(57)【要約】  チャンバ壁によって部分的に画成された、チャンバ内の測定体積における燃焼特性を測定する方法が提供される。この方法は、チャンバ壁内にポートを提供することを含む。マルチモード受信コア手段によって包囲されたシングルモード送信コアを具備するファイバー組立体も提供される。ファイバー組立体は、ファイバー組立体と測定体積との間に光学的な連通を提供すべくポートに対して作動可能にカップリングされる。選択された燃焼特性を検出することができる検出ビームがシングルモードファイバーから送信されてチャンバ内の反射面に反射され、反射面は、検出ビームの少なくとも一部を反射してマルチモード受信コア手段に光学的にカップリングするように構成される。その後、マルチモード受信コア手段に光学的にカップリングされた検出ビームが測定される。
2012514752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ壁によって部分的に画成された、チャンバ内の測定体積における燃焼特性を測定する方法において、
前記チャンバ壁内にポートを提供するステップと、
ファイバー組立体を提供するステップであって、該ファイバー組立体が、マルチモード受信コア手段によって包囲されたシングルモード送信コアを具備する、ステップと、
前記ファイバー組立体と前記測定体積との間に光学的な連通を提供すべく、前記ファイバー組立体を前記ポートに光学的にカップリングするステップと、
選択された燃焼特性を検出することができる検出ビームをシングルモードファイバーから送信するステップと、
前記チャンバ内における反射面に前記検出ビームを反射させるステップであって、前記反射面が、前記検出ビームの少なくとも一部を反射して前記マルチモード受信コア手段に光学的にカップリングするように構成される、ステップと、
該マルチモード受信コア手段に光学的にカップリングされた前記検出ビームを測定するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記マルチモード受信コア手段が、前記シングルモードコアを具備するシングルモードファイバーを当接包囲する複数のマルチモードファイバーを具備する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マルチモード受信コア手段が、前記シングルモードコアを包み込む一体型マルチモードコアを具備する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記測定ステップが、前記複数のマルチモードファイバーの全てに単一の検出器を光学的にカップリングすることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記測定ステップが、各マルチモードファイバーに別個の検出器を光学的にカップリングすることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記送信ステップが、波長が多重化された光のビームを前記シングルモードファイバーから送信することを含み、当該方法が、前記波長が多重化された光のビームの少なくとも一部を逆多重化することを更に含み、前記測定ステップが前記多重化された波長の光の各々を測定することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
チャンバ壁によって部分的に画成された、チャンバ内の測定体積の燃焼特性を測定するための装置であって、
マルチモード受信コア手段によって包囲されたシングルモード送信コアを具備するファイバー組立体と、
前記チャンバ壁内のポートに前記ファイバー組立体を光学的にカップリングする手段と、
検出ビームの少なくとも一部を前記マルチモード受信コア手段に反射するように構成された、前記チャンバ内における反射面と、
前記検出ビームの少なくとも一部を測定するための、前記マルチモード受信コア手段に光学的にカップリングされた検出器と
を具備する、装置。
【請求項８】
前記マルチモード受信コア手段が、前記シングルモードコアを具備するシングルモードファイバーを当接包囲する複数のマルチモードファイバーを具備し、該複数のマルチモードファイバー各々がマルチモードファイバーコアを有する、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記マルチモード受信コア手段が、前記シングルモードコアを包み込む一体型マルチモードコアを具備する、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
単一の検出器が前記マルチモードファイバーの全てに光学的にカップリングされる、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
各マルチモードファイバーに光学的にカップリングされた別個の検出器を更に具備する、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記マルチモード受信コア手段に光学的にカップリングされたデマルチプレクサと、
