JP4188459B2 - 圧力測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧力測定技術の分野に関する。本発明は、第１の温度を持つ熱ガスで充填されていて、より低い第２の温度にある外部空間に対して少なくとも１つの壁によって区切られている空間内の圧力変動を測定するための、特にガスタービンの燃焼室内の圧力変動を測定するための圧力測定装置であって、圧力変動に関して十分に端部反射（Endreflexionen）のない測定管が空間から少なくとも１つの壁を通って外部空間内へ案内されており、かつ外部空間内の少なくとも１つの壁の後方で圧力変動を検出するための圧力ピックアップが測定管に接続されている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような圧力測定装置は基本的に従来技術から公知である。
【０００３】
燃焼室（熱ガスが変化する圧力条件下にある）内の圧力変動を比較的簡単な装置を用い、かつ良好な精度でもって測定することは公知である。この装置は長さ約２０ｍの長く、細い管を備え、管は１端でもって圧力もしくは圧力変動が測定されるべき燃焼室の箇所へ接続される。本来の圧力ピックアップは熱い燃焼室の外部の著しくより冷たい周囲内で側方から細い測定管へ接続される。これによって、燃焼室内の高温に耐えなくともよい、コスト的に有利な圧力ピックアップを使用することが可能である。同時に外部に配置された圧力ピックアップへのよりたやすいアクセスが得られ、これによって保守および補修作業が簡単、かつ安価になる。
【０００４】
上記の圧力測定装置の背後にある主要な思想は、測定すべき圧力振動に対して音響管路を形成する測定管を、大きな周波数範囲内で実質的に圧力波を管内で反射されず、したがって圧力ピックアップでの測定を誤らせることがないように構成することである。長い、細い管は、測定場所から管内へ入った圧力波が指数関数的に（exponentiell）減衰させるために使用され、これにより管から圧力ピックアップへ戻る反射は十分に回避される。
【０００５】
しかし測定管の指数関数的減衰にもかかわらず波反射を伴う問題が生じることがある。管が燃焼室から多重にシールドされた中間スペースを通って外部へ案内されている場合強制的に生じるような比較的急激な温度変化が測定管の全長にわたって存在する場合には、管内を伝わる圧力波の反射がこの温度急変部で惹起され、これは圧力ピックアップへ達し、ここでの測定をゆがめる（誤らせる）。この場合測定の誤りは圧力振動の周波数の増大とともに大きくなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、反射圧力波による圧力測定のゆがみを回避する、または少なくとも決定的に減少させることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、冒頭に記載の形式の圧力測定装置において、測定管に第１の手段が設けられており、該手段が測定管内で広がる圧力波の測定管内の温度急変部での妨害的な反射を阻止し、もしくは圧力ピックアップ内へ入る前に無害とするようになっている。
【０００８】
【発明の効果】
原則的には、温度急変部における反射を測定管に沿って数学的−物理学的なモデルによって記載し、かつ測定の評価時に算入して補正することが考えられよう。しかしこのような解決手段は面倒であり、かつ柔軟な使用ができない。これに対して本発明による測定管に設けられた第１の手段によって波の反射は直接測定管内で抑えられるかもしくは無害にされ、その結果圧力ピックアップでは直接測定管からゆがめられない信号が得られる。
【０００９】
本発明による圧力測定装置の第１の優れた実施形は、測定管内に温度急変部が存在し、測定管内の温度急変部で生じる圧力波の反射を測定管の内径の適切な直径の急変部における反射によって補償され、測定管内の直径急変部が温度急変部の場所に配置されており、かつ直径急変部の各直径が、直径急変部の直径の比が配設の温度急変部の温度の比の逆数の四乗根に等しくなるように選択されていることを特徴とする。直径急変部は大きな費用なしに測定管内へ導入することができる。しかし固定の直径急変部での完全な補償はやはり固定の温度急変部に対してしか達成されない。
