JP5494908B2 - 放射温度計のパージエア流路構造 - Google Patents

Description

本発明は、放射温度計の受光窓表面にパージエアを供給し、その表面を洗浄するためのパージエア流路構造に関する。

ガスタービンエンジンのタービン翼のように、高温で作動する対象物の表面温度を測定するため、従来から放射温度計が用いられている。放射温度計は、対象物の放射光を検出して温度を計測する非接触式の温度計である。

しかし、放射温度計の受光窓（レンズ又は平面ガラス）は、表面に塵埃（コンタミ）などの汚れが付着すると、温度計測に支障を来たす。また、放射温度計の受光部表面は高温環境（例えば燃焼ガス）に曝されるため、受光部が損傷し温度計測不能となる可能性もある。このため、受光部表面にパージエアを吹き付け、受光部表面に塵埃等が付着するのを防止するとともに高温の燃焼ガスから保護するために、特許文献１のパージエア流路構造が既に提案されている。

特許文献１のパージエア流路構造は、図７に示すように、パージエア５９を流通させる空気流路６３を有し、空気流路６３内にパージエア５９中の塵埃６０を慣性分離する分離部５８と、パージエア５９中の塵埃６０を捕集するフィルタ部６１とが設けられ、フィルタ部６１は分離部５８より空気流路６３の上流側に設けられている。また、フィルタ部６１は、パージエア５９を通過させる通過孔をその幅方向にわたり複数有する遮蔽部６１ａ、６１ｂを少なくとも２つ以上備え、各遮蔽部は空気流路６３の上流側から下流側に向けて互いに所定間隔を隔てて順次配置されており、各遮蔽部の上流側に面する壁部は、その上流側に隣接する遮蔽部の通過孔を通過したパージエア５９が衝突する位置に設けられているものである。
なお、この図で６２は、レンズである。

特開２００５−９８９４６号公報、「パージエア流路構造」

上述した特許文献１のパージエア流路構造は、空気流路６３内にパージエア中の塵埃を分離する分離部５８に加え、パージエア中の塵埃を捕集するフィルタ部６１を空気流路の上流側に設けたので、パージエアがフィルタ部６１を通過するときに塵埃を捕集することができる。また、フィルタ部で捕集できなかった塵埃は下流側に位置する分離部５８において慣性分離されるので、レンズ表面に吹き付けるパージエア中の塵埃をほぼなくすことができる。

しかし、特許文献１のパージエア流路構造を有する放射温度計（パイロメータ）を実際に製作し、ジェットエンジンに搭載して試験した結果、集光レンズにコンタミが付着することによって計測される放射光強度が短時間（例えば数十時間）に低下し、計測温度が実際の温度よりも低下し、大きな温度計測誤差が生じる問題点が明らかとなった。
すなわち、特許文献１のパージエア流路構造では、レンズ表面に吹き付けるパージエア中の塵埃（コンタミ）を大幅に低減はできるが、コンタミの付着とその堆積は防止できなかった。

本発明は、上述した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、受光窓に吹き付けるパージエア中の塵埃（コンタミ）の受光窓への付着と堆積を長時間防止でき、これにより放射温度計の計測精度を低下させずに長時間（例えば数百時間）の連続使用を可能にする放射温度計のパージエア流路構造を提供することにある。

本発明によれば、対象物の放射光を検出する光検出器を内蔵し、該光検出器の正面に対象物の放射光を透す受光窓を有する円筒形の放射温度計の受光窓表面にパージエアを供給し、その表面を洗浄するためのパージエア流路構造であって、
対象物、受光窓及び光検出器を結ぶ放射光の光軸に沿って放射光を通す中空円筒形のサイトチューブと、該サイトチューブの末端に連結し、前記放射温度計を内部に収容する中空の外枠とからなるプローブ本体と、
放射温度計の周囲を囲み、前記外枠と放射温度計の隙間を通して、プローブ本体の外枠からサイトチューブまでパージエアを流す中空円筒形のノズル部材と、を備え、
該ノズル部材は、パージエアを受光窓表面に沿って一方向に流入させる洗浄ノズルを有する、ことを特徴とする放射温度計のパージエア流路構造が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記ノズル部材は、放射温度計の周囲を気密に囲み、受光窓の軸方向内側から外側まで延びる中空円筒部と、該中空円筒部の軸方向両端部に位置し半径方向外方に延び外縁が外枠内面に気密に密着する内側及び外側の鍔部とを有し、
前記洗浄ノズルは、受光窓表面の前面に位置する前記鍔部の中間位置に設けられている。

