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技術 光ファイバプローブ、光ファイバ計測装置及びクリアランス制御システム

出願人 三菱日立パワーシステムズ株式会社
発明者 宮本貴洋近藤明生大西智之濱田雄久
出願日 2015年9月10日 (5年5ヶ月経過) 出願番号 2015-178656
公開日 2017年3月16日 (3年11ヶ月経過) 公開番号 2017-053762
状態 特許登録済
技術分野 タービンロータ・ノズル・シール ガスタービン、高圧・高速燃焼室 光学的手段による測長装置 タービンの細部・装置
主要キーワード 反射プローブ 高圧環境 高圧環境下 中心ファイバ 円環形 受光用ファイバ 位置規制部材 ロッド形状
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図面 (10)

課題

外部環境要因とする光ファイバの変化を抑制し、検出精度の低下を抑制することができる光ファイバプローブ光ファイバ計測装置及びクリアランス制御システムを提供する。

解決手段

プローブ本体21と、プローブ本体21の内部空間Sに格納され、先端部がプローブ本体21の外面となる被検出面側P1に配置される光ファイバ22と、位置規制部材23とを備え、光ファイバ22は、先端側の細径部22aと後端側の太径部22bとを有し、プローブ本体21は、内部空間Sにおいて被検出面P1の反対側に設けられる底面P2と、被検出面P1と底面P2との間を連通する貫通孔31dとを有し、細径部22aは貫通孔31dに挿通され、太径部22bは先端部を底面P2に当接させ、内部空間Sに撓ませた状態で配置され、位置規制部材23は、太径部22bの後端部に当接して設けられ、太径部22bを撓ませた状態で、光ファイバ22の位置を規制する。

概要

背景

従来、光ファイバプローブとして、6×1ファイバ構成による反射プローブが知られている(例えば、特許文献1参照)。この反射プローブは、中心ファイバと、6本の同軸ファイバとを有している。

概要

外部環境要因とする光ファイバの変化を抑制し、検出精度の低下を抑制することができる光ファイバプローブ、光ファイバ計測装置及びクリアランス制御システムを提供する。プローブ本体21と、プローブ本体21の内部空間Sに格納され、先端部がプローブ本体21の外面となる被検出面側P1に配置される光ファイバ22と、位置規制部材23とを備え、光ファイバ22は、先端側の細径部22aと後端側の太径部22bとを有し、プローブ本体21は、内部空間Sにおいて被検出面P1の反対側に設けられる底面P2と、被検出面P1と底面P2との間を連通する貫通孔31dとを有し、細径部22aは貫通孔31dに挿通され、太径部22bは先端部を底面P2に当接させ、内部空間Sに撓ませた状態で配置され、位置規制部材23は、太径部22bの後端部に当接して設けられ、太径部22bを撓ませた状態で、光ファイバ22の位置を規制する。

目的

本発明は、外部環境を要因とする光ファイバの変化を抑制し、検出精度の低下を抑制することができる光ファイバプローブ、光ファイバ計測装置及びクリアランス制御システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

外面に設けられる被検出面と、内部に設けられる内部空間とを有するプローブ本体と、前記内部空間に格納され、先端部が前記プローブ本体の前記被検出面側に配置される光ファイバと、前記プローブ本体に取り付けられる位置規制部材と、を備え、前記光ファイバは、先端側において径が細い細径部と、前記細径部の後端側において径が太い太径部と、を有し、前記プローブ本体は、前記内部空間において前記被検出面の反対側に設けられる底面と、前記被検出面と前記底面との間を連通する貫通孔と、を有し、前記細径部は、前記貫通孔に挿通され、前記太径部は、先端部を前記底面に当接させ、前記内部空間に撓ませた状態で配置され、前記位置規制部材は、前記太径部の後端部に当接して設けられ、前記太径部を撓ませた状態で、前記光ファイバの位置を規制することを特徴とする光ファイバプローブ

請求項2

外面に設けられる被検出面と、内部に設けられる内部空間とを有するプローブ本体と、前記内部空間に格納され、先端部が前記プローブ本体の前記被検出面側に配置される光ファイバと、前記プローブ本体に取り付けられる位置規制部材と、前記光ファイバを前記被検出面側に押圧する弾性部材と、を備え、前記光ファイバは、先端側において径が細い細径部と、前記細径部の後端側において径が太い太径部と、を有し、前記プローブ本体は、前記内部空間において前記被検出面の反対側に設けられる底面と、前記被検出面と前記底面との間を連通する貫通孔と、を有し、前記細径部は、前記貫通孔に挿通され、前記太径部は、先端部を前記底面に当接させた状態で配置され、前記位置規制部材は、前記太径部の後端部に対して隙間を空けて設けられ、前記弾性部材は、前記太径部の後端部と前記位置規制部材との前記隙間に設けられることを特徴とする光ファイバプローブ。

請求項3

前記光ファイバは、中心部となるコアと、前記コアの周囲に設けられるクラッドと、を有し、前記コアは、前記太径部及び前記細径部における直径が、同径となる一方で、前記クラッドは、前記細径部に比して前記太径部における外径が、太くなっていることを特徴とする請求項1または2に記載の光ファイバプローブ。

