(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査ポート（７６）内に挿入することにより回転機械（１８）の内部と光学的に連通するよう構成されたサイト管（１０１）と、
前記サイト管（１０１）に取り外し可能に固定され、ウィンドウ（８８）と、該ウィンドウ（８８）にわたってパージ空気を配向するよう構成された複数の開口（９６）とを含む第１の交換可能ノズル先端（８６）と、
前記サイト管（１０１）の周りに配置されたカーテン管（８２）と、
を備えたシステム（１０）であって、前記カーテン管（８２）が、第１の空気源からのパージ空気を前記カーテン管（８２）の内側表面（１０７）と前記サイト管（１０１）の外側表面（１０６）との間に形成された第１の通路（１０５）を介して前記複数の開口（９６）に配向するよう構成され、
前記システムが更に、
前記カーテン管（８２）に取り外し可能に固定され、前記ウィンドウ（８８）の周りにカーテン空気を配向するよう構成された複数の出口を有する第２の交換可能ノズル先端（８４）を備え、前記カーテン管（８２）が、第２の空気源からのカーテン空気を前記カーテン管（８２）の外側表面（９５）と前記検査ポート（７６）の内側表面との間に形成された第２の通路（９４）を介して前記複数の出口に配向するよう構成されている、システム（１０）。
【請求項２】
前記第１の空気源が、前記回転機械（１８）とは独立して動力が供給される圧縮機（８０）からの空気流を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項３】
前記第１の空気源が、シャフト（１９）を介して前記回転機械（１８）に回転可能に結合された圧縮機（２２）からの吐出空気流（４４）を含み、該吐出空気流（４４）は、前記第１の通路（１０５）に流入する前に冷却、フィルタリング、又はこれらの組み合わせを実施する、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項４】
前記第２の空気源が、シャフト（１９）を介して前記回転機械（１８）に回転可能に結合された圧縮機（２２）からの吐出空気流（４２）を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項５】
前記複数の開口（９６）が、前記パージ空気を前記ウィンドウ（８８）にわたって半径方向内向きに配向するよう構成される、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項６】
前記複数の開口（９６）が、前記パージ空気を前記ウィンドウ（８８）に実質的に垂直に配向するよう構成された開口（９６）の第１の列（１１６）と、前記パージ空気を前記ウィンドウ（８８）から軸方向外向きに配向するよう構成された開口（９６）の第２の列（１１８）と、を含む、請求項５に記載のシステム（１０）。
【請求項７】
前記第１の交換可能ノズル先端（８６）が、ネジ付き接続部（９８、１００）を介して前記サイト管（１０１）に取り外し可能に固定される、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項８】
前記複数の出口の少なくとも１つが、前記第２の通路（９４）と前記回転機械（１８）の内部との間に延びる凹部（９０）を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項９】
前記第１の交換可能ノズル先端（８６）が、前記回転機械（１８）の内部に向かう前記ウィンドウ（８８）の移動を阻止するよう構成された環状突出部（１１２）を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項１０】
前記第２の交換可能ノズル先端（８４）が、前記回転機械（１８）の内部に向かう前記第１の交換可能ノズル先端（８６）の移動を阻止するよう構成された環状突出部（１１４）を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、回転機械のオンライン監視システムに冷却及びパージ空気流を供給するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特定のガスタービンエンジンは、タービン内の種々の構成要素の監視を可能にするよう構成された検査ポートを有するタービンを含む。例えば、高温測定システムは、検査ポートを介してタービンの内部と光学的に連通し、タービンの高温ガス経路内の特定の構成要素の温度を測定するよう構成することができる。典型的な高温測定システムは、検査ポート内に挿入され且つタービン構成要素から放出及び／又は反射された放射線を検出器に搬送するよう構成されたサイト管を含む。このような高温測定システムは、サイト管の先端に位置する透明ウィンドウを利用して、サイト管の損傷を受けやすい光学部品をタービンに流れる高温ガスストリームから保護する。残念ながら、タービンの運転中、汚染物質（例えば、燃焼生成物中の未燃焼炭化水素、及び／又は空気流からの粒子状物質）がウィンドウの表面上に蓄積することに起因して、ウィンドウが隠される可能性がある。加えて、溶融金属粒子が衝突時にウィンドウ内に埋め込まれる場合がある。ウィンドウが隠されると、高温測定の精度が低下する恐れがある。
【発明の概要】
【０００３】
