JP7227681B2

JP7227681B2 - 高温ガスダクト内の局所的な高温ガス温度を決定するための方法およびその方法を実施するための装置

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Publication number: JP7227681B2
Application number: JP2018176778A
Authority: JP
Inventors: ケン・イヴ・ハフナー; ウォルフガング・フランツディートリッヒ・モール
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2023-02-22
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: US20190101019A1; JP2019094891A; EP3462153A1; EP3462153B1

Description

本開示は、請求項１に記載の高温ガスダクト、特に燃焼煙道ガスの局所的な高温ガス温度を決定するための方法に関する。本発明はさらに、装置の請求項に記載された方法を実施するための装置に関する。

第１の膨張タービン段の上流の燃焼器の下流のガス・タービン・エンジンの温度は、一般に、少なくとも高負荷では、冷却されてはいるが、高温ガスダクト内の機械的部品の強度が限界になる値に達する。高温ガス温度の直接測定は、フィールドエンジンでは非常に高価である。例えば、熱電対は、現代のガス・タービン・エンジンの高温に耐えないため、寿命が非常に限られており、たとえ高温に耐えたとしても、冷却された壁への熱伝導効果および放射熱伝達により、測定結果は非常に信頼性が低く、不正確である。したがって、燃焼器の出口での温度の計算を可能にする測定が行われる。これらの計算は、膨張タービン後の温度と、膨張タービンにわたる圧力比と、を含むことができる。一般的に適用される測定値は、空間的に分解されていないか、または最良の場合でも不十分に空間的に分解された結果になる。さらに、これらの測定値は、作動流体がタービン内で膨張している間に冷却流体が作動流体に付加されることによって大きく影響され得る。

一方、現代のガス・タービン・エンジンの膨張タービン入口に一般的に存在する高温では、局所的温度の平均温度からの偏差は、部品寿命に非常に非線形の影響を与えることが知られている。例えば、膨張タービンの第１段のベーンの特定の位置での高温ガス温度の上昇がわずか３０℃であると、部品の寿命を約５０％低下させる可能性がある。その結果は、重大なエンジンの損傷、または関連するリスクの低減、部品の過剰寸法設定および／または過冷却、あるいは早期のオーバーホールおよび部品の交換であり得る。これらのすべての措置は、エンジン効率の低下、エンジン停止時間の増加、およびコストの増加における負の経済的影響を与える。したがって、燃焼室の出口または第１の膨張タービン段の入口での温度をそれぞれ確実かつ正確かつ空間的かつ時間的に分解して決定することが望ましいことが分かった。

米国特許第６，３１８，８９１号に開示された方法は、化学発光測定によってガス温度を決定することを可能にする。測定された化学発光は、励起されたラジカル、例えばヒドロキシル基または炭水化物基から生じ、したがって、燃焼の反応ゾーン内でのみ適用することができる。また、米国特許出願公開第２００７／０１３３９２１号明細書および米国特許出願公開第２０１３／０１００４４５号明細書に開示された方法は、化学的に不活性な燃焼煙道ガスではなく、火炎の光学的その場測定に焦点を当てている。国際公開第０１／２２０４５号明細書には、レーザー誘起白熱高温計を使用してガスの温度を測定するための方法および装置が開示されている。例えば、米国特許出願公開第２０１６／０２５２０１９明細書号には、燃焼器出口または膨張タービン入口のそれぞれの温度を、膨張タービン後の排気温度および膨張タービン圧力比に基づいて決定する最先端の方法が記載されている。したがって、タービン入口での空間分解された温度の決定は不可能であることは明らかである。したがって、当業者であれば、タービン入口温度の変化の検出が遅れること、また、このようにして得られたデータを制御目的で使用することは、比較的遅い制御動作に限定されることも理解するであろう。

本開示の目的は、最初に述べた種類の方法および装置を開示することである。より具体的な一態様では、燃焼器下流の、またはガス・タービン・エンジンの膨張タービンの第１段への入口での高温煙道ガスの局所的温度の信頼性が高く正確で迅速なその場測定を可能にする方法が開示される。さらに特定の態様では、高温ガスチャネルの断面にわたって温度分布の空間的に、および特定の実施形態では時間的に、分解された決定を可能にする方法が開示される。当業者であれば容易に理解するように、温度の決定は、この文脈では、温度と相関する少なくとも１つの因子またはパラメータの測定、ならびに１つまたは多数のパラメータから高温ガス温度を導出することを意味する。さらに、この方法を実施するのに有用な装置が開示される。

