(57)【要約】【課題】  本発明は、温度感知構造体と、該構造体を作る方法と、該構造体を含むガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンの温度を制御する方法とに関する。【解決手段】  ガスタービンエンジン（３０）は、（Ａ）エンジン（３０）内に支持されたノズル（４４）及びシュラウド組立体を含むタービン（３８）を備え、ノズル（４４）及びシュラウド組立体が、内側環状リング部材と、外側環状リング構造体と、該内側及び外側リング構造体の間に位置付けられた複数の翼形部（１２）とを含み、該複数の翼形部（１２）の少なくとも１つが、（ｉ）第１導電性材料を含む基材と、（ｉｉ）基準点で基材に密着し該基材から電気的に絶縁した状態で計測点まで計測された距離を延びる導電性の異種材料のワイヤ（１４）とを含む。【選択図】      図３
2004197739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電性材料を含む基材と、
基準点において前記基材と密着し前記基材から電気的に絶縁された状態で、計測された距離を計測点まで延びる導電性異種材料と、
前記計測点において前記基材及び前記異種材料に接続され、前記基準点における前記基材の温度に関連する電圧を検出する計測装置（１８）と、
を備える感知構造体（１０）。
【請求項２】
前記基材が燃焼機関構成部品を含むことを特徴とする請求項１に記載の感知構造体（１０）。
【請求項３】
前記構造体（１０）がタービンエンジン部品であることを特徴とする請求項１に記載の感知構造体（１０）。
【請求項４】
前記基材が翼形部（１２）を含むことを特徴とする請求項１に記載の感知構造体（１０）。
【請求項５】
前記基材は、ニッケル基、鉄基、コバルト基、クロム基、ニオブ基、モリブデン基、銅基、チタン基、又はアルミニウム基の合金、導電性セラミック組成物、又は導電相で強化された複合材料を含む翼形部（１２）であることを特徴とする請求項１に記載の感知構造体（１０）。
【請求項６】
ガスタービンエンジン（３０）であって、
（Ａ）前記エンジン（３０）内に支持されたノズル（４４）及びシュラウド組立体を含むタービン（３８）を備え、
前記ノズル（４４）及びシュラウド組立体が、内側環状リング部材と、外側環状リング構造体と、該外側リング構造体と内側環状リング部材との間に位置付けられた複数の翼形部（１２）とを含み、前記複数の翼形部（１２）の少なくとも１つが、
（ｉ）第１の導電性材料を含む基材と、
（ｉｉ）基準点で前記基材に密着し該基材から電気的に絶縁した状態で計測点まで計測された距離を延びる導電性の異種材料のワイヤ（１４）と、
を含み、
（Ｂ）圧縮機（３２）と前記タービン（３８）との間に配置され、前記圧縮機（３２）からの圧縮空気と弁を通じて燃料とを受け取り、前記タービン（３）に排出される燃焼ガスを生成する燃焼器（３４）と、
（Ｃ）前記計測点において前記基材とワイヤ（１４）とに接続されて前記基材の温度に関連する電圧を検出する計測装置（１８）と、
（Ｄ）前記計測装置（１８）によって検出された前記電圧に応答して前記燃焼器（３４）への燃料流量を調整する制御装置と、
が設けられたガスタービンエンジン。
【請求項７】
タービンエンジン（３０）の温度を制御する方法であって、
第１導電性材料を含む基材と、基準点で前記基材に密着し該基材から電気的に絶縁した状態で計測点まで計測された距離を延びる導電性の異種材料のワイヤ（１４）と、前記計測点において前記基材とワイヤ（１４）とに接続された計測装置（１８）とを備える少なくとも１つの感知構造体（１０）を提供する段階と、
前記基準点における前記基材の温度に関連する電圧を前記計測装置（１８）を用いて検出する段階と、
前記計測装置（１８）によって検出された前記電圧に従って前記タービンエンジン（３０）の温度を制御する段階と、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度感知構造体と、該構造体を作る方法と、該構造体を含むガスタービンエンジンと、ガスタービンエンジンの温度を制御する方法とに関する。特に本発明は、「スマート材料」部品、より詳細には、自己の温度を感知するタービンエンジン部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン燃焼温度は、温度のような運転パラメータを感知し、及びこれに応じて運転を調整することにより制御することができる。例えば、エンジンの運転は、熱電対のような感知装置によって感知される局部的エンジン部品温度に従って調節することができる。エンジンの温度制御は重要である。例えば、不必要に高いタービンエンジン燃焼温度は、燃料効率を損ない、排気汚染を増大させる。例えば、１００万分の９（ｐｐｍ）の窒素酸化物（ＮＯX）微粒子を排出するように設計されたガスタービンにおいては、温度が２７３０°Ｆ（１４９９℃）から２７４０°Ｆ（１５０４℃）に上昇すると、タービン効率を約２パーセントだけ低下させ、且つ、ＮＯX排出を約２ｐｐｍだけ増大させる。年間計算でこれは、総計数百万ドルの収益損失と数トンのＮＯX排出の増加に達する。