１つの実施形態において、システムは、検査ポート内に挿入することにより回転機械の内部と光学的に連通するよう構成されたサイト管を含む。本システムはまた、サイト管に取り外し可能に固定された第１の交換可能ノズル先端を含む。第１の交換可能ノズル先端は、ウィンドウと、該ウィンドウにわたってパージ空気を配向するよう構成された複数の開口とを含む。本システムは更に、サイト管の周りに配置されたカーテン管を含み、該カーテン管は、第１の空気源からのパージ空気をカーテン管の内側表面とサイト管の外側表面との間に形成された第１の通路を介して複数の開口に配向するよう構成される。加えて、本システムは、カーテン管に取り外し可能に固定された第２の交換可能ノズル先端を含む。第２の交換可能ノズル先端は、ウィンドウの周りにカーテン空気を配向するよう構成された複数の出口を含む。カーテン管は、第２の空気源からのカーテン空気をカーテン管の外側表面と検査ポートの内側表面との間に形成された第２の通路を介して複数の出口に配向するよう構成されている。
【０００４】
別の実施形態において、システムは、検査ポート内に挿入することにより回転機械の内部と光学的に連通するよう構成されたサイト管を含む。サイト管は、ウィンドウと、該ウィンドウにわたってパージ空気を配向するよう構成された複数の開口とを含む。本システムはまた、サイト管の周りに配置されたカーテン管を含み、該カーテン管は、第１の空気源からのパージ空気をカーテン管の内側表面とサイト管の外側表面との間に形成された第１の通路を介して複数の開口に配向するよう構成される。カーテン管は、ウィンドウの周りにカーテン空気を配向するよう構成された複数の出口を含み、該カーテン管は、第２の空気源からのカーテン空気をカーテン管の外側表面と検査ポートの内側表面との間に形成された第２の通路を介して複数の出口に配向するよう構成されている。
【０００５】
別の実施形態において、システムは、検査ポート内に挿入することにより回転機械の内部と光学的に連通するよう構成されたサイト管を含む。本システムはまた、サイト管に取り外し可能に固定された交換可能ノズル先端を含む。交換可能ノズル先端は、ウィンドウと、該ウィンドウにわたってパージ空気を配向するよう構成された複数の開口とを含む。
【０００６】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ウィンドウ上への汚染物質の蓄積を低減するためサイト管ウィンドウにわたり空気流を配向するよう構成された光学監視システムを含む、タービンシステムの１つの実施形態のブロック図。
【図２】光学監視システムの１つの実施形態によって監視することができる種々のタービン構成要素を示した、例示的なタービンセクションの断面図。
【図３】図１の光学的監視システム内で利用できる光学プローブ組立体の１つの実施形態の斜視図。
【図４】図３の線４−４から見た光学プローブ組立体３８の断面図。
【図５】図３の光学プローブ組立体内で利用できるサイト管ノズル先端の１つの実施形態の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
１つ又はそれ以上の特定の実施形態を以下で説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。
【０００９】
本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。
【００１０】
本明細書で開示される実施形態は、タービン内の高温ガスストリームからウィンドウを保護するために光学プローブ組立体のウィンドウに隣接して空気流を提供することができる。特定の実施形態において、光学プローブ組立体は、検査ポート内への挿入を介してタービンの内部と光学的に連通するよう構成される。光学プローブ組立体は、サイト管と、該サイト管に取り外し可能に固定されるサイト管ノズル先端とを含む。サイト管ノズル先端は、ウィンドウと、該ウィンドウにわたってパージ空気を配向するよう構成された複数の開口とを含む。サイト管の周りに配置されるカーテン管は、第１の空気源からのパージ空気をカーテン管の内側表面とサイト管の外側表面との間に形成された第１の通路を介して開口に配向するよう構成されている。加えて、光学プローブ組立体は、カーテン管に取り外し可能に固定されたカーテンノズル先端を含む。カーテンノズル先端は、カーテン空気をウィンドウの周りに配向するよう構成された複数の出口を含む。カーテン管は、第２の空気源からのカーテン空気をカーテン管の外側表面と検査ポートの内側表面との間に形成された第２の通路を介して出口に配向するよう構成されている。カーテン空気とパージ空気との組み合わせは、所望の作動温度範囲内にウィンドウを維持し、ウィンドウ表面上への汚染物質の蓄積を低減する働きをすることができる。パージ空気及びカーテン空気は異なる空気源により提供されるので、一方の空気源が効果的に作動できない場合でもウィンドウを保護することができる。更に、ノズル先端が交換可能であるので、開口及び／又は出口の所望の配列を有する特定のノズル先端を特定のタービン構成用に選択され、これにより効果的な熱的保護及び汚染物質保護を備えたウィンドウを提供することができる。
【００１１】
