JP6629118B2 - 光学センサ及び回転機械 - Google Patents

光学センサ及び回転機械 Download PDF

Info

Publication number
JP6629118B2
JP6629118B2 JP2016067343A JP2016067343A JP6629118B2 JP 6629118 B2 JP6629118 B2 JP 6629118B2 JP 2016067343 A JP2016067343 A JP 2016067343A JP 2016067343 A JP2016067343 A JP 2016067343A JP 6629118 B2 JP6629118 B2 JP 6629118B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light receiving
optical fiber
light
face
illumination
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016067343A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2017181238A (ja
JP2017181238A5 (ja
Inventor
明生 近藤
明生 近藤
大西　智之
智之 大西
貴洋 宮本
貴洋 宮本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP2016067343A priority Critical patent/JP6629118B2/ja
Priority to CN201780020511.1A priority patent/CN108885091B/zh
Priority to PCT/JP2017/001575 priority patent/WO2017168970A1/ja
Priority to DE112017001659.2T priority patent/DE112017001659T5/de
Priority to US16/088,656 priority patent/US11255660B2/en
Publication of JP2017181238A publication Critical patent/JP2017181238A/ja
Publication of JP2017181238A5 publication Critical patent/JP2017181238A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6629118B2 publication Critical patent/JP6629118B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/003—Arrangements for testing or measuring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/14—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/22—Optical devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

