(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶合金あるいは一方向凝固合金を用い表面にコーティング層を有するガスタービン高温部品の運転中の表面温度を計測し出力する温度計測装置と、この温度計測装置から出力された温度情報をもとに前記高温部品のコーティング層および基材の温度および歪み量を算出する温度・応力・歪み解析装置と、前記温度計測装置より出力された温度データと前記温度・応力・歪み解析装置より出力された歪みデータを使用してその経時変化に基づいて高温部品の健全性を評価する部品寿命判定装置と、この部品寿命判定装置の出力を受けて高温部品の保守・廃却に関する判断を行う制御装置とを備えたガスタービン運転監視装置において、前記部品寿命判定装置は、前記温度計測装置より連続的にあるいは間歇的にオンライン出力された温度データをもとにセラミックスコーティング層の焼結度と、金属コーティング層とセラミックスコーティング層との接触部における酸化量の経時変化と、前記温度・応力・歪み解析装置より出力された応力及び歪みデータとからセラミックスコーティング層の剥離寿命を求めると共に、前記温度・応力・歪み解析装置より出力された基材の表面温度および蓄積歪み量から疲労あるいはクリープによるき裂発生寿命および、基材表面の再結晶が生じる寿命を判定することを特徴とするガスタービン運転監視装置。
【請求項２】
前記温度計測装置は、光学走査を用いてガスタービン高温部品からの放射エネルギーを検出し、別にあらかじめ求められ経年変化による補正を施された前記ガスタービン高温部品表面の放射率を用いて温度に変換することを特徴とする請求項１記載のガスタービン運転監視装置。
【請求項３】
前記温度計測装置は、部品内部を冷却している冷却媒体の冷却前後の温度変化、または排気した燃焼ガスの温度あるいは燃焼ガス成分の変化からガスタービン高温部品の温度を求めることを特徴とする請求項１記載のガスタービン運転監視装置。
【請求項４】
前記温度・応力・歪み解析装置は、前記温度計測装置から連続的にあるいは間歇的にオンライン出力された温度データにより、あらかじめ高温部品に対して行われた温度・応力解析から求めた結果を補正しコーティング層および基材の温度・応力・歪み量を求めることを特徴とする請求項１記載のガスタービン運転監視装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記部品寿命判定装置より出力された情報をもとにコーティング層のリコーティング時期および再生処理時期を決定し、保守計画データベースに基づき保守時期の判定を行い、保守・廃却あるいは保守時期までのガスタービン運転制御の条件を決定することを特徴とする請求項１記載のガスタービン運転監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービン運転監視装置に係り、単結晶合金あるいは一方向凝固合金を用い、表面に金属やセラミックスのコーティングを施した動翼等のガスタービン高温部品のコーティング層剥離、き裂発生あるいは再結晶化を監視するガスタービン運転監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは燃焼ガスを駆動流体としており、非常に苛酷な条件で運転に供される。その動翼等の高温部品は複雑な燃焼ガスの流れ場の中で用いられており、また冷却構造を有する事から、その実体温度を計測する事は非常に難しい。特に近年は、金属コーティングの上からセラミックスの遮熱コーティングを施すに至り、また、蒸気を用いた冷却技術の採用も行われるようになってきたため、ますます実体温度を求めることは難しくなっている。
【０００３】
現在行われているガスタービン高温部品のメンテナンスのシステムを図７に示す。すなわち、ステップＳ71において主として解析的に求めた温度および応力値と材料データベースから設計寿命を設定し、ステップＳ72において、同一機種、同一運転モードの先行機の保守管理データベース31に基づき、実機の定期検査時の部品の損傷状態に関する情報32を考慮して部品管理寿命の修正を行い、ステップＳ73において保守間隔と部品交換時期の設定をおこなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような部品管理では、初号機の管理寿命設定はできず、また異なる運転モードを採用した場合には新たな寿命設定が必要となる。特に、単結晶合金あるいは一方向凝固合金を用いたガスタービンにおいては、現在の技術では、き裂が生じた場合、応力を分担した形での補修はできないので、き裂を発生させないように部品管理を行う必要がある。