次に、各図面において、図１は、ウィンドウ上への汚染物質の蓄積を低減するためサイト管ウィンドウにわたり空気流を配向するよう構成された光学監視システムを含む、タービンシステムの１つの実施形態のブロック図である。タービンシステムについて以下で説明しているが、光学監視システムを利用して、例えば圧縮機、ジェットエンジン、ポンプ、又は蒸気タービンなど、回転機械又はターボ機械内の構成要素を監視することができることは理解されたい。図示のタービンシステム１０は、燃料噴射器１２、燃料供給源１４、及び燃焼器１６を含む。図示のように、燃料供給源１４は、液体燃料及び／又はガス燃料（天然ガスなど）をガスタービンシステム１０に送り、燃料噴射器１２を通じて燃焼器１６に送る。以下で検討するように、燃料噴射器１２は、燃料を噴射して加圧空気と混合するよう構成される。燃焼器１６が点火されて燃料空気混合気を燃焼させ、次いで、高温加圧ガスがタービン１８に入る。理解されるように、タービン１８は、固定ベーン又はブレードを有する１つ又はそれ以上のステータと、ステータに対して回転するブレードを有する１つ又はそれ以上のロータとを含む。高温ガスは、タービンロータブレードを通過し、これによりタービンロータを回転駆動する。タービンロータとシャフト１９との間の結合は、シャフト１９の回転を生じさせ、該シャフト１９はまた、図示のように、ガスタービンシステム１０全体にわたり複数の構成要素に結合される。最終的に、ガスは、排出出口２０を介してガスタービンシステム１０から流出することができる。
【００１２】
圧縮機２２は、ロータに堅固に装着されるブレードを含み、該ロータは、シャフト１９により回転駆動される。空気が回転ブレードを通過すると空気圧が増大し、これにより適正な燃焼のための十分な空気が燃焼器１６に提供される。圧縮機２２は、吸気口２４を介してガスタービンシステム１０に空気を吸い込むことができる。更に、シャフト１９は、負荷２６に結合することができ、該負荷にはシャフト１９の回転によって動力を供給することができる。理解されるように、負荷２６は、発電プラント又は外部の機械的負荷など、ガスタービンシステム１０の回転出力の動力を用いることが可能な何らかの好適な装置とすることができる。例えば、負荷２６は、発電機、航空機のプロペラ、その他を含むことができる。吸気口２４は、空気３０を低温吸気口などの好適な機構を介してガスタービンシステム１０に吸い込む。次いで、空気３０は、燃焼器１６に加圧空気３２を提供する圧縮機２２のブレードを通って流れる。詳細には、燃料噴射器１２は、加圧空気３２及び燃料１４を燃料空気混合気３４として燃焼器１６に噴射することができる。或いは、加圧空気３２及び燃料１４は、混合及び燃焼用に燃焼器に直接噴射することができる。
【００１３】
図示のように、タービンシステム１０は、タービン１８に光学的に結合された光学監視システム３６を含む。図示の実施形態において、光学監視システム３６は、検査ポート内に挿入されるよう構成された光学プローブ組立体３８を含む。光学プローブ組立体３８は、タービン構成要素から放出及び／又は反射された放射線を検出器４０に送るよう構成される。以下で詳細に検討されるように、光学プローブ組立体３８は、ウィンドウと、該ウィンドウにわたってパージ空気を配向するよう構成された複数の開口とを有するサイト管を含む。光学プローブ組立体３８はまた、サイト管の周りに配置され、第１の空気源からのパージ空気をカーテン管の内側表面とサイト管の外側表面との間に形成された第１の通路を介して開口に配向するよう構成されたカーテン管を含む。更に、カーテン管は、ウィンドウの周りにカーテン空気を配向するよう構成された複数の出口を含む。カーテン管はまた、第２の空気源からのカーテン空気をカーテン管の外側表面と検査ポートの内側表面との間に形成された第２の通路を介して出口に配向するよう構成されている。このような構成において、ウィンドウにわたって流れるパージ空気は、タービン１８を通って流れる高温ガスとウィンドウとの間に障壁を設ける働きをすることができる。パージ空気はまた、ウィンドウの温度を所望の範囲内に維持するのを確保するための冷却を提供することができる。加えて、ウィンドウの周りを流れるカーテン空気は、高温ガス中を流れている汚染物質（例えば、未燃焼炭化水素、汚れ、溶融金属粒子、その他）を逸らし、これによりウィンドウの表面上への汚染物質の蓄積を更に低減することができる。
【００１４】
図示の実施形態において、圧縮機２２は、光学プローブ組立体３８に第１及び第２の空気源両方を提供する。具体的には、第２の空気源は、圧縮機２２からの吐出空気流４２を含む。図示の実施形態は、圧縮機２２の後段からの吐出空気４２を利用しているが、代替の実施形態は、他の圧縮機断からの吐出空気を利用してもよい点は理解される。しかしながら、図示の実施形態では、光学プローブ組立体３８に提供される吐出空気４２の圧力は、光学プローブ組立体３８の位置にてタービン内の高温ガスの圧力よりも高い。そのため、第２の空気源からのカーテン空気の流れは、光学プローブ組立体３８のウィンドウから離れるように高温ガスを逸らし、これによりウィンドウの表面上への汚染物質の蓄積を実質的に低減することになる。
【００１５】
