JP6496521B2 - 熱電対組立体 - Google Patents

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Description

本明細書に開示される主題は、熱電対組立に関し、より詳細にはガスタービンエンジンなどのタービンシステムと併せて利用することができる熱電対組立体に関する。
熱電対組立体は、多くの産業において多様な用途の温度を測定するのに利用される。タービンシステムは、システム構成要素の温度を確実に測定するのに熱電対組体に依拠する利用の一例である。例えば高温の排ガスのストリームを生成するガスタービンエンジンは、構成要素内の温度、例えばタービン排ガスディフューザ内の温度を測定するのに熱電対組立体に依拠する場合がある。
特定の熱電対組立体は、熱電対プローブを温度検出領域内に配置された放射線遮蔽材を備えた保護チューブに挿入する必要がある。熱電対プローブの適切な挿入は、精密な挿入の深さと、配向とを要する。不適切な挿入によって、熱電対プローブが過度の振動や熱電対プローブと放射線遮蔽材との相対運動を被り、これにより熱電対プローブに損傷を与える可能性がある。
米国特許第6857766号明細書
本発明の一態様によると、熱電対組立体は、プローブ絶縁シースの中に固定式に収められた熱電対プローブを含む。また第1の端部と、第2の端部と、第1の端部から第2の端部に保護チューブの長手方向に延在する中空部分とを有する保護チューブも含まれており、この中空の部分は、中に熱電対プローブおよびプローブ絶縁シースを収容するように構成されている。さらに保護チューブの第2の端部に近接して保護チューブと一体式に形成された放射線遮蔽材も含まれる。さらに、保護チューブの第1の端部に近接して保護チューブのねじ込み部分にねじ込み式に係合するように構成されたナットも含まれており、このナットは、保護チューブと係合すると、熱電対プローブとプローブ絶縁シースとを位置固定するように構成されている。
本発明の別の態様によると、タービン排ガスディフューザ用の熱電対組立体は、タービン排ガスディフューザの外壁の内側表面によって画定されるディフューザ流路を含む。またディフューザ流路内に延びるように構成された熱電対プローブも含まれている。さらに第1の端部と、第2の端部と、第1の端部から第2の端部に保護チューブの長手方向に延在する中空部分とを有する保護チューブも含まれており、この中空の部分は、中に熱電対プローブを収容するように構成されている。さらに、保護チューブと一体式に形成され、タービン排ガスディフューザの外壁の外側表面に作動式に結合されるように構成されたフランジも含まれる。また保護チューブの第1の端部に近接して保護チューブのねじ込み部分にねじ込み式に係合するように構成されたナットも含まれており、このナットは、保護チューブと係合すると、熱電対プローブを半径方向に位置固定するように構成されている。
本発明のさらに別の態様によると、ガスタービンエンジンは、ガスタービンエンジンの特定のセクションの温度を測定するように構成され、プローブ絶縁シースの中に固定式に収められた熱電対プローブを備える熱電対組立体を含んでおり、熱電対プローブは、保護チューブの中空の部分の中に保持され、一箇所で保護チューブに固定式に接続される。
これらのおよび他の利点および特徴は、図面と併せた以下の記載よりより明らかになるであろう。
本発明としてみなされる主題は、明細書の結論において特許請求の範囲において詳細に指摘されはっきりと請求される。本発明の上記のおよび他の特徴および利点は、添付の図面と併せて利用される以下の詳細な記載から明らかである。
ガスタービンエンジンの概略図である。 ガスタービンエンジンのタービン排気ディフューザの断面図である。 タービン排気ディフューザに結合された熱電対組立体の概略断面図である。 熱電対組立体の保護チューブの斜視図である。 熱電対組立体の熱電対プローブの斜視図である。 部分的に組み立てられた状態の熱電対組立体の断面図である。 熱電対組立体の一部の斜視的な断面図である。
詳細な記載は、図面を参照して一例として本発明の実施形態を利点および特徴と併せて説明する。
