JP5965141B2 - ガス燃料混合物の当量比の実時間測定のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガス燃料混合物の当量比を確定することに関し、より詳細には、ガスタービンエンジン内のガス−燃料混合物の当量比を実時間で測定するシステムおよび方法に関する。

発電システムおよび推進システムに対して、ＮＯｘ排出量を低減し、ガスタービンエンジンの寿命を延ばすために、希薄予混合燃焼（lean premixed combustion）が広く推奨されている。希薄火炎（lean flame）では、支配的なＮＯｘ形成メカニズムは、局所火炎温度（local flame temperature）によって決まる。希薄な燃料／空気当量比で動作するガスタービンエンジンは、より低い火炎温度によって、ＮＯｘ生成を著しく低減する。さらに、より低い火炎温度は、燃焼器ライナなどのガスタービン構成要素に対する保全の必要性を低減する。したがって、当量比は、ガスタービンエンジンの動作に対するキーパラメータである。しかし、希薄予混合燃焼は、熱音響不安定性（thermoacoustic instability）および希薄吹消（lean blowout）の影響を受けやすく、それにより、効率を低下させ、排出量を増加させる。このことが、さらに、ハードウェアの損傷をもたらし、危害を生じる。

さらに、熱音響不安定性は、燃焼室の音響周波数付近の自励燃焼振動（self-sustained combustion oscillation）であり、自励燃焼振動は、不安定な熱発生（heat release）が圧力振動と閉ループ結合した結果である。熱音響不安定性の駆動メカニズムを理解するため、ならびに、これらの不安定性を実験室規模および全規模の燃焼器において抑圧するために、集中的な実験的および理論的研究が実施されてきた。熱発生の変動が圧力振動を生成する可能性があることは、十分に理解できるが、圧力振動が熱発生の変動を結果としてもたらすメカニズムは、よく知られていない。当量比の変動が、燃料希薄（fuel-lean）ガスタービン燃焼システムにおける熱音響不安定性に対する最も重要な駆動メカニズムのうちの１つであるものとみなされる。複雑な物理的および化学的相互作用が熱音響発振に関連するため、この不安定な燃焼挙動を予測することは困難である。それゆえ、不安定燃焼の間の当量比の変動を測定することが、ガスタービンエンジン内の熱音響不安定性を観測する（monitor）ために、非常に重要である。さらに、測定された、当量比の変動と熱発生の変動との間の火炎伝達関数が、燃焼不安定性を予測するための解析モデルへの直接入力として使用されてよい。

予混合不安定燃焼の間に当量比が熱発生に与える影響を（実験室規模で）研究するために、当量比が、Ｈｅ−Ｎｅレーザの３．３９μｍの波長出力の赤外メタン吸収（infrared (IR) methane absorption）を使用して測定されてきた。また、燃料と空気との混合が予混合バーナ内のＮＯｘ排出量に与える影響を研究するために、局所燃空比（local fuel-to-air ratio）が、同じ波長におけるレーザ吸収によって測定された。また、同じＩＲレーザ吸収技術が、パルスデトネーションエンジン（pulse detonation engine）および内燃エンジンの燃料濃度を測定するために使用されてきた。しかし、Ｈｅ−Ｎｅレーザは、周囲の条件（ambient condition）に敏感であり、複数の離散波長において散乱放射とコヒーレント光とを同時に放出する。さらに、３．３９μｍの波長における吸収は、すべての炭化水素燃料に共通する、炭素−水素（ＣＨ）非対称伸縮結合（carbon-hydrogen asymmetric stretch bond）であり、一方、異なる炭化水素は異なる吸収係数を有する。それゆえ、センサは、動作の間に遭遇する各燃料混合物に対して較正される必要がある。したがって、ＩＲ吸収法は、ガスタービンエンジンにおける実際的な用途に対して限界がある。

さらに、最近のガスタービン動作は、平均火炎温度を推定し、燃焼安定性ならびにＣＯおよびＮＯｘなどの排出量に関する最適動作のために燃空比を調節するために、全体的な流量分割（overall flow splits）に依存している。しかし、この方法の可能性は、ノズル毎および缶毎（can-to-can）の流れの不確かな変化によって制限される。

したがって、実際のガスタービンエンジンにおいて、ガス−燃料混合物の当量比を、実時間で正確に高速に測定することが、今も必要とされている。

本発明の一実施形態によれば、ガスタービンエンジンのガス−燃料混合物の当量比を実時間で観測するためのシステムが、提供される。システムは、ガス−燃料混合物を通して直接的に、またはレーザビームを燃料ノズルの中央胴体（centerbody）もしくはバーナ管（burner tube）の表面から反射させることによって間接的に、レーザビームを伝送するために複数の燃料ノズル上に配列された、複数の光プローブを含む。また、システムは、複数の光プローブから伝送されたレーザビームを測定するために、１つまたは複数の検出器を含む。さらに、システムは、ノズルのガス−燃料混合物の当量比を確定するために、１つまたは複数の検出器から信号を収集し処理するためのデータ収集サブシステムを含む。

