JP2017053762A - 光ファイバプローブ、光ファイバ計測装置及びクリアランス制御システム - Google Patents

光ファイバプローブ、光ファイバ計測装置及びクリアランス制御システム Download PDF

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Abstract

【課題】外部環境を要因とする光ファイバの変化を抑制し、検出精度の低下を抑制することができる光ファイバプローブ、光ファイバ計測装置及びクリアランス制御システムを提供する。
【解決手段】プローブ本体２１と、プローブ本体２１の内部空間Ｓに格納され、先端部がプローブ本体２１の外面となる被検出面側Ｐ１に配置される光ファイバ２２と、位置規制部材２３とを備え、光ファイバ２２は、先端側の細径部２２ａと後端側の太径部２２ｂとを有し、プローブ本体２１は、内部空間Ｓにおいて被検出面Ｐ１の反対側に設けられる底面Ｐ２と、被検出面Ｐ１と底面Ｐ２との間を連通する貫通孔３１ｄとを有し、細径部２２ａは貫通孔３１ｄに挿通され、太径部２２ｂは先端部を底面Ｐ２に当接させ、内部空間Ｓに撓ませた状態で配置され、位置規制部材２３は、太径部２２ｂの後端部に当接して設けられ、太径部２２ｂを撓ませた状態で、光ファイバ２２の位置を規制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバを用いたプローブである光ファイバプローブ、光ファイバ計測装置及びクリアランス制御システムに関するものである。
従来、光ファイバプローブとして、６×１ファイバ構成による反射プローブが知られている（例えば、特許文献１参照）。この反射プローブは、中心ファイバと、６本の同軸ファイバとを有している。
特開２０１０−８４０９号公報
ところで、反射プローブ等の光ファイバプローブは、例えば、蒸気タービンまたはガスタービン等のタービンに設けられる場合がある。この場合、光ファイバプローブは、高温・高圧環境下に曝される。光ファイバプローブが過酷な外部環境下で使用されると、被検出面から光ファイバが陥没したり、また、光ファイバを固定するためのセラミック製の封止材の一部が欠損したりする可能性がある。このように、光ファイバプローブが過酷な外部環境下で使用されると、光ファイバの位置または形状が変化してしまい、光ファイバプローブを用いた検出精度が低下する可能性がある。
そこで、本発明は、外部環境を要因とする光ファイバの変化を抑制し、検出精度の低下を抑制することができる光ファイバプローブ、光ファイバ計測装置及びクリアランス制御システムを提供することを課題とする。
本発明の光ファイバプローブは、外面に設けられる被検出面と、内部に設けられる内部空間とを有するプローブ本体と、前記内部空間に格納され、先端部が前記プローブ本体の前記被検出面側に配置される光ファイバと、前記プローブ本体に取り付けられる位置規制部材と、を備え、前記光ファイバは、先端側において径が細い細径部と、前記細径部の後端側において径が太い太径部と、を有し、前記プローブ本体は、前記内部空間において前記被検出面の反対側に設けられる底面と、前記被検出面と前記底面との間を連通する貫通孔と、を有し、前記細径部は、前記貫通孔に挿通され、前記太径部は、先端部を前記底面に当接させ、前記内部空間に撓ませた状態で配置され、前記位置規制部材は、前記太径部の後端部に当接して設けられ、前記太径部を撓ませた状態で、前記光ファイバの位置を規制することを特徴とする。
この構成によれば、光ファイバの太径部を撓ませることで、太径部を内部空間の底面側に押し当てることができる。このため、外部環境が高温・高圧環境となる場合であっても、光ファイバの細径部が、プローブ本体の被検出面から陥没することを抑制することができる。また、光ファイバをプローブ本体に固定するための封止材を省略できるため、封止材の欠損を生じさせることがない。よって、外部環境を要因とする光ファイバの変化を抑制できることから、検出精度の低下を抑制することができる。
本発明の他の光ファイバプローブは、外面に設けられる被検出面と、内部に設けられる内部空間とを有するプローブ本体と、前記内部空間に格納され、先端部が前記プローブ本体の前記被検出面側に配置される光ファイバと、前記プローブ本体に取り付けられる位置規制部材と、前記光ファイバを前記被検出面側に押圧する弾性部材と、を備え、前記光ファイバは、先端側において径が細い細径部と、前記細径部の後端側において径が太い太径部と、を有し、前記プローブ本体は、前記内部空間において前記被検出面の反対側に設けられる底面と、前記被検出面と前記底面との間を連通する貫通孔と、を有し、前記細径部は、前記貫通孔に挿通され、前記太径部は、先端部を前記底面に当接させた状態で配置され、前記位置規制部材は、前記太径部の後端部に対して隙間を空けて設けられ、前記弾性部材は、前記太径部の後端部と前記位置規制部材との前記隙間に設けられることを特徴とする。
この構成によれば、光ファイバの太径部の後端部と位置規制部材との間に弾性部材を設けることで、弾性部材によって光ファイバを被検出面側に押圧することができるため、太径部を内部空間の底面側に押し当てることができる。このため、外部環境が高温・高圧環境となる場合であっても、光ファイバの細径部が、プローブ本体の被検出面から陥没することを抑制することができる。また、光ファイバをプローブ本体に固定するための封止材を省略できるため、封止材の欠損を生じさせることがない。よって、外部環境を要因とする光ファイバの変化を抑制できることから、検出精度の低下を抑制することができる。
