JP2010117360A - 補正した空気流量の直接的非貫入型測定のためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザーベースのセンサシステム30が、ガスが通過するダクト26に用いられる。センサシステムは、ビームを放出し検知する、二対又はそれ以上の対の光電子放出器/光検知器42、44、50、52を備える。ダクトを通過するガスの性状によって生じるレーザーセンサと関連したビームのスペクトル変化が、密度を含む既知のガスの物理的特性と対照される。この情報並びにガスの流速とダクト内の温度は、プログラムされた処理ユニット38で分析され処理される。処理ユニットは、検知されたビームから直接又は間接的に得られた情報から、補正したガス流量値を計算するようにプログラムされている。
【選択図】図2
Description
θ=TT/T0 … 式2
δ=PT/P0 … 式3
ここで、WCorrは、補正した空気流量、WPhysicalは、実際の、又は観測した空気流量、T0とP0はそれぞれ、海面での静温度と静圧についての基準日の一定値である。さらに、TTとPTはそれぞれ、よどみ点温度とよどみ点圧力である。よどみ点測定は、空気流の中に軸方向に貫入して位置決めされた検知機構を備えた従来の測定装置によってなされる。静温度と静圧についての測定は、空気流に対して直交して、及び空気流から外れて行われる。静温度は、センサシステム30に加えて、発生器34と実質的に等価な第2ダイオードベースのレーザー発生器によって計算するのがよい。特に、隣接するスペクトルの吸収特徴の相対領域は、温度の変化に伴って変化する。センサシステム30を使用して静温度を計算するのに、所定の基準値についての測定値と既知の吸収特徴との比率を比較するのがよい。
PV=nRT … 式4
である。ここで、Pはガスの圧力、Vはガスの体積、nはガスのモル数、Rはガスの普遍定数、Tはガスの温度である。n/Vが本質的にガス密度であるので、理想気体法則は、物理的特性密度ρを用いて、次のように書き換えられる。
分析の目的が完全ガスであるとみなされる、ガスの等エントロピー流れについては、
PT/P=(TT/T)Y/(Y-1) … 式6
TT=v2/(2CP)+T … 式7
である。PとTはそれぞれ、所要の測定位置における静圧と静温度、Yはガスの比熱の比率、vは所要の位置での流速、そしてCPは温度に関してのエンタルピーの変化である。CPは、以下のように書き換えられる。
Yは温度に応じて変化するが、典型的なガスタービンエンジンの作動環境内での空気については、約1.40に等しく設定することができる。しかしながら、Yについての計算値又は概算値を式に代入してもよいことを理解すべきである。式7のCPに式8の右辺を代入すると、平均的なタービンエンジン作動環境に使用するのに適した式9が得られる。
式6を再整理し、式5の右辺を式6に代入し、上述のようにYを1.4にすると、式10が得られる。
式2と式3を式1に適用し、TTに式9の右辺を、PTに式10の右辺を代入すると、式11が得られる。
式11により、例えば上述の方法でセンサシステム30を使用することによって、静温度測定値から補正した空気流量を計算することができる。式12は、従来のよどみ点温度測定方法を用いて物理的空気流量測定値から補正した空気流量を求めるための別の方法を提供する。
光検知器50/52から収集した情報からWCorrを求めるための方法にこれらの式を組み込むように、処理ユニット38をプログラムしてもよいことを、当業者は気付くであろう。
26 入口ダクト
30 レーザーベースのセンサ
34 ダイオードベースのレーザー発生器
36 レーザーコントローラ
38 中央処理ユニット
40 ビームスプリッタ
42 第1光電子放出器
44 第2光電子放出器
46 第1ビーム検知器ユニット
48 第2ビーム検知器ユニット
50 第1光検知器
52 第2光検知器
54 ガス流路
Claims (16)
- ダクト(26)を通過して移動するガスの物理的ガス流量値から、補正したガス流量値を得るための方法であって、
前記ダクト(26)の内部にレーザーベースのセンサ(30)を当てる段階と、
前記ガスの物理的ガス流量値WPhysicalを前記レーザーベースのセンサ(30)によって測定する段階と、
前記測定した物理的ガス流量値から補正したガス流量値WCorrを計算する段階と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記ダクト(26)の前記内部におけるよどみ点温度TT及びよどみ点圧力PTを測定する段階と、
基準日の温度T0と基準日の圧力P0を得る段階と、
θ=TT/T0とδ=PT/P0を定義する段階と、
式WCorr=WPhysical×(√θ/δ)によってWCorrを計算する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記レーザーベースのセンサ(30)を用いて、前記ダクト(26)の前記内部における静温度T、ガス密度ρ、及びガス流速vを測定する段階と、
基準日の温度T0と基準日の圧力P0を得る段階と、
式WCorr=WPhysical×(P0/√T0)×(T2.5/(ρR(v2/7R+T)3))
によってWCorrを計算する(ここで、Rは理想ガス定数)段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 従来のセンサシステムによって、前記ダクト(26)の前記内部におけるよどみ点温度TT、ガス密度ρ、及びガス流速vを測定する段階と、
基準日の温度T0と基準日の圧力P0を得る段階と、
式WCorr=WPhysical×(P0/√T0)×((TT−(v2/7R)2.5)/(ρRTT 3))によってWCorrを計算する(ここで、Rは理想ガス定数)段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記レーザーベースのセンサシステム(30)を前記ダクト(26)の前記内部に当てる前記段階が、
