JP2000234953A - 光学プローブ組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ケーシングがエンジン外部から深い位置にあ
る場合でも、ケーシングに大がかりな改造なしに固定で
き、十分なスペースがなくても取り付けができ、プロー
ブ直径を大きくすることなく、その先端部にエアパージ
機構を組み込むこができ、短時間に簡単に取り付け／取
り外しができる光学プローブ組立体を提供する。 【解決手段】 中間部に鍔部１２ａを有する細長い光学
プローブ１２と、ケーシング１に固定されプローブの先
端部を保持する中空円筒状のプローブ固定アダプタ１４
と、アダプタ内にプローブを挿入して固定する中空円筒
状の細長いロングナット１６とからなる。ロングナット
の雄ねじ部１６ｂをアダプタの雌ねじ部１４ａと螺合さ
せて、ロングナットをアダプタ内にねじ込み、その先端
面１６ａでプローブの鍔部を内部に押し込み、アダプタ
内にプローブを挿入して固定する。また、ロングナット
の末端部からパージガスを供給し、その先端部からアダ
プタとプローブの隙間を通してパージガスをプローブ先
端に導く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、運転中のガスター
ビンエンジン等の動翼振動を非接触でモニタするための
光学プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの性能評価のために、運転
中のタービン動翼の振動を計測する場合がある。従来、
かかる試験は、動翼自体に歪ゲージを貼付け動翼振動に
基づく変形信号を検出し、この変形信号から振動状態を
計測することが行われていた。しかし、この方法は、歪
ゲージの耐熱性が劣るため動翼が高温ガスに曝されるガ
スタービンには適用できず、かつ変形信号を外部に取り
出すための装置が大がかりとなる、等の問題点があっ
た。そこで、本願発明の出願人は、先に光学的にタービ
ン動翼の振動を計測する計測手段を提案した（特願平２
−２４１５０５号）。この装置は、並設された投光用の
光ファイバーと受光用の光ファイバーとの先端に石英ガ
ラスのレンズを設け、該レンズの前方に石英の保護ガラ
スを設け、外周に外筒を設けたプローブの外筒を、回転
機械の動翼部分のケーシングの外側にプローブの先端が
動翼端部に向くように取付け、前記外筒の内部には冷却
水通路を形成すると共に、前記ケーシングにはプローブ
の先端部に圧縮空気を流す空気通路を形成したものであ
る。かかる装置により、投光用の光ファイバーから発せ
られたレーザー光は、レンズ、保護ガラスを通って動翼
の端部に照射され、動翼の端部で反射して保護ガラス、
レンズを通り、受光用の光ファイバーに戻される。動翼
が振動していると、投光用と受光用のレーザー光の間に
微小なずれが生ずるので、その変化量を解析することに
より動翼の振動計測が可能となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した光学プローブ
を用いてタービン動翼の振動を計測するためには、動翼
の先端面（翼先端面）で反射されたレーザー光が受光用
の光ファイバーに戻るようにする必要がある。このた
め、従来のプローブでは、投光用と受光用の光ファイバ
ーを同軸に構成し、翼先端面にレーザー光を垂直に照射
し垂直に反射するように、タービンのケーシングにプロ
ーブを取り付けていた。

【０００４】例えばパイパスダクト付きジェットエンジ
ンのように、計測するガスタービンエンジンの動翼（供
試翼）がバイパスダクトやケーシングの厚みでエンジン
外部から深い位置（例えば３００ｍｍ前後）にある場
合、プローブ先端を供試翼の先端に近づけるために必然
的にプローブ全長を長くする必要がある。この場合、プ
ローブはダクト外部から細長いボルトを使用してケーシ
ング（内側ケーシング）に直接固定するか、或いはケー
シングの代わりにダクトケーシング（外側ケーシング）
に固定用フランジ等を設けて取り付けていた。