加えて、第１の空気源はまた、圧縮機２２からの吐出空気流４４を含む。図示の実施形態は、圧縮機の中間段からの吐出空気４４を利用しているが、代替の実施形態では、他の圧縮機段からの吐出空気を利用してもよい点は理解されたい。しかしながら、図示の実施形態において、光学プローブ組立体３８に提供される吐出空気４４の圧力は、光学プローブ組立体３８の位置におけるタービン内の高温ガスの圧力よりも高い。図示のように、吐出空気４４は、吐出空気４４の温度を低下させるよう構成された熱交換器４５に流れる。理解されるように、吐出空気４４の温度は、特定の圧縮機構成において約８００から９００°Ｆ（４２７から４８２℃）の間とすることができる。特定の実施形態において、熱交換器４５は、吐出空気４４の温度を約３００から４００°Ｆ（１４９から２０４℃）まで低下させるよう構成され、これにより冷却が強化された光学プローブを提供することができる。吐出空気４４が冷却された後、空気は、空気流からの粒子状物質及び液体を選別するよう構成されたフィルタ４６に流入する。例えば、吐出空気４４は、圧縮機２２を潤滑させるよう構成されたオイル、圧縮機２２からの金属粒子、及び／又は周囲空気から圧縮機２２内に吸い込まれた汚染物質を含むことができる。吐出空気４４からのこのような物質をフィルタ除去することにより、フィルタ４６は、実質的に清浄な空気流４７を光学プローブ組立体３８に提供し、これによりウィンドウの表面上への汚染物質の蓄積を実質的に低減することができる。第１の空気源４７は、図示の実施形態においては圧縮機２２により提供されているが、代替の実施形態では補助圧縮機を利用して、所望の空気流を光学プローブ組立体３８に提供することができる点は理解されたい。
【００１６】
図２は、例示的なタービンセクションの断面図であり、光学監視システム３６の１つの実施形態によって監視することができる種々のタービン構成要素を示している。図示のように、燃焼器１６からの高温加圧ガス４８は、軸方向５０及び／又は円周方向５２でタービン１８内に流れる。図示のタービン１８は、少なくとも２つの段を含み、図２には第１の２つの段が図示されている。他のタービン構成は、これよりも多い又は少ないタービン段を含むことができる。例えば、タービンは、１、２、３、４、５、６、又はそれ以上のタービン段を含むことができる。第１のタービン段は、タービン１８の周りを円周方向５２で実質的に等間隔に配置されたベーン５４及びブレード５６を含む。第１段ベーン５４は、タービン１８に堅固に装着され、燃焼ガスをブレード５６に配向するよう構成される。第１段ブレード５６はロータ５８に装着され、該ロータは、ブレード５６を流れる高温ガス４８により回転駆動される。ロータ５８はシャフト１９に結合され、該シャフト１９が圧縮機２２及び負荷２６を駆動する。次いで、高温ガス４８は、第２段ベーン６０及び第２段ブレード６２を通って流れる。第２段ブレード６２はまた、ロータ５８に結合される。排出ガス４８が各段を流れると、ガスからのエネルギーがロータ５８の回転エネルギーに変換される。各タービン段を通過した後、高温ガス４８が軸方向５０でタービン１８から流出する。
【００１７】
図示の実施形態において、各第１段ベーン５４は、半径方向６６で端壁６４から外向きに延びる。端壁６４は、高温ガス４８がロータ５８に流入するのを阻止するよう構成される。同様の端壁が、第２段ベーン６０及び後続の下流側ベーン（存在する場合）に隣接して存在することができる。同様に、各第１段ブレード５６が、半径方向６６でプラットフォーム６８から外向きに延びる。理解されるように、プラットフォーム６８は、ブレード５６をロータ５８に結合するシャンク７０の一部である。シャンク７０はまた、高温ガス４８がロータ５８に流入するのを阻止するよう構成されたシール又はエンジェルウィング７２を含む。同様のプラットフォーム及びエンジェルウィングは、第２段ベーンブレード６２及び後続の下流側ブレード（存在する場合）に隣接して存在することができる。更に、シュラウド７４は、第１段ブレード５６から外向きに半径方向に位置付けられる。シュラウド７４は、ブレード５６をバイパスする高温燃焼ガス４８の量を最小限にするよう構成される。ガスバイパスは、バイパスガスからのエネルギーがブレード５６により取り込まれて回転エネルギーに変換されることがないので、望ましいものではない。光学監視システム３６の実施形態は、ガスタービンエンジン１０のタービン１８内の構成要素の監視に関して以下で説明しているが、光学監視システム３６は、例えば、ジェットエンジン、蒸気タービン、又は圧縮機などの他の回転機械内の構成要素を監視するのに利用できる点は理解されたい。
【００１８】
図示のように、光学プローブ組立体３８は、検査下流側ポート７６を通ってタービン１８の内部に延びている。理解されるように、検査ポートは、タービン構成要素の検査を容易にするような、タービンケーシングに沿った種々の位置に位置付けることができる。図示の実施形態では、光学監視システム３６は、タービン１８の作動中にタービン構成要素を監視し、オペレータ又は自動化システムが高温のタービン構成要素の温度を検出できるように構成される。図示の実施形態は、第１段ブレード５６に向けた単一の光学プローブ組立体３８を含むが、代替の実施形態は、より多くの光学プローブ組立体３８を含むことができる点に理解されたい。例えば、特定の実施形態は、１、２、３、４、５、６、７、８、又はそれ以上の光学プローブ組立体３８を利用して、各ブレード５６から放出され及び／又は反射された放射線を検出器４０に送ることができる。理解されるように、第１段ブレード５６を監視するためにより多くの光学プローブ組立体３８が利用される場合、各ブレード５６のより多くの領域を監視することができる。
【００１９】
図示の実施形態では、光学プローブ組立体３８は第１段ブレード５６に向けられているが、代替の実施形態では、光学プローブ組立体３８は他のタービン構成要素に向けることができる点を理解されたい。例えば、１つ又はそれ以上の光学プローブ組立体３８は、第１段ベーン５４、第２段ベーン６０、第２段ブレード６２、端壁６４、プラットフォーム６８、エンジェルウィング７２、シュラウド７４、又はタービン１８内の他の構成要素に向けることができる。別の実施形態は、タービン１８内の複数の構成要素に向けられた光学プローブ組立体３８を含むことができる。第１段ブレード５６と同様に、光学監視システム３６は、各構成要素の温度を監視し、高温のタービン構成要素の検出を容易にすることができる。
