JP4004791B2 - 酸化を検出するための高温計の利用 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にタービン動翼に関する。特に、本発明は、第１段タービン動翼の状態に基づく保守を判定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、圧縮機を駆動して、エンジンの連続動作を可能にするために、排気ガス駆動タービンホイールを使用する空気依存装置である。ガスがバーナから排出されるときに、タービンは膨張するガスから運動エネルギーを取り出す。タービンはこのエネルギーをシャフト馬力に変換して、圧縮機とエンジン付属部品を駆動する。動力を発生するために通常使用されるタービンは複数の段から構成されており、各段は固定された区画と、回転自在のタービンホイールに装着された、ブレードとしても知られている複数のタービン動翼とを有する。
【０００３】
タービンは作動中、高速高温となる。このような高速は大きな遠心力を発生させる。タービンは温度限界に近い温度で動作しなければならず、温度限界を超えると、タービン部品を形成するために使用されている材料の強度が低下してしまう。タービン動翼は「クリープ」として知られる歪み又は伸長を引き起こす。累積条件となるクリープは動翼の拡張又は伸長である。クリープの速度はタービンに加わる荷重と、動翼の強度によって決まる。動翼の強度はタービン内部の温度によって決まる。エンジン動作限界が顧慮されない場合にはピッチ及びクリープの変化は更に顕著なものになるので、メーカーが規定した温度限界及びＲＰＭ限界に従わなければならない。
【０００４】
タービンアセンブリはディスク又はホイールと、動翼又はブレードという２つの主要な部品から構成されている。ディスク又はホイールは特殊合金鋼製の静的及び動的に平衡の保たれたユニットである。ディスクの主成分はクロム、ニッケル及びコバルトである。鍛造後、ディスクの表面全体が機械加工され、その構造的保全性を確認するためにＸ線、磁気又は他の検査方法を使用して入念に検査される。動翼は高合金鋼から鍛造され、入念に機械加工、検査された後に初めて使用の認可証明が得られる。動翼を遠心荷重に対して堅固に保持したままで、ディスクと動翼の膨張率の差に対応できるように、動翼はモミの木構造によってディスクに装着される。動翼はリベット、特殊ロックタブ又は特殊ロック装置、あるいは別のタービン段によって軸方向に移動することのないように保持される。
【０００５】
正常な使用を経てタービン動翼の酸化が起こることがある。この酸化は動翼の寿命を短くし、後にタービンの故障を引き起こすおそれがある。第１段タービン動翼の前縁部酸化は、被覆膜の早期減耗を引き起こし且つ主要成分金属の腐食を引き起こす局部的過熱を反映している。翼部の溶接が禁止されているため、これらのプロセスを主要成分金属の腐食が起こる前に発見しないと、動翼の早期回収が必要な事態を招く。実験によれば、第１段タービン動翼は第１の高温ガス経路の定期検査で前縁部酸化を発生することがわかっている。しかし、１つのユニットにおいても発生する酸化の量は動翼ごとに大きく異なる。酸化を起こした動翼の中には、剥ぎ取りと再被覆のみを実施すれば良いものもあり、修理不可能で、新しい動翼と交換しなければならないものもある。
【０００６】
現在、動翼の故障を判定するために使用されている方法は理想的な方法ではない。一般に、タービン動翼は指定の間隔をおいて検査される。この間隔は点火開始と点火時間の組み合わせに基づいている。検査を実施するためにはタービンの動作を停止して、動翼の磨き上げ又は交換が必要であるか否かを判定する必要がある。この保守方法は定期的な保守として知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
当該技術においては、動翼が保守を要求しているか否かを予測するための方法が必要とされている。この方法は、タービンの稼動中にタービンを検査せずに動翼の監視を実行すべきである。また、この方法は局部的な温度の不安定さがもたらす影響をより良く理解させるものでなければならない。温度の不安定さをより良く理解すれば、動翼の故障を予測できるという結果につながるであろう。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
いくつかの好ましい面によれば、第１段タービン動翼の状態に基づく保守の方法が提供される。この方法によれば、タービンの稼働中に動翼を監視することができる。また、この方法は、動翼の故障を示す１つ以上のパラメータを監視する過程を含む。それらのパラメータは温度、動翼の酸化、動力出力の減少、不規則な動作、あるいはタービン及びタービン動翼の故障を示すその他のパラメータを含むと考えられる。動翼の酸化を間接的に監視するのが好ましい。タービン動翼の状態を判定するために、タービン動翼の温度を監視することにより動翼の酸化を間接的に監視するのがより好ましい。タービン動翼の温度を測定し、測定された温度を酸化を伴わない基準タービン動翼の温度と比較するのが最も好ましい。タービン動翼の温度と、基準動翼の温度との比較は相対温度測定として知られている。
【０００９】
