JP5503404B2

JP5503404B2 - 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

Info

Publication number: JP5503404B2
Application number: JP2010110714A
Authority: JP
Inventors: ファ・シア; ケヴィン・トーマス・マッカーシー; マイケル・ジョセフ・クロック; ブーン・クウィー・リー; クリスチャン・ジョセフ・ワグナー; ロナルド・ケヴィン・ギルトラップ; ジェームズ・リチャード・ナット; クン−リー・デン; デヴィッド・ロバート・オコナー; ジュンタオ・ウー; ジェームズ・ジェラルド・ロペス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: CH700960A2; US20100290733A1; US8306373B2; CH700960B1; CH700960A8; CN101886955A; DE102010016825A1; JP2010266443A; CN101886955B

Description

本発明は一般的には、センシング（感知）技術に関し、さらに具体的には、光ファイバ型感知パッケージ、及び例えばガス・タービンの多点温度測定のシステムに関する。

温度センシングは、多くの工業プロセスの安全性、並びに効率的な運転及び制御のために不可欠的なものである。ガス・タービン、石炭ボイラの運転、燃焼、発電及びガス化のような工業プロセスには、実時間工業プロセス監視のためにも、制御及び最適化のためにも高い温度の測定が必要である。

ガス温度は、ガス・タービン運転のための重要な制御パラメータの一つであり、温度測定の精度を少しでも改善すればタービン効率を高めることができる。圧縮機／ガス・タービンの排気管の温度は、極めて強いガス・マス・フローを伴いながら華氏６００度〜１２００度（°Ｆ）に近く、制御目的での直接式の燃焼器温度測定は、殆どの温度測定設備の能力を超えている。燃焼制御の実用技術では、環状アレイを成す熱電対を用いて排気温度を測定して、燃焼器への燃料流を制御している。故障温度が検出されたら常に、過冷又は過熱の何れにおいても燃料流量調節又はガス・タービンの早期停止の何れかが生ずる。かかる燃焼制御方法には正確な環状排気温度測定が必要である。しかしながら、環状アレイ型熱電対（ＴＣ）を用いた現行の排気温度測定は限定された感知点しか提供せず、感知の空間分解能は約２分の１メートルであって最適値よりも大きい場合がある。従って、ガス・タービンの制御方策には過度の余地があり、発電効率の低下及び診断能力の低下を招いている。しかしながら、現行の方法から既存のＴＣの数及び位置を増加させることは、パッケージの嵩が大きく過大な電気配線を必要とするため困難である。

二酸化ケイ素を基本成分とする石英ファイバ材料は、例えば約２７００°Ｆの温度等のような高温で溶融し、従って二酸化ケイ素材料系の四面体型ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）センサが、ターボ機械装置系、燃焼器、発電機、エンジン及び気化器のような苛酷な環境からの多点温度測定に用いるのに大きな可能性を有するものと考えられている。さらに、ＦＢＧセンサは、特定の波長の光を反射し他の波長を透過させる石英光ファイバとして構築された高品質反射体を含んでいる。ＦＢＧセンサは、低質量、高感度、多重化能力、多点分配能力、多重感知作用、及び電磁干渉不感受性を有するものとして有利である。

米国特許出願公開第２００６００５９９１７号公報

ガス・タービンの運転状態を監視するためには、熱安定型ファイバ・ブラッグ格子センサばかりでなく堅牢なファイバ・センサ・パッケージが必要とされる。多点温度測定又はあらゆる過渡的熱力学的測定のために、ガス・タービンの内部に容易に展開配置可能なセンサ・パッケージを提供することができれば有用である。設置されたファイバ・センサ・パッケージは、初期的なガス・タービン始動及び過渡的温度に耐えなければならず、この温度は周囲温度から１０００°Ｆ〜１２００°Ｆまでにわたる勾配を有する。排気ガスがＣＯ、ＣＯ_２、ＮＯ_ｘ及びＨ_２Ｏ等を含み得ることを考慮すると、ファイバ・センサ・パッケージは、信頼性の高い温度測定のためばかりでなく振動、熱サイクル、及び応力腐蝕に誘発される機械的疲労に耐える高い機械的強度を保つために、気密密封されているべきである。

