JP2002071465A - 温度測定装置及び当該装置に使用される光学スイッチ - Google Patents
温度測定装置及び当該装置に使用される光学スイッチInfo
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Abstract
定する装置及び当該装置に使用する光学スイッチを提供
する。 【解決手段】温度測定装置は高温計及び分光計のような
複数の光検出器と、共通の視線に沿ってタービンエンジ
ンの覗きガラスからの放射を任意の1つの光検出器に選
択的に導くための光学スイッチ22とを含んでいる。光
学スイッチ22は第1のブロック32及び第2のブロッ
ク34を含み、光検出器は第2のブロック34中に配置
されている。第1及び第2のブロックの間には、回転軸
線の回りに回転し得るようにしてロータ31が取付けら
れると共に、回転軸線上に位置する第1の末端及び回転
軸線から外れて位置する第2の末端を有する光ファイバ
ケーブル76が設置される。ロータ31の回転により、
光ファイバケーブル76の第2の末端は選択的に任意の
1つの光検出器に隣接して配置される。
Description
って、更に具体的には、かかる装置に使用される光学ス
イッチに関する。
に供給する圧縮機を含んでいる。燃焼部では、圧縮空気
が燃料と混合されて燃焼することによって高温の燃焼ガ
スが生成する。かかるガスは下流側に流れて多段タービ
ンに達する。各々のタービン段は、エンジンの中心軸線
の回りに回転し得るようにして軸に固定された羽根車か
ら外方に延びかつ円周方向に沿って互いに離隔した複数
の羽根を含んでいる。高温のガスはタービン羽根に接し
て膨張することによって羽根車を回転させる。これは圧
縮機に連結された軸をも回転させるが、軸は発電機や歯
車箱のような負荷設備に連結されることもある。その結
果、タービンは高温のガスからエネルギーを抽出して圧
縮機を駆動すると共に、発電又は飛行中の航空機の推進
などの有用な仕事を行う。
運転温度を上昇させることによって高め得ることは良く
知られている。運転温度の上昇に伴い、ある種のエンジ
ン部品(例えば、タービン羽根)の熱的限界を越える結
果として、実用寿命の短縮、更には材料の破損が生じる
ことがある。更に、これらの部品の熱的伸縮の増加は他
の部品に対する隙間や嵌め合い関係に悪影響を及ぼす。
従って、タービン羽根がかなりの時間にわたって最大定
格温度を越えないようにするため、エンジンの運転時に
はタービン羽根の温度を監視することが望ましい。
的な方法は、タービンを出るガスの温度を測定し、これ
を羽根温度の指標として使用するというものである。タ
ービンの出口温度は、排気ガス流中に1つ以上の温度セ
ンサ(例えば、熱電対)を配置することによって測定す
ることができる。羽根温度は間接的に測定されるから、
それはあまり正確でない。従って、広い安全マージンを
維持しなければならないから、最適の羽根温度を利用す
ることが可能とはいえない。
ので、羽根温度を直接に測定するための方法が提唱され
てきた。1つの直接測定方法は、エンジンケーシングの
外側に配置され、ケーシングの壁体に設けられた覗きガ
ラスを通してタービン羽根に焦点の合わされた視野を有
する放射高温計を使用するものである。それによれば、
加熱されたタービン羽根から放出される放射が高温計に
入射すると、高温計は羽根温度を表わす電気信号を発生
する。しかるに、エンジンの運転に際して覗きガラスは
高温の排気ガスに暴露されるため、覗きガラスは曇り、
高温計の読みに悪影響を及ぼす傾向がある。更に、羽根
表面の光放射率は未知であって、これも温度測定値中に
誤差をもたらす。
障害、及び未知の表面特性に関する問題を回避しながら
利用可能な覗きガラスを通して羽根温度を遠隔監視し得
るようなタービン羽根の温度の監視方法が得られれば望
ましいわけである。
高温計及び分光計)と、共通の視線に沿ってタービンエ
ンジンの覗きガラスからの放射を任意の1つの光検出器
に選択的に導くための光学スイッチとを含むような羽根
温度測定装置を提供することによって上記の要望が満た
される。
1及び第2のブロックを含み、光検出器は第2のブロッ
ク中に配置されている。第1及び第2のブロックの間に
は、回転軸線の回りに回転し得るようにしてロータが取
