(57)【要約】光入力ビームの所定の波長を反射するように機能する１つ以上のファイバ内に配置された複数のＦＢＧセンサを含む光ファイバ亀裂検出器である。この亀裂検出器は、光ファイバを伝搬してＦＢＧセンサと相互作用する光入力ビームを発生する光源を含む。ＦＢＧセンサにより反射される光ビームの波長が検出され、部品の亀裂がＦＢＧセンサと検出器回路との間のファイバにダメージを与えていると、１つ以上の反射信号が受光されなくなり、検出器は亀裂が生じたことを見分ける。複数のＦＢＧセンサをファイバに沿って計画的に配置することにより、複数のＦＢＧセンサ間の複数の位置において、又は複数のファイバにおいて、亀裂がファイバにダメージを与えると、亀裂の長さの指標が提供される。【選択図】図１
2014511478.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを発生する少なくとも１つの光源と、
前記少なくとも１つの光源から光ビームを入力する少なくとも１つの光ファイバであって、前記光ビームが伝搬するファイバコアと該コア内に互いに離間して形成された複数のファイバブラッググレーティングとを含み、前記各ファイバブラッググレーティングは、前記光ビームの予め決められた異なる波長を前記光ファイバに沿って反射するように機能し、当該光ビームの他の波長は、該ファイバブラッググレーティングを通って伝搬可能である、光ファイバと、
前記ファイバブラッググレーティングからの前記光ビームの前記反射波長を検出する検出器であって、部品に亀裂が発生して前記ファイバブラッググレーティング間の前記ファイバにダメージを与えるか又は切断を生じさせると、前記ファイバブラッググレーティングの少なくとも一部からの前記反射波長が無くなることで、当該亀裂の位置を識別する、検出器と、
を備えた、部品の亀裂を検出するための亀裂センサ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの光ファイバは、蛇行させて前記部品に装着されており、
前記ファイバブラッググレーティングは、当該光ファイバが１８０°転回する位置ごとにそれぞれ配置されている、
請求項１に記載の亀裂センサ。
【請求項３】
前記光ファイバの蛇行によってほぼ平行な複数のファイバセクションが設けられており、
前記転回位置の前記ファイバブラッググレーティングの間にある前記ファイバセクションが前記亀裂により切断されると、該当する前記ファイバブラッググレーティングからの前記反射波長が失われて前記亀裂の長さの指標が提供される、
請求項２に記載の亀裂センサ。
【請求項４】
前記転回部が半円形の転回部である、請求項２に記載の亀裂センサ。
【請求項５】
前記光ファイバが１つで、離間した複数の前記ファイバブラッググレーティングを含み、
これらファイバブラッググレーティングがそれぞれ前記光ビームの異なる波長を反射し、
該光ファイバの両端が、それぞれ、異なる入力光ビームを提供する異なるチャネルに結合される、
請求項１に記載の亀裂センサ。
【請求項６】
前記少なくとも１つの光ファイバが直線状に前記部品に装着され、
前記離間したファイバブラッググレーティングが前記直線に沿って離間している、
請求項１に記載の亀裂センサ。
【請求項７】
複数の前記光ファイバが、離間した複数の前記ファイバブラッググレーティングをそれぞれ含み、
該光ファイバの長さ方向が亀裂形成方向に対し交差する方向とされて、当該光ファイバのダメージ又は切断が前記亀裂の長さの指標を提供する、
請求項６に記載の亀裂センサ。
【請求項８】
前記各光ファイバが、１５個の前記ファイバブラッググレーティングを含む、請求項６に記載の亀裂センサ。
【請求項９】
平行な前記光ファイバ内の整列している各前記ファイバブラッググレーティングが、同じ波長を反射する、請求項７に記載の亀裂センサ。
【請求項１０】
前記部品がタービンの部品である、請求項１に記載の亀裂センサ。
【請求項１１】
光ビームが伝搬するファイバコアと、該コア内に互いに離間して形成された複数のファイバブラッググレーティングと、を含む光ファイバを備え、
前記各ファイバブラッググレーティングは、前記光ビームの予め決められた異なる波長を前記光ファイバに沿って反射するように機能すると共に当該光ビームの他の波長は該ファイバブラッググレーティングを通して伝搬可能とし、
前記光ファイバは、ほぼ平行な複数のファイバセクションを画定するように蛇行させて部品に装着され、該光ファイバが１８０°転回する各位置に前記ファイバブラッググレーティングがそれぞれ配置される、
部品の亀裂を検出するための亀裂検出器。
【請求項１２】
前記転回部が半円形の転回部である、請求項１１に記載の亀裂検出器。
【請求項１３】
光ビームが伝搬するファイバコアと、該コア内に互いに離間して形成された複数のファイバブラッググレーティングと、を含む少なくとも１つの光ファイバを備え、