本出願において使用されるように用語「軸方向」および「軸方向に」は、タービンシステムの中央の長手方向軸にほぼ平行して延在する方向および配向を指す。本出願において使用されるように用語「半径方向」および「半径方向に」は、タービンシステムの中央の長手方向軸にほぼ直交して延在する方向および配向を指す。本出願において使用されるように用語「上流」および「下流」は、タービンシステムの中央の長手方向軸に関して軸方向に流れる方向に対する方向および配向を指す。
図1を参照すると、例えばガスタービンエンジンなどのタービンシステムが概略的に示されており、参照符号10によって全体が参照されている。ガスタービンエンジン10は、圧縮器セクション12と、燃焼器セクション14と、タービンセクション16と、シャフト18と、燃料ノズル20とを含む。ガスタービンエンジン10の一実施形態は、複数の圧縮器12、燃焼器14、タービン16、シャフト18および燃料ノズル20を含む場合もあることを理解されたい。圧縮器セクション12と、タービンセクション16は、シャフト18によって結合される。シャフト18は、単一のシャフトまたはシャフト18を形成するために一緒に結合された複数のシャフト部分の場合がある。
燃焼器セクション14は、可燃性の液体および/または気体燃料、例えば天然ガスまたは水素リッチ合成ガスなどを使用してガスタービンエンジン10を稼働する。例えば燃料ノズル20は、空気供給源および燃料供給源22と流体連通している。燃料ノズル20は、空気−燃料混合気を形成し、空気−燃料混合気を燃焼器セクション14へと吐出することにより高温の加圧された排ガスを形成する燃焼を引き起こす。燃焼器セクション14は、高温の加圧ガスをトランジションピースを通ってタービンノズル(または段1のノズル)へと誘導し、他段の動翼およびノズルが、タービンセクション16の外側ケーシング24内でタービンブレードの回転を引き起こす。その後、高温の加圧ガスは、タービンセクション16から、例えば外側ケーシング24などのタービンセクションの一部に作動式に結合された排気ディフューザ26へと送られる。
次に図2を参照すると、排気ディフューザ26の側部断面図が示されている。排気ディフューザ26は、タービンセクション16から排気流体30を受けるように構成された入口28を含む。出口32は、入口28に対して下流の位置に配設される。外側表面36を含む内側バレル34が、入口28と出口32の間に少なくとも部分的に排気ディフューザ26の主要な流れ方向33に相対的に軸方向に沿って延在している。内側表面40を有する外壁38が、内側バレル34から半径方向外向きに、より具体的には外側表面36から半径方向外向きに離間されている。外壁38は、相対的に広がっていく構成で配列されるため、排気ディフューザ26の入口28に進入した後、排気流体30の運動エネルギーを低下させる。より詳細には、外壁38の広がる構成に起因して、排気ディフューザ26内で動的圧力の静的圧力への移行が生じる。排気流体30は、内側バレル34の外側表面36と、外壁38の内側表面40とによって画定されたディフューザ流路31を通って流れる。
図3を参照すると、熱電対組立体50が、排気ディフューザ26と組み立てられた状態で概略的に示されている。熱電対組立体50は、排気ディフューザ26の内側領域54(すなわちディフューザ流路31)へと延びる熱電対プローブ52を含み、内側領域54内の温度を検出するように構成されている。熱電対プローブ52は、保護チューブ56内に少なくとも一部が配設され、それによって保持されている。より詳細には、熱電対プローブ52は、保護チューブ56の第1の端部60から保護チューブ56の第2の端部62に延在する保護チューブ56の中空の部分58の中に少なくともその一部が配設される。示されるように、保護チューブ56は、保護チューブ56に、結果として熱電対組立体50に、すなわち排気ディフューザ26の外壁38の外側表面68に作動式に結合するように構成されたフランジ64を含む。保護チューブ56は、例えば溶接または機械的締め具などの任意の好適な方法で外側表面68に固定されてよい。図示の実施形態では、一対のボルト57などが一般に示されている。
タービン排気ディフューザが、熱電対組立体50の実施形態と併せて示され記載されているが、熱電対組立体50は、ガスタービンエンジン10のいずれの構成要素とも共に利用される可能性があることを理解されたい。さらに熱電対組立体50は、構成要素内の温度読み取り値からいずれかの産業または用途の利益を得るいずれの産業または用途でも利用される可能性がある。