また、前記光ファイバは、中心部となるコアと、前記コアの周囲に設けられるクラッドと、を有し、前記コアは、前記太径部及び前記細径部における直径が、同径となる一方で、前記クラッドは、前記細径部に比して前記太径部における外径が、太くなっていることが好ましい。
この構成によれば、コアの径を変えることなく、クラッドの外径を太径部において太くすればよいため、コアとクラッドとの界面を均一な状態に維持することができる。
また、前記貫通孔の前記被検出面側に挿通される光学窓を、さらに備えることが好ましい。
この構成によれば、光学窓により、プローブ本体の外部とプローブ本体の内部空間とを区画することができる。このため、光ファイバがプローブ本体の外部に露出することがなく、光ファイバを内部空間に格納することができるため、光ファイバが外部環境に曝されることを抑制することができる。
また、前記光学窓は、軸方向に長い円柱形状となっており、前記軸方向が前記貫通孔の挿通方向となっており、前記光学窓の外周面は、めっき加工されていることが好ましい。
この構成によれば、光学窓を通過する光を反射させることができるため、光学窓を通過する光の強さが低下することを抑制することができる。
本発明の他の光ファイバプローブは、外面に設けられる被検出面と、内部に設けられる内部空間とを有するプローブ本体と、前記内部空間に格納され、先端部が前記プローブ本体の前記被検出面側に配置される光ファイバと、前記プローブ本体に取り付けられる光学窓と、を備え、前記プローブ本体は、前記内部空間において前記被検出面の反対側に設けられる底面と、前記被検出面と前記底面との間を連通する貫通孔と、を有し、前記光ファイバの先端部は、前記貫通孔に挿通され、前記光学窓は、前記光ファイバの先端部に対して前記貫通孔の前記被検出面側に挿通されることを特徴とする。
この構成によれば、光学窓により、プローブ本体の外部とプローブ本体の内部空間とを区画することができる。このため、光ファイバがプローブ本体の外部に露出することがなく、光ファイバを内部空間に格納することができるため、光ファイバが外部環境に曝されることを抑制することができる。このため、外部環境が高温・高圧環境となる場合であっても、光ファイバの先端部が、プローブ本体の被検出面から陥没することを抑制することができる。また、光ファイバをプローブ本体に固定するための封止材を省略できるため、封止材の欠損を生じさせることがない。よって、外部環境を要因とする光ファイバの変化を抑制できることから、検出精度の低下を抑制することができる。
本発明の光ファイバ計測装置は、上記の光ファイバプローブと、前記光ファイバプローブへ向けて光を出射する発光部と、前記光ファイバプローブから入射される光を受光する受光部と、前記発光部への発光信号と、前記受光部からの受光信号とを信号処理する計測制御部と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、過酷な外部環境下において、光ファイバプローブを用いる場合であっても、光ファイバプローブの検出精度の低下を抑制できるため、光ファイバプローブを用いた計測を精度よく行うことができる。
また、前記光ファイバは、前記被検出面から光を出射させるための複数の送光用ファイバと、複数の前記送光用ファイバにそれぞれ対応付けられると共に、前記被検出面に入射する光を受光するための複数の受光用ファイバと、を有し、前記発光部は、複数の前記送光用ファイバから出射される光の色彩を異ならせ、前記受光部は、複数の異なる色彩の光を選別する複数のフィルタを有することが好ましい。
この構成によれば、複数の送光用ファイバと複数の受光用ファイバとがそれぞれ対応付けられている場合、１つの送光用ファイバから出射した光が、対応付けられていない他の受光用ファイバに入射した場合であっても、受光部の複数のフィルタによって光を選別することができる。このため、複数の送光用ファイバと複数の受光用ファイバとの光の混在（つまり、クロストーク）を抑制できることから、受光部における光の誤検出を抑制することができる。
本発明のクリアランス制御システムは、ケーシングと、前記ケーシングに対して所定のクリアランスを空けて対向して設けられる動翼と、を備えるタービンの前記クリアランスを調整するクリアランス制御システムであって、前記発光信号と前記受光信号とに基づいて、前記クリアランスを計測する、上記の光ファイバ計測装置と、前記光ファイバ計測装置により計測された前記クリアランスに基づいて、前記クリアランスを調整するためのクリアランス調整制御を実行するタービン制御部と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、過酷な外部環境下において、光ファイバプローブを用いる場合であっても、光ファイバプローブの検出精度の低下を抑制できるため、光ファイバプローブを用いたクリアランスの計測を精度よく行うことができる。よって、タービン制御部によるクリアランス調整制御を精度よく実行することができる。
