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技術 圧力測定装置

出願人 アルストム
発明者 ヤコプケラー
出願日 1998年8月13日 (22年3ヶ月経過) 出願番号 1998-228869
公開日 1999年5月11日 (21年6ヶ月経過) 公開番号 1999-125573
状態 特許登録済
技術分野 流体圧力測定
主要キーワード 温度急変 取り出し箇所 直径段 圧力ピックアップ 反射圧力波 減衰係数α 冷却ガス源 外部空間側
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この項目の情報は公開日時点(1999年5月11日)のものです。
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図面 (5)

課題

圧力測定装置において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。

解決手段

測定管(16,21,23)に第1の手段が設けられており、この第1の手段が測定管(16,21,23)内を広がる圧力波の測定管(16,21,23)内の温度急変部での妨害的反射を阻止し、もしくは圧力ピックアップ(18)へ入る前に無害にするようになっている。

概要

背景

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。

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。

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。

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。

概要

圧力測定装置において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。

測定管(16,21,23)に第1の手段が設けられており、この第1の手段が測定管(16,21,23)内を広がる圧力波の測定管(16,21,23)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(18)へ入る前に無害にするようになっている。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
3件

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請求項1

第1の温度(T1)を持つ熱ガス充填されていて、より低い第2の温度(T3)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(16,21,23)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(16,21,23)に接続されている形式のものにおいて、測定管(16,21,23)に第1の手段が設けられており、この第1の手段が測定管(16,21,23)内を広がる圧力波の測定管(16,21,23)内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(18)へ入る前に無害にするようになっていることを特徴とする、圧力測定装置。

請求項2

測定管(16)内に温度急変部(T1→T2;T2→T3)が存在しており、測定管(16)内の温度急変部(T1→T2;T2→T3)で生じる圧力波の反射が測定管(16)の内径の対応する直径急変部(D1→D2;D2→D3)での反射によって補償されるようになっている、請求項1記載の圧力測定装置。

請求項3

測定管(16)内の直径急変部(D1→D2;D2→D3)が温度急変部(T1→T2;T2→T3)の箇所に配置されている、請求項2記載の圧力測定装置。

請求項4

直径急変部の各直径(D1、D2もしくはD2、D3)が、1直径急変部の直径の比(D3/D2もしくはD2/D1)が配設の温度急変部の温度の比の逆数の四乗根([T2/T3]1/4もしくは[T1/T2]1/4)に等しくなるように選択される、請求項3記載の圧力測定装置。

請求項5

第1の手段(24,…,27;29)が、これらが測定管(21,23)内での温度急変部の出現を阻止するように構成されている、請求項1記載の圧力測定装置。

請求項6

第1の手段が冷却ガス源(29)を備えており、冷却ガス源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、請求項5記載の圧力測定装置。

請求項7

冷却ガスとして不活性ガスが使用される、請求項6記載の圧力測定装置。

請求項8

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)へ圧縮燃焼空気が供給され、かつ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)を通過して外部空間(28)から熱ガス空間(15)内へ流入する、請求項5記載の圧力測定装置。

請求項9

燃焼室(15)がプレナム(13)によって包囲されており、プレナムを通って圧縮燃焼空気が流れ、冷却空気がプレナム(13)から測定管(23)の測定個所上流で取り出され、かつ取り出された冷却空気が温度を下げるために冷却器(24)を通るように送られる、請求項8記載の圧力測定装置。

請求項10

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9記載の圧力測定装置。

技術分野

0001

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。

背景技術

0002

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。

発明が解決しようとする課題

0006

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。

課題を解決するための手段

0007

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。

発明の効果

0008

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。

発明を実施するための最良の形態

0013

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T2にあり(図2)、温度T2は燃焼室15内の温度T1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T3が支配し、温度T3はプレナム13内の温度T2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T3→T2とT2→T1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:T3からT2への移行時には測定管の直径はD3からD2へ減る;T2からT1への移行時には直径はD2からD1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D1、…、D3もしくはこれらの比は温度T1、…、T3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D1、D2、D3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)f3B=g3B(=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

0019

(式中、L1、L2、L3は管区分1,2,3のそれぞれ長さを、D1、D2、D3はそれぞれ直径を、c1、c2、c3はそれぞれ音速を、α1、α2、α3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、ρ1は管区分1内の密度を、かつΔp1A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

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

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)c2/c3−D32/D22=0および
(16)c1/c2−D22/D12=0
が該当する場合には、図1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T1 1673K
直径D1 2.577mm
長さL1 0.1m
γ 1.3
Pr 0.71
第2管区分
温度T2 673K
直径D2 3.235mm
長さL2 0.4m
γ 1.4
Pr 0.71
第3管区分
温度T3 288K
直径D3 4mm
長さL3 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

0029

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図1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。

--

0030

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

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