(57)【要約】【課題】作動ガスへ与える熱的影響を低減できる光学プローブの提供。【解決手段】タービンインペラ３に向けて投光したレーザー光の反射光を検知して該タービン翼の振動を計測する光学プローブであって、タービンハウジング１ｂを貫通してタービンインペラ３の端面３ａに対向配置され、上記レーザー光を投光する投光部及び上記反射光を受光する受光部を備える光ファイバーケーブル５１と、内部に光ファイバーケーブル５１が挿通する挿通路６０ａを備えると共に、タービンハウジング１ｂに一端部６０Ａが固定され、該一端部６０Ａからタービンハウジング１ｂの外部に延びた他端部６０Ｂおいて挿通路６０ａを閉じて光ファイバーケーブル５１を支持するプローブ冷却用ブロック６０と、タービンハウジング１ｂの外部のプローブ冷却用ブロック６０の特定箇所Ｐのみを冷却する冷却装置７０とを有するという構成を採用する。【選択図】図３
2011007678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン翼に向けて投光したレーザー光の反射光を検知して該タービン翼の振動を計測する光学プローブであって、
タービンのハウジングを貫通して前記タービン翼の端面に対向配置され、前記レーザー光を投光する投光部及び前記反射光を受光する受光部を備える光ファイバーと、
内部に前記光ファイバーが挿通する挿通路を備えると共に、前記ハウジングに一端部が固定され、該一端部から前記ハウジングの外部に延びた他端部おいて前記挿通路を閉じて前記光ファイバーを支持する支持部材と、
前記ハウジングの外部の前記支持部材の特定箇所のみを冷却する冷却装置とを有することを特徴とする光学プローブ。
【請求項２】
前記支持部材は、前記他端部において前記挿入路と光ファイバーとの間に圧入して前記光ファイバーを支持する非金属弾性体の止め具を備え、
前記冷却装置は、前記特定箇所として、前記ハウジングと前記止め具との間の箇所を冷却することを特徴とする請求項１に記載の光学プローブ。
【請求項３】
前記冷却装置は、前記特定箇所として、前記止め具寄りの箇所を冷却することを特徴とする請求項２に記載の光学プローブ。
【請求項４】
前記冷却装置は、前記支持部材の内部に設けられた冷却路に冷却用流体を流通させて前記冷却を施し、
前記冷却路は、前記挿通路の四方を囲う第１冷却路と、前記第１冷却路と前記挿通路が延びる方向で異なる位置で前記挿通路の四方を囲う第２冷却路とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学プローブ。
【請求項５】
前記第１冷却路と前記第２冷却路とは、互いに連通していることを特徴とする請求項４に記載の光学プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運転中のタービン翼の振動を非接触で計測する光学プローブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、タービンの性能評価において、運転中のタービン翼の振動を計測することがなされている。下記特許文献１には、歪みゲージをタービン翼に貼付することなく光学的にタービン翼の振動を計測することで、高温の作動ガスに曝されるタービン翼の振動を、特性変化を生じさせることなく計測する振動計測装置が開示されている。
【０００３】
この振動計測装置は、内部に配設された光ファイバーの先端にレンズ及び保護ガラスを備えた光学プローブをタービンのハウジングを貫通させて、その先端をタービン翼の端面に対向配置する。そして、投光用の光ファイバーからタービン翼に向けて投光したレーザー光の反射光を受光用の光ファイバーを介して検知してタービン翼の振動を計測する構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２８７４３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記光学プローブにおいては、タービン内において高温の作動ガスに曝されるため、内部に冷却水通路を形成してプローブ全体を冷却している。さらに、圧縮機から取り入れた圧縮空気を先端に流して冷却すると共に、冷却に用いた圧縮空気をタービン内部に流入させている。
