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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-03-22
(54)【発明の名称】温度測定システム
(51)【国際特許分類】
G01J 5/60 20060101AFI20220314BHJP
G01K 13/024 20210101ALI20220314BHJP
G01K 1/14 20210101ALI20220314BHJP
G01J 5/0818 20220101ALI20220314BHJP
G01J 5/00 20220101ALI20220314BHJP
【ＦＩ】
G01J5/60 D
G01K13/024
G01K1/14 L
G01J5/08 A
G01J5/00 101A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021544411
(86)(22)【出願日】2020-01-17
(85)【翻訳文提出日】2021-07-29
(86)【国際出願番号】 US2020014065
(87)【国際公開番号】W WO2020159723
(87)【国際公開日】2020-08-06
(31)【優先権主張番号】16/265,726
(32)【優先日】2019-02-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】391020182
【氏名又は名称】ソウラー タービンズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＳＯＬＡＲ ＴＵＲＢＩＮＥＳ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
(71)【出願人】
【識別番号】505300162
【氏名又は名称】ブリガム ヤング ユニバーシティ
(74)【代理人】
【識別番号】110001243
【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ダレル ツェルトナー
(72)【発明者】
【氏名】デール アール．ツリー
(72)【発明者】
【氏名】モフセン レザソルターニ
(72)【発明者】
【氏名】スコット エグバート
【テーマコード（参考）】
2F056
2G066
【Ｆターム（参考）】
2F056CL11
2F056WF01
2F056WF05
2F056WF08
2G066AA04
2G066AC01
2G066AC14
2G066AC16
2G066BA38
2G066BC02
2G066BC12
2G066BC21
(57)【要約】
温度測定システム（７００）が本明細書に開示されている。温度測定システムは、光学組立体（７５０）及びスペクトルデータ受信器（７１０）を含む。温度測定システムは、通過するガスを表示し、選択したガスの放射応答を測定する。測定には、赤外線領域の波長に関する放射強度が含まれる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
タービン外壁（４６２）、タービン内壁（４６０）、及びロータ-ステータ軸方向ギャップ（４７０）を備えたタービンを有するガスタービンエンジン（１００）用の温度測定システム（７００）であって、該温度測定システム（７００）は、前記タービン内に配置された先端部（７５５）、及び
前記タービン外壁を通って延び、ガスから放出された赤外光を受光し、その長さに沿って該赤外光を伝送するように動作可能であるファイバ（７６０）を含む
光学組立体（７５０）と、
前記先端部と反対側の前記フアイバに隣接して配置され、前記受光した赤外光を、第１の波長域に対して少なくとも第１の光強度及び第２の波長域に対して第２の光強度を含むデジタル信号に変換するように動作可能なスペクトルデータ受信器（７１０）と、を備える温度測定システム（７００）。
【請求項2】
前記先端部が、前記ロータ-ステータ軸方向ギャップの１つの中に少なくとも部分的に配置されている、請求項１に記載の温度測定システム。
【請求項3】
前記先端部が、前記ロータ－ステータ軸方向ギャップの１つを横切って前記タービン内壁に沿って第１のポイントから前記タービン内壁に沿って第２のポイントまで延びる翼弦長に沿って少なくとも部分的に方向づけられている、請求項２に記載の温度測定システム。
【請求項4】
前記フアイバが、前記ロータ－ステータの軸方向ギャップの１つを横切って前記タービン内壁に沿って第１のポイントから前記タービン内壁に沿って２のポイントまで延びる弦長に沿って向かい合うように整形されている、請求項１に記載の温度測定システム。
【請求項5】
前記ファイバが前記ガスと流体連通している、請求項１に記載の温度測定システム。
【請求項6】
ガスタービンエンジンの動作中にタービン内で生成されたガスの温度測定方法であって、該方法が、前記タービン内の前記ガスから放出された赤外光を、フアイバにおいて、受光することと、
前記フアイバに沿って前記赤外光を伝送することと、
前記フアイバから前記赤外光を、スペクトルデータ受信器において、受光することと、
前記赤外光を、少なくとも第１の波長域に対する第１の光強度及び第２の波長域に対する第２の光強度を含むデジタル信号に、前記スペクトルデータ受信器において、変換することと、
近似放射伝達方程式を用いて前記デジタル信号に基づいて前記ガスの温度を計算することと、を含む方法。
【請求項7】
前記計算することが、第１の積分強度を生成するために前記第１の波長域にわたって前記第１の光強度を積分することを含み、第２の積分強度を生成するために前記第２の波長にわたって前記第２の光強度を積分するように動作可能である、請求項６に記載の方法。
