波長可変ダイオードレーザを用いたガスタービンの高温ガス温度測定
【課題】波長可変レーザを用いてガスタービン内の高温ガス温度を測定すること。
【解決手段】ガスタービン（１０）に装着された燃焼ガス測定装置であって、該測定装置が、ガスタービン（１０）内の燃焼ガス通路（３０）を通過するレーザビームを放出（１１０）する波長可変ダイオードレーザ（２２）と、１３３４ナノメートル（ｎｍ）の波長の第１のレーザビームと、１３８０ｎｍ又は１３９１ｎｍの波長の第２のレーザビームとを放出するよう波長調整（１００、１０２）される波長可変ダイオードレーザ用のコントローラ（２０）と、燃焼ガス（３０）を通過する放射線ビームの各々を検知（１００）し、波長の各々において燃焼ガスによるビームの吸収を示す吸収信号（１１２）を生成するレーザセンサ（２２）と、を備え、コントローラ（２０）が、非一時的な記憶媒体上に格納され、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの吸収信号の比に基づいて燃焼ガス温度を決定（１１４）するプログラムを実行する。
【解決手段】ガスタービン（１０）に装着された燃焼ガス測定装置であって、該測定装置が、ガスタービン（１０）内の燃焼ガス通路（３０）を通過するレーザビームを放出（１１０）する波長可変ダイオードレーザ（２２）と、１３３４ナノメートル（ｎｍ）の波長の第１のレーザビームと、１３８０ｎｍ又は１３９１ｎｍの波長の第２のレーザビームとを放出するよう波長調整（１００、１０２）される波長可変ダイオードレーザ用のコントローラ（２０）と、燃焼ガス（３０）を通過する放射線ビームの各々を検知（１００）し、波長の各々において燃焼ガスによるビームの吸収を示す吸収信号（１１２）を生成するレーザセンサ（２２）と、を備え、コントローラ（２０）が、非一時的な記憶媒体上に格納され、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの吸収信号の比に基づいて燃焼ガス温度を決定（１１４）するプログラムを実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変レーザを用いた高温ガス温度の決定に関し、より詳細には、ガスタービンにおける高圧燃焼ガス温度の決定に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの燃焼ガス温度は、正確に決定することが困難である。燃焼ガスは、極めて高温で、腐食性があり、乱流を生じ、高圧になる。燃焼ガス温度、例えば、タービン燃焼温度（Ｔfire）は、従来、排出ガス温度及び圧縮機吐出ガス圧力などの要因に基づいて推定されている。この燃焼ガス温度の推定は、ある一定のレベルの不確定性を有する。この不確定性を補償するために、燃焼ガス温度は、より大きな不確定性があることが分かっている場合には必要とされるよりも低い温度に設定される。
【０００３】
燃焼ガス温度は、ガスタービンの出力に影響を及ぼす。燃焼ガス温度が高くなると、出力は増大する。例えば、燃焼ガス温度（Ｔfire）が１０°Ｆ上昇すると、２００メガワット（２００ＭＷ）ガスタービンにおいて出力が１メガワット（１ＭＷ）増大することができる。不確定性レベルを低減すると、燃焼ガス温度を高くすることができ、これに対応してガスタービンの出力の増大をもたらす。
【０００４】
ガスタービンのガス温度を正確に決定するために、分光測定、例えばレーザ測定が提案されている。国際特許出願ＷＯ２００７／０１４９６０では、温度測定装置により、ガスタービンの燃焼ガス流中の酸素に対応する波長のレーザ光の吸収を測定することを記載している。米国特許出願公開２００８／０２８９３４２では、ガスタービンのガス流中の酸素に対応するレーザ光波長の吸収を測定することによって燃焼温度を決定することを記載している。
【０００５】
燃焼ガスに起因する吸収を測定するレーザ波長は、ガス温度の算出精度を最適にするよう選択すべきである。吸収が測定される波長は、従来では、ガス中の化学種の温度依存性遷移に対応するように選択されている。燃焼ガス化学種の温度依存性遷移に起因して吸収が生じる利用可能な波長は複数存在する。吸収線強度データを取得してガスタービンの燃焼ガス温度を正確に算出するため、レーザ吸収が測定されることになる波長のペアを選択する方法が必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７０７５６５３号明細書
【発明の概要】
【０００７】
ガスタービン内の燃焼温度又は他の高温ガス温度を正確に測定するシステム及び方法を開発した。波長可変ダイオードレーザは、ガスタービンを流れる燃焼ガスにレーザビームを配向する。放射線センサは、近赤外域における水蒸気倍音遷移のペアに相当する波長で生じる放射線吸収を測定する。燃焼ガスの温度は、これら２つの波長での測定吸収の比に基づいて算出される。波長のペアは、相対的に離隔され、隣接する波長での近隣の強い吸収線が無い。吸収強度線が離隔され、隣接線が存在しないことにより、ガスタービンにおいて高圧で生じる吸収強度の隣接強度線の併合が回避される。
【０００８】
ガスタービンに装着された燃焼ガス測定装置は、ガスタービン内の燃焼ガス通路を通過する放射線ビームを生成する波長可変レーザと、ガスの燃焼化学種の温度依存性遷移に対応する少なくとも第１の選択波長及び第２の選択波長を有し、第１の選択波長及び第２の選択波長が近隣波長の吸収ピークに近接していない放射線を放出するようレーザを波長調整する波長可変レーザ用コントローラと、燃焼ガスを通過する放射線ビームを検知し、第１の選択波長及び第２の選択波長の各々において燃焼ガスによるビームの吸収を示す吸収信号を生成する検出器と、非一時的な記憶媒体上に格納され、第１の選択波長及び第２の選択波長の吸収信号の比に基づいて燃焼ガス温度を決定するプログラムを実行するプロセッサと、を備える。
【０００９】
ガスタービンに装着された燃焼ガス測定装置は、ガスタービン内の燃焼ガス通路を通過するレーザビームを放出する波長可変ダイオードレーザと、１３３４ナノメートル（ｎｍ）の波長の第１のレーザビームと、１３８０ｎｍ又は１３９１ｎｍの波長の第２のレーザビームとを放出するよう波長調整される波長可変ダイオードレーザ用のコントローラと、燃焼ガスを通過する放射線ビームの各々を検知し、波長の各々において燃焼ガスによるビームの吸収を示す吸収信号を生成するレーザセンサと、非一時的な記憶媒体上に格納され、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの吸収信号の比に基づいて燃焼ガス温度を決定するプログラムを実行するプロセッサと、を備える。
【００１０】
高圧環境において燃焼ガス温度を算出する方法であって、本方法は、燃焼ガス中の化学種の温度に関連する遷移に伴う強い強度線を識別する段階と、燃焼ガスの燃焼化学種の温度依存遷移に伴う強い強度線を識別する段階と、燃焼化学種に伴うものとして識別された強い強度線のうち、非近隣の強い強度線を有する第１及び第２の強い強度線を選択する段階と、各々が第１及び第２の強い強度線にそれぞれ関連する第１の波長及び第２の波長を識別する段階と、識別された第１及び第２の波長の各々で燃焼ガス通路を通るレーザビームを投影し、識別された第１及び第２の波長の各々での燃焼ガスによるビームの吸収に関するデータを収集する段階と、収集されたデータを用いて燃焼ガス温度を算出する段階と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ガスタービンの概略図。
【図２】図１に示すガスタービンの燃焼器とタービンとの間の接続部の断面図。
【図３】７２００／ｃｍ〜７２０７／ｃｍ波長の放射線周波数範囲における燃焼ガスによるレーザ放射線吸収を示すグラフ。
【図４】７２００／ｃｍ〜７２０７／ｃｍ波長の放射線周波数範囲における燃焼ガスによるレーザ放射線吸収を示すグラフ。
【図５】種々の波長の燃焼ガスによるレーザ吸収の線強度を示す例示的なグラフ。
【図６】種々の波長の燃焼ガスによるレーザ吸収の線強度を示す例示的なグラフ。
