(57)【要約】【課題】インペラの羽根間に生じる非定常流の流速分布を良好に測定できる、流速測定装置、及び流速測定方法を提供する。【解決手段】レーザドップラ流速計２を複数備え、各レーザドップラ流速計２の測定プローブ５から照射されるレーザ光を用いて流速を測定する流速測定装置１である。また、隣接して配置される測定プローブ５から照射されるレーザ光の波長をそれぞれ異ならせている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザドップラ流速計を複数備え、該各レーザドップラ流速計の測定プローブから照射されるレーザ光を用いて流速を測定する流速測定装置であって、
隣接して配置される前記測定プローブから照射されるレーザ光の波長をそれぞれ異ならせることを特徴とする流速測定装置。
【請求項２】
前記測定プローブは規則的に配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の流速測定装置。
【請求項３】
前記測定プローブは、該測定プローブから照射されるレーザ光が焦点を結ぶ流速測定点が流速測定面上における第一方向及び該第一方向に直交する第二方向にそれぞれ等間隔となるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の流速測定装置。
【請求項４】
隣接する前記測定プローブから照射されるレーザ光の波長差が３０ｎｍ以上であ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流速測定装置。
【請求項５】
レーザドップラ流速計を複数備えた流速測定装置を用いて流速を測定する方法であって、
隣接する前記各レーザドップラ流速計における測定プローブのうち、互いに隣接する測定プローブから異なる波長のレーザ光を照射させることで流速測定を行うことを特徴とする流速測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流速測定装置、及び流速測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体機械等における流速を測定する装置（流速測定装置）に、レーザ光が用いられている。レーザ光を用いて流速を測定する方法の一例として、レーザ光を回折格子により分割することで同一直線上の流速を同時に測定するものがある。しかしながら、この方法では各測定点の間隔を任意に設定できないため、汎用性が低いといった問題がある。
【０００３】
また、他の流速測定手段として、レーザドップラ流速計が知られている（例えば、特許文献１参照）。このレーザドップラ流速計を用いた測定は、測定対象となる流体中に光を散乱させる小さな粒子を混ぜて、レーザ光源からのレーザ光を光ファイバによって測定プローブまで導き、レーザ光の交点を流速測定点上に形成し、流体中の粒子によって散乱されたレーザ光を受信することで前記流速測定点における流速を測定するものである。このレーザドップラ流速計は分解能に優れ、簡単な構成により流速測定を行うことが可能である。
【０００４】
そこで、例えばインペラの羽根間等の複雑な流速分布を測定する場合に、上記のレーザドップラ流速計が好適に用いられる。この場合、レーザドップラ流速計は、所定位置から照射されるレーザ光の焦点位置（流速測定点）がインペラ（羽根）の回転に伴って移動することにより、インペラの羽根間における流速分布を得ることができる。
【特許文献１】特開平６−３０８１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来手法により得た流速分布は、各流速測定点に時間的なずれが生じているので、上述したようなインペラ羽根間に生じている非定常な流れにおける流速を良好に測定することは難しかった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、インペラの羽根間に生じる非定常流の流速分布を良好に測定できる、流速測定装置、及び流速測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、ドップラ流速計を複数配置し、同時に複数点で流速を測定することにより、２次元平面的な流速分布を得ることに着目した。
