(57)【要約】      （修正有）【課題】被覆部品の長寿命化を図り、高温部品の補修、交換時期の判断を可能にする遮熱コーティング最適化方法を提供する。【解決手段】ガスタービン部品の遮熱コーティング膜を最適化する遮熱コーティング最適化システムにおいて、各初期値を入力させる初期値入力手段１と、各初期値からガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の温度を算出し、選択された最高温度と部品の許容温度とを比較する温度分布算出手段２と、温度数値データおよび力学的拘束条件からガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の応力，ひずみを算出する応力・ひずみ分布算出手段３と、部品各部の応力，ひずみから、損傷の原因に応じて各部品の損傷の程度を演算により予測し、予測値に基づき損傷の程度を損傷強度の分布として出力する損傷予測手段４と、最高温度となる遮熱コーティング膜の各条件を出力する成膜条件設定手段５と、から構成される。【選択図】  図１
2005337180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の燃焼ガス中において使用されるガスタービン部品の母材を燃焼ガスから遮熱するために母材上に遮熱コーティング膜を被覆する際、ガスタービン機器の運転条件，この機器に適用される部品の許容温度および各種初期条件の各初期値を入力させ、入力された各初期値を読み出し、読み出した各初期値からガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の温度を算出し、各温度数値データを記憶するとともに、前記温度数値データから部品各部の最高温度を選択し、選択された最高温度と記憶された前記部品の許容温度とを比較し、前記最高温度が前記許容温度を上回った場合に、再度初期値の入力を要求する一方、前記記憶された部品各部の各温度数値データを読み出し、読み出した温度数値データと部品が受ける力学的拘束条件とに基づき、ガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の応力，ひずみを算出し、算出した応力，ひずみの各数値データを記憶させるとともに、前記既に記憶させておいた各部品の温度，応力，ひずみの各数値データを読み出し、読み出した各数値データに基づき、損傷の原因に応じて各部品の損傷の程度を演算により予測し、この予測値を記憶させる一方、前記損傷の種類に応じた前記予測値に基づき損傷の程度を損傷強度の分布として算出し、算出した損傷強度分布に基づいて部品各部における遮熱コーティングの寿命が目標の寿命になるまで計算し、計算から求めた遮熱コーティングの膜厚・組織・気孔率を基に遮熱コーティングの成膜条件を設定することを特徴とする遮熱コーティング最適化方法。
【請求項２】
高温の燃焼ガス中において使用されるガスタービン部品の母材を燃焼ガスから遮熱するために母材上に被覆する遮熱コーティング膜を最適化する遮熱コーティング最適化システムにおいて、ガスタービン機器の運転条件，この機器に適用される部品の許容温度および各種初期条件の各初期値を入力させる初期値入力手段と、入力された各初期値を読み出し、各初期値からガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の温度を算出し、各温度数値データを記憶手段に記憶するとともに、前記温度数値データから部品各部の最高温度を選択し、選択された最高温度と入力された前記部品の許容温度とを比較し、前記最高温度が前記許容温度を上回った場合に、再度初期値の入力を要求する温度分布算出手段と、前記記憶手段から部品各部の各温度数値データを読み出し、これらの温度数値データと部品が受ける力学的拘束条件とに基づき、ガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の応力，ひずみを算出し、応力，ひずみの各数値データを記憶部に記憶する応力・ひずみ分布算出手段と、前記記憶手段から各部品の温度，応力，ひずみの各数値データを読み出し、これらの各数値データに基づき、損傷の原因に応じて各部品の損傷の程度を演算により予測し、この予測値を記憶手段に記憶するとともに、前記損傷の種類に応じた予測値に基づき損傷の程度を損傷強度の分布として出力する損傷予測手段と、前記損傷予測手段で出力された損傷分布に基づいて部品各部における遮熱コーティングの寿命が目標の寿命になるまで計算した結果得られた遮熱コーティングの膜厚・組織・気孔率から遮熱コーティングの成膜条件を設定し出力する成膜条件設定手段と、から構成されることを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項３】
請求項２記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、前記温度分布算出手段は、ガスタービン機器に適用される部品の初期条件である遮熱コーティング膜の膜厚および組織状態から部品の各位置における熱伝導率を算出し、算出された熱伝導率，母材の物性値，部品が受ける燃焼ガスおよび冷却空気の温度および熱伝達率の各データを入力し、これらの各データを総合して部品の温度を算出することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項４】