【請求項8】
前記計算することが、前記第１の積分強度と前記第２の積分強度との前記積分強度比に基づいて前記温度を推定することを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項9】
前記第１の波長域及び前記第２の波長域が、前記赤外光Ｂ波長範囲内にある、請求項６に記載の方法。
【請求項10】
前記ガスが水蒸気を含み、前記ファイバがサフアイアを含む、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に、システムに関する。より具体的には、本出願は、温度測定システムを目的としている。
【背景技術】
【0002】
温度、ガス種濃度、及び熱流束は、炎の中で発生する物理的プロセスを評価、特性評価、及び理解するために使用できる測定値である。このような測定を行うための現在の取り組みは、複雑なハードウェアを備えたシステムにおいて使用するには煩わしく、実用的でなく、その耐久性が低く、あるいは精度が疑わしい技術を利用している。高温と腐食性の環境では、良好な時間的及び空間的分解能でその場の温度測定値を取得することが非常に困難になっている。これらの考慮事項に加えて、温度が１６００°Ｃ、例えば現在の熱電対の上限温度を超える状況において、若しくは目的の測定が、典型的な二色高温測定法を使用不能にさせる、密閉された空間内にある場合に、既知の温度測定方法を適用することは複雑である。
【0003】
中谷らに付与された米国特許出願第１５／５５３，３９９号は、ガスの温度、特に水蒸気を含むガスの温度を非接触で高精度に測定できる温度測定方法及び装置について記載している。分光ユニットは、測定対象である水蒸気からの放射光から、少なくとも第１の波長域の光強度と第２の波長域の光強度を取得する。該第１の波長域と第２の波長域は両方とも近赤外領域に含まれる波長域である。第１の波長域の中心波長と第２の波長域の中心波長は、相互に異なる値に設定されている。温度計算ユニットは、第１の波長域の光強度と第２の波長域の光強度との比を用いて水蒸気の温度を計算する。
【0004】
本開示は、発明者によって発見された、若しくは当技術分野で知られている問題の１つ又は複数を克服することを目的としている。
【発明の概要】
【0005】
ガスタービンエンジン用の温度測定システムが本明細書に開示されている。実施形態では、温度測定装置は、光学組立体及びスペクトルデータ受信器を含む。該光学組立体は、タービン内に配置された先端部を含む。光学組立体は、タービンの外壁を通って延びるフアイバを含み、ガスから放出された赤外光を受光し、その長さに沿って赤外光を伝送するように動作可能である。該スペクトルデータ受信器は、タービン内壁の反対側のフアイバに隣接して配置され、受光した赤外光をデジタル信号に変換するように動作可能である。該デジタル信号は、第１の波長域に対する第１の光強度及び第２の波長域に対する第２の光強度を含む。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
添付の図面に関連して以下に記載される「発明を実施するための形態」は、様々な実施形態の説明として意図されており、本開示が実践され得る唯一の実施形態を表すことを意図していない。この「発明を実施するための形態」は、実施形態の完全な理解を提供することを目的とした具体的な詳細事項を含む。しかしながら、本発明の実施形態が、これらの具体的な詳細事項がなくても実践され得ることは当業者には明らかであろう。場合によっては、説明を簡潔にするために、周知の構造と構成要素が簡略化された形式で示されている。
【0008】
図１は、例示的なガスタービンエンジンの概略図である。説明を明確かつ容易にするために、一部の外形と参照符号が省略又は誇張されている場合がある（図１及び他の図）。また、本開示は、前方及び後方の方向を言及する場合がある。一般に、「前方」及び「後方」へのすべての言及は、特に明記しない限り、一次空気（すなわち、燃焼プロセスで使用される空気）の流れ方向に関連付けられている。たとえば、前方は一次空気流に対して「上流」であり、後方は一次空気流に対して「下流」である。
【0009】
さらに、本開示は、ガスタービンエンジン１００の回転の中心軸９５を一般に言及することができ、これは、一般に、そのシャフト１２０（複数の軸受組立体１５０によって支持される）の長手方向軸によって規定され得る。該中心軸９５は、他の様々なエンジン同心円状部品と共通又は共有され得る。半径方向、軸方向、及び円周方向へのすべての言及及び計量は、特に明記しない限り、中心軸９５を基準とし、「内側」及び「外側」などの用語は、一般に、より小さな又はより大きなラジアル距離を示し、この場合ラジアル９６が中心軸９５から垂直で外方に放射する任意の方向にある。
【0010】
構造的に、ガスタービンエンジン１００は、入口１１０、圧縮機２００、燃焼器３００、タービン４００、排気５００、及び動力出力カップリング５０を含む。該圧縮機２００は、１つ又は複数の圧縮機ロータ組立体２２０を含む。該燃焼器３００は１つ又は複数の燃料噴射器６００を含み、１つ又は複数の燃焼室３９０を含む。該タービン４００は、１つ又は複数のタービンロータ組立体４２０を含む。該排気５００は、排気ディフューザ５１０及び排気集合器５２０を含む。
【0011】
図示のように、圧縮機ロータ組立体２２０及びタービンロータ組立体４２０の両方は、軸流ロータ組立体であり、各ロータ組立体は、複数の翼形部（「ロータブレード」）が円周方向に実装されたロータディスクを含む。取り付けられると、１つのロータディスクに関連付けられるロータブレードは、環状ケーシング内に円周方向に分布する静翼（「ステータベーン」又は「ステータ」）２５０、４５０によって隣接するディスクに関連付けられるロータブレードから軸方向に分離される。
