JP2010139503A - 光センサ用の高温用シール・アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】 光センサ用の高温用シール・アセンブリを提供する。
【解決手段】 高温環境において用いられる光センサ用のシール・アセンブリが開示される。このシール・アセンブリは、開放型の末端および内側の後部壁面を画定する末端部分を有する細長い金属のガイド・チューブ４０と、金属のガイド・チューブ４０の末端部分の内部に配備されるサファイア・ウィンドウ５０であって、サファイア・ウィンドウが、金属のガイド・チューブ４０の末端部分の内側の後部壁面に当接する後端表面を有し、サファイア・ウィンドウ５０を金属のガイド・チューブ４０に固定する白金の装着スリーブ６０であって、装着スリーブ６０のガイド・チューブ４０に接合される１つの部分、およびサファイア・ウィンドウ５０に接合される別の部分を有する。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、高温の環境において用いられる光センサ用のシール・アセンブリに関し、さらに具体的には、ガス・タービン・エンジンの燃料噴射器に用いられる光センサ用のシール・アセンブリに関する。

米国政府は、本発明における支払い済みライセンスと、特許権の所有者に、限定された状況において、空軍研究所が認めたＦＡ８６５０−０７−Ｃ−２７９６の条件に規定されるような妥当な条件で他者にライセンスを供与するように要求する権利とを有する。

過去１０年にわたって、過酷な環境において生じる工業プロセスを監視するための光プローブの使用が増大してきた。例えば、温度測定用の光高温計および化学組成測定用の光ファイバ分光計がその例である。これらの光プローブを保護するために、さらに、これらの稼動寿命を延長するために、多くの場合、これらのプローブは、密封シールされたシュラウドの中に収納される。この保護シュラウドは、通常観察ポートまたはウィンドウを有しており、これは一般的に合成サファイア製である。サファイアは、ガラスまたは石英に比べて優れた電気機械的、熱的および化学的性質を呈する。

ガス・タービン・エンジンの燃焼室における燃焼過程を監視するサファイア観察ポートを備えた光センサは、当該技術分野においてすでに知られており、例えばPhilippらへの特許（特許文献１）に開示されている。この場合は、サファイア・レンズが、鋼製のスリーブ内部の所定位置にセラミック−金属混合物によってハンダ付けされる。しかし、セラミック対金属シールは熱膨張に対して非常に敏感であり、従って、これは、温度が７６０℃（１４００°Ｆ）にも達することがあるような、光センサが燃焼火炎のごく近傍に配置される用途には適していないことが確定的に判明した。

ガス・タービン・エンジンに用いられる多くの光センサにおいては、サファイア・ウィンドウは、シール用フランジまたは装着用固定具の中にロウ付けされる。例えばGlasheenらへの特許（特許文献２）に、ガス・タービン・エンジンにおける火炎検知器用の光火炎センサが開示されているが、このセンサは、ハウジング組立体の中に配備され、燃焼室内の火炎の有無の検知用として、あるいは、ノズル部分においてアフタバーナの着火が行われた時点の確認用としてエンジン壁面内に設置される。ハウジング組立体は、レンズ・ホルダ内部に配備されかつレンズ・ホルダにレーザ溶接されるサファイア・レンズ・アセンブリを含む。レンズ・ホルダは、サファイアの熱膨張を吸収する登録商標合金のKovarから製造される。

Kovar製のレンズ・ホルダとサファイア・ウィンドウとの間のシールは、ガス・タービン・エンジンの壁面内に設置される場合は、きわめて有効であるが、燃焼火炎のごく近傍に存在する運転温度には耐え得ないであろう。例えばMyhreへの特許（特許文献３）に、ガス・タービン・エンジンの燃焼器内部の燃焼状態観察用として、燃料ノズル内部に配置される光センサ・アレイが開示されている。このセンサ・アレイは、ステンレス鋼のガイド・チューブ内に配置される光ファイバの束を含む。ガイド・チューブは、燃料ノズルの先端表面に形成される観察ポートの内部に位置決めされる。チューブをシールし、かつファイバの束を燃焼火炎から保護するために、サファイアのウィンドウがガイド・チューブの端部に接合される。

米国特許第７，００７，５４７号明細書 米国特許第５，９２９，４５０号明細書 米国特許第７，３３４，４１３号明細書 米国特許出願公開第２００６／００００２１９Ａ１号明細書

従来のKovar対サファイアのロウ付けシールは、例えばGlasheenらの特許（特許文献２）に開示されているように、この過酷な環境においては有効でないことがある。従って、ガス・タービン・エンジンの燃焼室内部の燃焼火炎のごく近傍に存在する高温の環境に耐え得るような、頑丈な金属対サファイア・シール・アセンブリを提供することは有益であろう。

