(57)【要約】  【課題】  ガスタービンの高温部品の寿命判断を正確に行える方法を提供する。  【解決手段】  先ず、主流の燃焼ガス及び混入流体について、実際の運転で想定される複数の運転条件に対応した複数の境界条件を与えてＣＦＤ解析を行い、想定の運転条件ごとに、各高温部品に伝達される局所ガス温度を算出する。次に、ＣＦＤ解析結果に基づき、高温部品ごとに、想定の各運転条件と局所ガス温度との相関図を作成する。次に、所望の高温部品について、相関図、及び実際の運転に伴って蓄積されている運転情報に基づき、相関図より実際の運転時の運転条件ごとに対応する局所ガス温度を抽出し、抽出した局所ガス温度ごとの運転時間を運転情報より抽出する。次に、抽出した各運転時間を局所ガス温度ごとに定められた重み係数で重み付けし、重み付けした各運転時間を累積する。そして、累積運転時間を当該高温部品に定められた基準値と比較して残り寿命を判断する。【選択図】      図１
2006029190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンを構成する部品のうち主流の燃焼ガスより熱が与えられて高温になる高温部品についての寿命診断方法において、
主流の燃焼ガス及びこれに混入される混入流体について、実際の運転で想定される複数の運転条件に対応した複数の境界条件を与えてＣＦＤ解析を行い、想定の運転条件ごとに、各高温部品に伝達される局所ガス温度を算出する第１ステップと、
第１ステップでのＣＦＤ解析の結果に基づき、高温部品ごとに、想定の各運転条件と局所ガス温度との相関図を作成する第２ステップと、
所望の高温部品について、第２ステップで作成した相関図、及び実際の運転に伴って蓄積されている運転情報に基づき、相関図より実際の運転時の運転条件ごとに対応する局所ガス温度を抽出し、抽出した局所ガス温度ごとの運転時間を運転情報より抽出する第３ステップと、
第３ステップで抽出した各運転時間を局所ガス温度ごとに定められた重み係数で重み付けし、重み付けした各運転時間を累積する第４ステップと、
第４ステップでの累積運転時間を当該高温部品に定められた基準値と比較して残り寿命を判断する第５ステップと、
を含むことを特徴とするガスタービンにおける高温部品の寿命診断方法。
【請求項２】
ガスタービンを構成する部品のうち主流の燃焼ガスより熱が与えられて高温になる高温部品についての寿命診断方法において、
主流の燃焼ガス及びこれに混入される混入流体について、実際の運転で想定される複数の運転条件に対応した複数の境界条件を与えてＣＦＤ解析を行い、想定の運転条件ごとに、各高温部品に伝達される局所ガス温度を算出する第１ステップと、
第１ステップでのＣＦＤ解析の結果に基づき、高温部品ごとに、想定の各運転条件と局所ガス温度との相関図を作成する第２ステップと、
所望の高温部品について、第２ステップで作成した相関図、及び実際の運転に伴って蓄積されている運転情報に基づき、相関図より実際の運転時の運転条件ごとに対応する局所ガス温度を抽出し、抽出した局所ガス温度ごとの運転起動停止回数を運転情報より抽出する第３ステップと、
第３ステップで抽出した各運転起動停止回数を局所ガス温度ごとに定められた重み係数で重み付けし、重み付けした各運転起動停止回数を累積する第４ステップと、
第４ステップでの累積運転起動停止回数を当該高温部品に定められた基準値と比較して残り寿命を判断する第５ステップと、
を含むことを特徴とするガスタービンにおける高温部品の寿命診断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電設備やジェットエンジン等のガスタービンにおける高温部品の寿命を診断する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスタービンは、圧縮機、燃焼器、及びタービンを主な構成要素とし、互いに主軸で直結された圧縮機とタービンの間に燃焼器が配設されてなり、作動流体となる空気が主軸の回転により圧縮機に吸入されて圧縮され、その圧縮空気が燃焼器に導入されて燃料とともに燃焼し、その高温高圧の燃焼ガスがタービンに吐出されてタービンとともに主軸を回転駆動させる。このようなガスタービンは、主軸の前端に発電機等を接続することで発電設備の駆動源として活用され、また、タービンの前方に燃焼ガス噴射用の排気口を配設することでジェットエンジンとして活用される。
