(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアフォイルの余寿命を判定する方法（４００）であって、
処理システムで前記エアフォイルに関連する少なくとも１つの振動応答パラメータを受信するステップ（４０２）と、
亀裂を生じた少なくとも１つのエアフォイルの有限要素モデルを処理するステップであって、
前記亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルにアクセスするステップ（４０４）と、
破壊力学に基づく有限要素解析を用いて、前記亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルのモーダル応力強度係数（ＳＩＦ）を計算するステップ（４０６）と、
少なくとも部分的に、前記モーダルＳＩＦ及び少なくとも１つの振動応答パラメータに基づいて、共振周波数における前記亀裂を生じたエアフォイルの振動ＳＩＦを計算するステップ（４０８）とを含む、亀裂を生じた少なくとも１つのエアフォイルの有限要素モデルを処理するステップと、
少なくとも部分的に、前記振動ＳＩＦに基づいて前記エアフォイルの余寿命インジケータを計算するステップ（４１０）と、を含み、
前記振動ＳＩＦを計算するステップ（４０８）が、
亀裂を生じたエアフォイルの振動振幅を計算するステップと、
亀裂を生じたエアフォイルの振動振幅及び計測されたエアフォイルの振動振幅を用いてスケーリング係数を計算するステップと、
前記モーダル応力強度係数（ＳＩＦ）に前記スケーリング係数を乗算することによって前記振動ＳＩＦを計算するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの振動応答パラメータが、エアフォイルの加振周波数、エアフォイルの振動振幅、及びエアフォイルの構造減衰のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記余寿命インジケータを計算するステップが、少なくとも１つの材料特性パラメータを考慮にいれるステップを更に含み、
前記余寿命インジケータが、亀裂の成長速度、サイクルカウント判定、及び亀裂のサイズ対サイクルカウント判定のうちの少なくとも１つを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
エアフォイルの余寿命を判定するシステム（１０８）であって、
前記エアフォイルに関連する少なくとも１つの振動応答パラメータを受信する（４０２）受信機モジュールと、
亀裂を生じた少なくとも１つのエアフォイルの有限要素モデルを処理する有限要素解析エンジン（２０６）とを備え、前記亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルを処理するステップが、
前記亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルにアクセスするステップ（４０４）と、
破壊力学に基づく有限要素解析を用いて、前記亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルのモーダル応力強度係数（ＳＩＦ）を計算するステップ（４０６）と、
少なくとも部分的に、前記モーダルＳＩＦ及び少なくとも１つの振動応答パラメータに基づいて、共振周波数における前記亀裂を生じたエアフォイルの振動ＳＩＦを計算するステップ（４０８）とを含み、且つ
少なくとも部分的に、前記振動ＳＩＦに基づいて前記エアフォイルの余寿命インジケータを計算する（４１０）判定モジュール（２０８）を備え、
前記振動ＳＩＦを計算するステップ（４０８）が、
亀裂を生じたエアフォイルの振動振幅を計算するステップと、
亀裂を生じたエアフォイルの振動振幅及び計測されたエアフォイルの振動振幅を用いてスケーリング係数を計算するステップと、
前記モーダル応力強度係数（ＳＩＦ）に前記スケーリング係数を乗算することによって前記振動ＳＩＦを計算するステップと、
を含む、
システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの振動応答パラメータが、エアフォイルの加振周波数、エアフォイルの振動振幅、及びエアフォイルの構造減衰のうちの少なくとも１つを含み、
前記余寿命インジケータが、亀裂の成長速度、サイクルカウント判定、及び亀裂のサイズ対サイクルカウント判定のうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
