(57)【要約】【課題】過酷な環境内の圧力を感知するための方法及び装置について説明する。【解決手段】１つの実施例の実施形態では、マイクロ波レーダベースのセンサ（４０）を提供する。センサは、信号処理ユニット（５０）に接続される。信号処理ユニットは、センサ値を求めるように構成されたプロセッサ及び可能なセンサ値を表す事前記憶値をその中に有するメモリの少なくとも１つを含む。各事前記憶値は、それぞれの圧力を割り当てられる。本方法は、センサによって生成された信号をサンプリングするように信号処理ユニットを動作させるステップと、サンプリング信号の特性を割当圧力を有する事前記憶値に相関させるように信号処理ユニットを動作させるステップと、サンプリング信号に相関させた事前記憶値の割当圧力を表す信号を生成するように信号処理ユニットを動作させるステップとを含む。【選択図】      図１
2007101549.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ本体（３２）と、
前記センサ本体内に取付けられたダイヤフラム（３４）と、
前記センサ本体の開口端部から前記ダイヤフラムまで延びて該ダイヤフラムを圧力に直接曝すチャネル（３６）と、
前記ダイヤフラムから距離を置いて配置されたヘッド（４６）を含む、前記センサ本体に固定されたマイクロ波レーダ感知ユニット（４０）と、
を含む圧力センサ（３０）。
【請求項２】
前記ダイヤフラム（３４）が、前記チャネル（３６）内の気体の圧力に基づいて偏向するように構成される、請求項１記載の圧力センサ（３０）。
【請求項３】
前記ダイヤフラム（３４）が、前記気体圧力に基づいて線形に偏向する、請求項２記載の圧力センサ（３０）。
【請求項４】
前記本体（３２）が、前記センサをエンジン（１０）に固定するためのネジ部をさらに含む、請求項１記載の圧力センサ（３０）。
【請求項５】
前記エンジン（１０）が往復動エンジンである、請求項４記載の圧力センサ（３０）。
【請求項６】
前記エンジン（１０）がガスタービンエンジンである、請求項４記載の圧力センサ（３０）。
【請求項７】
前記感知ユニット（４０）が、前記センサ本体（３２）の雌ネジにかみ合う雄ネジを含む、請求項１記載の圧力センサ（３０）。
【請求項８】
前記レーダセンサヘッド（４６）に接続されたインタフェースケーブルをさらに含む、請求項１記載の圧力センサ（３０）。
【請求項９】
空気流を吐出する圧縮機（１２）と、
少なくとも１つの燃焼室を含む、前記圧縮機の下流に配置された燃焼器組立体（１４）と、
前記燃焼器の下流に配置されたタービン（１６）と、
前記燃焼器に取付けられた圧力センサ（３０）と、を含み、
前記センサが、センサ本体（３２）と、前記センサ本体内に取付けられたダイヤフラム（３４）と、前記センサ本体の開口端部から前記ダイヤフラムまで延びて該ダイヤフラムを前記燃焼室内の圧力に直接曝すチャネル（３６）と、前記ダイヤフラムから距離を置いて配置されたヘッド（４６）を含む、前記センサ本体に固定されたマイクロ波レーダ感知ユニット（４０）とを含む、
ガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１０】
前記ダイヤフラム（３４）が、前記チャネル（３６）内の気体の圧力に基づいて偏向するように構成される、請求項９記載のガスタービンエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはエンジンに関し、より具体的には、往復動エンジンの燃焼シリンダ及びガスタービンエンジンの燃焼室内の圧力を感知するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々なタイプのエンジンの燃焼シリンダ及び燃焼室内の圧力は、そのようなエンジンの作動に影響を与える。例えば、ガスタービンエンジンは一般的に、圧縮機セクション、燃焼器セクション及び少なくとも１つのタービンセクションを含む。圧縮機は空気を加圧し、加圧空気は燃料と混合され、燃焼器に送られる。混合気は次に、点火されて高温燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、タービンに送られ、タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機に動力を供給すると同時に、発電機のような負荷に動力を供給し或いは飛行中の航空機を推進するような有用な仕事を行う。
【０００３】
ガスタービンエンジンは多くの異なる作動条件で作動し、また燃焼器の性能は、広範囲のエンジン作動条件にわたるエンジン作動を可能にする。燃焼器性能を制御することにより、ガスタービンエンジン作動全体を向上させることが可能になる。
【０００４】
燃焼シリンダ及び燃焼室内の環境は厳しく、このことにより、使用することができる圧力センサのタイプが制限される。例えば、内燃エンジンのシリンダ内の温度は、１０００°Ｆを超えた状態に達する可能性がある。ピエゾ電気（圧電）及びピエゾ抵抗素子を利用する公知の圧力センサは、そのような環境内では限られた寿命を有するか又は冷却を必要とし、このことにより、そのようなエンジンの材料及び組立コストが増加する。
【０００５】