これは、請求項１に記載された主題によって、さらに装置クレームにおいて達成される。

開示される主題のさらなる効果および利点は、明示的に言及されているか否かにかかわらず、以下に提供される開示を考慮すると明らかになるであろう。

したがって、燃焼装置の下流の高温ガスダクト内の局所的な高温ガス温度を決定するための方法が開示され、本方法は、高温ガスダクトの少なくとも１つの特定の断面位置で燃焼装置の下流の少なくとも１つの煙道ガスサンプルを抽出する、特に連続的に抽出する、ステップと、サンプル中の少なくとも１つの煙道ガス種濃度を決定するステップと、少なくとも１つの煙道ガス種濃度に基づいて局所的な煙道ガス総温度を決定するステップと、を含む。抽出された煙道ガスサンプルの実際の温度を決定できるようにするために、特に、燃焼器からの高温煙道ガス流がタービンに有用な仕事を送達する前にサンプルが抽出される。より具体的な実施形態では、サンプルは、膨張タービンの第１段のベーン列、さらにより特定の実施形態では、膨張タービンの第１段のガイドベーンの翼形部プロファイルの上流よどみ点で抽出される。

本方法は、特定の実施形態では、抽出する際に抽出したサンプルを熱伝導によって冷却または急冷するステップを含むことができる。冷却は、特に、その内部でサンプルがダクトされるダクトが外部から冷却されるように提供することができる。前記冷却または急冷は、特に、金属ダクト表面の存在下で高温の煙道ガスのさらなる化学反応が防止されるように、サンプルが例えば炉内または炉のすぐ下流で抽出される場合に特に有用であり得る。さもなければ、サンプルの抽出後の前記反応は、測定結果を改ざんするであろう。

煙道ガス種は、二酸化炭素ＣＯ_２、酸素Ｏ_２、水Ｈ_２Ｏ、および／または窒素酸化物ＮＯ_ｘを含むことができるが、これらに限定されない。含水量に関する情報は、水または蒸気が燃焼装置または燃焼装置の上流に噴射される場合に特に有用であり得る。少なくとも１つの煙道ガス種濃度に基づいて燃焼器下流のガス温度を決定する方法は、当業者には一般的に知られている。例えば、煙道ガス中の残留酸素および／または二酸化炭素含有量の測定は、燃料組成を知って、煙道ガスの単位質量当たりにどれほどの燃料が燃焼されたかを決定し、燃焼器を通る途中のサンプルのエンタルピーバランスを計算することができる。したがって、燃焼装置に入る際の成分のエンタルピーの知識を用いて、抽出場所における煙道ガスの局所的な総エンタルピーおよび総温度を計算することができる。このような計算は、燃焼器に流入するすべての流体のすべての特定のエンタルピーの知識を必要とすることがあり、したがって、例えば、限定はしないが、燃焼器に入る際の空気の圧力および温度、例えばガス・タービン・エンジンの圧縮機の下流の圧力および温度、燃焼器に導入されたときの燃料の温度および／または圧力、ならびに燃焼器に導入することができる任意の不活性流体、例えば水蒸気などの温度および／または圧力を必要とすることがある。空気呼吸エンジンの場合、周囲条件の知識は空気の含水量を決定するのに役立つ場合がある。このような熱力学的条件は全条件として知られていなければならず、すなわち、エンタルピーは運動エネルギー成分を含めて決定される必要があることが理解される。実施形態では、燃料組成をオンラインで測定することができ、これはサンプルのエンタルピーバランスを計算する場合に特に有益である。燃焼器に導入される流体の質量流量比は、種の測定値に基づいて決定されてもよい。窒素酸化物濃度の決定は、局所的な燃焼ピーク温度の指標を提供することができるが、燃焼器または特定のバーナーの窒素酸化物生成モデルの知識により、サンプル抽出位置における局所的な総温度を決定するのに役立つ。この方法はまた、実際の温度に影響を及ぼす程度にサンプルを希釈するので、冷却剤の漏れの影響も考慮する。

本開示の枠組みの中で、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」の使用は決して単数を規定しておらず、多数の指定された部材または特徴の存在を排除しないことに留意されたい。したがって、それは「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」という意味で読むべきである。

