(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンの動作方法であって、
前記タービンの動作中にブレード（５、９）の熱プロファイルデータを、少なくとも第１の運転温度と第２の運転温度とを含む異なる運転温度において収集するステップと、
前記タービンの動作中に少なくとも前記タービンの回転速度を含む前記タービンの運転条件に関するデータを、前記異なる運転温度において収集するステップと、
前記異なる運転温度における前記回転速度に基づいて、前記ブレード（５、９）に加えられる機械応力を決定するステップと、
前記ブレード（５、９）の前記熱プロファイルデータ、および前記ブレード（５、９）に加えられる前記機械応力に鑑みて、前記タービンの動作中に前記ブレード（５、９）の予測クリープ速度データを、前記異なる運転温度において計算するステップと、
前記タービンが前記第１の運転温度で動作中の前記ブレード（５、９）の前記予測クリープ速度データ、および前記タービンが前記第２の運転温度で動作中の前記ブレード（５、９）の前記予測クリープ速度データに鑑みて、前記タービンが前記第１の運転温度で動作する場合と前記第２の運転温度で動作する場合のいずれにおいてより高い経済効率を得られるかを判定するステップとを含む方法。
【請求項２】
前記異なる運転温度において、前記タービンの動作中に前記ブレード（５、９）の測定されたクリープデータを収集するステップと、
前記異なる運転温度において前記測定されたクリープデータを用いて前記予測クリープ速度データの計算を較正するステップと、
前記異なる運転温度における前記ブレード（５、９）の較正されたクリープ速度データを計算するステップとをさらに含み、
前記タービンが前記第１の運転温度で動作する場合と前記第２の運転温度で動作する場合のいずれにおいてより高い経済効率を得られるかを判定するステップには、前記予測クリープ速度データと前記較正されたクリープ速度データとを交換可能に用いることができる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記タービンが前記第１の運転温度で動作する場合と前記第２の運転温度で動作する場合のいずれにおいてより高い経済効率を得られるかを判定する前記ステップが、前記第１の運転温度における前記タービンの予測収益と前記第２の運転温度における前記タービンの予測収益とを計算するステップを含み、
前記予測収益データが、前記タービンが前記異なる運転温度において動作中にもたらす収益に関するデータを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記タービンが前記第１の運転温度で動作する場合と前記第２の運転温度で動作する場合のいずれにおいてより高い経済効率を得られるかを判定する前記ステップが、
前記較正されたクリープ速度データおよび前記ブレード（５、９）のクリープ限界に鑑みて、前記異なる運転温度におけるブレード部品の予測寿命データを計算するステップと、
前記ブレード（５、９）部品の予測寿命に鑑みて、異なる運転温度におけるブレード（５、９）部品の予測コストデータを計算するステップとをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ブレード（５、９）部品の予測コストデータがほぼ、前記ブレード（５、９）の有効寿命の延長分が前記異なる運転温度において消耗する速度と、前記ブレード（５、９）を交換するコストとの積として求められる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記タービンが前記第１の運転温度で動作する場合と前記第２の運転温度で動作する場合のいずれにおいてより高い経済効率を得られるかを判定する前記ステップが、前記異なる運転温度における前記ブレード（５、９）部品の予測コストデータの比率と前記予測収益データとを比較するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記タービンが前記第１の運転温度で動作する場合と前記第２の運転温度で動作する場合のいずれにおいてより高い経済効率を得られるかを判定する前記ステップが、前記第１の運転温度における前記ブレード（５、９）部品の予測コストデータと前記予測収益データとの第１の比較と、前記第２の運転温度における前記ブレード（５、９）部品コストと前記予測収益データとの第２の比較とを比較するステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記測定されたクリープデータを収集するステップが、
前記ブレード（５、９）の段の周囲に配置された１つまたは複数の近接センサ（２２）を用いて前記ブレード（５、９）の初期測定を行うステップと、
前記初期測定の後に、前記１つまたは複数の近接センサ（２２）を用いて前記ブレード（５、９）の第２の測定を行うステップと、
前記初期測定の結果と前記第２の測定の結果とを比較することによって、前記ブレード（５、９）の半径方向クリープを判別すること、または軸方向クリープを判別することの一方を行うステップとを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記初期測定の結果と前記第２の測定の結果との各々が、前記ブレード（５、９）の先端から前記１つまたは複数の近接センサ（２２）までの距離を示す、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は一般に、タービンブレードの変形を判別する方法およびシステムに関する。本出願は特に、タービンの動作中のタービンブレードの変形量を測定する方法およびシステムに関するが、これに限定されない。