本発明の一実施形態によれば、ガスタービンエンジンのガス−燃料混合物の実時間の当量比を観測する方法が、提供される。方法は、エンジンの複数の燃料ノズル上に配列された複数の光プローブを使用して、レーザビームをガス−燃料混合物を通して送受信するステップ（transceiving）を含む。また、方法は、ガス−燃料混合物を通して直接的に、または燃料ノズルの表面からの反射によって間接的に、伝送されたレーザビームを１つまたは複数の検出器によって感知するステップを含む。方法は、データ収集サブシステムによって検出器信号を収集するステップをさらに含む。最後に、方法は、ガス−燃料混合物の当量比を実時間で確定するために、記録された信号を処理するステップを含む。

本発明の一実施形態によれば、ガスタービンエンジンのガス−燃料混合物の当量比を実時間で観測するためのシステムを製造する方法が提供される。方法は、レーザ吸収測定に最適な波長を有するレーザビームを発生するために、同調ダイオードレーザ（tunable diode laser）を設けるステップを含む。また、方法は、燃料ノズル近傍に、ガス−燃料混合物を通して直接的に、またはレーザビームを燃料ノズルの表面から反射させることによって間接的に、レーザビームを送受信するために、複数の光プローブを設けるステップを含む。また、方法は、レーザビームの反射性を高めるために、燃料ノズルの表面を研磨または塗装するステップを含む。さらに、方法は、光プローブからのレーザビームを測定するために、１つまたは複数の検出器を設けるステップを含む。最後に、方法は、燃料−空気混合物の当量比を確定するために、レーザ信号ビームを収集し処理するためのデータ収集サブシステムを設けるステップを含む。

本発明の上記その他の特徴、態様および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読めばより深く理解されるであろう。図面を通して、同じ符号は同じ部品を表す。

本発明の一実施形態による、ガスタービン燃料ノズルのガス−燃料混合物の当量比を観測するためのシステムを示す図である。 本発明の一実施形態による、バーナ管上に複数の光プローブの配列を有するセンサシステムを示す図である。 本発明の一実施形態による、バーナ管上の光プローブの別の配列を示す図である。 本発明の一実施形態による、ガスタービンエンジンの複数のバーナ管上に複数の光プローブの配列を有するセンサシステムを示す図である。 本発明の一実施形態による、エンジンのガス−燃料混合物の当量比を実時間で観測するためのセンサシステムを製造する方法の流れ図である。 典型的な希薄予混合ガスタービン燃焼器に対してシミュレーションされたメタン吸収スペクトルのグラフ表示の非限定的な一例を示す図である。 本発明の一実施形態による、静的セル（static cell）内で測定された吸収スペクトルを示すグラフ表示の非限定的な一例を示す図である。 本発明の一実施形態による、注入バイアス電流が変化するときに測定されたＷＭＳ−１ｆスペクトルおよびＷＭＳ−２ｆスペクトルの、非限定的な一例を示す図である。 本発明の一実施形態による、定常状態に対して測定された波長平均分光法（wavelength mean spectroscopy）（ＷＭＳ）の第１高調波（１ｆ）信号および第２高調波（２ｆ）信号を示すグラフ表示の非限定的な一例を示す図である。 本発明の一実施形態による、定常状態に対して測定された第２高調波（２ｆ）信号と第１高調波（１ｆ）信号との比の非限定的な一例を示すグラフである。 本発明の一実施形態による、定常状態に対する第１フーリエ変換（ＦＦＴ）スペクトルの非限定的な一例を示すグラフである。 本発明の一実施形態による、強制火炎（forced flame）状態に対して測定されたＷＭＳ−１ｆ信号およびＷＭＳ−２ｆ信号を示すグラフ表示の非限定的な一例を示す図である。 本発明の一実施形態による、強制火炎状態に対して測定された当量比の非限定的な一例を示すグラフである。 本発明の一実施形態による、強制火炎状態に対する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）スペクトルの非限定的な一例を示すグラフである。 本発明の一実施形態による、エンジンのガス−燃料混合物の実時間の当量比を観測する方法の流れ図である。

以下に詳細に議論されるように、本発明の実施形態は、ガス燃料の（gas-fuelled）ガスタービンエンジン内の当量比の非侵襲測定（non-intrusive measurement）に関する。本明細書で使用されるように、句「当量比」は、化学量論における燃料／酸化剤比に対する燃料／酸化剤比の比のことを言う。本発明は、エンジンのガス−燃料混合物の当量比を実時間で観測するシステムおよび方法に対処する。

本発明の種々の実施形態の要素を紹介するときに、冠詞「１つの（a）」、「１つの（an）」、「その（the）」および「前記（said）」は、１つまたは複数の要素が存在することを意味することを目的としている。用語「備える（comprising）」、「含む（including）」および「有する（having）」は、包含的であること、および列挙された要素以外に付加的な要素が存在する可能性があることを意味することを目的としている。動作パラメータのうちの任意の例は、開示された実施形態の他のパラメータを排除するものではない。

