JP3997502B2 - 光学プローブ組立体 - Google Patents

Description

【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（１８）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１３ａ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)

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. 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. 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. 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。

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