(57)【要約】【課題】  産業用機械、特にガスタービンエンジンの部品を模擬現場熱作動条件下で試験及び評価する、新品部品の設計及び補修技術を効率的に評価するための装置及び方法を提供する。【解決手段】  被験機械部品／部材（１００）を試験用チャンバ（２００）に配置し、モニタリング（１１０）しながら周期的に加熱・冷却（１４０）して、部品の組織中での亀裂発生及び進展に関する情報を得る。部品に亀裂が発生するまで部品が持ちこたえた加熱−サイクル数に関する情報及び亀裂の成長速度の指標となる情報を得て（２４０）、複数の加熱サイクルで比較して部品及び補修技術を評価する。一実施形態では、周期的加熱−冷却中に自発的アコースティックエミッションについて部品を監視し、アコースティックエミッションの波形データを記録及び分析する（１１０）ことによって、亀裂の発生及び／又は進展を判定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
模擬現場熱作動条件下で機械部品を試験する装置であって、
被験部品（１００）を加熱するための熱源（１２０）と、
被験部品（１００）を加熱するための熱源を、所定の経時的加熱温度プロファイルに従って周期的に制御する熱源コントローラ（１４０）と、
被験部品（１００）の表面に取り付けられた１以上のトランスデューサー（１０１）であって、被験部品（１００）内の音響及び／又は振動を感知してアコースティックエミッションの波形信号を生成するトランスデューサー（１０１）と、
トランスデューサー（１０１）で生成したアコースティックエミッションの波形信号を取得し比較する多チャンネル音響信号分析器（１１０）であって、特定の波形信号が被験部品の亀裂発生及び／又は亀裂進展の指標となる、多チャンネル音響信号分析器（１１０）と、
熱源（１２０）及び被験部品を収容するためのハウジング（２００）と
を備える装置。
【請求項２】
前記熱源が誘導加熱器である、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記ハウジングが不活性ガスを含んでいる、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記熱源が電気抵抗ヒータである、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記熱源が加熱用石英ランプである、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記被験部品がガスタービンエンジン部品である、請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記１以上のトランスデューサーが縦波トランスデューサーである、請求項１記載の装置。
【請求項８】
被験部品の表面に配置されたトランスデューサーアレイをさらに含んでいて、同アレイが被験部品内の亀裂箇所を示す複数の音響信号を与える、請求項１記載の装置。
【請求項９】
機械部品における亀裂の補修を評価する方法であって、
特定の機械部品（１００）の現場熱作動条件を少なくとも部分的に模擬した所定の温度プロファイルに従って機械部品（１００）を繰返し周期的に加熱し放冷するステップであって、周期的な加熱−冷却を機械部品（１００）で亀裂が進展するまで続けるステップと、
複数の加熱−冷却サイクルに際して機械部品（１００）で発生したアコースティックエミッション（１１０）を監視するステップと、
機械部品（１００）内での亀裂発生の指標となるアコースティックエミッションの波形を同定するステップと、
機械部品（１００）で亀裂が発生するのに要する加熱−冷却サイクルの第１の数量を求めるステップと、
部品（１００）で生じた亀裂を補修するステップと、
部品の補修が完了した後、亀裂発生の指標となるアコースティックエミッションの波形が検出されるまで、補修した部品のアコースティックエミッションを監視しながら同部品を追加の加熱−冷却サイクルに付すステップと、
補修した部品で亀裂が発生するのに要する加熱−冷却サイクルの第２の数量を求めるステップと、