図１は、実施形態１に係るクリアランス制御システムに関する概略構成図である。 図２は、実施形態１に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。 図３は、クリアランスの算出方法に関する説明図である。 図４は、光ファイバプローブを用いて検出した受光信号の信号強度に関するグラフである。 図５は、実施形態１の変形例１に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。 図６は、実施形態２に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。 図７は、実施形態２の変形例２に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。 図８は、実施形態３に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。 図９は、実施形態４に係る光ファイバ計測装置を模式的に表した概略構成図である。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
［実施形態１］
図１は、実施形態１に係るクリアランス制御システムに関する概略構成図である。図２は、実施形態１に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。図３は、クリアランスの算出方法に関する説明図である。図４は、光ファイバプローブを用いて検出した受光信号の信号強度に関するグラフである。
図１に示すように、実施形態１に係るクリアランス制御システム１は、タービン３のケーシング５と動翼６との間に形成されるクリアランスｄを計測し、計測結果に基づいて、クリアランスｄを調整するシステムである。先ず、クリアランス制御システム１の説明に先立ち、タービン３について説明する。
タービン３は、蒸気タービンまたはガスタービンを含むターボ機械である。タービン３は、回転軸となる図示しないロータに設けられる複数の動翼６と、複数の動翼６の周囲に設けられるケーシング５とを有している。複数の動翼６は、ロータに取り付けられると共に、ロータの周方向に所定の間隔を空けて並べて設けられている。ケーシング５は、周方向に並べて設けられる動翼６に対向して設けられ、円環形状に形成されている。ケーシング５は、所定のクリアランスｄを空けて複数の動翼６に対向して設けられる。ケーシング５は、例えば、内車室と、内車室の外側に設けられる外車室とを含む構成である。
次に、図１を参照して、クリアランス制御システム１について説明する。クリアランス制御システム１は、タービン制御部８と、光ファイバ計測装置１０とを備えており、光ファイバ計測装置１０は、クリアランスｄを計測している。
タービン制御部８は、光ファイバ計測装置１０により計測されたクリアランスｄに基づいて、クリアランスｄを調整するためのクリアランス調整制御を実行している。ここで、クリアランスｄとしては、ロータの径方向におけるクリアランス（いわゆる、チップクリアランス）Ｃと、ロータの軸方向におけるクリアランスｄとがあり、図１では、ロータの径方向におけるクリアランスｄを示している。
タービン制御部８は、ロータの径方向におけるクリアランス調整制御として、例えば、内車室及び外車室を含むケーシング５を上下移動させるアクチュエータを制御することにより、クリアランスｄを調整している。また、タービン制御部８は、例えば、ロータを上下移動させるアクチュエータを制御することにより、クリアランスｄを調整している。また、タービン制御部８は、例えば、ケーシング５の温度を制御して、ケーシング５の熱伸びを調整することで、クリアランスｄを調整している。
また、タービン制御部８は、ロータの軸方向におけるクリアランス調整制御として、例えば、内車室及び外車室を含むケーシング５を軸方向に移動させるアクチュエータを制御することにより、クリアランスｄを調整している。さらに、タービン制御部８は、例えば、ロータを軸方向に移動させるアクチュエータを制御することにより、クリアランスｄを調整している。
光ファイバ計測装置１０は、ケーシング５と動翼６との間のクリアランスｄを計測しており、光ファイバプローブ１１と、発光部１２と、受光部１３と、計測制御部１４と、を備えている。
図１に示すように、光ファイバプローブ１１は、ケーシング５に取り付けられ、その被検出面Ｐ１が、ロータの径方向において動翼６と対向するように配置される。このため、光ファイバプローブ１１は、ケーシング５と動翼６との間の高温・高圧の外部環境下に曝される。図２に示すように、光ファイバプローブ１１は、プローブ本体２１と、複数の光ファイバ２２と、位置規制部材２３とを備えている。
プローブ本体２１は、被検出面Ｐ１側となる先端側ケース３１と、先端側ケース３１の後端側に設けられる後端側ケース３２と、先端側ケース３１と後端側ケース３２とを締結するナット３３とを含んで構成され、その内部に中空の内部空間Ｓが形成されている。
