JP2010008403A - Method, apparatus and program for evaluating heat shield performance of coating layer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基材に施されたコーティング層の遮熱性能評価方法、装置及びプログラムに関する。さらに詳述すると、本発明は、例えばガスタービンの燃焼器や動翼・静翼などの高温部品基材に施された遮熱のためのコーティング層の劣化に伴う性能変化を評価するための技術に関する。 The present invention relates to a method, an apparatus, and a program for evaluating thermal insulation performance of a coating layer applied to a substrate. More specifically, the present invention relates to a technique for evaluating performance changes accompanying deterioration of a coating layer for heat insulation applied to a high-temperature component base material such as a combustor of a gas turbine, a moving blade or a stationary blade, for example. About.
ガスタービンの燃焼器や動翼・静翼などの高温部品には耐熱合金が用いられているが、特に高温の燃焼ガスに曝される部分には金属の基材を守るために遮熱コーティングが施されている。ここで、ガスタービンの燃焼器等の遮熱コーティングとしてはセラミック製の遮熱コーティング（ＴＢＣとも呼ばれる）が用いられる場合が多いが、本発明が対象とする遮熱コーティングの種類はＴＢＣに限られないので、以下、本発明の適用対象になり得る遮熱コーティング層をＴＢＣも含めて単にコーティング層と表記する。 Heat-resistant alloys are used in high-temperature parts such as gas turbine combustors, rotor blades, and stationary blades. Thermal barrier coatings are used to protect metal substrates, especially in areas exposed to high-temperature combustion gases. It has been subjected. Here, ceramic thermal barrier coatings (also referred to as TBC) are often used as thermal barrier coatings for gas turbine combustors, etc., but the type of thermal barrier coating targeted by the present invention is limited to TBC. Therefore, hereinafter, a thermal barrier coating layer that can be an application target of the present invention is simply referred to as a coating layer including TBC.
コーティング層は、通常は数百ミクロンの厚さでありながら、内部に細かな気孔を多数含んだ構造によって優れた遮熱性能を発揮する。しかしながら、コーティングを施した部品を高温で長時間使用するとコーティングが徐々に劣化してその遮熱性能が低下してしまう。高温部品を健全な状態で使用するためには劣化に伴うコーティング層の遮熱性能の低下の状況を適確に把握することが重要である。 The coating layer usually has a thickness of several hundred microns, but exhibits excellent heat shielding performance due to the structure including many fine pores inside. However, when a coated part is used at a high temperature for a long time, the coating is gradually deteriorated and its heat shielding performance is lowered. In order to use high-temperature components in a healthy state, it is important to accurately grasp the state of deterioration of the heat shielding performance of the coating layer due to deterioration.
基材に施された遮熱のためのコーティング層の劣化に伴う性能変化を評価する従来の技術としては、例えば、ガスタービンの起動停止回数や運転時間などの運転履歴による劣化度一次診断、コーティング中間層と基材との境界面である界面近傍の化学分析による劣化度二次診断、超音波減衰率に基づく劣化度三次診断及び微小パンチ試験法を用いた破壊強度試験による劣化度四次診断の四段階の手順に従ってコーティングの劣化の程度に応じて必要な段階までの劣化診断を行う方法がある（特許文献１）。 For example, conventional techniques for evaluating the performance change accompanying the deterioration of the coating layer for heat shielding applied to the base material include primary diagnosis of deterioration degree based on operation history such as the number of start and stop times and operation time of the gas turbine, coating, etc. Degradation secondary diagnosis by chemical analysis in the vicinity of the interface, which is the interface between the intermediate layer and the substrate, Deterioration degree tertiary diagnosis based on ultrasonic attenuation rate, and Degradation degree fourth diagnosis by fracture strength test using micro punch test method There is a method of performing a deterioration diagnosis up to a required stage according to the degree of coating deterioration according to the four-stage procedure (Patent Document 1).
コーティングを施した部品を高温で長時間使用すると焼結によってコーティング層の緻密化が進行して初期状態よりも熱を伝え易い構造になって、すなわちコーティング層の熱伝導率が大きくなって、遮熱性能が低下する。また、コーティング層表面に高温高流速の燃焼ガスが流れているような場合には、長時間の使用によってコーティング層表面で減肉が発生し、コーティング層の厚さが減少して遮熱性能が低下する。 When a coated part is used at a high temperature for a long time, the densification of the coating layer proceeds due to sintering, and a structure that facilitates heat transfer compared to the initial state, that is, the thermal conductivity of the coating layer increases, thereby blocking the shielding. Thermal performance is reduced. In addition, when high-temperature, high-velocity combustion gas flows on the surface of the coating layer, thinning occurs on the surface of the coating layer due to long-term use, reducing the thickness of the coating layer and improving the heat shielding performance. descend.
しかしながら、特許文献１のコーティングの劣化診断を行う方法では、コーティング層の緻密化に伴う遮熱性能の低下を捉えることができないので、基材温度の上昇を引き起こす熱的な劣化状況を定量的に評価することができない。このため、劣化に伴うコーティング層の遮熱性能の低下の状況を適確に把握することが可能であるとは言えず、性能評価の精度が高いとは言い難いという問題がある。 However, since the method for diagnosing coating deterioration in Patent Document 1 cannot capture a decrease in heat shielding performance due to the densification of the coating layer, the thermal deterioration state that causes an increase in the substrate temperature is quantitatively determined. Cannot be evaluated. For this reason, it cannot be said that it is possible to accurately grasp the deterioration of the heat shielding performance of the coating layer due to deterioration, and there is a problem that it is difficult to say that the accuracy of performance evaluation is high.
そこで、本発明は、コーティング層の緻密化及び減肉の影響も含めた劣化に伴う性能変化の評価を高い精度で行うことができるコーティング層の遮熱性能評価方法、装置及びプログラムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a coating layer thermal insulation performance evaluation method, apparatus, and program capable of evaluating performance changes accompanying degradation including the influence of densification and thinning of the coating layer with high accuracy. With the goal.
かかる目的を達成するため、請求項１記載のコーティング層の遮熱性能評価方法は、評価対象部品の数値解析用三次元モデルのデータを作成するステップと、評価対象部品の部位別の熱物性値を設定するステップと、評価対象部品の部位別の加熱条件を設定するステップと、加熱条件に従って評価対象部品を実際に加熱して評価対象部品の部位別の検出温度を検出するステップと、数値解析用三次元モデルと熱物性値と加熱条件と検出温度とを用いて評価対象部品の温度変化の数値解析を行って評価対象部品の部位別の熱抵抗値を算出するステップと、算出された熱抵抗値に基づいて評価対象部品の部位別のコーティング層の遮熱性能を評価するステップとを有するようにしている。 In order to achieve such an object, a method for evaluating the thermal insulation performance of a coating layer according to claim 1 includes a step of creating data of a three-dimensional model for numerical analysis of a part to be evaluated, and a thermal property value for each part of the part to be evaluated. A step of setting a heating condition for each part of the evaluation target part, a step of actually heating the evaluation target part according to the heating condition to detect a detection temperature for each part of the evaluation target part, and a numerical analysis Calculating a thermal resistance value for each part of the evaluation target part by performing a numerical analysis of the temperature change of the evaluation target part using the three-dimensional model, the thermophysical value, the heating condition, and the detected temperature, and the calculated heat And a step of evaluating the heat shielding performance of the coating layer for each part of the evaluation target part based on the resistance value.
また、請求項２記載のコーティング層の遮熱性能評価装置は、評価対象部品の数値解析用三次元モデルのデータを読み込む手段と、評価対象部品の部位別の熱物性値を設定する手段と、評価対象部品の部位別の加熱条件を設定する手段と、加熱条件に従って評価対象部品を実際に加熱して検出される評価対象部品の部位別の検出温度のデータを読み込む手段と、数値解析用三次元モデルと熱物性値と加熱条件と検出温度とを用いて評価対象部品の温度変化の数値解析を行って評価対象部品の部位別の熱抵抗値を算出する手段と、算出された熱抵抗値に基づいて評価対象部品の部位別のコーティング層の遮熱性能を評価する手段とを有するようにしている。 Further, the thermal insulation performance evaluation apparatus for a coating layer according to claim 2 is a means for reading data of a three-dimensional model for numerical analysis of a part to be evaluated, a means for setting a thermophysical value for each part of the part to be evaluated, Means for setting the heating conditions for each part of the evaluation target part, means for reading the detected temperature data for each part of the evaluation target part detected by actually heating the evaluation target part according to the heating condition, and tertiary for numerical analysis A means for calculating a thermal resistance value for each part of the evaluation target part by performing a numerical analysis of the temperature change of the evaluation target part using the original model, thermophysical value, heating condition and detected temperature, and the calculated thermal resistance value And a means for evaluating the heat shielding performance of the coating layer for each part of the evaluation target part.
さらに、請求項３記載のコーティング層の遮熱性能評価プログラムは、評価対象部品の数値解析用三次元モデルのデータを記憶手段から読み込む処理と、記憶手段に記憶された若しくは入力手段によって入力された評価対象部品の部位別の熱物性値と評価対象部品の部位別の加熱条件とを読み込む処理と、加熱条件に従って評価対象部品を実際に加熱して検出され記憶手段に記憶された若しくは入力手段によって入力された評価対象部品の部位別の検出温度のデータを読み込む処理と、数値解析用三次元モデルと熱物性値と加熱条件と検出温度とを用いて評価対象部品の温度変化の数値解析を行って評価対象部品の部位別の熱抵抗値を算出する処理と、算出された熱抵抗値に基づいて評価対象部品の部位別のコーティング層の遮熱性能を評価する処理とをコンピュータに行わせるようにしている。 Furthermore, the heat insulation performance evaluation program for a coating layer according to claim 3 is a process of reading data of a three-dimensional model for numerical analysis of a part to be evaluated from a storage means, and stored in the storage means or inputted by an input means. The process of reading the thermophysical value for each part of the evaluation target part and the heating condition for each part of the evaluation target part, and the part to be evaluated is actually heated according to the heating condition and detected and stored in the storage means or by the input means Performs numerical analysis of the temperature change of the evaluation target part using the process of reading the input detection temperature data for each part of the evaluation target part and using the three-dimensional model for numerical analysis, thermophysical values, heating conditions, and detection temperature The process of calculating the thermal resistance value for each part of the evaluation target part and the thermal insulation performance of the coating layer for each part of the evaluation target part based on the calculated thermal resistance value That are processing and the as causing a computer.