【0012】
機能的には、ガス（典型的には空気１０）は「作動流体」として入口１１０に流入し、圧縮機２００によって圧縮される。圧縮機２００では、作動流体は、一連の圧縮機ロータ組立体によって環状流路１１５内で圧縮される。特に、空気１０は、複数の「段」まで圧縮され、各段は、各圧縮機ロータ組立体２２０に関連付けられる。例えば、「第４段空気」は、下流すなわち「後方」方向－入口１１０から排気５００に向かう）の第４圧縮機ロータ組立体２２０に関連付けられ得る。同様に、各タービンロータ組立体４２０は、特定の段に関連付けられ得る。例えば、第１段タービンロータ組立体４２１は、タービンロータ組立体４２０のうちの最も前方のものである。しかしながら、他の付番法／命名法も使用され得る。
【0013】
圧縮空気１０が圧縮機２００から吐き出ると、燃焼器３００に流入し、そこで拡散され、燃料が添加される。空気１０及び燃料は、燃料噴射装置６００を介して燃焼室３９０に噴射され、点火される。次に、燃焼反応後、一連のタービンロータ組立体４２０の各段によって、タービン４００を介して燃焼燃料／空気混合物からエネルギーが抽出される。次に、排気ガス９０は、排気ディフューザ５１０内で拡散され、集合され、方向転換され、排気集合器５２０を介してシステムから流出され得る。該排気ガス９０は、（例えば、有害排出物質を低減、及び／又は排気ガス９０から熱を回収するように）さらに処理されてもよい。
【0014】
タービン４００は、温度測定システム７００を含むことができる。１つの実施形態では、温度測定システム７００は、スペクトルデータ受信器７１０及び光学組立体７５０を含む。スペクトルデータ受信器７１０は、ガスタービンエンジン１００の外側に配置することができる。光学組立体７５０は、スペクトルデータ受信器７１０から延び、タービン外壁４６２及びタービン内壁４６０を通ってタービン４００内に延びることができ、一連のタービンロータ組立体４２０の任意の段間に位置決めすることができる。
【0015】
図２は、図１のタービン４００の一部の断面図であり、光学組立体７５０の一部を含む。該光学組立体７５０は、タービン外壁４６２及びタービン内壁４６０を通ってタービン４００を通って部分的に延びることができる。代替的に、光学組立体７５０は、燃焼器３００を通ってかつ図１に示されるロケーション６９９に近接する噴射器６００を通って部分的に延びることができる。一例では、光学組立体７５０は、噴射器６００の後端に近接して、燃焼器３００を通って及び燃焼室３９０を通って部分的に延びることができる。タービン外壁４６２は、タービン４００及び燃焼器３００を周囲環境から分離する。タービン内壁４６０は燃焼生成物を含むガスを収容し、該燃焼生成物はタービンエンジン１００の動作中に該ガスがタービンロータ組立体４２０及びステータ４５０を通って移動する際に生成される。光学組立体７５０は、タービン内壁４６０の内側とタービン内壁４６０の外側との間の圧力及び温度差を維持するためにタービン内壁４６０で密封することができる。光学組立体７５０は、例えば、第１段のステータ－ロータ軸方向ギャップ４７１、第１段のロータ－ステータ軸方向ギャップ４７２、第２段のステータ－ロータ軸方向ギャップ４７３、第２段のロータ－ステータ軸方向ギャップ４７４、又は後続段のロータ－ステータ軸方向ギャップなどのロータ－ステータ軸方向ギャップ４７０のうちの１つの中に少なくとも部分的に配置され得る先端部７５５を有することができる。１つの実施形態では、該先端部７５５は、第１段タービンロータ組立体４２１とステータ４５０のうちの１つとの間に配置される。タービンロータ組立体４２０とステータ４５０との間のロータ－ステータ軸方向ギャップ４７０は、燃焼室３９０内の燃料と空気１０の混合物の燃焼からタービンエンジン１００の動作中に生成される燃焼ガスを収容することができる。１つの実施形態では、先端部７５５は、第１段タービンロータ組立体４２１と組立体ステータ４５０との間に位置する第１段ステータロータ軸方向ギャップ４７１内に配置される。別の実施形態では、先端部７５５は、ロータ－ステータ軸方向ギャップ４７０の１つに少なくとも部分的に隣接し、流れ連通することができる。１つの実施形態では、先端部７５５は、タービン内壁４６０の内面に沿って同一平面にすることができる。別の実施形態では、先端部７５５を真っ直ぐにできる。１つの実施形態では、先端部７５５を屈曲、又は湾曲させることができる。１つの実施形態では、先端部７５５を、中心軸９５に向かって少なくとも部分的に位置合わせすることができる。別の実施形態では、先端部７５５は、ロータ－ステータ軸方向ギャップ４７０の１つを横切ってタービン内壁４６０に沿った第１のポイントからタービン内壁４６０に沿った第２のポイントまで延びる弦長に沿って少なくとも部分的に方向づけることができる。追加的に、翼弦長は、タービンブレード及びハブなどの他のタービンロータ４２０及びステータ４５０構成要素によって視覚的に遮られない場合がある。遮るもののない翼弦長は、タービン内壁４６０から中心軸９５に向かう遮るもののないラジアル距離よりも長くすることができる。
【0016】