より具体的な実施形態では、この方法は、高温ガスダクトの断面にわたって多数の位置で多数のサンプルを抽出することを含む。少なくとも１つの煙道ガス種濃度は、各サンプルについて個別に決定される。したがって、高温のガスダクトにわたって空間的に分解された温度を決定することができる。より詳細には、高温ガスダクトにわたって空間的に分解された温度分布を決定することができる。さらにより具体的な実施形態では、サンプルは、高温ガスダクトの円周方向または円周方向に区切られたそれぞれのリングまたは環状セグメント内の多数の異なる半径方向位置のそれぞれで抽出することができる。サンプルは、例えば、高温ガスダクトの円周リングセグメント内の少なくとも４つ、または正確に４つの異なる半径方向位置のそれぞれで抽出することができる。例えば、４つの異なる半径方向位置における高温ガス温度では、温度の半径方向分布は、３次多項式によってモデル化することができる。より一般的に言えば、ｎ個のサンプリング位置が半径方向に、特に１つの翼形部のように半径に沿って分布し、したがってｎ個の温度が異なる半径で決定される場合、半径方向の温度分布は次数ｎ－１の多項式によってモデル化することができる。さらに、すべてのサンプルが連続的に抽出され、少なくとも１つの煙道ガス種濃度を決定するために十分に速い測定技術が適用される場合に、高温ガス温度の時間分解測定を達成することができる。２つ以上の煙道ガス種濃度が決定される場合、煙道ガス種の濃度が、同じサンプル体積中の種濃度を決定するように、同時に、または少なくとも狭い時間窓内で決定されれば有利であることが分かる。したがって、この方法は、サンプルごとに分析装置を適用することをさらに含むことができる。

煙道ガス組成の特徴付け、すなわち、少なくとも１つの煙道ガス種の種濃度の決定に適用される１つの可能な技術は、ラマン分光法である。煙道ガス組成の特徴付けに適用可能な方法または装置は、米国特許出願公開第２０１２／０１３６４８３号明細書に開示されている。これらの方法および装置は、一般に、ガス組成の特徴付けに適用可能であり、したがって、例えば、燃料ガス組成を連続的に決定するために適用することができることに留意されたい。

上述のように、燃料ガスの燃料組成は、例えばオンラインで連続的に測定されてもよいが、他の場合には、任意の適切な分析方法によって特定の時間増分で決定されてもよい。液体燃料の組成は、例えば、タンクからの燃料サンプルの分析によって決定されてもよく、または燃料サンプルは断続的に抽出されてもよい。これに関して、特定の燃料の燃料組成が短期間で大きく変化しないという合理的な仮定があり得る。

本方法の例示的な実施形態は、燃焼装置の下流の、より詳細には燃焼装置のすぐ下流の高温ガスダクト内に設けられた部品のよどみ点において煙道ガスサンプルを抽出するステップを含むことができる。そのような実施形態は、少なくとも２つの有益な効果をもたらすことができる。一方では、よどみ点で回復された動圧は、狭いサンプルオリフィスおよびサンプルラインを通る適切な質量流量の煙道ガスの搬送を支援することができる。他方、部品の上流のよどみ点でサンプルを抽出することは、当業者によく知られているように、部品の表面上に放出される冷却空気が温度測定の結果に影響を及ぼすことを回避する。このように、部品が実際に受ける最高温度が決定される。さらにより特定の実施形態では、燃焼装置はガス・タービン・エンジンの燃焼器であり、部品は燃焼器の下流の第１のガイドベーンである。そしてこの方法は、第１のガイドベーンの翼形部の前縁における翼形部プロファイルの上流のよどみ点で煙道ガスサンプルを抽出するステップを含むことができる。この文脈における翼形部プロファイルが翼形部の断面プロファイルを示すことは容易に理解される。この方法はさらに、上で示唆したように、排出された冷却剤のサンプルへの取り込みを避けるために、部品の外面に設けられた任意の冷却剤排出口の上流で煙道ガスサンプルを抽出することを含むことができる。

本明細書に記載の方法をガス・タービン・エンジンに適用する場合、タービン出口での排気温度およびタービン圧力比の測定に基づくタービン入口での温度の標準的な計算との比較は、本方法の相互較正に役立つことができる。

この方法によって決定された少なくとも１つの局所的温度または空間的に分解された温度分布は、高温ガスダクト内の部品の寿命計算を実行するために使用することができる。

少なくとも１つの決定された局所的温度は、燃焼装置内のバーナーの動作を制御するための制御ループに供給される方法のさらなる例示的な実施形態である。このように、高温ガスダクト内の煙道ガスの平均温度および／または局所的温度および／または温度プロファイルのうちの少なくとも１つを制御することができる。例えば、個々のバーナーへの燃料供給は、高温ガスダクトにわたる温度分布を均一にするように、および／または局所的な温度スパイクを回避するように制御することができる。これは、部品の寿命を延ばすのに役立つが、熱力学的理由により、ガス・タービン・エンジンの効率および性能に有益な効果をもたらすこともできる。また、局所的な過熱を回避するように、燃焼プロセスの全体の燃料／空気比を制御することができる。他の制御動作を考えることができる。