【図７】種々の波長の燃焼ガスによるレーザ吸収の線強度を示す例示的なグラフ。
【図８】種々の波長の燃焼ガスによるレーザ吸収の線強度を示す例示的なグラフ。
【図９】波長可変ダイオードレーザを用いて燃焼温度を決定する例示的な方法を示すプロセスチャート。
【図１０】波長可変ダイオードレーザを用いて燃焼温度を決定する例示的な方法を示すプロセスチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、圧縮機１２、燃焼缶１６を備えた燃焼器１４、及びタービン１８を有する産業用ガスタービンエンジン１０の概略図である。空気は、軸流圧縮機１２に流入し、該圧縮機が空気を加圧し、燃焼器を形成する燃焼缶１６の環状アレイに該空気を吐出する。空気及び燃料混合気が燃焼缶内で点火され、燃焼により形成された高温ガスがタービン１８に流れる。高温燃焼ガス１５は、第１段ステータブレードの環状アレイ及び第１段タービンバケットの環状アレイを越えて流れる。高温の燃焼ガス流が、環状アレイタービンバケットの列を越えて流れ、タービンバケットと、同様に圧縮機に接続された関連シャフトとを回転させる。タービンによる圧縮機の回転により、圧縮機が燃焼器への空気を加圧するようになる。
【００１３】
タービンに流入する高温燃焼ガスの温度は、従来、燃焼温度（Ｔfire）と呼ばれている。燃焼温度は、第１のステータの後縁及び第１のタービンバケットの前縁での燃焼ガス流路におけるような、タービンの仕事が開始される場所のガス温度として定義することができる。
【００１４】
コントローラ２０、例えば、非一時的な記憶媒体及びプロセッサを備えたコンピュータは、燃焼ガス温度を算出するのに使用されるレーザ及びセンサ組立体２２から波長吸収データを受け取る。コントローラは、算出燃焼ガス温度を用いて、燃料制御部２３及び圧縮機１２への入口ガイドベーンを調整するなどにより、ガスタービンを制御する。コントローラはまた、算出燃焼ガス温度を用いてガスタービンの性能に関するデータを出力する。
【００１５】
図２は、ステータの第１の列の後縁及びタービンバケットの第１の列の前縁に近接した、タービン１６への入口に対応するガスタービン１０の拡大断面図である。ガスタービン１０のケーシング２４は、従来、ガスタービンの内部構成要素（例えば、タービンバケット及びステータ）を検査するためにボロスコープを挿入するのに使用されるポート２６を有する。
【００１６】
ポート２６は、燃焼器からタービンに及びタービンを流れる燃焼ガスを監視するレーザ及びレーザセンサ組立体２２へのアクセスを可能にする。レーザ及びセンサ組立体２２は、ガスタービンのケーシング２４上、又はケーシング内に装着され、ボアホールポート２６を通って延びる。レーザ及びセンサ組立体２２のシャフト２８は、ケーシング上のポート２６の１つを通って、ガス流路３０の外周に延びる。
【００１７】
シャフト２８内には、シャフトの内側先端３２と、電子制御部及びレーザ及びセンサ組立体２２に付随する検知回路との間でレーザ光又は電気信号を伝達するための光路（例えば光ファイバ）又は電線がある。先端３２は、各々が電気信号線に接続されたレーザダイオード及びダイオードセンサを含むことができる。レーザダイオードは、燃焼ガス流路３０を通過する放射線３４のビームを投射する。ダイオードセンサは、ガス流路を通過した後のビーム３４を受け取り、ビームの強度（例えば強さ）を示す信号を生成する。
【００１８】
先端３２は、第１のステータ３８と第１のタービンバケット４０との間の狭いギャップと、該ギャップを通る流路の外周において整列することができる。レーザ光３４は、流路を通って半径方向内向きに放射され、流路に隣接する半径方向内向き面から反射して、先端３２において放射線検出器（例えば、光学センサ又は光ファイバ）に戻る。レーザ光３４は、タービンのシャフトから反射することができる。
【００１９】
レーザ光を反射するのではなく、シャフト２８のペアは、ガスタービンのケーシング２４上で軸方向に整列することができる異なるボアスコープポート２６に挿入され、各シャフトの先端３２がガス通路を通って延びる光線に沿うように位置決めすることができる。レーザ光３４は、第１の先端から投影され、光検出器又は光捕集装置、例えば光ファイバは他の先端にある。更に、複数のシャフト２８（又はシャフトのペア）は、異なるボアスコープポート又はガスタービンのケーシング内の他の開口を通って延び、ガス流路内の種々の位置のガス温度を監視することができる。
【００２０】
波長可変ダイオードレーザ及びセンサ組立体２２は、波長可変ダイオードレーザ光源、伝送（例えばビーム整形）光学装置、レーザビーム受信光学装置、及びフォトダイオードのような検出器を有する従来システムとすることができる。レーザダイオードは、波長特性全体にわたってレーザの放射線放出波長を水蒸気のような燃焼ガスの特定の燃焼化学種の吸収波長に変更するよう、電子回路及び組立体２２に関連するコンピュータコントローラによって調節される。
【００２１】
レーザからの放射線放出の吸収は、レーザビームの強度を低下させ、該強度の低下は検出器により測定される。検出器は、レーザにより放出される波長の放射線の吸収量を示す線強度信号を生成する。線強度信号は、コンピュータ２０又は他の処理ユニットに出力され、これらが信号を用いて燃焼ガスオン温度を決定する。コンピュータ２０は、レーザ組立体２２内のレーザを調整するコンピュータとは分離することができ、又は組み合わせることもできる。
【００２２】
波長可変ダイオードレーザは、出力放射線の周波数をスペクトラムの紫外線域、可視域、及び赤外域の一部又は全部にわたって調整できるレーザである。波長可変ダイオードレーザは、調整が実施されることになる波長範囲に基づいて選択することができる。ダイオードレーザの典型的な実施例は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ（９００ｎｍから１．６μｍにわたって波長変更可能）及びＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＡｓＰ（１．６μｍから２．２μｍにわたって波長変更可能）である。ダイオードレーザは、これらの温度又はレーザの媒体中のガスに注入される注入電流密度を調節することにより波長を調整することができる。
【００２３】
レーザ及びセンサ組立体２２の光センサは、従来の吸収分光技術を用いて、レーザが波長調整されたときに放出される種々の波長の放射線吸収を測定する。レーザ放射線、例えば、光が燃焼ガスを通過すると、ガス中の燃焼化学種が特定の波長の放射線を吸収する。更に、ガスの温度が発生する吸収量に影響を及ぼす。
【００２４】
選択波長のレーザ放射吸収を測定することにより、燃焼ガスの温度の算出に有効なデータが提供される。詳細には、ガスの温度は、各々がガス成分（化学種）の温度依存性遷移に対応する、２つの波長で測定されるレーザ放射線の吸収比から推測することができる。
【００２５】
レーザ放射線の選択波長は、燃焼ガス内で発生する水蒸気遷移の波長に対応する。線強度は、ガスタービンを流れる加圧燃焼ガスを通るレーザ放射線に基づいたこれら２つの選択波長で測定される。吸収線強度は、レーザダイオードが波長調整されて選択波長の各々で代替的に放射するときに実質的に同時に２つの選択波長を測定する。
【００２６】
２つの吸収線強度の比を従来手法で使用して、燃焼ガスの温度比を算出する。波長可変ダイオードレーザ吸光分光（ＴＤＬＡＳ）技法を用いて、吸収線強度を測定して燃焼ガス温度を算出することができる。詳細には、波長は、近赤外域における水蒸気倍音遷移に相当するよう選択される。燃焼ガスの温度は、２つの水蒸気倍音遷移に対応する波長の測定吸収比に基づいて算出することができる。
【００２７】
燃焼ガスの決定のために吸収が測定される波長は、水蒸気による吸収に対応し、吸収がピークに達する波長近傍にはないように選択される。他の吸収ピーク波長から離れた波長を選択することにより、ガス圧力が増大したときに選択波長が近隣の吸収ピークと確実に併合されないようにする。
【００２８】