しかしながら、各レーザドップラ流速計は、上述したように散乱光に基づいて流速測定を行うため、レーザドップラ流速計を並列に設けた場合、各測定領域で散乱された光が互いに干渉することで正確な流速測定を行うことができず、測定結果の信頼性が得られないおそれがあることが分かった。
そこで、本発明者はこれらの知見に基づき、本発明を完成させた。
【０００８】
すなわち、本発明の流速測定装置は、レーザドップラ流速計を複数備え、該各レーザドップラ流速計の測定プローブから照射されるレーザ光を用いて流速を測定する流速測定装置であって、隣接して配置される前記測定プローブから照射されるレーザ光の波長をそれぞれ異ならせることを特徴とする。
【０００９】
また、上記流速測定装置においては、前記測定プローブは規則的に配置されてなる構成とするのが好ましい。
このとき、前記測定プローブは、該測定プローブから照射されるレーザ光が焦点を結ぶ流速測定点が流速測定面上における第一方向及び該第一方向に直交する第二方向にそれぞれ等間隔となるように配置されるのがより好ましい。
【００１０】
また、上記流速測定装置においては、隣接する前記測定プローブから照射されるレーザ光の波長差が３０ｎｍ以上であるのが好ましい。
【００１１】
本発明の流速測定方法は、レーザドップラ流速計を複数備えた流速測定装置を用いて流速を測定する方法であって、隣接する前記各レーザドップラ流速計における測定プローブのうち、互いに隣接する測定プローブから異なる波長のレーザ光を照射させることで流速測定を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
レーザドップラ流速計を複数備えているので、同時に複数点の流速測定を行うことができる。よって、流速測定を２次元平面的に測定することが可能となるので、例えば圧縮機のインペラ羽根間のような非定常な流れにおいても精度良く流速を測定できる。そして、隣接する測定プローブから異なる波長のレーザ光が照射されているため、隣接する測定プローブ間で光の干渉が生じることが防止され、各測定プローブを近接した状態に配置でき、これに伴って高い分解能を備えたものを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の流速測定装置、および流速測定方法の実施形態について図面を参照にして説明する。図１は、本実施形態に係る流速測定装置の概略構成を示す図であり、図２は流速測定装置における流速測定面を示す図であり、図１中ＸＹ平面に対応するものである。なお、図中、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向は、ＸＹＺ直交座標系を示しており、ＸＹ平面が流速測定装置における流速測定面に対応している。
【００１４】
図１に示すように、流速測定装置１は複数のレーザドップラ流速計２を備えて構成されている。なお、図示は省略するが同図中Ｘ軸方向には同様にレーザドップラ流速計２が複数設けられているものとする。
【００１５】
レーザドップラ流速計２は、流体中に含まれる粒子（トレーサー）からの散乱光によるドップラ効果を利用して光学的に流体速度を測定できるものである。このレーザドップラ流速計２は、Ａｒイオンレーザなどのレーザ光を生成するレーザ発振装置３と、このレーザ発振装置３で生成されたレーザ光が光ファイバ４を介して伝送される測定プローブ５と、この測定プローブ５に光ファイバ６を介して結合された光電子倍増管７と、この光電子倍増管７の出力側に信号ケーブル８で接続された信号処理装置９とを含んで構成されている。なお、前記各レーザドップラ流速計２のうち、測定プローブ５以外の部材は図示されない流速測定装置１の筐体中に収容されている。
【００１６】
前記測定プローブ５は、そのレーザ光出射面が流速測定面（ＸＹ平面）に対向した状態に配置されており（図２参照）、図１に示したように光ファイバ４を介して伝送されたレーザ光が測定プローブ５から照射される構成となっている。具体的には、前記レーザ発振装置３で生成されたレーザ光は、測定プローブ５内部にて２つに分岐された後、流速測定面（ＸＹ平面）上で焦点を結ぶようになっている。なお、このようにレーザ光が焦点を結ぶ位置が流速測定点Ｐとなる。
【００１７】
また、図２に示したように測定プローブ５は規則的に配置されている。具体的には測定プローブ５が、該測定プローブ５から照射されるレーザ光が焦点を結ぶ流速測定点Ｐが流速測定面（ＸＹ平面）上におけるＹ軸方向（第一方向）及びこのＹ軸方向に直交するＸ軸方向（第二方向）にそれぞれ等間隔となるように配置されている。すなわち、各測定プローブ５から照射されたレーザ光が焦点を結ぶ流速測定点Ｐは、流速測定面（ＸＹ平面）上にマトリクス（行列）状に配置されている。