エアフォイルの余寿命を判定するために、コンピュータ実行可能命令でエンコードされた非一時的コンピュータ読取り可能媒体を備えるコンピュータプログラム製品であって、前記コンピュータ実行可能命令は、実行されると、１つ又は複数のプロセッサが、
前記エアフォイルに関連する少なくとも１つの振動応答パラメータを受信し（４０２）、
亀裂を生じた少なくとも１つのエアフォイルの有限要素モデルを処理し、
前記亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルを処理するステップが、
前記亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルにアクセスするステップ（４０４）と、
破壊力学に基づく有限要素解析を用いて前記亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルのモーダル応力強度係数（ＳＩＦ）を計算するステップ（４０６）と、
少なくとも部分的に、前記モーダルＳＩＦ及び少なくとも１つの振動応答パラメータに基づいて、共振周波数における前記亀裂を生じたエアフォイルの振動ＳＩＦを計算するステップ（４０８）とを含む、前記亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルを処理するステップと、
少なくとも部分的に、前記振動ＳＩＦに基づいて前記エアフォイルの余寿命インジケータを計算するステップ（４１０）とを含み、
前記振動ＳＩＦを計算するステップ（４０８）が、
亀裂を生じたエアフォイルの振動振幅を計算するステップと、
亀裂を生じたエアフォイルの振動振幅及び計測されたエアフォイルの振動振幅を用いてスケーリング係数を計算するステップと、
前記モーダル応力強度係数（ＳＩＦ）に前記スケーリング係数を乗算することによって前記振動ＳＩＦを計算するステップと、
を含む、コンピュータプログラム製品。
【請求項７】
前記少なくとも１つの振動応答パラメータが、エアフォイルの加振周波数、エアフォイルの振動振幅、及びエアフォイルの構造減衰のうちの少なくとも１つを含み、
前記余寿命インジケータが、亀裂の成長速度、サイクルカウント判定、及び亀裂のサイズ対サイクルカウント判定のうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載のコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンロータなどのエアフォイルの余寿命の判定に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン及び圧縮機のエアフォイルは極限条件下で動作し、通常の動作条件で亀裂を生じることがある。特にエアフォイルの固有周波数が、ターボ機械の通常運転中に受ける加振力の周波数と一致する場合に、高いサイクル疲労によって亀裂が生じることがある。ターボ発電機は典型的には、周波数が５０／６０Ｈｚ及びこのような周波数の整数倍の周波数である外乱にさらされる。このような発電機で使用されるエアフォイルは、外乱の典型的な周波数とは異なる固有周波数を有するように設計される。
【０００３】
既知の外乱とは別に、ターボ機械は、通常の稼働中のエアフォイルの周波数と一致する予期しない加振を受けることがある。このような予期しない加振がエアフォイルを共振させ、ひいてはエアフォイルがさらされる振動量が増加することがある。このような振動によって、エアフォイル、又はプラットフォームやダブテールなどのエアフォイルの支持部材に亀裂を引き起こすことがある。亀裂は高いサイクル疲労や振動によって伝搬し、急激に広がることがある。ターボ機械のエアフォイル内の亀裂を放置すると予定外の停止を引き起こすことがある。
【０００４】
亀裂の伝搬速度を予測する幾つかの周知の余寿命判定技術は、周期的検査によって得られる観測データに基づいている。このような方法は、統計モデル、確率モデル、及び予測される今後の亀裂寸法の観測データに基づく補間技術を用いている。これらのタイプの方法のなかには、常に十分に正確な結果を生じないものがある。これらのタイプの方法は更に、構造部品の余寿命を延ばす上で重要な構造部品への損傷を引き起こす、根底にあるメカニズムに関する情報を必ずしも常に提供する訳ではない。
【０００５】