ガスタービンなどの内燃（ＩＣ）エンジンの用途では、可変の圧力広がり（衝突広がり）は、吸収測定を複雑にし、吸収遷移と近隣の遷移との可変の重なり度をもたらす。典型的な水蒸気遷移の衝突広がりは、γairが３００Ｋにて約０．０５ｃｍ-1／ａｔｍである。候補レーザ波長が、２．５ｃｍ-1内に近隣遷移を有する場合、ＩＣ内の高い燃焼圧で有意な重なり合いが存在することになる。重なり度（干渉）は、エンジンのＰ／Ｔサイクル中の相対線強度に依存する。最も簡単な線選択プロセスは、２．５ｃｍ-1内に最近傍が存在しない線だけを保持することになる。
【００２９】
図３及び図４は、７２００／ｃｍ〜７２０７／ｃｍ波長の放射線周波数範囲における燃焼ガスによるレーザ放射線吸収を示すグラフである。図３に示すように、強い吸収線（ピーク）が７２０４／ｃｍ（１３８８ナノメートル（ｎｍ）の波長に相当）で発生し、直ぐ近くの小さな線が、ガス圧が１０気圧（ＡＴＭ）であるときに７２０５／ｃｍで生じる。図４は、ガス圧が３０ＡＴＭまで上昇すると、２つの吸収線が拡散し併合することを示している。ガス圧が上昇したときの吸収線の併合は、吸収線のうちの１つに起因する吸収の測定精度を低下させる。
【００３０】
ガスタービンにおける典型的なＴfire測定では、燃焼圧は約１５気圧（１５ａｔｍ）である。典型的な水蒸気遷移の衝突広がりは、３００Ｋで約０．０５ｃｍ-1／ａｔｍのγairである。１５ａｔｍでは、水蒸気遷移における半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０．７５ｃｍ-1だけ変化する。これは、高圧での線の何らかの併合につながることはない。
【００３１】
図５及び図６は、種々の波長の燃焼ガスによるレーザ吸収の線強度を示す例示的なグラフである。ガスの圧力は、図５及び６に示す実施例においては１気圧（ａｔｍ）である。図５は、波長７４９５／ｃｍ（１３３４ｎｍ）及び温度２０００ケルビン（１７２７℃及び３１４０．６°Ｆ）での強い線の吸収を示している。７４９０／ｃｍ〜７５１５／ｃｍの範囲において吸収線を有する近隣の波長が存在しない。図６は、７２４３／ｃｍ（１３８０ｎｍ）の波長での強い線の吸収を示す。
【００３２】
波長ペア（ｉ）７４９５／ｃｍ（１３３４ｎｍ）及び７２４３／ｃｍ（１３８０ｎｍ）、と（ｉｉ）７４９５／ｃｍ及び７１８５／ｃｍ（１３９１ｎｍ）は、近赤外における水蒸気倍音遷移に相当し、干渉を引き起こすような近隣する吸収線が無い。
【００３３】
図５は、周囲温度（２９６Ｋ）において無視できる線強度を示しており、これは、周囲温度が燃焼ガスの温度算出に影響を及ぼす干渉又は雑音を生じないことを表している。図７に示すように、１３３ｎｍ波長での吸収の線強度は、温度と共に増大する。
【００３４】
図６は、波長７２４３／ｃｍ、周囲温度（２９６Ｋ）で強い吸収線強度を示し、温度２０００Ｋにて通常線強度を示している。７２４３／ｃｍ（１３８０ｎｍ）波長での吸収は、温度に反比例する。
【００３５】
温度依存性線強度［ｃｍ-2ａｔｍ-1］は、基準温度Ｔ０における既知の線強度の項で表すことができる。
【００３６】
【数１】
式中、Ｑ（Ｔ）は分子分配関数、ｈ［Ｊｓｅｃ］はプランク定数、ｃ［ｃｍ／ｓ］は光の速度、ｋ［Ｊ／Ｋ］はボルツマン定数、及びＥ”［ｃｍ-1］は低エネルギー状態である。
【００３７】
温度は、２つの異なる温度依存性遷移の積分吸収の測定比から推測することができる。
【００３８】
【数２】
式中、Ｐａｂｓ［ａｔｍ］は吸収化学種の分圧、φν［ｃｍ］は特定遷移の線形関数、Ｓ（Ｔ０，νｉ）はνｉ［ｃｍ-1］を中心とする遷移の線強度、基準温度Ｔ０では、Ｅ”［ｃｍ-1］は低エネルギー状態、Ｔはガス温度［Ｋ］である。
【００３９】
温度に対する上記比の相対感度は、次式で得られる。
【００４０】
【数３】
この式から、高い温度感度を有するには低状態差の大きな線ペアが望ましいことが分かる。
【００４１】
図５及び６に示す実施例では、感度（σ）は、１５００Ｋ〜２０００Ｋ（２２４０°Ｆ〜３１４０°Ｆ）の温度範囲で５．７１である。
【００４２】
高レベルの感度は、波長１３３４ｎｍ及び１３８０ｎｍのペアを用いて行った温度測定のペアの精度が約０．３５％であることを示し、これは２５００°Ｆでわずか９°Ｆの誤差に相当する。
【００４３】
図７（図５と同じ）及び図８は、種々の波長の燃焼ガスによるレーザ吸収の線強度を示す例示的なグラフである。図７は、波長７４９５／ｃｍ（１３３４ｎｍ）及び温度２０００ケルビン（Ｋ）（１７２７℃及び３１４０．６°Ｆ）での強い吸収線を示している。７４９０／ｃｍ〜７５１５／ｃｍの範囲の吸収線を有する近隣波長は存在しない。図８は、７１８５／ｃｍ（１３９１ｎｍ）の波長での強い吸収線を示している。
【００４４】
図８において７１８５ｃｍ-1付近に別の吸収線があるが、この他の線の線強度は小さい。温度の測定を確実にするための基準は、２つの遷移が同様の信号対雑音比（ＳＮＲ）を有することである。最小検出可能吸収度が２Ｅ−４及びＳＮＲが１０とすると、ピーク吸収度は２Ｅ−３よりも大きくなければならない。圧力１５気圧及び経路長１ｃｍとすると、図８の７１８５ｃｍ-1（圧力広がりを有する）での線は、温度測定の精度にあまり影響を及ぼさない。
【００４５】
図８は、周囲温度（２９６Ｋ）での波長７１８５／ｃｍ（１３９１ｎｍ）で強い吸収線強度と、温度２０００Ｋで通常線強度とを示している。７１８５／ｃｍ（１３９１ｎｍ）波長での吸収は、温度に反比例する。
【００４６】
図７及び８に示す実施例では、感度（σ）は、１５００Ｋ〜２０００Ｋ（２２４０°Ｆ〜３１４０°Ｆ）の温度範囲で３．９１である。高レベルの感度は、波長１３３４ｎｍ及び１３８０ｎｍのペアを用いて行った温度測定の精度が２５００°Ｆで１５°Ｆ以内であることを示している。
【００４７】
レーザ及びセンサ組立体２２におけるダイオードレーザは、燃焼ガスにより吸収される波長に相当しない第３の波長（例えば、６３５ｎｍ）に調整することができる。第３の波長で検出される線強度信号は、レーザ及びセンサ組立体２２内の光学装置の透過率を示す基準、及びレーザビームを組立体２２の先端２２における検出器に反射して戻すのに使用されるタービンシャフト又は他の表面の反射率を示す基準として用いることができる。
【００４８】
図９及び１０は、燃焼温度の測定のために波長可変レーザシステムを設定して燃焼温度を測定する例示的な方法のフローチャートである。燃焼温度の測定する方法の一部は、プロセッサ又は図２に示すコンピュータ２７がアクセス可能な非一時的な記憶媒体上に格納されたコンピュータプログラム内の命令として具現化することができる。
【００４９】
ステップ１００において、同じか又は実質的に同様の燃焼ガスを試験して、燃焼ガス、例えば、燃焼化学種により吸収される放射線の波長を識別する。燃焼ガスは、例えば、１気圧（ＡＴＭ）などの低圧で、或いは、圧縮機吐出圧力と同様の圧力、例えば２０ＡＴＭ〜３０ＡＴＭで試験することができる。低圧で試験することにより、高圧にて生じやすい吸収強度線の併合が回避される。吸収線は、実験室の燃焼室において識別することができる。波長可変ダイオードレーザを用いて、好適な波長範囲を走査し、燃焼ガス中の化学種により吸収が生じる波長に関するデータを取得することができる。
【００５０】
ステップ１０２において、ステップ１００で得られた吸収線強度に関するデータを評価し、燃焼ガス中の化学種に対応し且つ温度関連遷移を受ける強度の線を識別する。例えば、温度関連遷移を受ける燃焼ガスの化学種は、水蒸気及び酸素である。ガスタービンにおける燃焼、特に燃焼ガスの当業者は、データ中のどの吸収強度線が燃焼ガスの化学種の温度依存性遷移に対応するかを判定するのに十分な知識を有し、レーニングを受けているであろう。
【００５１】
ステップ１０４において、ステップ１０２で識別された強度の線から、同じ燃焼ガス化学種に関連する強度の線のグループ（例えば、ペア）を見つけ出す。ステップ１０６において、グループ内の強度の線を評価し、各線が近隣強度線を持たない線のペアを識別する。例えば、１３３４ｎｍと１３８０ｎｍ、及び１３３４ｎｍと１３９１ｎｍの波長のペアは、水蒸気の温度依存性遷移に起因した関連の吸収強度線を有し、近隣の強い吸収線が無い。
