JP2006053144A - 劣化を受けやすい部品の構造上の欠陥がないことを監視する監視方法およびその監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】劣化を受けやすい部品の構造上の欠陥がないことを監視する監視方法およびその監視装置を提供する。
【解決手段】本発明の監視方法は、漸進的な劣化を受けやすい部品の故障モードおよび故障位置を特定するステップ１１と、電圧降下の測定を可能にするように部品を計測器にセットするステップ１２と、既定の限度を設定するステップ１３と、劣化していない状態での部品にわたる電圧降下を測定するステップ１４と、部品の電圧降下を監視するステップ１６と、測定値を既定の限度と比較するステップ１７と、上記限度に達したときには部品を修理／交換するステップ１８を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、劣化しやすい部品材料の非破壊検査に関し、より具体的には、劣化する可能性がある航空機エンジン部品の非破壊監視に関する。

多くの機械装置や電気装置の維持や保守においては、故障が装置を動作不能にさせるまで、部品の修理や交換が行われない。その時点では、既に発生している具体的な故障を判断するために検査が行われ、この装置を動作可能な状態にするために交換部品が取り付けられる。

対照的に、安全面から、部品が故障のレベルに到達させることを許すことが好ましくはない幾つかの種類の装置が存在する。このような装置には航空機ガスタービンエンジンが挙げられる。現在、部品寿命の履歴に基づいて部品の動作寿命を予測し、故障に至ると予測される前に定期的に部品を交換・取替を行うことが一般的な方法となっている。この方法によれば、故障の危険を最小限に抑えつつ部品の耐用寿命が概算される。

タービンエンジンにおいては、部品のクラッキング（例えば、クリープ、低サイクル疲労（ＬＣＦ）、高サイクル疲労（ＨＣＦ）、応力腐食割れ）が、高応力集中部（つまり、半径、ボルト穴、フランジ部等）、高温度、加工上の欠陥、もしくはこれらの組合せと通常関連する。これらの応力位置が解析もしくは現場故障からの経験によって特定され得る。クラッキングからの危険を最小限にするために、ディスク、ブレード、シャフト、エアシール、管材等の多くの部品に対して耐用年数が決定され、長いクラックに進展する前に使用から除去される。

破壊力学の分野においては、電位差（electrical potential difference）は、導電材料内の亀裂進展速度特性を決定するための確立した検査技術である。試験片の電界は、亀裂が入ることによって乱れ、亀裂の大きさの増大とともに予測可能に変化する。定電流が試験片に加えられている場合には、亀裂面上の電圧降下が亀裂の大きさの増大に伴って増大する。電界への予測可能な応答が、亀裂の大きさに対する電圧の変化に対応するように用いられ、かつ、亀裂の大きさを継続的に監視する自動化手段として用いられる。

簡単に述べると、本発明のある形態に従えば、特定の劣化特性を有することが知られている部品が、運転時間の経過とともに劣化が生じやすい部分にわたって電位が確立されるように、計測器にセットされる。次いで、上記部品にわたる電圧降下が監視され、劣化が生じる時期および劣化の度合いが判断される。

本発明のもう一つの形態によれば、発生の履歴を再検討することによって既定される既定のレベルに部品の劣化が到達したときには、部品は修理もしくは交換される。

本発明のさらにもう一つの形態によれば、外径をステンレススチール製網組で補強されたポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）製のチューブコアを備えたフレキシブル燃料ラインアセンブリが、そのアセンブリにわたる電圧降下を監視し、漸進的なワイヤストランドの破断の発生を判断するように計測器にセットされる。上記破断の発生を引き続いて許せば、ＰＴＦＥ製のチューブコアの故障をもたらすであろう。ワイヤストランドの破断数が既定のレベルに到達すると、燃料ラインアセンブリは交換される。

添付の図面には、好適な態様が示されている。しかしながら、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の他の改良や代替的な構造がなされよう。

本発明の方法は、亀裂（crack）、ピッチング（pitting）、腐食、浸食、摩耗等の進展により断面積が変化する部品のいずれにも有効に使用できる。導電部品の有効断面積の変化は電気抵抗の変化をもたらし、この電気抵抗を監視して、部品の健全な状態を有効に監視することが可能となることが重要な点である。

ここで図１を参照して、このプロセスのステップを説明する。通常の使用の結果生ずる漸進的な劣化を受けやすい部品を特定したら、ブロック１１に示されているように具体的な故障モードを特定することがまず必要である。これは、部品上の具体的な位置だけでなく、故障の進展の具体的な方向についても含む。