先端側ケース３１は、底板部３１ａと、円筒部３１ｂと、フランジ部３１ｃとを有しており、有底の円筒形状に形成されている。底板部３１ａは、外側の面が被検出面Ｐ１となっており、内側の面が底面Ｐ２となっている。この底板部３１ａには、被検出面Ｐ１と底面Ｐ２とが対向する厚み方向において、貫通孔３１ｄが複数形成されており、貫通孔３１ｄは、プローブ本体２１の外部とプローブ本体２１の内部空間Ｓとを連通している。複数の貫通孔３１ｄは、径方向の一方側に寄せて一群の貫通孔３１ｄが複数形成され、径方向の他方側に寄せて他群の貫通孔３１ｄが複数形成されている。一群の貫通孔３１ｄの貫通方向と、他群の貫通孔３１ｄの貫通方向とは、所定の角度αをなすように形成されている。円筒部３１ｂは、その先端側に底板部３１ａが設けられ、その後端側にフランジ部３１ｃが設けられている。フランジ部３１ｃは、円筒部３１ｂの径方向外側に突出して形成されている。このフランジ部３１ｃは、締結されるナット３３のストッパとして機能している。また、先端側ケース３１には、フランジ部３１ｃの内周面側に収容溝３１ｅが全周に亘って形成され、この収容溝３１ｅに、位置規制部材２３が収容される。
後端側ケース３２は、底板部３２ａと、円筒部３２ｂとを有しており、有底の円筒形状に形成されている。底板部３２ａには、複数の光ファイバ２２を挿通する挿通孔３２ｃが形成されている。円筒部３２ｂは、その後端側に底板部３２ａが設けられ、その先端側に先端側ケース３１のフランジ部３１ｃが当接する。円筒部３２ｂの先端側の外周面には、ナット３３が締結する雄ねじが形成されている。
また、先端側ケース３１と後端側ケース３２との間には、ピン３５が設けられ、ピン３５は、周方向における先端側ケース３１と後端側ケース３２との位置を規制している。このピン３５は、後述するナット３３を締結する際に、先端側ケース３１及び後端側ケース３２が連れ回りすることを規制している。
ナット３３は、円環状に形成され、軸方向の一方側の内周面に雌ねじと、軸方向の他方側の内周面から突出する突出部３３ａとが形成されている。ナット３３は、先端側ケース３１から挿入され、ナット３３の雌ねじと、後端側ケース３２の雄ねじとが締結される。また、ナット３３は、その突出部３３ａが、先端側ケース３１のフランジ部３１ｃに当接することで、位置規制される。
複数の光ファイバ２２は、プローブ本体２１の内部空間Ｓに格納されており、複数の送光用ファイバ４１と、複数の受光用ファイバ４２とを有している。具体的に、送光用ファイバ４１は、２本設けられており、一方の送光用ファイバ４１は、中空の内部空間Ｓにおいて、一方側（図２の上側）に寄せて配置され、他方の送光用ファイバ４１は、他方側（図２の下側）に寄せて配置されている。複数の受光用ファイバ４２は、一方の送光用ファイバ４１を中心として同心円状に複数配置され、同様に、他方の送光用ファイバ４１を中心として同心円状に複数配置されている。このように、複数の光ファイバ２２は、一群となる複数の光ファイバ２２と、他群となる複数の光ファイバ２２とに分けて配置される。
また、各光ファイバ２２は、直径が細い細径部２２ａと、直径が太い太径部２２ｂとを含んで構成されている。細径部２２ａは、被検出面Ｐ１側となる光ファイバ２２の先端部に設けられる。太径部２２ｂは、細径部２２ｂの後端側に設けられており、太径部２２ｂの後端側に、細径部２２ａが設けられている。つまり、２つの細径部２２ａの間に、太径部２２ｂが設けられている。この光ファイバ２２は、中心部となるコア４５と、コア４５の周囲に設けられるクラッド４６とを有しており、コア４５は、光ファイバ２２の全長に亘って、同じ直径となっている。つまり、光ファイバ２２の細径部２２ａ及び太径部２２ｂにおけるコア４５の直径は、同径となっている。一方で、クラッド４６は、細径部２２ａに比して太径部２２ｂにおける外径が、太くなっている。
位置規制部材２３は、円板形状に形成されており、先端側ケース３１の収容溝３１ｅに収容されることで、プローブ本体２１の内部空間Ｓを２つに区分けしている。この位置規制部材２３には、複数の光ファイバ２２の細径部２２ａが挿通される複数の挿通孔２３ａが貫通形成されている。なお、複数の挿通孔２３ａは、一群となる複数の光ファイバ２２に応じて複数貫通形成されると共に、他群となる複数の光ファイバ２２に応じて複数貫通形成される。
上記の光ファイバ２２は、先端側の細径部２２ａが、プローブ本体２１の貫通孔３１ｄに挿通され、後端側の細径部２２ａが、位置規制部材２３の挿通孔２３ａに挿通される。また、光ファイバ２２は、太径部２２ｂが、底面Ｐ２と位置規制部材２３との間の内部空間Ｓに、撓ませた状態で配置される。つまり、太径部２２ｂは、プローブ本体２１の底面Ｐ２と位置規制部材２３との間の長さよりも長く形成されている。そして、太径部２２ｂは、その先端側が、プローブ本体２１の底面Ｐ２に当接し、その後端側が、位置規制部材２３に当接することで、撓ませた状態で配置される。
発光部１２は、光ファイバプローブ１１の２本の送光用ファイバ４１にそれぞれ接続され、計測制御部１４の発光信号に基づいて、光を出射する。送光用ファイバ４１から出射した光は、動翼６に照射されると共に、動翼６から反射した反射光が、プローブ本体２１の被検出面Ｐ１に入射する。
受光部１３は、光ファイバプローブ１１の受光用ファイバ４２にそれぞれ接続され、プローブ本体２１の被検出面Ｐ１から入射した反射光を受光し、計測制御部１４へ向けて受光信号を出力する。
計測制御部１４は、発光部１２及び受光部１３にそれぞれ接続され、発光部１２に向けて発光信号を出力すると共に、受光部１３から出力された受光信号が入力される。また、計測制御部１４は、タービン制御部８に接続され、発光信号と受光信号とを信号処理して、クリアランスｄを計測し、計測したクリアランスｄを、タービン制御部８へ向けて出力する。