本開示の他の態様では、翼形部が開示される。少なくとも１つのサンプル抽出オリフィスは、翼形部の外面に設けられ、特定の実施形態では翼形部プロファイルのよどみ点に、より具体的には上流のよどみ点に設けられる。サンプル抽出オリフィスと流体連通し、かつ翼形部内を走るサンプルダクトが設けられる。より特定の実施形態では、多数の抽出オリフィスを翼形部の外面に設けることができる。すべての抽出オリフィスを翼形部プロファイルの上流のよどみ点に設けることができる。各抽出オリフィスは、特に、別個のサンプルダクトと流体連通することができる。より詳細には、１つまたは複数のサンプルダクトが翼形部の翼幅端部に向かって延在し、すべてのサンプルダクトが同じ翼幅端部に向かって延在してもよい。当業者であれば、サンプルダクトは、サンプル中に予期される少なくとも１つの特徴的な煙道ガス種の濃度を決定および定量するための分析装置と流体連通するように意図されていることを理解するであろう。含意するように、定量する重要な種は、酸素Ｏ_２、二酸化炭素ＣＯ_２、および水Ｈ_２Ｏのうちの少なくとも１つを含むことができるが、窒素酸化物ＮＯ_ｘも含むことができる。酸素の残留種濃度は、上記のように、適切な計算によって燃焼の当量比を決定するのに適している。煙道ガス中の残留酸素濃度、二酸化炭素濃度および煙道ガスの含水量に関する組み合わせた情報は、場合によっては燃料組成の特徴付けに十分であり得る。燃焼装置が蒸気または水の噴射で動作する場合には、煙道ガスの水分量の決定、ならびに燃料組成、当量比、および燃焼に使用される周囲空気などの含水量に関する追加情報は、酸化剤または煙道ガスの単位質量流量当たりの追加の水または蒸気の相対質量流量を提供することができる。翼形部は、特に、膨張タービン用の翼形部として提供されてもよい。翼形部は、当業者によく知られている任意の種類の冷却手段をさらに備えることができる。当業者であれば、サンプルオリフィスがそれぞれの翼形部プロファイルの上流のよどみ点に設けられている点で、例えば翼形部の表面に放出される冷却空気が、サンプルオリフィスで抽出された煙道ガスと混合することが回避されることを理解するであろう。

抽出の際にサンプルが導かれるサンプルダクトが外部から冷却され、燃料ガス種のさらなる反応を防止するようにサンプルを急冷するのに十分に冷却されていれば有用であることが理解されよう。ガスタービン翼形部では、ダクトはいずれにしても冷却剤キャビティ内を流れ、したがってダクトの冷却が本質的に提供される。ダクトは、必要に応じて冷却機能を備えていてもいなくてもよい。また、サンプルオリフィスのための適切な伝導冷却が必要とされ、適切な冷却機構を提供することができる。

本開示の他の態様では、ベーン部材が開示され、ベーン部材は、上述のタイプの少なくとも１つの翼形部を含む。特に、サンプルダクトは、ベーン部材の根元部に向かって延在する。ベーン部材の根元部は、一般に、半径方向外向きにかつターボエンジンハウジング内に設置されることが意図されている端部と考えられ、一方、ベーンの先端部は、半径方向内側に向いていることが意図される。ベーン部材は、特に、膨張タービン用のベーン部材として提供されてもよい。ベーン部材は、当業者によく知られている任意の種類の冷却手段をさらに備えることができる。

複数の抽出オリフィスは、ベーン部材のより特定の実施形態では、ベーン部材の外面に、および翼形部の翼幅に沿って少なくとも２つの異なる位置に、またはベーン部材の半径方向範囲にそれぞれ設けられてもよい。この点に関して、ベーン部材は、１つの単一または複数の翼形部を含んでもよいことが理解される。ベーン部材は、ターボエンジンの半径方向内側位置および半径方向外側位置に配置されるように、１つまたは複数の翼形部の明らかに専用の翼幅端部を有するターボエンジンに配置されることが意図され得ることがさらに理解される。したがって、ベーン部材としての単一の翼形部については、翼形部の翼幅に対して参照がなされる。しかし、ベーン部材がプラットフォームを含み、特に多翼形部ベーン部材の場合には、明確な半径方向を参照することができる。複数の抽出オリフィスは、１つの翼形部の翼幅範囲に沿って分布していてもよいが、複数の翼形部ベーン部材の２つ以上の翼形部に設けられ、複数の翼形部上のベーン部材の半径方向範囲に沿って分布してもよい。特に、少なくとも４つの具体的な実施形態では、正確に４つの抽出オリフィスが異なる翼幅方向または半径方向の位置に設けられてもよく、その結果、ベーン部材が取り付けられた高温ガスダクト内の少なくとも４つまたは正確に４つの半径方向位置でサンプルを抽出することができる。上述のように、高温ガスダクトの円形リングセグメント内のｎ個の異なる半径方向位置でｎ個のサンプルを抽出することにより、次数ｎ－１の多項式による半径方向温度プロファイルをモデル化することができる。さらに、各抽出オリフィスと流体連通する別個のサンプルダクトが設けられている。