付けられると共に、回転軸線上に位置する第1の末端及
び回転軸線から外れて位置する第2の末端を有する光フ
ァイバケーブルが設置される。ロータの回転により、光
ファイバケーブルの第2の末端は選択的に任意の1つの
光検出器に隣接して配置される。
利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を
読むことによって自ずから明らかとなろう。
部分で詳細に記載されかつ明確に規定されている。しか
し、本発明は添付の図面を参照しながら以下の説明を考
察することによって最も良く理解されよう。なお、図面
全体を通じ、同じ構成要素は同じ参照番号によって表わ
されている。
転し得るようにして内部に取付けられた複数のタービン
羽根11を有するガスタービンエンジン10が略示され
ている。当業界で公知の通り、ガスタービンエンジン1
0はその内部への光学的接近のため外部ケーシングの壁
体に設けられた覗きガラス12を有している。タービン
羽根11の温度を測定しかつ監視するための光学系14
が設けられている。かかる光学系14は、覗きガラス1
2上に取付けられた光学ヘッド16と、分光計18と、
高温計20と、覗きガラス12を通して伝達される放射
を分光計18又は高温計20のいずれか一方に選択的に
導くための光学スイッチ22とを含んでいる。光学ヘッ
ド16は、光学スイッチ22の視線をタービン羽根11
に合わせるための通常の素子である。また、光学ヘッド
16からの放射を光学スイッチ22に伝達するための光
ファイバケーブル24が設けられている。
じ視線に沿ってタービン羽根11から分光計18及び高
温計20の両方に放射を伝達することができる。分光計
18は、それに入射する放射の様々な波長における強度
を測定し、得られた波形を表わす電気信号を発生する。
高温計20は、それに入射する放射の強度に比例した電
気信号を発生する。この信号はタービン羽根11の温度
を表わす。なぜなら、羽根11から放出される放射エネ
ルギーの強度はそれらの温度の関数だからである。分光
器信号及び高温計信号は、いずれも制御装置26に送ら
れる。高温計信号は相対的な羽根温度用として使用さ
れ、分光器信号は絶対的な羽根温度用として使用され
る。エンジン10内の高温ガスへの暴露のために覗きガ
ラス12が曇ったり、或いは羽根表面が未知の放射率を
有する灰色体であったりしても、制御装置26はそれら
2つの信号を比較することによって羽根温度を正確に測
定することができる。
1の温度を連続的に監視することができる。羽根温度が
所定のレベルを越えると、制御装置26は警報器28を
トリガする信号を送り、それによってエンジン10の運
転員に切迫した問題の存在を警告する。制御装置26
は、分光計18及び高温計20の間で切換えを行う際に
光学スイッチ22の位置を調節する。なお、制御装置2
6は現場に配置されていてもよいし、或いはガスタービ
ンエンジン10から遠隔の位置に配置されていもよいこ
とに注意すべきである。例えば、光学スイッチ22は電
話線、ネットワーク又はその他の通信手段を介してデス
クトップコンピュータから遠隔制御することもできる。
光学系14は分光計18及び高温計20を使用するもの
として記載されているが、その他の種類の検出器も使用
し得ることに注意すべきである。更に、光学スイッチ2
2に関する以下の説明から明らかになるごとく、3種以
上の検出器を使用することもできる。
が一層詳細に示されている。光学スイッチ22は、密閉
ハウジング36の内部に配置された第1のブロック32
と第2のブロック34との間に回転可能に取付けられた
ロータアセンブリ30を含んでいる。ハウジング36
は、その他の部品の全てを包囲してそれらの汚染を防止
する。第1のブロック32及び第2のブロック34は、
通常のファスナ37によってハウジング36に固定され
ている。第1のブロック32はハウジング36の前端に
近接して配置されている一方、第2のブロック34はハ
ウジング36の後端に近接して配置されている。ここで
言う、光学スイッチ22(又はその任意の構成要素)の
前端とは、光学スイッチ22が光ファイバケーブル24
を介して光学ヘッド16からの入力を受け取る側の末端
を指す。図2及び3で、光学スイッチ22の前端は左側
に示されている。逆に、図2及び3で、光学スイッチ2
