(57)【要約】      （修正有）【課題】測定した物理的ガス流量値から補正したガス流量値を求めるための方法を提供する。【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
2010117360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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）／（ρＲＴT３））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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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）。
【請求項１１】
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）。
【請求項１２】
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）。
【請求項１３】
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）。
【請求項１４】
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）。
【請求項１５】
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）。
【請求項１６】
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）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダクト内の空気流量を測定するためのシステム及び方法に関し、より具体的には、航空機のタービン内の補正した空気流量を含む、補正した空気流量を求めるためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
飛行中の航空機に動力を供給するのに使用されるタービンは、一般的に、直列連通関係にある空気入口ダクトと、ファンと、圧縮機と、燃焼器と、タービンと、排出ダクトとを備えている。燃焼器は燃焼ガスを発生し、燃焼ガスはタービンに導かれ、そこで膨張してファンと圧縮機を駆動する。タービンは、ファンと圧縮機に結合されたシャフトに駆動関係で連結される。燃焼は、大気と燃料を混合し、その混合物に点火することによって行われる。エンジンの作動の効率及び有効性は、圧縮システム圧力比と空気／燃料の混合物で決まり、従って空気流量と空気流の調整についての理解が重要となる。
【０００３】
上述のように、タービンエンジンの作動は、燃焼過程における空気と燃料の適切な比率に依存している。航空機エンジンの分野では、作動条件を可能な限り正確にかつ安全に維持することが特に重要である。この理由のため、空気流量の測定が、エンジンの作動条件の評価において大切である。作動条件の下で空気流量値を使用して評価され得るパラメータは、エンジン制御、エンジン安定度、エンジン監視、及び性能評価を含む。
【０００４】
一定のスロットル設定のような、タービンエンジンの定常状態での作動条件のもとでは、物理的空気流量は、吸気流の性質が変化すると著しく変動する。この空気流量の変動性は、空気密度、温度などの変化と関連し、最も頻繁には高度、速度及び／又は或る場所から別の場所への移動の変化と関連している。測定した物理的空気流量の変動性は、流量データを標準化して補正した空気流量を生成するプロセスによって、かなり減少させることができる。補正した空気流量を形成するプロセスは、測定した物理的空気流量を直接的又は間接的に操作して普通の条件に関連した標準値を生成することを含む。航空機エンジンの評価のため、海面高度の静止位置における定常状態で物理的に測定することによって、基準条件を確立することができる。
【０００５】
上述のように、空気流量値、特に補正した空気流量値は、エンジンの制御機能、エンジンの安定性分析、エンジンの健全性監視、及び性能評価に使用されるものである。エンジン設計開発及び試験の際、正確な空気流量データを得ることは、困難かつ費用のかかる課題である。しかしながら、設計の仮説とエンジンの完全性を立証するには、これらのデータが必要である。更に、これらのデータは、高品質のエンジン設計、エンジン制御論理機能、及び飛行中の性能モデルを得るのに必要である。
【０００６】
