JP4176777B2 - Method for predicting crack growth in gas turbine high-temperature parts and crack growth prediction apparatus using this method - Google Patents
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Description
本発明は、ガスタービン高温部品に発生した疲労き裂のき裂長さの確率分布を予測する方法及び予測する装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for predicting a probability distribution of a crack length of a fatigue crack generated in a high-temperature component of a gas turbine.
ガスタービンの高温部品である燃焼器内筒、尾筒、タービンの動翼、静翼、シュラウドは、高温高圧の燃焼ガスに曝されながら起動停止に伴い変動する熱応力を受けるため、高温疲労、熱疲労及びクリープによる損傷を受けやすい。特にタービン動翼では、ロータ回転による遠心力や燃焼ガスによるガス曲げ力をも受けるため損傷が大きく、厳しい保守管理が必要である。そこで適当な間隔で点検スケジュールを設定し、点検時には必要に応じて部品を取り外し検査を行い、損傷の程度に応じて部品の交換又は補修をしている。 Combustor inner cylinders, tail cylinders, turbine blades, stationary blades, and shrouds, which are high-temperature parts of gas turbines, are exposed to high-temperature and high-pressure combustion gas, and are subject to thermal stresses that fluctuate with starting and stopping. Susceptible to thermal fatigue and creep damage. In particular, turbine blades are severely damaged because they are also subjected to centrifugal force due to rotor rotation and gas bending force due to combustion gas, and strict maintenance management is required. Therefore, an inspection schedule is set at appropriate intervals, and parts are removed and inspected as necessary during inspection, and parts are replaced or repaired according to the degree of damage.
一方、点検実施によりガスタービン装置の解体や検査に伴う費用が発生する上、発電できなくなるため、定期点検の間隔は長くすることが望ましい。このため、ガスタービン高温部品の耐久性を向上するとともに、定期検査間隔を適正化することが要求される。また損傷した高温部品の補修に要する費用と時間の低減も望まれており、このためには補修をしなくとも次回定期検査までに機能を失う程度には損傷が拡大しない程度の小さなき裂は許容するように補修基準を緩和することが要求されている。 On the other hand, since the inspection involves costs associated with the dismantling and inspection of the gas turbine device and power generation cannot be performed, it is desirable to increase the periodic inspection interval. For this reason, it is required to improve the durability of the gas turbine high-temperature components and to optimize the regular inspection interval. It is also desirable to reduce the cost and time required for repairing damaged high-temperature parts. For this purpose, a crack that is small enough not to expand to the extent that it loses its function by the next periodic inspection without repair. It is required to relax the repair standards to allow.
上述した要求に応えるためには、高温部品に発生したき裂の進展挙動を精度よく予測することが必要である。高温部品のき裂長さの予測に関しては、例えば特許文献1や特許文献2に開示されたように、使用した部品の最大き裂長さ及び酸化皮膜厚さ(本願の高温酸化層とほぼ同義)を観察し、その結果を基に応力や温度を予想し、その予想値とテストピースから得たマスターカーブを基に疲労寿命を予測する方法が公知である。しかしながら使用した高温部品の最大き裂長さ測定結果を基にき裂の進展挙動を予測するのは以下の点で問題がある。
一つ目の問題点は、高温酸化層(高温酸化により生成したスケールや変質層)が生成するような高温の環境下において、き裂進展速度(き裂進展速度とは一般にき裂進展量を運転時間で除したものと、起動停止回数で除したものとがあるが、本発明の願書においては後者を意味するものとする)が起動から停止までの連続運転時間に強く依存しているものの、これを再現するような試験データが蓄積されていないことである。すなわちテストピースによる高温疲労試験において負荷応力の最大値若しくは最小値で応力を保持した場合(図7参照)に、疲労き裂進展速度が保持時間の影響を受けることはよく知られておりデータも蓄積されつつある。しかしながらガスタービン高温部品の実際の運転において保持時間に相当する連続運転時間は、日単位、場合によって数か月となることもあり、このような長時間保持の影響に関するテストピースのデータは皆無に近く、またあっても疲労き裂進展挙動を統計的に予測するのは難しい。これはテストピースを用いて長時間保持の疲労試験を行う場合には、長時間保持の荷重若しくはひずみの波形を実施することが必要であり、疲労試験に使用される汎用的な油圧サーボ式疲労試験機では応力若しくはひずみを長期間に渡って一定値に維持することが難しいこと、また試験実施のための試験機の維持管理コスト及び人件費が非常に高いこと、さらにコストの割には1台の試験機で1本のテストピースの試験しかできずデータ採取に時間がかかることによる。 The first problem is that in a high-temperature environment where a high-temperature oxidation layer (scale or altered layer generated by high-temperature oxidation) is generated, Although it is divided by the operation time and divided by the number of start / stop times, the latter means in the application of the present invention) although it is strongly dependent on the continuous operation time from start to stop The test data that reproduces this is not accumulated. That is, it is well known that the fatigue crack growth rate is affected by the holding time when the stress is held at the maximum or minimum load stress in the high-temperature fatigue test using a test piece (see Fig. 7). It is accumulating. However, the continuous operation time corresponding to the holding time in the actual operation of the gas turbine high-temperature parts may be several days, sometimes several months, and there is no test piece data on the effects of such long-time holding. It is difficult to statistically predict the fatigue crack growth behavior in the vicinity. This is because when a long-term holding fatigue test is performed using a test piece, it is necessary to perform a long-time holding load or strain waveform, which is a general-purpose hydraulic servo type fatigue used for fatigue testing. It is difficult to maintain the stress or strain at a constant value over a long period of time with the testing machine, the maintenance cost and labor cost of the testing machine for conducting the test are very high, and 1 for the cost. This is because only one test piece can be tested with one testing machine, and it takes time to collect data.
二つ目の問題点は、すでに多くの公知文献に開示されているように高温部品のき裂進展挙動が大きくばらつくことである。この原因は、多数の影響因子が実用上不可避なばらつきを有しているためと考えられる。影響因子としては、高温部品の環境因子として高温燃焼ガスや冷却空気の温度や熱伝達率など、材料特性因子として熱伝導率や熱膨張係数など、また特に材料強度特性因子として、疲労き裂発生寿命(繰返し数とき裂発生寿命の関係)やき裂進展速度を規定する材料パラメータなど、さらに形状因子として壁厚などの寸法公差がある。 The second problem is that the crack propagation behavior of high-temperature parts varies greatly as already disclosed in many known documents. This is probably because many influential factors have practically inevitable variations. Influential factors include high temperature combustion gas and cooling air temperature and heat transfer coefficient as environmental factors for high temperature components, thermal conductivity and thermal expansion coefficient as material characteristic factors, and fatigue crack initiation as a material strength characteristic factor in particular. There are dimensional tolerances such as wall thickness as a form factor, such as material parameters that define life (relationship between the number of repetitions and crack initiation life) and crack growth rate.
それゆえにあるガスタービンの運転で使用した高温部品で実測された最大き裂長さあるいは最大き裂進展速度のデータは、他の異なる仕様の高温部品運転時若しくは運転条件変更時のき裂進展挙動の予測には使えない。 Therefore, the data on the maximum crack length or the maximum crack growth rate measured for a high-temperature part used in the operation of a gas turbine is based on the crack growth behavior when operating other high-temperature parts with different specifications or when operating conditions are changed. Cannot be used for prediction.
上述した問題点を鑑みると、各種影響因子のばらつきを考慮した信頼性の高い疲労き裂進展挙動の予測手法を開発することが第1の課題である。具体的には、単に実部品の調査結果(検査結果)を統計処理してばらつきを持たせた回帰曲線で近似するという機能的な手法ではなく、信頼性のある試験結果若しくは解析結果に基づいて各種影響因子のばらつきがどのような形でき裂進展挙動のばらつきに反映されるのかを明らかにした信頼性のある予測手法の開発である。 In view of the above-mentioned problems, the first problem is to develop a reliable method for predicting fatigue crack propagation behavior in consideration of variations in various influencing factors. Specifically, based on reliable test results or analysis results, it is not a functional method that simply approximates the investigation results (inspection results) of actual parts with statistically processed regression curves. It is the development of a reliable prediction method that clarifies how the variation of various influencing factors is reflected in the variation of crack propagation behavior.