前記各ファイバブラッググレーティングは、前記光ビームの予め決められた異なる波長を前記光ファイバに沿って反射するように機能すると共に当該光ビームの他の波長は該ファイバブラッググレーティングを通して伝搬可能とし、
前記光ファイバは、直線状に部品に装着される、
部品の亀裂を検出するための亀裂検出器。
【請求項１４】
複数の前記光ファイバが、離間した複数の前記ファイバブラッググレーティングをそれぞれ含み、
該光ファイバの長さ方向が亀裂形成方向に交差する方向とされて、当該光ファイバのダメージ又は切断が前記亀裂の長さの指標を提供する、
請求項１３に記載の亀裂検出器。
【請求項１５】
前記光ファイバが１つで、離間した複数の前記ファイバブラッググレーティングを含み、
これらファイバブラッググレーティングがそれぞれ前記光ビームの異なる波長を反射し、
該光ファイバの両端が、それぞれ、異なる入力光ビームを提供する異なるチャネルに結合される、
請求項１３に記載の亀裂検出器。
【請求項１６】
タービン中心線に沿って回転可能に設けられたシャフトと、
作動流体に応じて、該作動流体を圧縮して圧縮作動流体を生成するように機能する圧縮機セクションと、
前記圧縮機セクションに連通して前記圧縮作動流体を受け、該圧縮作動流体を燃料と混合し、当該圧縮流体及び燃料混合物を燃焼させて高温作動流体を生成する燃焼セクションと、
前記燃焼セクションに連通し、前記高温作動流体を受け膨張させて前記シャフトの回転から機械的動力を生成するタービンセクションと、
エンジン内部品に装着されて機能する少なくとも１つの亀裂センサであって、光ビームを入力する少なくとも１つの光ファイバを含み、該少なくとも１つの光ファイバが、前記光ビームが伝搬するファイバコアと、該コア内に互いに離間して形成された複数のファイバブラッググレーティングと、を含み、前記各ファイバブラッググレーティングが、前記光ビームの予め決められた異なる波長を前記光ファイバに沿って反射するように機能し、当該光ビームの他の波長は、該ファイバブラッググレーティングを通って伝搬可能であり、前記部品の亀裂形成を判定すべく前記反射光波長が分析される、亀裂センサと、
を備えたガスタービン。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの光ファイバは、蛇行させて部品に装着されており、
前記ファイバブラッググレーティングは、当該光ファイバが１８０°転回する位置ごとにそれぞれ配置されている、
請求項１６に記載のガスタービン。
【請求項１８】
前記光ファイバの蛇行によってほぼ平行な複数のファイバセクションが設けられており、
前記転回位置の前記ファイバブラッググレーティングの間にある前記ファイバセクションが前記亀裂により切断されると、該当する前記ファイバブラッググレーティングからの前記反射波長が失われて前記亀裂の長さの指標が提供される、
請求項１７に記載のガスタービン。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの光ファイバが直線状に前記部品に装着され、
前記離間したファイバブラッググレーティングが前記直線に沿って離間している、  請求項１６に記載のガスタービン。
【請求項２０】
複数の前記光ファイバが、離間した複数の前記ファイバブラッググレーティングをそれぞれ含み、
該光ファイバの長さ方向が亀裂形成方向に対し交差する方向とされて、当該光ファイバのダメージ又は切断が前記亀裂の長さの指標を提供する、
請求項１９に記載のガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１１年２月９日出願の米国特許出願番号１３／０２３，７８５「Multiplexed Optical Fiber Wear Sensor」の一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、概して光ファイバ亀裂検出器に関し、より詳細には、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサを使用する光ファイバ亀裂検出器に関する。
【背景技術】
【０００３】
多くのデバイス、機械、及び連係したシステムは可動部品を使用しており、これら部品は、相互作用して望ましくない摩耗、欠陥、亀裂などを引き起こし得る。例えば、タービン、圧縮機、及びその他の機械は、ブレード及びその他の要素を配設したシャフトを回転させるモータを含んでいる。このような機械を動作させると、ブレード及びその他の動作部品が機械内のハウジング及びその他の構造体と予定外の接触を生じることがある。この予定外の接触は、熱膨張、シャフトの高い回転速度、モータサージなどの多くの要因から起こり得る。また、これらのタイプの機械のなかには、当技術分野でナイフエッジシールとして知られるシールを使用するものもある。ナイフエッジシールは、回転部材に配した薄いエッジを含み、これが静止構造体と接触し、エッジの一方の側部から他方の側部までの間に圧力シールを提供する。すなわち、ナイフエッジシールが流れを制限し、差圧を生じさせる。このナイフエッジと構造体との回転接触ポイントは、流れを制限するために小さくなければならず、したがって、典型的にはサージなど基準外の動作状態に起因して、機械動作中に両部品が不慮に接触すると、これら部品に摩耗が発生する。
