(57)【要約】【課題】酸化層の厚さを非破壊的に計測し、計測精度をより一層向上させる酸化層厚さ計測装置およびその計測方法を提供する。【解決手段】本発明に係る酸化層厚さ計測装置は、周波数１０−４０ＧＨｚの電磁波を発生させて、かつ被検体表面から反射された電磁波を受波するネットワークアナライザ１と、電磁波を被検体表面に照射する酸化層厚さ計測ヘッド２と、被検体表面で反射してネットワークアナライザ１に受波された電磁波から被検体表面の酸化層厚さを演算する酸化層厚さ演算装置３とを備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数１０−４０ＧＨｚの電磁波を発生させて、かつ被検体表面から反射された電磁波を受波するネットワークアナライザと、電磁波を被検体表面に照射する酸化層厚さ計測ヘッドと、被検体表面で反射してネットワークアナライザに受波された電磁波から被検体表面の酸化層厚さを演算する酸化層厚さ演算装置とを備えたことを特徴とする酸化層厚さ計測装置。
【請求項２】
酸化層厚さ計測ヘッドは、電磁波を照射するホーンアンテナと、このホーンアンテナから照射された電磁波を被検体表面方向に反射させる反射ミラーと、ネットワークアナライザからホーンアンテナまで電磁波を伝播させる導波管とを備えたことを特徴とする請求項１記載の酸化層厚さ計測装置。
【請求項３】
酸化層厚さ演算装置は、予め計測した被検体表面の表面粗さと被検体表面から反射してきた電磁波の反射強度および位相おくれとの関係に基づき、表面粗さの影響を除去する表面粗さ影響除去計算サブルーチンを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の酸化層厚さ計測装置。
【請求項４】
酸化層厚さ演算装置は、演算された被検体表面の酸化層厚さ計測結果が予め設定した一定値を超えた場合に警告を発する警報装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の酸化層厚さ計測装置。
【請求項５】
反射ミラーは、ホーンアンテナから照射される電磁波を被検体表面で集束させるため、被検体表面側に凹となる形状を有することを特徴とする請求項２記載の酸化層厚さ計測装置。
【請求項６】
高温の燃焼ガス中で使用されるガスタービン静翼とガスタービン動翼との間の流体通路部に酸化層厚さ計測ヘッドを設置し、下流側のガスタービン動翼またはガスタービン静翼表面へ電磁波を照射して、ガスタービン動翼またはガスタービン静翼表面で反射する電磁波の強度および位相おくれから、ガスタービン動翼の酸化層厚さを計測することを特徴とする酸化層厚さ計測方法。
【請求項７】
請求項１ないし３に記載の酸化層厚さ計測装置を用いて、ガスタービン動翼が植設されているガスタービンロータの回転数と、このガスタービンロータ全周に植設されているガスタービン動翼の枚数とから算出される各ガスタービン動翼の回転周期と電磁波の照射周期とを同期させるよう前記ネットワークアナライザに指令し、ガスタービンロータに植設されている全数のガスタービン動翼のそれぞれについて被検体表面で反射してきた電磁波を評価し、各ガスタービン動翼の表面の酸化層厚さを計測することを特徴とする酸化層厚さ計測方法。
【請求項８】
被検体表面に１０−４０ＧＨｚの電磁波を照射し、被検体表面から反射してきた電磁波の反射強度および位相おくれの情報から、被検体表面の酸化層厚さを演算することを特徴とする酸化層厚さ計測方法。
【請求項９】
酸化層厚さを演算する際、予め計測した被検体表面の表面粗さと被検体表面から反射してきた電磁波の反射強度および位相おくれとの関係に基づき、表面粗さの影響を除去することを特徴とする請求項８記載の酸化層厚さ計測方法。
【請求項１０】