当業者であれば容易に理解するように、抽出オリフィスおよび内部サンプルダクトを含む翼形部またはベーン部材の内部形状はかなり複雑であることが判明し、要求される精度で製造するのに費用がかかる可能性がある。このように、本明細書に開示した翼形部のベーン部材は、積層造形技術によって製造されることが予期されており、その後に、そこで材料の層が生成され、互いに融着される。これらの技術は実質的に３次元印刷と同様に機能する。材料粉末、例えば金属粉末の層を表面上に置き、特定の形状に沿って粉末を溶融し再凝固させる。材料粉末のさらなる層が上部に配置され、再び、材料粉末が特定の形状に沿って溶融および再凝固され、凝固した材料が下地層に融着される。層の厚さは、通常、限定はしないが、１０分の１ミリメートルの範囲である。粉末を溶融するために、非限定的な例として、レーザービームまたは電子ビームを適用することができる。これらの技術は、当技術分野では、選択的レーザー溶融ＳＬＭおよび電子ビーム溶融ＥＢＭと呼ばれている。材料の溶融および再凝固に伴う形状は、ビームの経路を制御する際および／またはビーム強度を変調する際に容易に制御することができる。

本開示のさらに別の態様では、上に開示したタイプの少なくとも１つの翼形部および／またはタービンベーン部材を含むガス・タービン・エンジンが開示される。前記翼形部ベーン部材は、特に膨張タービンに設けられ、より詳細には、当該技術ではノズルとも呼ばれる、膨張タービンの第１段のガイドベーン列に設けられる。これにより、燃焼器下流および第１の膨張タービン段の入口での高温ガス温度を局所的に決定することができる、すなわち機械的および熱的に高負荷の第１の膨張タービンガイドベーンにおける高温ガス温度を局所的に決定することができる。上述したように、局所的ホットスポットを検出することができ、これらの局所的ホットスポットで検出された温度は、翼形部のベーン部材の寿命計算に使用することができる。同様に、もちろん、予想よりも低い温度も、部品の寿命または寿命消費の予測に影響を及ぼす可能性がある。この点に関して、必要または実現可能な、包括的な温度分布の画像を生成するために、抽出オリフィスおよびサンプルラインを有する少なくとも２つの翼形部またはベーン部材が、ガイドベーン列の異なる円周方向位置に設けられる。上述したように、前記ガイドベーン列は、特に、膨張タービンの第１のタービン段のガイドベーン列であってもよい。第１の膨張タービン段のステータベーン列のすべての翼形部またはすべてのベーン部材がサンプル抽出オリフィスを備えていることは必要ではなく、経済的に実現可能ではない場合があることが理解される。特定の実施形態では、抽出オリフィスを備えた翼形部および／またはベーン部材は、高温ガスダクトの周囲の周りの３つ、４つまたは５つの円周方向位置を非限定的な例として少なくとも本質的に均等に分布させることができる。

決定された温度は、燃焼器に供給される燃料および／または酸化剤および／または不活性媒体質量流量の全体を制御する際の温度を制御する閉ループ制御において使用することができる。燃焼器内の個々のバーナーに供給される燃料および／または酸化剤の質量流量を制御するため、および／または燃焼器の特定のセグメントへの不活性媒体流体の流れを制御するための閉ループ制御において包括的な温度プロファイルを使用することができ、例えば、高温ガスダクト内の温度分布、または第１の膨張タービン段への入り口での温度分布を均等にすることができる。

関心のある煙道ガス種を決定する前に、異なる煙道ガスサンプルを混合してはならないことがさらに理解される。異なるサンプルを多重化することは複雑であることが判明している場合があり、連続測定が望ましい場合には、さらに実現可能ではない。したがって、煙道ガス分析装置が各サンプルダクトと流体連通状態で設けられることが提供されてもよい。

上述の特徴および実施形態は、互いに組み合わせることができることが理解される。さらに、当業者には明白かつ明らかであるが、本開示の範囲および特許請求されている主題の範囲内でさらなる実施形態が考えられることが理解されるであろう。

