(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温のコア部に取り付けられた変位検知部と、低温のケーシングに取り付けられた変位変換部と、変位検知部から変位変換部に三次元変位を伝達する変位伝達部とからなり、
変位伝達部は、バイパス流路を通して変位検知部から変位変換部まで延びる細長い変位伝達ロッドと、該変位伝達ロッドの中間部を揺動可能かつ軸方向に移動可能に支持する支持金具と、からなり、変位伝達ロッドの先端部の三次元変位をテコ式に末端部に伝達し、この変位量を変位変換部で検出する、ことを特徴とする三次元変位センサー。
【請求項２】
前記変位検知部は、ケーシングに外端が取り付けられ内方に延びた中空ストラットを有し、該ストラットの内端面は、変位伝達ロッドの軸線に直交するＸ−Ｙ変位面を形成しており、前記変位伝達ロッドはストラットを軸方向に貫通しており、
変位検知部は更に、外端部が変位伝達ロッドの先端部に枢着され、内端部が高温コア部に嵌合し、該コア部の動きをＸ−Ｙ変位面に伝える移動側支持金具と、該支持金具とＸ−Ｙ変位面との間に挟持され、支持金具をコア部に密着させる圧縮スプリングとを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の三次元変位センサー。
【請求項３】
前記変位変換部は、変位伝達ロッドの末端部に取り付けられた円筒形の変位伝達ブロックと、該ブロックの外周面のＸ−Ｙ変位を計測するＸ−Ｙ変位計と、ブロックの外端面のＺ方向移動量を計測するＺ軸変位計と、からなることを特徴とする請求項１に記載の三次元変位センサー。
【請求項４】
前記Ｘ−Ｙ変位計は、一端がケーシングに固定され他端がブロックの外周面に付勢された複数のカンチレバーと、該カンチレバーに取り付けられその歪みを検出するひずみゲージと、を有することを特徴とする請求項３に記載の三次元変位センサー。
【請求項５】
Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ対向したそれぞれ１対のカンチレバーと、該カンチレバーに取り付けられその歪みを検出するひずみゲージとを有し、ひずみゲージの出力を差動入力とし、それらの出力を各軸方向の変位量とする差動増幅器を更に備える、ことを特徴とする請求項３に記載の三次元変位センサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジェットエンジンのコア部分を構成する高温雰囲気中の部材と、ダクト部分を構成する低温雰囲気中の部材との、相対変位を計測する三次元変位センサーに係わり、更に詳しくは、サーモカップルの寿命と信頼性を高めるため、高温部の三次元変位を検出可能な三次元変位センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボファンエンジン１は、図８に模式的に示すように、空気を取り入れるファン２、取り入れた空気を圧縮する圧縮機３、圧縮した空気により燃料を燃焼させる燃焼器４、燃焼器４の燃焼ガスによりファン２及び圧縮機３を駆動するタービン５、燃料を再噴射して再燃焼させるアフターバーナ６等を備えており、ファン２で取り入れられた空気を、圧縮機３、燃焼器４およびタービン５を通るコア流７と、これらをバイパスするバイパス流８（ファン流）とに分岐し、ミキサ部９で合流させるようになっている。
【０００３】
圧縮機３、燃焼器４及び高圧タービン５ａで構成される部分をコアエンジン（又はコア部１０）と呼び、ターボファンエンジン１は、このコアエンジンにファン２とファンタービン５ｂを追加した構成になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したターボファンエンジン１において、コアエンジンは、ケーシング内で前後左右に大きく変位する。すなわち、エンジン運転中に高温部は大きく熱膨張し、かつ推力の変化によりコアエンジン全体がケーシング内で前後する。また、タービン内においても、静翼（タービンベーン）に作用するガス流によりタービンベーンが前後左右に変位する。
【０００５】
これらの変位は、ターボファンエンジンの性能、エンジン補機の寿命等に大きく影響する。そのため、従来からこれらの変位を正確に把握することが、強く求められていた。