このコーティング層の遮熱性能評価方法、装置及びプログラムによると、コーティング層の劣化に伴う性能変化の評価を実施する部品（以下、評価対象部品と呼ぶ）を実現可能な範囲で任意に設定した加熱条件で加熱することによって検出される部品の温度に基づいてコーティング層の遮熱性能の評価を行うことができる。 According to this coating layer thermal insulation performance evaluation method, apparatus, and program, heating that is arbitrarily set within a feasible range (hereinafter referred to as an evaluation target component) that evaluates the performance change accompanying deterioration of the coating layer The heat shielding performance of the coating layer can be evaluated based on the temperature of the component detected by heating under conditions.
また、本発明によると、コーティング層や基材を損傷しない範囲で任意に設定した加熱条件で評価対象部品を加熱することによって検出される部品の温度に基づいてコーティング層の遮熱性能の評価を行うことができる。 In addition, according to the present invention, the thermal insulation performance of the coating layer can be evaluated based on the temperature of the component detected by heating the evaluation target component under a heating condition arbitrarily set within a range that does not damage the coating layer or the substrate. It can be carried out.
さらに、本発明によると、評価対象部品の部位毎に条件を設定して遮熱性能の評価を行うことができるので、評価対象部品の形状が複雑な場合や部品の部位によってコーティングの施工条件や熱物性値が異なっている場合でもそれらを踏まえた評価を行うことができる。 Furthermore, according to the present invention, conditions can be set for each part of the evaluation target part and the heat shielding performance can be evaluated. Therefore, when the shape of the evaluation target part is complex or depending on the part part, Even when the thermophysical property values are different, evaluation based on them can be performed.
また、請求項４記載の発明は、請求項２記載のコーティング層の遮熱性能評価装置において、数値解析用三次元モデルのデータを作成するために評価対象部品のスキャン画像データを取得するＸ線ＣＴスキャン装置と、評価対象部品を実際に加熱するレーザを発振する装置と、加熱条件に従うと共に数値解析用三次元モデルのデータに基づいて評価対象部品の表面形状に合わせてレーザを照射するためのロボットと、評価対象部品の温度を計測して部位別の検出温度のデータを出力する非接触温度計とを更に備えるようにしている。この場合には、種々の計測の正確性を担保しながら遮熱性能の評価が行われる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the thermal barrier performance evaluation apparatus for the coating layer according to the second aspect, X-rays for acquiring scan image data of a part to be evaluated in order to create data of a three-dimensional model for numerical analysis A CT scanning device, a device that oscillates a laser that actually heats the evaluation target component, and a laser that irradiates the laser according to the surface shape of the evaluation target component based on the data of the three-dimensional model for numerical analysis according to the heating conditions A robot and a non-contact thermometer that measures the temperature of the evaluation target component and outputs detected temperature data for each part are further provided. In this case, the heat shielding performance is evaluated while ensuring the accuracy of various measurements.
本発明のコーティング層の遮熱性能評価方法、装置及びプログラムによれば、評価対象部品を実現可能な範囲で任意に設定した加熱条件で加熱することによってコーティング層の遮熱性能の評価を行うことができるので、遮熱性能評価の制約条件を大幅に緩和して汎用性の向上を図ることが可能になる。 According to the method, apparatus, and program for evaluating the thermal insulation performance of the coating layer of the present invention, the thermal insulation performance of the coating layer is evaluated by heating the part to be evaluated under arbitrarily set heating conditions within a feasible range. Therefore, it becomes possible to greatly relax the constraint condition of the heat shielding performance evaluation and improve versatility.
また、本発明のコーティング層の遮熱性能評価方法、装置及びプログラムによれば、コーティング層や基材を損傷しない範囲で任意に設定した加熱条件で評価対象部品を加熱することによってコーティング層の遮熱性能の評価を行うことができるので、コーティング層や基材への影響を排除した点検を行うことが可能であり、遮熱性能評価の制約条件を大幅に緩和して汎用性の向上を図ることが可能になる。 In addition, according to the method, apparatus and program for evaluating the thermal insulation performance of the coating layer of the present invention, the coating layer is shielded by heating the evaluation target component under heating conditions arbitrarily set within a range not damaging the coating layer or the substrate. Since it is possible to evaluate thermal performance, it is possible to perform inspections that eliminate the effects on the coating layer and substrate, and to greatly ease the constraints of thermal insulation performance evaluation and improve versatility. It becomes possible.
さらに、本発明のコーティング層の遮熱性能評価方法、装置及びプログラムによれば、評価対象部品の形状が複雑な場合や部品の部位によってコーティングの施工条件や熱物性値が異なっている場合でもそれらを踏まえた評価を行うことができるので、遮熱性能評価の精度を高めて信頼性を高めることが可能になる。 Furthermore, according to the method, apparatus, and program for evaluating the thermal insulation performance of the coating layer of the present invention, even when the shape of the evaluation target component is complex or the coating construction conditions and the thermophysical property values differ depending on the parts, Therefore, it is possible to improve the reliability by improving the accuracy of the thermal insulation performance evaluation.
また、本発明のコーティング層の遮熱性能評価装置によれば、種々の計測の正確性を担保しながら遮熱性能の評価を行うことができるので、遮熱性能評価の精度を高めて信頼性を高めることが可能になる。 In addition, according to the coating layer thermal insulation performance evaluation apparatus of the present invention, the thermal insulation performance can be evaluated while ensuring the accuracy of various measurements, so the accuracy of the thermal insulation performance evaluation is improved and the reliability is improved. Can be increased.
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.
図１から図４に、本発明のコーティング層の遮熱性能評価方法、装置及びプログラムの実施形態の一例を示す。このコーティング層の遮熱性能評価方法は、評価対象部品の数値解析用三次元モデルのデータを作成するステップと、評価対象部品の部位別の熱物性値を設定するステップと、評価対象部品の部位別の加熱条件を設定するステップと、加熱条件に従って評価対象部品を実際に加熱して評価対象部品の部位別の検出温度を検出するステップと、数値解析用三次元モデルと熱物性値と加熱条件と検出温度とを用いて評価対象部品の温度変化の数値解析を行って評価対象部品の部位別の熱抵抗値を算出するステップと、算出された熱抵抗値に基づいて評価対象部品の部位別のコーティング層の遮熱性能を評価するステップとを有するようにしている。 FIG. 1 to FIG. 4 show an example of an embodiment of the thermal barrier performance evaluation method, apparatus and program of the coating layer of the present invention. The method for evaluating the thermal insulation performance of the coating layer includes a step of creating data of a three-dimensional model for numerical analysis of a part to be evaluated, a step of setting a thermophysical value for each part of the part to be evaluated, and a part of the part to be evaluated. A step of setting another heating condition, a step of actually heating the evaluation target part according to the heating condition and detecting a detection temperature for each part of the evaluation target part, a three-dimensional model for numerical analysis, a thermophysical property value, and a heating condition Calculating the thermal resistance value for each part of the evaluation target part by performing a numerical analysis of the temperature change of the evaluation target part using the detected temperature and the part of the evaluation target part based on the calculated thermal resistance value And a step of evaluating the heat shielding performance of the coating layer.
上記コーティング層の遮熱性能評価方法は、本発明のコーティング層の遮熱性能評価装置として実現される。このコーティング層の遮熱性能評価装置は、評価対象部品の数値解析用三次元モデルのデータを読み込む手段と、評価対象部品の部位別の熱物性値を設定する手段と、評価対象部品の部位別の加熱条件を設定する手段と、加熱条件に従って評価対象部品を実際に加熱して検出される評価対象部品の部位別の検出温度のデータを読み込む手段と、数値解析用三次元モデルと熱物性値と加熱条件と検出温度とを用いて評価対象部品の温度変化の数値解析を行って評価対象部品の部位別の熱抵抗値を算出する手段と、算出された熱抵抗値に基づいて評価対象部品の部位別のコーティング層の遮熱性能を評価する手段とを備える。 The coating layer thermal insulation performance evaluation method is realized as the coating layer thermal insulation performance evaluation apparatus of the present invention. This thermal insulation performance evaluation apparatus for a coating layer includes means for reading data of a three-dimensional model for numerical analysis of a part to be evaluated, means for setting a thermophysical value for each part of the part to be evaluated, and for each part of the part to be evaluated. Means for setting the heating conditions, means for reading detected temperature data for each part of the evaluation target part detected by actually heating the evaluation target part according to the heating condition, three-dimensional model for numerical analysis and thermophysical property value Means for calculating the thermal resistance value for each part of the evaluation target part by numerical analysis of the temperature change of the evaluation target part using the heating condition and the detected temperature, and the evaluation target part based on the calculated thermal resistance value And a means for evaluating the heat shielding performance of the coating layer for each region.
上述のコーティング層の遮熱性能評価方法並びにコーティング層の遮熱性能評価装置は、本発明のコーティング層の遮熱性能評価プログラムをコンピュータ上で実行することによっても実現される。本実施形態では、コーティング層の遮熱性能評価プログラムをコンピュータ上で実行する場合を例に挙げて説明する。 The above-described thermal insulation performance evaluation method for a coating layer and the thermal insulation performance evaluation apparatus for a coating layer are also realized by executing the thermal insulation performance evaluation program for a coating layer of the present invention on a computer. In the present embodiment, a case where a thermal insulation performance evaluation program for a coating layer is executed on a computer will be described as an example.
コーティング層の遮熱性能評価プログラム１７を実行するための本実施形態のコーティング層の遮熱性能評価装置１０の全体構成を図２に示す。このコーティング層の遮熱性能評価装置１０は、制御部１１、記憶部１２、入力部１３、表示部１４及びメモリ１５を備え相互にバス等の信号回線により接続されている。また、コーティング層の遮熱性能評価装置１０にはデータサーバ１６がバス等の信号回線等により接続されており、その信号回線等を介して相互にデータや制御指令等の信号の送受信（出入力）が行われる。 FIG. 2 shows the overall configuration of the coating layer thermal insulation performance evaluation apparatus 10 of the present embodiment for executing the coating layer thermal insulation performance evaluation program 17. The coating layer thermal insulation performance evaluation apparatus 10 includes a control unit 11, a storage unit 12, an input unit 13, a display unit 14, and a memory 15, and is connected to each other by a signal line such as a bus. In addition, a data server 16 is connected to the coating layer thermal insulation performance evaluation apparatus 10 by a signal line such as a bus, and signals such as data and control commands are transmitted and received (input / output) through the signal line. ) Is performed.
