JP2013108494A - ターボ機械の動作温度を推定するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ターボ機械の動作温度を推定するためのシステム及び方法を提供すること。
【解決手段】ターボ機械の部品に取り外し可能に取り付けられた本体２１０は、１種以上の化学種４０６と、１種以上の化学種４０６の初期の第１の濃度４４０を有する第１の材料４０２と、第１の材料４０２からの１種以上の化学種４０６の移動を可能にするよう構成された第２の材料４０４とを含む。化学種４０６は、ターボ機械の作動中に第１の材料４０２から第２の材料４０４に移動し、第１の材料４０２及び第２の材料４０４における１種以上の化学種４０６の最終濃度を決定し、第１の材料４０２と第２の材料４０４との間の１種以上の化学種４０６の過渡濃度を決定することにより濃度プロファイルを取得し、濃度プロファイルをシステムの対応する動作温度に相関付けることにより、作動中の温度を推定できるようになる。
【選択図】図４
【解決手段】ターボ機械の部品に取り外し可能に取り付けられた本体２１０は、１種以上の化学種４０６と、１種以上の化学種４０６の初期の第１の濃度４４０を有する第１の材料４０２と、第１の材料４０２からの１種以上の化学種４０６の移動を可能にするよう構成された第２の材料４０４とを含む。化学種４０６は、ターボ機械の作動中に第１の材料４０２から第２の材料４０４に移動し、第１の材料４０２及び第２の材料４０４における１種以上の化学種４０６の最終濃度を決定し、第１の材料４０２と第２の材料４０４との間の１種以上の化学種４０６の過渡濃度を決定することにより濃度プロファイルを取得し、濃度プロファイルをシステムの対応する動作温度に相関付けることにより、作動中の温度を推定できるようになる。
【選択図】図４
Description
本開示は、全体的に、ターボ機械の部品が受ける動作温度を推定するためのシステム及び方法に関する。より具体的には、本開示のシステム及び方法は、本体に対する金属的変質の分析を利用して、ターボ機械の部品が露出され又は受けている温度を推定し、これから部品の残りの作動寿命及び累積損傷を評価できるようになる。
ターボ機械の部品（すなわち、ブレード、ベーン、ロータ、ホイール、ケーシング、ボルト、バケット、ノズル、燃焼ハードウェア、及び／又はシュラウド）が露出され又は受けている温度を推定することは、ターボ機械の設計を検証する上で重要である。温度の測定はまた、部品の金属的変質を推定し、部品の残りの作動寿命を推定し、検査間隔を最適化し、作動状態を調整するのに有効である。ターボ機械は、限定ではないが、ガスタービン、蒸気タービン、ジェットタービン、及び他のタービン組立体を含む。極めて厳しい環境に曝される部品は、劣化の影響を特に受けやすく、その範囲は、とりわけ、クリープ速度、破断応力、繰り返し荷重の応力／歪み振幅、腐食及び／又は浸食率、及び熱機械的疲労などの幾つかの要因によって決まる。部品が長い期間にわたって高温に曝される場合など、一部の場合では、部品の材料は、金属的変質（例えば、化学的性質、微細構造、その他）を受けて、部品の信頼性及び耐久性を低下させる。これらの要因の作用の程度は、部品の作動上の使用温度に依存することができる。従って、部品が受ける温度は、これらの温度で費やされる時間と同様に、このような部品の寿命を規定する重要なパラメータである。寿命評価手順は、このような部品が曝されてきた又は受けている動作温度及びこれらの部品が作動に費やした時間に基づいて、このような部品の残りの作動寿命を推定するために開発されている。
現在では、ターボ機械の作動中に部品が曝され又は受けている温度を推定するための破壊的システム及び方法と非破壊的なシステム及び方法の両方がある。破壊的システム及び方法は、部品の特性上の金属的変質を調査して、これから時間と温度の関係を推定できるように部品の切断及び破壊を伴う。ガスタービンの高温ガス経路の部品が曝され又は受けている温度を推定するのに使用されてきた非破壊的システム及び方法は、とりわけ、熱電対、パイロメータ、渦電流センサ、及び／又は温度プローブの使用を含む。
温度を推定する現行のシステム及び方法は、以下の重大な欠点がある。
１）多くのシステムが面倒な手順を必要とする。
２）多くのシステムが複雑なセンサ構成を用いている。
３）多くのシステムが、ターボ機械圧縮機が受ける高温で長時間持続できない部品を必要とする。
４）多くのシステムが、部品が受ける過酷な環境（例えば、酸化、腐食）に耐えることができない部品を含む。
５）多くのシステムが、部品自体に対して破壊的である。
６）多くのシステムが、可動部品に好適ではない。
従って、上述の欠点がなく、部品が曝される温度を測定できる、より簡単で、より信頼性があり、使いやすく、非破壊的なシステム及び方法が当該技術分野において望ましい。
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