図4および図5を参照すると、熱電対組立体50が、分解された状態でより詳細に示されている。保護チューブ56が図4に示されており、熱電対プローブ52が図5に示されている。保護チューブ56は、保護チューブ56の第2の端部62に近接して配設された放射線遮蔽材70を含む。放射線遮蔽材70は典型的には、保護チューブ56と一体式に形成されるが、これらの構成要素を別々に形成し結合することが好適である場合もあることが予期されている。放射線遮蔽材70は、熱電対プローブ52を黒体放射から遮蔽することによって熱電対プローブ52による誤った温度読み取り値を減らす管状部材として示されているが、代替の幾何学形状の放射線遮蔽材70が利用される場合もある。
熱電対プローブ52は、熱電対プローブ52を絶縁するように構成された酸化マグネシウム材料で形成されたプローブ絶縁シース72の中に固定式に収められる。熱電対プローブ52は、プローブ絶縁シース72に作動式に結合される、またはその中に一体式に形成される場合がある。一実施形態において熱電対プローブ52は、金属で覆われた無機絶縁(MI)熱電対ケーブルから構成される。すなわち、熱電対ケーブルは、金属のシースと、密な酸化マグネシウム粉末絶縁体と、感知端部において接合部になるように形成される熱電対ワイヤとを有し、このケーブルはこの端部においてシースが被せられる。別の実施形態において、プローブ絶縁シース72は、完全な熱電対プローブ52(例えば、ワイヤ、絶縁体およびシースを含めた)を覆う第2の金属のシースを形成し、プローブ絶縁シース72は第1の端部60において熱電対プローブ52に固定されるのみである。示されるように熱電対プローブ52は、第1の熱電対端部74から第2の熱電対端部76まで延在する。第2の熱電対端部76は、以下に記載するように、プローブ絶縁シース72の一端からわずかに突出し、熱電対組立体50の組み立てられた状態において放射線遮蔽材70の内部空間へと延びている。熱電対コネクタ78が熱電対プローブ52の第1の端部60に近接している。
図6を参照すると、熱電対プローブ52、プローブ絶縁シース72および保護チューブ56が組み立てられた状態で示されている。組み立てられた状態で、熱電対プローブ52およびプローブ絶縁シース72は、保護チューブ56の中空の部分58内に配設され、熱電対プローブ52の第2の端部76は、放射線遮蔽材70の中に配設される。
図6の参照に続いて図7を参照すると、熱電対プローブ52の保護チューブ56への確実な深さの位置決めと配向は、熱電対組立体50が受ける厳しい環境と作動条件により重要である。深さの位置決めは、半径方向の、すなわち保護チューブ56の長手方向80での熱電対プローブ52の挿入の深さを指している。
図7は、保護チューブ56の第1の端部60に近接する熱電対組立体50の拡大図である。保護チューブ56は、ねじ込み式にナット84に係合するように構成された保護チューブ56の第1の端部60に近接するねじ山部分82を含む。ねじ山部分82を備えたナット84に係合する前に、熱電対プローブ52と、プローブ絶縁シース72が、保護チューブ56の中空の部分58に挿入される。熱電対プローブ52の所望される挿入の深さは、熱電対プローブ52の挿入の深さを制限するように構成された肩部−穴構成によって保証される。具体的には保護チューブ56は、プローブ絶縁シース72の肩部88を収容するようにサイズが決められた穴ぐり86を含む。この構成は、保護チューブ56の長手方向80における熱電対プローブ52の挿入の深さを規定する。ナット84がねじ山部分82と係合すると、ナット84は、熱電対プローブ52に対して締め付け力を及ぼす。より詳細には、ナット84の保持部分92(例えば穴)の底面90が、プローブ絶縁シース72の肩部88に係合する、あるいはそれと密接に接触することによって、熱電対プローブ52が引き出されるのを阻止する。一実施形態において、ナット84は、1つまたは複数のロックワイヤ(図示せず)によって所定の場所に保持される。ナット84は、止め具に到達するまで、平行ねじを介してねじ山部分82と係合されてよい。後退してナット84から外れるのを阻止するために、ロックワイヤが、ナット84の各々の側に在る場合がある。各々のワイヤは、放射線遮蔽材70およびナット84にあるそれぞれの穴を通るようにねじ込まれることでナット84を所定の場所に保持する。
