静翼２４に熱による損傷が発生する恐れがある。熱による損傷を防止するために、静翼２４の外側表面３８に薄い熱障壁被膜（ＴＢＣ）を付着させる。この薄い熱障壁被膜は静翼２４が比較的高温になるのを防止し保護するための断熱層を提供する。当該技術分野でよく知られているように、この被膜は米国特許第４，２０９，３４８号（発明者：Duhl et al．）に開示されたようなセラミック材料及び金属材料を組み合わせたものか、または米国特許第５，２６２，２４５号（発明者：Ulion et al.）に開示されたような超合金基材、基材表面上の薄い接着剤酸化物のスケール及びそのスケールの表面上のセラミック被膜でよい。これら両特許は本明細書の一部を形成するものとして引用する。ＴＢＣを形成するために他の公知の材料を使用してもよい。ＴＢＣの融点は使用する材料の種類による。例えば、Duhl特許により開示されるＴＢＣの融点は約２３００°Ｆ（１２６０℃）である。ＴＢＣの温度が静翼２４の外側表面３８に沿う任意の個所で融点に到達すると、ＴＢＣが溶融して静翼２４はこの高温個所で断熱されなくなり、この状態が発生すると、静翼２４の温度が高温ガスとの接触により上昇して静翼に熱損傷が発生する。本発明をタービンの静翼２４に関連して説明するが、タービンの動翼に本発明を利用することも可能である。かかる実施例の場合、上記及び下記の本発明の説明部分において「静翼」を「動翼」に置き換えるだけでよい。
静翼２４の内側表面上には検出物質が付着されている。この検出物質は好ましくは、翼２４の内側表面全体を覆う薄い被膜として付着される。検出物質には、ｎ−ドデシルイミド（n-dodecyl imide）、サイクロドデシルイミド（cyclo dodecyl imide）、サイクロ−オセイルイミド（cyclo-oceyl imide）またはエセキシルアミド酸（ethexyl amic acid）若しくはアダマンチルイミド（adamantyl imide）がある。さらに詳説すると、これらの物質はそれぞれ商品番号Ａ−１０１２Ａ−２７３、Ａ−１０１２Ａ−２７４，Ａ−１０１２Ａ−２７５，Ａ−１０１２Ａ−２７６及びＡ−１０１２Ａ−２７７として同定されるEnvironment One Corporation of Schenectady, NY 12301の製造になる物質でよい。他の製造元により製造される他の同様な物質も使用可能である。これらの物質は、約１７００°Ｆ乃至１８００°Ｆ（９２５°−９８０℃）に加熱されると粒状物となる。これらの各化学物質が粒状物となる温度は静翼の融点および破損点よりも低い。従って、静翼２４の温度が上昇すると、検出物質は静翼２４が熱損傷をうける前に粒状物になる。検出物質は静翼に付着させる前に耐高温ペイントまたは結合剤と混合する。かかる耐高温ペイントはタービンで常用されている。検出物質がペイント中で高い濃度を持つようにするのが好ましい。ペイントと検出物質の混合物を形成した後、静翼２４の内側表面に付着させる。好ましい実施例では、この混合物を比較的薄い被膜となるように従来の仕方で静翼上に噴霧する。ペイントと検出物質の薄い被膜の厚さは約０．００１インチ（０．０２５４ｍｍ）である。別の好ましい実施例では、この混合物を小さな液滴またはスペックルの態様で付着させ、各液滴の直径が約０．５ミリメートルで液滴間の間隔が約１センチメートルになるようにする。ペイントと検出物質のこの混合物は上述したように約１７００−１８００°Ｆ（９２５°−９８０℃）の温度で分解して粒状物になる。
上述したように、温度がある点に到達すると、熱障壁被膜が静翼２４から離脱する。この状態が発生すると、静翼の温度が上昇し、検出物質が粒状物となる温度に到達する。そして、検出物質が静翼２４の内側表面３６から離脱する。