請求項4

前記貫通孔の前記被検出面側に挿通される光学窓を、さらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光ファイバプローブ。

請求項5

前記光学窓は、軸方向に長い円柱形状となっており、前記軸方向が前記貫通孔の挿通方向となっており、前記光学窓の外周面は、めっき加工されていることを特徴とする請求項4に記載の光ファイバプローブ。

請求項6

外面に設けられる被検出面と、内部に設けられる内部空間とを有するプローブ本体と、前記内部空間に格納され、先端部が前記プローブ本体の前記被検出面側に配置される光ファイバと、前記プローブ本体に取り付けられる光学窓と、を備え、前記プローブ本体は、前記内部空間において前記被検出面の反対側に設けられる底面と、前記被検出面と前記底面との間を連通する貫通孔と、を有し、前記光ファイバの先端部は、前記貫通孔に挿通され、前記光学窓は、前記光ファイバの先端部に対して前記貫通孔の前記被検出面側に挿通されることを特徴とする光ファイバプローブ。

請求項7

請求項1から6のいずれか1項に記載の光ファイバプローブと、前記光ファイバプローブへ向けて光を出射する発光部と、前記光ファイバプローブから入射される光を受光する受光部と、前記発光部への発光信号と、前記受光部からの受光信号とを信号処理する計測制御部と、を備えることを特徴とする光ファイバ計測装置。

請求項8

前記光ファイバは、前記被検出面から光を出射させるための複数の送光用ファイバと、複数の前記送光用ファイバにそれぞれ対応付けられると共に、前記被検出面に入射する光を受光するための複数の受光用ファイバと、を有し、前記発光部は、複数の前記送光用ファイバから出射される光の色彩を異ならせ、前記受光部は、複数の異なる色彩の光を選別する複数のフィルタを有することを特徴とする請求項7に記載の光ファイバ計測装置。

請求項9

ケーシングと、前記ケーシングに対して所定のクリアランスを空けて対向して設けられる動翼と、を備えるタービンの前記クリアランスを調整するクリアランス制御システムであって、前記発光信号と前記受光信号とに基づいて、前記クリアランスを計測する、請求項7または8に記載の光ファイバ計測装置と、前記光ファイバ計測装置により計測された前記クリアランスに基づいて、前記クリアランスを調整するためのクリアランス調整制御を実行するタービン制御部と、を備えることを特徴とするクリアランス制御システム。

技術分野

0001

本発明は、光ファイバを用いたプローブである光ファイバプローブ光ファイバ計測装置及びクリアランス制御システムに関するものである。

背景技術

0002

従来、光ファイバプローブとして、6×1ファイバ構成による反射プローブが知られている(例えば、特許文献1参照)。この反射プローブは、中心ファイバと、6本の同軸ファイバとを有している。

先行技術

0003

特開2010−8409号公報

発明が解決しようとする課題

0004

ところで、反射プローブ等の光ファイバプローブは、例えば、蒸気タービンまたはガスタービン等のタービンに設けられる場合がある。この場合、光ファイバプローブは、高温高圧環境下に曝される。光ファイバプローブが過酷な外部環境下で使用されると、被検出面から光ファイバが陥没したり、また、光ファイバを固定するためのセラミック製の封止材の一部が欠損したりする可能性がある。このように、光ファイバプローブが過酷な外部環境下で使用されると、光ファイバの位置または形状が変化してしまい、光ファイバプローブを用いた検出精度が低下する可能性がある。

0005

そこで、本発明は、外部環境を要因とする光ファイバの変化を抑制し、検出精度の低下を抑制することができる光ファイバプローブ、光ファイバ計測装置及びクリアランス制御システムを提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0006

本発明の光ファイバプローブは、外面に設けられる被検出面と、内部に設けられる内部空間とを有するプローブ本体と、前記内部空間に格納され、先端部が前記プローブ本体の前記被検出面側に配置される光ファイバと、前記プローブ本体に取り付けられる位置規制部材と、を備え、前記光ファイバは、先端側において径が細い細径部と、前記細径部の後端側において径が太い太径部と、を有し、前記プローブ本体は、前記内部空間において前記被検出面の反対側に設けられる底面と、前記被検出面と前記底面との間を連通する貫通孔と、を有し、前記細径部は、前記貫通孔に挿通され、前記太径部は、先端部を前記底面に当接させ、前記内部空間に撓ませた状態で配置され、前記位置規制部材は、前記太径部の後端部に当接して設けられ、前記太径部を撓ませた状態で、前記光ファイバの位置を規制することを特徴とする。

0007

この構成によれば、光ファイバの太径部を撓ませることで、太径部を内部空間の底面側に押し当てることができる。このため、外部環境が高温・高圧環境となる場合であっても、光ファイバの細径部が、プローブ本体の被検出面から陥没することを抑制することができる。また、光ファイバをプローブ本体に固定するための封止材を省略できるため、封止材の欠損を生じさせることがない。よって、外部環境を要因とする光ファイバの変化を抑制できることから、検出精度の低下を抑制することができる。