しかしながら、タービン内部において光学プローブを冷却すると、作動ガスへ与える熱的影響が大きくなり、タービンの性能評価において予め設定した条件と実測した条件との間に差異が生じて、タービン翼の振動の計測に影響を与えてしまい、計測精度が良くないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、作動ガスへ与える熱的影響を低減して計測精度を向上させる光学プローブの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、タービン翼に向けて投光したレーザー光の反射光を検知して該タービン翼の振動を計測する光学プローブであって、タービンのハウジングを貫通して上記タービン翼の端面に対向配置され、上記レーザー光を投光する投光部及び上記反射光を受光する受光部を備える光ファイバーと、内部に上記光ファイバーが挿通する挿通路を備えると共に、上記ハウジングに一端部が固定され、該一端部から上記ハウジングの外部に延びた他端部おいて上記挿通路を閉じて上記光ファイバーを支持する支持部材と、上記ハウジングの外部の上記支持部材の特定箇所のみを冷却する冷却装置とを有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、光ファイバーを支持する支持部材をハウジングから外部に延在させ、この外部にある支持部材の特定箇所のみを冷却する。これにより、ハウジング内部を流通する作動ガスへの熱的影響を低減することが可能となる。
なお、本発明では、ハウジング内部において冷却を行わないため、光ファイバーのメンテナンスを定期的に実施しなければならない。この更なる課題を解決するため、本発明は、以下の構成を採用する。
【０００８】
本発明では、上記支持部材は、上記他端部において上記挿入路と光ファイバーとの間に圧入して上記光ファイバーを支持する非金属弾性体の止め具を備え、上記冷却装置は、上記特定箇所として、上記ハウジングと上記止め具との間の箇所を冷却するという構成を採用する。
ところで、光ファイバーを支持する止め具として、冷却を要しない金属製の止め具を使用する方法も考えられる。しかし、金属製の止め具を使用すると、止め具およびプローブが塑性変形してしまうため、プローブのメンテナンスや、他へ使い回しの際、使用困難となり、経済的効率が良くないという問題が生じる。
このため、本発明では、挿通路を閉じて光ファイバーを支持する止め具を、金属製の止め具よりも取り外し易い非金属弾性体の止め具に変更する。しかし、非金属弾性体の止め具は、金属に比べて耐熱温度が低いため、本発明では、ハウジングと止め具との間の箇所を冷却することで、ハウジングから支持部材を介して伝わる熱を途中で遮断して、非金属弾性体の止め具を保護する。
【０００９】
また、本発明においては、上記冷却装置は、上記特定箇所として、上記止め具寄りの箇所を冷却するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、外部に延びる支持部材のストロークを利用して、外気と熱交換させることで、ハウジングからの熱影響を小さくでき、また逆に作動ガスへの冷却の影響も小さくできる。さらに、止め具の近傍の特定箇所のみを冷却することで、冷却を効率的に行うことができる。
【００１０】
また、本発明においては、上記冷却装置は、上記支持部材の内部に設けられた冷却路に冷却用流体を流通させて上記冷却を施し、上記冷却路は、上記挿通路の四方を囲う第１冷却路と、上記第１冷却路と上記挿通路が延びる方向で異なる位置で上記挿通路の四方を囲う第２冷却路とを有するという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、挿通路の四方を囲う２段となった冷却路に冷却用流体を流通させることで冷却を施す。