低いサイクル疲労及びクリープ疲労の余寿命判定技術には、例えば時不変遠心負荷、定常状態でのエアフォイル金属の温度、及び定常状態でのエアフォイル表面に加わるガス圧などの静的負荷の下でのエアフォイルの静的応答に基づいて亀裂成長速度を計算するものがある。このような技術は高いサイクル疲労条件を考慮しておらず、従ってこのような技術は、高いサイクル疲労条件下にある余寿命を判定するには適さない。
【０００６】
高いサイクル疲労のための既知の別の余寿命判定技術には、より正確な判定に到達するために強制振動応答解析を用いるものがある。しかし、このような技術は計算量が多く、大量の計算能力を要することが多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、既知の解決策に関連する上記及びその他の欠点を克服する方法及びシステムが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、共振条件又はそれに近い条件で、振動レベルの上昇による高いサイクル疲労破損を受けるリスクにあるエアフォイルの余寿命を判定するシステム及び方法を提供する。
【０００９】
一実施形態によれば、エアフォイルの余寿命を判定する方法は、エアフォイルに関連する少なくとも１つの振動応答パラメータを処理システムで受信するステップを含む。この方法は、亀裂を生じた少なくとも１つのエアフォイルの有限要素モデルを処理する。亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルの処理プロセスは、亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルにアクセスし、破壊力学に基づく有限要素解析を用いて亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルのモーダル応力強度係数（ＳＩＦ）を計算し、少なくとも部分的にモーダルＳＩＦに基づき、且つ少なくとも１つの振動応答パラメータに基づいて振動ＳＩＦを計算する。
【００１０】
一実施形態によれば、エアフォイルの余寿命を判定するシステムは、エアフォイルに関連する少なくとも１つの振動応答パラメータを受信するための受信機モジュールを含む。システムは更に、亀裂を生じた少なくとも１つのエアフォイルの有限要素モデルを処理するための有限要素解析エンジンを含む。有限要素解析エンジンは、亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルにアクセスすることによって、亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルを処理し、破壊力学に基づく有限要素解析を用いて亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルのモーダル応力強度係数（ＳＩＦ）を計算し、少なくとも部分的にモーダルＳＩＦに基づき、且つ少なくとも１つの振動応答パラメータに基づいて振動ＳＩＦを計算する。システムは、少なくとも部分的に振動ＳＩＦに基づいてエアフォイルの余寿命インジケータを計算するための判定モジュールを含む。
【００１１】
別の実施形態によれば、エアフォイルの余寿命を判定するためのコンピュータ実行可能命令でエンコードされた非一時的コンピュータ読取可能媒体を備えるコンピュータプログラム製品が提供される。コンピュータ実行可能命令は実行されると、１つ以上のプロセッサがエアフォイルに関連する少なくとも１つの振動応答パラメータを受信するようにさせる。コンピュータ実行可能命令は更に、１つ以上のプロセッサが亀裂を生じた少なくとも１つのエアフォイルの有限要素モデルを処理するようにさせる。処理プロセスには亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルにアクセスし、破壊力学に基づく有限要素解析を用いて亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルのモーダル応力強度係数（ＳＩＦ）を計算し、少なくとも部分的にモーダルＳＩＦに基づき、且つ少なくとも１つの振動応答パラメータに基づいて振動ＳＩＦを計算するステップが含まれる。次いでコンピュータ実行可能命令は、１つ以上のプロセッサが少なくとも部分的に振動ＳＩＦに基づいてエアフォイルの余寿命インジケータを計算するようにさせる。
【００１２】
上記及びその他の利点並びに特徴は、添付図面を参照した好ましい実施形態の以下の詳細な説明によってより容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】余寿命判定システムの実施形態が動作し得る環境のブロック図である。