第1光電子放出器(42)を、前記ダクト(26)の前記内部の第1位置に配置する段階と、
第1光検知器(50)を、前記第1光電子放出器(42)と反対側でその上流側に或る角度をなし前記第1光電子放出器(42)と向き合うように前記ダクト(26)の前記内部の第2位置に配置する段階と、
第2光電子放出器(44)を、前記ダクト(26)の前記内部の前記第1光電子放出器(42)と同じ側でその上流側の第3位置に配置する段階と、
第2光検知器(52)を、前記第2光電子放出器(44)と反対側でその下流側に或る角度をなし前記第2光電子放出器(44)と向き合うように前記ダクト(26)の前記内部の第4位置に配置する段階と、
前記光電子放出器(42、44)及び前記光検知器(50、52)からの信号をガスの物理的パラメータに変換するようにプログラムされた中央処理ユニット(38)に、前記光電子放出器(42、44)及び前記光検知器(50、52)を接続する段階と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - WCorrを計算する前記段階が、前記第1光電子放出器(42)を介してガスの特性に関連する所定の周波数を有する第1ビームを生成し、前記第2光電子放出器(44)を介してガスの特性に関連する所定の周波数を有する第2ビームを生成するように前記処理ユニット(38)をプログラムする段階と、前記光検知器(50、52)から受信した光検知特性に基づきガスの吸収特徴を抽出する段階と、前記吸収特徴を数値的に特性化し、前記吸収特徴と関連した領域を積分する段階と、曲線の下の前記領域を積分した前記吸収特徴からガス密度ρを計算する段階と、を含むことを特徴とする請求項5に記載の方法。
- WCorrを計算する前記段階が、前記第1ビームと前記第2ビームの前記吸収特徴の差に関連したドップラーシフトを求める段階と、前記ドップラーシフトからガスの流速を計算する段階と、を更に含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記光電子放出器(42、44)と前記光検知器(50、52)が、前記ダクト(26)内のガス流に関して、前記ガス流に対する垂線から約10度〜約60度の範囲の角度をなして位置決めされていることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 前記光電子放出器(42、44)と前記光検知器(50、52)の前記角度が、前記ガス流に対する垂線から約45度であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- ガスタービンエンジン(10)のダクト(26)を通過して流れるガスの物理的ガス流量値WPhysicalを測定し、該WPhysicalから補正したガス流量値WCorrを計算するためのセンサシステム(30)であって、前記ダクト(26)の内部に固定され、前記ダクト(26)内を移動するガスの物理的パラメータと関連する特性を測定するレーザーベースのセンサ(40、44、50、52)と、前記センサ(42、44、50、52)の作動を制御し、前記センサ(42、44、50、52)から信号情報を受信し、WPhysicalとWCorrを計算するための、前記レーザーベースのセンサ(42、44、50、52)に結合された処理ユニット(38)と、を備えることを特徴とするセンサシステム(30)。
- 前記レーザーベースのセンサ(42、44、50、52)が、前記ダクト(26)の前記内部の第1位置に設けた第1光電子放出器(42)と、前記第1光電子放出器(42)と反対側でその上流側に或る角度をなし前記第1光電子放出器(42)と向き合うように前記ダクト(26)の前記内部の第2位置に設けた第1光検知器(50)と、前記ダクト(26)の前記内部の前記第1光電子放出器(42)と同じ側でその上流側の第3位置に設けた第2光電子放出器(44)と、前記第2光電子放出器(44)と反対側でその下流側に或る角度をなし前記第2光電子放出器(44)と向き合うように前記ダクト(26)の前記内部の第4位置に設けた第2光検知器(52)と、を備えることを特徴とする請求項10に記載のセンサシステム(30)。
- 前記光電子放出器(42、44)と前記光検知器(50、52)が、前記ダクト(26)の中のガス流に関して、前記ガス流に対する垂線から約10度〜約60度の角度で位置決めされていることを特徴とする請求項11に記載のセンサシステム(30)。
- 前記光電子放出器(42、44)と前記光検知器(50、52)の前記角度が、前記ガス流に対する垂線から約45度であることを特徴とする請求項12に記載のセンサシステム(30)。
- 前記処理ユニット(38)が、前記第1光電子放出器(42)を介してガスの特性と関連した所定の周波数を有する第1ビームを生成し、前記第2光電子放出器(44)を介してガスの特性と関連した所定の周波数を有する第2ビームを生成するようにプログラムされていることを特徴とする請求項13に記載のセンサシステム(30)。
- 前記処理ユニット(38)が、前記第1ビームと前記第2ビームの前記吸収特徴の差に関連したドップラーシフトを求め、次いで該ドップラーシフトからガスの流速を計算するようプログラムされていることを特徴とする請求項14に記載のセンサシステム(30)。
- 前記レーザーベースのセンサ(42、44、50、52)の作動周波数と異なる周波数で作動する第2レーザーベースのセンサ(32)を更に備え、前記処理ユニット(38)が、前記レーザーベースのセンサ(42、44、50、52)及び前記第2レーザーベースのセンサ(32)からの出力と関連した吸収特徴の比率を求め、前記比率と温度基準値とを比較し、静温度を計算するようにプログラムされていることを特徴とする請求項15に記載のセンサシステム(30)。
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