【０００２】
産業用ガスタービン、蒸気タービンおよび航空機のエンジンは、温度が通常は６００℃から１５００℃に達する高温環境で動作する。また、出力およびエンジンの効率を高めるためには、タービンの運転温度を高めることが一般的な傾向である。これらの条件によって、タービンブレードは過酷な熱応力に曝されることになる。
【０００３】
タービンブレードは一般に、タービンの回転速度に応じて高い機械応力を受ける。これらの応力は、動作中により高い出力トルクを生じさせるためにタービンブレードの設計に含まれる環状領域が大きくなるにつれて、ますます高くなる。加えて、タービンブレードの先端シュラウドの表面積をより大きく設計しようとすることによって、タービンブレードの端部にさらなる重量が加わり、その結果、動作中にブレードに加わる機械応力はさらに増大する。これらの機械応力が過酷な熱応力と結び付くと、タービンブレードが材料上の設計限界、またはそれに近い条件で動作することになる。このような条件下で、タービンブレードは一般に、「金属クリープ」と称される緩慢な変形を生ずる。金属クリープとは、金属部品が応力と高温に長時間曝されることによってその形状に緩慢な変化が生じた状態のことである。タービンブレードは半径方向または軸方向に変形し得る。
【０００４】
同様に、コンプレッサブレードも、コンプレッサの回転速度に伴う力によって高い機械応力を受ける。その結果、コンプレッサブレードも金属クリープに関連する緩慢な変形を生ずることがある。
【０００５】
従って、タービンの故障態様に関する主な問題は、タービンブレードおよびコンプレッサブレードの金属クリープであり、特に半径方向（すなわち、タービンまたはコンプレッサブレードの延長方向）の金属クリープである。金属クリープを放置しておくと、タービンまたはコンプレッサの破裂を引き起こし、その結果、タービンユニットに極度の損傷が生じ、修理のため長期の運転休止を余儀なくされることがある。金属クリープを監視する従来の方法としては一般に、（１）等温のクリープ試験片を用いた実験室で行うクリープ歪みテストの結果によるアルゴリズムに基づいてクリープ歪みを計算する有限要素法による解析などの解析ツールを用いて、時間の関数としてブレードの累積クリープの伸張を予測しようとすること、または（２）ユニットの運転休止期間中に目視検査および／または手測定を行うことのいずれかが含まれる。しかし、予測解析ツールによる結果は不正確な場合が多い。さらに、目視検査および／または手測定には多くの労力を要し、コストがかさむ上、結果も不正確なことが多い。
【０００６】
解析ツールを用いる場合も、目視検査または手測定による場合も、いずれにしても、タービンまたはコンプレッサブレードのコンディションの予測が不正確である限りコスト高に繋がる。しかも、予測が不正確な場合、それによってブレードの有効寿命を超えた動作を見逃すことがあり、ブレードの故障、ひいてはタービンユニットの重大な損傷と、修理のための運転休止期間が生じる恐れがある。さらに、不正確な予測は、タービンまたはコンプレッサブレードの時期尚早な（すなわちその有効寿命を全うする以前の）廃棄の原因となり得、これは効率の低下に繋がる。すなわち、タービンおよび／またはコンプレッサブレードにおける金属のクリープ変形を正確に監視することができれば、タービンエンジンユニット全体の効率を高めることができる。このような監視によって、ブレード故障の可能性を回避しつつ、ブレードの耐用年数を最大化することができる。加えて、時間と多大な労力を伴う目視検査または手測定を必要とすることなくこのような監視が可能になれば、更なる効率化を実現できる筈である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、タービンおよびコンプレッサブレードにおける金属のクリープ変形を監視または測定する改良されたシステムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本出願に記載の発明は、タービンの動作方法を提供する。本発明による前記方法には、（１）タービンの動作中に、ブレードの熱プロファイルデータを異なる運転温度（この異なる運転温度は、少なくとも第１の運転温度と第２の運転温度とを含む）において収集するステップと、（２）タービンの動作中に少なくともタービンの回転速度を含むタービンの運転条件に関するデータを、前記異なる運転温度において収集するステップと、（３）前記異なる運転温度における前記回転速度に基づいて、前記ブレードに加えられる機械応力を決定するステップと、（４）前記ブレードの前記熱プロファイルデータ、および前記ブレードに加えられる前記機械応力に鑑みて、タービンの動作中に前記ブレードの予測クリープ速度データを、前記異なる運転温度において計算するステップと、（５）タービンが前記第１の運転温度で動作中の前記ブレードの前記予測クリープ速度データ、およびタービンが前記第２の運転温度で動作中の前記ブレードの前記予測クリープ速度データに鑑みて、タービンが前記第１の運転温度で動作する場合と前記第２の運転温度で動作する場合のいずれにおいてより高い経済効率を得られるかを判定するステップとが含まれる。
【０００９】