制御部１１は記憶部１２に記憶されているコーティング層の遮熱性能評価プログラム１７によってコーティング層の遮熱性能評価装置１０全体の制御並びにコーティング層の遮熱性能の評価に係る演算を行うものであり、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）である。記憶部１２は少なくともデータやプログラムを記憶可能な記憶手段であり、例えばハードディスクである。メモリ１５は制御部１１が各種制御や演算を実行する際の作業領域であるメモリ空間となる。 The control unit 11 performs calculation related to the control of the coating layer thermal insulation performance evaluation apparatus 10 and the evaluation of the thermal insulation performance of the coating layer by the coating layer thermal insulation performance evaluation program 17 stored in the storage unit 12. Yes, for example, a CPU (Central Processing Unit). The storage unit 12 is storage means capable of storing at least data and programs, and is, for example, a hard disk. The memory 15 becomes a memory space that is a work area when the control unit 11 executes various controls and calculations.
入力部１３は少なくとも作業者の命令を制御部１１に与えるためのインターフェイスであり、例えばキーボードである。 The input unit 13 is an interface for giving at least an operator's command to the control unit 11, and is, for example, a keyboard.
表示部１４は制御部１１の制御により文字や図形等の描画・表示を行うものであり、例えばディスプレイである。 The display unit 14 performs drawing / display of characters, graphics, and the like under the control of the control unit 11 and is, for example, a display.
また、データサーバ１６は少なくともデータを記憶可能な記憶手段であり、例えばサーバである。 The data server 16 is storage means capable of storing at least data, for example, a server.
そして、コーティング層の遮熱性能評価装置１０の制御部１１には、コーティング層の遮熱性能評価プログラム１７を実行することにより、評価対象部品の数値解析用三次元モデルのデータを読み込む手段としての三次元モデルデータ読込部１１ａ、評価対象部品の部位別の熱物性値を設定する手段としての熱物性値設定部１１ｂ、評価対象部品の部位別の加熱条件を設定する手段としての加熱条件設定部１１ｃ、加熱条件に従って評価対象部品を実際に加熱して検出される評価対象部品の部位別の検出温度のデータを読み込む手段としての検出温度読込部１１ｄ、数値解析用三次元モデルと熱物性値と加熱条件と検出温度とを用いて評価対象部品の温度変化の数値解析を行って評価対象部品の部位別の熱抵抗値を算出する手段としての熱抵抗算出部１１ｅ、算出された熱抵抗値に基づいて評価対象部品の部位別のコーティング層の遮熱性能を評価する手段としての遮熱性能評価部１１ｆが構成される。 The control unit 11 of the coating layer thermal insulation performance evaluation apparatus 10 executes a coating layer thermal insulation performance evaluation program 17 as means for reading the data of the three-dimensional model for numerical analysis of the evaluation target component. 3D model data reading unit 11a, thermophysical value setting unit 11b as a means for setting the thermophysical value for each part of the evaluation target part, and heating condition setting part as a means for setting the heating condition for each part of the evaluation target part 11c, a detection temperature reading unit 11d as means for reading detection temperature data for each part of the evaluation target part that is detected by actually heating the evaluation target part according to the heating condition, a three-dimensional model for numerical analysis, and a thermophysical property value Thermal resistance as a means of calculating the thermal resistance value for each part of the evaluation target part by numerical analysis of the temperature change of the evaluation target part using the heating conditions and the detected temperature Calculator 11e, heat shield performance evaluation section 11f is configured as a means for evaluating the thermal barrier performance of site-specific coating layer of the evaluation target part based on the calculated thermal resistance.
このコーティング層の遮熱性能評価プログラム１７は、図１に示すように、評価対象部品の数値解析用三次元モデルのデータを記憶手段から読み込むステップ（Ｓ１−１）と、記憶手段に記憶された若しくは入力手段によって入力された評価対象部品の部位別の熱物性値を設定するステップ（Ｓ１−２）と、評価対象部品の部位別の加熱条件を設定するステップ（Ｓ１−３）と、加熱条件に従って評価対象部品を実際に加熱して検出され記憶手段に記憶された若しくは入力手段によって入力された評価対象部品の部位別の検出温度のデータを読み込むステップ（Ｓ２−１）と、数値解析用三次元モデルと熱物性値と加熱条件と検出温度とを用いて評価対象部品の温度変化の数値解析を行って評価対象部品の部位別の熱抵抗値を算出するステップ（Ｓ２−２）と、算出された熱抵抗値に基づいて評価対象部品の部位別のコーティング層の遮熱性能を評価するステップ（Ｓ２−３）とを有する。 As shown in FIG. 1, the thermal insulation performance evaluation program 17 for the coating layer reads the data of the three-dimensional model for numerical analysis of the evaluation target part from the storage means (S1-1), and is stored in the storage means. Or the step (S1-2) which sets the thermophysical value according to the site | part of the evaluation object component input by the input means, the step (S1-3) which sets the heating condition according to the site | part of the evaluation object component, and heating conditions Reading the detected temperature data for each part of the evaluation target part that is detected by actually heating the evaluation target part and stored in the storage means or input by the input means (S2-1), and tertiary for numerical analysis A step of calculating the thermal resistance value for each part of the evaluation target part by numerical analysis of the temperature change of the evaluation target part using the original model, thermophysical value, heating condition and detected temperature. It has a (S2-2), and a step (S2-3) to evaluate the thermal barrier performance of site-specific coating layer of the evaluation target part based on the calculated thermal resistance.
本発明のコーティング層の遮熱性能評価方法は、図１に示すように、大きくは、数値解析用三次元モデルデータ並びに各種の解析条件を設定する解析条件設定ステップ（Ｓ１）と、評価対象部品（実機に搭載されている部品であって点検を実施する部品）を加熱することによって検出される温度と数値解析用三次元モデルと解析条件とを用いて数値解析を行って評価対象部品の熱抵抗値を算出してコーティング層の劣化に伴う遮熱性能の変化を評価する評価ステップ（Ｓ２）とからなる。 As shown in FIG. 1, the method for evaluating the thermal insulation performance of the coating layer according to the present invention mainly includes an analysis condition setting step (S1) for setting three-dimensional model data for numerical analysis and various analysis conditions, and an evaluation object part. (Parts that are mounted on the actual machine and are inspected) The temperature detected by heating, the three-dimensional model for numerical analysis, and the analysis conditions are used for numerical analysis, and the heat of the evaluation target part And an evaluation step (S2) for calculating a resistance value and evaluating a change in the heat shielding performance accompanying the deterioration of the coating layer.
ここで、本実施形態では、図３に示すガスタービンの動翼１を対象として遮熱性能変化の評価を実施する場合を例に挙げて説明する。また、本実施形態では、評価の対象とする部品の種類（型式）が複数ある場合を前提にして説明する。本実施形態の場合には、具体的には、ガスタービンの燃焼器内で動翼１が取り付けられる段（例えば、初段動翼，２段動翼，３段動翼など）によって形状が異なるので、動翼１の形状タイプを考慮して遮熱性能変化の評価を行う。 Here, in this embodiment, the case where the evaluation of the heat shielding performance change is performed on the moving blade 1 of the gas turbine shown in FIG. 3 will be described as an example. In the present embodiment, the description will be made on the assumption that there are a plurality of types (models) of parts to be evaluated. In the case of the present embodiment, specifically, the shape varies depending on the stage (for example, the first stage blade, the second stage blade, the third stage blade, etc.) to which the blade 1 is attached in the combustor of the gas turbine. In consideration of the shape type of the rotor blade 1, the change in the heat shielding performance is evaluated.
さらに、本発明のコーティング層の遮熱性能評価方法は基本的には評価対象部品の部位を単位として遮熱性能変化の評価を行うものであり、本実施形態では、動翼１の複数の部位毎に遮熱性能変化の評価を行う。 Furthermore, the method for evaluating the heat shielding performance of the coating layer of the present invention basically evaluates the change in the heat shielding performance in units of parts of the evaluation target part. In this embodiment, the plurality of parts of the rotor blade 1 are evaluated. Evaluate changes in heat shielding performance every time.
まず、解析条件設定ステップ（Ｓ１）について説明する。 First, the analysis condition setting step (S1) will be described.
本発明のコーティング層の遮熱性能評価方法の実行にあたっては、まず、制御部１１の三次元モデルデータ読込部１１ａが、評価対象部品である動翼１の数値解析用三次元モデルデータの読み込みを行う（Ｓ１−１）。 In executing the method for evaluating the thermal insulation performance of the coating layer of the present invention, first, the 3D model data reading unit 11a of the control unit 11 reads the 3D model data for numerical analysis of the moving blade 1 which is the evaluation target component. (S1-1).
本実施形態では、数値解析用三次元モデルデータは三次元モデルデータベース１８として記憶手段であるデータサーバ１６に蓄積される。三次元モデルデータ読込部１１ａは、数値解析用三次元モデルデータをデータサーバ１６に保存されている三次元モデルデータベース１８から読み込む。なお、三次元モデルデータベース１８は記憶手段である記憶部１２に保存されるようにしても良い。 In the present embodiment, the three-dimensional model data for numerical analysis is stored as a three-dimensional model database 18 in the data server 16 that is a storage means. The 3D model data reading unit 11 a reads 3D model data for numerical analysis from a 3D model database 18 stored in the data server 16. Note that the three-dimensional model database 18 may be stored in the storage unit 12 which is a storage unit.
Ｓ１−１の処理において読み込まれる数値解析用三次元モデルデータは、Ｓ２−２の処理において、動翼１を実際に加熱した場合の温度変化に基づいて数値解析を行って熱抵抗値を算出する際に用いられるものである。本発明における数値解析用三次元モデルデータとしては、実際の部品に基づいて解析用メッシュモデルが作成される。 The three-dimensional model data for numerical analysis read in the process of S1-1 calculates the thermal resistance value by performing a numerical analysis based on the temperature change when the moving blade 1 is actually heated in the process of S2-2. It is used when. As the three-dimensional model data for numerical analysis in the present invention, an analysis mesh model is created based on actual parts.
具体的には、まず、例えばＸ線ＣＴスキャン装置（具体的には例えばＢＩＲ社製・ＡＣＴＩＳ８００−４５０ＣＴ／ＤＲシステム）などを用いて動翼１についての計測を行い、内部構造も含めた基材の構造並びに基材に施されているコーティング層の構造のスキャン画像データを得る。 Specifically, first, for example, an X-ray CT scanning apparatus (specifically, for example, ACTIS800-450CT / DR system manufactured by BIR, Inc.) is used to measure the moving blade 1, and the base material including the internal structure. And scan image data of the structure of the coating layer applied to the substrate.