【００１０】
本発明による圧力測定装置の第２の優れた実施形は、第１の手段が測定管内で温度急変部の発生を阻止するように構成されていることを特徴とする。これによって既に発生した反射の補償の代わりに反射の原因が直接除去される。これによってきわめて広い周波数範囲にわたり、かつ実際にその時の温度から独立にこの装置の高い測定精度が得られる。
【００１１】
この実施形の第１の優れた発展形においては、第１の手段が冷却ガス源であり、該冷却ガス源から冷却ガスが測定管を通って外部空間から熱ガス空間内へ流入する。冷却ガスとしては不活性ガスが使用される。これによって測定すべき空間とは無関係に測定管内の一様な温度分布に必要な冷却が調整され、かつ制御され得る。しかし別個の冷却源が必要とされ、これは設置コストを高める。
【００１２】
この実施形の第２の優れた発展形においては、熱ガス空間がガスタービンの燃焼室であり、燃焼室へ圧縮燃焼空気が供給され、かつ圧縮燃焼空気の１部が分岐されて、冷却空気として測定管を通って外部空間から熱ガス空間内へ流入する。この場合には別個の冷却源は不要であり、このため圧力測定装置は著しく簡単にされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１には本発明による、温度段差部での反射を補償するために直径段差部を備えた圧力測定装置の第１の優れた実施例の縦断面図である。圧力測定装置１０は燃焼室１５内の圧力変動もしくは圧力振動を測定する。燃焼室１５は燃焼室壁１４によってプレナム１３から分離され、プレナムはガスタービン１１の燃焼室壁１４とガスタービンケーシング１２との間に配置されている。ガスタービン１１の圧縮部内で圧縮された燃焼空気がプレナム１３内へ流れ、燃焼空気は温度Ｔ_２にあり（図２）、温度Ｔ_２は燃焼室１５内の温度Ｔ_１よりも明らかに低い。ガスタービンケーシング１２外の外部空間２８内ではもう１つの温度Ｔ_３が支配し、温度Ｔ_３はプレナム１３内の温度Ｔ_２よりも明らかに低い。
【００１４】
圧力測定装置１０は長く（例えば２０ｍ）、細い（例えば太さ４ｍｍ）の測定管１６を備え、測定管は端部でもって測定個所の燃焼室１５内へ開口し、燃焼室壁１４、プレナム１３、およびガスタービンケーシング１２を貫通して外部空間２８内へ案内されており、ここで測定管は他方の端部でもって例えば端部容積（Abschlussvolumen）内で終わっている。外部空間２８内ではガスタービンケーシング１２の直ぐ後方で圧力ピックアップ１８が側方向に測定管１６に配置され、かつ接続管１９を介して測定管１６へ接続されている。
【００１５】
図１と図２から容易に認められるように、測定管１６は壁１２と１４の領域内にそれぞれ１つの比較的急激な温度急変部Ｔ_３→Ｔ_２とＴ_２→Ｔ_１とに曝され、これは、対向手段が取られない場合には燃焼室１５から測定管１６内へ入った圧力波の反射を惹起し、したがって測定ミスへ導くであろう。温度急変部で生じる反射の補償もしくは消除のために、測定管１６は温度急変部の箇所にそれぞれ直径急変部を有している：Ｔ_３からＴ_２への移行時には測定管の直径はＤ_３からＤ_２へ減る；Ｔ_２からＴ_１への移行時には直径はＤ_２からＤ_１へ減る（図２）。
【００１６】
急変部において反射の所望の消除を行うためには、直径Ｄ_１、…、Ｄ_３もしくはこれらの比は温度Ｔ_１、…、Ｔ_３もしくはこれらの比に依存して適切に選択されなければならない。直径の選択は以下の分析から得られる：
測定管１６は３つの管区分１，２，３に分割されており、これらはそれぞれ直径Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３を持つ。各管区分の開始部の箇所（燃焼室１５から見て）をそれぞれ１Ａ，２Ａ，３Ａと、各管区分の端部の箇所をそれぞれ１Ｂ，２Ｂ，３Ｂとする。１対のリーマン−不変量ｆおよびｇを考察すると、測定管１６の外部空間側の端部、すなわち箇所３Ｂでは開放管における境界条件に基づいて：
（１）ｆ_３Ｂ＝ｇ_３Ｂ（＝ｈ）が得られる。
【００１７】