【００２０】
上記で検討したように、光学プローブ組立体３８は、タービン構成要素から放出され及び／又は反射された放射線を検出器４０に送るように構成される。検出器４０は、ある時間期間にわたってタービン構成要素の複数の画像を取り込むよう構成することができる。理解されるように、上述の第１段ブレード５６のような特定のタービン構成要素は、タービン１８の円周方向５２に沿って高速で回転することができる。その結果として、このような構成要素の画像を取り込むために、検出器４０は、各構成要素の実質的に静止画像を取り込むのに十分な積分時間で動作するよう構成することができる。例えば、特定の実施形態において、検出器４０は、タービン構成要素の画像を約１０、５、３、２、１、又は０．５マイクロ秒、又はそれ未満の短い積分時間で取り込むよう構成することができる。
【００２１】
図示の実施形態において、光学監視システム３６は、構成要素によって放出される放射線の強度に基づき、タービン構成要素の温度を決定するよう構成される。例えば、ブレード５６は、ブレードの温度が高くなると、広範囲の波長にわたる放射線を放出することになる。加えて、水蒸気及び二酸化炭素などの特定の燃焼生成種は、温度、圧力、及び／又は生成種濃度の上昇に反応して広範囲な波長にわたる放射線を吸収及び放出する。結果として、ガスタービンエンジン１０の作動中に、ブレード５６により放出される波長のごく一部だけが正確な強度測定のために十分な強度と無視できる干渉で光学監視システム３６に到達する。その結果として、光学監視システム３６は、ブレード５６の温度を求めるのに有意な吸収又は干渉がなく高温燃焼ガス４８を通過する可能性が高い特定波長の強度を測定するよう構成することができる。例えば、可視スペクトルの赤色部分及び／又は近赤外スペクトル内の波長は、他の周波数範囲よりも吸収が少ない状態で高温ガス４８を通過することができる。従って、特定の実施形態は、ブレード５６の温度を求めるのにこのような周波数範囲を利用することができる。例えば、特定の光学監視システム３６は、ブレード温度を求めるために、約０．５から１．４ミクロン、１．５から１．７ミクロン、及び／又は２．１から２．４ミクロンの範囲内の波長の強度を測定するよう構成することができる。しかしながら、代替の実施形態は、他の可視部分、赤外及び／又は紫外スペクトル内の電磁放射線の強度を測定することができる点を理解されたい。更にまた、特定の実施形態は、２次元検出器アレイを利用して、タービン構成要素の２次元温度プロファイルを示す２次元画像及び／又はエミッションを取り込むことができる。
【００２２】
上記で検討したように、光学プローブ組立体３８は、ウィンドウ及びウィンドウにわたってパージ空気を配向するよう構成された複数の開口を有するサイト管を含む。光学プローブ組立体はまた、サイト管の周りに配置され、第１の空気源からのパージ空気をカーテン管の内側表面とサイト管の外側表面との間に形成された第１の通路を介して開口に配向するよう構成されたカーテン管を含む。更に、カーテン管は、カーテン空気をウィンドウの周りに配向するよう構成された複数の出口を含む。カーテン管はまた、第２の空気源からのカーテン空気をカーテン管の外側表面と検査ポートの内側表面との間に形成された第２の通路を介して出口に配向するよう構成されている。図示の実施形態において、先端組立体７８は、検出器４０とは反対側の光学プローブ組立体３８の端部に結合される。以下で詳細に検討するように、先端組立体７８は、取り外し可能に構成され、これによりオペレータは、所望の動作条件に基づいて先端組立体７８を容易に変更できるようになる。例えば、図示の実施形態において、先端組立体７８は、サイト管に取り外し可能に固定された第１の交換可能ノズル先端（例えば、サイト管ノズル先端）と、カーテン管に取り外し可能に固定された第２の交換可能ノズル先端（例えば、カーテンノズル先端）とを含む。このような構成において、第１の交換可能ノズル先端は、ウィンドウ及び開口を含み、第２の交換可能ノズル先端は出口を含む。その結果として、ウィンドウにわたる流れパターンは、第１の交換可能ノズル先端を異なる開口構成（例えば、孔サイズ、孔の数、孔の向き、その他が変化したもの）を有する別の先端と交換することにより調整することができる。同様に、ウィンドウの周りのカーテン空気の流れパターンは、第２の交換可能ノズル先端を異なる出口構成（例えば、出口幾何形状、出口の数、出口の向き、その他が変化したもの）を有する別の先端と交換することにより変更することができる。その結果として、先端組立体７８は、所望のタービン構成用に特に構成することができ、これにより標準サイト管設計を様々なタービン構成内で利用できるようになる。
【００２３】
加えて、ウィンドウは第１の交換可能ノズル先端に取り付けられるので、ウィンドウは、光学プローブ組立体３８を再較正する必要なしに取り替えることができる。例えば、ウィンドウが、光学プローブ組立体に固定され、ウィンドウの表面上への汚染物質の蓄積に起因して隠されるようになった場合、光学プローブ組立体は、検査ポートから取り出して新しい組立体と取り替えることができる。残念ながら、各光学プローブ組立体のサイト管内の光学系の変動に起因して、組立体は一般的には設置後に再較正される。理解されるように、再較正手法は時間がかかり、これによりタービンシステム１０の可用性が低下する可能性がある。対照的に、図示の構成におけるウィンドウを取り替えるためには、光学プローブ組立体３８が検査ポート７６から取り外され、第１の交換可能なノズル先端は新しいノズル先端と取り替えられる。当初のサイト管が利用されるので、光学系を再較正するプロセスを排除することができる。その結果、ウィンドウ取り替えに伴う時間が有意に短縮され、これによりタービンシステムの可用性を向上させることができる。