第2の課題は、影響因子の中で最も不確定と考えられる因子である連続運転時間の影響について、これを自然現象に立脚した理論に基づいて予測手法の中に反映されるようにすることである。すなわち小型試験片の疲労試験で得られた短時間保持の影響に関するデータからの外挿値を用いるのではなく、実際の運転に対応した長時間保持(長時間の連続運転時間)の効果が反映されたデータに基づいた予測手法を開発することである。 The second issue is to reflect the influence of continuous operation time, which is considered to be the most uncertain factor among influence factors, in the prediction method based on the theory based on natural phenomena. It is. In other words, instead of using extrapolated values from the data on the effects of short-time holding obtained in fatigue tests of small test pieces, the effect of long-time holding (long continuous operation time) corresponding to actual operation is reflected. To develop a prediction method based on the collected data.
第3の課題は、上記の課題をもとに開発された予測手法にて求められたき裂進展曲線を用いて、適正な補修基準、すなわち検査時の許容き裂長さを求める手法を開発することである。 The third problem is to develop a method for obtaining an appropriate repair criterion, that is, an allowable crack length at the time of inspection, using a crack growth curve obtained by a prediction method developed based on the above-mentioned problem. It is.
第4の課題は、上述の課題を解決できる信頼性の高い疲労き裂進展挙動を予測できる装置を開発することである。 The fourth problem is to develop a device that can predict a fatigue crack propagation behavior with high reliability that can solve the above-described problems.
上述した課題を解決するための手段を以下に説明する。 Means for solving the above-described problems will be described below.
第1の発明は、ガスタービンの高温部品に発生するき裂の進展速度を求め、同進展速度から起動停止回数に対するき裂の長さを表すき裂進展曲線を求めて、同き裂進展曲線からき裂の長さの変化を予測するき裂進展予測方法である。き裂の進展速度を前記ガスタービンの起動と停止に基づいてき裂の長さが長くなる第一の進展速度と前記ガスタービンの運転に基づいてき裂の長さが長くなる第二の進展速度とを合成させて求め、前記第二の進展速度はガスタービンの運転時間に相当する時間での高温酸化による最大侵食深さに基づいて算出することを特徴としたものである。 According to a first aspect of the present invention, a crack growth rate generated in a high-temperature part of a gas turbine is obtained, and a crack growth curve representing a crack length with respect to the number of start / stops is obtained from the growth rate. It is a crack growth prediction method that predicts changes in crack length. The crack growth rate is based on the start and stop of the gas turbine, the first growth rate increases the crack length, and the second growth rate increases the crack length based on the operation of the gas turbine. The second progress rate is calculated based on the maximum erosion depth due to high temperature oxidation in a time corresponding to the operation time of the gas turbine.
第2の発明は、ガスタービン高温部品に発生する疲労き裂長さの確率分布を、モンテカルロ法を適用して予測する方法であり、以下のステップを含む。第1のステップは、対象部品の温度及び応力を予測するためのパラメータの実測値若しくは計算値を統計処理することにより、各パラメータの確率分布を求めるステップである。第2のステップは、対象部品の疲労特性を予測するためのパラメータのうち、第1のステップで統計処理したパラメータ以外のパラメータの実測値若しくは計算値を統計処理することにより、各パラメータの確率分布を求めるステップである。第3のステップは、前記第1及び第2のステップにおいて得られた各パラメータの確率分布に基づいて、各パラメータの値を確率分布にしたがった乱数で決定し、前記決定したパラメータを組み合わせて、後記疲労き裂長さの確率分布を計算するのに十分な数のパラメータの組み合わせを作成するステップである。第4のステップは、前記第3のステップにて作成されたパラメータの組み合わせごとに、前記各パラメータの数値を入力して熱及び応力解析を行い、対象部品の温度及び応力を計算し、前記対象部品の温度及び応力とガスタービンの運転条件とを用いて各パラメータの組み合わせにおける疲労特性を計算し、疲労き裂進展曲線を求めるステップである。第5のステップは、前記第4のステップにおいて得られた、パラメータの組み合わせごとの疲労き裂進展曲線を統計処理することによって疲労き裂長さの確率分布を得るステップである。 The second invention is a method for predicting the probability distribution of the fatigue crack length occurring in a high-temperature component of a gas turbine by applying the Monte Carlo method, and includes the following steps. The first step is a step of obtaining a probability distribution of each parameter by statistically processing the actually measured value or the calculated value of the parameter for predicting the temperature and stress of the target part. In the second step, among the parameters for predicting the fatigue characteristics of the target part, the probability distribution of each parameter is obtained by statistically processing actual measurement values or calculated values of parameters other than the parameters statistically processed in the first step. This is a step for obtaining. In the third step, based on the probability distribution of each parameter obtained in the first and second steps, the value of each parameter is determined by a random number according to the probability distribution, and the determined parameters are combined, This is a step of creating a sufficient number of parameter combinations to calculate the probability distribution of fatigue crack length described later. In the fourth step, for each combination of parameters created in the third step, the numerical values of the respective parameters are input to perform heat and stress analysis, the temperature and stress of the target component are calculated, and the target In this step, the fatigue characteristics of each combination of parameters are calculated using the temperature and stress of the component and the operating conditions of the gas turbine, and a fatigue crack growth curve is obtained. The fifth step is a step of obtaining a fatigue crack length probability distribution by statistically processing the fatigue crack growth curve for each combination of parameters obtained in the fourth step.
また前記第4のステップにおいて、前記疲労き裂進展曲線を計算するために用いるき裂進展速度を、
前記ガスタービンの起動と停止に基づいてき裂の長さが長くなる第一の進展速度と前記ガスタービンの運転に基づいてき裂の長さが長くなる第二の進展速度とを合成させて求めることを特徴としている。
In the fourth step, the crack growth rate used to calculate the fatigue crack growth curve is
Obtaining by combining the first growth rate at which the crack length increases based on the start and stop of the gas turbine and the second growth rate at which the crack length increases based on the operation of the gas turbine It is characterized by.
また本発明は、前記第二の進展速度は、ガスタービンの運転時間に相当する時間での高温酸化による最大侵食深さに基づいて算出するとしてもよい。 In the present invention, the second progress rate may be calculated based on a maximum erosion depth due to high-temperature oxidation in a time corresponding to an operation time of the gas turbine.
また本発明は、前記第二の進展速度を、ガスタービンの起動から停止までの運転時間に相当する時間での高温酸化による最大侵食深さに比例するとして計算するとしてもよい。 In the present invention, the second progress rate may be calculated as being proportional to a maximum erosion depth due to high-temperature oxidation in a time corresponding to an operation time from start to stop of the gas turbine.
また本発明は、前記第二の進展速度を、部品を構成する材料の高温クリープき裂進展試験データに基づいて算出するとしてもよい。 In the present invention, the second growth rate may be calculated based on high-temperature creep crack growth test data of a material constituting the part.
また本発明は、前記第二の進展速度を、ガスタービンの運転時間に相当する時間での高温酸化による最大侵食深さと、部品を構成する材料の高温クリープき裂進展試験データとに基づいて算出するとしてもよい。 In the present invention, the second growth rate is calculated based on the maximum erosion depth due to high-temperature oxidation in a time corresponding to the operation time of the gas turbine and high-temperature creep crack growth test data of the material constituting the part. You may do that.