厳しい環境内の圧力を感知することに関連して、これまで光ファイバベースのシステムが使用されてきた。しかしながら、光ファイバ材料をベースとして信頼性がありかつ堅牢なセンサを製造することは、困難な課題であり、このようなセンサの広範な使用に影響を与えてきた。
【特許文献１】米国特許第６，８８０，３９１号公報
【特許文献２】米国特許第６，８５７，３２０号公報
【特許文献３】米国特許第６，８５３，９３４号公報
【特許文献４】米国特許第６，４８９，９１７号公報
【特許文献５】米国特許第６，２０４，５９４号公報
【特許文献６】米国特許第６，０９４，９９０号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様では、マイクロ波レーダベースのセンサを利用して圧力を測定する方法を提供する。センサは、信号処理ユニットに接続される。信号処理ユニットは、センサ値を求めるように構成されたプロセッサ及び可能なセンサ値を表す事前記憶値をその中に有するメモリの少なくとも１つを含む。本方法は、センサによって生成された信号をサンプリングするように信号処理ユニットを動作させるステップと、サンプリング信号の特性を割当圧力を有する事前記憶値に相関させるように信号処理ユニットを動作させるステップと、サンプリング信号に相関させた事前記憶値の割当圧力を表す信号を生成するように信号処理ユニットを動作させるステップとを含む。
【０００７】
別の態様では、圧力センサを提供する。本センサは、センサ本体と、センサ本体内に取付けられたダイヤフラムと、センサ本体の開口端部からダイヤフラムまで延びて該ダイヤフラムを圧力に直接曝すチャネルとを含む。本センサはさらに、センサ本体に固定されたマイクロ波レーダ感知ユニットを含む。感知ユニットは、ダイヤフラムから距離を置いて配置されたヘッドを含む。
【０００８】
さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本エンジンは、空気流を吐出する圧縮機と、圧縮機の下流に配置された燃焼器組立体とを含む。燃焼器は、少なくとも１つの燃焼室を含む。タービンが、燃焼器の下流に配置される。圧力センサが、燃焼器に取付けられる。センサは、センサ本体と、センサ本体内に取付けられたダイヤフラムと、センサ本体の開口端部からダイヤフラムまで延びて該ダイヤフラムを燃焼室内の圧力に直接曝すチャネルとを含む。マイクロ波レーダ感知ユニットが、センサ本体に固定される。感知ユニットは、ダイヤフラムから距離を置いて配置されたヘッドを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は総括的には、往復動エンジンの燃焼シリンダ内及びガスタービンエンジンの燃焼室内のような厳しい環境内の圧力を表す信号を生成する圧力センサ及び該圧力センサを動作させる方法を対象とする。本発明は、ガスタービンエンジンに関連するその適用及びガスタービンエンジンの作動に関して以下に説明する。しかしながら、本発明が、それに限定されないが、ボイラ、ヒータ及び他のタービンエンジンを含むが多くの異なるタイプの燃焼装置に同様に適用可能であり、また天然ガス、燃料、石炭、石油、或いはあらゆる固体、液体又は気体燃料を消費するシステムに適用することができることは、当技術分野に精通しかつ本明細書における教義によって導かれる当業者には明らかであろう。
【００１０】
本明細書で使用する場合、「燃焼」という表現は、酸素、例えば空気が、成分を燃焼するのに十分な高温で、燃料の可燃元素、すなわち炭素、水素及び硫黄と化合するような化学過程を意味することを理解されたい。
【００１１】
図１は、例示的なガスタービンエンジン１０の概略図であり、ガスタービンエンジン１０は、直列に結合された少なくとも１つの圧縮機１２、燃焼器組立体１４及びタービン１６を含む。この例示的な実施形態では、圧縮機１２とタービン１６とはシャフト１８によって連結され、シャフト１８はまた、タービン１６と駆動負荷２０とを連結する。本明細書に図示しかつ説明するエンジン１０は、単なる例示に過ぎない。従って、エンジン１０は、図１に示しかつ本明細書に説明するガスタービンエンジンに限定されるものではなく、むしろエンジン１０はあらゆる適当なタービンエンジンとすることができる。
【００１２】
作動中、空気は圧縮機１２を通ってエンジン１０内に流入し加圧される。加圧空気は燃料と混合されて空気／燃料混合気を形成し、この空気／燃料混合気は燃焼器組立体１４に送られ、燃焼器組立体において空気／燃料混合気は点火される。燃焼器組立体１４からの燃焼生成物すなわち燃焼ガスは、シャフト１８の周りで回転タービン１６を駆動し、排気ノズル２２を通ってガスタービンエンジン１０から流出する。
【００１３】
図２は、本発明の１つの実施形態による圧力センサ３０の部分断面図である。センサ３０は、その中にダイヤフラム３４が取付けられたセンサ本体３２を含む。１つの実施形態では、それに限定されないが、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）及び／又はＨａｓｔｅｌｌｏｙ（登録商標）のような耐熱合金が、本体３２及び／又はダイヤフラム３４を製作するのに用いられる。ダイヤフラム３４は、センサ本体３２内のチャネル３６を介して圧力環境に曝される。例えばガスタービンエンジンの燃焼室に対してセンサ３０を固定するために、本体３２のネジ部３８が設けられる。マイクロ波レーダ感知ユニット４０が、センサ本体３２に固定される。マイクロ波レーダ感知ユニットは、良く知られており、例えばジョージア州アトランタ所在のＲａｄａｔｅｃ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから購入可能である。
