JP2000130103A - Gas turbine stationary blade structure and life controlling method therefor - Google Patents

Gas turbine stationary blade structure and life controlling method therefor

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JP2000130103A
JP2000130103A JP10305018A JP30501898A JP2000130103A JP 2000130103 A JP2000130103 A JP 2000130103A JP 10305018 A JP10305018 A JP 10305018A JP 30501898 A JP30501898 A JP 30501898A JP 2000130103 A JP2000130103 A JP 2000130103A
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JP
Japan
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gas turbine
crack
cracks
blade
stationary blade
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Pending
Application number
JP10305018A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuhiro Isobe
展宏 磯部
Yasushi Hayasaka
靖 早坂
Shigeo Sakurai
茂雄 桜井
Kunihiro Ichikawa
国弘 市川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress maximum crack growth of a gas turbine stationary blade and to attain long lives of parts by preliminarily providing cooling holes on paths of cracks for a portion in which growth of the cracks is estimated and making a structure in which stress strength at tips of the cracks is reduced at a point of time when the cracks reach the cooling holes. SOLUTION: When thermal fatigue cracks 3 are detected in a gas turbine stationary blade, development of the cracks 3 is suppressed by working holes 4 in the growth directions of the cracks 3 and reducing specific stress field at tips of the cracks 3 when the cracks 3 reach the holes 4. Because the shapes of the holes 4 reduce stress concentration in the growth directions of the cracks 3, the holes 4 are made elliptical or race track type holes in which the growth directions of the cracks 3 become a minor axis. Because there are many cases where portions generating these thermal fatigue cracks 3 can be estimated from a structural analysis or analysis of trends of past damage data, sometimes these holes 4 are preliminarily worked at a portion where the cracks 3 are estimated to be generated when manufactured.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンにお
いて、燃焼器からの燃焼ガスを整流するための高温部品
であり、高温の燃焼ガスに曝され、熱疲労やクリープに
よる損傷を受けるため定期的に点検が行われ、必要に応
じて補修等の処置が施される静翼に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-temperature component for rectifying combustion gas from a combustor in a gas turbine, which is exposed to high-temperature combustion gas and is regularly damaged because it is damaged by thermal fatigue and creep. In addition, the present invention relates to a stationary vane that is inspected and repaired as necessary.

【0002】[0002]

【従来の技術】ガスタービン高温部品はプラントの起動
停止に伴って生じる熱ひずみの繰返しや定常運転中の高
温環境下で生じるクリープ変形などの損傷が生じる。初
段静翼は燃焼器出口の直後に位置し、タービンの中で最
も高温に曝される部品であり、ガスタービンの運転中に
は高い熱ひずみが発生する。また近年、起動停止回数の
多い運用が頻繁に行われるようになり、上記熱ひずみの
繰返しによる熱疲労が部材損傷の主要因となっている。
初段静翼における実際の損傷の形態としては、熱疲労き
裂の発生,進展である。それら損傷の成長による機能の
低下や、さらには事故や故障によりプラントを長時間停
止することのないように、適当な間隔で定期検査を行わ
れ、き裂の発生状況などが調査される。図3にその点検
時に得られたき裂発生状況のスケッチの例を示す。な
お、補修,部品交換などの判断も観察されたき裂長さに
基づいて判断される。
2. Description of the Related Art High-temperature components of gas turbines suffer from damages such as repeated thermal strains caused by the start and stop of the plant and creep deformation caused in a high temperature environment during steady operation. The first stage vane is located immediately after the combustor outlet, and is the part of the turbine that is most exposed to high temperatures, and generates high thermal strain during operation of the gas turbine. In recent years, operations with a large number of start / stop times are frequently performed, and thermal fatigue due to repetition of the above-described thermal strain is a main factor of damage to members.
The actual form of damage in the first stage vane is the initiation and propagation of thermal fatigue cracks. Periodic inspections are performed at appropriate intervals to investigate the occurrence of cracks, etc., so that the plant will not be shut down for a long time due to the growth of these damages, or even accidents or breakdowns. FIG. 3 shows an example of a sketch of the crack initiation situation obtained during the inspection. It should be noted that judgments such as repair and parts replacement are also made based on the observed crack length.

【0003】このようにき裂の成長が静翼の寿命を支配
しており、部品を長寿命化するためには熱応力を低減す
るなどして、き裂の成長を抑制することが必要となる。
熱応力を低減させる構造としては、特開平8−135402号
公報や同平8−135403号公報がある。これらの構造は、
特開平8−135402 号公報では、翼部を薄肉化し、併せて
内部に補強リブを設けることで、冷却強化と翼部剛性の
確保を行っている。また特開平8−135403 号公報では、
エンドウオールを分割することで、個々の静翼セグメン
トの熱変形量を低減し、低熱応力化する構造が提案され
ている。
As described above, the growth of a crack governs the life of a stationary blade, and it is necessary to suppress the growth of the crack by reducing thermal stress or the like in order to extend the life of a component. Become.
As structures for reducing thermal stress, there are JP-A-8-135402 and JP-A-8-135403. These structures are
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-135402, the cooling of the blade is ensured and the rigidity of the blade is ensured by reducing the thickness of the blade and providing a reinforcing rib inside. In JP-A-8-135403,
A structure has been proposed in which the end walls are divided to reduce the amount of thermal deformation of each vane segment and to reduce the thermal stress.

