ガスタービン用光学イメージングシステム
【課題】ガスタービンエンジン（１０）の排出面における温度の２次元分布を再現する方法及びシステムを提供すること。
【解決手段】光送信（５２）及び検出（５４）ペアは、個々の光線が排出口（１６）のセクタ全体にわたってビームの２次元メッシュ（７０）を形成するようにして、タービンエンジン（１０）の排出口（１６）のアニュラス内に配列することができる。光線の吸収に基づいて、光線が通過する排出口（１６）のセクタの温度を決定することができる。これらの決定に基づき、タービンエンジン（１０）の動作に対応する画像を生成することができる。
【解決手段】光送信（５２）及び検出（５４）ペアは、個々の光線が排出口（１６）のセクタ全体にわたってビームの２次元メッシュ（７０）を形成するようにして、タービンエンジン（１０）の排出口（１６）のアニュラス内に配列することができる。光線の吸収に基づいて、光線が通過する排出口（１６）のセクタの温度を決定することができる。これらの決定に基づき、タービンエンジン（１０）の動作に対応する画像を生成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンエンジンの効率を監視するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最新のガスタービンは、効率的な運転を確保するために監視を行うことができる。ガスタービンを監視する１つの手法は、熱電対（ＴＣ、通常は金属製の測定器）の一式をガスタービンの排出アニュラスの回りに配置して、エンジンから出る気相生成物の温度を監視することを含むことができる。典型的には、これらのＴＣによる絶対及び相対温度測定値は、デジタル制御システム（ＤＣＳ）に供給され、ガスタービンの吸気及び燃料流量を調節して、エンジンの性能全体を向上させるようにすることができる。
【０００３】
ＴＣは、これらのサイズ及び離散的配置に起因して、排出口内の平均温度を正確に推定する能力には限界がある。この欠点を克服する取り組みには、より多くのＴＣを排出アニュラス内に追加することが含まれていた。しかしながら、排出アニュラスに追加されるＴＣが増えるにつれて、金属計装レーキ前後の圧力低下が大きくばる。これは、エンジンに対する背圧の増大につながる可能性があり、性能を悪化させる恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，５９３，５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、監視機器によってエンジンに誘起される背圧を最小限に抑えながら、ガスタービンエンジンの効率及び性能を正確に監視して調整することができる技術並びにシステムに対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の実施形態において、ガスタービン燃料ノズルは、エンジンを効率的に監視するシステムを含み、該システムは、特定周波数で光を伝送するよう適合されたレーザと、吸収光として光を伝送するよう適合された第１の側部及び吸収光を受け取るように適合された第２の側部を含むイメージング器具と、吸収光を表す画像を生成するよう適合されたイメージングシステムとを有する。
【０００７】
第２の実施形態において、タービンシステムは、燃料源を点火して加圧排出ガスを生成するよう適合された燃焼器と、加圧排出ガスを通気するよう適合された排出口と、を備え、排出口が、第１の側部から第２の側部に光を伝送するよう適合されたイメージング器具と、排出口の領域の温度を表す画像を生成するよう適合されたイメージングシステムと、を含む。
【０００８】
第３の実施形態において、方法は、タービンの排出口のイメージング器具全体にわたって送信位置から光を伝送する段階と、イメージング器具における受信位置にて伝送された光を受信する段階と、コンバータにおいて光の吸収を測定する段階と、吸収光を表す画像を生成する段階と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本明細書で説明される実施形態のうちの１つによるガスタービンエンジンのブロック図。
【図２】波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムのブロック図。
【図３Ａ】図１の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムと共に用いるイメージング器具の概略図。
【図３Ｂ】図１の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムと共に用いるイメージング器具の概略図。
【図３Ｃ】図１の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムと共に用いるイメージング器具の概略図。
【図３Ｄ】図１の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムと共に用いるイメージング器具の概略図。
【図４】図３Ａ〜３Ｄのイメージング器具全体にわたるレーザ送信及び受信の概略図。
【図５】図１のシステムと共に用いるコリメータの概略図。
【図６】図３Ａ〜３Ｄのイメージング器具全体にわたる測定タイルの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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時、より良好に理解されるようになるであろう。
【００１１】
本開示は、波長可変ダイオードレーザ技術を使用した、ガスタービンエンジンの排気口の温度測定を記載している。レーザ並びに対応するレーザ検出器は、排気口のセクタにわたってビームの２次元メッシュが形成されるように、タービン排出口のアニュラス内に配列される。レーザから検出器への伝送時に吸収される光の量に基づいて、排出口の温度を決定することができる。更に、画像再構成技術を応用して、ガスタービンエンジンの排出面における温度の２次元分布を再現することができ、排気温度の画像をリアルタイムで再現することができるようにする。レーザは、多くの異なる波長で光を伝送するよう波長調節することができ、排出口内の水蒸気、酸素、及び二酸化炭素の測定を可能にし、排気温度のよりロバストな計算を可能にすることができる。排出口の温度を測定することによって、ガスタービンの圧縮機、燃焼器、又はタービン構成部品の標準以下の性能など、タービンの機能不全を診断することができる。更に、ガスタービンエンジンの調節及び制御のために、測定結果をデジタル制御システムに伝送することができる。
【００１２】
ここで図面に移り、最初に図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０のブロック図が示されている。図示のように、ガスタービンエンジン１０は燃焼器１２を含む。燃焼器１２は、缶アニュラ型燃焼室とすることができ、すなわち、燃焼器１２は、アニュラ型及び缶型燃焼器の両方の特性を有することができ、該燃焼器１２が外側シェルからなり、幾つかの個々の円筒型燃焼缶を備える。燃焼器１２は燃料を受け取り、該燃料を燃料ノズルから加圧下で噴射することができる。燃料は、空気と混合されて燃焼室１２内で燃焼することができる。この燃焼により高温の加圧排出ガスが生成される。
【００１３】
燃焼器１２は、排出ガスをタービン１４に通して排気出口１６に向かって配向する。例示的な実施形態において、排気出口１６は、駆動シャフト１８を囲む末広環状通路を含む。更に、燃焼器１２からの排出ガスがタービン１４を介して排気出口に通過すると、該ガスにより、タービンブレードが、駆動シャフト１８をガスタービンエンジン１０の軸線に沿って回転させるようにする。図示のように、駆動シャフト１８は、圧縮機２０を含む、ガスタービンエンジンの種々の構成部品に接続される。
【００１４】
駆動シャフト１８は、タービン１４を圧縮機２０に接続してロータを形成する。圧縮機２０は、駆動シャフト１８に結合されたブレードを含む。従って、タービン１４のタービンブレードの回転により、タービン１４を圧縮機２０に接続する駆動シャフト１８が圧縮機２０内でブレードを回転させるようにする。更にこれによって、圧縮機２０は、吸入口２２を介して受け取った空気を加圧するようになる。加圧された空気は燃焼器１２に送給されて燃料と混合され、より高効率の燃焼を可能にする。駆動シャフト１８はまた、車両、又は発電プラントにおける発電機などの固定負荷、或いは航空機のプロペラとすることができる負荷２４に接続される。実際には、負荷２４は、ガスタービンエンジン１０の回転出力により駆動されるあらゆる好適な装置とすることができる。以下で説明する技術は、エンジン１０の性能を損なうことなく、ガスタービンエンジン１０の効率の監視を可能にする。
