(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱ひずみを測定する棒状の測定素子本体とその本体と一体に形成された平板状のフランジ部とを有するひずみゲージを、熱応力を測定する対象となる被測定体に貼り付ける部分と同一の材料であって同一の形態を有する測定片に、ひずみゲージのフランジ両端縁部を溶接するとともに、ひずみゲージの近傍に測定片の温度を測定する熱電対を取り付け、その後この測定片を自由膨張できるように無拘束の状態で加熱炉に設置し、昇温過程の所定温度における測定片の見かけ熱ひずみをひずみゲージで測定するとともに、測定片の温度を熱電対で測定し、その後ひずみゲージのフランジ両端縁部をひずみゲージに残留応力が発生しないように切断することによりひずみゲージを測定片から取り外す際に、ひずみゲージのフランジ両端縁部が露出するように、両側のフランジ部のそれぞれに接着剤を貼り、その上に幅及び長さが接着剤と同一寸法のシム材を貼り付け、その上に幅及び長さが接着剤と同一寸法の溶射テープを貼り付け、さらに、その上に両側の前記溶射テープを覆い且つフランジ両端縁部を露出するように溶射テープを貼り付けることによりひずみゲージをマスキングし、その後サンドブラストによりフランジ両端縁部を摩滅して、ひずみゲージを測定片から取り外し、その取り外したひずみゲージを被測定体に溶接して貼り付け、上記測定結果から導き出されるひずみゲージの温度特性を利用して被測定体の熱応力を推定することを特徴とするひずみゲージの温度特性予知方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機用ガスタービンエンジンなどの高温状態で使用するため耐熱性を必要とする構造部材の熱応力測定の精度を向上させるひずみゲージの温度特性予知方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
航空機用ガスタービンエンジンなどの燃焼器やアフターバーナなどは、高温状態で使用するため耐熱性を必要とするが、耐熱処理を施しているとは言え、長時間しかも繰り返し高温に晒されるためどうしても割れなどを生じてしまう。特に、アフターバーナのライナーにおいては１０００℃前後の高温に長時間かつ繰り返して晒されるため、セラミックスコーティングなどの耐熱処理を施していても損傷する懸念もある。これを防止するための対策、改善を検討するためには、その実働状態における熱応力を測定して現状を把握する必要がある。
【０００３】
この熱応力を測定する一般的な手段として、溶接型のひずみゲージを利用して熱応力を推定する方法がある。この方法は、まず熱応力を測定する対象に貼り付ける部分と同一の材料であって同一の形態を有する測定片を自由膨張させたときの熱ひずみ（以下「見かけ熱ひずみ」という。）と温度を測定し、ひずみゲージの温度特性を導き出しておく。続いて熱応力を測定する対象となる被測定体の実働状態における熱ひずみ（以下「実測熱ひずみ」という。）と温度を測定し、その実測熱ひずみ値と、前もって導き出しておいた温度特性から予知される所定温度の見かけ熱ひずみ値との差をとることにより、被測定体の拘束条件、圧力差、温度勾配などから生じる熱ひずみ（以下「真の熱ひずみ」という。）を導き出し、この真の熱ひずみ値から熱応力を推定する方法である。
【０００４】
ここで、熱ひずみを測定する一般的なひずみゲージを図６に示す。（Ａ）はひずみゲージの正面図であり、（Ｂ）は上面図である。なお、図６（Ｂ）において測定素子本体１は一部分を切り取って内部を図示している。このひずみゲージ３は、アクティブ素子１１と、ダミー素子１２と、これらを覆う耐食性に優れたパイプ状の金属１３と、このパイプ状の金属１３の内部に充填された断熱材１４（例えばＭｇＯなど）とからなる測定素子本体１を有し、幅２．５ｍｍ程度の平板状のフランジ部２を測定素子本体１の両側に一体に形成したものであり、１０００℃近い高温状態で熱ひずみの測定を行うことができるものである。全体の大きさは、幅が約６ｍｍ、長さが約１６．５ｍｍである。このひずみゲージは、基本的にアクティブ素子１１により被測定体の熱ひずみの測定をするようになっているが、このひずみゲージ３自身も高温状態に晒されるため、アクティブ素子１１による熱ひずみの測定結果には自分自身の熱ひずみも含まれてしまう。この自分自身の熱ひずみを補償する役割を担っているのがダミー素子１２である。なお、図中２０は測定したデータを外部に出力するためのゲージ出力ケーブルであり、２６は接続チューブである。
【０００５】