【０００４】
このような部品の摩耗は、当該部品や、これらを含んだシステム又は機械の性能及び動作に影響するまでに過度となり得る。この摩耗を低減するために、潤滑油の供給、適切な低摩擦材料、部品間の好適な配向などの様々な措置を講じることができる。しかし、利用可能なこれらの対策は必ずしも常に適切ではなく、依然として過度の摩耗が生じることがある。機械及びシステムには目視検査で部品の摩耗を検出することができるものもある。しかし、このような目視検査が不可能であったり、時間、コスト、労力などが検査にかかりすぎるために実行できないといった、多くの例がある。
【０００５】
部品における材料欠損及び摩耗を検出するセンサを部品内の摩耗位置に備えることにより、該部品の摩耗及びその他の欠陥を検出する多くの試みが当技術分野でなされている。例えば、摩耗を検出すべき位置で部品の表面に光ファイバを埋め込み、該光ファイバを伝搬する光ビームお適切な検出回路を使用して、当該光ファイバが摩耗の結果破壊されているか否かを判定することが知られている。光ファイバを使用する別のシステムも知られている。
【０００６】
本出願譲受人に譲渡された２０１０年３月１６日出願の米国特許出願番号１２／７２４，５３１「Fiber Optic Sensor System for Detecting Surface Wear」（参照することで本明細書に組み込まれる）に、表面の摩耗を検出する光ファイバセンサが開示されている。検出対象の部品内に１つ以上のファイバが設けられ、再放射部を含んだ該ファイバの一端が摩耗表面に近接配置される。この光ファイバを伝搬して光ビームが再放射部と接触し、検出可能なリターンビームが発生される。再放射部は、ビームを反射する反射素子、又はビームに応答して蛍光を発する蛍光素子とすることができる。再放射部が摩滅し、そうでなければ著しく損傷するほどに表面の摩耗が進むと、リターン信号が再放射部から発生しなくなり、これが、部品の摩耗が特定の深さに達していることを示す。しかし、このタイプの摩耗検出センサには限界がある。例えば、ファイバ端に再放射部を備えることが通常必要である。
【０００７】
上記タイプの機械における様々な部品の摩耗の検出は、機械を使用した結果として当該部品に生じる実際の亀裂の検出に及ぶ。当技術分野においては、各端部が共通の導体に繋がる等間隔の平行な導電材料の条片を含む亀裂検出ゲージが知られている。その条片は、通常はセメント又はエポキシなどの機械的結合により、検出対象の部品に取り付けられる。これら平行な導電性条片の各々は、約２％の歪みで故障することが知られている。条片の故障の結果として生じる電気抵抗の変化を監視することにより、破損した導電性条片の数を推定することができ、亀裂の長さを間接的に判定することができる。
【０００８】
この方法には、亀裂の成長を亀裂ゲージが間接的に測定する、要素製造のばらつきで測定の不確実性が増す、長さに応じて抵抗が高くなる要素の性質からゲージのサイズが制限される、といった幾つかの欠点を含んでいる。また、当ゲージは電気を基礎とするため、ある種の機械に共通の電磁界からノイズを受け易く、予め場所を把握しておく必要がある。
【０００９】
直径１０μｍのファイバ伝搬コアがマルチモードの伝搬を提供することは周知である。直径が１０μｍのケーブルは歪みにより破損し易いので、予期される亀裂形成方向に対し垂直に延びる平行な格子パターンでケーブルを敷設することが提案されている。現在までに、亀裂成長を監視すべき基板上又は基板内に、これら光ファイバのアレイを設けることが提案されている。
【００１０】
本願譲受人に譲渡された２０１０年１１月１５日出願の米国特許出願番号１２／９４５，９５７「Sensor Apparatus for Detecting and Monitoring a Crack Propagating Through a Structure」に、上記タイプの亀裂検出システムが開示されている。この'９５７出願は、検出対象の構造体に装着された複数の平行な光ファイバを含む、亀裂を検出し監視するセンサ装置を、開示している。各光ファイバの先端（遠位端）は蛍光材で被覆され、当該各光ファイバを伝搬する光ビームにより蛍光材が蛍光を発し、これがリターン信号を生成する。亀裂が形成されることで１つ以上の光ファイバが切断されると、該ファイバはリターン信号を発せず、これが亀裂の形成を示し、そして、切断したファイバの数が亀裂の長さを示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願番号１２／７２４，５３１（米国特許公開ＵＳ２０１１／０２３１１１０）