図３は、例示的な温度測定システムの断面図である。１つの実施形態では、光学組立体７５０は、タービン４００を通って延びる。光学組立体７５０は、スペクトルデータ受信器７１０の反対側に配置されたフアイバ７６０、チューブ７７０、及び先端部７５５を含むことができる。１つの実施形態では、該フアイバ７６０は、先端部７５５からスペクトルデータ受信器７１０の内部に延びる。フアイバ７６０は、少なくとも光信号を第１の端部からスペクトルデータ受信器７１０まで伝送するように動作可能な光フアイバであり得る。フアイバ７６０は、サフアイアフアイバを含むことができ、１．７～２．６３マイクロメートルの範囲内の発光を伝送するように動作可能であり得る。フアイバ７６０は、純粋なシリカフアイバ又は他の好適な光フアイバを含むことができる。該チューブ７７０は、フアイバ６０の周りに配置され、フアイバ６０の一部に沿って軸方向に延びることができ、フアイバ６０を損傷から保護するように構成されることができる。チューブ７７０は、ステンレス鋼を含むことができる。先端部７５５は、レンズ７８０、レンズホルダー７８２、レンズ止めネジ７８４、チューブ止めネジ７７６、チューブ７７０の一部、及びフアイバ７６０の一部を含むことができる。該レンズホルダー７８２は、ステンレス鋼を含むことができる。１つの実施形態では、該レンズ７８０は、レンズホルダー７８２内に配置することができる。レンズ７８０は、球面サフアイアレンズを含むことができる。レンズ７８０は、フッ化カルシウムで作製された平凸レンズであり得る。該チューブ７７０は、レンズ７８０の反対側のレンズホルダー７８２内に部分的に配置することができる。該レンズ止めネジ７８４は、レンズ７８０とチューブ７７０との間のレンズホルダー７８２内に配置することができる。フアイバ７６０は、レンズホルダー７８２内に部分的に配置することができる。フアイバ７６０は、レンズ止めネジ７８４及びチューブ７７０内に部分的に配置することができる。レンズホルダー７８２は、レンズホルダー７８２を通って延び、チューブ７７０に隣接することができるチューブ止めネジ７７６を有し得る。
【0017】
代替の実施形態では、先端部７５５は、フアイバ７６０の端部を含む。フアイバ７６０は、タービン内壁４６０を通って延び、タービン内壁４６０の内方にある間、様々な向きに湾曲、屈曲、又は配置され得る。フアイバ６０は、タービン内壁４６０に隣接して配置され、タービン内壁４６０から離れてタービン外壁４６２を通って延びることができる。フアイバ６０は、ガス又は燃焼生成物から放出される赤外光を受光し、その長さに沿った赤外光を伝送するよう動作可能である。チューブ７７０は、タービン内壁４６０からスペクトルデータ受信器７１０に向かって延びることができる。フアイバ６０は、チューブ７７０によって密封することができる。
【0018】
図４は、スペクトルデータ受信器の機能的ブロック図である。スペクトルデータ受信器７１０は、フアイバ７６０の一部、フィルタ８２０、及びセンサ８１６を含むことができる。フアイバ７６０の一部は、スペクトルデータ受信器７１０内部に延び、フィルタ８２０と光通信することができる。１つの実施形態では、フィルタ８２０は、選択された波長域内の赤外光を通過させ、選択された波長域外の光を遮断させることを可能にする光学フィルタである。１つの実施形態では、フィルタ８２０は複数のフィルタである。例えば、複数のフィルタ８２０は、第１の光波長域が第１のフィルタを通ることが許容され、第２の波長域が第２のフィルタを通ることが許容され、第３の波長域が第３のフィルタを通ることが許容され、第４の波長域が第４のフィルターを通ることが許容されるように選択することができる。検出器又はセンサ８１６を使用して、複数のフィルター８２０を通ることが許容される赤外光を検出することができる。１つの実施形態では、センサ８１６は、複数のセンサ又は検出器であり得る。赤外光を受光するセンサ８１６は、赤外光をデジタル信号に変換することができる。該デジタル信号は、センサ８１６から、リンク８２４に沿って、入力／出力回路８１２を介してコントローラ８０４まで伝送することができる。スペクトルデータ受信器７１０は、フーリエ変換赤外線分光計を備えてもよい。スペクトルデータ受信器７１０は、赤外線検出器、光学フィルタ、及びサーモパイル検出器、多結晶硫化鉛検出器、インジウムガリウムヒ素フォトダイオード検出器赤外光フィルター、及び液体窒素冷却センサなどのセンサを含むことができる。
【0019】
スペクトルデータ受信器７１０は、入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路８１２に接続されたリンク８２２を介してデータベース８１４に動作可能に接続されたコントローラ８０４を有することができる。図示されていないが、追加のデータベース８１４が既知の方法でコントローラ８０４にリンクされ得ることに留意されたい。さらに、これらのデータベース８１４は、スペクトルデータ受信器７１０の外部にあってもよい。
【0020】
コントローラ８０４は、プログラムメモリ８０６、プロセッサ８０８（マイクロコントローラ又はマイクロプロセッサと呼ばれることもある）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８１０、及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路８１２を含み、これらはすべて、アドレス／データバス８２１を介して相互接続される。１つのマイクロプロセッサ８０８のみが示されているが、コントローラ８０４は、複数のマイクロプロセッサ８０８を含むことができる。同様に、コントローラ８０４のメモリは、複数のＲＡＭ８１０及び複数のプログラムメモリ８０６を含むことができる。Ｉ／Ｏ回路８１２は単一のブロックとして示されているが、Ｉ／Ｏ回路８１２は、いくつかの異なるタイプのＩ／Ｏ回路を含み得ることを理解されたい。ＲＡＭ８１０及びプログラムメモリ８０６は、例えば、半導体メモリ、磁気的に読み取り可能なメモリ、不揮発性メモリ、及び／又は光学的に読み取り可能なメモリとして実装されてもよい。