【００１１】
また、本発明においては、上記第１冷却路と上記第２冷却路とは、互いに連通しているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、第１冷却路及び第２冷却路のいずれか一方に、冷却用流体を流通させれば、他方にも冷却用流体を流通させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、タービン翼に向けて投光したレーザー光の反射光を検知して該タービン翼の振動を計測する光学プローブであって、タービンのハウジングを貫通して上記タービン翼の端面に対向配置され、上記レーザー光を投光する投光部及び上記反射光を受光する受光部を備える光ファイバーと、内部に上記光ファイバーが挿通する挿通路を備えると共に、上記ハウジングに一端部が固定され、該一端部から上記ハウジングの外部に延びた他端部おいて上記挿通路を閉じて上記光ファイバーを支持する支持部材と、上記ハウジングの外部の上記支持部材の特定箇所のみを冷却する冷却装置とを有するという構成を採用し、光ファイバーを支持する支持部材をハウジングから外部に延在させ、この外部にある支持部材の特定箇所のみを冷却する。これにより、ハウジング内部を流通する作動ガスへの熱的影響を低減できるので、計測精度が向上する。
また、非金属製弾性体の止め具を使用することにより、止め具自体やプローブの変形を防ぐことができるので、プローブの交換やプローブの使いまわしが容易となり、経済的効率が向上する。
したがって、本発明は、高温の作動ガスに曝されるタービン翼の振動を従来方法よりも精度良く、且つ、経済的効率の良い方法で計測できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態における光学プローブが設けられた可変容量型ターボチャージャを示す全体構成図である。
【図２】図１における矢視Ｋ図である。
【図３】図１における光学プローブが設けられる位置の拡大図である。
【図４】プローブ冷却用ブロックを示す構成図である。
【図５】図４における線視Ｘ−Ｘ断面図である。
【図６】図４における線視Ｙ−Ｙ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態における光学プローブが設けられた可変容量型ターボチャージャを示す全体構成図である。図２は、図１における矢視Ｋ図である。図３は、図１における光学プローブが設けられる位置の拡大図である。図４は、本発明の実施形態におけるプローブ冷却用ブロックを示す構成図である。図５は、図４における線視Ｘ−Ｘ断面図である。図６、図４における線視Ｙ−Ｙ断面図である。
図に示すように本実施形態の光学プローブ５０が設けられる供試体は、可変容量型ターボチャージャＴである。
【００１５】
可変容量型ターボチャージャＴは、ベアリングハウジング１ａ、タービンハウジング１ｂ及びコンプレッサハウジング１ｃからなるハウジング１を有している。
ベアリングハウジング１ａ内には、図１中水平方向に延びるタービン軸２が図示しないベアリングを介して回転自在に軸支されている。そして、このタービン軸２の一端側（図示の例では左端側）にはタービンインペラ（タービン翼）３が一体的に連結され、他端側（図示の例では右端側）にはコンプレッサインペラ４が一体的に連結されている。なお、タービンインペラ３はタービンハウジング１ｂ内に配置され、コンプレッサインペラ４はコンプレッサハウジング１ｃ内に配置されるように構成されている。
【００１６】
タービンハウジング１ｂは、タービンインペラ３の径方向外側に設けられるタービンスクロール流路５を有すると共に、タービン軸２の軸心方向で、且つ、そのタービン軸２と反対側に開口する、作動ガスの排気口であるタービンハウジング出口６を有している。また、タービンハウジング１ｂ内のタービンインペラ３の径方向外側には略環状を呈する、可変ノズルユニットＮが設置されている。
【００１７】
