JP2010266443A - ファイバ・ブラッグ格子感知パッケージ、及びガス・タービン温度測定のシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム(44)が、壁の内面に沿って円周方向に分配されておりファイバ感知ケーブル・パッケージを固定する複数の圧締器具(50)を含んでいる。ファイバ感知ケーブル・パッケージは、光ファイバ(12)と、光ファイバに書き込まれた複数のブラッグ格子(14)と、織布層(18)と、光ファイバを包囲する鎧装管(16)とを含むファイバ・ブラッグ格子方式感知ケーブル(53)を含んでいる。多点ファイバ温度感知システムは、ブラッグ格子方式感知ケーブル・パッケージに光を伝達する光源と、反射信号を受ける検出器モジュールとを含んでいる。各々の圧締器具が、放射状配置T字形器具(54)を含んでおり、ファイバ感知ケーブルを固定する装着孔(58)を画定している。
【選択図】図6
Description
(表1) 光ファイバ保護織布材料の物理的特性
連続運転温度 2000F
最高運転温度 3100F
主材料 SiO2 98%
熱伝導率(500F) 0.45(BTUインチ/時・F・ft2)
引張り強さ 0.5×106psi
弾性率 10.5×106psi
気孔率 1%
材料特性 無機質、熱曝露時無煙
幾つかの実施形態では、ファイバ・ブラッグ格子14は、紫外(UV)レーザ光又は近赤外(NIR)フェムト秒レーザ光の書き込み等によって光化学的過程によってファイバ・コア20に書き込まれ、続いて約1000°Fと約1500°Fとの間の温度で熱アニール工程が行なわれる。光化学的過程は通常、レーザ光が十分な強度と共にファイバ・コア20に到達して所望の遷移を生じさせるように、光ファイバ12からのポリマー皮膜22の部分の除去を必要とする。ポリマー皮膜22は、一例ではポリマーを硫酸に溶解させることを含む様々な手段によって格子領域から取り除かれ得る。光ファイバ12はポリマー皮膜22が部分的に除去された区域では強度を失い、従って、一実施形態では、ファイバ・ブラッグ格子14がコア20に形成された後に、ポリマー皮膜22を取り除いた光ファイバ12の部分が再び被覆される。もう一つの実施形態では、図2で最も分かり易く見られるように、FBG感知ケーブル・パッケージ10はさらに、光ファイバ12と共に織布層18に封入されてFBG感知ケーブル11の剛性を高める少なくとも一つの長手方向強化部材24を含む。図2の図示の実施形態では、強化部材24は、1又は多数の多重モード・ファイバを含んでいる。各々の多重モード・ファイバが、ファイバ・コア25と、ポリマー皮膜、又は銅、ニッケル若しくはアルミニウムのような金属(Cu、Ni、Al等)皮膜付きのクラッドとを含んでいる。幾つかの実施形態では、光ファイバ12及び多重モード・ファイバ24は、撚り合わされて、ポリマー皮膜22によって保護されていてもよい。
式中、rはパッケージ材料の半径であり、cpはパッケージ材料の比熱であり、ρは質量密度であり、κは熱伝導率である。幾つかの実施形態では、鎧装管16の外径は6.35mmから9.5mmにわたり、鎧装管16の壁厚は1.2mmから2mmにわたる。
(表2) FBG感知ケーブル応答時間
材料 r(m) ρ(km/m3) Cp(J/KgC) κ(W/mC) t(秒)
ステンレス鋼
0.003 8000 500 21.5 1.67
ファイバ・スリーブ
0.001 66 740 0.068 0.72
空気 0.003 1.205 1005 0.0257 0.42
応答時間(秒) 2.8
一実施形態では、FBG感知ケーブルの振動周波数がガス・タービンの基本振動周波数と重なるのを防ぐために、2種類の鎧装管寸法すなわち外径3.175mm及び6.35mmについて無圧締状態及び固定圧締状態でシミュレートされている。鎧装管が無圧締状態にあるときには、鎧装管は水平軸においてのみ自由に移動することができるが、鉛直方向には自由に移動することはできない。鎧装管が固定圧締状態にある間には、鎧装管は自由に動くことを許されない。無圧締の実施形態では、3.175mm鎧装管は50Hzに近い振動周波数を有するものと期待され、6.35mm管は約130Hzの振動周波数を有するものと期待される。7FA、7FB及び9FAのガス・タービンについて、基本モードからの正常時振動周波数は50Hz又は60Hzである。従って、一実施形態では、鎧装管16は壁厚が1.2mmよりも厚い6.35mmインコネル(商標)鎧装管を含む。
式中、「λB」は対応するブラッグ格子14のブラッグ波長を表わし、「neff」は屈折率であり、「Λ」はブラッグ格子14の周期である。屈折率(neff)及びブラッグ格子14の周期(Λ)の両方とも温度及び歪みの関数である。ブラッグ格子14に歪みが働かない状態でFBG感知ケーブル・パッケージ10が温度測定に用いられるときには、各々のブラッグ格子14の波長シフト(Δγ)は下記の式3に従う。
=λ(β+α)T (式3)
式中、「α」は熱膨張率であり、「β」は熱光学係数である。両者とも非線形である熱光学効果及び熱膨脹効果を考慮すると、波長シフト(Δλ)を下記の式4によって温度(T)の三次関数として較正することができる。