【００１５】
図２は、ガスタービンエンジン１０の排出口１６（すなわち排気出口）と共に波長可変のダイオードレーザ吸収分光法を利用して、ガスタービンエンジン１０の排気温度を測定することができる排気測定システム２６を示す。排気測定システム２６は、レーザコントローラ２８、第１のレーザ３０、第２のレーザ３２、マルチプレクサ３４、拡張スイッチ３６、イメージ器具３８、集約スイッチ４０、検出器４２、コンバータ４４、及びワークステーション４６を含むことができる。レーザコントローラ２８は、レーザ３０及び３２に対して制御された電流及び温度を提供し、レーザ３０及び３２により一定の出力を生成可能にすることができるようになる。１つの実施形態において、レーザコントローラは、コンバータ４４からのフィードバック信号によるなど、外部入力によって制御することができるレーザダイオードコントローラとすることができる。
【００１６】
１つの実施形態において、レーザ３０及び３２は赤外線レーザとすることができる。すなわち、レーザ３０及び３２から伝送される光は、赤外周波数になることができる。１つの実施形態において、第１のレーザ３０及び第２のレーザ３２は、第１の周波数及び第２の周波数で２つの独立した光ビームを提供することができる。これらの周波数は、第１及び第２の周波数を利用して２つの別個の分子（すなわち分光）遷移にわたってスキャンすることができるように選ぶことができる。すなわち、周波数は、レーザ３０及び３２の各々がプローブ分子の異なる遷移にアクセスできるように先験的に選ぶことができる。１つの実施形態において、第１のレーザ３０は、Ｈ２Ｏ分子の６８６２ｃｍ−１遷移にわたりスキャンすることができ、第２のレーザ３２は、Ｈ２Ｏ分子の６６７３ｃｍ−１遷移にわたりスキャンすることができる。別の実施形態においては、第１のレーザ３０が排気測定システム２６において光を生成するのに利用される唯一のレーザとすることができる。この実施形態では、第１のレーザ３０を波長調節し、２つ又はそれ以上の波長で光を伝送することができる。
【００１７】
排気測定システム２６は更に、マルチプレクサ３４を含むことができる。マルチプレクサ３４は、光ファイバーケーブルを介して第１及び第２のレーザ３０及び３２に光ファイバーにより結合することができる。マルチプレクサ３４は、例えば、２つの入力のうちの１つだけを単一の出力ラインに通すことができる２×１パッシブマルチプレクサとすることができる。マルチプレクサ３４はまた、Ｎ個のレーザを利用する何れかの実施形態においてはＮ×１マルチプレクサとすることができる。マルチプレクサ３４の単一の出力は、圧縮スイッチ３６に接続する光ファイバーケーブルとすることができる。
【００１８】
拡張スイッチ３６は、１×Ｎ光学スイッチとすることができ、これによってマルチプレクサ３４から受け取った光をＮ個の別個のシングルモード光ファイバーケーブルに逐次的に加えることができ、ここでＮは１よりも大きい任意の整数である。１つの実施形態において、Ｎは２４とすることができる。拡張スイッチ３６は、例えばコンバータ４４からの制御コマンドを介して制御することができる。これらの制御信号は、マルチプレクサ３４から受け取った光をＮ個の光ファイバーケーブルに加える順序を制御する。拡張スイッチから出るＮ個の光ファイバーケーブルは、イメージング器具３８に結合することができる。
【００１９】
イメージング器具に結合されたＮ個の光ファイバーケーブルは、イメージング器具３８に伝送される光の経路を与え、Ｎ個の光ファイバーケーブルの各々がイメージング器具３８の内側縁部において光コリメータで終端し、器具３８全体に伝送することができる円柱ビームを形成できるようにする。この伝送組立体はピッチと呼ぶことができる。器具３８全体に伝播した後、光ビームは、イメージングフレーム３８の第２の内面上の専用受信コリメータにより取り込むことができる。受信コリメータは、受け取った光ビームをそれぞれの光ファイバーケーブルに集束させ、該光ファイバーケーブルは、例えば４００μｍのコア径を有するマルチモードファイバーとすることができる。イメージング器具３８の受信組立体は、キャッチと呼ぶことができる。１つの実施形態において、送信コリメータの数とイメージング器具３８内の受信コリメータの数は同数である。
【００２０】
加えて、イメージング器具３８は中空とすることができ、イメージング器具３８が、イメージング器具３８内部に配置されることになる光ファイバーケーブルの大きさにされた電線路を含むことができるようにする。単一電線路は、ピッチ及びキャッチ組立体の光ファイバーケーブルに利用することができる。或いは、ピッチ及びキャッチ組立体の各々に別個の電線路を利用してもよい。
【００２１】
キャッチの光ファイバーケーブルは、イメージング器具３８の電線路から出て集約スイッチ４０に結合される。このようにして、キャッチの光ファイバーケーブルは、ピッチから受け取った光ビームを集約スイッチ４０に伝送する。集約スイッチ４０は、Ｎ×１光学スイッチとすることができ、ここでＮは１よりも大きい任意の整数である。集約スイッチ４０は、上述の拡張スイッチ３６とは逆の手法で動作することができる。すなわち、集約スイッチ４０は、Ｎ個の光ファイバーケーブルから受け取った光を逐次的に加え、例えばコンバータ４４からの制御コマンドに基づいて単一光ファイバーに伝送することができる。これらの制御信号は、イメージング器具３８から受け取った光を集約スイッチ４０の光ファイバーケーブル出力に加える順序を制御する。集約スイッチ４０から出るＮ個の光ファイバーケーブルは、検出器４２に結合することができる。
【００２２】
検出器４２は、集約スイッチ４０から伝送された光信号をアナログ電気信号に変換する。１つの実施形態において、検出器４２は、光信号を検出して電気信号に変換するように設計された、増幅可変ゲインインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）検出器とすることができる。これらの電気信号は、コンバータ４４に伝送される。
【００２３】
コンバータ４４は、検出器４２からの電気信号を受け取り、コンバータ４４内のアナログデジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）を介してアナログ信号をデジタル信号に変換する。コンバータ４４は、デジタル信号プロセッサ、マイクロプロセッサ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、コンプレックス・プログラマブル・ロジックデバイス、特定用途向け集積回路、及び／又は他の既知の論理回路とすることができる１つ又はそれ以上のプロセッサを含むことができる。プロセッサを利用して、Ａ／Ｄコンバータからのデジタル信号を処理することができる。これらのデジタル信号に基づいて、プロセッサは、出力信号をレーザコントローラ２８に提供する。この出力信号は、例えばのこぎり波とすることができ、該波形は、レーザの変調、周波数、及びタイミングを制御するのにレーザコントローラ２８が利用することができる。コンバータ４４のプロセッサはまた、拡張スイッチ３６及び集約スイッチ４０の両方にコマンドを提供することができる。従って、コンバータ４４のプロセッサは、レーザの発射をスイッチの作動と同期させる。例えば、プロセッサによりスイッチ３６及び４０がＮ個の光ファイバーケーブルを逐次的にスクロールして、レーザコントローラ２８により制御される周波数で光を伝送すると、結果として得られる光信号はプロセッサにより変換することができ、その結果として得られる温度データを生成するようになる。この結果として得られる温度データは、例えば、画像再構成により利用され、例えば、ワークステーション４６のモニタ上に２次元温度分布を生成することができる。或いは、画像再構成は、コンバータ４４において行ってもよい。
【００２４】