【００１８】
各レーザドップラ流速計２は、各流速測定点Ｐに対応する流体中を流れる粒子（トレーサー）によって拡散されたレーザ光を前記光ファイバ６から光電子倍増管７に導き、電気信号に変換した後、この電気信号を信号ケーブル８から信号処理装置９に送ることで流速測定点Ｐにおける流体の流速を算出する構成となっている。
したがって、レーザドップラ流速計２を複数備えた流速測定装置１は、各流速測定点Ｐにおける流速を同時に測定することが可能となっている。なお、前記測定プローブ５を配置する位置を適宜変更することにより、各流速測定点Ｐを任意に調整可能となる。
【００１９】
ところで、流速測定装置１は測定プローブ５が配置される間隔が小さくなるに従って、その分解能が向上する。本実施形態では、図２に示される各流速測定点Ｐの間隔を１ｍｍとした。
【００２０】
また、各レーザドップラ流速計２は上述したように測定プローブ５から各流速測定点Ｐにレーザ光を照射し散乱した光を受光する構成となっている。しかしながら、このように各測定プローブ５を近接した状態に配置した場合、隣接する測定プローブ５に対応する散乱光同士が干渉することで良好に流速測定を行えなくなる可能性がある。
【００２１】
そこで、本実施形態に係る流速測定装置１は、このような不具合の発生を防止するために、隣接する測定プローブ５からそれぞれ異なる波長のレーザ光を照射する構成とした。これにより、隣接する測定プローブ５間において散乱光が干渉することが防止されるので、各流速測定点Ｐの流速を良好に測定することができる。
【００２２】
なお、隣接する測定プローブ５間においてそれぞれの波長差を３０ｎｍ以上に設定することが好ましい。このようにすれば、各測定プローブ５の間隔を上記の１ｍｍ（図２参照）よりも小さくすることができ、隣接する測定プローブ５における測定位置がほぼ重なった場合でも流速を測定することができる。よって、各流速測定点Ｐを近接させることができるので、流速測定装置１の分解能を向上させることができる。
【００２３】
次に、上記流速測定装置１の動作方法について説明する。
はじめに被測定対象となる流体の中に光を散乱させる小さな粒子を混ぜ、流体とともに移動させる。そして、流速測定装置１を動作させて、流体に対してレーザ光を照射する。
具体的には、レーザ発振装置３で生成したレーザ光を測定プローブ５まで導き、上記各流速測定点Ｐに照射する。
【００２４】
すると、測定プローブ５から照射されたレーザ光は流体中の粒子によって散乱される。このとき、散乱された光はドップラ効果により流体の移動速度（粒子の移動速度）に応じて周波数がごくわずかに変化している。
【００２５】
そして、散乱されたレーザ光は光ファイバ６を介して光電子倍増管７に導かれることで電気信号に変換される。この電気信号は信号ケーブル８を介して信号処理装置９に送られることでフーリエ変換などの処理を受け、上記ドップラ信号の周波数から各流速測定点Ｐにおける流体の流速が算出される。以上の処理が各レーザドップラ流速計２内で行われ、各流速測定点Ｐの流速情報が流速測定装置１の演算部（図示せず）に送られる。
したがって、流速測定装置１は流速測定面（ＸＹ平面）における２次元平面的な流速分布を良好に得ることができる。
【００２６】
以上の述べたように、本実施形態に係る流速測定装置１によれば、レーザドップラ流速計２を複数備えたことで複数点の流速測定を同時に行うことができる。また、２次元平面的な流速測定が可能となるので、単一のレーザドップラ流速計を用いて流速測定を行う場合に比べて、非定常な流れを精度良く測定することができる。また、隣接する測定プローブ５から異なる波長のレーザ光を照射しているので、隣接する測定プローブ５間で光の干渉が生じることが防止され、各測定プローブ５を近接した状態に配置でき、高い分解能を得ることができる。
さらに、上記流速測定装置１は、流速測定面（ＸＹ平面）上に流速測定点Ｐが均等に配置されるため、非定常流等の複雑な流れの流速を良好に測定することができる。
【００２７】
次に、本発明の流速測定方法の一実施形態として、上記流速測定装置１を用いて圧縮機のインペラを構成する羽根間の流速分布を測定する場合を例に挙げて説明する。
【００２８】