図１は、本発明の一実施形態による、エンジン燃焼器のガス−燃料混合物１１の当量比を観測するためのセンサシステム１０を示す。センサシステム１０はまた、ガス−燃料混合物の当量比を観測し、それにより、ガスタービン、ボイラ、ヒータ、炉のための多様な低公害で高性能の燃焼室の燃焼状態を観測するために使用されてよいことに留意されたい。火炎近傍の燃焼器１２の端部付近の、バーナ管１４および中央胴体１６を有する、エンジン燃焼器１２の断面図を示す。システム１０は、信号ビーム２１をガス−燃料混合物１１を通して直接的に送受信するために、エンジンノズル近傍に配列された複数の光プローブ（１８、２０）を含む。一実施形態では、光プローブ１８、２０は、バーナ管１４上の複数の場所に装着された、ファイバに結合されたセンサプローブである。システム１０は、レーザ発射器（laser pitcher）として働く光プローブ１８のうちの１つを使用して、ガス−燃料混合物１１を通して案内されるレーザビーム２１を発生するための、同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）２２をさらに含む。一実施形態では、ＴＤＬ ２２は、１．６５マイクロメートル付近の、メタンの固定波長のレーザ吸収に基づく吸収センサを提供するための近赤外ＴＤＬであり、未燃焼のガス−燃料混合物内の大きなメタンモル分率（mole fraction）を利用する。レーザビーム２１の波長範囲は、約１０００ｎｍから約４０００ｎｍまで変化する可能性がある。図示のように、光プローブ２０は、捕獲プローブ（catcher probe）として働き、レーザビーム２１を受ける。また、システム１０は、レーザビーム２１を分割し、エンジン内の複数の燃料ノズルの燃料−空気混合物を通して伝送するための、ビーム分割器または光スイッチを含む。システム１０は、レーザ波長の最適な変調深さを発生するように、レーザ波長を変調するためのレーザ制御器２４をさらに含む。さらに、システム１０は、ＴＤＬセンサ２２を装着するためのレーザ台（図示せず）を含む。また、システム１０は、校正ガス（calibration gas）（ＣＨ４とＮ２との混合物）で満たされた静的セルを通して伝送される１つの光路を有するように構成される。ＴＤＬ吸収センサのこの校正は、線強度（line strength）およびレーザ設定点（laser set point）を確定するために実行される。また、システム１０は、レーザビーム２１を感知し、第１高調波（１ｆ）信号および第２高調波（２ｆ）信号を同時に再生するために、感知した信号を復調するためのロックイン増幅器（lock in amplifier）２８に信号を案内する、検出器２６を含む。したがって、ロックイン増幅器２８は、信号対ノイズ比を改善し、振動または窓の汚れ（window fouling）による透過率変化（transmission variation）を自動的に補正する。一実施形態では、感知された信号は、０．５ミリ秒の時定数で１ｆおよび２ｆの信号を同時に再生するために、Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒロックイン増幅器（７２８０型）によって復調される。別の実施形態では、センサシステム１０の帯域幅が、２つのロックイン増幅器または１つのソフトウェアロックインを使用することによって改善されてよい。さらに、第２の信号ビームが、データ収集（ＤＡＱ）システム３０によって処理される。受けられた信号ビームのこの処理は、ガスタービンエンジンの燃料−空気混合物の実時間の当量比を測定するために、第２高調波検出によって固定される波長変調分光法（ＷＭＳ）の技術を使用することを含む。波長変調分光法（ＷＭＳ）は、ランベルト・ベールの法則（Beer-Lambert’s law）によって与えられる長さＬ（ｃｍ）のエンジン燃焼器の一様なガス媒体を通る単色放射（monochromatic radiation）の透過係数（transmission coefficient）τ（ν）
τ（ν）＝（Ｉｔ／Ｉｏ）ν＝ｅｘｐ［−ＰｉＳφνＬ］≒１−ＰｉＳφνＬ （１）
ここで、Ｉｔは伝送されたレーザ強度、およびＩ０は入射レーザ強度であり、Ｓ（ｃｍ−２ａｔｍ−１）は吸収特性に対する線強度、およびφν（ｃｍ）は吸収特性に対する線形状関数（lineshape function）であり、Ｐｉ（気圧）は吸収化学種（absorbing species）の分圧である。光学的に薄い試料（optically thin sample）（ＰｉＳφνＬ＜０．１）に対しては、右辺の近似が当てはまる。