しかしながら、あらゆる工業発電システムにファイバ・センサを展開配置するためには、適正なファイバ・センサ・パッケージ及び対応する設置方法が断然必要である。一方で、各々の工業システムの運転状態は、例えば温度、圧力、流量、振動及び腐蝕が区々であり得るので、設置方法は工業システム間で異なり得る。異なる苛酷な環境条件に耐え得る改善されたＦＢＧセンサ・パッケージ、設置方法、及び統合型感知システムを提供することが望ましい。

本書に開示される一実施形態によれば、ファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システムが、ファイバ感知ケーブル・パッケージと、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とを含んでいる。ファイバ感知ケーブル・パッケージは、少なくとも１本の光ファイバと、光ファイバに書き込まれた複数のブラッグ格子と、光ファイバを包囲する鎧装管とを含むファイバ・ブラッグ格子方式感知ケーブルを含んでいる。ファイバ感知ケーブル・パッケージは、ブラッグ格子に光を伝達する光源と、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。各々の圧締器具が、放射状配置Ｔ字形器具（radiation tee）を含んでおり、ファイバ感知ケーブルを固定する少なくとも１個の装着孔を画定している。

本書に開示されるもう一つの実施形態によれば、ファイバ感知ケーブル・パッケージが、ファイバ・コア及びクラッド（外装）と、ファイバ・クラッドを包囲する皮膜層とを含む光ファイバと、ファイバ・コアに書き込まれた複数のブラッグ格子と、ファイバ・クラッドを包囲する織布層と、織布層の周囲の鎧装管と、ブラッグ格子に光を伝達する光源と、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。織布層は、ファイバ材料の熱膨張率と適合する熱膨張率を含んでいる。

本書に開示されるさらにもう一つの実施形態によれば、方法が、複数のブラッグ格子が書き込まれたファイバを得るステップと、ファイバを既存の硬質金属棒に取り付けるステップとを含んでいる。金属棒は、棒の外面に棒の長さに沿って設けられた複数の貫通孔を含んでいる。ブラッグ格子は各々、対応する貫通孔に位置する。

本発明のこれらの特徴、観点及び利点、並びに他の特徴、観点及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとさらに十分に理解されよう。尚、図面全体にわたり、類似の参照符号は類似の部材を表わす。
本発明の一実施形態による例示的なファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）感知ケーブル・パッケージの単純化された断面図である。図１のＦＢＧ感知ケーブル・パッケージのＦＢＧ感知ケーブルの例示的な断面図である。図１のＦＢＧ感知ケーブルの複数のブラッグ格子の例示的な波長スペクトルの図である。ガス・タービン試験期間内での温度変化に応答した図１のＦＢＧ感知ケーブルの複数のブラッグ格子の例示的な波長シフト・スペクトルの図である。本発明のもう一つの実施形態による多数のＦＢＧ感知ファイバによるケーブル・パッケージの部分断面図である。本発明の一実施形態によるガス・タービンの排気管に設置されたＦＢＧ温度感知システムの一例の図である。放射状配置Ｔ字形器具を含んでおり、円周方向ＦＢＧ感知ケーブル・アセンブリを放射状配置Ｔ字形器具の最上部に近接して設けた状態で１対のＦＢＧ感知ケーブルを固定する圧締器具の例示的な展開図である。既存の放射状配置Ｔ字形器具と共にガス・タービンの排気管の内部にＦＢＧ感知ケーブルを固定する図７の圧締器具の遠近図である。半径方向温度プロファイル・マッピングのための本発明のもう一つの実施形態によるガス・タービンの排気管に用いられる例示的なＦＢＧ感知レーキ・パッケージの図である。本発明のさらにもう一つの実施形態によるガス・タービンの排気管に用いられる例示的なＦＢＧ感知アセンブリの図である。本発明のさらにもう一つの実施形態によるガス・タービンの排気管に用いられる例示的なＦＢＧ感知アセンブリの図である。図１１のＦＢＧ感知アセンブリのＦＢＧ感知レーキの前面図である。

本発明の各実施形態は、ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）方式の温度感知パッケージ、及びガス・タービンのような苛酷な環境にＦＢＧ感知パッケージを設置する方法に関する。

図１及び図２を参照して述べると、高温の測定用のＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ１０がＦＢＧ感知ケーブル１１を含んでおり、ＦＢＧ感知ケーブル１１は、光ファイバ１２と、光ファイバ１２に書き込まれた複数のブラッグ格子１４と、光ファイバ１２を包囲する外側鎧装管１６と、光ファイバ１２と外側鎧装管１６との間に設けられる織布層１８とを含んでいる。

