(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に対して傾斜した翼先端面を有するタービン動翼の振動計測のための光学プローブであって、
翼先端面に間隔を隔てて対向した内端面を有しかつ回転軸に対してほぼ垂直に延びたプローブ本体と、該プローブ本体内に半径方向外方からプローブ軸線に沿って挿入された同軸光ファイバーと、該同軸光ファイバーの内端とプローブ本体の内端面との間に設けられた光学系と、からなり、
前記同軸光ファイバーは、レーザー光を外部から中心部に導入する投光用光ファイバーと、その周囲に同軸に配置され反射レーザー光を外部に取り出す受光用の光ファイバーとからなり、
前記光学系は、プローブ本体の内端面近傍に設けられた保護ガラスと、同軸光ファイバーに近接して設けられ投光用光ファイバーからのレーザー光を集光する集光レンズ系と、該集光レンズ系と保護ガラスの間に設けられプローブ本体の軸線方向のレーザー光を翼先端面に垂直方向に屈折させかつ翼先端面から垂直に反射されるレーザー光をプローブ本体の軸線方向に屈折させるプリズムとからなる、ことを特徴とするタービン動翼の振動計測用光学プローブ。
【請求項２】
前記プローブ本体は、外部から内端面近傍まで延びた冷却ガス流路と、該冷却ガス流路から保護ガラスの動翼側対向面に冷却ガスを噴射する複数のノズルとを有し、該複数のノズルの流路面積は、該冷却ガス流路の圧力がほぼ一定に保持できるように冷却ガス流路よりも十分小さく設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の光学プローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転中のガスタービンエンジンの動翼振動を非接触でモニタするための光学プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの性能評価のために、運転中のタービン動翼の振動を計測する場合がある。従来、かかる試験は、動翼自体に歪ゲージを貼付け動翼振動に基づく変形信号を検出し、この変形信号から振動状態を計測することが行われていた。しかし、この方法は、歪ゲージの耐熱性が劣るため動翼が高温ガスに曝されるガスタービンには適用できず、かつ変形信号を外部に取り出すための装置が大がかりとなる、等の問題点があった。
そこで、本願発明の出願人は、先に光学的にタービン動翼の振動を計測する計測手段を提案した（特願平２−２４１５０５号）。この装置は、並設された投光用の光ファイバーと受光用の光ファイバーとの先端に石英ガラスのレンズを設け、該レンズの前方に石英の保護ガラスを設け、外周に外筒を設けたプローブの外筒を、回転機械の動翼部分のケーシングの外側にプローブの先端が動翼端部に向くように取付け、前記外筒の内部には冷却水通路を形成すると共に、前記ケーシングにはプローブの先端部に圧縮空気を流す空気通路を形成したものである。
かかる装置により、投光用の光ファイバーから発せられたレーザー光は、レンズ、保護ガラスを通って動翼の端部に照射され、動翼の端部で反射して保護ガラス、レンズを通り、受光用の光ファイバーに戻される。動翼が振動していると、投光用と受光用のレーザー光の間に微小なずれが生ずるので、その変化量を解析することにより動翼の振動計測が可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した光学プローブを用いてタービン動翼の振動を計測するためには、動翼の先端面（翼先端面）で反射されたレーザー光が受光用の光ファイバーに戻るようにする必要がある。このため、従来のプローブでは、投光用と受光用の光ファイバーを同軸に構成し、翼先端面にレーザー光を垂直に照射し垂直に反射するように、タービンのケーシングにプローブを取り付けていた。
【０００４】
しかし、通常のガスタービンでは、作動流体（例えば燃焼ガス）を膨張させるため、流路が通常下流にいくに従って広がっており、この結果、ガス流路及びケーシングの流路内面がケーシング外面に対し平行でない場合が多い。このため、翼先端面もケーシング外面に対し傾斜しており、この翼先端面に対しプローブの投光受光方向を垂直にするためには、プローブをケーシング外面に対し角度をもって装着する必要があった。そのため、プローブが隣接する他の機器と干渉しやすく、ケーシング外面のプローブ取り付け部周囲の制約で、プローブをケーシング外面に対して垂直にしか装着できない場合があった。しかし、この場合には、プローブからの投光が翼先端面に角度をもってあたるため、反射光がプローブの受光用光ファイバーに戻らず正確な計測ができない問題性があった。
【０００５】