逆多重化された各波長を測定するために前記デマルチプレクサに光学的にカップリングされた複数の検出器と
を更に具備する、請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃焼工程の監視及び制御のための、アライメントフリーの（alignment free）シングルエンド光プローブ及び方法を対象とし、特に、ガスタービンエンジンの燃焼特性の分光測定のための方法及び装置を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
レーザーに基づく分光機器が、様々な環境において、測定データを採取するために使用されてきた。レーザーに基づく測定装置は、現場で使用され、且つ、動的プロセス制御に適した高速フィードバックという更なる利点を提供することができる。ガス組成、ガス濃度、温度、及び他の燃焼パラメータ（総じて「燃焼特性」）のような燃焼化学種（combustion species）を測定するための一つの技術では、波長可変半導体レーザー吸収分光法（ＴＤＬＡＳ）が使用される。典型的には、ＴＤＬＡＳは、近赤外スペクトル領域及び中赤外スペクトル領域において作動する半導体レーザーを用いて実施される。適切なレーザーが、電気通信産業における使用のために大規模に開発されてきており、このため、ＴＤＬＡＳ用に容易に入手可能である。燃焼プロセスのセンシング制御にまずまず適切なＴＤＬＡＳについて、様々な技術が開発されてきた。公知技術は波長変調分光法及び直接吸収分光法（direct absorption spectroscopy）である。これらそれぞれの技術は、光が、燃焼領域（又は、燃焼チャンバ）を通って送信されて、燃焼領域内に存在する燃焼化学種の特性を示す特定のスペクトル帯に吸収された後、検出器によって受信されたレーザー光の量と性質との間の予め定められた関係に基づく。検出器によって受信された吸収スペクトルは、燃焼特性を決定するのに使用され、分析対象の燃焼化学種の量及び温度のような関連する燃焼パラメータを含む。
【０００３】
ＴＤＬＡＳの特に有用な一つの実施例では、複数の燃焼化学種及び燃焼パラメータを監視するために、波長多重半導体レーザー（wavelength-multiplexed diode laser）測定を利用する。斯かる一つのシステムは、発明の名称が「燃焼の監視及び制御のための方法及び装置（Method and Apparatus for the Monitoring and Control of Combustion）」のＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１００４８（国際公開第２００４／０９０４９６号）（「ＷＯ’４９６」）において記載され、この出願の内容は全体として本明細書の一部を構成する。
【０００４】
燃焼特性を決定することは、例えばガスタービンエンジンにおける燃焼効率を改善しつつ、同時に窒素酸化物のような有害な排出物を減少させるのに使用されることができる。また、ガスタービンエンジン内の燃焼特性を監視することは、タービンブレードの寿命及び燃焼領域の後方の他の全てのエンジン部品を改善する可能性を有するだけでなく不調のエンジンを特定するのに有用な診断も提供する。
【０００５】
ガスタービンエンジン内の燃焼特性を監視することが多くの潜在的な利益を有するように思われるが、一方、測定を行なうことが極めて困難であることが証明されてきた。この困難性は、二つの主な原因から生じる。第１に、燃焼領域の直近における高い圧力及び温度（３０〜４０バール、２２００Ｋ）が、正常なスペクトルの特徴を極端に歪める環境を生成するので、たとえデータが得られたとしても、そのデータを解明することが困難である。第２に、作動しているエンジン内において斯かる測定を行なうことは、光学的なアクセス、すなわち、エンジンケーシングを貫通することを必要とし、レーザービームがエンジンケーシングを通して照準線（line of sight）上に向けられうる必要がある。作動しているガスタービンエンジン内においてこれを構成することは、エンジン環境の厳しい特性、監視部品のために利用可能な限られた空間、及び重要部品に対する影響を最小にする必要性のせいで、非常に困難である。
【０００６】
図１は、ガスタービンエンジンの燃焼領域内又は周囲において照準線に沿った光学的なアクセスを提供することが困難であることを示すために、燃焼領域１２を含むガスタービンエンジン１０の概略図を示したものである。燃焼領域１２は、円筒形の外側ケーシング１４と円筒形の内側ケーシング１６との間に画成される。タービンシャフト１８が内側ケーシング１６内に備えられる。燃焼領域の近傍における密閉された区域が効果的なアクセスを困難にする。
【０００７】