本発明による前記方法の実施形態としてさらに、次のステップを含むことができる。すなわち、前記異なる運転温度において、タービンの動作中に前記ブレードの測定されたクリープデータを収集するステップと；前記異なる運転温度において前記測定されたクリープデータを用いて前記予測クリープ速度データの計算を較正するステップと；前記異なる運転温度における前記ブレードの較正されたクリープ速度データを計算するステップである。かかる実施形態においては、タービンが前記第１の運転温度で動作する場合と前記第２の運転温度で動作する場合のいずれにおいてより高い経済効率を得られるかを判定するステップにおいて、前記予測クリープ速度データと前記較正されたクリープ速度データとが交換可能に用いられる。タービンが前記第１の運転温度で動作する場合と前記第２の運転温度で動作する場合のいずれにおいてより高い経済効率を得られるかを判定する前記ステップはまた、前記第１の運転温度におけるタービンの予測収益と前記第２の運転温度におけるタービンの予測収益とを計算するステップを含むことができ、この予測収益データには、タービンが前記異なる運転温度で動作中にもたらす収益に関するデータを含むことができる。タービンが前記第１の運転温度で動作する場合と前記第２の運転温度で動作する場合のいずれにおいてより高い経済効率を得られるかを判定する前記ステップはさらにまた、前記較正されたクリープ速度データおよび前記ブレードのクリープ限界に鑑みて、前記異なる運転温度におけるブレード部品の予測寿命データを計算するステップと；前記ブレード部品の予測寿命に鑑みて、異なる運転温度におけるブレード部品の予測コストデータを計算するステップとを含むことができる。
【００１０】
いくつかの実施形態において、前記ブレード部品の予測コストデータはほぼ、前記ブレードの有効寿命の延長分が前記異なる運転温度において消耗する速度と、前記ブレードを交換するコストとの積から求められて良い。タービンが前記第１の運転温度で動作する場合と前記第２の運転温度で動作する場合のいずれにおいてより高い経済効率を得られるかを判定する前記ステップは、前記異なる運転温度における前記ブレード部品の予測コストデータの比率と前記予測収益データとを比較するステップを含むことができる。タービンが前記第１の運転温度で動作する場合と前記第２の運転温度で動作する場合のいずれにおいてより高い経済効率を得られるかを判定する前記ステップはまた、前記第１の運転温度における前記ブレード部品の予測コストデータと前記予測収益データとの第１の比較と、前記第２の運転温度における前記ブレード部品コストと前記予測収益データとの第２の比較とを比較するステップを含むことができる。
【００１１】
またいくつかの実施形態において、前記測定されたクリープデータを収集するステップは、前記ブレードの段の周囲に配置された１つまたは複数の近接センサを用いて前記ブレードの初期測定を行うステップと；前記初期測定の後に、前記１つまたは複数の近接センサを用いて前記ブレードの第２の測定を行うステップと；前記初期測定の結果と前記第２の測定の結果とを比較することによって、前記ブレードの半径方向クリープを判別すること、または軸方向クリープを判別することの一方を行うステップとを含むことができる。前記初期測定の結果と前記第２の測定の結果は各々、前記ブレードの先端から前記１つまたは複数の近接センサまでの距離を示す。
【００１２】
本発明による上述およびその他の特徴は、添付の図面および特許請求の範囲を参照しながら、以下の好ましい実施形態の詳細な説明をよく読むことによって明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態を適用可能な例示的なタービンで示す、ガスタービンの破断斜視図である。
【図２】本発明の例示的実施形態を示す、図１のガスタービンの断面図である。
【図３】本発明の例示的実施形態における近接センサの円周方向配置を示す、図１のガスタービンの断面図である。
【図４】本発明の例示的実施形態を示す、図１のガスタービンの断面図である。
【図５】本発明の例示的実施形態を示す、図１のガスタービンの断面図である。
【図６】本発明の例示的実施形態における、タービンエンジン動作を制御する方法を示す流れ図である。
【図７】本発明の例示的実施形態における、タービンエンジン動作を制御する方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
タービンブレードの変形量をリアルタイムで、すなわちガスタービンの動作中に正確に、確実にかつ比較的低コストで測定する技術を開発した。図１に、本発明の例示的実施形態を適用可能な一般的なガスタービン２を示す。図１ではガスタービンを示すが、本発明は蒸気タービンにも適用可能であることが理解できよう。ガスタービン２は図示の通り、作動流体、すなわち空気を圧縮するコンプレッサブレード５の幾つかの段を含むコンプレッサ４を含むことができる。ガスタービン２は、圧縮空気を用いて燃料を燃焼させる燃焼室６を含むことができる。ガスタービン２はさらに、高温ガスが膨張する際のエネルギを機械的回転エネルギに変換する数段のエアフォイル、またはタービンブレード９を含むタービン８を含むことができる。本明細書において「ブレード」という用語は、コンプレッサブレードまたはタービンブレードのいずれかを示す。タービン８はさらに、図２に示すように、高温ガス流をタービンブレード９に向ける固定部品であるダイヤフラム１０を含むことができる。ガスタービン２は、コンプレッサブレード５およびタービンブレード９をその上方に実装するロータ１１を含むことができる。ガスタービン２は、タービンケーシング１２に格納されても良い。
【００１５】