第3の発明は、高温部品の破損限界き裂長さと、前述した方法で求められた各パラメータの組み合わせにおける疲労き裂進展曲線とを用いて、検査時の許容き裂長さを決定する方法である。これは、(1)前記各疲労き裂進展曲線において、き裂長さが前記破損限界き裂長さとなる時の起動停止回数から検査間の起動停止回数分遡った起動停止回数時におけるき裂長さを求め、そのき裂長さの確率分布を求めるステップと、(2)ある許容き裂長さを仮定して、該部品破損により発生するコストと、該部品の補修若しくは取り替えに要するコストとを算出するステップと、(3)仮定した許容き裂長さを複数回変えて、該部品破損により発生するコストと、該部品の補修若しくは取り替えに要するコストとを算出するステップと、(4)前記ステップで計算された、許容き裂長さと該部品破損により発生するコストとの関係ならびに許容き裂長さと該部品の補修若しくは取り替えに要するコストとの関係に基づいて、適正な許容き裂長さを決定するステップと、を含む検査時の許容き裂長さを決定する方法である。 The third invention is a method of determining the allowable crack length at the time of inspection using the fracture limit crack length of the high-temperature component and the fatigue crack growth curve in the combination of each parameter obtained by the above-described method. . (1) In each of the fatigue crack growth curves, the crack length at the number of times of starting and stopping retroactive by the number of times of starting and stopping between inspections from the number of times of starting and stopping when the crack length becomes the failure limit crack length. Determining a probability distribution of the crack length, and (2) calculating a cost caused by the damage of the part and a cost required for repairing or replacing the part assuming a certain allowable crack length. (3) changing the assumed allowable crack length a plurality of times to calculate the cost caused by the breakage of the part and the cost required for repairing or replacing the part; and (4) calculated in the above step. In addition, based on the relationship between the allowable crack length and the cost caused by breakage of the component, and the relationship between the allowable crack length and the cost required for repair or replacement of the component, an appropriate allowable Determining a length, a method for determining an acceptable crack length at the time of tests, including.
第4の発明は、ガスタービン高温部品に発生する疲労き裂長さの確率分布を、モンテカルロ法を適用して予測する装置である。これは、(1)対象部品の温度及び応力並びに対象部品の疲労特性を予測するためのパラメータの実測値若しくは計算値の入力手段と、(2)前記実測値若しくは計算値を保存する記憶手段と、(3)前記記憶手段に保存された前記実測値若しくは計算値を統計処理して各パラメータの確率分布を求める第1の計算手段と、(4)第1の記計算手段によって求められた各パラメータの確率計分布に基づいて、各パラメータの値を確率分布にしたがった乱数で決定し、前記決定したパラメータを組み合わせて、後記疲労き裂長さの確率分布を計算するのに十分な数の前記決定したパラメータの組み合わせを作成する第2の計算手段と、(5)第2の計算手段にて作成されたパラメータの組み合わせごとに、前記各パラメータの数値を入力して熱及び応力解析を行い、各パラメータの組み合わせにおける対象部品の温度及び応力を計算する第3の計算手段と、(6)ガスタービンの運転条件と第3の計算手段で計算された各パラメータの組み合わせにおける対象部品の温度及び応力とを用いて各パラメータの組み合わせにおける疲労特性を計算し、疲労特性の計算値から疲労き裂進展曲線を求める第4の計算手段と、(7)第4の計算手段で得られた疲労き裂進展曲線を統計処理することによって前記疲労き裂長さの確率分布を得る第5の計算手段と、からなる。ここで第4の計算手段は、(a)ガスタービンの起動、停止の回数に起因する進展速度と、(b)ガスタービンの起動から停止までの運転時間に起因し、ガスタービンの運転時間に相当する時間での高温酸化による最大侵食深さから計算される進展速度と、(c)ガスタービンの起動から停止までの運転時間に起因し、部品を構成する材料の高温クリープき裂進展試験データから計算された進展速度と、に分けて計算する機能を有することを特徴としている。 4th invention is an apparatus which estimates the probability distribution of the fatigue crack length which generate | occur | produces in the gas turbine high temperature components by applying the Monte Carlo method. This includes (1) an input unit for measured values or calculated values of parameters for predicting the temperature and stress of the target component and fatigue characteristics of the target components, and (2) a storage unit for storing the measured values or calculated values. (3) first calculation means for statistically processing the actual measurement value or calculation value stored in the storage means to obtain a probability distribution of each parameter; and (4) each of the calculation values obtained by the first calculation means. Based on the probability distribution of the parameters, the value of each parameter is determined by a random number according to the probability distribution, and a sufficient number of the above-described parameters are combined to calculate the probability distribution of the fatigue crack length described later. A second calculation means for creating a determined combination of parameters; and (5) a numerical value of each parameter is input for each combination of parameters created by the second calculation means, A third calculation means for performing temperature and stress analysis and calculating the temperature and stress of the target part in each parameter combination; and (6) in the combination of each parameter calculated by the operating condition of the gas turbine and the third calculation means. A fourth calculation means for calculating a fatigue characteristic in each parameter combination using the temperature and stress of the target part and obtaining a fatigue crack growth curve from the calculated value of the fatigue characteristic; and (7) a fourth calculation means. And fifth calculation means for obtaining a probability distribution of the fatigue crack length by statistically processing the obtained fatigue crack growth curve. Here, the fourth calculation means includes (a) the progress speed caused by the number of times the gas turbine is started and stopped, and (b) the operation time from the start to the stop of the gas turbine. High-temperature creep crack growth test data of the material that constitutes the part due to the growth rate calculated from the maximum erosion depth due to high-temperature oxidation at the corresponding time and (c) the operation time from start to stop of the gas turbine It is characterized by having a function to calculate by dividing into the progress rate calculated from.
また本発明においては、実際に運転に供した高温部品の調査結果データをもとに、前記ガスタービンの運転時間と前記最大侵食深さとの関係式、若しくは前記高温酸化による最大侵食深さから計算される進展速度の少なくとも一方が補正されるとしてもよい。 Further, in the present invention, based on the survey result data of the high-temperature parts actually used for operation, it is calculated from the relational expression between the operation time of the gas turbine and the maximum erosion depth or the maximum erosion depth due to the high-temperature oxidation. At least one of the progressed speeds may be corrected.
第1の発明によれば、2種類の進展速度を合成して得られるき裂進展速度式を用いて疲労き裂進展曲線を求めることにより、起動から停止までの連続運転時間の影響を予測値に精度よく反映することが可能となり、各プラント、各運転条件に対応した疲労き裂の進展挙動を高い信頼性を持って推定することができる。 According to the first invention, the fatigue crack growth curve is obtained using a crack growth rate equation obtained by synthesizing two types of growth rates, thereby predicting the influence of continuous operation time from start to stop. Therefore, the fatigue crack growth behavior corresponding to each plant and each operating condition can be estimated with high reliability.
第2の発明によれば、疲労き裂長さの計算に必要なパラメータの実測値若しくは計算値を統計処理し、モンテカルロ法を行うためのパラメータの組み合わせを作成し、熱及び応力解析を行い、2種類の進展速度を合成して得られるき裂進展速度式を用いて疲労き裂進展曲線を求め、疲労き裂長さの確率分布を得ることにより、各プラント、各運転条件に対応した疲労き裂の進展挙動の確率分布を高い信頼性を持って推定することができる。 According to the second invention, the measured value or the calculated value of the parameter necessary for the calculation of the fatigue crack length is statistically processed, the parameter combination for performing the Monte Carlo method is created, the thermal and stress analysis is performed, and 2 Fatigue crack growth curves corresponding to each plant and each operating condition are obtained by obtaining a fatigue crack growth curve using the crack growth rate equation obtained by synthesizing different types of growth rates and obtaining a probability distribution of fatigue crack length. The probability distribution of the evolution behavior of can be estimated with high reliability.
