JP2010053745A - ガスタービン排気温度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気温度の検出精度の向上を図りつつ、エンジン性能の低下を軽減することができるガスタービン排気温度検出装置を提供する。
【解決手段】ガスタービン排気温度検出装置２は、外周ケーシング３と内周ケーシング４とを連結するストラット５に取り付けられた熱電対９，１０を備える。ストラット５は、中空部１５と、外周ケーシング３の近傍に設けられると共に、チップクリアランス流れを排気ガスの上流側から中空部１５内に導入するための導入孔１８と、中空部１５内に導入されるチップクリアランス流れを排気ガスの下流側に排出するための排出孔１９とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービン排気温度検出装置に関するものである。

従来、ガスタービン排気温度検出装置として、中実の金属製のストラットに設けられたガス取り入れ穴に熱電対を挿入し、取り入れ穴内に流れ込むガスの温度を検出するものが知られている。しかし、この装置では、ガスタービンエンジン性能の悪化を抑制するため、ガス取り入れ穴を小さくしている。このため、熱電対により検出される排気温度は、ストラット自体の温度に影響され易い。すなわち、ストラット自体の温度が金属の熱伝達によって排気温度よりも低いので、熱電対によって検出される温度は、実際のガス温度よりも低い。その結果、排気温度の検出精度の向上を図り難い。

上記の問題を解決するために、様々な試みが行われている。例えば特表２００７−５１５６４４号公報に記載されるように、熱電対を支持する支持部材であって、その内部に設けられた空洞、排気ガスを空洞内に導入するための一連の孔、及び空洞内のガスを外部に排出する開口を備えるものが知られている。この検出装置は、支持部材の開口に熱電対を挿入し、空洞で混合され開口を通過するガスの温度を検出することにより、排気温度の検出精度の向上を図ろうとするものである。
特表２００７−５１５６４４号公報

しかしながら、上述したガスタービン排気温度検出装置にあっては、排気ガスを支持部材の空洞内に導入する孔が複数であるため、排気ガスによる抵抗が大きくなり、ガスタービンエンジン性能を悪化させる問題があった。

そこで本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、排気温度の検出精度の向上を図りつつ、エンジン性能の低下を軽減することができるガスタービン排気温度検出装置を提供することを目的とする。

すなわち本発明に係るガスタービン排気温度検出装置は、外周ケーシングと内周ケーシングとを連結するストラットに排気温度検出手段が取り付けられ、ガスタービンの排気ガスの温度を検出するガスタービン排気温度検出装置において、ストラットの内部には、ガスタービンの動翼の先端と外周ケーシングとの隙間を流れるチップクリアランス流れを排気ガスの上流側から下流側にかけて通すための排気ガス流通路が設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、ストラットの内部には、チップクリアランス流れを排気ガスの上流側から下流側にかけて通すための排気ガス流通路が設けられているので、この排気ガス流通路に流れるチップクリアランス流れは、ストラットの内部からストラットを温め、ストラットの温度を内部から上昇させることができる。このため、より正確な排気ガス温度検出が可能となり、排気温度の検出精度の向上を図ることができる。また、このようにチップクリアランス流れを利用することにより、ストラットの温度を内部から確実に上昇させると共に、エンジン性能の低下を軽減することが可能となる。

本発明に係るガスタービン排気温度検出装置において、排気ガス流通路は、外周ケーシングの近傍に設けられチップクリアランス流れを排気ガスの上流側から排気ガス流通路の内部に導入するための導入孔を備えることが好適である。

この場合にあっては、チップクリアランス流れを外周ケーシング付近から排気ガス流通路の内部に取り入れることができる。チップクリアランス流れは、外周ケーシング付近では温度が高く且つ流速が速い。このようにチップクリアランス流れを外周ケーシング付近から取り入れることにより、ストラットの温度を内部から確実に上昇させると共に、チップクリアランス流れの導入孔を小さくすることが可能となり、エンジン性能の低下を軽減することができる。

本発明に係るガスタービン排気温度検出装置において、排気ガス流通路は、導入孔に連通する中空部と、中空部内に導入されるチップクリアランス流れを排気ガスの下流側に排出するための排出孔とを更に備えることが好適である。