【００５２】
ステップ１０４において、ステップ１０２で識別されたどの強度線が近隣強度線から離れているかを判定する。ステップ１０４で識別された近隣強度線の無い強度線に対応する波長のペアは、燃焼ガスの温度を算出するために吸収が測定される波長のペアとして選択される。ステップ１０８において、強度線、特に温度依存性の強度線に関連していない波長を識別する。
【００５３】
ステップ１１０において、レーザ及びセンサ組立体をガスタービンに導入し、波長可変レーザダイオードがガスタービン内のガス通路を通ってビームを放出するようにする。レーザビームは、第１のステータと第１のタービンとの間のギャップを通過し、Ｔfire温度の位置から直接的に吸収データを収集することができる。
【００５４】
ステップ１１２において、ガスタービンの作動中に、レーザ及びセンサ組立体は、ガスタービンを通るレーザビームを投影することにより吸収データを収集し、レーザは、ステップ１０６で選択された波長に調整される。レーザの調整は、ステップ１０６及び１０８において選択した波長に一定期間毎に且つ迅速に波長を変更するように周期的に行うことができる。吸収データは、レーザ及び検出器組立体においてコントローラに関連する記憶媒体中に収集され格納される。ステップ１１４において、吸収データは、レーザ及び検出器組立体において又はガスタービン用のコントローラにおいて処理されて、ステップ１０６において識別された２つの波長で得られる線強度（吸収データ）の比に基づいて燃焼ガスを算出する。更に、レーザ及び検出器組立体は、燃焼ガスの化学種による吸収の無い強度信号の線を示す基準として、ステップ１０８において識別された波長で収集される吸収データを使用する。ガスタービンのコントローラは、算出した燃焼ガス温度を使用して、ガスタービンを制御し、ガスタービンの性能に関する報告を生成する。
【００５５】
現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００５６】
１０ ガスタービン１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ 燃焼缶
１８ タービン
２０ コントローラ
２２ レーザ及びレーザセンサ組立体
２３ 燃料コントローラ
２４ ガスタービンのケーシング
２６ ケーシング上のポート
２８ 組立体のシャフト
３０ ガス流路
３２ シャフトの先端
３４ レーザ光
３８ 第１のステータ
４０ 第１のタービンバケット
１００ 燃焼ガスを試験
１０２ 燃焼ガスの化学種の温度関連遷移に伴う強度線を識別する
１０４ 同じ化学種に伴う強度線のグループを見つけ出す
１０６ 近隣強度線の無いグループ内の強度線のペアを識別する
１０８ 強度線の無い波長を識別する
１１０ ガスタービン内のレーザ及びセンサ組立体を位置決めする
１１２ ガスタービンの運転からデータを収集する
１１４ ガス温度を算出する
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変レーザを用いた高温ガス温度の決定に関し、より詳細には、ガスタービンにおける高圧燃焼ガス温度の決定に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの燃焼ガス温度は、正確に決定することが困難である。燃焼ガスは、極めて高温で、腐食性があり、乱流を生じ、高圧になる。燃焼ガス温度、例えば、タービン燃焼温度（Ｔfire）は、従来、排出ガス温度及び圧縮機吐出ガス圧力などの要因に基づいて推定されている。この燃焼ガス温度の推定は、ある一定のレベルの不確定性を有する。この不確定性を補償するために、燃焼ガス温度は、より大きな不確定性があることが分かっている場合には必要とされるよりも低い温度に設定される。
【０００３】
燃焼ガス温度は、ガスタービンの出力に影響を及ぼす。燃焼ガス温度が高くなると、出力は増大する。例えば、燃焼ガス温度（Ｔfire）が１０°Ｆ上昇すると、２００メガワット（２００ＭＷ）ガスタービンにおいて出力が１メガワット（１ＭＷ）増大することができる。不確定性レベルを低減すると、燃焼ガス温度を高くすることができ、これに対応してガスタービンの出力の増大をもたらす。
【０００４】
ガスタービンのガス温度を正確に決定するために、分光測定、例えばレーザ測定が提案されている。国際特許出願ＷＯ２００７／０１４９６０では、温度測定装置により、ガスタービンの燃焼ガス流中の酸素に対応する波長のレーザ光の吸収を測定することを記載している。米国特許出願公開２００８／０２８９３４２では、ガスタービンのガス流中の酸素に対応するレーザ光波長の吸収を測定することによって燃焼温度を決定することを記載している。
【０００５】
燃焼ガスに起因する吸収を測定するレーザ波長は、ガス温度の算出精度を最適にするよう選択すべきである。吸収が測定される波長は、従来では、ガス中の化学種の温度依存性遷移に対応するように選択されている。燃焼ガス化学種の温度依存性遷移に起因して吸収が生じる利用可能な波長は複数存在する。吸収線強度データを取得してガスタービンの燃焼ガス温度を正確に算出するため、レーザ吸収が測定されることになる波長のペアを選択する方法が必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７０７５６５３号明細書
【発明の概要】
【０００７】
ガスタービン内の燃焼温度又は他の高温ガス温度を正確に測定するシステム及び方法を開発した。波長可変ダイオードレーザは、ガスタービンを流れる燃焼ガスにレーザビームを配向する。放射線センサは、近赤外域における水蒸気倍音遷移のペアに相当する波長で生じる放射線吸収を測定する。燃焼ガスの温度は、これら２つの波長での測定吸収の比に基づいて算出される。波長のペアは、相対的に離隔され、隣接する波長での近隣の強い吸収線が無い。吸収強度線が離隔され、隣接線が存在しないことにより、ガスタービンにおいて高圧で生じる吸収強度の隣接強度線の併合が回避される。
【０００８】
ガスタービンに装着された燃焼ガス測定装置は、ガスタービン内の燃焼ガス通路を通過する放射線ビームを生成する波長可変レーザと、ガスの燃焼化学種の温度依存性遷移に対応する少なくとも第１の選択波長及び第２の選択波長を有し、第１の選択波長及び第２の選択波長が近隣波長の吸収ピークに近接していない放射線を放出するようレーザを波長調整する波長可変レーザ用コントローラと、燃焼ガスを通過する放射線ビームを検知し、第１の選択波長及び第２の選択波長の各々において燃焼ガスによるビームの吸収を示す吸収信号を生成する検出器と、非一時的な記憶媒体上に格納され、第１の選択波長及び第２の選択波長の吸収信号の比に基づいて燃焼ガス温度を決定するプログラムを実行するプロセッサと、を備える。
【０００９】
ガスタービンに装着された燃焼ガス測定装置は、ガスタービン内の燃焼ガス通路を通過するレーザビームを放出する波長可変ダイオードレーザと、１３３４ナノメートル（ｎｍ）の波長の第１のレーザビームと、１３８０ｎｍ又は１３９１ｎｍの波長の第２のレーザビームとを放出するよう波長調整される波長可変ダイオードレーザ用のコントローラと、燃焼ガスを通過する放射線ビームの各々を検知し、波長の各々において燃焼ガスによるビームの吸収を示す吸収信号を生成するレーザセンサと、非一時的な記憶媒体上に格納され、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの吸収信号の比に基づいて燃焼ガス温度を決定するプログラムを実行するプロセッサと、を備える。
【００１０】