高温の燃焼ガス中で使用され、セラミック製の遮熱コーティングが施工されているガスタービン高温部品に対し、非金属部を透過する電磁波を用いてセラミック皮膜下部の金属表面に生成する酸化層厚さを計測することを特徴とする酸化層厚さ計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の基材表面あるいは遮熱コーティング直下に生成された酸化層厚さを非破壊的に計測する酸化層厚さ計測装置およびその計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温環境に晒される金属材料は、長年の使用の結果、その基材表面や遮熱コーティング直下に酸化層が生成される。酸化層が生成されると、金属材料は、耐食性が著しく低下し、また、酸化層の体積膨張により基材表面応力分布が変化し、損傷の成長が促進される。このため、金属材料では、酸化層の評価、特に非破壊的に酸化層厚さを計測することが必要とされる。
【０００３】
酸化層の有無厚さには、従来から目視検査が用いられていた。これは、金属材料の表面の変化を運転前と比較し、色などの表面変化を観察し、記録し、あるいはＣＣＤカメラ等を用いてビデオ撮影する手法である。
【０００４】
しかし、この手法では酸化層有無を判断することができるものの、酸化層厚さを計測することができない。
【０００５】
また、最近、より一層の高温化が進むガスタービンでは、金属材料の表面にセラミックス製の遮熱コーティングを施工し、高温環境から保護している。この遮熱コーティングは、剥離すると遮熱効果がなくなり、金属製の高温部品が直接燃焼ガスに晒されるため、安定運用の点から遮熱コーティングの剥離検査が重要である。
【０００６】
遮熱コーティングの剥離は、セラミックス直下の金属表面に生成される酸化層が原因の一つであることがよく知られている。酸化層の生成に伴う体積膨張により、金属部とセラミックス部との界面の内部応力が増加し、剥離を誘起すると考えられている。このため、遮熱コーティング皮膜が施工された高温部品でも酸化層厚さの評価が重要となる。
【０００７】
酸化層厚さ計測は、従来、実機から検査対象部分を切断し、測定を行っていた。また、実験室レベルでは、実機の温度、圧力等を再現させて実験を行い、検査対象部分を切断して酸化層厚さを推定していた。
【０００８】
なお、金属基材にコーティング部材を被覆し、そのコーティング部材の界面欠陥部の形状、寸法を非破壊的に検査する方法として、例えば特開２００１−４５７４号公報（特許文献１参照）が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−４５７４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、酸化層厚さを推定する際、従来のように、実機の検査対象部分を切断していたのでは、廃棄処分以外のものの入手が難しく、なかなかデータがとれない等の問題を抱えていた。
【００１１】
また、実験室での再現試験は、実機温度の推定に誤差が含まれていること、流体の温度、圧力等の基本条件の再現が難しく、試験結果に誤差が含まれる等の種種の不都合・不具合があった。
【００１２】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、酸化層の厚さを非破壊的に計測し、計測精度をより一層向上させる酸化層厚さ計測装置およびその計測方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る酸化層厚さ計測装置は、請求項１に記載したように、周波数１０−４０ＧＨｚの電磁波を発生させて、かつ被検体表面から反射された電磁波を受波するネットワークアナライザと、電磁波を被検体表面に照射する酸化層厚さ計測ヘッドと、被検体表面で反射してネットワークアナライザに受波された電磁波から被検体表面の酸化層厚さを演算する酸化層厚さ演算装置とを備えたものである。
【００１４】
また、本発明に係る酸化層厚さ計測装置は、請求項２に記載したように、酸化層厚さ計測ヘッドは、電磁波を照射するホーンアンテナと、このホーンアンテナから照射された電磁波を被検体表面方向に反射させる反射ミラーと、ネットワークアナライザからホーンアンテナまで電磁波を伝播させる導波管とを備えたものである。
【００１５】
また、本発明に係る酸化層厚さ計測装置は、請求項３に記載したように、酸化層厚さ演算装置は、予め計測した被検体表面の表面粗さと被検体表面から反射してきた電磁波の反射強度および位相おくれとの関係に基づき、表面粗さの影響を除去する表面粗さ影響除去計算サブルーチンを備えたものである。
【００１６】