本発明は上述した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、動翼の翼先端面が回転軸に対して傾斜しており、ケーシングの流路内面がケーシング外面に対し平行でない場合でも、ケーシング外面に垂直に装着したプローブにより正確な計測ができるタービン動翼の振動計測用光学プローブを提供することにある。また、本発明の別の目的は、ケーシング外面に垂直に装着したプローブから回転軸に対して傾斜した翼先端面に垂直に入射光を照射でき、かつその反射光をプローブに確実に戻すことができるタービン動翼の振動計測用光学プローブを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、回転軸に対して傾斜した翼先端面を有するタービン動翼の振動計測のための光学プローブであって、翼先端面に間隔を隔てて対向した内端面を有しかつ回転軸に対してほぼ垂直に延びたプローブ本体と、該プローブ本体内に半径方向外方からプローブ軸線に沿って挿入された同軸光ファイバーと、該同軸光ファイバーの内端とプローブ本体の内端面との間に設けられた光学系と、からなり、前記同軸光ファイバーは、レーザー光を外部から中心部に導入する投光用光ファイバーと、その周囲に同軸に配置され反射レーザー光を外部に取り出す受光用の光ファイバーとからなり、前記光学系は、プローブ本体の内端面近傍に設けられた保護ガラスと、同軸光ファイバーに近接して設けられ投光用光ファイバーからのレーザー光を集光する集光レンズ系と、該集光レンズ系と保護ガラスの間に設けられプローブ本体の軸線方向のレーザー光を翼先端面に垂直方向に屈折させかつ翼先端面から垂直に反射されるレーザー光をプローブ本体の軸線方向に屈折させるプリズムとからなる、ことを特徴とするタービン動翼の振動計測用光学プローブが提供される。
【０００７】
上記本発明の構成によれば、ケーシング外面に垂直に装着されるプローブの先端付近にプリズムが配置され、光ファイバ先端から集光レンズ系を通過した光がプリズムによって曲げられ計測対象であるタービン動翼の翼先端面に垂直に当たるので、これから垂直に反射したレーザー光も同じ経路を通って受光用の光ファイバーに少ない損失で戻すことができる。
従ってプリズムの使用により、ケーシングの外側、内側の状況によらず、適切な角度のプリズムを使用することにより、翼先端面に角度をもった動翼の振動計測が容易かつ正確に行えるようになる。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記プローブ本体は、外部から内端面近傍まで延びた冷却ガス流路と、該冷却ガス流路から保護ガラスの動翼側対向面に冷却ガスを噴射する複数のノズルとを有し、該複数のノズルの流路面積は、該冷却ガス流路の圧力がほぼ一定に保持できるように冷却ガス流路よりも十分小さく設定されている。この構成により、冷却ガス流路内の圧力をほぼ一定に保持し、複数のノズルから保護ガラスの動翼側対向面に冷却ガス（例えば圧縮空気）を噴射して、保護ガラスに燃焼ガスが直接接触することを防ぎ、その汚染と過熱を防止することができる。
【０００９】
【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。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の光学プローブを用いたタービン動翼の振動計測装置の全体斜視図である。この図に示すように、本発明の光学プローブ１０は、ガスタービンのケーシング１の外側の複数箇所に取り付けられる。各プローブ１０は、投光用と受光用の光ファイバーからなる同軸光ファイバー１４を介してレーザーシステム３に接続され、このレーザーシステム３は更に光ファイバー４によって光電変換器５に接続され、光電変換器５はケーブル６によって解析器７に接続されている。なお、この図で８は電源である。
レーザーシステム３によって発せられたレーザ光は、同軸光ファイバー１４の中心ファイバー、プローブ１０を介してケーシング１内で回転するタービン動翼の翼先端面に照射され、その反射光がパルス状のレーザ光となって同軸光ファイバー１４の外周ファイバーを介して光電変換器５に達し、ここで電気信号に変換され、解析器７に入力される。動翼が振動していると、振動による翼の変形により、翼先端面から反射したパルス状のレーザ光のタンミングに微小なずれが生じ、その変化量を解析することによって動翼の振動計測ができる。
【００１０】
図２は、本発明の光学プローブを示す部分構成図である。この図に示すように、本発明のタービン動翼の振動計測用光学プローブ１０は、回転軸Ｚに対して傾斜した翼先端面９ａを有するタービン動翼９の振動計測をするための光学プローブであり、かつこの光学プローブ１０は、ケーシング外面のプローブ取り付け部周囲の制約で、ケーシング外面に対して（すなわち回転軸Ｚに対して）垂直に装着されている。なお、この図で、１ａは、翼先端面に間隔を隔てて対向したケーシングの流路内面である。
【００１１】
また、図２に示すように、本発明のタービン動翼の振動計測用光学プローブ１０は、プローブ本体１２、同軸光ファイバー１４、及び光学系１６からなる。
プローブ本体１２は、この実施形態において、タービンケーシング１に直接取り付けられるほぼ中空円筒形状の外筒１２ａと、外筒１２ａの内側に挿入されるほぼ中空円筒形状の内筒１２ｂと、外筒１２ａ及び内筒１２ｂの内方端に取り付けられる内端部材１３とからなる。すなわち、このプローブ本体１２は、翼先端面１ａに間隔を隔てて対向した内端面１３ａを有する内端部材１３と、回転軸Ｚに対してほぼ垂直に延びた外筒１２ａ及び内筒１２ｂとからなる。
