JP2004108291A - ガスタービンエンジンの部品劣化予測方法及び性能劣化予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分解検査を要することなく部品劣化状況を把握できるようにする。
【解決手段】ガスタービンエンジンのエンジン台上加速耐久試験、及び、これまでの運用データと、これらのエンジンの分解検査データから、タービンガス温度と、該タービンガス温度の時間変化と、劣化予測すべき部品に生じた劣化状況のデータを収集し、収集されたデータを基に、上記部品の劣化に関するタービンガス温度−時間指標値を予め求める（ステップ１：Ｓ１）。次に、実運用するガスタービンエンジンに関してタービンガス温度の時間変化をモニタリングし（ステップ２：Ｓ２）、該タービンガス温度の時間変化に即して上記タービンガス温度−時間指標値の積算値を求める（ステップ３：Ｓ３）。しかる後、求められた積算値に基づいて実運用しているガスタービンエンジンにおける上記部品の劣化状況を予測する（ステップ４：Ｓ４）。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヘリコプタに用いられるターボシャフトエンジンや航空機用エンジンに用いられるターボプロップエンジン等のガスタービンエンジンを運用する際に、部品の劣化状況や性能の劣化状況を把握できるよう予測するために用いるガスタービンエンジンの部品劣化予測方法及び性能劣化予測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のようなガスタービンエンジンは、空気を導入するファン、導入した空気を圧縮する圧縮機、圧縮された空気に燃料を噴射して燃焼させる燃焼器、燃焼ガスにより回転駆動されてその回転力を上記圧縮機に伝えるようにするタービン等を備えている。このうち、上記燃焼室やタービン等の燃焼ガスに常時曝されるホットセクションには、機械的な応力の他に高温による大きな熱応力が作用することになるため、かかるホットセクションが長時間の運転にどの程度耐えられるかが、そのガスタービンエンジンの定格に影響をもたらすことになる。
【０００３】
そのためガスタービンエンジンを運用する場合には、上記ホットセクションを構成する部品の劣化状況を把握することが重要になり、このために、たとえば、ヘリコプタ用のターボシャフトエンジンの如きガスタービンエンジンでは、該エンジンを定期的に機体から取り卸して分解検査することにより上記ホットセクションの部品の目視検査を実施したり、機体に装着したまま上記ホットセクションの限定された範囲についてボア・スコープ点検を実施して部品の劣化状況を確認するようにしている。更に、運用時間の経過に伴って、エンジン性能が劣化、すなわち、エンジン出力が徐々に低下するため、毎フライトごとに上記エンジンの性能マージンを確認するようにしている。
【０００４】
又、予め設定された時間間隔によってサンプリングされたガスタービンの各部の運転データを所定の処理により標準化して標準化データを作成し、該作成された標準化データを移動平均処理して診断用データを作成し、該作成された診断用データに基づいてガスタービンの運転状態を診断するようにすることも近年提案されてきている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−７３１５６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、実運用しているガスタービンエンジンにおけるホットセクションの部品の劣化状況を確認するために、上記の如く定期的な分解検査を実施する場合は、該分解検査を実施するために整備費用を要するため、コストが嵩むという問題があると共に、分解検査の対象とすべきガスタービンエンジンを機体から取り卸して分解検査を実施している期間中にも上記機体は運用できるようにするために、スペアエンジンが必要になるという問題がある。
【０００７】
更に、異なる機体に装着して運用しているガスタービンエンジンでは、個別に運用状況が異なることに起因して部品や性能の劣化状況がそれぞれ異なるため、一律の定期的な分解検査の実施は個々のエンジンの運用状況に合致しない場合があるという問題も生じる。
【０００８】
一方、ボア・スコープ点検に関しては、該ボア・スコープ点検のみでは、構造上見えない部分や検査が十分に行えない部分があり、点検、検査できない部分が残る虞が生じるという問題がある。
【０００９】
又、上記従来提案されているガスタービンの運転状態の診断方法は、各部運転データから運転条件の変動による影響が除去された状態にてしきい値と比較することによりガスタービンの運転状況を診断できるようにした手法であるが、これは、ガスタービン全体の性能劣化や故障の発生を検出するもので、ガスタービンエンジンの定格に影響をもたらすホットセクションを構成する部品に着目して、ガスタービンエンジンの運用により上記ホットセクションの部品に蓄積する劣化状況を把握するものではない。
【００１０】