本発明は、例えばガス・タービン・エンジンの燃焼室内部のような高温の環境において用いられる光センサ用の新規で有用なシール・アセンブリに関する。本発明の新規なシール・アセンブリは、開放型の末端部分を有する細長い金属のガイド・チューブを含む。金属のガイド・チューブの末端部分の内部にサファイア・ウィンドウが配備され、白金の装着スリーブが、サファイア・ウィンドウを金属のガイド・チューブに固定して、密封シールを構成する。

さらに詳細には、白金の装着スリーブは、金属のガイド・チューブに接合される１つの端部部分と、サファイア・ウィンドウに接合される別の端部部分とを有する。白金の装着スリーブの前端部分をロウ付け接合によって金属のガイド・チューブに接合し、白金の装着スリーブの後端部分をガラス接合によってサファイア・ウィンドウの外周表面に接合するのが望ましい。

本発明の好ましい実施態様においては、高温用シール・アセンブリは、ガス・タービン・エンジンの燃料噴射器に関連する。従って、本発明は、光観察ポートが中に形成された先端表面を有するノズル本体を含む燃料噴射器に関する。細長い金属のガイド・チューブがノズル本体の光観察ポート内部に配備され、金属のガイド・チューブの末端部分の内部に細長いサファイアのロッドが嵌め込まれる。白金の装着スリーブが、サファイアのロッドをガイド・チューブに前述の方式で固定する。

本発明のこれらの特徴および他の特徴は、添付した図面に関連付けた本発明に関する以下の詳細な説明から、当業者にはさらに容易に明らかになるであろう。

本発明が属する分野の当業者が、本発明の金属対サファイア・シール・アセンブリをいかに作製し、かつ用いるかを、不必要な実験を実施することなく容易に理解できるように、本発明の好ましい実施態様を、図面を参照して以下に詳述する。

ガス・タービン・エンジンの燃焼室内の燃焼状態を観察する光センサを含む燃料噴射器の斜視図である。この場合、この光センサは、噴射器ノズルの先端表面に形成される観察ポート内に配置され、本発明の好ましい実施態様に従って構成されるシール・アセンブリを備えたウィンドウを有する。 燃料噴射器のノズル本体の一部分の断面図であり、光センサのファイバ・アレイを収納する保護用ガイド・チューブ・アセンブリを示している。この場合、サファイア・ウィンドウが、本発明のシール・アセンブリを用いてガイド・チューブの末端に接合される。 図１ａに示す保護用ガイド・チューブ・アセンブリの斜視図であり、サファイア・ウィンドウおよび白金の装着スリーブを収納する座を表現するために、ウィンドウおよびスリーブがガイド・チューブの末端部分から分離されている。 ガイド・チューブ・アセンブリの末端部分の局所的な拡大断面図であり、本発明の金属対サファイアの高温用シール・アセンブリを示す。 白金の装着スリーブおよびサファイア・ウィンドウの間のガラス接合の局所的な拡大図である。 白金のスリーブおよびガイド・チューブの間のロウ付け接合の局所的な拡大断面図である。

以下図面において、同じ参照符号は本発明の類似の構造的特徴または要素を表す。図を参照すると、本発明の好ましい実施態様に従って構成された観察装備付き燃料噴射器が図１に示されており、全体として参照符号１０で表されている。

燃料噴射器１０は、本発明の譲受人に譲渡されたMyhreへの特許（特許文献３）に開示されたタイプのものである。この開示の内容は、この参照によってその全体が本願に組み込まれる。手短に言えば、燃料噴射器１０は、ガス・タービン・エンジン１４の燃焼室１２の内部に従来方式で取り付けられるか、あるいは他の何らかの方法で支持される。燃料噴射器１０は、噴射器を燃焼室１２の内部に取り付けるための支持フランジ１８を有する細長い供給アーム１６を含む。燃料ノズル２０は、供給アーム１６の末端に付属しており、噴霧された燃料を燃焼室１２内に噴射もしくは注入するように設計される。

本発明の好ましい実施態様によれば、燃料噴射器１０は、円周上に配備される複数の光センサ３０を含み、この光センサ３０は、燃料ノズル２０の先端表面２２に形成される対応する観察ポート２４内に配置される。光センサ３０は、図１ａで最もよく分かり、かつ、Myhreへの特許（特許文献３）に記載されるように、燃料ノズル２０から下流側の、ガスタービン１４の燃焼室１２内部の燃焼状態を観察するように適合されかつ構成される。

図１ａを参照すると、光センサ３０は、金で被膜処理された光ファイバ３４の束によって関連部分が構成される。被膜処理されたファイバ３４の束は、ファイバに対する熱的および機械的保護を提供する細長いガイド・チューブ４０の内部に配備される。ガイド・チューブ４０は、ステンレス鋼、あるいは、例えばＩｎｃｏｎｅｌまたは同様の耐熱材料のようなニッケル合金から形成するのが望ましい。