請求項２記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、前記温度分布算出手段は、成膜条件設定手段から得られる遮熱コーティング膜の各条件としての膜厚および組織状態から、部品の各位置における熱伝導率を再度算出し、算出された熱伝導率を再度入力し、部品の温度を再計算することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項５】
請求項２記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、前記応力・ひずみ分布算出手段は、温度分布算出手段より出力された部品の温度分布に基づいて部品が受ける熱応力を求める際に、母材の物性値に加え、外層としてのトップコートおよび内層としてのボンドコートから成る遮熱コーティング膜の組織状態，気孔率，膜厚を入力し、これらの各数値を参照することにより部品各部の応力，ひずみを計算することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項６】
請求項２記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、前記応力・ひずみ分布算出手段は、再計算された部品の温度分布から部品が受ける熱応力を再計算することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項７】
請求項２記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、前記損傷予測手段は、ガスタービンの起動停止回数の増加こ伴い損傷が進行する起動停止回数依存型と、定格での運転時間の増加に伴い損傷が進行する運転時間依存型とに分類し、分類された損傷に応じて部品の損傷強度の分布を出力することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項８】
請求項７記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、前記損傷予測手段は、前記起動停止回数依存型の損傷を熱機械疲労による遮熱コーティング膜の外層であるトップコートの剥離とこのトップコートの厚さ方向のき裂発生として定義し、部品の温度，応力，ひずみから損傷の進行を予測することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項９】
請求項７記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、前記損傷予測手段は、前記運転時間依存型の損傷を遮熱コーティング膜の外層であるトップコートのエロージョンによる減肉として定義し、部品の温度と損傷部位における流体の流速とから損傷の進行を予測することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項１０】
請求項７および請求項８記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、前記損傷予測手段は、運転時間依存型の損傷の程度を予測する際に、損傷部位のトップコートとこのトップコートの内層であるボンドコートとの界面の形状をモデル化した部分応力解析モデルを作成し、熱機械疲労によるトップコートの損傷の進行を予測することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、前記損傷予測手段は、トップコートとボンドコートとの界面の形状を実際の界面形状を画像処理によって曲線化し、この曲線に沿って界面形状をモデル化することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項１２】
請求項１０記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、前記損傷予測手段は、トップコートとボンドコートとの界面のボンドコートに形成される酸化膜が運転時間の経過に伴う成長する成長度合いと、運転時間の経過に伴いトップコートが焼結および劣化することによりトップコートとボンドコートとの界面の凹凸に発生する応力とを重畳することにより、酸化および熱機械疲労の度合いを導入してトップコートに発生する剥離の進行を予測することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項１３】