図２は、図１の線Ａ−Ａに沿った、燃焼領域１２の概略断面図である。図２は、円筒形の外側ケーシング１４と、円筒形の内側ケーシング１６と、タービンシャフト１８と、内側ケーシングと外側ケーシングとの間の多数の燃焼器燃料カップ（combustor fuel cup）２０とを示す。燃焼領域への照準線に沿ったアクセスを提供するための一つの可能性は、外側ケーシング上のボアスコープポート２４と関連付けられた送信光学部２２と、内側ケーシング１６におけるポートと関連付けられた受信光学部２６とを提供することである。しかしながら、内側ケーシング１６内に収容されるタービンシャフトは、あらゆる光学部が内側ケーシング１６の内側に設置されることを妨げる。
【０００８】
第２の可能性が図３において示され、同様の参照番号が同様の要素と関連付けられる。図３では、一つのボアスコープの検査ポート２４Ａから第２のボアスコープの検査ポート２４Ｂにレーザーを通すことによって、照準線が提供される。斯かる実施形態では、照準線は、中央の内側ケーシング１６の縁沿いを通り、且つ、環状の燃焼空間を通って基本的に弦２８を形成する。斯かる設計は、可能性としては実現可能であるが、高圧、高温の環境と、エンジン形状によって必要とされる厳しい角度にビームを操縦することの困難性とのせいで問題がある。
【０００９】
上記に説明された所定の問題の解決法が、発明の名称が「ガスタービンエンジンの燃焼領域における分光測定のための方法及び装置（Method and Apparatus for Spectroscopic Measurements in the Combustion Zone of the Gas Turbine Engine）」の国際公開第２００７／０８７０８１号（’０８１出願）において記述される。’０８１出願は、参照によって、全体として本明細書の一部を構成する。そこで記述されたように、ガスタービンエンジンの燃焼領域における分光測定は、ガスタービンエンジンの外側ケーシングにおけるボアにカップリングされた送信光学部からＴＤＬＡＳプローブビームを送信することによってなされうる。ビームは、ポートの実質的に反対側にあるエンジンの内側ケーシング１６の一部に反射されうる。このため、’０８１出願において記述された主要な方法では、ビームが内側ケーシング１６に対して実質的に垂直な線に沿って投影される必要がある。この構成は本明細書では図４において示される。
【００１０】
しかしながら、所定の実施では、内側ケーシング１６の表面に対して垂直な線に沿ってプローブビームを送信することが困難であり又は不可能なことがある。加えて、所定の例では、内側ケーシングが反射面として不適切であることが証明されうる。これら問題のいくつかは、発明の名称が「現場における光プローブ及び方法（In Situ Optical Probe and Methods）」の２００８年１０月１５日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０８／７９９３５号明細書において記述された、ガスタービンエンジンの燃焼領域における分光測定のためのシングルエンドプローブ及び方法によって解決されており、この出願の内容は全体として本明細書の一部を構成する。このシングルエンドプローブは最小のアクセスを必要とし且つ真っ直ぐな照準線を必要としないが、このシングルエンドプローブでは、受信光学部に対する送信光学部のアライメントが極めて高感度であるので、プローブ／エンジンが熱くなると、光学的なアライメントが変化しうる。このため、アライメントなしで燃焼特性を測定する方法及びアライメントなしで燃焼特性を測定するための装置が非常に望まれる。
【発明の概要】
【００１１】
第１態様は、ケーシング壁によって部分的に画成された、ケーシング内の測定体積における燃焼特性を測定する方法である。この方法は、チャンバ壁内にポートを提供することを含む。マルチモード受信コア手段によって包囲されたシングルモード送信コアを具備するファイバー組立体も提供される。ファイバー組立体は、ファイバー組立体と測定体積との間に光学的な連通を提供すべくポートに作動可能にカップリングされる。選択された燃焼特性を検出することができる検出ビームがシングルモードファイバーから送信されてチャンバ内における反射面に反射し、反射面は検出ビームの少なくとも一部を反射してマルチモード受信コア手段に光学的にカップリングするように構成される。その後、マルチモード受信コア手段に光学的にカップリングされた検出ビームが測定される。
【００１２】
マルチモード受信コア手段は、シングルモードコアを含むシングルモードファイバーを当接包囲する複数のマルチモードファイバーを具備することができる。代替的に、マルチモード受信コア手段は、シングルモードコアを包み込む一体型マルチモードコアを具備してもよい。この方法は、波長が多重化されたビームをシングルモードファイバーから送信することと、波長が多重化されたビームの少なくとも一部を逆多重化することと、逆多重化された波長の光の各々を測定することとを更に含むことができる。
【００１３】