【０００３】
具体的には、図５に示すように、ガスタービン１は、大きくは、圧縮機２、燃焼器３、及びタービン４から構成される。燃焼器３は、圧縮機２とタービン４の間に形成された空洞を有する車室５に取り付けられており、燃焼領域を有する内筒６、この内筒６の前端に連結された尾筒７、内筒６と同心状に配設された外筒８、内筒６の中心軸線上に後端から配設されたパイロット燃料ノズル９、このパイロット燃料ノズル９の周囲に円周方向で等間隔に配設された複数のメイン燃料ノズル１０、尾筒７の側壁に連結され車室５に開口するバイパスダクト１１、このバイパスダクト１１に配設されたバイパス弁１２、このバイパス弁１２の開閉度合いを調整するバイパス弁可変機構１３を備える。
【０００４】
タービン４では、主軸に、これと同軸状で複数段に亘ってロータディスク１５が設けられ、各ロータディスク１５の外周からは複数枚の動翼１６が放射状に延出している。このロータディスク１５と動翼１６は、主軸と共に一体的に回転する。また、主軸に沿って動翼１６と交互に配置される態様で、タービン４本体に対して固定の静翼１７が設けられている。
【０００５】
このような構成のもと、圧縮機２で圧縮された圧縮空気は、車室５内に流入し（図中の白抜き矢印参照）、内筒６の外周面と外筒８の内周面とで形成される管状空間を経た後ほぼ１８０度反転して（図中の実線矢印参照）、内筒６内に後端側から導入される。次いで、パイロット燃料ノズル９から噴出された燃料と混合されて拡散火炎となって燃焼し、これと同時に、メイン燃料ノズル１０から噴出された燃料と混合されて拡散火炎に放出されることで主火炎となって燃焼し、高温高圧の燃焼ガスが生成する。この燃焼ガスは、尾筒７内を経由してその前端から吐出され、タービン４に導入される。
【０００６】
タービン４に送り込まれた燃焼ガスは、動翼１６と静翼１７とを交互に経て流動した後、外部へ排出される。その際、動翼１６は燃焼ガスから揚力を受けてロータディスク１５と共に軸回転し、これにより主軸が回転駆動される。なお、バイパスダクト１１から尾筒７内へは車室５内の圧縮空気の一部が供給され、これにより内筒６内の燃焼ガス濃度が調整される。
【０００７】
ところで、このようなガスタービン１においては、定期的な保守点検及びこれに伴う部品交換は欠かせない。高温高圧の燃焼ガスが流動するため、ガスタービン１を構成する種々の部品のうち、特に、燃焼ガスの流通経路に存在し燃焼ガスより熱が与えられて高温になる動翼１６や静翼１７等の高温部品は、運転の経過に連れて熱影響により損傷していくからである。
【０００８】
一方、高温部品の交換を含めた保守点検には莫大な費用がかかるため、長期的なコスト低減の観点から、安全性の確保を踏まえつつ的確なタイミングで保守点検を行うべく、高温部品の損傷の程度を見極め、その残り寿命を正確に判断することが重要である。また、高温部品の損傷の程度は、プラントごとの実際のガスタービン１の運転条件によって大きく変動するため、その損傷程度の見極めにあたっては、実際の運転条件を考慮することが重要である。ここでいう運転条件としては、圧縮機２へ吸入される空気の圧力（大気圧）や温度（大気温度）、車室５内の圧力（車室圧）、バイパス弁１２の開閉度合い（バイパス弁開度）、車室圧と大気圧との比率（圧力比）、尾筒７の出口での燃焼ガス温度分布（燃焼器出口ガス温度分布）や燃焼ガス圧力分布（燃焼器出口ガス圧力分布）、タービン４の入口での燃焼ガス温度（タービン入口ガス温度）や出口での燃焼ガス温度（タービン出口ガス温度）、外部へ放出される燃焼ガスの温度（排ガス温度）等が相当する。
【０００９】
高温部品の損傷程度を見極める手法としては、ＦＥＭ（Finite Element Method：有限要素法）解析やＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics：数値流体力学）解析を用いて、高温部品の寿命を診断する方法がある（例えば特許文献１）。この寿命診断方法では、ガスタービンの適所に設置したセンサからの情報と実際の運転条件とに基づいて境界条件を定め、その高温部品の損傷程度をＦＥＭ解析により推測するようになっている。