しかし、航空機用ガスタービンエンジンなどの構造部材は特殊な材料を使用しているため、その材料に適応するように温度補償されたひずみゲージを入手することは困難である。また、溶接型のひずみゲージは、一度被測定体に溶接してしまうと、取り外して再使用することができない。そこで、図６に示すようなひずみゲージで精度の良い測定を行うために、同一ロットからサンプルとして幾つかのひずみゲージをランダムに選び、そのサンプルから得られた温度特性に統計的処理を加えて、ロット全体の温度特性とみなす方法がとられていた。しかし、溶接型のひずみゲージにおいては同一ロット内の温度特性のばらつきが大きいため、この方法では精度の良い測定をすることができない。そこで、個々のひずみゲージについて温度特性を導き出すために、次のような温度特性試験が行われている。
（１）被測定体が加熱炉に収納可能な大きさのときは、被測定体の測定箇所にひずみゲージをスポット溶接により取り付け、無拘束の状態で被測定体全体を加熱し、昇温過程の所定温度における見かけ熱ひずみを測定する。この場合には、温度特性試験で使用した被測定体およびひずみゲージをそのまま実測熱ひずみの測定に使用することができる。
（２）被測定体が加熱炉に収納不可能な大きさのときや、大型の加熱炉では被測定体の実働温度に到達しえないときには、図７に示すように、被測定体と同じ材料の固定治具１５によりひずみゲージ３のフランジ部２を固定して、小型の加熱炉７に収納して、昇温過程の所定温度における温度とその見かけ熱ひずみを測定する。この測定結果から温度特性を導き出し、固定治具１５からひずみゲージ３を取り外して熱応力を測定する対象となる被測定体に溶接し、実測熱ひずみを測定する。なお、図７（Ａ）は固定治具１５の正面図であり、（Ｂ）はＡ−Ａ断面図である。この固定治具１５は、上部固定金具１６と、下部固定金具１７と、４個の締付ボルト１８とから構成されている。上部固定金具１６の凹部１９にひずみゲージ３の測定素子本体１を挿入し、上部固定金具１６と下部固定金具１７とでひずみゲージ３のフランジ部２を挟持し、締付ボルト１８で締め付けることによりひずみゲージ３を固定している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、航空機用ガスタービンエンジンなどの構造部材は寸法が大きいため、収納可能な加熱炉の適用が制約される。また、実働温度も高いため、さらに加熱炉に対する制約が加わる。したがって、固定治具を使用してひずみゲージの温度特性試験をしなければならないが、航空機用ガスタービンエンジンなどの構造部材においては特殊な材料を使用しているため、温度特性試験を行うための固定治具を被測定体と同じ材料で作ることが困難である。仮に被測定体と同じ材料で作られた固定治具が得られたとしても、その固定治具とひずみゲージのフランジとの線膨張係数の差により、固定治具とひずみゲージに滑りが生じるため、精度よく見かけ熱ひずみの測定をすることができない。また、被測定体のひずみゲージの取り付ける部分と同一形態の固定治具を得ることはできないので、その形態の相違により、ひずみゲージの温度特性の再現性が悪い。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するために創案されたものである。すなわち、固定治具を使用する必要がなく、ひずみゲージの温度特性を正確に把握するとともにその温度特性の再現性を向上させて、熱応力の推定の精度を向上させることができるひずみゲージの温度特性予知方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、熱ひずみを測定する棒状の測定素子本体とその本体と一体に形成された平板状のフランジ部とを有するひずみゲージを、熱応力を測定する対象となる被測定体に貼り付ける部分と同一の材料であって同一の形態を有する測定片に、ひずみゲージのフランジ両端縁部を溶接するとともに、ひずみゲージの近傍に測定片の温度を測定する熱電対を取り付け、その後この測定片を自由膨張できるように無拘束の状態で加熱炉に設置し、昇温過程の所定温度における測定片の見かけ熱ひずみをひずみゲージで測定するとともに、測定片の温度を熱電対で測定し、その後ひずみゲージのフランジ両端縁部をひずみゲージに残留応力が発生しないように切断することによりひずみゲージを測定片から取り外す際に、ひずみゲージのフランジ両端縁部が露出するように、両側のフランジ部のそれぞれに接着剤を貼り、その上に幅及び長さが接着剤と同一寸法のシム材を貼り付け、その上に幅及び長さが接着剤と同一寸法の溶射テープを貼り付け、さらに、その上に両側の前記溶射テープを覆い且つフランジ両端縁部を露出するように溶射テープを貼り付けることによりひずみゲージをマスキングし、その後サンドブラストによりフランジ両端縁部を摩滅して、ひずみゲージを測定片から取り外し、その取り外したひずみゲージを被測定体に溶接して貼り付け、上記測定結果から導き出されるひずみゲージの温度特性を利用して被測定体の熱応力を推定することを特徴とするひずみゲージの温度特性予知方法が提供される。