【０００５】
加えて、再結晶が生じると特に単結晶合金は基材寿命の顕著な低下が生じる事も報告されている。また、遮熱コーティングが剥離した場合、基材の表面温度は70℃〜100℃上昇する事から、ただちに破壊事故に至る危険性もある。
【０００６】
しかしながら、これらの現象が生じるまでの寿命を評価する事は、実機の温度を正確に把握できない現状では非常に難しい。そのため、実機の運転条件を正確に把握し、リアルタイムでその状態を基にした寿命管理を行い、開放点検を極力抑えた管理手法の確立が求められている。
【０００７】
そこで本発明は、オンラインで実機の温度計測を行い、その情報を基に設計値との差に基づく管理寿命の補正を行い部品管理を行う、あるいはまた、所定の点検時期までもたすため運転条件の制限を行うことのできるガスタービン運転監視装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、単結晶合金あるいは一方向凝固合金を用い表面にコーティング層を有するガスタービン高温部品の運転中の表面温度を計測し出力する温度計測装置と、この温度計測装置から出力された温度情報をもとに前記高温部品のコーティング層および基材の温度および歪み量を算出する温度・応力・歪み解析装置と、前記温度計測装置より出力された温度データと前記温度・応力・歪み解析装置より出力された歪みデータを使用してその経時変化に基づいて高温部品の健全性を評価する部品寿命判定装置と、この部品寿命判定装置の出力を受けて高温部品の保守・廃却に関する判断を行う制御装置とを備えたガスタービン運転監視装置において、前記部品寿命判定装置は、前記温度計測装置より連続的にあるいは間歇的にオンライン出力された温度データをもとにセラミックスコーティング層の焼結度と、金属コーティング層とセラミックスコーティング層との接触部における酸化量の経時変化と、前記温度・応力・歪み解析装置より出力された応力及び歪みデータとからセラミックスコーティング層の剥離寿命を求めると共に、前記温度・応力・歪み解析装置より出力された基材の表面温度および蓄積歪み量から疲労あるいはクリープによるき裂発生寿命および、基材表面の再結晶が生じる寿命を判定することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、単結晶合金あるいは一方向凝固合金を用い、表面に金属やセラミックスのコーティング層を有するガスタービン高温部品の表面温度を計測し、その温度情報をもとに高温部品のセラミックスコーティング層、金属コーティング層、基材の温度・応力および歪み量を算出し、寿命を判定し、保守管理スケジュールの策定を行うと共に、場合によっては運転温度あるいは起動停止回数を抑えることにより、所定の点検時期まで運転することができるように、高温部品基材のき裂発生あるいは再結晶による基材強度低下を来すことなく運転する期間を判定することができ、セラミックコーティング層の剥離寿命を求めると共に、疲労あるいはクリープによるき裂発生寿命、基材表面の再結晶が生じる寿命を評価することができる。
【００１０】
請求項２の発明は、温度計測装置は、光学走査を用いてガスタービン高温部品からの放射エネルギーを検出し、別にあらかじめ求められ経年変化による補正を施された前記ガスタービン高温部品表面の放射率を用いて温度に変換することを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明によれば、温度計測装置によって光学走査を用いて高温部品からの放射エネルギーを検出し、これを温度に変換することによって連続的にあるいは間歇的にオンラインで温度データを取り込むことができる。
【００１２】
請求項３の発明は、温度計測装置は、部品内部を冷却している冷却媒体の冷却前後の温度変化、または排気した燃焼ガスの温度あるいは燃焼ガス成分の変化からガスタービン高温部品の温度を求めることを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明によれば、高温部品内部を冷却している冷却媒体の冷却前後の温度変化、排気した燃焼ガスの温度あるいは燃焼ガス成分の変化から、高温部品の温度を非接触で求めることができる。