【0004】しかし、図3に示すように、エンドウオー
ルと翼の付根部など応力集中部から大きなき裂進展が観
察されており、冷却強化などにより、き裂の発生量が小
さくなっても、これらの最大き裂の成長を抑制できなけ
れば、長寿命化は達成されない。
However, as shown in FIG. 3, large crack growth is observed from stress concentrated portions such as the end portions of the pea and the blade, and even if the amount of crack generation becomes small due to cooling enhancement, etc. Unless the growth of these maximum cracks can be suppressed, long life cannot be achieved.

【0005】実開昭58−191302号公報,同昭61−80302
号公報では、動翼を対象に、溝を加工することでき裂の
成長を抑制する構造が提案されている。ここで用いられ
ている溝は、未貫通のものであり、非常に浅いき裂に対
しては有効であるが、き裂深さが溝の深さを超えたとき
には、その効果はほとんどなくなる。また、実構造物に
おいて応力状態は多軸場であることが多く、加工溝に平
行な方向以外の応力成分も作用するため、かえって強度
低下を招く可能性もある。
Japanese Utility Model Application Laid-Open No. 58-191302, 61-80302
Japanese Patent Laid-Open Publication No. HEI 7-214969 proposes a structure that can process a groove and suppresses crack growth for a rotor blade. The grooves used here are not penetrated and are effective for very shallow cracks. However, when the crack depth exceeds the depth of the grooves, the effect is almost lost. Further, in the actual structure, the stress state is often a multiaxial field, and a stress component other than the direction parallel to the machining groove also acts, so that the strength may be rather reduced.

【0006】このような構造を改良することで、き裂の
成長を抑制するには、そこでき裂の成長が遅くなり、か
つそれらが新たなき裂の起点とならないように、溝やス
トップホールの形状,位置等を的確に定める必要があ
る。
[0006] In order to suppress the growth of cracks by improving such a structure, the growth of the cracks and stop holes is controlled so that the growth of the cracks is slowed and they do not become the starting points of new cracks. It is necessary to precisely determine the shape, position, etc.

【0007】さらに、個々の静翼セグメントにより、最
大き裂の発生位置が異なることも多く、検査時には静翼
全面を観察する必要が生じ、検査時間が長くなるという
問題もある。
Furthermore, the position of the maximum crack occurrence often differs depending on the individual stator blade segments, and it is necessary to observe the entire surface of the stator blade at the time of inspection, which causes a problem that the inspection time becomes longer.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ガス
タービン静翼の最大き裂成長を抑制し部品の長寿命化を
達成することを目的とする。また、検査時間を短縮させ
るためにも、き裂の発生位置が数箇所に限定できるよう
な構造を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to suppress the maximum crack growth of a gas turbine stationary blade and achieve a longer life of a component. Another object of the present invention is to provide a structure capable of limiting the crack generation position to several locations in order to shorten the inspection time.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記した熱疲労き裂成長
の駆動力となる熱応力は、温度変動に伴う熱変形が拘束
されることにより生じる。したがって、部材の構造上の
拘束を小さくすることなどで、熱応力を低減すれば、き
裂の成長が抑制される。しかし、一旦き裂が発生する
と、その部分の拘束が小さくなるため、熱応力などの変
位制御型の負荷に対しては、き裂の成長自体が、構造上
の拘束を小さくすることにつながる。
The above-mentioned thermal stress, which is the driving force for the thermal fatigue crack growth, is generated by restraining thermal deformation due to temperature fluctuation. Therefore, if the thermal stress is reduced by reducing the structural constraint of the member, crack growth is suppressed. However, once a crack is generated, the constraint at that portion is reduced. Therefore, under a displacement control type load such as thermal stress, the growth of the crack itself leads to a reduction in the structural constraint.

【0010】しかし、き裂先端は特異応力場となり、そ
の特異場の強さを表すパラメータである応力拡大係数や
J積分は、き裂が成長するに伴い大きくなるため、特異
応力場の強さを小さくする必要がある。特異応力場を小
さくするには、き裂先端の曲率が小さくなるような構造
とすれば良い。
However, the crack tip becomes a singular stress field, and the stress intensity factor and the J integral, which are parameters representing the strength of the singular field, increase as the crack grows. Needs to be smaller. In order to reduce the singular stress field, the structure may be such that the curvature of the crack tip is small.

【0011】そこで、予め、き裂の成長が予想される部
位に対して、き裂の経路上に冷却孔を設けておき、き裂
がその冷却孔に達した時点で、き裂先端の応力強さが小
さくなるような構造とする。
Therefore, a cooling hole is previously provided on a crack path for a portion where a crack is expected to grow, and when the crack reaches the cooling hole, the stress at the tip of the crack is increased. The structure is such that the strength is reduced.