一実施形態では、光ファイバ１２は、ファイバ・コア２０と、クラッド２３（図２）と、クラッド２３を包囲するポリマー皮膜２２とを含んでいる。幾つかの実施形態では、ファイバ・クラッドを保護するために金属皮膜２２が用いられる。幾つかの実施形態では、ファイバ・コア２０は、ゲルマニウム及びフッ素を共に含ませた二酸化ケイ素材料を含んでいる。もう一つの実施形態では、ファイバ・コアは二酸化ケイ素であって、フッ素を含ませた二酸化ケイ素クラッドを設けられる。さらにもう一つの実施形態では、ファイバ・コアは石英を含んでいる。ポリマー皮膜２２は、アクリレート、シリコーン、ポリイミド、カーボン、又はこれらの組み合わせを含み得る。ポリマー皮膜２２は、機械的可撓性を有し低経費であり、また光ファイバの機械的強度を高めてＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ１０の組み立てを容易にするものとして有利である。しかしながら、ポリマー皮膜２２は一般的には、相対的に低い溶融温度を有し、例えばポリイミド皮膜では華氏約７５０度（°Ｆ）（摂氏４００度（℃））である。織布層１８を設けていない従来のＦＢＧ感知ケーブル・パッケージでは、高温の下でポリマー層が溶融して鎧装管１６の内面に付着する場合がある。鎧装管１６は、光ファイバ材料に比べて熱膨張率が大きく、高温の下では膨張して、織布層１８を設けなければポリマー皮膜２２及び／又は光ファイバ１２の破損を招きかねない。

織布層１８が、ファイバ１２の熱膨張率と適合する熱膨張率を有すると有利である。本書で用いられる「適合する」との用語は、織布層１８の熱膨張率（ＣＴＥ）及び光ファイバ１２の熱膨張率が、ファイバが高温の下で織布層１８の熱膨脹によって破損することのないように十分に近いことを意味する。幾つかの実施形態では、ファイバ・コア２０及び織布層１８は、実質的に同じＣＴＥを有する。幾つかの実施形態では、この適合性は、少なくとも８０重量％の光学用二酸化ケイ素又はシリカ材料を含む織布層１８を用いることにより達成される。一実施形態では、例えば、織布層１８は例えばＳｉＯ_２に繊維ガラス布を透過（ｌｅａｃｈｉｎｇａｆｉｂｅｒｇｌａｓｓｃｌｏｔｈｔｏＳｉＯ_２）させることにより製造されるシリカ布、フッ素ゴム皮膜付き繊維ガラス、ポリクロロプレン皮膜付き繊維ガラス布、シリコン・ゴム皮膜付き繊維ガラス、又はポリ（テトラフルオロエチレン）皮膜付き繊維ガラスを含み得る。幾つかの実施形態では、織布層１８は、光ファイバ１２を包囲するスリーブの形態、光ファイバ１２に巻き付けられたシート若しくはメッシュの形態、又は光ファイバ１２に巻回されたファイバ束の形態にあってよい。高温の下では、ポリマー皮膜２２が溶融し又は織布層１８の内面に付着する場合がある。織布層１８がファイバ１２に適合する熱膨張率を有するため、織布がファイバを損傷から守り、さらにＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ１０を守る。本発明の一実施形態では、織布層１８はスリーブを含んでおり、光ファイバはスリーブに挿入されて、織布層１８に緩やかに収納される。織布層１８について一つの例示的な織布材料の物理的特性を下記の表１に示す。
（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ＳｉＯ_２９８％
熱伝導率（５００Ｆ）０．４５（ＢＴＵインチ／時・Ｆ・ｆｔ^２）
引張り強さ０．５×１０^６ｐｓｉ
弾性率１０．５×１０^６ｐｓｉ
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。

図１を参照すると、一実施形態では、外側鎧装管１６は金属材料及び研磨外面を含んでいる。この実施形態では、環境からの短波長熱輻射エネルギが、温度測定精度に影響を及ぼすことなく鎧装管１６の研磨外面によって反射される。一つの例示的な鎧装管１６材料は、インコネル６００（商標）又はインコネル基合金、及びオーステナイト系ニッケル−クロム基超合金材料であって、耐熱性及び高い抗酸化性を有するものである。幾つかの実施形態では、管１６の外径は６．３５ミリメートル（ｍｍ）よりも大きく、管１６の壁厚は１．２ｍｍよりも厚く、従って鎧装管１６はＦＢＧ感知ケーブル１１を保護して、熱ガス流でありロータ・ブレード回転速度が３０００回転毎分〜３６００回転毎分（ＲＰＭ）であり、固有振動周波数が５０Ｈｚ〜６０Ｈｚにわたり、潜在的高調波成分が１００Ｈｚ〜３５０Ｈｚにわたるような苛酷な環境に耐えるものとなる。