0008

本発明の他の光ファイバプローブは、外面に設けられる被検出面と、内部に設けられる内部空間とを有するプローブ本体と、前記内部空間に格納され、先端部が前記プローブ本体の前記被検出面側に配置される光ファイバと、前記プローブ本体に取り付けられる位置規制部材と、前記光ファイバを前記被検出面側に押圧する弾性部材と、を備え、前記光ファイバは、先端側において径が細い細径部と、前記細径部の後端側において径が太い太径部と、を有し、前記プローブ本体は、前記内部空間において前記被検出面の反対側に設けられる底面と、前記被検出面と前記底面との間を連通する貫通孔と、を有し、前記細径部は、前記貫通孔に挿通され、前記太径部は、先端部を前記底面に当接させた状態で配置され、前記位置規制部材は、前記太径部の後端部に対して隙間を空けて設けられ、前記弾性部材は、前記太径部の後端部と前記位置規制部材との前記隙間に設けられることを特徴とする。

0009

この構成によれば、光ファイバの太径部の後端部と位置規制部材との間に弾性部材を設けることで、弾性部材によって光ファイバを被検出面側に押圧することができるため、太径部を内部空間の底面側に押し当てることができる。このため、外部環境が高温・高圧環境となる場合であっても、光ファイバの細径部が、プローブ本体の被検出面から陥没することを抑制することができる。また、光ファイバをプローブ本体に固定するための封止材を省略できるため、封止材の欠損を生じさせることがない。よって、外部環境を要因とする光ファイバの変化を抑制できることから、検出精度の低下を抑制することができる。

0010

また、前記光ファイバは、中心部となるコアと、前記コアの周囲に設けられるクラッドと、を有し、前記コアは、前記太径部及び前記細径部における直径が、同径となる一方で、前記クラッドは、前記細径部に比して前記太径部における外径が、太くなっていることが好ましい。

0011

この構成によれば、コアの径を変えることなく、クラッドの外径を太径部において太くすればよいため、コアとクラッドとの界面を均一な状態に維持することができる。

0012

また、前記貫通孔の前記被検出面側に挿通される光学窓を、さらに備えることが好ましい。

0013

この構成によれば、光学窓により、プローブ本体の外部とプローブ本体の内部空間とを区画することができる。このため、光ファイバがプローブ本体の外部に露出することがなく、光ファイバを内部空間に格納することができるため、光ファイバが外部環境に曝されることを抑制することができる。

0014

また、前記光学窓は、軸方向に長い円柱形状となっており、前記軸方向が前記貫通孔の挿通方向となっており、前記光学窓の外周面は、めっき加工されていることが好ましい。

0015

この構成によれば、光学窓を通過する光を反射させることができるため、光学窓を通過する光の強さが低下することを抑制することができる。

0016

本発明の他の光ファイバプローブは、外面に設けられる被検出面と、内部に設けられる内部空間とを有するプローブ本体と、前記内部空間に格納され、先端部が前記プローブ本体の前記被検出面側に配置される光ファイバと、前記プローブ本体に取り付けられる光学窓と、を備え、前記プローブ本体は、前記内部空間において前記被検出面の反対側に設けられる底面と、前記被検出面と前記底面との間を連通する貫通孔と、を有し、前記光ファイバの先端部は、前記貫通孔に挿通され、前記光学窓は、前記光ファイバの先端部に対して前記貫通孔の前記被検出面側に挿通されることを特徴とする。

0017

この構成によれば、光学窓により、プローブ本体の外部とプローブ本体の内部空間とを区画することができる。このため、光ファイバがプローブ本体の外部に露出することがなく、光ファイバを内部空間に格納することができるため、光ファイバが外部環境に曝されることを抑制することができる。このため、外部環境が高温・高圧環境となる場合であっても、光ファイバの先端部が、プローブ本体の被検出面から陥没することを抑制することができる。また、光ファイバをプローブ本体に固定するための封止材を省略できるため、封止材の欠損を生じさせることがない。よって、外部環境を要因とする光ファイバの変化を抑制できることから、検出精度の低下を抑制することができる。

0018

本発明の光ファイバ計測装置は、上記の光ファイバプローブと、前記光ファイバプローブへ向けて光を出射する発光部と、前記光ファイバプローブから入射される光を受光する受光部と、前記発光部への発光信号と、前記受光部からの受光信号とを信号処理する計測制御部と、を備えることを特徴とする。

0019

この構成によれば、過酷な外部環境下において、光ファイバプローブを用いる場合であっても、光ファイバプローブの検出精度の低下を抑制できるため、光ファイバプローブを用いた計測を精度よく行うことができる。

0020

また、前記光ファイバは、前記被検出面から光を出射させるための複数の送光用ファイバと、複数の前記送光用ファイバにそれぞれ対応付けられると共に、前記被検出面に入射する光を受光するための複数の受光用ファイバと、を有し、前記発光部は、複数の前記送光用ファイバから出射される光の色彩を異ならせ、前記受光部は、複数の異なる色彩の光を選別する複数のフィルタを有することが好ましい。

0021

この構成によれば、複数の送光用ファイバと複数の受光用ファイバとがそれぞれ対応付けられている場合、1つの送光用ファイバから出射した光が、対応付けられていない他の受光用ファイバに入射した場合であっても、受光部の複数のフィルタによって光を選別することができる。このため、複数の送光用ファイバと複数の受光用ファイバとの光の混在(つまり、クロストーク)を抑制できることから、受光部における光の誤検出を抑制することができる。