本発明では、レーザ波長νは、角周波数ωで高速に変調される

ここで、ν（ｃｍ−１）は中心レーザ周波数であり、ａ（ｃｍ−１）は変調深さである。ダイオードレーザ強度が、同時に変調される。

透過係数は、ωｔの周期的な偶関数であり、したがって、フーリエ余弦級数

に展開可能であり、第２次高調波のフーリエ成分は、

によって与えられる。

ＷＭＳ検出に対して、ロックイン増幅器２８が、検出器信号に、周波数２ωにおける正弦波基準信号を掛けることによって、第２次高調波（２ｆ）信号を測定するために使用される。この技術は、吸収線形状曲線に敏感であり、低周波数ノイズに鈍感である。したがって、ＷＭＳ ２ｆ検出は、ノイズ耐性および感度に関して直接吸収を上回る利点を提供する。ロックイン増幅器２８は、帯域通過フィルタとして働き、ロックイン帯域幅の外のノイズを除去する。さらに、ＷＭＳ測定は、とりわけ弱吸収の場合に、走査波長直接吸収測定において必要な、やっかいな基線合わせ（baseline fitting）の必要性を取り除く。最後に、ＷＭＳ−２ｆ信号の１ｆ信号を用いた正規化は、校正の必要性を取り去り、ビームステアリング（beam steering）、散乱および窓の汚れによるレーザ透過率変化を明らかにする。そのような正規化は、ガスタービン燃焼器における実際的な用途に対して、固有のレーザ透過率変化を明らかにするために重要である。

本発明では、データ処理を簡素化し、実時間の当量比測定を容易にするために、ＴＤＬ ２２は、第２高調波検出によって固定された波長のＷＭＳを使用することを組み入れる。レーザ波長は、ＷＭＳ−２ｆの信号を最大化するために、吸収特性の線中心に設定される。

測定された２ｆ／１ｆの比は、線形状関数が、試験条件によって変化しないならば、吸収化学種の分圧に直接比例する。ガスの圧力および温度が、圧力変換器および熱電対によって測定されるとき、当量比は、知られている燃料組成と共に、測定された比から確定される。

本システム１０のＤＡＱシステム３０は、ロックイン増幅器２８から、さもなければ直接検出器２６から受けた実時間データを解析し処理するように適合され、構成された電子信号処理装置を含む。本発明の実施形態は、本発明の処理課題（processing task）を実施するための任意の特定の処理装置に限定されないことに留意されたい。用語「電子信号処理装置」は、その用語が本明細書で使用されるように、本発明の課題を実施するために必要な計算またはコンピュータによる計算（computation）を実施することができる任意の機械を意味することを目的としている。用語「処理装置」は、構造化された入力を受けること、およびその入力を所定の規則に従って処理し、出力を作成することができる、任意の機械を意味することを目的としている。本明細書で使用される句「ように構成される（configured to）」は、当業者に理解されるように、処理装置が、本発明の課題を実施するためのハードウェアとソフトウェアとの組合せを装備されることを意味することにも留意されたい。また、システム１０は、光プローブ１８、２０から受けたデータに基づき、かつ受けたデータをＤＡＱシステム３０で処理することに基づいて出力信号を発生する、信号発生器３２を含む。

図２は、本発明の一実施形態による、エンジン燃焼器５６上の複数の光プローブ５２、５４の配列を有するセンサシステム５０を示す。システム５０は、バーナ管５８および中央胴体６０を有するエンジン燃焼器５６の断面図を示す。複数の光プローブ５２、５４は、ガス−燃料混合物６２を通して間接的にレーザビーム６４を送受信するために、バーナ管５８上に円周状に配列される。この実施形態では、複数の光プローブ５２、５４は、燃料ノズルの中央胴体６０の表面から信号ビームを反射することによって間接的に信号ビーム６４を送受信する。第１の光プローブ５２および第２の光プローブ５４は、伝送される信号レーザビーム６０が中央胴体６０の表面において最適な角度を張るように、バーナ管上に装着される。本システム５０を高性能にするために、中央胴体６０の表面は、十分な反射性を持つように、研磨、塗装または処理されてよい。

図３は、本発明の別の実施形態による、エンジン燃焼器７６上に複数の光プローブ７２、７４の配列を有する別のセンサシステム７０を示す。システム７０は、バーナ管７８および中央胴体８４を有するエンジン燃焼器７６の断面図を示す。第１の光プローブ７２および第２の光プローブ７４は、両プローブが単一の穴の上に互いに隣接して置かれるように、バーナ管７８上に装着される。複数の光プローブ７２、７４は、エンジンの中央胴体８４の表面からレーザビームを反射することによって、ガス−燃料混合物８２を通して間接的にレーザビーム８０を送受信する。第２の光プローブ７４は、捕獲プローブとして働き、エンジン燃焼器７６の中央胴体８４の表面で反射したレーザビームの一部を受ける。