第3の発明によれば、高温部品の破損限界き裂長さと、第2の発明で求められた疲労き裂進展曲線とを用い、該部品破損により発生するコストと該部品の補修若しくは取り替えに要するコストと許容き裂長さとの関係を算出しこれを基に、検査時の許容き裂長さを決定することにより、経済的にも適正な補修基準を設定することができる。 According to the third aspect of the present invention, the damage limit crack length of the high-temperature part and the fatigue crack growth curve obtained in the second aspect are used, and the cost caused by the part breakage and the repair or replacement of the part are required. By calculating the relationship between the cost and the allowable crack length and determining the allowable crack length at the time of inspection based on this, an appropriate repair standard can be set economically.
第4の発明によれば、対象部品の温度及び応力並びに対象部品の疲労特性を予測するために必要なパラメータの実測値若しくは計算値の入力手段と、各パラメータの確率分布を求める第1の計算手段と、モンテカルロ法による計算を行うためのパラメータの組み合わせを作成する第2の計算手段と、熱及び応力解析を行い温度及び応力を計算する第3の計算手段と、疲労き裂進展曲線を求める第4の計算手段と、疲労き裂長さの確率分布を得る第5の計算手段と、を含み、かつ前記第4の計算手段において、疲労き裂進展曲線を計算するために用いるき裂進展速度は、は、(a)ガスタービンの起動、停止の回数に起因する進展速度と、(b)ガスタービンの起動から停止までの運転時間に起因し、ガスタービンの運転時間に相当する時間での高温酸化による最大侵食深さから計算される進展速度と、(c)ガスタービンの起動から停止までの運転時間に起因し、部品を構成する材料の高温クリープき裂進展試験データから計算された進展速度と、に分けて計算する機能を有することを特徴とした構成とすることにより、大量のデータを高速で統計・解析処理できるようになり、各プラント、各運転条件に対応した疲労き裂の進展挙動を高い信頼性を持って推定することが可能な装置を得ることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the input means for the measured or calculated values of the parameters necessary for predicting the temperature and stress of the target part and the fatigue characteristics of the target part, and the first calculation for obtaining the probability distribution of each parameter Means, a second calculation means for creating a combination of parameters for performing the calculation by the Monte Carlo method, a third calculation means for calculating temperature and stress by performing thermal and stress analysis, and obtaining a fatigue crack growth curve Crack growth rate, which includes fourth calculation means and fifth calculation means for obtaining a probability distribution of fatigue crack length, and is used for calculating a fatigue crack growth curve in the fourth calculation means. Is a time corresponding to the operation time of the gas turbine, which is caused by (a) the progress speed resulting from the number of times the gas turbine starts and stops, and (b) the operation time from the start to the stop of the gas turbine. The progress calculated from the maximum erosion depth due to high temperature oxidation and (c) the operation calculated from the high temperature creep crack growth test data of the material constituting the part due to the operation time from start to stop of the gas turbine By having a structure characterized by having a function to calculate according to speed, a large amount of data can be statistically and analyzed at high speed, and fatigue cracks corresponding to each plant and each operating condition can be processed. It is possible to obtain an apparatus capable of estimating the progress behavior with high reliability.
ここではガスタービン高温部品として非常に高温の環境に曝されるタービン1段動翼をとりあげ、チップ部(頂部)に発生する疲労き裂のき裂長さの確率分布を予測する手法とそのための装置を説明するが、特記するもの以外には、他の高温部品に関する場合と基本的に共通である。 Here, a method and apparatus for predicting the probability distribution of the crack length of a fatigue crack generated at the tip (top) of a turbine turbine stage rotor blade exposed to a very high temperature environment as a gas turbine high-temperature component is taken. However, it is basically the same as that relating to other high-temperature parts, except for those specifically mentioned.
タービン1段動翼はNi基超合金製である。図2に示すように、ガスタービンの起動・停止にともない発生する熱応力の繰返しによってチップ部にき裂が発生し、ロータ半径方向(動翼の高さ方向)にき裂が進展する。ここでき裂長さとは図2に示したように翼面表面で確認できるき裂の進展量を意味する。なお肉厚方向のき裂進展が問題となる部品及び部位では、深さ方向の進展量を定義してもよい。き裂の進展に伴いき裂が内部冷却通路に貫通すると、冷却機能が低下しタービン効率が低下するので、動翼として必要な機能が損なわれたと見なす。このように、必要な機能が損なわれた状態若しくはガスタービンの運転に支障が出る状態を破損とし、またこの時のき裂長さを破損限界き裂長さとする。 The turbine first stage blade is made of a Ni-base superalloy. As shown in FIG. 2, a crack is generated in the tip portion due to repeated thermal stress generated with the start and stop of the gas turbine, and the crack propagates in the rotor radial direction (the height direction of the moving blade). Here, the crack length means the amount of crack propagation that can be confirmed on the blade surface as shown in FIG. For parts and parts where crack growth in the thickness direction is a problem, the amount of progress in the depth direction may be defined. If the crack penetrates into the internal cooling passage as the crack progresses, the cooling function is lowered and the turbine efficiency is lowered. Therefore, it is considered that the function necessary for the moving blade is impaired. As described above, a state in which a necessary function is impaired or a state in which the operation of the gas turbine is hindered is regarded as a failure, and the crack length at this time is defined as a failure limit crack length.
疲労き裂長さの確率分布を求めるフローを図1に示す。この図にしたがってタービン1段動翼のチップ部き裂長さ推定の手順を説明する。 A flow for obtaining a probability distribution of fatigue crack length is shown in FIG. The procedure for estimating the crack length of the tip portion of the turbine first stage blade will be described with reference to this figure.
(第1のステップ)
チップ部及びその近傍の温度及び応力を予測するために必要なパラメータの統計処理を行う。必要なパラメータとして、材料特性因子、境界条件因子及び形状因子がある。材料特性因子として熱伝導率、熱膨張率、弾性係数などが、境界条件因子として、燃焼ガスのガス圧、ガス温度、燃焼ガスと部品表面との熱伝達率並びに冷却空気のガス圧、ガス温度、冷却空気と部品表面との熱伝達率などが、形状因子としては対象部位の壁厚などがある。これらのデータは当該発明方法の実施のためだけに得た実験若しくは解析データのみならず、従来蓄積されたデータ及び公知の文献から入手したものをも含んでいてもよい。後述する統計処理をするのにデータの数は多い方がよい。これらの各パラメータのデータは、統計処理をしていない生のデータ値の集合体である。これらのデータは図8に示した各データベースシステム(データ記憶装置)に保存されており、計算に必要なパラメータが読み出され又は表示することが可能である。なお後記の第2のステップにも共通するが、すでに統計解析が行われ確率分布関数パラメータが求められている場合には、統計処理するステップをスキップしてよい。
(First step)
Statistical processing of parameters necessary for predicting the temperature and stress of the chip portion and its vicinity is performed. Necessary parameters include material characteristic factors, boundary condition factors, and shape factors. Thermal conductivity, thermal expansion coefficient, elastic modulus, etc. as material characteristic factors, and gas pressure, gas temperature, heat transfer coefficient between combustion gas and component surface, gas pressure of cooling air, gas temperature as boundary condition factors The heat transfer coefficient between the cooling air and the component surface, and the shape factor includes the wall thickness of the target part. These data may include not only experimental or analytical data obtained only for carrying out the method of the present invention, but also data accumulated from the past and those obtained from known literature. It is better that the number of data is large for the statistical processing described later. The data for each of these parameters is a collection of raw data values that have not been statistically processed. These data are stored in each database system (data storage device) shown in FIG. 8, and parameters necessary for calculation can be read or displayed. Although common to the second step described later, if statistical analysis has already been performed and a probability distribution function parameter has been obtained, the step of statistical processing may be skipped.