熱応答時間とは、熱的変化に応答するファイバ感知ケーブルの時間遅延を指し、ＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ１０の重要なパラメータの一つである。短い熱応答時間が望ましく、するとガス・タービン制御システムは温度変化に対してより高速に応答することができる。ＦＢＧ感知ケーブル１１については、径を細くし、また鎧装管１６の壁を薄くすると、相対的に短い応答時間が提供されるが、構造が相対的に弱くなり、ガス・タービンの苛酷な環境での運転状態に耐え得ない場合がある。もう一つの懸念は、比較的細く及び壁の薄い鎧装管の振動周波数が、ガス・タービンのロータ・ブレードの振動周波数帯域幅と重なり得ることである。比較的重い又は大きい管と共にパッケージしたＦＢＧ感知ケーブルを用いれば、応答時間の遅延が長くなることを代償として良好な耐久性を有し得る。一つの最適化されたパッケージ設計は、熱応答特性を均衡させつつ、パッケージの管構成がロータの基本周波数の共振周波数及び高次の高調波成分から外れるようにするものである。熱応答時間ｔ_ｏは、下記の式１によって算出することができる。

ｔ_ｏ＝ｒ^２・ｃ_ｐ・ρ／κ （式１）
式中、ｒはパッケージ材料の半径であり、ｃ_ｐ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。

下記の表２は、ステンレス鋼製の外側鎧装管１６と、１ｍｍの半径を有するファイバ層１８と、鎧装管１６とファイバ層１８との間に３ｍｍの空隙とを有するＦＢＧ感知ケーブルの例示的な応答時間を掲げており、熱事象からの合計応答時間は約２．８秒間である。大重量のパッケージは長時間の耐久性のための良好な機械的強度を提供することができるので、トレードオフはファイバ・センサが熱事象を検出するときの相対的な長時間の遅延である。タービン制御及び最適化の目的では、ＦＢＧ感知ケーブルは無視できる熱応答時間を有しつつガス・タービンの苛酷な運転状態に耐えるものであるべきである。
（表２）ＦＢＧ感知ケーブル応答時間
材料ｒ（m） ρ（km/m³）Ｃ_ｐ（J/KgC） κ（W/mC）ｔ（秒）
ステンレス鋼
０．００３８０００５００２１．５１．６７
ファイバ・スリーブ
０．００１６６７４００．０６８０．７２
空気０．００３１．２０５１００５０．０２５７０．４２
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。

幾つかの実施形態では、熱ガスが様々な電磁波を放射して不正確なガス温度測定を導く場合がある。図１の図示の実施形態では、ＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ１０はさらに、鎧装管を包囲する外側織物スリーブ２６を含んでいる。織物スリーブ２６を用いると、長波長の熱輻射エネルギ（２マイクロメートルを上回る波長等）を減衰させることができる。さらに長波長のあらゆる熱輻射については、このファイバ・スリーブ材料は、熱ガス又は拡散壁の何れからのものでも熱輻射の影響を実効的に軽減することができる。

図１を続けて参照して述べると、ＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ１０はさらに、光ファイバ１２を通してブラッグ格子１４に光を伝達する光源２８と、ブラッグ格子１４から反射した光を受ける検出器モジュール３０とを含んでいる。ＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ１０はまた、ブラッグ格子１４からの反射信号ばかりでなく光源２８からの入射光も管理する光カプラ３２を含み得る。カプラ３２は、適当な反射信号を検出器モジュール３０に送り込む。

検出器モジュール３０は、反射した光学的信号をブラッグ格子１４から受けて、様々なハードウェア構成要素及びソフトウェア構成要素と協働して、光学的信号の内部に埋め込まれた情報を分析する。一実施形態では、検出器モジュール３０は、ブラッグ格子１４から発生される反射スペクトルに基づいて環境の状態又はパラメータを推定するように構成されている。幾つかの実施形態では、検出器モジュール３０は、光学的スペクトル分析器を用いてブラッグ格子１４からの信号を分析する。所望の応用に応じて、検出器モジュール３０は、環境の様々なパラメータを測定するように構成され得る。かかるパラメータの実例としては、温度、ガスの存在、歪み、圧力、振動及び輻射等が挙げられる。