本開示の例示的な実施形態によれば、ターボ機械の部品に取り外し可能に取り付けられた本体を有するシステムが提供される。本体は、１種以上の化学種と、１種以上の化学種の初期の第１の濃度を有する第１の材料と、第１の材料からの１種以上の化学種の移動を可能にするよう構成された第２の材料とを含む。１種以上の化学種がターボ機械の作動中に第１の材料から第２の材料に移動する。本体は、作動中のターボ機械の温度を推定するよう構成される。
本開示の別の例示的な実施形態によれば、ターボ機械の部品の動作温度を推定する方法が提供される。本方法は、部品に取り外し可能に取り付けられた本体を準備するステップを含む。本体は、１種以上の化学種と、１種以上の化学種の初期の第１の濃度を有する第１の材料と、第１の材料からの１種以上の化学種の移動を可能にするよう構成された第２の材料とを含む。１種以上の化学種がターボ機械の作動中に第１の材料から第２の材料に移動し、該本体が、作動中のターボ機械の温度を推定するよう構成される。本方法は、ターボ機械を作動させるステップと、ターボ機械の作動を停止するステップとを含む。本方法は、本体を部品から取り外すステップと、第１の材料及び第２の材料における１種以上の化学種の最終濃度を決定し、第１の材料と第２の材料との間の１種以上の化学種の過渡濃度を決定することにより濃度プロファイルを取得するステップとを含む。本方法は、濃度プロファイルをターボ機械の対応する動作温度に相関付けることにより、動作温度を決定するステップを含む。
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。
可能な限り、同じ要素を示すために図面全体を通じて同じ参照符号が使用される。
ターボ機械において部品が曝される温度をより正確に、高い信頼で、好都合に且つ容易に測定又は推定可能にするより簡単な非破壊的システム及び方法が提供される。本開示の実施形態の１つの利点は、ターボ機械部品の残りの作動寿命及び／又は累積損傷を評価できるシステム及び方法を含む。別の利点は、本システム及び方法がターボ機械及びターボ機械部品自体に対して非破壊的であることである。更に別の利点は、本システム及び方法が、ターボ機械部品が曝され又は受けている温度を推定するために本体を使用することである。別の利点は、システム及び方法が本体の原子拡散特性の変化に基づいて、ターボ機械部品が曝され又は受けている温度を推定することである。更に別の利点は、システム及び方法が、ターボ機械の空力及び機械的設計と干渉しないように構成されることである。
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。本明細書に開示した特定の構造及び機能は、限定としてではなく、単に及び本発明を様々に利用する当業者への教示するための代表的根拠となる特許請求の範囲の根拠として解釈すべきである。図示したシステム及び方法のあらゆる変更形態又は変形形態、並びに当業者が通常想起されることになる本明細書に示す本発明の原理のこのような別の用途は、本発明の範囲内にあるものとみなされる。
本発明の様々な実施形態の部品について紹介する際、単数形で記載したものは、その部品が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した部品以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
ターボ機械システムは、限定ではないが、ガスタービン、蒸気タービン、ジェットエンジンタービン、及び他のタービン組立体を含むことができる。特定の用途において、ターボ機械部品（例えば、タービン、圧縮機、及びポンプ）は、極めて厳しい環境及び激しい損耗条件に曝される。例えば、ブレード、ケーシング、ロータホイール、シャフト、ノズルなどの特定のターボ機械部品は、高熱環境及び高回転環境で作動する可能性がある。極めて厳しい環境での動作条件の結果として、部品の表面上に亀裂、溝、キャビティ、又はギャップが生じる場合がある。
本開示は、センサとして動作し且つ作動中にターボ機械の部品が曝され又は受けている温度を推定するのに有用な本体を含む。ターボ機械の作動時に部品が費やした時間は既知のパラメータであるので、部品が曝され又は受けている温度を推定することができ、これを用いて所与の部品にどれほどの作動寿命が残されているかを決定することができる。これらの推定温度はまた、所与の部品によりどれほどの損傷が蓄積しているかを決定するのに用いることもできる。
ここで図１を参照すると、ガスタービンシステムとして図１に示されたターボ機械１０の部品は、作動状態時に機械的及び熱的応力を受け、特定の部品の定期的な保守整備を必要とする場合がある。ターボ機械１０の作動時には、天然ガス又はシンガスのような燃料は、１以上のノズル１２を通じて燃焼器１６に送ることができる。空気は、入口１８を通ってターボ機械１０に流入し、圧縮機１４により加圧することができる。圧縮機１４は、空気を加圧する一連の圧縮機ホイール２０、２２、及び２４を含むことができる。各段は、固定ベーン２６とロータブレード２８の１以上のセットを含むことができる。ロータブレード２８は、回転して圧力を漸次的に増大させ、加圧空気を提供し、該ロータブレード２８は、圧縮機締め付けボルト３２に接続された圧縮機ホイール３０に取り付けることができる。圧縮機１４からの加圧された吐出空気は、ディフューザセクション３６を通って圧縮機１４から流出し、燃焼器１６に配向されて燃料と混合することができる。特定の実施形態において、ターボ機械１０は、環状配列で配置された複数の燃焼器１６を含むことができる。各燃焼器１６は、高温の燃焼ガスをタービン３４に配向することができる。