上述のように、処理されたデジタル信号は、コンバータ４４からワークステーション４６に伝送することができる。ワークステーション４６は、ハードウェア要素（回路を含む）、ソフトウェア要素（コンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータコードを含む）、又はハードウェア及びソフトウェア要素両方の組み合わせを含むことができる。ワークステーション４６は、例えば、デスクトップコンピュータ、ラップトップ、ノートブックもしくはタブレットコンピュータなどのポータブルコンピュータ、サーバ、或いはコンピュータデバイスの他の何れかのタイプとすることができる。従って、ワークステーションは、例えば、１つ又はそれ以上の「汎用」マイクロプロセッサ、１つ又はそれ以上の特定用途マイクロプロセッサ及び／又はＡＳＩＳ、或いはこのような処理構成要素の何れかの組み合わせなど、１つ又はそれ以上のプロセッサを含むことができる。ワークステーションはまた、メモリを含むことができ、該メモリは、ワークステーションの動作のためのファームウェアのような、１つ又はそれ以上のプロセッサ２２により処理されることになる命令又はデータ（すなわち、基本入出力命令又はオペレーティングシステム命令）、及び／又はワークステーション４６上で実行可能な種々のプログラム、アプリケーション、又はルーチンを格納することができる。ワークステーション４６は更に、ワークステーション４６の種々のプログラムの動作に関連する１つ又はそれ以上の画像を表示するためのディスプレイと、ユーザがワークステーション４６をインタフェース及び／又は制御可能にすることができる入力構成とを含むことができる。以下で説明するように、ワークステーション４６は、ガスタービンエンジン１０の排出面における排気温度の２次元分布を再現する画像再構成技術を実施するためのハードウェア及び／又はワークステーションのメモリ内に格納可能であり且つプロセッサにより実行可能なコンピュータコードを含むことができる。
【００２５】
図３Ａは、図２に関して上記で説明したような、ガスタービンエンジン１０と共に利用することができるイメージング器具３８の正面図を示す。１つの実施形態において、イメージング器具３８は、内径４８及び外径５０を含むフレームとすることができる。器具３８の内径４８は、例えば、駆動シャフト１８を覆うシュラウドに装着することができる。同様に、器具３８の外径５０は、例えば、排気出口１６のライナに装着することができる。従って、イメージング器具３８は、タービンからの排気流をイメージング器具３８に流すことができるようにして、排出口１６の出口の末広通路内に挿入することができる。１つの実施形態において、イメージング器具３８は、排気出口１６内のアニュラスの単一のセクタのみを囲むような大きさにすることができるので、ガスタービン１０の排気出口１６の１つのセクションの温度は、上述のイメージング器具３８を用いて調べることができる。従って、排気出口１６のアニュラス全体を監視するために、複数の器具３８を併用することができる。図３Ｂは、イメージング器具３８の傾いた斜視図を示し、図３Ｃ及び３Ｄは、それぞれ、イメージング器具３８の上面図及び側面図を示している。
【００２６】
イメージング器具３８は、イメージング器具３８の外周付近に光学トランスミッタ及び受信器を収容することができる。図４は、これらの光学送信位置５２及び光学受信位置５４をイメージング器具３８と共に示している。光学送信位置５２及び光学受信位置５４は、イメージング器具３８の内径４８及び外径５０の内側部分に沿って配列することができ、光学送信位置５２及び光学受信位置５４間の光学ビームの２次元メッシュを形成するようにして配向することができる。１つの実施形態において、光学送信位置５２及び光学受信位置５４は、イメージング器具３８の相対する側部に配置することができる。例えば、送信位置は、イメージング器具３８の上側部分の内面上に配置することができ、受信位置は、イメージング器具３８の下側部分の内面上に配置することができる。光学送信位置５２及び光学受信位置５４の位置とは関係なく、位置５２及び５４は、イメージング器具３８全体にわたって伝送を行うことができるようにペアにすることができる。
【００２７】
光学送信位置５２及び光学受信位置５４は、シングルモード光ファイバーケーブル（ピッチケーブル）及びマルチモード光ファイバーケーブルにそれぞれ結合することができる。ピッチとしてのシングルモード光ファイバーケーブル及びキャッチとしてのマルチモード光ファイバーケーブルを利用すると、送信及び受信光学素子間のアライメントの維持に役立つことができる。これらのケーブルは、送信位置５２への光の伝送を可能にすることができ、受信位置５４からの光の伝送を可能にすることができる。ピッチ及びキャッチケーブルは、イメージング器具内の導管又は通路、すなわち電線路を介してイメージング器具３８に送給することができる。この導管は、ケーブルを収容するために器具の外周に機械加工することができる。上述のように、ケーブルによって、送信位置５２が光学ビーム５６を受信位置５４に伝送するように、光を送信位置５２に伝送できるようになる。次いで、光学ビーム５６は、解析のために、上述のような光ファイバーケーブルの第２のセットを介してスイッチ４０に伝送することができる。
【００２８】
図５は、送信位置５２の各々に配置することができる送信コリメータ５８と、受信位置５４の各々に配置することができる受信コリメータ６０とを示している。各コリメータ５８及び６０は、例えば、約９００°Ｆ（７５５°Ｋ）の温度のような、タービンエンジン１０の排気口１６の環境に耐えることができる材料から構成することができる。１つの実施形態において、コリメータ５８及び６０は、ステンレス鋼から構成することができる。
【００２９】
上述のように、光は、送信位置５２から受信位置５４への光学ビーム５６として伝送される。送信コリメータ５８及び受信コリメータ６０は、この光学ビーム５６の伝送に役立つ。例えば、光は、光ファイバーケーブル６２Ａを介して送信コリメータ５８に入ることができる。送信コリメータ５８は、光を受け入れることができ、光ファイバーケーブル６２Ａから発散させることができ、更に、光をコリメートし、すなわち、光を単一方向に送ることができる。送信コリメータ５８はまた、反射防止コーティングされた溶融石英プリズム６４ａを含むことができる。プリズム６４Ａは、高さが約５から１５ｍｍの間で、幅が５から１５ｍｍの間とすることができ、例えば、内部反射によりコリメート光の方向を変えることができる。１つの実施形態において、プリズム６４Ａは、コリメート光の方向を９０度変えることができる。
【００３０】
第２の反射防止コーティングされた溶融石英プリズム６４Ｂを受信コリメータ６０に結合することができる。このプリズム６４Ｂは、構造的にプリズム６４Ａと同様とすることができ、例えば、プリズム６４Ｂは、コリメート光の方向を９０度変えることができる。しかしながら、プリズム６４Ｂは、プリズム６４Ａとは異なる大きさにすることができる。例えば、プリズム６４Ｂは、プリズム６４Ａの約２倍の寸法にすることができる。別の実施形態では、プリズム６４Ｂは、高さが約１０から３０ｍｍの間で、幅が１０から３０ｍｍの間とすることができる。
【００３１】
プリズム６４Ｂの利用により、汎用コリメータ単独と比べて、受信コリメータ６０のビーム５６受容角度の点で有意な利点をもたらすことができる。例えば、レーザ光は、コリメータ５８に入る前に溶融石英材料を通って伝播し、この屈折率（ｎ＝１．４４）は空気の屈折率（ｎ＝１．０）よりも大きいことに起因して、スネルの法則に従って受信コリメータ６０によりもたらされる受信の立体角が大きくなるので、コリメータ５８及び６０は、従来のコリメータの約２倍の大きさの許容ウィンドウを享受することができる。
【００３２】
従って、送信及び受信コリメータ５８及び６０をイメージング器具３８と共に利用して、光学ビーム５６の送信及び受信を改善することができる。光学ビーム５６は、タービンエンジン１０の排出口１６内のイメージンググリッドと共に利用することができる。このグリッドは、ガスタービンエンジン１０の排出口１６の位置に対応することができる位置を光学ビーム５６に提供することができる。従って、グリッドを利用して、グリッドの各部分の光学ビームにおいて光の吸収レベルを測定することによって、グリッドを通る排出ガスの温度分布を求めることができる。
【００３３】
光学ビーム５６の吸収レベルの測定は、例えば、波長可変ダイオードレーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ）技術を用いることによりコンバータ４４のプロセッサにおいて実施することができる。ＴＤＬＡＳは、電磁スペクトルの特定波長でのある気体分子によるエネルギーの吸収に依存する。例えば、Ｈ２Ｏ、Ｏ２及びＣＯ２などの分子種は、離散的な電磁周波数で光を吸収し、すなわち吸収遷移が生じる。吸収遷移を僅かに下回る、又は上回る波長では、伝送光の吸収は本質的に存在しない。従って、ある量の標的分子を含有するガス混合物に光のビームを伝送し、該光のビームを標的分子の吸収遷移の僅かに下から直ぐ上にまでスキャンするよう調整して、光のビームの吸収を測定することによって、ガス中の標的分子の温度を求めることができる。すなわち、所与の周波数の分子によって吸収される光の量は、ガスの温度と、一般に次式で記述されるランベルト・ベールの法則に従う吸収化学種の濃度とに関連することができる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ここで、Ｉｏはレーザから伝送される光の強度、Ｉは検出器への入射強度、ｋνはスペクトル吸収係数、Ｌは光の経路長である。