ここで、図３及び図４を参照して、計測制御部１４によるクリアランスｄの算出方法について説明する。計測制御部１４は、下記の（１）式に示す算出式に基づいて、クリアランスｄを算出している。
Figure 2017053762
ここで、角度αは、２本の送光用ファイバ４１から出射される２本の光の導光方向が為す角度、つまり、一群の貫通孔３１ｄの貫通方向と、他群の貫通孔３１ｄの貫通方向とがなす角度αである。この角度αは、既知の角度となっている。距離ｌは、Ａ−Ｂ間の長さ、つまり、２本の送光用ファイバ４１の間の距離であり、既知の距離となっている。また、周長２πＲは、複数の動翼６の外周における周長であり、既知の周長となっている。時間Ｔは、１周（一回転）にかかる時間であり、ロータの回転速度に基づいて得られる時間となっている。つまり、「２πＲ／Ｔ」が、複数の動翼６の外周における周速となっている。時間Δｔは、２本の送光用ファイバ４１の間を動翼６が通過する時間となっており、受光信号に基づいて得られる。
ここで、計測制御部１４は、受光信号として、図４に示す受光信号を取得する。図４は、その横軸が時間となっており、その縦軸が信号強度となっている。図４に示すとおり、受光信号は、２つの信号ピークが検出されている。２つの信号ピークは、２本の送光用ファイバ４１から出射される２本の光によって得られる。そして、計測制御部１４は、一方の信号ピークから他方の信号ピークまでの時間を、時間Δｔとして取得する。計測制御部１４は、受光信号に基づいて時間Δｔを取得すると、上記の（１）式に示す算出式に基づいて、クリアランスｄを算出する。
以上のように、実施形態１によれば、光ファイバ２２の太径部２２ｂを撓ませて内部空間Ｓに配置することで、太径部２２ｂを内部空間Ｓの底面Ｐ２側に押し当てることができる。このため、外部環境が高温・高圧環境となる場合であっても、光ファイバ２２の細径部２２ａが、プローブ本体２１の被検出面Ｐ１から陥没することを抑制することができる。また、光ファイバ２２をプローブ本体２１に固定するための封止材を省略できるため、封止材の欠損を生じさせることがない。よって、外部環境を要因とする光ファイバ２２の変化を抑制できることから、検出精度の低下を抑制することができる。
また、実施形態１によれば、光ファイバ２２のコア４５の直径を、細径部２２ａ及び太径部２２ｂにおいて同じ直径とすることができるため、コア４５とクラッド４６との界面を均一な状態に維持することができる。また、クラッド４６の外径を太くすれば、太径部２２ｂを簡単に形成することができる。
また、実施形態１によれば、過酷な外部環境下に光ファイバプローブ１１を配置する場合であっても、光ファイバプローブ１１の検出精度の低下を抑制できるため、光ファイバ計測装置１０を用いたクリアランスｄの計測を精度よく行うことができる。
また、実施形態１によれば、光ファイバ計測装置１０を用いて、クリアランスｄの計測を精度よく行うことができるため、クリアランス制御システム１は、ケーシング５と動翼６との間のクリアランスｄを精度よく調整することができ、タービン効率の向上を図ることができる。
なお、実施形態１の光ファイバプローブ１１は、クリアランス制御システム１に用いられる光ファイバ計測装置１０に適用したが、この構成に限定されない。つまり、実施形態１では、クリアランスｄを計測するために、２本の送光用ファイバ４１を用いた。これに対し、例えば、光ファイバプローブは、図５に示す変形例１であってもよい。図５は、実施形態１の変形例１に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。図５に示すように、光ファイバ２２は、１本のみの構成であってもよい。
また、実施形態１の光ファイバ計測装置１０は、ケーシング５と動翼６との間のクリアランスｄを計測するために用いられたが、この構成に限定されない。例えば、光ファイバ計測装置１０は、タービン３に設けられる静翼とロータとの間のクリアランスを計測するために用いられてもよい。この場合、タービン制御部８は、例えば、アクティブクリアランスコントロール（ＡＣＣ）を制御することにより、クリアランスｄを調整することが好ましい。アクティブクリアランスコントロールとは、静翼とロータとの間に設けられるシール部を、ロータの径方向に移動させることで、クリアランスを調整するものである。
また、実施形態１の光ファイバ２２の太径部２２ｂは、クラッド４６の外径を太くすることで形成したが、全長に亘って細径部２２ａとなる光ファイバ２２の周囲に、別体の被覆部材を配置することで、太径部２２ｂを形成してもよい。
［実施形態２］
次に、図６を参照して、実施形態２に係る光ファイバプローブについて説明する。図６は、実施形態２に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。
図６に示すように、実施形態２の光ファイバプローブ５０は、プローブ本体５１と、複数の光ファイバ５２と、位置規制部材５３と、弾性部材５４とを備えている。
プローブ本体５１は、被検出面Ｐ１側となる先端側ケース６１と、先端側ケース６１の後端側に設けられる後端側ケース６２と、先端側ケース６１と後端側ケース６２とを締結するナット６３とを含んで構成され、その内部に中空の内部空間Ｓが形成されている。