タービンスクロール流路５は、タービンインペラ３を囲んで略環状に形成されていると共に、このタービンスクロール流路５は、作動ガスを導入するためのガス流入口５Ａと連通されている。また、タービンスクロール流路５及びタービンハウジング出口６間に形成される空間（流路）には、可変ノズルユニットＮの後述するノズルベーン１２が配置されるように構成されている。
【００１８】
コンプレッサハウジング１ｃには、タービン軸２の軸心方向で、且つ、そのタービン軸２と反対側に開口する吸気口７が形成されている。また、ベアリングハウジング１ａとコンプレッサハウジング１ｃとの間には、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路８がコンプレッサインペラ４の径方向外側で略環状に形成されている。このディフューザ流路８は、コンプレッサインペラ４の設置箇所を介して吸気口７と連通されている。
さらに、コンプレッサハウジング１ｃは、コンプレッサインペラ４の径方向外側で略環状に形成されるコンプレッサスクロール流路９が形成されていていると共に、このコンプレッサスクロール流路９は、ディフューザ流路８と連通されている。なお、コンプレッサスクロール流路９は、図示しない内燃機関の吸気口と連通されている。
【００１９】
可変ノズルユニットＮは、タービンスクロール流路５及びタービンハウジング出口６間に形成される空間（流路）に、シュラウドリング１０及びノズルリング１１間の周囲に所定の等間隔を保って設けられた複数のノズルベーン１２が支軸１３を介して回動自在に設けられている。そして、各ノズルベーン１２の支軸１３は、それぞれ同期用伝達リンク１４に接続されていて、これら同期用伝達リンク１４は、回動自在に設けられている駆動リング１５に連結されている。
【００２０】
上記駆動リング１５は、駆動軸１６の一端側に連結された駆動用伝達リンク１７に連結されている。駆動軸１６は、ベアリングハウジング１ａに設けられた軸受１８に貫通して軸支されている。そして、この駆動軸１６の他端側には、ベアリングハウジング１ａの外側に位置するアクチュエータＡと駆動レバー１９を介して連結されている。
【００２１】
この可変容量型ターボチャージャＴおいて、図示しない内燃機関の排気口から排出された作動ガスはタービンスクロール流路５に導入される。そして、その導入された作動ガスは、シュラウドリング１０及びノズルリング１１間を流通し、タービンインペラ３を回転駆動させ、タービンハウジング出口６から排出される。タービンインペラ３が回転駆動するとタービン軸２で連結されたコンプレッサインペラが回転駆動し、圧縮空気を生成する。
【００２２】
他方、アクチュエータＡの動作は、駆動レバー１９を介して駆動軸１６を回転させ、その駆動軸１６の端部に設けられた駆動用伝達リンク１７を介して駆動リング１５を回転駆動させる。この駆動リング１５が回転駆動することにより、各同期用伝達リンク１４を介して各ノズルベーン１２の角度を同期して傾動（可変）させ、シュラウドリング１０及びノズルリング１１間の開口面積（開度）が変化させられる。そして、この開口面積の変化により、タービンインペラ３に供給される作動ガスの流量が調節される。
【００２３】
光学プローブ５０は、作動ガスを受けて回転駆動するタービンインペラ３に向けて投光したレーザー光の反射光を検知してタービンインペラ３の振動を計測するものであり、レーザー光を導く光ファイバーケーブル５１を備える。光ファイバーケーブル５１は、レーザー光を投光する投光用の光ファイバー（投光部）と、反射光を受光する受光用の光ファイバー（受光部）とを備える。投光用の光ファイバー及び受光用の光ファイバーは、タービンインペラ３の端面３ａに対向する先端部５１ａにおいて露出している。
【００２４】