そこで、本発明は、ガスタービンエンジンの部品、特にホットセクションを構成する部品の劣化状況及び該部品の劣化に起因するガスタービンエンジンの性能の劣化状況を、分解検査を実施することなく把握できるようにするためのガスタービンエンジンの部品劣化予測方法及び性能劣化予測方法を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、ガスタービンエンジンの運用データ及び分解検査データより、劣化予測すべきホットセクションの部品に作用する温度と、該温度に曝された時間と、上記部品の劣化状況のデータを収集して、予め上記部品の劣化に関する温度−時間指標値を求めておき、実運用するガスタービンエンジンにおけるホットセクションの温度の時間変化をモニタリングして、該ホットセクションの温度の時間変化から上記温度−時間指標値の積算値を求め、該積算値に基づいて上記実運用するガスタービンエンジンにおける上記部品の劣化状況を予測するガスタービンエンジンの部品劣化予測方法とする。
【００１２】
部品に作用した温度条件と、該温度条件に曝された経過時間が判れば、該温度条件に上記の経過時間保持されることに起因して上記部品に生じる劣化の状況（量）が推定できるため、ガスタービンエンジンの運用データ及び分解検査データより、劣化予測すべきホットセクションの部品に作用した温度条件と、該温度条件に曝された時間と、上記部品の劣化状況のデータに基づいて予め定めてある上記部品の劣化に関する温度−時間指標値に、実運用するガスタービンエンジンにおけるホットセクションの温度の時間変化をモニタリングして得た、温度の時間変化を代入して積算値を求めることにより、上記部品に蓄積された劣化が推定されるため、該部品の劣化状況が予測される。
【００１３】
又、ガスタービンエンジンの運用データより、ホットセクションの温度と、該ホットセクションが上記温度に保持された時間と、上記ガスタービンエンジンの性能の劣化状況のデータを収集して、予めガスタービンエンジンの性能劣化に関する温度−時間指標値を求めておき、実運用するガスタービンエンジンにおけるホットセクションの温度の時間変化をモニタリングして、該ホットセクションの温度の時間変化から上記温度−時間指標値の積算値を求め、該積算値に基づいて上記実運用するガスタービンエンジンにおける性能劣化状況を予測するガスタービンエンジンの性能劣化予測方法とすることにより、上記実運用しているガスタービンエンジンの性能の劣化状況を、タービンガス温度の時間変化という個々のガスタービンエンジンごとに異なるデータに基づいて予測でき、更に、個別のガスタービンエンジンごとに性能劣化の状況を把握できるため、毎フライトごとに行う性能マージンの確認を容易に行うことができる。
【００１４】
【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。
【００１５】
ここで、先ず、本発明の基本原理について説明する。
【００１６】
一般に、ガスタービンエンジンは、起動させて回転数をある値まで一旦上昇させると、その後はあまり回転数を変化させることなく運転するため、レシプロエンジンと異なって、回転数はガスタービンエンジンの運用状況を把握するための有効な指標とはなり得ない。
【００１７】
そのため、ガスタービンエンジンの運用状況を的確に把握するための別の指標が必要となり、本発明者は、温度条件に着目した。
【００１８】
すなわち、ホットセクションを構成する部品に高温が作用すると、作用する熱応力により、クリープの発生、高温強度の低下、耐酸化性の低下、耐高温腐食性の低下等の劣化が生じる。
【００１９】
この種の劣化の進行速度は、通常、温度に依存し、ある所要温度以下では、長時間運用しても劣化がほとんど進行しないが、上記所要温度を越えると、運用時間の経過に伴って劣化が進行するようになり、更に温度が高温になるにしたがって、劣化の進行速度も速まる傾向を示す。
【００２０】
このためホットセクションの所要の部品に作用した温度条件と、該温度条件に曝された経過時間が判れば、該温度条件に上記の経過時間保持されることに起因して上記部品に生じる劣化の状況（劣化の蓄積量）が推定できることになる。
【００２１】
したがって、ガスタービンエンジンの運用データ及び分解検査データより、劣化予測すべきホットセクションの部品に作用した温度条件と、該温度条件に曝された時間と、上記部品の劣化状況のデータを収集して、予め上記部品の劣化に関する温度−時間指標値（インデックス）を、温度をＴ、時間をｔとして、
ｆ（Ｔ，１／ｔ）
で表される関数として求めておき、実運用するガスタービンエンジンにおけるホットセクションの温度の時間変化をモニタリングして、該ホットセクションの温度の時間変化から上記温度−時間指標値の積算値θを、
θ＝∫ｆ（Ｔ，１／ｔ）ｄｔ
として求めれば、該積算値θに基づいて上記実運用するガスタービンエンジンにおける上記部品の劣化状況を予測することが可能になるのである。
【００２２】