次に、計算に必要なパラメータであって前記データベースに保存されている生のデータ値について、計算手段(計算機)を用いて統計処理を行う。ここで統計処理とは、後述するモンテカルロ・シミュレーションに使用できるように、各パラメータの平均値や標準偏差など統計値を求めることや、各パラメータの確率分布を正規分布など適当な分布関数に当てはめ、その分布関数を規定するパラメータを求めることなどの処理を含む。統計処理の結果はデータベースシステムに保存され、必要に応じて表示手段に表示される。 Next, statistical processing is performed on the raw data values, which are parameters necessary for the calculation and stored in the database, using a calculation means (computer). Here, statistical processing is to obtain statistical values such as the average value and standard deviation of each parameter so that it can be used for Monte Carlo simulation described later, or to apply a probability distribution of each parameter to an appropriate distribution function such as a normal distribution, This includes processing such as obtaining a parameter that defines the distribution function. The result of the statistical processing is stored in the database system and displayed on the display means as necessary.
(第2のステップ)
対象部品の疲労特性を予測するためのパラメータについて処理が行われる。疲労特性とは、き裂発生に関する特性と、き裂進展に関する特性とからなる。これらの特性を予測するためには疲労き裂発生寿命及び疲労き裂進展寿命を求める必要があり、前者に対しては応力範囲若しくはひずみ範囲と疲労き裂発生寿命との関係式、後者に対しては、応力拡大係数範囲(若しくは繰返しJ積分範囲)とき裂進展速度との関係式が適用される。これらの式は、実際の部品又は実際の部品と同等の金属組織を有する材料素材から採取した小型試験片による疲労試験データを基に決定される。
(Second step)
Processing is performed on parameters for predicting the fatigue characteristics of the target part. Fatigue properties consist of properties related to crack initiation and properties related to crack propagation. In order to predict these characteristics, it is necessary to determine the fatigue crack initiation life and fatigue crack growth life. Thus, the relational expression between the stress intensity factor range (or the repeated J integral range) and the crack growth rate is applied. These equations are determined based on fatigue test data obtained from a small test piece taken from an actual part or a material material having a metal structure equivalent to that of the actual part.
ひずみ範囲と疲労き裂発生寿命との関係式の例として、Manson−Coffinの式が公知であり、
Δεp×Nf^α=Ci (Δεp:塑性ひずみ範囲、Nf:小型試験片の破断寿命)
と表される。ここでα及びCiは温度に依存する材料定数であり、疲労き裂発生寿命を予測するためのパラメータである。α及びCiを温度の関数として定式化し、この式の定数を疲労き裂発生寿命を予測するためのパラメータとしてもよい。なお小型試験片の破断寿命Nfは、実部品のき裂発生寿命に相当するとみなされるのが一般的である。(例えば非特許文献1)またひずみの代わりに応力を用いた関係式も公知である。
As an example of the relational expression between the strain range and the fatigue crack initiation life, the Manson-Coffin equation is known,
Δεp × Nf ^ α = Ci (Δεp: plastic strain range, Nf: fracture life of small specimen)
It is expressed. Here, α and Ci are temperature-dependent material constants and are parameters for predicting the fatigue crack initiation life. α and Ci may be formulated as a function of temperature, and the constant of this equation may be used as a parameter for predicting the fatigue crack initiation life. Note that the fracture life Nf of a small test piece is generally considered to correspond to the crack generation life of an actual part. (For example, Non-Patent Document 1) A relational expression using stress instead of strain is also known.
応力拡大係数とき裂進展速度との関係式との例として、以下の式、
da/dN=Cp×ΔK^m (da/dN:き裂進展速度、ΔK:応力拡大係数範囲)
がパリス則として公知である。ここでCp及びmは材料定数であり、温度のみならず応力(若しくはひずみ)波形に依存する。応力(ひずみ)波形とは図7に示す1回の繰返しにおける時間にともなう応力(ひずみ)の変化であり、応力変化率(Δσ/t1及びΔσ/t3)及び保持時間t2がき裂進展速度に影響を及ぼす。ガスタービンの運転においては、起動から停止までの連続運転時間が保持時間に相当し、この連続運転時間によりき裂進展速度は異なることを意味する。例えば非特許文献2には、き裂進展速度は温度に依存すること、及び800℃では保持時間依存性が非常に小さいが、900℃では保持時間に強く依存することが記載されている。本発明においてき裂進展の機構について詳細に調査検討した結果、複数の機構(現象)が関与していることが明らかになった。詳細は以下に記述する通りである。
da / dN = Cp × ΔK ^ m (da / dN: crack growth rate, ΔK: stress intensity factor range)
Is known as the Paris rule. Here, Cp and m are material constants and depend not only on temperature but also on stress (or strain) waveforms. The stress (strain) waveform is a change in stress (strain) with time in one iteration shown in FIG. 7, and the stress change rate (Δσ / t1 and Δσ / t3) and the holding time t2 affect the crack growth rate. Effect. In the operation of the gas turbine, it means that the continuous operation time from the start to the stop corresponds to the holding time, and the crack growth speed varies depending on the continuous operation time. For example, Non-Patent Document 2 describes that the crack growth rate depends on temperature, and that the retention time dependency is very small at 800 ° C., but strongly depends on the retention time at 900 ° C. As a result of detailed investigation and investigation on the mechanism of crack propagation in the present invention, it has become clear that a plurality of mechanisms (phenomena) are involved. Details are as described below.
本発明において、小型試験片及びガスタービン運転に使用した高温部品に発生したき裂を調査した結果をもとに、図3に示すき裂進展の機構を提案する。すなわちき裂が発生している状態において、高温環境中で燃焼ガスがき裂開口から侵入し、き裂新生面からき裂先端近傍に酸素が供給されることにより高温酸化層が生成される。ここで高温酸化層(又は単に酸化層)とは金属が高温酸化されて生じるスケール及び変質層であり、これらは後述するJIS規格にて定義されている。生成された酸化層は脆弱なので、停止時若しくは次の起動時の温度変化、ガス圧変化もしくは遠心力の変化に起因する応力変動によって割れ、結果として酸化層の厚さの分だけき裂が進展する。そして起動・停止時の応力変動により再び母材金属内にき裂が進展する、という挙動を繰り返す。酸化層の割れは、応力の変動による母材金属のき裂進展(例えば金属特有のすべり機構)とは異なる微視組織的な機構(たとえば脆性的なすべり面分離)で生じるものであるので、応力変動による金属のき裂進展を定式化した公知のき裂進展速度の式(パリス則)では本来表し難いものである。すなわち異なる機構による進展速度を単一の式で表現するのは適切でないと判断される。 In the present invention, a crack propagation mechanism shown in FIG. 3 is proposed based on the results of investigating cracks generated in a small test piece and a high-temperature part used for gas turbine operation. That is, in a state where a crack is generated, combustion gas enters from a crack opening in a high temperature environment, and oxygen is supplied from the crack initiation surface to the vicinity of the crack tip, thereby generating a high temperature oxide layer. Here, the high-temperature oxide layer (or simply an oxide layer) is a scale and an altered layer produced by high-temperature oxidation of a metal, and these are defined in JIS standards described later. The generated oxide layer is fragile, so it cracks due to stress fluctuation caused by temperature change, gas pressure change or centrifugal force change at stop or next start, and as a result, the crack grows by the thickness of the oxide layer To do. Then, the behavior that the crack propagates again in the base metal due to the stress fluctuation at the start / stop is repeated. Since the crack of the oxide layer is caused by a microstructural mechanism (for example, brittle slip surface separation) different from the crack growth of the base metal (for example, a slip mechanism peculiar to the metal) due to stress fluctuation, It is difficult to express by the known crack growth rate formula (Paris's law) that formulates the crack growth of metal due to stress fluctuation. In other words, it is judged that it is not appropriate to express the rate of progress by different mechanisms in a single expression.