先端側ケース６１は、実施形態１の先端側ケース３１とほぼ同様であり、底板部６１ａと、円筒部６１ｂと、フランジ部６１ｃと、貫通孔６１ｄと、収容溝６１ｅとを有しており、有底の円筒形状に形成されている。先端側ケース６１は、収容溝６１ｅが、実施形態１に比して、底面Ｐ２側まで形成されている。
後端側ケース６２は、実施形態１の後端側ケース３２とほぼ同様であり、底板部６２ａと、円筒部６２ｂとを有しており、有底の円筒形状に形成されている。また、後端側ケース６２には、円筒部６２ｂの先端側に、細径円筒部６２ｃが設けられており、この細径円筒部６２ｃは、先端側ケース６１の収容溝６１ｅに収容されると共に、位置規制部材５３の位置を規制している。なお、ナット６３は、実施形態１のナット３３と同様であるため、説明を省略する。
複数の光ファイバ５２は、プローブ本体５１の内部空間Ｓに格納されており、実施形態１と同様に、複数の送光用ファイバ７１と、複数の受光用ファイバ７２とを有している。
また、各光ファイバ５２は、実施形態１と同様に、直径が細い細径部５２ａと、直径が太い太径部５２ｂとを含んで構成されている。ここで、太径部５２ｂは、実施形態１に比して短く形成されている。
位置規制部材５３は、実施形態１と同様であり、円板形状に形成されており、先端側ケース６１の収容溝６１ｅの底面Ｐ２側に収容される。
上記の光ファイバ５２は、先端側の細径部５２ａが、プローブ本体５１の貫通孔６１ｄに挿通され、後端側の細径部５２ａが、位置規制部材５３の挿通孔５３ａに挿通される。また、光ファイバ５２は、太径部５２ｂが、プローブ本体５１の底面Ｐ２と位置規制部材５３との間の長さよりも短く形成されている。そして、太径部５２ｂは、その先端側が、プローブ本体５１の底面Ｐ２に当接し、その後端側が、位置規制部材５３と所定の隙間を空けて配置される。
弾性部材５４は、光ファイバ５２の太径部５２ｂの後端部と位置規制部材５３との隙間に設けられ、複数の光ファイバ５２の数に応じて複数設けられている。弾性部材５４は、例えば、皿ばねが用いられており、光ファイバ５２の太径部５２ｂと位置規制部材５３とを押圧することで、光ファイバ５２を被検出面Ｐ１側に押圧している。
以上のように、実施形態２によれば、光ファイバ５２の太径部５２ｂの後端部と位置規制部材５３との間に弾性部材５４を設けることで、弾性部材５４によって光ファイバ５２を被検出面Ｐ１側に押圧することができるため、太径部５２ｂを内部空間Ｓの底面Ｐ２側に押し当てることができる。このため、外部環境が高温・高圧環境となる場合であっても、光ファイバ５２の細径部５２ａが、プローブ本体５１の被検出面Ｐ１から陥没することを抑制することができる。また、光ファイバ５２をプローブ本体５１に固定するための封止材を省略できるため、封止材の欠損を生じさせることがない。よって、外部環境を要因とする光ファイバ５２の変化を抑制できることから、検出精度の低下を抑制することができる。
なお、実施形態２の光ファイバプローブ５０は、光ファイバ５２の太径部５２ｂと位置規制部材５３との間に弾性部材５４を設けたが、図７に示す変形例２であってもよい。図７は、実施形態２の変形例２に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。図７に示すように、光ファイバ５２の太径部５２ｂと弾性部材５４との間には、円板形状の中間板６８が設けられており、弾性部材５４は、中間板６８と位置規制部材５３との間に一つ設けられている。また、中間板６８には、複数の挿通孔６９が貫通形成され、複数の挿通孔６９に、複数の光ファイバ５２の後端側の細径部５２ａが挿通される。
この構成によれば、弾性部材５４は、中間板６８を押圧できることから、中間板６８を介して複数の光ファイバ５２の太径部５２ｂの全てを押圧することができる。このため、複数の光ファイバ５２の数に応じて、弾性部材５４を複数用意する必要がなく、弾性部材５４の大きさも大きなものとすることができる。
［実施形態３］
次に、図８を参照して、実施形態３に係る光ファイバプローブについて説明する。図８は、実施形態３に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。なお、実施形態３でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び２と異なる部分について説明し、実施形態１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。
図８に示すように、実施形態３の光ファイバプローブ７０は、実施形態１及び２の光ファイバプローブ１１，５０に、プローブ本体２１，５１の貫通孔３１ｄ，６１ｄに挿通される光学窓７５を、さらに備えたものとなっている。なお、以下では、実施形態１に適用して説明する。
光学窓７５は、例えば、サファイアガラスまたは石英ガラスを用いて円柱形状（ロッド形状）に形成されており、貫通孔３１ｄに挿通され、ロウ付けまたは圧入することで、貫通孔３１ｄに固定される。また、光学窓７５は、その外周面にめっき加工が施されており、光学窓７５内における光の反射率を高めている。そして、光学窓７５の後端側には、光ファイバ２２の先端部が当接する。
光ファイバ２２の送光用ファイバ４１の先端部には、散乱加工が施されており、送光用ファイバ４１から出射した光は、散乱して光学窓７５に入射する。また、光学窓７５が挿通される貫通孔３１ｄは、出射する光が所定の出射角度、所定の拡散角度となるように所定の形状に形成される。また、光学窓７５が固定されるプローブ本体２１の底板部３１ａを含む先端部は、光学窓７５の熱膨張係数に近づけるべく、例えば、コバールを用いて形成している。