【００２４】
図示の実施形態において、第１の空気源４７は補助圧縮機８０により提供される。補助圧縮機８０は、光学プローブ組立体３８の位置において高温ガスストリーム４８の圧力よりも大きな圧力を提供するよう構成される。図示の実施形態において、補助圧縮機８０は、圧縮機２２から独立して動力が供給される。例えば、補助圧縮機８０は、他の動力源の中でも特に、電動機、レシプロエンジン、又はタービンエンジンにより駆動することができる。補助圧縮機８０は、約４００°Ｆ（２０４℃）を下回る温度で実質的に清浄な空気流を光学プローブ組立体３８に提供するよう構成され、これにより図１に関して上記で説明された熱交換器及びフィルタが排除される。実質的に清浄な低温空気流４７を光学プローブ組立体３８に提供することにより、パージ空気流は、ウィンドウを冷却し、ウィンドウの表面上への汚染物質の蓄積を低減する働きをすることができる。
【００２５】
加えて、光学プローブ組立体３８には２つの異なる供給源（例えば、タービン圧縮機２２及び補助圧縮機８０）からの空気が提供されるので、ウィンドウは、一方の空気源が有効に作動できない場合でも汚染物質及び高温から保護することができる。例えば、補助圧縮機８０に動力を供給するモータが、低容量で作動しており、完全に機能しなくなった場合には、ウィンドウにわたるパージ空気流が実質的に減少又は中断されることになる。しかしながら、圧縮機２２によりカーテン空気が提供されるので、タービンシステム１０が作動中である間はカーテン空気がウィンドウの周囲を流れることになる。具体的には、圧縮機ブレードは、タービン１８により駆動されるシャフト１９に結合されているので、タービン１８を通るガス流が圧縮機２２を駆動し、これにより光学プローブ組立体３８に吐出空気４２が提供されることになる。特定の実施形態において、カーテン空気は、光学的監視システム３６の連続作動を可能にするのに十分な冷却及び汚染物質保護をもたらすことができる。同様に、図１に関して上記で説明した実施形態の熱交換器４５及び／又はフィルタ４６が有効に作動できない場合、光学プローブ組立体３８への空気流４７が減少又は中断される可能性がある。しかしながら、圧縮機２２により提供されるカーテン空気は、光学的監視システム３６の連続作動を可能にするのに十分な冷却及び汚染物質保護をもたらすことができる。
【００２６】
図３は、図１の光学的監視システム３６内で利用できる光学プローブ組立体３８の１つの実施形態の斜視図である。図示のように、光学プローブ組立体３８は、カーテン管８２を含み、先端組立体７８は、交換可能カーテンノズル先端８４及び交換可能サイト管ノズル先端８６を含む。加えて、サイト管ノズル先端８６は、タービン１８内の高温ガスからサイト管光学系を保護する働きをするウィンドウ８８を収容するよう構成される。前述のように、ウィンドウ８８は、サイト管ノズル先端８６に結合され、これによりサイト管光学系の再較正をすることなくウィンドウ８８の交換を容易にすることができる。その上、以下で詳細に検討するように、サイト管ノズル先端８６は、タービン１８の内部に向かうウィンドウ８８の移動を阻止するよう構成された環状突出部を含み、カーテンノズル先端８４は、タービンの内部に向かうサイト管ノズル先端８６の移動を阻止するよう構成された環状突出部を含む。このような構成は、光学プローブ組立体３８からの要素がタービンの内部に入る可能性を実質的に低減又は排除することができる。
【００２７】
図示のように、カーテンノズル先端８４は、ウィンドウ８８の周りにカーテン空気を配向するよう構成された、図示の軸方向凹部９０のような複数の出口を含む。図示の実施形態において、カーテン空気の流れは、高温ガスをウィンドウ８８から離れるように逸らすよう構成され、これによりウィンドウ８８の表面上の汚染物質の蓄積を実質的に低減する。上記で検討したように、圧縮機２２は、タービン内部への流れを確立するのに十分な圧力でカーテン空気の流れを提供するよう構成される。図示のように、カーテン空気は、カーテン管８２の外側表面９５と検査ポート７６の内側表面との間に形成された通路９４を介して方向９２に流れる。加えて、カーテンノズル先端８４は、検査ポート７６の内側表面と直接接触し、凹部９０が通路９４とタービン１８の内部との間に延びる開口を形成するようにする。結果として、カーテン空気のストリームが各凹部９０から放出され、これによりウィンドウ８８が高温ガスの流れからシールドされることになる。
【００２８】
図示の凹部９０は、光学プローブ組立体３８の長手方向軸線に平行に延びているが、代替の実施形態では他の凹部構成を利用できる点は理解されたい。例えば、特定の実施形態において、凹部９０は、ウィンドウ８８の周りのカーテン空気のスワール流を誘起するよう構成することができる。加えて、別の実施形態では、ウィンドウ８８の周りで所望の流れパターンを確立するために、より多くの又はより少ない凹部９０及び／又はより狭い又はより幅広の凹部９０を利用することができる。その上、カーテンノズル先端８４は、ウィンドウ８８の周りにカーテン空気を配向するよう構成された他の出口を含む。例えば、特定の実施形態は、通路９４とタービン１８の内部との間に延びる孔を含むことができる。そのため、カーテン空気のストリームが各凹部９０及び各孔から放出され、これによりウィンドウ８８が高温ガスの流れからシールされることになる。上記で検討したように、カーテンノズル先端８４は、カーテン管８２から取り外し可能にしてもよく、これにより特定のタービン構成に対して所望の出口パターンを選択できるようになる。例えば、砂質／粉塵環境で動作するタービンシステム１０に対しては、ウィンドウ８８から離れる汚染物質の逸らすことができるように多数の凹部９０を有するカーテンノズル先端８４を選択することができる。