高圧環境において燃焼ガス温度を算出する方法であって、本方法は、燃焼ガス中の化学種の温度に関連する遷移に伴う強い強度線を識別する段階と、燃焼ガスの燃焼化学種の温度依存遷移に伴う強い強度線を識別する段階と、燃焼化学種に伴うものとして識別された強い強度線のうち、非近隣の強い強度線を有する第１及び第２の強い強度線を選択する段階と、各々が第１及び第２の強い強度線にそれぞれ関連する第１の波長及び第２の波長を識別する段階と、識別された第１及び第２の波長の各々で燃焼ガス通路を通るレーザビームを投影し、識別された第１及び第２の波長の各々での燃焼ガスによるビームの吸収に関するデータを収集する段階と、収集されたデータを用いて燃焼ガス温度を算出する段階と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ガスタービンの概略図。
【図２】図１に示すガスタービンの燃焼器とタービンとの間の接続部の断面図。
【図３】７２００／ｃｍ〜７２０７／ｃｍ波長の放射線周波数範囲における燃焼ガスによるレーザ放射線吸収を示すグラフ。
【図４】７２００／ｃｍ〜７２０７／ｃｍ波長の放射線周波数範囲における燃焼ガスによるレーザ放射線吸収を示すグラフ。
【図５】種々の波長の燃焼ガスによるレーザ吸収の線強度を示す例示的なグラフ。
【図６】種々の波長の燃焼ガスによるレーザ吸収の線強度を示す例示的なグラフ。
【図７】種々の波長の燃焼ガスによるレーザ吸収の線強度を示す例示的なグラフ。
【図８】種々の波長の燃焼ガスによるレーザ吸収の線強度を示す例示的なグラフ。
【図９】波長可変ダイオードレーザを用いて燃焼温度を決定する例示的な方法を示すプロセスチャート。
【図１０】波長可変ダイオードレーザを用いて燃焼温度を決定する例示的な方法を示すプロセスチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、圧縮機１２、燃焼缶１６を備えた燃焼器１４、及びタービン１８を有する産業用ガスタービンエンジン１０の概略図である。空気は、軸流圧縮機１２に流入し、該圧縮機が空気を加圧し、燃焼器を形成する燃焼缶１６の環状アレイに該空気を吐出する。空気及び燃料混合気が燃焼缶内で点火され、燃焼により形成された高温ガスがタービン１８に流れる。高温燃焼ガス１５は、第１段ステータブレードの環状アレイ及び第１段タービンバケットの環状アレイを越えて流れる。高温の燃焼ガス流が、環状アレイタービンバケットの列を越えて流れ、タービンバケットと、同様に圧縮機に接続された関連シャフトとを回転させる。タービンによる圧縮機の回転により、圧縮機が燃焼器への空気を加圧するようになる。
【００１３】
タービンに流入する高温燃焼ガスの温度は、従来、燃焼温度（Ｔfire）と呼ばれている。燃焼温度は、第１のステータの後縁及び第１のタービンバケットの前縁での燃焼ガス流路におけるような、タービンの仕事が開始される場所のガス温度として定義することができる。
【００１４】
コントローラ２０、例えば、非一時的な記憶媒体及びプロセッサを備えたコンピュータは、燃焼ガス温度を算出するのに使用されるレーザ及びセンサ組立体２２から波長吸収データを受け取る。コントローラは、算出燃焼ガス温度を用いて、燃料制御部２３及び圧縮機１２への入口ガイドベーンを調整するなどにより、ガスタービンを制御する。コントローラはまた、算出燃焼ガス温度を用いてガスタービンの性能に関するデータを出力する。
【００１５】
図２は、ステータの第１の列の後縁及びタービンバケットの第１の列の前縁に近接した、タービン１６への入口に対応するガスタービン１０の拡大断面図である。ガスタービン１０のケーシング２４は、従来、ガスタービンの内部構成要素（例えば、タービンバケット及びステータ）を検査するためにボロスコープを挿入するのに使用されるポート２６を有する。
【００１６】
ポート２６は、燃焼器からタービンに及びタービンを流れる燃焼ガスを監視するレーザ及びレーザセンサ組立体２２へのアクセスを可能にする。レーザ及びセンサ組立体２２は、ガスタービンのケーシング２４上、又はケーシング内に装着され、ボアホールポート２６を通って延びる。レーザ及びセンサ組立体２２のシャフト２８は、ケーシング上のポート２６の１つを通って、ガス流路３０の外周に延びる。
【００１７】
シャフト２８内には、シャフトの内側先端３２と、電子制御部及びレーザ及びセンサ組立体２２に付随する検知回路との間でレーザ光又は電気信号を伝達するための光路（例えば光ファイバ）又は電線がある。先端３２は、各々が電気信号線に接続されたレーザダイオード及びダイオードセンサを含むことができる。レーザダイオードは、燃焼ガス流路３０を通過する放射線３４のビームを投射する。ダイオードセンサは、ガス流路を通過した後のビーム３４を受け取り、ビームの強度（例えば強さ）を示す信号を生成する。
【００１８】
先端３２は、第１のステータ３８と第１のタービンバケット４０との間の狭いギャップと、該ギャップを通る流路の外周において整列することができる。レーザ光３４は、流路を通って半径方向内向きに放射され、流路に隣接する半径方向内向き面から反射して、先端３２において放射線検出器（例えば、光学センサ又は光ファイバ）に戻る。レーザ光３４は、タービンのシャフトから反射することができる。
【００１９】
レーザ光を反射するのではなく、シャフト２８のペアは、ガスタービンのケーシング２４上で軸方向に整列することができる異なるボアスコープポート２６に挿入され、各シャフトの先端３２がガス通路を通って延びる光線に沿うように位置決めすることができる。レーザ光３４は、第１の先端から投影され、光検出器又は光捕集装置、例えば光ファイバは他の先端にある。更に、複数のシャフト２８（又はシャフトのペア）は、異なるボアスコープポート又はガスタービンのケーシング内の他の開口を通って延び、ガス流路内の種々の位置のガス温度を監視することができる。
【００２０】
波長可変ダイオードレーザ及びセンサ組立体２２は、波長可変ダイオードレーザ光源、伝送（例えばビーム整形）光学装置、レーザビーム受信光学装置、及びフォトダイオードのような検出器を有する従来システムとすることができる。レーザダイオードは、波長特性全体にわたってレーザの放射線放出波長を水蒸気のような燃焼ガスの特定の燃焼化学種の吸収波長に変更するよう、電子回路及び組立体２２に関連するコンピュータコントローラによって調節される。
【００２１】
レーザからの放射線放出の吸収は、レーザビームの強度を低下させ、該強度の低下は検出器により測定される。検出器は、レーザにより放出される波長の放射線の吸収量を示す線強度信号を生成する。線強度信号は、コンピュータ２０又は他の処理ユニットに出力され、これらが信号を用いて燃焼ガスオン温度を決定する。コンピュータ２０は、レーザ組立体２２内のレーザを調整するコンピュータとは分離することができ、又は組み合わせることもできる。
【００２２】
波長可変ダイオードレーザは、出力放射線の周波数をスペクトラムの紫外線域、可視域、及び赤外域の一部又は全部にわたって調整できるレーザである。波長可変ダイオードレーザは、調整が実施されることになる波長範囲に基づいて選択することができる。ダイオードレーザの典型的な実施例は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ（９００ｎｍから１．６μｍにわたって波長変更可能）及びＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＡｓＰ（１．６μｍから２．２μｍにわたって波長変更可能）である。ダイオードレーザは、これらの温度又はレーザの媒体中のガスに注入される注入電流密度を調節することにより波長を調整することができる。
【００２３】
レーザ及びセンサ組立体２２の光センサは、従来の吸収分光技術を用いて、レーザが波長調整されたときに放出される種々の波長の放射線吸収を測定する。レーザ放射線、例えば、光が燃焼ガスを通過すると、ガス中の燃焼化学種が特定の波長の放射線を吸収する。更に、ガスの温度が発生する吸収量に影響を及ぼす。
【００２４】
選択波長のレーザ放射吸収を測定することにより、燃焼ガスの温度の算出に有効なデータが提供される。詳細には、ガスの温度は、各々がガス成分（化学種）の温度依存性遷移に対応する、２つの波長で測定されるレーザ放射線の吸収比から推測することができる。
【００２５】