有利には、上記に記載した実施形態は、所望される侵入の深さを規定するためのエラー防止構造体を提供し、これは、熱電対組立体50と関連する制御システムのより高度に防護された温度係数に合わせられる。付加的に、器具の深さの特有の侵入および形状によって排気ディフューザ26内の渦流作用が抑えられる。正確な深さの挿入はまた、熱電対プローブ52の損傷や破壊の可能性を低下させる。
熱電対プローブ52を強制的に取り外すおよび/または交換する場合、ナット84が単純に回転されるだけでよい。ナット84を回転することによって有利には、ナット84の頂部表面94が熱電対コネクタ78に特定の力を付与することになり、このコネクタは、上記に記載したように熱電対プローブ52および/またはプローブ絶縁シース72と一体式である。この力は、固く締まった熱電対プローブ52の場合に特に有利である。このようにして、ナット84は、熱電対プローブ52の取り外しを容易にするねじジャッキとして作用する。
本発明を限定された数の実施形態のみに関連して詳細に記載してきたが、本発明は、このような開示される実施形態に限定されないことを容易に理解すべきである。むしろ本発明は、これまで記載されない任意の数の変形形態、代替形態、置換えまたは等価な構成を組み込むように修正することができ、これらは本発明の精神および範囲に見合ったものである。付加的に、本発明の種々の実施形態を記載してきたが、本発明の態様は記載される実施形態の一部のみを含む場合があることを理解すべきである。よって、本発明は、上記の記載によって制限されるものとみなすべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によって制限されるのみである。
10 ガスタービンエンジン
12 圧縮器セクション、圧縮器
14 燃焼器セクション、燃焼器
16 タービンセクション、タービン
18 シャフト
20 燃料ノズル
22 燃料供給源
24 外側ケーシング
26 排気ディフューザ
28 入口
30 排気流体
31 ディフューザ流路
32 出口
33 主要な流れ方向
34 内側バレル
36 外側表面
38 外壁
40 内側表面
50 熱電対組立体
52 熱電対プローブ
54 内側領域
56 保護チューブ
57 一対のボルト
58 中空の部分
60 第1の端部
62 第2の端部
64 フランジ
68 外側表面
70 放射線遮蔽材
72 プローブ絶縁シース
74 第1の熱電対端部
76 第2の熱電対端部、第2の端部
78 熱電対コネクタ
80 長手方向
82 ねじ山部分
84 ナット
86 穴ぐり
88 肩部
90 底面
92 保持部分
94 頂部表面

Claims (8)

  1. プローブ絶縁シース(72)の中に固定式に収められた熱電対プローブ(52)と、
    第1の端部(60)と、第2の端部(62)と、前記第1の端部(60)から前記第2の端部(62)に保護チューブ(56)の長手方向(80)に延在し、中に前記熱電対プローブ(52)および前記プローブ絶縁シース(72)を収容するように構成された中空の部分(58)とを有する保護チューブ(56)と、
    前記保護チューブ(56)の前記第2の端部(62)に近接して前記保護チューブ(56)と一体式に形成された放射線遮蔽材(70)と、
    前記保護チューブ(56)の前記第1の端部(60)に近接して前記保護チューブ(56)のねじ山部分(82)とねじ込み式に係合するように構成され、前記保護チューブ(56)と係合すると、前記熱電対プローブ(52)および前記プローブ絶縁シース(72)を位置固定して固定するように構成されたナット(84)と、
    前記保護チューブ(56)の前記第1の端部(60)に近接して形成された穴ぐり(86)を備え、
    前記穴ぐり(86)が、前記保護チューブ(56)の前記長手方向(80)に前記熱電対プローブ(52)の挿入の深さを規定するように構成され、
    前記プローブ絶縁シース(72)が、前記熱電対プローブ(52)の完全に挿入された状態で前記穴ぐり(86)内に着座するように構成された肩領域(88)を含み、
    前記ナット(84)が、前記熱電対プローブ(52)が引き出されるのを阻止するために前記プローブ絶縁シース(72)の前記肩領域(88)を保持するように構成された保持部分(92)を含む、熱電対組立体(50)。
  2. プローブ絶縁シース(72)の中に固定式に収められた熱電対プローブ(52)と、