また、前記洗浄ノズルは、受光窓表面外縁に沿って延びる矩形開口であり、該開口寸法は、受光窓表面におけるパージエアのせん断応力が５００Ｐａ以上になるように設定されている。

さらに、前記ノズル部材は、前記洗浄ノズルと内側鍔部の間に設けられ、パージエアを内方に流入させる排気ノズルと、前記洗浄ノズルと外側鍔部の間に設けられ、パージエア中の塵埃を捕集するフィルタ部とを有する。

上記本発明の構成によれば、プローブ本体の外枠からサイトチューブまでパージエアを流す中空円筒形のノズル部材が、パージエアを受光窓表面に沿って一方向に流入させる洗浄ノズルを有するので、洗浄ガス（パージエア）同士の衝突が無く，洗浄ガスがレンズ面（受光窓表面）に沿うように広範囲かつ高速で流れるため、レンズ洗浄効果が向上することがＣＦＤ解析結果と実験により確認された。

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、重複した説明は省略する。

図１は、本発明のパージエア流路構造を備えた放射温度計の構成図である。この図において、（Ａ）は全体断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線における概略断面図である。

図１（Ａ）において、１０は円筒形の放射温度計であり、対象物（図示せず）の放射光１を検出する光検出器１２を内蔵し、光検出器１２の正面に対象物の放射光１を透す受光窓１４を有する。受光窓１４は、この例では凸レンズであるが、両面が平らな平面ガラスであってもよい。
図示しない対象物は、例えばガスタービンエンジンのタービン翼である。なお、参考例において、対象物は、タービン翼に限定されず、高温で作動し、放射温度計で表面温度を測定する対象物であればよい。

本発明のパージエア流路構造２０は、円筒形の放射温度計１０の受光窓表面にパージエア２を供給し、その表面を洗浄するためのパージエア流路構造である。この図において、本発明のパージエア流路構造２０は、プローブ本体２２とノズル部材２４を備える。

プローブ本体２２は、サイトチューブ２３ａと外枠２３ｂとからなる。
サイトチューブ２３ａは、対象物、受光窓１４及び光検出器１２を結ぶ放射光１の光軸Ｚ−Ｚに沿って放射光１を通す中空円筒形の管である。
外枠２３ｂは、サイトチューブ２３ａの末端（図で右端）に連結し、放射温度計１０を内部に収容する中空の枠体である。外枠２３ｂの中間位置には、外部からパージエア２を供給するエア供給管２３ｃが設けられている。このエア供給管２３ｃの位置は、後述する外側鍔部２７ｂとフィルタ部２９の間である。

ノズル部材２４は、全体が中空円筒形であり、放射温度計１０の周囲を囲み、外枠２３ｂと放射温度計１０の隙間を通して、プローブ本体２２の外枠２３ｂからサイトチューブ２３ａまでパージエア２を流す機能を有する。
また、図１（Ｂ）に示すように、ノズル部材２４は、パージエア２を受光窓表面に沿って一方向に流入させる洗浄ノズル２５を有する。

図１（Ａ）（Ｂ）において、ノズル部材２４は、中空円筒部２６と内側及び外側の鍔部２７ａ，２７ｂを有する。
中空円筒部２６は、放射温度計１０の周囲を気密に囲み、受光窓１４より軸方向内側から外側まで延びる。
内側及び外側の鍔部２７ａ，２７ｂは、中空円筒部２６の軸方向両端部に位置し、半径方向外方に延び、外縁が外枠２２の内面に気密に密着する。
上述した洗浄ノズル２５は、受光窓表面の前面に位置する鍔部２７ａ，２７ｂの中間位置に設けられている。

洗浄ノズル２５は、この例において、受光窓１４の表面外縁に沿って延びる矩形開口である。またその開口寸法は、受光窓表面におけるパージエアのせん断応力が５００Ｐａ以上になるように設定されている。なお、せん断応力が５００Ｐａ以上の領域は、ノズル近傍での流速が２２０ｍ／ｓ以上の領域にほぼ一致する。