【０００５】しかし、ケーシングの代わりにダクトケー
シングに固定すると、バイパスダクト、および内側ケー
シングの熱膨張・熱収縮によりプローブの先端位置（先
端レンズ）と動翼端面の距離が変化し、正確な計測に支
障をきたすことがある問題点があった。また、細長いボ
ルトで内側ケーシング（ケーシング）に固定する場合に
は、作業性が悪いばかりでなく、プローブ取付け用の取
付け座やフランジ等をケーシングに設ける必要があり、
計測するガスタービンエンジンの比較的大きな改造が必
要となる問題があった。更に、圧縮ケーシングの動翼位
置の周辺には、前後の静翼を可変にするためのリンク機
構等が設置されている場合が多く、この場合には、プロ
ーブ取付け座等を設けられないばかりでなく、プローブ
先端の直径もエンジン側の寸法の制約で抑えられて、プ
ローブ直径を十分に大きくできない問題点がある。

【０００６】一方、計測するガスタービン内を流れる作
動ガス中には未燃分やカーボン等が含まれるため、プロ
ーブ先端の直径が大きくできないと、プローブ本体にエ
アパージ機構を組み込むこができず、プローブ先端部の
レンズ等が短時間で汚れ、長時間の計測が不可能になる
問題点があった。また、従来の取り付け手段では、プロ
ーブの取り付け／取り外しに時間がかかるため、一端先
端部が汚染すると、試験を長時間中断する必要があっ
た。

【０００７】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、ケーシング（内側ケーシング）がエンジン外部から
深い位置にある場合でも、ケーシングに大がかりな改造
なしに直接固定することができ、タービンケーシング又
は圧縮機ケーシングの動翼位置周辺に、十分なスペース
がなくても取り付けができ、プローブ直径を十分に大き
くできない場合でも、その先端部にエアパージ機構を組
み込むこができ、短時間に簡単に取り付け／取り外しが
できる光学プローブ組立体を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、中間部
にリング状の鍔部（１２ａ）を有する細長い光学プロー
ブ（１２）と、ケーシング（１）に固定され前記光学プ
ローブの先端部を保持する中空円筒状のプローブ固定ア
ダプタ（１４）と、該プローブ固定アダプタ内に光学プ
ローブを挿入して固定する中空円筒状の細長いロングナ
ット（１６）と、を備え、プローブ固定アダプタは、そ
の軸線方向外端部内面に設けられた雌ねじ部（１４ａ）
と、中間部分に設けられた円筒内面（１４ｂ）とを有
し、ロングナットは、光学プローブの鍔部と当接する先
端面（１６ａ）と、アダプタの雌ねじ部と螺合する雄ね
じ部（１６ｂ）と、その中間部外面に設けられ前記円筒
内面と当接してその間をシールするシール部材（１５）
と、末端部から先端部まで連通するガス流路（１６ｃ）
とを有し、これにより、ロングナットの末端部からパー
ジガスを供給し、その先端部からアダプタとプローブの
隙間を通してパージガスをプローブ先端に導く、ことを
特徴とする光学プローブ組立体が提供される。

【０００９】上記本発明の構成によれば、細長い光学プ
ローブ（１２）は、中間部にリング状の鍔部（１２ａ）
を有する点以外は、従来の水冷式プローブと同一であ
り、鍔部以外の部分を従来の水冷式プローブと同一直径
に細く形成することができる。

【００１０】また、中空円筒状のプローブ固定アダプタ
（１４）は、ケーシング（１）に固定でき、光学プロー
ブの先端部を保持して、プローブとの隙間を通してパー
ジガスをプローブ先端に導くことができる限りで、十分
に細く設定することができる。例えば、タービン動翼の
近傍に位置するケーシングのフランジに取り付け、ケー
シングにパージガスを流入させる貫通穴を形成するだけ
で、大きなスペースや大改造なしにプローブ固定アダプ
タをケーシングに直接固定することができる。