また疲労試験に関するJIS規格(例えばJIS Z 2274)においては、数多くの実験データによる議論を基に、疲労特性の予測において外挿は許容されないことが規定されている。このルールの基本的な考え方を準用すれば、短時間の応力保持によるき裂進展速度試験で得た材料定数Cp、mをもとに長時間応力保持における材料定数Cp、mを外挿で予測する(例えば回帰曲線で近似する)という従来の方法は信頼性に欠けると考えられる。 In addition, in the JIS standard (for example, JIS Z 2274) relating to fatigue tests, it is stipulated that extrapolation is not allowed in the prediction of fatigue characteristics based on discussions based on a large number of experimental data. If the basic idea of this rule is applied mutatis mutandis, the material constants Cp and m in long-time stress holding are predicted by extrapolation based on the material constants Cp and m obtained in the crack growth rate test with short-time stress holding. The conventional method of performing (for example, approximating with a regression curve) is considered to be unreliable.
そこで本発明においては、まず起動から連続運転を通して停止までの1サイクルにおけるき裂の進展量を、(1)ガスタービンの起動若しくは停止による熱応力の変動による主として母材金属部のき裂進展量、と、(2)起動後から停止までの間に生成された脆弱な高温酸化層の割れによるき裂進展量、とに分離する。前記(1)は、ガスタービンの起動停止回数に依存し起動停止間の運転時間には依存しない第1の進展速度(第1のき裂進展速度)、前記(2)は、ガスタービンの起動停止回数に依存せず起動停止間の運転時間に依存する第二の進展速度(第二のき裂進展速度)、と表現することが可能である。さらに前記第二の進展速度は、短時間の応力(ひずみ)保持の試験で得られたデータをもとに外挿して予想したデータではないという点を特徴とする。詳細は後述する。このような物理現象を忠実にモデル化して得られた式を予測手法の中に取り入れることによって、ガスタービン運転によるき裂進展挙動を単なる影響因子による回帰曲線で近似したのではなく、物理的に意味のある式にしたがって記述することが可能となり、信頼性を向上することが可能となる。 Therefore, in the present invention, first, the amount of crack growth in one cycle from start to stop through continuous operation is defined as (1) the amount of crack growth mainly in the base metal part due to the fluctuation of thermal stress due to start or stop of the gas turbine. And (2) the amount of crack propagation due to cracking of the brittle high-temperature oxide layer generated from the start to the stop. (1) depends on the number of times of starting and stopping the gas turbine and does not depend on the operation time between starting and stopping, and (2) indicates starting of the gas turbine. It can be expressed as a second growth rate (second crack growth rate) that does not depend on the number of stops but depends on the operation time between start and stop. Further, the second growth rate is characterized in that it is not data predicted by extrapolation based on data obtained in a short-time stress (strain) retention test. Details will be described later. By incorporating the formula obtained by faithfully modeling these physical phenomena into the prediction method, the crack growth behavior due to gas turbine operation is not approximated by a regression curve based on mere influence factors, but physically. It is possible to describe according to a meaningful expression, and it is possible to improve reliability.
第二のき裂進展速度は、高温酸化試験の結果から求めることができる。高温酸化試験は、JIS−Z−2281及びJIS−Z−2282などに規定されているが、これを参考にしてガスタービンでの高温燃焼ガス中の環境を再現すべく試験装置や試験条件を変更することは可能である。実部品若しくは部品と同じ金属組織を有する材料素材から採取した試験片を加熱炉中に置き、温度を一定に維持した高温の燃焼ガスに曝す。その後試験片を取り出し、切断加工し、断面を観察して最大侵食深さを測定する。高温酸化試験は数日間に渡って長時間暴露する場合でも、疲労試験のように試験条件が外部の条件によって変動する(大気温度変化による油圧の変動や試験機本体の寸法変化)といったことがなく、また試験長期化によるサーボバルブや作動油の劣化といった問題がなく、それゆえに試験員及び試験管理者の負担が極めて小さいため、疲労試験と比べて低コストで実施でき、また多数の試験片を高温炉中に入れることができるので多数のデータを一度に得ることもできる。 The second crack growth rate can be obtained from the result of the high temperature oxidation test. The high-temperature oxidation test is defined in JIS-Z-2281 and JIS-Z-2282, etc., but referring to this, the test equipment and test conditions are changed to reproduce the environment in the high-temperature combustion gas in the gas turbine. It is possible to do. A test piece taken from an actual part or a material having the same metal structure as that of the part is placed in a heating furnace and exposed to a high-temperature combustion gas maintained at a constant temperature. Thereafter, the test piece is taken out, cut and processed, and the cross section is observed to measure the maximum erosion depth. The high-temperature oxidation test does not change the test conditions depending on the external conditions (fluctuation in hydraulic pressure due to changes in atmospheric temperature or changes in the dimensions of the tester body) even when exposed for a long time over several days. In addition, there is no problem of deterioration of servo valves and hydraulic oil due to prolonged testing, and therefore the burden on the tester and test manager is extremely small. Since it can be put in a high temperature furnace, a lot of data can be obtained at once.
高温酸化試験結果は以下の手順にて処理される。測定された最大侵食深さ(JISにて定義された酸化によるスケールと変質層の厚さの和)を時間と温度の関数として求め、その材料定数を決定する。高温酸化は酸素原子の拡散によるものなので、
d=β×t^h (d:最大侵食深さ、t:時間)
と表すことができる。ここでβとhは材料定数であり、温度に依存する。ここで時間tをガスタービンの運転条件によって決まる1回の起動停止間の連続運転時間に相当する時間とすれば、時間tに生成される最大侵食深さが第二のき裂進展速度と比例する若しくは等しいということになる。ここで”比例する”としたのは2つの理由がある。一つは図3に示したようにき裂先端近傍における変質層の生成速度がき裂の形状等により平板における生成速度よりも遅くなることがあるためであり、もう一つの理由は部品の形状及び環境によってはスケールの付着状態によって最大侵食深さが精度よく測定できないことがあるためである。このような場合には経験的に妥当な比例定数を求め測定値に乗ずればよい。経験的に、実用上1として差し支えない。
The high temperature oxidation test results are processed in the following procedure. The measured maximum erosion depth (the sum of the scale due to oxidation defined by JIS and the thickness of the altered layer) is obtained as a function of time and temperature, and the material constant is determined. Because high temperature oxidation is due to diffusion of oxygen atoms,
d = β × t ^ h (d: maximum erosion depth, t: time)
It can be expressed as. Here, β and h are material constants and depend on temperature. If the time t is a time corresponding to the continuous operation time between one start and stop determined by the operating conditions of the gas turbine, the maximum erosion depth generated at the time t is proportional to the second crack growth rate. Will be or will be equal. There are two reasons why it is “proportional” here. One is because the generation rate of the deteriorated layer in the vicinity of the crack tip as shown in FIG. 3 may be slower than the generation rate in the flat plate due to the shape of the crack, etc. The other reason is that This is because, depending on the environment, the maximum erosion depth may not be accurately measured depending on the state of scale adhesion. In such a case, an experientially reasonable proportional constant may be obtained and multiplied by the measured value. Empirically, it can be practically set to 1.