2(又はその任意の構成要素)の後端は右側に示されて
いる。下記に説明される通り、この後端は制御装置26
に出力されるデータを収集するための光検出器が設けら
れる側の末端である。
びその前端に固定された前方ハブ40をから成るロータ
31を含んでいる。或いは、ロータ31は一体構成のも
のであってもよい。ロータ軸38は、前端に形成された
取付フランジ44と後端に形成されたトラニオン46と
を有する実質的に円筒形の部分42から成っている。ト
ラニオン42は、円筒形部分42によって規定された軸
線に沿って外方に延びている。ロータ軸38の前端には
中心に軸方向内腔48が形成され、そのほぼ全長にわた
って延びている。軸方向内腔48への出入りを可能にす
るため、円筒形部分42には長手方向に延びる溝穴50
が形成されている。前方ハブ40は、実質的に円筒形の
部分52とその後端に形成された取付フランジ54とを
有している。取付フランジ44及び54は、ロータ軸3
8及び前方ハブ40(すなわち、ロータ31)が一緒に
回転するよう通常の手段によって固定されている。円筒
形部分52によって規定された軸線は円筒形部分42の
軸線と一致し、ロータアセンブリ30に関する単一の回
転軸線を規定している。前方ハブ40は、その全長にわ
たって延びる中心の軸方向内腔56を含んでいる。図3
に示す通り、軸方向内腔56は小径の前方部分及び大径
の後方部分を有するように座ぐりされている。
ブロック32の後面に形成された軸受58内に回転可能
に収容されている結果、ロータアセンブリ30は第1の
ブロック32及び第2のブロック34に対してその回転
軸線の回りに回転することができる。同様に、トラニオ
ン46は第2のブロック34の前面に形成された軸受6
0内に回転可能に収容されている。ロータアセンブリ3
0の回転は、第1のブロック32の上部に取付けられた
電動機62によって達成される。(限定されるわけでは
ないが)直流12ボルトの歯車電動機から成ることが好
ましい電動機62は、時計回り又は逆時計回りに選択的
に回転させ得る軸64を有している。軸64上には駆動
歯車66が固定状態で取付けられ、第1のブロック32
の後面と取付フランジ54との間で前方ハブ40の円筒
形部分52上に固定状態で取付けられたロータ歯車68
とかみ合っている。その結果、制御装置26からの入力
により指示されて電動機62が駆動歯車66を回転させ
ると、その回転はロータ歯車68を介してロータアセン
ブリ30に伝達される。
トラニオン46上に固定状態で取付けられ、第2のブロ
ック34の前面に隣接してロータアセンブリ30共に回
転する位置決め円板70を含んでいる。詳しく述べれ
ば、位置決め円板70は中心に内腔を有していて、それ
にトラニオン46を挿入することによってロータ軸38
と同心的に取付けられている。位置決め円板70には、
その中心から一定の距離の位置にオフセット穴72が設
けられている。位置決め円板70には、その外周面に沿
って等間隔に配置された4つのトリップ隆起74を有し
ているが、それらの目的は下記に記載される。
軸方向内腔56の前端に位置する第1の末端を有する第
2の光ファイバケーブル76を含んでいる。かかる第2
の光ファイバケーブル76は、軸方向内腔56を通って
ロータ軸36の軸方向内腔48内に延び、そこからロー
タ軸の溝穴50を通って延びている。第2の光ファイバ
ケーブル76の第2の末端は、位置決め円板70のオフ
セット穴72の中に配置されている。従って、第2の光
ファイバケーブル76の第1の末端はロータアセンブリ
30の回転軸線上に位置しており、第2の光ファイバケ
ーブル76の第2の末端はロータアセンブリ30の回転
軸線から外れて位置している。第2の光ファイバケーブ
ル76の第1の末端は、内腔56の小径の前方部分内に
滑り嵌めされたグロメット78によって保持されてい
る。第2の光ファイバケーブル76の第2の末端は、オ
フセット穴72の中に滑り嵌めされたグロメット80に
よって保持されている。
端は、第1の光ファイバケーブル24の対応する末端と
整列し、更には接触している。それには、第2の光ファ
イバケーブル76と引入れ用の光ファイバケーブル24
との間の光学的結合を最大にするため、当業界で公知の
光学装置を装備することもできる。第1の光ファイバケ
ーブル24の末端は、第1のブロック32の前面に形成