本発明は、光学センサ、及び、該光学センサを備える回転機械に関する。
例えば、下記特許文献１に示されるように、タービン機械の性能向上のためには、チップクリアランスを小さくする必要がある。そこで、このチップクリアランスを高精度で計測することが求められる。さらには、回転機械全般において、回転側と静止側のクリアランスを高精度で計測することが求められる。
特開２０１４‐４０７９５号公報
しかしながら、高温・高圧水蒸気環境下でクリアランスを計測するには、解決すべき課題が多く、たとえば、静電容量式のクリアランスセンサは、蒸気環境下において、劣化による絶縁不良が発生する可能性があり、さらに、誘電率変化の影響を受けるため、使用することができない。
その点、光ファイバ式のクリアランスセンサ（光学センサ）は、高温・高圧水蒸気環境下における上述のような影響を受けることがなく、使用に適している。しかし、従来の技術では、定性的な変化は捉えることができるが、定量的な計測はできない。
定量的な計測ができない原因の一つに、光学センサ自体に熱伸びが発生することが挙げられる。光学センサの先端部の光ファイバは、規定の間隔（光ファイバ（群）間の距離）及び角度で固定されているが、光学センサに各方向への熱伸びが生じることで、この間隔及び角度が変化してしまう。そして、このような形状の変化は、クリアランスの計測値の変動原因となる。
したがって本発明では、上記技術的課題に鑑み、熱伸びによる影響を補償し、高精度にクリアランスを計測することができる、光学センサ及び回転機械を提供することを目的とする。
上記課題を解決する第１の発明に係る光学センサは、
センサヘッドの先端面と、被計測対象とのクリアランスを計測する光学センサであって、
発光部からの照明光を、前記センサヘッドの先端面から前記被計測対象に向けて出射する、照明用光ファイバと、
前記被計測対象にて反射された前記照明光である反射光を、前記センサヘッドの先端面にて受光し、第１受光部に入力する、第１受光用光ファイバと、
前記反射光を、前記センサヘッドの先端面にて受光し、第２受光部に入力する、第２受光用光ファイバと、
前記第１受光部と前記第２受光部とにそれぞれ入力される前記反射光のタイミングに基づき、前記被計測対象と前記センサヘッドとのクリアランスを計測する、測定部と
を備え、
前記被計測対象に反射し、前記第１受光用光ファイバに入射される前記反射光と、前記被計測対象に反射し、前記第２受光用光ファイバに入射される前記反射光との交点が、前記センサヘッドの先端面上に位置するようにして設けられる
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第２の発明に係る光学センサは、
上記第１の発明に係る光学センサにおいて、
前記センサヘッドの先端面において、
前記第１受光用光ファイバの端面と、前記第２受光用光ファイバの端面との離間距離が０であり、かつ、
前記第１受光用光ファイバの端面と、前記第２受光用光ファイバの端面とは、センサ軸方向中心線を中心として対称に傾斜して配される
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第３の発明に係る光学センサは、
上記第１又は２の発明に係る光学センサにおいて、
前記照明用光ファイバの端面は、前記センサヘッドの先端面において、前記第１受光用光ファイバの端面及び前記第２受光用光ファイバの端面から離隔して配される
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第４の発明に係る光学センサは、
上記第３の発明に係る光学センサにおいて、
前記照明用光ファイバの端面は、前記センサヘッドの先端面において、前記第１受光用光ファイバの端面及び前記第２受光用光ファイバの端面の周囲に放射状に配される
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第５の発明に係る光学センサは、
センサヘッドの先端面と、被計測対象とのクリアランスを計測する光学センサであって、
発光部からの照明光を、前記センサヘッドの先端面から前記被計測対象に向けて出射する、照明用光ファイバと、
前記被計測対象にて反射された前記照明光である反射光を、前記センサヘッドの先端面にて受光し、第１受光部に入力する、第１受光用光ファイバと、
前記反射光を、前記センサヘッドの先端面にて受光し、第２受光部に入力する、第２受光用光ファイバと、
前記第１受光部と前記第２受光部とにそれぞれ入力される前記反射光のタイミングに基づき、前記被計測対象と前記センサヘッドとのクリアランスを計測する、測定部と
を備え、
前記センサヘッドの先端面には、熱による形状変化が等方変形であるブロックが設けられ、
前記ブロックには、
前記照明用光ファイバの端面と接続する貫通孔である照明用孔、前記第１受光用光ファイバの端面と接続する貫通孔である第１受光用孔、及び、前記第２受光用光ファイバの端面と接続する貫通孔である第２受光用孔が形成され、
前記第１受光用孔及び前記第２受光用孔は、前記被計測対象に向けて互いの離間距離が狭まる方向に傾斜する形状である
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第６の発明に係る光学センサは、
上記第５の発明に係る光学センサにおいて、
前記第１受光用孔及び前記第２受光用孔は、前記ブロックの先端面で合流する
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第７の発明に係る光学センサは、
上記第５又は６の発明に係る光学センサにおいて、
前記照明用孔は、第１受光用孔及び第２受光用孔から離隔して配される
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第８の発明に係る光学センサは、
上記第７の発明に係る光学センサにおいて、
前記照明用孔は、第１受光用孔及び第２受光用孔の周囲に放射状に配される
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第９の発明に係る光学センサは、
上記第５から８のいずれか１つの発明に係る光学センサにおいて、
前記照明用孔は、前記ブロックの先端面へ向けて逆テーパ状に形成される