本開示の主題は、ここで、添付の図面に示す選択された例示的な実施形態によって、より詳細に説明される。図面は以下を示す。

ガスタービンベーン部材の例示的な実施形態の概略図である。図１のベーン部材の断面図である。

図面は非常に概略的であり、説明のために必要とされない詳細は、理解および描写を容易にするため省略されていることが理解される。図面は、選択された例示的な実施形態のみを示しており、図示されていない実施形態は、本明細書に開示した範囲および／または特許請求されている主題の範囲内にあることがさらに理解される。

図１は、本開示による方法を実施する際に使用するのに適したベーン部材の例示的な実施形態を概略的に示す。ベーン部材１は、翼形部１０および概略的にスケッチされた根元プラットフォーム２０を含む。当業者によく知られているように、ベーン部材は、共通のプラットフォームを有する２つ以上の翼形部を含むことができる。翼形部１０は、前縁１０１と後縁１０２とを含む。翼形部は、この図面では翼幅方向の位置で切断されている。したがって、翼形部の先端は図示されていない。しかし、当業者であれば、第２のプラットフォーム、すなわちシュラウドが翼形部の先端に設けられていてもいなくてもよいことは容易に理解するであろう。ガス・タービン・エンジンの膨張タービン、特に第１のタービン段への使用が意図されるターボエンジンのベーンは、一般に冷却システムを備えている。本明細書に示すベーン部材は、特に、膨張タービンの第１段において、すなわち燃焼器のすぐ下流に設置されるベーン部材としての使用が意図されるベーン部材であってもよい。すなわち、図１に示す部材１は、ガス・タービン・エンジンにおける熱的に最も負荷がかかる部品の１つである。したがって、ベーン部材には冷却システムが設けられており、一般に、第１のタービン段ガイドベーン列への入口における平均高温ガス温度は既知であるが、局所的温度に関する情報を収集することが望ましい場合がある。翼形部１０は、壁によって囲まれたキャビティまたはチャネルを含む。図示した実施形態では、２つのチャネル１１、１２が、翼形部の翼幅に沿って、または翼形部内のそれぞれのベーン部材の半径方向範囲に延在する。当業者によく知られた方法で、チャネル１１、１２は、ガス・タービン・エンジンの冷却剤供給システムと流体連通するように意図され、冷却チャネルとして働く。この点で流体連通は、チャネル１１、１２の各々が冷却剤供給システムに直接接続されていることを必ずしも意味するものではない。むしろ、チャネル１１、１２は、例えば、直列の流れの関係で設けられてもよく、チャネル１１は、上流端で冷却剤供給システムに接続され、下流端でチャネル１２に接続されている。しかしながら、明らかに、この構成では、チャネル１２は冷却剤供給システムに直接接続されていないが、チャネル１２はチャネル１１を介して冷却剤供給システムと流体連通している。翼幅または半径方向に沿って延在する２つより多いまたは少ない冷却チャネルが設けられてもよい。当業者によく知られているやり方では、内部冷却チャネルは通常、翼形部１０の壁内の冷却オリフィスと流体連通しており、この翼形部１０の最も一般的な実施形態では、冷却剤が内部冷却チャネルから翼形部１０の外面に放出される。しかしながら、それらの冷却オリフィスは、第１に、ガスタービン技術の当業者には完全に知られており、第２に、本明細書に開示された主題のコア、および本明細書に開示された装置の特定の特徴にとって重要ではなく、また第３に、重要な特徴の明瞭さおよび理解可能性のために、冷却オリフィスは、この図では省略されている。それらは、当業者によく知られているか、または当業者が考えられる任意の構成で例示的な実施形態に存在し得ることが理解される。翼形部の前縁１０１では、そして、より具体的には少なくとも本質的に、それぞれの翼形部プロファイルの上流または前縁よどみ点において、サンプル抽出オリフィス１３、１４、１５、１６、１７が設けられる。これらのサンプル抽出オリフィスは冷却オリフィスと混合してはいけない。サンプル抽出オリフィスを提供する目的および利点は、図２および以下の説明を考慮して十分に理解されるであろう。