また、本発明に係る酸化層厚さ計測装置は、請求項４に記載したように、酸化層厚さ演算装置は、演算された被検体表面の酸化層厚さ計測結果が予め設定した一定値を超えた場合に警告を発する警報装置を備えたものである。
【００１７】
また、本発明に係る酸化層厚さ計測装置は、請求項５に記載したように、反射ミラーは、ホーンアンテナから照射される電磁波を被検体表面で集束させるため、被検体表面側に凹となる形状を有するものである。
【００１８】
また、本発明に係る酸化層厚さ計測方法は、請求項６に記載したように、高温の燃焼ガス中で使用されるガスタービン静翼とガスタービン動翼との間の流体通路部に酸化層厚さ計測ヘッドを設置し、下流側のガスタービン動翼またはガスタービン静翼表面へ電磁波を照射して、ガスタービン動翼またはガスタービン静翼表面で反射する電磁波の強度および位相おくれから、ガスタービン動翼の酸化層厚さを計測する方法である。
【００１９】
また、本発明に係る酸化層厚さ計測方法は、請求項７に記載したように、請求項１ないし３に記載の酸化層厚さ計測装置を用いて、ガスタービン動翼が植設されているガスタービンロータの回転数と、このガスタービンロータ全周に植設されているガスタービン動翼の枚数とから算出される各ガスタービン動翼の回転周期と電磁波の照射周期とを同期させるよう前記ネットワークアナライザに指令し、ガスタービンロータに植設されている全数のガスタービン動翼のそれぞれについて被検体表面で反射してきた電磁波を評価し、各ガスタービン動翼の表面の酸化層厚さを計測する方法である。
【００２０】
また、本発明に係る酸化層厚さ計測方法は、請求項８に記載したように、被検体表面に１０−４０ＧＨｚの電磁波を照射し、被検体表面から反射してきた電磁波の反射強度および位相おくれの情報から、被検体表面の酸化層厚さを演算する方法である。
【００２１】
また、本発明に係る酸化層厚さ計測方法は、請求項９に記載したように、酸化層厚さを演算する際、予め計測した被検体表面の表面粗さと被検体表面から反射してきた電磁波の反射強度および位相おくれとの関係に基づき、表面粗さの影響を除去する方法である。
【００２２】
また、本発明に係る酸化層厚さ計測方法は、請求項１０に記載したように、高温の燃焼ガス中で使用され、セラミック製の遮熱コーティングが施工されているガスタービン高温部品に対し、非金属部を透過する電磁波を用いてセラミック皮膜下部の金属表面に生成する酸化層厚さを計測する方法である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る酸化層厚さ計測装置およびその計測方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２４】
図１は、本発明に係る酸化層厚さ計測装置およびその計測方法の実施形態を説明するための概念図である。
【００２５】
本実施形態に係る酸化層厚さ計測装置は、ネットワークアナライザ１、酸化層厚さ計測ヘッド２、酸化層厚さ演算装置３等とを備えている。
【００２６】
ネットワークアナライザ１は、周波数１０〜４０ＧＨｚの電磁波を発生するとともに、被検体８の表面から反射してきた電磁波を受波する。
【００２７】
酸化層厚さ計測ヘッド２は、導波管４、ホーンアンテナ５、反射ミラー６、反射ミラー固定アーム７を備え、導波管４でネットワークアナライザ１とホーンアンテナ５とを結び、ネットワークアナライザ１で発生した電磁波をホーンアンテナ５に伝える一方、ホーンアンテナ５で受波した電磁波をネットワークアナライザ１に伝えるようになっている。
【００２８】
また、ホーンアンテナ５は、導波管４を介してネットワークアナライザ１から与えられる電磁波を反射ミラー６に向って照射し、ここで反射された電磁波を酸化層１０で被覆された被検体８の表面９に照射する。そして、被検体８の表面９に照射された電磁波は、ここで反射し、反射ミラー６を介してホーンアンテナ５に受波される。
【００２９】
また、反射ミラー６は、被検体８に向って凹面状に形成するとともに、例えば、アルミ箔またはアルミ板等の金属材料で作製されている。したがって、このような形状で形成され、アルミで作製された反射ミラー６は、ある程度発散性を持った電磁波でも、集束させて効率よく被検体８の表面９に照射させることができる。