ここで実際に得られたデータをもとに本発明の方法、すなわちき裂進展速度を第一のき裂進展速度と第二のき裂進展速度とを合成して求め、これを図4に”高温酸化を考慮したき裂進展速度の計算式”として示す。ここで前者は、応力保持をしないき裂進展試験の結果に基づいて求めたき裂進展速度であり、後者は起動から停止までの連続運転時間に相当する時間での高温酸化による最大侵食深さに等しい(比例定数が1)として求めたき裂進展速度である。図中には比較として従来の方法、すなわちき裂進展速度を前述のパリス則にて記述し、応力保持時間を0から1時間の範囲で変えて疲労き裂進展試験を行い、その試験結果から得られた材料定数をもとにガスタービン運転における保持時間(起動から停止までの連続運転時間)に対応して外挿で求めた材料定数Cp、mを適用して予測、計算したき裂進展速度を”高温酸化を考慮しないき裂進展速度の計算式”として示す。なおき裂進展速度計算に適用した各種パラメータの数値は平均値であり、したがって計算されたき裂進展速度はばらつきの平均値(50%確率)である。図中のプロットは、定期検査時に測定されたき裂長さから求めたき裂進展速度であり、これは定期検査間のき裂進展量をその間の起動停止回数で除したものである。図より本発明によるき裂進展速度は、実際の運転で発生したき裂進展挙動を忠実に再現しており、本発明の考え方が妥当であることを証明している。 Here, based on the data actually obtained, the method of the present invention, that is, the crack growth rate is obtained by synthesizing the first crack growth rate and the second crack growth rate, and this is shown in FIG. It is shown as “Calculation formula of crack growth rate considering high temperature oxidation”. Here, the former is the crack growth rate obtained based on the result of the crack growth test without stress holding, and the latter is the maximum erosion depth due to high temperature oxidation in the time corresponding to the continuous operation time from start to stop. It is the crack growth rate determined as equal (proportional constant is 1). In the figure, for comparison, the conventional method, that is, the crack growth rate is described according to the above-mentioned Paris law, and the fatigue crack growth test is performed by changing the stress holding time in the range of 0 to 1 hour. Crack growth predicted and calculated by applying material constants Cp and m obtained by extrapolation corresponding to the retention time in gas turbine operation (continuous operation time from start to stop) based on the obtained material constants The rate is shown as “Calculation formula of crack growth rate without considering high temperature oxidation”. The numerical values of the various parameters applied to the crack growth rate calculation are average values, and thus the calculated crack growth rate is the average value (50% probability) of variation. The plot in the figure is the crack growth rate obtained from the crack length measured during the periodic inspection, which is obtained by dividing the crack propagation amount during the periodic inspection by the number of start and stop during that period. From the figure, the crack growth rate according to the present invention faithfully reproduces the crack propagation behavior generated in actual operation, which proves that the idea of the present invention is valid.
第二のき裂進展速度は上述したように試験片による高温酸化試験で求めることが可能であるが、運転した実部品におけるスケール及び変質層生成状況の調査結果(ガスタービン運転時間と高温酸化層生成量(最大侵食深さ)との関係)が十分にあり、かつ高温環境の条件(温度等)が正しく把握されていれば、これらの実部品の調査結果のみからでも推定することは可能である。実部品に生成した高温酸化層(最大侵食深さ)の調査結果をもとに必要に応じて比例定数を補正すればよい。実部品では小型試験片の試験では得られない長時間の高温保持の履歴を持ったものであり、短時間の外挿ではなく、長時間のデータの内挿で求めることができるものだから、データ採取には好都合であり、また信頼性がある。 The second crack growth rate can be obtained by the high-temperature oxidation test using the test piece as described above. However, the investigation results of the scale and altered layer formation status in the actual parts that were operated (gas turbine operating time and high-temperature oxide layer) If the amount of formation (relationship with the maximum erosion depth) is sufficient, and the conditions of the high-temperature environment (temperature, etc.) are correctly grasped, it is possible to estimate only from the survey results of these actual parts. is there. What is necessary is just to correct | amend a proportionality constant as needed based on the investigation result of the high temperature oxidation layer (maximum erosion depth) produced | generated in the actual component. Actual parts have a history of long-term high-temperature retention that cannot be obtained by testing small test pieces, and can be obtained by long-term data interpolation rather than short-time extrapolation. It is convenient and reliable to collect.
前述したようにき裂の進展挙動は温度及び応力(若しくはひずみ)の波形(保持時間等)に強く依存しているので、実部品の温度及び応力(ひずみ)波形に対応した小型試験片による疲労試験データが必要であるが、もし該当するデータがない場合には他の条件のデータから温度及び波形に対応したデータを内挿することが可能である。応力(ひずみ)波形については、運転条件、具体的には起動から停止までの運転時間を応力(若しくはひずみ)一定の時間(図7におけるt2)と見なしてこれを適用する。応力変動時(図7におけるt1及びt3)の影響もあるが、実際のガスタービンの運転においては、t2と比べてt1及びt3は無視しうるほど短いので無視しても問題にはならない。 As described above, the crack propagation behavior strongly depends on the temperature and stress (or strain) waveforms (holding time, etc.), so fatigue caused by small test pieces corresponding to the temperature and stress (strain) waveforms of the actual parts. Although test data is required, if there is no corresponding data, it is possible to interpolate data corresponding to temperature and waveform from data of other conditions. Regarding the stress (strain) waveform, the operation condition, specifically, the operation time from the start to the stop is regarded as a constant stress (or strain) time (t2 in FIG. 7) and applied. Although there is an influence at the time of stress fluctuation (t1 and t3 in FIG. 7), in actual gas turbine operation, t1 and t3 are negligibly short as compared with t2, and thus ignoring is not a problem.
これらの疲労特性に関する特定の温度における材料パラメータ、α、Ci、Cp、m、β、h(Ci、mは保持時間の影響を含まない定数)又はこれらのパラメータを温度の関数として表した場合の材料定数は、第1のステップにおける温度及び応力を予測するためのパラメータと同様に、データベースシステム(記憶手段)に保存されており、計算手段(計算機)を用いて統計処理が行われ、確率分布関数を表現できる統計パラメータが求められ、データベースシステムに保存される。また運転に使用した部品の検査結果及び調査結果が得られるたびに必要に応じて上述の材料パラメータ若しくは補正係数などが修正されるように装置は構成されている。特に最大侵食深さに関するデータは、疲労寿命に与える影響が極めて大きいにもかかわらず現時点ではデータ(特に実部品のデータ)が必ずしも多くないので、このような装置は有用である。 Material parameters at specific temperatures related to these fatigue properties, α, Ci, Cp, m, β, h (Ci, m are constants not including the effect of holding time) or these parameters as a function of temperature The material constants are stored in the database system (storage means), like the parameters for predicting the temperature and stress in the first step, statistical processing is performed using the calculation means (computer), and the probability distribution Statistical parameters that can represent the function are determined and stored in the database system. Further, the apparatus is configured so that the above-described material parameters or correction coefficients are corrected as necessary every time inspection results and investigation results of parts used for operation are obtained. In particular, since the data on the maximum erosion depth has a great influence on the fatigue life, there is not always much data (especially data on actual parts) at present, so such a device is useful.
以上は、タービン1段動翼のような非常に高温な環境下でのき裂進展について述べたものである。一方、高温酸化が支配的とはならない程度の温度域に曝されるタービン後方段の動静翼などについては、起動停止間の連続運転時には母材金属部のクリープき裂進展が支配的であり、第二のき裂進展速度としてはこれを考慮する必要がある。ここに記載するクリープき裂進展は、高温強度の優れるNi基若しくはCo基超合金において高温酸化層が生じるには至らない程度の高温域でも、疲労等により発生したき裂が連続運転中一定の引張応力下で進展する現象である。このような現象は通常のクリープ現象として公知であるが、特定の合金では700℃程度の温度域において、ラーソンミラーパラメータに基づく低温側からの外挿値から顕著に外れる速いき裂進展速度を発現することを本予測手法の発明に際し見いだした。クリープき裂進展によるき裂進展速度を規定するパラメータは、小型試験片により荷重一定で長時間負荷するクリープき裂進展試験によってデータを得ることができる。クリープき裂進展試験は交番荷重負荷となる高温疲労き裂進展試験と比べて、静荷重で実施できるので、試験機の維持・運転・保守の点で低コストであり、また試験治具を工夫すれば同時に数本の試験片を試験することが可能である。なおこのクリープき裂進展は引張応力の作用下であれば高温酸化層の生成が顕著な高温でも生じることがあると思われるが、その速度は実用的には高温酸化層生成によるき裂進展速度と比較して小さい場合には無視してもかまわない。この実施例で取り上げる1段動翼のチップ部(高温燃焼ガスに曝される側)においては、熱応力により圧縮状態になっているので、クリープき裂は考慮する必要がない。 The above is a description of crack growth in a very high temperature environment such as a turbine one-stage rotor blade. On the other hand, for the moving and stationary blades at the rear stage of the turbine exposed to a temperature range where high temperature oxidation is not dominant, the creep crack growth of the base metal part is dominant during continuous operation between start and stop, This must be taken into account as the second crack growth rate. The creep crack growth described here is constant during continuous operation even in a high temperature region where a high-temperature oxide layer does not occur in a Ni-based or Co-based superalloy having excellent high-temperature strength. It is a phenomenon that develops under tensile stress. Such a phenomenon is known as a normal creep phenomenon, but a specific alloy exhibits a rapid crack growth rate that deviates significantly from the extrapolated value from the low temperature side based on the Larson mirror parameter in a temperature range of about 700 ° C. This was found in the invention of the present prediction method. The parameter that defines the crack growth rate due to creep crack growth can be obtained by a creep crack growth test in which a small test piece is applied with a constant load for a long time. The creep crack growth test can be performed with a static load compared to the high-temperature fatigue crack growth test, which is an alternating load, so it is less expensive in terms of maintenance, operation, and maintenance of the testing machine, and the test jig is devised. By doing so, it is possible to test several specimens at the same time. It should be noted that this creep crack growth is likely to occur even at a high temperature where the formation of a high-temperature oxide layer is significant under the action of tensile stress. If it is small compared to, it can be ignored. Since the tip portion (the side exposed to the high-temperature combustion gas) of the first stage blade taken up in this embodiment is in a compressed state due to thermal stress, there is no need to consider creep cracks.