補修した部品で亀裂が発生するのに要する加熱−冷却サイクルの第２の数量と、補修前の部品で亀裂が発生するのに要する加熱−冷却サイクルの第１の数量とを比較するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は概して、亀裂の発生及び進展に関するデータを得るため新品又は補修機械部品を試験し評価する装置及び方法に関し、具体的には、周期的な熱応力に付される新品又は補修タービンエンジン部品を試験及び評価して亀裂の発生及び進展に関するデータを得るための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの設計及び補修技術の分野では、タービンエンジン部品の機械／構造設計を正確に評価することができて、現場での実施前に、新規又は各種の部品補修技術の有効性を確実に検証できれば、非常に望ましい。また、新品又は補修部品の構造的健全性及び耐久性の有効な評価が、少なくともある程度は、部品が実際の作動環境下で生じる応力に付されたときに起こり得る亀裂の発生及び進展に関する正確な情報を得ることに基づいていることは公知である。産業及び工業用機械の多く、特にガスタービンエンジン部品における亀裂形成の最たる原因の一つは、使用時に部品が繰返し付される熱応力である。従前、実際の熱作動条件下でタービンエンジンの個々の部材又は部品を簡単かつ安価にしかも正確に試験し評価して、亀裂の発生及び進展についての正確で信頼性の高いデータが得られる装置又は方法はなかった。従来、新しい部材／部品の設計又は部品の補修法／技術の成功の見込みを予測する方法では、通例、タービンエンジン全体でのフル稼働試験又はいわゆる「フリートリーダー（fleet leader）」試験のいずれかを実施して、実際の作動環境下での部品を現場（in situ）で評価することが必要とされていたが、いずれの試験も実施に多大な時間がかかりかねず、いずれの試験とも実施に莫大な費用を要する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、個々のタービンエンジン部品及び／又は他の大型／複雑な産業機械部品を実際の作動条件の熱応力下で試験し評価するための簡単かつ安価で正確な装置及び方法であって、機械又はタービンエンジンを上記試験法に付す必要のない装置及び方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本願では、新設計及び新たな補修技術を評価するため、産業機械部品を模擬現場（simulated in-situ）熱作動条件下で監視して部品内での亀裂発生及び進展に関する情報を得る装置及び方法について開示する。特に、個々のタービンエンジン部材／部品並びに補修部材／部品を模擬現場熱作動条件下で検査、試験及び評価するための装置及び方法の具体例について開示する。本発明の非限定的な実施形態では、被験部品又は部材を、不活性ガスを充填した加熱チャンバに設置し、次いでアコースティックエミッション（ＡＥ）を監視しながら周期的に加熱及び放冷する。特定の部品について予測される実際の作動条件に基づいて、その部品の現場温度プロファイルを作成する。その部品／部材が用いられる特定の機械、エンジン又はシステムにおける部材／部品の実際の熱作動条件を少なくとも部分的に模擬するため、この所定の温度プロファイルを用いて加熱及び冷却サイクルを制御する。こうした被験部品の周期的な加熱−冷却は、部品組織で亀裂が進展するまで継続する。加熱−冷却サイクル中に発生したアコースティックエミッションと、被験部品で亀裂が発生するのに要する加熱−冷却サイクル数とを監視、記録及び分析して、熱応力並びに亀裂の発生及び進展に関する情報を得る。アコースティックエミッションの波形をさらに監視及び分析し、亀裂が所定の長さに進展するのに要する加熱−冷却サイクル数をさらに追跡することによって、特定の部品における亀裂の進展及び成長速度に関する情報を得ることもできる。
【０００５】