図４は、本発明の一実施形態による、ガスタービンエンジン１１０上に複数の光プローブ１０４、１０６の配列を有するセンサシステム１００を示す。複数のノズルと、複数の中央胴体１０９を円周状に覆う複数のバーナ管１０８とを含む１つの缶を有する、ガスタービン１１０の典型的な断面図を示す。図示のように、複数の光プローブ１０４、１０６が、ガスタービンエンジン１１０の中央胴体の表面から信号ビームを反射することによって、ガス−燃料混合物を通して間接的に信号ビームを送受信するために、１つのそのようなバーナ管上に装着される。複数の光プローブは、ガスタービンエンジン１１０の複数のノズルの近傍の当量比を同時に観測するために、複数のバーナ管上に装着されてよいことを理解されたい。非限定的な方式において、上で議論した実施形態の光プローブの種々の配列のいずれもが、この実施形態の複数のバーナ管上にプローブを装着するために使用されてよい。また、センサシステム１００は、当量比を検出するために、光プローブによってエンジンのガス−燃料混合物の中に案内されるレーザビームを発生するためのレーザデバイス１１２を含む。図示のように、レーザ制御器１１４が、レーザ波長を変調して、当量比を測定するために必要なレーザビームの、最適な変調深さを発生するように構成される。さらに、センサシステム１００は、レーザ信号を測定し、データ収集システム（ＤＡＱ）１１８に信号を案内する検出器１１６を含む。ＤＡＱ１１８は、受けた信号を処理し、ガスタービンエンジン１１０内のガス−燃料混合物の実時間の当量比を確定する。

図５は、本発明の一実施形態による、エンジンのガス−燃料混合物の当量比を実時間で観測するためのセンサシステムを製造する方法２００の流れ図を示す。ステップ２０２で、方法は、火炎中のガス成分によって強く吸収される波長におけるレーザビームを発生するために、同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）センサを設けるステップを含む。ステップ２０４で、方法は、ノズル近傍に、ガス−燃料混合物を通して直接的に、または燃料ノズルの表面からレーザビームを反射させることによって間接的に、レーザビームを送受信するために、複数の光プローブを設けるステップを含む。さらに、ステップ２０６で、方法は、燃料ノズルの表面を研磨または塗装するステップを含む。また、方法は、ステップ２０８で、光プローブからの信号ビームを感知するための１つまたは複数の検出器を設けるステップを含む。最後に、ステップ２１０で、方法は、燃料−空気混合物の当量比を確定するために、信号ビームを収集し処理するためのデータ収集サブシステムを設けるステップを含む。また、センサシステムは、エンジン燃焼器内の複数の条件の下で種々のパラメータの関数として実時間の当量比を示す出力信号を十分に発生する信号発生器を含む。さらに、方法２００は、信号対ノイズ比、自動透過補正を改善し、校正の必要性をなくすために、第１高調波（１ｆ）信号および第２高調波（２ｆ）信号を同時に再生するために検出器信号を復調するためのレーザ制御器およびロックイン増幅器を設けるステップを含む。さらに、方法２００はまた、信号ビームを第１の信号ビームと第２の信号ビームとに分割するためのビーム分割器を設けるステップと、第１の信号ビームをガスタービンエンジンの燃料−空気混合物を通して伝送するステップと、レーザ設定点を確定するために第２の信号ビームを静的セルを通して伝送するステップとを含む。

非限定的な例によって、メタン吸収スペクトル２２０のグラフ表示を、図６に示す。吸収スペクトル２２０は、典型的な希薄予混合ガスタービン燃焼器条件（１気圧の圧力、空気中のメタン６％、ガス媒体長さＬ＝７ｃｍおよび温度７００Ｋ）に対してシミュレーションされる。ｘ軸２２２は、単位が毎センチメートル（inverse centimeter）（ｃｍ−１）の波数（wavenumber）を表す。Ｙ軸２２４は、吸収を表す。本発明では、当量比に対する実時間のＴＤＬセンサは、曲線２２６で示すように、１．６５μｍ（波数６０４７ｃｍ−１）付近のメタンの近赤外（near-IR）吸収に基づく。メタン吸収測定に対する空気中の他の化学種からの干渉は、最小限である。１６５３．７２５ｎｍ付近の線は、大気圧において良好に離隔され、したがって、本ＴＤＬセンサ用に選択される。

Ｈｅ−Ｎｅレーザの赤外（ＩＲ）吸収に基づく以前のセンサに比べて、本ＴＤＬセンサにはいくつかの利点が存在する。第１に、近赤外ファイバに結合されたＴＤＬセンサは、分布帰還型（distributed-feedback）（ＤＦＢ）通信用ダイオードレーザ、近赤外ファイバおよび光学素子に対する成熟技術を活用しており、それゆえ、ずっと高い信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を有する。第２に、ＤＦＢダイオードレーザ出力の波長およびパワーは非常に安定しており、レーザ波長は、温度および注入電流で容易に調節される。波長変調分光法は、ＴＤＬセンサの感度および精度を改善するために、第２高調波検出と組み合わされる。第３に、近赤外ＴＤＬセンサは、窓の汚れ、または１ｆの正規化を使用することによるビームステアリング、による透過損失には敏感でない。近赤外におけるメタン（ＣＨ４）吸収レベルは、十分な透過および吸収を確実にするための視線（line-of-sight）用途に対して、より適切である。１．６５μｍ付近の吸光度（absorbance）は、ＷＭＳ−２ｆ測定に対して理想的な３〜４％付近に留まる。