一実施形態では、ＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ１０は、燃焼器、発電機、エンジン又は気化器のようなターボ機械装置系の苛酷な工業的環境での温度測定に用いられる。光源２８からの光が光ファイバ１２を通してブラッグ格子１４に伝達されるときに、光エネルギは、下記の式２によって与えられる対応するブラッグ波長λ_Ｂにおいてブラッグ格子１４の各々によって反射される。

λ_Ｂ＝２ｎ_ｅｆｆΛ （式２）
式中、「λ_Ｂ」は対応するブラッグ格子１４のブラッグ波長を表わし、「ｎ_ｅｆｆ」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（ｎ_ｅｆｆ）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。

Δλ（Ｔ）＝λ_Ｂ［（１／ｎ_ｅｆｆ）（∂ｎ_ｅｆｆ／∂Ｔ）＋α］Ｔ
＝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。

Δλ（Ｔ）＝ａΔＴ＋ｂΔＴ^２＋ｃΔＴ^３（式４）
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。

幾つかの実施形態では、ＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ１０は、さらに多くのブラッグ格子１４を担持するために同じＦＢＧ感知ケーブル１１の内部に２以上の光ファイバ１２を含んでいてよい。図５を参照して述べると、本発明のもう一つの実施形態によるＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ３４が、同じＦＢＧ感知ケーブル１１の内部に第一、第二及び第三の光ファイバ１２、３６、３８を含んでいる。第一、第二及び第三の光ファイバ１２、３６、３８の各々に複数のブラッグ格子１４が書き込まれている。一実施形態では、同じ光ファイバ１２のブラッグ格子１４は、全体的な長手方向に沿って分配されている。一実施形態では、異なる光ファイバのブラッグ格子１４は、ＦＢＧ感知ケーブル１１の長手方向に沿って互い違いに配置されている。多数のファイバを設けているので、ブラッグ格子１４は、長手方向に沿ってよりコンパクトな態様で構成され得ると共に、長手方向に沿ってより多くの点を測定することができる。一実施形態では、OLE_LINK3第一、第二及び第三の光ファイバ１２、３６、３８は、対応する織布層１８OLE_LINK3によってそれぞれ包囲されて、次いでさらに鎧装管１６に収容されている。もう一つの実施形態では、第一、第二及び第三の光ファイバ１２、３６、３８は、一つの共通の織布層１８によって包囲されて、次いでさらに鎧装管１６に収容されている。

図６〜図８は、ガス・タービン・システムにおいて例えば多点排気温度測定及び熱プロファイリング用に用いられる例示的なＦＢＧ方式分配型温度感知システム４４を示している。図６を参照して述べると、本発明の一つの例示的な実施形態では、ＦＢＧ感知システム４４をガス・タービン４６に用いて、ガス・タービン４６の排気温度の測定を行なう。ガス・タービン４６は拡散壁４８を含んでおり、拡散壁４８の内部に中心バレル４９を封入している。拡散壁４８は、実質的に円周状の断面像を有する。ＦＢＧ感知システム４４は、拡散壁４８の内面に複数の圧締器具５０と、円周方向ＦＢＧ感知ケーブル５３を含んでおり圧締器具５０によって支持されているＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ５２とを含んでいる。ＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ５２は、図１及び図２に関して上で述べたように少なくとも１本の光ファイバ１２と、光ファイバに書き込まれた複数のブラッグ格子とを含んでいるが、所望に応じて１本の光ファイバを用いてもよいし、多数のファイバ及び／又はケーブルを用いてもよい。複数のブラッグ格子１４が円周方向光ファイバ（１又は複数）に沿って分配されているときには、ブラッグ格子１４の波長シフトを監視することにより、光ファイバ経路に沿って円形熱プロファイルをマッピングすることができる。一実施形態では、ＦＢＧ感知ケーブル５３の詳細な設計は、図１及び図４のＦＢＧ感知ケーブル１１に関して記載されたものと同様であってよい。