この例において、ノズル部材２４は、さらに、排気ノズル２８とフィルタ部２９を備える。
排気ノズル２８は、洗浄ノズル２５と内側鍔部２７ａの間に設けられ、パージエア２を内方に流入させる。排気ノズル２８は、この例では、周方向４箇所に設けられ、半径方向に延びる貫通穴である。
フィルタ部２９は、洗浄ノズル２５と外側鍔部２７ｂの間に設けられた複数の遮蔽板２９ａ，２９ｂ，２９ｃからなり、それぞれ互いに異なる周方向位置に開口３０を有し、パージエア中の塵埃を衝突分離により捕集するようになっている。

上述した本発明の構成によれば、パージエア中の塵埃を捕集するフィルタ部２９を空気流路の上流側に設けたので、パージエア２がフィルタ部２９を通過するときに塵埃を捕集することができる。
また、フィルタ部２９で捕集できなかった塵埃は、パージエア２と共に排気ノズル２８に向かって直進し、その途中で９０度転向して洗浄ノズル１５に向かうので、洗浄ノズル１５近傍において慣性分離により塵埃が除去されるので、レンズ表面に吹き付けるパージエア中の塵埃をほぼなくすことができる。

さらに、本発明の構成によれば、ノズル部材２４が、パージエア２を受光窓表面に沿って一方向に流入させる洗浄ノズル２５を有するので、洗浄ガス（パージエア２）同士の衝突が無く，洗浄ガス２がレンズ面（受光窓表面）に沿うように広範囲かつ高速で流れるため、レンズ洗浄効果が向上することが後述するＣＦＤ解析結果と実験により確認された。

図２は、従来例と本発明のパージエア流路構造を示す構成図である。この図において、（Ａ）は従来例、（Ｂ）（Ｃ）は本発明である。
図２（Ａ）において、左図は、図１（Ｂ）に相当する従来例である。この例では、洗浄ノズル２５’が周方向に４箇所設けられ、それぞれ接線方向にパージエア２を流入するようになっていた。
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の洗浄ノズル２５’を本発明の洗浄ノズル２５（一方向流入）に変更したものであり、断面積は、洗浄ノズル２５、排気ノズル２８とも同一である。
図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）と同様の構造であり、洗浄ノズル２５と排気ノズル２８の断面積がそれぞれ１／２のものである。

図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のパージエア流路構造について、入口圧力、出口圧力、および温度条件を同一、すなわちガスタービンエンジンのタービン翼の使用条件に設定して、コンピュータを用いたＣＦＤ解析を実施した。

図３は、図２（Ａ）の従来例の解析結果を示す図であり、図４は、図２（Ｂ）の本発明の第１実施形態の解析結果を示す図であり、図５は、図２（Ｃ）の本発明の第２実施形態の解析結果を示す図である。各図において、（Ａ）はレンズ表面の速度分布、（Ｂ）は中心断面での速度分布を示している。

図３から、従来例の現状機では，洗浄ノズル出口の近傍以外は速度が遅く，レンズ中心部および吹き出し口の間に流れの淀みがあることがわかる。
これに対して、図４の本発明の第１実施形態では，洗浄ガス同士の衝突が無く、洗浄ガスがレンズ面に沿うように広範囲かつ高速（２２０ｍ／ｓ以上の流速）で流れているため、レンズ洗浄効果が向上することがわかる。

また図５の本発明の第２実施形態では、流入口の断面積を小さくした結果、レンズ面での洗浄ガス流速が増加しており，レンズ洗浄効果が向上することがわかる。

上記した洗浄ガスの流速を指標とした洗浄性能の評価方法では、湾曲したレンズ面に沿った流速の抽出が困難であり、またレンズ面からの距離によって流速値自体が変化するため、定量的な評価が難しい。そこで、レンズ表面でのせん断応力を算出することによって、洗浄性能の定量的な評価を試みた。なお、ここで取り上げるせん断応力は壁面極近傍での速度勾配に比例する。せん断応力を指標とすることによって，洗浄性能を直接的に評価できる利点がある。