【特許文献１】特開２００２−１０８４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上記した従来の寿命診断方法によれば、高温部品に熱を与えるそもそもの根源である主流の燃焼ガスからの熱流れの算出方法を明示しておらず、最も重要な局所ガス温度の予測精度が問題となる。たとえば、高温部品によっては、局所ガス温度が解析値と実際値とでかけ離れる場合がある。実際のタービン４内を流通する流体には、主流の燃焼ガスの他に、意図的に混入される混入流体が在り、この混入流体の温度や流量の影響を無視できないからである。
【００１１】
その場合、実際値とはかけ離れた解析値の局所ガス温度に基づいて高温部品の損傷程度が推測されることになり、結果として実際の状況とは相違する損傷程度をもってして残り寿命が判断されることになる。従って、高温部品の寿命判断の正確性に欠けるという問題がある。
【００１２】
そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ガスタービンにおける高温部品の寿命判断を正確に行える寿命診断方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明は、ガスタービンを構成する部品のうち主流の燃焼ガスより熱が与えられて高温になる高温部品についての寿命診断方法において、以下の第１〜第５ステップを含む。先ず事前準備として、第１、第２ステップを順に経る。第１ステップでは、主流の燃焼ガス及びこれに混入される混入流体について、実際の運転で想定される複数の運転条件に対応した複数の境界条件を与えてＣＦＤ解析を行い、想定の運転条件ごとに、各高温部品に伝達される局所ガス温度を算出する。続く第２ステップでは、第１ステップでのＣＦＤ解析の結果に基づき、高温部品ごとに、想定の各運転条件と局所ガス温度との相関図を作成する。
【００１４】
続いて、実際の寿命評価の場面として、第３〜第５ステップを順に経る。第３ステップでは、所望の高温部品について、第２ステップで作成した相関図、及び実際の運転に伴って蓄積されている運転情報に基づき、相関図より実際の運転時の運転条件ごとに対応する局所ガス温度を抽出し、抽出した局所ガス温度ごとの運転時間を運転情報より抽出する。続く第４ステップでは、第３ステップで抽出した各運転時間を局所ガス温度ごとに定められた重み係数で重み付けし、重み付けした各運転時間を累積する。そして第５ステップでは、第４ステップでの累積運転時間を当該高温部品に定められた基準値と比較して残り寿命を判断する。
【００１５】
これにより、ＣＦＤ解析において、主流の燃焼ガスと共に混入流体の熱流れを解析対象としているため、高温部品を問わず、局所ガス温度の解析値が実際値と同等になる。従って、その局所ガス温度に基づいて推測される高温部品の損傷程度も実際の状況に近いものとなり、正確に高温部品の寿命判断を行うことが可能になる。この場合、高温部品に生じるクリープ変形や高温酸化に対して有効に寿命判断が行える。
【００１６】
また、実際の寿命評価の場面として、次のような第３〜第５ステップを順に経ても構わない。第３ステップでは、所望の高温部品について、第２ステップで作成した相関図、及び実際の運転に伴って蓄積されている運転情報に基づき、相関図より実際の運転時の運転条件ごとに対応する局所ガス温度を抽出し、抽出した局所ガス温度ごとの運転起動停止回数を運転情報より抽出する。続く第４ステップでは、第３ステップで抽出した各運転起動停止回数を局所ガス温度ごとに定められた重み係数で重み付けし、重み付けした各運転起動停止回数を累積する。そして第５ステップでは、第４ステップでの累積運転起動停止回数を当該高温部品に定められた基準値と比較して残り寿命を判断する。
【００１７】