【００１１】
上記本発明のひずみゲージの温度特性予知方法によれば、熱応力を測定する対象となる被測定体のひずみゲージを貼り付ける部分と同一の材料であって同一の形態を有する測定片（測定片自身の大きさは小さい）に、ひずみゲージをスポット溶接してその見かけ熱ひずみを測定することができるので、熱応力を測定する対象となる被測定体が加熱炉に収納不可能な場合においても、その被測定体にひずみゲージを直接溶接してその見かけ熱ひずみを測定したときと同レベルの精度を得ることができる。さらに、溶接したひずみゲージのフランジ両端縁部を、ひずみゲージに残留応力を発生させることなく切断することによりひずみゲージを測定片から取り外し、その取り外したひずみゲージを被測定体に貼り付けることができるため、個々のひずみゲージの温度特性を正確に把握することができる。また、温度特性の再現性に優れているため、実測熱ひずみを測定したときの温度特性を精度良く予知することができる。したがって、真の熱ひずみを精度良く測定することができるので、熱応力の推定の精度を向上させることができる。
【００１２】
また、ひずみゲージを測定片から取り外すときには、ひずみゲージのフランジ両端縁部が露出するようにひずみゲージをマスキングし、その後サンドブラストによりフランジ両端縁部を摩滅して、ひずみゲージに残留応力を発生しないように、かつ容易にひずみゲージを測定片から取り外すことができる。
【００１３】
さらに、ひずみゲージをマスキングするときには、ひずみゲージのフランジ両端縁部が露出するように、両側のフランジ部のそれぞれに接着剤を貼り、その上に幅及び長さが接着剤と同一寸法のシム材を貼り付け、その上に幅及び長さが接着剤と同一寸法の溶射テープを貼り付け、さらに、その上に両側の前記溶射テープを覆い且つフランジ両端縁部を露出するように溶射テープを貼り付けることによりひずみゲージをマスキングするため、ひずみゲージのフランジ両端縁部をサンドブラストにより摩滅してもひずみゲージのマスキングした箇所に残留応力が発生することはなく、容易かつ迅速にひずみゲージをマスキングすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図１から図４を参照して説明する。
なお、各図において従来と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明のひずみゲージ３の温度特性予知方法において、その温度特性を把握する温度特性試験の概念図である。図中の測定片４は、熱応力を測定する対象となる航空機エンジン用アフターバーナのライナーなどの被測定体のひずみゲージ３を貼り付けする部分と同一の材料であって、例えば曲面の形状とその曲率半径の大きさなどが同一の形態を有するものである。その測定片４には、ひずみゲージ３のフランジ両端縁部５がスポット溶接され、ひずみゲージ３の近傍に測定片４の温度を測定する熱電対６が取り付けられている。本図は、この測定片４を自由膨張できるように無拘束の状態で加熱炉７に設置した状態を示している。加熱炉７の温度をコントロールすることにより被測定体の実働温度を模擬し、その昇温過程の所定温度における測定片４の見かけ熱ひずみをひずみゲージ３で測定し、その測定結果をゲージ出力ケーブル２０を通してデータロガー２１に記録するとともに、測定片４の温度を熱電対６で測定し、その測定結果を熱電対出力ケーブル２２を通してデータロガー２１に記録している。
【００１６】
これらの測定結果を記録した後、ひずみゲージ３を測定片４から取り外すべくマスキングする。図２は、ひずみゲージ３を金属片２３でマスキングした状態を示す図である。ひずみゲージ３のフランジ幅はそれぞれ約２．５ｍｍであり、スポット溶接されたフランジ両端縁部５を約０．５ｍｍずつ露出するように金属片２３でマスキングしている。この金属片２３は、フランジ両端縁部５を両方とも露出するように幅が約５ｍｍであってもよいし、片側だけ露出するようにするのであれば、幅は適当な長さでよい。金属片２３の長さは、ひずみゲージ３を覆うように１６．５ｍｍ以上あればよい。なお、このマスキング方法は参考例である。