図２に示すように、本発明によるブレードの半径方向変形監視システム２０は、コンプレッサブレード５またはタービンブレード９の単一段の周囲に離間配置された複数の近接センサ２２を含むことができる。特に、近接センサ２２は、近接センサ２２がコンプレッサブレード５の段に面するように、または図示の通り半径方向外側からタービンブレード９の段に面するように、タービンケーシング１０内に取り付けられて良い。近接センサ２２はこのようにして、近接センサ２２からコンプレッサブレード５、またはタービンブレード９の先端までの距離のいずれも測定することができる。いくつかの実施形態では、近接センサ２２は渦電流センサ、容量性センサ、マイクロ波センサ、レーザセンサまたはその他の同種のデバイスであって良い。
【００１６】
センサは従来的な手法によって、近接センサ２２から得られる近接データに基づいてデータを受信し、記憶し、計算する制御システム（図示せず）に接続することができる。制御システムは、何らかの適当な高出力の半導体切替システムを備えることができる。制御システムはコンピュータであっても良いが、これは本出願の範囲内にある適当な高出力制御システムの例示に過ぎない。例えば、これに限定されないが、制御システムはシリコン制御整流器（ＳＣＲ）、サイリスタ、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）と、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含んで良い。制御システムはさらに、システム全体のレベル制御のため、主プロセッサ、または中央プロセッサセクションと、中央プロセッサセクションの制御下で様々な異なる組み合わせ、機能およびその他の処理を実行する専用の別個のセクションとを有するＡＳＩＣなどの単一の専用集積回路として実装することができる。ＰＬＤ、ＰＡＬ、ＰＬＡなどの別個の素子またはプログラム可能論理デバイスを含むハードワイヤード電子回路または論理回路などの様々な別個の線用の回路、またはプログラム可能集積回路またはその他の電子回路またはデバイスによっても制御システムを実装できることが当業者には理解できよう。制御システムはさらに、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラなどの適宜プログラムされた汎用コンピュータ、またはＣＰＵまたはＭＰＵなどのその他のプロセッサデバイスを単独で、または１つまたは複数の周辺データおよび信号処理デバイスと組み合わせて使用して実装することもできる。
【００１７】
ブレードの径方向変形監視システム２０は実使用において、以下のように動作することができる。なお、この動作例はタービンブレード９の変形量の測定に関するものであるが、当業者には同様の基本的動作方法がコンプレッサブレード５にも適用可能であることが理解できよう。近接センサ２２は、ガスタービン２の始動時に各タービンブレー９の初期測定を行うことができる。当業者には理解できるように、制御システムは、近接センサ２２によって測定されたプロファイルを用いて各ブレード表面の差異を識別することによって、特定のブレードをそれぞれ識別することができる。特に、制御システムは各ブレード表面の僅かな差異によって、個々のブレードを、ひいては各ブレードの変形跡を識別することができる。各タービンブレード９の当初の長さを、初期測定値とすることができる。この長さは、ロータ１１の既知のサイズと位置、および近接センサ２２から各タービンブレード９の先端までの距離によって求められる。すなわち、これら２つの値からタービンブレード９の長さを計算できる。この初期測定値のデータを、制御システムによって保存することができる。
【００１８】
ガスタービン２が動作すると、後測定または第２の測定を行うことができる。これらの測定を周期的に、例えば毎秒または毎分、または毎時またはそれよりも長い一定の周期で行って良い。第２の測定値から、各タービンブレード９の測定時点における長さがわかる。この長さも同様に、ロータの既知のサイズと位置、および近接センサ２２から各タービンブレード９の先端までの距離によって求められる。タービンブレード９の長さは、これらの２つの値によって計算される。この第２の測定のデータを、制御システムによって保存することができる。
【００１９】
制御システムによって、測定データを処理し、タービンブレード９が半径方向に変形したか否か、すなわちタービンブレードが使用中に「伸長」したか否かを判定することができる。特に、制御システムは、初期測定値と第２の測定値との比較によって、発生した変形量またはクリープの量を確認することができる。変形量が一定のレベルに達すると、それをオペレータに警告するように制御システムをプログラムしても良い。例えば、制御システムは点滅警報をある特定のコンピュータ端末に送り、ｅメールまたはページをタービンのオペレータに送信するか、またはタービンのオペレータに警報を発するその他の方法を利用しても良い。この警報を、変形レベルが、タービンブレード９がその有効寿命に近づいているか、またはそれに達していることを示した場合に送り、この時点で、タービンブレード９をガスタービン２から取り出し、修理または交換することができる。
【００２０】