【０００３】
しかしながら、エンジンの内部幾何形状によっては、複雑な構造体内の深い位置にセンサを据え付けることが必要となる場合がある。センサのメンテナンス及び交換には、部品の分解及び再組立を必要とする可能性がある。或いは、エンジン又は局部的なエンジン部品の幾何形状によっては、センサ全体の局部的交換ができない可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、複雑なエンジン位置又はエンジン構造体内の深い位置の温度を局部的に検出することができる改善された温度感知構造体に対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、複雑なエンジン位置又はエンジン構造体内の深い位置の温度を局部的に検出できる温度感知構造体及びこれを作る方法を提供する。この感知構造体は、第１導電性材料を含む基材と、基材に密着して計測された距離を基準点から計測点へ延びる導電性異種材料と、計測点において基材及び異種材料に接続され、基材の温度に関連する電圧を検出する計測装置とを備える。
【０００６】
１つの実施形態において、本発明は、（Ａ）エンジン内に支持されたノズル及びシュラウド組立体を含むタービンを備え、ノズル及びシュラウド組立体が、内側環状リング部材と、外側環状リング構造体と、該外側及び内側リング構造体の間に位置付けられた複数の翼形部とを含み、該複数の翼形部の少なくとも１つが、（ｉ）第１の導電性材料を含む基材と、（ｉｉ）基準点で基材に密着し該基材から電気的に絶縁した状態で計測点まで計測された距離を延びる導電性の異種材料のワイヤとを含むガスタービンエンジンに関する。更に、該ガスタービンエンジンは、（Ｂ）圧縮機とタービンとの間に配置され、圧縮機からの圧縮空気と弁を通じて燃料を受け取り、タービンに排出される燃焼ガスを生成する燃焼器と、（Ｃ）計測点において基材及びワイヤへ接続され、基材とワイヤとが密着状態にある基準点において基材の温度に関連する電圧を検出する計測装置と、（Ｄ）計測装置によって検出された電圧に応答して燃焼器への燃料流量を調整する制御装置とを備える。
【０００７】
別の実施形態においては、本発明は、タービンエンジンの温度を制御する方法に関し、第１導電性材料を含む基材と、基準点で基材に密着し該基材から電気的に絶縁した状態で計測点まで計測された距離を延びる導電性の異種材料のワイヤと、計測点において基材及びワイヤに接続された計測装置とを備える少なくとも１つの感知構造体を提供する段階と、基材とワイヤとが密着した状態にある基準点における基材の温度に関連する電圧を検出する段階と、計測装置によって検出された電圧に従ってタービンエンジンの温度を制御する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、温度を制御する総合システムの要素として使用される「スマート材料」感知構造体へ部品を変換することができる。用語「スマート材料」とは、システム特性を感知でき、有用な応答を作動させる信号を与える材料をいう。スマート材料は、環境における変化を感知可能であり、フィードバックシステムを用いて有用な応答を発生させることができる。本発明は、温度を感知するためのスマート材料へ部品を変換する。このスマート材料部品は、「リアルタイム」の能動監視システムの一部として使用することができる。「リアルタイム」の監視とは、事象が生じる実時間中に事象を監視することである。
【０００９】
本発明の特徴は、限定ではなく例示の目的で本発明の好ましい実施形態を説明する図面及び以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１０】
図１Ａから図１Ｄは、好ましい実施形態の感知構造体を作る方法を概略的に示しており、図１Ｄは完成した構造体を示す。
【００１１】