Ｘ線ＣＴスキャン装置を用いた計測によって得られた画像データに基づく数値解析用の三次元メッシュデータの作成は、例えば、まず、Ｘ線ＣＴスキャンによる画像からポリゴンによるモデルを作成し（具体的には例えば日本ヴィジュアルサイエンス株式会社製・ＶＧstudio ＭＡＸを用いる）、続いて、ポリゴンによるモデルから汎用三次元ＣＡＤモデルを作成し（具体的には例えばＩＮＵＳ Ｔechnology社製・Ｒapidform ＸＯを用いる）、さらに、汎用三次元ＣＡＤモデルから数値解析用メッシュモデルを作成する（具体的には例えばＰointwise社製・Ｇridgenを用いる）ことによって行う。本実施形態の評価対象部品である動翼１の数値解析用の三次元メッシュモデル２の例を図４に示す。 For example, three-dimensional mesh data for numerical analysis based on image data obtained by measurement using an X-ray CT scan apparatus is created by first creating a polygon model from an X-ray CT scan image (specifically, Is made by Nippon Visual Science Co., Ltd. (using VGstudio MAX), and then a general-purpose three-dimensional CAD model is created from the polygon model (specifically, for example, using INUS Technology's Rapidform XO). This is performed by creating a mesh model for numerical analysis from a three-dimensional CAD model (specifically, for example, using Pointn, manufactured by Pointwise). FIG. 4 shows an example of a three-dimensional mesh model 2 for numerical analysis of the moving blade 1 that is a part to be evaluated of this embodiment.
ここで、Ｓ１−１の処理は評価対象部品の種類（本実施形態では形状のタイプ）毎に行われる。本実施形態の場合には、具体的には、ガスタービンの燃焼器内で動翼１が取り付けられる段（例えば、初段，２段，３段など）によって動翼１の形状が異なるので、動翼１の形状タイプ毎に数値解析用の三次元モデルデータが作成される。 Here, the process of S1-1 is performed for each type of evaluation target component (in this embodiment, the shape type). In the case of the present embodiment, specifically, the shape of the moving blade 1 varies depending on the stage (for example, the first stage, the second stage, the third stage, etc.) to which the moving blade 1 is attached in the combustor of the gas turbine. Three-dimensional model data for numerical analysis is created for each shape type of the blade 1.
なお、Ｘ線ＣＴスキャンではコーティング層の厚さを正確に計測することができない場合には、動翼１の設計値をコーティング層の厚さとして与えたり、Ｘ線ＣＴスキャン以外の方法によって計測した値を与えたり、動翼１のコーティング層の厚さとして通常想定される値を与えたりしても良い。 In addition, when the thickness of the coating layer cannot be accurately measured by the X-ray CT scan, the design value of the moving blade 1 is given as the thickness of the coating layer or measured by a method other than the X-ray CT scan. A value may be given, or a value normally assumed as the thickness of the coating layer of the rotor blade 1 may be given.
そして、三次元モデルデータ読込部１１ａは、三次元モデルデータベース１８から読み込んだ数値解析用三次元モデルデータをメモリ１５に記憶させる。 Then, the 3D model data reading unit 11 a stores the 3D model data for numerical analysis read from the 3D model database 18 in the memory 15.
次に、制御部１１の熱物性値設定部１１ｂは、評価対象部品である動翼１の熱物性値を設定する（Ｓ１−２）。 Next, the thermophysical property value setting unit 11b of the control unit 11 sets the thermophysical property value of the rotor blade 1 that is the evaluation target component (S1-2).
Ｓ１−２の処理において設定される熱物性値は、Ｓ２−２の処理において、動翼１を実際に加熱した場合の温度変化に基づいて数値解析を行って熱抵抗値を算出する際に用いられるものである。具体的には、熱物性値として、動翼１の基材と大気（雰囲気）とについて熱伝導率，比熱容量，密度の値を設定すると共に、動翼１の遮熱コーティング層について比熱容量，密度の値を設定する。 The thermophysical property value set in the process of S1-2 is used when calculating the thermal resistance value by performing a numerical analysis based on the temperature change when the moving blade 1 is actually heated in the process of S2-2. It is what Specifically, values of thermal conductivity, specific heat capacity, and density for the base material of the blade 1 and the atmosphere (atmosphere) are set as thermophysical values, and specific heat capacity for the thermal barrier coating layer of the blade 1; Set the density value.
なお、Ｓ１−２の処理において設定する熱物性値は例えば文献値でも良いし、あるいは、動翼１について別途に計測を行って得られた値でも良い。 In addition, the thermophysical property value set in the process of S1-2 may be a literature value, for example, or may be a value obtained by separately measuring the moving blade 1.
ここで、Ｓ１−２の処理は評価対象部品の種類毎且つ部位毎に行われる。本実施形態の場合には、動翼１の形状タイプ毎且つ動翼１の部位毎に熱物性値が設定される。このため、熱物性値には当該熱物性値に対応する部品の種類及び部品の部位を表す符号が付される。 Here, the process of S1-2 is performed for each type and part of the evaluation target component. In the case of this embodiment, a thermophysical value is set for each shape type of the rotor blade 1 and for each part of the rotor blade 1. For this reason, the thermophysical property value is attached with a symbol representing the type of component and the part location corresponding to the thermophysical property value.
熱物性値の設定は、熱物性値を熱物性値データファイルとして記憶手段であるデータサーバ１６若しくは記憶部１２に予め保存しておいて当該ファイルから熱物性値を熱物性値設定部１１ｂが読み込むようにしても良いし、熱物性値を遮熱性能評価プログラム１７上に予め規定しておいてこの値を熱物性値設定部１１ｂが読み込むようにしても良いし、熱物性値として作業者が指定する値を熱物性値設定部１１ｂが読み込むようにしても良い。 The thermophysical property value is set by preliminarily storing the thermophysical property value as a thermophysical property data file in the data server 16 or the storage unit 12 as storage means, and the thermophysical property value setting unit 11b reads the thermophysical property value from the file. Alternatively, the thermophysical property value may be defined in advance on the thermal insulation performance evaluation program 17, and this value may be read by the thermophysical property value setting unit 11b. The specified value may be read by the thermophysical property value setting unit 11b.
作業者が熱物性値を指定する場合には、熱物性値設定部１１ｂが、Ｓ１−２の処理を開始する段階で熱物性値の指定を要求する内容のメッセージを表示部１８に表示し、入力部１３を介して入力された作業者の指定の値を読み込むようにする。 When the operator specifies the thermophysical property value, the thermophysical property value setting unit 11b displays a message on the display unit 18 requesting the specification of the thermophysical property value at the stage of starting the processing of S1-2. The operator's designated value input via the input unit 13 is read.
そして、熱物性値設定部１１ｂは、評価対象部品の種類を表す符号及び部位を表す符号と共に動翼１の熱物性値をメモリ１５に記憶させる。 Then, the thermophysical property value setting unit 11 b stores the thermophysical property value of the moving blade 1 in the memory 15 together with a code representing the type of the evaluation target part and a code representing the part.
次に、制御部１１の加熱条件設定部１１ｃは、評価対象部品である動翼１の加熱条件を設定する（Ｓ１−３）。 Next, the heating condition setting part 11c of the control part 11 sets the heating condition of the moving blade 1 which is an evaluation object part (S1-3).
Ｓ１−３の処理において設定される加熱条件は、Ｓ２−２の処理において動翼１を実際に加熱した場合の温度変化に基づいて数値解析を行って熱抵抗値を算出する際、及び、Ｓ２−１の処理において用いる検出温度を計測するために動翼１を実際に加熱する際に用いられるものである。具体的には、加熱条件として、動翼１の加熱位置、加熱径、加熱強度、加熱時間を設定する。 The heating conditions set in the process of S1-3 are as follows: when the thermal resistance value is calculated by performing numerical analysis based on the temperature change when the moving blade 1 is actually heated in the process of S2-2, and S2 This is used when the rotor blade 1 is actually heated in order to measure the detected temperature used in the process -1. Specifically, the heating position, heating diameter, heating intensity, and heating time of the moving blade 1 are set as the heating conditions.
ここで、Ｓ１−３の処理は評価対象部品の種類毎且つ部位毎に行われる。本実施形態の場合には、動翼１の形状タイプ毎且つ動翼１の部位毎に加熱条件が設定される。このため、加熱条件には当該加熱条件に対応する部品の種類及び部品の部位を表す符号が付される。なお、本実施形態では一つの動翼１の複数の部位について遮熱性能変化の評価を行うので加熱条件のうち少なくとも加熱位置は部位毎に異なることになる。 Here, the process of S1-3 is performed for each type and part of the evaluation target component. In the case of this embodiment, a heating condition is set for each shape type of the moving blade 1 and for each part of the moving blade 1. For this reason, the code | symbol showing the kind of component corresponding to the said heating condition and the site | part of a component is attached | subjected to a heating condition. In the present embodiment, since the heat shielding performance change is evaluated for a plurality of parts of one moving blade 1, at least the heating position in the heating conditions differs for each part.
加熱条件の設定は、加熱条件を加熱条件データファイルとして記憶手段であるデータサーバ１６若しくは記憶部１２に予め保存しておいて当該ファイルから加熱条件を加熱条件設定部１１ｃが読み込むようにしても良いし、加熱条件を遮熱性能評価プログラム１７上に予め規定しておいてこの値を加熱条件設定部１１ｃが読み込むようにしても良いし、入力部１３を介して入力された作業者の指定の条件を加熱条件設定部１１ｃが読み込むようにしても良い。 For setting the heating conditions, the heating conditions may be stored in advance in the data server 16 or the storage unit 12 as a storage means as a heating condition data file, and the heating condition setting unit 11c may read the heating conditions from the file. Then, the heating condition may be defined in advance on the thermal insulation performance evaluation program 17 and this value may be read by the heating condition setting unit 11c, or the operator's designation input via the input unit 13 may be read. The conditions may be read by the heating condition setting unit 11c.
そして、加熱条件設定部１１ｃは、評価対象部品の種類を表す符号及び部位を表す符号と共に動翼１の加熱条件をメモリ１５に記憶させる。 Then, the heating condition setting unit 11 c stores the heating condition of the moving blade 1 in the memory 15 together with a code indicating the type of the evaluation target part and a code indicating the part.