この場合にあっては、チップクリアランス流れを導入孔から中空部内に取り入れ、排出孔を経由して排気ガスの下流側に排出する。従って、ストラットの温度を内部から確実に上昇させることができる。

本発明に係るガスタービン排気温度検出装置において、導入孔は、チップクリアランス流れの方向に沿うように、排気ガスの流れ方向に対し傾斜していることが好適である。

この場合にあっては、チップクリアランス流れは旋回しながら流れるので、チップクリアランス流れの旋回に合わせて、排気ガスの流れ方向に対する導入孔の傾斜角度をつけることにより、チップクリアランス流れをスムーズに中空部に導入させることができる。これによって、中空部内に導入されるチップクリアランス流れの流量を増やすことが可能となり、ストラットの内部を温め易くなる。

本発明に係るガスタービン排気温度検出装置において、導入孔は、複数であり、排気ガスの流れ方向に対する複数の導入孔の傾斜角度は異なっていることが好適である。

この場合にあっては、ガスタービンエンジンの運転状態によってチップクリアランス流れの向きは変化するので、異なる傾斜角度を有する導入孔を複数設けることにより、エンジンの運転状態が変化した場合も、チップクリアランス流れを確実に中空部に導入させることができる。

本発明に係るガスタービン排気温度検出装置において、導入孔の先端部は、外方に向けて広がるベルマウス状に形成されていることが好適である。

この場合にあっては、チップクリアランス流れをスムーズに中空部に導入させることができ、中空部に導入されるチップクリアランス流れの流量を増加することができる。

本発明に係るガスタービン排気温度検出装置において、中空部には、内部に導入されるチップクリアランス流れを折り返すためのガイド板が設けられていることが好適である。

この場合にあっては、ガイド板を利用してチップクリアランス流れを折り返すことにより、中空部内のチップクリアランス流れの経路を長くすることができる。従って、チップクリアランス流れからストラットへ伝わる熱量を増やし、ストラットの温度を確実に上昇させることが可能となる。

本発明に係るガスタービン排気温度検出装置において、中空部は、排気ガスの上流側に寄せて配置されていることが好適である。

この場合にあっては、中空部を排気ガスの上流側に寄せて配置することにより、上流から流れる排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段の周辺部分を局所的に昇温させることができ、排気温度の検出精度の向上を図ることができる。

本発明に係るガスタービン排気温度検出装置において、排出孔は、内周ケーシングの近傍に設けられていることが好適である。

この場合にあっては、チップクリアランス流れを外周ケーシング付近から中空部に導入させ、内周ケーシング付近から排出させることにより、中空部内のチップクリアランス流れの経路を長くすることができる。従って、チップクリアランス流れからストラットへ伝わる熱量を増やし、ストラットの温度を確実に上昇させることが可能となる。

本発明に係るガスタービン排気温度検出装置において、排出孔は、複数であることが好適である。

この場合にあっては、チップクリアランス流れが中空部に留まる時間を調整することにより、チップクリアランス流れからストラットへ伝わる熱量を調整することが可能となり、排気温度の検出精度の向上を図ることができる。

本発明に係るガスタービン排気温度検出装置において、ストラットの外壁には、薄板状のフィンが取り付けられていることが好適である。

この場合にあっては、ストラットの伝熱面積を増やし、熱交換を促進させることができ、ストラットの温度を確実に上昇させることができる。

本発明によれば、排気温度の検出精度の向上を図りつつ、エンジン性能の低下を軽減することができるガスタービン排気温度検出装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は本発明の実施形態に係るガスタービン排気温度検出装置の概略構成図である。本実施形態に係るガスタービン排気温度検出装置２は、ガスタービンエンジン１の排気部に配置され、排気ガスの温度を検出するものである。

図１に示すように、ガスタービンエンジン１は、外周ケーシング３、外周ケーシング３の内側に配置された内周ケーシング４、外周ケーシング３と内周ケーシング４との間に配置された金属製のストラット５を備えている。外周ケーシング３及び内周ケーシング４は、それぞれ円筒形状に形成され、これらの円筒形の中心軸線Ｌ１がほぼ一致するようにストラット５により連結されている。これによって、外周ケーシング３と内周ケーシング４との間には、環状の排気ガス流路６が形成される。そして、排気ガスは、矢印Ｆ１に示す方向（すなわち、排気ガスの流れ方向）に沿って排気ガス流路６を通して、外部に排気される。