【0021】
プログラムメモリ８０６及び／又はＲＡＭ８１０は、マイクロプロセッサ８０８によって実行するための様々なアプリケーション（すなわち、機械可読命令）を格納することができる。例えば、オペレーティングシステム８３０は、本明細書に記載のプロセスを実施するために、一般に、スペクトルデータ受信器７１０の動作を制御し、スペクトルデータ受信器７１０にユーザーインターフェースを提供し得る。プログラムメモリ８０６及び／又はＲＡＭ８１０はまた、スペクトルデータ受信器７１０の特定の機能にアクセスするための様々なサブルーチン８３２を格納することができる。例として挙げるが、該サブルーチン８３２は、とりわけ、センサ８１６によって検出された赤外光信号に関連付けられたデジタル信号を取得すること、選択された波長域にわたるデジタル信号の光強度を識別すること、波長と比較した光強度の視覚的表現を生成すること、選択された波長域にわたる光強度を積分すること、該積分光強度（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を第２の積分光強度と比較して積分強度比（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｒａｔｉｏ）を計算すること、該積分強度比をチャートと比較して積分強度比及び選択された波長域に関連する温度値を推定することを含むが、これらに限定されるものではない。
【0022】
他の例では、サブルーチン８３２は、推定温度の視覚的表現をさらに生成し、グラフィカルユーザーインターフェースを介してディスプレイ８２６に該視覚的表現を表示することができる。該グラフィカルユーザーインターフェイスは、視覚的／グラフィカルな比較のために、複数（２つ以上）のデータセットの表現（プロットやダイアグラムなど）を視覚化又は表示できる。いくつかの実施形態では、３つ以上のデータセットは、スペクトルデータ受信器７１０を使用して比較対照することができる。例えば、既知値を記録値と比較することによる温度測定システム７００の較正のために比較対照される。
【0023】
サブルーチン８３２は、本明細書に記載された動作のいずれをも実行するためのサブルーチンを含むことができる。サブルーチン８３２は、例えば、ソフトウェアキーボード機能を実施すること、スペクトルデータ受信器７１０において他のハードウェアとインターフェイスすることなど、他のサブルーチンを含むことができる。プログラムメモリ８０６及び／又はＲＡＭ８１０はまた、スペクトルデータ受信器７１０の構成及び／又は動作に関連した、及び／又は１つ又は複数のサブルーチン８３２に関連したデータを更に格納することができる。例えば、該データは、センサ８１６から収集されたデータ、プロセッサ８０８によって決定及び／又は計算されたデータなどであってもよい。コントローラ８０４に加えて、スペクトルデータ受信器７１０は、他のハードウェアリソースを含むことができる。スペクトルデータ受信器７１０はまた、視覚的ディスプレイ８２６及び入力デバイス８２８（例えば、キーパッド、キーボードなど）などの様々なタイプの入力／出力ハードウェアを含むことができる。１つの実施形態では、ディスプレイ８２６はタッチセンサー式であり、ソフトウェアルーチン８３２の１つとしてソフトウェアキーボードルーチンと協調して、ユーザ入力を受け入れることができる。スペクトルデータ受信器７１０にとって、いくつかの既知のネットワーキングデバイス及び技術のいずれかを介して（例えば、イントラネット、インターネットなどのようなコンピュータネットワークを介して）より広いネットワーク（図示せず）と通信することは有利であり得る。例えば、スペクトルデータ受信器７１０は、温度と比較して或る特定の波長域に関する積分強度比のデータベース８１４に接続され得る。該データベース８１４は、温度、圧力、及び濃度などの入力と相関関係を持つ、水、二酸化炭素、及び一酸化炭素の吸収値又は発光スペクトル線の強さを含むスペクトル情報を含むことができる。例えば、データベース８１４は、Ｌ．Ｓ．Ｒｏｔｈｍａｎ， Ｉ．Ｅ．Ｇ， Ｒ．Ｊ． Ｂａｒｂｅｒ， Ｈ． Ｄｏｔｈｅ， Ｒ．Ｒ． Ｇａｍａｃｈｅ， Ａ． Ｇｏｌｄｍａｎ， Ｖ．Ｉ． Ｐｅｒｅｖａｌｏｖ， Ｓ．Ａ． Ｔａｓｈｋｕｎ， Ｊ． Ｔｅｎｎｙｓｏｎ． ２０１０「ＨＩＴＥＭＰ、ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｐｅｃｔｒｏｐｉｃ ｄａｔａｂａｓｅ（高温分子分光データベース）」 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｒａｄｉａｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ３：２１３９－２１５０（ＨＩＴＥＭＰ２０１０）のデータベースを含むことができる。
【0024】
代替的に、データベース８１４、ディスプレイ８２６、入力デバイス８２８、及びコントローラ３０４及びその残りの構成要素は、スペクトルデータ受信器７１０から独立させることができる、コンピュータ又はコンピューティングデバイスなどの別のシステムに含めることができる。
【産業上の利用可能性】
【0025】
本開示は、一般に、温度測定システム７００及び温度測定システム７００を有するガスタービンエンジン１００に適用される。説明された実施形態は、特定のタイプのガスタービンエンジン１００と組み合わせて使用することに限定されず、むしろ固定式又は移動式ガスタービンエンジン、又はそれらの任意の変形型に適用されることができる。ガスタービンエンジン、及びそれらの構成要素は、石油及び天然ガス産業（石油及び天然ガスの輸送、集合、貯留、採取、及び吸上げを含む）、発電産業、コージェネレーション、航空宇宙及び輸送産業の多種多様な側面といった、幾つもの産業応用に適応することができるが、これらに限定されるものではなく、これらはほんの一部の例にすぎない。