0022

本発明のクリアランス制御システムは、ケーシングと、前記ケーシングに対して所定のクリアランスを空けて対向して設けられる動翼と、を備えるタービンの前記クリアランスを調整するクリアランス制御システムであって、前記発光信号と前記受光信号とに基づいて、前記クリアランスを計測する、上記の光ファイバ計測装置と、前記光ファイバ計測装置により計測された前記クリアランスに基づいて、前記クリアランスを調整するためのクリアランス調整制御を実行するタービン制御部と、を備えることを特徴とする。

0023

この構成によれば、過酷な外部環境下において、光ファイバプローブを用いる場合であっても、光ファイバプローブの検出精度の低下を抑制できるため、光ファイバプローブを用いたクリアランスの計測を精度よく行うことができる。よって、タービン制御部によるクリアランス調整制御を精度よく実行することができる。

図面の簡単な説明

0024

図1は、実施形態1に係るクリアランス制御システムに関する概略構成図である。
図2は、実施形態1に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。
図3は、クリアランスの算出方法に関する説明図である。
図4は、光ファイバプローブを用いて検出した受光信号の信号強度に関するグラフである。
図5は、実施形態1の変形例1に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。
図6は、実施形態2に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。
図7は、実施形態2の変形例2に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。
図8は、実施形態3に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。
図9は、実施形態4に係る光ファイバ計測装置を模式的に表した概略構成図である。

実施例

0025

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

0026

[実施形態1]
図1は、実施形態1に係るクリアランス制御システムに関する概略構成図である。図2は、実施形態1に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。図3は、クリアランスの算出方法に関する説明図である。図4は、光ファイバプローブを用いて検出した受光信号の信号強度に関するグラフである。

0027

図1に示すように、実施形態1に係るクリアランス制御システム1は、タービン3のケーシング5と動翼6との間に形成されるクリアランスdを計測し、計測結果に基づいて、クリアランスdを調整するシステムである。先ず、クリアランス制御システム1の説明に先立ち、タービン3について説明する。

0028

タービン3は、蒸気タービンまたはガスタービンを含むターボ機械である。タービン3は、回転軸となる図示しないロータに設けられる複数の動翼6と、複数の動翼6の周囲に設けられるケーシング5とを有している。複数の動翼6は、ロータに取り付けられると共に、ロータの周方向に所定の間隔を空けて並べて設けられている。ケーシング5は、周方向に並べて設けられる動翼6に対向して設けられ、円環形状に形成されている。ケーシング5は、所定のクリアランスdを空けて複数の動翼6に対向して設けられる。ケーシング5は、例えば、内車室と、内車室の外側に設けられる外車室とを含む構成である。

0029

次に、図1を参照して、クリアランス制御システム1について説明する。クリアランス制御システム1は、タービン制御部8と、光ファイバ計測装置10とを備えており、光ファイバ計測装置10は、クリアランスdを計測している。

0030

タービン制御部8は、光ファイバ計測装置10により計測されたクリアランスdに基づいて、クリアランスdを調整するためのクリアランス調整制御を実行している。ここで、クリアランスdとしては、ロータの径方向におけるクリアランス(いわゆる、チップクリアランス)Cと、ロータの軸方向におけるクリアランスdとがあり、図1では、ロータの径方向におけるクリアランスdを示している。

0031

タービン制御部8は、ロータの径方向におけるクリアランス調整制御として、例えば、内車室及び外車室を含むケーシング5を上下移動させるアクチュエータを制御することにより、クリアランスdを調整している。また、タービン制御部8は、例えば、ロータを上下移動させるアクチュエータを制御することにより、クリアランスdを調整している。また、タービン制御部8は、例えば、ケーシング5の温度を制御して、ケーシング5の熱伸びを調整することで、クリアランスdを調整している。

0032

また、タービン制御部8は、ロータの軸方向におけるクリアランス調整制御として、例えば、内車室及び外車室を含むケーシング5を軸方向に移動させるアクチュエータを制御することにより、クリアランスdを調整している。さらに、タービン制御部8は、例えば、ロータを軸方向に移動させるアクチュエータを制御することにより、クリアランスdを調整している。

0033

光ファイバ計測装置10は、ケーシング5と動翼6との間のクリアランスdを計測しており、光ファイバプローブ11と、発光部12と、受光部13と、計測制御部14と、を備えている。

0034

図1に示すように、光ファイバプローブ11は、ケーシング5に取り付けられ、その被検出面P1が、ロータの径方向において動翼6と対向するように配置される。このため、光ファイバプローブ11は、ケーシング5と動翼6との間の高温・高圧の外部環境下に曝される。図2に示すように、光ファイバプローブ11は、プローブ本体21と、複数の光ファイバ22と、位置規制部材23とを備えている。

0035

プローブ本体21は、被検出面P1側となる先端側ケース31と、先端側ケース31の後端側に設けられる後端側ケース32と、先端側ケース31と後端側ケース32とを締結するナット33とを含んで構成され、その内部に中空の内部空間Sが形成されている。