すなわち例えば、ファンダクトの最外壁を固定端として、エンジン・コアの構成要素である、タービンベーンの温度を測定するためのファンタービン入口温度サーモカップル感温部が、エンジンの軸方向又は周方向、更には半径方向に移動する。これらの相対変位量と変位方向は、ファンタービン入口温度サーモカップルの寿命に大きく影響するため、その挙動の実体を把握することは、エンジン補機の寿命延長に係わる重要課題となっている。
【０００６】
しかし、従来、かかる変位計測は以下の２つの理由で不可能と考えられていた。
▲１▼コアエンジンやタービンベーンは、約５００〜６００℃の高温に達する。
▲２▼コアエンジンやタービンベーンは、静止部分（ケーシング）に対して前後左右に三次元的に変位し、かつこの変位量が大きい（例えば５０ｍｍ以上）。
【０００７】
本発明は、かかる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、ジェットエンジンのコア部分を構成する高温雰囲気中の部材と、ダクト部分を構成する低温雰囲気中の部材との、相対変位を計測することができる三次元変位センサー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、高温のコア部に取り付けられた変位検知部と、低温のケーシングに取り付けられた変位変換部と、変位検知部から変位変換部に三次元変位を伝達する変位伝達部とからなり、変位伝達部は、バイパス流路を通して変位検知部から変位変換部まで延びる細長い変位伝達ロッドと、該変位伝達ロッドの中間部を揺動可能かつ軸方向に移動可能に支持する支持金具と、からなり、変位伝達ロッドの先端部の三次元変位をテコ式に末端部に伝達し、この変位量を変位変換部で検出する、ことを特徴とする三次元変位センサーが提供される。
【０００９】
この構成により、細長い変位伝達ロッドの中間部を支持金具で揺動可能かつ軸方向に移動可能に支持することにより、変位伝達ロッドの先端部の三次元変位をテコ式に末端部に伝達してこの変位量を変位変換部で検出することができる。
また、変位伝達ロッドは、バイパス流路を通して変位検知部から変位変換部まで延びているので、比較的低温（約２００℃前後）のバイパス流により変位伝達ロッドを低温に保持することができ、高温のコア部から変位変換部へ伝わる熱量を少なく抑え、変位変換部を高温から保護しながら、コア部分を構成する高温雰囲気中の部材と、ダクト部分を構成する低温雰囲気中の部材との、相対変位を計測することができる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記変位検知部は、ケーシングに外端が取り付けられ内方に延びた中空ストラットを有し、該ストラットの内端面は、変位伝達ロッドの軸線に直交するＸ−Ｙ変位面を形成しており、前記変位伝達ロッドはストラットを軸方向に貫通しており、変位検知部は更に、外端部が変位伝達ロッドの先端部に枢着され、内端部が高温コア部に嵌合し、該コア部の動きをＸ−Ｙ変位面に伝える移動側支持金具と、該支持金具とＸ−Ｙ変位面との間に挟持され、支持金具をコア部に密着させる圧縮スプリングとを有する。
【００１１】
この構成により、内端部が高温コア部に嵌合した変位検知部の外端部が変位伝達ロッドの先端部に枢着しているので、コア部のＸ−Ｙ変位面に対するＸ−Ｙ変位を、テコ式に末端部に伝達してそのレバー比で変位変換部に伝え、コア部のＺ方向移動量をそのまま変位伝達ロッドの先端部のＺ方向移動量として伝えることができる。
【００１２】
前記変位変換部は、変位伝達ロッドの末端部に取り付けられた円筒形の変位伝達ブロックと、該ブロックの外周面のＸ−Ｙ変位を計測するＸ−Ｙ変位計と、ブロックの外端面のＺ方向移動量を計測するＺ軸変位計とからなる。この構成により、変位伝達ロッドによりテコ式にそのレバー比で変位変換部に伝えられたＸ−Ｙ変位と、コア部のＺ方向移動量をそのまま変位変換部に伝えられたＺ方向移動量をＸ−Ｙ変位計及びＺ軸変位計により計測することができる。
【００１３】