このようにしても、ＣＦＤ解析において、高温部品を問わず、局所ガス温度の解析値が実際値と同等になるため、正確に高温部品の寿命判断を行うことが可能になる。この場合、高温部品に生じる低サイクル疲労に対して有効に寿命判断が行える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のガスタービンにおける高温部品の寿命診断方法によれば、正確に高温部品の寿命判断を行うことが可能になるため、ガスタービンの保守点検のタイミングを的確に定めることができ、その結果として長期的なコスト低減を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の一実施形態であるガスタービンにおける高温部品の寿命診断方法について、図１に示す手順に従って説明する。本実施形態の寿命診断の手順は、事前準備の段階と、実際に高温部品の寿命評価を行う段階とに大きく区分される。
【００２０】
先ず、事前準備の段階について説明する。ステップ＃５において、一般に入手が可能なＣＦＤ解析プログラムを用いてＣＦＤ解析を行う。ここでのＣＦＤ解析は、主流の燃焼ガス及びこれに混入される混入流体の熱流れを解析対象とする。混入流体としては、ディスクロータ１５や動翼１６や静翼１７の過度の温度上昇を防止するためのいわゆるフィルム冷却空気、流通経路からの燃焼ガスの漏出を防止するためのいわゆるシール空気等が相当する。
【００２１】
例えば図２に示すように、フィルム冷却空気（図中の実線矢印参照）としては、動翼１６の表面に設けられた複数の噴出孔１６ａから燃焼ガスの流通経路へ噴出され、動翼１６の表面を覆いつつこれに沿って流動するもの、同様に、静翼１７の表面に設けられた複数の噴出孔１７ａから燃焼ガスの流通経路へ噴出され、静翼１７の表面を覆いつつこれに沿って流動するものがある。ロータディスク１５の外周面に設けられた複数の噴出孔１５ａから燃焼ガスの流通経路へ噴出され、ロータディスク１５の外周面を覆いつつこれに沿って流動するものもある。シール空気（図中の破線矢印参照）としては、ロータディスク１５同士の隙間から燃焼ガスの流通経路へ噴出されるものがある。
【００２２】
また、ＣＦＤ解析は、実際の運転で想定される種々の運転条件にそれぞれ対応した境界条件を与えて行う。ここでの運転条件としては、大気圧や大気温度、車室圧、バイパス弁開度、圧力比、燃焼器出口ガス温度分布や燃焼器出口ガス圧力分布、タービン入口ガス温度やタービン出口ガス温度、排ガス温度等が相当する。なお、混入流体の混入温度や混入流量は運転条件に対応して定められる。
【００２３】
そして、ＣＦＤ解析により、想定の各種運転条件ごとに、各高温部品（ディスクロータ１５、動翼１６、静翼１７、尾筒７等）に伝達される局所ガス温度を算出する。
【００２４】
次にステップ＃１０において、上記のＣＦＤ解析の結果に基づき、高温部品ごとに、想定の各運転条件と局所ガス温度との相関図を作成する。例えば図３に示すように、各高温部品について、縦軸に局所ガス温度を、横軸に圧力比をとり、この図上にタービン入口温度の等高線Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・・、及びバイパス弁開度の等高線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３・・・を描く。これで、事前準備が整う。
【００２５】
続いて、実際の高温部品の寿命評価について説明する。先ず、実際のプラント（ガスタービン１）において、これから寿命評価の対象とする所望の高温部品（ディスクロータ１５、動翼１６、静翼１７、尾筒７等）を選定する。続いてステップ＃１５において、実際の運転に伴って蓄積されている運転情報、すなわち実際のガスタービン１で逐次計測・遠隔監視している履歴データに基づき、その実際の運転時の運転条件（圧力比、タービン入口温度、バイパス弁開度）ごとに対応する局所ガス温度を上記の相関図より抽出する。
【００２６】
次いでステップ＃２０において、その抽出した局所ガス温度ごとのガスタービン１の運転時間を運転情報（履歴データ）より抽出する。ちなみに、このようにして抽出した各局所ガス温度ごとの運転時間をまとめると、例えば図４に示すようになる。
【００２７】