0036

先端側ケース31は、底板部31aと、円筒部31bと、フランジ部31cとを有しており、有底の円筒形状に形成されている。底板部31aは、外側の面が被検出面P1となっており、内側の面が底面P2となっている。この底板部31aには、被検出面P1と底面P2とが対向する厚み方向において、貫通孔31dが複数形成されており、貫通孔31dは、プローブ本体21の外部とプローブ本体21の内部空間Sとを連通している。複数の貫通孔31dは、径方向の一方側に寄せて一群の貫通孔31dが複数形成され、径方向の他方側に寄せて他群の貫通孔31dが複数形成されている。一群の貫通孔31dの貫通方向と、他群の貫通孔31dの貫通方向とは、所定の角度αをなすように形成されている。円筒部31bは、その先端側に底板部31aが設けられ、その後端側にフランジ部31cが設けられている。フランジ部31cは、円筒部31bの径方向外側に突出して形成されている。このフランジ部31cは、締結されるナット33のストッパとして機能している。また、先端側ケース31には、フランジ部31cの内周面側に収容溝31eが全周に亘って形成され、この収容溝31eに、位置規制部材23が収容される。

0037

後端側ケース32は、底板部32aと、円筒部32bとを有しており、有底の円筒形状に形成されている。底板部32aには、複数の光ファイバ22を挿通する挿通孔32cが形成されている。円筒部32bは、その後端側に底板部32aが設けられ、その先端側に先端側ケース31のフランジ部31cが当接する。円筒部32bの先端側の外周面には、ナット33が締結する雄ねじが形成されている。

0038

また、先端側ケース31と後端側ケース32との間には、ピン35が設けられ、ピン35は、周方向における先端側ケース31と後端側ケース32との位置を規制している。このピン35は、後述するナット33を締結する際に、先端側ケース31及び後端側ケース32が連れ回りすることを規制している。

0039

ナット33は、円環状に形成され、軸方向の一方側の内周面に雌ねじと、軸方向の他方側の内周面から突出する突出部33aとが形成されている。ナット33は、先端側ケース31から挿入され、ナット33の雌ねじと、後端側ケース32の雄ねじとが締結される。また、ナット33は、その突出部33aが、先端側ケース31のフランジ部31cに当接することで、位置規制される。

0040

複数の光ファイバ22は、プローブ本体21の内部空間Sに格納されており、複数の送光用ファイバ41と、複数の受光用ファイバ42とを有している。具体的に、送光用ファイバ41は、2本設けられており、一方の送光用ファイバ41は、中空の内部空間Sにおいて、一方側(図2の上側)に寄せて配置され、他方の送光用ファイバ41は、他方側(図2の下側)に寄せて配置されている。複数の受光用ファイバ42は、一方の送光用ファイバ41を中心として同心円状に複数配置され、同様に、他方の送光用ファイバ41を中心として同心円状に複数配置されている。このように、複数の光ファイバ22は、一群となる複数の光ファイバ22と、他群となる複数の光ファイバ22とに分けて配置される。

0041

また、各光ファイバ22は、直径が細い細径部22aと、直径が太い太径部22bとを含んで構成されている。細径部22aは、被検出面P1側となる光ファイバ22の先端部に設けられる。太径部22bは、細径部22bの後端側に設けられており、太径部22bの後端側に、細径部22aが設けられている。つまり、2つの細径部22aの間に、太径部22bが設けられている。この光ファイバ22は、中心部となるコア45と、コア45の周囲に設けられるクラッド46とを有しており、コア45は、光ファイバ22の全長に亘って、同じ直径となっている。つまり、光ファイバ22の細径部22a及び太径部22bにおけるコア45の直径は、同径となっている。一方で、クラッド46は、細径部22aに比して太径部22bにおける外径が、太くなっている。

0042

位置規制部材23は、円板形状に形成されており、先端側ケース31の収容溝31eに収容されることで、プローブ本体21の内部空間Sを2つに区分けしている。この位置規制部材23には、複数の光ファイバ22の細径部22aが挿通される複数の挿通孔23aが貫通形成されている。なお、複数の挿通孔23aは、一群となる複数の光ファイバ22に応じて複数貫通形成されると共に、他群となる複数の光ファイバ22に応じて複数貫通形成される。

0043

上記の光ファイバ22は、先端側の細径部22aが、プローブ本体21の貫通孔31dに挿通され、後端側の細径部22aが、位置規制部材23の挿通孔23aに挿通される。また、光ファイバ22は、太径部22bが、底面P2と位置規制部材23との間の内部空間Sに、撓ませた状態で配置される。つまり、太径部22bは、プローブ本体21の底面P2と位置規制部材23との間の長さよりも長く形成されている。そして、太径部22bは、その先端側が、プローブ本体21の底面P2に当接し、その後端側が、位置規制部材23に当接することで、撓ませた状態で配置される。

0044

発光部12は、光ファイバプローブ11の2本の送光用ファイバ41にそれぞれ接続され、計測制御部14の発光信号に基づいて、光を出射する。送光用ファイバ41から出射した光は、動翼6に照射されると共に、動翼6から反射した反射光が、プローブ本体21の被検出面P1に入射する。

0045

受光部13は、光ファイバプローブ11の受光用ファイバ42にそれぞれ接続され、プローブ本体21の被検出面P1から入射した反射光を受光し、計測制御部14へ向けて受光信号を出力する。

