(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転部品と非回転部品により構成されるガスタービンに設けたセンサによるセンサ信号と、前記ガスタービンの運転情報に基づいて、前記回転部品と非回転部品との間隙を評価する間隙診断装置において、
前記センサ信号と前記運転情報を数値解析モデルの境界条件に変換する境界条件算出手段と、
該境界条件算出手段により算出された境界条件を用いて、前記ガスタービンの物理量を算出する有限要素法数値解析モデルと、該有限要素法数値解析モデルで算出された物理量に基づき、前記回転部品と非回転部品の間隙値を算出する間隙数値解析モデルにより構成される数値解析手段と、
を備えたことを特徴とする間隙診断装置。  
【請求項２】
請求項１に記載の間隙診断装置において、  
運転条件を模擬した熱解析及び構造解析を行い、その解析結果と、前記センサ信号と前記運転情報より算出した前記ガスタービンの温度，変形，応力、或いは歪に関する物理量を比較し、その差が最小となるように境界条件を決定する、又は前記差を最小化する最適化手法を用いて前記境界条件を決定する逆問題解析手段を備え、  
該逆問題解析手段により求められた変数である前記境界条件により同定された数値解析モデルを前記数値解析手段に設定することを特徴とする間隙診断装置。  
【請求項３】
回転部品と非回転部品により構成されるガスタービンに設けたセンサによるセンサ信号と、前記ガスタービンの運転情報に基づいて、前記回転部品と非回転部品との間隙を評価する間隙診断装置において、  
前記センサ信号と前記運転情報を数値解析モデルの境界条件に変換する境界条件算出手段と、
該境界条件算出手段により算出された境界条件が与えられる数値解析モデルにより前記ガスタービンの物理量を算出する数値解析手段と、  
実験計画法を用い、前記境界条件を変数として割り付けた直交表に従って、前記数値解析手段の数値解析により運転条件を模擬した熱解析及び構造解析を行い、その解析結果と実機の物理量を比較し、その差が最小となるように、変数である前記境界条件を決定する、又は、前記差を最小化する最適化手法を用いて前記境界条件を決定する逆問題解析手段とを設け、
該逆問題解析手段により求められた変数である前記境界条件により同定された数値解析モデルを前記数値解析手段に設定し、前記境界条件算出手段を用いて前記センサ信号と前記運転情報を境界条件に変換し、該境界条件算出手段で同定された境界条件と前記設定された数値解析モデルを用いて前記ガスタービンの物理量を算出し、該物理量を前記回転部品と非回転部品との間隙値に変換することを特徴とする間隙診断装置。  
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載の間隙診断装置において、  
ガスタービン運転時の複数の運転時間、または、複数の運転パターンにおいて解析結果と実機の物理量の差を最小化することを特徴とする間隙診断装置。  
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載の間隙診断装置おいて、  
非回転部品の数値解析モデルと回転部品の数値解析モデルを有することを特徴とする間隙診断装置。  
【請求項６】
回転部品と非回転部品により構成されるガスタービンと、  
該ガスタービンに設けたセンサによるセンサ信号と、前記ガスタービンの運転情報に基づいて、前記回転部品と非回転部品との間隙を評価する間隙診断装置と、  
を備えたガスタービンシステムにおいて、  
前記間隙診断装置は、  
前記センサ信号と前記運転情報を数値解析モデルの境界条件に変換する境界条件算出手段と、  
該境界条件算出手段により算出された境界条件を用いて、前記ガスタービンの温度，変形，応力、或いは歪に関する物理量を算出する有限要素法数値解析モデルと、該有限要素法数値解析モデルで算出された物理量に基づき、前記回転部品と非回転部品の間隙値を算出する間隙数値解析モデルにより構成される数値解析手段と、  
該数値解析手段で演算された間隙値と間隙設計値の差を算出する間隙変更値算出手段と、該間隙変更値算出手段で演算された間隙値の差に基づいて間隙制御に関する指示値を算出する指示値算出手段により構成される間隙制御装置指示値算出手段と、  
を備えたことを特徴とするガスタービンシステム。  
【請求項７】
請求項６に記載のガスタービンシステムにおいて、  
前記回転部品と非回転部品の間隙を制御する機構を有することを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項８】
請求項６に記載のガスタービンシステムにおいて、  
前記非回転部品の温度を変化させる機構を有することを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項９】
回転部品と非回転部品により構成され、前記非回転部品の温度を変化させる機構を有するガスタービンと、
該ガスタービンに設けたセンサによるセンサ信号と、前記ガスタービンの運転情報を数値解析モデルの境界条件に変換する境界条件算出手段と、該境界条件算出手段により算出された境界条件を用いて、前記ガスタービンの物理量を算出する有限要素法数値解析モデルおよび、該有限要素法数値解析モデルで算出された物理量に基づき、前記回転部品と非回転部品の間隙値を算出する間隙数値解析モデルにより構成される数値解析手段とを有する間隙診断装置と、
該間隙診断装置の評価結果に基づいて、前記温度を変化させる機構に供給する空気量を制御する制御装置を備え、
前記温度を変化させる機構として、前記回転部品を内包するケーシングに冷却孔を形成したことを特徴としたガスタービンシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のガスタービンシステムにおいて、
前記冷却孔内に複数のインピンジ孔が形成されたコアプラグを備えたことを特徴としたガスタービンシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のガスタービンシステムにおいて、
前記コアプラグは、前記ケーシングの内径側面にインピンジ孔を形成したことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項１２】
請求項９に記載のガスタービンシステムにおいて、
前記冷却孔はケーシングの周方向に複数形成されたものであって、該冷却孔の流通する空気量をケーシング周方向に変化させることを特徴としたガスタービンシステム。
【請求項１３】
請求項９に記載のガスタービンシステムにおいて、
前記冷却孔は、前記ガスタービンの第２段シュラウド及び第３段シュラウドを保持する第２段フック及び第３段フックの径方向外側のケーシングに形成されたものであることを特徴とするガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンの間隙を診断する間隙診断装置および該間隙診断装置を利用したガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン翼チップクリアランス制御装置に関する従来技術としては、例えば特許文献１に記載のものがある。この特許文献１には、動翼まわりのケーシングに設けられた分割環の外周を冷却する空気の配管に設けられた制御弁を、分割環の内壁に埋設固定されたクリアランスセンサの検出値に基づいて制御する技術が開示されている。【０００３】
また、特許文献２には、発電設備に設けたセンサによるセンサ信号と該設備の運転に関する運転情報及びメンテナンス情報に基づいて、該発電設備の機器の損傷を数値解析モデルにより評価する損傷診断装置において、前記センサ信号を前記数値解析モデルの境界条件に変換する境界条件算出手段を設け、前記センサ信号を用いて前記境界条件を補正した数値解析モデルにより損傷の数値解析を実施することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３２５８０号公報