ここで言う状態に基づく保守とは、構成要素の状態に基づく構成要素の保守を意味している。従って、先に説明した定期的な保守とは異なり、状態に基づく保守は、１つ以上のパラメータがタービン動翼の保守の必要性を指示したときに実施される。状態に基づく保守は定期的な保守と比較していくつかの利点を有する。例えば、定期的な保守の間には、タービン構成要素に保守の必要がなく、従って、タービンを不必要に動作停止させてしまったということが判明する場合が多い。状態に基づく保守であれば、タービンを不必要に停止させることはなく、そのため、タービンの稼働時間が延長されることになる。
【００１０】
ここで使用する用語「相対温度測定」は、タービン動翼の温度を測定し、それを酸化を伴わない基準タービン動翼の温度と比較することを意味している。酸化を伴わない動翼はあらゆる測定に対して対照、ベースライン又は基準として作用する。このベースラインは、異なる日時に実施される測定を正規化する働きもする。
【００１１】
好ましい実施例に従って、相対温度データを計算するために温度センサを利用する解析手順を説明する。相対温度データを計算するために光高温計の温度データを使用するのがより好ましい。相対温度データは第１段タービン動翼の前縁部における酸化の開始とその広がりを示す標識として使用され、タービンの稼働時間を延長する。
【００１２】
本発明の利点は、タービンの動作を停止させなければならない定期的な保守を使用するのではなく、タービンの稼働中に得られるデータの解析に基づいて動翼が保守を必要とする時点を判定する方法を含む。この方法を採用すると、酸化の広がりによって修理不可能となる動翼の数を減らすことができると共に、タービンの稼働時間を延長することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の上記の特徴及び利点並びにその他の特徴及び利点は、添付の図面と関連させながら以下の詳細な説明を検討することにより更に明白になるであろう。本発明では数多くの実施例が可能であり、以下の開示を参照することにより、それらの実施例は当業者には明白になるであろう。便宜上、いくつかの実施例に絞って以下に詳細に説明する。
【００１４】
好ましい実施例によれば、第１段タービン動翼を保守する間隔を予測するための方法が提供される。この方法は、動翼の酸化、動力出力の減少、不規則動作、並びにタービン及びタービン動翼の故障を指示するその他のパラメータを含む多数のパラメータに基づいている。高温計などの温度センサを使用して、温度測定値から酸化データを得るのが最も好ましい。動翼内部の温度を判定するために、温度計、熱電対等の装置、又は抵抗を測定し、その抵抗を温度値に変換する他の装置を使用しても差し支えないことは当業者には了承されるであろう。
【００１５】
好ましい実施例によれば、高温計のデータを使用して動翼の酸化を検出し且つ追跡することができる。高温計測定値から得られたデータを相対温度測定の技法を使用して評価する。相対温度測定は、前縁部又は中央翼弦の位置の酸化を伴わない動翼から得られた温度データを使用して実行される。酸化を伴わない動翼から得られた温度データをベースラインとして使用し、他の全ての温度データから減算して相対温度データを得る。
【００１６】
好ましい実施例においては、ガスタービンの第１段タービン動翼から高温計温度データを収集する目的のために、Ｌａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ製造の光高温計システムＴＢＴＭＳ Ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒなどのいずれかの光高温計システムを使用すれば良い。特に好ましい実施例では、図１に示すように、高温計１は高温計の光送信経路を形成する光ファイバ光ガイドケーブル５を有する。高温計１は光学ヘッドと、高温計１を内部ガスタービン環境から隔離する耐圧サイトグラス装着アセンブリ１０とを更に含む。光学ヘッドにより収集された放射エネルギーは光ファイバ光ガイド（図示せず）に沿って、有害なガスタービン環境から隔離して装着された信号調整装置（図示せず）へ伝送される。信号調整装置は、放射エネルギーを温度に比例する線形電流出力に変換する検出器と電子回路との何らかの組み合わせであれば良い。高温計は、サイトグラス装着アセンブリ１０がボスに装着されているタービンケースの変形マンウェイ（ｍａｎｗａｙ）カバー１５に装着されている。マンウェイカバー１５と第１段ノズル保持リング２５との間にサイトチューブ２０が挿入されている。高温計１は第１段タービン動翼３０内部の温度を測定するために使用される。
【００１７】
この特に好ましい実施例では、高温計１は、図２に示すように、連続する１本の視線経路Ａ−Ｂ−Ｃを観測する。この経路はタービン動翼部の吸い込み側から約７０％のスパンで前縁部まで続き、動翼の湾曲により隠蔽されている圧力側の一部を飛び越して、翼部の圧力側を対角線に沿って下降し、動翼プラットフォームに至る。
【００１８】
図３に示すグラフを説明する。図３は、高温計の視線を通って動翼が回転するにつれて高温計により観測される典型的な温度パターンを示す。温度の中央翼弦ピークは、動翼の内部を半径方向に上昇する中央翼弦冷却通路リブ（図示せず）に関連している。前方スタブシャフトに形成されている溝穴（図示せず）を検出するために、全ての第１段ガスタービンにはキーフェーザセンサが設置されている。キーフェーザ溝穴と第１段動翼の間には一定の物理的関係が存在しているため、ここの動翼温度パターンを第１段の各動翼に対して容易に関連付けることができるように、キーフェーザ信号が使用されるのである。このキーフェーザ信号によって、温度データ、稼動ガスタービン履歴及び個別の動翼状態を適切な動翼と相関させることが可能になる。