【００３６】
更に、等式の自然対数をとることによって吸収度を求めることができる。すなわち、これは、
【００３７】
【数２】
【００３８】
として表すことができる。更に、２つのレーザ周波数ν１及びν２を用いて２つの離散的な分子遷移にアクセスする場合、モル比率Ｘｊ、すなわち化学種濃度、圧力Ｐ、及び経路長Ｌは消去されて、線形ψは１になり、
【００３９】
【数３】
【００４０】
が残るので、統合吸収度の比は温度だけの関数となる。
【００４１】
例えば、６８６２及び６６７３ｃｍ−１周波数にわたるガスタービン１０の排出ガス中の水の分子遷移がスキャンされる場合、結果として得られる光学ビーム５６の吸収分布は、光学ビーム５６が通過したポイントでの排出ガスの温度計算に必要なデータを提供することができる。すなわち、例えば、タービンエンジン１０の排出口１６における水の遷移などの測定される遷移は、排気口１６の所与の位置における排出ガスの温度検出用に監視することができる。更に、排出ガスの温度は、例えば、ワークステーション４６のモニタ上に提示することができる。例えば、ワークステーション４６上に排出口１６における排出ガスの温度を提示するのに、画像再構成技術を利用することができ、該画像再構成技術は、上述のグリッドにおける光学ビーム５６の測定される光吸収に基づくことができる。
【００４２】
図６で分かるように、イメージング器具３８が光学送信位置５２及び光学受信位置５４を有して示されており、光学ビーム５６は、グリッド７０を形成するタイル線６８で表されたイメージング器具内のタイル６６（すなわち領域）を含み、該グリッドは、ガスタービンエンジン１０の排気口１６内の温度を測定するよう動作することができる。再構成される温度分布の忠実度は、各タイル６６におけるビームの位置及び相対間隔に依存することができる。すなわち、ビーム５６の密度が高い場所のタイル６６は、より良好な温度分解能を有し、少数のビーム５６が存在する場所の空きスペースは、正確度の不確実性が高いことを具現化することになる。これらのタイル６６は、各ビーム５６からの吸収を、例えばコンバータ４４のプロセッサによって決定付けることができるセクタとすることができる。これらの決定の結果は、例えば、イメージングシステムを介してワークステーション４６のディスプレイにマッピングすることができる。イメージングシステムは、例えば、ワークステーション４６内に配置することができる。或いは、イメージングシステムは、コンバータ４４のプロセッサを含むことができる。イメージングシステムの位置とは関係なく、１つ又はそれ以上の画像再構成アルゴリズムを利用するような、画像再構成技術をメージングシステムが利用して、排気口１６における温度分布の代表的画像を生成することができる。吸収レベル、これから導出される排気口温度、及びその後に続く結果のマッピングの決定に使用される、１つのこのようなアルゴリズムを以下で説明する。
【００４３】
画像再構成アルゴリズム及びレーザメッシュ幾何形状、すなわちタイル６６のサイズの選択は、例えば、イメージングシステムにより生成される最終温度画像の忠実性に直接的な影響を及ぼすことができる。図示のように、図６は、タービン排気口１６内で画像化される複数のセクタ、すなわちタイル６６を含む。破線は光学ビーム５６を表し、多角区域を形成する実線は、各ビームからの吸収がマッピングされることになるタイル６６を表している。従って、例えば、ｎ個の光学ビーム５６とｍ個のタイル６６とが存在することができ、１つの実施形態では、ｎはｍよりも大きい。光学ビーム５６とタイル６６との関係は、次式で表すことができる。
［Ｐ］ｎ ＝ ｜｜Ｂ｜｜ｎ，ｍ ［Ｒ］ｍ［Ｐ］
ここで、［Ｐ］はｎ個のビーム全ての吸収度Ａ（上で記載したような）を表すベクトル、［Ｒ］は、ｍ個のタイル６６の吸収度値のベクトルである。｜｜Ｂ｜｜ｎ，ｍは、各ビーム５６の吸収度を特定のタイル６６にマッピングするのに用いることができる、ｎ×ｍの重み値又は基底関数である。例えば、一様、ガウス、又は３次スプライン加重関数など、様々な加重関数を利用して、マッピングされた吸収度に対するタイル６６内の種々の位置でのビーム５６の影響を調整することができる。
【００４４】
所与のタイル６６内の吸収度を計算するために、最小二乗手法を利用することができ、次式となる。
［Ｒ］ｎ ＝ （｜｜Ｂ｜｜Ｔ｜｜Ｂ｜｜）-１ ［Ｐ］ｍ
次いで、この吸収度をイメージングシステムが利用して、例えば、上記の最小二乗法により求められた吸収度に基づいて、グリッド７０の各タイル６６についての温度を表す画像を生成することができる。従って、タイル６６内のビーム５６の数は、温度画像全体としてワークステーション４６上に表示するためイメージングシステムによって生成される温度画像に影響を及ぼす可能性がある。すなわち、排出面における実際の温度の最大及び／又は最小の場所は、各ビーム５６の位置に基づくことができる。従って、ビーム５６は、ビーム５６の位置決めを温度測定に最適化することができるように、タービンエンジン１０の状態の先験的認識を用いて最初に位置付けることができる。
【００４５】
本発明の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。従って、本発明の真の精神の範囲内にあるこのような修正形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。
【符号の説明】
【００４６】
１０ ガスタービンエンジン
１２ 燃焼器
１４ タービン
１６ 排出口
１８ 駆動シャフト
２０ 圧縮機
２２ 吸気口
２４ 負荷
２６ 排気測定システム
２８ レーザコントローラ
３０ 第１のレーザ
３２ 第２のレーザ
３４ マルチプレクサ
３６ 拡張スイッチ
３８ イメージング器具
４０ 集約スイッチ
４２ 検出器
４４ コンバータ
４６ ワークステーション
４８ 内径
５０ 外径
５２ 送信位置
５４ 受信位置
５６ 光学ビーム
５８ 送信コリメータ
６０ 受信コリメータ
６２Ａ 光ファイバーケーブル
６２Ｂ 光ファイバーケーブル
６４Ａ プリズム
６４Ｂ プリズム
６６ タイル
６８ タイル線
７０ グリッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンエンジンの効率を監視するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最新のガスタービンは、効率的な運転を確保するために監視を行うことができる。ガスタービンを監視する１つの手法は、熱電対（ＴＣ、通常は金属製の測定器）の一式をガスタービンの排出アニュラスの回りに配置して、エンジンから出る気相生成物の温度を監視することを含むことができる。典型的には、これらのＴＣによる絶対及び相対温度測定値は、デジタル制御システム（ＤＣＳ）に供給され、ガスタービンの吸気及び燃料流量を調節して、エンジンの性能全体を向上させるようにすることができる。
【０００３】
ＴＣは、これらのサイズ及び離散的配置に起因して、排出口内の平均温度を正確に推定する能力には限界がある。この欠点を克服する取り組みには、より多くのＴＣを排出アニュラス内に追加することが含まれていた。しかしながら、排出アニュラスに追加されるＴＣが増えるにつれて、金属計装レーキ前後の圧力低下が大きくばる。これは、エンジンに対する背圧の増大につながる可能性があり、性能を悪化させる恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，５９３，５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、監視機器によってエンジンに誘起される背圧を最小限に抑えながら、ガスタービンエンジンの効率及び性能を正確に監視して調整することができる技術並びにシステムに対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の実施形態において、ガスタービン燃料ノズルは、エンジンを効率的に監視するシステムを含み、該システムは、特定周波数で光を伝送するよう適合されたレーザと、吸収光として光を伝送するよう適合された第１の側部及び吸収光を受け取るように適合された第２の側部を含むイメージング器具と、吸収光を表す画像を生成するよう適合されたイメージングシステムとを有する。
