(57)【要約】【課題】  本発明は、ガスタービンエンジン及びその点火器に関する。【解決手段】  ガスタービンエンジン（３）の点火器（１２）。点火器（１２）は、プラズマ（４０）又は自動車用の点火プラグと幾分類似する火花を発生する。本発明においては、固体絶縁体（７５）内部に埋め込まれ且つ覆われる補助電極（７２）が設けられる。動作の初期段階の間は、発生するプラズマの全ての部分は補助電極（７２）に接触しない。しかしながら、最終的には、覆っている絶縁体（７５）がプラズマ（４０）により腐食されて、補助電極（７２）が露出され、プラズマ（４０）の戻り経路として利用可能になる。点火器（４０）は、腐食が生じたときに点火器の耐用期間の終わりに近い状態であるように構成されている。補助接地電極（７２）の新しい電流が検出されることなどにより、この腐食が検出されると、耐用期間の終わりに近づいていることを示す。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃料点火器（１２）を動作させる方法であって、
ａ）第１の電極（２７）の第１の端部に近接して第１のプラズマ（８５）を発生させる段階と、
ｂ）第２の端部（７８）を有する第２の電極（７２）を保持する段階と、
ｃ）前記第２の端部（７８）を固体絶縁体（７５）で一体的に囲む段階と、
ｄ）前記固体絶縁体（７５）を腐食させて前記第２の端部（７８）を露出させ、次いで前記第１の電極（２７）と前記第２の電極（７２）との間に第２のプラズマ（Ｐ６）を発生させる段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記第１のプラズマ（８５）が前記固体絶縁体（７５）を腐食させる原因であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のプラズマ（８５）がある媒体内で発生し、前記固体絶縁体（７５）は前記媒体よりも高い絶縁破壊強度を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の電極（７２）内の電流は前記第２のプラズマ（Ｐ６）に伴って生じるものであり、前記方法が更に、ｅ）前記電流を検出してこれに応答して信号を出す段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
ｆ）前記信号に応答して前記燃料点火器（１２）を別の燃料点火器に置き換える段階を更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ｇ）前記別の燃料点火器において、
ｉ）第１の電極の第１の端部に近接して第１のプラズマを発生させる段階と、
ｉｉ）第２の端部を有する第２の電極を保持する段階と、
ｉｉｉ）前記第２の端部を完全に囲む固体絶縁体を最初に保持する段階と、
ｉｖ）前記固体絶縁体を腐食させて前記第２の端部を露出させ、次いで前記第１の電極と前記第２の電極との間に第２のプラズマ（Ｐ６）を発生させる段階と、
を更に含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記エンジンがガスタービンを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記エンジンがガスタービンを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
ガスタービンエンジン（３）の点火器（１２）であって、
ａ）先端を有する第１の電極（２７）と、
ｂ）前記先端と協働してプラズマ（８５）を発生する第２の電極（３３）と、
ｃ）前記点火器（１２）が新規に取り付けられたときには先端に対する露出が存在せず、ある動作期間後に前記先端に対して露出を発現させる第３の電極（７２）と、
を備える点火器（１２）。
【請求項１０】
ｄ）前記第１の電極（２７）を囲む絶縁体（７５）を更に備えることを特徴とする請求項９に記載の点火器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジン及びその点火器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ここでは、ガスタービン航空機エンジンで使用される点火器の寿命が絶対的な確実さに欠けることにより、これらのエンジンを使用する航空機の所有者に著しいコストが課せられる可能性がある理由を説明する。
【０００３】
図１は、燃焼器６を含むガスタービンエンジン３の概略図である。燃料９は、燃焼器内に噴射される。自動車内の点火プラグとほぼ同様に機能する点火器１２は、ジェット燃料が最初に点火される火花放電又はプラズマ放電（図示せず）を発生する。
【０００４】
初期点火の後、点火器１２は、主として安全対策としてこれ以後繰返し火花を発生することができる。すなわち、最新のエンジンにおいて正常な環境条件下では、燃焼器６内でフレームアウトが生じることは極めてまれである。しかしながら、突然の横風などの予期しない状況によって、燃焼器内部の環境に影響を及ぼし失火を招く可能性がある。