ブロック１２に示す次のステップは、電気抵抗やその電気抵抗上の電圧降下の測定を可能するように部品を計測器にセットすることである。好ましくは、故障進展の方向に対してほぼ垂直に配置される接続ラインを有した２つのポイント間で電圧降下が測定される。すなわち、亀裂の状態を監視するために、亀裂の方向が２つの測定ポイントを接続するラインの方向に実質的に垂直であるべきであり、これにより、亀裂の深さが増大すると、２つの測定ポイント間の電圧降下は比例して増大する。

部品に起こりやすい具体的な故障に対して、故障の実質的な危険なく劣化がどの程度許されるか、例えば亀裂の成長がどの程度の大きさまで許されるのか、を示す代表的な電圧降下の限度を決定することが必要である。これはステップ１３で達成される。この限度は、例えば、亀裂の大きさや進展速度に関連する。

稼働時の測定が関係する基礎を有するために、ステップ１４に示すように劣化していない状態での部品にわたる電圧降下をまず測定することが必要である。実質的に測定された電圧降下の増大は稼働中に生ずる劣化を指示する。

次いで計測器は設置位置に保持され、これにより、ブロック１６に示すように、部品の電圧降下を部品稼働中にリアルタイムに監視し続けていくことが可能である。従って、常に、特定の測定値を検討し、履歴データと比較することによって、部品の状態が予定どおり予測された性能を付与しているか否か、もしくは劣化速度を示す速度が予測速度より加速し、これにより是正措置が要求されるか否か、を判断することができる。ブロック１７におけるステップでは、ブロック１３において決定された値であって、亀裂の大きさの累積的な限度もしくは容認できない進展速度を示す値と、測定値とを比較する。どちらの場合であっても、限度に達したときには、措置が取られるべきことが指示され、ブロック１８に説明されるように部品は修理・交換される。

上記方法は、材料の欠損や断面積の変化から進展する故障メカニズムを有するいずれの部品を監視するために用いられ得ることを認識すべきである。説明のために、劣化を受けやすい燃料ラインを備えたエンジンに関連した特定の用途の使用に関して上記プロセスを説明する。

ここで図２および図３を参照すると、フレキシブル燃料ラインアセンブリが符号２１に示され、これは、外径上をステンレススチール製ワイヤ網組２３によって補強されたＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン）製チューブコア２２からなる。上記アセンブリの典型として、ワイヤ網組２３の構造は、０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）径の導電性ステンレススチールワイヤからなる約１７５本のストランドより構成される。ステンレススチール製ワイヤ網組２３およびＰＴＦＥ製チューブコア２２は、それぞれの端部において、それぞれ符号２４，２６で示される圧着スリーブ形チューブコネクタと結合する。このようなフレキシブルホース類の一例は、Ｓｐｒｉｎｇｆｉｅｌｄ，ＭＡ（マサチューセッツ州）に存するＴｉｔｅｆｌｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている部品番号１Ａ９３５７がある。

フレキシブル燃料ラインアセンブリ２１における潜在的な故障モードは、個々のステンレススチール製ワイヤの漸進的な破断に従って生じたステンレススチール製網組の腐食であることが判明している。網組２３の漸進的な故障は、最終的には内側のＰＴＦＥ製チューブコア２２の破裂をもたらし、これにより流体漏れを生じさせる。本方法は、ワイヤ網組２３への損傷の進展を監視・検出し、ＰＴＦＥ製チューブコア２２の完全な状態が損なわれる前に燃料ラインアセンブリ２１の交換を適時に行うことを可能とする。

図３には、上述した方法に従う燃料ラインアセンブリ２１の状態を監視する非破壊計測装置の概略図が示されている。ここで、直流電圧源２７が接続され、４インチ（１０１．６ｍｍ）径ストランドの燃料ラインアセンブリ２１にわたって電圧降下が付与され、ステンレススチール製網組２３内に１アンペアの定電流が付与される。次いでアセンブリ両端の電圧降下が電圧計２８によって継続的に測定され、記録装置２９によって記録される。このようなアセンブリと計測器は、燃料ラインアセンブリ２１が組み付けられる間や通常の使用においてエンジンとともに稼働する間でも使用可能である。これは、燃料ラインアセンブリの状態の監視を可能にし、上記状態が修理や交換という措置が取られるべき必要がある程度まで劣化しているかを判断するのに役に立つ。