レーザ放射線の選択波長は、燃焼ガス内で発生する水蒸気遷移の波長に対応する。線強度は、ガスタービンを流れる加圧燃焼ガスを通るレーザ放射線に基づいたこれら２つの選択波長で測定される。吸収線強度は、レーザダイオードが波長調整されて選択波長の各々で代替的に放射するときに実質的に同時に２つの選択波長を測定する。
【００２６】
２つの吸収線強度の比を従来手法で使用して、燃焼ガスの温度比を算出する。波長可変ダイオードレーザ吸光分光（ＴＤＬＡＳ）技法を用いて、吸収線強度を測定して燃焼ガス温度を算出することができる。詳細には、波長は、近赤外域における水蒸気倍音遷移に相当するよう選択される。燃焼ガスの温度は、２つの水蒸気倍音遷移に対応する波長の測定吸収比に基づいて算出することができる。
【００２７】
燃焼ガスの決定のために吸収が測定される波長は、水蒸気による吸収に対応し、吸収がピークに達する波長近傍にはないように選択される。他の吸収ピーク波長から離れた波長を選択することにより、ガス圧力が増大したときに選択波長が近隣の吸収ピークと確実に併合されないようにする。
【００２８】
ガスタービンなどの内燃（ＩＣ）エンジンの用途では、可変の圧力広がり（衝突広がり）は、吸収測定を複雑にし、吸収遷移と近隣の遷移との可変の重なり度をもたらす。典型的な水蒸気遷移の衝突広がりは、γairが３００Ｋにて約０．０５ｃｍ-1／ａｔｍである。候補レーザ波長が、２．５ｃｍ-1内に近隣遷移を有する場合、ＩＣ内の高い燃焼圧で有意な重なり合いが存在することになる。重なり度（干渉）は、エンジンのＰ／Ｔサイクル中の相対線強度に依存する。最も簡単な線選択プロセスは、２．５ｃｍ-1内に最近傍が存在しない線だけを保持することになる。
【００２９】
図３及び図４は、７２００／ｃｍ〜７２０７／ｃｍ波長の放射線周波数範囲における燃焼ガスによるレーザ放射線吸収を示すグラフである。図３に示すように、強い吸収線（ピーク）が７２０４／ｃｍ（１３８８ナノメートル（ｎｍ）の波長に相当）で発生し、直ぐ近くの小さな線が、ガス圧が１０気圧（ＡＴＭ）であるときに７２０５／ｃｍで生じる。図４は、ガス圧が３０ＡＴＭまで上昇すると、２つの吸収線が拡散し併合することを示している。ガス圧が上昇したときの吸収線の併合は、吸収線のうちの１つに起因する吸収の測定精度を低下させる。
【００３０】
ガスタービンにおける典型的なＴfire測定では、燃焼圧は約１５気圧（１５ａｔｍ）である。典型的な水蒸気遷移の衝突広がりは、３００Ｋで約０．０５ｃｍ-1／ａｔｍのγairである。１５ａｔｍでは、水蒸気遷移における半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０．７５ｃｍ-1だけ変化する。これは、高圧での線の何らかの併合につながることはない。
【００３１】
図５及び図６は、種々の波長の燃焼ガスによるレーザ吸収の線強度を示す例示的なグラフである。ガスの圧力は、図５及び６に示す実施例においては１気圧（ａｔｍ）である。図５は、波長７４９５／ｃｍ（１３３４ｎｍ）及び温度２０００ケルビン（１７２７℃及び３１４０．６°Ｆ）での強い線の吸収を示している。７４９０／ｃｍ〜７５１５／ｃｍの範囲において吸収線を有する近隣の波長が存在しない。図６は、７２４３／ｃｍ（１３８０ｎｍ）の波長での強い線の吸収を示す。
【００３２】
波長ペア（ｉ）７４９５／ｃｍ（１３３４ｎｍ）及び７２４３／ｃｍ（１３８０ｎｍ）、と（ｉｉ）７４９５／ｃｍ及び７１８５／ｃｍ（１３９１ｎｍ）は、近赤外における水蒸気倍音遷移に相当し、干渉を引き起こすような近隣する吸収線が無い。
【００３３】
図５は、周囲温度（２９６Ｋ）において無視できる線強度を示しており、これは、周囲温度が燃焼ガスの温度算出に影響を及ぼす干渉又は雑音を生じないことを表している。図７に示すように、１３３ｎｍ波長での吸収の線強度は、温度と共に増大する。
【００３４】
図６は、波長７２４３／ｃｍ、周囲温度（２９６Ｋ）で強い吸収線強度を示し、温度２０００Ｋにて通常線強度を示している。７２４３／ｃｍ（１３８０ｎｍ）波長での吸収は、温度に反比例する。
【００３５】
温度依存性線強度［ｃｍ-2ａｔｍ-1］は、基準温度Ｔ０における既知の線強度の項で表すことができる。
【００３６】
【数１】
式中、Ｑ（Ｔ）は分子分配関数、ｈ［Ｊｓｅｃ］はプランク定数、ｃ［ｃｍ／ｓ］は光の速度、ｋ［Ｊ／Ｋ］はボルツマン定数、及びＥ”［ｃｍ-1］は低エネルギー状態である。
【００３７】
温度は、２つの異なる温度依存性遷移の積分吸収の測定比から推測することができる。
【００３８】
【数２】
式中、Ｐａｂｓ［ａｔｍ］は吸収化学種の分圧、φν［ｃｍ］は特定遷移の線形関数、Ｓ（Ｔ０，νｉ）はνｉ［ｃｍ-1］を中心とする遷移の線強度、基準温度Ｔ０では、Ｅ”［ｃｍ-1］は低エネルギー状態、Ｔはガス温度［Ｋ］である。
【００３９】
温度に対する上記比の相対感度は、次式で得られる。
【００４０】
【数３】
この式から、高い温度感度を有するには低状態差の大きな線ペアが望ましいことが分かる。
【００４１】
図５及び６に示す実施例では、感度（σ）は、１５００Ｋ〜２０００Ｋ（２２４０°Ｆ〜３１４０°Ｆ）の温度範囲で５．７１である。
【００４２】
高レベルの感度は、波長１３３４ｎｍ及び１３８０ｎｍのペアを用いて行った温度測定のペアの精度が約０．３５％であることを示し、これは２５００°Ｆでわずか９°Ｆの誤差に相当する。
【００４３】
図７（図５と同じ）及び図８は、種々の波長の燃焼ガスによるレーザ吸収の線強度を示す例示的なグラフである。図７は、波長７４９５／ｃｍ（１３３４ｎｍ）及び温度２０００ケルビン（Ｋ）（１７２７℃及び３１４０．６°Ｆ）での強い吸収線を示している。７４９０／ｃｍ〜７５１５／ｃｍの範囲の吸収線を有する近隣波長は存在しない。図８は、７１８５／ｃｍ（１３９１ｎｍ）の波長での強い吸収線を示している。
【００４４】
図８において７１８５ｃｍ-1付近に別の吸収線があるが、この他の線の線強度は小さい。温度の測定を確実にするための基準は、２つの遷移が同様の信号対雑音比（ＳＮＲ）を有することである。最小検出可能吸収度が２Ｅ−４及びＳＮＲが１０とすると、ピーク吸収度は２Ｅ−３よりも大きくなければならない。圧力１５気圧及び経路長１ｃｍとすると、図８の７１８５ｃｍ-1（圧力広がりを有する）での線は、温度測定の精度にあまり影響を及ぼさない。
【００４５】
図８は、周囲温度（２９６Ｋ）での波長７１８５／ｃｍ（１３９１ｎｍ）で強い吸収線強度と、温度２０００Ｋで通常線強度とを示している。７１８５／ｃｍ（１３９１ｎｍ）波長での吸収は、温度に反比例する。
【００４６】
図７及び８に示す実施例では、感度（σ）は、１５００Ｋ〜２０００Ｋ（２２４０°Ｆ〜３１４０°Ｆ）の温度範囲で３．９１である。高レベルの感度は、波長１３３４ｎｍ及び１３８０ｎｍのペアを用いて行った温度測定の精度が２５００°Ｆで１５°Ｆ以内であることを示している。
【００４７】
レーザ及びセンサ組立体２２におけるダイオードレーザは、燃焼ガスにより吸収される波長に相当しない第３の波長（例えば、６３５ｎｍ）に調整することができる。第３の波長で検出される線強度信号は、レーザ及びセンサ組立体２２内の光学装置の透過率を示す基準、及びレーザビームを組立体２２の先端２２における検出器に反射して戻すのに使用されるタービンシャフト又は他の表面の反射率を示す基準として用いることができる。
【００４８】
図９及び１０は、燃焼温度の測定のために波長可変レーザシステムを設定して燃焼温度を測定する例示的な方法のフローチャートである。燃焼温度の測定する方法の一部は、プロセッサ又は図２に示すコンピュータ２７がアクセス可能な非一時的な記憶媒体上に格納されたコンピュータプログラム内の命令として具現化することができる。
【００４９】
ステップ１００において、同じか又は実質的に同様の燃焼ガスを試験して、燃焼ガス、例えば、燃焼化学種により吸収される放射線の波長を識別する。燃焼ガスは、例えば、１気圧（ＡＴＭ）などの低圧で、或いは、圧縮機吐出圧力と同様の圧力、例えば２０ＡＴＭ〜３０ＡＴＭで試験することができる。低圧で試験することにより、高圧にて生じやすい吸収強度線の併合が回避される。吸収線は、実験室の燃焼室において識別することができる。波長可変ダイオードレーザを用いて、好適な波長範囲を走査し、燃焼ガス中の化学種により吸収が生じる波長に関するデータを取得することができる。