別の態様は、ケーシング壁によって部分的に画成された、ケーシング内の測定体積を使用して燃焼特性を測定するための装置である。装置はファイバー組立体を具備し、ファイバー組立体は、マルチモード受信コア手段によって包囲されたシングルモード送信コアと、チャンバ壁内のポートにファイバー組立体を光学的にカップリングする手段とを具備する。反射面が、チャンバ内に提供され、検出ビームの少なくとも一部をマルチモード受信コア手段に反射するように構成される。検出器が、検出ビームの少なくとも一部を測定するためにマルチモード受信コア手段に光学的にカップリングされる。
【００１４】
マルチモード受信コア手段は、シングルモードコアを包含するファイバーを当接包囲する複数のマルチモードファイバーを具備することができる。代替的に、マルチモード受信コア手段は、シングルモードコアを包み込む一体型マルチモードコアを具備する。装置は、マルチモード受信コア手段にカップリングされたデマルチプレクサと、逆多重化された各波長を測定するためにデマルチプレクサに光学的にカップリングされた複数の検出器とを更に具備することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、ガスタービンエンジンの概略図の縦軸線に沿った部分断面図である。
【図２】図２は、図１の線Ａ−Ａに沿った、図１のガスタービンエンジンの燃焼領域の概略断面図であり、送信光学部／受信光学部の対を光学的にカップリングする一つの可能性を示す。
【図３】図３は、図２と同様であり、送信光学部／受信光学部の対をカップリングする第２の可能性を示す。
【図４】図４は、図２と同様であり、国際公開第２００７／０８７０８１号において記述された方法に従って構成された送信光学部／受信光学部の対のカップリングを示す。
【図５】図５は、分光プローブビームがガスタービンエンジンの内側ケーシングに対して実質的に垂直ではない線に沿って送信される、一つの実施形態の概略図である。
【図６】図６は、分光プローブビームが別の構造体に反射される、一つの実施形態の概略図である。
【図７】図７は、アライメントフリーのシングルエンド光プローブの第１実施形態のファイバーバンドルの概略断面図である。
【図８】図８は、測定体積に光学的にカップリングされた、アライメントフリーのシングルエンド光プローブの第１実施形態の概略図である。
【図９】図９は、デマルチプレクサ及び検出器にマルチモード受信ファイバーをカップリングする概略図である。
【図１０】図１０は、アライメントフリーのシングルエンド光プローブの第２実施形態を利用するデュアルコアファイバーの概略断面図である。
【図１１】図１１は、測定体積に光学的にカップリングされたアライメントフリーのシングルエンド光プローブの第２実施形態を描写する。
【図１２】図１２は、デュアルコアプローブの検出器へのカップリングの概略図である。
【図１３】図１３は、デュアルコアプローブを検出器にカップリングする代替的な実施形態を示す。
【図１４】図１４は、本開示に従って、単一波長のビーム出力を使用してガスタービンエンジン内の燃焼パラメータを測定するための装置の一つの実施形態の概略図である。
【図１５】図１５は、本開示に従って、多重化されたビーム出力を使用してガスタービンエンジン内の燃焼パラメータを測定するための装置の一つの実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
簡単に上述された図１は、ガスタービンエンジン１０の軸線に沿った部分断面図を概略形態において描写し、燃焼チャンバ１２を示す。図４は、図１の線Ａ−Ａに沿った断面図であり、上記において参照され且つ包含された’０８１出願の開示に従って、送信光学部２２及び受信光学部２６の対の作動関係を概略形態において示す。図４において示される実施形態では、送信光学部２２／受信光学部２６の対は外側ケーシング１４内のポート２４に光学的にカップリングされ且つ外側ケーシングに物理的に繋止される。ポート２４は、多くの近代的なガスタービンエンジンにおいて燃焼領域の近くで利用可能なボアスコープポートであってもよく、ボアスコープポートは外側ケーシング内を貫通する。ボアスコープポートは、修理中にタービンブレードの観察を可能とすることが意図されるが、更に、エンジンが起動していないときにのみアクセス可能であることが意図される。このため、これらポートは典型的にはエンジン作動中に塞がれる。送信光学部２２／受信光学部２６の対は、これらが置き換わるプラグとして機能することが可能な態様でポート２４及び外側ケーシングに繋止される。送信光学部２２／受信光学部２６の対は、送信光学部と受信光学部とが、ポート２４とは実質的に反対側の内側ケーシング１６の一部３２にビーム３０を反射させることによって光学的にカップリングされるように、ガスタービンの外側ケーシングにおいてポート２４と作動関係にあるように構成される。’０８１出願において使用されたように、「実質的に反対側」とは、光が送信光学部／受信光学部の対の間における反射鏡のような態様で内側ケーシングの一部３２に反射するように配置されることを意味する。この態様では、送信光学部２２と受信光学部２６との間の照準線が、ガスタービンエンジンの燃焼領域において最小の侵入で実現されることができる。図３において示された’０８１出願の代替的な実施形態では、送信光学部２２は、破線で示されたビーム３４を、内側ケーシングに反射させて、別のポートと関連付けられた受信光学部２６に向けることができる。斯かる実施形態では、ビームを反射する内側ケーシングの一部３６は送信光学部２２と受信光学部２６との間にあるであろう。