以上の解析条件設定ステップ（Ｓ１）は、評価対象部品の特定の種類の特定の部位に対して一回だけ行う。そして、この解析条件設定ステップ（Ｓ１）によって設定された数値解析用三次元モデル及び解析条件を用いて以下の評価ステップ（Ｓ２）の処理を行う。なお、解析条件設定ステップ（Ｓ１）の処理によって設定された数値解析用三次元モデル及び解析条件を評価対象部品の継続的な点検作業において用いる場合には、当該数値解析用三次元モデルデータ及び解析条件を記憶手段である記憶部１２やデータサーバ１６に保存するようにしても良い。 The analysis condition setting step (S1) described above is performed only once for a specific part of a specific type of the evaluation target part. Then, the following evaluation step (S2) is performed using the numerical analysis three-dimensional model and analysis conditions set in the analysis condition setting step (S1). When the numerical analysis three-dimensional model and analysis conditions set by the analysis condition setting step (S1) are used in the continuous inspection work of the evaluation target part, the numerical analysis three-dimensional model data and analysis are performed. You may make it preserve | save conditions in the memory | storage part 12 and the data server 16 which are memory | storage means.
続いて、評価ステップ（Ｓ２）について説明する。この評価ステップ（Ｓ２）の処理は、実機に搭載されている部品の補修や交換の必要性を判断するための点検作業において用いられる処理であって、実機に搭載されている部品を加熱して温度を計測すると共に解析条件設定ステップ（Ｓ１）において設定された数値解析用三次元モデル及び解析条件を用いて部品の状態を評価するものである。 Subsequently, the evaluation step (S2) will be described. The process of this evaluation step (S2) is a process used in inspection work for judging the necessity of repair or replacement of parts mounted on the actual machine, and heating the parts mounted on the actual machine. In addition to measuring the temperature, the state of the part is evaluated using the numerical analysis three-dimensional model and analysis conditions set in the analysis condition setting step (S1).
評価ステップ（Ｓ２）として、まず、制御部１１の検出温度読込部１１ｄは、評価対象部品（即ち実機に搭載されている部品）を実際に加熱したときの温度を計測することによって検出される温度のデータ（以下、検出温度データと呼ぶ）を読み込む（Ｓ２−１）。 As an evaluation step (S2), first, the detected temperature reading unit 11d of the control unit 11 detects the temperature when the evaluation target component (that is, the component mounted on the actual machine) is actually heated. (Hereinafter referred to as detected temperature data) (S2-1).
評価対象部品の検出温度データを得るための動翼１の加熱はＳ１−３の処理において設定された加熱条件に従って行われる。なお、動翼１の加熱は具体的には例えばレーザを用いて行われる。また、温度の計測は例えば赤外線センサーを用いて行われる。 Heating of the moving blade 1 for obtaining detected temperature data of the evaluation target component is performed according to the heating condition set in the process of S1-3. The heating of the rotor blade 1 is specifically performed using a laser, for example. The temperature is measured using an infrared sensor, for example.
動翼１の加熱及び温度の計測は、実際に点検を行う部品であって評価対象の部品毎に、加熱条件として設定されている加熱位置毎即ち評価対象の部位毎に行われる。そして、個々の検出温度データには検出温度が計測された評価対象部品の識別符号（いわゆるＩＤ番号）が付される。さらに、検出温度データとＳ１−２の処理において設定された熱物性値及びＳ１−３の処理において設定された加熱条件とを対応付けるために個々の検出温度データには検出温度が計測された評価対象部品の種類及び部品の部位を表す符号が付される。 The heating and temperature measurement of the moving blade 1 are performed for each heating position set as a heating condition, that is, for each part to be evaluated, for each part to be actually inspected and evaluated. Each detected temperature data is given an identification code (so-called ID number) of the evaluation target component whose detected temperature is measured. Further, in order to associate the detected temperature data with the thermophysical property value set in the process of S1-2 and the heating condition set in the process of S1-3, each detected temperature data is an evaluation object in which the detected temperature is measured. Reference numerals indicating the type of part and the part part are attached.
検出温度データは、計測して得られた検出温度を検出温度データファイルとして記憶手段であるデータサーバ１６若しくは記憶部１２に予め保存しておいて当該ファイルから検出温度の値を検出温度読込部１１ｄが読み込むようにしても良いし、入力部１３を介して入力された作業者の指定の値を検出温度読込部１１ｄが読み込むようにしても良い。 For the detected temperature data, the detected temperature obtained by measurement is stored in advance in the data server 16 or the storage unit 12 as storage means as a detected temperature data file, and the detected temperature value is detected from the file as the detected temperature reading unit 11d. May be read, or the detected temperature reading unit 11d may read the value designated by the operator input via the input unit 13.
そして、検出温度読込部１１ｄは、評価対象部品の識別符号と種類を表す符号と部位を表す符号と共に動翼１の検出温度の値をメモリ１５に記憶させる。 The detected temperature reading unit 11 d stores the value of the detected temperature of the moving blade 1 in the memory 15 together with the identification code of the evaluation target part, the code indicating the type, and the code indicating the part.
次に、制御部１１の熱抵抗算出部１１ｅは、Ｓ１の処理において設定された数値解析用三次元モデルと熱物性値と加熱条件並びにＳ２−１の処理において読み込まれた検出温度を用いて評価対象部品の温度変化の数値解析を行って熱抵抗値を算出する（Ｓ２−２）。 Next, the thermal resistance calculation unit 11e of the control unit 11 evaluates using the three-dimensional model for numerical analysis, the thermal property value, the heating condition, and the detected temperature read in the process of S2-1 set in the process of S1. A numerical analysis of the temperature change of the target part is performed to calculate a thermal resistance value (S2-2).
本発明における熱抵抗値は、動翼１のコーティング層の厚さδとコーティング層の熱伝導率λとを用いて数式１によって表される。 The thermal resistance value in the present invention is expressed by Equation 1 using the thickness δ of the coating layer of the rotor blade 1 and the thermal conductivity λ of the coating layer.
（数１） Ｒ＝δ／λ
ここに、Ｒ：熱抵抗値〔ｍ２Ｋ／Ｗ〕、δ：コーティング層の厚さ〔ｍ〕、λ：コーティング層の熱伝導率〔Ｗ／ｍＫ〕。
(Equation 1) R = δ / λ
Here, R: thermal resistance value [m 2 K / W], δ: coating layer thickness [m], λ: coating layer thermal conductivity [W / mK].
Ｓ２−２の処理は、実機に搭載されている部品であって点検を実施する部品別に、部品の部位毎に行われる。本実施形態の場合には、実機に搭載されている動翼１別に、動翼１の部位毎に熱抵抗値が算出される。 The process of S2-2 is performed for each part part for each part that is mounted on the actual machine and that is to be inspected. In the case of the present embodiment, the thermal resistance value is calculated for each part of the moving blade 1 for each moving blade 1 mounted on the actual machine.
具体的には、熱抵抗算出部１１ｅは、まず、Ｓ２−１の処理においてメモリ１５に記憶された検出温度データの中から特定の一つの部品（以下、算出対象部品と呼ぶ）について当該算出対象部品の種類をメモリ１５から読み込む。以下、この段階で読み込んだ算出対象部品の種類を算出対象種類と呼ぶ。 Specifically, the thermal resistance calculation unit 11e first calculates the calculation target for one specific component (hereinafter referred to as a calculation target component) from the detected temperature data stored in the memory 15 in the process of S2-1. The part type is read from the memory 15. Hereinafter, the type of the calculation target component read at this stage is referred to as a calculation target type.
続いて、熱抵抗算出部１１ｅは、Ｓ２−１の処理においてメモリ１５に記憶された検出温度データのうち算出対象部品についての部位別の検出温度データの中から一つの部位（以下、算出対象部位と呼ぶ）についての値を読み込む。 Subsequently, the thermal resistance calculation unit 11e selects one part (hereinafter referred to as a calculation target part) from the detected temperature data for each part of the calculation target part among the detection temperature data stored in the memory 15 in the process of S2-1. Value).
次に、熱抵抗算出部１１ｅは、Ｓ１−１の処理においてメモリ１５に記憶された数値解析用三次元モデルデータの中から算出対象種類についてのデータをメモリ１５から読み込む。 Next, the thermal resistance calculation unit 11e reads data on the calculation target type from the memory 15 from the three-dimensional model data for numerical analysis stored in the memory 15 in the process of S1-1.
さらに、熱抵抗算出部１１ｅは、Ｓ１−２の処理においてメモリ１５に記憶された熱物性値とＳ１−３の処理においてメモリ１５に記憶された加熱条件とのそれぞれの中から算出対象種類に関する算出対象部位についての熱物性値と加熱条件とをメモリ１５から読み込む。 Furthermore, the thermal resistance calculation unit 11e calculates a calculation target type from each of the thermal property value stored in the memory 15 in the process of S1-2 and the heating condition stored in the memory 15 in the process of S1-3. The thermophysical property value and heating condition for the target part are read from the memory 15.
そして、熱抵抗算出部１１ｅは、読み込んだ数値解析用三次元モデルと熱物性値と加熱条件とを前提条件とすると共に検出温度を既知として動翼１の温度変化の数値解析（具体的には非定常熱伝導解析による探索）を行って算出対象部位の熱抵抗値を算出し（具体的には例えばＡＮＳＹＳ社製・ＦＬＵＥＮＴを用いる）、算出された熱抵抗値Ｒcalをメモリ１５に記憶させる。 Then, the thermal resistance calculation unit 11e assumes the read three-dimensional model for numerical analysis, the thermophysical property value, and the heating condition as a precondition, and also performs a numerical analysis of the temperature change of the blade 1 (specifically, the detected temperature is known). A search by unsteady heat conduction analysis is performed to calculate the thermal resistance value of the calculation target part (specifically, for example, using ANSYS's FLUENT), and the calculated thermal resistance value Rcal is stored in the memory 15.
熱抵抗値の算出は、具体的には、数値解析用三次元モデル，加熱条件，検出温度，動翼１の基材及び大気の熱物性値（熱伝導率，比熱容量，密度），並びに、動翼１の遮熱コーティング層の熱物性値（比熱容量，密度）を与え、遮熱コーティング層の熱抵抗値をパラメータとして最適な熱抵抗値を探索する。なお、本発明において熱抵抗値を算出するための解析手法は特定の手法に限定されるものではなく、上記条件の下に熱抵抗値を決定することができる手法であればいずれの手法であっても良い。 Specifically, the calculation of the thermal resistance value includes a three-dimensional model for numerical analysis, heating conditions, detected temperature, thermal properties of the base material of the blade 1 and the atmosphere (thermal conductivity, specific heat capacity, density), and A thermal property value (specific heat capacity, density) of the thermal barrier coating layer of the rotor blade 1 is given, and an optimum thermal resistance value is searched for using the thermal resistance value of the thermal barrier coating layer as a parameter. In the present invention, the analysis method for calculating the thermal resistance value is not limited to a specific method, and any method can be used as long as the thermal resistance value can be determined under the above conditions. May be.