前記Ｘ−Ｙ変位計は、一端がケーシングに固定され他端がブロックの外周面に付勢された複数のカンチレバーと、該カンチレバーに取り付けられその歪みを検出するひずみゲージと、を有する。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ対向したそれぞれ１対のカンチレバーと、該カンチレバーに取り付けられその歪みを検出するひずみゲージとを有し、ひずみゲージの出力を差動入力とし、それらの出力を各軸方向の変位量とする差動増幅器を更に備えることが好ましい。
【００１４】
この構成により、ブロックの外周面に付勢された複数のカンチレバーとひずみゲージにより、変位伝達ロッドの末端部のＸ−Ｙ変位を正確に計測し、変位伝達ロッドのレバー比により、高温コア部の変位を正確に換算することができる。また、特にひずみゲージの出力を差動入力とする差動増幅器を設けることにより、温度補償ができ、計測精度を高めることができる。
【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。
本発明の適用例として、エンジン・コア部分の構成部材である、タービンベーンの温度を測定するサーモカップルの形状を模して、エンジンの運転過程で、コア，ダクト間に生じる相対変位によりサーモカップルに作用する三次元方向の相対変位（エンジン軸（Ｘ軸），円周（Ｙ軸），及び半径（Ｚ軸））に追従し、それぞれの変位量を電気信号に変換する三次元変位センサーについて以下に説明する。
【００１６】
対象とする変位発生部は、エンジン・コア部の極めて高温部に位置するため、変位測定のためのひずみゲージ式変位変換器をエンジン内部に設置することは、使用温度域を越えるため不可能である。このため変位変換部は、エンジン外部の温度条件を満足する位置に設置し、更に、三次元変位伝達機構を設けることで、高温部の変位を低温部に伝達することを可能にしたものである。
【００１７】
なお本発明は、ガスタービンエンジンにおけるコアとダクト間の相対変位を、エンジン運転の条件下で実測することが可能であり、ファンタービン入口温度サーモカップルのみならず、コアとダクト間に介在する構造部材の相対変位量とその挙動を把握することができ、エンジン構成部材の構造強度信頼性向上に寄与することができる。
【００１８】
図１は、本発明による三次元変位センサーの全体縦断面図、図２はひずみゲージ式カンチレバー型変位変換器の構成を示す縦断面図、図３は、Ｘ，Ｙ二次元方向の変位出力をアウトプットするＸ−Ｙ変位測定装置の構成例、図４は、Ｚ軸方向の変位出力をアウトプットする変位測定装置の構成例、図５は、三次元変位センサーの全体システムの一例を示すブロック図、図６は、本発明にかかる三次元変位センサー構成要素の挙動を示す動作図、図７は、Ｘ，Ｙ方向の変位発生時における、ひずみゲージ式カンチレバー型変位変換器の挙動を示す動作図である。
【００１９】
図１において、本発明の三次元変位センサーは、高温のコア部１０に取り付けられた変位検知部２０と、低温のケーシング１１に取り付けられた変位変換部４０と、変位検知部２０から変位変換部４０に三次元変位を伝達する変位伝達部３０とからなる。
変位伝達部３０は、バイパス流路８を通して変位検知部２０から変位変換部４０まで延びる細長い変位伝達ロッド３２と、変位伝達ロッド３２の中間部を揺動可能かつ軸方向に移動可能に支持する支持金具３４とからなり、変位伝達ロッド３２の先端部３２ａの三次元変位をテコ式に末端部３２ｂに伝達し、この変位量を変位変換部４０で検出するようになっている。
【００２０】
図１において、変位検知部２０は、ケーシング１１に外端２２ａが取り付けられ内方に延びた中空ストラット２２を有する。このストラット２２の内端面２２ｂは、変位伝達ロッド３２の軸線に直交するＸ−Ｙ変位面を形成している。また変位伝達ロッド３２はストラット２２を軸方向に貫通している。
変位検知部２０は更に、移動側支持金具２４、圧縮スプリング２６、及びスプリング座２７を有する。移動側支持金具２４は、外端部２４ａが変位伝達ロッド３２の先端部３２ａにボールヒンジで枢着され、内端部２４ｂが高温コア部１０に嵌合してコア部１０の動きをＸ−Ｙ変位面２２ｂに伝えるようになっている。また、圧縮スプリング２６は、支持金具２４とＸ−Ｙ変位面２２ｂとの間に挟持され、支持金具２４をコア部１０に密着させるようになっている。
【００２１】