された内腔84の中に配置されたアダプタ82によって
光学スイッチ22内に固定されている。アダプタ82は
軸受58と整列しており、従ってロータアセンブリ30
の回転軸線と整列している。第1の光ファイバケーブル
24の末端は、アダプタ82内に収容されたグロメット
86によって保持されている。
0を収容するために設けられた4つの検出器穴88を有
している。図4に最も良く示す通り、4つの検出器穴8
8は第2のブロック34内に設けられた軸受60に関し
て90°の等間隔で配置されている。4つの検出器穴8
8はいずれもロータアセンブリ30の回転軸線から同じ
半径方向距離の位置に設けられていて、その距離は回転
軸線からのオフセット穴72の半径方向距離に等しい。
従って、ロータアセンブリ30を回転させることによ
り、オフセット穴72及び第2の光ファイバケーブル7
6の第2の末端を4つの検出器穴88のいずれか1つ及
びその中に配置された光検出器90に隣接して配置する
ことができる。各々の光検出器90からの出力は、図3
に示す通り、制御装置26に送られる。
載された分光計18及び高温計20から成り得る。しか
し、図1の光学系14は光学スイッチ22の1つの好適
な応用例に過ぎないのであって、光学スイッチ22はそ
れ以外にも数多くの応用例に使用することができる。更
に、光学スイッチ22は4つの光検出器90のみに限定
されるわけではないのであって、第2のブロック34に
はより少数又は多数の検出器穴88を設けることができ
る。いずれの場合にせよ、位置決め円板70には対応す
る数のトリップ隆起74を設けることが好ましい。
送ることによって第2の光ファイバケーブル76の第2
の末端を選択的に所望の光検出器90に隣接して配置し
得るようにするため、第2のブロック34上に近接セン
サ92が取付けられている。図5に最も良く示された好
適な一実施形態では、近接センサ92は板94を介して
第2のブロック34に取付けられた容量型の近接センサ
である。一端が位置決め円板70の外周面に極めて接近
する(しかし接触することはない)ようにして板94に
電極96が固定されている。ロータアセンブリ30の回
転に伴ってトリップ隆起74の1つが電極96の傍を通
過すると、電極96と位置決め円板70との間の隙間は
非常に小さくなる。この時点で、電極96及び位置決め
円板70はコンデンサの2枚の極板として機能し、信号
が発生する。この信号が制御装置26に送られる結果、
ロータの位置が知られることになる。トリップ隆起74
は、1つのトリップ隆起74が電極96の傍を通過する
際には必ずオフセット穴72が1つの検出器穴88と整
列するようにして位置決め円板70の外周に配置されて
いる。このようにして近接センサ92が制御装置26に
位置決めフィードバックを送る結果、制御装置26は第
2の光ファイバケーブル76の第2の末端が所望の光検
出器90に隣接して配置されるようにロータアセンブリ
30を回転させることができる。
ル76の第2の末端が、制御装置26の制御アルゴリズ
ムによって決定された特定の光検出器に隣接して配置さ
れる。詳しく述べれば、制御装置26が電動機62に信
号を送ると、電動機62は歯車66及び68を介してロ
ータアセンブリを回転させる。該当するトリップ隆起7
4が近接センサ92の電極96に接近すると、制御装置
26に信号が送られ、制御装置26はロータアセンブリ
30の回転を停止させる。ロータアセンブリが適正な位
置にあれば、光学ヘッド16からの放射は第1の光ファ
イバケーブル24を通して第2の光ファイバケーブル7
6の第1の末端に伝達される。次いで、放射は第2の光
ファイバケーブル76を通して伝達され、特定の光検出
器90に導かれる。入射した放射に応答して、特定の光
検出器は図3に示す通り制御装置26に適切な信号を送
る。
る場合には、制御装置26は電動機62に別の信号を送
る。その信号に応答して、電動機62はロータアセンブ
リ30を再び回転させ、第2の光ファイバケーブル76
の第2の末端を別の光検出器90に隣接して配置する。
この場合、光学ヘッド16からの放射は別の光検出器9
0に導かれ、その光検出器90によって発生された対応
する信号が制御装置26に送られる。他の光検出器90
についても動作は同じである。