【図２】一実施形態による余寿命判定システムのブロック図である。
【図３】エアフォイルの有限要素モデルを生成する例示的処理プロセスを示すフローチャートである。
【図４】一実施形態による余寿命判定の例示的処理プロセスを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態は、共振条件又はそれに近い条件で高いサイクル疲労を受けるリスクにあるエアフォイルの余寿命を判定する方法、システム及びコンピュータプログラム製品を提供する。一実施形態では、方法はエアフォイルの余寿命を計算するために物理学に基づく三次元有限要素解析を利用する。
【００１５】
図１は、様々な実施形態が動作し得る例示的環境１００を示す。環境１００はターボ機械１０２、ブレード監視システム１０４、フィールドデータストア１０６、及び余寿命判定システム１０８を含む。ターボ機械１０２は、ガスタービンエンジン、スチームタービンなどを含み得るが、それらに限定されない。
【００１６】
ブレード監視システム１０４は、圧縮機のエアフォイルなどのターボ機械のエアフォイルの動作状態を監視する。ブレード監視システム１０４は、例えばブレードの振動振幅、ブレードの振動周波数及びエアフォイルの構造減衰などの振動応答パラメータを監視し得る。ブレード監視システム１０４は更に、エアフォイルの亀裂データをも監視し得る。亀裂データは、亀裂の位置、亀裂のサイズ、亀裂伝搬方向、又はそれらの組み合わせを含み得る。動作状態及び亀裂データに加えて、ブレード監視システム１０４は、エアフォイルの共振周波数などのエアフォイルの構造特性をも監視し得る。ブレード監視システム１０４は、動作状態、亀裂データ及びエアフォイルの構造特性を監視するセンサを含み得る。あるいは、亀裂データ及びエアフォイルの構造特性を試験及び検査システムから取り込んでも良く、又は技術者からの入力として受け取っても良い。
【００１７】
その代わりに、又はそれに加えて、亀裂データ及びエアフォイルの構造特性をフィールドデータストア１０６から受け取る。フィールドデータストア１０６は、幾つかのターボ機械１０２のフィールドデータを記憶し得る。フィールドデータストア１０６は、ターボ機械１０２の検査から得られた亀裂データを記憶し得る。本発明の一実施形態では、超音波検査技術、又は光学検査技術を用いて亀裂を検知し、亀裂データを取得する。例として特定の検査技術が存在し、本発明の実施形態の範囲を限定するものではないことが理解されよう。フィールドデータストア１０６は更に、エアフォイルの幾何形状、エアフォイルのブレード寸法、エアフォイル内のブレード数、定格動作速度、定格動作負荷などを含むがこれらに限定されないターボ機械１０２の設計パラメータをも記憶し得る。
【００１８】
一実装形態では、フィールドデータストア１０６は、ターボ機械１０２を配備し得る施設にローカルなものである。別の実装形態では、フィールドデータストア１０６は、ターボ機械１０２のメーカーの施設などの中央位置にあり、適宜のネットワークを経て余寿命判定システム１０８に接続される。更に、余寿命判定システム１０８を、同じ位置又は別の位置に配備された複数のターボ機械１０２に接続する。あるいは、各ターボ機械１０２を専用の余寿命判定システム１０８に接続しても良い。
【００１９】
図２は、一実施形態による例示的な余寿命判定システム１０８のブロック図である。余寿命判定システム１０８は、立体幾何モジュール２０２、有限要素モデラ２０４、有限要素解析エンジン２０６、及び判定モジュール２０８を含む。余寿命判定システム１０８は、１つ以上の余寿命インジケータを提示するために出力デバイス２１０に結合される。余寿命判定システム１０８は更に、受信機モジュール（図２には図示せず）に結合される。受信機モジュールは、亀裂データ、ターボ機械の設計パラメータ、及び動作状態を受信し得る。受信機モジュールは動作状態を受信するためにブレード監視システム１０４に結合され、且つ亀裂データ及びターボ機械の設計パラメータを受信するためにフィールドデータストア１０６に結合される。受信機モジュールは、ＵＡＲＴ、ＵＳＡＲＴ、シリアルポート、コントローラエリアネットワークバス、ＩＥＥＥ８０２．１５イーサネット（商標）インターフェース、ワイヤレステレメトリネットワークなどを含むがこれらに限定されない適宜のインターフェースを用いてブレード監視システム１０４及びフィールドデータストア１０６と通信し得る。