図３は、タービン静翼２４の温度が臨界温度を越えたか否かを検知するための本発明の全体的検知システム２５を示す略図である。臨界温度は静翼２４の破損温度であってもよく、上述したように、好ましい実施例のこの温度は１８００−２０００°Ｆ（９８０°−１０９０℃）である。しかしながら、安全マージンを与えるためにこれらの温度よりも低い温度に設定してもよい。例えば、上述の好ましい実施例では臨界温度は約１７００−１８００°Ｆ（９２５°−９８０℃）である。
この好ましい実施例による全体的検知システム２５は、閉ループ静翼冷却系統を含む。この系統にはタービンの静翼２４、熱交換器２６、ポンプ２８、注入点３０及び検知器３２が含まれる。図２には静翼２４を一個だけ示したが、システムはタービン８の全ての静翼２４を冷却することを理解されたい。図３に示すように、これらの構成要素は導管４２により相互接続されている。これらの導管４２は、パイプ、管または同様な接続構造物でよい。これらの構成要素は共に閉ループ冷却システムを形成する。このシステム２５は、冷却媒体が該構成要素を繰り返し流れてシステムの外に出ないという点において閉ループと呼ばれる。これとは対照的に、開ループシステムでは、冷却媒体は静翼の内側を１回通過した後、静翼の小孔（図示せず）から排気ガス中に排出される。かかるシステムでは、冷却媒体は同じ道を繰り返し通過しない。
ポンプ２８は公知のタイプで、冷却媒体を加圧して静翼冷却システム２５を循環させる駆動力を与えるために使用される。熱交換器２６もまた従来型のもので、冷却媒体から別の媒体へ熱を伝達する働きがある。動作については、冷却媒体が静翼冷却システムを流れて熱が静翼２４から冷却媒体へ伝達される。冷却媒体は静翼２４を通過した後、熱交換器２６へ流入し、熱が冷却媒体から他の媒体へ伝達される。冷却媒体は冷却されると再び静翼２４から熱を吸収できる。
本発明の最も好ましい実施例では、サンプリング点４４が熱交換器２６とポンプ２８との間に設けられている。しかしながら、このサンプリング点を検知システム２５の種々の異なる位置においてもよい。しかしながら、サンプリング点４４は熱交換器２６の下流において冷却媒体がサンプリング時比較的低い温度になるようにする。サンプリング点４４では、冷却媒体のサンプルを採取して静翼２４の温度が臨界温度に到達したか否かのテストを行うことができる。かかるテストには、冷却媒体をフィルタに通して質量スペクトロメータを用いて粒状物の有無を判定する。
図３に示すように、検知システム２５には注入点３０を設けるとよい。注入点は種々の場所に設けることができるが、最も好ましい実施例では、ポンプ２８と静翼２４との間に設置する。この注入点では、化学物質または他の物質を検知システム２５内に注入することができる。例えば、静翼２４が臨界温度に露されているか否かを判定するために化学物質の媒体をシステム中に注入することができる。
この冷却媒体に注入される化学物質は、検出物質に関連して上述したように、ｎ−ドデシルイミド（n-dodecyl imide）、サイクロドデシルイミド（cyclo dodecyl imide）、サイクロ−オセイルイミド（cyclo-oceyl imide）またはエセキシルアミド酸（ethexyl amic acid）若しくはアダマンチルイミド（adamantyl imide）のような検出物質と結合剤との混合物でよい。しかしながら、他の同様な物質を使用することもできる。これらの化学物質を用いて静翼２４が臨界温度に到達したか否かを判定できるが、それは静翼２４が臨界温度に到達すれば化学物質が粒状物に変化するからである。