上述の機械部品で亀裂が発生及び／又は進展するのに要する加熱−冷却サイクルの数に関する情報を得るためのアコースティックエミッションの使用に加えて或いは代えて、他の様々な公知の検査／非破壊試験（ＮＤＥ）技術を用いてもよい。例えば、亀裂発生の検出／観測及び亀裂進展の監視には、蛍光浸透探傷検査（ＦＰＩ／ＬＰＩ）、超音波検査、渦電流検査、磁粉探傷検査、赤外線サーモグラフィカメラ検査（ＦＬＩＲカメラなど）及び／又は目視検査のような様々な周知の慣用材料検査／検出技術を使用し得る。
【０００６】
本発明の例示的な実施形態に係る方法及び装置の少なくとも一つの態様は、新規／各種の補修技術の評価及び検証における応用である。本願では、亀裂進展を惹起させる試験の第１段階の後、従来又は新開発の補充技術を用いて部品を補修し、次いで亀裂発生及び進展が再度起こるまで再び繰返し／周期的加熱−冷却及び音響監視プロセスに付す。こうして、補修前と補修後の部品で亀裂が発生するまで持ちこたえられる熱サイクル数に関する情報、複数回の試験の反復から得られる亀裂の進展速度及びアコースティックエミッションに関するデータを比較すれば、新しい補修技術及び新しい部品設計の評価に有効に使用できる。
【０００７】
少なくとも一つの態様では、本発明の非限定的な実施形態は、機械部品の実際の現場熱作動条件を模擬するためのプログラム可能な周期的熱応力試験装置を、被験部品のアコースティックエミッションの監視及び分析と組合せて用いることによって、新しい機械部品の評価及び部品補修法の検証のための新しい方法及び及び方法を提供する。
【０００８】
本発明の非限定的な実施形態の別の態様では、１個の部品について試験するのに全タービンエンジン試験を実施する労力及び費用を必要とせずに、新しい部品の形状、設計並びに部品補修技術を評価及び検証するため同部品の現場熱作動条件を模擬することのできるガスタービンエンジン部材／部品の試験装置及び方法を提供する。
【０００９】
本発明の非限定的な実施形態に係る試験装置及び方法のさらに別の態様では、タービンエンジン部品の設計及び補修技術をその機械の実際の作動条件下で分析する方法の代替手段を提供する。
【００１０】
本発明の非限定的な実施形態のさらに別の態様では、現場熱作動条件下で様々な形状の機械部品を比較的迅速かつ安価に試験し評価するための装置及び方法を提供する。
【００１１】
本発明の非限定的な実施形態のさらに別の態様は、機械部品の試験プロセスを、人の手を介さずに多数の熱「サイクル」にわたって長期間実施できるように自動化することである。
【００１２】
本発明の実施形態のさらに別の態様は、部品が作動する実際の機械をフル稼働試験に付さずに、従来の試験法よりも高い信頼性で亀裂発生及び進展に関する情報を得ることである。
【００１３】
本発明の非限定的な実施形態に係る試験装置及び方法のさらに別の態様は、様々な機械部品の稼働条件及び環境を再現できることであり、新しい部品設計及び部品補修技術の有効性を評価するための簡単かつ安価で正確な方法を与える。
【００１４】
本発明の非限定的な実施形態に係る試験装置及び方法のさらに別の態様は、亀裂発生及び進展試験法の実施に当たり、強制加熱及び／又は強制冷却サイクルの使用によって、エンジン作動サイクルを有効に模擬することができて、過酷な試験を短時間で促進して実施できることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、模擬現場熱作動条件下で個々の機械部品（すなわち被験部品）を試験及び評価するための、周期的な加熱及び／又は冷却機能とアコースティックエミッション監視機能とを兼ね備えたシステム例の基本機能のロック図である。本発明の非限定的な実施形態では、特に部品の組織中での亀裂の発生及び進展に関するデータを得るために、機械部品を加熱して放冷する繰返しサイクルで検出される自発的音響「ヒット」（つまり所定の閾値又は振幅を超える音波又は振動の放出）のエネルギー及び振幅を記録及び分析する。被験部品で亀裂の発生までに要する加熱−冷却サイクル数及び／又は亀裂が所定の大きさ／距離まで進展するのに要する加熱−冷却サイクル数も記録される。