高温の下では、ＦＢＧ感知ケーブル５３は円周方向に沿って熱膨脹を有し、この熱膨脹がＦＢＧ感知ケーブル５３に応力及び歪みを誘発してブラッグ格子１４に波長シフトを誘発する。幾つかの実施形態では、ＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ５２は、直列接続された２以上のＦＢＧ感知ケーブルを含んで、拡散壁４８の内面の円周方向全長を網羅することができる。図６の図示の実施形態では、ＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ５２は、直列接続された２本の半円形ＦＢＧ感知ケーブル５３を含んでおり、拡散壁４８の内面の円周方向全長に沿って延在している。このように、各々のＦＢＧ感知ケーブル５３が、全円周に沿った熱膨脹の幾分かずつを担当して、ケーブル破損の危険性を抑えると共に温度測定の精度を高める。

図７及び図８はそれぞれ、１個の圧締器具５０の拡大展開図及び拡大遠近図である。図示の実施形態では、圧締器具５０は、拡散壁４８（図６）の内面に固定される放射状配置Ｔ字形器具５４と、放射状配置Ｔ字形器具５４の上部に据え付けられて、ＦＢＧ感知ケーブル５３を保持する装着孔５８を画定する据付け要素５６と、据付け要素５６に取り付けられて、装着孔５８にＦＢＧ感知ケーブル５３を固定する少なくとも１個の固定要素６０とを含んでいる。幾つかの実施形態では、放射状配置Ｔ字形器具５４は３０センチメートルを上回る高さを有し、従って据付け要素５６に支持されるＦＢＧケーブル５３は、拡散壁４８の内面から約３０センチメートルだけ離隔して設けられる。幾つかの実施形態では、圧締器具５０及び放射状配置Ｔ字形器具５４は、鎧装管１６と同じ材料を含んでおり、熱電対の設置及び保護を容易にしている。

一実施形態では、据付け要素５６は、放射状配置Ｔ字形器具５４の前方外周面に合致する中間陥凹部６２と、中間陥凹部６２から延在する少なくとも１枚のプレート６４とを有している。図示の実施形態では、据付け要素５６は、中間陥凹部から横方向に延在しており２本のＦＢＧ感知ケーブル５３を固定する１対のプレート６４を含んでいる。各々のプレート６４が少なくとも１個の装着孔５８を画定しており、ＦＢＧ感知ケーブル５３を収容すると共にＦＢＧケーブル５３の下方向移動を制限している。一実施形態では、各々の装着孔５８が、プレート６２の上端を貫通して延在して装着孔５８でのＦＢＧ感知ケーブル５３のさらに容易な装着を促進する斜行スロットを含んでいる。また、各々の固定要素６０が、装着孔５８に対応する装着孔６８を含んでいる。一実施形態では、装着孔６８は、固定要素６０の下端を貫通して延在して装着孔６８でのＦＢＧ感知ケーブル５３のさらに容易な装着を促進すると共にＦＢＧ感知ケーブル５３の上方向移動を制限する斜行スロットを含んでいる。一実施形態では、据付け要素５６及び固定要素６０はそれぞれ、据付け要素５６及び固定要素６０を共にねじ止めする固定孔７０を含んでいる。一実施形態では、据付け要素５６は貫通孔７２にねじを締めることにより放射状配置Ｔ字形器具５４に固定される。

図６に戻り、一実施形態では、ガス・タービン４６はさらに、燃焼工程制御及び最適化例えば燃料と空気との過薄混合気をガス・タービン４６に注入する等を行なう制御器７３を含んでいる。温度変化は発火工程動力学の極めて重要な指標である。従って、制御器７３は、ＦＢＧ感知システム４４によって監視される温度パラメータを受け取って制御を行なう。一実施形態では、ガス・タービン４６は元々、熱電対を周囲壁４８の内面の円形の環に沿って分配させるように設計されており、放射状配置Ｔ字形器具５４は元々、熱電対を装着するように構成されている。図示のＦＢＧ感知ケーブル５３は、熱電対に代えてＦＢＧ感知ケーブル５３を装着するように放射状配置Ｔ字形器具５４を採用しており、追加の嵩高い電気配線を設けずに測定点の密度を選択随意で高める。従って、温度測定精度が高まり、さらに、制御器７３がより正確な工程制御及び最適化を行なうことを可能にする。他の実施形態では、放射状配置Ｔ字形器具５４は、ＦＢＧ感知ケーブル５３を装着するように特殊に設計されていてもよい。ＦＢＧ感知ケーブル５３は幾つかの実施形態ではガス・タービン４６の排気管の内周全体に沿って延在し、また他の実施形態では内周の一部に沿って延在する。