【特許文献２】米国特許出願番号１２／９４５，９５７（米国特許公開ＵＳ２０１２／０１１９０７４）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の教示によれば、１つ以上のファイバ内に配置された複数のＦＢＧセンサを含み、該ＦＢＧセンサが、光入力ビームの決められた波長を反射するように機能する、光ファイバ亀裂検出器が開示される。この亀裂検出器は、光ファイバを伝搬してＦＢＧセンサと相互作用する光入力ビームを発生する光源を含んでいる。ＦＢＧセンサによって反射される光ビームの波長が検出され、ＦＢＧセンサとその検出回路との間のファイバが部品の亀裂によりダメージを受けていれば、１つ以上の反射信号が受光されないので、該検出器が亀裂の発生を認知する。複数のＦＢＧセンサをファイバに沿って計画的に配置することにより、複数のＦＢＧセンサ間の複数の位置において、あるいは複数のファイバにおいて、亀裂がファイバに損傷を与えると、該亀裂の長さの指標が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＦＢＧセンサ及び検出器回路を含む摩耗検出器システムの概略図。
【図２】横軸を位置、縦軸を屈折率にした、ＦＢＧセンサの屈折率を示すグラフ。
【図３】横軸を波長、縦軸を強度にした、ＦＢＧセンサへ送られる入力信号の帯域幅を示すグラフ。
【図４】横軸を波長、縦軸を強度にした、ＦＢＧセンサを通過する入力信号の透過部分を示すグラフ。
【図５】横軸を波長、縦軸を強度にした、ＦＢＧセンサによる入力信号の反射部分を示すグラフ。
【図６】ＦＢＧセンサを含む１つ以上の摩耗検出器を含むガスタービンエンジンの破断断面図。
【図７】単一のファイバ内に複数のＦＢＧセンサを含む、部品に取り付けられた摩耗検出器の平面図。
【図８】各々が１つのＦＢＧセンサを有する複数のファイバを含む、部品に取り付けられた複数の摩耗検出器の平面図。
【図９】各々が複数のＦＢＧセンサを有する複数のファイバを含む、部品に取り付けられた複数の摩耗検出器の平面図。
【図１０】複数のＦＢＧセンサを有する単一の光ファイバを含む、部品に取り付けられた摩耗検出器の平面図。
【図１１】単一のファイバ内に複数のＦＢＧセンサを含む、部品に取り付けられた亀裂検出システムの平面図。
【図１２】互いに離間した複数のＦＢＧセンサをそれぞれ有する複数の光ファイバを含む、亀裂検出システムの平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の更なる特徴が、添付図面を参照した以下の説明及び特許請求の範囲から明らかになる。
【００１５】
部品の亀裂と亀裂の長さを検出するための複数のＦＢＧセンサを含む亀裂検出器を対象とした本発明の実施形態の以下の説明は、単に例示的な性質のものであり、本発明、又はその適用例や用途を限定することを意図するものではない。
【００１６】
以下に詳細に説明するように、本発明は、他の部分とは異なる屈折率をもつコア区画の周期的パターンでファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を画定したファイバコアを含む光ファイバを使用する、摩耗及び亀裂の少なくとも一方の光ファイバ検出器を提案する。当業者には良く理解されるように、光ファイバのコア内に形成されたＦＢＧは、特定の光波長の光信号が該ＦＢＧで反射し且つその余の全波長が該ＦＢＧを透過するリフレクタ又はフィルタとして機能する。摩耗及び亀裂の少なくとも一方を検出する本検出器は、ＦＢＧを、反射波長を検出するセンサとして使用し、そして、摩耗及び亀裂の少なくとも一方の光ファイバ検出器について上述したように、反射がなくなる場合は該ＦＢＧセンサに対するダメージを識別可能である。当技術分野でＦＢＧセンサは、温度又は歪みを測定するためのものとして知られているが、部品の摩耗の進行又は亀裂の長さを示すものとしては知られていない。
【００１７】
図１は、光ファイバ１６の一部に形成されたＦＢＧセンサ１２を含む摩耗及び亀裂の少なくとも一方の検出システム１０の概略図である。光ファイバ１６は、外側クラッド層２０で囲まれた光ファイバコア１８を含む。クラッド層２０の屈折率はファイバコア１８の屈折率よりも大きいので、ファイバコア１８を伝搬する光ビームはファイバコア１８とクラッド層２０との間の遷移部で反射されて閉じ込められる。一実施形態では、ファイバコア１８の直径は約１０μｍであり、複数の光モードを伝搬するマルチモードファイバが提供される。ＦＢＧセンサ１２は、ファイバコア１８内に区画２４の周期的パターンを提供する適切な光学光書込プロセスを使用してＦＢＧ２２を作成することによって光ファイバ１６内に設けられる。区画２４の屈折率はファイバコア１８の他の部分よりも高いが、クラッド層２０の屈折率よりは低い。例えば、図２のグラフに部分的に示すように、区画２４の屈折率ｎ３はファイバコア１８の屈折率ｎ２よりも大きく、且つ区画２４の屈折率ｎ３はクラッド層２０の屈折率ｎ１よりも小さい。