同軸光ファイバー１４は、プローブ本体１２の内筒１２ｂ内に半径方向外方からプローブ軸線に沿って挿入され、その内端が内筒１２ｂ内に固定されている。この同軸光ファイバー１４は、前述のようにレーザー光を外部から中心部に導入する投光用光ファイバー１４ａと、その周囲に同軸に配置され反射レーザー光を外部に取り出す受光用の光ファイバー１４ｂとからなる。
【００１２】
光学系１６は、同軸光ファイバー１４の内端とプローブ本体１２の内端面１３ａとの間に設けられている。この光学系１６は、保護ガラス１７、集光レンズ系１８、及びプリズム１９からなる。
保護ガラス１７は、プローブ本体１２（すなわち内端部材１３）の内端面１３ａ近傍に取り付けられている。この保護ガラス１７は好ましくは石英の平面ガラスであり、通過するレーザ光に影響を与えず、かつ集光レンズ系１８が燃焼ガス等に直接曝されないようにシール部材（例えばＯリング）により気密に取り付けられている。
また、プローブ本体１２は、外部から内端面近傍まで延びた冷却ガス流路２１と、この冷却ガス流路２１から保護ガラス１７の動翼側対向面に冷却ガスを噴射する複数のノズル２２とを有する。この複数のノズル２２の全体の流路面積は、冷却ガス流路２１の圧力がほぼ一定に保持できるように冷却ガス流路よりも十分小さく設定されており、複数のノズルから保護ガラスの動翼側対向面に冷却ガス（例えば圧縮空気）を噴射して、保護ガラスに燃焼ガスが直接接触することを防ぎ、その汚染と過熱を防止するようになっている。
更に、図１に示すように、内筒１２ｂには、外部からプリズム１９の周囲まで延びる密閉された少なくとも２本の冷却水流路２３が設けられている。この冷却水流路２３は、プリズム１９を囲むリング状の溝２４を介して互いに連通しており、この冷却水流路２３を循環させて冷却水を流し、プローブ本体１２を冷却できるようになっている。
【００１３】
図２において、集光レンズ系１８は、同軸光ファイバー１４に近接して設けられた小径レンズ１８ａと、この小径レンズ１８ａに隣接して設けられた大径レンズ１８ｂとからなる。この組み合わせにより、集光レンズ系１８は、同軸光ファイバー１４の中心の投光用光ファイバー１４ａからのレーザー光を動翼９の翼先端面９ａに集光するようになっている。
【００１４】
またプリズム１９は、集光レンズ系１８と保護ガラスの間に設けられプローブ本体１２の軸線方向のレーザー光を翼先端面９ａに垂直方向に屈折させ、かつ翼先端面９ａから垂直に反射されるレーザー光をプローブ本体の軸線方向に屈折させるようになっている。
【００１５】
図３は、図２の光学系を模式的に示す説明図である。上述した構成の光学プローブ１０に、同軸光ファイバー１４の中心の投光用光ファイバー１４ａを介してレーザーシステム３からレーザ光を導入すると、このレーザ光は小径レンズ１８ａ及び大径レンズ１８ｂにより集光され、図にＯ′で示す仮想点に集光する光となる。次いでこのレーザ光は、プリズム１９で翼先端面９ａに垂直方向に屈折され、翼先端面上のＯ点に焦点を結ぶ。
翼先端が振動している場合には、翼先端面９ａで反射したレーザ光は、翼先端面の僅かな傾きにより入射光からわずかにずれて反射し、プリズム１９でプローブ本体の軸線方向に屈折され、一部は大径レンズ１８ｂのみを通って同軸光ファイバー１４の周囲の受光用光ファイバー１４ｂに入射する。従って、受光用光ファイバー１４ｂに入射した反射光を上述した光電変換器５で電気信号に変換し、これを解析器７で解析することによって動翼の振動計測ができる。
【００１６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
【００１７】
【発明の効果】
上述したように、本発明のタービン動翼の振動計測用光学プローブは、動翼９の翼先端面９ａが回転軸Ｚに対して傾斜しており、ケーシング１の流路内面１ａがケーシング外面に対し平行でない場合でも、ケーシング外面に垂直に装着したプローブ１０から翼先端面９ａに垂直に入射光を照射でき、かつその反射光をプローブに確実に戻すことができ、これにより、タービン動翼の正確な振動計測ができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学プローブを用いたタービン動翼の振動計測装置の全体斜視図である。
【図２】本発明の光学プローブを示す部分構成図である。
【図３】図２の光学系を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１  タービンケーシング
１ａ  流路内面
３  レーザーシステム
４  光ファイバー
５  光電変換器
６  ケーブル
７  解析器
８  電源
９  動翼
９ａ  翼先端面
１０  光学プローブ
１２  プローブ本体
１２ａ  外筒
１２ｂ  内筒
１３  内端部材
１３ａ  内端面
１４  同軸光ファイバー
１４ａ  投光用光ファイバー
１４ｂ  受光用光ファイバー
１６  光学系
１７  保護ガラス
１８  集光レンズ系
１８ａ  小径レンズ
１８ｂ  大径レンズ
１９  プリズム
２１  冷却ガス流路
２２  ノズル
【図１】
0003809729.tif 000002
【図２】
0003809729.tif 000003
【図３】
0003809729.tif 000004