【００１１】更に、中空円筒状の細長いロングナット
（１６）は、雄ねじ部（１６ｂ）をアダプタの雌ねじ部
（１４ａ）と螺合させることにより、ロングナットをア
ダプタ内にねじ込んで、その先端面（１６ａ）で光学プ
ローブの鍔部を内部に押し込み、プローブ固定アダプタ
内に光学プローブを挿入して固定する。また、同時にシ
ール部材（１５）がアダプタの円筒内面（１４ｂ）と当
接してその間をシールするので、ロングナットの末端部
から先端部まで連通するガス流路（１６ｃ）を通してア
ダプタとプローブの隙間にパージガスを直接供給するこ
とができる。従って、雄ねじ部（１６ｂ）と雌ねじ部
（１４ａ）の螺合のみで、アダプタへの光学プローブの
取付け／取外しができるので、短時間に簡単に取り付け
／取り外しができる。また、プローブ直径を十分に大き
くできない場合でも、その先端部にエアパージ機構を組
み込むこができる。更に外部配管なしにロングナットの
末端部からパージガスを供給し、その先端部からアダプ
タとプローブの隙間を通してパージガスをプローブ先端
に導くことができる。

【００１２】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
プローブ固定アダプタ（１４）は、ケーシング（１）に
接触する端面にリング状の凹溝（１４ｃ）を有し、該凹
溝内にシール剤を充填・固定することによりケーシング
との間をシールする。この構成により、ケーシングとの
間を容易かつ確実にシールすることができる。

【００１３】また、前記アダプタとプローブの隙間は、
流路面積が漸減するように構成されている。この構成に
より、シールガス（例えば空気）の流速を徐々に高め、
圧力損失を低く抑えることができる。

【００１４】また、前記ロングナット（１６）は、先端
部と末端部が互いに固定され中間部が互いに間隔を隔て
てチャンバを形成する二重管（１７）からなり、二重管
の末端部には前記チャンバ内にパージガスを供給するパ
ージガス供給口（１７ａ）が設けられ、先端部には周方
向に間隔を隔てて複数の噴射口（１８）が設けられてい
る。この構成により、パージガス供給口（１７ａ）から
二重管（１７）のチャンバを通して先端部の噴射口（１
８）から、アダプタとプローブの隙間にパージガスを噴
射・供給することができ、ロングナットの外部配管が不
要であることから、全体を細くできる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。図１は、本発明の光学プローブ組立体を用いたター
ビン動翼の振動計測装置の全体斜視図である。この図に
示すように、本発明の光学プローブ組立体１０は、ガス
タービンのケーシング１（タービンケーシング又は圧縮
機ケーシング）の外側の複数箇所に取り付けられる。各
プローブ１０は、投光用と受光用の光ファイバーからな
る同軸光ファイバー４を介してレーザーシステム３に接
続され、このレーザーシステム３は更に光ファイバー４
によって光電変換器５に接続され、光電変換器５はケー
ブル６によって解析器７に接続されている。なお、この
図で８は電源である。

【００１６】レーザーシステム３によって発せられたレ
ーザ光は、同軸光ファイバー４の中心ファイバー、光学
プローブ組立体１０を介してケーシング１内で回転する
タービン動翼の翼先端面に照射され、その反射光がパル
ス状のレーザ光となって同軸光ファイバー４の外周ファ
イバーを介して光電変換器５に達し、ここで電気信号に
変換され、解析器７に入力される。動翼が振動している
と、振動による翼の変形により、翼先端面から反射した
パルス状のレーザ光のタンミングに微小なずれが生じ、
その変化量を解析することによって動翼の振動計測がで
きる。

【００１７】図２は、本発明の光学プローブ組立体を構
成する光学プローブの全体構成図である。この図に示す
ように、光学プローブ１２は、その中間部の先端付近に
リング状の鍔部１２ａを有している。また、この例で
は、光学プローブ１２の末端部に冷却水入口１２ｂと冷
却水出口１２ｃを備えており、内部を冷却水で冷却でき
るようになっている。なお、このプローブ１２には、先
端部のパージガスを通す流路はなく、その限りで十分に
細く形成されている。その他の構成は従来の光学プロー
ブと同一である。