図６は、レンズ面のせん断応力分布の解析結果を示す図である。この図において、（Ａ）は上述した従来例、（Ｂ）は上述した本発明の第２実施形態の場合である。なお、各図において、太い破線で囲む領域はせん断応力が５００Ｐａ程度以上の領域である。
図６（Ａ）から、従来の現状機においてせん断応力が大きい領域の模様は、運転後に撮影された実機のレンズ汚れ模様とほぼ一致し、コンタミの洗浄が可能な領域はせん断応力が５００Ｐａ程度以上の領域であると推定できた。また従来の現状機では洗浄可能である領域がレンズ全面の３５％程度と低いことが明らかになった。
これに対して、一方向流入（断面積半分）による本発明の第２実施形態においては，洗浄可能な領域がレンズ全面の８０％程度と非常に高くなっており、せん断応力の平均値で２．６倍程度向上することが明らかになった。

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範囲で種々に変更することができることは勿論である。参考例によると、洗浄ガスが衝突しないように洗浄ノズルの吹き出し口を互い違いにして、上下二方向から流入させてもよい。

本発明のパージエア流路構造を備えた放射温度計の構成図である。 従来例と本発明のパージエア流路構造を示す構成図である。 従来例の解析結果を示す図である。 本発明の第１実施形態の解析結果を示す図である。 本発明の第２実施形態の解析結果を示す図である。 レンズ面のせん断応力分布の解析結果を示す図である。 従来のパージエア流路構造の構成図である。

符号の説明

１ 放射光、２ パージエア（洗浄ガス）、
１０ 放射温度計、１２ 光検出器、
１４ 受光窓（凸レンズ、平面ガラス）、
２０ パージエア流路構造、２２ プローブ本体、
２３ａ サイトチューブ、２３ｂ 外枠、２３ｃ エア供給管、
２４ ノズル部材、２５ 洗浄ノズル、２６ 中空円筒部、
２７ａ 内側鍔部、２７ｂ 外側鍔部、
２８ 排気ノズル、２９ フィルタ部、
２９ａ，２９ｂ，２９ｃ 遮蔽板、３０ 開口

Claims (5)

1. ガスタービンエンジンのタービン翼の放射光を検出する光検出器を内蔵し、該光検出器の正面にタービン翼の放射光を透す受光窓を有する円筒形の放射温度計の受光窓前面にパージエアを供給し、その前面を洗浄するためのパージエア流路構造であって、
   タービン翼、受光窓及び光検出器を結ぶ放射光の光軸に沿って放射光を通す中空円筒形のサイトチューブと、該サイトチューブの末端に連結し前記放射温度計を内部に収容する中空の外枠と、からなるプローブ本体と、
   放射温度計の周囲を囲み、前記外枠と放射温度計の隙間を通して、プローブ本体の外枠からサイトチューブまでパージエアを流す中空円筒形のノズル部材と、を備え、
   該ノズル部材は、前記中空円筒形の周方向における１箇所のみにおいて洗浄ノズルを有し、該洗浄ノズルは、前記中空円筒形の半径方向に受光窓前面の中央部に向かって開口しており、パージエアを、受光窓前面に沿って、パージエア同士の衝突がないように、一方向に流入させ、
   前記洗浄ノズルは、前記中空円筒形の軸方向において、受光窓前面外縁の位置から受光窓の前方側へ開口しており、パージエアを受光窓前面に吹き付ける、ことを特徴とする放射温度計のパージエア流路構造。
2. 前記ノズル部材は、放射温度計の周囲を気密に囲み、受光窓の軸方向内側から外側まで延びる中空円筒部と、該中空円筒部の軸方向両端部に位置し半径方向外方に延び外縁が外枠内面に気密に密着する内側及び外側の鍔部とを有し、
   前記洗浄ノズルは、受光窓の前面に位置する前記鍔部の中間位置に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載のパージエア流路構造。
3. 前記洗浄ノズルは、受光窓前面外縁に沿って延びる矩形開口であり、該開口寸法は、受光窓前面におけるパージエアのせん断応力が５００Ｐａ以上になるように設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載のパージエア流路構造。
4. 前記ノズル部材は、前記洗浄ノズルと内側鍔部の間に設けられ、パージエアを内方に流入させる排気ノズルと、前記洗浄ノズルと外側鍔部の間に設けられ、パージエア中の塵埃を捕集するフィルタ部とを有する、ことを特徴とする請求項２に記載のパージエア流路構造。
5. 前記受光窓は凸レンズである、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射温度計のパージエア流路構造。

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