【００５０】
ステップ１０２において、ステップ１００で得られた吸収線強度に関するデータを評価し、燃焼ガス中の化学種に対応し且つ温度関連遷移を受ける強度の線を識別する。例えば、温度関連遷移を受ける燃焼ガスの化学種は、水蒸気及び酸素である。ガスタービンにおける燃焼、特に燃焼ガスの当業者は、データ中のどの吸収強度線が燃焼ガスの化学種の温度依存性遷移に対応するかを判定するのに十分な知識を有し、レーニングを受けているであろう。
【００５１】
ステップ１０４において、ステップ１０２で識別された強度の線から、同じ燃焼ガス化学種に関連する強度の線のグループ（例えば、ペア）を見つけ出す。ステップ１０６において、グループ内の強度の線を評価し、各線が近隣強度線を持たない線のペアを識別する。例えば、１３３４ｎｍと１３８０ｎｍ、及び１３３４ｎｍと１３９１ｎｍの波長のペアは、水蒸気の温度依存性遷移に起因した関連の吸収強度線を有し、近隣の強い吸収線が無い。
【００５２】
ステップ１０４において、ステップ１０２で識別されたどの強度線が近隣強度線から離れているかを判定する。ステップ１０４で識別された近隣強度線の無い強度線に対応する波長のペアは、燃焼ガスの温度を算出するために吸収が測定される波長のペアとして選択される。ステップ１０８において、強度線、特に温度依存性の強度線に関連していない波長を識別する。
【００５３】
ステップ１１０において、レーザ及びセンサ組立体をガスタービンに導入し、波長可変レーザダイオードがガスタービン内のガス通路を通ってビームを放出するようにする。レーザビームは、第１のステータと第１のタービンとの間のギャップを通過し、Ｔfire温度の位置から直接的に吸収データを収集することができる。
【００５４】
ステップ１１２において、ガスタービンの作動中に、レーザ及びセンサ組立体は、ガスタービンを通るレーザビームを投影することにより吸収データを収集し、レーザは、ステップ１０６で選択された波長に調整される。レーザの調整は、ステップ１０６及び１０８において選択した波長に一定期間毎に且つ迅速に波長を変更するように周期的に行うことができる。吸収データは、レーザ及び検出器組立体においてコントローラに関連する記憶媒体中に収集され格納される。ステップ１１４において、吸収データは、レーザ及び検出器組立体において又はガスタービン用のコントローラにおいて処理されて、ステップ１０６において識別された２つの波長で得られる線強度（吸収データ）の比に基づいて燃焼ガスを算出する。更に、レーザ及び検出器組立体は、燃焼ガスの化学種による吸収の無い強度信号の線を示す基準として、ステップ１０８において識別された波長で収集される吸収データを使用する。ガスタービンのコントローラは、算出した燃焼ガス温度を使用して、ガスタービンを制御し、ガスタービンの性能に関する報告を生成する。
【００５５】
現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００５６】
１０ ガスタービン１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ 燃焼缶
１８ タービン
２０ コントローラ
２２ レーザ及びレーザセンサ組立体
２３ 燃料コントローラ
２４ ガスタービンのケーシング
２６ ケーシング上のポート
２８ 組立体のシャフト
３０ ガス流路
３２ シャフトの先端
３４ レーザ光
３８ 第１のステータ
４０ 第１のタービンバケット
１００ 燃焼ガスを試験
１０２ 燃焼ガスの化学種の温度関連遷移に伴う強度線を識別する
１０４ 同じ化学種に伴う強度線のグループを見つけ出す
１０６ 近隣強度線の無いグループ内の強度線のペアを識別する
１０８ 強度線の無い波長を識別する
１１０ ガスタービン内のレーザ及びセンサ組立体を位置決めする
１１２ ガスタービンの運転からデータを収集する
１１４ ガス温度を算出する
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン（１０）に装着された燃焼ガス測定装置であって、
前記ガスタービン（１０）内の燃焼ガス通路を通過する放射線ビーム（３４）を生成する波長可変レーザ（２２）と、
ガスの燃焼化学種の温度依存性遷移（１０２）に対応する少なくとも第１の選択波長及び第２の選択波長を有し、前記第１の選択波長及び第２の選択波長が近隣波長（１０４）の吸収ピークに近接していない放射線を放出するようレーザを波長調整（１００）する波長可変レーザ用コントローラ（２０）と、
前記燃焼ガスを通過する放射線ビームを検知（１００、１１２）し、前記第１の選択波長及び第２の選択波長の各々において前記燃焼ガスによるビームの吸収を示す吸収信号を生成する検出器（２２）と、
を備え、前記コントローラ（２０）が、非一時的な記憶媒体上に格納され、前記第１の選択波長及び第２の選択波長の吸収信号の比に基づいて燃焼ガス温度を決定（１１４）するプログラムを実行する、燃焼ガス測定装置。
【請求項２】
前記第１の選択波長が１３３４ナノメートル（ｎｍ）であり、前記第２の選択波長が１３８０ｎｍ又は１３９１ｎｍである、請求項１に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項３】
前記燃焼化学種が水蒸気である、請求項１に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項４】
前記波長可変レーザ（２２）は、放射線ビームが前記ガスタービンの第１のタービンステータ（３８）と第１のタービンバケット（４０）との間で前記ガス通路（３０）を通過するように前記ガスタービン（１０）内に装着される、請求項１に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項５】
前記波長可変レーザ（２２）が波長可変ダイオードレーザである、請求項１に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項６】
前記放射線ビームが、前記ガスタービンのタービン表面から反射される、請求項１に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項７】
ガスタービン（１０）に装着された燃焼ガス測定装置であって、
前記ガスタービン（１０）内の燃焼ガス通路（３０）を通過するレーザビームを放出（１１０）する波長可変ダイオードレーザ（２２）と、
１３３４ナノメートル（ｎｍ）の波長の第１のレーザビームと、１３８０ｎｍ又は１３９１ｎｍの波長の第２のレーザビームとを放出するよう波長調整（１００、１０２）される波長可変ダイオードレーザ用のコントローラ（２０）と、
前記燃焼ガス（３０）を通過する放射線ビームの各々を検知（１００）し、波長の各々において燃焼ガスによるビームの吸収を示す吸収信号（１１２）を生成するレーザセンサ（２２）と、
を備え、前記コントローラ（２０）が、非一時的な記憶媒体上に格納され、前記第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの吸収信号の比に基づいて燃焼ガス温度を決定（１１４）するプログラムを実行する、燃焼ガス測定装置。
【請求項８】
前記波長可変レーザ（２２）は、レーザビームが前記ガスタービンの第１のタービンステータ（３８）と第１のタービンバケット（４０）との間で前記ガス通路（３０）を通過するように前記ガスタービン内に装着される、請求項７に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項９】
前記放射線ビームが、前記ガスタービンのタービン表面から反射される、請求項７に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項１０】
高圧環境において燃焼ガス温度を算出する方法であって、
燃焼ガス（３０）中の化学種の温度に関連する遷移に伴う強い強度線を識別（１０２）する段階と、