【特許文献２】特開２００２−１０８４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術は、非回転部位に埋設したクリアランスセンサによってタービン動翼のチップクリアランスを計測するものである。しかしながら、ガスタービンのケーシングのような非回転部位は、形状や温度分布の非対称性により、変形が、ロータの回転軸を基準として回転対称ではない。このため、タービン動翼のチップクリアランスを正確に測定するためには、多数のクリアランスセンサを埋設する必要があり、ガスタービンの部品点数の増加や構造の複雑化を招いてしまう。【０００６】
また、特許文献２は発電設備の損傷診断装置に関する技術であり、ガスタービンのクリアランスを診断することはできない。【０００７】
本発明の目的は、クリアランスセンサの埋設を行うことなく、または、埋設したとしても最低限の設置により、回転体と静止体のクリアランスを精度良く診断することができるガスタービンの間隙診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、回転部品と非回転部品により構成されるガスタービンに設けたセンサによるセンサ信号と、前記ガスタービンの運転情報に基づいて、前記回転部品と非回転部品との間隙を評価する間隙診断装置において、前記センサ信号と前記運転情報を前記数値解析モデルの境界条件に変換する境界条件算出手段と、該境界条件算出手段により算出された境界条件を用いて、前記ガスタービンの物理量を算出する有限要素法数値解析モデルと、該有限要素法数値解析モデルで算出された物理量に基づき、前記回転部品と非回転部品の間隙値を算出する間隙数値解析モデルにより構成される数値解析手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、クリアランスセンサの埋設を行うことなく、または、埋設したとしても最低限の設置により、回転体と静止体のクリアランスを精度良く診断することができるガスタービンの間隙診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施例を示すガスタービンの間隙診断装置およびガスタービンシステムのシステム構成図。
【図２】本発明の第１の実施例の処理フロー図。
【図３】本発明の第１の実施例で利用するセンサ信号と運転情報とメンテナンス情報。
【図４】本発明の第１の実施例で利用する数値解析モデル。
【図５】本発明の第１の実施例を示すガスタービンの間隙診断装置およびガスタービンシステムのシステム構成図。
【図６】本発明の第２の実施例で利用する変数と水準の例。
【図７】本発明の第２の実施例の直交表。
【図８】本発明の第２の実施例の処理フロー図。
【図９】本発明の第３の実施例を示すガスタービンの間隙診断装置およびガスタービンシステムのシステム構成図。
【図１０】本発明の第３の実施例で利用する変数と水準の例。
【図１１】本発明の第３の実施例の直交表。
【図１２】本発明の第３の実施例で利用する分散分析結果の例。
【図１３】本発明の第３の実施例で利用する分散分析結果の例。
【図１４】本発明の第３の実施例の処理フロー。
【図１５】本発明の第３の実施例の解析結果の例。
【図１６】本発明の第３の実施例の解析結果の例。
【図１７】本発明の第３の実施例の解析結果の例。
【図１８】本発明の第３の実施例の解析結果の例。
【図１９】本発明の第４の実施例であるガスタービンケーシングの部分断面図。
【図２０】図１９に示すコアプラグ及びロックプレートの詳細図。
【図２１】図２０に示すロックプレートを軸方向から見た図。
【図２２】本発明の第５の実施例に関し、冷却空気吸入口を周方向に複数分割されたキャビティとして構成したガスタービンケーシングの軸方向断面図。
【図２３】本発明の第６の実施例であるガスタービンケーシングの部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［実施例１］
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施例であるガスタービンの間隙診断装置、およびこれを用いたガスタービンシステムを図示している。ガスタービン１は圧縮機（図示せず）と燃焼器４とタービン１ａにより構成される。
【００１２】
タービン１ａは、回転部品であるタービンロータと非回転部品に大別される。タービンロータは一般に、第１段ホイール３ａ，第１−２段スペーサ３ｃ，第２段ホイール３ｅ，第２−３段スペーサ３ｆ，第３段ホイール３ｈをボルトなどで連結した構造である。第１段ホイール３ａ，第２段ホイール３ｅ，第３段ホイール３ｈには、それぞれ、第１段動翼３ｂ，第２段動翼３ｄ，第３段動翼３ｇがクリスマスツリー状の溝などに挿入されて取り付けられる。各動翼の前側には、燃焼ガスの整流のために、それぞれ、第１段静翼５ａ，第２段静翼５ｂ，第３段静翼５ｃが設けられる。
【００１３】
第１段静翼５ａ，第２段静翼５ｂ，第３段静翼５ｃは、非回転部品であり、ケーシング２ａに部材を介して取り付けられる。図１では、各静翼はケーシング２ａに取り付けられた第１段シュラウド８ａ，第２段シュラウド８ｃ，第３段シュラウド８ｅを介して取り付けられている。各シュラウドはケーシング２ａに設けられた第１段フック８ｂ，第２段フック８ｄ，第３段フック８ｆに取り付けられる。
【００１４】
燃焼器４より導かれた燃焼ガスは、矢印Ａのように、第１段静翼５ａ，第２段静翼５ｂ，第３段静翼５ｃで整流されながら膨張し、燃焼ガスのエンタルピーにより、タービンロータを回転させ、タービンロータと同軸上に設けられる発電機，ポンプ，圧縮機などの回転機械を駆動する。
【００１５】
ここで、回転部品である第１段動翼３ｂ，第２段動翼３ｄ，第３段動翼３ｇと対向する非回転部品である第１段シュラウド８ａ，第２段シュラウド８ｃ，第３段シュラウド８ｅの間には、間隙６ａ，６ｂ，６ｃが形成される。この間隙６ａ，６ｂ，６ｃを流れる燃焼ガスは、タービンロータを回転させる仕事を行わないので、ガスタービン１の効率を高めるためには、この間隙６ａ，６ｂ，６ｃを該動翼と該シュラウドの接触が発生しない範囲でなるべく小さくすることが望まれている。
【００１６】
この間隙６ａ，６ｂ，６ｃを小さくするために、本発明では、その間隙を監視し、この間隙を制御するために各種のセンサが取り付けられている。図１の実施例では、ケーシング２ａに取り付けた第１段フック熱電対９ａ，第２段フック熱電対９ｂ，第３段フック熱電対９ｃ，ケーシング熱電対９ｄや間隙６ａ，６ｂ，６ｃを計測するためのギャップセンサ９ｅ，９ｆ，９ｇが取り付けられている。第１段動翼３ｂと第１段シュラウド８ａにより形成される間隙６ａ部には、第１段フック熱電対９ａが取り付けられ、第１段シュラウド８ａの取り付けられている第１段フック８ｂの温度をモニターする。また、間隙６ａ部には、ギャップセンサ９ｅが設けられ、間隙６ａ部の間隙値をモニターする。タービンの２段，３段における間隙６ｂ，６ｃについても、第１段の間隙６ａと同様に、それぞれ第２段フック熱電対９ｂ，第３段フック熱電対９ｃとギャップセンサ９ｆ，９ｇが取り付けられ、当該部位の温度と間隙値をモニターする。
【００１７】
これらの熱電対やギャップセンサは信号線１０により制御装置１６に接続され、温度と間隙値を制御装置１６に送信している。制御装置１６は運転監視計算機１１にケーブルを介して接続し、センサ信号データと運転情報データを運転監視計算機１１に送信する。運転監視計算機１１は発電設備側ファイヤーウォール１２，インターネット１３，遠隔監視施設側ファイヤーウォール１４を介して、間隙診断装置１５にセンサ信号データと運転情報データを送信する。
【００１８】
間隙診断装置１５に送信されたセンサ信号データと運転情報データは、入出力インターフェイス１５ａを介して、境界条件算出ステップ１５ｂに送られ、センサ信号を数値解析モデルの境界条件に変換する。該境界条件は、間隙を算出する間隙数値解析ステップ１５ｃに送られ、タービンの間隙が算出される。
【００１９】