    第1の端部(60)と、第2の端部(62)と、前記第1の端部(60)から前記第2の端部(62)に保護チューブ(56)の長手方向(80)に延在し、中に前記熱電対プローブ(52)および前記プローブ絶縁シース(72)を収容するように構成された中空の部分(58)とを有する保護チューブ(56)と、
    前記保護チューブ(56)の前記第2の端部(62)に近接して前記保護チューブ(56)と一体式に形成された放射線遮蔽材(70)と、
    前記保護チューブ(56)の前記第1の端部(60)に近接して前記保護チューブ(56)のねじ山部分(82)とねじ込み式に係合するように構成され、前記保護チューブ(56)と係合すると、前記熱電対プローブ(52)および前記プローブ絶縁シース(72)を位置固定して固定するように構成されたナット(84)と、
    前記保護チューブ(56)の前記第1の端部(60)に近接して形成された穴ぐり(86)を備え、
    前記穴ぐり(86)が、前記保護チューブ(56)の前記長手方向(80)に前記熱電対プローブ(52)の挿入の深さを規定するように構成され、
    前記プローブ絶縁シース(72)が、前記熱電対プローブ(52)の完全に挿入された状態で前記穴ぐり(86)内に着座するように構成された肩領域(88)を含み、
    前記熱電対プローブ(52)が、第1の熱電対端部(74)に作動式に結合された熱電対コネクタ(78)を含み、
    前記ナット(84)が、前記保護チューブ(56)の前記ねじ山部分(82)から前記ナット(84)が離脱すると、前記熱電対コネクタ(78)に対して特定の力を与えるように構成されており、前記力が、前記保護チューブ(56)の前記中空の部分(58)から前記熱電対プローブ(52)を引き出すのを容易にする、熱電対組立体(50)。
  3. 前記熱電対プローブ(52)が、第1の熱電対端部(74)と、第2の熱電対端部(7
    6)とを含み、前記第2の熱電対端部(76)が、内側部分(54)の温度を測定するための構成要素の前記内側部分(54)の中に延びるように構成され、
    前記保護チューブ(56)と一体式に形成され、前記構成要素の外壁(38)に作動式に結合されるように構成されたフランジ(64)をさらに備える、請求項1または2に記載の熱電対組立体(50)。
  4. タービン排気ディフューザ(26)用の熱電対組立体(50)であって、
    タービン排気ディフューザ(26)の外壁(38)の内側表面(40)によって画定されるディフューザ流路(31)と、
    前記ディフューザ流路(31)内へと延びるように構成された熱電対プローブ(52)と、 第1の端部(60)と、第2の端部(62)と、前記第1の端部(60)から前記第2の端部(62)に前記保護チューブ(56)の長手方向(80)に延在し、中に前記熱電対プローブ(52)を収容するように構成された中空の部分(58)とを有する保護チューブ(56)と、
    前記保護チューブ(56)と一体式に形成され、前記タービン排気ディフューザ(26)の前記外壁(38)の外側表面(68)に作動式に結合されるように構成されたフランジ(64)と、
    前記保護チューブ(56)の前記第1の端部(60)に近接して前記保護チューブ(56)のねじ山部分(82)とねじ込み式に係合するように構成され、前記保護チューブ(56)と係合すると、前記熱電対プローブ(52)を半径方向に位置固定して固定するように構成されたナット(84)と、
    前記保護チューブ(56)の前記第1の端部(60)に近接して形成された穴ぐり(86)と、
    中に前記熱電対プローブ(52)を固定式に収めたプローブ絶縁シース(72)と、
    を備え、
    前記穴ぐり(86)が、前記保護チューブ(56)の前記長手方向(80)に前記熱電対プローブ(52)の挿入の深さを規定するように構成され、
    前記プローブ絶縁シース(72)が、前記熱電対プローブ(52)の完全に挿入された状態で前記穴ぐり(86)内に着座するように構成された肩領域(88)を含み、
    前記ナット(84)が、前記熱電対プローブ(52)が引き出されるのを阻止するために前記プローブ絶縁シース(72)の前記肩領域(88)を保持するように構成された保持部分(92)を含む、熱電対組立体(50)。
  5. タービン排気ディフューザ(26)用の熱電対組立体(50)であって、