請求項１０から請求項１２までのいずれかに記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、前記損傷予測手段は、起動停止回数依存型の損傷と運転時間依存型の損傷の分布と損傷の程度を部品の表面および断面における損傷マップとして出力することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３までのいずれかに記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、予めトップコートの物性値の算出に必要な値と補修や交換時期の設定に必要な起動停止回数依存型および運転時間依存型の寿命を予め入力させて、起動停止回数依存型損傷および運転時間依存型損傷による遮熱コーティングの寿命を目的関数として、実験計画法を用いて算出する全体最適化手段を有することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項１５】
請求項１４記載の遮熱コーティング最適化システムにおいて、前記成膜条件設定手段は、前記全体最適化手段により得られた目標寿命に達した場合の遮熱コーティング膜の膜厚分布から成膜条件を設定することを特徴とする遮熱コーティング最適化システム。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５までのいずれかに記載の遮熱コーティング最適化システムに、遮熱コーティング膜を被覆するための膜形成手段が接続されており、前記膜形成手段は、成膜機器とこの成膜機器を制御する成膜制御装置とから構成され、前記成膜条件設定手段により出力された遮熱コーティング膜の成膜条件を電気通信回線により前記成膜機器へ転送し、この成膜機器の溶射条件を制御する成膜機器制御手段を有することを特徴とする膜形成手段を備えた遮熱コーティング最適化システム。
【請求項１７】
高温の燃焼ガス中において使用されるガスタービン部品の母材を燃焼ガスから遮熱するために母材上に被覆する遮熱コーティング膜を最適化可能なコンピュータシステム用の遮熱コーティング最適化プログラムにおいて、コンピュータを、ガスタービン機器の運転条件，この機器に適用される部品の許容温度および各種初期条件の各初期値を入力させる初期値入力手段、入力された各初期値を読み出し、各初期値からガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の温度を算出し、各温度数値データを記憶手段に記憶するとともに、前記温度数値データから部品各部の最高温度を選択し、選択された最高温度と入力された前記部品の許容温度とを比較し、前記最高温度が前記許容温度を上回った場合に、再度初期値の入力を要求する温度分布算出手段、前記記憶手段から部品各部の各温度数値データを読み出し、これらの温度数値データと部品が受ける力学的拘束条件とに基づき、ガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の応力，ひずみを算出し、応力，ひずみの各数値データを記憶手段に記憶する応力・ひずみ分布算出手段、前記記憶手段から各部品の温度，応力，ひずみの各数値データを読み出し、これらの各数値データに基づき、損傷の原因に応じて各部品の損傷の程度を演算により予測し、この予測値を記憶手段に記憶するとともに、前記損傷の種類に応じた予測値に基づき損傷の程度を損傷強度の分布として出力する損傷予測手段、前記損傷予測手段で出力された損傷分布に基づいて部品各部における遮熱コーティングの寿命が目標の寿命になるまで計算した結果得られた遮熱コーティングの膜厚・組織・気孔率から遮熱コーティングの成膜条件を設定し出力する成膜条件設定手段と、として機能させるための遮熱コーティング最適化システム用のプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの動静翼等の高温部品に適用される遮熱コーティングに係り、特に運転中に受ける損傷の種類と損傷の進行を予測した結果をマップ化し、損傷の進行により皮膜の施工条件を変えて再計算して、的確な補修・廃却スケジュールを提供できる遮熱コーティング最適化方法、遮熱コーティング最適化システムおよび同システム用のプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガスタービンは、高い熱効率を追求してガスタービン入口燃焼ガス温度の高温化が高まっている。これに伴い、ガスタービンに適用される動静翼などに代表される高温部品のメタル温度は上昇する傾向にあり、基材のメタル温度を低下させるために、基材表面に遮熱コーティングを被覆することが実施されている。
【０００３】
遮熱コーティングは、高温部品の基材表面にＭＣｒＡ１Ｙ（Ｍ：Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅなど）の溶射皮膜をボンドコートし、さらにその上に遮熱のためジルコニアなどを主成分とするセラミックスをトップコートして被覆形成される。
【０００４】
遮熱コーティングを被覆した高温部品は、ジルコニアを主成分とするセラミックスの低熱伝導性を利用するとともに、皮膜中に気孔を形成して、高温の燃焼ガスから基材のメタル温度上昇を抑制している。
【０００５】
しかし、燃焼ガスは、何分にも、温度１３００℃以上の高温であるが故に、高温部品に被覆する遮熱コーティングの寿命が短い。このため、遮熱コーティングの交換時期等を判断する技術が模索されている。