さらに、一実施形態では、本ＴＤＬセンサの校正は、線強度を確定し、レーザ設定点を見出すために、Ｎ２中の５．４４％のＣＨ４の混合物を有する静的セルを使用して、良好に制御された環境の中で実行される。直接吸収測定に対して、レーザ波長は、１００Ｈｚの周波数において線形の電流ランプ（current ramp）を用いて調節される。図７は、本発明の一実施形態による、静的セル（１気圧の圧力、２９７Ｋの温度、ガス媒体長さＬ＝４．５ｃｍ）内で測定された、１６５３．７２５ｎｍ付近のメタン吸収線形状を示すグラフ表示２５０の非限定的な例である。実験的線形（experimental profile）はボイト線形（Voigt profile）を使用すると最も良く適合し、残余（データと、ピーク吸光度で正規化された適合結果（fit）との間の差）が、上側の仕切り（panel）２５２の中に示される。この吸収特性に対する線強度は、積分された吸光度面積を使用して推測されうる。

ＷＭＳ測定に対して、レーザ波長が正弦波変調される。図８は、本発明の一実施形態による、注入バイアス電流が６５から８５ミリアンペア（ｍＡ）まで変化するときに測定されたＷＭＳ−１ｆおよびＷＭＳ−２ｆのスペクトルの非限定的な例を示す。１ｆ信号は、振幅変調による大きなオフセットを有する。２ｆ信号は、吸収線中心で頂点に達するので、レーザ波長は、固定波長のＷＭＳ測定に対する２ｆ信号を最大化することによってロックされうる。この工程が、正しいレーザ設定点を確実にするために、各燃焼試験の前に繰り返される。

別の非限定的な例によって、図９は、本発明の一実施形態による、定常状態の下で測定されたＷＭＳ−１ｆ信号およびＷＭＳ−２ｆ信号のグラフ表示２７０を示す。０．５ｍｓの時間分解能が、０．５ｍｓのロックイン時間定数を有するＴＤＬセンサに対して達成される。図１０に示す測定された比２８０は、おそらくは不安定な乱流混合によって、定常ではない。図１１は、定常状態に対する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）スペクトルのデータ２９０の非限定的な例を示す。ＦＦＴスペクトル上に特異な周波数は見られず、センサの視線に沿って、当量比のランダムな変動が示される。

非限定的な例によって、図１２は、強制火炎条件の下で、０．１７７ｋｇ／ｓの空気流量および２９７Ｋの入口空気温度に対して測定されたＷＭＳ−１ｆ信号およびＷＭＳ−２ｆ信号のグラフ表示３００の非限定的な例を示す。この非限定的な例では、燃料流量は一定であり、それゆえ、燃焼器出口付近の当量比は、変化する空気流速（airflow rate）によって変化している。図１２は、４２Ｈｚの強制周波数（forcing frequency）（平均φ＝０．６３）に対して測定されたＷＭＳ−１ｆ信号およびＷＭＳ−２ｆ信号の時刻歴（time history）を示す。レーザ透過信号が、おそらくは、窓および試験装置（test rig）の振動によって変動していることが、１ｆ信号から知ることができる。この結果は、１ｆの正規化を使用する自動レーザ透過補正を有するＴＤＬセンサの利点を、明確に実証する。図１３および図１４は、強制火炎に対して測定された当量比３１０および高速フーリエ変換（ＦＦＴ）スペクトル３２０の非限定的な例を示す。支配的な振動モード（４２Ｈｚ）およびその高調波を、ＦＦＴスペクトルから明確に知ることができる。基本モードのゼロから尖頭までの当量比の振動は、約０．０６９である。１ｆ−正規化がないと、尖頭の当量比の振動は、０．０７５（実際の値より９％高い）となるであろう。この結果は、高速ＴＤＬセンサが、ガスタービン燃焼器内の当量比の変動を正確に特徴付けるために使用されてよい。

図１５は、本発明の一実施形態による、エンジンのガス−燃料混合物の実時間の当量比を観測する方法４００の流れ図を示す。ステップ４０２で、方法は、エンジンの燃料ノズル近傍に配列された複数の光プローブを使用して、ガス−燃料混合物を通して信号ビームを送受信するステップを含む。信号ビームは、高速の近赤外の同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）によって発生されたレーザビームである。また、方法は、線強度およびレーザ設定点を確定するために、ＴＤＬ吸収センサを校正するステップを含む。図１に示すように、光プローブ１８は、エンジン燃焼器のバーナ管上に装着され、レーザビームをガス−燃料混合物を通して別の光プローブ２０に伝送する。ステップ４０４で、方法は、ガス−燃料混合物を通して直接的に、またはノズルの表面からの反射によって間接的に伝送された信号ビームを、１つまたは複数の検出器（図１の検出器２６として示す）によって感知するステップを含む。さらに、ステップ４０６で、感知された信号ビームは、データ収集サブシステム（図１に示すようなＤＡＱシステム３０）によって収集される。ステップ４０６の前に、感知された信号ビームが、ロックイン増幅器によって変調される。最後に、ステップ４０８で、方法４００は、ガス−燃料混合物の当量比を実時間で確定するために、信号を処理するステップを含む。