【００２０】
立体幾何モジュール２０２は、ターボ機械１０２のエアフォイルの立体幾何モデルを生成する。立体幾何モジュール２０２は、エアフォイルの形状、エアフォイルの寸法及びターボ機械の圧縮機又はタービン内のエアフォイルの数などのターボ機械１０２の設計パラメータを受け入れる。次いで立体幾何モジュール２０２は、設計パラメータに基づいてエアフォイルの立体幾何モデルを生成する。設計パラメータに加えて、立体幾何モジュール２０２は、亀裂を生じたエアフォイルの立体幾何モデルを生成するために亀裂データを受け入れる。立体幾何モジュール２０２は、亀裂のサイズや亀裂伝搬方向などの異なる構造的損傷レベルの亀裂を生じた幾つかのエアフォイルについて立体幾何モデルを生成する。亀裂を生じたエアフォイルの立体幾何モデルは、亀裂を生じた現場の個別のエアフォイルに対応する。次いで、立体幾何モジュール２０２は立体幾何モデルを有限要素モデラ２０４に送る。
【００２１】
有限要素モデラ２０４は、立体幾何モデルをメッシュ分割して有限要素モデルを生成する。有限要素モデラ２０４は、例えば四面体要素などの多面体要素を用いて有限要素モデルを生成する。しかし、それらに限定されないが六面体、八面体、十二面体、及び二十面体要素などのその他の適宜の多面体要素を用いて有限要素モデルを生成しても良い。メッシュ密度は、余寿命判定システム１０８の必要な、且つ利用可能な計算能力に応じて選択される。一実装形態では、有限要素モデラ２０４は、ターボ機械の圧縮機又はタービンの単一のエアフォイルの有限要素モデルを生成する。ロータスロットと接触する接合面での有限要素モデルのノードに非線形接触動力学を適用する。このような非線形接触動力学は、高精細解像度で物理を捕捉し、平均ＳＩＦを正確に計算し得る。あるいは、エアフォイルの接合面がいかなるマイクロスリップ運動もなくロータスロットと完全に接触するという前提の下で、ロータスロットと接触する接合面のノードに固定境界条件を適用しても良い。このような前提は、高精細度を犠牲にすれば計算が簡単で単純な有限要素モデルを可能にする。次いで有限要素モデラ２０４は、有限要素モデルを有限要素解析エンジン２０６に転送し得る。
【００２２】
次いで有限要素解析エンジン２０６は、破壊力学に基づくアルゴリズムを用いて応力強度係数（ＳＩＦ）を計算する。有限要素解析エンジン２０６は、静的応答パラメータについて平均ＳＩＦを計算し、且つ振動応答モードについてモーダルＳＩＦ（言い換えるとピーク交番ＳＩＦ）を計算する。有限要素解析エンジン２０６は、Ｊ積分法、Ｍ積分法、又は変位外挿法などの破壊力学を用いて平均ＳＩＦ及びモーダルＳＩＦを計算する。本明細書には破壊力学に基づくアルゴリズムの特定例が記載されるが、有限要素解析エンジン２０６は、既知のいずれの破壊力学に基づくアルゴリズムを用いて平均ＳＩＦ及びモーダルＳＩＦを計算しても良い。
【００２３】
次いで有限要素解析エンジン２０６は、共振周波数及びそれに近い周波数での高サイクル条件での振動に起因する応力を解明するために、振動応答パラメータを考慮に入れる。有限要素解析エンジン２０６は、モーダルＳＩＦ及び振動応答パラメータに基づいて振動ＳＩＦを計算する。一実装形態では、有限要素解析エンジン２０６は、一定間隔で計測されたエアフォイルの先端振動振幅及びエアフォイルの構造減衰を用いて、モーダルＳＩＦを共振周波数における振動ＳＩＦに変換する。次いで有限要素解析エンジン２０６は、周波数離調パラメータを考慮に入れつつ、適宜の一自由度系の強制応答方程式を用いて近共振周波数における振動ＳＩＦを計算する。周波数離調パラメータを計算するため、有限要素解析エンジン２０６はモーダル解析を行って、損傷していないエアフォイルの共振速度、及び亀裂を生じたエアフォイルの共振速度を特定する。亀裂を生じたエアフォイルの共振周波数を計算する方程式の例は以下の通りである。
【００２４】
【数１】
0005997884.tif 000002
共振速度対亀裂サイズの曲線によって周波数離調パラメータが得られる。次いで有限要素解析エンジン２０６は、亀裂を生じたエアフォイルの振動振幅を計算し得る。亀裂を生じたエアフォイルの振動振幅を計算する方程式の例は以下の通りである。
【００２５】
【数２】
0005997884.tif 000003
亀裂を生じたエアフォイルの振動振幅ｘ’０及び計測されたエアフォイルの振動振幅を用いて以下のようなスケーリング係数を計算し得る。
【００２６】
【数３】
0005997884.tif 000004