【００１９】
好ましい実施例によれば、前縁部に大量の酸化を含む試験用動翼６０（Ｂｋｔ＃６０）と、酸化を全く含まない基準動翼２（Ｂｋｔ＃２）とを使用して、各動翼の前縁部と、中央翼弦とにおける相対温度を判定した。図４及び図５を参照すると、前縁部温度及び中央翼弦温度のそれぞれの相対温度データが示されている。図４に示すように、前縁部の位置では、０日以降、動翼６０の相対温度トレンドは増加し、その後、時間の経過に伴って安定し始める。この平坦化、すなわち、プラトー効果は酸化が始まり、広がっていくことを示している。図４からわかるように、動翼２の前縁部温度は０日から１７９日までの期間を通して一定のままである。中央翼弦の位置では、図５に示すように、動翼６０は酸化を全く示さず、動翼２及び６０の相対温度時間トレンドは期間を通して相当に順調で、妥当なレベルを保っている。従って、温度の上昇と、その後に続くプラトーは酸化の増加を反映するものと考えることができる。
【００２０】
更に、平坦化、すなわち、プラトー効果が酸化を適切に示す標識であるか否かを判定するために、図６に示すように、一連の動翼について温度測定を実施した。動翼２及び動翼６９は前縁部の酸化を全く示さず、一方、動翼２５、２８、６５、６８及び８８は前縁部に著しい酸化を有していた。これらの動翼の概要を表１に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
動翼２及び動翼６９の前縁部相対温度は０日から１７９日の期間を通して基本的に一定であったことがわかる。しかし、動翼２５、２８、６５、６８及び８８は０日から１７９日までの期間中に互いに類似する温度上昇を示す。図７に示すように、中央翼弦の位置での測定においては、どの動翼についても酸化の標識はほとんど見られず、相対温度トレンドは期間を通して一貫して適度なレベルをたどっていたことがわかる。
【００２３】
相対温度を計算する際に基準として使用すべき動翼を選択するプロセスは、各動翼の温度分布を評価することにより実行される。各動翼の温度差を平均温度と比較しても良い。理想の基準動翼は、前縁部位置における平均温度（ＤＭＴ）と比較して本質的に０である差を有する（すなわち、全測定期間にわたって一定である）動翼である。また、時間の経過に伴って基準動翼のＤＭＴが上昇しないことを確認するために、基準動翼を監視しなければならない。
【００２４】
図８及び図９を参照すると、０日及び１７９日に８〜１０度のＤＭＴが観測されているだけであるので、動翼２及び動翼６９のＤＭＴは１８０日間の時間間隔にわたりかなり安定した状態を保っている。動翼２５、２８、６０、６５、６８及び８８のＤＭＴは酸化の結果として上昇している。従って、正確な相対温度測定値が得られるように保証するため、基準動翼の状態を監視しても良い。
【００２５】
本発明をその好ましい実施例を含めて詳細に説明した。しかし、以上の開示を考慮すれば、当業者が本発明に対して変形及び／又は改善を実施できること及びそのような変形及び／又は改善が特許請求の範囲に記載されている本発明の趣旨に依然として包含されることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 タービンに挿入された状態で、温度データを収集するために使用できる本発明に従った光高温計システムの断面図。
【図２】 図１の高温計が観測するときの視線を示す斜視図。
【図３】 図１の高温計により観測されたタービン動翼の前縁部と中央翼弦の温度プロファイルを示すグラフ。
【図４】 図１の高温計により観測された、酸化を伴う動翼と酸化を伴わない動翼の相対前縁部温度を示すグラフ。
【図５】 図１の高温計により観測された、酸化を伴う動翼と酸化を伴わない動翼の相対中央翼弦温度を示すグラフ。
【図６】 図１の高温計により観測された、いくつかの動翼の相対前縁部温度を示すグラフ。
【図７】 図１の高温計により観測された、いくつかの動翼の中央翼弦温度を示すグラフ。
【図８】 図１の高温計により観測された、０日における平均温度の差を示すグラフ。
【図９】 図１の高温計により観測された、１７９日における平均温度の差を示すグラフ。
【符号の説明】
５ 光ファイバ光ガイドケーブル
３０ 第１段タービン動翼

Claims (4)

1. タービン動翼の状態を監視する方法であって、
   温度センサをタービンに挿入する過程と、
   タービン動翼の少なくとも１つの温度を測定する過程と、
   測定された温度を基準タービン動翼の温度と比較して、前記タービン動翼の状態を判定する過程とから成る方法。
2. 前記基準タービン動翼の温度を前記タービン動翼の温度から減算して、前記タービン動翼の相対温度を求める過程を更に含む請求項１記載の方法。
3. 前記タービン動翼の保守が必要になる時点を判定するために相対温度が監視される請求項２記載の方法。
4. 前記温度センサは、
   光ファイバ光ガイドケーブルと、
   光学ヘッドと、
   耐圧サイトグラス装着アセンブリと、
   信号調整装置とを具備する高温計である請求項３記載の方法。

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