上記概念を説明するために、４本の網組ワイヤを徐々に切断し、その結果として生ずる電圧降下の変化を記録することによって、ステンレススチール製ワイヤ網組２３の劣化を作り出す模擬実験を行った。その結果が図４に示され、正規化した電位差（ＰＤ）が時間の関数として記録されている。

まず、基準電圧が測定され、劣化していない状態で、図示の曲線ａのように電圧降下がゼロ単位として表示されるように装置が校正される。その後、１本目のワイヤが切断され、電圧降下が図示の曲線ｂのように０．２単位であるように測定された。同様に、２本目・３本目・４本目のワイヤが連続して切断され、それぞれの電圧降下がそれぞれ図示の曲線ｃ、ｄ、ｅとなるように測定された。それぞれのワイヤの切断に対して電圧が約０．２％変化していくことが分かるだろう。この電圧の増大はシステムの環境ノイズよりもはるかに高く、破損の進展を明示する。本発明は、燃料ラインアセンブリ２１を交換すべき時、すなわち、ＰＴＦＥ製チューブコアの完全な状態が損なわれるまでに破断が必要なメッシュワイヤの数、を判断するための閾値を用いる。つまり、上記計測器は、その限度に近づく破断ワイヤの数を自動的に測定し、検出するために使用可能である。もしくは、ワイヤが破断する割合が好ましくは通常の割合と比較するために監視され、上記破断の割合が通常の割合を超えた場合には、上記破断数を上記限度に近づけることを可能にする手法によって通常検出される時期よりも早い時期に燃料ラインアセンブリを交換することが望ましいことが分かるだろう。もしくは、この情報を用い、個々のワイヤストランド内での故障の割合が加速している理由を判断することが望ましいことが分かるだろう。

上述した計測器は直流電位系を使用するが、同様の交流電位系もまた使用可能であることを認識されるべきである。

燃料ラインアセンブリの使用との関連で本方法を説明したが、本方法は、亀裂、ピッチング、腐食、浸食、摩耗等によって劣化しやすい種々の他の部品にも等しく適用できることが分かるだろう。

以下に本方法の代表的な用途が含まれるが、必ずしもこれに限定されない。ベアリングにおいては、摩耗や金属線被の欠損による故障を、計測可能な抵抗変化として検出することが可能である。タービンブレードやベーンにわたる抵抗の変化は、亀裂、浸食、クリープ、もしくは異物損傷を指示するものとして使用できる。圧力サイクルを受けるエンジンケース等の圧力容器では、応力が高い位置での低サイクル疲労（ＬＣＦ）の亀裂が監視され得る。より広範なスケールでは、リベット穴での疲労亀裂を検出し、通知するように、航空機胴体の広範なアルミニウム部分が監視され得る。上述の電圧降下方法を用いて寿命制限位置を継続的に監視することによって、運転寿命が安全に延び、現場での問題が包括的な保守プログラムの一貫として監視され得る。

本発明を、図面に図示された好適な態様との関連で開示・説明してきたが、当業者であれば、請求項によって定められる本発明の範囲や趣旨から逸脱することなく、細部にわたる種々の変更をなし得るだろう。

本発明の態様に従ったプロセスを示す代表的なフローチャート。 本発明の態様に従って監視される燃料ラインアセンブリの断面図。 本発明の態様に従って計測器にセットされた部品の概略図。 本発明の好適な態様によって行われた測定結果を示すグラフ。

Claims (25)