図１に示すように、タービン３４は、タービンシェル５６によって囲まれた３つの独立した一連のタービンホイール４０、４２、及び４４を含む。各一連のタービンホイール４０、４２、及び４４は、前方タービンシャフト５４に取り付けられたそれぞれのタービンホイール４８、５０及び５２に結合されたタービンブレード又はタービンバケット４６のセットを含む。高温燃焼ガスによりタービンブレード４６の回転が生じると、シャフト５４が回転して、圧縮機１４及び発電器などの他の何れかの好適な負荷を駆動する。最終的には、ターボ機械１０は、排気セクション６０を通じて燃焼ガスを拡散し排出する。限定ではないが、ノズル１２、吸気口１８、圧縮機１４、ベーン２６、ブレード２８、ホイール３０、シャフト３２、ディフューザ３６、段４０、４２、４４、ブレード４６、シャフト５４、シェル５６、及び排気口６０などのターボ機械部品２００は、以下で詳細に説明するように、作動時にターボ機械システム１０の部品が曝され又は受けている温度を推定するのに有用なセンサとして作動する少なくとも１つの本体２１０を含む。
図２は、ターボ機械１０の部品２００の概略断面図である。この実施形態では、例証の目的で、部品２００はガスタービンのロータホイール２０２である。ロータホイール２０２の後方側面２０４と前方側面２０６とが図示されている。ロータホイール２０２は、ボルト又はシャフト（図示せず）を受けるためのボルト円２３０を含む。ロータホイール２０２にブレードのダブテール２２０が隣接している。例示的な実施形態において、本体２１０は、ロータホイール２０２に前方側面２０６上で取り付けられる。本体２１０は、ロータホイール２０２のバランシングウェイト３１６である。加えて、本体２１０は、ガスタービン又は蒸気タービンのようなターボ機械１０の作動時にロータホイール２０２の温度を測定するよう作動する。
図３に示すように、本体２１０は、限定ではないが、ロータホイールバランス３１６（図２を参照）、ボルト３１２、ナット３１０、ロックワイヤ、シム、シール３１４、パッチリング、及びこれらの組み合わせなど、ターボ機械１０の何らかの２次部品である。本体２１０は、２次部品として、ターボ機械１０の部品２００の固定、バランス、シール、又はこれらの組み合わせを行うと共に、ターボ機械１０の作動時の部品２００の温度の測定をも行うよう動作する。
図４及び５に示すように、本体２１０の組成は、ターボ機械１０の作動時の部品２００の温度の測定を可能にする。図４に示すように、ターボ機械１０の作動の前に、本体２１０は、１種以上の化学種４０６と、１種以上の化学種４０６の初期の第１の濃度を有する第１の材料４０２と、１種以上の化学種４０６の第１の材料４０２からの移動を可能にするよう構成された第２の材料４０４とを含む。本体２１０は、任意選択的に、第１の材料４０２と第２の材料４０４との間に境界部４０８を含むが、境界部４０８は必須ではなく、一般に、ターボ機械１０の作動の前における、１種以上の化学種４０６の第１の材料４０２と第２の材料４０４との間の濃度差を示すのに用いられる。
図５に示すように、１種以上の化学種４０６は、ターボ機械１０の作動中に第１の材料４０２から第２の材料４０４に移動する。本体２１０は、作動時のターボ機械１０の温度を推定するよう構成される。１種以上の化学種４０６の第１の材料４０２から第２の材料４０４への移動及びその結果として得られる濃度により、ターボ機械１０の作動中の動作温度を計算することが可能になる。
第１の材料４０２は、限定ではないが、ニッケル、鉄、コバルト、これらの合金、及びこれらの組み合わせを含む材料から選択される。第２の材料４０４は、ニッケル、鉄、コバルト、これらの合金、及びこれらの組み合わせから選択される。１種以上の化学種４０６は、ターボ機械１０の作動中に拡散体としての役割を果たす安定原子から選択される。１種以上の化学種４０６用材料の好適な実施例は、限定ではないが、炭素、窒素、酸素、ヘリウム、水素、リン、硫黄、チタニウム、アルミニウム、ホウ素、及びこれらの組み合わせなどの原子を含む。理論には制約されないが、１種以上の化学種４０６は、第１の材料４０２のベースメタル原子による格子間拡散を通じて作用すると考えられる。