図２は、線ＩＩ－ＩＩに沿った図１に示す実施形態の断面を示す。上述したように、冷却目的のために翼形部１０の外壁を通って設けられ、例えばチャネル１１、１２からの冷却剤を翼形部の外面に放出することができるチャネルが共通して存在する。さらに上述したように、本開示の主題の理解に重要ではないこれらの詳細は、図面では省略されている。翼形部１０の前縁１０１には、サンプル抽出オリフィス１３、１４、１５、１６、１７が設けられている。図２を参照すると分かるように、サンプル抽出オリフィスの各々は、それぞれのサンプルダクト１３１、１４１、１５１、１６１、１７１と流体連通している。サンプルダクトは、チャネル１１の内側で、ベーン部材の根元部に向かって延在する。サンプルダクトは、翼形部用の冷却剤が供給されるチャネルの内部を走っているので、ダクトは外部から強く冷却され、高温のサンプルガスの可能性のあるさらなる反応を消滅させる働きをする。チャネル１１は、ベーンがガス・タービン・エンジンに取り付けられる際に、冷却剤供給システムと流体連通するように根元部で開放されている。したがって、サンプルダクト１３１、１４１、１５１、１６１、１７１は、ベーン根元部からアクセス可能である。結果として得られるベーンの内部形状はかなり複雑で、アクセスしにくいアンダーカットがある。しかしながら、このような形状は、上述したように、３次元印刷積層造形技術によって比較的容易に製造することができる。ガス・タービン・エンジンに設置される場合、サンプルダクトは分析装置に接続されてもよく、分析装置は少なくとも１つの煙道ガス種の濃度を決定することができる。適切な測定装置および／または原理の例が上記に示されている。サンプル抽出オリフィスは、図１に関連して述べたように、少なくとも本質的に翼形部のそれぞれのプロファイル線のよどみ点に設けられる。したがって、稼働中のガス・タービン・エンジンで動作する場合、煙道ガスはサンプル抽出オリフィスを通ってサンプルダクトに入る。サンプル抽出オリフィスが上流のよどみ点に配置されると、一方では、サンプルダクトを通って煙道ガスサンプルを分析装置に運ぶために利用可能な煙道ガスの全圧がある。さらに、例えば、内部冷却チャネルのいずれかから翼形部の外部に放出される冷却空気が、サンプル抽出オリフィスを通って入り、煙道ガスサンプルを希釈することが回避される。

燃焼器からガス・タービン・エンジンの膨張タービンの第１のガイドベーン列に流れるガスは、燃焼後と同じ総温度を依然として生じる。当業者であれば容易に理解するように、総温度は、よどみ点での温度であり、ガス流の動的エネルギーは損失のない減速によって回収される。すなわち、言い換えれば、燃焼器からの高温ガス流は、まだタービンに有用な仕事を提供していない。したがって、第１の膨張タービンベーン部材を満たす高温ガス流の総温度は、燃焼器の境界にわたるエンタルピーバランスによって決定することができる。簡潔に言えば、局所的温度を決定するための１つの方法は、大まかに以下の原理に従うことができる。例として、一実施形態では、空気呼吸ガス・タービン・エンジンは、乾式ガス燃料燃焼で動作することができる。すなわち、水も蒸気も燃焼器に注入されない。サンプル抽出オリフィスの１つを通して抽出された各サンプルについて残留酸素含有量が決定される場合には、これは煙道ガスサンプルが由来する燃焼プロセスの当量比に関する情報を提供する。燃料ガス組成が分かっている場合には、燃焼器に流入する空気の単位質量流量当たり、または煙道ガスの単位質量流量当たりにどれほどの燃料が燃焼されたかが分かる。続いて、煙道ガスの単位質量流量当たりに二酸化炭素および水などの燃焼ガスがどれだけ生成されたかを決定することができる。この情報に基づいて、煙道ガスの単位質量当たりにどれくらいの空気とどのくらいの燃料が供給されたかについての集束解が得られるまで、煙道ガスの単位質量あたりの酸素消費量および燃料質量が再帰的に補正される。燃焼空気の含水量は、周囲条件の測定から一般に知られている。したがって、煙道ガス組成は、一例では、燃料ガス組成および残留酸素含有量、または酸素消費量からそれぞれ決定することができる。これは、煙道ガスの比熱容量ｃ_ｐを決定することを可能にする。燃焼器および燃料に流入する燃焼空気の総温度が既知であれば、燃焼空気および燃料の単位質量当たりの燃焼空気および燃料の全エンタルピーをそれぞれ求めることができる。さらに燃焼空気と燃料が１単位質量の煙道ガスにどのくらい寄与しているかが分かっているので、煙道ガスの単位質量当たりのエンタルピーが燃焼空気によって、燃料によって、および燃料のより低い発熱量でどのくらい与えられたか、燃焼空気中の燃料を燃焼させることによって、煙道ガスの単位質量あたりのエンタルピーがどれだけ与えられたかを容易に決定することができる。これにより最終的に煙道ガスの単位質量あたりの総エンタルピーが得られ、煙道ガスサンプルの比熱容量ｃ_ｐにより煙道ガスサンプルが抽出された煙道ガスの総温度が決定される。すなわち、サンプルが抽出された場所での局所的な煙道ガス温度が分かる。図１および図２に示すベーン部材は、それぞれ翼形部の翼幅に沿ったまたはベーン部材の半径方向範囲に沿った異なる位置で多数の煙道ガスサンプルの抽出を可能にする。容易に理解されるように、翼形部の翼幅座標は、ベーン部材がガス・タービン・エンジンに取り付けられる際に、ガス・タービン・エンジンの高温ガスダクトの半径方向座標に変換される。したがって、局所的な煙道ガス組成、したがって局所的な煙道ガスの総温度は、高温ガスダクトの異なる半径で決定することができる。さらに、図１および図２に示すタイプの多数のベーン部材が、ガス・タービン・エンジンの第１の膨張タービン段のガイドベーン列に取り付けられ、円周方向に分布されることが提供されてもよい。これにより、局所的な温度値を決定することができ、さらに、環状高温ガスダクトにわたる温度分布をモデル化することができる。得られた値は、非限定的な例として、取り付けられた部品の寿命計算を改善するために適用することができる。他の非限定的な例では、温度分布をより均一にするために、燃焼器内の異なるバーナーへの燃料の分配を制御するために閉ループ制御で温度を使用することができる。