【００１７】
図４において示される’０８１出願の実施形態に戻ると、ビーム３０は、反射鏡のような態様で内側ケーシング１６の一部３２に反射されるので、送信光学部に最も近接して配設された受信光学部２６に向かってその通路をほぼ引き返す。内側ケーシングの一部３２は、その反射性を高めるべく、いくつかの態様では研磨され又はコーティングされうる。内側ケーシングの一部３２の大きさは公差に従って変化しうるが、直径５ｍｍ程の小さな区域でも、光の送信を著しく改善するのに有効でありうる。内側ケーシングの一部を研磨することに加えて又は代替的に、高反射性材料のコーティングが内側ケーシングの一部３２に適用されてもよい。代替的に又は加えて、内側ケーシングの一部３２は、煤が堆積するのに抗するように処理されてもよい。反射性を改善し且つ煤の堆積を最小にすべく内側ケーシングの一部３２を処理する全ての態様が本発明の範囲内である。
【００１８】
’０８１出願において完全に開示されたこれら実施形態は、所定の例では、実施するのが困難なことがある。特に、分光器のプローブビームが、ポートの実質的に反対側にある内側ケーシングの一部に送信されうるように送信光学部を配置することが困難な場合がある。例えば、図５は、送信光学部５０がガスタービンエンジン５６の外側ケーシング５４におけるポート５２にカップリングされる実施形態を概略的に示す。送信光学部５０は、燃焼領域６０を通してビーム５８を送信するように配置される。この実施形態では、送信ビーム５８はガスタービンエンジン５６の内側ケーシング６２に対して実質的に垂直ではない線に沿って送信される。送信光学部５０は、統合されたシングルエンドプローブ６６における受信光学部６４と関連付けられ、統合されたシングルエンドプローブ６６はポート５２にカップリングされる。このため、受信光学部６４によって受信される反射ビーム６８は送信ビーム５８とほぼ同じ線に沿って進むであろう。したがって、送信ビーム５８が反射することができる垂直面７０を提供することが望ましい。
【００１９】
本明細書において使用されるとき、垂直面７０は、送信ビーム５８の通路と反射ビーム６８の通路との間の中心線に対してほぼ垂直な部分を有する任意の面として定義される。多くの実施形態はシングルエンドプローブを含み、この場合、送信光学部５０及び受信光学部６４がシングルエンドの実施形態において互いに近接して配置されるので、送信ビーム５８の通路と反射ビーム６８の通路とはほぼ平行である。しかしながら、当業者は、送信光学部５０と受信光学部６４との間の任意の間隔によって、送信光路と受信光路との間に測定可能な角度がもたらされることに気付くであろう。このため、垂直面７０は、送信光路と反射光路との間の中心線に対してほぼ垂直であるように明確に画成される。したがって、垂直面７０は、送信ビーム５８を実質的に受信光学部６４に向かって反射するように機能するであろう。
【００２０】
垂直面７０は、その一部が、送信ビーム５８を受信光学部６４の方に戻すように反射させるように定置されるのであれば、実質的に、平面形状、球形状、又は複雑な形状を有することができる。垂直面７０は、エンジンのハウジングに対して実質的に固定される構造体と関連付けられることができる。または、垂直面７０は、可動構造体上に含まれてもよい。例えば、垂直面７０は、タービン軸の一部又は一連のタービンファンブレード（turbine fan blade）の一部であってもよい。このため、垂直面７０は、送信ビーム５８を受信光学部６４の方に戻すように反射すべく断続的に定置される可動構造上にあってもよい。加えて、垂直面７０は、別の主要な機能目的を有するタービン軸のような構造体上の面にもされうる。代替的に、垂直面７０は、別のエンジン部品に取り付けられる別の構造体上に含まれてもよい。
【００２１】
選択された実施形態では、垂直面７０は、内側ケーシング６２の近接部分から、選択された角度にオフセットしていれば、ガスタービンエンジン５６の内側ケーシング６２内に製造されてもよい。このため、垂直面７０は、内側ケーシング６２上の隆起した構造体、又は内側ケーシング６２内に製造された凹部であってもよい。垂直面７０は、内側ケーシング６２に別の構造体を取り付けることによって又は内側ケーシング６２の一部を機械加工することによって若しくは内側ケーシング６２の一部を取り除くことによって作られてもよい。
【００２２】
例えば、図６の概略図において示されるように、垂直面７０はガスタービンエンジン５６の内側ケーシング６２とは別の構造体上にあってもよい。図６において示されるように、垂直面は片持ち梁の（cantilevered）反射面７２上にあり、片持ち梁の反射面７２は燃焼領域６０内に延在する。図６においても示されるように、垂直面７０は、別の構造体と関連付けられる場合、送信ビーム５８が、ガスタービンエンジン５６の内側ケーシング６２に対して任意選択された角度を有する線に沿って投影されるように配置されることができる。このため、送信ビーム５８は、ガスタービンエンジンの内側ケーシングに対して垂直な線に沿って投影されてもよい。