次いで有限要素解析エンジン２０６は、モーダルＳＩＦをスケーリング係数と乗算することによって振動ＳＩＦを計算し得る。
【００２７】
エアフォイルの振動振幅、及びエアフォイルの応力応答は、例えばエアフォイルの共振周波数、エアフォイルの構造減衰、加振力の振幅、及び振動モードの節直径などの要因によって決まる。エアフォイルの振動振幅に影響を及ぼす別の要因は、ノズルの非対称性、伴流の形状変化、漏流、及び継手などのターボ機械構造内の乱流などの要因に起因するターボ機械を通る流体の不均一な流れである。多数の要因によってエアフォイルの振動振幅の正確な評価が非常に困難になり、複雑な計算上の流体力学や強制応答解析を要する場合が多い。このような技術には膨大な計算量と時間を要する。測定された振動応答パラメータ及びモーダルＳＩＦに基づいて振動ＳＩＦを計算することで、これらの欠点が克服される。
【００２８】
次いで有限要素解析エンジン２０６は、平均ＳＩＦ及び振動ＳＩＦに基づいて有効ＳＩＦを計算する。平均ＳＩＦはターボ機械のエアフォイルのへの静的負荷を解明し、振動ＳＩＦはターボ機械のエアフォイルへの動的負荷を解明する。有限要素解析エンジン２０６は、従来の物理学に基づく破壊力学技術を用いて有効ＳＩＦを計算する。
【００２９】
判定モジュール２０８は有効ＳＩＦの値を受け取り、有効ＳＩＦに基づいて亀裂成長速度を計算する。判定モジュール２０８は、振動応力率を考慮に入れて△Ｋｅｆｆを計算するためにウォーカーの方程式を用いる。ウォーカーの方程式は、負荷率Ｒを用いて平均応力効果を組み入れるモデルである。次いで判定モジュール２０８は、パリスの法則を用いて亀裂成長速度を計算する。パリスの方程式の一般形式は以下の通りである。
【００３０】
【数４】
0005997884.tif 000005
判定モジュール２０８は更に、亀裂成長速度のシグモイド関数表現を用いても良い。シグモイド関数表現は亀裂成長速度に対するＳＩＦをプロットし、エアフォイルが故障する前に、亀裂が伝搬し得ないＳＩＦの範囲、亀裂がゆっくりと伝搬するＳＩＦの範囲、及び亀裂が急激に伝搬するＳＩＦの範囲を特定する。
【００３１】
次いで判定モジュール２０８は、亀裂のサイズ対サイクルカウントの曲線を得るために、様々なレベルの構造的損傷について亀裂の成長速度を数値積分する。亀裂のサイズ対サイクルカウントの曲線は、ターボ機械のエアフォイルが破局的な損傷を受ける前に、所定の亀裂サイズについて監視された動的負荷条件の下でのターボ機械のエアフォイルの余寿命を示す。更に、エアフォイルが破局的な損傷を受ける時期を判定するために、破壊力学方法及び幾何的方法を導入しても良い。１つの破壊力学的方法は、亀裂を生じたエアフォイルのＫｍａｘがエアフォイルの材料の臨界ＳＩＦ以上である場合に、亀裂を生じたエアフォイルが急激な亀裂の成長を受け、妨げとなる破局的な故障を示すという事実に基づくものである。１つの幾何的方法は、亀裂がエアフォイルの亀裂のないリガメントを通った場合に、妨げとなる破局的な損傷を予測する。破壊力学的方法と幾何的方法のいずれか一方又は両方を用いて、妨げとなる破局的な故障を特定しても良い。実際に故障するかなり前に、ターボ機械のエアフォイルの妨げとなる故障を特定するための、慎重な余寿命インジケータを提供するように判定モジュール２０８を調整する。
【００３２】
次いで出力デバイス２１０が余寿命インジケータを提示する。出力デバイス２１０は、適当なディスプレイで技術者に余寿命インジケータを提示する。あるいは、出力デバイス２１０は、それに限定されないがＩＥＥＥ８０２．１５イーサネット（商標）回線、電話回線、無線ネットワークなどの適当なネットワークを用いて余寿命インジケータを中央監視ステーションに送信しても良い。
【００３３】
一実施形態では、本明細書に記載の個々のモジュールは、非一時的コンピュータ読取り可能媒体に記憶されたコンピュータ実行可能命令として実装される。非一時的コンピュータ読み取り可能媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、又はいずれかの適当な記憶装置である。コンピュータ読取り可能媒体は、余寿命判定システム１０８の全体的な動作を制御するためのオペレーティングシステム及びその他のソフトウエアを記憶させる。
【００３４】
図３は、一実施形態による亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルを生成するために例示的なプロセス３００を示すフローチャートである。ステップ３０２で、立体幾何モジュール２０２は、少なくとも１つのエアフォイル設計パラメータを受信する。エアフォイル設計パラメータには、エアフォイルの形状、エアフォイルの寸法、及び例えばターボ機械の圧縮機又はタービン内のエアフォイルの数などのパラメータは含まれる。