正確かつ信頼しうる飛行中の航空機のエンジン空気流量測定システムが一般的に最も望ましいと考えられているが、そのようなシステムは、利用できないか、或いは利用できたとしても、いつも利用できるとは限らない。従って、一般的には、モデルに基づく相関方法を用いて、空気流量の条件を修正する。あいにく、これらのモデルは、物理的流量データに依存している時には、多数のエラー原因に影響されやすい。その結果、モデルの精度は、オフラインの性能調査において評価されたエンジンと、リアルタイムのエンジン制御に限定される。この理由のため、失速なしの作動を保証するために、エンジン安定性についての付加的な余裕を確立しなければならない。不都合なことに、安定性の余裕が増加すると、エンジン性能は損なわれる。これらのすべてによって、エンジンの使用者にとって性能が低下し、製造者にとって開発、設計、及びサービスコストが増加する。
【０００７】
航空機エンジンの物理的空気流量測定は、多くの方法で行われる。最も一般的な方法は、タービン（エンジン）入口内に取り付けられた圧力ベースのセンサによるものである。別の方法は、測定する気流に近接しているが直接内部にはない、非貫入型低出力レーザーベースセンサによるものである。圧力ベースのセンサは一般的に、レーキ又はベンチュリ流量メータであり、これらのメータが、効率的であるためには、定常流れ状態で作動させなければならない。これらは、直接かつ極めて正確な空気流量測定情報を提供する。これらは又、補正した空気流量を得るのに必要な空気温度を含むデータ形式を得るため、付加的なマルチプローブ式レーキシステムの配置を必要とする。これらのレーキ又はベンチュリシステムに関連した費用のため、圧力ベースのセンサは、量産エンジンに用いることはできず、また地上配備の開発試験設備を極めて高価なものにする。圧力ベースのセンサに関連した他の制限もある。特に、それらは、プローブの応答に限界があることと空気的な遅れのために、意味のある流量データを高いサンプリング速度で収集するのに使用することはできない。これらは、レーザーベースのセンサには影響しない問題である。
【０００８】
ダイオードレーザーベースの空気流量センサは、電磁スペクトル内の特定の酸素吸収特徴に対応した周波数で光を放出するように調整されている。レーザービームは、エンジン入口のような関心ある空気流路を横切って指向され、放出された光は、空気流路の反対側に集められる。得られた信号は、空気密度に比例し、信号分析器によって評価される。レーザーベースのセンサは、放出された光信号の経路平均を与える。この結果、レーザービームの配向にかかわらず、空気流ダクトと関連した軸対称の放射方向歪曲に比較的影響されることがない正確な出力となる。
【０００９】
一般にダイオード形状の非貫入式(non-intrusive)レーザーベースの空気流量センサは、静温度と物理的空気流量を同時に測定する能力を有している。更に、精度を殆んど損なうことなく、リアルタイムの条件で地上試験の用途と飛行中の測定のために設置するのは比較的容易である。従って、試験パラメータをリアルタイムの条件と相関させるよう設計された複合空気流モデルの必要性がなくなる。得られるデータは、エンジン制御処理システムにおいて直接使用することができる。
【００１０】
既存の圧力ベースの空気流量センサは、多くの試験とリアルタイムの作動条件の下で、不確実な物理的空気流量情報をもたらしがちである。このようなセンサから得られる物理的空気流量パラメータの対応する補正は、複合モデルと補助のマルチプローブ式レーキ装置を必要とする。従って、適切な精度を有する圧力ベースのセンサは、製造用に或いは開発試験用に用いるには、高価すぎる。レーザーベースのセンサは、信頼しうる物理的空気流量情報を得ることができる所望の技術を提供する。しかしながら、要求されているのは、レーザーベースのセンサを使用して補正した空気流量を得る実行可能なシステム及び方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許５，２５９，２３４号公報
【特許文献２】米国特許５，７０１，１７２号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の必要性は、補正したガス流量と、航空機エンジンの、特に空気流量値を得るためのシステム及び方法を提供する本発明によって満たされる。この方法は、ガスタービンエンジンのダクトを通過して移動するガスについての、物理的ガス流量値から補正したガス流量値を得ることを含む。このことは、レーザーベースのセンサをダクトの内部に適用し、レーザーベースのセンサを用いて、ガスの物理的ガス流量値ＷPhysicalを測定することによって達成される。直接測定は、補正したガス流量値ＷCorrを計算するようにプログラムされた任意の種類の計算システムのような処理ユニットに用いられるデータを得る非貫入型(non-intrusive)の技術を提供する。