図４に示すように、本体２１０は、発電用ガスタービン又は蒸気タービンのようなターボ機械１０の作動の前に１種以上の化学種４０６の第１の濃度４４０を有する第１の材料４０２を含む。一般に、第２の材料４０４は、ターボ機械１０の作動の前には１種以上の化学種４０６を含有しておらず、これは第２の濃度４４２として示されている。ターボ機械１０の作動の前では、時間ｔ＝０において、１種以上の化学種４０６の第１の濃度４４０と第２の濃度４４２（通常はゼロ）とが本体２１０において測定される。第１の濃度４４０と第２の濃度４４２の値が確認される。
図５に示すように、ｔに等しい作動時間を有するターボ機械１０の動作後、本体２１０は、第１の材料４０２における１種以上の化学種４０６の最終原子濃度４５０と、第２の材料４０４における１種以上の化学種４０６の第２の原子濃度４５２とを含む。作動時間ｔは、発電システム１０及び要件に応じて、約１０，０００時間〜約８０，０００時間の間、又は約１０，０００時間〜約６０，０００時間の間、或いは、約１５，０００時間〜約３０，０００時間の間である。ターボ機械１０の動作温度は、約５００°Ｆ〜約２６００°Ｆの間、又は約６００°Ｆ〜約１５００°Ｆの間、或いは、約７００°Ｆ〜約１０００°Ｆの間である。
ターボ機械１０内の本体２１０の構造及び配置に応じて、本体２１０は、ターボ機械１０における高温ガス流路又は高温ガス流路の外部にある部品２００の動作温度を推定するよう構成される。
１つの実施形態において、図４及び５に示すように、本体２１０の一部は、保護コーティング４２０を含む。保護コーティング４２０は、任意選択的に本体２１０に施工され、ターボ機械１０の過酷な動作条件から第１の材料４０２及び第２の材料４０４を保護する。保護コーティング４２０は、限定ではないが、クロム、チタン、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルト、白金、タンタル、タングステン、ハフニウム、イットリウム、これらの合金及びこれらの組み合わせなどの材料から選択される。保護コーティング４２０は、限定ではないが、物理的気相成長法（ＰＶＤ）、スパッタリング、溶射、スラリー噴霧、イオン注入及び同様のものなどのあらゆる好適な堆積技法を用いて本体２１０に施工される。
図６に示すように、第１の材料４０２及び第２の材料４０４を含む本体２１０の濃度プロファイルＣ（ｘ、ｔ）が提供され、ここでｘは境界部４０８からの距離、ｔは発電システム１０の作動時間である。ｔ＝０において、ターボ機械１０の作動前では、第１の材料４０２は、１種以上の化学種４０６の第１の濃度４４０を有する（図４を参照）。１種以上の化学種４０６が、ターボ機械１０の作動中に第１の材料４０２から第２の材料４０４に移動又は拡散すると、本体２１０の濃度プロファイルが変化し、これは４０６’（図５を参照）で表記される曲線で示されている。第１の材料４０２及び第２の材料４０４における１種以上の化学種４０６の最終原子濃度４５０は、時間＝ｔの時点であり、ここでｔはターボ機械１０の作動時間である。時間ｔにおける第１の材料４０２及び第２の材料４０４間の１種以上の化学種４０６の過渡濃度は、濃度プロファイルと呼ばれ、ターボ機械１０の動作温度を決定するのに使用される。
図７に示すように、ターボ機械１０の部品２００の動作温度を推定する方法７００が提供される。ターボ機械の実施例は、限定ではないが、ガスタービン、蒸気タービン、ジェットエンジンタービン、及び他のタービン組立体を含む。方法７００は、部品２００に取り外し可能に取り付けられた本体２１０を提供する段階を含む（ステップ７０１）。本体２１０は、１種以上の化学種４０６と、１種以上の化学種４０６の初期の第１の濃度４４０を有する第１の材料４０２と、１種以上の化学種４０６の第１の材料４０２からの移動を可能にするよう構成された第２の材料４０４とを含む。１種以上の化学種４０６は、ターボ機械１０の作動中第１の材料４０２から第２の材料４０４に移動する。本体２１０は、作動中のターボ機械１０の温度を推定するよう構成される。方法７００は、ターボ機械１０を作動させる段階を含む（ステップ７０３）。
方法７００は、ターボ機械１０の作動を停止する段階を含む（ステップ７０５）。方法７００は、部品２００から本体２１０を取り外す段階を含む（ステップ７０７）。部品２００から本体２１０を取り外すステップ７０７は、部品２００から本体２１０を完全に又は部分的に取り外す段階を含む。方法７００は、第１の材料４０２及び第２の材料４０４における１種以上の化学種４０６の最終原子濃度４５０を決定し、第１の材料４０２と第２の材料４０４との間の１種以上の化学種４０６の過渡濃度を決定する（図６を参照）ことにより濃度プロファイルを取得する段階を含む（ステップ７０９）。方法７００は、第１の材料４０２から第２の材料４０４への１種以上の化学種４０６の濃度プロファイルをターボ機械１０の対応する動作温度に相関付けることにより、動作温度を決定する段階を含む（ステップ７１１）。