間隙数値解析ステップ１５ｃにおいて、間隙数値解析ステップ１５ｃで算出された境界条件は、たとえば有限要素法解析モデル１５ｃ１に与えられ、部品の温度，変形，応力，ひずみ等の部品の物理量が算出される。
【００２０】
有限要素法解析モデル１５ｃ１は、ケーシング，シュラウド，静翼などの非回転部品のモデルと動翼とロータなどの回転部品のモデルを有する。非回転部品のモデルと回転部品のモデルは一つに統合されたモデルであっても分割された別々のモデルであっても良い。モデルの選択は、間隙診断装置１５のＣＰＵ，メモリ，記録媒体の容量に応じて決定する。
【００２１】
有限要素法解析モデル１５ｃ１で用いる境界条件とは、有限要素法の熱解析では、流体温度，熱伝達率や輻射率などの熱条件あり、構造解析では、荷重，圧力，遠心力，加速度などの荷重条件である。また、境界条件は有限要素法解析や間隙解析に変数として入力することのできる条件を指すものとする。詳細については、図４にて後述する。
【００２２】
間隙数値解析ステップ１５ｃにおいて算出された物理量を間隙数値解析モデル１５ｃ２に与え、間隙を算出する。間隙はケーシング，シュラウド，静翼など非回転部品のモデルの変形量と動翼とロータなどの回転部品のモデル変形量から算出する。間隙算出の例は式１１に後述する。間隙は、間隙６ａ，６ｂ，６ｃに相当する部位の回転部品と非回転部品の変位から算出する。
【００２３】
算出された間隙値は、間隙制御装置指示値算出手段１５ｄへ送られる。該間隙値は、間隙変更値算出手段１５ｄ１において、間隙設計値と比較、たとえば、該間隙値と間隙設計値との差を算出する。この差を指示値算出手段１５ｄ２に入力し、この差にある係数を乗ずる、この差からある値を減ずるなど、演算を施して、間隙制御装置に対する指示値を算出する。間隙制御装置に対する指示値算出の例は式１２に後述する。
【００２４】
算出された指示値は、遠隔監視施設側ファイヤーウォール１４，インターネット１３，発電設備側ファイヤーウォール１２，運転監視計算機１１を経由して、制御装置１６に送られる。制御装置１６は受け取った間隙制御装置指示値に従い、ケーシング冷却空気量を制御する電磁弁７ｅを制御する。
【００２５】
電磁弁７ｅは、冷却空気配管７ｃを流れる冷却空気量を制御するためのバルブである。冷却空気は、矢印Ｅのように、冷却空気源から導入される。冷却空気源としては、ガスタービン１の圧縮機部分の抽気やブロワなどを用いる。必要な冷却空気の温度により、抽気の段数の選定やブロワ吐出空気の加熱や冷却など調節を行う。
【００２６】
導入された冷却空気はケーシング２ａに設けられた冷却空気吸入口７ａに集められる。冷却空気吸入口７ａは第１段動翼３ｂに対応する第１段シュラウド８ａが取り付けてある第１段フック８ｂをとりまく管路状に設けられている。この冷却空気吸入口７ａは、管路状に設けられ、第１段動翼３ｂに対応する第１段シュラウド８ａと第１段シュラウド８ａが取り付けてある第１段フック８ｂを冷却できるように設けられている。この冷却空気吸入口７ａは、ケーシング２ａに鋳造で設けてもよいし、機械加工により設けてもよい。
【００２７】
冷却空気は、冷却空気吸入口７ａより、ケーシング２ａのタービンの軸方向に設けられたケーシング冷却孔７ｂに導かれ、ケーシング２ａを冷却する。ケーシング冷却孔７ｂは第２段動翼３ｄと第３段動翼３ｇに対応する第２段シュラウド８ｃと第３段シュラウド８ｅが取り付けてある第２段フック８ｄと第３段フック８ｆを冷却できるように設けられる。ケーシング冷却孔７ｂはケーシング２ａの周方向になるべく等しいピッチで、ケーシング２ａの軸方向に貫通するように設ける。このケーシング冷却孔７ｂは、ケーシング２ａを鋳造する際に鋳抜きで設けてもよいし、鋳造後に機械加工により設けてもよい。鋳抜きで設ける場合には、ケーシング冷却孔７ｂをタービンの軸方向に対してらせん状に鋳抜くなどして、冷却する経路を長くしたり、冷却孔内にリブを設けたりして、ケーシング冷却孔７ｂのケーシング２ａの冷却効果を高めてもよい。
【００２８】
ケーシング冷却孔７ｂは、排気フレーム２ｂに設けられたケーシング冷却孔７ｄに接続される。ケーシング冷却孔７ｂを通過し、ケーシング２ａを冷却した冷却空気は、ケーシング冷却孔７ｄを通じて排気フレーム２ｂに導かれ、排気フレーム２ｂを冷却する。この冷却空気は、この後さらに、ストラットを冷却させたり、軸受を冷却させたりすることもできる。
【００２９】
図２に本実施例の処理フローをまとめる。ステップ１において、発電設備のセンサ信号データを入手する。ステップ２において、発電設備の運転情報データを入手する。センサ信号データと運転情報データは図３に示す。
【００３０】
ステップ３において、入力されたセンサ信号データと運転情報データから、有限要素法熱解析の境界条件である流体温度と熱伝達率，輻射率を作成する。作成の方法の詳細は、式１〜式１０の説明において後述する。
【００３１】
ステップ４において、入力されたセンサ信号データと運転情報データから、有限要素法構造解析の境界条件である荷重条件を作成する。作成の方法の詳細は、式１〜式２の説明において後述する。
【００３２】
ステップ６において、有限要素法による熱解析と構造解析を行う。有限要素法による熱解析と構造解析は、図１に示した非回転部品、すなわち、ケーシング２ａ、第１〜３段フック８ｂ，８ｄ，８ｆ、第１〜３段シュラウド８ａ，８ｃ，８ｅ、第１〜３段静翼などについて行う。また、ケーシング２ａに設けられた冷却空気吸入口７ａやケーシング冷却孔７ｂも有限要素法のモデルに考慮する。回転部品についても同様に、タービンロータ、第１〜３段動翼３ｂ，３ｄ，３ｇを有限要素法のモデルに考慮する。
【００３３】
該有限要素法モデルは、２次元解析や３次元解析のモデルを用いる。また、すべての部品を有限要素法の一つのモデルとしても良いし、いくつかのサブモデルを統合しても良い。例えば、ケーシング２ａと第１〜３段フック８ｂ，８ｄ，８ｆは同一の有限要素法解析モデルとし、第１〜３段シュラウド８ａ，８ｃ，８ｅ、第１〜３段静翼５ａ〜５ｃは別の有限要素法解析モデルとしても良いし、これらをすべて一体のモデルとしても良い。ケーシング２ａの有限要素法解析モデルはフランジのような非回転対象部材を模擬する為に、３次元有限要素法解析モデルとしても良い。
【００３４】
また、タービンロータと第１〜３段動翼３ｂ，３ｄ，３ｇを一体の３次元有限要素法解析モデルとしても良いし、回転対称部品であるタービンロータを２次元解析とし、第１〜３段動翼３ｂ，３ｄ，３ｇは別モデルによる解析としても良い。
【００３５】
ステップ７において、有限要素法による熱解析と構造解析の解析結果として、間隙解析に用いる物理量を出力する。物理量としては、部材の温度，変位，応力，ひずみなどがある。
【００３６】
ステップ８において、ステップ７で求められた物理量を間隙解析モデルに入力する。
【００３７】
ステップ９において、間隙解析を実施する。間隙解析の詳細は、式１１の説明にて後述する。
【００３８】
ステップ１０において、間隙解析結果を出力し、データベースに書き込む。間隙解析結果としては、回転部品と非回転部品の相対する部位の隙間であり、たとえば、第１段動翼３ｂと第１段シュラウド８ａにより形成される間隙６ａ、第２段動翼３ｄと第２段シュラウド８ｃにより形成される間隙６ｂ、第３段動翼３ｇと第３段シュラウド８ｅにより形成される間隙６ｃ、また、第２段静翼５ｂと第１−２段スペーサ３ｃにより形成される間隙６ｄや第３段静翼５ｃと第２−３段スペーサ３ｆにより形成される間隙６ｅに相当する位置の間隙解析結果を出力する。間隙解析結果は、時刻歴の結果を出力できるものとする。
【００３９】
ステップ１１において、ステップ１０で算出された間隙値は、間隙設計値などの基準値と比較、たとえば、該間隙値と間隙設計値との差を算出する。
【００４０】
ステップ１２において、ステップ１１にて算出した、該間隙値と間隙設計値との差を用いて、間隙制御装置指示値を算出する。
【００４１】