上述のように、ブレードの半径方向変形監視システム２０は、１つまたは複数の近接センサ２２を含むことができる。図３に示すように、ブレードの半径方向変形監視システム２０は、ブレードの周囲に均等に離間配置された３つの近接センサ２２を含むことができ、それ以上またはそれ以下の数の近接センサ２２を含んでも良いことが当業者には理解できよう。複数のセンサを有することの利点は、ケーシング１２内のロータ１１の相対位置を求めることができ、ブレードの実際の変形量またはクリープ量の計算に際してこれを考慮に入れることができることである。タービンケーシング１２に対するロータの相対位置の変化は、ロータの弛み、軸受の移動、タービンケーシングの真円度外れ、およびその他の問題によって生ずることが当業者には理解できよう。この変位は、幾つかの近接センサ２２を用いて考慮されない限り、ブレード変形の原因となり得る。すなわち、ロータの移動に起因し得るブレードの変位を明らかにすることによって、ブレードの実際の変形を判別することができる。図３に示すように、例えばセンサが３つの場合、１つの近接センサ２２の測定データがブレードの１つの伸張を示し、他の２つの近接センサ２２の測定データはブレードの収縮を示すことがある。これらの結果は、ロータがケーシング内部で近接センサ２２の方向に変位したことを、すなわち伸張が生じたことを示す。制御システムは従来の方法によって、これら３つの測定値に鑑みて、アルゴリズムに基づいてロータの変位を判別することができる。制御システムは次いで、ロータの変位量を除去することよって、各ブレードの実際の半径方向変形を判別することができる。
【００２１】
上述のように、いくつかの実施形態では、１つの近接センサ２２だけを使用することもできる。このようなシステムでは、ロータの位置を求めるためにベントリプローブ（Ｂｅｎｔｌｙ  ｐｒｏｂｅ）などの従来のロータプローブの使用が有利なこともある。ロータプローブはロータ内のどの位置に配置可能であり、ロータの現在の半径方向位置をリアルタイムで測定できる。上述のように、ロータは動作中に半径方向に変位することがあることが当業者には理解できよう。この変位は、現在のロータ位置を考慮に入れない場合、ブレードの変形とみなされることがある。これに対して、ロータの現在の変位をロータプローブによって計算すると、制御システムはブレードの実際の変形量を計算することができる。
【００２２】
いくつかの実施形態において、軸方向の変形量を測定できるように近接センサ２２を配置して良い。図４に示すように、これは、近接センサ２２がブレードの軸方向位置の上流側、またはその前方の位置から、またはブレードの軸方向位置の下流側、またはその後方の位置からブレードを観察するような位置に近接センサ２２を配置することによって達成できる（すなわち、近接センサはブレード段を真上から見下ろすのではなく、角度なす位置から見下ろす）。従って、ブレードの軸方向変形監視システム３０は、上流の近接センサ３２と下流の近接センサ３４、またはその両方を段の周囲の１つまたは複数の位置に含むことができる。上流の近接センサ３２は、タービンケーシング１２の固定された上流位置からブレードの側面までの距離を測定できる。同様に、下流の近接センサ３４は、タービンケーシング１２の固定された下流位置からブレードの側面までの距離を測定できる。従って、上流の近接センサ３２、下流の近接センサ３４、またはその両方による連続的な測定値を考察することによって、ブレードの上流または下流のあらゆる軸方向変形を判別することができる。
【００２３】
ブレードの半径方向変形監視システム２０と同様に、ブレードの軸方向変形監視システム３０が、段の周囲に離間配置される複数の近接センサ２２を有することが有利なこともある。複数の近接センサを有することの利点は、ロータの相対位置を求めることができ、それをブレードの現在の軸方向クリープの判別材料にできることである。
【００２４】
図５に示すように、いくつかの実施形態では、ブレードの半径方向変形監視システム２０および／またはブレードの軸方向変形監視システム３０を、従来の赤外線高温計４０によって補完することができる。赤外線高温計４０は、各ブレードの半径方向の温度プロファイルを含む熱プロファイルを提供することができる。このような実施形態で使用する赤外線高温計４０は、従来のいずれの赤外線高温計または同様のデバイスであって良い。赤外線高温計４０は実使用において、動作中の各ブレードの熱プロファイルを測定することができる。制御システムは、近接センサ２２によって測定された半径方向のクリープ、および／または上流の近接センサ３２によって測定された軸方向のクリープ、および各ブレードの熱プロファイルを追跡することができる。制御システムは、熱プロファイルによって、いずれのブレードに動作中、「高温スポット」（すなわち温度上昇領域）が生じたか否かを判定できるようになる。制御システムは、この情報によって、測定された軸方向または半径方向のクリープのいずれが、高温スポットに対応するブレード領域に影響している可能性が高いかを判定できる。何故ならば、変形またはクリープは、温度が上昇した領域においてより速く進行するからである。当業者には理解できるように、クリープがブレード全体を通して均一であるか、局所的であるかは、部品の予測寿命に影響を及ぼす。従って、高温スポットが測定されたことから、ブレードが恐らくは局所的なクリープまたは変形を受けたと判別すると、部品の予測寿命が短縮される。一方、高温スポットが存在しないことから、ブレードが恐らくはクリープまたは変形を受けなかったと判別すると、部品の予測寿命は短縮されない。このようにして、局所的なクリープによる故障回避に役立つ。
【００２５】
従来式の赤外線高温計４０を備えた、ブレードの半径方向変形監視システム２０および／またはブレードの軸方向変形監視システム３０を用いることによって、タービンエンジンの動作を制御し、より効率的かつ経済的な動作を実現することもできる。当業者には理解できるように、ブレードおよびその他の高温部品の動作寿命は一般に、タービンエンジンの運転温度と反比例する。すなわち、運転温度が上昇すると一般に、ブレードの動作寿命は短縮する。一方、運転温度が低下すると、ブレードの動作寿命は延長する。