方法７００は、ターボ機械１０の作動を停止する段階を含む（ステップ７０５）。方法７００は、部品２００から本体２１０を取り外す段階を含む（ステップ７０７）。部品２００から本体２１０を取り外すステップ７０７は、部品２００から本体２１０を完全に又は部分的に取り外す段階を含む。方法７００は、第１の材料４０２及び第２の材料４０４における１種以上の化学種４０６の最終原子濃度４５０を決定し、第１の材料４０２と第２の材料４０４との間の１種以上の化学種４０６の過渡濃度を決定する（図６を参照）ことにより濃度プロファイルを取得する段階を含む（ステップ７０９）。方法７００は、第１の材料４０２から第２の材料４０４への１種以上の化学種４０６の濃度プロファイルをターボ機械１０の対応する動作温度に相関付けることにより、動作温度を決定する段階を含む（ステップ７１１）。
１種以上の化学種４０６、第１の材料４０２、第２の材料４０４、及び任意選択的に境界部４０８を含む本体２１０は、複数の技法を用いて構成することができる。融解−凝固プロセスを用いて本体２１０を形成することができ、ここで第１の材料４０２が最初に融解されて所望の形態に凝固され、第２の材料４０４が最初に融解されて所望の形態に凝固され、次いで、第１の材料４０２及び第２の材料４０４が、限定ではないが、溶接、電子ビーム溶接、レーザ溶接、又は拡散結合のようなあらゆる好適な接合方法を用いて接合される。任意選択的に、境界部４０８は、第１の材料４０２と第２の材料４０４との間の接合材料とすることができる。本体２１０はまた、堆積プロセスを用いて第２の材料４０４を第１の材料４０２に施工することにより形成することができる。堆積プロセスは、スパッタリング、溶射、イオンプラズマ蒸着、化学メッキ、電着、イオン注入、スラリーコーティング、物理的気相成長法又は同様のものなどのプロセスを含む。堆積プロセスはまた、１種以上の化学種４０６を第１の材料４０２に施工するのに用いることができる。これらの技法の何れもが、限定ではないが、ロータホイールバランス３１６（図２を参照）、ボルト３１２、ナット３１０、ロックワイヤ、シム、シール３１４、パッチリング、及びこれらの組み合わせ（図３を参照）など、所望の本体２１０形状を形成するのに用いることができる。
本体２１０を形成する１つの例示的な方法は、誘導融解、アーク融解、又は同様のものを用いて第１の材料４０２の合金インゴットを鋳造する段階と、高温アニールを実施して第１の材料４０２の合金インゴットを均質化する段階と、合金インゴットを、本体２１０の一部を形成することになる適切なサイズの合金ベース形態に区分化する段階とを含む。第２の材料４０４が同様の方法で生成され、第１の材料と接合されて本体２１０を形成することができる。本体２１０は、形状及び所望の用途に応じて、部品２００に取り付け、部品２００を固定し、又は部品２００を平衡化することができる。
本体２１０を形成する別の例示的な方法は、直接書刻法、スタンピング、レーザ蒸着、物理的気相成長法、化学蒸着、又は同様のものを用いて第２の材料４０４の層を第１の材料４０２上に堆積する段階と、必要に応じて第２の材料４０４の追加層を第１の材料４０２上に堆積して所望の本体２１０を達成する段階とを含む。第２の材料４０４を第１の材料４０２に施工した後、限定ではないが、物理的気相成長法、イオン注入、電着、スパッタリング、溶射、又は同様のものなどのあらゆる好適な堆積法を用いて１種以上の化学種４０６が第１の材料４０２に導入される。
本体２１０は、第１の材料４０２及び第２の材料４０４の縁部を電子ビーム溶接した後、所定時間の間所定温度で静水圧プレス成形することにより形成することができる。第１の材料４０２及び第２の材料４０４を接合した後、スパッタリング、溶射、イオンプラズマ蒸着、又は同様のものなどの堆積プロセスを用いて、１種以上の化学種４０６を本体２１０の第１の材料４０２に導入することができる。
本体２１０を形成する１つの例示的な方法は、冷間静水圧プレス、高温静水圧プレス、又は同様のものを用いて第１の材料４０２及び第２の材料４０４の薄箔を共にプレスして拡散結合された本体２１０を形成する段階と、次いで、１種以上の化学種４０６を第１の材料４０２に導入する段階とを含む。次に、本体２１０は、シール３１４（図３を参照）のような所望の２次部品に成形することができる。
本体２１０を形成する上述の方法は、限定ではなく例証であり、どのように本体２１０を形成できるかに関する実施例を意味する。当業者であれば理解されるように、本体２１０を形成する他の多くの方法も実施可能である。
使用の前に、本体２１０の温度固有の特性の関係を最初に確立して纏めることが必要な場合がある。例えば、少なくとも第１の材料４０２及び第２の材料４０４についての化学的性質、格子パラメータ／相比率、硬度／弾性、電気特性及び／又は磁気特性、及び／又は種々の温度での拡散距離を確立し、発電システム１０の適用可能な動作温度範囲に対応して較正することができる。あらゆる好適な方法を利用して、本体２１０の温度固有の特性を測定又は決定することができる。