    タービン排気ディフューザ(26)の外壁(38)の内側表面(40)によって画定されるディフューザ流路(31)と、
    前記ディフューザ流路(31)内へと延びるように構成された熱電対プローブ(52)と、 第1の端部(60)と、第2の端部(62)と、前記第1の端部(60)から前記第2の端部(62)に前記保護チューブ(56)の長手方向(80)に延在し、中に前記熱電対プローブ(52)を収容するように構成された中空の部分(58)とを有する保護チューブ(56)と、
    前記保護チューブ(56)と一体式に形成され、前記タービン排気ディフューザ(26)の前記外壁(38)の外側表面(68)に作動式に結合されるように構成されたフランジ(64)と、
    前記保護チューブ(56)の前記第1の端部(60)に近接して前記保護チューブ(56)のねじ山部分(82)とねじ込み式に係合するように構成され、前記保護チューブ(56)と係合すると、前記熱電対プローブ(52)を半径方向に位置固定して固定するように構成されたナット(84)と、
    前記保護チューブ(56)の前記第1の端部(60)に近接して形成された穴ぐり(86)と、
    中に前記熱電対プローブ(52)を固定式に収めたプローブ絶縁シース(72)と、
    を備え、
    前記穴ぐり(86)が、前記保護チューブ(56)の前記長手方向(80)に前記熱電対プローブ(52)の挿入の深さを規定するように構成され、
    前記プローブ絶縁シース(72)が、前記熱電対プローブ(52)の完全に挿入された状態で前記穴ぐり(86)内に着座するように構成された肩領域(88)を含み、
    前記熱電対プローブ(52)が、第1の熱電対端部(74)に作動式に結合された熱電対コネクタ(78)を含み、
    前記ナット(84)が、前記保護チューブ(56)の前記ねじ山部分(82)から前記ナット(84)が離脱すると、前記熱電対コネクタ(78)に対して特定の力を与えるように構成されており、前記力が、前記保護チューブ(56)の前記中空の部分(58)から前記熱電対プローブ(52)を引き出すのを容易にする、熱電対組立体(50)。
  6. ガスタービンエンジン(10)の特定のセクションの温度を測定するように構成され、プローブ絶縁シース(72)の中に固定式に収められた熱電対プローブ(52)を備える熱電対組立体(50)であって、前記熱電対プローブ(52)が、護チューブ(56)の中空の部分(58)の中に保持され、一箇所で前記保護チューブ(56)に固定式に接続される熱電対組立体(50)と、
    前記保護チューブ(56)第1の端部(60)に近接して形成され、前記保護チューブ(56)の長手方向(80)に前記熱電対プローブ(52)の挿入の深さを規定す
    るように構成される穴ぐり(86)と、
    前記熱電対プローブ(52)の完全に挿入された状態で前記穴ぐり(86)内に着座するように構成された前記プローブ絶縁シース(72)の肩領域(88)と、
    前記熱電対プローブ(52)が引き出されるのを阻止するために前記プローブ絶縁シース(72)の前記肩領域(88)を保持するように構成された保持部分(92)を有するナット(84)とを備え、一箇所が、前記保護チューブ(56)の第1の端部(60)に近接して配置された前記保護チューブ(56)のねじ山部分(82)を備え、そこで前記熱電対プローブ(52)がクランプ締めされる、ガスタービンエンジン(10)。
  7. 前記保護チューブ(56)と一体式に形成され、前記ガスタービンエンジン(10)の前記セクションの外壁(38)の外側表面(68)に作動式に結合されるように構成されたフランジ(64)をさらに備える、請求項6に記載のガスタービンエンジン(10)。
  8. 前記熱電対プローブ(52)が、第1の熱電対端部(74)に作動式に結合された熱電対コネクタ(78)を含み、
    前記ナット(84)が、前記保護チューブ(56)の前記ねじ山部分(82)から前記ナット(84)が離脱すると、前記熱電対コネクタ(78)に対して特定の力を与えるように構成されており、前記力が、前記保護チューブ(56)の前記中空の部分(58)から前記熱電対プローブ(52)を引き出すのを容易にする、請求項6または7に記載のガスタービンエンジン(10)。
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