最初に図１Ｃ及び図１Ｄを参照すると、感知構造体１０は、第１導電性材料の基材と適用された導電性異種材料とを含む。第１導電性材料及び適用された導電性異種材料の例示的な組み合わせは、ロジウム−白金−パラジウム、白金−ロジウム、白金−パラジウム、ロジウム−パラジウム、ジルコニウム−白金−ロジウム、金−白金−ロジウム、銀−白金−ロジウム、ジルコニウム−白金−パラジウム、金−白金−パラジウム、金−クロム−ルテニウム−ニッケル、金−白金、金−パラジウム、タングステン−レニウム、ニッケル−クロム、ニッケル−マンガン−アルミニウム、マンガン−ニッケル、ニッケル−クロム−ケイ素−マグネシウム、ニッケル−ケイ素−マグネシウム、ニッケル−コバルト、及びニッケル−モリブデン、或いは導電性セラミックを含む。図に示される実施形態においては、基材は翼形部１２であり、ニッケル基、鉄基、コバルト基、クロム基、ニオブ基、モリブデン基、銅基、チタン基又はアルミニウム基の合金、導電性セラミック組成物、或いは炭素又はカーバイドのような導電相で強化された複合材料から構成可能であり、異種材料は、ロジウム−白金−パラジウム、白金−ロジウム、白金−パラジウム、ロジウム−パラジウム、ジルコニウム−白金−ロジウム、金−白金−ロジウム、銀−白金−ロジウム、ジルコニウム−白金−パラジウム、金−白金−パラジウム、金−クロム−ルテニウム−ニッケル、金−白金、金−パラジウム、タングステン−レニウム、ニッケル−クロム、ニッケル−マンガン−アルミニウム、マンガン−ニッケル、ニッケル−クロム−ケイ素−マグネシウム、ニッケル−ケイ素−マグネシウム、ニッケル−コバルト、及びニッケル−モリブデン、又は導電性セラミックのようなワイヤ１４である。図１Ｄはまた、翼形部１２を覆うコーティング１６を示す。ワイヤ１４及び熱電対脚部２２は、翼形部１２から図２に示される計測装置１８に接続される。
【００１２】
本発明の方法の好ましい実施形態によれば、図１Ａに示されるような翼形部１２が提供される。この翼形部１２は、図１Ｂに示されるように、電気絶縁性コーティング１６で覆われる。コーティング１６の一部が除去され、下にある露出した翼形部１２の領域２０を定める。ワイヤ１４は、領域２０で翼形部１２に密着して接続される。このワイヤ１４は、基準点領域２０から計測トランスデューサのような計測装置１８における計測点まで延びる。ワイヤ１４及び翼形部コーティング１６は、例えば部品の使用温度を超えると融解する酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物、又はこれらの混合物から選択された遮熱コーティングのような上面２４で覆うことができる。適切なコーティングは、酸化アルミニウム、二酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、希土類酸化物、及び希土類酸化物の混合物を含むことができる。脚部２２は、翼形部１２を計測装置１８における同じ計測点に電気的に接続する。計測装置１８は、計測点における翼形部の温度に関連する電圧を計測点において検出する。
【００１３】
図２は、直列に流体連通する状態で、低圧圧縮機３２、高圧圧縮機３４、環状燃焼器３６、単段とすることができる高圧タービン３８、同様に単段とすることができる低圧タービン４０、オーグメンタ４２、及び連動可変面積排気ノズル４４を含むように構成された例示的なガスタービンエンジン３０を示す。高圧タービン３８は、翼形部５６、５８を有するロータ５０を含む。翼形部の例示的な詳細は、図３及び図４の斜視図に示される。高圧タービン３８は、コアシャフト４６によって高圧圧縮機３４に固定的に連結される。低圧タービン４０は、シャフト４８によって低圧圧縮機３２に固定的に連結される。
【００１４】
図３及び図４は、図２のエンジン３０のロータ５０の詳細な概略斜視図である。ロータ５０は、翼形部５６、５８を備えた第１段及び第２段の円周方向に間隔を置いて配置されたブレードをそれぞれ有する２つのディスク５２，５４を含む。ディスク５２、５４は、同様に図２に示されるシャフト４８に取り付けられる。ワイヤ１４及び脚部２２（図１Ｄに示される）は、単一のリード線又は１対のリード線６０にスリップリング６２を介して収束する。リード線又はリード線対６０は、図２に示される計測装置１８に接続される。計測装置１８は、熱電対信号６４を生成する。
【００１５】
図２を参照すると、複数の燃料噴射器７０は、燃焼器３６の上流側入口端の周りに装着され、燃料制御弁７２と流体連通した状態で配置される。弁７２は、燃料タンク７４へ適切に連結されており、該燃料タンクは、加圧され弁７２に提供７６されて、噴射器７０に計量された流れをもたらす燃料を収容する。エンジン３０はまた、デジタル処理でプログラム可能な制御装置７８を含み、該制御装置はコンピュータ又は同様のものとすることができる。この制御装置７８は、燃料弁７２に電気的に連結され、燃焼器３６中への燃料流量８０＋を計測する。
【００１６】