熱抵抗算出部１１ｅは、特定の一つの部品（算出対象部品）に係る部位別の熱抵抗値の算出を全ての部位について行い、他の部品（算出対象部品）についても部位別の熱抵抗値の算出を行う。 The thermal resistance calculation unit 11e calculates the thermal resistance value for each part related to one specific part (calculation target part), and the thermal resistance value for each part also for other parts (calculation target part) Is calculated.
次に、制御部１１の遮熱性能評価部１１ｆは、Ｓ２−２の処理において算出された熱抵抗値をもとに評価対象部品の遮熱性能の評価を行って部品の補修や交換の必要性を判断する（Ｓ２−３）。 Next, the heat shielding performance evaluation unit 11f of the control unit 11 needs to repair or replace the component by evaluating the heat shielding performance of the evaluation target component based on the thermal resistance value calculated in the process of S2-2. Sex is judged (S2-3).
遮熱性能の評価は、Ｓ２−２で算出された熱抵抗値Ｒcalと限界熱抵抗値Ｒcriとを比較することにより行う。限界熱抵抗値Ｒcriは、評価対象部品のコーティング層が最低限備えるべき熱抵抗の値であり、基材の材質並びに評価対象部品の設置箇所や雰囲気温度などの環境等を考慮して作業者によって予め設定される。 The thermal insulation performance is evaluated by comparing the thermal resistance value Rcal calculated in S2-2 and the critical thermal resistance value Rcri. The critical thermal resistance value Rcri is a value of the thermal resistance that the coating layer of the evaluation target component should have as a minimum, and is determined by the worker in consideration of the material of the base material, the installation location of the evaluation target component, the environment such as the ambient temperature, etc. It is set in advance.
限界熱抵抗値Ｒcriは、遮熱性能評価プログラム１７上に予め規定しておいてこの値を遮熱性能評価部１１ｆが読み込むようにしても良いし、入力部１３を介して入力された作業者の指定の値を遮熱性能評価部１１ｆが読み込むようにしても良い。なお、限界熱抵抗値Ｒcriは、評価対象部品の種類に拘わらず一律の値であっても良いし、評価対象部品の種類別に設定するようにしても良いし、評価対象部品の部位別に設定するようにしても良い。 The limit thermal resistance value Rcri may be defined in advance on the thermal insulation performance evaluation program 17 and may be read by the thermal insulation performance evaluation unit 11f, or an operator input via the input unit 13 The specified value may be read by the heat shielding performance evaluation unit 11f. The limit thermal resistance value Rcri may be a uniform value regardless of the type of the evaluation target component, may be set for each type of the evaluation target component, or may be set for each part of the evaluation target component. You may do it.
遮熱性能評価部１１ｆは、まず、Ｓ２−２の処理においてメモリ１５に記憶された評価対象部品の部位別の熱抵抗値Ｒcalをメモリ１５から読み込む。 First, the thermal insulation performance evaluation unit 11f reads from the memory 15 the thermal resistance value Rcal for each part of the evaluation target component stored in the memory 15 in the process of S2-2.
続いて、遮熱性能評価部１１ｆは、評価対象部品の部位別の熱抵抗値Ｒcalと限界熱抵抗値Ｒcriとを比較する。そして、Ｒcal＞Ｒcriの場合には、評価対象部品の当該部位のコーティング層は必要とされる熱抵抗を備えていると判断する。一方、Ｒcal≦Ｒcriの場合には、当該部位のコーティング層は必要とされる熱抵抗を備えていない、すなわち当該部位は所要の熱抵抗が維持されていないので当該部位に対する補修作業や部品自体の交換が必要であると判断する。 Subsequently, the thermal insulation performance evaluation unit 11f compares the thermal resistance value Rcal for each part of the evaluation target component with the critical thermal resistance value Rcri. In the case of Rcal> Rcri, it is determined that the coating layer at the corresponding part of the evaluation target component has the required thermal resistance. On the other hand, in the case of Rcal ≦ Rcri, the coating layer of the part does not have the required thermal resistance, that is, the part does not maintain the required thermal resistance. Judge that replacement is required.
そして、遮熱性能評価部１１ｆは、上記処理を全ての部品についての全ての部位について行う。そして、Ｒcal≦Ｒcriの場合には、例えば表示部１４に当該部品のＩＤ番号，部品の種類，部品の部位，熱抵抗値Ｒcalを表示して作業者に対して当該部品の補修や交換の必要性を通知し、処理を終了する（ＥＮＤ）。 And the thermal-insulation performance evaluation part 11f performs the said process about all the parts about all the components. In the case of Rcal ≦ Rcri, for example, the display unit 14 displays the ID number of the part, the type of the part, the part of the part, and the thermal resistance value Rcal, and the worker needs to repair or replace the part. The processing is terminated (END).
以上のように構成されたコーティング層の遮熱性能評価方法、装置及びプログラムによれば、評価対象部品を実現可能な範囲で任意に設定した加熱条件で加熱することによってコーティング層の遮熱性能の評価を行うことができる。また、コーティング層や基材を損傷しない範囲で任意に設定した加熱条件で評価対象部品を加熱することによってコーティング層の遮熱性能の評価を行うことができる。さらに、評価対象部品の形状が複雑な場合や部品の部位によってコーティングの施工条件や熱物性値が異なっている場合でもそれらを踏まえた評価を行うことができる。 According to the method, apparatus, and program for evaluating the thermal insulation performance of the coating layer configured as described above, the thermal insulation performance of the coating layer can be improved by heating the evaluation target component under a heating condition arbitrarily set within a feasible range. Evaluation can be made. In addition, the heat shielding performance of the coating layer can be evaluated by heating the evaluation target component under heating conditions arbitrarily set within a range that does not damage the coating layer or the base material. Furthermore, even when the shape of the evaluation target part is complicated or when the coating application conditions and the thermophysical property values differ depending on the part part, it is possible to perform an evaluation based on them.
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、ガスタービンの動翼１を対象として遮熱性能変化の評価を実施する場合を例に挙げているが、遮熱性能変化の評価対象はこれに限られず、基材と遮熱のためのコーティング層とを有する部品であれば本発明を適用することができる。 In addition, although the above-mentioned form is an example of the suitable form of this invention, it is not limited to this, In the range which does not deviate from the summary of this invention, various deformation | transformation implementation is possible. For example, in the present embodiment, the case where the evaluation of the thermal insulation performance change is performed on the moving blade 1 of the gas turbine is taken as an example, but the evaluation target of the thermal insulation performance change is not limited to this, and the base material and The present invention can be applied to any component having a coating layer for heat insulation.
また、本実施形態では、動翼１について複数の種類（すなわち形状のタイプ）がある場合を前提とした例について説明したが、これに限られるものではなく、評価対象部品の種類が一種類であっても利用が可能である。さらに、本実施形態では、動翼１の複数の部位毎に評価を実施する場合を前提とした例について説明したが、これに限られるものではなく、評価対象の部位が一つであっても利用が可能である。 Further, in the present embodiment, an example has been described on the assumption that there are a plurality of types (that is, shape types) of the moving blade 1, but this is not a limitation, and there is only one type of evaluation target component. It can be used even if it exists. Furthermore, in this embodiment, the example on the assumption that the evaluation is performed for each of a plurality of parts of the moving blade 1 has been described. However, the present invention is not limited to this, and even if there is one part to be evaluated. It can be used.
ここで、本発明のコーティング層の遮熱性能評価装置は、図５に示すように、Ｘ線ＣＴスキャン装置２１，レーザ発振装置２２，ロボット２３，非接触温度計２４を更に備えるものとして構成されるようにしても良い。 Here, the thermal insulation performance evaluation apparatus for a coating layer according to the present invention is configured to further include an X-ray CT scanning device 21, a laser oscillation device 22, a robot 23, and a non-contact thermometer 24 as shown in FIG. You may make it.
Ｘ線ＣＴスキャン装置２１は、上述のＳ１−１の処理に関連して動翼１についての計測を行って内部構造を含む形状の三次元デジタルデータ化を行うためのものであり、具体的には動翼１のスキャン画像データを取得するためのものである。 The X-ray CT scanning device 21 is for measuring the moving blade 1 in connection with the above-described processing of S1-1 and converting the shape including the internal structure into three-dimensional digital data. Is for acquiring scanned image data of the moving blade 1.
そして、Ｘ線ＣＴスキャン装置２１によって取得される動翼１の形状の三次元デジタルデータ２５（即ちスキャン画像データ）はＳ１−１の処理において説明した過程を経て三次元モデル（本実施形態の場合には具体的には数値解析用の三次元メッシュモデル２）のデータとして加工されて用いられる。なお、本実施形態では、三次元デジタルデータ２５はデータサーバ１６に一旦蓄積されＳ１−１の処理において説明した過程を経て数値解析用の三次元メッシュモデル２として加工され三次元モデルデータベース１８としてデータサーバ１６にあらためて蓄積される。 Then, the three-dimensional digital data 25 (that is, the scanned image data) of the shape of the moving blade 1 acquired by the X-ray CT scanning device 21 passes through the process described in the process of S1-1 (in the case of the present embodiment). Specifically, it is processed and used as data of a three-dimensional mesh model 2) for numerical analysis. In the present embodiment, the three-dimensional digital data 25 is temporarily stored in the data server 16 and processed as the three-dimensional mesh model 2 for numerical analysis through the process described in the process of S 1-1. It is accumulated again in the server 16.
レーザ発振装置２２は、上述のＳ２−１の処理に関連して動翼１のコーティング層の表面の加熱を行うための装置である。レーザ２２ａとしては、動翼１の表面を安定して加熱することを考えて具体的にはＣＯ2レーザ若しくは半導体レーザが用いられる。 The laser oscillation device 22 is a device for heating the surface of the coating layer of the rotor blade 1 in association with the above-described processing of S2-1. As the laser 22a, a CO 2 laser or a semiconductor laser is specifically used in consideration of stably heating the surface of the rotor blade 1.