リーマン−不変量は１Ａから３Ｂ間での種々の箇所で以下のように互いに結合することができる：
【００１８】
【数１】

【００１９】
（式中、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３は管区分１，２，３のそれぞれ長さを、Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３はそれぞれ直径を、ｃ_１、ｃ_２、ｃ_３はそれぞれ音速を、α_１、α_２、α_３はそれぞれストークス−境界層に基づく減衰係数を表し、ωは各速度を、ρ_１は管区分１内の密度を、かつΔ_ｐ１Ａは箇所１Ａで測定されるべき圧力を表す）。減衰係数αについては以下のようにも記載することができる：
【００２０】
【数２】

【００２１】
（式中、υは動粘性率を、γは比熱の比を、かつＰｒはプラントル数を表す）。式（１３）は近似を表し、この近似はストークス−境界層の厚さに関して以下が該当する限りきわめて正確である：
【００２２】
【数３】

【００２３】
この条件が技術的関係のある各状況についてきわめて良好に満たされることは容易に認めることができる。カットオフ周波数は典型的には１Ｈｚを下回る。
【００２４】
（１５）ｃ_２／ｃ_３−Ｄ_３ ^２／Ｄ_２ ^２＝０
および
（１６）ｃ_１／ｃ_２−Ｄ_２ ^２／Ｄ_１ ^２＝０
が該当する場合には、図１と図２の例で波の反射を抑えることができることは式（４）、（５）、（８）、および（９）から直ちに判る。
【００２５】
これらの条件は、例えばガスタービンのバーナーに典型的である以下の表による可変量が使用されると、正確に満たされる：
表：
周波数範囲 １０００Ｈｚ
圧力 １６バール
第１管区分
温度Ｔ_１ １６７３Ｋ
直径Ｄ_１ ２．５７７ｍｍ
長さＬ_１ ０．１ｍ
γ １．３
Ｐｒ ０．７１
第２管区分
温度Ｔ_２ ６７３Ｋ
直径Ｄ_２ ３．２３５ｍｍ
長さＬ_２ ０．４ｍ
γ １．４
Ｐｒ ０．７１
第３管区分
温度Ｔ_３ ２８８Ｋ
直径Ｄ_３ ４ｍｍ
長さＬ_３ ５０ｍ
γ １．４
Ｐｒ ０．７１
他の境界条件では相応して別の直径比を選択し得ることは自明である。
【００２６】
本発明による圧力測定装置の別の優れた実施例が図３に示されている。この例でも圧力測定装置２０は測定管２１を備え、測定管はガスタービン１１の燃焼室１５から燃焼室壁１４、プレナム１３およびガスタービンケーシング１２を通って外部空間２８内へ案内されている。ここでもガスタービンケーシング１２の後方で圧力ピックアップ１８が接続管１９を介して測定管２１へ接続されている。温度比（温度段差）はここでも図１もしくは図２の例と同じである。図１の実施例とは異なり、図３の測定管は一定の直径を持つ（直径段差なし）。測定管内の温度段差での圧力波反射はこの例では補償されるのではなく、全く許されない。そのためには不活性ガスが（外部の）冷却源２９から測定管２１を通って燃焼室１５の方向へ供給される。ガス流が十分な大きさにある場合には冷却ガスは測定管２１を全長において統一的な温度（例えば２８８Ｋ）に保持する、そのため温度急変部は存在せず、したがって反射は生じ得ない。直径４ｍｍの測定管２１については上記の温度で冷却出力１００Ｗで十分である。この場合測定管２１内の流れ速度はおよそ値１ｍ／秒である。
【００２７】
もう１つの優れた実施例は測定管の冷却を行うが、図４に示されているように外部の冷却ガス源が省略されている。この例では測定管２３は外部空間を通ってガスタービンへ戻され、かつ自由端でもって、流入開口２７を持つ測定位置の上流でプレナム１３へ接続されている。プレナム１３内を流れる圧縮燃焼空気の一部が分岐され、かつ冷却空気として測定管２３を通って外部空間２８から燃焼室１５内へ供給される。取り出された冷却空気は有利に温度を下げるために冷却器４を通るように供給される。冷却器は測定管２３を取り出し箇所の後方で包囲する。冷却器２４は入り口２５と出口２６を有し、冷媒として例えば水がこれらを通って導かれる。しかし、他の形の冷却を使用して取り出された圧縮空気に所望の温度を付与することも考えられる。
【００２８】