【００２６】
当業者には理解できるように、ブレードの幾つかの段について高い運転温度に曝されるようタービンエンジンを運転することが、必要かつ／またはより効率的または経済的である場合がある。例えば、全負荷運転（すなわち、ベースロードまたは全出力運転）に加えて、タービンエンジンは部分負荷またはターンダウン状態でも運転可能でなければならない。ガスタービンエンジンの「ターンダウン」には、燃焼室への燃料の流れを減縮し、コンプレッサへの吸気の流れを縮減することが含まれる。これらの処置の双方において、タービンの第１段のノズルを通る体積流量が低減する。ガスタービンの圧力比は、システムの最小のオリフィス、すなわち第１段のノズルを通る流量に基づいて、体積流量を低減することによってタービンエンジンの圧力比も低下するように設定される。エンジンの圧力比によって、タービンが抽出する仕事量が、ひいてはガスタービンからの出口温度が定まる。圧力比が低下すると、抽出される仕事量が低減し、排気温度が上昇する。このように、温度上昇に対するブレードの耐久力に応じて、タービンエンジンが達成可能なターンダウンの最低レベルが制約される。
【００２７】
上昇した温度におけるタービンエンジンの運転に関する別の例示的実施形態は、暑い日の運転に望ましい。ガスタービンは、広範囲の周囲温度条件において運転可能でなければならない。周囲温度が上昇すると、コンプレッサへの質量流量が低減し、それに伴いタービンを通る体積流量が低減する。上述の関係により、タービンの排気温度は上昇する。この場合も、温度上昇に対するブレードの耐久力に応じて、周囲温度が上場したときのタービンエンジンが達成可能な動作レベルが制約される。
【００２８】
上述のように、着火温度が高くなるとブレードを含む高温ガスに曝される部品の動作寿命は短縮し、一方、着火温度が低下すると高温ガスに曝される部品の動作寿命は延長する。ブレードの動作寿命を計算する従来の方法は一般に、排気ガスの温度に基づくものである。すなわち、測定された排気温度に基づいて、ブレードが曝される温度の近似計算を行う。しかし、このような方法は正確さを欠く。そのため、かなりの設計マージンが必要となり、効率が低下することが多い。特に、設計マージンが必要となることと、排気温度に基づく動作寿命の予測が不正確であることによって、ブレードが時期尚早に、すなわちブレードが動作寿命を全うする以前に取り外されてしまう。一方、ブレードの現在の熱プロファイルと、ブレードの使用を経て累積するクリープとを記録し、解析することができれば、ブレードの動作寿命をより正確に算定できる。このようにして、効率の低下が回避され、各ブレードが動作寿命を全うできる。さらに、場合によっては、ブレードの実際の熱プロファイルおよび累積しているクリープに関する情報によって、（排気ガス温度の監視に依存する方法のような）精度が比較的低い方法よりも早い段階で、故障発生の可能性がわかる。その結果、ブレードの壊滅的な故障を回避することができる。
【００２９】
図６は、本発明の例示的実施形態による部品コスト予測データと予測収益データとの比較を行うことを含む、タービンエンジンの動作の制御方法を示す流れ図である。当業者には理解できるように、タービンエンジンの経済効率を向上させ、場合によっては最大限に高めるための２つの主要な（しかし相反する）考慮事項は一般に、１）タービンブレード部品寿命、および２）タービンエンジンの運転温度である。上述のように、一般にタービンエンジンの運転温度が高まると、ブレードの動作寿命は短縮する。一方、タービンエンジンの運転温度が低下すると、ブレードの動作寿命は延長する。換言すると、タービンエンジンの運転温度の上昇に伴って、実質的にブレードの動作寿命の短縮に起因するコストが生じる。しかし一方では、一般的に運転温度が高まると収益も高まる。運転温度の高さは一般に、タービンの動作効率の上昇に比例するので、ピーク時間の発生、ターンダウン運転、または暑い日の運転などのある時点では、かなりの追加収益を生じることもある。
【００３０】
予測部品コストをタービンエンジンの運転温度の上昇に関連する何らかの予測追加収益と比較することによって、予測部品コストを正確に近似計算または予測できる。このようにして、タービンのオペレータは、タービンエンジンの運転温度を修正すべきであるか否かについて、経済効率の高い決定を下すことができる。従って、一般に、予測部品コストが運転温度の上昇から期待される予測追加収益を上回る場合は、タービンのオペレータはタービンの運転温度を上昇させない。一方、予測部品コストが運転温度の上昇から期待される予測追加収益を下回る場合は、タービンのオペレータはタービンの運転温度を上昇させる。
【００３１】
本出願の実施形態による例示的方法を、流れ図６００に示す。この方法はまず、ブロック６０２において、解析対象の予想運転温度を求める。本明細書で用いる「タービンエンジンの運転温度」（または場合によっては、単に「運転温度」）は、広義にタービンエンジンのタービン区画を通じた全体的な温度レベル、またはタービンエンジンのタービン区画を通じた軸方向の温度プロファイルの近似値を表すことを意味している。当業者には理解できるように、単一の温度測定は一般に、タービンエンジンの「運転温度」の伝達を意図するものであるが、「タービンの運転温度」は、タービン区画内の特定の軸方向のポイントにおける単一の温度に関する記載であっても良い。場合によっては、予想運転温度はタービンエンジンの実際の運転温度よりも高温であっても良い。別の場合は、予想運転温度は、タービンエンジンの実際の運転温度よりも低温であっても良い。場合によっては、予想運転温度は、タービンエンジンの実際の運転温度よりも僅かに高いか僅かに低くても良い。予想運転温度は、制御システムによって自動選択されても、オペレータによって手動選択されても良い。
