JPH11142247A

JPH11142247A - ガスタービン用光高温計

Info

Publication number: JPH11142247A
Application number: JP10235572A
Authority: JP
Inventors: Thomas Dobler; ドプラートーマス; Wolfgang Dr Evers; エーヴェルスヴォルフガンク; Ken Haffner; ハッフナーケン
Original assignee: ABB RES Ltd; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB RES Ltd; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 1997-08-21
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 1999-05-28
Anticipated expiration: 2018-08-21
Also published as: EP0898158A3; DE19736276B4; CN1145786C; JP4077080B2; DE19736276A1; US6109783A; DE59813274D1; EP0898158A2; CN1210256A; EP0898158B1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】特にガスタービン内の温度計測に適した高温
計を提供する。【解決手段】高温計２０は、高温に耐えるマイクロレ
ンズ２２及び石英又はサファイアからなる光ファイバー
２４をもった可撓性光ガイド計測プローブ２１を有し、
マイクロレンズ２２及びファィバー２４は、金の鞘２
５、２６及び／又は保護キャピラリー２７，２８を備え
る。熱放射が遠隔の検出器３２で評価され、検出器３２
は、それに接続された計測回路３３を有する。高温計２
０は、コンパクトさ、高温性能、可撓性、多方向設置性
及び高計測精度によって区別される。

Description

【発明の詳細な説明】

【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／００１
３１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、In
c．）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１
０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（Ｓｉ
Ｃ）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、０．４
m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、１９
５６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 Vo
nDr．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２
４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３
３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４００
ｍｍ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２
２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２
５、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、２
７、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、２
８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２
４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３
５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２
０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３
５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（Hemisp
here 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４
１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２
２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４
１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、４
９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１
０００℃での絶対温度測定が行われる。これは、翼３
４、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３
５、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

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱放射を検出して、熱放射を検出器
（３３）に伝達するための光ガイド測定プローブ（２
１）を有する、ガスタービン内の温度測定に特に適した
高温計（２０）において、ａ）測定プローブ（２１）はマイクロ光センサーへッド
（２２）をもった光ファイバー（２４）を有し、ｂ）光ファイバー（２４）及びマイクロ光センサーヘッ
ド（２２）は、高温に耐える柔軟な鞘（２５、２６、２
７、２８）を有する、高温計。
【請求項２】ａ）マイクロ光センサーヘッド（２
２）は円錐（２２）又はマイクロレンズ（２２）であ
り、ｂ）センサーヘッド（２２）及びファイバー（２４）は
ワンピースで設計され、又は高温に耐える仕方で互いに
光学的に接続されている、請求項１に記載の高温計（２
０）。
【請求項３】ａ）ファイバー（２４）は高温被覆
（２５、２６）及び／又は保護キャピラリー（２７、２
８）を有し、ｂ）センサーヘッド（２２）は高温被覆（２５、２６）
及び／又は保護キャピラリー（２７、２８）を有する、
請求項１又は請求項２に記載の高温計（２０）。
【請求項４】ａ）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、ｂ）高温被覆（２５、２６）は金属、特に金又はアルミ
ニウムからなり、ｃ）保護キャピラリー（２７、２８）は金属、特にイン
コネルからなる、請求項３に記載の高温計（２０）。
【請求項５】ａ）測定プローブ（２１）は、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、
ガスタービン内部に配置され、ｂ）熱放射を検出器（３２）に伝達するためのファイバ
ー（２４、３１）が設けられ、ｃ）検出器（３２）は測定回路（３３）に接続され、ｄ）特に、検出器（３２）はガスタービンの外側に構成
される、請求項１乃至請求項４に記載の高温計（２
０）。
【請求項６】ａ）測定プローブ（２１）は、好まし
くは第１列又は第２列の案内翼（３４、４８）のボア
（４１）内に据付けられ、ｂ）ファイバー（２４、３１）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、ｃ）ファイバー（２４、３１）及び／又は測定プローブ
（２１）を受入れるためのガイドチューブ（４３）が設
けられる、請求項５に記載の高温計（２０）。
【請求項７】ａ）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、ｂ）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る、請求項６に記載
の高温計（２０）。
【請求項８】ａ）ボア（４１）は、案内翼（３４、
４８）の壁の表面のできるだけ近くに置かれ、且つめく
ら穴（５３）を有し、ｂ）めくら穴（５３）はセンサーへッド（２２）用のス
ペーサーを有し、ｃ）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する、請求項６に記載
の高温計（２０）。
【請求項９】請求項１乃至請求項４の１つに記載の
高温計（２０）を備えた、特に電気エネルギーを発生す
るのに適したガスタービンにおいて、ａ）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）は、ガスタービン内部に
配置され、ｂ）熱放射を検出器（３２）に伝達するためのファイバ
ー（２４、３１）が設けられ、ｃ）検出器（３２）は測定回路（３３）に接続され、ｄ）特に、検出器（３２）はガスタービンの外側に構成
される、ガスタービン。
【請求項１０】ａ）好ましくは第１列又は第２列の案
内翼（３４、４８）は、測定プローブ（２１）を受入れ
るためのボア（４１）を有し、ｂ）ガスタービンの冷却ダクトは、ファイバー（２４、
３１）を少なくとも部分的に受入れるのに役立ち、ｃ）ガスタービンは、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、請求項９に記載のガスタービン。
【請求項１１】ａ）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、ｂ）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る、請
求項１０に記載のガスタービン。
【請求項１２】ａ）ボア（４１）は、案内翼（３４、
４８）の壁の表面のできるだけ近くに置かれ、且つめく
ら穴（５３）を有し、ｂ）めくら穴（５３）はセンサーへッド（２２）用のス
ペーサーを有し、ｃ）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する、請求項１０に記
載のガスタービン。
【請求項１３】請求項５乃至請求項８に記載の高温計
の助けによるガスタービンを監視する方法において、ａ）高い熱負荷を受けた少なくとも１つの構造部品の特
性温度信号は、測定回路（３３）で計算され、ｂ）前記温度信号は、ガスタービンを監視するための信
号として使用される、監視方法。
【請求項１４】ａ）前記構造部品は、動翼（３５、４
９）又は案内翼（３４、４８）の列によって構成され、ｂ）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が、前記特性
温度信号として使用される、請求項１１に記載のガスタ
ービンの監視方法。