例えば、１種以上の化学種４０６を含む第１の材料４０２と、第２の材料４０４とを有する本体２１０の化学的特性は、波長分散型分光法（ＷＤＳ）、或いは、エネルギー分散分光法（ＥＤＳ）、蛍光Ｘ線分光法、レーザプラズマ分光法、又は同様のものを用いて電子顕微分析により測定又は決定することができる。第１の材料４０２及び第２の材料４０４の格子パラメータ／相比率は、Ｘ線回折、高エネルギーＸ線回折、中性子回折、画像分析統合光学及び／又は電子顕微鏡法、又は同様のものにより測定又は決定することができる。第１の材料４０２及び第２の材料４０４の硬度／弾性は、ナノインデーション、微小堅さ試験、超音波弾性測定法、又は同様のものによって測定又は決定することができる。本体２１０の第１の材料４０２又は第２の材料４０４の電気的特性（抵抗率及び／又は導電率を単位として）は、渦電流プローブによって測定又は決定することができる。本体２１０の第１の材料又は第２の材料の磁気特性（磁界を単位として）は、渦電流プローブによって測定又は決定することができる。本体２１０の１種以上の化学種４０６の拡散特性（すなわち、種々の温度での拡散距離）は、波長分散型分光法（ＷＤＳ）又はエネルギー分散分光法（ＥＤＳ）、もしくはナノインデーションの何れかを用いて電子マイクロプローブ分析により測定又は決定することができる。最終的に、本体２１０の第１の材料４０２又は第２の材料４０４の表面マイクロ電圧は、熱電ユニット測定により測定することができる・
運転条件が同じであり、本体２１０の温度固有特性の関係が確立されると、２次部品として動作する本体２１０は、ターボ機械１０の部品２００に取り付けられ、又は直接付加され、固定され、平衡化され、又はこれをシールすることができる。本体２１０は、部品２００（図２を参照）の空力又は機械的設計と干渉しない。本体２１０は、ナット３１０、ボルト３１２、金属シール３１４、バランシングウェイト３１６、ロックワイヤ、シム、パッチリング、及びこれらの組み合わせとして本明細書で説明されているが、ターボ機械１０のあらゆる２次部品とすることができる。本体２１０は、部品２００自体と同じ動作温度及びシャットダウンサイクルに曝され又は受けている。
運転条件が同じであり、本体２１０の温度固有特性の関係が確立されると、２次部品として動作する本体２１０は、ターボ機械１０の部品２００に取り付けられ、又は直接付加され、固定され、平衡化され、又はこれをシールすることができる。本体２１０は、部品２００（図２を参照）の空力又は機械的設計と干渉しない。本体２１０は、ナット３１０、ボルト３１２、金属シール３１４、バランシングウェイト３１６、ロックワイヤ、シム、パッチリング、及びこれらの組み合わせとして本明細書で説明されているが、ターボ機械１０のあらゆる２次部品とすることができる。本体２１０は、部品２００自体と同じ動作温度及びシャットダウンサイクルに曝され又は受けている。
ターボ機械１０の作動中、部品２００及び本体２１０は通常、所与の時間期間の間動作温度に曝され又は受けて、次いでシャットダウンされる。シャットダウンプロセスは、クエンチプロセスと同様であり、ここで部品２００は、動作温度から迅速に冷却される。本体２１０は、動作温度の変化に費やされる時間により１種以上の化学種４０６の第１の材料４０２から第２の材料４０４への移動が生じ、シャットダウンプロセス中の部品２００と本体２１０の迅速な冷却が本体２１０における温度微細構造を維持するように設計される。本体の金属特性の変質並びに１種以上の化学種４０６の第１の材料４０２から第２の材料４０４への拡散／移動により、発電システム１０の部品の最終温度及び／又は平均温度をこれから正確に推定できるようになる。
温度推定は、第１の材料４０２における第２の材料４０４への１種以上の化学種４０６の拡散プロセス、及び動作において費やされる本体２１０の時間に依存する。本体２１０の曝露又は動作温度は、１種以上の化学種４０６の第１の材料４０２から第２の材料４０４への拡散動力学を分析することにより推定することができる。発電システム１０の運転中、第１の材料４０２における１種以上の化学種４０６は、第２の材料４０４に相互作用して拡散し、種々の温度による金属間化合物又は相互拡散ゾーンを形成するよう設計される。金属間化合物又は相互拡散ゾーンの形成並びにゾーンの厚みにより、本体２１０の露出又は動作温度を評価できるようになる。エネルギー分散分光法（ＥＤＳ）検出器又は波長分散型分光法（ＷＤＳ）検出器と結合した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、本体２１０（図５）の第１の材料４０２と第２の材料４０４との間の１種以上の化学種４０６の相互拡散を決定することができる。本体２１０及び部品２００が動作中である時間は既知であるので、観測される本体２１０の１種以上の化学種４０６、すなわち第１の材料４０２及び第２の材料４０４の拡散特性の変化から動作温度を逆算することができる。
ターボ機械１０のシャットダウン中、又は他の好適な時点において、本体２１０を部品２００から分離することができ、本体２１０の拡散動力学を分析することができる。或いは、本体２１０は、部品２００上で、又は取り付けられて、又は固定されて、或いは平衡化されながら分析することができる。この分析は、破壊的（すなわち、マイクロプローブ分析又はナノインデーション、その他により）、又は非破壊的（すなわち、Ｘ線回折又は中性子回折分析、その他）に行うことができる。本体２１０は、部品２００から容易に分離できるので、分析は、非破壊的又は破壊的分析を用いた何れの方法でも実施することができる。