【0026】
一般に、現在開示されている温度測定システム７００の実施形態は、ガスタービンエンジン１００の使用、組立、製造、操作、保守、修理、及び改良に適用可能であり、性能及び効率を改良し、保守を減少させ、保守及び修理を軽減、及び／又はコストを削減するために使用することができる。さらに、現在開示されている温度測定システム７００の実施形態は、設計から試作と最初の製造まで、ガスタービンエンジンの１００の寿命の任意の段階で、そして寿命の終わりまで適用可能であり得る。したがって、温度測定システム７００は、既存のガスタービンエンジンの改装又は改良として、予防措置として、あるいは事象への対応としてさえ、最初の製品で使用することができる。
【0027】
図１を参照すると、図１に示されるように、ガス（通常、空気１０）は、「作動流体」として入口１１０に流入し、圧縮機２００によって圧縮される。圧縮機２００では、該作動流体は、一連の圧縮機ロータ組立体２２０によって環状流路１１５内で圧縮される。特に、該空気１０は、複数の「段」で圧縮され、各段は、各圧縮機ロータ組立体２２０に関連付けられる。例えば、「第４段空気」は、下流においてすなわち「後方」方向（入口１１０から排気５００に向かう）において、第４圧縮機ロータ組立体２２０に関連付けられ得る。同様に、各タービンロータ組立体４２０は、１つの段に関連付けられ得る。
【0028】
ガスタービンエンジン１００では、空気１０及び燃料が燃焼室３９０内にに噴射されて燃焼される。エネルギーは、一連のタービンロータ組立体４２０の各段を通過する燃焼ガスによって、タービン４００を介して燃焼反応から抽出される。同様の悪環境条件を伴う他の用途とともに、一連のタービンロータ組立体４２０の各段間の燃焼された空気燃料混合物又は燃焼ガスの温度を測定することは利益がある。燃料噴射器６００及び燃焼室３９０に存在するガスの温度を測定することも利益がある。一例では、温度測定システム７００は、噴射器６００内の温度を測定し、最大温度値に基づいてフラッシュバックが発生するかどうかを検出することができる。別の例では、温度測定システム７００は、最小温度値に基づいてフレームアウトが発生するかどうかを検出することができる。
【0029】
温度測定システム７００は、水蒸気などの燃焼ガスに見られる燃焼生成物からの赤外発光（ｉｎｆｒａｒｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）を利用して、燃焼前及び燃焼環境でガスの温度を測定するために使用することができる。ガス又は燃焼生成物からの該赤外発光を利用することにより、光源より出る光が生成される必要がない、また温度測定システム７００によって使用される必要もない。温度測定システム７００は、異なる波長域にわたって積分されたガス又は燃焼生成物の測定されたスペクトル発光強度（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ）を利用することができ、積分強度比を使用して温度を推定することができる。
【0030】
温度測定システム７００の動作中、レンズ７８０は、ガス又は燃焼生成物から放出された赤外光をフアイバ７６０に集束させるように動作可能にできる。１つの実施形態では、ガス又は燃焼生成物は水蒸気であり得る。別の実施形態では、ガス又は燃焼生成物は二酸化炭素であり得る。フアイバ７６０は、レンズ７８０からの赤外光を受光し、その長さに沿って赤外光を伝送して赤外光をスペクトルデータ受信器７１０に送達するように動作可能である。代替的に、フアイバ７６０は、レンズ７８０を使用しないガス又は燃焼生成物から放出される赤外光を受光するように動作可能にできる。
【0031】
スペクトルデータ受信器７１０は、赤外光を受光し、赤外光をデジタル信号に変換するように動作可能にできる。該デジタル信号は、少なくとも短波長赤外範囲の第１の波長域に対する第１の光強度及び短波長赤外線範囲の第２波長域に対する第２の光強度を含むことができる。言い換えれば、スペクトルデータ受信器７１０は、複数の波長域（例えば、少なくとも第３の波長域に関する第３の光強度及び第４の波長域に関する第４の光強度を含む）に関して複数の光強度を受光することができる。
【0032】
デジタル信号情報は、放射伝達方程式：
【0033】
【数1】
【0034】
に使用することができる。
【0035】
ガスの場合、通常、無視できる散乱があり、かつ煤（すす）粒子の散乱を無視することが、通常、受け入れられる。その理由は、煤粒子は非常に小さいため、散乱のために濃度を異常に大きくする必要があるからである。散乱が無視できる微粒子と比較して、より大きな粒子の濃度が比較的低いため、この仮定は、通常、ほとんどの燃焼流に対して良好である。散乱が無視できる場合、放射伝達方程式（ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｑｕａｔｉｏｎ）は次式：
【0036】
【数2】
【0037】
に近似される。
【0038】
ロータ－ステータギャップ４７０などの火炎後領域に位置する燃焼ガスの場合、温度及び濃度は一般に均一であり、均一な温度係数及び吸収係数に導く。これは方程式：
【0039】
【数3】
【0040】
に導く。
【0041】
ここで、Ｃａｂｓ、Ｐｉ、Ｒ、ＮＡ、及びＴは、それぞれ吸収断面積、分圧、アボガドロ数、理想ガス定数及び絶対温度である。近似放射伝達方程式（ｒｅｄｕｃｅｄ ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｑｕａｔｉｏｎ）は次のようになる。