ここで、レーザ発振装置２２による動翼１の表面の加熱においては、Ｓ１−３の処理において設定された加熱条件に正確に従うことが必要であると共に、三次元モデルに対する数値解析の正確性の担保と容易さとを考慮すると動翼１の表面に対して常に垂直方向から等距離でレーザ２２ａが照射されることが望ましい。 Here, in the heating of the surface of the moving blade 1 by the laser oscillation device 22, it is necessary to accurately follow the heating conditions set in the processing of S1-3 and to ensure the accuracy of numerical analysis for the three-dimensional model. Considering the ease and ease, it is desirable that the laser 22a is always irradiated at an equal distance from the vertical direction with respect to the surface of the rotor blade 1.
しかしながら、加熱位置，加熱径，加熱強度，加熱時間が設定されている加熱条件に正確に従うように、並びに、曲面を有する動翼１の表面全体に亘って常に垂直方向且つ等距離になるように、手動操作によってレーザ２２ａの照射位置や方向や時間などを制御することは非常に困難であり、そして、正確性の担保の観点から望ましくない。 However, the heating position, the heating diameter, the heating intensity, and the heating time are accurately followed and the entire surface of the moving blade 1 having a curved surface is always vertically and equidistant. It is very difficult to control the irradiation position, direction, time, etc. of the laser 22a by manual operation, and it is not desirable from the viewpoint of ensuring accuracy.
そこで、レーザ２２ａの照射位置や方向や時間などを制御するためにロボット２３が用いられる。ロボット２３としては、具体的には、コンピュータ制御の下で作動する機械的ハンドリング装置が用いられる。さらに、必要な場合には、評価対象部品である動翼１を載置するステージ２６を備えるようにすると共に当該ステージ２６をロボット２３の動作に連動させるようにしても良い。 Therefore, the robot 23 is used to control the irradiation position, direction, time, etc. of the laser 22a. Specifically, a mechanical handling device that operates under computer control is used as the robot 23. Furthermore, if necessary, a stage 26 on which the moving blade 1 that is an evaluation target component is placed may be provided, and the stage 26 may be linked to the operation of the robot 23.
そして、ロボット２３（及び必要な場合にはステージ２６）の動作制御に、Ｓ１−３の処理において設定された加熱条件、並びに、Ｘ線ＣＴスキャン装置２１によって得られた動翼１の形状の三次元デジタルデータ２５に基づく三次元メッシュモデル２を用いることにより、加熱条件並びに動翼１の表面形状に合わせてレーザ２２ａの照射位置や方向や時間などを正確に制御することが可能になる。 Then, in the operation control of the robot 23 (and the stage 26 if necessary), the heating conditions set in the process of S1-3 and the tertiary of the shape of the moving blade 1 obtained by the X-ray CT scanning device 21 are used. By using the three-dimensional mesh model 2 based on the original digital data 25, it is possible to accurately control the irradiation position, direction, time, and the like of the laser 22a in accordance with the heating conditions and the surface shape of the moving blade 1.
なお、ロボット２３を介してレーザ２２ａが照射されるようにするために、ロボット２３のアームの先端部２３ａにレーザ発振装置を組み込んでレーザ発振装置とロボットとを一体化させるようにしても良いし、図５に示す例のようにレーザ発信装置２２とロボット２３とが別体として構成されるようにしても良い。なお、図５に示す例の場合には、レーザ発振装置２２によるレーザが例えば光ファイバ２２ｂによってロボットアームの先端部２３ａまで伝送される。 In order to irradiate the laser 22a via the robot 23, a laser oscillation device may be incorporated into the tip 23a of the arm of the robot 23 so that the laser oscillation device and the robot are integrated. As in the example shown in FIG. 5, the laser transmitter 22 and the robot 23 may be configured separately. In the case of the example shown in FIG. 5, the laser from the laser oscillation device 22 is transmitted to the distal end portion 23a of the robot arm through, for example, the optical fiber 22b.
非接触温度計２４は、上述のＳ２−１の処理に関連して動翼１をレーザ発振装置２２によるレーザ２２ａによって加熱したときの温度即ちコーティング層の表面温度を計測すると共に計測によって検出された温度のデータ（即ち検出温度データ）を出力するためのものである。非接触温度計２４としては、具体的には放射温度計若しくはサーモグラフィが用いられる。 The non-contact thermometer 24 measures the temperature when the moving blade 1 is heated by the laser 22a by the laser oscillation device 22, that is, the surface temperature of the coating layer, in association with the above-described processing of S2-1 and is detected by measurement. This is for outputting temperature data (ie, detected temperature data). As the non-contact thermometer 24, specifically, a radiation thermometer or a thermography is used.
なお、非接触温度計２４として放射温度計を用いる場合には、放射温度計は一点計測を行う機器であるので、ロボット２３によるレーザ２２ａの照射に合わせて放射温度計２４による温度計測点を移動させるようにする。 When a radiation thermometer is used as the non-contact thermometer 24, the radiation thermometer is a device that performs one-point measurement. Therefore, the temperature measurement point by the radiation thermometer 24 is moved in accordance with the irradiation of the laser 22a by the robot 23. I will let you.
一方、非接触温度計２４としてサーモグラフィを用いる場合には、一定の領域に対する熱画像を取得することが可能であり、ロボット２３によるレーザ２２ａの照射に合わせて一定の領域を細かく制御して移動させる必要はない。また、レーザ照射点と最高温度が検出される点とは必ずしも一致しない傾向があることが発明者の検討によって確認されており、サーモグラフィを用いて一定の領域を単位として温度計測を行って最高温度点を検出するようにした方が正確性の担保の観点からも好ましい。 On the other hand, when thermography is used as the non-contact thermometer 24, it is possible to acquire a thermal image for a certain region, and the certain region is finely controlled and moved in accordance with the irradiation of the laser 22a by the robot 23. There is no need. In addition, it has been confirmed by the inventors that the laser irradiation point and the point at which the maximum temperature is detected tend not to coincide with each other, and the maximum temperature is measured by measuring temperature in units of a certain area using thermography. It is preferable to detect points from the viewpoint of ensuring accuracy.
なお、コーティング層表面でのレーザ２２ａの反射を考慮すると、非接触温度計２４として、ＣＯ2レーザの波長（１０．６〔μｍ〕程度）や半導体レーザの波長（８００〔ｎｍ〕程度）を含まない波長を検出することができる機器が用いられることが望ましい。 In consideration of the reflection of the laser 22a on the surface of the coating layer, the non-contact thermometer 24 includes a CO 2 laser wavelength (about 10.6 [μm]) and a semiconductor laser wavelength (about 800 [nm]). It is desirable to use equipment that can detect no wavelengths.
非接触温度計２４によって計測されて出力された動翼１に関する検出温度データは、例えば、検出温度データファイルとしてデータサーバ１６若しくは記憶部１２に保存される。 The detected temperature data related to the moving blade 1 measured and output by the non-contact thermometer 24 is stored in the data server 16 or the storage unit 12 as a detected temperature data file, for example.
上述の、Ｘ線ＣＴスキャン装置２１，レーザ発振装置２２，ロボット２３，非接触温度計２４を更に備える装置によれば、種々の計測の正確性を担保しながら遮熱性能の評価を行うことが可能になる。 According to the apparatus further including the X-ray CT scanning device 21, the laser oscillation device 22, the robot 23, and the non-contact thermometer 24, it is possible to evaluate the heat shielding performance while ensuring the accuracy of various measurements. It becomes possible.
本発明のコーティング層の遮熱性能評価方法、装置及びプログラムの有効性の検証の実施例を図６から図９を用いて説明する。 Examples of the effectiveness of the method for evaluating the thermal insulation performance of a coating layer, apparatus and program according to the present invention will be described with reference to FIGS.
具体的には、本実施例では、図６に示すように、ガスタービンの翼１の背側の一部（図中破線で囲まれる部分）を模擬した試験体３０を用いて本発明の遮熱性能評価の有効性の検証を行った。 Specifically, in this embodiment, as shown in FIG. 6, the test piece 30 simulating a part of the back side of the blade 1 of the gas turbine (a part surrounded by a broken line in the figure) is used to block the shielding of the present invention. The effectiveness of thermal performance evaluation was verified.
本実施例の試験体３０は、基材３１が外径Ｄ＝３０〔ｍｍ〕の薄肉円筒形状であり、外周面に遮熱コーティング層３２が施工されているものを用いた。 As the test body 30 of this example, a base material 31 having a thin cylindrical shape with an outer diameter D = 30 [mm] and a thermal barrier coating layer 32 applied on the outer peripheral surface was used.
そして、本実施例では、基材３１の厚さは１，２，３〔ｍｍ〕の三種類とした（なお、基材３１の内径ｄがそれぞれ２８，２６，２４〔ｍｍ〕になる）。また、遮熱コーティング層３２の厚さは０．１，０．２，０．３〔ｍｍ〕の三種類とした。 In the present embodiment, the base material 31 has three thicknesses of 1, 2, 3 [mm] (the inner diameter d of the base material 31 is 28, 26, 24 [mm], respectively). Moreover, the thickness of the thermal barrier coating layer 32 was set to three types of 0.1, 0.2, and 0.3 [mm].
また、本実施例では、レーザを用いて試験体３０を加熱した。具体的には、試験体３０の外周面のうちの４分の１の範囲（即ち中心角θ＝９０度に対応する外周部分；以下、レーザ照射範囲３３と呼ぶ）にレーザを照射するようにした。 Moreover, in the present Example, the test body 30 was heated using the laser. Specifically, the laser is irradiated to a quarter of the outer peripheral surface of the test body 30 (that is, the outer peripheral portion corresponding to the central angle θ = 90 degrees; hereinafter referred to as the laser irradiation range 33). did.
そして、レーザによる加熱については、遮熱コーティングの焼結が発生しない程度の条件に設定する必要があることを考慮し、遮熱コーティング層３２の表面温度が最大で４００〔℃〕程度になる条件として、加熱強度０．６〔Ｗ〕，加熱領域直径１〔ｍｍ〕，試験体３０外周面周方向へのレーザ移動速度５〔ｍｍ／秒〕とした。 In consideration of the fact that the laser heating needs to be set to such a condition that the thermal barrier coating does not sinter, the surface temperature of the thermal barrier coating layer 32 is about 400 [° C.] at maximum. The heating intensity is 0.6 [W], the heating region diameter is 1 [mm], and the laser moving speed is 5 [mm / sec] in the circumferential direction of the outer peripheral surface of the test body 30.