【０００７】
第２の実施形態において、タービンシステムは、燃料源を点火して加圧排出ガスを生成するよう適合された燃焼器と、加圧排出ガスを通気するよう適合された排出口と、を備え、排出口が、第１の側部から第２の側部に光を伝送するよう適合されたイメージング器具と、排出口の領域の温度を表す画像を生成するよう適合されたイメージングシステムと、を含む。
【０００８】
第３の実施形態において、方法は、タービンの排出口のイメージング器具全体にわたって送信位置から光を伝送する段階と、イメージング器具における受信位置にて伝送された光を受信する段階と、コンバータにおいて光の吸収を測定する段階と、吸収光を表す画像を生成する段階と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本明細書で説明される実施形態のうちの１つによるガスタービンエンジンのブロック図。
【図２】波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムのブロック図。
【図３Ａ】図１の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムと共に用いるイメージング器具の概略図。
【図３Ｂ】図１の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムと共に用いるイメージング器具の概略図。
【図３Ｃ】図１の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムと共に用いるイメージング器具の概略図。
【図３Ｄ】図１の波長可変ダイオードレーザ吸収分光システムと共に用いるイメージング器具の概略図。
【図４】図３Ａ〜３Ｄのイメージング器具全体にわたるレーザ送信及び受信の概略図。
【図５】図１のシステムと共に用いるコリメータの概略図。
【図６】図３Ａ〜３Ｄのイメージング器具全体にわたる測定タイルの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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時、より良好に理解されるようになるであろう。
【００１１】
本開示は、波長可変ダイオードレーザ技術を使用した、ガスタービンエンジンの排気口の温度測定を記載している。レーザ並びに対応するレーザ検出器は、排気口のセクタにわたってビームの２次元メッシュが形成されるように、タービン排出口のアニュラス内に配列される。レーザから検出器への伝送時に吸収される光の量に基づいて、排出口の温度を決定することができる。更に、画像再構成技術を応用して、ガスタービンエンジンの排出面における温度の２次元分布を再現することができ、排気温度の画像をリアルタイムで再現することができるようにする。レーザは、多くの異なる波長で光を伝送するよう波長調節することができ、排出口内の水蒸気、酸素、及び二酸化炭素の測定を可能にし、排気温度のよりロバストな計算を可能にすることができる。排出口の温度を測定することによって、ガスタービンの圧縮機、燃焼器、又はタービン構成部品の標準以下の性能など、タービンの機能不全を診断することができる。更に、ガスタービンエンジンの調節及び制御のために、測定結果をデジタル制御システムに伝送することができる。
【００１２】
ここで図面に移り、最初に図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０のブロック図が示されている。図示のように、ガスタービンエンジン１０は燃焼器１２を含む。燃焼器１２は、缶アニュラ型燃焼室とすることができ、すなわち、燃焼器１２は、アニュラ型及び缶型燃焼器の両方の特性を有することができ、該燃焼器１２が外側シェルからなり、幾つかの個々の円筒型燃焼缶を備える。燃焼器１２は燃料を受け取り、該燃料を燃料ノズルから加圧下で噴射することができる。燃料は、空気と混合されて燃焼室１２内で燃焼することができる。この燃焼により高温の加圧排出ガスが生成される。
【００１３】
燃焼器１２は、排出ガスをタービン１４に通して排気出口１６に向かって配向する。例示的な実施形態において、排気出口１６は、駆動シャフト１８を囲む末広環状通路を含む。更に、燃焼器１２からの排出ガスがタービン１４を介して排気出口に通過すると、該ガスにより、タービンブレードが、駆動シャフト１８をガスタービンエンジン１０の軸線に沿って回転させるようにする。図示のように、駆動シャフト１８は、圧縮機２０を含む、ガスタービンエンジンの種々の構成部品に接続される。
【００１４】
駆動シャフト１８は、タービン１４を圧縮機２０に接続してロータを形成する。圧縮機２０は、駆動シャフト１８に結合されたブレードを含む。従って、タービン１４のタービンブレードの回転により、タービン１４を圧縮機２０に接続する駆動シャフト１８が圧縮機２０内でブレードを回転させるようにする。更にこれによって、圧縮機２０は、吸入口２２を介して受け取った空気を加圧するようになる。加圧された空気は燃焼器１２に送給されて燃料と混合され、より高効率の燃焼を可能にする。駆動シャフト１８はまた、車両、又は発電プラントにおける発電機などの固定負荷、或いは航空機のプロペラとすることができる負荷２４に接続される。実際には、負荷２４は、ガスタービンエンジン１０の回転出力により駆動されるあらゆる好適な装置とすることができる。以下で説明する技術は、エンジン１０の性能を損なうことなく、ガスタービンエンジン１０の効率の監視を可能にする。
【００１５】
図２は、ガスタービンエンジン１０の排出口１６（すなわち排気出口）と共に波長可変のダイオードレーザ吸収分光法を利用して、ガスタービンエンジン１０の排気温度を測定することができる排気測定システム２６を示す。排気測定システム２６は、レーザコントローラ２８、第１のレーザ３０、第２のレーザ３２、マルチプレクサ３４、拡張スイッチ３６、イメージ器具３８、集約スイッチ４０、検出器４２、コンバータ４４、及びワークステーション４６を含むことができる。レーザコントローラ２８は、レーザ３０及び３２に対して制御された電流及び温度を提供し、レーザ３０及び３２により一定の出力を生成可能にすることができるようになる。１つの実施形態において、レーザコントローラは、コンバータ４４からのフィードバック信号によるなど、外部入力によって制御することができるレーザダイオードコントローラとすることができる。
【００１６】
１つの実施形態において、レーザ３０及び３２は赤外線レーザとすることができる。すなわち、レーザ３０及び３２から伝送される光は、赤外周波数になることができる。１つの実施形態において、第１のレーザ３０及び第２のレーザ３２は、第１の周波数及び第２の周波数で２つの独立した光ビームを提供することができる。これらの周波数は、第１及び第２の周波数を利用して２つの別個の分子（すなわち分光）遷移にわたってスキャンすることができるように選ぶことができる。すなわち、周波数は、レーザ３０及び３２の各々がプローブ分子の異なる遷移にアクセスできるように先験的に選ぶことができる。１つの実施形態において、第１のレーザ３０は、Ｈ２Ｏ分子の６８６２ｃｍ−１遷移にわたりスキャンすることができ、第２のレーザ３２は、Ｈ２Ｏ分子の６６７３ｃｍ−１遷移にわたりスキャンすることができる。別の実施形態においては、第１のレーザ３０が排気測定システム２６において光を生成するのに利用される唯一のレーザとすることができる。この実施形態では、第１のレーザ３０を波長調節し、２つ又はそれ以上の波長で光を伝送することができる。
【００１７】
排気測定システム２６は更に、マルチプレクサ３４を含むことができる。マルチプレクサ３４は、光ファイバーケーブルを介して第１及び第２のレーザ３０及び３２に光ファイバーにより結合することができる。マルチプレクサ３４は、例えば、２つの入力のうちの１つだけを単一の出力ラインに通すことができる２×１パッシブマルチプレクサとすることができる。マルチプレクサ３４はまた、Ｎ個のレーザを利用する何れかの実施形態においてはＮ×１マルチプレクサとすることができる。マルチプレクサ３４の単一の出力は、圧縮スイッチ３６に接続する光ファイバーケーブルとすることができる。
【００１８】