ストラット５は、複数であって、排気ガス流路６の周方向に沿って一定の間隔をもって均等に配置されている。ストラット５の前方（すなわち、排気ガスの上流側）には、ガスタービンエンジン１の最終段の動翼７が配置されている。この動翼７は、回転軸８に固定されている。ガスタービン排気温度検出装置２は、ストラット５に取り付けられた一対の熱電対９，１０を備えている。この熱電対９，１０は、排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段として機能している。なお、本実施形態において、排気温度検出手段として、熱電対９，１０のほか、その他の温度センサを用いてもよい。

図２はストラットを示す横断面図である。図２に示すように、ストラット５は、断面略楕円状に形成され、排気ガスの上流側に位置する前面壁１１と、排気ガスの下流側に位置する後面壁１２と、前面壁１１と後面壁１２との間で互いに平行する側面壁１３，１４とを有する。そして、前面壁１１、後面壁１２及び側面壁１３，１４により囲まれた空間は、外周ケーシング３側から内周ケーシング４にかけて延在する中空部１５を形成する。図２において、Ｌ２は排気ガスの流れ方向Ｆ１に沿う中心線であり、ストラット５は、この中心線Ｌ２に対して左右対称である。

図１に示すように、前面壁１１には、２つの凹部１６，１７が設けられている。これらの凹部１６，１７は、排気ガスをその内部に取り入れるように、排気ガスの上流側に向けて開放され、排気ガスの流れ方向Ｆ１に沿って延在している。凹部１６，１７の内部には、熱電対９，１０の先端部が挿入されている。

前面壁１１の外周ケーシング３の近傍には、前面壁１１を貫通する導入孔１８が設けられている。この導入孔１８は、動翼７の先端と外周ケーシング３との隙間を流れるチップクリアランス流れ（矢印Ｆ２参照）を排気ガスの上流側から中空部１５に導入するためのものである。導入孔１８は、チップクリアランス流れの方向に沿うように、中心線Ｌ２に対し所定角度をもって傾斜している（図２参照）。

後面壁１２の内周ケーシング４の近傍には、後面壁１２を貫通する排出孔１９が設けられている。この排出孔１９は、中空部１５に導入されるチップクリアランス流れを排気ガスの下流側に排出するためのものである。そして、中空部１５、導入孔１８及び導入孔１８は、チップクリアランス流れを排気ガスの上流側から下流側に向けてストラット５を通すための排気ガス流通路を構成する。

このように構成されたガスタービン排気温度検出装置２によれば、ストラット５の内部に中空部１５が設けられ、前面壁１１の外周ケーシング３の近傍には、動翼７のチップクリアランス流れを排気ガスの上流側から中空部１５に導入するための導入孔１８が設けられているので、チップクリアランス流れを外周ケーシング３付近から中空部１５内に取り入れることができる。このチップクリアランス流れは、ストラット５の内部からストラット５を温め、ストラット５の温度を内部から上昇させることができる。このため、より正確な排気ガス温度検出が可能となり、排気ガス温度検出精度の向上を図ることができる。

しかも、チップクリアランス流れは、外周ケーシング３付近では温度が高く且つ流速が速い。このようにチップクリアランス流れを外周ケーシング３付近から中空部１５に取り入れることにより、ストラット５の温度を内部から確実に上昇させると共に、チップクリアランス流れの導入孔１８を小さくすることが可能となる。その結果、エンジン性能の低下を軽減することができる。

また、後面壁１２の内周ケーシング４の近傍には、中空部１５内のチップクリアランス流れを排気ガスの下流側に排出するための排出孔１９が設けられている。このようにチップクリアランス流れを外周ケーシング３付近から中空部１５に導入させ、内周ケーシング４付近から排出させることにより、中空部１５内のチップクリアランス流れの経路を長くすることができる。従って、チップクリアランス流れからストラット５へ伝わる熱量を増やし、ストラット５の温度を確実に上昇させることが可能となる。

更に、チップクリアランス流れは旋回しながら流れるので、チップクリアランス流れの旋回に合わせて、中心線Ｌ２に対する導入孔１８の傾斜角度をつけることにより、チップクリアランス流れをスムーズに中空部１５に導入させることができる。これによって、中空部１５に導入されるチップクリアランス流れの流量を増やすことが可能となり、ストラット５の内部を温め易くなる。