【００１８】図３は、本発明の光学プローブ組立体を構
成するプローブ固定アダプタ（Ａ）とロングナット
（Ｂ）の断面図である。図３（Ａ）に示すように、プロ
ーブ固定アダプタ１４は、中空円筒状をしており、その
内面の軸線方向外端部（図で右端部）に雌ねじ部１４ａ
が設けられ、中間部分に円筒内面１４ｂが設けられ、ケ
ーシング１の端面に貫通穴１３ａが設けられている。ま
た、このプローブ固定アダプタ１４のケーシング１に接
触する端面１４ｄにリング状の凹溝１４ｃが設けられ、
この凹溝１４ｃ内にシール剤を充填・固定してケーシン
グとの間をシールする。なお、１ａはケーシング１に設
けられた計測用の貫通穴である。

【００１９】アダプタ１４のケーシング側は、その内側
に光学プローブ１２の先端部が隙間をもって挿入できる
限りで細く形成されている。また、ケーシング側の端部
には、例えばケーシングのフランジに取り付けるフラン
ジ等（図示せず）が設けられ、ケーシングの動翼位置周
辺に、十分なスペースがなくても取り付けができるよう
に構成されている。

【００２０】ロングナット１６は、細長い中空円筒状の
ものであり、光学プローブ１２の鍔部１２ａと当接する
先端面１６ａと、アダプタ１４の雌ねじ部１４ａと螺合
する雄ねじ部１６ｂと、その中間部外面に設けられアダ
プタの円筒内面１４ｂと当接してその間をシールするシ
ール部材１５（例えばＯリング）と、末端部（右端部）
から先端部（左端部）まで連通するガス流路１６ｃとを
有する。

【００２１】この例において、ロングナット１６は、先
端部（左端部）と末端部（右端部）が互いに溶接等で固
定され中間部が互いに間隔を隔ててチャンバ（ガス流路
１６ｃ）を形成する二重管１７からなる。また、二重管
１７の末端部にはチャンバ内にパージガスを供給するパ
ージガス供給口１７ａが設けられ、先端部には周方向に
間隔を隔てて複数の噴射口１８が設けられている。

【００２２】図４は、本発明の光学プローブ組立体の取
付け／取外しの手順図（Ａ）と全体構成図（Ｂ）であ
る。図４（Ａ）に示すように、ロングナット１６は光学
プローブ１２の鍔部１２ａよりも外方（図で右側）のま
わりに予め嵌め、光学プローブ１２の末端部に冷却水入
口１２ｂと冷却水出口１２ｃを取り付けて一体化してお
く。この場合、ロングナット１６の内径はプローブ外径
より十分大きく、自由に回転及び軸方向移動ができる。
また、アダプタ１４は、ケーシング１に予め固定してお
く。なお、この図で２は外側ケーシング（例えばダクト
ケーシング）であり、この外側ケーシングにもロングナ
ット１６が軸方向に通る貫通穴２ａを設けておく。貫通
穴２ａとロングナット１６のシールは、図示しないシー
ル手段、例えばＯリング、パッキン等で行う。

【００２３】図４（Ａ）において、ロングナット１６の
雄ねじ部１６ｂをアダプタの雌ねじ部１４ａと螺合させ
ることにより、ロングナット１６をアダプタ１４内にね
じ込んで、その先端面１６ａで光学プローブ１２の鍔部
を内部に押し込み、プローブ固定アダプタ内に光学プロ
ーブ１２を挿入して、図４（Ｂ）に示すように固定す
る。従って、雄ねじ部１６ｂと雌ねじ部１４ａの螺合の
みで、アダプタ１４への光学プローブ１２の取付け／取
外しができるので、短時間に簡単に取り付け／取り外し
ができる。また、プローブ直径を十分に大きくできない
場合でも、その先端部にエアパージ機構を組み込むこが
できる。更に外部配管なしにロングナットの末端部から
パージガスを供給し、その先端部からアダプタとプロー
ブの隙間を通してパージガスをプローブ先端に導くこと
ができる。