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第１０の発明に係る光学センサは、
上記第１から９のいずれか１つの発明に係る光学センサにおいて、
各前記光ファイバの端面には、耐環境性窓が設けられる
ことを特徴とする。
上記課題を解決する第１１の発明に係る回転機械は、
上記第１から１０のいずれか１つの発明に係る光学センサが設けられる回転機械であって、
前記被計測対象は回転体であり、
前記回転体は、ハウジング内に、該ハウジングの内周面とクリアランスを有して配され、
さらに、前記光学センサの先端は、前記回転体の周面と対向するようにして、前記ハウジングの内周面に配される
ことを特徴とする。
本発明に係る光学センサ及び回転機械によれば、熱伸びによる影響を補償し、高精度にクリアランスを計測することができる。
本発明に係る（光学センサを備えた）回転機械を説明する概略図である。 本発明の実施例１に係る光学センサの一例におけるセンサヘッド周辺の概略図である。（ａ）はセンサ軸方向断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ‐Ａ矢視図である。 本発明の実施例１に係る光学センサから回転体に対して照明光を当てた状態を示す概略図である。 タービンを例として、本発明の実施例１に係る光学センサの熱伸びによるクリアランス（チップクリアランス）計測値への影響を説明する模式図である。 本発明の実施例２に係る光学センサのセンサヘッド周辺の概略図であり、（ａ）はセンサ軸方向断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ‐Ｂ矢視図である。 本発明の実施例２に係る光学センサから回転体に対して照明光を当てた状態を示す概略図である。 本発明の実施例２に係る光学センサの変形例を示した概略図である。 従来の光学センサにおけるセンサヘッド周辺の概略図である。（ａ）はセンサ軸方向断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ‐Ｃ矢視図である。 タービンを例として、従来の光学センサの熱伸びによるクリアランス（チップクリアランス）計測値への影響を説明する模式図である。
図１は、本発明に係る回転機械を説明する概略図である。図１に示すように、本発明に係る回転機械は、ハウジング１０１内において、回転軸１０２に固定され、ハウジング１０１の内周面とクリアランスを有して配された回転体１０３を備え、さらに、先端が、ハウジング１０１の内周面に、回転体１０３の周面と対向して配されるようにして、光学センサが設けられている。
より詳述すると、本発明に係る光学センサは、ハウジング１０１の内周面において、先端面が計測対象である回転体１０３側を向くようにして配されるセンサ部１、第１の光ファイバを介してセンサ部１に接続する発光部２、第２の光ファイバを介してセンサ部１に接続する第１受光部３、第３の光ファイバを介してセンサ部１に接続する第２受光部４、及び、第１受光部３及び第２受光部４に接続する測定部５を備えている。
計測の手順としては、まず、回転機械の駆動中において、発光部２から第１の光ファイバを介してセンサ部１へ照明光が出力され、この照明光がセンサ部１の先端部（センサヘッド）から回転体１０３へ向けて放出される。
照明光は回転体１０３の周面において反射し、その反射光の一部は、センサヘッドに入射し、第２の光ファイバを介して第１受光部３へ、第３の光ファイバを介して第２受光部４へそれぞれ入力される。
このとき、回転体１０３からセンサヘッドに入射する反射光は、回転体１０３の周面において周方向（回転方向）に変化する形状あるいは模様に依存した、所定の強度周期を有している。この「形状」は、例えば、回転体１０３がタービンである場合には動翼の形状となる。また「模様」とは、回転体１０３の周面において周方向に変化する形状がない場合、例えば、マーカ等を付すことによって明暗を設けているものを指す。
測定部５では、第１受光部３及び第２受光部４にそれぞれ入力される反射光のタイミングに基づき、回転体１０３とのクリアランスを計測する。
以上が、本発明に係る回転機械に設けられた光学センサによる計測の手順である。
以下、本発明に係る光学センサを実施例にて詳述する。なお、下記実施例では、一部タービンに光学センサを配するものとして説明している箇所があるが、本発明はこれに限らず、回転機械全般に適用可能である。
さらに言えば、本発明に係る光学センサは、下記実施例中に説明する原理（下記図４，９等）上、回転機械の回転体に限らず、移動体であればクリアランスを計測することができる。
［実施例１］
図８は、従来の光学センサにおけるセンサヘッド周辺の概略図であり、図８（ａ）はセンサ軸方向断面図（回転体１０３（図１参照）の径方向断面と平行な断面図）、図８（ｂ）は図８（ａ）のＣ‐Ｃ矢視図である。
従来の光学センサ（光学センサ３０）は、センサヘッド３１の先端面３１ａが回転体１０３の周面に対向し、照明用光ファイバ３２（第１の光ファイバ）、第１受光用光ファイバ３３（第２の光ファイバ）及び第２受光用光ファイバ３４（第３の光ファイバ）を備えている。
照明用光ファイバ３２は、一端が発光部２（図１参照）に接続し、他端の端面３２ａが先端面３１ａにおいて露出している。そして、発光部２から出力された照明光を、端面３２ａから、回転体１０３の周面に向けて出射する伝搬経路としての光ファイバである。
第１受光用光ファイバ３３は、一端が第１受光部３（図１参照）に接続し、他端の端面３３ａが先端面３１ａにおいて露出している。そして、回転体１０３の周面にて反射された照明光である反射光を、端面３３ａにて受光し、第１受光部３へ入力する伝搬経路としての光ファイバである。
第２受光用光ファイバ３４は、一端が第２受光部４（図１参照）に接続し、他端の端面３４ａが先端面３１ａにおいて露出している。そして、回転体１０３の周面にて反射された照明光である反射光を、端面３４ａにて受光し、第２受光部４へ入力する伝搬経路としての光ファイバである。
また、第１受光用光ファイバ３３と照明用光ファイバ３２とが一組に纏められており、これを光ファイバ群Ｘとする。さらに、第２受光用光ファイバ３４と他の照明用光ファイバ３２とが一組に纏められており、これを光ファイバ群Ｙとする。