【００３０】
一方、反射ミラー固定アーム７は、反射ミラー６の裏面（被検体８と反対側の面）を支持し、常に反射ミラー６の凹面が被検体８に向うように固定維持している。
【００３１】
他方、酸化層厚さ演算装置３は、被検体８の表面９から反射され、ネットワークアナライザ１に与えられた電磁波の強度および位相の送れ情報から被検体８の表面９に形成された酸化層１０の厚さを式（１），（２）を用いて演算して算出する。
【００３２】
【数１】
2004233305.tif 000003
ここで、ｔは酸化層の厚さ、Ｉは電磁波の強度、δは位相差、ｎは自然数、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４はそれぞれ定数を示す。
【００３３】
また、酸化層厚さ演算装置３は、式（１）または式（２）を用いて酸化層１０の厚さを演算し、その算出値が予め定められたしきい値を超えたとき、警報装置１１で警報を発生させる構成になっている。
【００３４】
図２は、式（１）および式（２）を用いて演算した酸化層厚さｔに対する電磁波の反射強度分布線と位相おくれ量分布線とを示す線図である。
【００３５】
図２から、酸化層が厚くなると、基材表面の粗さが粗くなり、電磁波の反射方向が分散され、電磁波の反射強度が低下することがわかった。さらに、金属よりも酸化層の方が電磁波の反射強度が小さいから、酸化層が厚くなると、電磁波の反射強度が低下することがわかった。
【００３６】
また、図２から、酸化層が厚くなると、基材表面の粗さが粗くなり、電磁波の反射方向が分散されるため、電磁波の反射波の位相に遅れが生ずることもわかった。
【００３７】
このように、本実施形態は、酸化層の厚さの計測時、基材の表面粗さを除くサブルーチンを備えるとともに、電磁波の反射強度および位相遅れの情報から酸化層の厚さを非破壊的に算出するので、より一層精度の高い酸化層の厚さを評価することができる。そして、本実施形態は、基材の表面粗さの影響を除くサブルーチンを備えているので正確に酸化層厚さを評価することができる。
【００３８】
ところで、最近のガスタービンでは、燃焼ガス温度（作動流体温度）の高温化が進んでおり、燃焼ガス温度が、例えば１３００℃以上のものが流れる燃焼ガス通路の表面に、図３に示すように、金属材料の基材１２に耐酸化層１３、酸化層１０を介してセラミックス製の遮熱コーティング層１４が施工されることが多い。この遮熱コーティング層１４の剥離損傷には、セラミックスと金属との界面の金属側に成長する酸化層１０が悪影響を与えていることが知られている。これは、酸化層１０の生成による体積膨張に起因し、界面近傍の応力分布が変化し、剥離が発生し易くなるためと考えられている。
【００３９】
本実施形態では、基材１２に耐酸化層１３のほかにセラミックス製の遮熱コーティング層１４をコーティングした場合であっても、図１に示したネットワークアナライザ１、酸化層厚さ計測ヘッド２、酸化層厚さ演算装置３等で構成した酸化層厚さ計測装置を用いれば、酸化層１０の厚さを非破壊的に計測してセラミックス製の遮熱コーティング層１４の剥離損傷評価にも適用することができる。
【００４０】
図４は、ガスタービンの静翼に適用する本発明に係る酸化層厚さ計測装置およびその計測方法の第２の実施形態を説明する概念図である。
【００４１】
ガスタービンは、両端をダイアフラム外輪１５とダイアフラム内輪１６とで支持されたガスタービン静翼１７とガスタービンロータ１８に植設されたガスタービン動翼１９とでガスタービン段落２０を構成し、ガスタービン段落２０を軸方向に沿って複数にして配置している。
【００４２】
このような構成を備えたガスタービンにおいて、本実施形態では、ガスタービンケーシング２１の外側から内側に向って酸化層厚さ計測ヘッド２を挿入する。
【００４３】
ガスタービン静翼１７の酸化層厚さを評価する場合、酸化層厚さ計測ヘッド２は、ガスタービン動翼１９とガスタービン静翼１７の間に挿入し、ガスタービン静翼１７と正対させる。ガスタービン静翼１７は静止部品であるので、一つの酸化層厚さ計測ヘッド２で１箇所の酸化層厚さ計測することができる。
【００４４】