【００２４】図５は、図４（Ｂ）のＡ部拡大図である。
この図に示すように、本発明のタービン動翼の光学プロ
ーブ１０は、プローブ本体２２、同軸光ファイバー４、
保護ガラス２６、及び集光レンズ系２８からなる。ま
た、同軸光ファイバー４は、レーザ光を外部から中心部
に導入する投光用光ファイバー２４ａと、その周囲に同
軸に配置され反射レーザ光を外部に取り出す受光用の光
ファイバー２４ｂとからなる。更に集光レンズ系２８
は、同軸光ファイバー４に近接して設けられた小径レン
ズ２８ａと、この小径レンズ２８ａに隣接して設けられ
た大径レンズ２８ｂからなる。

【００２５】同軸光ファイバー４は、プローブ本体２２
内に軸線に沿って挿入され端部がプローブ本体に固定さ
れている。保護ガラス２７は、プローブ本体２２の内端
面近傍に取り付けられている。この保護ガラス２７は好
ましくは石英の平面ガラスであり、通過するレーザ光に
影響を与えず、かつ集光レンズ系２８が燃焼ガス等に直
接曝されないようにシール部材（例えばＯリング）によ
り気密に取り付けられている。更に、プローブ本体２２
には、外部からレンズ系２８の周囲まで延びる密閉され
た冷却水流路（図示せず）が設けられ、この冷却水流路
を循環させて冷却水を流し、プローブ本体２２を冷却で
きるようになっている。

【００２６】また図５において、集光レンズ系２８は、
同軸光ファイバー４の中心の投光用光ファイバー２４ａ
からのレーザー光を動翼の翼先端面（図示せず）に集光
するようになっている。上述した構成により、翼先端が
振動している場合には、翼先端面で反射したレーザ光
は、翼先端面の僅かな傾きにより入射光からわずかにず
れて反射し、一部は大径レンズ２８ｂのみを通って同軸
光ファイバー４の周囲の受光用光ファイバー２４ｂに入
射する。従って、受光用光ファイバー２４ｂに入射した
反射光を上述した光電変換器５で電気信号に変換し、こ
れを解析器７で解析することによって動翼の振動計測が
できる。

【００２７】更に、図５に示すように、アダプタ１４と
プローブ１０の隙間は、流路面積が貫通穴１３ａに近づ
くほど漸減するように構成されている。従って、ロング
ナット１６の末端部からパージガスを供給し、その先端
部１６ａの噴射口１８からアダプタ１４とプローブ１０
の隙間を通して、図中に破線の矢印で示すようにパージ
ガスをプローブ先端に導くことができ、かつ貫通穴１３
ａの近傍における流速を十分に大きくすることができ
る。従って、保護ガラス２７の動翼側対向面に冷却ガス
（例えば圧縮空気）を噴射して、保護ガラス２７に燃焼
ガスが直接接触することを防ぎ、その汚染と過熱を防止
できる。

【００２８】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更でき
ることは勿論である。

【００２９】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、プロ
ーブ先端の直径を従来と同一サイズに抑え、プローブの
水冷機構を有した状態で、レンズ面のパージ機能も実現
できる。また、ロングナットの使用により、レンズ面近
傍のフランジ部でプローブの固定が可能であるため、熱
膨張・熱収縮による翼先端からレンズ面までの距離の変
化を最小限に抑えることができ、計測中の焦点位置の変
化による性能低下を防止できる。従って、高温で冷却が
必要なレンズ面のタービン作動ガスによる汚れを防止
し、レンズ面をケーシング外部から深い位置に設置しな
ければならないようなエンジンの動翼振動計測が可能と
なる。