【００２３】
所定の実施形態では、垂直面７０のような反射面を研磨し又は高反射性物質で垂直面７０をコーティングすることが望ましいことがある。これら実施形態では、選択された表面処理によって鏡面反射が高められる。本明細書において定義されるような鏡面反射は、ミラーのような滑らかな面からの反射であり、入射ビームの波面の完全性を維持する傾向がある。
【００２４】
代替的に、垂直面７０のような反射面は主にランバート反射（Lambertian reflection）を高め又は提供するように処理されてもよい。ランバート反射は、入射ビームが、垂直面７０上のビームの見掛けの明るさが観察者の見る角度に関わらず観察者にとってほぼ同一であるように散乱されるときに起きる。このため、ランバート反射は乱反射である。当業者は、垂直面７０からのランバート反射が、反射ビーム６８の強度を減少させる傾向があることを容易に理解するであろう。しかしながら、ランバート反射は送信光学部５０と受信光学部６４との間の僅かな位置ずれを克服する傾向があるであろう。ランバート反射は、ビードブラスト（bead blasting）、サンディング、ペインティング、遮熱コーティング（ＴＢＣ）の適用、又は乱反射を提供するように垂直面７０を処理することによって高められうる。
【００２５】
垂直面を含む反射面７０は、反射性を高めるべくコーナーキューブとして作用する、機械加工された特徴要素を具備することができる。別の実施形態では、ビームが反射面に対して垂直であるときに高い反射性を提供すべく、リトロー型（Littrow mode）回折格子が反射面上にエッチングされてもよい。別の実施形態では、セラミック球が３Ｍ（登録商標）のスコッチブライト（登録商標）と同様の遮熱コーティング（ＴＢＣ）に加えられて反射面に適用されることができる。斯かるセラミック球は、反射性を高め、且つ、送信ビームの通路に完全に沿って戻りビームを提供すべく、コーナーキューブとして作用する。別の実施形態では、コーナーキューブは、受信信号が、調整ずれ、ビーム操作、振動、及びこれらと均等のものに対して耐性を有するように、マイクロマシンアレイ（micro-machined array）として実施されてもよい。
【００２６】
上述されたように、シングルエンドプローブ６６は送信光学部５０及び受信光学部６４の両方を含む。図７は、アライメントフリーのシングルエンド光プローブ７２の第１実施形態の概略図である。アライメントフリーのシングルエンド光プローブ７２の第１実施形態には、マルチモード受信コア手段によって囲まれたシングルモード送信コア７６を有するシングルモード送信ファイバー７４を具備するファイバー組立体が具備され、この実施形態では、複数の受信コア手段は複数のマルチモード受信ファイバー７８を具備し、複数のマルチモード受信ファイバー７８はそれぞれマルチモード受信コア８０を有する。斯かるバンドルの公知のサプライヤーがニュージャージー州スターリングのファイバーガイドインダストリー（Fiberguide Industries）株式会社である。
【００２７】
図８は、外側ケーシング８４と内側ケーシング８６との間のガスタービンエンジンの燃焼領域内の又は燃焼領域に近接した測定体積８２と作動関係に展開された、アライメントフリーのシングルエンド光プローブ７２の第１実施形態の概略図である。代替的に、内側ケーシング８６は、上述されたタイプの任意の垂直反射面であってもよい。更なる代替案として、測定体積８２は石炭燃料ボイラー又は内燃エンジンのような任意の燃焼装置と関連付けられてもよい。レーザービームがシングルモードコア７６にカップリングされ、シングルモードコア７６はビームを放射し、ビームは、レンズ８８によってコリメートされて反射面８６に反射され、その後、コリメータレンズ８８によって受容され、さらに、複数のマルチモードファイバーコア８０内に受信される。所望の燃焼特性を測定するために、十分な放射光がコリメータ光学部によってマルチモードファイバーの各々にカップリングされる。ファイバーバンドルの構成では、使用時に、マルチモード受信ファイバーに対するシングルモード送信ファイバーの位置を再調整する必要性が除去される。
【００２８】
現在のところ、マルチモードファイバーによって捕捉された検出ビームを測定するために二つの構造及び方法が考えられる。図９を参照すると、単一の大面積検出器（図示せず）が、全てのマルチモードキャッチファイバー（multimode catch fiber）から光を検出するのに使用されてもよい。しかしながら、斯かる大面積検出器の固有の静電容量によって、その反応が適切な反応時間に対して非常に遅くなる場合がある。第２の可能性として、別々の検出器が各マルチモードファイバーについて必要とされてもよく、検出された信号は検出器の下流側で電子的に合計されることができる。図９において描写されるように、シングルモードファイバー７４は、波長が多重化されたビームを放射する。斯かる実施形態では、別々のデマルチプレクサ９０が各マルチモードファイバーに光学的にカップリングされなければならず、その後、別個の波長が別個の検出器９２に向けられる。