さらに詳細には、ファイバ束３４の末端部分は、ファイバの周りにかしめ嵌めされる小さな白金または白金合金のチューブ３５によって束ねて保持される。かしめ嵌めされるチューブ３５の末端は研磨され、ファイバ束３４と一緒に、組み込み中に加えられる圧縮力によってガイド・チューブ４０内部の所定位置に保持される。組み立てられたガイド・チューブ４０は、続いて、燃料ノズル２０の観察ポート２４の内部に機械的に固定される。

光ファイバ３４およびかしめ嵌めされるチューブ３５の終端部は、ガイド・チューブ４０の末端から間隔を空けた位置に配置される。細長いロッド形状のウィンドウ５０が、光ファイバ３４の末端部において、ガイド・チューブ４０の末端部分内部に形成される円筒状の座４２内に位置決めされる。ファイバ束３４の末端は、チューブ３５の研磨された末端と共に、ウィンドウ５０の後端に当接する。

図２から最もよく分かるように、座４２は後部壁面または肩部４４を含んでおり、ウィンドウ５０の後端が座４２の後部壁面４４に当接する。ウィンドウ５０の後端を肩部４４に当接させて位置決めすることによって、ウィンドウ５０は、ガス・タービン・エンジン１４の燃焼室１２内部に存在する外圧「Ｐ」に耐えることができる。この外圧「Ｐ」は、例えば図３に示すが、９００ｐｓｉほどの高さにも達することがある。

図３に示すように、ウィンドウ５０の前端はガイド・チューブ４０の末端を超えて延出しているので、その上のすすの堆積を有利に酸化するのに十分な火炎への曝露が得られるような位置に位置決めされる。この方式は、例えば、本発明の譲受人に譲渡された特許出願（特許文献４）に開示されており、この開示の内容は、この参照によってその全体が本願に組み込まれる。

ウィンドウ５０は、光学的に透明な合成サファイアまたは類似の光学的に透明な材料から構成され、ガイド・チューブ４０の端部を密封シールする機能を有する。この機能によって、ウィンドウ５０は、光ファイバの束３４を、汚染と、それらを劣化または害する可能性がある燃焼副生成物とから保護する。

図３から最もよく分かるように、サファイア・ウィンドウ５０は、金属のガイド・チューブ４０の末端部分に形成される座４２の内部に、円筒状の装着スリーブ６０によって確実に取り付けられる。装着スリーブ６０は白金またはその合金から形成するのが好ましい。白金が好ましいのは、比較的展性に富む金属であり、サファイア・ウィンドウ５０および金属のガイド・チューブ４０に対する良好なシール特性を提供し得るからである。これについて以下に詳述する。

図３を参照すると、白金の装着スリーブ６０の前端部分は、座４２の前端に密封シールを形成するように金属のガイド・チューブ４０に接合され、装着スリーブ６０の後端部分は、光ファイバ３４に隣接する座４２の後端において密封シールを形成するようにサファイア・ウィンドウ５０に接合される。さらに具体的には、図３ｂに示すように、白金の装着スリーブ６０の前端部分はロウ付けによって金属のガイド・チューブ４０に接合される。代表的なロウ付けはニッケル２８％および銅７２％を含む。

図３ａから最もよく分かるように、白金の装着スリーブ６０の後端部分は、高温用ガラスを用いてサファイア・ウィンドウ５０の外周表面に接合される。ガラスは、サファイア・ウィンドウ５０の外表面によく接着するため、好ましい。さらに、サファイアおよび白金は同様の熱膨張特性を有する。すなわち、サファイアおよび白金は、ほぼ等しい線熱膨張率を有する。

組み立てにおいて、サファイア・ウィンドウを白金スリーブに接合するのに使用するガラスは、液体キャリヤ中のフリットとしてアセンブリに導入される。ガラス・フリットは、加熱されると液化し、図３ａに示すように、ガラスが、ウィンドウ５０と装着スリーブ６０との間の小さな間隙の中に毛管作用によって浸入する。

比較的展性に富む白金の装着スリーブ６０は、サファイア・ウィンドウ５０と金属のガイド・チューブ４０との間の熱膨張緩衝材となる。これによって、２つの材料が、燃焼火炎の近傍に存在する極端な運転温度の下で互いに対して膨張できるようになり、しかもこの場合、ウィンドウの後端に位置するガラスシールの完全性に影響を及ぼすことはない。従って、金属のガイド・チューブ４０とサファイア・ウィンドウ５０との間の熱膨張に差があるにもかかわらず、白金の装着スリーブ６０はガラスシールを無損傷のまま維持する。すなわち、白金の装着スリーブ６０の展性が、Ｉｎｃｏｎｅｌおよびサファイアの線熱膨張率の相対的な不一致を吸収する。