有利には、本方法および本システムは、各タービン燃焼器に対するガス−燃料比を実時間で直接測定することを可能にし、したがって、火炎温度を直接提供する。ガス−燃料比（およびその変動）を現場で（in-situ）実時間測定することは、燃焼器の最適化および制御のために、とりわけ、１つの燃焼缶の中に複数のノズルを有するガスタービンエンジンのために、有益な情報を提供することができる。さらに、この方法は、部分毎（part-to-part）およびエンジン毎（engine-to-engine）の構成要素の変化を観測するためのオンラインデータを提供することができる。さらに、本発明はまた、ガスタービン用途に対する実際的なセンサ配列を提供する。したがって、本発明は、ガスタービン燃焼器を実時間で能動的に制御して、効率および信頼性を最適化するためのセンサを提供する。例えば、実時間の当量比データが、着火温度を制御してエンジン効率を改善するために使用されてよい。当量比が変動する燃焼ダイナミックスの場合は、この実時間の情報が、不安定性を抑圧する能動的制御システムのための負帰還制御信号を提供することができる。

さらに、異なる実施形態から種々の特徴を移植することができることを、当業者は認識するであろう。同様に、説明された種々の方法ステップおよび特徴、ならびにそのような方法および特徴のそれぞれに対する他の知られている同等物が、本開示の原理による、付加的なシステムおよび技術を構築するために、当業者によって混合され、適合されてよい。当然ながら、上で説明したそのような目的または利点のすべてが、必ずしも、特定の実施形態のいずれかによって達成されうるわけではないことを理解されたい。したがって、例えば、本明細書で説明したシステムおよび技術は、本明細書で教示または示唆したような他の目的または利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示したような一利点または利点群を達成または最適化する方式で、具現化または実行されてよいことは、当業者には認識されよう。

本発明のいくつかの特徴を、本明細書で図示し説明したにすぎないが、多くの改変形態および変更形態を、当業者は想起するであろう。それゆえ、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の趣旨の範囲に入るすべてのそのような改変形態および変更形態を包含することを目的としていることを理解されたい。

１０、５０、７０、１００ センサシステム
１１、６２、８２ ガス−燃料混合物
１２、５６、７６ 燃焼器
１４、５８、７８、１０８ バーナ管
１６、６０、８４、１０９ 中央胴体
１８、２０、５２、５４、７２、７４、１０４、１０６ 光プローブ
２１、６４、８０ 信号（レーザ）ビーム
２２ 同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）
２４、１１４ レーザ制御器
２６、１１６ 検出器
２８ ロックイン増幅器
３０、１１８ データ収集（ＤＡＱ）システム
３２ 信号発生器
１１０ ガスタービンエンジン
１１２ レーザデバイス
２２０ メタン吸収スペクトル
２２２ ｘ軸
２２４ Ｙ軸
２２６ 曲線
２５０、２７０、３００ グラフ表示
２５２ 上側の仕切り
２８０ 測定された比
２９０、３２０ 高速フーリエ変換（ＦＦＴ）スペクトルのデータ
３１０ 当量比
４００ 流れ図

Claims (18)