【0042】
【数4】
【0043】
１つの実施形態では、スペクトルデータ受信器７１０は、赤外線信号及び第１の光強度及び第１の波長域を記録し、第２の光強度及び第２の波長域は、記録された赤外線信号から選択される。フーリエ変換赤外分光計などのスペクトルデータ受信器の使用を通じて、該記録された赤外線信号から複数の光強度と波長域を抽出できる。
【0044】
スペクトルデータ受信器７１０又はコンピューティングデバイスは、上記の近似放射伝達方程式を用いて、第１の波長域にわたって第１の光強度を積分して第１の積分強度を生成するように動作可能であり得、第２の波長にわたって第２の光強度を積分して第２の積分強度を生成するように動作可能であり得る。第１の積分強度を第２の積分強度で割って積分強度比を生成することができる。複数の光強度が異なる温度と波長で記録されると、該生成された積分強度比は、単一の温度が特定の積分強度比に関連付けられている単調関数を生成できる。
【0045】
さらに、第１及び第２の波長域は、ガス又は燃焼生成物によって生成される光強度を記録することに向けることができる。第３及び第４の波長域を記録及び選択して、ガス又は燃焼生成物を含有する高温表面の少なくとも１つによって生成される光強度を測定することができる。高温ガスの温度を測定する際には、近傍の高温表面は、近傍の高温ガスの光強度測定において各々の光信号又は「ノイズ」を生成する可能性がある。この「ノイズ」を説明するために、近傍の高温表面から放出される光は、選択された第３及び第４の光波長域を使用して測定され、ガス又は燃焼生成物によって生成される光線を取得するたに放出される全光線から差し引くことができ、より正確なガス又は燃焼生成物温度を取得することに導くことができる。スペクトルデータ受信器７１０は、第３及び第４の波長域から記録された光信号情報を利用することによって、記録された第１及び第２の光強度値から光信号ノイズを除去するように動作可能にできる。
【0046】
データベース８１４は、輝線の各々にエネルギーを提供することができるが、各輝線の形状を提供しない場合がある。各輝線の形状は、様々な研究者によって様々にモデル化されている。例えば、個々の輝線の形状及びモデルは、Ｊ．Ｔ． Ｐｅａｒｓｏｎ， Ｂ．Ｗ． Ｗｅｂｂ， Ｖ．Ｐ． Ｓｏｌｏｖｊｏｖ， Ｊ． Ｍａ． ２０１４．「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ｂｌａｃｋｂｏｄｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ Ｈ２Ｏ， ＣＯ２， ａｎｄ ＣＯ”（全圧がＨ２Ｏ、ＣＯ２、及びＣＯにおける吸収線黒体（完全放射体）分布関数と放射伝達に及ぼす影響）」。 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｒａｄｉａｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ １４３：１００－１１０。
【0047】
輝線の形状を選択した後、個々の輝線を組み合わせて全スペクトルを生成できる。このスペクトル放射グラフは、所与の温度、圧力、及びＨ２ＯとＣＯ２の濃度に相関している。モデルにおいて温度が変更される場合には、グラフの放射が変化するであろう。われわれが選択した積分帯域率（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｂａｎｄ ｒａｔｉｏ）が温度によってどのように変化するかを確認するためにモデルを複数の値で実行することができる。したがって、測定された積分帯域率がモデル化された積分帯域率と一致する際には、測定された温度はモデル化された温度と一致すると想定される。これにより、温度測定システム７００は、熱電対などの別のデバイスからの測定温度に依存することなく、較正された放射率を生成し、モデル化された放射率と比較するように動作可能にすることができる。
【0048】
温度測定システム７００は、温度測定システム７００を黒体（ＢＢ）放射体の前に配置することによって較正することができる。次に、温度測定システム７００は、測定された信号を記録し、黒体温度を用いてプランクの曲線を使用して測定波長での強度を計算することができる。次に、温度測定システム７００の出力と強度との間の関係が知られている。データベース８１４は、ＨＩＴＥＭＰ２０１０データベースを含む基本的なモデリング原理に基づいてガス及び背景温度を決定するために強度比を用いることができる。このプロセスには、光学部品の透過率損失説明することをはじめとして検出器の結合された感度（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を較正するとことが含まれる。代替的に、黒体放射体は、タングステンランプ放射体などの他の放射体で代用することができる。
【0049】