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を様々に変化させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
１０ 発電システム
１２ 燃料ノズル
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 入口
２０、２２、２４ 一連の圧縮機ホイール
２６ 固定ベーン
２８ ロータブレードｙ
３０ 圧縮機ホイール
３２ 圧縮機タイボルト
３４ タービン
３６ ディフューザセクション
４０，４２，４４ 一連のタービンホイール
４６ タービンバケット（ブレード）
４８，５０，５２ タービンホイール
５４ 前方タービンシャフト
５６ タービンシェル
６０ 排気セクション
２００ 部品
２０２ ロータホイール
２０４ ロータホイールの後方側面
２０６ ロータホイールの前方側面
２１０ 本体（センサ）
２２０ ダブテール
２３０ ロータホイールのボルト円
３１０ 六角ナット
３１２ ボルト
３１４ シール
３１６ ロータバランスウェイト
４０２ 第１の材料
４０４ 第２の材料
４０６ １種以上の化学種（原子）
４０６’ １種以上の化学種４０６の変化
４０８ 第１の材料と第２の材料との間の境界部
４２０ 本体の保護コーティング
４４０ 本体（第１の材料）における１種以上の化学種の第１の濃度（ｔ＝０）
４４２ 本体（第２の材料）における１種以上の化学種の第２の濃度（ｔ＝０）
４５０ 最終の原子濃度（第１の材料）
４５２ 第２の濃度（第２の材料）
７００ 温度を推定する方法
７０１ 本体を準備する
７０３ 発電システムを作動させる
７０５ 発電システムの作動を停止させる
７０７ 本体を部品から取り外す
７０９ 濃度プロファイルを取得する
７１１ 動作温度を決定する
１２ 燃料ノズル
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 入口
２０、２２、２４ 一連の圧縮機ホイール
２６ 固定ベーン
２８ ロータブレードｙ
３０ 圧縮機ホイール
３２ 圧縮機タイボルト
３４ タービン
３６ ディフューザセクション
４０，４２，４４ 一連のタービンホイール
４６ タービンバケット（ブレード）
４８，５０，５２ タービンホイール
５４ 前方タービンシャフト
５６ タービンシェル
６０ 排気セクション
２００ 部品
２０２ ロータホイール
２０４ ロータホイールの後方側面
２０６ ロータホイールの前方側面
２１０ 本体（センサ）
２２０ ダブテール
２３０ ロータホイールのボルト円
３１０ 六角ナット
３１２ ボルト
３１４ シール
３１６ ロータバランスウェイト
４０２ 第１の材料
４０４ 第２の材料
４０６ １種以上の化学種（原子）
４０６’ １種以上の化学種４０６の変化
４０８ 第１の材料と第２の材料との間の境界部
４２０ 本体の保護コーティング
４４０ 本体（第１の材料）における１種以上の化学種の第１の濃度（ｔ＝０）
４４２ 本体（第２の材料）における１種以上の化学種の第２の濃度（ｔ＝０）
４５０ 最終の原子濃度（第１の材料）
４５２ 第２の濃度（第２の材料）
７００ 温度を推定する方法
７０１ 本体を準備する
７０３ 発電システムを作動させる
７０５ 発電システムの作動を停止させる
７０７ 本体を部品から取り外す
７０９ 濃度プロファイルを取得する
７１１ 動作温度を決定する
Claims (20)
- ターボ機械の部品（２００）に取り外し可能に取り付けられた本体（２１０）を有するシステム（１０）であって、
前記本体が、
１種以上の化学種（４０６）と、
前記１種以上の化学種（４０６）の初期の第１の濃度（４４０）を有する第１の材料（４０２）と、
前記第１の材料（４０２）からの前記１種以上の化学種（４０６）の移動を可能にするよう構成された第２の材料（４０４）と、
を備え、前記１種以上の化学種（４０６）が前記ターボ機械の作動中に前記第１の材料（４０２）から前記第２の材料（４０４）に移動し、前記本体（２１０）が、作動中の前記ターボ機械の温度を推定するよう構成される、システム（１０）。 - 前記部品（２００）が、ロータホイール（２０２）である、請求項１記載のシステム（１０）。
- 前記本体（２１０）が、ガスタービン（３４）のロータホイール（２０２）を平衡化するよう構成される、請求項２記載のシステム（１０）。
- 前記本体（２１０）が、ボルト（３１２）、ナット（３１０）、ロックワイヤ、シム、シール（３１４）、パッチリング、及びこれらの組み合わせの少なくとも１つを含む、請求項１記載のシステム（１０）。
- 前記本体（２１０）が、保護コーティング（４２０）を含む、請求項１記載のシステム（１０）。