次に、図３〜図９を参照して本実施形態に係るガスタービン排気温度検出装置２のストラット５の変形例を説明する。

図３に示す変形例では、ストラット２０は、３つの導入孔２１，２２，２３を備えている。これらの導入孔２１，２２，２３は、共に前面壁１１の外周ケーシング３近傍に設けられ、動翼７のチップクリアランス流れを排気ガスの上流側から中空部１５に導入している。そして、これらの導入孔２１，２２，２３は、中心線Ｌ２に対する傾斜角度はそれぞれ異なっている。

このように構成されたストラット２０を備えるガスタービン排気温度検出装置は、上記の実施形態と同様な効果が得られるほか、異なる傾斜角度を有する３つの導入孔２１，２２，２３を備えるため、チップクリアランス流れを確実に中空部１５に導入させる効果をもたらす。すなわち、ガスタービンエンジン１の運転状態によってチップクリアランス流れの向きは変化し、このように異なる傾斜角度を有する導入孔を複数設けることにより、ガスタービンエンジン１の運転状態が変化した場合も、チップクリアランス流れを確実に中空部１５に導入させることが可能となる。

図４に示す変形例では、ストラット２４の導入孔２５は、中心線Ｌ２に対し所定角度をもって傾斜している。そして、導入孔２５の先端部２５ａは、外方に向けて広がるベルマウス状に形成されている。

このように構成されたストラット２４を備えるガスタービン排気温度検出装置は、上記の実施形態と同様な効果が得られるほか、導入孔２５の先端部２５ａが外方に向けて広がるベルマウス状に形成されているので、チップクリアランス流れをスムーズに中空部１５に導入させることができ、中空部１５に導入されるチップクリアランス流れの流量を増やすことができる。

図５に示す変形例では、ストラット２６の中空部１５には、内部に導入されるチップクリアランス流れを折り返すためのガイド板２７，２８が設けられている。ガイド板２７，２８は、導入孔１８側から排出孔１９側にわたって所定の距離を隔て、上下方向に交互に位置するように配設されている。そして、ガイド２７，２８の配設によって、中空部１５に導入されるチップクリアランス流れは、矢印Ｆ３に沿って折り返しながら排出孔１９を経由して排気ガスの下流側に排出される。

このように構成されたストラット２６を備えるガスタービン排気温度検出装置は、上記の実施形態と同様な効果が得られるほか、ガイド板２７，２８を利用して中空部１５に流れるチップクリアランス流れを折り返すことにより、中空部１５内のチップクリアランス流れの経路を長くすることができる。従って、チップクリアランス流れからストラット２６へ伝わる熱量を増やし、ストラット２６の温度を確実に上昇させることが可能となる。

図６に示す変形例では、ストラット２９の中空部３０は、排気ガスの上流側に寄せて配置されている。すなわち、熱電対９，１０を設置している前面壁１１付近のみを中空にする。

このように構成されたストラット２９を備えるガスタービン排気温度検出装置は、上記の実施形態と同様な効果が得られるほか、中空部３０を排気ガスの上流側に寄せて配置することにより、熱電対９，１０の周辺部分を局所的に昇温させることができ、排気温度の検出精度の向上を図ることができる。

図７に示す変形例では、後面壁１２に設けられた排出孔３２は、内周ケーシング４から所定の距離離れた場所に配置されている。例えば、排出孔３２は、上下方向において凹部１６と凹部１７との間に配置されている。

このように構成されたストラット３１を備えるガスタービン排気温度検出装置は、上記の実施形態と同様な効果が得られるほか、排出孔３２が内周ケーシング４から離れた場所に設けられるので、内周ケーシング４の近傍に設けられた排出孔１９と比べて、中空部１５内に導入されるチップクリアランス流れは、排出孔３２から抜け難くなる。これによって、チップクリアランス流れが中空部１５に留まる時間が長くなり、チップクリアランス流れからストラット３１へ伝わる熱量を増やすことができる。

図８に示す変形例では、後面壁１２には、排出孔１９のほか、排出孔３４，３５，３６が設けられている。これらの排出孔３４，３５，３６は、外周ケーシング３側から内周ケーシング４側にかけて略等間隔に並設されている。