係数a、b及びcは、例えば熱電対、抵抗温度検出器(RTDs)又は白金抵抗温度計(PRTs)のような温度計を用いて事前実験的較正によって求めることができる。実験的較正によって求められる各係数の値の一例は、a=4.87、b=3.20×10−3及びc=−8.0ラ10−7である。環境の多点測定用の複数のブラッグ格子14をコンパクトなFBG感知ケーブル・パッケージ10の内部に構成すると簡便である。幾つかの実施形態では、これら複数のブラッグ格子14は異なる波長を有するように設計され、波長の空間的分離は0.5ナノメートルから100ナノメートルであって、測定時の如何なる潜在的なピーク重なりも回避する。図3は、同じ光ファイバ12の内部の一定数(N)のブラッグ格子14の例示的な波長スペクトルを示す。図示のように、各々のブラッグ格子14が一意の波長を有し、従って検出器モジュール30によって受光されたときに互いに区別され得る。図4は、温度変化に応答した一定の期間(T)内のこれら複数のブラッグ格子の例示的な波長シフト・スペクトルを示す。このようにして、FBG感知ケーブル・パッケージ10をオンライン・データ分析に用いることができ、この分析によってガス・タービン制御及び最適化のための平均化された排気温度及び/又は局所温度を両方とも与えることができる。各々のブラッグ格子14は異なる中心波長を有するが、波長シフトは温度変化に実質的に比例したものとなる。波長シフトから温度への変換は式4に基づいて行なわれる。
11 FBGケーブル
12 光ファイバ
14 ブラッグ格子
16 金属管
18 OLE_LINK1織布層OLE_LINK1
20 ファイバ・コア
22 ポリマー皮膜
23 クラッド
24 強化部材
25 強化部材の芯
27 強化部材の金属層
26 織物スリーブ
28 光源
30 検出器モジュール
32 光カプラ
34 FBG感知パッケージ
36、38 第二及び第三の光ファイバ
40、42 波長スペクトル
44 FBG感知システム
46 ガス・タービン
48 燃焼器の拡散壁
49 中心バレル
50 圧締器具
52 FBG感知パッケージ
53 FBGケーブル
54 装着用支柱
56 据付け要素
58 装着孔
60 固定要素
62 中間陥凹部
64 プレート
68 装着孔
70 固定孔
72 孔
73 制御器
74 FBG感知システム
75 FBG感知ケーブル又はレーキ
76 装着部
84 FBG感知システム
85 FBG感知ケーブル又はレーキ
86 装着部
88、90 ねじ穴
92 FBG感知システム
94 装着部
95 FBG感知ケーブル又はレーキ
Claims (10)
- ファイバ感知ケーブル・パッケージ(52)と、
壁の内面に沿って円周方向に分配されており、各々が放射状配置T字形器具(54)を含んでおり、前記ファイバ感知ケーブルを固定する少なくとも1個の装着孔(58)を画定している複数の圧締器具(50)と
を備えたファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム(44)であって、前記ファイバ感知ケーブル・パッケージは、
少なくとも1本の光ファイバ(12)、該光ファイバに書き込まれた複数のブラッグ格子(14)、前記光ファイバを包囲する織布層(18)、及び前記光ファイバを包囲する鎧装管(16)を含むファイバ・ブラッグ格子方式温度感知ケーブル(53)と、
前記ブラッグ格子に光を伝達する光源と、
前記ブラッグ格子から反射した光を受ける検出器モジュールと
を含んでいる、ファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム(44)。 - 各々の圧締器具は、前記放射状配置T字形器具に固定されており前記ファイバ・ブラッグ格子方式温度感知ケーブルを収容する少なくとも1個の装着孔を画定している据付け要素と、該据付け要素に着脱自在に固定されており前記ファイバ・ブラッグ格子方式温度感知ケーブルを固定する固定要素とを含んでいる、請求項1に記載のファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム。
- 各々の固定要素は、前記据付け要素の前記装着孔に対応しており前記ファイバ・ブラッグ格子方式温度感知ケーブルを収容する装着孔を画定している、請求項1に記載のファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム。
- 前記据付け要素の前記装着孔は、当該据付け要素の上端を貫通して延在するスロットを含んでおり、前記固定要素の前記装着孔は、当該据付け要素の下端を貫通して延在するスロットを含んでいる、請求項3に記載のファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム。
- ファイバ・コア及びクラッド、並びに前記ファイバ・クラッドを包囲する皮膜層を含む光ファイバと、
前記ファイバ・コアに書き込まれた複数のブラッグ格子と、
前記ファイバ・クラッドを包囲しており、前記ファイバ材料の熱膨張率と適合する熱膨張率を含む織布層と、
該織布層の周囲の鎧装管と、
OLE_LINK2前記ブラッグ格子に光を伝達する光源と、
前記ブラッグ格子OLE_LINK2から反射した光を受ける検出器モジュールと
を備えたファイバ多点温度感知ケーブル・パッケージ。 - 前記織布層は二酸化ケイ素又はシリカ材料のスリーブを含んでいる、請求項5に記載のファイバ温度感知ケーブル・パッケージ。
- 前記ファイバ・スリーブ織布層は少なくとも80重量%の二酸化ケイ素又はシリカ材料を含んでいる、請求項5に記載のファイバ温度感知ケーブル・パッケージ。
- 前記織布層に封入された強化部材をさらに含んでいる請求項6に記載のファイバ温度感知ケーブル・パッケージ。
- 前記強化部材は1又は複数の多重モード・ファイバを含んでいる、請求項8に記載のファイバ温度感知ケーブル・パッケージ。
- 複数のブラッグ格子が前記ファイバ・コアの内部に書き込まれた少なくとも2本の光ファイバを含んでいる請求項5に記載のファイバ温度感知ケーブル・パッケージ。
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