0046

計測制御部14は、発光部12及び受光部13にそれぞれ接続され、発光部12に向けて発光信号を出力すると共に、受光部13から出力された受光信号が入力される。また、計測制御部14は、タービン制御部8に接続され、発光信号と受光信号とを信号処理して、クリアランスdを計測し、計測したクリアランスdを、タービン制御部8へ向けて出力する。

0047

ここで、図3及び図4を参照して、計測制御部14によるクリアランスdの算出方法について説明する。計測制御部14は、下記の(1)式に示す算出式に基づいて、クリアランスdを算出している。

0048

0049

ここで、角度αは、2本の送光用ファイバ41から出射される2本の光の導光方向が為す角度、つまり、一群の貫通孔31dの貫通方向と、他群の貫通孔31dの貫通方向とがなす角度αである。この角度αは、既知の角度となっている。距離lは、A−B間の長さ、つまり、2本の送光用ファイバ41の間の距離であり、既知の距離となっている。また、周長2πRは、複数の動翼6の外周における周長であり、既知の周長となっている。時間Tは、1周(一回転)にかかる時間であり、ロータの回転速度に基づいて得られる時間となっている。つまり、「2πR/T」が、複数の動翼6の外周における周速となっている。時間Δtは、2本の送光用ファイバ41の間を動翼6が通過する時間となっており、受光信号に基づいて得られる。

0050

ここで、計測制御部14は、受光信号として、図4に示す受光信号を取得する。図4は、その横軸が時間となっており、その縦軸が信号強度となっている。図4に示すとおり、受光信号は、2つの信号ピークが検出されている。2つの信号ピークは、2本の送光用ファイバ41から出射される2本の光によって得られる。そして、計測制御部14は、一方の信号ピークから他方の信号ピークまでの時間を、時間Δtとして取得する。計測制御部14は、受光信号に基づいて時間Δtを取得すると、上記の(1)式に示す算出式に基づいて、クリアランスdを算出する。

0051

以上のように、実施形態1によれば、光ファイバ22の太径部22bを撓ませて内部空間Sに配置することで、太径部22bを内部空間Sの底面P2側に押し当てることができる。このため、外部環境が高温・高圧環境となる場合であっても、光ファイバ22の細径部22aが、プローブ本体21の被検出面P1から陥没することを抑制することができる。また、光ファイバ22をプローブ本体21に固定するための封止材を省略できるため、封止材の欠損を生じさせることがない。よって、外部環境を要因とする光ファイバ22の変化を抑制できることから、検出精度の低下を抑制することができる。

0052

また、実施形態1によれば、光ファイバ22のコア45の直径を、細径部22a及び太径部22bにおいて同じ直径とすることができるため、コア45とクラッド46との界面を均一な状態に維持することができる。また、クラッド46の外径を太くすれば、太径部22bを簡単に形成することができる。

0053

また、実施形態1によれば、過酷な外部環境下に光ファイバプローブ11を配置する場合であっても、光ファイバプローブ11の検出精度の低下を抑制できるため、光ファイバ計測装置10を用いたクリアランスdの計測を精度よく行うことができる。

0054

また、実施形態1によれば、光ファイバ計測装置10を用いて、クリアランスdの計測を精度よく行うことができるため、クリアランス制御システム1は、ケーシング5と動翼6との間のクリアランスdを精度よく調整することができ、タービン効率の向上を図ることができる。

0055

なお、実施形態1の光ファイバプローブ11は、クリアランス制御システム1に用いられる光ファイバ計測装置10に適用したが、この構成に限定されない。つまり、実施形態1では、クリアランスdを計測するために、2本の送光用ファイバ41を用いた。これに対し、例えば、光ファイバプローブは、図5に示す変形例1であってもよい。図5は、実施形態1の変形例1に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。図5に示すように、光ファイバ22は、1本のみの構成であってもよい。

0056

また、実施形態1の光ファイバ計測装置10は、ケーシング5と動翼6との間のクリアランスdを計測するために用いられたが、この構成に限定されない。例えば、光ファイバ計測装置10は、タービン3に設けられる静翼とロータとの間のクリアランスを計測するために用いられてもよい。この場合、タービン制御部8は、例えば、アクティブクリアランスコントロールACC)を制御することにより、クリアランスdを調整することが好ましい。アクティブクリアランスコントロールとは、静翼とロータとの間に設けられるシール部を、ロータの径方向に移動させることで、クリアランスを調整するものである。

0057

また、実施形態1の光ファイバ22の太径部22bは、クラッド46の外径を太くすることで形成したが、全長に亘って細径部22aとなる光ファイバ22の周囲に、別体の被覆部材を配置することで、太径部22bを形成してもよい。

0058

[実施形態2]
次に、図6を参照して、実施形態2に係る光ファイバプローブについて説明する。図6は、実施形態2に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。なお、実施形態2では、重複した記載を避けるべく、実施形態1と異なる部分について説明し、実施形態1と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。