検知システムはまた、図３に概示するような検知器３２を使用するのが好ましい。最も好ましい実施例の検知器３２は電離箱である。かかる電離箱は当該技術分野においてよく知れているため、本発明に使用可能な１つのタイプの詳細部分を簡単に説明するが、これは唯一の使用可能な電離箱ではない。好ましい実施例のこの電離箱は、検知器を通過する冷却媒体の流れの中に電子を恒常的に放出する比較的弱い放射線源を含む。電位の小さな差が存在するため、これらの電子は冷却媒体中をドリフトする。このため、電流が流れ、これを電位計のような電流計で測定する。冷却媒体中に粒状物が存在する場合、電子が粒状物に付着するため、冷却媒体をドリフトする電子の量が減少して測定電流の量が低下する。電流のこの減少は、冷却媒体中粒状物が存在すること及び高温箇所が存在することを示す。従って、検出物質が粒状物として静翼２４から離脱して冷却システム２５内へ流入するか或いは注入物質がシステム２５内へ注入されて粒状物を形成する場合、検知器３２は高温箇所を示す粒状物の存在を指示する。
動作について説明すると、検知システムは以下のように動作する。冷却媒体は静翼２４内をポンプによって駆動され、静翼２４内で加熱された後、検知器３２及び熱交換器２６を通過する。熱交換器２６では、冷却媒体がその熱を別の媒体に伝達し、静翼の外側表面の任意の点の温度が臨界温度に到達すると、ＴＢＣがこの点から離脱する。ＴＢＣにより提供されていた断熱材がなくなると、この場所の温度が上昇して検出物質が静翼の内側から粒状物として離脱し冷却媒体中に流入する。粒状物はシステム中を流れて検知器３２へ到達し、そこで粒状物の存在が観察される。別の方法として、粒状物の存在を冷却媒体をサンプリングすることによって確かめてもよい。
粒状物が検出されると、注入物質を注入点３０で冷却媒体中に注入してもよい。注入物質を含む冷却媒体が静翼２４へ到達し、冷却媒体の温度が充分に高いと注入物質が化学変化を受けて粒状物を形成する。サンプリング点において、冷却媒体をサンプリングすることにより注入化学物質が臨界温度に露されたことを示す変化を受けているか否かを判定することができる。
冷却媒体は静翼２４の内側表面３６全体と接触しているため、冷却媒体中に静翼２４から離脱した粒状物があるか否か、また検知システム２２内に注入した化学物質の粒状物があるか否かをテストすることにより全体的な検知が行える。上述したように、従来技術では貫入式温度モニター法が用いられた。この貫入式方法は離散的な個所での温度を指示できるが、動翼の他の領域の温度を正確に指示しない。従って、本発明は静翼表面の任意の点の温度が臨界温度に到達したか否かを検知する能力を有するという顕著な利点を備えている。
好ましくは、この閉ループシステム２５の冷却媒体は空気である。しかしながら、水または蒸気のような他の冷却媒体でもよい。図４に示すように、本発明の別の実施例では冷却媒体として蒸気を用いる。この実施例の冷却システムは蒸気発生器４８と検知器３２とを備えている。蒸気発生器は、高温の燃焼タービン部１４の排気ガスから伝達された熱で蒸気を発生させる。この蒸気は導管４２を流れて静翼２４を通過した後検知器３２へ流入する。図示のように、このシステムにサンプリング点４４と注入点３０を用いるようにしてもよい。このシステムは上述したものと同様な動作をする。
別の実施例の静翼冷却システムは冷却媒体として空気を使用する。空気は圧縮器１６により供給され、静翼２４を通過する前に熱交換器２６により冷却される。冷却された後、空気は静翼２４を通過して燃焼室１８へ送られる。この実施例の検知器３２は静翼と燃焼室１８との間に置かれている。このシステム２５にはサンプリング点４４と注入口３０も含まれる。このシステムは上述した実施例と同様な働きをする。
本発明は被膜が静翼から離脱したか否かそして注入化学物質が化学変化を受けたか否かを検知する２つの検知手段を包含するが、それらはそれぞれ単独使用してもよいし併用してもよい。例えば、静翼検知システムはただ１つの検知手段を用いるものでよいし、好ましい実施例のように両方の検知手段を用いてもよい。この例では、第２の手段である化学物質注入手段を検証手段として使用することができる。さらに上述したように、この説明の大部分をタービンの静翼２４を用いるシステムに割いたが、タービンの回転動翼２３についても同様である。かかるシステムを構成するためには上述の説明において動翼２３を静翼２４に置き換えるだけでよい。