【００３５】
ステップ３０４で、立体幾何モジュール２０２は、亀裂開始位置、亀裂伝搬方向、亀裂のサイズ及び亀裂の形状を含むがこれらに限定されない少なくとも１つの亀裂パラメータを受信する。一実装形態では、立体幾何モジュール２０２はフィールドデータストア１０６から亀裂パラメータを受信する。一実施形態では、亀裂パラメータには、亀裂を生じたエアフォイルの検査による実際のフィールドデータが含まれる。
【００３６】
ステップ３０６で、立体幾何モジュール２０２は、少なくとも１つのエアフォイル設計パラメータに基づいて損傷していないエアフォイルの立体幾何モデルを生成する。立体幾何モジュール２０２は、自動化された立体幾何モデル化アルゴリズムを用いてエアフォイルの立体幾何モデルを生成する。あるいは、フィールドデータストア１０６が、様々な異なるターボ機械のエアフォイルの立体幾何モデルを記憶していても良い。立体幾何モジュール２０２は、余寿命が判定されるエアフォイルの立体幾何モデルを直接受信する。次いで立体幾何モジュール２０２は、立体幾何モデルを有限要素モデラ２０４に転送する。
【００３７】
ステップ３０８で、有限要素モデラ２０４は、損傷していないエアフォイルの立体幾何モデルに基づいて、少なくとも部分的に、１つのエアフォイルの有限要素モデルを生成する。有限要素モデラ２０４は、例えば四面体要素などの適当な多面体要素を用いて立体幾何モデルをメッシュ分割する。余寿命判定システム１０８が必要とする正確さ及び精度によって、メッシャが使用するメッシュサイズを調整する。
【００３８】
ステップ３１０で、有限要素モデラ２０４は、亀裂パラメータ及び損傷していないエアフォイルの有限要素モデルに基づいて、亀裂を生じた少なくとも１つのエアフォイルの有限要素モデルを生成する。一実装形態では、有限要素モデラ２０４は、各々が現場で検査された亀裂を生じた別個のエアフォイルに対応する、幾つかの亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルを生成する。有限要素モデラ２０４は、精度を高めるため、高解像度、つまり小さなメッシュサイズで、亀裂領域を再びメッシュ分割する。
【００３９】
有限要素解析エンジン２０６は、亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルを処理して、平均ＳＩＦ、モーダルＳＩＦ、振動ＳＩＦ、及び有効ＳＩＦを計算する。有効ＳＩＦは亀裂の成長速度を計算し、その後、エアフォイルの余寿命を計算するために用いられる。有限要素解析エンジン２０６は更に、損傷していないエアフォイルの有限要素モデルを処理して、損傷していないエアフォイルの共振周波数を特定する。
【００４０】
図４は、一実施形態によるエアフォイルの余寿命を判定する例示的プロセス４００を示すフローチャートである。ステップ４０２で、有限要素解析エンジン２０６は、エアフォイルに関連する振動応答パラメータを受信する。振動応答パラメータには、それらに限定されないが、エアフォイルの加振周波数、エアフォイルの振動振幅、及びエアフォイルの構造減衰が含まれる。
【００４１】
次いで有限要素解析エンジン２０６は、現場で検査された亀裂を生じた個別のエアフォイルに対応する、亀裂を生じたエアフォイルの各々の有限要素モデルを処理する。ステップ４０４〜４０８は、有限要素解析エンジン２０６が亀裂を生じた各々のエアフォイルの有限要素モデルについて処理する処理ステップである。
【００４２】
ステップ４０４で、有限要素解析エンジン２０６は、亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルにアクセスする。有限要素解析エンジン２０６は、有限要素モデラ２０４から亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルにアクセスする。あるいは、有限要素
解析エンジン２０６は、有限要素モデラ２０４によって生成された亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルが記憶されているデータストアから亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルにアクセスしても良い。