【0012】このような構造とすることにより、温度変
動時の熱変形をき裂の開閉口が吸収し、熱応力が低減さ
れる。さらにき裂先端の特異応力場の強さも低減される
ので、その後のき裂進展を抑制し長寿命化することがで
きる。さらに、予めき裂の起点となる切欠きを上記冷却
孔と併せて設けることにより、き裂の発生部位を特定化
し、検査時の作業量を低減させる。
With such a structure, the thermal deformation caused by the temperature fluctuation is absorbed by the opening / closing opening of the crack, and the thermal stress is reduced. Further, since the strength of the singular stress field at the tip of the crack is also reduced, subsequent crack growth can be suppressed and the life can be extended. Further, by providing in advance a notch serving as a starting point of a crack together with the cooling hole, a site where the crack has occurred is specified, and the amount of work at the time of inspection is reduced.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】図1,図2に本発明の実施の形態
の例を示す。熱疲労き裂3が検出された際に、そのき裂
の成長方向に孔4を加工し、き裂が孔4に達した時に、
き裂先端の特異応力場を小さくすることで、そのき裂の
進展を抑制する。また、その孔の形状は、き裂の成長方
向の応力集中を小さくするため、き裂の成長方向が短軸
となる楕円あるいはレーストラック型の孔となる。な
お、これらの熱疲労き裂が発生する部位は、構造解析あ
るいは過去の損傷データの傾向解析から推定できる場合
が多いので、予め製作時にこれらの孔は、き裂が発生す
ると予想される部位に加工されることもある。
1 and 2 show an example of an embodiment of the present invention. When the thermal fatigue crack 3 is detected, the hole 4 is machined in the growth direction of the crack, and when the crack reaches the hole 4,
By reducing the singular stress field at the crack tip, the crack growth is suppressed. Further, the shape of the hole is an elliptical or race-track type hole in which the growth direction of the crack is a short axis in order to reduce stress concentration in the growth direction of the crack. The locations where these thermal fatigue cracks occur can often be estimated from structural analysis or trend analysis of past damage data. It may be processed.

【0014】図3(a),(b)に、定期検査時に観察さ
れた、ガスタービン静翼のき裂発生状況のスケッチの例
を示す。き裂は主に翼とエンドウオールのコーナー部な
どの応力集中部から成長していることが分かる。上記し
たき裂成長を抑制するための孔を加工する位置を、過去
の損傷データから特定するために、例えば、以下のよう
な処置がとられる。
FIGS. 3 (a) and 3 (b) show examples of sketches of the state of occurrence of cracks in the gas turbine stationary blade observed during the periodic inspection. It can be seen that the cracks grew mainly from the stress concentrated portions such as the corners of the wing and the pea. In order to identify the position where the hole for suppressing the crack growth described above is processed from the past damage data, for example, the following treatment is performed.

【0015】図4(a),(b),図5(a),(b)に示
すように、静翼をいくつかの部位に分割し、その各部位
ごとのき裂発生状況をデータとして保存し、対象となる
静翼の損傷発生状況を入力として、過去のデータベース
からその静翼と近い損傷をうけた静翼のデータを検索す
る。それらの傾向解析により、逆問題的にき裂の成長方
向および寿命を評価する。
As shown in FIGS. 4 (a), 4 (b), 5 (a), 5 (b), the stator vane is divided into several parts, and the crack occurrence status of each part is recorded as data. The data is stored and the data of the damaged vane near the stationary vane is retrieved from the past database using the damage occurrence status of the target vane as an input. Crack growth direction and life are evaluated inversely by the trend analysis.

【0016】図6,図7にその実機におけるき裂成長デ
ータの例を示す。これらはある1台のガスタービンの全
ての静翼において、定期検査時に観察されたき裂長さ
を、横軸を起動停止回数としてまとめたものである。図
6がエンドウオール部に発生したき裂で、図1に示した
タイプのものである。図7は翼後縁部からのき裂であ
り、図2に対応する。このようなデータが上記した傾向
解析に使用される。
FIGS. 6 and 7 show examples of crack growth data in the actual machine. These summarize the crack lengths observed during periodic inspections in all the stationary blades of a certain gas turbine, with the horizontal axis representing the number of times of starting and stopping. FIG. 6 shows a crack generated at the end wall portion, which is of the type shown in FIG. FIG. 7 shows a crack from the wing trailing edge, and corresponds to FIG. Such data is used for the trend analysis described above.

【0017】図8にエンドウオール部の翼付け根部から
のき裂に対して、上記した孔の位置を求めた例を示す。
図8は構造解析の結果より、同部の主応力方向を矢印7
で示したものである。き裂は主応力に垂直な方向に成長
すると考えられるので、き裂の進展方向は図中8で示し
た実線の方向になると予想される。その結果、孔9がき
裂成長を抑制するための孔として加工される。
FIG. 8 shows an example in which the positions of the above-mentioned holes are determined with respect to the crack from the root of the wing at the end portion.
FIG. 8 shows that the principal stress direction of the same part is indicated by an arrow 7 from the result of the structural analysis.
It is shown by. Since the crack is considered to grow in the direction perpendicular to the principal stress, the direction of crack propagation is expected to be the direction of the solid line shown in FIG. As a result, the hole 9 is processed as a hole for suppressing crack growth.