ステップ１３において、間隙制御装置指示値の出力を行う。間隙制御装置指示値を電子メールなどの手段を用いて、遠隔監視施設側ファイヤーウォール１４，インターネット１３，発電設備側ファイヤーウォール１２を経由して運転監視計算機１１に送信する。
【００４２】
ステップ１４において、間隙制御装置指示値に従い、制御装置１６が間隙制御装置を制御する。図１の例では、電磁弁７の開度を制御し、ケーシング２ａに設けられた冷却空気吸入口７ａ，ケーシング冷却孔７ｂに流れる冷却空気量を調節する。この結果、ケーシング２ａの温度を調節し、ケーシング２ａの熱変形量を適切に制御することができ、前述した各部の回転部品と非回転部品の間隙を適切に制御することができる。
【００４３】
図２の例では、有限要素法解析モデルを用いて、その境界条件をセンサ信号データと運転情報データから算出する例を示した。数値解析モデルが有限要素法解析モデルでない場合も、本発明は含むものとする。つまり、センサ信号データと運転情報データを数値解析モデルや間隙解析の変数として入力し、熱伸び計算のような簡易式で間隙を解析する場合も含むものである。
【００４４】
図３に間隙診断装置１５の入出力インターフェイス１５ａにおけるデータ入出力で入力されるセンサ信号について示す。ここでは、ガスタービンを例として示した。ガスタービンの間隙を制御するためには、ケーシング温度，シュラウドフック温度，静翼温度を計測し、非回転部品の熱変形を推定する。また、各段の動翼と各段のシュラウド間の間隙を計測するギャップセンサを用いて、間隙をモニタする。
【００４５】
ガスタービンには一般的に、排ガス温度，タービンのホイールスペース温度，圧縮機の吐出圧力温度，吐出空気圧力，燃焼器の保炎器の温度，燃焼器の燃料流量，入口空気温度，入口空気圧力，入口空気湿度，入口可変翼開度，軸振動，軸受振動，回転数，軸受メタル温度，軸受油温度等を検出するセンサが設けられており、これらのセンサ信号を利用し、ケーシングやタービンロータの有限要素法解析モデルの境界条件を推定する。また、試運転時や特殊計測時には、圧縮機各段落の空気温度，圧力変動，圧縮機翼温度，タービン動静翼温度，燃焼器温度を測定するセンサを設けることがあり、これらのセンサ信号を用いても良い。
【００４６】
また、図３には、間隙診断装置１５におけるデータ入出力で入力される運転情報についても示す。運転情報としては、回転数，発電出力，起動速度，圧縮機効率，タービン効率，発電効率等がある。
【００４７】
さらに、図３には、間隙診断装置１５におけるデータ入出力で入力されるメンテナンス情報についても示した。メンテナンス情報としては、組立時や定期検査時における各部位の間隙データなどがある。これらの組立・メンテナンス情報を、入出力インターフェイス１５ａを通じてデータベース１５ｅに入力し、適宜利用する。なお、図３には各センサの出力値の変数名を便宜的に付け、これを併記した。
【００４８】
図１の間隙診断装置１５の入出力インターフェイス１５ａに入力された信号や情報は、境界条件算出ステップ１５ｂに渡され、数値解析のための境界条件が算出され、該境界条件が間隙数値解析ステップ１５ｃに渡される。例としてケーシングを例として説明する。図４にケーシングの有限要素法解析モデル１５ｃ１を示す。ケーシング２ａの有限要素法解析モデル１５ｃ１は、図４に示すようにケーシング断面の形状を有限要素法解析節点と要素により正確にモデル化され、図１に示した、非回転部品の主要部品、すなわち、ケーシング２ａ、第１〜３段フック８ｂ，８ｄ，８ｆ、第１〜３段シュラウド８ａ，８ｃ，８ｅ、第１〜３段静翼５ａ，５ｂ，５ｃをモデル化する。さらに、ケーシング２ａに設けられた冷却空気吸入口７ａやケーシング冷却孔７ｂも有限要素法のモデルに考慮する。
【００４９】
ケーシング２ａを含む非回転部品は、一般に、ガスタービンの作動流体で加熱されたり、冷却されたりする。このため、有限要素法解析モデル１５ｃ１に解析の境界条件を与えて部品の運転状態の各種の物理量を算出する。ケーシングの有限要素法解析モデル１５ｃ１に機械荷重の境界条件として、回転数や運転条件に応じた流体力、すなわち圧力などを負荷する。熱荷重の境界条件としては、一般的に熱伝達率やガス温度を有限要素法解析モデル１５ｃ１の熱交換のある部位、つまり流体に曝される部位に与える。
【００５０】
図４を用いて、熱境界条件の与えかたの一例を示す。熱境界は燃焼空気に曝される面３０ｄ〜３０ｆ，３０ｌ〜３０ｏ，３０ｔ，３０ｕ、冷却空気に曝される面３０ｃ，３０ｊ，３０ｉ，３０ｖ，３０ｒ，３０ｗ，３０ｘ，３０ｙ１，３０ｙ２、冷却空気と燃焼空気の混合空気に曝される面３０ｇ，３０ｈ，３０ｋ，３０ｐ，３０ｑ，３０ｓ、圧縮機吐出空気に曝される面３０ａ，３０ｂ、自然対流条件または保温される面３０ｚ１，３０ｚ２などを区別して与える。また、これらの領域において熱伝達率やガス温度に分布を持たせたり、さらに個々の領域を分割したりして熱境界条件を有限要素法解析モデル１５ｃ１に与える。また、輻射を考慮しなくてはならない部位については、これも考慮する。
【００５１】
境界条件算出ステップ１５ｂにおける数値解析のための境界条件の算出方法を以下に示す。機械的な荷重条件として、図４には示されていないロータや動翼のような回転部品に加わる遠心力Ｆ1は以下の関数で与えられる。ａ11は図３で示した回転数であり、ｄ11は定数である。
【００５２】
【数１】
0005439597.tif 000002
【００５３】
また、機械的な荷重条件として、流体力Ｆ2は以下に示すセンサ信号のいくつかを変数とする関数で与えられる。
【００５４】
【数２】
0005439597.tif 000003
【００５５】
熱的な境界条件としては、燃焼ガス側の熱伝達率Ｈgiは以下に示すセンサ信号のいくつかを変数とする関数で与えられる。なお、ｉは分割した境界の番号である。
【００５６】
【数３】
0005439597.tif 000004
【００５７】
燃焼ガス側のガス温度Ｔgiは以下に示すセンサ信号のいくつかを変数とする関数で与えられる。
【００５８】
【数４】
0005439597.tif 000005
【００５９】
冷却空気側の熱伝達率Ｈciは以下に示すセンサ信号のいくつかを変数とする関数で与えられる。なお、ｉは分割した境界の番号である。
【００６０】
【数５】
0005439597.tif 000006
【００６１】
冷却空気側のガス温度Ｔciは以下に示すセンサ信号のいくつかを変数とする関数で与えられる。
【００６２】
【数６】
0005439597.tif 000007
【００６３】
冷却空気と燃焼空気の混合空気に曝される面、圧縮機吐出空気に曝される面、自然対流条件または保温される面の熱境界条件も、式３〜式６とほぼ同様に与えられる。
【００６４】
さらに、数値流体解析を用いて得られた熱的境界条件を変数として入力して、熱境界条件を算出してもよい。数値流体解析により得られた燃焼ガスに曝される部位ｉの燃焼ガスの熱伝達率とガス温度をそれぞれＨgci，Ｔgciとする。このときの燃焼ガスの熱伝達率Ｈgiとガス温度Ｔgiは以下に示すセンサ信号のいくつかを変数とする関数で与えられる。
【００６５】
【数７】
0005439597.tif 000008
【００６６】
【数８】
0005439597.tif 000009
【００６７】
また、同様に、数値流体解析により得られた冷却空気に曝される部位ｊの冷却空気の熱伝達率とガス温度をそれぞれＨccj，Ｔccjとする。冷却空気に曝される部位ｊの冷却空気の熱伝達率Ｈcjとガス温度Ｔcjは以下に示すセンサ信号のいくつかを変数とする関数で与えられる。
【００６８】
【数９】
0005439597.tif 000010
【００６９】
【数１０】
0005439597.tif 000011
【００７０】
式７〜式１０は、式３〜式６がセンサ信号のみから熱境界条件を算出するのに対し、さらに、数値流体解析の結果も合せて熱境界条件を算出するものである。なお、式１〜式１０においては、適宜、図３に示したセンサ信号や運転情報やメンテナンス情報を変数として加えてもよい。
【００７１】