各加熱−冷却サイクルで、加熱される部品１００の温度を監視し、加熱を所定の温度プロファイルに維持する。本発明の非限定的な実施形態では、この所定の温度プロファイルは、特定の機械内での実際の現場作動条件を模倣する。所定の温度プロファイルは、独立した熱源１２０と、被験部品の温度を監視して加熱・冷却時間及び加熱サイクル時間を制御する熱源コントローラ１４０との使用によって実施され、正確に維持される。熱源コントローラ１４０に部品温度の情報を与えるため、赤外線（ＩＲ）パイロメーター１３０或いは部品と接触して設けられた他の１以上の熱電対温度検出装置１３５が用いられる。非常に高感度の熱電対デバイスを用いる場合には、過熱によるセンサの損傷又は誤差を軽減するための耐熱性を与えるため、被験部品（の適当な箇所）に取付けブラケットその他の支持プラットフォーム１３６を溶接又は把持してもよい。
【００１６】
加熱促進のための熱源を設けることに加えて、冷却促進のために適当なヒートシンク又は温度低下／冷却源を、熱源１２０と併用又は置き換えてもよい。コントローラ１４０は、温度を制御及び調整するとともに、部品の過酷な試験を短時間で促進して実施するため熱源と冷却源を個々に協調的に又は所定の順序で作動するのに用いられる。冷却の促進には、強制冷却気流、ドライアイス、液体窒素のような様々な慣用の技術及び装置を用いることができる。
【００１７】
本発明の非限定的な実施形態では、熱サイクル炉と従来のアコースティックエミッション分析機器との組合せを用いて、複数のタービンエンジントリップ（すなわち、複数の全停止→全負荷→全停止サイクル）の際に生じる熱応力が、タービンエンジンの特定の部品又は補修部品の構造的健全性に与える影響をシミュレート及び分析する。図１を参照すると、被験部品１００（例えば、試験すべき新型部材／部品モデル又は補修部材）の表面に、１以上の縦波音響トランスデューサー１０１を装着する。音響トランスデューサー１０１は、熱源１２０及びコントローラ１４０による所定の加熱−冷却温度プロファイルでの熱サイクルに付された部品１００から放出される音響振動を検出する。複数の熱サイクルで起こり得る部品の構造的健全性のあらゆる変化を比較・分析用に記録するため、複数の加熱−冷却サイクル全体を通して、所定の閾値を超える自発的振動又はアコースティックエミッションのエネルギー及び振幅を検出し、記録する。具体的には、被験部品から得られるアコースティックエミッションの波形は、加熱−冷却サイクル中に熱応力に付された被験部品内で生じ得る伸縮振動、相変化、亀裂発生及び進展などの指標となる情報を与える。特に、検出されるアコースティックエミッションのあるものは、部品内で起きる亀裂発生及び亀裂進展プロセスの特異的な指標となる特有の識別可能な波形を有する。
【００１８】
図１に示すように、各加熱−冷却サイクル全体を通して、１以上のトランスデューサー１０１からの信号を、従来の多チャンネル音響信号分析器１１０に送る。信号強度及び信号対ノイズ（ＳＮ）比を向上させるため、トランスデューサー１０１からの信号の前置増幅／フィルタ手段１０２を設けてもよい。多チャンネル音響信号分析器１１０はコンピュータ内蔵型のものであってもよいし、或いは従来のデスクトップ型又はラップトップ型コンピュータに接続して亀裂発生及び進展の同定のための音響信号の分析及び／又はトランスデューサー１０１から得られた異なる信号波形の比較が実施できるように構成してもよい。好適な実施形態で使用し得る従来の多チャンネル音響信号分析器の一例としては、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ社（米国ニュージャージー州プリンストン・ジャンクション）製のｍｉｃｒｏＤｉＳＰ−８アコースティックエミッション分析装置が挙げられる。
【００１９】