【0018】翼後縁部では、同方向に複数のき裂が発生
するため、図9に示すようにこの部分の冷却孔を翼高さ
方向に長径をもつ楕円孔とし、この冷却孔にき裂進展抑
制の効果を持たせる。ここで、翼高さ方向に長径を持た
せるのは、き裂の成長方向から考えると、この部位では
翼高さ方向の応力成分が支配的であり、その方向の応力
集中を低減させるためである。
At the trailing edge of the blade, a plurality of cracks are generated in the same direction. Therefore, as shown in FIG. 9, the cooling hole in this portion is formed into an elliptical hole having a longer diameter in the blade height direction. It has the effect of suppressing crack growth. Here, the reason why the major axis is given in the blade height direction is that, considering the crack growth direction, the stress component in the blade height direction is dominant in this part, and the stress concentration in that direction is reduced. is there.

【0019】以上では、き裂の成長を抑制するための孔
は、発生したき裂あるいはき裂の成長が予想される部位
を評価して、その部位に加工された。図10は、図3と
は別の静翼のき裂発生状況のスケッチを示したもので、
外周側エンドウオールの最大き裂発生位置が図3の静翼
と異なっている。このように、き裂の発生位置は翼ある
いはセグメントにより異なるため、現状では、静翼全て
の部位について、定期検査の際にき裂の発生状況が調査
されている。このような調査を簡略化し、検査時間を短
縮することも、運用コストの低減には重要である。
In the above description, a hole for suppressing the growth of a crack was formed at a site where a crack that has occurred or a site where the growth of a crack is expected is evaluated. FIG. 10 shows a sketch of a crack generation state of a stationary blade different from FIG.
The position of the maximum crack initiation of the outer peripheral side wall is different from that of the stationary blade of FIG. As described above, since the crack occurrence position differs depending on the blade or the segment, at present, the crack occurrence state is investigated at the time of a periodic inspection for all portions of the stationary blade. Simplifying such investigations and shortening inspection time is also important for reducing operating costs.

【0020】そこで、き裂の発生位置が、各セグメント
で同じとなるように、予めき裂の起点となる切欠きを加
工し、それとき裂の成長方向に、上記したき裂の成長を
抑制するための孔を組み合わせることで、き裂の発生位
置を特定化し、検査あるいは補修に要する時間を短縮す
る。
Therefore, the notch serving as the starting point of the crack is processed in advance so that the crack generation position is the same in each segment, and the above-described crack growth is suppressed in the crack growth direction. By combining the holes, the position where the crack is generated is specified, and the time required for inspection or repair is reduced.

【0021】図11,図12はその構造の例である。部
材のある端部からき裂が発生する場合には図11のよう
な構造がとられる。また部材内にき裂の起点となる切欠
きを加工する場合には、その図12のように、切欠きの
両側にストップホールとなる孔が加工される。
FIGS. 11 and 12 show examples of the structure. When a crack is generated from an end of a member, a structure as shown in FIG. 11 is adopted. When a notch serving as a starting point of a crack is formed in a member, holes serving as stop holes are formed on both sides of the notch as shown in FIG.

【0022】図13,図14はその構造の静翼への適用
例を示している。図13はエンドウオール部への適用例
であり、応力解析の結果、翼とエンドウオールの付根部
が応力集中部となり、き裂の起点になることが多いの
で、そこに切欠きを加工する。同様に翼後縁部について
も、図14に示すように、上記構造が導入される。
FIGS. 13 and 14 show an example of application of the structure to a stationary blade. FIG. 13 shows an example of application to the end wall portion. As a result of stress analysis, the root of the blade and end wall becomes a stress concentration portion and often becomes the starting point of a crack. Therefore, a notch is formed there. Similarly, as shown in FIG. 14, the above-described structure is also introduced to the wing trailing edge.

【0023】き裂成長を抑制するための孔の位置の決定
方法については、以下の2通りの方法がある。1つは、
予め許容き裂長さが定められている場合に、その許容長
さとなる位置を孔の位置とする方法である。もう1つ
は、これらのき裂の駆動力が、熱応力による変位制御型
の負荷であり、き裂の成長により熱変形が吸収され、発
生応力が小さくなるため、き裂が大きくなるほど進展速
度が小さくなる傾向にあることを利用するものである。
There are the following two methods for determining the position of a hole for suppressing crack growth. One is
This is a method in which, when an allowable crack length is determined in advance, a position corresponding to the allowable length is set as a hole position. The other is a displacement control type load due to thermal stress, in which the crack growth absorbs thermal deformation and reduces the generated stress. Is used to take advantage of the tendency to decrease.

【0024】一般に疲労き裂成長速度da/dNは、図
15に示すように、破壊力学パラメータである繰返しJ
積分範囲の指数関数で与えられる。このJ積分はき裂成
長の駆動力と考えられる。静翼材であるCo基超合金で
はこの関係は次式となる。
In general, as shown in FIG. 15, the fatigue crack growth rate da / dN is a fracture mechanics parameter J
It is given by the exponential function of the integration range. This J integral is considered to be the driving force for crack growth. For a Co-base superalloy, which is a stationary blade material, this relationship is expressed by the following equation.