なお、劣化の進行速度を決定する高温特性は、部品の材質に依存し、又、該部品の高温特性や部品にどのような応力（機械的応力、熱応力）が作用するかによって発生し易い劣化が異なる、すなわち、クリープの発生、高温強度の低下、耐酸化性の低下、耐高温腐食性の低下等の劣化のうちどの劣化が進行し易いかは部品の材質や、その部品の使用部位に依存して決まるため、上記温度−時間指標値を表す関数ｆ（Ｔ，１／ｔ）の内容は、劣化予測すべき部品によってそれぞれ異なることになる。
【００２３】
一方、運用時間の経過に伴ってガスタービンエンジン全体の性能も劣化して、出力低下が生じるようになるが、この性能劣化（出力低下）は、上記ガスタービンエンジンのホットセクションの構成部品が劣化することに伴って生じると考えられるため、該ガスタービンエンジンの性能劣化も温度依存的に劣化の速度が決まると考えられる。
【００２４】
したがって、ガスタービンエンジンの運用データより、ホットセクションの温度と、該温度に保持された時間と、上記ガスタービンエンジンの性能の劣化状況のデータを収集して、予めガスタービンエンジンの性能劣化に関する温度−時間指標値を、上記部品劣化に関する温度時間指標値と同様に、温度Ｔと時間ｔとの関数、すなわち、ｆ（Ｔ，１／ｔ）として求めておき、実運用するガスタービンエンジンにおけるホットセクションの温度の時間変化をモニタリングして、該ホットセクションの温度の時間変化から上記温度−時間指標値の積算値θを、θ＝∫ｆ（Ｔ，１／ｔ）ｄｔとして求めれば、該積算値θに基づいて上記実運用するガスタービンエンジンにおける性能劣化状況も予測することが可能になるのである。
【００２５】
以下、具体的に説明する。図１は本発明の実施の一形態としてガスタービンエンジンの部品劣化予測方法の手順のフローを示すものである。
【００２６】
先ず、ガスタービンエンジンの運用データ及び分解検査データとして、たとえば、上記ガスタービンエンジンのエンジン台上加速耐久試験及びその後の分解検査により、劣化予測すべきホットセクションの所要の部品に作用する温度としてのタービンガス温度と、該タービンガス温度の時間変化と、上記部品に生じた劣化状況のデータを収集し、又、上記ガスタービンエンジンのこれまでの運用データ及び該運用したエンジンの分解検査データから、上記と同様に、タービンガス温度と、該タービンガス温度の時間変化と、上記部品に生じた劣化状況のデータを収集し、これらのデータを基に、上記部品の劣化に関するタービンガス温度−時間指標値を予め求めておく（ステップ１：Ｓ１）。
【００２７】
次いで、実運用するガスタービンエンジンに関してタービンガス温度の時間変化をモニタリングし（ステップ２：Ｓ２）、該タービンガス温度の時間変化に即して上記タービンガス温度−時間指標値の積算値を求め（ステップ３：Ｓ３）、しかる後、該積算値に基づいて上記実運用しているガスタービンエンジンにおける上記部品の劣化状況を予測するようにする（ステップ４：Ｓ４）。
【００２８】
これにより、上述した原理に基づいて上記実運用しているガスタービンエンジンの部品の劣化状況を、分解検査を行うことなく把握することができる。又、タービンガス温度の時間変化という個々のガスタービンエンジンごとに異なるデータに基づいて部品の劣化状況を予測できて、個別のガスタービンエンジンごとに部品劣化状況を把握できるため、該各ガスタービンエンジンの整備計画を立案する上で、有用なデータとして使用でき、このため一律の定期的な分解検査を不要にできることから、整備コストの削減を図ることができると共に整備スケジュールの管理に有利なものとすることができる。
【００２９】
次いで、図２は本発明の実施の他の形態として、ガスタービンエンジンの性能低下予測方法の手順のフローを示すもので、先ず、ガスタービンエンジンの運用データ及び分解検査データとして、たとえば、上記ガスタービンエンジンのエンジン台上加速耐久試験及びその後の分解検査により、劣化予測すべきホットセクションの所要の部品に作用する温度としてのタービンガス温度と、該タービンガス温度の時間変化と、ガスタービンエンジンの性能の劣化状況のデータを収集し、又、上記ガスタービンエンジンのこれまでの運用データから、上記と同様に、タービンガス温度と、該タービンガス温度の時間変化と、ガスタービンエンジンの性能劣化状況のデータを収集し、これらのデータを基に、上記ガスタービンエンジンの性能劣化に関するタービンガス温度−時間指標値を予め求めておく（ステップ１：Ｓ−１）。
【００３０】
次いで、実運用するガスタービンエンジンに関してタービンガス温度の時間変化をモニタリングし（ステップ２：Ｓ−２）、該タービンガス温度の時間変化に即して上記タービンガス温度−時間指標値の積算値を求め（ステップ３：Ｓ−３）、しかる後、該積算値に基づいて上記実運用しているガスタービンエンジンに生じている性能劣化状況を予測するようにする（ステップ４：Ｓ−４）。
【００３１】