【００３２】
この方法は、ブロック６０２に続いて、ブロック６０４およびブロック６０６に進むことができる。この方法のブロック６０４において、予想運転温度に関連するブレード部品の予測コストを計算する。図７に関連して以下に詳述するように、この予測コストは、計算されたブレードのクリープ速度に基づいて求められる予想運転温度に鑑みて、ブレードの予測部品コストを求めることによって計算される。ブレード部品寿命と運転温度とは反比例の関係にあるので、ブレードの予測部品コストは一般に、予想運転温度が上昇すると低下する。ブレードの予測部品コストはブレードの予測部品寿命が短縮すると増大するので、ブレードの予測部品コストと運転温度とは一般に正比例の関係にあり、すなわち運転温度が上昇するとコストは増大する。
【００３３】
これと同時にブロック６０６において、従来の手段により予測運転温度に関する予測収益データを計算する。上述のように、運転温度の高さは一般にタービンの運転効率の上昇に対応するので、ピーク時間の発生、ターンダウン運転、または暑い日の運転などのある時点では、かなりの追加収益を生ずることができる。予測収益データを、従来の手段および方法を用いて計算することができる。
【００３４】
この方法は次いで、ブロック６０８に進み、ブロック６０４で計算され得られたブレードの予測部品コストを、ブロック６０６で計算された予測収益データと比較する。次いでブロック６１０において、この比較の結果を、（必然的に先立つサイクルで既に完了している筈の）タービンエンジンの現在の運転温度において完了した同様の比較の結果、または異なる運転温度で完了した同様の比較の別の結果と比較する。
【００３５】
ブロック６１２において、これらの比較に基づいて、タービンエンジンの運転温度を予想運転温度に修正することが経済効率を向上させるか否かについて推奨がなされる。すなわち、ブレードの予測部品コストと予想運転温度における予測収益データとの比較において、予想運転温度への修正が経済的な結果を生じる場合（すなわちコスト収益比が高い場合）は、タービンエンジンの運転温度を予想運転温度に修正すべきであるとの推奨がタービンのオペレータに対してなされる。一方、ブレードの予測部品コストデータと予想運転温度における予測収益データとの比較において、予想運転温度への修正が不経済な結果を生じる場合（すなわちコスト収益比が低い場合）は、タービンエンジンの運転温度を予想運転温度に修正すべきではないとの推奨がタービンのオペレータに対してなされる。システムのオペレータに対する推奨は、推奨に従って動作する制御システムに対する自動メッセージであっても良く、または、コンピュータのスクリーン上にメッセージの態様によって、またはその他の同様の通信方法によって人間のオペレータに対して推奨がなされても良い。この方法は、ブロック６１２の後、ブロック６０２に戻り、また別の予想運転温度を求め、解析することができる。
【００３６】
当業者には理解できるように、上述の方法は、各々の予想運転温度におけるブレードの予測部品コストの精度を高めることによって、その効果を高めることができる。本出願の実施形態によるこの計算の精度を高めるための例示的方法を、流れ図７００に示す。以下により詳細に記載するが、流れ図７００に示す方法は、より正確なクリープ予測を行うことができるよう、実際に測定されたクリープと測定された熱プロファイルとを有するブレードのクリープ計算の較正または置換を含む。それによってより正確な予測部品寿命の計算だけでなく、ブレードのより正確な部品コストデータの計算を行うことが可能になる。なお、以下に記載する全てのステップが必ずしも本発明の有効な利用に必要ではないことに留意されたい。本出願の特許請求の範囲に示すように、この方法は、流れ図７００に示す１つまたは複数のステップを省いても効果的に実行可能である。
【００３７】
いくつかの実施形態において、ブロック７０２において、タービンエンジンの運転条件に関するデータを集め、すなわち収集し、解析し、保存することができる。運転条件に関するデータは、例えばタービンの排気温度、燃焼室への燃料流量、コンプレッサへの吸気流量、周囲温度、タービンの回転速度などを含むタービンエンジンの運転状態に関するデータを含むことができる。運転条件に関するデータは、ブレードが運転中に直面している運転条件に関するデータ、および既に直面した運転条件に関するデータを含むことができる。当業者には理解できるように、このデータは従来の手段と方法とによって収集可能である。
【００３８】
ブロック７０４において、各ブレードの半径方向の応力プロファイルを集め、すなわち収集し、解析し、保存することができる。半径方向の応力プロファイルは、（ブロック７０２の一部として収集された）現在のロータ回転速度と、ブレードの既知の形状に応じて計算される。当業者には理解できるように、半径方向の応力プロファイルを、従来の手段および方法によって得ることができる。
【００３９】