検出器90が同じ視線に沿って被検物(例えば、タービ
ン羽根11)を監視することを可能にする。共通の視線
を使用することは、全ての光検出器が羽根11上の同じ
参照位置を観測することを意味し、従って各種の光検出
器90の出力間で正当な比較を行い得ることを保証す
る。
説明したが、前記特許請求の範囲によって規定される本
発明の精神及び範囲から逸脱することなしに様々な変更
を加え得ることは当業者にとって自明であろう。
を示す略図である。
図である。
図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 少なくとも2つの光検出器(18、2
0)と、共通の視線に沿って前記少なくとも2つの光検
出器(18、20)のいずれか一方に放射を選択的に導
くための手段(22)とを含む、温度測定装置(1
4)。 - 【請求項2】 前記少なくとも2つの光検出器(18、
20)が高温計(20)及び分光計(18)から成る、
請求項1記載の温度測定装置(14)。 - 【請求項3】 放射を選択的に導くための前記手段(2
2)が光学スイッチ(22)から成る、請求項1記載の
温度測定装置(14)。 - 【請求項4】 前記光学スイッチ(22)が、第1のブ
ロック(32)と、前記光検出器(18、20)を内部
に配置した第2のブロック(34)と、回転軸線の回り
を回転し得るようにして前記第1及び第2のブロック
(32、34)の間に取付けられたロータ(31)と、
前記回転軸線上に位置する第1の末端及び前記回転軸線
から外れて位置する第2の末端を有する光ファイバケー
ブル(76)とを含んでいる結果、前記ロータ(31)
の回転によって前記光ファイバケーブル(76)の前記
第2の末端が選択的に前記光検出器(18、20)のい
ずれか一方に隣接した位置に配置される、請求項3記載
の温度測定装置(14)。 - 【請求項5】 前記光検出器(18、20)のそれぞれ
が前記回転軸線から等距離の位置にある、請求項4記載
の温度測定装置(14)。 - 【請求項6】 前記ロータ(31)上に取付けられた円
板(70)が更に含まれていて、前記光ファイバケーブ
ル(76)の前記第2の末端が前記円板(70)に設け
られた穴(72)の中に配置される、請求項4記載の温
度測定装置(14)。 - 【請求項7】 前記ロータ(31)を回転させるための
電動機(62)を更に含む、請求項4記載の温度測定装
置(14)。 - 【請求項8】 覗きガラス(12)を有するガスタービ
ンエンジン(10)で羽根温度を測定するための装置
(14)であって、高温計(20)と、分光計(18)
と、共通の視線に沿って前記高温計(20)又は前記分
光計(18)のいずれか一方に放射を選択的に導くため
の光学スイッチ(22)とを含む、装置(14)。 - 【請求項9】 前記覗きガラス(12)と前記光学スイ
ッチ(22)との間に延びる光ファイバケーブル(2
4)を更に含む、請求項8記載の装置(14)。 - 【請求項10】 前記光学スイッチ(22)が、第1の
ブロック(32)と、前記高温計(20)及び前記分光
計(18)を内部に配置した第2のブロック(34)
と、回転軸線の回りを回転し得るようにして前記第1及
び第2のブロック(32、34)の間に取付けられたロ
ータ(31)と、前記回転軸線上に位置する第1の末端
及び前記回転軸線から外れて位置する第2の末端を有す
る光ファイバケーブル(76)とを含んでいる結果、前
記ロータ(31)の回転によって前記光ファイバケーブ
ル(76)の前記第2の末端が選択的に前記高温計(2
0)又は前記分光計(18)のいずれか一方に隣接した
位置に配置される、請求項8記載の装置(14)。 - 【請求項11】 前記高温計(20)及び前記分光計
(18)が前記回転軸線から等距離の位置にある、請求
項10記載の装置(14)。 - 【請求項12】 前記ロータ(31)上に取付けられた
円板(70)が更に含まれていて、前記光ファイバケー
ブル(76)の前記第2の末端が前記円板(70)に設
けられた穴(72)の中に配置される、請求項10記載
の装置(14)。 - 【請求項13】 前記ロータ(31)を回転させるため
の電動機(62)を更に含む、請求項10記載の装置
(14)。
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