全体的に本発明によって、高温にある熱ガス空間において圧力変動もしくは圧力振動を測定するのに比較的簡単で安価な圧力ピックアップで足り、しかも測定精度を損なうことのない圧力測定装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】温度段差での反射を補償するための直径の段差部を持った本発明による圧力測定装置の第１の優れた実施例の断面図である。
【図２】測定管の異なる直径を書き入れた図１の部分拡大図である。
【図３】温度急変部を除くために外部冷却源から冷却ガスを測定間の冷却を行う本発明による圧力測定装置の第２の優れた実施例の図である。
【図４】ガスタービンに対して特に適切な、図３に対する変更形を示し、測定間の冷却に上流で圧縮された燃焼空気がプレナムから取り出され、冷却器を通るように供給し、かつ測定管内へ供給される。
【符号の説明】
１０，２０，２２ 圧力測定装置、 １１ ガスタービン、 １２ ガスタービンケーシング、 １３ プレナム、 １４ 燃焼室壁、 １５ 燃焼室、 １６，２１，２３ 測定管、 １７ 端部容積、 １８ 圧力ピックアップ、 １９ 接続管、 ２４ 冷却器、 ２５ 入り口、 ２６ 出口、 ２８ 外部空間、 ２９ 冷却ガス源

Claims (4)

1. 第１の温度（Ｔ_１）を持つ熱ガスで充填されていて、より低い第２の温度（Ｔ_３）にある外部空間（２８）に対して少なくとも１つの壁（１２，１４）によって区切られている空間（１５）内の圧力変動を測定するための圧力測定装置であって、圧力変動に関して十分に端部反射のない測定管（２１）が空間（１５）から少なくとも１つの壁（１２，１４）を通って外部空間（２８）内へ案内されており、かつ外部空間（２８）内の少なくとも１つの壁（１２，１４）の後方で圧力変動を検出するための圧力ピックアップ（１８）が測定管（２１）に接続されている形式のものにおいて、第１の手段として、測定管（２１）に冷却ガス源（２９）が備えられており、この冷却ガス源（２９）から冷却ガスが測定管（２１）を通って外部空間（２８）から熱ガス空間（１５）内へ流入するように構成されていて、これにより測定管（２１）内での温度急変部の出現が阻止されて、測定管（２１）内を広がる圧力波の測定管（２１）内温度急変部での妨害的な反射を阻止するようになっていることを特徴とする、圧力測定装置。
2. 冷却ガスとして不活性ガスが使用される、請求項１記載の圧力測定装置。
3. 第１の温度（Ｔ _１ ）を持つ熱ガスで充填されていて、より低い第２の温度（Ｔ _３ ）にある外部空間（２８）に対して少なくとも１つの壁（１２，１４）によって区切られている空間（１５）内の圧力変動を測定するための圧力測定装置であって、圧力変動に関して十分に端部反射のない測定管（２３）が空間（１５）から少なくとも１つの壁（１２，１４）を通って外部空間（２８）内へ案内されており、かつ外部空間（２８）内の少なくとも１つの壁（１２，１４）の後方で圧力変動を検出するための圧力ピックアップ（１８）が測定管（２３）に接続されている形式のものにおいて、熱ガス空間がガスタービン（１１）の燃焼室（１５）であり、燃焼室（１５）がプレナム（１３）によって包囲されており、燃焼室（１５）へ圧縮燃焼空気が供給されるとともに、プレナムを通って圧縮燃焼空気が流れるようになっており、第１の手段として、測定管（２３）の測定箇所の上流でプレナム（１３）から圧縮燃焼空気の一部が分岐されて冷却空気として測定管（２３）を通過し、その際に温度を下げるために冷却空気が冷却器（２４）を通るように送られて、該冷却空気が外部空間（２８）から熱ガス空間（１５）内へ流入するように構成されており、これにより測定管（２３）内での温度急変部の出現が阻止されて、測定管（２３）内を広がる圧力波の測定管（２３）内温度急変部での妨害的な反射を阻止するようになっていることを特徴とする、圧力測定装置。
4. 測定管（２３）が冷却空気の供給のために自由端でもって直接プレナム（１３）へ接続されており、かつ冷却器（２４）が取り出し箇所の後方で測定管（２３）を取り巻いている、請求項３記載の圧力測定装置。

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