通常運転においては、空気８８は低圧圧縮機３２へ入り、圧縮機３４を介して加圧され、燃焼器３６中で燃料８０と混合され、適切に点火されて高温の燃焼ガス９０が生成される。高温の燃焼ガス９０は、燃焼器３６から排出されて高圧タービン３８へ入る。高圧タービン３８は、ガス９０からエネルギを抽出し、圧縮機３４に動力を供給する。燃焼ガス９０は次に低圧タービン４０を介して下流側に流れ、該低圧タービンがガス９０から付加的なエネルギを抽出して圧縮機３２のファンに動力を供給する。
【００１７】
運転中において、ディスク５４の翼形部５６は、ゼーベックの原理による熱電対感知構造体１０として働く。ワイヤ１４及び翼形部１２は異種材料からなり、これらは最終的には、ワイヤ１４と脚部２２の接合部２６でリード線対６０に連結される。翼形部１２が領域２０において加熱されると、リード線対６０の位置でワイヤ１４と翼形部１２間に電圧が生成される。この電圧は、位置２０と位置６０との間の温度差に比例し、翼形部１２とワイヤ１４との異種材料組成に比例する。この電圧は、計測装置１８によって計測される。この装置１８の電圧情報は、制御装置７８に入力される。制御装置７８が、温度を修正すべきであることを判断した場合、該制御装置７８は弁７２を作動させて、燃焼器３６に対する燃料流量を増大又は減少させる。これに応答して燃焼器３６は、燃焼を増大させるか、又は減少させて燃焼ガス９０の温度を制御し、これに応じて翼形部領域２０の温度を調節する。
【００１８】
図面は、翼形部１２とワイヤ１４とを含む感知構造体に関する本発明を示す。しかしながら、この感知構造体は、熱環境に曝されるどのような修正部品も含むことができる。例えば、この感知構造体は、単段又は多段スプールエンジン、ターボジェット、ターボファン、アフターバーナ又は非アフターバーナエンジン、軸流又は遠心圧縮機エンジン又は軸流遠心圧縮機エンジンの部品とすることができる。
【００１９】
感知構造体の導電性異種材料は、該導電性異種材料が基材に接触する基準点から連続的な電気接続を形成することが必要である。この材料及び構造体は、取り付けワイヤである必要はないが、蒸着によって、或いは液体の塗付及び乾燥又は導通ラインを直接的に描く類似技術によって形成された連続するラインとすることができる。
【００２０】
以下の「実施例」は例証であり、特許請求範囲の技術範囲に関して限定するものとして解釈されるべきではない。
【実施例】
【００２１】
市販の導電性エンジニアリング材料の組み合わせについて電気的性能及び再現性を判断するために評価した。図面の中の図５は、この実施例の実験用構成の概略平面図であり、図６は結果のグラフである。
【００２２】
翼形部感知構造体は、Rene（登録商標）Ｎ５で作られたニッケル基超合金ブレードと該ブレードにスポット溶接された白金ワイヤとを用いてシミュレーションされた。図６は、図５に示される構成の翼形部感知構造体と比較されたレネＮ５ワイヤ及び白金ワイヤセンサの比較結果を示す。図６に示される対応は、従来のセンサと本発明による感知構造体との間の感知の等価性を示す。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、本発明は、変形及び修正が可能であり、従って「実施例」の正確な詳細に限定されるべきではない。特許請求の範囲に記された参照符号は、本発明の範囲を狭めるものではなく、理解を容易にすることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】感知構造体を作る方法を概略的に示す図
【図１Ｂ】感知構造体を作る方法を概略的に示す図
【図１Ｃ】感知構造体を作る方法を概略的に示す図
【図１Ｄ】感知構造体を作る方法において完成した構造体を示す図
【図２】制御されたガスタービンエンジンの概略側面図。
【図３】図２エンジンのロータ翼形部ブレードの状態での概略的な略部の斜視図。
【図４】図２エンジンのロータ翼形部ブレードの状態での概略的な略部の斜視図。
【図５】実施例１による実験用構成の概略平面図。
【図６】実験結果のグラフ。
【符号の説明】
【００２５】
１０  感知構造体
１２  翼形部
１４  ワイヤ
１８  計測装置
３０  ガスタービンエンジン
３２  圧縮機
３４  燃焼器
３８  タービン
４４  ノズル
【図１Ａ】
2004197739.tif 000003
【図１Ｂ】
2004197739.tif 000004
【図１Ｃ】
2004197739.tif 000005
【図１Ｄ】
2004197739.tif 000006
【図２】
2004197739.tif 000007
【図３】
2004197739.tif 000008
【図４】
2004197739.tif 000009
【図５】
2004197739.tif 000010
【図６】
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