拡張スイッチ３６は、１×Ｎ光学スイッチとすることができ、これによってマルチプレクサ３４から受け取った光をＮ個の別個のシングルモード光ファイバーケーブルに逐次的に加えることができ、ここでＮは１よりも大きい任意の整数である。１つの実施形態において、Ｎは２４とすることができる。拡張スイッチ３６は、例えばコンバータ４４からの制御コマンドを介して制御することができる。これらの制御信号は、マルチプレクサ３４から受け取った光をＮ個の光ファイバーケーブルに加える順序を制御する。拡張スイッチから出るＮ個の光ファイバーケーブルは、イメージング器具３８に結合することができる。
【００１９】
イメージング器具に結合されたＮ個の光ファイバーケーブルは、イメージング器具３８に伝送される光の経路を与え、Ｎ個の光ファイバーケーブルの各々がイメージング器具３８の内側縁部において光コリメータで終端し、器具３８全体に伝送することができる円柱ビームを形成できるようにする。この伝送組立体はピッチと呼ぶことができる。器具３８全体に伝播した後、光ビームは、イメージングフレーム３８の第２の内面上の専用受信コリメータにより取り込むことができる。受信コリメータは、受け取った光ビームをそれぞれの光ファイバーケーブルに集束させ、該光ファイバーケーブルは、例えば４００μｍのコア径を有するマルチモードファイバーとすることができる。イメージング器具３８の受信組立体は、キャッチと呼ぶことができる。１つの実施形態において、送信コリメータの数とイメージング器具３８内の受信コリメータの数は同数である。
【００２０】
加えて、イメージング器具３８は中空とすることができ、イメージング器具３８が、イメージング器具３８内部に配置されることになる光ファイバーケーブルの大きさにされた電線路を含むことができるようにする。単一電線路は、ピッチ及びキャッチ組立体の光ファイバーケーブルに利用することができる。或いは、ピッチ及びキャッチ組立体の各々に別個の電線路を利用してもよい。
【００２１】
キャッチの光ファイバーケーブルは、イメージング器具３８の電線路から出て集約スイッチ４０に結合される。このようにして、キャッチの光ファイバーケーブルは、ピッチから受け取った光ビームを集約スイッチ４０に伝送する。集約スイッチ４０は、Ｎ×１光学スイッチとすることができ、ここでＮは１よりも大きい任意の整数である。集約スイッチ４０は、上述の拡張スイッチ３６とは逆の手法で動作することができる。すなわち、集約スイッチ４０は、Ｎ個の光ファイバーケーブルから受け取った光を逐次的に加え、例えばコンバータ４４からの制御コマンドに基づいて単一光ファイバーに伝送することができる。これらの制御信号は、イメージング器具３８から受け取った光を集約スイッチ４０の光ファイバーケーブル出力に加える順序を制御する。集約スイッチ４０から出るＮ個の光ファイバーケーブルは、検出器４２に結合することができる。
【００２２】
検出器４２は、集約スイッチ４０から伝送された光信号をアナログ電気信号に変換する。１つの実施形態において、検出器４２は、光信号を検出して電気信号に変換するように設計された、増幅可変ゲインインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）検出器とすることができる。これらの電気信号は、コンバータ４４に伝送される。
【００２３】
コンバータ４４は、検出器４２からの電気信号を受け取り、コンバータ４４内のアナログデジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）を介してアナログ信号をデジタル信号に変換する。コンバータ４４は、デジタル信号プロセッサ、マイクロプロセッサ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、コンプレックス・プログラマブル・ロジックデバイス、特定用途向け集積回路、及び／又は他の既知の論理回路とすることができる１つ又はそれ以上のプロセッサを含むことができる。プロセッサを利用して、Ａ／Ｄコンバータからのデジタル信号を処理することができる。これらのデジタル信号に基づいて、プロセッサは、出力信号をレーザコントローラ２８に提供する。この出力信号は、例えばのこぎり波とすることができ、該波形は、レーザの変調、周波数、及びタイミングを制御するのにレーザコントローラ２８が利用することができる。コンバータ４４のプロセッサはまた、拡張スイッチ３６及び集約スイッチ４０の両方にコマンドを提供することができる。従って、コンバータ４４のプロセッサは、レーザの発射をスイッチの作動と同期させる。例えば、プロセッサによりスイッチ３６及び４０がＮ個の光ファイバーケーブルを逐次的にスクロールして、レーザコントローラ２８により制御される周波数で光を伝送すると、結果として得られる光信号はプロセッサにより変換することができ、その結果として得られる温度データを生成するようになる。この結果として得られる温度データは、例えば、画像再構成により利用され、例えば、ワークステーション４６のモニタ上に２次元温度分布を生成することができる。或いは、画像再構成は、コンバータ４４において行ってもよい。
【００２４】
上述のように、処理されたデジタル信号は、コンバータ４４からワークステーション４６に伝送することができる。ワークステーション４６は、ハードウェア要素（回路を含む）、ソフトウェア要素（コンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータコードを含む）、又はハードウェア及びソフトウェア要素両方の組み合わせを含むことができる。ワークステーション４６は、例えば、デスクトップコンピュータ、ラップトップ、ノートブックもしくはタブレットコンピュータなどのポータブルコンピュータ、サーバ、或いはコンピュータデバイスの他の何れかのタイプとすることができる。従って、ワークステーションは、例えば、１つ又はそれ以上の「汎用」マイクロプロセッサ、１つ又はそれ以上の特定用途マイクロプロセッサ及び／又はＡＳＩＳ、或いはこのような処理構成要素の何れかの組み合わせなど、１つ又はそれ以上のプロセッサを含むことができる。ワークステーションはまた、メモリを含むことができ、該メモリは、ワークステーションの動作のためのファームウェアのような、１つ又はそれ以上のプロセッサ２２により処理されることになる命令又はデータ（すなわち、基本入出力命令又はオペレーティングシステム命令）、及び／又はワークステーション４６上で実行可能な種々のプログラム、アプリケーション、又はルーチンを格納することができる。ワークステーション４６は更に、ワークステーション４６の種々のプログラムの動作に関連する１つ又はそれ以上の画像を表示するためのディスプレイと、ユーザがワークステーション４６をインタフェース及び／又は制御可能にすることができる入力構成とを含むことができる。以下で説明するように、ワークステーション４６は、ガスタービンエンジン１０の排出面における排気温度の２次元分布を再現する画像再構成技術を実施するためのハードウェア及び／又はワークステーションのメモリ内に格納可能であり且つプロセッサにより実行可能なコンピュータコードを含むことができる。
【００２５】
図３Ａは、図２に関して上記で説明したような、ガスタービンエンジン１０と共に利用することができるイメージング器具３８の正面図を示す。１つの実施形態において、イメージング器具３８は、内径４８及び外径５０を含むフレームとすることができる。器具３８の内径４８は、例えば、駆動シャフト１８を覆うシュラウドに装着することができる。同様に、器具３８の外径５０は、例えば、排気出口１６のライナに装着することができる。従って、イメージング器具３８は、タービンからの排気流をイメージング器具３８に流すことができるようにして、排出口１６の出口の末広通路内に挿入することができる。１つの実施形態において、イメージング器具３８は、排気出口１６内のアニュラスの単一のセクタのみを囲むような大きさにすることができるので、ガスタービン１０の排気出口１６の１つのセクションの温度は、上述のイメージング器具３８を用いて調べることができる。従って、排気出口１６のアニュラス全体を監視するために、複数の器具３８を併用することができる。図３Ｂは、イメージング器具３８の傾いた斜視図を示し、図３Ｃ及び３Ｄは、それぞれ、イメージング器具３８の上面図及び側面図を示している。
【００２６】
イメージング器具３８は、イメージング器具３８の外周付近に光学トランスミッタ及び受信器を収容することができる。図４は、これらの光学送信位置５２及び光学受信位置５４をイメージング器具３８と共に示している。光学送信位置５２及び光学受信位置５４は、イメージング器具３８の内径４８及び外径５０の内側部分に沿って配列することができ、光学送信位置５２及び光学受信位置５４間の光学ビームの２次元メッシュを形成するようにして配向することができる。１つの実施形態において、光学送信位置５２及び光学受信位置５４は、イメージング器具３８の相対する側部に配置することができる。例えば、送信位置は、イメージング器具３８の上側部分の内面上に配置することができ、受信位置は、イメージング器具３８の下側部分の内面上に配置することができる。光学送信位置５２及び光学受信位置５４の位置とは関係なく、位置５２及び５４は、イメージング器具３８全体にわたって伝送を行うことができるようにペアにすることができる。