1. ガスタービンエンジンのガス−燃料混合物の当量比を実時間で観測するためのシステムであって、
   レーザビームを燃料ノズルの中央胴体もしくはバーナ管の表面から反射させることによって間接的に、レーザビームを伝送するために複数の燃料ノズル上に配列された、複数の光プローブと、
   前記伝送されたレーザビームを前記複数の光プローブから受けるための１つまたは複数の検出器と、
   前記ガスタービンエンジンの前記ガス−燃料混合物の前記当量比を実時間で確定するために第２高調波検出によって固定された波長変調分光法（ＷＭＳ）の技術を使用して前記１つまたは複数の検出器からの信号を収集し処理するデータ収集サブシステムと、
   を含み、
   前記複数の光プローブが、第１及び第２の光プローブを備え、前記第１の光プローブおよび前記第２の光プローブが、前記バーナ管上に、円周方向または軸方向に装着され、それにより、前記燃料ノズルの前記表面から反射した後、前記第１及び第２の光プローブの間を伝送された前記レーザビームが、前記表面において最適な角度を張る経路を追従する、
   システム。
2. 複数のレーザデバイスと、複数の制御器と、レーザビームを前記燃料ノズル内の前記ガス−燃料混合物を通して案内するための前記複数の光プローブとをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数の光プローブが、前記燃料ノズルのバーナ管上に配列され、前記燃料ノズルが、前記ガスタービンエンジンの環状の燃焼室の上、または燃焼剤缶（combustor can）の中に装着される、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記複数の光プローブが、前記バーナ管上の複数の位置に装着された、ファイバに結合されたセンサプローブを備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記第１の光プローブが、前記燃料ノズルの表面上に、前記レーザビームを伝送するように構成され、前記燃料ノズルが、前記中央胴体または前記バーナ管を備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記第２の光プローブが、前記燃料ノズルの前記表面からの反射によって間接的に、伝送された前記レーザビームを受けるように構成される、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記第１の光プローブおよび前記第２の光プローブが、前記バーナ管上で互いに隣接して置かれる、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
8. 前記複数のレーザデバイスが、近赤外レーザまたは中赤外レーザに基づく、請求項２記載のシステム。
9. レーザビームの前記波長が、約１０００ｎｍから約４０００ｎｍまでに及ぶ、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム。
10. 前記レーザデバイスのうちの１つが、吸収測定のための高速近赤外の同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）を備える、請求項２記載のシステム。
11. 信号対ノイズ比を改善し、振動または窓の汚れによる透過率変化を自動的に補正するために、第１高調波信号および第２高調波信号を測定するためのロックイン増幅器をさらに備える、請求項１乃至１０のいずれかに記載のシステム。
12. 前記レーザビームを分割し、前記ガスタービンエンジン内の複数の燃料ノズルの前記燃料−空気混合物を通して伝送するためのビーム分割器または光スイッチをさらに備える、請求項１乃至１１のいずれかに記載のシステム。
13. ガスタービンエンジンのガス−燃料混合物の実時間の当量比を観測する方法であって、
    前記エンジンの複数の燃料ノズル近傍に配列された複数の光プローブを使用して、ガス−燃料混合物を通してレーザビームを送受信するステップと、
    複数の光プローブの内の第１及び第２の光プローブであって、バーナ管上に円周方向または軸方向に装着された前記第１及び第２の光プローブの間に前記レーザビーム伝送するステップであって、前記燃料ノズルの前記表面から反射した後、前記第１及び第２の光プローブの間を伝送された前記レーザビームが、前記表面において最適な角度を張る経路を追従する、前記ステップと、
    前記燃料ノズルの表面からの反射によって間接的に、伝送された前記レーザビームを１つまたは複数の検出器によって感知するステップと、
    検出器信号をデータ収集サブシステムによって収集するステップと、
    第２高調波検出によって固定された波長変調分光法（ＷＭＳ）の技術を使用して記録された信号を処理して、前記ガス−燃料混合物の前記当量比を実時間で確定するステップと、
    を含む、方法。
14. 線強度およびレーザ設定点を確定するために同調ダイオードレーザを校正するステップをさらに含む、請求項１３記載の方法。
15. ガスタービンエンジンのガス−燃料混合物の当量比を実時間で観測するためのシステムを製造する方法であって、
    吸収測定のための最適波長を有するレーザビームを発生する同調ダイオードレーザを設けるステップと、
    燃料ノズル近傍に、前記レーザビームを前記燃料ノズルの表面から反射させることによって間接的に、前記レーザビームを送受信するために、複数の光プローブを設けるステップと、
    前記レーザビームの反射性を改善するために、前記燃料ノズルの前記表面を研磨または塗装するステップと、
    前記光プローブからの前記レーザビームを検出するために、１つまたは複数の検出器を設けるステップと、
    前記燃料−空気混合物の前記当量比を実時間で確定するために、第２高調波検出によって固定された波長変調分光法（ＷＭＳ）の技術を使用して前記１つまたは複数の検出器からの信号を収集し処理するためのデータ収集サブシステムを設けるステップと、
    を含み、
    前記複数の光プローブを設けるステップが、第１及び第２の光プローブを設けるステップを含み、前記第１の光プローブおよび前記第２の光プローブが、前記バーナ管上に、円周方向または軸方向に装着され、それにより、前記燃料ノズルの前記表面から反射した後、前記第１及び第２の光プローブの間を伝送された前記レーザビームが、前記表面において最適な角度を張る経路を追従する、
    方法。
16. 信号対ノイズ比、自動透過補正を改善し、校正の必要性をなくすために、第１高調波（１ｆ）信号および第２高調波（２ｆ）信号を同時に再生するために、前記検出器信号を復調するためのレーザ制御器およびロックイン増幅器を設けるステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
17. 前記信号ビームを第１の信号ビームと第２の信号ビームとに分割するためのビーム分割器を設けるステップと、前記第１の信号ビームを前記ガスタービンエンジンの前記燃料−空気混合物を通して伝送するステップと、レーザ設定点を確定するために前記第２の信号ビームを静的セルを通して伝送するステップとをさらに含む、請求項１５または１６記載の方法。
18. ガスタービンエンジンのガス−燃料混合物の当量比を実時間で観測するためのシステムであって、
    レーザビームを燃料ノズルの中央胴体もしくはバーナ管の表面から反射させることによって間接的に、レーザビームを伝送するために複数の燃料ノズル上に配列された、複数の光プローブと、
    前記レーザビームを分割し、前記複数の燃料ノズルの前記ガス−燃料混合物を通して伝送するためのビーム分割器と、
    前記伝送されたレーザビームを前記複数の光プローブから受けるための１つまたは複数の検出器と、
    前記ガスタービンエンジンの前記ガス−燃料混合物の前記当量比を実時間で確定するために第２高調波検出によって固定された波長変調分光法（ＷＭＳ）の技術を使用して前記１つまたは複数の検出器からの信号を収集し処理するデータ収集サブシステムと、
    を含む、システム。
    

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