【００１８】
図３は、波長λを横軸に、強度Ｐを縦軸にとって、ファイバコア１８を伝搬可能な広帯域の光入力信号を示した、グラフである。図４は、波長λを横軸に、強度Ｐを縦軸にとって、ＦＢＧ２２を透過する入力信号の部分を示した、グラフである。図５は、波長λを横軸に、強度Ｐを縦軸にとって、ＦＢＧ２２により反射される、波長λＢでピークを有する光入力信号の部分を示した、グラフである。
【００１９】
当業者には知られているように、ＦＢＧ２２は、該ＦＢＧ２２によって反射される波長λＢを、次式（１）に基づきファイバコア１８の屈折率ｎ２、区画２４の屈折率ｎ３、及び区画２４の間隔Λで定義するようにして、選択的に設計することができる。
λＢ＝２ｎ３Λ    （１）
【００２０】
システム１０は、光入力信号を生成し、ＦＢＧ２２による反射信号を検出する回路２８を含む。この回路２８は、光カプラ（Coupler）３４を通過し、光ファイバ１６内へ誘導されてＦＢＧセンサ１２へ向け伝搬する光ビーム３２を発生する広帯域光源（Broadband Source）３０を含む。ＦＢＧセンサ１２により反射される光は、光ファイバ１６を通って逆方向に伝搬し、光カプラ３４によって分散素子３８へ向けられる。分散素子３８は、反射ビームの各種波長成分を線形電荷結合センサ（CCD sensor）４０上の異なる位置へ分散させる。
【００２１】
一実施形態では、回路２８、又は同様の回路は、市販のNational Instruments  ＮＩ  ＰＸｌｅ−４８４４などの光センサインテロゲータ（質問器）の一部である。この光センサインテロゲータは、掃引周波数光源を使用し、光入力信号の帯域幅である１５１０〜１５９０ｎｍの８０ｎｍのスペクトル範囲において１０Ｈｚで同時にサンプリング可能である４つの別個の光入力チャネルを提供する。したがって、該インテロゲータ内の各入力チャネルは、後述するように、１つ以上のＦＢＧセンサを含む別個の光ファイバに結合可能である。監視するファイバ数を増やすために光スイッチング又は複数のインテロゲータを使用することができる。ほとんどのＦＢＧセンサが１〜５ｎｍの範囲しか占めないので、インテロゲータ内の各光チャネルに多数のＦＢＧセンサを接続することができる。例えば、ビームスペクトルが１５１０〜１５９０ｎｍの光入力の場合、インテロゲータ内の別個のチャネルはそれぞれ最大１５までのＦＢＧセンサを含むことができる。
【００２２】
図６は、ガスタービンエンジン１２０の一部の破断断面図で、該エンジン１２０は、圧縮機セクション１２２、燃焼セクション１２４、及びタービンセクション１２６を含み、エンジン１２０の運転中、シャフト１２８が回転する。当業者には良く理解されるように、このタイプのガスタービンエンジンには、発電所の発電機、航空機エンジン、船舶エンジンなどの様々な用途がある。圧縮機セクション１２２は、各静止ベーン（静翼）１３２の間に配置された複数の回転ブレード１３０を含む。同様に、タービンセクション１２６は、複数の回転ブレード１３４と、これらの間に配置された静止ベーン１３６とを含む。ベーン１３６は、当業者には良く理解されるように、例えばブレードリングなどの適切な支持部品１３８によりタービンセクション１２６内の適切な構造体に装着される。ブレード１３４及びベーン１３６は高温での用途向けに設計されており、通常は、例えばイットリア安定化ジルコニアなどの遮熱コーティング（ＴＢＣ）で被覆され得る、例えば、ニッケル、コバルト、又は鉄ベースの超合金材料など、適切な超合金材料から製造される。燃焼セクション１２４は、タービンエンジン１２０の周囲に位置する複数の燃焼器を含む。
【００２３】
空気が圧縮機セクション１２２内に引き込まれ、ここで圧縮され、燃焼セクション１２４へ向け送り出される。燃焼セクション１２４は、空気を燃料と混合して点火し、通常は温度が１３００℃以上の作動ガスを発生する。作動ガスはタービンセクション１２６を通って膨張し、ベーン１３６によりブレード１３４を横切って案内される。作動ガスはタービンセクション１２６を通過する際に、ブレード１３４を回転させ、これによりシャフト１２８の回転が生じて機械的作用が提供される。このタイプのガスタービンエンジンのより詳細な説明は、本願譲受人に譲渡された米国特許第７，５８２，３５９号「Apparatus and Method of Monitoring Operating Parameters of Gas Turbine」（参照することで本明細書に組み込まれる）に記載されている。
【００２４】