【００１４】
請求項４の発明は、温度・応力・歪み解析装置は、温度計測装置から連続的にあるいは間歇的にオンライン出力された温度データにより、あらかじめ高温部品に対して行われた温度・応力解析から求めた結果を補正しコーティング層および基材の温度・応力・歪み量を求めることを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明によれば、温度計測装置から連続的にあるいは間歇的にオンライン出力された温度データから、ガスタービン高温部品のコーティング層および基材の温度・応力・歪み量を求めることができる。
【００１８】
請求項５の発明は、制御装置は、部品寿命判定装置より出力された情報をもとにコーティング層のリコーティング時期および再生処理時期を決定し、保守計画データベースに基づき保守時期の判定を行い、保守・廃却あるいは保守時期までのガスタービン運転制御の条件を決定することを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明によれば、制御装置においてコーティング層のリコーティング時期および再生処理時期を決定し、保守計画データベースに基づき保守時期の判定を行い、保守・廃却あるいは保守時期までの運転制御の条件を決定することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態のガスタービン運転監視装置を概念的に示すブロック図である。すなわち、本発明の実施の形態のガスタービン運転監視装置１は、温度計測装置２と、温度・応力・歪み解析装置３と、部品構造解析データベース４と、部品寿命判定装置５と、部品寿命解析データベース６と、制御装置７とからなる。
【００２１】
温度計測装置２は、例えばガスタービンの燃焼ガス入口部に設置され、セラミックスコーティングを最外表面にコーティングし、その下に基材との接合と耐高温腐食・酸化のための金属コーティングを施した単結晶あるいは一方向凝固合金で作られたノズルや動翼の表面温度を計測する。
【００２２】
温度・応力・歪み解析装置３は、前記の計測した温度とあらかじめ流体解析及び構造解析により求めた表面解析温度とを照合し、部品構造解析データベース４によって補正することにより最外表面のセラミックコーティング層、その下の金属コーティング層、および基材の温度、応力、歪み量を求める。
【００２３】
部品寿命判定装置５は、前記の温度・応力・歪み量に基づいて部品寿命解析データベース６の値を修正し部品寿命を求める。制御装置７においては、前記求められた部品寿命点検時期、保守時期、部品交換時期の設定、及び規定検査時期まで寿命がないが継続して運転する場合はその運転条件の制限値の設定を行う。
【００２４】
温度計測装置２は、図２に示すように、放射エネルギー計測装置８の計測値と運転時間・起動回数計測装置９の計測値から、ガスタービン高温部品についてあらかじめ求めておいた放射率の経時変化特性図を内蔵する放射率補正装置10によって放射率を補正し、放射エネルギー値を温度変換装置11により求める。なお、放射率の経時変化特性図におけるＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、放射率の時間による変化を補正する補正曲線を求めるために行う試験温度を示している。すなわち、たとえば３温度について放射率の時間による変化のデータを採取し、これを元にして時間および温度依存性の補正式（回帰式）を求めておく。
【００２５】
温度計測装置２によるガスタービン高温部の温度計測は図３のようにしても行うことができる。すなわち、図３（ａ）のように蒸気冷却通路13を設けたノズル12の場合、蒸気冷却通路13の入口の蒸気の温度ＴＩＮと出口の蒸気の温度ＴＯＵＴを蒸気冷却入口温度計測器14あるいは蒸気冷却出口温度計測器15によって測定し、その変化量からノズル本体冷却孔内面の平均的な温度上昇量を求める。
【００２６】
また、図３（ｂ）のように燃焼器17、ノズル12および動翼16が設けられているとき、燃焼器出口温度ＴＣおよび排ガス温度ＴＥを測定しその変化量を算出することにより、各段落毎の平均的なガス温度の上昇量を求める。