0059

図6に示すように、実施形態2の光ファイバプローブ50は、プローブ本体51と、複数の光ファイバ52と、位置規制部材53と、弾性部材54とを備えている。

0060

プローブ本体51は、被検出面P1側となる先端側ケース61と、先端側ケース61の後端側に設けられる後端側ケース62と、先端側ケース61と後端側ケース62とを締結するナット63とを含んで構成され、その内部に中空の内部空間Sが形成されている。

0061

先端側ケース61は、実施形態1の先端側ケース31とほぼ同様であり、底板部61aと、円筒部61bと、フランジ部61cと、貫通孔61dと、収容溝61eとを有しており、有底の円筒形状に形成されている。先端側ケース61は、収容溝61eが、実施形態1に比して、底面P2側まで形成されている。

0062

後端側ケース62は、実施形態1の後端側ケース32とほぼ同様であり、底板部62aと、円筒部62bとを有しており、有底の円筒形状に形成されている。また、後端側ケース62には、円筒部62bの先端側に、細径円筒部62cが設けられており、この細径円筒部62cは、先端側ケース61の収容溝61eに収容されると共に、位置規制部材53の位置を規制している。なお、ナット63は、実施形態1のナット33と同様であるため、説明を省略する。

0063

複数の光ファイバ52は、プローブ本体51の内部空間Sに格納されており、実施形態1と同様に、複数の送光用ファイバ71と、複数の受光用ファイバ72とを有している。

0064

また、各光ファイバ52は、実施形態1と同様に、直径が細い細径部52aと、直径が太い太径部52bとを含んで構成されている。ここで、太径部52bは、実施形態1に比して短く形成されている。

0065

位置規制部材53は、実施形態1と同様であり、円板形状に形成されており、先端側ケース61の収容溝61eの底面P2側に収容される。

0066

上記の光ファイバ52は、先端側の細径部52aが、プローブ本体51の貫通孔61dに挿通され、後端側の細径部52aが、位置規制部材53の挿通孔53aに挿通される。また、光ファイバ52は、太径部52bが、プローブ本体51の底面P2と位置規制部材53との間の長さよりも短く形成されている。そして、太径部52bは、その先端側が、プローブ本体51の底面P2に当接し、その後端側が、位置規制部材53と所定の隙間を空けて配置される。

0067

弾性部材54は、光ファイバ52の太径部52bの後端部と位置規制部材53との隙間に設けられ、複数の光ファイバ52の数に応じて複数設けられている。弾性部材54は、例えば、皿ばねが用いられており、光ファイバ52の太径部52bと位置規制部材53とを押圧することで、光ファイバ52を被検出面P1側に押圧している。

0068

以上のように、実施形態2によれば、光ファイバ52の太径部52bの後端部と位置規制部材53との間に弾性部材54を設けることで、弾性部材54によって光ファイバ52を被検出面P1側に押圧することができるため、太径部52bを内部空間Sの底面P2側に押し当てることができる。このため、外部環境が高温・高圧環境となる場合であっても、光ファイバ52の細径部52aが、プローブ本体51の被検出面P1から陥没することを抑制することができる。また、光ファイバ52をプローブ本体51に固定するための封止材を省略できるため、封止材の欠損を生じさせることがない。よって、外部環境を要因とする光ファイバ52の変化を抑制できることから、検出精度の低下を抑制することができる。

0069

なお、実施形態2の光ファイバプローブ50は、光ファイバ52の太径部52bと位置規制部材53との間に弾性部材54を設けたが、図7に示す変形例2であってもよい。図7は、実施形態2の変形例2に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。図7に示すように、光ファイバ52の太径部52bと弾性部材54との間には、円板形状の中間板68が設けられており、弾性部材54は、中間板68と位置規制部材53との間に一つ設けられている。また、中間板68には、複数の挿通孔69が貫通形成され、複数の挿通孔69に、複数の光ファイバ52の後端側の細径部52aが挿通される。

0070

この構成によれば、弾性部材54は、中間板68を押圧できることから、中間板68を介して複数の光ファイバ52の太径部52bの全てを押圧することができる。このため、複数の光ファイバ52の数に応じて、弾性部材54を複数用意する必要がなく、弾性部材54の大きさも大きなものとすることができる。

0071

[実施形態3]
次に、図8を参照して、実施形態3に係る光ファイバプローブについて説明する。図8は、実施形態3に係る光ファイバプローブを模式的に表した断面図である。なお、実施形態3でも、重複した記載を避けるべく、実施形態1及び2と異なる部分について説明し、実施形態1及び2と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。

0072

図8に示すように、実施形態3の光ファイバプローブ70は、実施形態1及び2の光ファイバプローブ11,50に、プローブ本体21,51の貫通孔31d,61dに挿通される光学窓75を、さらに備えたものとなっている。なお、以下では、実施形態1に適用して説明する。

0073

光学窓75は、例えば、サファイアガラスまたは石英ガラスを用いて円柱形状(ロッド形状)に形成されており、貫通孔31dに挿通され、ロウ付けまたは圧入することで、貫通孔31dに固定される。また、光学窓75は、その外周面にめっき加工が施されており、光学窓75内における光の反射率を高めている。そして、光学窓75の後端側には、光ファイバ22の先端部が当接する。