ガスタービンエンジン１２０内の環境は苛酷であるため、ブレード１３０，１３４、及びベーン１３２，１３６などエンジン１２０内部品の多くは、予期せぬ摩耗を被ることがある。例えば、機械的振動、熱膨張、及び熱循環などの運転状況の間に、ベーン１３６と支持部品１３８とは、ベーン１３６に予期せぬ摩耗を引き起す可能性のある相対変動をもつことがある。また、タービンブレード１３４は、ブレード１３４の外縁部に研磨材料でナイフエッジシールを形成することがあり、この場合は、当業者には知られているように、研磨材料の過剰な摩耗又はその他の欠陥を検出することが望ましいことがある。
【００２５】
本明細書に説明するように、摩耗及び亀裂の少なくとも一方の形成を検出するためにこれらの部品を監視し、必要ならば適切なメインテナンスを施すことが望まれる場合がある。これらの部品の少なくとも一部は、本明細書に記載のＦＢＧセンサを使用した１つ以上の様々な、摩耗及び亀裂の少なくとも一方の検出器を使用して、摩耗又はその他の欠陥を検出することができる。例えば、摩耗を検出するために、支持部品１３８の適切な位置に配置された適切なＦＢＧセンサ１４０を備えることが望まれ得る。エンジン１２０内のその他の部品にも、ＦＢＧセンサを使用した摩耗及び亀裂の少なくとも一方の検出器を利用できる。
【００２６】
図７は、亀裂又はその他の欠陥などを含めて摩耗を監視すべき部品５２に装着された摩耗検出器システム５０の平面図である。部品５２は、本明細書に記載する光ファイバセンサの装着が可能ないかなる形状のいかなる部品をも対象とする。一例では、該部品５２はガスタービンエンジン１２０の一部である。摩耗検出器システム５０は、適切な回路に結合される入力端５６を有する上述のタイプの単一の光ファイバ５４を含む。具体的には、光ファイバ５４の端部５６はインテロゲータ（又はその他の検出回路）に光学的に結合され、この回路から広帯域入力信号が送り込まれ、この回路で反射波長λＢが受光される。
【００２７】
光ファイバ５４は、適切な高温エポキシ又はセラミックセメントなど、本明細書に記載の目的に適するいずれかの技術により、部品５２の表面に装着することができる。あるいは、ファイバ５４を、部品５２に穿孔した穴の中にエポキシ接着することにより、又は、ファイバ５４を、部品５２内に加工した小トレンチ内にエポキシ接着することにより、光ファイバ５４は、部品５２内に埋め込むことができる。
【００２８】
この実施形態では、光ファイバ５４は、端部５６とは反対側の、部品５２に装着される光ファイバ５４の検出部に、離間した８つのＦＢＧセンサ５８を含む。この光ファイバ５４は、ＦＢＧセンサ５８が図示のように所定の間隔をおいて互いに一列となるように蛇行させて、部品５２に装着される。ＦＢＧセンサ５８はそれぞれ、式（１）に従って異なる波長λＢ（又は色）を反射するように設計される。所望の反射波長λＢを得るために、区画２４の間隔Λ及び区画２４の屈折率ｎ３の一方でも両方でも、ＦＢＧセンサ５８をどのように設計するか、当業者は容易に理解できる。
【００２９】
監視すべき部品５２の摩耗面６０は、別の部品（図示せず）との相互作用で部品５２に摩耗が起きる方にある。摩耗面６０に摩耗が生じると、センサ列内の各ＦＢＧセンサ５８は体系的にダメージを受け、損傷していなければ可能であるはずの働きをせず、光波長λＢを反射しなくなる。したがって、摩耗が生じ、これが継続すると、摩耗面６０に最も近い最初の１つのＦＢＧセンサ５８が破損し、分析システムは、反射信号の損失に基づいて摩耗の程度を見分ける。ＦＢＧセンサ５８がダメージを受け、反射信号が失われる都度、システム５０は、列内の最後のＦＢＧセンサ６４に達するまで、部品５２に生じた摩耗の程度を見分ける。
【００３０】
図８は、摩耗を監視すべき部品７４に装着された複数の光ファイバ７２を含む摩耗検出器システム７０の平面図である。各光ファイバ７２は、その端部に単一のＦＢＧセンサ７６を含み、ＦＢＧセンサ５８の場合と同様に、これらＦＢＧセンサ７６の全てが互いに一列になるように、当該光ファイバ７２の端部が部品７４に装着される。この実施形態では、別個のＦＢＧセンサ７６のそれぞれに別個の光チャネルがあるので、ＦＢＧセンサ７６は、ユーザーが望めば全て同じ波長λＢを反射することができる。上述の場合と同様に、部品７４が摩耗面７８で摩耗すると、第１の光ファイバ７２の第１のＦＢＧセンサ７６がダメージを受け、摩耗検出器システム７０は、反射信号の損失に基づいて摩耗の程度を見分ける。
【００３１】
図９は、部品８２の摩耗を検出する摩耗検出器システム８０の平面図であって、複数の光ファイバチャネル８４を含んでおり、該各光ファイバチャネル８４が光ファイバ８６を含み、これら光ファイバ８６がそれぞれ複数の離間したＦＢＧセンサ８８を含んでいる。この実施形態では、各光ファイバ８６は９つのＦＢＧセンサ８８を含み、これらは各チャネル内では異なる波長λＢを反射するが、別のファイバ８６内の対応するＦＢＧセンサ８８は、同じ波長λＢを反射する。したがって、１つの光ファイバが複数の摩耗位置を検出することが可能で、多重化センサの構成となる。光ファイバ８６内のＦＢＧセンサ８８の数は、入力光ビームの帯域幅によって制限される。上述のように、帯域幅が１５１０〜１５９０ｎｍの入力光ビームの場合は、ＦＢＧセンサの数は１５個程度に制限され得る。