ブロック７０６において、各ブレードの現在のプロファイルを集め、すなわち収集し、解析し、保存する。熱プロファイルデータは、各ブレードの半径方向の温度プロファイルに関するデータ、すなわち各ブレードの半径方向長さに沿った異なる位置における温度測定値を含むことができる。熱プロファイルデータは、ブレードが運転中に曝されている半径方向の温度プロファイルデータ、および既に曝された半径方向の温度プロファイルデータを含むことができる。このデータを、上述のように従来の赤外線高温計４０によって補完した監視システム２０、および／またはブレードの軸方向変形監視システム３０を用いて、収集、解析および保存することができる。
【００４０】
ブロック７０８において、各ブレードの計算された半径方向の応力プロファイルおよび実際の半径方向の熱プロファイルに鑑みて、各ブレードの予測クリープ速度データを計算することができる。これは、従来の手段および方法によって行うことができる（いくつかの実施形態では、流れ図６００の一部として上述したステップ６０４において、予測クリープ速度だけを用いることによっても、ブレードの予測部品コストを求めることができることに留意されたい。ブレードの実際の半径方向の熱プロファイルを用いることで計算結果の精度が向上したことによって、本発明は従来のものよりも高い精度を実現できる。）。
【００４１】
ブロック７１０において、タービンエンジンの運転中に各ブレードの測定されたクリープデータを集め、すなわち収集し、解析し、保存することができる。測定されたクリープデータは、ブレードが現在直面している半径方向および／または軸方向のクリープ量、および既に直面した（実際に測定された）半径方向および／または軸方向のクリープ量、（実際に測定された）クリープ発生速度、およびクリープに対応する熱条件に関するデータを含むことができる。これらのデータは上述のように、ブレードの半径方向変形監視システム２０および／またはブレードの軸方向変形監視システム３０と、制御システムとを用いて、収集、解析および保存される（いくつかの実施形態において、流れ図６００の一部として上述したステップ６０４において、測定されたクリープデータから計算されたクリープ速度だけを用いることによっても、ブレードの予測部品コストデータを求めることができることに留意されたい。実際に測定されたクリープ速度を用いることで計算結果の精度が向上したことによって、本発明は従来のものよりも高い精度を実現する。）。
【００４２】
ブロック７１２において、各ブレードにおいて測定されたクリープデータと、測定されたクリープデータに対応する運転条件に関するデータおよび熱プロファイルデータとに鑑みて、予測クリープ速度データが、測定されたクリープデータの実際に測定されたクリープ速度と一致するように、予測クリープ速度データを計算して較正する。次いで、これらの較正された計算を用いて、ブレードが既に直面した運転条件に関するデータ、熱プロファイルデータおよび実際に測定されたクリープ速度データを考慮した将来のクリープ速度予測を表す較正されたクリープ速度データを計算する。タービンエンジンの運転を継続すればするほど、クリープデータが蓄積されてゆき、タービンの運転条件に関するデータおよび熱プロファイルデータが多様化するので、較正されたクリープ速度のデータ計算は正確なものになる。
【００４３】
ブロック７１４において、較正されたクリープ速度データを用いて、各タービンブレード部品寿命を計算することができる。当業者には理解できるように、クリープが進行しすぎると、ブレードは本来の交換時期より以前に変形せざるを得ない。すなわち、ブレードに発生したクリープがある時点で、ブレードの有効寿命に関わる所定の限界値に達する。この限界値に達すると、ブレードを交換しなければならない。較正されたクリープ速度データを用いると、ブレードがこの限界値に達するまでにどの程度の時間があるかを正確に予測することができ、それによってさらに、タービンの特定の運転条件におけるブレードの有効寿命が消耗する速度が明らかになる。
【００４４】
ブロック７１６において、ブレードの有効寿命が消耗する速度を用いて、特定のタービンの運転条件についてのブレード部品の予測コストデータを求めることができる。ブレードの有効寿命が延長する割合とブレードの交換コストとの積を、ブレードの予測部品コストとすることができる。この計算に、その他高温部品を加味しても良い。次いで、流れ図６００のブロック６０４において、先ほど求めた数値を用いて、タービンが修正された運転温度で動作することでより経済効率が高まるか否かについて、より正確な計算を行うことができる。ブレード部品コストの計算後、プロセスはブロック７０２に戻り、その他の計算を遂行する。
【００４５】
上述の本発明による好ましい実施形態の説明から、当業者にはそれらの様々な改良、変更および修正が想起可能であろう。当業者に可能なかかる改良、変更および修正は、添付の特許請求の範囲に包含されるものとする。また、明らかなように、本明細書に記載の実施形態は説明目的によってなされたものであって、添付の特許請求の範囲に定義する本発明の精神および範疇、またはそれと同等とみなされる範囲から逸脱することなく、それらを様々に変更および修正することができる。
【符号の説明】
【００４６】
２  ガスタービン
４  コンプレッサ
５  コンプレッサブレード
６  燃焼室
８  タービン
９  タービンブレード
１０  ダイヤフラム
１１  ロータ
１２  タービンケーシング
２０  ブレードの半径方向変形監視システム
２２  近接センサ
３０  ブレードの軸方向変形監視システム
３２  上流の近接センサ
３４  下流の近接センサ
４０  赤外線高温計
【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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