【００１３】
上述の方法を可能にするシステムは、ガス流路となるダクト内に非貫入状態で設置されたレーザーベースのセンサシステムを備える。このシステムはまた、センサシステムに結合された処理ユニットを備える。特に、本発明のシステムは、ダクトを通過して流れるガスの物理的流量値ＷPhysicalを測定し、ＷPhysicalから、補正したガス流量値ＷCorrを計算する。レーザーベースのセンサは、ダクトの内部に固定され、ダクト内を移動するガスの物理的パラメータと関連した特性を測定する。処理ユニットは、センサの作動を制御し、センサから信号情報を受信し、ＷPhysicalとＷCorrを計算するために、レーザーベースのセンサに結合されている。センサシステムは、ドップラーシフトを使用してガス流速を生成する方法で互いに整列した、二対又はそれ以上の対の光電子放出器／光検知器を備える。この対により生成されるビームを分析して、ガス密度情報を生成するのに使用される吸収特徴を発生させる。第２レーザービームを用い、２つのビーム間の吸収特徴の相対的変化に基づくダクト内の静温度を測定するように、処理ユニットをプログラムしてもよい。
【００１４】
本発明及び従来技術と比較したその利点は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を読むことにより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明によるレーザーベースのセンサシステムの一部を含むガスタービンエンジンの単純化した縦断面図。
【図２】センサシステムコントローラとダクトに結合された放出器及び検知器を示す、本発明によるレーザーベースのセンサシステムの単純化した概略図。
【図３】本発明のセンサシステムの作動に関連した測定周波数の掃引のための正規化した振幅値の波形図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明とみなされる要旨は、明細書の冒頭部分において特に指摘され、明確に請求されている。しかしながら、本発明は、添付の図面と関連させて以下の説明を参照することによって最も理解されるであろう。
【００１７】
同一の参照符号が同じ構成要素を示している図面を参照すると、図１は、高バイパス比ターボファンエンジン１０の縦断面図を示している。エンジン１０は、ファン１４と、ブースタ１５と、高圧圧縮機１６と、燃焼器１８と、高圧タービン１９と、低圧タービン２０とを有し、これらは長手方向中心軸１２の周りに連続して軸方向に流体連通している。高圧タービン１９は、第１ロータシャフト２１により高圧圧縮機１６に駆動関係で連結され、低圧タービン２０は、第1ロータシャフト２１内に配置された第２ロータシャフト２２によりブースタ１５とファン１４の両方に駆動関係で連結されている。
【００１８】
エンジン１０の作動の際、大気２４が、ファン１４、ブースタ１５、及び圧縮機１６に通され、連続的に加圧される。大気２４の一部は、補助的機能のため分流されるが、主要な加圧空気流が燃焼器１８に入り、そこで燃料と混合されて燃焼し、高温燃焼ガスの高エネルギー流となる。高エネルギーガス流は、高圧タービン１９に通され、そこで更に膨張され、エネルギーが取り出されて第１ロータシャフト２１を駆動する。次いで、ガス流は、低圧タービン２０に通され、そこでエネルギーが取り出されて第２ロータシャフト２２、従ってファン１４を駆動する。燃焼生成物と未使用ガスは、排気ダクト２８を通ってエンジン１０から排出される。
【００１９】
もちろん、タービンエンジン１０の特定の寸法と用途に応じて、図示した種々の構成部品を複数個設けてもよい。本発明の補正した空気流量測定及び分析システムを説明する目的のため、タービンエンジン１０の作動の或る様態について詳細に説明する。説明の中心は、タービンエンジン１０の空気入口ダクト２６に結合されたレーザーベースのセンサシステム３０によって得られるデータに関するものである。特に、エンジン１０に入る大気２４の物理的性質が、センサシステム３０によって測定され分析される。センサシステム３０を機体、ファンバイパスダクト、又は空気流条件が関与する他の領域に使用してもよいことに注意すべきである。
【００２０】