【０００６】
なお、材料の劣化、損傷に基づき材料の補修時期または交換時期を判断する技術として、例えば、特開平６−１８０２８１号公報（特許文献１）等数多くの発明が開示されている。
【特許文献１】特開平６−１８０２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述のような遮熱コーティングを被覆した場合であっても、高温部品は高温燃焼ガスによる熱衝撃と起動停止に伴う過酷な状況におかれている。すなわち、高温部品は、起動停止の繰り返しによる熱機械疲労と運転時間の経過に伴いトップコートと基材との界面に酸化層が成長し、酸化屑の重畳によりトップコートの剥離が生じたり、また、燃焼ガスの衝突による高温部品の表面におけるエロージョンによりトップコートが減肉するなどの損傷を受けていた。
【０００８】
遮熱コーティングのトップコートの剥離が進行してトップコートが脱落すると、脱落した部分の基材は高温の燃焼ガスに直接曝され、その結果、メタル温度が上昇し、基材の損傷の加速に伴い、ガスタービン部品の破壊につながることが予想される。このため、遮熱コーティングの損傷の中でも、特にトップコートの剥離現象を評価することは重要である。
【０００９】
しかし、遮熱コーティングが受ける損傷に関しては未解決な点が多く、特に、トップコートの剥離は表面上その前兆が見られないため、遮熱コーティングの剥離の前兆を、部品表面から予測することは現段階では困難であった。このため、遮熱コーティングの損傷の進行を予測せずに実機運用をするケースが多く、運転により損傷の進行が進み、損傷が発見されないまま運転を継続すると突然翼の破壊に至るという問題を有していた。
【００１０】
一方、このような問題を解決するために、ガスタービン高温部品の交換、補修の判定をいままで運転実績のあるプラントの運転データに基づいて経験的に補修時期および交換時期を予め設定し、定期点検毎にこれらの値を見直していく方法があった。しかし、運用実績のあるプラントの経験的な運転データに基づきガスタービン高温部品を設定時間の近傍において交換および補修した場合であっても、実際には、遮熱コーティングの被覆によりトップコートの剥離の進行は表面から確認できないため、トップコートの脱落直前の部品を補修しない状態で運用したり、あるいは剥離の進行していない部品を補修して運用していたため、遮熱コーティング部品の補修および交換を適切な時期に行うことが困難であった。
【００１１】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、高温の燃焼ガスに曝されるガスタービンの高温部品に被覆した遮熱コーティングの損傷の種類に応じて、損傷の進行を予測し、高温部品の寿命を算出するとともに、ユーザが要求した寿命を達成する遮熱コーティングの膜厚，粒径，気孔率を算出することにより、遮熱コーティング被覆部品の長寿命化を図るとともに、高温部品の補修時期または交換時期の判断を可能にする遮熱コーティング最適化方法、遮熱コーティング最適化システムおよび同システム用のプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成すべく本発明者らは種々研究した結果、遮熱コーティング膜の損傷、特に、トップコートが剥落に至る機構を把握して、剥離現象を予測することにより、高温部品の寿命を算出し、適切な保守管理スケジュールを得られる遮熱コーティング最適化プログラムおよび同システムを実現したものである。
【００１３】
すなわち、本発明は、高温の燃焼ガス中において使用されるガスタービン部品の母材を燃焼ガスから遮熱するために母材上に遮熱コーティング膜を被覆する際、ガスタービン機器の運転条件，この機器に適用される部品の許容温度および各種初期条件の各初期値を入力させ、入力された各初期値を読み出し、読み出した各初期値からガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の温度を算出し、各温度数値データを記憶するとともに、前記温度数値データから部品各部の最高温度を選択し、選択された最高温度と記憶された前記部品の許容温度とを比較し、前記最高温度が前記許容温度を上回った場合に、再度初期値の入力を要求する一方、前記記憶された部品各部の各温度数値データを読み出し、読み出した温度数値データと部品が受ける力学的拘束条件とに基づき、ガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の応力，ひずみを算出し、算出した応力，ひずみの各数値データを記憶させるとともに、前記既に記憶させておいた各部品の温度，応力，ひずみの各数値データを読み出し、読み出した各数値データに基づき、損傷の原因に応じて各部品の損傷の程度を演算により予測し、この予測値を記憶させる一方、前記損傷の種類に応じた前記予測値に基づき損傷の程度を損傷強度の分布として算出し、算出した損傷強度分布に基づいて部品各部における遮熱コーティングの寿命が目標の寿命になるまで計算し、計算から求めた遮熱コーティングの膜厚・組織・気孔率を基に遮熱コーティングの成膜条件を設定する遮熱コーティング最適化方法である。
【００１４】