また、図４においては、タービンロータのような回転部品の有限要素法解析モデルについては示していないが、タービンロータのような回転部品の有限要素法解析モデルもケーシングの有限要素法解析モデル３０とほぼ同様で、さらに、回転による遠心力を考慮する。図４においては、２次元の有限要素法解析モデルが示されているが、熱的，構造的にロータ軸に対して回転対称となりにくいケーシングなどについては、３次元の有限要素法解析モデルを用いてもよい。また、ロータ等の回転部品に３次元解析モデルを用いて、重力の効果などを考慮しても良い。さらに、ケーシング，ロータの有限要素法解析モデルにおいて、接触部の滑りを考慮するためや経年的変化を考慮するために、非線形モデルを導入しても良い。
【００７２】
このように、図１の間隙診断装置１５の境界条件算出ステップ１５ｂにおいて、入出力インターフェイス１５ａで入力された信号や情報は、数値解析のための境界条件に変換され、該境界条件が間隙数値解析ステップ１５ｃに渡される。
【００７３】
間隙数値解析ステップ１５ｃでは、有限要素法解析が実施される。実施される解析には、定常温度解析や非定常温度解析などの熱解析と静荷重解析や熱応力解析やクリープ解析や振動解析などの応力解析がある。間隙数値解析ステップ１５ｃの有限要素法解析モデル１５ｃ１を用いて、ケーシングなどの非回転部品とタービンロータなどの回転部品の変形を評価するための部品の物理量、例えば、温度，変形，応力，ひずみ等を算出する。有限要素法解析モデル１５ｃ１は、図４に示したような有限要素法解析モデルである。
【００７４】
このように得られた該物理量を間隙数値解析モデル１５ｃ２に与え、間隙解析を実施する。間隙数値解析モデル１５ｃ２は主として、ケーシングの変形とロータの変形の時刻歴計算結果から算出する。
【００７５】
【数１１】
0005439597.tif 000012
【００７６】
ここで、ｔは時間、ｉは部位番号、Ｇriは部位ｉの径方向の間隙値、Ｇr0iは部位ｉの径方向の初期間隙値、δrciはケーシングの部位ｉの径方向の変形量、δrriはロータの部位ｉの径方向の変形量である。また、Ｇaiは部位ｉの軸方向の間隙値、Ｇa0iは部位ｉの軸方向の初期間隙値、δaciはケーシングの部位ｉの軸方向の変形量、δariはロータの部位ｉの軸方向の変形量である。式１１はケーシングと回転部品の変形の方向を考慮し、部位ｉの間隙を表現できるように定式化する。
【００７７】
式１１は、間隙値ＧriとＧaiを時間ｔの関数としたが、これをロータの回転数，ガスタービンの負荷，運転の事象の関数としても良い。また、式１１にロータの軸受部でのロータ浮上量やケーシングの傾きなどを考慮する場合もある。
【００７８】
間隙解析モデルは、図１に示したギャップセンサ（９ｅ，９ｆ，９ｇ）の計測結果をもとに補正をかけてもよい。たとえば、ギャップセンサ位置の間隙計測結果と当該位置の間隙解析結果を比較し、その差やその比を用いて間隙解析結果を補正してもよい。この際に、間隙解析結果を補正する際に、間隙解析結果の最小値を算出する部位に前述の補正を行っても良い。また、適宜、部材を良く模擬できるモデルを選択し、図１に示したギャップセンサ測定値の実機の間隙計測結果の回帰モデルなどを用いてもよい。
【００７９】
次に、算出された間隙値ＧriとＧaiは、間隙制御装置指示値算出手段１５ｄに送られる。間隙制御装置指示値算出手段１５ｄでは、算出された間隙値ＧriとＧaiは、間隙変更値算出手段１５ｄ１に送られる。ここで、間隙の設計値と間隙値ＧriとＧaiの差異ΔＧを算出する。ΔＧは式１２で示される。
【００８０】
【数１２】
0005439597.tif 000013
【００８１】
ここで、ｔは時間、ｉは部位番号、ΔＧriは部位ｉの径方向の間隙変更値、Ｇrdiは、部位ｉの径方向の間隙設計値である。同様に、ΔＧaiは部位ｉの軸方向の間隙変更値、Ｇadiは部位ｉの軸方向の間隙設計値である。式１２において、間隙変更値ΔＧriとΔＧaiは時間の関数となっているが、定格負荷の定常状態において比較するように、ある重要な運転時点において、間隙変更値をもとめ、この運転時点における間隙を制御する方法は簡便である。
【００８２】
間隙変更値算出手段１５ｄ１にて算出された間隙変更値ΔＧriとΔＧaiは、指示値算出手段１５ｄ２に送られる。間隙解析モデルにおいて、間隙変化量δＧri，δＧaiと図１の電磁弁７ｅ開度との関係をあらかじめ求めておき、間隙変更値ΔＧriとΔＧaiと間隙変化量δＧri，δＧaiがそれぞれ等しくなるように式１３のごとくなるように、電磁弁７ｅの開度Ａｖを定める。
【００８３】
【数１３】
0005439597.tif 000014
【００８４】
そして、電磁弁７ｅの開度Ａｖに関する指示値をインターネットに代表される通信回線を介して、発電設備の運転監視計算機１１に送信する。算出された開度Ａｖは、遠隔監視施設側ファイヤーウォール１４，インターネット１３，発電設備側ファイヤーウォール１２，運転監視計算機１１を経由して、制御装置１６に送られる。制御装置１６は受け取った開度Ａｖに従い、ケーシング冷却空気量を制御する電磁弁７ｅを制御する。これにより、ケーシングとロータの間隙をあらかじめ設定した値に制御するので、クリアランスセンサの埋設を行うことなく、または、埋設したとしても最低限の設置により、ケーシングとタービン動翼のクリアランスを正確に制御することができ、ガスタービンの熱効率を高めることができる。
【００８５】
［実施例２］
図５を用いて本発明の第２の実施例を説明する。本実施例は、間隙診断装置１５の構成以外については図１と同様の構成である。本実施例は、間隙の数値解析モデルに実験計画法で得られた近似式を用いたことを特徴としている。第１の実施例との相違は、間隙解析の間隙数値解析ステップ１５ｃに存在する。間隙解析の間隙数値解析ステップ１５ｃの直交表作成ステップ１５ｃ３において、センサ信号と運転情報を変数として、実験計画法で用いられる直交表に割り付け、複数の間隙解析を実施する。この複数の間隙解析は、有限要素法解析モデル１５ｃ１による解析と間隙数値解析モデル１５ｃ２による解析の両方またはどちらか一方で構成されている。
【００８６】
直交表作成ステップ１５ｃ３においては、まず、センサ信号と運転情報を変数ｘiとして直交表への割り付けを行う。直交表とは、実験計画法で使用される試験や解析における変数の変化のさせ方を表にしたものである。使用する直交表の種類や直交表へ割り付ける変数の選択は、データ入出力インターフェイス１５ａにより行われる。直交表の選択は、選択した該変数ｘiの数とその水準数および変数ｘiが有する２因子交互作用の数と影響を勘案して選択する。直交表の種類としては、Ｌ８（２7），Ｌ１６（２15），Ｌ３２（２31），Ｌ９（３4），Ｌ２７（３13），Ｌ８１（３40），Ｌ１２（２11），Ｌ１８（２1３7），Ｌ３６（２11３12，３13）などが良く知られている。水準の設定方法は、変数ｘiの基本統計量がデータベース１５ｅに格納されているときは、この基本統計量を参考に定める。水準設定の例を以下に示す。たとえば、統計解析により、設計変数ｘiの頻度分布が正規分布で近似でき、その平均値ｍiとその分散ｓi2が得られたとする。このときの水準設定例としては、３水準の設定のときは下式に示すように、設計変数ｘiの平均値ｍiと設計変数ｘiの標準編差と係数ａより設定する。係数ａは０より大きく１０以下程度の範囲とする。
【００８７】
【数１４】
0005439597.tif 000015
【００８８】
データベース１５ｅに基本統計量が納められていない設計変数ｘiについては、類似データまたは経験的に、平均値ｍi，分散ｓi2，係数ａを定める。直交表作成ステップ１５ｃ３で割り付けた直交表はデータベース１５ｅに格納される。図６に変数とその水準を示す。
【００８９】
式１〜式１０に示したように各センサ信号は、有限要素法解析モデルの境界条件と関係付けられている。これにより、センサ信号をパラメータとして、センサ信号に応じた熱境界条件をパラメータとし、直交表に従った解析を行う。
【００９０】