【００２９】
アライメントフリーのシングルエンド光プローブ７２の第２実施形態が図１０において描写される。斯かる実施形態では、一体形成された同心のマルチモード受信コア９８によって包み込まれたシングルモード送信コア９６を具備するデュアルコアファイバー９４が使用され、別の実施形態のマルチモード受信コア手段が具備される。斯かるデュアルコアファイバーはイギリスのハンプシャー州のファイバーコア（Fibercore）株式会社から入手可能である。図１１において描写されるように、使用時に、レーザーからの送信ビーム９５が、シングルモード送信コア９６にカップリングされ、コリメータレンズ８８に向けられ、測定体積８２内の反射面８６に反射され、その後、反射された光はレンズ８８によってコリメートされて受信マルチモードコア９８内に受信される。このタイプのファイバーの使用では、送信光及び受信光が同一の波長を包含するので、ピッチ光（pitch light）をシングルモード送信コア９６にカップリングすることと、光が外側のマルチモードコア９８内に集められた後に光を分離して検出器に向けることとが幾分困難である。この目的を実現するために、少なくとも二つの可能性が存在する。第１に、図１２を参照すると、デュアルコアファイバー９４は、中心に小さな孔１０２を有する検出器１００に直に当接されることができる。戻ってくるマルチモードの光が検出器に当たり、検出器は所望の検出信号を生成する。送信ビームは、１０６において放射される前にレンズ１０４によってシングルモードコア内に集束される。代替的な実施形態では、図１３において描写されるように偏光ビームスプリッター１０８が使用されるであろう。
【００３０】
多重化された送信ビームを使用すると、受信される光ビームは検出器との光学的なカップリングの前に逆多重化される必要があるであろう。図１２を参照すると、斯かる実施形態では、検出器１００をデマルチプレクサに置き換えることができ、その後、逆多重化された波長は、それぞれ、別個の波長検出器と関連付けられることができる。
【００３１】
図１４は、燃焼工程のセンシング、監視、及び制御のためのシステム又はセンシング装置１１０の形態における一つの実施形態を概略的に示し、この実施形態では、アライメントフリーのシングルエンド光プローブ７２の第１実施形態が使用される。装置１１０は波長可変半導体レーザー１１２を具備し、波長可変半導体レーザー１１２はシングルモード送信ファイバー７４に光学的にカップリングされる。光ファイバー７４は更に送信／受信光学部１１６に光学的にカップリングされ、送信／受信光学部１１６は、コリメータレンズ、又はコリメートされた送信ビーム１１８を生成するのに適切な他の光学部を含むことができる。本明細書において使用されるとき、「カップリングされた」若しくは「光学的にカップリングされた」又は「光学的に連通した」は、対応物間の機能的な関係として定義され、この場合、光は中間部品又は自由空間を介して又は介さずに第１部品から第２部品に通ることができる。送信／受信光学部１１６は円筒形の外側ケーシング１２２内のポート１２０に光学的にカップリングされ、このことによって、ビーム１２６は、送信／受信光学部１１６によって受信されるように垂直反射面１２４に送信される。図１４において示された実施形態では、垂直面１２４は、ガスタービンエンジンの内側ケーシング８６とは別の構造体と関連付けられる。代替的に、上述されたように、垂直面１２４は内側ケーシング８６と関連付けられてもよい。垂直面１２４は、鏡面反射又はランバート反射を高めるべく上述されたように処理されてもよい。
【００３２】
第１実施形態では、送信／受信光学部１１６は、（図１４では一つのみが示されるが）周囲の複数のマルチモード光ファイバー７８に光学的にカップリングされる。各光ファイバー７８は検出器１３０に光学的にカップリングされ、検出器１３０は、典型的にはレーザー１１２によって発生せしめられたレーザー光の周波数に感応な光検出器である。検出器１３０は、検出器１３０に送信された光の性質及び量に基づいて電気信号を発生させる。検出器１３０からの電気信号はコンピュータ又はデータ処理システム１３２においてデジタル化されて分析される。コンピュータ１３２は、検出器の出力に基づいて、少なくとも一つの燃焼化学種の温度又は濃度のような燃焼特性を決定するようにプログラミングされる。さらに、コンピュータは、矢印１３４によって示されるように、燃焼領域に提供される空気及び燃料のようなエンジン入力パラメータを燃焼化学種の濃度の関数として制御するようにプログラミングされることができる。代替的に又は組合せにおいて、コンピュータ１３２は、燃焼化学種の濃度に基づいてエンジンの異常を判定して警告信号を生成するようにプログラミングされてもよい。
【００３３】