【００２７】
光学送信位置５２及び光学受信位置５４は、シングルモード光ファイバーケーブル（ピッチケーブル）及びマルチモード光ファイバーケーブルにそれぞれ結合することができる。ピッチとしてのシングルモード光ファイバーケーブル及びキャッチとしてのマルチモード光ファイバーケーブルを利用すると、送信及び受信光学素子間のアライメントの維持に役立つことができる。これらのケーブルは、送信位置５２への光の伝送を可能にすることができ、受信位置５４からの光の伝送を可能にすることができる。ピッチ及びキャッチケーブルは、イメージング器具内の導管又は通路、すなわち電線路を介してイメージング器具３８に送給することができる。この導管は、ケーブルを収容するために器具の外周に機械加工することができる。上述のように、ケーブルによって、送信位置５２が光学ビーム５６を受信位置５４に伝送するように、光を送信位置５２に伝送できるようになる。次いで、光学ビーム５６は、解析のために、上述のような光ファイバーケーブルの第２のセットを介してスイッチ４０に伝送することができる。
【００２８】
図５は、送信位置５２の各々に配置することができる送信コリメータ５８と、受信位置５４の各々に配置することができる受信コリメータ６０とを示している。各コリメータ５８及び６０は、例えば、約９００°Ｆ（７５５°Ｋ）の温度のような、タービンエンジン１０の排気口１６の環境に耐えることができる材料から構成することができる。１つの実施形態において、コリメータ５８及び６０は、ステンレス鋼から構成することができる。
【００２９】
上述のように、光は、送信位置５２から受信位置５４への光学ビーム５６として伝送される。送信コリメータ５８及び受信コリメータ６０は、この光学ビーム５６の伝送に役立つ。例えば、光は、光ファイバーケーブル６２Ａを介して送信コリメータ５８に入ることができる。送信コリメータ５８は、光を受け入れることができ、光ファイバーケーブル６２Ａから発散させることができ、更に、光をコリメートし、すなわち、光を単一方向に送ることができる。送信コリメータ５８はまた、反射防止コーティングされた溶融石英プリズム６４ａを含むことができる。プリズム６４Ａは、高さが約５から１５ｍｍの間で、幅が５から１５ｍｍの間とすることができ、例えば、内部反射によりコリメート光の方向を変えることができる。１つの実施形態において、プリズム６４Ａは、コリメート光の方向を９０度変えることができる。
【００３０】
第２の反射防止コーティングされた溶融石英プリズム６４Ｂを受信コリメータ６０に結合することができる。このプリズム６４Ｂは、構造的にプリズム６４Ａと同様とすることができ、例えば、プリズム６４Ｂは、コリメート光の方向を９０度変えることができる。しかしながら、プリズム６４Ｂは、プリズム６４Ａとは異なる大きさにすることができる。例えば、プリズム６４Ｂは、プリズム６４Ａの約２倍の寸法にすることができる。別の実施形態では、プリズム６４Ｂは、高さが約１０から３０ｍｍの間で、幅が１０から３０ｍｍの間とすることができる。
【００３１】
プリズム６４Ｂの利用により、汎用コリメータ単独と比べて、受信コリメータ６０のビーム５６受容角度の点で有意な利点をもたらすことができる。例えば、レーザ光は、コリメータ５８に入る前に溶融石英材料を通って伝播し、この屈折率（ｎ＝１．４４）は空気の屈折率（ｎ＝１．０）よりも大きいことに起因して、スネルの法則に従って受信コリメータ６０によりもたらされる受信の立体角が大きくなるので、コリメータ５８及び６０は、従来のコリメータの約２倍の大きさの許容ウィンドウを享受することができる。
【００３２】
従って、送信及び受信コリメータ５８及び６０をイメージング器具３８と共に利用して、光学ビーム５６の送信及び受信を改善することができる。光学ビーム５６は、タービンエンジン１０の排出口１６内のイメージンググリッドと共に利用することができる。このグリッドは、ガスタービンエンジン１０の排出口１６の位置に対応することができる位置を光学ビーム５６に提供することができる。従って、グリッドを利用して、グリッドの各部分の光学ビームにおいて光の吸収レベルを測定することによって、グリッドを通る排出ガスの温度分布を求めることができる。
【００３３】
光学ビーム５６の吸収レベルの測定は、例えば、波長可変ダイオードレーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ）技術を用いることによりコンバータ４４のプロセッサにおいて実施することができる。ＴＤＬＡＳは、電磁スペクトルの特定波長でのある気体分子によるエネルギーの吸収に依存する。例えば、Ｈ２Ｏ、Ｏ２及びＣＯ２などの分子種は、離散的な電磁周波数で光を吸収し、すなわち吸収遷移が生じる。吸収遷移を僅かに下回る、又は上回る波長では、伝送光の吸収は本質的に存在しない。従って、ある量の標的分子を含有するガス混合物に光のビームを伝送し、該光のビームを標的分子の吸収遷移の僅かに下から直ぐ上にまでスキャンするよう調整して、光のビームの吸収を測定することによって、ガス中の標的分子の温度を求めることができる。すなわち、所与の周波数の分子によって吸収される光の量は、ガスの温度と、一般に次式で記述されるランベルト・ベールの法則に従う吸収化学種の濃度とに関連することができる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ここで、Ｉｏはレーザから伝送される光の強度、Ｉは検出器への入射強度、ｋνはスペクトル吸収係数、Ｌは光の経路長である。
【００３６】
更に、等式の自然対数をとることによって吸収度を求めることができる。すなわち、これは、
【００３７】
【数２】
【００３８】
として表すことができる。更に、２つのレーザ周波数ν１及びν２を用いて２つの離散的な分子遷移にアクセスする場合、モル比率Ｘｊ、すなわち化学種濃度、圧力Ｐ、及び経路長Ｌは消去されて、線形ψは１になり、
【００３９】
【数３】
【００４０】
が残るので、統合吸収度の比は温度だけの関数となる。
【００４１】
例えば、６８６２及び６６７３ｃｍ−１周波数にわたるガスタービン１０の排出ガス中の水の分子遷移がスキャンされる場合、結果として得られる光学ビーム５６の吸収分布は、光学ビーム５６が通過したポイントでの排出ガスの温度計算に必要なデータを提供することができる。すなわち、例えば、タービンエンジン１０の排出口１６における水の遷移などの測定される遷移は、排気口１６の所与の位置における排出ガスの温度検出用に監視することができる。更に、排出ガスの温度は、例えば、ワークステーション４６のモニタ上に提示することができる。例えば、ワークステーション４６上に排出口１６における排出ガスの温度を提示するのに、画像再構成技術を利用することができ、該画像再構成技術は、上述のグリッドにおける光学ビーム５６の測定される光吸収に基づくことができる。
【００４２】
図６で分かるように、イメージング器具３８が光学送信位置５２及び光学受信位置５４を有して示されており、光学ビーム５６は、グリッド７０を形成するタイル線６８で表されたイメージング器具内のタイル６６（すなわち領域）を含み、該グリッドは、ガスタービンエンジン１０の排気口１６内の温度を測定するよう動作することができる。再構成される温度分布の忠実度は、各タイル６６におけるビームの位置及び相対間隔に依存することができる。すなわち、ビーム５６の密度が高い場所のタイル６６は、より良好な温度分解能を有し、少数のビーム５６が存在する場所の空きスペースは、正確度の不確実性が高いことを具現化することになる。これらのタイル６６は、各ビーム５６からの吸収を、例えばコンバータ４４のプロセッサによって決定付けることができるセクタとすることができる。これらの決定の結果は、例えば、イメージングシステムを介してワークステーション４６のディスプレイにマッピングすることができる。イメージングシステムは、例えば、ワークステーション４６内に配置することができる。或いは、イメージングシステムは、コンバータ４４のプロセッサを含むことができる。イメージングシステムの位置とは関係なく、１つ又はそれ以上の画像再構成アルゴリズムを利用するような、画像再構成技術をメージングシステムが利用して、排気口１６における温度分布の代表的画像を生成することができる。吸収レベル、これから導出される排気口温度、及びその後に続く結果のマッピングの決定に使用される、１つのこのようなアルゴリズムを以下で説明する。