投光用の光ファイバーは不図示のレーザー発振機に接続されており、レーザー発振機から伝送されたレーザー光は、タービンインペラ３の端面３ａに向けて投光される。そして、タービンインペラ３の端面３ａで反射したレーザー光は、受光用の光ファイバーで受光され伝送される。受光用の光ファイバーで伝送された反射光は、光電変換器で電気信号に変換されて、不図示の翼振動解析装置（ＰＣ：Personal Computer）によって解析される。タービンインペラ３が振動していると、タービンインペラ３の端面３ａの変形によって反射したパルス状のレーザー光の受光タイミングに微小なズレが生じるので、その変化量を計測することによって、タービンインペラ３の振動レベル計測が可能となる。また、振動レベルをＦＥＭ（Finite Element Method）を用いて数値解析することで、タービンインペラ３に作用する応力を計測することが可能となる。
【００２５】
光学プローブ５０は、光ファイバーケーブル５１をタービンハウジング１ｂに取り付けるプローブ取付機構５２を備える。
プローブ取付機構５２は、図３に示すように、光ファイバーケーブル５１を、タービンハウジング１ｂを貫通してタービンインペラ３まで導くプローブ導入管５３と、プローブ導入管５３及び光ファイバーケーブル５１を支持するプローブ冷却用ブロック（支持部材）６０とを備える。
【００２６】
プローブ導入管５３は、内部に光ファイバーケーブル５１が挿通する挿通路５３ａを備える。このプローブ導入管５３は、タービンインペラ３のラジアル方向（半径方向）に直線的に延び、タービンスクロール流路５を横切るようにタービンハウジング１ｂを貫通して、さらに、シュラウドリング１０に形成されたプローブ挿入孔１０ａまで延在している。なお、プローブ挿入孔１０ａの端部には、光ファイバーケーブル５１の先端部５１ａを位置決めするテーパー部１０ａ１及び段付き穴１０ａ２が形成されている。このプローブ導入管５３の挿入方向逆側にはフランジ５３ｂが形成されており、プローブ冷却用ブロック６０により挟持固定されている。
【００２７】
プローブ冷却用ブロック６０は、一端部６０Ａにおいてタービンハウジング１ｂに螺着し、一端部６０Ａから外部にラジアル方向に沿って延びた他端部６０Ｂにおいて光ファイバーケーブル５１及びプローブ導入管５３を支持する構成となっている。なお、他端部６０Ｂには、配管継手６１、スウェージロック６２、止め具６３が設けられている。
このプローブ冷却用ブロック６０は、内部に光ファイバーケーブル５１及びプローブ導入管５３が挿通する挿通路６０ａを備える。そして、他端部６０Ｂには、配管継手６１を螺入することで、フランジ５３ｂを挟持する挟持溝６０ｂが設けられている。
【００２８】
止め具６３は、配管継手６１とスウェージロック６２との間に設けられる。すなわち、スウェージロック６２を配管継手６１に対して螺入すると、止め具６３が配管継手６１のテーパー部６１ａに沿って、光ファイバーケーブル５１と挿通路６０ａとの間に圧入され、挿通路６０ａを閉じて光ファイバーケーブル５１を支持する構成となっている。
この止め具６３は、非金属弾性体の止め具（例えば、ゴムやプラスチック等）からなるため、スウェージロック６２を螺入解除することで、金属製の止め具に比べ容易に取り外すことができる。さらに、非金属弾性体の止め具は、金属製の止め具に比べ塑性変形しにくいという利点を有する。
【００２９】
プローブ冷却用ブロック６０は、タービンハウジング１ｂの外部であって、止め具６３が設けられる位置近傍の特定箇所Ｐを冷却するための冷却路６５を備える。そして、光学プローブ５０が備える冷却装置７０は、冷却路６５に冷却ガス（冷却用流体）を圧送し、流通させて特定箇所Ｐを冷却する構成となっている。
【００３０】
続いて、図４〜図６を参照して、プローブ冷却用ブロック６０の冷却構造について詳しく説明する。冷却路６５は、プローブ冷却用ブロック６０内部に、挿通路６０ａの四方を囲うように設けられている。この冷却路６５は、互いに挿通路６０ａの延びる方向でずれた位置で挿通路６０ａの四方を囲う、第１冷却路６５Ａ及び第２冷却路６５Ｂを備える２段構成となっている。
【００３１】