【００２７】
温度・応力・歪み解析装置３は、図４に示すように、温度計測装置２により求めた温度および、あらかじめ流体解析と構造解析により求めた部品構造解析データベース４から高温部品各部位における温度を算出し、コーティング層・基材各部位の温度・応力・歪み値を求めるものである。上記算出された温度および求められた温度・応力・歪み値は、部品構造解析データベース４に書き込まれ、データベース４が更新される。
【００２８】
部品寿命判定装置５は、図５に示すように、前記温度・応力・歪み解析装置３により解析され出力された値を基に、コーティング層寿命解析データベース19および基材寿命解析データベース20を使用して部品各部位の損傷量の補正を行い、セラミックスコーティング層の剥離寿命を判定し、基材の再結晶発生寿命を判定し、また、基材のき裂発生寿命を判定する。
【００２９】
また、制御装置７は、図６に示すように、前記部品寿命判定装置５によって求めた各部位の寿命からコーティング層のリコーティングの時期を決定し、あるいは再生処理の時期を決定する。また、保守計画データベース21を使用し、またあらかじめ設定された保守スケジュールを考慮して保守時期の決定を行い、各々の決定時期よりも前に適切な点検時期がある場合には、保守あるいは部品交換を行うよう指示を出し、そうでない場合は遅らせなければならない時期に応じて抑えた運転制御条件を決定する。
【００３０】
このような本実施の形態のガスタービン運転監視装置によれば、実機各部の負荷解析上最も重要な実機温度を正確に把握することができることから、各部位毎に受ける温度・応力・歪み履歴を正確にオンラインで入手することができる。このため各部品部位毎の損傷状況をリアルタイムで正確に把握でき、その損傷があるしきい値以上となり、再結晶化あるいはき裂発生が生じる前に回復処理を施すことができ、あるいは回復処理時の熱履歴で再結晶が生じるようになる前の状態で回復処理を施すことが可能となる。こうして信頼性が大幅に向上すると共に高価な単結晶部品の延命化を図ることが可能となる。
【００３１】
また、定検間隔を崩さずに経済効果のある間隔で点検と回復処理を施すために、運転条件を制御することが可能で、その間運転を継続するための運転条件を決定することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のガスタービン運転監視装置によれば、オンラインで実機の温度計測を行い、その情報を基に設計値との差に基づく管理寿命の補正を行い高温部品管理を行う、あるいはまた、所定の点検時期までもたすためガスタービン運転条件の制限を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のガスタービン運転監視装置を示すブロック図。
【図２】上記実施の形態のガスタービン運転監視装置における温度計測装置を示すブロック図。
【図３】上記実施の形態のガスタービン運転監視装置の温度計測法を示し、（ａ）はノズルの場合、（ｂ）は動翼の場合を示す図。
【図４】上記実施の形態のガスタービン運転監視装置の温度・応力・歪み解析装置の動作を示す図。
【図５】上記実施の形態のガスタービン運転監視装置の部品寿命判定装置の動作を示す図。
【図６】上記実施の形態のガスタービン運転監視装置の制御装置の動作を示す図。
【図７】従来のガスタービン運転監視システムを示す図。
【符号の説明】
１…ガスタービン運転監視装置、２…温度計測装置、３…温度・応力・歪み解析装置、４…部品構造解析データベース、５…部品寿命判定装置、６…部品寿命解析データベース、７…制御装置、８…放射エネルギー計測装置、９…運転時間・起動回数計測装置、10…放射率補正装置、11…温度変換装置、12…ノズル、13…蒸気冷却通路、14…蒸気冷却入口温度計測器、15…蒸気冷却出口温度計測器、16…動翼、17…燃焼器、18…排ガス温度計測器、19…コーティング層寿命解析データベース、20…基材寿命解析データベース、21…保守計画データベース、31…保守管理データベース、32…実機定検情報。
【図１】
0004053211.tif 000002
【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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