【００３２】
この特化した摩耗検出器システムは、摩耗面９０に沿って一種の不均一な摩耗が存在する状況に利用でき、摩耗面９０に沿った異なる領域の摩耗が監視される。例えば、摩耗面９０に沿って延びる複数のナイフエッジシールがあって、摩耗面に周期的にしか接触しない場合は、その各接触位置で摩耗を個別に検出することができる。ＦＢＧセンサ８８の各列が部品８２の特定位置を識別し、他のＦＢＧセンサ８８に対応する部品８２内の他の位置とは切り離して当該特定位置での摩耗を識別することができる。この実施形態は、真っ直ぐな部品に限らず円形の又は丸みを帯びた部品であっても利用できる。
【００３３】
図１０は、部品１０２の摩耗を検出する摩耗検出器システム１００の平面図であって、部品１０２に装着された、複数のＦＢＧセンサ１０６を有する単一の光ファイバ１０４を含む。この設計では、光ファイバ１０４の互いに反対にある端部が分析回路内の別個のチャネルに結合され、これによってシステム１００は、ファイバ１０４に対し両端から交互に問い合わせを行うことが可能になり、単一のファイバにおいて複数の亀裂を監視することが可能になる。言い換えると、別個の入力光ビームを光ファイバ１０４の互いに反対の端部に送ることができる。光入力信号を交互に二方向で光ファイバ１０４へ送ることにより、亀裂などの何らかの欠陥を両方向から監視することができる。例えば、摩耗位置１１０に亀裂がある場合、光ファイバ１０４の一端１１２に結合されたチャネルからの信号は欠陥の左側までのＦＢＧセンサ１０６を読み取り、光ファイバ１０４の他端１１４に結合されたチャネルからの信号は欠陥の右側にあるＦＢＧセンサ１０６を読み取ることができる。これによって、単一のファイバで複数の亀裂を監視することが容易になる。
【００３４】
図１１は、部品１５２に装着された亀裂検出システム１５０の平面図であって、例えば部品１５２の縁部１４６に沿って領域１４８で生じることが予想される亀裂１４４の始まり及び亀裂１４４の長さの検出について監視される。部品１５２は、本明細書に記載の光ファイバセンサを装着することができるいかなる形状のいかなる部品も対象とする。一例では、部品５２は、タービンブレードなど、ガスタービンエンジン１２０の部品である。亀裂検出システム１５０は、回路２８などの適切な検出回路及びデバイスのいずれか又は両者に光学的に結合される入力端１５８を有する、上述のタイプの単一の光ファイバ１５６を含む。具体的には、光ファイバ１５６の入力端１５８は、広帯域入力信号を提供すると共に反射波長λＢを検出する、回路１２８又はその他の回路に、光学的に結合される。
【００３５】
光ファイバ１５６は、適切な高温エポキシ又はセラミックセメントなど、本明細書に記載の目的に適するいずれかの適切な技術により部品１５２の表面に装着される、検出部１６２を含む。あるいは、光ファイバ１５６を、部品１５２に穿孔した穴の中にエポキシ接着することにより、又は、光ファイバ１５６を、部品１５２に加工した小トレンチ内にエポキシ接着することにより、光ファイバ１５６は、部品１５２内に埋め込むことができる。光ファイバ１５６の検出部１６２は、蛇行し、１８０°転回部１６６でつながった平行なファイバセクション１６４を有するように配向されて、部品１５２に装着される。セクション１６４の長さは、亀裂を検出すべき領域のサイズを画定する。ＦＢＧセンサ１６０は、ファイバ１５６が方向転換する光ファイバ１５６の転回部１６６に配置される。転回部１６６は、この実施形態では略半円形である。しかし、転回部１６６は、光ファイバに対して伝導性であり、本明細書に記載のタイプのＦＢＧセンサを設けることができるどのような形状でもよい。
【００３６】
ＦＢＧセンサ１６０はそれぞれ、式（１）に従って異なる波長λＢ（又は色）を反射するように設計される。所望の反射波長λＢを得るために、具体的に、区画２４の間隔及び区画２４の屈折率ｎ３の一方でも両方でも、ＦＢＧセンサ１６０をどのように設計するか、当業者は容易に理解できる。部品１５２に亀裂１４４が発生して広がり始めると、該亀裂は先ずファイバ１５６のうちの最後の２つのＦＢＧセンサ１６０の間の最後のセクション１６４において、ファイバ１５６を切断するか又はファイバ１５６にダメージを与える。こうなると検出回路は、ファイバ１５６の最後尾のセンサ１６０により反射されるはずの波長λＢを受光できない。部品１５２において亀裂が進むと、該亀裂はついには、ファイバ１５６において最後尾のＦＢＧセンサ１６０より前の２番目と３番目のＦＢＧセンサ１６０の間にある、次のセクション１６４でファイバ１５６を再度切断するか又はファイバ１５６にダメージを与える。これが起こると検出回路は、ファイバ１５６における最後の２つのＦＢＧセンサ１６０からの反射波長λＢを受光できなくなる。すなわち、亀裂１４４が延び続け、蛇行構成にある後続のセクション１６４でファイバ１５６を切断するか又はファイバ１５６にダメージを与えると、ファイバ１５６の検出部にあるＦＢＧセンサ１６０による反射波長λＢの損失が体系的に生じ、亀裂１４４の長さが示される。亀裂１４４の長さ判定の分解能は、ファイバ１５６の平行なセクション１６４を互いにどの程度近接して設けるかを決定することによって、制御することができる。