本発明では、波長可変半導体レーザー１１２、検出器１３０、及びデータ処理プロセッサ又はコンピュータ１３２のような、温度感度の高い装置が、ガスタービンエンジンから離れた適切な作動環境下に配設されることを可能とすべく、センシング装置１１０の送信側及び受信側の両方における電気部品及び光学部品にカップリングするファイバー光学部の使用が考えられる。このため、比較的堅固な送信／受信光学部１１６のみが測定体積８２の過酷な環境の近くに定置される必要がある。
【００３４】
図１５は、多重化されたセンシング装置１４０を概略的に示す。同様の参照番号は、図１４に関して記述されたような同一の要素を参照する。この実施形態では、複数の波長可変半導体レーザー１１２Ａ〜１１２Ｄが光ファイバー１４２に光学的にカップリングされてマルチプレクサ１４４に送られる（光ファイバー１４２はシングルモード光ファイバーであってもよい）。マルチプレクサ１４４において、半導体レーザー１１２Ａ〜１１２Ｄのいくつか又は全部からのレーザー光が、多重の選択された周波数を有する多重化されたビームを形成すべく多重化される。多重化されたビームはシングルモード光送信ファイバー７４に光学的にカップリングされて送信／受信光学部１１６に送信される。図１４に関して記述されたように、送信／受信光学部１１６はガスタービンエンジンの円筒形の外側ケーシング１２２内のポート１２０に光学的にカップリングされる。図１４と同様に、送信ビーム１１８（この場合、多重化されたビーム）は送信／受信光学部１１６による受信のために垂直面１２４に反射される。送信／受信光学部１１６は、マルチモード受信光ファイバー７８によってデマルチプレクサ１４６と光学的に連通する。同様に、第１実施形態では、一つのみが明確化のために示されるが、送信ファイバー７４を包囲する複数のマルチモード受信ファイバー７８が考えられる。デマルチプレクサ１４６は、多重化された反射ビーム１２６を別個の波長に逆多重化し、各波長は、対応する検出器１３０Ａ〜１３０Ｄに光学的に連通され、次いで、検出器１３０Ａ〜１３０Ｄはデータプロセッサ又はコンピュータ１３２にカップリングされ、データプロセッサ又はコンピュータ１３２は、図１４のコンピュータ１３２に関して上述されたようにプログラムされることができる。
【００３５】
単純化するために四つのみが示されているが、図１５において示された実施形態は、様々な波長を発生させる、任意の数の波長可変半導体レーザー１１２Ａ〜１１２Ｄを含むことができる。同様の数のフォトダイオード検出器１３０が提供される。
【００３６】
マルチプレクサ１４４及びデマルチプレクサ１４６は、電気通信産業における使用のために設計された部品であってもよい。適切なマルチプレクサ／デマルチプレクサは、上記で参照されたＷＯ’４９６においてより詳細に記述される。ＷＯ’４９６において記述された、燃焼の監視及び制御のための方法及び装置の一つの態様には、必要に応じて、図１４及び図１５において記述された装置が含まれてもよい。例えば、多重化された光のビームを各対に提供し且つビームを検出器に提供すべく、送信／受信光学部の対、光スイッチ、及び／又はルーターの複数の組を使用することが、特に燃焼領域内の燃焼パラメータのトモグラフィック（tomographic）表示について有用である。
【００３７】
本開示の様々な実施形態は、各従属クレームが、あたかも独立クレームだけでなく先行の従属クレームの各々の限定を組み込む複数従属クレームであるように、特許請求の範囲において列挙される様々な要素の置換も含むことができる。斯かる置換は明確に本開示の範囲内である。
【００３８】
多数の実施形態を参照して本発明が特別に示され且つ記述されてきたが、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細における変更が、本明細書において開示された様々な実施形態に対してなされることができ、且つ、本明細書において開示された様々な実施形態が、特許請求の範囲を限定するように作用することを意図していないことが当業者によって理解されるであろう。
【図１】
2012514752.tif 000003
【図２】
2012514752.tif 000004
【図３】
2012514752.tif 000005
【図４】
2012514752.tif 000006
【図５】
2012514752.tif 000007
【図６】
2012514752.tif 000008
【図７】
2012514752.tif 000009
【図８】
2012514752.tif 000010
【図９】
2012514752.tif 000011
【図１０】
2012514752.tif 000012
【図１１】
2012514752.tif 000013
【図１２】
2012514752.tif 000014
【図１３】
2012514752.tif 000015
【図１４】
2012514752.tif 000016
【図１５】
2012514752.tif 000017
【国際調査報告】
2012514752.tif 000018
2012514752.tif 000019