【０００５】
更に、特定の飛行条件により、この発生しそうもないフレームアウトの可能性が若干高くなる場合がある。従って、例えば航空機が、燃焼器６内の定常状態を乱す恐れのあるスコール又は他の状況に入るときには、点火器１２を始動させることができる。
【０００６】
全ての機械的構成要素と同様に、点火器１２は最終的には耐用年数が切れて、その時には交換しなくてはならない。しかしながら、この寿命切れとこれに伴う交換は、航空機にとってコストのかかる状況となる可能性がある。
【０００７】
主な理由は、点火器が耐用年限の終わりに近づいていることが、容易に検出可能な事象によって示されないためである。すなわち点火器は、ある時点でプラズマ又は火花の発生が完全に停止する。しかしながら、この時点の前に点火器は、散発的に火花を発生する場合がある。
【０００８】
上記に説明されたように、火花発生は、燃焼器内の火炎を維持するためには一般に必要とされない。その結果、散発的な火花発生は、実際にフレームアウトが生じた場合、及び再点火を誘起するのに散発的火花発生が有効ではない場合にのみ気付かれることになる。このような事象の組合せは起こりそうにないものとみなされるので、散発的火花発生は容易には気付かれない。点火器の耐用年数の差し迫った期限切れも同様に気付かれない。
【０００９】
別の理由は、全ての点火器は可能な限り同一に構成することができるが、全てが同一の寿命を有するわけではない。また、全ての点火器がその寿命中に同じ事象を経験するわけでもない。従って、所与の点火器が何時寿命切れになるかは正確には分からない。
【００１０】
従って、点火器を交換しなくてはならない時期は確実には分からない。この問題を解決する１つの方法は、点火器が未だ機能しているときにこれらを交換することにより、予防保全を行うことである。新しい点火器のコスト及びこれを取り付けるために要する労力は大きくはないが、早期の交換には別のコストがかかり、これはかなりのものとなる可能性がある。
【００１１】
点火器を交換する航空機は、１時間当たり数千ドル単位で評価される収益源である。その航空機が点火器交換の間、例えば２時間稼働しないとすると、この時間中の収益損は相当なものとなる。
【００１２】
従って、ガスタービン航空機エンジンの点火器の寿命が不確実であることは、有意な収益損を招く可能性がある。
【特許文献１】特開平０４−２３２３４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ガスタービンエンジンでの点火器の通常動作は、点火器内部の絶縁体の腐食を引き起こす。本発明の一形態においては、その絶縁体内に補助的な接地電極が埋め込まれ、腐食によってやがてこの補助電極が露出する。点火器は、これが交換されるべき時点で露出が生じるように設計される。
【００１４】
露出した補助接地電極は、火花が生じるときに、小電流が補助接地電極に流れることによって検出することができる。該電流が検出されると、この存在は露出が生じたことを示している。代替として、露出された補助接地電極は、恐らくはボアスコープを使用することにより、人が視覚的に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図２は、先行技術において使用されている点火器１２を示す。電気コネクタ（図示せず）は、ネジ２１上に螺合され、電極２７の端部２４と係合する電気接点（図示せず）を含む。絶縁体３０が、電極２７を点火器１２のシェル３３から絶縁する。
【００１６】
図３及び図４には、点火器１２の端部Ｅが示されている。プラズマ発生に伴う物理現象を極めて簡単に以下に説明する。
【００１７】
作動時に高電圧が電極２７に印加され、図３の点Ｐ１とＰ２との間に電圧差又は電位差Ｖを発生する。この領域における電界は、電位差Ｖを点Ｐ１とＰ２との間の距離Ｄで除算したものに等しい。例えば、電圧が２０，０００ボルト、距離Ｄが１０ミリメートル、すなわち０．０１メートルであれば、電界は２０，０００／０．０１、すなわち２００万ボルト／メートルである。
【００１８】
電界は、点Ｐ１とＰ２との間にある物質又は媒体の絶縁破壊強度を超えるように設計される。該物質は、空気と燃料の混合物である。しかしながら電界は、絶縁体３０の破壊強度は超えず、また絶縁体３０の破壊強度は、空気／燃料混合物の破壊強度を超える。
【００１９】
絶縁破壊が起こると、電界は、媒体中の原子から電子を奪い、正に帯電したイオン及び自由電子を生成する。電界は、自由電子を電界と平行な方向に押しやる。しかしながら、該移動中に、こうした一時的な自由電子は、他のイオンと衝突することになる。また、イオン及び電子の熱運動は、同様にこれらを互いに衝突させることになる。
【００２０】
電子は、衝突時にイオンによって捕捉され、より低いエネルギー状態まで低下して、図４に稲妻形で表されたプラズマ４０と呼ばれる電気アークの形態で熱と光を放出する。このプロセスは、電界が存在する限り持続する。