図２は、空気入口ダクト２６に結合されたセンサシステム３０の簡略化した図である。センサシステム３０は、システム３０のレーザー構成要素の作動を調節し、これらの構成要素からの出力を分析するのに使用されるセンサ作動及び分析ユニット３２を有する。ユニット３２は、レーザーコントローラ３６によって作動するダイオードベースのレーザー発生器３４を有する。レーザーコントローラ３６は、ユニット３２の一体的部分を形成することができるか、或いは有線又は無線手段によってレーザーコントローラ３６に遠隔的に結合することができる中央処理ユニット３８によって制御される。
【００２１】
引き続き図２を参照すると、中央処理ユニット３８は、レーザーコントローラ３６によって信号をレーザー発生器３４に伝えて低出力レーザービームを発生させるようにプログラムされている。このビームは、単なる説明の目的のために1対４ビームスプリッタとされるビームスプリッタ４０によって処理される。ビームスプリッタ４０は、信号化したビームを第１光電子放出器４２と第２光電子放出器４４に送る。放出器４２、４４に通されるレーザービームの振幅と周波数は、中央処理ユニット３８のプログラムと、コントローラ３６、発生器３４、及びビームスプリッタ４０の作動によって決められる。ビームスプリッタ４０は又、分割ビーム信号を第1ビーム検知器ユニット４６と第２ビーム検知器ユニット４８に送る。
【００２２】
第１ビーム検知器ユニット４６と第２ビーム検知器ユニット４８は、光又は電子を、第１光検知器５０と第２光検知器５２にそれぞれ送信し、これらから、それぞれ受信する光学ファイバ又は配線のような伝達手段を備える。ユニット４６、４８は更に、光検知器５０、５２から受信した光学信号と関連した電気信号の振幅を増加するための信号増幅手段を備える。光検知器から受信された増幅信号は、処理ユニット３８に送られ、引き続き、後述する分析方法に適合した分析と処理が行われる。
【００２３】
二対の光電子放出器／光検知器を有するセンサシステム３０が図２に示されているが、別の対を配置してもよく、或いは各対を複数の組の光電子放出器／光検知器で形成してもよいことを理解すべきである。更に、対をなすユニット４２／５０、４４／５２は、図２では、流れに対する垂線から約４５度の角度で配置されているが、特別に要求したデータの品質と物理的位置の条件に応じて、これらのユニットを約１０度〜約６０度の角度で配置してもよい。第２交差ビームの導入は、ドップラーシフトを使用してガス流速を計算するのを助ける。適当なシステムがマサチューセッツ州アンドーバーのＰｈｙｓｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅＩｎｃ．から入手できる。本発明は、センサシステム３０のレーザー構成要素を使用して、適当な補正した空気流量値を生成させる中央処理ユニット３８のプログラムを備える。
【００２４】
使用の際、センサシステム３０は次のように作動する。レーザービームが、光電子放出器４２、４４によって指向され、ガス流路５４を横切る。放出された光は、光検知器５０、５２によってそれぞれ収集される。検知されたビームの吸収特徴の線形状が中央処理ユニット３８によって抽出され、データとして蓄積される。特に、この吸収特徴の積分した領域は、図３に関して説明される方法で、ガス密度に比例するものとして知られている。光電子放出器４４と光検知器５２との間の経路と関連し、第１ビーム対に関して所定の角度に整列した第２ビームの使用は、データのドップラーシフトをもたらし、より確実な吸収波形特性を提供する。直接流速値は、ドップラーシフトから得られる。流量密度の計算の際、この情報、測定したダクトの横断面積及び測定した流速を使用して、ダクトを通る経路平均空気流量を計算する。付加的な特徴を生成するために、発生器３４のような第２のダイオードベースのレーザー発生器を用いて、隣り合った吸収特徴の積分した領域の相対寸法に基づいて、空気流の経路平均静温度を計算してもよい。そのような第２の発生器は、発生器３４の作動周波数とは異なる周波数で作動する。２つの発生器の使用から生じる吸収特徴の基準値に対する比率は、静温度の計算を可能にする。
【００２５】
図２の処理ユニット３８は、第１の物理的空気流量（時間当たりの質量の単位）を計算し、次いで後述する方法を使用して、補正した空気流量を計算するように、プログラムされている。ダクト２６を通る物理的空気流量ＷPhysicalは、連続方程式ＷPhysical＝ｖρＡを用いてセンサシステム３０で測定される。センサシステム３０は、放出器／検知器４２／５０と放出器／検知器４４／５２によって形成されたビーム間のドップラーシフトを求め、流速ｖを生成する。
【００２６】