なお、本発明に適用されるガスタービン機器の部品の初期条件は、遮熱コーティング膜の材料の物性値、遮熱コーティング膜の膜厚、母材の物性値などのデータである。
【００１５】
また、本発明は、高温の燃焼ガス中において使用されるガスタービン部品の母材を燃焼ガスから遮熱するために母材上に被覆する遮熱コーティング膜を最適化する遮熱コーティング最適化システムにおいて、ガスタービン機器の運転条件，この機器に適用される部品の許容温度および各種初期条件の各初期値を入力させる初期値入力手段と、入力された各初期値を読み出し、各初期値からガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の温度を算出し、各温度数値データを記憶手段に記憶するとともに、前記温度数値データから部品各部の最高温度を選択し、選択された最高温度と入力された前記部品の許容温度とを比較し、前記最高温度が前記許容温度を上回った場合に、再度初期値の入力を要求する温度分布算出手段と、前記記憶手段から部品各部の各温度数値データを読み出し、これらの温度数値データと部品が受ける力学的拘束条件とに基づき、ガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の応力，ひずみを算出し、応力，ひずみの各数値データを記憶部に記憶する応力・ひずみ分布算出手段と、前記記憶手段から各部品の温度，応力，ひずみの各数値データを読み出し、これらの各数値データに基づき、損傷の原因に応じて各部品の損傷の程度を演算により予測し、この予測値を記憶手段に記憶するとともに、前記損傷の種類に応じた予測値に基づき損傷の程度を損傷強度の分布として出力する損傷予測手段と、前記損傷予測手段で出力された損傷分布に基づいて部品各部における遮熱コーティングの寿命が目標の寿命になるまで計算した結果得られた遮熱コーティングの膜厚・組織・気孔率から遮熱コーティングの成膜条件を設定し出力する成膜条件設定手段とを備えた遮熱コーティング最適化システムである。
【００１６】
また、本発明は、高温の燃焼ガス中において使用されるガスタービン部品の母材を燃焼ガスから遮熱するために母材上に被覆する遮熱コーティング膜を最適化可能なコンピュータシステム用の遮熱コーティング最適化プログラムにおいて、コンピュータを、ガスタービン機器の運転条件，この機器に適用される部品の許容温度および各種初期条件の各初期値を入力させる初期値入力手段、入力された各初期値を読み出し、各初期値からカスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の温度を算出し、各温度数値データを記憶手段に記憶するとともに、前記温度数値データから部品各部の最高温度を選択し、選択された最高温度と入力された前記部品の許容温度とを比較し、前記最高温度が前記許容温度を上回った場合に、再度初期値の人ガを要求する温度分布算出手段、前記記憶手段から部品各部の各温度数値データを読み出し、これらの温度数値データと部品が受ける力学的拘束条件とに基づき、ガスタービンの起動，定格，停止の各過程における部品各部の応力，ひずみを算出し、応力，ひずみの各数値データを記憶手段に記憶する応力・ひずみ分布算出手段、前記記憶手段から各部品の温度，応力，ひずみの各数値データを読み出し、これらの各数値データに基づき、損傷の原因に応じて各部品の損傷の程度を演算により予測し、この予測値を記憶手段に記憶するとともに、前記損傷の種類に応じた予測値に基づき損傷の程度を損傷強度の分布として出力する損傷予測手段、前記損傷予測手段で出力された損傷分布に基づいて部品各部における遮熱コーティングの寿命が目標の寿命になるまで計算した結果得られた遮熱コーティングの膜厚・組織・気孔率から遮熱コーティングの成膜条件を設定し出力する成膜条件設定手段として機能させるための遮熱コーティング最適化システム用のプログラムである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る遮熱コーティング最適化方法、遮熱コーティング最適化システムおよび同システム用のプログラムによれば、運転中に受ける損傷の種類と損傷の進行を予測した結果をマップ化し、損傷の進行により皮膜の施工条件を変えて再計算して、的確な補修・廃却スケジュールを実現でき、その結果、品質向上およびコスト低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る遮熱コーティング最適化方法、遮熱コーティング最適化システムおよび同システム用のプログラムについて、ガスタービン動翼に形成する遮熱コーティングを例に挙げて、図１〜図１０を参照して説明する。
【００１９】
第１実施形態（図１〜図７）
本実施形態においては、遮熱コーティング最適化システムについて具体的に説明する。
【００２０】
遮熱コーティング最適化システムは、基本的に、入力手段、記憶手段、処理手段、制御手段および出力手段を備えたコンピュータに、遮熱コーティング最適化システム用のプログラムが搭載して構成される。
【００２１】