0074

光ファイバ22の送光用ファイバ41の先端部には、散乱加工が施されており、送光用ファイバ41から出射した光は、散乱して光学窓75に入射する。また、光学窓75が挿通される貫通孔31dは、出射する光が所定の出射角度、所定の拡散角度となるように所定の形状に形成される。また、光学窓75が固定されるプローブ本体21の底板部31aを含む先端部は、光学窓75の熱膨張係数に近づけるべく、例えば、コバールを用いて形成している。

0075

以上のように、実施形態3によれば、光学窓75により、プローブ本体21の外部とプローブ本体21の内部空間Sとを区画することができる。このため、光ファイバ22がプローブ本体21の外部に露出することがなく、光ファイバ22を内部空間Sに格納することができるため、光ファイバ22が外部環境に曝されることを抑制することができる。

0076

なお、実施形態3では、実施形態1および2に適用して説明したが、この構成に限定されない。光ファイバ22は、太径部22bを省略した構成であってもよく、全長に亘って細径部22aであってもよい。

0077

[実施形態4]
次に、図9を参照して、実施形態4に係る光ファイバ計測装置80について説明する。図9は、実施形態4に係る光ファイバ計測装置を模式的に表した概略構成図である。なお、実施形態4でも、重複した記載を避けるべく、実施形態1から3と異なる部分について説明し、実施形態1から3と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。

0078

図8に示すように、実施形態4の光ファイバ計測装置80は、2本の送光用ファイバ41から出射される光の色彩が異なる色彩となっている。つまり、発光部12は、第1色彩で発光する第1発光素子81と、第2色彩で発光する第2発光素子82とを有している。そして、第1発光素子81には、一方の送光用ファイバ41が接続され、第2発光素子82には、他方の送光用ファイバ41が接続されている。

0079

また、受光部13は、第1色彩の光のみを透過する第1バンドパスフィルタ91と、第1バンドパスフィルタ91を透過した光を受光する第1受光素子95と、第2色彩の光のみを透過する第2バンドパスフィルタ92と、第2バンドパスフィルタ92を透過した光を受光する第2受光素子96とを有している。そして、第1受光素子95は、一方の送光用ファイバ41の周囲に設けられる一群の複数の受光用ファイバ42が接続され、第2受光素子96は、他方の送光用ファイバ41の周囲に設けられる他群の複数の受光用ファイバ42が接続されている。

0080

この光ファイバ計測装置80は、発光部12から2本の送光用ファイバ41へ向かって第1色彩及び第2色彩の光が出射される。すると、一方の送光用ファイバ41から出射した第1色彩の光は、動翼6に照射されると共に、動翼6から反射した反射光が、プローブ本体21の被検出面P1に入射する。また、他方の送光用ファイバ41から出射した第2色彩の光は、動翼6に照射されると共に、動翼6から反射した反射光が、プローブ本体21の被検出面P1に入射する。

0081

受光部13は、プローブ本体21の被検出面P1から一群の受光用ファイバ42を介して入射した反射光を、第1バンドパスフィルタ91を介して、第1色彩となる反射光のみを第1受光素子95において受光する。また、受光部13は、プローブ本体21の被検出面P1から他群の受光用ファイバ42を介して入射した反射光を、第2バンドパスフィルタ92を介して、第2色彩となる反射光のみを第2受光素子96において受光する。

0082

以上のように、実施形態4によれば、一方の送光用ファイバ41から出射した第1色彩の光が、他群の受光用ファイバ42に入射した場合であっても、受光部13の第2バンドパスフィルタ92によって、第2色彩の光のみを透過することができる。同様に、他方の送光用ファイバ41から出射した第2色彩の光が、一群の受光用ファイバ42に入射した場合であっても、受光部13の第1バンドパスフィルタ91によって、第1色彩の光のみを透過することができる。このように、受光部13は、受光する光を選別することができる。このため、複数の送光用ファイバ41と複数の受光用ファイバ42との光の混在(つまり、クロストーク)を抑制できることから、受光部13における光の誤検出を抑制することができる。

0083

1クリアランス制御システム
3タービン
5ケーシング
6動翼
8 タービン制御部
10光ファイバ計測装置
11光ファイバプローブ
12発光部
13受光部
14計測制御部
21プローブ本体
22光ファイバ
22a細径部
22b太径部
23位置規制部材
23a挿通孔
31 先端側ケース
31a底板部
31b円筒部
31cフランジ部
31d貫通孔
31e収容溝
32後端側ケース
32a 底板部
32b 円筒部
32c 挿通孔
33ナット
33a 突出部
35ピン
41 送光用ファイバ
42受光用ファイバ
45コア
46クラッド
50 光ファイバプローブ(実施形態2)
51 プローブ本体
52 光ファイバ
53 位置規制部材
54弾性部材
61 先端側ケース
61a 底板部
61b 円筒部
61c フランジ部
61d 貫通孔
61e 収容溝
62 後端側ケース
62a 底板部
62b 円筒部
62c 細径円筒部
63 ナット
68中間板
70 光ファイバプローブ(実施形態3)
75光学窓
80 光ファイバ計測装置(実施形態4)
81 第1発光素子
82 第2発光素子
91 第1バンドパスフィルタ
92 第2バンドパスフィルタ
95 第1受光素子
96 第2受光素子
dクリアランス
α 角度
P1 被検出面
P2 底面
S 内部空間

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