【0025】[0025]

【数1】 da/dN=5.63×10-5(ΔJ)1.72 …(数1) ここで、da/dNおよびΔJの単位はそれぞれ、mm/
cycle ,kN/mである。
Da / dN = 5.63 × 10 −5 (ΔJ) 1.72 (Equation 1) Here, the units of da / dN and ΔJ are mm / dN, respectively.
cycle, kN / m.

【0026】ガスタービン静翼のように、内外表面で温
度勾配が生じるような条件で使用される部材では、部材
断面に、図16に示すような、大きな応力勾配が生じ
る、すなわち、最大応力が高温側の表面に発生し、板厚
内部では急激に応力が減少する。このような応力場をき
裂が成長する場合の、き裂深さとJ積分範囲の関係を求
めた例を図17に示す。これは、板厚内の応力分布を2
次曲線で近似して求めたものである。板厚の約1/3ま
では、J積分値は増加していくが、その後き裂の成長に
伴い、徐々にJ積分値は減少していくことが分かる。
In a member such as a gas turbine stationary blade used under conditions where a temperature gradient is generated on the inner and outer surfaces, a large stress gradient is generated in the cross section of the member as shown in FIG. It occurs on the surface on the high temperature side, and the stress decreases rapidly inside the plate thickness. FIG. 17 shows an example in which the relationship between the crack depth and the J-integral range when the crack grows in such a stress field is obtained. This is because the stress distribution in the thickness is 2
It is obtained by approximation using a quadratic curve. It can be seen that the J-integral value increases up to about 1/3 of the plate thickness, but then gradually decreases as the crack grows.

【0027】これと数1から、き裂進展速度も、き裂が
板厚の1/3以上の深さになると、小さくなる傾向にあ
ることが分かる。したがって、このようなき裂進展速度
が減少するき裂長さとなる位置に、孔を加工することが
好ましい。図17はき裂深さ方向についての評価を行っ
ているが、実際に観察されるのはき裂表面長である。そ
のき裂表面長と深さの関係を、実機静翼について求めた
例を図18に示す。同図では横軸にき裂深さと板厚の
比、縦軸にき裂表面半長と深さの比を取ったものであ
る。この関係は、部材形状が同一で、応力分布形が相似
であれば、同一となる。この関係を用いて、表面長から
深さを推定することができる。
From this and Equation 1, it can be seen that the crack growth rate also tends to decrease when the crack has a depth of 1/3 or more of the plate thickness. Therefore, it is preferable to process the hole at a position where the crack length is such that the crack growth rate decreases. FIG. 17 shows the evaluation in the crack depth direction, but what is actually observed is the crack surface length. FIG. 18 shows an example in which the relationship between the crack surface length and the depth was obtained for the actual machine stationary blade. In the figure, the horizontal axis shows the ratio between the crack depth and the plate thickness, and the vertical axis shows the ratio between the crack surface half length and the depth. This relationship is the same if the member shapes are the same and the stress distribution shapes are similar. Using this relationship, the depth can be estimated from the surface length.

【0028】そこで、き裂進展速度の許容値を、検査の
間隔とその期間で予定されている起動停止回数から求
め、進展速度がその値以下となるJ積分値およびき裂深
さを図15と図17を用いて推定し、それと図18から
孔を加工する位置が定められる。
Then, the allowable value of the crack growth rate is obtained from the inspection interval and the number of times of starting and stopping scheduled in the period, and the J-integral value and the crack depth at which the growth rate becomes less than that value are shown in FIG. 17, and the position where the hole is to be machined is determined based on this and FIG.

【0029】例えば、許容されるき裂進展速度が4×1
-4mm/cycle であった時、J積分範囲は、数1から、
3.12kN/m 以下とする必要がある。評価部位の作
用応力範囲(弾性解析値)を1120MPaとすると、図17
の縦軸の値は2.5×10-6となり、き裂進展速度が4
×10-4mm/cycle以下となるき裂の板厚比は0.93と
なる。板厚比0.93に対するアスペクト比は、図18
から、0.17となる。評価部位の板厚を10mmとする
と、き裂表面半長cは54.7mm となり、き裂起点より
それ以上離れたところに、ストップホールを加工すれば
よい。
For example, if the allowable crack growth rate is 4 × 1
When 0 -4 mm / cycle, the J integral range is given by
It is necessary to be 3.12 kN / m or less. Assuming that the acting stress range (elasticity analysis value) of the evaluation part is 1120 MPa, FIG.
The value of the vertical axis is 2.5 × 10 -6 , and the crack growth rate is 4
The thickness ratio of the cracks of not more than × 10 −4 mm / cycle is 0.93. The aspect ratio with respect to the plate thickness ratio of 0.93 is shown in FIG.
Is 0.17. Assuming that the plate thickness of the evaluation portion is 10 mm, the crack surface half length c is 54.7 mm, and a stop hole may be formed at a position further away from the crack initiation point.