変位変換部４０は、変位伝達ロッド３２の末端部３２ｂに取り付けられた円筒形の変位伝達ブロック４２と、ブロック４２の外周面のＸ−Ｙ変位を計測するＸ−Ｙ変位計４４と、ブロック４２の外端面のＺ方向移動量を計測するＺ軸変位計４６とからなる。
Ｘ−Ｙ変位計４４は、一端がケーシング１１に固定され他端がブロックの外周面に付勢された複数のカンチレバー４５ａと、カンチレバー４５ａに取り付けられその歪みを検出するひずみゲージ４５ｂと、を備えている。
【００２２】
図２及び図３（Ａ）において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ対向したそれぞれ１対のカンチレバー４５ａと、カンチレバー４５ａに取り付けられその歪みを検出するひずみゲージ４５ｂとを有し、ひずみゲージ４５ｂの出力を差動入力とし、それらの出力を各軸方向の変位量とする差動増幅器４７ａを更に備えている。この構成により、温度補償ができ、計測精度を高めることができる。
【００２３】
なお、図３（Ｂ）の増幅器４７ｂにより、加算出力を得ることができ、図３（Ｃ）の増幅器４７ｃにより平均出力を得ることができる。
【００２４】
図１において、三次元変位センサーの変位検知部２０は、ケーシング１１のダクト外壁部からエンジン・コア部分１０に挿入するため、サーモカップル取付座の挿入ポートを流用した形状となっているが、本発明はこれに限定されるものではない。
変位検知部２０は、Ｘ，Ｙ軸については、基準位置（初期設定位置）に対し、Ｘ−Ｙ座標面を正負方向の変位する。また、Ｚ軸についても基準位置（初期設定位置）に対し、エンジン中心、又は外側に向って、正負両方向の変位を生じる。従って、これらの動きに追従し伝達すための移動側支持金具２４を設けた。また、相対変位発生位置として、スプリング座２７の端面とストラット端面２２ｂとの摺動面を、Ｘ−Ｙ座標に見立て、この面上を支持金具２４が自由に移動できるようになっている。更に、Ｚ軸の正負方向の変位に対応するため、移動側支持金具２４とＸ−Ｙ座標面２２ｂとの間にスプリング２６を入れ、任意の基準位置（初期設定位置）からの正負方向の変位に対し、追従を可能にしている。
【００２５】
相対変位発生部位は、リア・ファン・ダクト内に位置し、高温空気流及びタービン・ケースからの伝熱により極めて高温となるため、上述したように、変位変換部４０はダクト内ではなく、温度的に緩やかなダクト外部に設置し、内部に生じている三方向の変位を外部に伝えるテコ式変位伝達機構を設け対処している。図１及び図２の例では、テコ式変位伝達機構は、Ｚ軸（エンジン半径方向）の変位は直接（１：１）に、Ｘ−Ｙ軸方向（Ｘ軸（エンジン軸方向）、Ｙ軸（エンジン周方向））の変位はレバー比を（２：１）に設定し、高温部において生じる変位を、エンジン外部の熱的に緩やかな箇所まで伝達する。このテコ式変位伝達機構において、Ｘ，Ｙ方向変位とＺ方向変位を同時に伝達するため、テコ式三次元変位伝達ロッド３２の先端部３２ａにはボールヒンジを、支点となるヒンジ部には、回転と滑動が可能な、回転・スライド・ヒンジ（支持金具３４）を設け対処している。
【００２６】
更に、テコ式変位伝達ロッド３２のダクト側端部３２ｂには、ドラム型の変位伝達ブロック４２が固着され、その円周にひずみゲージ式カンチレバー型変位変換器４４の探触エッジが初期変位を加えた状態で接触している。更に、変位伝達ブロック４２の底部には、ひずみゲージ式直進型変位変換器４６のスピンドル先端（探触子）が、初期変位を与えた状態で接触している。
【００２７】
これにより、エンジン・ダクトの外側に設けた変位変換器のうち、Ｚ軸方向の変位については、実変位を直接伝達した変位量を、ひずみゲージ式直進型変位変換器４６で検出し、Ｘ，Ｙ軸方向の変位については、実変位を１／２に変換した変位量を、ひずみゲージ式カンチレバー型変位変換器４４で検出する。
Ｚ軸方向の変位は、ドラム型の変位伝達ブロック４２に伝達され、ひずみゲージ式直進型変位変換器４６のスピンドル４６ａに変位を与え、その方向によりスピンドルは前進又は後退する。この際、ひずみゲージ式カンチレバー型変位変換器４４に対しては、ドラム型の変位伝達ブロック４２が、カンチレバー型変位変換器４４の探触エッジとの接触面を摺動するのみで、ひずみゲージ式カンチレバー型変位変換器４４に変位を与えることなく、Ｚ軸関連の情報信号が発生するのみで、Ｘ，Ｙ軸関連の情報信号は発生せず、無効出力としてのクロストーク・ノイズは生じない。