図７に直交表の一例を示す。図６に示した変数を水準に割り付け、図７の直交表に従い、解析を実施する。図７の列の変数番号は、図６の行に示した変数番号と対応しており、図７の行の番号は解析の番号を示す。図７の解析番号１の解析は、図６に示したすべての変数の水準を水準１とした解析を実施するという意味である。
【００９１】
次に、間隙数値解析ステップ１５ｃにおいては、直交表作成ステップ１５ｃ３にて割り付けられた変数Ｘiの直交表に従い、解析を実施する。ここで行う解析は、部品の運転条件を模擬した有限要素法解析モデル１５ｃ１による熱構造解析とその結果として得られる物理量を用いた間隙数値解析モデル１５ｃ２である。先に述べたように、間隙数値解析は、式１１に示した解析である。
【００９２】
間隙数値解析モデル１５ｃ２で得られた間隙値はデータベースに格納される。次に、分散分析ステップ１５ｃ４によりデータベースの間隙値について分散分析を行う。分散分析とは、解析結果に含まれる情報を、誤差の部分と本質的な部分、つまり、変数の効果とに分離し、解析結果から統計的に意味のある結論を導けるか否かを吟味する手段である。分散分析により、各変数の効果を算出する。また、平方和，自由度，平均平方，Ｆ比，Ｐ値，寄与率などを算出する。Ｆ比，Ｐ値により、変数ｘiのうち有意である変数を選択することができる。Ｆ比，Ｐ値とは、分散分析において一般的に求める指標であり、変数の効果が統計的に有意であるか否かを示す指標である。
【００９３】
有意水準としては一般的に１％や５％が用いられる。これにより、直交表に割り付けた設計変数の中から、間隙値ＧriとＧaiに影響を与える変数ｘiを選び出し、影響の無い変数は取り除き、変数を減らすことができる。次に、近似式作成ステップ１５ｃ５により、分散分析ステップ１５ｃ４で得られた解析結果を用いて間隙値Ｇの近似式を作成する。近似式は、次式にて表される。下式では２次の応答曲面を示している。式中のｂは回帰により得られた係数でεは誤差である。ここで、応答曲面を作成するに当たっては、分散分析ステップ１５ｃ４で得られたＦ比を用いて、ある設定した有意水準、例えば１％または５％の設計変数について近似式を作成する。近似式作成ステップ１５ｃ５での変数入力や近似式の表示はデータ入出力インターフェイス１５ａにて行う。
【００９４】
【数１５】
0005439597.tif 000016
【００９５】
間隙値Ｇの近似式にセンサ信号と運転情報が入力され、部位ｉの間隙が算出される。以降の処理は図１で示した実施例と同様である。本実施例は、間隙解析より作成した近似式を用いて間隙を算出するので、第１の実施例に対して、計算機の負荷を低減し、解析を高速化することができ、これにより、迅速な機器の間隙算出が可能となる。
【００９６】
図８に第２の実施例の処理フローをまとめる。ステップ１５において変数を選択する。変数としては、センサ信号と運転情報である。ステップ１６において、変数ｘiを直交表への割り付けを行う。直交表に従い、ステップ１７〜２０を実施する。つまり、直交表の行の数の間隙解析を実施する。ステップ１７において、有限要素法による熱解析と構造解析を行う。ステップ１８において、有限要素法による熱解析と構造解析の解析結果として、間隙解析に用いる物理量を出力する。物理量としては、部材の温度，変形量，応力，ひずみなどがある。ステップ１９において、ステップ１８で求められた物理量を間隙解析モデルに入力する。ステップ２０において、間隙解析を実施する。ステップ２１において、間隙解析結果について分散分析を行う。分散分析により、各変数の効果を算出する。また、平方和，自由度，平均平方，Ｆ比，Ｐ値，寄与率などを算出する。Ｆ比，Ｐ値により、変数ｘiのうち有意である変数を選択することができる。有意水準としては一般的に１％や５％が用いられる。これにより、直交表に割り付けた設計変数の中から、間隙Ｇに影響を与える変数ｘiを選び出し、影響の無い変数は取り除き、変数を減らすことができる。ステップ２２において、間隙の近似式を作成する。ここで、近似式を作成するに当たっては、ステップ２１で得られたＦ比を用いて、ある設定した有意水準、例えば１％または５％の設計変数について近似式を作成する。
【００９７】
ステップ２３において、発電設備のセンサ信号データを入手する。ステップ２４において、発電設備の運転情報データを入手する。センサ信号データと運転情報データは図３に示す。ステップ２５において、ステップ２２で作成した近似式を用いて、間隙解析を実施する。ステップ２６において、間隙結果を出力し、データベースに書き込む。間隙解析結果としては、部位ｉの間隙Ｇ（径方向，軸方向）の時間ごと結果である。以降のステップは、図２のステップ１１以降と同様である。
【００９８】
［実施例３］
図９に本発明の第３の実施例を示す。本実施例は図１の構成において、間隙数値解析モデルを、実験計画法を用いて、実機ガスタービンの物理量と数値解析モデルの解析結果を比較し、該数値解析モデルの解析結果を実機ガスタービンの物理量に合わせる逆問題解析ステップ２０を設けたことを特徴としている。逆問題解析ステップ２０は直交表作成ステップ２０ａ，有限要素法解析ステップ２０ｂ，間隙解析ステップ２０ｃ，分散分析ステップ２０ｄ，境界条件作成ステップ２０ｅより構成されている。直交表作成ステップ２０ａにおいては、有限要素法解析ステップ２０ｂで用いる解析モデルの境界条件を変数として直交表に割り付け、解析を実施する。
【００９９】
図１０と図１１に因子とした熱境界の表と直交表の一例を示す。図１０には図４で示したケーシングの熱境界条件を直交表に割り付けた例を示す。図１０に示したようにケーシングの特徴的な部位を領域分けし、熱境界条件の領域を割り当てて熱解析を実施する。図１０は、熱伝達率やガス温度を変数として割り当てて、有限要素法の熱解析を実施する。図１０の表では、数値流体解析などで得られた熱伝達率に対する係数を直交表に割り当てている。
【０１００】
図１１に示した直交解析の例では、５４ケースの有限要素法熱解析を実施するものであり、解析番号１はすべての熱伝達率やガス温度を数値流体解析で得られた値に係数１を乗じた熱伝達率とした解析である。次に有限要素法解析ステップ２０ｂで得られた物理量と実機の物理量を比較してその誤差が最小となる境界条件を同定する。
【０１０１】
たとえば、ケーシングの場合は、実機のケーシングの温度は図１に示したような第１段フック熱電対９ａ，第２段フック熱電対９ｂ，第３段フック熱電対９ｃ，ケーシング熱電対９ｄで計測することができる。次に計測した各部の温度と間隙数値解析ステップ１５ｃの温度の結果が最小となる境界条件をもとめる。たとえば、以下に示す応答ｙの式を作成する。ここで、ｋはケーシングの部位番号、Ｔckは数値解析で得られた部位ｋの温度、Ｔikは実機ケーシングの熱電対で得られた部位ｋの温度である。
【０１０２】
【数１６】
0005439597.tif 000017
【０１０３】
直交表による解析の結果を分散分析ステップ２０ｄにおいて分散分析を実施し、解析と実機の温度差の誤差の平方和を最小とする熱境界を境界条件作成装置２０ｅで作成する。図１２，図１３に変数、つまり、熱境界（ここではガス温度と熱伝達率）の水準と誤差平方和ｙの低減効果の関係を示す。図１２，図１３では, 実機データと解析結果の差異を相対誤差とした式１９に示すような誤差平方和ｙで示している。それぞれの熱境界条件（ここではガス温度と熱伝達率）を誤差平方和が小さくなる値に設定する。そして、本熱境界条件をデータベースに格納し、間隙数値解析ステップ１５ｃにおける有限要素法解析モデル１５ｃ１の境界条件に入力する。逆問題解析ステップ２０で得られた熱境界条件（ここではガス温度と熱伝達率）に式３〜式１０に示した熱境界条件を変更する。この逆問題解析にて得られた熱境界条件は、間隙数値解析ステップ１５ｃにおける有限要素法解析モデル１５ｃ１の境界条件に反映される。本実施例においては、間隙数値解析ステップ１５ｃの有限要素法解析モデル１５ｃ１の境界条件が、逆問題解析ステップ２０により、実機と一致するように修正されている。このため、間隙数値解析ステップ１５ｃが高精度化され、間隙予測の精度を高めることができる。
【０１０４】