図１は、遮熱コーティング最適化プログラムの構成を概略的に示すブロック図である。図１に示すように、遮熱コーティング最適化プログラムは、基本的に、初期値入力手段１と、温度分布算出手段２と、応力・ひずみ分布算出手段３と、損傷予測手段４と、成膜条件設定手段５とから構成される。
【００２２】
初期値入力手段１は、初期値として、ガスタービンの運転条件，遮熱コーティングの膜厚，組織状態，気孔率および部品の許容温度の各値を入力手段により入力する。なお、初期値を入力する際、ユーザがサンプルを作成し、このサンプルの断面画像から図２に示すように、トップコート６の組織および気孔率を画像処理し、粒径７および気孔率８を２値化して算出し、２値化した値を初期値として入力しても良い。このようにしてトップコート６の熱伝導率λが、式１に示すように、膜厚ｔ、粒径ｒ、気孔率ｐの関数により表現される。
【００２３】
［数１］
λ＝ｆ（ｔ，ｒ，ｐ）      ……（式１）
【００２４】
温度分布算出手段２は、有限要素法による熱伝導解析を用いて、動翼部品の計算モデルのコーティング被覆領域にトップコート６の熱伝導率を与え、動翼部品の温度分布を算出するものである。特に、燃焼ガスまたは冷却空気の流れを受ける部位は、形状や流速に依存した流体の熱伝達率と流体温度とを与え、動翼部品の温度分布を算出する。これによりトップコート６とボンドコートとの界面における温度分布を算出する。
【００２５】
温度分布算出手段２により算出された最高温度は、初期値入力手段１において入力された部品の許容温度を上回ると、再度ユーザに初期値の入力を促し、再び温度分布算出手段２にて温度分布の算出を行う。一方、温度分布算出手段２により算出された最高温度が許容温度を下回ると、初期値入力部１に入力された遮熱コーティングの膜厚，組織状態，気孔率の各値を最終的に成膜条件設定手段５に出力する。
【００２６】
応力・ひずみ分布算出手段３は、機器の起動・停止運転の繰り返しに伴い発生する応力分布とひずみ分布とを算出する。応力分布は、温度分布に起因する熱応力と回転体の遠心力および各部位の拘束により発生する応力が重畳した状態について算出される。部分負荷における応力分布を算出する場合も同様である。また、応力分布からひずみ分布への変換は、弾性応力解析により応力分布を求めた場合には、応力分布より弾性応力集中率と繰返し応力ひずみ特性から局所的なひずみ振幅を評価するノイバー則を用いて算出し、応力分布からひずみ分布に変換する。また、部分負荷におけるひずみ分布を算出する場合も同様である。
【００２７】
このようにして起動，定格，停止の各過程における温度分布，応力分布，ひずみ分布の各分布の履歴を算出し、各分布の履歴を損傷予測手段４に入力する。
【００２８】
損傷予測手段４では、まず、温度分布，応力分布，ひずみ分布から損傷を起動停止回数依存型の損傷と運転時間依存型の損傷とに分類する。
【００２９】
起動停止回数依存型の損傷に分類した場合に、損傷を熱機械疲労によるトップコートの剥離および厚さ方向のき裂発生として定義した。すると、損傷度φｆは２式に示すひずみ範囲Δεと、部品中の最高温度Ｔｍａｘおよび当該部位の温度Ｔの比との積により表現される。
【００３０】
［数２］
φｆ＝Δε＊Ｔ／Ｔｍａｘ      ……（式２）
【００３１】
上記式２より動翼部品の各部位における起動停止回数依存型の損傷度φｆを算出し、損傷度φｆの分布を求めた。これを図３に示す。図３に示すように、ガスタービンの動翼９の損傷度φｆは、低損傷度φｆ部位１０，中損傷度φｆ部位１１，高損傷度φｆ部位１２により分類し、損傷度の分布を損傷マップ化した。なお、トップコートの剥離は、トップコートとボンドコートとの界面に生成する酸化膜の成長により発生する応力がその要因となっているが、この応力は、式２に示すＴ／Ｔｍａｘの項により考慮されている。
【００３２】
一方、運転時間依存型の損傷として分類した場合に、損傷を燃焼ガスの流速・温度によるエロージョンに伴う皮膜減肉と定義した。すると、損傷度φｔは式３に示すガスタービン動翼９の部品中の最高温度Ｔｍａｘおよび当該部位における温度Ｔの比と、温度分布算出に用いた燃焼ガスの熱伝達率αとの積により表現される。
【００３３】
［数３］
φｆ＝α＊Ｔ／Ｔｍａｘ      ……（式３）
【００３４】
上記式３によりガスタービンの動翼９の各部位における起動停止向数依存型の損傷度φｔを算出し、損傷度φｔの分布を求めた。これを図４に示す。図４に示すように、低損傷度φｆ部位１４，中損傷度φｆ部位１５，高損傷度φｆ部位１６により分類し、ガスタービンの動翼９における損傷度φｔの分布を損傷マップ化した。
【００３５】
さらに、図３に示す損傷度分布中、動翼９の損傷が激しいと予想される部位に関して後述する部分モデルを作成し、作成した部分モデル作成部位１３について各損傷の進行を予測し、損傷ごとの寿命予測を行う。具体的には、熱機械疲労によるトップコートの剥離について、部分モデル作成部位１３の損傷の進行について予測を行った。
【００３６】