所定の現場作動条件を模擬した温度に部品１０を加熱するため、可変温度制御式熱源１２０が設けられる。熱源１２０は、誘導加熱コイル、放射加熱用石英ランプ又は電気抵抗ヒータなどの所望の温度範囲で制御可能な従来の加熱装置を任意の数で用いたものでも、或いは組合せたものでもよい。適当な熱源コントローラ１４０を用いて熱源１２０を制御して各サイクルで所定の温度プロファイルに従う複数の加熱−冷却サイクルを生じさせる。各加熱−冷却サイクル全体を通して部品１００の温度を監視するとともに熱源１２０の出力を制御する熱源コントローラ１４０に温度フィードバック信号を送るため、赤外線パイロメーター１３０を用いる。或いは、熱電対センサ１３５その他の温度検出素子を用いて、温度フィードバック信号を熱源コントローラ１４０に送ってもよい。
【００２０】
本発明の一実施形態に係る機械部品の試験及び評価方法では、被験部品１００の加熱及び冷却は、その部品内で亀裂が進展するまで周期的に繰り返す。亀裂の発生及び進展は、上述の１以上の音響トランスデューサーからのアコースティックエミッション信号の分析によって決定できる。さらに、複数のトランスデューサー１０１を互いに比較的近接して部品１００の表面に配置されたアレイとして用いると、アレイを形成する各トランスデューサーからの信号の時間的遅延又は位相シフトなどの分析によって、亀裂の正確な位置を求めることができる。亀裂の位置及び進展を追跡するための部品から検出されたアコースティックエミッションの使用に加えて、亀裂の形成及び進展に関する追加情報を得るための視覚的検出手段としてデジタルカメラ１５０を用いてもよい。さらに、亀裂発生の監視及び／又は亀裂進展の観測のためのアコースティックエミッション分析の代わりに、例えば蛍光浸透探傷検査（ＦＰＩ／ＬＰＩ）、超音波検査、渦電流検査、磁粉探傷検査及び／又は赤外線サーモグラフィカメラ検査などの多種多様な従来公知の材料検査技術を用いてもよい。
【００２１】
上述の通り、本願で開示する機械部品の試験及び評価方法の少なくとも一つの追加の態様は、部品補修法の開発及び検証のためのツールとしての使用である。本願で開示する非限定的な部品補修の検証法では、機械の部材／部品を亀裂が進展するまで周期的に加熱及び冷却し、亀裂が進展した部材／部品を（例えば従来の溶接プロセスなどで）補修し、次いで補修した部品を、最初の亀裂誘起条件と同じ条件つまり実際の現場作動を再現した条件下で再試験する。補修部品で別の亀裂が発生して所定の亀裂長さまで進展するのに要する加熱−冷却サイクルの数量を記録して、補修前の部品の同一試験条件下で得られたデータと比較する。
【００２２】
上述の通り、試験／分析すべき特定の部品について、同部品を予測される稼動条件に加熱及び冷却する温度サイクルプロファイルを予め決定しておく。内部熱源（例えば加熱用石英ランプ、誘導コイル、抵抗炉など）と被験部品を支持するステージとを収容する遮熱筺体又はハウジングを用いることによって、この温度プロファイルはより精密に達成及び維持される。例えば、図２に、遮熱筐体及び被験部品支持構造として機能する標本加熱ボックス／チャンバ２００を備えた非限定的な実施例を示す。この実施例では、誘導加熱コイル素子２１０を有する従来の誘導加熱装置が、加熱ボックス／チャンバ２００内に装着されている。好ましくは、誘導コイル２１０は、その中央に様々な幾何形状の各種機械部材／部品を容易に配置することができる十分に大きな直径のものである。
【００２３】
本発明の非限定的な実施形態では、熱電対２１５から、被験部品１００の温度情報を、別のプログラム可能な加熱システムコントローラ２０５へと送る。或いは、熱電対２１５から温度信号をコンピュータ２４０に直接送り、コンピュータ２４０を誘導加熱コントローラ２０５に接続して部品１００の加熱を制御するのに用いてもよいし、コンピュータ２４０を加熱−冷却サイクルの監視及び制御のためのプログラム可能な熱源コントローラとして用いてもよい。加熱ボックス／チャンバ２００は、ある種の標本支持ステージ／テーブル２０１を備えていてもよいし、（例えば、加熱時の被験部品の酸化損傷を防ぐため）不活性ガスを充填してもよい。図２に示す具体的な実施形態では、誘導加熱を用いているが、被験部品の強制加熱及び／又は冷却のための他の形態又は方法、例えば加熱用石英ランプ、抵抗炉その他試験すべき特定の機械部品を少なくとも予測現場作動温度に加熱／冷却することができる適当な加熱／冷却手段又は構成を用いてもよい。例えば、上述の通り、温度低下／冷却源をチャンバ２００内で使用又は配置して、加熱制御だけでなく冷却制御をするため、熱源１２０と併用してもよいし又は熱源１２０に置き換えてもよい。促進及び／又は過酷試験を短時間で実施するために、加熱・冷却装置と加熱／冷却サイクルとを別個に又は所定の組合せで制御及び調整するのにコントローラ１４０を用いてもよい。