このように構成されたストラット３３を備えるガスタービン排気温度検出装置は、上記の実施形態と同様な効果が得られるほか、複数の排出孔１９，３４，３５，３６を設けることにより、チップクリアランス流れが中空部１５に留まる時間を短くし、チップクリアランス流れからストラット３３へ伝わる熱量を適宜に低減することが可能となる。その結果、チップクリアランス流れによるストラット３３の過度な温度上昇を抑制し、より正確な排気ガス温度検出が可能となる。

図９に示す変形例では、ストラット３７の側面壁（外壁）１３，１４には、薄板状のフィン３８が複数取り付けられている。このように構成されたストラット３７を備えるガスタービン排気温度検出装置は、上記の実施形態と同様な効果が得られるほか、側面壁１３，１４にフィン３８を複数取り付けることにより、ストラット３７の伝熱面積を増やし、熱交換を促進させることができ、ストラット３７の温度を確実に上昇させることができる。

本発明に係るガスタービン排気温度検出装置は上述したものに限定されるものではない。本発明に係るガスタービン排気温度検出装置は、各請求項に記載した要旨を変更しないように実施形態に係るガスタービン排気温度検出装置を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

本発明の実施形態に係るガスタービン排気温度検出装置の概略構成図である。 ストラットを示す横断面図である。 ストラットの変形例を示す横断面図である。 ストラットの変形例を示す横断面図である。 ストラットの変形例を示す縦断面図である。 ストラットの変形例を示す縦断面図である。 ストラットの変形例を示す縦断面図である。 ストラットの変形例を示す縦断面図である。 ストラットの変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１…ガスタービンエンジン、２…ガスタービン排気温度検出装置、３…外周ケーシング、４…内周ケーシング、５，２０，２４，２６，２９，３１，３３，３７…ストラット、７…動翼、９，１０…熱電対（排気温度検出手段）、１５，３０…中空部、１８，２１，２２，２３，２５…導入孔、１９，３２，３４，３５，３６…排出孔、２５ａ…先端部、２７，２８…ガイド板、３８…フィン、Ｆ１…排気ガスの流れ方向。

Claims (11)

1. 外周ケーシングと内周ケーシングとを連結するストラットに排気温度検出手段が取り付けられ、ガスタービンの排気ガスの温度を検出するガスタービン排気温度検出装置において、
   前記ストラットの内部には、ガスタービンの動翼の先端と前記外周ケーシングとの隙間を流れるチップクリアランス流れを排気ガスの上流側から下流側に向けて通すための排気ガス流通路が設けられていることを特徴とするガスタービン排気温度検出装置。
2. 前記排気ガス流通路は、前記外周ケーシングの近傍に設けられチップクリアランス流れを排気ガスの上流側から前記排気ガス流通路の内部に導入するための導入孔を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン排気温度検出装置。
3. 前記排気ガス流通路は、前記導入孔に連通する中空部と、前記中空部内に導入されるチップクリアランス流れを排気ガスの下流側に排出するための排出孔とを更に備えることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン排気温度検出装置。
4. 前記導入孔は、チップクリアランス流れの方向に沿うように、排気ガスの流れ方向に対し傾斜していることを特徴とする請求項２又は３に記載のガスタービン排気温度検出装置。
5. 前記導入孔は、複数であり、排気ガスの流れ方向に対する前記複数の導入孔の傾斜角度は異なっていることを特徴とする請求項４に記載のガスタービン排気温度検出装置。
6. 前記導入孔の先端部は、外方に向けて広がるベルマウス状に形成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のガスタービン排気温度検出装置。
7. 前記中空部には、内部に導入されるチップクリアランス流れを折り返すためのガイド板が設けられていることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載のガスタービン排気温度検出装置。
8. 前記中空部は、排気ガスの上流側に寄せて配置されていることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載のガスタービン排気温度検出装置。
9. 前記排出孔は、前記内周ケーシングの近傍に設けられていることを特徴とする請求項３〜８のいずれか一項に記載のガスタービン排気温度検出装置。
10. 前記排出孔は、複数であることを特徴とする請求項３〜９のいずれか一項に記載のガスタービン排気温度検出装置。
11. 前記ストラットの外壁には、薄板状のフィンが取り付けられていることを特徴とする請求項１〜１０に記載のガスタービン排気温度検出装置。
    

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