光ファイバ群ＸとＹとは、光学センサ３０の略軸方向に延伸し、センサヘッド３１内部では、（回転体１０３の径方向断面と平行な断面視において）先端面３１ａに向けて互いの離間距離が広がる方向にハの字に傾斜している。また、光ファイバ群ＸとＹとは、先端面３１ａにおいて、端面３２ａ及び端面３３ａの位置及び角度と、端面３２ａ及び端面３４ａの位置及び角度とが、光学センサ３０のセンサ軸方向中心線を中心として対称的に配されている。
先端面３１ａにおける光ファイバ群Ｘの端面３２ａと端面３３ａと、光ファイバ群Ｙの端面３２ａと端面３４ａとの離間距離（後述するＡ点とＢ点との距離）をＬとし、端面３３ａ，３４ａをそれぞれ垂直に通る仮想直線ｘ3，ｙ3、及び、センサ軸方向中心線の３つの線の交点が、距離計測の基準点Ｏ3となり、距離計測の基準点Ｏ3におけるｘ3，ｙ3の交差角をα3とする。
なお、第１受光用光ファイバ３３と照明用光ファイバ３２とが一組に纏められ、第２受光用光ファイバ３４と他の照明用光ファイバ３２とが一組に纏められていることから、ここでは、第１受光用光ファイバ３３，第２受光用光ファイバ３４の端面３３ａ，３４ａの角度及び離間距離とは、２つの照明光（照明用光ファイバ３２を伝搬し、回転体１０３へ出射される照明光）の角度及び発射間隔である。
以上が光学センサ３０の構成である。なお、光学センサ３０を用いたクリアランスの計測手順は、図１を用いて説明した如くである。このような光学センサでは、高温・高圧蒸気環境下において、先端面３１ａに熱伸びが発生してしまう。図８（ａ）（ｂ）では、このときの上記離間距離をＬ´としている。この熱伸びによるクリアランス計測値への影響を検討する。
図９は、タービンを例として、光学センサ３０の熱伸びによるクリアランス（チップクリアランス）計測値への影響を説明する模式図である。図９に示すように、まず、先端面３１ａにおける光ファイバ群Ｘの端面３２ａ，３３ａの位置をＡ点（複数の光ファイバの位置を纏めて一点と見做す）、光ファイバ群Ｙの端面３２ａ，３４ａの位置をＢ点（同様に一点と見做す）とする。
また、動翼１０３ａの外側端面１０３ｂにおける角部（二つの角部のうち回転方向前方側の角部）が、仮想直線ｘ3と交わる点をＣ点とし、仮想直線ｙ3と交わる点をＤ点とする。なお、この角部とは、第１受光用光ファイバ３３及び第２受光用光ファイバ３４へ入射する反射光の強度が（急激に）変化する箇所である。
さらに、動翼１０３ａが、Ｃ点からＤ点まで移動する時間をΔｔとし、光学センサ３０の先端面３１ａと動翼１０３ａの外側端面１０３ｂとのクリアランスをｄとする。
すると、下記（１）式が成立する。
Figure 0006629118
ただし、αは、ここではα3を指す。
また、Ｒを回転体半径、Ｔを回転体の周期とする。
すなわち、光学センサ３０では、図８（ａ）に示すように、熱伸びによって上記離間距離がＬからＬ´に変化することにより、上記（１）式から算出されるクリアランスｄの計測値が変化してしまう。そこで、本実施例では、上記離間距離を０とすることで、クリアランスｄの計測値への影響を排除するものである。
図２は、本実施例に係る光学センサのセンサヘッド周辺の概略図であり、図２（ａ）はセンサ軸方向断面図（すなわち回転体１０３（図１参照）の径方向断面と平行な断面図）、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ‐Ａ矢視図である。また、図３は、本実施例に係る光学センサから回転体１０３に対して照明光を当てた状態を示す概略図である。
本実施例に係る光学センサ（光学センサ１０）は、センサヘッド１１の先端面１１ａが回転体１０３の周面に対向し、照明用光ファイバ１２（第１の光ファイバ）、第１受光用光ファイバ１３（第２の光ファイバ）及び第２受光用光ファイバ１４（第３の光ファイバ）を備えている。
照明用光ファイバ１２は、一端が発光部２（図１参照）に接続し、他端の端面１２ａが先端面１１ａにおいて露出している。そして、発光部２から出力された照明光を、端面１２ａから、図３に示すように回転体１０３の周面に向けて出射する伝搬経路としての光ファイバである。
第１受光用光ファイバ１３は、一端が第１受光部３（図１参照）に接続し、他端の端面１３ａが先端面１１ａにおいて露出している。そして、回転体１０３の周面にて反射された照明光である反射光を、端面１３ａにて受光し、第１受光部３へ入力する伝搬経路としての光ファイバである。
第２受光用光ファイバ１４は、一端が第２受光部４（図１参照）に接続し、他端の端面１４ａが先端面１１ａにおいて露出している。そして、回転体１０３の周面にて反射された照明光である反射光を、端面１４ａにて受光し、第２受光部４へ入力する伝搬経路としての光ファイバである。
さらに、第１受光用光ファイバ１３の端面１３ａ及び第２受光用光ファイバ１４の端面１４ａは、先端面１１ａの中央において互いに隣接して配され、照明用光ファイバ１２の端面１２ａは、図２（ｂ）に示すように、先端面１１ａにおいて、第１受光用光ファイバ１３の端面１３ａ及び第２受光用光ファイバ１４の端面１４ａと離隔して、第１受光用光ファイバ１３の端面１３ａ及び第２受光用光ファイバ１４の端面１４ａの周囲に放射状に配されている。
なお、図２（ａ）（ｂ）には、第１受光用光ファイバ１３、第２受光用光ファイバ１４がそれぞれ１本ずつ、また、照明用光ファイバ１２が６本配されている状態を示しているが、本実施例はこれに限定されず、第１受光用光ファイバ１３及び第２受光用光ファイバ１４を複数本ずつにしてもよく、さらに、照明用光ファイバ１２の数を増加又は減少させてもよい。
第１受光用光ファイバ１３及び第２受光用光ファイバ１４は、光学センサ１０の略軸方向に延伸し、センサヘッド１１内部では、（回転体１０３の径方向断面と平行な断面視において）先端面１１ａに向けて互いの離間距離が狭まる方向にハの字に傾斜し、先端面１１ａでの該離間距離が０となるようにして配される。
また、図２（ａ）に示すように、第１受光用光ファイバ１３と第２受光用光ファイバ１４とは、先端面１１ａにおける端面１３ａ、１４ａの角度が、光学センサ１０のセンサ軸方向中心線を中心として対称となるように配されている。