バンド放射率（ｒａｔｉｏ ｏｆ ｂａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）と温度との関係は、モデル化された積分放射（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）を通じって決定される。以前の方法では、高分解能でのデータ取得が必要であり、不確かさは較正の絶対値に依存する。積分強度比（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｒａｄｉｏ）を利用することにより、スペクトル分解能及びスペクトルデータ受信器７１０を用いたスペクトルの正確な測定の必要性が少なくなる。また、この比率法により、スペクトルデータ受信器７１０及び光学組立体７５０の絶対較正の必要性が低くなり、この技術を、感度がより低くより安価な機器とともに、光学フィルタ、センサ、及び検出器に使用することが可能になる。フィルタ、センサ、及び検出器では、選択した波長域の総積分強度の直接出力が可能となり、フーリエ変換赤外分光計を使用する場合など、積分ステップを実行するためにプログラム及び必要な構成要素を必要とすることがなくなる。フィルタ、センサ、及び検出器を使用すれば、この比率法の時間分解能を向上させることが可能であろう、また温度を決定するための後処理を必要とせずに、１秒未満の応答時間を許容できる。
【0050】
１つの実施形態では、波長域は重複しない。１つの実施形態では、波長域は、１４００ナノメートルと３０００ナノメートルの波長の間にあり、短波長赤外線領域又は赤外線Ｂと呼ばれることもある。１つの実施形態では、ガス又は燃焼生成物は、エンクロージャ内に位置付けられている。１つの実施形態では、波長域は２．４３マイクロメートルから２．６３マイクロメートルの間である。
【0051】
１つの実施形態では、レンズ７８０は、ガス又は燃焼生成物と少なくとも部分的に流体連通するか、又は接触することができる。１つの実施形態では、フアイバ６０は、ガス又は燃焼生成物と少なくとも部分的に流体連通するか、又は接触することができる。別の実施形態では、レンズ７８０が中心軸９５に向けられるように先端部７５５を屈曲させるか又は湾曲させることができる。別の実施形態では、フアイバ７６０が中心軸９５に向けられるように先端部７５５を屈曲させるか又は湾曲させることできる。１つの実施形態では、ロータ－ステータ軸方向ギャップ４７０の１つを横切ってタービン内壁４６０に沿った第１のポイントから、タービン内壁４６０に沿った第２のポイントまで延びる翼弦長に沿って向かい合うようにレンズ７８０が整形されるように先端部７５５を屈曲させるか又は湾曲させることができる。１つの実施形態では、フアイバ７６０は、レンズ効果を提供するために、整形又は接地された先端を有することができる。翼弦長は、タービンブレード及びハブなどの他のタービンロータ４２０及びステータ４５０の構成部品によって視覚的に遮るものがないようにできる。遮るもののない翼弦長は、タービン内壁４６０から中心軸９５に向かう遮るもののないラジアル距離よりも長くなる可能性があり、光路長の増加につながる可能性があり、見通し線（ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈｔ）と呼ばれることもある。光路長が長いほど、よりクリーンでより強い赤外線の読み取り値につながる可能性があり、推定温度値が向上する。１つの実施形態では、レンズ７８０がロータ－ステータ軸方向ギャップ４７０のラジアル長さを挟んで向かい合うようにレンズ７８０を整形又は位置決めすることができる。レンズ７８０は、中心軸９５の方に向いているか、又はロータ－ステータ軸方向ギャップ４７０の１つを横切って第１のポイントからタービン内壁４６０に沿った第２のポイントまで延びる翼弦長に沿った方向に向けることができる。１つの実施形態では、フアイバ７６０は、フアイバ７６０がロータ－ステータ軸方向ギャップ４７０のラジアル長さを挟んで向かい合うように整形又は位置決めすることができる。フアイバ７６０は中心軸９５の方に向いているか、又はロータ－ステータ軸方向ギャップ４７０の１つを横切ってタービン内壁４６０に沿った第１のポイントからタービン内壁４６０に沿った第２のポイントまで延びる翼弦長に沿った方向に向けることができる。
【0052】
１つの実施形態では、温度測定システム７００は、１気圧を超えて使用することができる。積分スペクトル帯域放射率（ｒａｔｉｏ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｂａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）は、圧力が増加しても温度の単調関数のままであり、より高い圧力での関係は大気圧での関係と同様のままである。この関係から利益を得るには、先端部７５５は、適切な材料を利用することにより、最大３０気圧の圧力及び最大１６５０ケルビンの温度に耐えるように動作可能にすることができ、したがって、開示されたガスタービンエンジン１００などの産業用途に温度測定システム７００を使用する能力を促進することができる。
【0053】
前述の「発明を実施するための形態」は、本質的に単なる例示であり、本発明又は本発明の適用及び使用を限定することを意図するものではない。説明された実施形態は、特定のタイプのガスタービンエンジン又は特定の燃焼器と組み合わせて使用することに限定されない。したがって、本開示は、説明の便宜のために、温度測定システムの特定の実施形態を表現及び記述しているが、本開示による温度測定システムは、様々な他の構成で実施でき、様々な他のタイプの燃焼器及びガスタービンエンジンに使用でき、他のタイプの機械に使用できることが理解されるであろう。１つの実施形態に関連する任意の説明は、他の実施形態の同様の特徴に適用され、複数の実施形態の要素を組み合わせて、他の実施形態を形成することができる。さらに、前述の「背景技術」又は「発明を実施するための形態」に提示された理論に拘束される意図はない。説明図は、図示された参照品目をよりよく説明するために誇張された寸法を含む場合があり、そのように明示的に述べられていない限り、限定することを考慮しないことも理解される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【国際調査報告】