【００１７】
ひずみゲージ３をマスキングしたら、サンドブラストにより露出したフランジ両端縁部５を摩滅させ、ひずみゲージ３の測定片４に取り付けられていた箇所を切断する。したがって、測定片４から取り外されたひずみゲージ３はそのフランジ幅が約０．５ｍｍ（全体で約１ｍｍ）短くなっている。この取り外したひずみゲージ３のフランジ幅はそれぞれ約２．０ｍｍになるが、スポット溶接には約０．５ｍｍの幅があれば十分であるので、何の問題もなく熱応力を測定する対象となる被測定体にスポット溶接して貼り付けることができる。
【００１８】
図１において、演算処理装置２４は、データロガー２１に記録された見かけ熱ひずみが最小値となるように適切な調整抵抗を付加し、その調整された見かけ熱ひずみと温度の関係を四次式または適切な近似式で近似し、ひずみゲージ３の見かけ熱ひずみ予知式をつくるものである。この予知式に基づく見かけ熱ひずみと温度の関係がいわゆるひずみゲージ３の温度特性であり、これをデータシートとして出力することもできる。
【００１９】
ひずみゲージ３を測定片４から取り外し、そのひずみゲージ３の温度特性を導き出した後、そのひずみゲージ３を熱応力を測定する対象となる被測定体にスポット溶接して貼り付け、被測定体の実測熱ひずみを測定する。例えば、被測定体が航空機エンジン用アフターバーナのライナーであれば実際にエンジンを運転して測定する。そして、実測熱ひずみの測定終了後、実測熱ひずみとひずみゲージ３の温度特性から予知される所定温度の見かけ熱ひずみとの差をとることにより、熱応力を推定するのに必要な真の熱ひずみを得ることができる。
【００２０】
また、ひずみゲージ３を測定片４から取り外すときにマスキングする手段として、以下のようなマスキング方法を採ることにより、ひずみゲージ３を容易かつ迅速にマスキングすることができる。図３はひずみゲージ３のマスキング方法を示す図であり、図４はマスキング終了後サンドブラスト処理を施すときの図である。上述したようにひずみゲージ３は、全幅が約６ｍｍ、フランジ幅（片側）が約２．５ｍｍ、溶接されたフランジ両端縁部５（片側）が約０．５ｍｍ、長さが約１６．５ｍｍである。まず、このフランジ両端縁部５を露出するように幅約２ｍｍ、長さ約２０ｍｍの両面接着剤８を測定片４およびフランジ部２に貼り付ける。その上に両面接着剤８と同じ大きさでＳＵＳのシム材９を貼り付ける。さらに、両面接着剤８と同じ大きさの溶射テープ１０を重ねて２枚貼り付け、最後に幅が約２０ｍｍ、長さが約２０ｍｍの溶射テープ２５をフランジ両端縁部５の一方のみを露出するように貼り付ける。
【００２１】
マスキングが終了したら、図４に示すように、露出したフランジ両端縁部５の高さ約１０ｍｍの位置から、約６Ｋｇｆ／ｃｍ２の砂の吹き出し圧力でサンドブラスト処理を施す。なお、図中２７はサンドブラストノズルである。このとき、このフランジ両端縁部５をきれいに摩滅するには、その長さ方向に１ｃｍ／ｓの速さで、５０〜６０往復させるのが好ましい。一方のサンドブラスト処理が終了したら、一番上の溶射テープ２５のみを剥がし、フランジ両端縁部５の他方を露出するように貼り換える。そして同様にサンドブラスト処理を施してフランジ両端縁部５を摩滅させてフランジ部２を切断する。フランジ両端縁部５の両方を切断したら、上から順に溶射テープ２５，１０、シム材９および両面接着剤８を剥がしていく。このようにすれば、ひずみゲージ３を容易かつ迅速に、残留応力が残るような外力を与えることなく、測定片４から取り外すことができる。本発明では、一番上の溶射テープ２５は、フランジ両端縁部５の両方を露出するように、幅を約５ｍｍにしてもよい。そうすれば、溶射テープ２５を貼り換える手間を省くことができる。
【００２２】
上述したように、温度特性を予知されたひずみゲージ３を被測定体の熱応力の測定に再使用するのであるが、ここで問題になるのは、温度特性を予知されたひずみゲージ３が切断され、被測定体に溶接され、被測定体の熱ひずみを測定したときに、予知した温度特性がどの程度再現されるのかどうかである。このひずみゲージ３の温度特性予知の再現性について、発明者は実験することによりその再現性が非常に優れていることを確認している。
【００２３】