なお、第１受光用光ファイバ１３及び第２受光用光ファイバ１４は、必ずしもハの字型でなければならないというわけではなく、回転体１０３の径方向断面と平行な断面視において、その端面１３ａ，１４ａのセンサヘッド１１の先端面１１ａでの離間距離が０、かつ、センサ軸方向中心線を中心として対称に傾斜して、配されていればよい。
以上が光学センサ１０の構成である。なお、光学センサ１０を用いたクリアランスの計測手順は、図１を用いて説明した如くである。以下、光学センサ１０の熱伸びによるクリアランス計測値への影響を検討する。
図２（ａ）に示すように、先端面１１ａにおける第１受光用光ファイバ１３と第２受光用光ファイバ１４の端面１３ａ，１４ａの位置が、距離計測の基準点Ｏ1となり、端面１３ａ，１４ａを垂直に通る仮想直線をそれぞれｘ1，ｙ1とし、距離計測の基準点Ｏ1における仮想直線ｘ1，ｙ1の交差角をα1とする。
図４は、タービンを例として、光学センサ１０の熱伸びによるクリアランス（チップクリアランス）計測値への影響を説明する模式図である。図４に示すように、仮想直線ｘ1と動翼１０３ａの外側端面１０３ｂにおける角部（二つの角部のうち回転方向前方側の角部）が、仮想直線ｘ1と交わる点をＣ1点とし、仮想直線ｙ1と交わる点をＤ1点とする。なお、この角部とは、第１受光用光ファイバ１３及び第２受光用光ファイバ１４へ入射する反射光の強度が（急激に）変化する箇所である。
さらに、動翼１０３ａが、Ｃ1点からＤ1点まで移動する時間をΔｔ1とし、光学センサ１０の先端面１１ａと動翼１０３ａの外側端面１０３ｂとのクリアランスをｄとする（図３のｄも同様）。
すると、図８（ａ）に示した従来の光学センサ３０における離間距離Ｌが０となるため、上記（１）式において、Ｃ，Ｄ，Δｔ，αを、それぞれＣ1，Ｄ1，Δｔ1，α1とおくと、「−（１／２）Ｌ／ｔａｎ（α1／２）」の項が０となる。よって、従来の光学センサ３０では熱伸びにより、離間距離がＬからＬ´に変化し、クリアランス計測値が変動するが、光学センサ１０では、そのような問題が発生せず、計測精度が向上する。
なお、センサヘッド１１の構造内部には耐環境性窓（下記実施例２図５参照）を設置し、過酷環境より各光ファイバ等を保護するようにしてもよい。また、照明用光ファイバ１２は、照射範囲が広くとるため、ＮＡ（開口数）が高いものを用い、第１受光用光ファイバ１３及び第２受光用光ファイバ１４は、互いの干渉を防ぐため、ＮＡが低いものを用いることで、より計測精度が向上する。
以上、本実施例に係る光学センサについて説明した。すなわち、本実施例に係る光学センサでは、回転体の径方向断面と平行な断面視において、第１受光用光ファイバに入射される反射光と、第２受光用光ファイバに入射される反射光との交点（距離計測の基準点）を、センサヘッドの先端面に設定することにより、クリアランス計測値への熱伸びの影響を排除することができる。
さらに、本実施例に係る光学センサでは、光学素子（各光ファイバ）が過酷環境に晒されることで白濁化あるいは減損しても、回転体からの反射光の受光方向に影響はないため、光学素子の劣化によるセンサ機能変動は発生しない。
また、本実施例に係る光学センサでは、センサヘッドの先端面において、照明用光ファイバの端面を放射状に設けているため、リング状に光を照射することになり、回転体の表面での均質な散乱強度を確保することができ、さらに、照明用光ファイバを受光用光ファイバと分離して設けているため、受光用光ファイバへの照明光の干渉を防ぎ、これらの構成により、計測精度を向上することができる。
［実施例２］
図５は、本実施例に係る光学センサのセンサヘッド周辺の概略図であり、図５（ａ）はセンサ軸方向断面図（すなわち回転体１０３（図１参照）の径方向断面と平行な断面図）、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ‐Ｂ矢視図である。また、図６は、本実施例に係る光学センサから回転体１０３に対して照明光を当てた状態を示す概略図である。
本実施例に係る光学センサ（光学センサ２０）は、センサヘッド２１の先端面２１ａが回転体１０３の周面に対向し、照明用光ファイバ２２（第１の光ファイバ）、第１受光用光ファイバ２３（第２の光ファイバ）及び第２受光用光ファイバ２４（第３の光ファイバ）を備えている。
照明用光ファイバ２２は、一端が発光部２（図１参照）に接続し、他端の端面２２ａが先端面２１ａにおいて露出している。そして、発光部２から出力された照明光を、端面２２ａから、図６に示すように回転体１０３の周面に向けて出射する伝搬経路としての光ファイバである。
第１受光用光ファイバ２３は、一端が第１受光部３（図１参照）に接続し、他端の端面２３ａが先端面２１ａにおいて露出している。そして、回転体１０３の周面にて反射された照明光である反射光を、端面２３ａにて受光し、第１受光部３へ入力する伝搬経路としての光ファイバである。
第２受光用光ファイバ２４は、一端が第２受光部４（図１参照）に接続し、他端の端面２４ａが先端面２１ａにおいて露出している。そして、回転体１０３の周面にて反射された照明光である反射光を、端面２４ａにて受光し、第２受光部４へ入力する伝搬経路としての光ファイバである。
また、端面２２ａ，２３ａ，２４ａは、先端面２１ａにおいて互いに離隔して配されている。
さらに、第１受光用光ファイバ２３の端面２３ａ及び第２受光用光ファイバ２４の端面２４ａは、先端面２１ａの中央付近に配され、照明用光ファイバ２２の端面２２ａは、（少なくとも先端面２１ａにおいて）第１受光用光ファイバ２３の端面２３ａ及び第２受光用光ファイバ２４の端面２４ａの周囲に、放射状に配されている。
なお、図５（ａ）（ｂ）には、第１受光用光ファイバ２３、第２受光用光ファイバ２４がそれぞれ複数本ずつ、また、照明用光ファイバ２２が６本配されている状態を示しているが、本実施例はこれに限定されず、第１受光用光ファイバ２３及び第２受光用光ファイバ２４を１本ずつにしてもよく、あるいは、放射状に配された照明用光ファイバ２２の数を増加又は減少させてもよい。
また、各光ファイバの端面２２ａ，２３ａ，２４ａは、それぞれ耐環境性窓２９でシールしてもよい。これにより、過酷環境より各光ファイバを保護することができる。
さらに、図５（ａ）に示すように、第１受光用光ファイバ２３と第２受光用光ファイバ２４は、光学センサ２０の略軸方向に延伸して配される。