一方、図１に示したネットワークアナライザ１からの電磁波は、燃焼ガスの有無に拘らず、照射でき、ガスタービン静翼１７で反射するので、本実施形態によれば、運転中に生成された酸化層厚さをオンラインでリアルタイムに評価することができる。
【００４５】
また、本実施形態によれば、ガスタービンロータ１８の全周方向に沿って配置したガスタービン静翼１７の全てに酸化層厚さ計測ヘッド２を挿入すれば、ガスタービン静翼１７の全てをモニタリングすることができ、ガスタービン静翼１７の損傷進行を常に把握することができる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、図１に示すように、酸化層厚さ演算装置３に酸化層厚さが予め定められた厚さを超えると、警報を出す警報装置１１を設けたので、運転員にガスタービン静翼１７の損傷進行を確実に知らせることができ、事故の発生前に適切な処置を講じることができる。
【００４７】
図５は、ガスタービンの動翼に適用する本発明に係る酸化層厚さ計測装置およびその計測方法の第３実施形態を説明する概念図である。
【００４８】
本実施形態は、被検体であるガスタービン動翼１９の上流側に、図１で示した酸化層厚さ計測ヘッド２を設置したものである。
【００４９】
ガスタービン動翼１９は、ガスタービン静翼１７と異なり、ガスタービンロータ１８に植設されており、ガスタービンロータ１８とともに回転している。このため、酸化層厚さ計測ヘッド２をガスタービン動翼１９の周方向に沿って１箇所設置すれば、全てのタービン動翼１９の酸化層厚さを評価することができる。つまり、ガスタービン動翼１９６を植設するガスタービンロータ１８の回転数と、ガスタービンロータ１８に植設するガスタービン動翼１９の枚数から１枚当りのガスタービン動翼１９の回転周期を求め、その回転周期と同期させて、図１に示したネットワークアナライザ１から電磁波を照射する。このとき、各ガスタービン動翼１９で反射されてきた電磁波には、ガスタービンロータ１８に植設された各ガスタービン動翼１９の情報が含まれている。この情報をネットワークアナライザ１を介して図１に示した酸化層厚さ演算装置３で演算し、各ガスタービン動翼１９の酸化層厚さを計測する。
【００５０】
したがって、本実施形態によれば、ガスタービン動翼１９の回転周期と同期させネットワークアナライザ１から電磁波をガスタービン動翼１９に照射することにより、ガスタービン動翼１９の酸化層厚さを非破壊的に計測することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る酸化層厚さ計測装置およびその計測方法は、被検体の表面に生成された酸化層厚さを非破壊的に検出する手段を備えたので、金属製基材の表面に生成された酸化層厚さを計測する際、その都度、実機からテスト材を切断して採集することもなく、高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る酸化層厚さ計測装置およびその計測方法の第１実施形態を説明するための概念図。
【図２】酸化層厚さに対する電磁波の反射強度分布線と位相おくれ量線とを示す線図。
【図３】金属材料の基材に耐酸化層、酸化層を介して遮熱コーティング層を施工したことを示す図。
【図４】ガスタービン静翼に適用する本発明に係る酸化層厚さ計測およびその計測方法の第２実施形態を説明する概念図。
【図５】ガスタービン動翼に適用する本発明に係る酸化層厚さ計測およびその計測方法の第３実施形態を説明する概念図。
【符号の説明】
１…ネットワークアナライザ、２…酸化層厚さ計測ヘッド、３…酸化層厚さ演算装置、４…導波管、５…ホーンアンテナ、６…反射ミラー、７…反射ミラー固定アーム、８…被検体、９…表面、１０…酸化層、１１…警報装置、１２…基材、１３…耐酸化層、１４…遮熱コーティング層、１５…ダイアフラム外輪、１６…ダイアフラム内輪、１７…ガスタービン静翼、１８…ガスタービンロータ、１９…ガスタービン動翼、２０…ガスタービン段落、２１…ガスタービンケーシング。
【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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