図３は、光検知器５０、５２により検知された増幅信号によって生成される曲線の一例を示している。図３に示されているように、放出器／検知器４２／５０の対と関連したビーム１と、放出器／検知器４４／５２の対と関連したビーム２との周波数の食い違いが、流速ｖを定める。特に、ビームと流体との相対的な速度差に基づく２つのビームの周波数の偏移を用いて、流速ｖを計算してもよい。次に、センサシステム３０の処理ユニット３８は、図３の例のビーム曲線の下の積分面積を、ガス密度と関連した既知のキャリブレーション基準値と比較するようにプログラムされている。その比較から、測定位置におけるガス密度ρを求める。最後に、ダクト２６の横断面積Ａを測定して式に代入し、センサシステム３０を用いて測定位置での物理的空気流量を定める。
【００２７】
センサシステム３０を使用して得られたデータを処理ユニット３８に入力し、ここに記載された式に基づき処理ユニット３８にプログラムされたデータ検索と分析により、補正した空気流量情報が得られる。１又はそれ以上の式を使用して直接測定し計算した物理的空気流量値から補正した空気流量を求める。最も基本的な形態では、式１が、式２、式３を参照して、測定した物理的空気流量と補正した空気流量との第１の関係を定めている。
【００２８】
ＷCorr＝ＷPhysical×（√θ ／δ）   … 式１
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。
【００２９】
式１は、圧力ベースのセンサと関連した複雑なシステムなしで、レーザーベースのセンサシステムから補正した空気流量を直接得るための適当な方法を提供する。この補正した空気流は、物理的空気流量よりも価値のある環境パラメータであり、エンジン試験とエンジン作動との良好な相互関係をもたらし、単純化したエンジン制御をもたらす。センサシステムから得られる容易に利用できるデータの使用を継続しつつ補正した空気流量を得るための別の技術が、以下の一連の式に示されている。理想気体法則と等エントロピー流量方程式を適用することによって、式１を、圧力及びよどみ点温度測定値に依存しない形式に拡張することができる。簡潔に述べると、理想気体法則は、空気のようなガスの物理的特性の相互関係を提供し、これらの特性のうち１又はそれ以上の変化を用いて、１又はそれ以上の他の値の変化を求めることができる。理想気体法則の方程式は、
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。
【００３０】
Ｐ＝ρＲＴ … 式５
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。
【００３１】
ＣP＝（ＹＲ）／（Ｙ−１） … 式８
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。
【００３２】
ＴT＝ｖ2／７Ｒ＋Ｔ … 式９
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。
【００３３】
ＰT＝ρＲ（ＴT3.5／Ｔ2.5） … 式１０
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。
【００３４】
ＷCorr＝ＷPhysical×（Ｐ0／√Ｔ0）× （Ｔ2.5／（ρＲ（ｖ2／７Ｒ＋Ｔ）3）） … 式１１
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。
【００３５】
ＷCorr＝ＷPhysical×（Ｐ0／√Ｔ0）×（（ＴT−（ｖ2／７Ｒ）2.5）／（ρＲＴT3）） … 式１２
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。
【００３６】
以上、直接の及び計算した物理的空気流量測定値から、信頼しうる補正した空気流量値を得るための方法について説明した。また、このような測定を行い、このような補正した空気流量の計算を行うようにプログラムされたセンサシステムを説明した。補正した空気流量値は、リアルタイムのエンジン制御、エンジン安定性情報、エンジン作動監視、及び性能計算のために使用してもよい。本発明の特定の実施の形態を説明してきたが、特許請求の範囲に記載されるような本発明の技術思想及び技術的範囲を逸脱することなく種々の修正を行うことができることは当業者には、明らかであろう。
【符号の説明】
【００３７】
２４ 大気
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
【図１】
2010117360.tif 000003
【図２】
2010117360.tif 000004
【図３】
2010117360.tif 000005
【外国語明細書】
2010117360000001.pdf