以上のように、実施形態３によれば、光学窓７５により、プローブ本体２１の外部とプローブ本体２１の内部空間Ｓとを区画することができる。このため、光ファイバ２２がプローブ本体２１の外部に露出することがなく、光ファイバ２２を内部空間Ｓに格納することができるため、光ファイバ２２が外部環境に曝されることを抑制することができる。
なお、実施形態３では、実施形態１および２に適用して説明したが、この構成に限定されない。光ファイバ２２は、太径部２２ｂを省略した構成であってもよく、全長に亘って細径部２２ａであってもよい。
［実施形態４］
次に、図９を参照して、実施形態４に係る光ファイバ計測装置８０について説明する。図９は、実施形態４に係る光ファイバ計測装置を模式的に表した概略構成図である。なお、実施形態４でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１から３と異なる部分について説明し、実施形態１から３と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。
図８に示すように、実施形態４の光ファイバ計測装置８０は、２本の送光用ファイバ４１から出射される光の色彩が異なる色彩となっている。つまり、発光部１２は、第１色彩で発光する第１発光素子８１と、第２色彩で発光する第２発光素子８２とを有している。そして、第１発光素子８１には、一方の送光用ファイバ４１が接続され、第２発光素子８２には、他方の送光用ファイバ４１が接続されている。
また、受光部１３は、第１色彩の光のみを透過する第１バンドパスフィルタ９１と、第１バンドパスフィルタ９１を透過した光を受光する第１受光素子９５と、第２色彩の光のみを透過する第２バンドパスフィルタ９２と、第２バンドパスフィルタ９２を透過した光を受光する第２受光素子９６とを有している。そして、第１受光素子９５は、一方の送光用ファイバ４１の周囲に設けられる一群の複数の受光用ファイバ４２が接続され、第２受光素子９６は、他方の送光用ファイバ４１の周囲に設けられる他群の複数の受光用ファイバ４２が接続されている。
この光ファイバ計測装置８０は、発光部１２から２本の送光用ファイバ４１へ向かって第１色彩及び第２色彩の光が出射される。すると、一方の送光用ファイバ４１から出射した第１色彩の光は、動翼６に照射されると共に、動翼６から反射した反射光が、プローブ本体２１の被検出面Ｐ１に入射する。また、他方の送光用ファイバ４１から出射した第２色彩の光は、動翼６に照射されると共に、動翼６から反射した反射光が、プローブ本体２１の被検出面Ｐ１に入射する。
受光部１３は、プローブ本体２１の被検出面Ｐ１から一群の受光用ファイバ４２を介して入射した反射光を、第１バンドパスフィルタ９１を介して、第１色彩となる反射光のみを第１受光素子９５において受光する。また、受光部１３は、プローブ本体２１の被検出面Ｐ１から他群の受光用ファイバ４２を介して入射した反射光を、第２バンドパスフィルタ９２を介して、第２色彩となる反射光のみを第２受光素子９６において受光する。
以上のように、実施形態４によれば、一方の送光用ファイバ４１から出射した第１色彩の光が、他群の受光用ファイバ４２に入射した場合であっても、受光部１３の第２バンドパスフィルタ９２によって、第２色彩の光のみを透過することができる。同様に、他方の送光用ファイバ４１から出射した第２色彩の光が、一群の受光用ファイバ４２に入射した場合であっても、受光部１３の第１バンドパスフィルタ９１によって、第１色彩の光のみを透過することができる。このように、受光部１３は、受光する光を選別することができる。このため、複数の送光用ファイバ４１と複数の受光用ファイバ４２との光の混在（つまり、クロストーク）を抑制できることから、受光部１３における光の誤検出を抑制することができる。
１ クリアランス制御システム
３ タービン
５ ケーシング
６ 動翼
８ タービン制御部
１０ 光ファイバ計測装置
１１ 光ファイバプローブ
１２ 発光部
１３ 受光部
１４ 計測制御部
２１ プローブ本体
２２ 光ファイバ
２２ａ 細径部
２２ｂ 太径部
２３ 位置規制部材
２３ａ 挿通孔
３１ 先端側ケース
３１ａ 底板部
３１ｂ 円筒部
３１ｃ フランジ部
３１ｄ 貫通孔
３１ｅ 収容溝
３２ 後端側ケース
３２ａ 底板部
３２ｂ 円筒部
３２ｃ 挿通孔
３３ ナット
３３ａ 突出部
３５ ピン
４１ 送光用ファイバ
４２ 受光用ファイバ
４５ コア
４６ クラッド
５０ 光ファイバプローブ（実施形態２）
５１ プローブ本体
５２ 光ファイバ
５３ 位置規制部材
５４ 弾性部材
６１ 先端側ケース
６１ａ 底板部
６１ｂ 円筒部
６１ｃ フランジ部
６１ｄ 貫通孔
６１ｅ 収容溝
６２ 後端側ケース
６２ａ 底板部
６２ｂ 円筒部
６２ｃ 細径円筒部
６３ ナット
６８ 中間板
７０ 光ファイバプローブ（実施形態３）
７５ 光学窓
８０ 光ファイバ計測装置（実施形態４）
８１ 第１発光素子
８２ 第２発光素子
９１ 第１バンドパスフィルタ
９２ 第２バンドパスフィルタ
９５ 第１受光素子
９６ 第２受光素子
ｄ クリアランス
α 角度
Ｐ１ 被検出面
Ｐ２ 底面