上に概略を述べた少なくとも１つの煙道ガス種濃度から局所的な煙道ガス温度を決定する方法は、そうする１つの可能性の概略のみを提供することが理解される。ガスタービン技術の当業者は、少なくとも１つの煙道ガス種濃度、およびそこから煙道ガスの総温度に基づいてエンタルピーバランスを計算するための他の方法を知り、かつ／または容易に想起し実施することができるであろう。本開示の教示から逸脱することなく他の計算方法を選択することができ、したがって請求された保護範囲によって包含されることが理解される。

本開示の主題は、例示的な実施形態によって説明されているが、これらは、特許請求された発明の範囲を限定することを決して意図するものではないことが理解される。特許請求の範囲は、本明細書に明示的に図示または開示されていない実施形態をカバーし、本開示の教示を実施する例示的な態様において開示された実施形態から逸脱する実施形態は、依然として特許請求の範囲によって包含されることが理解されるであろう。

１ベーン部材
１０翼形部
１１チャネル
１２チャネル
１３サンプル抽出オリフィス
１４サンプル抽出オリフィス
１５サンプル抽出オリフィス
１６サンプル抽出オリフィス
１７サンプル抽出オリフィス
２０根元プラットフォーム
１０１前縁
１０２後縁
１３１サンプルダクト
１４１サンプルダクト
１５１サンプルダクト
１６１サンプルダクト
１７１サンプルダクト
ＥＢＭ電子ビーム溶融
ＳＬＭ選択的レーザー溶融
ｃｐ比熱容量

Claims

燃焼装置の下流の高温ガスダクト内の局所的な高温ガス温度を決定する方法であって、当該方法が、
前記燃焼装置の下流の前記高温ガスダクトの少なくとも１つの特定の断面位置で少なくとも１つの煙道ガスサンプルを抽出するステップと、
前記サンプル中の少なくとも１つの煙道ガス種濃度を決定するステップと、
前記少なくとも１つの煙道ガス種濃度に基づいて前記局所的な煙道ガス総温度を決定するステップと、
を含んでおり、前記燃焼装置の下流の高温ガスダクト内に設けられた部品のよどみ点で前記煙道ガスサンプルを抽出する、方法。
前記高温ガスダクトの断面にわたる多数の位置で多数のサンプルを抽出し、前記サンプルの各々について前記少なくとも１つの煙道ガス種濃度を個別に決定し、前記高温ガスダクトにわたって空間分解温度値を決定する、請求項１に記載の方法。
前記高温ガスダクトの円周リングセグメント内の多数の異なる半径方向位置の各々でサンプルを抽出する、請求項２に記載の方法。
前記燃焼装置は、ガスタービンエンジンの燃焼器であり、さらに、前記部品は、前記燃焼器の下流の第１のガイドベーン（１）であることを特徴とし、前記方法は、前記第１のガイドベーンの翼形部（１０）の前縁（１０１）における翼形部プロファイルの上流よどみ点で前記煙道ガスサンプルを抽出するステップをさらに含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
排出された冷却剤の前記サンプルへの取り込みを避けるために、前記部品の外面に設けられた任意の冷却剤排出口の上流で前記煙道ガスサンプルを抽出する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
前記少なくとも１つの決定された局所的温度に基づいて、前記高温ガスダクト内の部品の寿命計算を実行するステップをさらに含む、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の方法。
前記少なくとも１つの決定された局所的温度が、前記燃焼装置内のバーナーの動作を制御するための制御ループに供給される、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の方法。
前記高温ガスダクト内の前記煙道ガスの平均温度及び／又は局所的温度及び／又は温度プロファイルのうちの少なくとも１つを制御する、請求項７に記載の方法。