また、図１のように、ギャップセンサ９ｅ〜９ｇがガスタービンに取り付けられている場合は、これらの間隙の実機計測データと解析とが合うように境界条件を変更してもよい。その場合は、間隙数値解析ステップ１５ｃを直交表に従った解析にて行い、得られた間隙と実機間隙の誤差平方和を最小とする境界条件を算出するものである。また、直交表作成ステップ２０ａで変数として用いるものは、解析の境界条件であれば良く、熱伝達率，ガス温度，輻射率，荷重，境界の剛性，境界の熱抵抗，境界の減衰，流体力，材料の劣化度合などが考えられる。なお、直交表を用いて実施する解析として、図９では有限要素法解析と間隙解析を示したが、直交表を用いて解析できる数学モデルであれば良い。
【０１０５】
図１４に第３の実施例の逆問題解析ステップの処理フローをまとめる。ステップ３０において、変数を選択する。変数としては、有限要素法熱解析や構造解析の境界条件や数値解析モデルに入力する変数や間隙解析モデルに入力する変数である。ステップ３１において、変数ｘiを直交表への割り付けを行う。直交表に従い、ステップ３２〜３５を実施する。つまり、直交表の行の数の間隙解析を実施する。ステップ３６において、有限要素法解析で得られる結果である温度や変位や応力および、ひずみと実機の測定結果を比較し、それらの誤差が最小となる境界条件を実働境界条件として同定する。つまり、次式に示す解析結果と実機計測による推定値との誤差平方和ｙを算出し、これを最小化する境界条件を求めるものである。
【０１０６】
【数１７】
0005439597.tif 000018
【０１０７】
ｋは比較する変数の番号、ｘa(ｋ)は解析で得られた変数、ｘi(ｋ)は、センサ信号などの実機計測記録から得られた変数である。同定した実働境界条件を用いた有限要素法による熱構造解析により、実機運転状態での温度・応力分布を精度よく予測することがきると考えられる。
【０１０８】
比較する変数を式１１に示した間隙Ｇとし、熱構造解析モデルの境界条件を同定することも可能である。このときは、下式のｙを算出する。
【０１０９】
【数１８】
0005439597.tif 000019
【０１１０】
ｋは比較する変数の番号、Ｇa(ｋ)は解析で得られた間隙、Ｇi(ｋ)は実機計測から得られた間隙である。なお、誤差平方和の算出においては実機データと解析結果の差異を相対誤差として次式に示すようなｙを同様に最小化しても良い。
【０１１１】
【数１９】
0005439597.tif 000020
【０１１２】
ｍ；部材番号、ｎc；部材数、ｎ(ｍ)；部材ｍの比較する変数の数、Ｔam(ｋ)；部材ｍの解析で得られた物理量、Ｔim(ｋ)；部材ｍの実測物理量である。物理量としては、温度，変位量，間隙値，応力，ひずみなどがある。
【０１１３】
ステップ３８において、分散分析を実施し、式１６〜式１９に示したｙを最小化する変数ｘiを選択する。ステップ３９においてｙを最小化する変数ｘiを決定する。
【０１１４】
ｙを最小化する変数ｘiを決定する際において、図１５に示すように、直交表による解析結果によるｙと、分散分析を行い、図１２，図１３で示した要因効果図を用いて、ｙを最小化する変数ｘiを選択した後のｙを表示することにより、逆問題解析によるｙの低減効果を表示する。
【０１１５】
さらに、図１６に示したように、Ｆ検定による有意水準と誤差平方和ｙの関係をもとめ、ｙを低減する効果が高い有意水準までの変数ｘiを選定する。有意水準の選択については、統計的な厳密性を重視するよりは、誤差を低減する因子を多く選定することが重要であり、図１６のような因子の有意水準と誤差低減の関係を求めておき、最も誤差を低減する条件を実働境界条件とする。
【０１１６】
図１５と図１６に、逆問題解析により同定した境界条件による誤差平方和ｙの低減の様子を示した。図１０に示した熱境界条件を因子とした逆問題解析では、場合によっては、誤差平方和が低減しないことも想定される。そのような場合は、図１０に示したような因子の選定をやり直す、すなわち、分散分析の結果から、有意でない因子の水準範囲を変化させる。または、有意でない因子を削除し、他の因子に変更を行う。これらの手順について、具体的な方法を以下に示す。
【０１１７】
はじめに、相対誤差平均値ｙを部材ごとの相対誤差平均値に分解し、部材ごとの誤差を評価する。図１７に示すように、式１９における誤差平方和の平均値を、各部材の相対誤差に分解して表示すると、ｙを最小化する境界条件Ｎo.５６において、センサＴ−ＣＳＧ２４，２５−＊の相対誤差が３５％あり、相対誤差平均値ｙを悪化させていることが分かる。このため、センサＴ−ＣＳＧ２４，２５−＊の部位の熱境界条件について、変更する。すなわち、相対誤差平均値を悪化させたセンサ位置に対応する熱構造解析モデルの熱境界条件の数値を変化させたり、熱境界分けを細分化し、因子数を増加させたりして、相対誤差平均値ｙを低減させるものとする。
【０１１８】
ステップ４０において、ステップ３９で決定した変数ｘiを有限要素法解析や数値解析や間隙解析に与え、これを逆問題解析モデルとして、データベースに登録する。登録した逆問題解析モデルを用いて、図８に示したフローにおいて、逆問題解析モデルを用いて間隙解析を行う。つまり、図１４のフローにおいて、有限要素法解析の境界条件ｘiを同定した場合は、この境界条件を同定した有限要素法モデルを図９の有限要素法解析モデル１５ｃ１とする。図１４のフローにおいて、間隙解析の変数ｘiを同定した場合は、この変数ｘiを同定した間隙解析モデルを図９の間隙数値解析モデル１５ｃ２とする。
【０１１９】
なお、本実施例においては、直交表を用いた分散分析により、式１６〜式１９に示した誤差平方和ｙを最小化する発明についてのべた。さらに、本発明は、ｙを最小化する手法として、最適化手法、例えば線形計画法，非線形計画法，遺伝的アルゴリズム等を用いたものについても含むものとする。
【０１２０】
次に、本発明の実施例４を説明する。本実施例は、回転部品と非回転部品により構成され、前記非回転部品の温度を変化させる機構を有するガスタービンにおいて、前記温度を変化させる機構として、前記回転部品を内包するケーシングに冷却孔を形成したガスタービンに関する。また、前記冷却孔内には、複数のインピンジ孔が形成されたコアプラグを備えている。
【０１２１】
以下、図１９を用いて実施例４を説明する。図１９は、ガスタービンのケーシングの部分断面図である。本実施例では、ケーシング２ａのタービンの軸方向に設けられたケーシング冷却孔７ｂ内に、円筒状のコアプラグ３０が設けられる。コアプラグ３０には、インピンジ孔として、コアプラグ３０の直径に比べて小さい小孔３２が多数、穿孔されている。
【０１２２】
冷却空気吸入口７ａに供給された冷却空気は、ケーシング冷却孔７ｂへの導入孔３５を通過し、コアプラグ３０の内部に導かれる。コアプラグ３０内に導かれた冷却空気は、小孔３２からシャワー状に噴出し、冷却孔７ｂの内面を衝突冷却する。これにより、図１に示したような、冷却孔７ｂ内に冷却空気を直接的に導入して、対流冷却によってケーシング２ａを冷却する場合に比べて、冷却効率が良く、冷却空気を少なくすることができる。また、冷却効率が良いので、間隙制御の制御性に優れる。
【０１２３】
また、コアプラグ３０に形成する小孔３２は、回転部品を内包するケーシング２ａの内径側面３１（タービン回転軸側の面）に配置する。すなわち、ケーシング冷却孔７ｂが形成されたケーシング部分は、その外径側２ａ２より内径側２ａ１が高温となるためである。ケーシング２ａの内径側２ａ１は、高温ガスが流通するガスパス側である。特に、ケーシング冷却孔７ｂが形成されたケーシング部分の内径側には、第２段フック８ｄと第３段フック８ｆを備えており、そこには図１に示すように第２段シュラウド８ｃ，第３段シュラウド８ｅが取り付けられる。第２段シュラウド８ｃ，第３段シュラウド８ｅは高温ガスに曝される高温部品の為、その取り付け部である第２段フック８ｄ及び第３段フック８ｆも高温となる。よって、コアプラグ３０から冷却空気を全方位に噴出させるのではなく、特に高温部となるケーシングの内径側２ａ２に重点的に噴出させることが望ましい。これにより、ケーシング冷却孔７ｂの温度の高い内面を効果的にインピンジ冷却できるので、冷却効率が高くなる。また、コアプラグ３０を流通させる冷却空気は、タービンの上流側から下流側に流通させるものとする。これにより、温度の高い上流側を効率良く冷却することができる。