図９の実施形態を参照して述べると、ＦＢＧ感知システム７４が、図１〜図５に関して記載されたようなＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ１０又は３４を用いている。図９の図示の実施形態では、ＦＢＧ感知ケーブル７５は、実質的に直線的な硬質レーキ（「ＦＢＧ感知レーキ７５」）の形態にあり、ＦＢＧ感知システム７４は、ＦＢＧ感知レーキ７５をガス・タービン４６の排気管に固定する装着部７６を含んでいる。図示のように、ＦＢＧ感知レーキ７５は拡散壁４８の貫通孔８７を通ってガス・タービン４６の内部まで延在しており、ガス・タービン４６の長手方向又はガス流方向Ｄに対して全体的に垂直になっている。この実施形態では、ＦＢＧ感知レーキ７５を用いて、拡散壁４８から中心バレル４９までのガス・タービン４６の半径方向熱プロファイルを測定することができる。図示の実施形態では、装着部７６は、ねじ穴８８及び９０を通してそれぞれ装着部８６及びガス・タービン４６の拡散壁４８にねじを締めることにより、拡散壁４８の外面に固定されている。一実施形態では、ガス・タービン４６には元々、熱電対を装着するための孔８７が拡散壁４８に設けられている。一実施形態では、拡散壁４８は、環として分配された複数の孔８７を画定しており、ＦＢＧ感知システム８４は対応する孔８７を通ってガス・タービン４６の内部まで延在する複数のＦＢＧ感知レーキ７５を含んで、ガス・タービン４６の半径方向熱プロファイルの測定を行なう。

図１０の実施形態を参照して述べると、ガス・タービン４６の排気管に用いられるＦＢＧ感知システム８４が、図１〜図５に関して記載されたようなＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ１０又は３４を用いており、ＦＢＧ感知システム８４をガス・タービン４６の排気管に固定する装着部８６を含んでいる。図示の実施形態では、ＦＢＧ感知ケーブル又はレーキ８５は、ガス・タービン４６の中心軸に沿ってガス・タービン４６のガス流方向Ｄに全体的に沿って延在している。このようにして、ＦＢＧ感知システム８４を用いてガス・タービン４６の軸方向熱プロファイルを測定することができる。ＦＢＧ感知レーキ８５は、ブラッグ格子１４をレーキ８５に沿って分配させた状態でガス・タービン４６の外部まで延在することができ、従って、ガス・タービン４６の中心方向に沿ってガス・タービン４６の内部からガス・タービン４６の外部までの熱プロファイルを得ることができる。一実施形態では、装着部８６は、ねじ穴８８及び９０を通してそれぞれ装着部８６及びガス・タービン４６の周囲壁４８にねじを締めることにより燃焼器の壁４８の外面に固定されている。

図１１及び図１２を参照して述べると、ガス・タービン４６の排気管に用いられるＦＢＧ感知システム９２が、図１〜図５に関して記載されたようなＦＢＧ感知ケーブル・パッケージ１０又は３４を用いており、ＦＢＧ感知システム９２をガス・タービン４６の排気管に固定する装着部９４を含んでいる。図示の実施形態では、ＦＢＧ感知システム９２は、ガス・タービン４６の中心軸に沿ってガス・タービン４６のガス流方向Ｄに全体的に沿って延在しているＦＢＧケーブル又はレーキ９５を含んでいる。このようにして、ＦＢＧ感知システム９２を用いて、ガス・タービン４６の軸方向熱プロファイルを測定することができる。図示の実施形態では、ＦＢＧ感知レーキ９５は、管状壁１００の外面に複数の貫通孔９８を画定している硬質棒９６を含んでいる。ＦＢＧ感知レーキ９５は、管状壁１００に固定されている少なくとも１本のファイバ１０２を含んでいる。ファイバ１０２には複数のブラッグ格子１４が書き込まれており、各々のブラッグ格子が管状壁１００の対応する貫通孔９８に配列されている。従って、ブラッグ格子１４は、ガス・タービン４６の排気管の温度変化に対する感度がさらに高く、温度の高速応答を得ることができる。一実施形態では、棒９６の貫通孔９８は元々、ＴＣを装着するために設けられている。幾つかの実施形態では、ファイバ１０２は棒９６の外面に固定される。一実施形態では、ファイバ１０２を棒９６の外面に固定する方法が、先ず棒９６の外面にスロットを切開するステップと、ファイバ１０２を金属鎧装管に挿入してファイバ感知管を形成するステップと、次いでファイバ感知管を金属棒の外面に固定するステップと、ブラッグ格子が対応する貫通孔９８に位置するようにファイバ感知管をスロットに配置するステップと、次いでスロットに接着材を充填することによりファイバ感知管を棒９６の外面に埋め込むステップとを含んでいる。