本実施の形態によれば、先に述べた原理に基づいて上記実運用しているガスタービンエンジンの性能の劣化状況を、タービンガス温度の時間変化という個々のガスタービンエンジンごとに異なるデータに基づいて予測でき、個別のガスタービンエンジンごとに性能劣化の状況を把握できるため、毎フライトごとに行う性能マージンの確認を容易に行うことができる。又、各ガスタービンエンジンの整備計画を立案する上で、有用なデータとして使用でき、このため一律の定期的な分解検査を不要にできることから、整備コストの削減を図ることができると共に整備スケジュールの管理に有利なものとすることができる。
【００３２】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、上記においては、ホットセクション温度Ｔと時間ｔとを変数として温度−時間指標値を定め、その積算値を基に、ガスタービンエンジンにおける部品劣化状況や性能劣化状況を予測するようにしてあるが、温度Ｔと時間ｔに加えて、ガスタービンエンジンを運用する環境要因の影響度を変数として算入し、温度−時間−環境因子指標値を定めて、その積算値を求めることにより上記ガスタービンエンジンの部品劣化状況や性能劣化状況を予測することも可能なこと、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）ガスタービンエンジンの運用データ及び分解検査データより、劣化予測すべきホットセクションの部品に作用する温度と、該温度に曝された時間と、上記部品の劣化状況のデータを収集して、予め上記部品の劣化に関する温度−時間指標値を求めておき、実運用するガスタービンエンジンにおけるホットセクションの温度の時間変化をモニタリングして、該ホットセクションの温度の時間変化から上記温度−時間指標値の積算値を求め、該積算値に基づいて上記実運用するガスタービンエンジンにおける上記部品の劣化状況を予測するガスタービンエンジンの部品劣化予測方法としてあるので、実運用するガスタービンエンジンについての部品劣化状況を、分解検査を実施することなく把握できる。
（２）個々のガスタービンエンジンごとに異なる運用データに基づいて部品の劣化状況を予測できることから、個別のガスタービンエンジンごとに部品劣化状況を把握できて、該各ガスタービンエンジンの整備計画を立案する上で、有用なデータとして使用でき、このため一律の定期的な分解検査を不要にできることから、整備コストの削減を図ることができると共に整備スケジュールの管理に有利なものとすることができる。
（３）ガスタービンエンジンの運用データより、ホットセクションの温度と、該ホットセクションが上記温度に保持された時間と、上記ガスタービンエンジンの性能の劣化状況のデータを収集して、予めガスタービンエンジンの性能劣化に関する温度−時間指標値を求めておき、実運用するガスタービンエンジンにおけるホットセクションの温度の時間変化をモニタリングして、該ホットセクションの温度の時間変化から上記温度−時間指標値の積算値を求め、該積算値に基づいて上記実運用するガスタービンエンジンにおける性能劣化状況を予測するガスタービンエンジンの性能劣化予測方法とすることにより、上記実運用しているガスタービンエンジンの性能の劣化状況を、タービンガス温度の時間変化という個々のガスタービンエンジンごとに異なるデータに基づいて予測できる。
（４）個別のガスタービンエンジンごとに性能劣化の状況を把握できるため、毎フライトごとに行う性能マージンの確認を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービンエンジンの部品劣化予測方法の手順を示すフローである。
【図２】本発明のガスタービンエンジンの性能劣化予測方法の手順を示すフローである。
【符号の説明】
Ｓ１，Ｓ−１　ステップ１
Ｓ２，Ｓ−２　ステップ２
Ｓ３，Ｓ−３　ステップ３
Ｓ４，Ｓ−４　ステップ４

Claims (2)

1. ガスタービンエンジンの運用データ及び分解検査データより、劣化予測すべきホットセクションの部品に作用する温度と、該温度に曝された時間と、上記部品の劣化状況のデータを収集して、予め上記部品の劣化に関する温度−時間指標値を求めておき、実運用するガスタービンエンジンにおけるホットセクションの温度の時間変化をモニタリングして、該ホットセクションの温度の時間変化から上記温度−時間指標値の積算値を求め、該積算値に基づいて上記実運用するガスタービンエンジンにおける上記部品の劣化状況を予測することを特徴とするガスタービンエンジンの部品劣化予測方法。
2. ガスタービンエンジンの運用データより、ホットセクションの温度と、該ホットセクションが上記温度に保持された時間と、上記ガスタービンエンジンの性能の劣化状況のデータを収集して、予めガスタービンエンジンの性能劣化に関する温度−時間指標値を求めておき、実運用するガスタービンエンジンにおけるホットセクションの温度の時間変化をモニタリングして、該ホットセクションの温度の時間変化から上記温度−時間指標値の積算値を求め、該積算値に基づいて上記実運用するガスタービンエンジンにおける性能劣化状況を予測することを特徴とするガスタービンエンジンの性能劣化予測方法。

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