前記燃焼ガスの燃焼化学種の温度依存遷移に伴う強い強度線を識別（１０４）する段階と、
前記燃焼化学種に伴うものとして識別された強い強度線のうち、非近隣の強い強度線を有する第１及び第２の強い強度線を選択（１０６）する段階と、
各々が前記第１及び第２の強い強度線にそれぞれ関連する第１の波長及び第２の波長を識別（１０８）する段階と、
前記識別された第１及び第２の波長の各々で燃焼ガス通路（３０）を通るレーザビームを投影（１１０）し、前記識別された第１及び第２の波長の各々での前記燃焼ガスによるビームの吸収に関するデータを収集（１１２）する段階と、
前記収集されたデータを用いて燃焼ガス温度を算出（１１４）する段階と、
を含む、方法。
【請求項１１】
前記第１の波長が１３３４ナノメートル（ｎｍ）であり、前記第２の波長が１３８０ｎｍ又は１３９１ｎｍである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記収集データを用いた前記燃焼ガス温度の算出（１１４）は、前記第１及び第２の波長での前記ビームの吸収の比を決定する段階を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃焼化学種が水蒸気である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記非近隣の強い強度線は、前記第１及び第２の選択波長と別の強い強度線との間に少なくとも２つの波長がある、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記レーザが波長可変ダイオードレーザである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１】
ガスタービン（１０）に装着された燃焼ガス測定装置であって、
前記ガスタービン（１０）内の燃焼ガス通路を通過する放射線ビーム（３４）を生成する波長可変レーザ（２２）と、
ガスの燃焼化学種の温度依存性遷移（１０２）に対応する少なくとも第１の選択波長及び第２の選択波長を有し、前記第１の選択波長及び第２の選択波長が近隣波長（１０４）の吸収ピークに近接していない放射線を放出するようレーザを波長調整（１００）する波長可変レーザ用コントローラ（２０）と、
前記燃焼ガスを通過する放射線ビームを検知（１００、１１２）し、前記第１の選択波長及び第２の選択波長の各々において前記燃焼ガスによるビームの吸収を示す吸収信号を生成する検出器（２２）と、
を備え、前記コントローラ（２０）が、非一時的な記憶媒体上に格納され、前記第１の選択波長及び第２の選択波長の吸収信号の比に基づいて燃焼ガス温度を決定（１１４）するプログラムを実行する、燃焼ガス測定装置。
【請求項２】
前記第１の選択波長が１３３４ナノメートル（ｎｍ）であり、前記第２の選択波長が１３８０ｎｍ又は１３９１ｎｍである、請求項１に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項３】
前記燃焼化学種が水蒸気である、請求項１に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項４】
前記波長可変レーザ（２２）は、放射線ビームが前記ガスタービンの第１のタービンステータ（３８）と第１のタービンバケット（４０）との間で前記ガス通路（３０）を通過するように前記ガスタービン（１０）内に装着される、請求項１に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項５】
前記波長可変レーザ（２２）が波長可変ダイオードレーザである、請求項１に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項６】
前記放射線ビームが、前記ガスタービンのタービン表面から反射される、請求項１に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項７】
ガスタービン（１０）に装着された燃焼ガス測定装置であって、
前記ガスタービン（１０）内の燃焼ガス通路（３０）を通過するレーザビームを放出（１１０）する波長可変ダイオードレーザ（２２）と、
１３３４ナノメートル（ｎｍ）の波長の第１のレーザビームと、１３８０ｎｍ又は１３９１ｎｍの波長の第２のレーザビームとを放出するよう波長調整（１００、１０２）される波長可変ダイオードレーザ用のコントローラ（２０）と、
前記燃焼ガス（３０）を通過する放射線ビームの各々を検知（１００）し、波長の各々において燃焼ガスによるビームの吸収を示す吸収信号（１１２）を生成するレーザセンサ（２２）と、
を備え、前記コントローラ（２０）が、非一時的な記憶媒体上に格納され、前記第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの吸収信号の比に基づいて燃焼ガス温度を決定（１１４）するプログラムを実行する、燃焼ガス測定装置。
【請求項８】
前記波長可変レーザ（２２）は、レーザビームが前記ガスタービンの第１のタービンステータ（３８）と第１のタービンバケット（４０）との間で前記ガス通路（３０）を通過するように前記ガスタービン内に装着される、請求項７に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項９】
前記放射線ビームが、前記ガスタービンのタービン表面から反射される、請求項７に記載の燃焼ガス測定装置。
【請求項１０】
高圧環境において燃焼ガス温度を算出する方法であって、
燃焼ガス（３０）中の化学種の温度に関連する遷移に伴う強い強度線を識別（１０２）する段階と、
前記燃焼ガスの燃焼化学種の温度依存遷移に伴う強い強度線を識別（１０４）する段階と、
前記燃焼化学種に伴うものとして識別された強い強度線のうち、非近隣の強い強度線を有する第１及び第２の強い強度線を選択（１０６）する段階と、
各々が前記第１及び第２の強い強度線にそれぞれ関連する第１の波長及び第２の波長を識別（１０８）する段階と、
前記識別された第１及び第２の波長の各々で燃焼ガス通路（３０）を通るレーザビームを投影（１１０）し、前記識別された第１及び第２の波長の各々での前記燃焼ガスによるビームの吸収に関するデータを収集（１１２）する段階と、
前記収集されたデータを用いて燃焼ガス温度を算出（１１４）する段階と、
を含む、方法。
【請求項１１】
前記第１の波長が１３３４ナノメートル（ｎｍ）であり、前記第２の波長が１３８０ｎｍ又は１３９１ｎｍである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記収集データを用いた前記燃焼ガス温度の算出（１１４）は、前記第１及び第２の波長での前記ビームの吸収の比を決定する段階を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃焼化学種が水蒸気である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記非近隣の強い強度線は、前記第１及び第２の選択波長と別の強い強度線との間に少なくとも２つの波長がある、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記レーザが波長可変ダイオードレーザである、請求項１０に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−５７６２３（Ｐ２０１２−５７６２３Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９８１２４（Ｐ２０１１−１９８１２４）
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１２日（２０１１．９．１２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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