そして、光学センサ２０は、先端面２１ａにブロック２８が設けられている。ブロック２８は、熱による形状変化が等方変形となるものであり、軸方向に厚みを有する構造となっている。また、ブロック２８は、先端面２８ａが回転体１０３の周面に対向し、照明用孔２５、第１受光用孔２６及び第２受光用孔２７が形成されている。
第１受光用孔２６と第２受光用孔２７は、それぞれ一端が、第１受光用光ファイバ２３、第２受光用光ファイバ２４の端面２３ａ，２４ａと（耐環境性窓２９を設ける場合にはこれを介して）接続し、（回転体１０３の径方向断面と平行な断面視において）ブロック２８の先端面２８ａへ向けて互いの離間距離が狭まる方向にハの字に傾斜し、先端面２８ａでの該離間距離が０（すなわち先端面２８ａで合流する形状）となるように形成された貫通孔である。
照明用孔２５は、一端が、照明用光ファイバ２２の端面２２ａと（耐環境性窓２９を設ける場合にはこれを介して）接続し、ブロック２８の先端面２８ａへ向けて逆テーパ状に形成され、照明用光ファイバ２２からの照明光を回転体１０３へ導く貫通孔である。また、照明用孔２５は、図５（ｂ）に示すように、第１受光用孔２６及び第２受光用孔２７と離隔して、第１受光用孔２６及び第２受光用孔２７の周囲に放射状に配されている。
このように構成することで、第１受光用孔２６と第２受光用孔２７により、回転体１０３から第１受光用孔２６と第２受光用孔２７に入射される反射光を、それぞれ区別して規定する。
なお、ブロック２８において、第１受光用孔２６と第２受光用孔２７との合流部分は、応力が掛からない構造とし、その部分は入熱に対し軸対称に変形する。これにより、歪みの発生を防止する。
以上が光学センサ２０の構成である。なお、光学センサ２０を用いたクリアランスの計測手順は、図１を用いて説明した如くである。以下、光学センサ２０の熱伸びによるクリアランス計測値への影響を検討する。
図５（ａ）に示すように、先端面２８ａにおける第１受光用孔２６と第２受光用孔２７の合流する位置が、距離計測の基準点Ｏ2となり、第１受光用孔２６、第２受光用孔２７の軸中心を通る仮想直線をｘ2，ｙ2とし、距離計測の基準点Ｏ2における仮想直線ｘ2，ｙ2の交差角をα2とする。
すると、実施例１と同様にして、上記（１）式において、「−（１／２）Ｌ／ｔａｎ（α2／２）」の項が０となる（ここでは上記（１）式のαをα2とする）。よって、光学センサ２０では、熱伸びの問題が発生せず、計測精度が向上する。
図７には、本実施例に係る光学センサの変形例を示している。図７に示すように、第１受光用孔２６と第２受光用孔２７とは、先端面２８ａへ向けて互いの離間距離が狭まる方向にハの字に傾斜するように形成されていればよく、上述のように先端面２８ａでの該離間距離が０（すなわち先端面２８ａで合流する形状）とせずに、離間距離を有するものとしてもよい。この場合は、距離計測の基準点Ｏ2がブロック２８の先端面２８ａよりも回転体１０３側に位置することになる。
なお、実施例１同様、照明用光ファイバ２２にはＮＡ（開口数）が高いものを用い、第１受光用光ファイバ２３及び第２受光用光ファイバ２４にはＮＡが低いものを用いることで、より計測精度が向上する。
ちなみに、ブロック２８自体も構成する材質によっては軸方向に熱伸びするが、これは計測精度（０．１ｍｍ）に対して無視できるほどのものである。また、三角測量の原理から、第１，２受光用光ファイバ１３，１４の端面１３ａ，１４ａの間隔（図８のＬ，Ｌ´）の熱伸びによる誤差の方が大きい。
ブロック２８は、第１受光用孔と第２受光用孔との合流部分において、等方に変形するため、反射光の入射角度は変化せず、第１受光用孔と第２受光用孔とは、干渉し合うことはない。
また、本実施例に係る光学センサでは、ブロック２８が光学素子（各光ファイバ）を保護する役目も担うことになり、計測精度をより向上することができる。
以上、本実施例に係る光学センサについて説明した。すなわち、本実施例に係る光学センサでは、センサヘッドの先端面にブロックを設け、回転体の径方向断面と平行な断面視において、第１受光用光ファイバに入射される反射光と、第２受光用光ファイバに入射される反射光との交点（距離計測の基準点）を、センサヘッドの先端面より回転体の周面側に設定（ブロックの先端面（図５）又はそれよりさらに回転体の周面側（図７）に設定）することにより、クリアランス計測値への熱伸びの影響を排除することができる。
さらに、本実施例に係る光学センサでは、光学素子（各光ファイバ）が過酷環境に晒されることで白濁化あるいは減損しても、回転体からの反射光の受光方向に影響はないため、光学素子の劣化によるセンサ機能変動は発生しない。
また、本実施例に係る光学センサでは、センサヘッドの先端面において、照明用光ファイバの端面を放射状に設けているため、リング状に光を照射することになり、回転体の表面での均質な散乱強度を確保することができ、さらに、照明用光ファイバを受光用光ファイバと分離して設けているため、受光用光ファイバへの照明光の干渉を防ぎ、これらの構成により、計測精度を向上することができる。
以上、本発明に係る光学センサにつき各実施例を用いて説明したが、本発明に係る光学センサを、回転体以外も含めた移動体に対するクリアランスの計測に用いる場合には、センサヘッドの先端面（及びブロックの先端面）を、計測対象である移動体に対し、その移動方向と平行となるように対向させ、上記各実施例中の「回転体の径方向断面と平行な断面視において」との記載を、「移動体の移動方向において」とすれば、同様の結果を得ることができる。
本発明は、光学センサ、及び、該光学センサを備える回転機械として好適である。
１ センサ部
２ 発光部
３ 第１受光部
４ 第２受光部
５ 測定部
１０，２０，３０ 光学センサ
１１，２１，３１ センサヘッド
１１ａ，２１ａ，３１ａ （センサヘッドの）先端面
１２，２２，３２ 照明用光ファイバ
１３，２３，３３ 第１受光用光ファイバ
１４，２４，３４ 第２受光用光ファイバ
１２ａ，２２ａ，３２ａ （照明用光ファイバ）端面
１３ａ，２３ａ，３３ａ （第１受光用光ファイバ）端面
１４ａ，２４ａ，３４ａ （第２受光用光ファイバ）端面
２５ 照明用孔
２６ 第１受光用孔
２７ 第２受光用孔
２８ ブロック
２８ａ （ブロックの）先端面
２９ 耐環境性窓
１０１ ハウジング
１０２ 回転軸
１０３ 回転体
１０３ａ 動翼
１０３ｂ 外側端面