【００３０】上述したように、本発明の光学プローブ組
立体は、ケーシング（内側ケーシング）がエンジン外部
から深い位置にある場合でも、ケーシングに大がかりな
改造なしに直接固定することができ、ケーシングの動翼
位置周辺に、十分なスペースがなくても取り付けがで
き、プローブ直径を十分に大きくできない場合でも、そ
の先端部にエアパージ機構を組み込むこができ、短時間
に簡単に取り付け／取り外しができる、等の優れた効果
を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学プローブ組立体を用いたタービン
動翼の振動計測装置の全体斜視図である。

【図２】本発明の光学プローブ組立体を構成する光学プ
ローブの全体構成図である。

【図３】本発明の光学プローブ組立体を構成するプロー
ブ固定アダプタ（Ａ）とロングナット（Ｂ）の断面図で
ある。

【図４】本発明の光学プローブ組立体の取付け／取外し
の手順図（Ａ）と全体構成図（Ｂ）である。

【図５】図４（Ｂ）の部分拡大図である。

【符号の説明】

１ ケーシング １ａ 流路内面 ２ 外側ケーシング（ダクトケーシング） ３ レーザーシステム ４ 光ファイバー ５ 光電変換器 ６ ケーブル ７ 解析器 ８ 電源 ９ 動翼 ９ａ 翼先端面 １０ 光学プローブ組立体 １２ 光学プローブ １２ａ 鍔部 １３ａ 貫通穴 １４ プローブ固定アダプタ １４ａ 雌ねじ部 １４ｂ 円筒内面 １４ｃ 凹溝 １５ シール部材 １６ ロングナット １６ａ 先端面 １６ｂ 雄ねじ部 １６ｃ ガス流路 １７ 二重管 １７ａ パージガス供給口 １８ 噴射口 ２２ プローブ本体 ２４ａ 投光用光ファイバー ２４ｂ 受光用光ファイバー ２６ 保護ガラス ２８ 集光レンズ系 ２８ａ 小径レンズ ２８ｂ 大径レンズ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中間部にリング状の鍔部（１２ａ）を有
   する細長い光学プローブ（１２）と、ケーシング（１）
   に固定され前記光学プローブの先端部を保持する中空円
   筒状のプローブ固定アダプタ（１４）と、該プローブ固
   定アダプタ内に光学プローブを挿入して固定する中空円
   筒状の細長いロングナット（１６）と、を備え、 プローブ固定アダプタは、その軸線方向外端部内面に設
   けられた雌ねじ部（１４ａ）と、中間部分に設けられた
   円筒内面（１４ｂ）とを有し、 ロングナットは、光学プローブの鍔部と当接する先端面
   （１６ａ）と、アダプタの雌ねじ部と螺合する雄ねじ部
   （１６ｂ）と、その中間部外面に設けられ前記円筒内面
   と当接してその間をシールするシール部材（１５）と、
   末端部から先端部まで連通するガス流路（１６ｃ）とを
   有し、 これにより、ロングナットの末端部からパージガスを供
   給し、その先端部からアダプタとプローブの隙間を通し
   てパージガスをプローブ先端に導く、ことを特徴とする
   光学プローブ組立体。
2. 【請求項２】 前記プローブ固定アダプタ（１４）は、
   ケーシング（１）に接触する端面にリング状の凹溝（１
   ４ｃ）を有し、該凹溝内にシール剤を充填・固定するこ
   とによりケーシングとの間をシールする、ことを特徴と
   する請求項１に記載の光学プローブ組立体。
3. 【請求項３】 前記アダプタとプローブの隙間は、流路
   面積が漸減するように構成されている、ことを特徴とす
   る請求項１に記載の光学プローブ組立体。
4. 【請求項４】 前記ロングナット（１６）は、先端部と
   末端部が互いに固定され中間部が互いに間隔を隔ててチ
   ャンバを形成する二重管（１７）からなり、二重管の末
   端部には前記チャンバ内にパージガスを供給するパージ
   ガス供給口（１７ａ）が設けられ、先端部には周方向に
   間隔を隔てて複数の噴射口（１８）が設けられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学プローブ組立
   体。