【0030】加工する孔の寸法は、その部分が応力集中
部となり、孔からのき裂発生が生じないように設定され
る。すなわち、切欠き先端からのき裂発生寿命が、予定
されている運用時間以上となるように、孔の曲率半径な
どが決定される。有限要素法などによる、詳細な構造解
析が実施される場合には、その結果に基づいて、寸法が
決定される。
The dimensions of the hole to be machined are set so that the portion becomes a stress concentration portion and no crack is generated from the hole. That is, the radius of curvature of the hole and the like are determined so that the life of crack initiation from the notch tip is equal to or longer than the scheduled operation time. When a detailed structural analysis is performed by a finite element method or the like, dimensions are determined based on the results.

【0031】簡易的には、例えば図19のように、この
部分が切欠きとスリットを組み合わせた構造となり、こ
のように形状の応力集中係数が切欠き部の曲率と両端を
結んだ距離で表される、図中破線で示したような、楕円
の応力集中と同じになると考えられるので、次式の楕円
の応力集中係数αから形状が決定される。
For simplicity, for example, as shown in FIG. 19, this portion has a structure in which a notch and a slit are combined, and the stress concentration coefficient of the shape is expressed by the curvature of the notch and the distance connecting both ends. Is considered to be the same as the stress concentration of the ellipse as shown by the broken line in the figure, the shape is determined from the stress concentration coefficient α of the ellipse in the following equation.

【0032】[0032]

【数2】 α=1+2(a/ρ) …(数2) ここで、aは楕円の長径であり、ρは切り欠き先端の曲
率半径である。作用応力は、一般には、き裂がない部材
の構造解析で求められるが、き裂進展速度が実機データ
などから得られる場合には、数1からJ積分値を逆算
し、それとき裂長さから作用応力が推定される。aに対
応するき裂長さが大きい場合ほど、曲率半径ρは大きく
とられる。数2は一様な引張応力が作用する場合の応力
集中係数であり、応力分布形状が異なる場合には、それ
に対応した値が用いられる。
Α = 1 + 2 (a / ρ) (2) where a is the major axis of the ellipse and ρ is the radius of curvature of the notch tip. The acting stress is generally obtained by a structural analysis of a crack-free member. However, if the crack growth rate can be obtained from actual machine data, the J integral value is calculated back from Equation 1 and then the crack length is calculated from the crack length. The working stress is estimated. The larger the crack length corresponding to a, the larger the radius of curvature ρ. Equation 2 is a stress concentration coefficient when a uniform tensile stress acts. If the stress distribution shapes are different, a value corresponding to the stress distribution shape is used.

【0033】このようにして求められた切欠き底の応力
から、平滑材の疲労寿命線図をもとに、き裂発生寿命が
求められる。き裂発生寿命は、切欠き底から1結晶粒径
程度のき裂が発生した時の寿命と定義され、平滑材デー
タもそれに対応したものが用いられる。
From the stress at the notch bottom obtained in this way, the crack initiation life is obtained based on the fatigue life diagram of the smooth material. The crack initiation life is defined as the life when a crack of about one crystal grain size is generated from the notch bottom, and the corresponding data of the smoothing material is used.

【0034】なお、上記した切欠き底の応力は弾性応力
集中係数を用いて求められるので、一般には、応力を高
く見積もることになり、安全側の評価となる。切欠き底
の曲率が大きい場合などは、過度に安全側の評価となる
ので、その裕度を小さくし、合理的な評価を行うため
に、ノイバー則により切欠き底の応力評価が行われる。
図20にノイバー則による応力の求め方を示す。図中K
tが弾性応力集中係数、Δσn ,Δσがそれぞれ公称お
よび切欠き底での応力範囲である。
Since the stress at the notch bottom is obtained by using the elastic stress concentration coefficient, the stress is generally estimated to be high, which is an evaluation on the safe side. When the curvature of the notch bottom is large, the evaluation on the safe side is excessively performed. Therefore, in order to reduce the margin and perform a rational evaluation, the stress evaluation of the notch bottom is performed according to the Neubar rule.
FIG. 20 shows how to determine the stress according to the Neubar rule. K in the figure
t is the elastic stress concentration factor, and Δσ n and Δσ are the nominal and the stress range at the notch bottom, respectively.

【0035】[0035]

【発明の効果】本発明手法により、ガスタービン静翼の
最大き裂成長が抑制され、部品の長寿命化と運用期間中
の部品の信頼性向上が達成される。また、個々の静翼セ
グメントにより、従来は異なっていた最大き裂の発生位
置を数箇所に特定化し、点検時の作業量を低減させるこ
とが可能となる。
According to the method of the present invention, the maximum crack growth of the gas turbine stationary blade is suppressed, and the life of the component is extended and the reliability of the component during operation is improved. In addition, the location of the maximum crack occurrence, which has been different in the past, can be specified at several locations by individual stator vane segments, and the amount of work required for inspection can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例であるガスタービン静翼の外周
側エンドウオールの平面図。
FIG. 1 is a plan view of an outer peripheral end wall of a gas turbine stationary blade according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1のガスタービン静翼の翼後縁部の斜視図。FIG. 2 is a perspective view of a trailing edge portion of the gas turbine stationary blade of FIG. 1;

【図3】(a)及び(b)はガスタービン静翼のき裂発
生状況のスケッチの例を示す斜視図。
FIGS. 3A and 3B are perspective views showing examples of a sketch of a crack occurrence situation of a gas turbine stationary blade.