また、基材３１及び遮熱コーティングの熱物性値は文献値を使用した（藤井ら：ガスタービン用コーティング層の熱特性−第１報 コーティング層と耐熱超合金の熱物性測定および新旧材の比較−，電力中央研究所報告（W97017），1998年）。また、遮熱コーティング層３２表面の放射率は１．０とした。なお、試験体３０内外の雰囲気は大気とした。 The thermophysical properties of the base material 31 and the thermal barrier coating were based on literature values (Fujii et al .: Thermal properties of coating layers for gas turbines-1st report. Thermophysical properties of coating layers and heat-resistant superalloys and comparison of old and new materials. -, Report of Central Research Institute of Electric Power (W97017), 1998). The emissivity of the surface of the thermal barrier coating layer 32 was 1.0. The atmosphere inside and outside the test body 30 was air.
レーザが加熱開始点３４ａから加熱終点３４ｂに到達するまでの間の、温度計測点３５における温度変化を非定常熱伝導解析によって計算した。なお、温度計測点３５はレーザ照射範囲３３の中央地点（即ち加熱開始点３４ａから中心角θm＝４５度に対応する地点）とした。 The temperature change at the temperature measurement point 35 until the laser reached the heating end point 34b from the heating start point 34a was calculated by unsteady heat conduction analysis. The temperature measurement point 35 was set to the central point of the laser irradiation range 33 (that is, the point corresponding to the central angle θm = 45 degrees from the heating start point 34a).
まず、基材３１の厚さを２〔ｍｍ〕に固定すると共に遮熱コーティング層３２の厚さを変化させた場合についての解析を行って図７に示す計算結果が得られた。この結果から、温度計測点３５における温度はレーザの中心が通過（図中「レーザ通過点」と表記）後０．０５〔秒〕程度で最高温度に達し、遮熱コーティング層３２（図中「ＴＢＣ」と表記）の厚さの違いによって最高温度の値が大きく異なることが確認された。 First, the calculation result shown in FIG. 7 was obtained by analyzing the case where the thickness of the base material 31 was fixed to 2 [mm] and the thickness of the thermal barrier coating layer 32 was changed. From this result, the temperature at the temperature measurement point 35 reaches the maximum temperature in about 0.05 [seconds] after the center of the laser passes (denoted as “laser passing point” in the figure), and the thermal barrier coating layer 32 (“ It was confirmed that the maximum temperature value greatly differs depending on the difference in thickness of TBC.
そして、図７に示す最高温度と遮熱性能との間の関係から図８に示す検定線が得られた。ここで言う検定線とは、図８に示すように、遮熱性能としての熱抵抗値Ｒと部品の温度Ｔとの間の関係を表す曲線である。なお、検定線３は、評価対象部品の種類別且つ部位別に作成されるものであり、具体的には例えば動翼１の形状タイプ別且つ動翼１の部位別に作成されるものである。 And the verification line shown in FIG. 8 was obtained from the relationship between the maximum temperature shown in FIG. 7, and heat insulation performance. The test line here is a curve representing the relationship between the thermal resistance value R as the heat shielding performance and the temperature T of the component, as shown in FIG. The verification line 3 is created for each type and part of the evaluation target part. Specifically, for example, it is created for each shape type of the moving blade 1 and for each part of the moving blade 1.
一方、試験体３０を用いた実際の計測においては上記の解析における加熱条件と同様の条件で遮熱コーティング層３２表面のレーザ加熱を行い、温度計測点３５において計測された遮熱コーティング層３２の表面温度と図８に示す検定線とを用いて遮熱コーティングの遮熱性能を求めた。 On the other hand, in actual measurement using the test body 30, the surface of the thermal barrier coating layer 32 is laser-heated under the same conditions as the heating conditions in the above analysis, and the thermal barrier coating layer 32 measured at the temperature measurement point 35 is measured. The thermal barrier performance of the thermal barrier coating was determined using the surface temperature and the calibration line shown in FIG.
ここで、計測対象物の表面温度の計測装置として一般的に用いられる放射温度計やサーモグラフィなどの非接触温度計の計測精度は計測温度に対して±２〔％〕程度の範囲内であることが一般的である。このため、図７に示すように遮熱コーティング層３２の表面温度が４００〔℃〕程度の場合には計測誤差が±８〔℃〕程度の範囲内になると考えられた。 Here, the measurement accuracy of a non-contact thermometer such as a radiation thermometer or a thermography generally used as a measuring device for the surface temperature of the measurement object should be within a range of about ± 2 [%] with respect to the measured temperature. Is common. Therefore, as shown in FIG. 7, when the surface temperature of the thermal barrier coating layer 32 is about 400 [° C.], the measurement error is considered to be within a range of about ± 8 [° C.].
そして、図７において、遮熱コーティング層３２の厚さが０．２〔ｍｍ〕と０．３〔ｍｍ〕との場合を比較すると最高温度の差は約８０〔℃〕であった。このため、本実施例の試験体３０を用いて同様の計測を非接触温度計で行った場合には遮熱コーティング層の厚さに換算すると±０．０１〔ｍｍ〕に相当する誤差を含むことになると考えられた。 In FIG. 7, when the thickness of the thermal barrier coating layer 32 is 0.2 [mm] and 0.3 [mm], the maximum temperature difference is about 80 [° C.]. For this reason, when the same measurement is performed with the non-contact thermometer using the test body 30 of the present embodiment, an error corresponding to ± 0.01 [mm] is included when converted to the thickness of the thermal barrier coating layer. I thought it would be.
ここで、文献（森永ら：ＴＢＣ遮熱性能非破壊評価法の開発−第１報 ＴＢＣ遮熱性能評価手法の提案−，電力中央研究所報告（W97021），1998年）によると、実機条件を模擬した簡易伝熱計算の結果から、遮熱コーティング層の厚さが０．００２３〔ｍｍ〕変化した場合に基材の表面温度が１〔℃〕変化するとされており、０．０１〔ｍｍ〕の遮熱コーティング層の厚さの変化は５〔℃〕以内の基材温度変化をもたらすことになると考えられた。 Here, according to the literature (Morinaga et al .: Development of TBC thermal insulation performance nondestructive evaluation method-1st report, Proposal of TBC thermal insulation performance evaluation method-, Central Research Institute of Electric Power Industry report (W97021), 1998) From the result of the simulated heat transfer simulation, it is said that the surface temperature of the substrate changes by 1 [° C.] when the thickness of the thermal barrier coating layer changes by 0.0023 [mm], and 0.01 [mm] It was thought that the change in the thickness of the thermal barrier coating layer resulted in a change in the substrate temperature within 5 [° C.].
既存の検討結果（渡辺ら：1300℃級ガスタービン初段動翼内部冷却の熱流動解析−第１報 直交リブ付き直管流路における高レイノルズ数場の解析−，電力中央研究所報告（W00006），2000年）によると、ガスタービン高温部品の寿命評価を行う際に許容できる温度の誤差は±２０〔℃〕以内とされており、基材温度にして５〔℃〕以内の誤差はこの範囲内に十分に収まることが確認された。 Existing study results (Watanabe et al .: Thermal flow analysis of 1300 ° C class gas turbine first stage rotor blade internal cooling-1st report-Analysis of high Reynolds number field in straight pipe flow path with orthogonal ribs-, Central Research Institute of Electric Power Industry report (W00006) , 2000), the allowable temperature error when evaluating the life of gas turbine high-temperature components is within ± 20 ° C, and the error within 5 ° C for the substrate temperature is within this range. It was confirmed that it fits well within.
以上の結果から、本発明のコーティング層の遮熱性能評価方法は、本実施例で行った通りの計測が可能である装置を導入することで、ガスタービン高温部品の寿命評価を行う際に許容できる温度誤差に収まる評価を行うことが可能であることが確認された。 From the above results, the thermal barrier performance evaluation method of the coating layer according to the present invention is acceptable when performing life evaluation of high-temperature components of a gas turbine by introducing an apparatus capable of measurement as in the present embodiment. It was confirmed that it is possible to perform an evaluation that falls within a possible temperature error.
次に、遮熱コーティング層３２の厚さを０．２〔ｍｍ〕に固定すると共に基材３１の厚さを変化させた場合についての解析を行って図９に示す計算結果が得られた。この結果から、基材３１の厚さが２〔ｍｍ〕と３〔ｍｍ〕との場合では最高温度に大きな差はみられない一方で、１〔ｍｍ〕の場合には最高温度が８〔℃〕程度高くなっていることが確認された。 Next, the calculation result shown in FIG. 9 was obtained by analyzing the case where the thickness of the thermal barrier coating layer 32 was fixed to 0.2 [mm] and the thickness of the base material 31 was changed. From this result, when the thickness of the base material 31 is 2 [mm] and 3 [mm], there is no significant difference in the maximum temperature, whereas when the thickness is 1 [mm], the maximum temperature is 8 [° C]. It was confirmed that it was higher.
この結果から、基材３１の厚さの影響を考慮しない場合には、基材の厚さの差によって最高温度に差が現れているにも拘わらず、遮熱コーティング層の遮熱性能の違いに起因して最高温度に差が現れていると判断してしまい計測誤差の要因になり得ると考えられた。 From this result, when the influence of the thickness of the base material 31 is not taken into consideration, the difference in the thermal barrier performance of the thermal barrier coating layer despite the difference in the maximum temperature due to the difference in the thickness of the base material. It was thought that there was a difference in the maximum temperature due to this, which could cause measurement errors.
本発明においては、計測対象である動翼１の三次元モデル（即ち数値解析用の三次元メッシュモデル）を作成して数値解析に用いるようにしており、そして、数値解析を動翼１の部位毎に行うようにして動翼１の部位毎の基材の厚さを数値解析において考慮するようにしているので、上述の計測誤差を排除して高い精度を有する遮熱性能の評価を行うことが可能であることが確認された。 In the present invention, a three-dimensional model (that is, a three-dimensional mesh model for numerical analysis) of the moving blade 1 to be measured is created and used for numerical analysis, and the numerical analysis is performed on the part of the moving blade 1. Since the thickness of the base material for each part of the rotor blade 1 is taken into consideration in the numerical analysis in such a way as to be performed every time, the above-described measurement error is eliminated and the heat shielding performance having high accuracy is evaluated. Is confirmed to be possible.
１ 動翼
２ 数値解析用三次元メッシュモデル
1 Rotor 2 3D mesh model for numerical analysis
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