【００３７】
図１２は、上記の摩耗検出システム８０と同様の亀裂検出システム１７０の平面図である。この亀裂検出システム１７０は、部品１７４の所定領域に沿ったいずれかの位置１７２で発生し得る亀裂１８２を検出する。亀裂検出システム１７０は、各々が光ファイバ１７８を含む複数の光ファイバチャネル１７６を含み、その各光ファイバ１７８は、離間した複数のＦＢＧセンサ１８０を含む。この実施形態では、各光ファイバ１７８は９つのＦＢＧセンサ１８０を含み、各センサ１８０は、各チャネル１７６内では異なる波長λＢを反射する。別のファイバ１７８内の対応する又は整列しているＦＢＧセンサ１８０は、同じ波長λＢを反射する。上述の場合のように、亀裂が位置１７２で始まり、部品１７４の縁部に最も近い光ファイバ１７８に影響すると、当該光ファイバ１７８は、その位置で破壊又はダメージを受け得る。検出回路が、検出回路に近い方からある数のセンサ１８０による反射波長λＢを検出する一方、該光ファイバ１７８全長の残りの部分に沿ったセンサ１８０による反射波長λＢを検出しない場合、システム１７０は、どの位置に亀裂１８２が生じたか見分ける。１つの光ファイバ１７８におけるＦＢＧセンサ１８０間の距離が、亀裂の位置をどの程度正確に判定できるかに関わる分解能を決める。亀裂１８２が延びると、部品１７４の縁部からの方向において光ファイバ１７８に対し体系的に漸次、ダメージを与えるか又は切断を生じさせるので、回路は生じた亀裂１８２の長さを監視できる。
【００３８】
光ファイバ内のＦＢＧセンサの数及び該ファイバ内のＦＢＧセンサの間隔が、亀裂を検出できる領域の長さを画定する。亀裂検出システム１７０の場合、９つのＦＢＧセンサ１８０が設けられている。代替実施形態では、１４の領域の亀裂形成を検出するために各光ファイバ１７８に１５個のＦＢＧセンサを設けることができ、そして、より長い亀裂１８２を検出するために、個別チャネルに１６のファイバ１７８を備えてもよい。
【００３９】
上記説明は、本発明の例示的実施形態を開示し、記載したものに過ぎない。当業者はこのような説明、及び添付図面と特許請求の範囲に基づいて、特許請求の範囲に定義された本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更、修正及び変形を加えることができることを容易に認識できる。
【符号の説明】
【００４０】
１０  摩耗（亀裂）検出器システム
１２  ＦＢＧセンサ
１６  光ファイバ
１８  光ファイバコア
２０  クラッド層
２２  ＦＢＧ
２４  区画
２８  検出回路
３０  光源
３２  光ビーム
３４  ビームスプリッタ
３８  フィルタ
４０  検出器
５０  摩耗（亀裂）検出器システム
５２  部品（監視対象）
５４  光ファイバ
５６  入力端
５８  ＦＢＧセンサ
６０  摩耗面
６４  最後のＦＢＧセンサ
７０  摩耗（亀裂）検出器システム
７２  光ファイバ
７４  部品（監視対象）
７６  ＦＢＧセンサ
７８  摩耗面
８０  摩耗（亀裂）検出器システム
８２  部品（監視対象）
８４  光ファイバチャネル
８６  光ファイバ
８８  ＦＢＧセンサ
９０  摩耗面
１００  摩耗（亀裂）検出器システム
１０２  部品（監視対象）
１０４  光ファイバ
１０６  ＦＢＧセンサ
１１０  摩耗位置
１１２  一端
１１４  他端
１２０  ガスタービンエンジン
１２２  圧縮機セクション
１２４  燃焼セクション
１２６  タービンセクション
１２８  シャフト
１３０，１３４  回転ブレード
１３２，１３６  静止ベーン
１３８  支持部品（ベーン装着部品）
１４０  センサ（摩耗（亀裂）検出器）
１４４  亀裂
１４６  縁部
１４８  領域
１５０  亀裂検出システム
１５２  部品（監視対象）
１５６  光ファイバ
１５８  入力端
１６０  ＦＢＧセンサ
１６２  検出部
１６４  ファイバセクション
１６６  転回部
１７０  亀裂検出システム
１７２  位置
１７４  部品（監視対象）
１７６  光ファイバチャネル
１７８  光ファイバ
１８０  ＦＢＧセンサ
１８２  亀裂
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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