【００２１】
発明者らは、この上述の動作の１つの結果を観察した。図５に示すように、絶縁体３０は、腐食されて仮想線形状５０から曲線形状５３になる。更に、電極２７は、腐食されて仮想線形状５６から実線形状５９になる。コーナー３３Ａも同様に腐食される。
【００２２】
発明者らは、以下に示す作用の内の１つ又はそれ以上が腐食の原因であると考えている。１つの原因は、プラズマの腐食性であり、すなわち、自由電子は、非常に反応性が高く、近くに存在するどのような有効な原子又はイオンにも結合しようとする。また、空気中に存在する酸素からの自由電子の発生は、イオン化された酸素を生じさせ、これはまた非常に反応性が高い。
【００２３】
第３の原因は、プラズマが高温環境を作り出すことである。高い温度は、本質的に、高速度で動き回る原子及び分子を表している。高速の原子及び分子は、これらが静止物体と衝突すると、該物体とより容易に反応する。
【００２４】
可能性のある第４の原因は、プラズマがスペクトルの紫外（ＵＶ）領域、及び恐らくはＸ線領域内の高周波フォトンを発生することである。紫外線及びＸ線が多くの種類の物質に損傷を与えることは、よく知られている。
【００２５】
腐食の厳密な原因に関わりなく、図５に示す腐食は、最終的には点火器１２の機能を停止させることになる。図６にその主な原因を示す。腐食以前には、図６の点Ｐ１とＰ２との間に電圧が印加されていた。しかしながら腐食後は、点Ｐ２が事実上点Ｐ３に移っている。距離Ｄが、今はより長い距離Ｄ２となっている。イオン化、従ってプラズマを引き起こす電界が、現在はより弱くなっている。
【００２６】
引き続き上記に与えられた実施例で、距離Ｄ２が２０ｍｍである場合、電界は、２０，０００／０．０２０、すなわち１０，０００，０００ボルト／メートルとなり、これは元の値の半分である。最終的には、距離Ｄ２は、電界が空気／燃料混合物の絶縁破壊強度を十分には超えない程に大きくなり、イオン化停止が生じる。
【００２７】
図７は、本発明の一形態を示す。補助電極７２が、絶縁体７５内に埋め込まれている。先端部７８は、挿入部８４で示すように、領域８１において絶縁材料で覆われている。補助電極７２は、領域９０におけるようにシェル３３に接続することができる。
【００２８】
最初に、電流は、矢印８４で示されるように電極２７に入り、プラズマ８５を介してシェル３３に飛躍し、矢印８６で示すようにシェル３３から出て、取り付けネジ等の複数の経路を通ってエンジンへ流入する。
【００２９】
腐食が生じると、絶縁体７５は、図８の仮想線９２で示したその初期形状から変化する。次いで、補助電極７２の先端部７８が露出するようになる。点火器に高電圧が印加されたときには、プラズマの辿る経路が２つ存在する。１つは、図９の通常の経路Ｐ５である。別の経路は、図９にＰ６で示されたものであり、中央電極２７から現在露出された補助電極７２に達する。
【００３０】
言い換えると、中央電極２７は２つの電流戻り経路が利用可能である。経路Ｐ５は、通常の様態でシェル３３に達する。経路Ｐ６は、現在露出された補助電極７２に達する。最終的には、更に腐食して経路Ｐ５が延びて、該経路に沿ったプラズマ形成を終端させることになる。すなわち、図９の経路Ｐ５は、最初は図６の距離Ｄで表すことができる。十分に腐食した後では、図９の経路Ｐ５は、図６の距離Ｄ２で表すことができ、上記で説明したように、距離Ｄ２が十分に大きくなると、全てのプラズマは経路Ｐ５に沿って発生しなくなる。
【００３１】
しかしながら、この時に図９のプラズマ経路Ｐ６は未だ利用可能である。プラズマは依然として発生することができるので、点火器の寿命が延長されている。
【００３２】
前述の検討では、図７の補助電極７２はロッドの形態であった。図１０は、絶縁体７５で囲まれたこのようなロッドの斜視図である。
【００３３】
別の実施形態においては、円筒体が使用される。図１１は、１つの実施形態の切欠図である。中央電極２７は、絶縁体１００で囲まれ、この絶縁体１００自体は、導電性チューブ又は円筒体１０３で囲まれており、次いで、この円筒体１０３は、別の絶縁層１０５で囲まれている。図１２は、同様の参照符号を有する本システムの断面図を示す。
【００３４】
図１３は、製造後又は取り付け直後の初期構成における絶縁体１００を示す。中央電極２７の先端部１１０は、露出し、絶縁体１００の円錐面１１３で囲まれている。円筒状の補助電極１０３は、絶縁体１００内に埋め込まれ、図１２の距離Ｄ８で示すように、先端部又は縁部は何ら露出していない。
【００３５】
前述の検討では、補助電極７２は、図７の領域９０において接続できることを述べた。別の実施形態においては、図１４の補助電極７２はまた、検出器１５０を介して接地接続される。検出器１５０は、補助電極７２の電流を調べる。電流検出器は公知である。
【００３６】
電流が全く検出されない場合には、補助電極７２は、図７に示すように未だ絶縁体７５内に埋め込まれており、中央電極２７から電気的に絶縁されていると推測される。