【図4】部位ごとの最大き裂の分布状況を示す特性図。FIG. 4 is a characteristic diagram showing a distribution state of a maximum crack for each site.

【図5】(a)及び(b)は図4における静翼の部分分
割斜視図。
5 (a) and 5 (b) are partial perspective views of the stationary blade in FIG. 4;

【図6】外周側エンドウオールにおけるき裂長さと起動
停止回数の関係を示す特性図。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a crack length and the number of times of starting and stopping in an outer peripheral side wall.

【図7】翼後縁部におけるき裂長さと起動停止回数の関
係を示す特性図。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the crack length and the number of times of starting and stopping at the trailing edge of the blade.

【図8】エンドウオールのき裂進展方向の予測を示す
図。
FIG. 8 is a view showing prediction of a crack propagation direction of pea.

【図9】翼後縁部の冷却孔を示す斜視図。FIG. 9 is a perspective view showing cooling holes at the trailing edge of the blade.

【図10】ガスタービン静翼のき裂発生状況のスケッチ
の例を示す斜視図。
FIG. 10 is a perspective view showing an example of a sketch of a crack occurrence state of a gas turbine stationary blade.

【図11】縁き裂の起点となる切欠きとストップホール
を組み合わせた構造の例を示す図。
FIG. 11 is a diagram showing an example of a structure in which a notch serving as a starting point of an edge crack and a stop hole are combined.

【図12】表面き裂の起点となる切欠きとストップホー
ルを組み合わせた構造の例を示す図。
FIG. 12 is a diagram showing an example of a structure in which a notch serving as a starting point of a surface crack and a stop hole are combined.

【図13】図15の実機静翼への適用例を示す平面図。FIG. 13 is a plan view showing an example of application to the actual machine stationary blade of FIG. 15;

【図14】実機静翼への適用例を示す斜視図。FIG. 14 is a perspective view showing an application example to an actual machine stationary blade.

【図15】き裂進展速度とJ積分範囲の関係を示す特性
図。
FIG. 15 is a characteristic diagram showing a relationship between a crack growth rate and a J integration range.

【図16】部材内の応力勾配を示す特性図。FIG. 16 is a characteristic diagram showing a stress gradient in a member.

【図17】図16の応力場でのJ積分とき裂深さの関係
を示す特性図。
FIG. 17 is a characteristic diagram showing a relationship between a J-integral and a crack depth in the stress field of FIG. 16;

【図18】き裂のアスペクト比と板厚比の関係を示す特
性図。
FIG. 18 is a characteristic diagram showing a relationship between a crack aspect ratio and a plate thickness ratio.

【図19】楕円孔にき裂が到達したときの応力集中部を
示す図。
FIG. 19 is a diagram showing a stress concentration portion when a crack reaches an elliptical hole.

【図20】応力範囲とひずみ範囲との関係を示す特性
図。
FIG. 20 is a characteristic diagram showing a relationship between a stress range and a strain range.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…外周側エンドウオール、2…翼部、3…熱疲労き
裂、4…き裂成長を抑制するための孔、5…翼後縁部、
6…内周側エンドウオール、7…主応力方向を示す矢
印、8…予測き裂進展方向を示す矢印、9…翼腹側の冷
却孔、10…き裂の起点となる切欠き、11…ストップ
ホール、12…外周側エンドウオールに加工されたき裂
の起点となる切欠き、13…翼後縁部に加工されたき裂
の起点となる切欠き。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Outer end wall, 2 ... Blade part, 3 ... Thermal fatigue crack, 4 ... Hole for suppressing crack growth, 5 ... Blade trailing edge,
Reference numeral 6 denotes an inner peripheral end wall, 7 denotes an arrow indicating a principal stress direction, 8 denotes an arrow indicating a predicted crack growth direction, 9 denotes a cooling hole on a blade ventral side, 10 denotes a notch serving as a crack starting point, and 11 denotes a crack. Stop hole, 12: Notch serving as the starting point of a crack formed in the outer peripheral end wall, 13 ... Notch serving as the starting point of a crack formed in the trailing edge of the blade.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜井 茂雄 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 市川 国弘 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 Fターム(参考) 3G002 GA08 GB00 GB01  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Shigeo Sakurai 502 Kandachicho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Pref. Machinery Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Kunihiro Ichikawa 3-1-1 Sachicho, Hitachi-shi, Hitachi, Ibaraki Stock F-term in the Hitachi Plant of Hitachi, Ltd. (reference) 3G002 GA08 GB00 GB01