Claims (11)

  1. センサヘッドの先端面と、被計測対象とのクリアランスを計測する光学センサであって、
    発光部からの照明光を、前記センサヘッドの先端面から前記被計測対象に向けて出射する、照明用光ファイバと、
    前記被計測対象にて反射された前記照明光である反射光を、前記センサヘッドの先端面にて受光し、第１受光部に入力する、第１受光用光ファイバと、
    前記反射光を、前記センサヘッドの先端面にて受光し、第２受光部に入力する、第２受光用光ファイバと、
    前記第１受光部と前記第２受光部とにそれぞれ入力される前記反射光のタイミングに基づき、前記被計測対象と前記センサヘッドとのクリアランスを計測する、測定部と
    を備え、
    前記被計測対象に反射し、前記第１受光用光ファイバに入射される前記反射光と、前記被計測対象に反射し、前記第２受光用光ファイバに入射される前記反射光との交点が、前記センサヘッドの先端面上に位置するようにして設けられる
    ことを特徴とする光学センサ。
  2. 前記センサヘッドの先端面において、
    前記第１受光用光ファイバの端面と、前記第２受光用光ファイバの端面との離間距離が０であり、かつ、
    前記第１受光用光ファイバの端面と、前記第２受光用光ファイバの端面とは、センサ軸方向中心線を中心として対称に傾斜して配される
    ことを特徴とする請求項１に記載の光学センサ。
  3. 前記照明用光ファイバの端面は、前記センサヘッドの先端面において、前記第１受光用光ファイバの端面及び前記第２受光用光ファイバの端面から離隔して配される
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学センサ。
  4. 前記照明用光ファイバの端面は、前記センサヘッドの先端面において、前記第１受光用光ファイバの端面及び前記第２受光用光ファイバの端面の周囲に放射状に配される
    ことを特徴とする請求項３に記載の光学センサ。
  5. センサヘッドの先端面と、被計測対象とのクリアランスを計測する光学センサであって、
    発光部からの照明光を、前記センサヘッドの先端面から前記被計測対象に向けて出射する、照明用光ファイバと、
    前記被計測対象にて反射された前記照明光である反射光を、前記センサヘッドの先端面にて受光し、第１受光部に入力する、第１受光用光ファイバと、
    前記反射光を、前記センサヘッドの先端面にて受光し、第２受光部に入力する、第２受光用光ファイバと、
    前記第１受光部と前記第２受光部とにそれぞれ入力される前記反射光のタイミングに基づき、前記被計測対象と前記センサヘッドとのクリアランスを計測する、測定部と
    を備え、
    前記センサヘッドの先端面には、熱による形状変化が等方変形であるブロックが設けられ、
    前記ブロックには、
    前記照明用光ファイバの端面と接続する貫通孔である照明用孔、前記第１受光用光ファイバの端面と接続する貫通孔である第１受光用孔、及び、前記第２受光用光ファイバの端面と接続する貫通孔である第２受光用孔が形成され、
    前記第１受光用孔及び前記第２受光用孔は、前記被計測対象に向けて互いの離間距離が狭まる方向に傾斜する形状である
    ことを特徴とする光学センサ。
  6. 前記第１受光用孔及び前記第２受光用孔は、前記ブロックの先端面で合流する
    ことを特徴とする請求項５に記載の光学センサ。
  7. 前記照明用孔は、第１受光用孔及び第２受光用孔から離隔して配される
    ことを特徴とする請求項５又は６に記載の光学センサ。
  8. 前記照明用孔は、第１受光用孔及び第２受光用孔の周囲に放射状に配される
    ことを特徴とする請求項７に記載の光学センサ。
  9. 前記照明用孔は、前記ブロックの先端面へ向けて逆テーパ状に形成される
    ことを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載の光学センサ。
  10. 各前記光ファイバの端面には、耐環境性窓が設けられる
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光学センサ。
  11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学センサが設けられる回転機械であって、
    前記被計測対象は回転体であり、
    前記回転体は、ハウジング内に、該ハウジングの内周面とクリアランスを有して配され、
    さらに、前記光学センサの先端は、前記回転体の周面と対向するようにして、前記ハウジングの内周面に配される
    ことを特徴とする回転機械。
JP2016067343A 2016-03-30 2016-03-30 光学センサ及び回転機械 Active JP6629118B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016067343A JP6629118B2 (ja) 2016-03-30 2016-03-30 光学センサ及び回転機械
CN201780020511.1A CN108885091B (zh) 2016-03-30 2017-01-18 光学传感器及旋转机械
PCT/JP2017/001575 WO2017168970A1 (ja) 2016-03-30 2017-01-18 光学センサ及び回転機械
DE112017001659.2T DE112017001659T5 (de) 2016-03-30 2017-01-18 Optischer Sensor und Rotationsmaschine
US16/088,656 US11255660B2 (en) 2016-03-30 2017-01-18 Optical sensor and rotating machine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016067343A JP6629118B2 (ja) 2016-03-30 2016-03-30 光学センサ及び回転機械