【００４３】
画像再構成アルゴリズム及びレーザメッシュ幾何形状、すなわちタイル６６のサイズの選択は、例えば、イメージングシステムにより生成される最終温度画像の忠実性に直接的な影響を及ぼすことができる。図示のように、図６は、タービン排気口１６内で画像化される複数のセクタ、すなわちタイル６６を含む。破線は光学ビーム５６を表し、多角区域を形成する実線は、各ビームからの吸収がマッピングされることになるタイル６６を表している。従って、例えば、ｎ個の光学ビーム５６とｍ個のタイル６６とが存在することができ、１つの実施形態では、ｎはｍよりも大きい。光学ビーム５６とタイル６６との関係は、次式で表すことができる。
［Ｐ］ｎ ＝ ｜｜Ｂ｜｜ｎ，ｍ ［Ｒ］ｍ［Ｐ］
ここで、［Ｐ］はｎ個のビーム全ての吸収度Ａ（上で記載したような）を表すベクトル、［Ｒ］は、ｍ個のタイル６６の吸収度値のベクトルである。｜｜Ｂ｜｜ｎ，ｍは、各ビーム５６の吸収度を特定のタイル６６にマッピングするのに用いることができる、ｎ×ｍの重み値又は基底関数である。例えば、一様、ガウス、又は３次スプライン加重関数など、様々な加重関数を利用して、マッピングされた吸収度に対するタイル６６内の種々の位置でのビーム５６の影響を調整することができる。
【００４４】
所与のタイル６６内の吸収度を計算するために、最小二乗手法を利用することができ、次式となる。
［Ｒ］ｎ ＝ （｜｜Ｂ｜｜Ｔ｜｜Ｂ｜｜）-１ ［Ｐ］ｍ
次いで、この吸収度をイメージングシステムが利用して、例えば、上記の最小二乗法により求められた吸収度に基づいて、グリッド７０の各タイル６６についての温度を表す画像を生成することができる。従って、タイル６６内のビーム５６の数は、温度画像全体としてワークステーション４６上に表示するためイメージングシステムによって生成される温度画像に影響を及ぼす可能性がある。すなわち、排出面における実際の温度の最大及び／又は最小の場所は、各ビーム５６の位置に基づくことができる。従って、ビーム５６は、ビーム５６の位置決めを温度測定に最適化することができるように、タービンエンジン１０の状態の先験的認識を用いて最初に位置付けることができる。
【００４５】
本発明の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。従って、本発明の真の精神の範囲内にあるこのような修正形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。
【符号の説明】
【００４６】
１０ ガスタービンエンジン
１２ 燃焼器
１４ タービン
１６ 排出口
１８ 駆動シャフト
２０ 圧縮機
２２ 吸気口
２４ 負荷
２６ 排気測定システム
２８ レーザコントローラ
３０ 第１のレーザ
３２ 第２のレーザ
３４ マルチプレクサ
３６ 拡張スイッチ
３８ イメージング器具
４０ 集約スイッチ
４２ 検出器
４４ コンバータ
４６ ワークステーション
４８ 内径
５０ 外径
５２ 送信位置
５４ 受信位置
５６ 光学ビーム
５８ 送信コリメータ
６０ 受信コリメータ
６２Ａ 光ファイバーケーブル
６２Ｂ 光ファイバーケーブル
６４Ａ プリズム
６４Ｂ プリズム
６６ タイル
６８ タイル線
７０ グリッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの効率的監視システム（２６）であって、
特定周波数で光を伝送するよう適合されたレーザ（３０）と、
吸収光として光を伝送するよう適合された第１の側部（５０）と、前記吸収光を受け取るように適合された第２の側部（４８）とを含む器具（３８）と、
前記受け取った吸収光に基づいてエンジン（１０）の状態を解析するように適合されたプロセッサ（４４）と、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記レーザ（３０）が波長可変ダイオードレーザである、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
第２の特定周波数で光を伝送するよう適合された第２のレーザ（３２）を備える、
請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
光を受け取り、該光を前記第１の側部（５０）に逐次的に加えるように適合されたスイッチ（３６）を備える、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の側部（５０）が、前記光を吸収光として伝送するよう適合された複数の送信位置（５２）を含む、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記複数の送信位置（５２）の各々がコリメータ（５８）を含む、
請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
各コリメータ（５８）がシリカプリズム（６０Ａ）を含む、
請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第２の側部（４８）が、前記吸収光を受け取るように適合された複数の受信位置（５４）を含む、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記複数の受信位置（５４）の各々がコリメータ（６０）を含む、
請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記各コリメータ（６０）がシリカプリズム（６２Ｂ）を含む、
請求項６に記載のシステム。
【請求項１】
エンジンの効率的監視システム（２６）であって、
特定周波数で光を伝送するよう適合されたレーザ（３０）と、
吸収光として光を伝送するよう適合された第１の側部（５０）と、前記吸収光を受け取るように適合された第２の側部（４８）とを含む器具（３８）と、
前記受け取った吸収光に基づいてエンジン（１０）の状態を解析するように適合されたプロセッサ（４４）と、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記レーザ（３０）が波長可変ダイオードレーザである、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
第２の特定周波数で光を伝送するよう適合された第２のレーザ（３２）を備える、
請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
光を受け取り、該光を前記第１の側部（５０）に逐次的に加えるように適合されたスイッチ（３６）を備える、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の側部（５０）が、前記光を吸収光として伝送するよう適合された複数の送信位置（５２）を含む、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記複数の送信位置（５２）の各々がコリメータ（５８）を含む、
請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
各コリメータ（５８）がシリカプリズム（６０Ａ）を含む、
請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第２の側部（４８）が、前記吸収光を受け取るように適合された複数の受信位置（５４）を含む、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記複数の受信位置（５４）の各々がコリメータ（６０）を含む、
請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記各コリメータ（６０）がシリカプリズム（６２Ｂ）を含む、
請求項６に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２５５６３５（Ｐ２０１０−２５５６３５Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９８３６０（Ｐ２０１０−９８３６０）
【出願日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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