各実施形態の例を参照して本発明を説明したが、当業者には、本発明の範囲から逸脱せずに様々な変形を施し、また本発明の諸要素に代えて均等構成を置換し得ることが理解されよう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに、特定の状況又は材料を本発明の教示に合わせて適応構成する多くの改変を施すことができる。従って、本発明は、本発明を実施するのに想到される最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に属する全ての実施形態を包含するものとする。

上述のような目的又は利点全てが任意の特定の実施形態に従って必ずしも達成される訳ではないことを理解されたい。従って、例えば、当業者は、本書に記載されるシステム及び手法が、本書に教示されているような一つ又は一群の利点を達成する又は最適化するような態様で具現化され又は実施され得るのであって、本書に教示され又は示唆され得るような他の目的又は利点を必ずしも達成せずに具現化され又は実施され得ることを認められよう。

さらに、当業者は、異なる実施形態からの様々な特徴の互換性を認められよう。所載の様々な特徴は各々の特徴の他の公知の均等構成と共に、本開示の原理に従うさらに他のシステム及び手法を構築するように当業者によって混合され適合することができる。

１０ＦＢＧ感知パッケージ
１１ＦＢＧ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
３４ＦＢＧ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
４４ＦＢＧ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
５２ＦＢＧ感知パッケージ
５３ＦＢＧ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
７４ＦＢＧ感知システム
７５ＦＢＧ感知ケーブル又はレーキ
７６装着部
８４ＦＢＧ感知システム
８５ＦＢＧ感知ケーブル又はレーキ
８６装着部
８８、９０ねじ穴
９２ＦＢＧ感知システム
９４装着部
９５ＦＢＧ感知ケーブル又はレーキ

Claims

ガス・タービンの温度プロファイルを感知するためのファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム（４４）であって、当該ファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム（４４）が、
少なくとも１本の光ファイバ（１２）と、該光ファイバに書き込まれた複数のブラッグ格子（１４）と、前記光ファイバを包囲する織布層（１８）と、前記光ファイバを包囲する鎧装管（１６）とを含むファイバ・ブラッグ格子方式温度感知ケーブル（５３）を含むファイバ感知ケーブル・パッケージ（５２）と、
前記ファイバ感知ケーブルを固定するためにガス・タービンの壁の内面に沿って円周方向に分配された複数の圧締器具（５０）であって、各々の圧締器具（５０）が、前記壁の内面に固定される放射状配置Ｔ字形器具（５４）と少なくとも１個の装着孔（５８）とを含んでいる、複数の圧締器具（５０）と
を備えており、前記ファイバ感知ケーブルが、前記圧締器具（５０）の装着孔（５８）を通って延びており、各々の圧締器具（５０）が、前記放射状配置Ｔ字形器具に固定される据付け要素（５６）であって前記ファイバ・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（５８）を画定する据付け要素（５６）と、該据付け要素（５６）と共に着脱自在に固定される固定要素（６０）であって前記ファイバ・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（６０）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）。
各々の固定要素（６０）が、前記据付け要素（５６）の前記装着孔に対応する装着孔であって前記ファイバ・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（５６）の前記装着孔が、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（６０）の前記装着孔が、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２に記載のファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム。
前記ファイバ感知ケーブル・パッケージ（５２）が、前記壁の内面の円周方向に沿って直列に接続された２本のファイバ・ブラッグ格子方式温度感知ケーブル（５３）を含んでいる、請求項１乃至請求項のいずれか１項に記載のファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム。
前記織布層が二酸化ケイ素又はシリカ材料を含んでいる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のファイバ・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１乃至請求項５のいずれか１項に記載のファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム。
前記鎧装管（１６）がオーステナイト系ニッケル−クロム基超合金又はステンレス鋼からなる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム。
前記ファイバ感知ケーブル・パッケージ（５２）が、前記鎧装管（１６）を包囲する外側織物スリーブ（２６）をさらに含んでいる、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム。
前記ファイバ感知ケーブル・パッケージ（５２）が、前記ブラッグ格子（１４）に光を伝達する光源（２８）、及び前記ブラッグ格子（１４）から反射した光を受ける検出器モジュール（３０）と接続される、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のファイバ・ブラッグ格子多点温度感知システム。