この実験は、ひずみゲージ３をスポット溶接して取り付けた測定片４（ＳＵＳ３０４）を自由膨張できるように無拘束の状態で加熱炉７に設置し、その加熱炉７を航空機エンジンの運転時にひずみゲージに加わる温度条件を模擬するように温度制御して、昇温過程の所定温度における見かけ熱ひずみを測定して温度特性を導き出し、その後ひずみゲージ３を取り外して、この測定片４と全く同じ測定片４に再溶接し、その測定片４を自由膨張できるように無拘束の状態で加熱炉７に設置し、その加熱炉７を航空機エンジンの運転時にひずみゲージに加わる温度条件を模擬するように温度制御して、昇温過程の所定温度（０℃から５０℃ごとに４００℃まで）における熱ひずみを測定し、その結果を比較するというものである。その実験結果の比較表が表１であり、それをグラフにしたものが図５である。表中の予知データとは、温度特性試験により導き出された温度特性に基づいて予知される所定温度（ここでは０℃から５０℃ごとに４００℃まで）における見かけ熱ひずみ値（μ）である。
【００２４】
【表１】
0003596565.tif 000002
【００２５】
なお、表中の予知データは、ひずみゲージ３の温度特性が収斂したと見做しうる３サイクル目と４サイクル目のデータを測定して温度特性を予知したものであり、実測データは１サイクル目と２サイクル目の熱ひずみを測定したものである。
【００２６】
表１および図５を見て分かるように、３サイクル目の予知データと１サイクル目の実測データでほとんどその数値に差はなく、予知したひずみゲージ３の温度特性の再現性が非常に優れていることが分かる。したがって、真の熱ひずみの精度を向上させることができるので、本発明のひずみゲージ３の温度特性予知方法によれば、精度のよい熱応力の推定をすることができる。４サイクル目の予知データと２サイクル目の実測データにおいても同様のことが言える。
【００２７】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
上述の本発明のひずみゲージの温度特性予知方法によれば、溶接したひずみゲージを取り外して再使用することができるため、ひずみゲージの温度特性を把握するための温度特性試験で使用したひずみゲージを、熱応力を測定する対象である被測定体に溶接して実測熱ひずみを測定することができる。したがって、個々のひずみゲージに合わせて温度特性を予知することができるため、真の熱ひずみの測定の精度が向上する。さらに、その温度特性の再現性も優れていることが実証されている。したがって、真の熱ひずみの測定の精度が向上する。
【００２９】
したがって、真の熱ひずみの測定の精度を向上させることができるので、被測定体の熱応力も精度よく推定することができることになる。
【００３０】
また、ひずみゲージを取り外すときに、サンドブラストを使用することにより、誰でも容易に正確に迅速に残留応力を発生させることなくひずみゲージのフランジ両端縁部を切断することができる。さらに、本発明のマスキング方法によれば、誰でも容易に正確に迅速にマスキングすることができる、などの優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のひずみゲージの温度特性予知方法において、その温度特性を把握する温度特性試験の概念図である。
【図２】ひずみゲージを金属片でマスキングした状態を示す図である。
【図３】本発明のひずみゲージのマスキング方法を示す図である。
【図４】マスキング終了後サンドブラスト処理を施すときの図である。
【図５】本発明による温度特性の再現性を確認する試験の結果をグラフに示した図である。
【図６】一般的な溶接型のひずみゲージを示す図である。
【図７】被測定体が加熱炉に収納不可能な大きさのときの温度特性データの測定方法を示す図である。
【符号の説明】
１  測定素子本体
２  フランジ部
３  ひずみゲージ
４  測定片
５  フランジ両端縁部
６  熱電対
７  加熱炉
８  両面接着剤
９  シム材
１０，２５  溶射テープ
１１  アクティブ素子
１２  ダミー素子
１３  パイプ状の金属
１４  断熱材
１５  固定治具
１６  上部固定金具
１７  下部固定金具
１８  締付ボルト
１９  凹部
２０  ゲージ出力ケーブル
２１  データロガー
２２  熱電対出力ケーブル
２３  金属片
２４  演算処理装置
２６  接続チューブ
２７  サンドブラストノズル
【図１】
0003596565.tif 000003
【図２】
0003596565.tif 000004
【図３】
0003596565.tif 000005
【図４】
0003596565.tif 000006
【図５】
0003596565.tif 000007
【図６】
0003596565.tif 000008
【図７】
0003596565.tif 000009