強制冷却の実施には、例えば強制冷却気流、ドライアイス、液体窒素などの従来の技術及び装置を用いることができる。
【００２４】
図２に示すように、被験部品１００には、１以上の表面実装式縦波音響トランスデューサー２２０が取り付けられる。必要に応じて、１以上のトランスデューサーは、部品に溶接又は把持した支持ブラケットその他の支持プラットフォーム１３６に取り付けてもよい。加熱−冷却サイクル中、検出されたアコースティックエミッション及び振動信号は、トランスデューサー２２０から多チャンネル音響分析器２３０に送られる。アコースティックエミッション信号を記録し、波形分析を実施し、検出信号を前回の試験サイクルで得られた情報と比較するため、ラップトップコンピュータ（その他の好適なコンピュータ）２４０を音響分析器２３０と併用する。コンピュータ２４０は、例えばＰｈｙｓｉｃａｌ  Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ社製のｍｉｃｒｏＤｉＳＰ−８型分析装置用のものなど、従来の波形分析ソフトウェアを実装する。コンピュータ２４０は、加熱−冷却サイクルが所定の温度プロファイルに従うようにするため誘導加熱システム２０５を制御するのに使用できる。
【００２５】
本明細書では、本発明をその最良の形態を含めて開示し、併せて当業者が装置又はシステムの製造及び使用並びに方法の実施を始めとした本発明の実施ができるように、具体例を用いて説明してきた。特に、上述の通り、本発明の代替的な実施形態では、被験部品の促進加熱及び／又は冷却のため様々な公知の従来技術及び装置のいずれか又は組合せ、例えば放射加熱用ランプ、誘導加熱、電気抵抗加熱、強制冷却気流、ドライアイス、液体窒素などのを用いることができる。同様に、亀裂発生の監視及び／又は亀裂進展の観測のためのアコースティックエミッション分析に代えて、例えば蛍光浸透探傷検査（ＦＰＩ／ＬＰＩ）、超音波検査、渦電流検査、磁粉探傷検査、赤外線サーモグラフィカメラ検査及び／又は目視検査などの様々な公知の材料検査技術を用いることもできる。
【００２６】
本発明の特許性を有する範囲は特許請求の範囲に規定されており、当業者が想到し得る他の実施形態も包含する。かかる他の実施形態も、特許請求の範囲の記載と文言上の相違点がない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の記載との相違点が実質的でない均等な構成要素を含んでいる場合には、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】模擬現場熱作動条件下での周期的加熱及びアコースティックエミッションの監視を用いた機械部品の試験及び評価システムの実施例の機能全般を概略的に示すブロック図。
【図２】タービン機械の部品を周期的に加熱しアコースティックエミッションを監視するためのシステム及び装置の実施形態の概略を示す部分切り欠き図である。
【符号の説明】
【００２８】
１００  部品／部材
１０１  縦波音響トランスデューサー
１０２  プリアンプ
１１０  多チャンネル分析器
１２０  熱源
１３０  ＩＲパイロメーター
１３５  熱電対センサ
１４０  熱源コントローラ
１４５  トランスデューサーアレイ
１５０  デジタルカメラ
２００  標本加熱ボックス／不活性ガス充填チャンバ
２０１  被験部品ステージ
２０５  導電加熱コントローラ
２１０  誘導加熱コイル
２１５  熱電対デバイス
２２０  トランスデューサー
２３０  音響分析器
２４０  ラップトップコンピュータ
【図１】
2009115795.tif 000003
【図２】
2009115795.tif 000004