【０１２４】
コアプラグ３０は、以下の手段により把持される。先ず、コアプラグ３０の上流側の端部はリング状のシール３３により、冷却空気の導入孔３５（或いはケーシング冷却孔７ｂ）に把持される。シール３３は、冷却空気吸入口７ａに供給された冷却空気の全てをコアプラグ３０へ導くように、冷却空気の導入孔３５（或いはケーシング冷却孔７ｂ）とコアプラグ３０の隙間を閉止する。
【０１２５】
また、後流側はロックプレート３４により把持される。このロックプレート３４の具体的な構造について、図２０及び図２１を用いて詳細に説明する。図２０はロックプレートの断面図、図２１は図２０のロックプレートを軸方向から見た図である。ロックプレート３４は、ケーシング冷却孔７ｂとケーシング冷却孔７ｄとの接続部に設けられ、インピンジ冷却した後の冷却空気及びコアプラグ３０内の冷却空気をケーシング冷却孔７ｄに供給するように構成されている。
【０１２６】
具体的には、ロックプレート３４は環状に形成されており、さらにオリフィス３４ａと流路３４ｂを備えている。オリフィス３４ａは、コアプラグ３０内の下流側端部からケーシング冷却孔７ｄに供給する冷却空気の流量を絞るものである。また、流路３４ｂはコアプラグ３０の小孔３２から噴出され、ケーシング冷却孔７ｂの内面をインピンジ冷却した後の冷却空気をケーシング冷却孔７ｄに導く。ケーシング冷却孔７ｄは、排気フレーム２ｂ等に連通している。以上のように構成されたロックプレート３４は、ボルト３４ｃによりケーシング２ａに固定される。そして、ケーシング冷却孔７ｂ，コアプラグ３０，小孔３２，オリフィス３４ａの直径などの寸法を適切に設定することにより、所定の冷却流路を形成する。
【０１２７】
次に、本発明の第５の実施例について図２２を用いて説明する。本実施例は、冷却孔を流通する空気量をケーシング周方向で変化させることを可能に構成したものである。具体的には、コアプラグ３０（ケーシング冷却孔７ｂ）に連通する冷却空気吸入口７ａを、ケーシング２を取り巻く環状流路ではなく、周方向に複数分割されたキャビティ７ａ１〜７ａ６として形成している。各キャビティ７ａ１〜７ａ６は，図１に示した実施例と同様に、制御装置１６にて開閉される電磁弁７ｅと接続されている。電磁弁７ｅは各キャビティ７ａ１〜７ａ６ごとや、各キャビティのグループごとに設ける。これにより、ケーシング２の温度制御を、ケーシングの周方向に分割して行うことができる。この結果、ケーシング２に何らかの原因により、周方向に温度差がつき、ケーシング２が楕円変形し、タービン翼先端とケーシングとの間隙が拡大する場合において、間隙が拡大した部位のキャビティに通ずる電磁弁７ｅの開度を開け、冷却空気も流入量を増加させることにより、当該部位の温度を低下させ、間隙を狭めることができる。これとは逆に、間隙が縮小しすぎる場合においては、間隙が拡大した部位のキャビティに通ずる電磁弁７ｅの開度を閉め、冷却空気も流入量を減少させることにより、当該部位の温度を高め、間隙を拡大することができる。
【０１２８】
図２２のケーシング２ａは、上半ケーシング２ａ１と下半ケーシング２ａ２により構成され、水平フランジ２ａ３，２ａ４にてボルト締結（図示せず）され一体化する。ケーシング２ａは、一般に、上半ケーシング２ａ１と下半ケーシング２ａ２で、ケーシング外表面の熱伝達率が異なることにより、上半ケーシング２ａ１と下半ケーシング２ａ２の間で温度差がつきやすい。このため、上半ケーシング２ａ１と下半ケーシング２ａ２で、図１における冷却空気吸入口７ａを複数のキャビティ７ａ１〜７ａ６に分割して、その各々に独立して冷却空気を導ける構造は、間隙制御において効果的である。さらに、水平フランジ２ａ３，２ａ４の近傍に、特にキャビティ７ａ１，７ａ３，７ａ４，７ａ６を設け、これらに導く冷却空気を個別制御することにより、水平フランジ２ａ３，２ａ４に起因する非真円変形による間隙拡大を防止することができる。
【０１２９】
本発明の第６の実施例について、図２３を用いて説明する。本実施例では、ケーシング２ａの周方向に環状に形成した冷却空気吸入口７ａ内にも、小孔４２を有する周方向コアプラグ４１を設けている。小孔４２は、図１９の実施例と同様、温度の高い内面側（径方向内側）に噴出するように配置される。また、周方向コアプラグ４１には冷却空気を導入する管路４４が接続されている。管路４４に供給される冷却空気は、図１の実施例等で説明した電磁弁７ｅにより制御される。
【０１３０】
管路４４を通して、周方向コアプラグ４１に導かれた冷却空気は、小孔４２より噴出し、冷却空気吸入口７ａをインピンジ冷却する。冷却空気吸入口７ａが設けられている部位のケーシング２ａの内径側には、第１段シュラウド８ａが取り付けられる第１段フック８ｂが形成されている。従って、小孔４２から冷却空気吸入口７ａ内をインピンジ冷却することにより、第１段フック８ｂ部位のケーシングが冷却され、当該部位の間隙制御が効果的にできる。この場合、周方向コアプラグ４１の小孔４２より噴出した後の冷却空気を、ケーシング冷却孔７ｂ内のコアプラグ３０に導いてもよいし、周方向コアプラグ４１から、ケーシング冷却孔７ｂ内のコアプラグ３０へ管路４３により空気を流入させてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本発明はガスタービンの間隙を診断する間隙診断装置および該間隙診断装置を利用したガスタービンシステムに適用することができる。
【符号の説明】
【０１３２】
１  ガスタービン
２ａ  ケーシング
２ｂ  排気フレーム
３ａ  第１段ホイール
３ｂ  第１段動翼
３ｃ  第１−２段スペーサ
３ｄ  第２段動翼
３ｅ  第２段ホイール
３ｆ  第２−３段スペーサ
３ｇ  第３段動翼
３ｈ  第３段ホイール
４  燃焼器
５ａ  第１段静翼
５ｂ  第２段静翼
５ｃ  第３段静翼
６ａ  間隙（１段）
６ｂ  間隙（２段）
６ｃ  間隙（３段）
６ｄ  間隙（２段静翼）
６ｅ  間隙（３段静翼）
７ａ  冷却空気吸入口
７ｂ，７ｄ  ケーシング冷却孔
７ｃ  冷却空気配管
７ｅ  電磁弁
８ａ  第１段シュラウド
８ｂ  第１段フック
８ｃ  第２段シュラウド
８ｄ  第２段フック
８ｅ  第３段シュラウド
８ｆ  第３段フック
９ａ  第１段フック熱電対
９ｂ  第２段フック熱電対
９ｃ  第３段フック熱電対
９ｄ  ケーシング熱電対
９ｅ〜９ｇ  ギャップセンサ
１０  信号線
１１  運転監視計算機
１２  発電設備側ファイヤーウォール
１３  インターネット
１４  遠隔監視施設側ファイヤーウォール
１５  間隙診断装置
１５ａ  入出力インターフェイス
１５ｂ  境界条件算出ステップ
１５ｃ  間隙数値解析ステップ
１５ｃ１  有限要素法解析モデル
１５ｃ２  間隙数値解析モデル
１５ｃ３，２０ａ  直交表作成ステップ
１５ｃ４，２０ｄ  分散分析ステップ
１５ｃ５  近似式作成ステップ
１５ｄ  間隙制御装置指示値算出手段
１５ｄ１  間隙変更値算出手段
１５ｄ２  指示値算出手段
１５ｅ  データベース
１６  制御装置
２０  逆問題解析ステップ
２０ｂ  有限要素法解析ステップ
２０ｃ  間隙解析ステップ
２０ｅ  境界条件作成ステップ
３０  コアプラグ
３２，４２  小孔
３３  シール
３４  ロックプレート
３４ａ  オリフィス
３４ｂ  流路
３４ｃ  ボルト
３５  導入孔
７ａ１，７ａ２，７ａ３，７ａ４，７ａ５，７ａ６  キャビティ
２ａ１  上半ケーシング
２ａ２  下半ケーシング
２ａ３，２ａ４  水平フランジ
４１  周方向コアプラグ
４３  管路
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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