【００２９】
加えて、サイト管ノズル先端８６は、ウィンドウ８８にわたるパージ空気の流れを提供するよう構成された複数の開口９６を含む。パージ空気の流れは、高温ガス４８に面したウィンドウ８８の表面を冷却するよう構成され、これによりウィンドウ８８の稼働寿命が実質的に延びる。加えて、開口９６によって提供されるパージ空気と凹部９０によって提供されるカーテン空気との組み合わせは、ウィンドウ８８から離して汚染物質を逸らすよう構成される。結果として、ウィンドウの表面上への汚染物質の蓄積が実質的に低減され、これにより光学的監視システム３６の精度を向上させることができる。その上、ウィンドウ８８はサイト管ノズル先端８６に結合されるので、ウィンドウ８８は、ノズル先端８６を交換することにより取り替えることができる。そのため、光学プローブ組立体３８全体の取り替えに伴う再較正プロセスを排除することができる。更に、サイト管ノズル先端８６が取り外し可能であるので、特定のタービン構成に対して所望の開口パターンを有するノズル先端８６を選択することができる。例えば、高温ガスを過度に生成するよう構成された最新の燃焼システムは、所望の作動温度範囲内にウィンドウ８８を維持するためにウィンドウ８８にわたって追加の空気流を提供するよう構成された開口９６を有するサイト管ノズル先端８６を利用することができる。
【００３０】
図４は、図３の線４−４から見た光学プローブ組立体３８の断面図である。上記で検討したように、サイト管ノズル先端８６は、ウィンドウの取り替え及び／又は所望の開口構成の選択を容易にするために取り外し可能にすることができる。図示の実施形態において、サイト管ノズル先端８６は、サイト管１０１のネジ部１００と相互連結するよう構成されたネジ部９８を含む。この構成において、サイト管ノズル先端８６は、サイト管１０１に対するノズル先端８６の回転により固定及び取り外しを行うことができる。同様に、カーテンノズル先端８４は、ネジ付き接続部１０２によりカーテン管８２に固定することができる。図示の実施形態では、サイト管ノズル先端８６をサイト管１０１に固定し、カーテンノズル先端８４をカーテン管８２に固定するためにネジ付き接続部が利用されているが、代替の実施形態では、各ノズル先端をそれぞれの管体に取り外し可能に固定する他の接続システム（例えば、ファスナー、突出部／凹部、その他）を利用してもよい。別の実施形態では、サイト管ノズル先端８６及び／又はカーテンノズル先端８４は、それぞれの管体に（例えば、溶接接続、圧入、その他による）据え付けてもよい。
【００３１】
上記で検討したように、圧縮機２２は、タービン内部への流れを確立するのに十分な圧力を有して光学プローブ組立体３８にカーテン空気４２の流れを提供するよう構成される。図示のように、カーテン空気は、カーテン管８２の外側表面９５と検査ポート７６の内側表面との間に形成された通路９４を介して方向９２に流れる。加えて、カーテンノズル先端８４は、検査ポート７６の内側表面と直接接触し、凹部９０が通路９４とタービン１８の内部との間に延びる開口を形成するようにする。結果として、カーテン空気のストリームが各凹部９０から放出され、これによりウィンドウ８８が高温ガスの流れからシールドされることになる。同様に、圧縮機２２（熱交換器４５及びフィルタ４６を介して）又は補助圧縮機８０は、タービン内部への空気流を確立するのに十分な圧力を有して光学プローブ組立体３８にパージ空気４７の流れを提供するよう構成される。図示のように、パージ空気は、サイト管１０１の外側表面１０６とカーテン管８２の内側表面１０７との間に形成された通路１０５を介して方向１０４に流れる。加えて、サイト管ノズル先端８６は、カーテンノズル先端８４と直接接触し、これにより開口９６を通るパージ空気の流れを導くようになる。結果として、パージ空気のストリームが各凹部９６から半径方向内向き１０８に放出され、これによりウィンドウ８８が冷却され、汚染物質がウィンドウ８８から離れて逸れることになる。
【００３２】
加えて、凹部９０から放出されるカーテン空気は、方向１１０に流れ、これにより更に汚染物質がウィンドウ８８から離れるよう逸れることになる。例えば、未燃炭化水素、砂、粉塵、潤滑油、及び／又は他の汚染物質などの粒子状物質が高温ガス４８の流れの中に存在する場合がある。カーテン空気の圧力は、高温ガスの圧力よりも大きいので、カーテン空気の流れは、高温ガスの流れをウィンドウ８８から離れるよう逸らすことになる。そのため、タービン１８の内部に面したウィンドウの表面上への汚染物質の蓄積を実質的に低減することができる。しかしながら、カーテン空気は、圧縮機２２から直接抽出されるので、カーテン空気は、圧縮機２２からの粉塵及び／又は潤滑油を含有する可能性がある。加えて、カーテン空気は、圧縮機の後段から抽出することができるので、カーテン空気の温度は、長い持続期間にわたりウィンドウ８８を効果的に冷却するには不十分な場合がある。そのため、ウィンドウにわたる方向１０８のパージ空気の流れは、カーテン空気内部に存在する可能性のある汚染物質からウィンドウを保護し、また、ウィンドウ８８の表面を冷却する働きをする。カーテン空気とパージ空気の組み合わせは、ウィンドウ８８を所望の作動温度範囲内に維持し、また、ウィンドウ８８の表面を実質的に清浄のままにし、これにより光学的監視システム３６の作動を強化する働きをすることができる。その上、カーテン空気及びパージ空気が異なる空気源から提供されるので、一方の空気源が部分的又は完全に故障してもウィンドウを高温ガスから保護することができる。