次にステップ＃２５において、その抽出した各運転時間に局所ガス温度ごとに予め定められた重み係数を掛けて、各運転時間を重み付けする。その重み係数は、局所ガス温度が高いほど大きいものが定められる。実際に高温部品が受ける損傷の程度は、その高温部品に伝達される局所ガス温度の高低に依存して、顕著に変動するからである。ここで重み係数を局所温度ごとに予め定めておくわけであるが、その設定にあたっては、例えば、各高温部品について各局所温度を境界条件として予めＦＥＭ解析を行い、そのクリープ変形の度合いを数値化して重み係数としている。なお、クリープ変形の度合いに代えて、高温酸化の度合いを数値化して重み係数としても構わない。
【００２８】
次にステップ＃３０において、その重み付けした各運転時間を累積する。そしてステップ＃３５において、累積運転時間を当該高温部品に定められた基準値と比較して、クリープ変形や高温酸化に対しての残り寿命を判断する。これで、実際の高温部品の寿命評価を終える。
【００２９】
このような寿命診断方法によれば、ＣＦＤ解析において、主流の燃焼ガスと共に混入流体の熱流れを解析対象としているため、高温部品を問わず、局所ガス温度の解析値が実際値と同等になる。従って、その局所ガス温度に基づいて推測される高温部品の損傷程度も実際の状況に近いものとなり、正確に高温部品の寿命判断を行うことが可能になる。本実施形態の場合、クリープ変形や高温酸化に対して有効に寿命判断が行える。そうすると、ガスタービン１の保守点検のタイミングを的確に定めることができ、その結果として長期的なコスト低減を実現できる。
【００３０】
しかも、ＣＦＤ解析の結果を相関図に予めまとめ、この相関図を用いて実際の寿命判断を行えるため、実際の寿命判断の際には、本来長時間を必要とするＣＦＤ解析時間を要することなく、短時間で行える点で有利である。
【００３１】
なお、ＣＦＤ解析で用いる境界条件としての運転条件のうちで、燃焼器出口ガス温度分布や燃焼器出口ガス圧力分布は、予め試験的に行った燃焼実験でのデータに基づき、タービン入口ガス温度や圧力比等から算出することも可能である。このようにすると、より精度良く局所ガス温度を算出できる。
【００３２】
その他本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、ステップ＃２０〜＃３０において、抽出したり重み付けしたりする運転時間をガスタービン１の運転起動停止回数に置き換えてもよい。この場合、重み係数を高温部品の低サイクル疲労の度合いより設定しておくことで、高温部品の寿命評価を低サイクル疲労に対して有効に行える。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、ガスタービンにおける高温部品の寿命診断に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態であるガスタービンにおける高温部品の寿命診断の手順を示すフローチャートである。
【図２】混入流体の一例を示す模式図である。
【図３】ＣＦＤ解析より作成されたある高温部品においての想定の各運転条件と局所ガス温度との相関図の一例を示す模式図である。
【図４】相関図及び実際の運転情報より抽出した各局所ガス温度ごとの運転時間をまとめた一例を示す模式図である。
【図５】一般的なガスタービンの燃焼器付近の縦断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    ガスタービン
２    圧縮機
３    燃焼器
４    タービン
５    車室
６    内筒
７    尾筒
８    外筒
９    パイロット燃料ノズル
１０    メイン燃料ノズル
１１    バイパスダクト
１２    バイパス弁
１３    バイパス弁可変機構
１５    ロータディスク
１６    動翼
１７    静翼
【図１】
2006029190.tif 000003
【図２】
2006029190.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006029190.tif 000006
【図５】
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