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】圧縮機で圧縮された空気に、燃焼器で燃料
を加えて燃焼ガスを発生させ、その高温,高速の燃焼ガ
スによりタービンを回転させ、発電機を駆動するガスタ
ービンにおいて、上記タービンの燃焼ガスを動翼に最適
となる角度で送り込むために、燃焼器直後に位置し、タ
ービンの起動停止に伴って生じる温度変動による熱疲労
損傷を受けるガスタービン静翼において、構造解析ある
いは実機における熱疲労き裂分布データから、高応力が
発生し、き裂の成長が予想される部位について、き裂の
起点になると予想される点から、き裂の成長経路と推定
される領域に、冷却孔を有することを特徴とするガスタ
ービン静翼構造。
1. A gas turbine for driving a generator by adding fuel in a combustor to air compressed by a compressor to generate combustion gas, rotating the turbine by the high-temperature, high-speed combustion gas, and driving a generator. In order to send the combustion gas from the turbine to the rotor blade at an optimal angle, the gas turbine vane located immediately after the combustor and subjected to thermal fatigue damage due to temperature fluctuations caused by the start / stop of the turbine is subjected to structural analysis or actual equipment From the thermal fatigue crack distribution data at the point where high stress is generated and the crack growth is expected, from the point where the crack is expected to be the starting point, to the area estimated to be the crack growth path, A gas turbine vane structure having a cooling hole.
【請求項2】請求項1記載のガスタービン静翼におい
て、楕円形の冷却孔をエンドウオールの翼後縁部付根か
らタービン軸に平行な線上に、楕円の短軸方向がタービ
ン軸方向となるように設けたことを特徴とするガスター
ビン静翼構造。
2. A gas turbine stationary blade according to claim 1, wherein the elliptical cooling hole is formed on a line parallel to the turbine axis from the root of the trailing edge of the end blade, and the minor axis direction of the ellipse is the turbine axis direction. A gas turbine vane structure characterized by being provided as described above.
【請求項3】請求項1記載のガスタービン静翼におい
て、翼後縁部近傍の翼とエンドウオールのコーナー部の
翼側に、翼高さ方向が長軸となる楕円孔を有することを
特徴とするガスタービン静翼構造。
3. The gas turbine stationary blade according to claim 1, wherein an elliptical hole having a major axis in the blade height direction is provided on the blade side near the trailing edge of the blade and on the blade side near the corner of the end wall. Gas turbine stationary blade structure.
【請求項4】請求項1記載のガスタービン静翼におい
て、翼腹側の後縁部近傍の冷却孔の形状を、翼高さ方向
が長軸となる楕円孔とすることを特徴とするガスタービ
ン静翼構造。
4. The gas turbine vane according to claim 1, wherein the shape of the cooling hole in the vicinity of the trailing edge of the blade ventral side is an elliptical hole whose major axis is in the blade height direction. Turbine stationary blade structure.
【請求項5】熱疲労による損傷を受け、疲労き裂の発
生、成長が寿命を支配する請求項1記載のガスタービン
静翼において、き裂の起点になると予想される点に切欠
きを有し、その切欠きからき裂の成長が予想される線上
に楕円形の冷却孔を有することを特徴とする請求項1記
載のガスタービン静翼構造。
5. The gas turbine stationary blade according to claim 1, wherein the life of the gas turbine vane is affected by damage due to thermal fatigue, and the generation and growth of a fatigue crack has a notch. 2. The gas turbine vane structure according to claim 1, wherein the gas turbine vane structure has an elliptical cooling hole on a line where crack growth is expected from the notch.
【請求項6】請求項1記載のガスタービン静翼におい
て、翼後縁部付根のエンドウオール側に、タービン軸方
向の切欠きと、そこからタービン軸方向に引いた線上に
楕円孔を有することを特徴とするガスタービン静翼構
造。
6. The gas turbine vane according to claim 1, wherein a cutout in the turbine axial direction is provided on the end wall side of the root of the blade trailing edge, and an elliptical hole is formed on a line drawn in the turbine axial direction therefrom. Gas turbine vane structure characterized by the following.
【請求項7】請求項1記載のガスタービン静翼におい
て、翼後縁部のエンドウオール付根付近に切欠きを有
し、さらに、そこから燃焼ガスの流れ方向の上流側に楕
円孔することを特徴とするガスタービン静翼構造。
7. The gas turbine stationary blade according to claim 1, wherein the blade has a notch near the root end of the blade trailing edge, and further has an elliptical hole from there at an upstream side in the flow direction of the combustion gas. Characteristic gas turbine vane structure.
【請求項8】請求項5記載のガスタービン静翼構造にお
いて、切欠きから楕円孔までの距離を、予め定められた
限界き裂長さと同じくしておき、点検時にき裂が楕円孔
に達しているかどうかで、補修,交換を判断することを
特徴とするガスタービン静翼の寿命管理方法。
8. The gas turbine vane structure according to claim 5, wherein the distance from the notch to the elliptical hole is made equal to a predetermined limit crack length, and the crack reaches the elliptical hole during inspection. A method for managing the life of a gas turbine stationary blade, characterized in that repair or replacement is determined based on whether or not it is present.
【請求項9】請求項5記載のガスタービン静翼構造にお
いて、切欠きから楕円孔までの距離を、その距離をき裂
長さと見なしたときに推定されるき裂進展速度が、予め
定められた値よりも小さくすることを特徴とするガスタ
ービン静翼構造。
9. The gas turbine stationary blade structure according to claim 5, wherein a crack propagation speed estimated when a distance from the notch to the elliptical hole is regarded as a crack length is predetermined. Gas turbine vane structure characterized in that the gas turbine vane structure is smaller than the predetermined value.
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