【００２８】
Ｘ，Ｙ軸方向の変位は、ドラム型の変位伝達ブロック４２に伝達され、ひずみゲージ式カンチレバー型変位変換器４４のカンチレバーに変位を与え、その方向に応じカンチレバーは初期の設定位置から迎角又は俯角の変位をおこす。この際、ひずみゲージ式直進型変位変換器４６のスピンドル先端は、ドラム型の変位伝達ブロック４２の底面を滑走するのみで、ひずみゲージ式直進型変位変換器４６に変位を与えることはなく、Ｘ，Ｙ軸関連の情報信号が発生するのみで、Ｚ軸関連の情報信号は発生せず、無効出力としてのクロストークは生じない。
【００２９】
Ｘ軸変位出力およびＹ軸変位出力をデータ収録装置に記録する一方、Ｘ−Ｙレコーダに入力し、リアルタイムでＸ−Ｙ変位挙動をモニターするのがよい。また、Ｚ軸方向の変位はボールヒンジを取り付けたテコ式三次元変位伝達ロッドと、これを案内するスライド，回転，ヒンジおよび変位伝達ブロックを介して直進型変位計に直接伝達され、この変位量に対応する直進型変位計の出力をひずみ増幅器に入力し、当該ひずみ増幅器出力をＺ軸方法変位量とし、Ｚ軸変位出力をデータ収録装置に記録し、そのデータをＺ軸方向変位測定値とする一方Ｘ，Ｙ軸方向変位測定値の補正値として使用する。
【００３０】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３１】
【発明の効果】
上述した本発明の構成により、細長い変位伝達ロッドの中間部を支持金具で揺動可能かつ軸方向に移動可能に支持することにより、変位伝達ロッドの先端部の三次元変位をテコ式に末端部に伝達してこの変位量を変位変換部で検出することができる。また、変位伝達ロッドは、バイパス流路を通して変位検知部から変位変換部まで延びているので、比較的低温（約２００℃前後）のバイパス流により変位伝達ロッドを低温に保持することができ、高温のコア部から変位変換部へ伝わる熱量を少なく抑え、変位変換部を高温から保護しながら、コア部分を構成する高温雰囲気中の部材と、ダクト部分を構成する低温雰囲気中の部材との、相対変位を計測することができる。
【００３２】
従って、本発明の三次元変位センサーは、ジェットエンジンのコア部分を構成する高温雰囲気中の部材と、ダクト部分を構成する低温雰囲気中の部材との、相対変位を計測することができる、優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による三次元変位センサーの全体縦断面図である。
【図２】ひずみゲージ式カンチレバー型変位変換器の構成を示す縦断面図である。
【図３】Ｘ，Ｙ二次元方向の変位出力をアウトプットするＸ−Ｙ変位測定装置の構成例じある。
【図４】Ｚ軸方向の変位出力をアウトプットする変位測定装置の構成例である。
【図５】三次元変位センサーの全体システムの一例を示すブロック図である。
【図６】本発明にかかる三次元変位センサー構成要素の挙動を示す動作図である。
【図７】Ｘ，Ｙ方向の変位発生時における、ひずみゲージ式カンチレバー型変位変換器の挙動を示す動作図である。
【図８】ターボファンエンジンの構成図である。
【符号の説明】
１  ターボファンエンジン
２  ファン
３  圧縮機
４  燃焼器
５  タービン
６  アフターバーナ
７  コア流
８  バイパス流
９  ミキサ部
１０  コアエンジン（コア部）
１１  ケーシング
２０  変位検知部
２２  ストラット
２４  移動側支持金具
２６  圧縮スプリング
２７  スプリング座
３０  変位伝達部
３２  変位伝達ロッド
３４  支持金具（回転・スライド・ヒンジ）
４０  変位変換部
４２  変位伝達ブロック
４４  Ｘ−Ｙ変位計（ひずみゲージ式カンチレバー型変位変換器）
４５ａ  カンチレバー
４５ｂ  ひずみゲージ
４６  Ｚ軸変位計（ひずみゲージ式直進型変位変換器）
４７ａ  差動増幅器
４７ｂ，４７ｃ  増幅器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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