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2017181238A JP2017181238A (ja) 2017-10-05
JP2017181238A5 JP2017181238A5 (ja) 2019-04-18
JP6629118B2 true JP6629118B2 (ja) 2020-01-15

Family

ID=59964056

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016067343A Active JP6629118B2 (ja) 2016-03-30 2016-03-30 光学センサ及び回転機械

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11255660B2 (ja)
JP (1) JP6629118B2 (ja)
CN (1) CN108885091B (ja)
DE (1) DE112017001659T5 (ja)
WO (1) WO2017168970A1 (ja)

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4766323A (en) 1986-08-29 1988-08-23 B. C. Hydro Method and apparatus for determining the distance of an object
JP2000162318A (ja) * 1998-11-24 2000-06-16 Hamamatsu Photonics Kk 全方位距離検出装置
EP1319170B1 (de) * 2000-09-14 2005-03-09 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Positionsmesseinrichtung
US20040125702A1 (en) * 2002-10-21 2004-07-01 Hideki Kitajima Rotational position detection device, hand position detection device and clock using the hand position detection device
EP1429155B1 (de) 2002-12-12 2009-08-05 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Messung des Abstands eines an einer Referenzfläche vorbei gefürhrten Bauteils und Durchführung des Verfahrens
NO320062B1 (no) * 2003-11-19 2005-10-17 New Interaction Devices And Te Anordning til a detektere naerhet mellom et forste objekt (malobjekt) og et annet objekt (referanseobjekt), samt tegne-, skrive- og/eller pekeredskap for datapresentasjon etc.
US8121813B2 (en) 2009-01-28 2012-02-21 General Electric Company System and method for clearance estimation between two objects
US8553237B2 (en) 2011-01-14 2013-10-08 Prime Photonics, Lc Optical blade clearance probe
US8970228B2 (en) 2012-05-31 2015-03-03 General Electric Company Rotational clearance measurement system and method of operation
JP5984527B2 (ja) * 2012-06-21 2016-09-06 オリンパス株式会社 導光路センサ、導光路センサを形成する方法
JP2014040795A (ja) 2012-08-22 2014-03-06 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 回転機械及びそのクリアランス調整方法
EP2896350A4 (en) * 2012-09-13 2016-06-15 Olympus Corp MEASURING PROBE AND BIOLOGICAL OPTICAL MEASURING SYSTEM
US9274135B2 (en) 2012-10-12 2016-03-01 Advanced Systems & Technologies, Inc. Method and system for conformal imaging vibrometry
CN203100688U (zh) 2013-02-28 2013-07-31 济南大学 一种测量旋转叶片叶尖间隙的光纤传感器
JP6143085B2 (ja) 2013-06-14 2017-06-07 三菱重工業株式会社 チップクリアランス計測装置
EP2924453B1 (en) 2014-03-26 2018-10-31 Siemens Aktiengesellschaft Method of inspecting a generator air-gap
CN104501728A (zh) * 2014-12-12 2015-04-08 天津大学 一种基于全光纤叶尖定时的叶尖间隙测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017181238A (ja) 2017-10-05
WO2017168970A1 (ja) 2017-10-05
US11255660B2 (en) 2022-02-22
CN108885091B (zh) 2020-08-18
DE112017001659T5 (de) 2018-12-20
US20200300609A1 (en) 2020-09-24
CN108885091A (zh) 2018-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10605108B2 (en) Optical fiber probe, optical fiber measuring device, and clearance control system
JP6532061B2 (ja) 光計測装置、光計測方法及び回転機械
US8847145B2 (en) Method for working out the angular position of a rotating element and device for carrying out such a method
WO2018043547A1 (ja) クリアランス計測装置およびクリアランス制御システム
US20190086195A1 (en) Optical measurement device, optical measurement method, and rotary machine
JP4429705B2 (ja) 距離測定方法および距離測定装置
CN108458672A (zh) 基于双曲面透镜的角度传感器及其测量方法
JP6629118B2 (ja) 光学センサ及び回転機械
CN208282795U (zh) 基于双曲面透镜的角度传感器
JP6959027B2 (ja) クリアランス計測装置、クリアランス計測センサ及びクリアランス計測方法
CN109313013B (zh) 光学传感器
CN208366291U (zh) 新型角度传感器
KR20080088242A (ko) 회전축 변위 측정 장치
EP3380815B1 (en) Multi-mode sensor
JP2017181238A5 (ja) 光学センサ及び回転機械

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190221

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190221

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190311

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190221

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20190523

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20190605

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20190529

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20191105

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20191204

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6629118

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150