1. 劣化を受けやすい部品の構造上の欠陥がないことを監視する監視方法であって、
   上記部品の少なくとも一部にわたる電位を付与するステップと、
   上記一部にわたる電圧降下を測定し、ベースライン指標を得るステップと、
   次の読取値を得るように上記一部にわたる電圧降下を引き続き監視するステップと、
   上記ベースライン指標から上記次の読取値までに上記部品に生じた劣化の度合いを判断するステップと、
   を備えた監視方法。
2. 上記部品の少なくとも一部にわたる電位を付与する上記ステップとベースライン指標を得る上記ステップとは、上記部品が劣化していない状態にあるときに達成されることを特徴とする請求項１に記載の監視方法。
3. 上記一部にわたる電圧降下を引き続き監視するステップは、上記一部に対する電圧降下読取値を得るように上記一部にわたる上記電位を維持させながら達成されることを特徴とする請求項１に記載の監視方法。
4. 上記判断ステップは、上記電圧降下読取値と上記ベースライン指標との間の読取値の差を取得することにより達成されることを特徴とする請求項３に記載の監視方法。
5. 劣化の既定レベルを設定し、上記部品の有効な寿命を判断するために上記電圧降下読取値をこの既定レベルと比較するステップをさらに含んだ請求項１に記載の監視方法。
6. 有効な寿命が終了したときに上記部品を交換するステップをさらに含んだ請求項５に記載の監視方法。
7. 上記部品が航空機ガスタービンエンジン部品であることを特徴とする請求項１に記載の監視方法。
8. 上記部品がフレキシブルホースであることを特徴とする請求項７に記載の監視方法。
9. 劣化を受けやすく、結果として故障となりやすい部品の寿命を診断する診断方法であって、
   上記部品の少なくとも一部にわたる電位を付与しつつ、ベースラインの電圧降下読取値を得るように上記一部にわたる電気抵抗を測定するステップと、
   通常の使用の際に、上記一部にわたる上記電位を維持し続けながら、劣化を受けて電圧降下が変化するまで上記一部にわたる電圧降下を測定し続けるステップと、
   上記部品が故障しそうである時期を予測するために上記の変化を既定の値と比較するステップと、
   を含んだ診断方法。
10. 上記部品の少なくとも一部にわたる電位を付与しつつ、ベースラインの電圧降下読取値を得るように上記一部にわたる電気抵抗を測定するステップは、上記部品が劣化していない状態であるときに達成されることを特徴とする請求項９に記載の診断方法。
11. 上記部品が故障しそうであると判断される時期よりも前に上記部品を交換するステップをさらに含んだ請求項９に記載の診断方法。
12. 上記部品が航空機ガスタービンエンジン部品であることを特徴とする請求項９に記載の診断方法。
13. 上記部品がフレキシブルホースであることを特徴とする請求項１２に記載の診断方法。
14. 劣化を受けやすい部品の材料的な欠陥がないことを該部品の特定された位置で監視するための監視装置であって、
    上記特定された位置の電圧降下を示すように上記部品にわたって付与された電圧源と、
    上記特定された位置の電圧降下を測定するための電圧計であって、まず、上記部品が劣化していない状態にあるときにベースの測定値を取得し、次に、上記部品が劣化した状態にあるときに損傷評価測定値を取得するための電圧計と、
    部品を修理もしくは交換するために劣化の程度を判断すべく上記ベースの測定値と上記損傷評価測定値との双方を記録する記録装置と、
    を備えた監視装置。
15. 上記電圧源は直流電源であることを特徴とする請求項１４に記載の監視装置。
16. 上記部品が、ワイヤ網組からなる外装構造を備え、かつ、個々のストランドが故障を受けやすいフレキシブル燃料ラインアセンブリであることを特徴とする請求項１４に記載の監視装置。
17. 上記フレキシブル燃料ラインアセンブリは、鋼製の上記ワイヤ網組内に設けられた内部チューブをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の監視装置。
18. 上記内部チューブはポリ四フッ化エチレンからなることを特徴とする請求項１７に記載の監視装置。
19. 運転時の使用によって劣化を受けやすい部品の材料的な欠陥がないことを監視する監視方法であって、
    可能性のある故障モードおよび上記部品での該故障モードの位置を特定するステップと、
    上記位置にわたって電圧を付与するステップと、
    上記部品が劣化を受ける前後の両時点において、上記位置にわたる電圧降下を測定するステップと、
    上記測定結果に基づいて、上記部品を交換すべき時期を判断するステップと、
    を含んだ監視方法。
20. 上記部品が劣化を受ける前に得られた上記測定値は、電圧降下を測定する上記ステップにおいて用いられるベースの値として用いられることを特徴とする請求項１９に記載の監視方法。
21. 電圧降下を測定する上記ステップは、劣化の進展を示す複数の測定値を取得するステップを含むことを特徴とする請求項１９に記載の監視方法。
22. 上記複数の測定値は比較され、劣化速度の指標が得られることを特徴とする請求項２１に記載の監視方法。
23. 取得された上記測定値を記録するステップをさらに含んだ請求項１９に記載の監視方法。
24. 上記部品が航空機ガスタービンエンジン部品であることを特徴とする請求項１９に記載の監視方法。
25. 上記部品がフレキシブル燃料ラインアセンブリであることを特徴とする請求項２４に記載の監視方法。

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