本発明の種々の特徴及び利点をその構造及び機能の詳細と共に詳説したが、その説明は例示の目的をもつものに過ぎず、本発明の原理の範囲内において構成要素の形状、寸法及び配置の点で種々の変形例及び設計変更が、後記の請求の範囲に記載された用語の広い一般的な意味で決まる幅の範囲内で可能であることを理解されたい。

Claims (10)

1. タービンの構成要素（２３，２４）の表面上の任意の点の温度が臨界温度に到達したか否かを検出する検出システム（２２）であって、
   該構成要素（２３，２４）が臨界温度にほぼ等しい温度に到達すると粒状物の形で該構成要素（２３，２４）から離脱する、該構成要素（２３，２４）の内部（３６）に付着させた化学物質の被膜を備えてなり、
   化学物質の被膜がアダマンチルイミドよりなることを特徴とするる検出システム（２２）。
2. 該構成要素（２３，２４）の内部（３６）と流体連通関係にある熱交換器（２６）及びポンプ（２８）よりなる構成要素冷却システム（２５）をさらに有し、該構成要素（２３，２４）の温度が臨界温度にほぼ等しい温度に到達すると前記被膜が冷却システム（２５）から離脱することを特徴とする請求項１の検出システム（２２）。
3. タービンの構成要素（２３，２４）の内部（３６）の任意の点の温度が臨界温度に到達したか否かを検出する検出システム（２２）であって、
   該構成要素（２３，２４）の内部（３６）に付着させたアダマンチルイミドよりなる化学物質の被膜と、
   該構成要素（２３，２４）の内部（３６）と流体連通関係にある熱交換器（２６）及びポンプ（２８）よりなる構成要素冷却システム（２５）とよりなり、該構成要素（２３，２４）の温度が臨界温度にほぼ等しい温度に到達すると前記化学物質の被膜が冷却システム中へ離脱する検出システム（２２）。
4. 臨界温度が該構成要素（２３，２４）の融点よりも低いことを特徴とする請求項１の検出システム（２２）。
5. 構成要素冷却システム（２５）が該構成要素（２３，２４）の内部（３６）と流体連通関係で粒状物が該構成要素（２３，２４）から離脱したか否かを検知する電離箱（３２）をさらに備えてなることを特徴とする請求項１及び３のうち任意の一項の検出システム（２２）。
6. 冷却システム（２５）が、該構成要素（２３，２４）の温度が臨界温度にほぼ等しい温度に到達すると粒状物となる注入化学物質を冷却システム中に注入する注入口（３０）と、注入化学物質が粒状物になったか否かを判定するために冷却システム（２５）のサンプリングを行うためのサンプリング点（４４）とをさらに含むことを特徴とする請求項１及び３のうち任意の一項のシステム（２２）。
7. タービン構成要素（２３，２４）の内部（３６）の任意の点の温度が臨界温度に到達したか否かを検知する方法であって、
   該構成要素（２３，２４）の内部（３６）を冷却媒体に曝すことにより該構成要素（２３，２４）を冷却し、
   臨界温度の近くで粒状物となるアダマンチルイミドよりなる化学物質が冷却媒体中に存在するか否かを判定する検知器（３２）に冷却媒体を通すステップよりなることを特徴とする検知方法。
8. 化学物質は該構成要素（２３，２４）の内部（３６）に付着させた化学物質の被膜であることを特徴とする請求項７の方法。
9. 冷却媒体を通すステップの前に前記化学物質を冷却媒体中に注入するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７の検知方法。
10. 冷却媒体が該構成要素（２３，２４）を通過した後熱交換器（２６）において冷却媒体を冷却し、ポンプ（２８）により冷却媒体を加圧するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７乃至９のうち任意の一項の方法。

Images