図３は圧縮機１００の概略構成を示す図である。圧縮機１００は、インペラ２０と、インペラ２０を囲むように設けられたハウジング２４とを備えている。インペラ２０は、所定の軸線Ｏまわりに回転可能に設けられた回転軸２１と、回転軸２１（軸線Ｏ）を基準として放射状に配置された複数の羽根２３を有している。羽根２３は、軸線Ｏ（回転軸２１）まわりに等間隔で複数設けられている。インペラ２０は、不図示のタービンの羽根車に軸を介して連結され、エンジン等の排気によってタービンの翼車が回転することにより軸を介して回転する。そして、インペラ２０が回転することにより、不図示の吸込口からの吸気を圧縮してエンジンに吸気するようになっている。このように、回転運動を伴うインペラ２０の羽根２３間における流速分布は非定常な流れとなっており、その流速分布を測定するに際して上記流速測定装置１を好適に採用できる。
【００２９】
図３に示すように、上記ハウジング２４における前記羽根２３に対応する位置には流速測定用窓部２５が設けられており、この流速測定用窓部２５は例えばガラス等の透明材料から構成されている。具体的には、前記流速測定用窓部２５内に、上記流速測定装置１の各測定プローブ５から複数のレーザ光を照射することで、ハウジング１０１内で回転するインペラ２０の羽根２３間における流速分布を測定することができる。
【００３０】
図４は、流速測定時におけるインペラ２０の平面図を示すものである。図４に示されるように、上記各測定プローブ５から照射された光は、インペラ２０の羽根２３間に複数の流速測定点Ｐが均一に配置された流速測定面を構成する。よって、各流速測定点Ｐにおける流速が同時に測定されることで、羽根２３間において２次元平面的な流速分布を得ることができる。
【００３１】
ところで、従来のように単一のレーザドップラ流速計２を用いてインペラ２０における羽根２３間の流速分布を測定する場合、インペラ２０の回転に伴って測定プローブ５の流速測定点Ｐが順次移動し、羽根２３間における流速分布が得られる。この場合、流速分布を構成する各流速測定点のプロットにおける流速は同時に測定されたものではなく、それぞれ僅かな時間差で測定されたものである。
【００３２】
しかしながら、インペラ２０の羽根２３間に生じる流れは非定常なものであるため、この僅かな時間の間でも各流速測定点における流速が変化しているおそれがあった。すなわち、従来のように単一のレーザドップラ流速計２を用いることで得られる流速分布は、十分な信頼性を備えたものであるとは言い難かった。
【００３３】
図５は本発明の上記流速測定装置１を用いることで測定した、インペラ２０の羽根２３間における流速分布を示す図である。なお、図５は、図４中点線で示される領域に複数並んだ流速測定点Ｐに対応した、インペラ２３の羽根２３間における負圧面側から圧力面側に向かう流速分布を示した図である。
【００３４】
本発明の流速測定方法によれば、上述したようにレーザドップラ流速計２を複数備える上記流速測定装置１を用いて流速測定が行われるので、各流速測定点Ｐにおける流速が従来のように時間差により測定されることなく同時に測定できる。よって、インペラ２０における羽根２３間のような非定常な流れの流速分布であっても、図５に示されるような良好な測定結果を得ることができる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では流速測定点Ｐを行列状に配置したが、千鳥状のように規則的に配置してもよいし、流速測定点Ｐは２次元平面にしなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】流速測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】流速測定装置における流速測定面を示す図である。
【図３】圧縮機を構成するインペラの概略構成を示す図である。
【図４】流速測定時におけるインペラの平面図を示すものである。
【図５】流速計測装置により測定したインペラの羽根間の速度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…流速測定装置、２…レーザドップラ流速計、５…測定プローブ
【図１】
2008309694.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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