この冷却路６５は、プローブ冷却用ブロック６０の側面Ｓ１に対し垂直に四角形のコーナーに対応する位置にドリル等を用いた機械加工を施して形成した４つの孔（６６ａ〜６６ｄ）と、側面Ｓ１に直角な側面Ｓ２に対し垂直に四角形のコーナーに対応する位置にドリル等を用いた機械加工を施して形成した４つの孔（６７ａ〜６７ｄ）とで構成される。なお、孔６６ａ〜６６ｄの開口部は、ろう付けあるいは溶接で閉塞されている。同じく、孔６７ａ及び孔６７ｄの開口部は、ろう付けあるいは溶接で閉塞されている。すなわち、この冷却路６５では、冷却ガスが孔６７ｂ及び孔６７ｃからプローブ冷却用ブロック６０の外部に流出する構成となっている。
【００３２】
側面Ｓ２に対向する側面Ｓ３には、冷却ガスを流入させるノズルが螺着可能な流入口６８が設けられている。流入口６８は、孔６７ｄで形成した第１冷却路６５Ａに対応する位置に連通するように形成される。また、流入口６８に対応する位置と、孔６６ａと孔６７ａとが交差する位置には、天面Ｓ４に対し垂直にドリル等を用いた機械加工を施して形成した孔６９ａ、孔（連通路）６９ｂが設けられている。孔６９ａ及び孔６９ｂは、第１冷却路６５Ａと第２冷却路６５Ｂとを連通させる構成となっている。なお、孔６９ａ及び孔６９ｂの開口部は、ろう付けあるいは溶接で閉塞されている。
【００３３】
上記冷却構造では、冷却装置７０が、流入口６８に螺着したノズルを介して挿通路６０ａの四方を囲う２段となった冷却路６５に冷却ガスを流通させることでプローブ冷却用ブロック６０の特定箇所Ｐの冷却を施すことが可能となる。ここで、第１冷却路６５Ａと第２冷却路６５Ｂとは、互いに連通しているため、第１冷却路６５Ａに冷却ガスを流通させれば、他方の第２冷却路６５Ｂにも冷却ガスを流通させることができる。
【００３４】
このように本実施形態では、光ファイバーケーブル５１を支持するプローブ冷却用ブロック６０をタービンハウジング１ｂから外部に延在させ、この外部にあるプローブ冷却用ブロック６０の特定箇所Ｐのみを冷却する。このため、タービンハウジング１ｂ内部を流通する作動ガスへの熱的影響を低減することが可能となる。
したがって、本実施形態によれば、タービンの性能評価において予め設定した条件と実測した条件との間に差異が生じることなく、高温の作動ガスに曝されるタービンインペラ３の振動を正確に計測することができる。
【００３５】
なお、本実施形態では、タービンハウジング１ｂ内部において冷却を行わないため、光ファイバーケーブル５１の先端部５１ａのメンテナンスを定期的に実施する。
ここで、挿通路６０ａを閉じて光ファイバーケーブル５１を支持する止め具６３を、金属製の止め具よりも取り外し易い非金属弾性体の止め具に変更している。しかし、非金属弾性体の止め具６３は、金属に比べて耐熱温度が低いため、本実施形態では、タービンハウジング１ｂと止め具６３との間の特定箇所Ｐを冷却することで、タービンハウジング１ｂからプローブ冷却用ブロック６０を介して伝わる熱を途中で遮断して、非金属弾性体の止め具６３を保護する。また、止め具６３寄りの特定箇所Ｐのみを冷却することで、冷却を効率的に行うことができる。さらに、外部に延びるプローブ冷却用ブロック６０のストロークを利用して、外気と熱交換させることで、タービンハウジング１ｂからの熱影響を小さくできる。
したがって、本実施形態によれば、非金属弾性体の止め具６３を取り外して光ファイバーケーブル５１を抜き差しすることができ、メンテナンス性の向上を図ることができる。
【００３６】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１ｂ…タービンハウジング（ハウジング）、３…タービンインペラ（タービン翼）、３ａ…端面、５０…光学プローブ、５１…光ファイバーケーブル、６０…プローブ冷却用ブロック（支持部材）、６０Ａ…一端部、６０Ｂ…他端部、６０ａ…挿通路、６３…止め具、６５…冷却路、６５Ａ…第１冷却路、６５Ｂ…第２冷却路、７０…冷却装置、Ｐ…特定箇所
【図１】
2011007678.tif 000003
【図２】
2011007678.tif 000004
【図３】
2011007678.tif 000005
【図４】
2011007678.tif 000006
【図５】
2011007678.tif 000007
【図６】
2011007678.tif 000008