まず、図３に示す部品の損傷が激しい高損傷度φｔ部位１２を部分的に断面方向に２次元モデル化した。これを図５に示す。図５に示すように、ガスタービンの動翼９の断面は、母材１７上にボンドコート１８およびトップコート１９が形成されており、高損傷度φｔ部位１６に各々格子点２０を配置し、微小要素２１に分割して二次元的にモデル化を行った。また、モデル化を行う際、ボンドコート１８とトップコート１９との界面形状を図６に示すように正弦波として定義した。なお、モデル化は、コーティング組織のサンプルの断面画像を画像処理して得られた界面形状に対し格子点２０を自動的に配置しても良く、一層実機に近いシミュレーションを行うことが可能である。
【００３７】
そして、上記のように二次元的にモデル化した各格子点２０に、温度分布算出手段２および応力・ひずみ分布算出手段３により算出された温度，応力，ひずみの各数値データを入力し、有限要素法を用いて計算を行う。
【００３８】
なお、トップコート１９とボンドコート１８との界面形状の凹凸により熱応力と酸化層の成長による剥離を引き起こす皮膜厚さ方向の応力２２が、図７に示すように発生することがある。このような応力２２の発生によりき裂２３が進展し、トップコート１９とボンドコート１８との剥離が生じる原因となるが、このようなき裂の発生を定義する一例として、トップコート１９とボンドコート１８との界面近傍の温度分布，応力分布，ひずみ分布から部品の各部におけるき裂の発生確率を変化させて、発生したき裂の進展を破壊力学的に評価しても良い。また、部分モデル化は２次元モデルに限定されるものではなく、３次元モデル化しても良く、３次元モデル化により、実機により近いシミュレーションを行える。そして、２次元モデルの剥離長さまたは３次元モデルの剥離面積の変化量として剥離の進行を定義し、剥離面積と剥落するのに必要なひずみの関係について横軸に起動停止回数をとり、剥離長さおよび剥離面積の変化量を共にプロットすることにより、解析的に剥落寿命を算出することが可能である。
【００３９】
本実施形態によれば、遮熱コーティングの剥離あるいは減肉の寿命を予測できるため、遮熱コーティングの寿命を把握した状態で、ガスタービンを運転することが可能となる。その結果、適切な時期を選択し、遮熱コーティングの補修や部品交換といった保守管理支援を行うことができる。
【００４０】
第２実施形態（図８，図９）
本実施形態では、第１実施形態の遮熱コーティング最適化プログラムに、要求された寿命を予め入力し、要求された寿命を達成するまで繰り返し計算を行い、最適化された遮熱コーティングの膜厚，組織状態，気孔率を出力する全体最適化手段を設けたものである。
【００４１】
図８は、全体最適化手段２４を備えた遮熱コーティング最適化プログラムを概略的に示すブロック図である。なお、第１実施形態の図１に示す構成部分と同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００４２】
まず、初期値設定手段１において、予め補修や交換時期の設定に必要な寿命とトップコートの膜厚，粒径，気孔率の最大値および最小値をユーザに入力させる。その際、実験計画法に従って直交表を全体最適化手段２４により割り付ける。そして、第１実施形態にて示したように、温度分布算出手段２、応力・ひずみ分布算出手段３および損傷予測手段４を経て、起動停止回数依存型の寿命および運転時間依存型の寿命を算出する。
【００４３】
その結果、算出された寿命Ｎｆ，Ｎｔは、トップコートの膜厚ｔ，粒径ｒ，気孔率ｐを変数とした多項式により表現される。  
［数４］
Ｎｆ＝Σａｎ＊ｔｎ＋Σｂｎ＊ｒｎ＋Σｃｎ＊ｐｎ（ｎ＝０〜ｉ）    ……（式４）
Ｎｔ＝Σｄｎ＊ｔｎ＋Σｅｎ＊ｒｎ＋Σｆｎ＊ｐｎ（ｎ＝０〜ｉ）    ……（式５）
【００４４】
式４および式５は、トップコートの膜厚ｔをｔ１とした場合に、縦軸に気孔率ｐ，横軸に粒径ｒ，高さ軸に寿命Ｎｆ，Ｎｔをとると、図９に示すように、応答曲面２５により表現される。図９に示す応答曲面２５を参照し、算出された寿命と予めユーザが設定した寿命とを比較し、両者の誤差を判定する。判定によりユーザが指定した以上の誤差が生じた場合には、トップコート１９の膜厚，粒径，気孔率または起動停止回数依存型および運転時間依存型の寿命について新たな値をユーザに入力させる。なお、新たな値を入力させるとき、トップコート１９の膜厚，粒径，気孔率の設定については、損傷マップ中で損傷度の高い部位のみ部分的に値を変えることもできる。
【００４５】
本実施形態によれば、全体最適化手段により得られた目標寿命に達した場合の遮熱コーティング膜の膜厚分布に従い、遮熱コーティング膜の成膜条件を求められるため、成膜条件に従い遮熱コーティング膜を形成することにより、最適な遮熱コーティングを行える。なお、得られた成膜条件を後述する第３実施形態に示す成膜機器へ転送し、遮熱コーティング膜を自動的に形成することもできる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、損傷予測手段により出力された損傷分布に従い部品各部における遮熱コーティングの寿命を目標の寿命になるまで計算し、その結果得られた遮熱コーティングの膜厚，組織，気孔率から成膜条件設定手段により遮熱コーティングの成膜条件を各々設定できるため、トップコートおよび部品基材の長寿命化と補修，交換などの保守管理上の判断を的確に行うことができ、優れた効果を発揮することができる。
【００４７】