【００３３】
図示の実施形態において、サイト管ノズル先端８６は、タービンの内部に向かうウィンドウ８８の移動を阻止するよう構成された環状突出部１１２を含む。そのため、ウィンドウ８８及び／又はサイト管１０１内に位置付けられたあらゆる光学的構成要素がタービン内部に入る可能性が実質的に低減又は排除され、これによりタービン１８の効率的な作動が確保される。加えて、カーテンノズル先端８４は、タービン１８の内部に向かうサイト管ノズル先端８６の移動を阻止するよう構成された環状突出部１１４を含む。結果として、サイト管ノズル先端８６及び／又はサイト管１０１がタービン内部に入る可能性が実質的に低減又は排除される。サイト管の環状突出部１１２とカーテン管の環状突出部１１４とが組み合わされることにより、光学プローブ組立体３８がタービン１８の作動と干渉する可能性が実質的に低減又は排除される。
【００３４】
図５は、図３の光学プローブ組立体３８内で利用できるサイト管ノズル先端８６の１つの実施形態の斜視図である。図示のように、ノズル先端８６は、開口９６の第１の列１１６と、開口９６の第２の列１１８とを含む。図示の実施形態において、第１の列１１６内の各開口は、パージ空気をウィンドウ８８に実質的に垂直に配向するよう構成される。具体的には、第１の列１１６内の各開口９６は、入口１２０及び出口１２２を含む。図示のように、入口１２０及び出口１２２は、ウィンドウ面に実質的に平行な平面に沿って半径方向内向きにパージ空気流を配向するよう位置付けられる。その上、第２の列１１８内の各開口は、パージ空気流をウィンドウ８８から軸方向外向きに配向するよう構成される。具体的には、第２の列１１８内の各開口９６の入口１２４及び出口１２６は、タービン内の高温ガスに向けてパージ空気流を配向するよう構成される。ウィンドウ８８にわたる流れとウィンドウ８８から離れる流れを確立する組み合わせは、汚染物質からウィンドウを保護し、またウィンドウを所望の作動温度範囲内に維持する働きをすることができる。
【００３５】
図示の実施形態では２つの列１１６及び１１８が利用されているが、代替の実施形態では開口９６のより多くの列又はより少ない列が存在してもよい点は理解されたい。例えば、特定のサイト管ノズル先端８６は、１、２、３、４、５、６、又はそれ以上の開口９６の列を含むことができる。加えて、図示の実施形態では、各開口９６は半径方向内向きに配向されているが、代替の実施形態では、パージ空気流をスワールパターンで配向するよう構成された開口を含むことができる点は理解されたい。その上、各開口９６の数、サイズ、及び／又は形状は、所望の流れパターンを確立するように特に構成することができる点は理解されたい。例えば、図示の実施形態において、サイト管ノズル先端８６は、特定のタービン構成用に開口の所望の配列を選択できるように交換可能である。
【００３６】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ガスタービンシステム
１２  燃料噴射器
１４  燃料供給源
１６  燃焼器
１８  タービン
１９  シャフト
２０  排出出口
２２  圧縮機
２４  吸気口
２６  負荷
３０  空気
３２  加圧空気
３４  燃料空気混合気
３６  光学的監視システム
３８  光学プローブ組立体
４０  検出器
４２  吐出空気流
４４  吐出空気流
４５  熱交換器
４６  フィルタ
４７  清浄な空気流
４８  高温加圧ガス
５０  軸方向
５２  円周方向
５４  第１段ベーン
５６  第１段ブレード
５８  タービンロータ
６０  第２段ベーン
６２  第２段ブレード
６４  端壁
６６  半径方向
６８  プラットフォーム
７０  シャンク
７２  エンジェルウィング
７４  タービンシュラウド
７６  検査ポート
７８  先端組立体
８０  補助圧縮機
８２  カーテン管
８４  カーテンノズル先端
８６  サイト管ノズル先端
８８  ウィンドウ
９０  凹部
９２  流れ方向
９４  通路
９５  カーテン管の外側表面
９６  開口
９８  サイト管ノズル先端ネジ部
１００  サイト管ネジ部
１０１  サイト管
１０２  ネジ付き接続部
１０４  流れ方向
１０５  通路
１０６  サイト管の外側表面
１０７  カーテン管の内側表面
１０８  半径方向内向き
１１０  流れ方向
１１２  サイト管ノズル先端環状突出部
１１４  カーテンノズル先端環状突出部
１１６  開口の第１の列
１１８  開口の第２の列
１２０  入口
１２２  出口
１２４  入口
１２６  出口
【図１】
0005965636.tif 000002
【図２】
0005965636.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005965636.tif 000005
【図５】
0005965636.tif 000006