【００１４】
図２に示す実施形態では、感知ユニット４０は、センサ本体３２の雌ネジ４４にかみ合う雄ネジ４２を含む。感知ユニット４０は、ダイヤフラム３４から選択した距離に配置されたヘッド４６を含み、インタフェースケーブル４８が、レーダセンサヘッド４６に接続され、以下で説明するように信号処理ユニット（図２には図示せず）まで延びる。
【００１５】
一般的に、センサ３０は、ダイヤフラム３４がエンジン燃焼室内の圧力に直接曝されるようにガスタービンエンジンに取付けられる。例えば、雄ネジ３８は、燃焼室の開口部のネジにかみ合う。センサ３０の相対的位置は、用途及び設計に応じて変化することになる。
【００１６】
図３は、センサ３０の動作を示す概略図である。図３に示すように、センサ３０は、信号処理ユニット５０に接続される。この例示的な実施形態では、ユニット５０は、プロセッサベースであり、マイクロプロセッサ及びメモリを含む。ユニット５０は、センサ３０によって生成された信号をサンプリングし、その信号をユニットメモリ内に記憶するように構成される。別の実施形態では、マイクロプロセッサは、値の参照テーブルを使用せずに又は参照テーブルの使用に加えて入力値に基づいて出力を求めるように用いられるアルゴリズムを含む。
【００１７】
より具体的には、また正常運転の前すなわちエンジンが作動していない時には、ゼロ圧力（又は周囲圧力）読取り値がセンサ３０から取得されるように、感知ユニット５０を動作させる。ゼロ圧力におけるセンサ３０からの信号の大きさ（これはダイヤフラムとセンサヘッドとの間の距離を表す）は、信号処理ユニット５０内に記憶される。次に、既知の燃焼室圧力でエンジンを作動させ、そのような既知の圧力の下で信号処理ユニット５０によってセンサ信号が取得される。具体的には、既知の作動条件の下で、ダイヤフラム３４は、変化する圧力のガス体に曝されると線形状態で偏向する。ダイヤフラム３４の線形性の程度は、センサ３０の精度の一因となる。マイクロ波レーダセンサ３０の出力は、センサヘッド４６とダイヤフラム３４の表面との間の距離に比例する。この例示的な実施形態では、センサ３０は、工場内の既知の圧力を用いて較正される。それに代えて、また特に環境による変動を工場内で再現することができない場合には、センサ３０は、現場におけるエンジン又は燃焼器上で較正することができ、その場合、既知の作動圧力において、センサユニット信号（例えば、センサ信号の大きさ）を記憶しかつそれを既知の圧力と相関させる。
【００１８】
エンジン作動時、センサ３０によって生成された信号をサンプリングするように、信号処理ユニット５０を動作させる。また、そのサンプリング信号の特性を割当圧力を有する事前記憶値に相関させるように、信号処理ユニット５０を動作させる。具体的には、センサ信号の大きさ（又は、幾つかの他の特性）を求め、かつその求めた大きさを事前記憶値に一致させる。さらに、サンプリング信号に相関させた事前記憶値の割当圧力を表す信号を生成するように、信号処理ユニット５０を動作させる。この生成した信号を使用して、例えばオペレータに対して割当圧力を表示すること及び／又はエンジン作動を制御することができる。
【００１９】
このようにして、ガスタービンの作動時に、静的及び動的の両方の圧力値を測定することができる。圧力測定の処理能力は、マイクロ波レーダセンサ及びダイヤフラムの処理能力によって決まる。
【００２０】
同様に、全く同一ではない場合には、センサの構成及び較正は、他のタイプのエンジンに関連してセンサを用いるように実施することができる。センサ及びセンサ動作は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではない。
【００２１】
本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】例示的なガスタービンエンジンの概略図。
【図２】本発明の１つの実施形態による圧力センサの部分断面図。
【図３】図２に示す圧力センサの動作の概略図。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ガスタービンエンジン
１２  圧縮機
１４  燃焼器組立体
１６  タービン
１８  シャフト
２０  駆動負荷
２２  排気ノズル
３０  圧力センサ
３２  センサ本体
３４  ダイヤフラム
３６  チャネル
３８  雄ネジ
４０  マイクロ波レーダ感知ユニット
４２  雄ネジ
４４  雌ネジ
４６  レーダセンサヘッド
４８  インタフェースケーブル
５０  信号処理ユニット
【図１】
2007101549.tif 000003
【図２】
2007101549.tif 000004
【図３】
2007101549.tif 000005