さらに、本実施形態によれば、ユーザの要求する寿命に対し、実験計画法により効率的に寿命を算出可能であることに加え、部位毎にコーティングの成膜条件を変化させることにより、従来の均一な遮熱コーティングに比較して基材の損傷をより効果的に抑制できる。その結果、遮熱コーティング膜と基材との延命化に加え、適切な遮熱コーティングの補修や部品交換といった保守管理支援が可能となる。
【００４８】
第３実施形態（図１０）
本実施形態においては、遮熱コーティング膜を被覆するための膜形成手段を接続した遮熱コーティング最適化システムについて説明する。なお、本遮熱コーティング最適化システム用のプログラムとしては、上述した第１実施形態および第２実施形態のいずれのプログラムをも適用できる。
【００４９】
図１０は、膜形成手段を接続した遮熱コーティング最適化システムの概略構成を示す図である。
【００５０】
図１０に示すように、遮熱コーティング最適化システムのホストコンピュータ２６には、膜形成手段２７が接続されている。
【００５１】
膜形成手段２７は、成膜機器２８およびこの成膜機器２８を制御する成膜制御装置２９から構成され、成膜制御装置２９は、インターネット回線３０を介してホストコンピュータ２６に接続されている。
【００５２】
一方、成膜機器２８は、遮熱コーティングを行う対象物となるガスタービンの動翼９を固定配置する対象物固定用テーブル３１と、動翼９の外周面に遮熱コーティング材料を溶射する溶射ガン３２とから構成される。対象物固定用テーブル３１および溶射ガン３２には成膜制御装置２９が接続されており、成膜制御装置２９内に備えられた成膜機器制御手段により、対象物固定用テーブル３１および溶射ガン３２を制御する。
【００５３】
このような構成の遮熱コーティング最適化システムでは、ホストコンピュータ２６においてプログラムを実行することにより、初期値として温度分布算出手段２に与えたトップコートの厚さ，組織状態，気孔率の部品の各部位における分布を数値化したデータが成膜条件設定手段５により成膜条件として出力される。出力された成膜条件の各値は、インターネット回線３０を介してホストコンピュータ２６から成膜機器制御装置２９に転送され、成膜機器制御装置２９に入力された成膜条件に基づき、対象物固定用テーブル３１および溶射ガン３２の位置および移動速度の各数値が算出される。算出された各値に基づき、対象物固定用テーブル３１の回転方向ａおよび上下移動方向ｂを自動制御するとともに、溶射ガン３２の位置および溶射速度を自動制御し、動翼９に遮熱コーティングの形成を行う。
【００５４】
本実施形態によれば、遮熱コーティング最適化システムのホストコンピュータと、成膜機器制御装置との距離が離れている場合であっても、インターネーツト回線経由により、成膜条件設定手段にて得られた成膜条件を成膜機器へ転送することにより、対象物固定用テーブルと溶射ガンの位置および移動速度を制御可能なため、遠隔操作により遮熱コーティングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１実施形態を説明する図で、遮熱コーティング最適化プログラムの機能を概略的に示すブロック図。
【図２】トップコートの断面画像を２値化した模式図。
【図３】起動停止回数依存型の損傷度φｆの分布を示す図。
【図４】起動停止回数依存型の損傷度φｔの分布を示す図。
【図５】図３に示す部品の損傷が激しい部位を部分的に断面方向に２次元モデル化した図。
【図６】トップコートとボンドコートとの界面を正弦波に模擬した場合の部分モデルの一例を示す図。
【図７】トップコートとボンドコートどの界面におけるき裂発生のメカニズムの一例を示す図。
【図８】本発明の第２実施形態を説明する図で、遮熱コーティング最適化システムの機能の概略的な構成を示すブロック図。
【図９】トップコートの膜厚ｔ，粒径ｒ，気孔率ｐと、起動停止依存型の寿命Ｎｆと、運転時間依存型の寿命Ｎｔと、の関係を三次元的に示す図。
【図１０】本発明の第３実施形態を説明する図で、インターネット回線を利用して、遠隔操作を可能とした遮熱コーティング最適化システムの構成を示す図。
【符号の説明】
【００５６】
１…初期値入力手段，２…温度分布算出手段，３…応力・ひずみ分布算出手段，４…損傷予測手段，５…成膜条件設定手段，６…トップコート，７…粒径，８…気孔，９…ガスタービン動翼，１０…低損傷度φｆ部位，１１…中損損傷度φｆ部位，１２…高損傷度φｆ部位，１３…部分モデル作成部位，１４…低損傷度φｔ部位，１５…中損損傷度φｔ部位，１６…高損傷度φｔ部位，１７…母材，１８…ボンドコート，１９…トップコート，２０…格子点，２１…微小要素，２２…応力，２３…き裂，２４…全体最適化手段，２５…応答曲面，２６…ホストコンピュータ，２７…膜形成手段，２８…成膜機器，２９…成膜機器制御装置，３０…インターネット回線，３１…対象物固定用テーブル，３２…溶射ガン，ａ…対象物固定用テーブルの回転方向，ｂ…対象物固定用テーブル上下移動方向。
【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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