Ｓ 内部空間

Claims (9)

  1. 外面に設けられる被検出面と、内部に設けられる内部空間とを有するプローブ本体と、
    前記内部空間に格納され、先端部が前記プローブ本体の前記被検出面側に配置される光ファイバと、
    前記プローブ本体に取り付けられる位置規制部材と、を備え、
    前記光ファイバは、先端側において径が細い細径部と、前記細径部の後端側において径が太い太径部と、を有し、
    前記プローブ本体は、前記内部空間において前記被検出面の反対側に設けられる底面と、前記被検出面と前記底面との間を連通する貫通孔と、を有し、
    前記細径部は、前記貫通孔に挿通され、
    前記太径部は、先端部を前記底面に当接させ、前記内部空間に撓ませた状態で配置され、
    前記位置規制部材は、前記太径部の後端部に当接して設けられ、前記太径部を撓ませた状態で、前記光ファイバの位置を規制することを特徴とする光ファイバプローブ。
  2. 外面に設けられる被検出面と、内部に設けられる内部空間とを有するプローブ本体と、
    前記内部空間に格納され、先端部が前記プローブ本体の前記被検出面側に配置される光ファイバと、
    前記プローブ本体に取り付けられる位置規制部材と、
    前記光ファイバを前記被検出面側に押圧する弾性部材と、を備え、
    前記光ファイバは、先端側において径が細い細径部と、前記細径部の後端側において径が太い太径部と、を有し、
    前記プローブ本体は、前記内部空間において前記被検出面の反対側に設けられる底面と、前記被検出面と前記底面との間を連通する貫通孔と、を有し、
    前記細径部は、前記貫通孔に挿通され、
    前記太径部は、先端部を前記底面に当接させた状態で配置され、
    前記位置規制部材は、前記太径部の後端部に対して隙間を空けて設けられ、
    前記弾性部材は、前記太径部の後端部と前記位置規制部材との前記隙間に設けられることを特徴とする光ファイバプローブ。
  3. 前記光ファイバは、中心部となるコアと、前記コアの周囲に設けられるクラッドと、を有し、
    前記コアは、前記太径部及び前記細径部における直径が、同径となる一方で、
    前記クラッドは、前記細径部に比して前記太径部における外径が、太くなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバプローブ。
  4. 前記貫通孔の前記被検出面側に挿通される光学窓を、さらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光ファイバプローブ。
  5. 前記光学窓は、軸方向に長い円柱形状となっており、前記軸方向が前記貫通孔の挿通方向となっており、
    前記光学窓の外周面は、めっき加工されていることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバプローブ。
  6. 外面に設けられる被検出面と、内部に設けられる内部空間とを有するプローブ本体と、
    前記内部空間に格納され、先端部が前記プローブ本体の前記被検出面側に配置される光ファイバと、
    前記プローブ本体に取り付けられる光学窓と、を備え、
    前記プローブ本体は、前記内部空間において前記被検出面の反対側に設けられる底面と、前記被検出面と前記底面との間を連通する貫通孔と、を有し、
    前記光ファイバの先端部は、前記貫通孔に挿通され、
    前記光学窓は、前記光ファイバの先端部に対して前記貫通孔の前記被検出面側に挿通されることを特徴とする光ファイバプローブ。
  7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の光ファイバプローブと、
    前記光ファイバプローブへ向けて光を出射する発光部と、
    前記光ファイバプローブから入射される光を受光する受光部と、
    前記発光部への発光信号と、前記受光部からの受光信号とを信号処理する計測制御部と、を備えることを特徴とする光ファイバ計測装置。
  8. 前記光ファイバは、前記被検出面から光を出射させるための複数の送光用ファイバと、複数の前記送光用ファイバにそれぞれ対応付けられると共に、前記被検出面に入射する光を受光するための複数の受光用ファイバと、を有し、
    前記発光部は、複数の前記送光用ファイバから出射される光の色彩を異ならせ、
    前記受光部は、複数の異なる色彩の光を選別する複数のフィルタを有することを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ計測装置。
  9. ケーシングと、前記ケーシングに対して所定のクリアランスを空けて対向して設けられる動翼と、を備えるタービンの前記クリアランスを調整するクリアランス制御システムであって、
    前記発光信号と前記受光信号とに基づいて、前記クリアランスを計測する、請求項７または８に記載の光ファイバ計測装置と、
    前記光ファイバ計測装置により計測された前記クリアランスに基づいて、前記クリアランスを調整するためのクリアランス調整制御を実行するタービン制御部と、を備えることを特徴とするクリアランス制御システム。
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