当業者は、装着スリーブ６０の外径と、ガイド・チューブ４０の末端に形成される座４２の内径との間に、２つの構成要素の直線的な並びに半径方向の相対的な熱膨張を吸収するための適切な寸法の間隙が設けられることを容易に理解するであろう。

本発明を、好ましい実施態様を参照して示しかつ説明したが、当業者は、それに対して種々の変更および／または修正を、本発明の趣旨および／または範囲から逸脱することなく加え得ることを容易に理解するであろう。

１０ 燃料噴射器
１２ 燃焼室
１４ ガス・タービン・エンジン
１６ 供給アーム
１８ 支持フランジ
２０ 燃料ノズル
２２ ノズル先端表面
２４ 観察ポート
３０ 光センサ
３４ 光ファイバ
３５ チューブ
４０ ガイド・チューブ
４２ 座
４４ 後部壁面
５０ サファイア・ウィンドウ
６０ 装着スリーブ

Claims (16)

1. ａ）開放型の末端および内側の後部壁面を画定する末端部分を有する細長い金属のガイド・チューブと、
   ｂ）前記金属のガイド・チューブの末端部分の内部に配備され、かつ、前記金属のガイド・チューブの前記末端部分の前記内側の後部壁面に当接する後端表面を有するサファイアのウィンドウと、
   ｃ）前記サファイア・ウィンドウを前記金属のガイド・チューブに固定し、かつ、前記金属のガイド・チューブに接合される１つの部分、および前記サファイア・ウィンドウに接合される別の部分を有する白金の装着スリーブと、
   を含む光センサ用のシール・アセンブリ。
2. 前記白金の装着スリーブの前端部分が、前記金属のガイド・チューブに接合される、請求項１に記載のシール・アセンブリ。
3. 前記白金の装着スリーブの前記前端部分が、前記金属のガイド・チューブにロウ付けされる、請求項２に記載のシール・アセンブリ。
4. 前記白金の装着スリーブの後端部分が、前記サファイア・ウィンドウに接合される、請求項１に記載のシール・アセンブリ。
5. 前記白金の装着スリーブの前記後端部分が、前記サファイア・ウィンドウにガラスで接着される、請求項４に記載のシール・アセンブリ。
6. 前記サファイア・ウィンドウの前記後端表面が、前記金属のガイド・チューブの内部に配備される光ファイバと光学的に連絡する、請求項１に記載のシール・アセンブリ。
7. 前記サファイア・ウィンドウが、細長いサファイアのロッド形態である、請求項１に記載のシール・アセンブリ。
8. 前記細長いサファイアのロッドの前端部分が、前記ガイド・チューブの開放末端から外側に延出している、請求項７に記載のシール・アセンブリ。
9. 前記金属のガイド・チューブが、ニッケルベースの合金から形成される、請求項１に記載のシール・アセンブリ。
10. ａ）光観察ポートが中に形成された先端表面を有するノズル本体と、
    ｂ）前記ノズル本体の前記光観察ポートの内部に配備され、かつ、開放型の末端および内側の後部壁面を画定する末端部分を有する金属のガイド・チューブと、
    ｃ）前記金属のガイド・チューブの前記末端部分の内部に配備され、かつ、前記金属のガイド・チューブの前記内側の後部壁面に当接する後端表面、および前記金属のガイド・チューブの前記開放末端から外側に延出する前端部分を有する細長いサファイアのロッドと、
    ｄ）前記サファイアのロッドを前記ガイド・チューブに固定し、かつ、前記金属のガイド・チューブに接合される１つの部分、および前記サファイアのロッドに接合される別の部分を有する白金の装着スリーブと、
    を含むガス・タービン・エンジン用の燃料噴射器。
11. 前記白金の装着スリーブの前端部分が、前記金属のガイド・チューブに接合される、請求項１０に記載の燃料噴射器。
12. 前記白金の装着スリーブの前端部分が、前記金属のガイド・チューブにロウ付けされる、請求項１１に記載の燃料噴射器。
13. 前記白金の装着スリーブの後端部分が、前記サファイアのロッドに接合される、請求項１０に記載の燃料噴射器。
14. 前記白金の装着スリーブの前記後端部分が、前記サファイアのロッドにガラスで接着される、請求項１３に記載の燃料噴射器。
15. 前記金属のガイド・チューブが、ニッケルベースの合金から形成される、請求項１０に記載の燃料噴射器。
16. 前記サファイアのロッドの前記後端表面が、前記金属のガイド・チューブの内部に配備される光ファイバと光学的に連絡する、請求項１０に記載の燃料噴射器。

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