【００４３】
ステップ４０６で、有限要素解析エンジン２０６は、破壊力学技術に基づく物理学を用いた有限要素解析により、亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルのモーダル応力強度係数（ＳＩＦ）を計算する。
【００４４】
ステップ４０８で、有限要素解析エンジン２０６は、モーダルＳＩＦ及び振動応答パラメータに基づいて振動ＳＩＦを計算する。言い換えると、有限要素解析エンジン２０６は、共振又は近共振周波数でエアフォイルが受けた振動応答を因数分解して、ＳＩＦを計算する。測定された振動応答パラメータを利用することで、普通ならば大幅に大きい計算力を要し、強制応答解析、又は計算上の流体力学などの従来の技術を用いて大幅に長い時間を要するはずの振動ＳＩＦの計算が簡潔になり、計算時間が短縮される。
【００４５】
この時点で、有限要素解析エンジン２０６は、亀裂を生じた様々なエアフォイル有限要素モデルに対応する振動ＳＩＦの表を有している。
【００４６】
ステップ４１０で、有限要素解析エンジン２０６は、少なくとも部分的に振動ＳＩＦに基づいてエアフォイルの余寿命インジケータを計算する。特定の一実装形態では、有限要素解析エンジン２０６は、従来の破壊力学技術を用いて振動ＳＩＦ及び平均ＳＩＦに基づいて有効ＳＩＦを計算する。次いで有限要素解析エンジン２０６は、有効ＳＩＦに基づいて亀裂の成長速度を計算する。有限要素解析エンジン２０６は、それに限定されないがターボ機械の点火開始回数及びターボ機械の点火時間などのミッションサイクルデータを考慮に入れつつ亀裂の成長速度を数値積分する。次いで有限要素解析エンジン２０６は、亀裂のサイズ対ミッションサイクルカウントの曲線に基づいて余寿命インジケータを計算する。余寿命インジケータの計算については図２に関連して詳細に記載されている。
【００４７】
本発明の実施形態を特定のハードウエア及びソフトウエアのコンポーネントに関連して記載したが、異なる組み合わせのハードウエア及び／又はソフトウエアのコンポーネントを使用することもでき、且つハードウエアに実装されたものとして記載された特定の動作をソフトウエアに実装しても良く、又はその逆でも良いことが当業者には理解されよう。また、当業者には別の実施形態も明らかであろう。
【００４８】
本発明を説明目的のために幾つかの実施形態に関連して説明した。この説明から、本発明は記載の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の趣旨と範囲によってのみ限定される修正及び変更を伴って実施しても良いことを当業者には理解されよう。
【符号の説明】
【００４９】
１０２  ターボ機械
１０４  ブレード監視システム
１０６  フィールドデータストア
１０８  余寿命判定システム
２０２  立体幾何モジュール
２０４  有限要素モデラ
２０６  有限要素解析エンジン
２０８  判定モジュール
２１０  出力デバイス
３００  亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルを生成する方法
３０２  エアフォイル設計パラメータを受信する
３０４  少なくとも１つの亀裂データポイントを受信する
３０６  エアフォイル設計パラメータに基づいて損傷していないエアフォイルの立体幾何モデルを生成する
３０８  損傷していないエアフォイルの立体幾何モデルに基づいて損傷していないエアフォイルの有限要素モデルを生成する
３１０  損傷していないエアフォイルの有限要素モデル及び亀裂データポイントに基づいて、亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルを生成する
４００  エアフォイルの余寿命を判定する方法
４０２  動的負荷パラメータを受信する
４０４  亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルにアクセスする
４０６  破壊力学に基づく有限要素解析を用いて、亀裂を生じたエアフォイルの有限要素モデルのモーダルＳＩＦを計算する
４０８  モーダルＳＩＦ及び動的負荷パラメータに基づいて振動ＳＩＦを計算する
４１０  振動ＳＩＦに基づいてエアフォイルの余寿命インジケータを計算する
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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