- 前記保護コーティング（４２０）が、クロム、チタン、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルト、白金、タンタル、タングステン、ハフニウム、イットリウム、これらの合金及びこれらの組み合わせなどの材料から選択される、請求項５記載のシステム（１０）。
- 前記第１の材料（４０２）が、ニッケル、鉄、コバルト、その合金、及びこれらの組み合わせから選択される、請求項１記載のシステム（１０）。
- 前記第２の材料（４０４）が、ニッケル、鉄、コバルト、その合金、及びこれらの組み合わせから選択される、請求項１記載のシステム（１０）。
- 前記１種以上の化学種（４０６）が、炭素、窒素、酸素、ヘリウム、水素、リン、硫黄、チタニウム、アルミニウム、ホウ素、及びこれらの組み合わせから選択される、請求項１記載のシステム（１０）。
- 前記本体（２１０）が、ｔに等しい作動時間において、前記第１の材料（４０２）における前記１種以上の化学種（４０６）の最終の第１の原子濃度（４５０）と、前記第２の材料（４０４）における前記１種以上の化学種（４０６）の最終の第２の原子濃度（４５２）とを含み、前記ｔは約１０，０００時間と約８０，０００時間の間である、請求項１記載のシステム（１０）。
- 前記本体（２１０）が、前記ターボ機械の高温ガス流路における前記部品（２００）の動作温度を推定するよう構成される、請求項１記載のシステム（１０）。
- 前記本体（２１０）が、前記ターボ機械の高温ガス流路の外部の前記部品（２００）の動作温度を推定するよう構成される、請求項１記載のシステム（１０）。
- ターボ機械の部品（２００）の動作温度を推定する方法（７００）であって、
前記部品（２００）に取り外し可能に取り付けられた本体（２１０）を準備するステップ（７０１）を含み、前記本体が、
１種以上の化学種（４０６）と、
前記１種以上の化学種（４０６）の初期の第１の濃度（４４０）を有する第１の材料（４０２）と、
前記第１の材料（４０２）からの前記１種以上の化学種（４０６）の移動を可能にするよう構成された第２の材料（４０４）と、
を備え、前記１種以上の化学種（４０６）が前記ターボ機械の作動中に前記第１の材料（４０２）から前記第２の材料（４０４）に移動し、前記本体（２１０）が、作動中の前記ターボ機械の温度を推定するよう構成され、
前記方法が更に、
前記ターボ機械を作動させるステップ（７０３）と、
前記ターボ機械の作動を停止するステップ（７０５）と、
前記本体（２１０）を前記部品から取り外すステップ（７０７）と、
前記第１の材料（４０２）及び前記第２の材料（４０４）における前記１種以上の化学種（４０６）の最終濃度（４５０）を決定し、前記第１の材料（４０２）と前記第２の材料（４０４）との間の前記１種以上の化学種（４０６）の過渡濃度を決定することにより濃度プロファイルを取得するステップ（７０９）と、
前記濃度プロファイルを前記ターボ機械の対応する動作温度に相関付けることにより、動作温度を決定するステップと、
を含む、方法（７００）。 - 前記本体（２１０）が、保護コーティング（４２０）を含む、請求項１３記載の方法（７００）。
- 前記保護コーティング（４２０）が、クロム、チタン、鉄、アルミニウム、ニッケル、コバルト、白金、タンタル、タングステン、ハフニウム、イットリウム、これらの合金及びこれらの組み合わせなどの材料から選択される、請求項１３記載の方法（７００）。
- 前記相関付けステップの後で、前記部品（２００）の残りの作動寿命を推定するステップを更に含む、請求項１３記載の方法（７００）。
- 前記決定ステップが、オージェ電子分光法、電子マイクロプローブ分析、波長分散型分光法、エネルギー分散分光法、ラザフォード後方散乱スペクトル法（ＲＢＳ）、蛍光Ｘ線分光法、Ｘ線光電子分光法、二次イオン質量分析法、レーザプラズマ分光法、高エネルギーＸ線回折分析、中性子回折分析、画像分析統合光学顕微鏡法、画像分析統合電子顕微鏡法、ナノインデーション、微小堅さ試験、超音波弾性測定法、渦電流プロービング、及び熱電ユニット測定の少なくとも１つを含む、請求項１３記載の方法（７００）。
- 前記本体（２１０）が、発電システム（１０）のロータホイール（２０２）を平衡化するよう構成される、請求項１３記載の方法（７００）。
- 前記本体（２１０）の第１の材料（４０２）が、ニッケル、鉄、コバルト、その合金、及びこれらの組み合わせから選択され、炭素、窒素、酸素、ヘリウム、水素、リン、硫黄、チタニウム、アルミニウム、ホウ素、及びこれらの組み合わせから選択された１種以上の化学種（４０６）を含む、請求項１３記載の方法（７００）。
- 前記本体（２１０）が、ｔに等しい作動時間において、前記第１の材料（４０２）における前記１種以上の化学種（４０６）の最終の第１の原子濃度（４５０）と、前記第２の材料（４０４）における前記１種以上の化学種（４０６）の最終の第２の原子濃度（４５２）とを含み、前記ｔは約１０，０００時間と約８０，０００時間の間である、請求項１３記載の方法（７００）。
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