【００３７】
これに反して、電流が検出された場合には、これは、補助電極が図９に示すように腐食により露出したと推測される。検出された電流は、経路Ｐ６を辿るプラズマによるものである。電流が検出されると、検出器１５０は、信号を発生するか、又はフラグをセットするか、あるいは別の方法で腐食が補助電極を露出させたという推測を表示する。技術者は、この時点又はその後の所定の時点で点火器を交換する。
【００３８】
別の検出モードは、点火器を取り外し、図２の端部Ｅに相当する端部を目視によって検査する方法である。図１３のように絶縁体１００の滑らかな表面が見られる場合には、点火器は未だ機能すると判断される。しかしながら、補助電極７２が図８のように見える場合には、交換が必要であると判断される。
【００３９】
別の実施形態においては、補助電極は、露出すると迅速に腐食されるように設計される。図１５は、左から右へ見ると、最初は新規に取り付けられた点火器１６０を示している。ある期間使用した後、点火器１６５は、その補助電極７２を露出させる。この時点では、プラズマＰ６が、補助電極７２まで延びる。
【００４０】
しかしながら、補助電極７２は、上述のように迅速に腐食されるように設計されている。例えば、挿入部１７０に示すように、補助電極７２は、鋭い端部を有するように作られている。プラズマＰ６は、フレーム１７０内に小粒子によって示されるように、鋭い端部を迅速に腐食させる。この作用は、特定の一連の２つの事象を引き起こす。
【００４１】
１つは、補助電極７２が最初に露出したときに、電流が補助電極を通って流れることである。図１４の検出器１５０によるように電流が検出される。次いで、補助電極が破断するか腐食された後には、電流は該補助電極を全く流れない。
【００４２】
この一連の結果の１つの理由が図１６に示される。最初に、電圧Ｖが距離Ｄ９にわたってかかり、Ｖ／Ｄ９に等しい電界を生成する。破断又は腐食後、同じ電圧Ｖが距離Ｄ１０にわたってかかる。電界は、Ｖ／Ｄ１０に等しく、より小さな値である。後者の電界は、前者の電界と同様に、プラズマを発生するのには不十分である。
【００４３】
１つの実施形態においては、前述の２つの事象は、点火器の寿命が終了する前に生じる。従って、該寿命の終了は、補助電極７２を通る電流が発生し、続いてこの電流が終了することによって示される。電流の発生は、寿命終了が近づいているが、エンジンを作動させる時間は残っていることを示す。これに続く電流の終了は、残りの時間が少なく、点火器の交換がより重要になっていることを示す。
【００４４】
図１７は、補助電極７２の１つの実施形態を示す。ネック又は溝１９０が設けられ、これは、図１５の挿入部１７０に概略的に示すような破断を促進させる。溝１９０は、補助電極７２内に意図的に形成された機械的な脆弱領域である。図８に示す腐食以前には、絶縁体７５によって補助電極に対する機械的支持が与えられるので、この脆弱性は重要ではない。
【００４５】
上記の検討では、電極２７に対して高電圧が印加されることを述べた。電極２７に低電圧を印加して、プラズマを発生させる同じ機能を達成することも可能である。
【００４６】
本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの置き換え及び変更を行うことができる。添付の請求項において定義される本発明は、特許証により保護されることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】ガスタービンエンジンの簡略化された概略図。
【図２】図１に示された点火器１２の図。
【図３】図２の端部Ｅの拡大図。
【図４】図２の端部Ｅの拡大図。
【図５】発明者らが観察した端部Ｅの形状変化を示す図。
【図６】発明者らが観察した端部Ｅの形状変化を示す図。
【図７】本発明の一形態を示す図。
【図８】図７の挿入部８４に類似する図。
【図９】図７の挿入部８４に類似する図。
【図１０】図７の一部の斜視図。
【図１１】本発明の一形態の切欠斜視図。
【図１２】図１１の装置の断面図。
【図１３】図１１の装置の斜視図。
【図１４】本発明の一形態を示す図。
【図１５】本発明の一形態において発生する一連の事象を示す図。
【図１６】２つの電界が発生する２つの距離Ｄ９及びＤ１０を示す図。
【図１７】図１５の補助電極７２を構成する１つのモードを示す図。
【符号の説明】
【００４８】
２７  中央電極
３３  シェル
７２  補助電極
７５  絶縁体
７８  先端部
８４  電流
８５  プラズマ
８６  取り付けネジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2005226989.tif 000018
【図１７】
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【外国語明細書】
2005226989000001.pdf