上述したようにクリープき裂進展は高温酸化層の割れとは異なる機構で生じるものであるが、起動から停止までの運転時間に依存するという点は一致するので、本願では便宜的に第二の進展速度としての位置付けで取り扱う。 As described above, creep crack growth is caused by a mechanism different from cracking of the high-temperature oxide layer, but the point that it depends on the operation time from start to stop is the same. Handled as a speed of progress.
(第3のステップ)
前記第1及び第2のステップで求められた各パラメータの統計処理結果をもとに、モンテカルロ法を適用してき裂進展曲線を得るためのデータを作成する。モンテカルロ法とは、乱数などの偶発的な確率変数を用いて試行錯誤的に問題を解いていく数値計算法のことであり、本発明のようにばらつきを含む統計的なデータを予測する手段として使われていることもある。(例えば特許文献3)
(Third step)
Based on the statistical processing result of each parameter obtained in the first and second steps, data for obtaining a crack growth curve is created by applying the Monte Carlo method. The Monte Carlo method is a numerical calculation method that solves a problem by trial and error using random random variables such as random numbers, and as a means of predicting statistical data including variations as in the present invention. Sometimes it is used. (For example, Patent Document 3)
まず統計処理を行うのに十分な数Nのデータ組み合わせを作る。図5にはN組の組み合わせを作成した例を示す。(ただし図5に示す表中の数値は各パラメータにおける平均値及び標準偏差を基に標準化したものであり、計算に際しては平均値及び標準偏差を入力して換算することが必要である。)パラメータである高温ガス圧、熱伝導率などには第1及び第2のステップにて作成された各パラメータの確率分布を基に数値がランダムに割り振られており、N組の組み合わせすべてで見ればその確率分布は第1及び第2のステップにて作成された各パラメータの確率分布(ここでは例として正規分布)とほぼ一致するようになる。”ほぼ”としたのは、実際に取りうる値は離散化された数値であるため、厳密には一致しないからである。結果的に疲労特性への影響が小さいパラメータにおいては、計算に要する時間を考慮して取り得る数値を少なくすることも可能である。また同一の組み合わせ中にある2つのパラメータで相関がないもの、例えば高温ガス圧、弾性係数、壁厚は、互いに独立に変化している。強い相関があるパラメータとは、例えば前述した疲労き裂進展試験におけるCpとmとの関係である。種々の材料でCpとmを求めこれをプロットすればCpとmに強い相関があることは公知であるが、同一の材料においてCpがばらついた場合にmもまたCpと強い相関を持ってばらつくことが本願の発明にて見いだされた。 First, a number N of data combinations sufficient to perform statistical processing are created. FIG. 5 shows an example in which N combinations are created. (However, the numerical values in the table shown in FIG. 5 are standardized based on the average value and standard deviation in each parameter, and it is necessary to input and convert the average value and standard deviation when calculating.) The high-temperature gas pressure, thermal conductivity, etc. are randomly assigned based on the probability distribution of each parameter created in the first and second steps. The probability distribution almost coincides with the probability distribution (normal distribution as an example here) of each parameter created in the first and second steps. The reason for “substantially” is that the values that can actually be taken are discretized numerical values, and therefore do not exactly match. As a result, for parameters that have a small effect on fatigue properties, it is possible to reduce the number that can be taken in consideration of the time required for calculation. In addition, two parameters in the same combination that have no correlation, for example, high-temperature gas pressure, elastic modulus, and wall thickness change independently of each other. The parameter having a strong correlation is, for example, the relationship between Cp and m in the fatigue crack growth test described above. It is known that if Cp and m are obtained for various materials and plotted, Cp and m have a strong correlation. However, when Cp varies in the same material, m also has a strong correlation with Cp. This has been found in the present invention.
なお材料特性値は温度に依存しており、各組み合わせにおいて環境因子のばらつきにより対象部位の温度が異なるので、材料特性パラメータは温度を変数とする関数として表示することが信頼性の点から好ましい。しかし温度の依存度が小さいパラメータの場合若しくは結果的に対象部位の温度のばらつきが小さい場合は、計算時間短縮を目的として温度に依存しないパラメータとしてもよい。例示した図5は対象部位の温度のばらつきが小さいという前提で計算した値である。作成されたN組のデータの組み合わせは一旦記憶手段に保存される。 The material characteristic value depends on the temperature, and the temperature of the target part varies depending on the variation of environmental factors in each combination. Therefore, it is preferable from the viewpoint of reliability that the material characteristic parameter is displayed as a function having the temperature as a variable. However, in the case of a parameter whose temperature dependence is small or, as a result, when the variation in temperature of the target part is small, the parameter may be independent of temperature for the purpose of shortening the calculation time. FIG. 5 illustrated is a value calculated on the assumption that the variation in temperature of the target part is small. The created N sets of data combinations are temporarily stored in the storage means.
(第4のステップ)
第3のステップで作成したN組のデータの組み合わせを入力してN個のき裂進展曲線を求める。具体的は、第1組目の組み合わせにおける材料特性因子、境界条件因子及び形状因子のデータを入力しもしくは読み取らせ、熱・応力解析を行い、部品の対象部位における温度分布及び応力分布を求める。得られた温度分布と応力分布を用い、疲労特性を予測するためのパラメータを入力しもしくは読み取らせ、まず始めにき裂が発生する起動停止回数を例えば前述のManson−Coffinの式より求める。次に、得られた温度分布と応力分布と、ガスタービンの運転条件として入力された1回の起動停止間の連続運転時間とを入力し、第2のステップで求めた応力、温度及び材料定数などのパラメータを第一のき裂進展速度及びの第二のき裂進展速度の式に代入し、これらを合成したき裂進展速度式により、例えば差分法によりき裂発生後の起動停止回数とき裂長さの関係を求める。計算を進めき裂長さが別途記憶手段に保存されている破損限界き裂長さに達したときに第1組目の組み合わせのき裂進展曲線が得られたとして計算を終了し、そのき裂進展曲線を表示手段で表示すると同時にデータベースシステムに保存する。引き続き第2組目の組み合わせのデータを用いて前記と同じ手順にて第2組目の組み合わせのき裂進展曲線を得る。このようにして計算を繰り返し、N個のき裂進展曲線を得る。得られたカーブはディスプレイ等の表示手段によって、例えば図6(a)のように表示されるとともに、一旦記憶手段に保存される。
(Fourth step)
The N sets of data created in the third step are input to obtain N crack growth curves. Specifically, the material characteristic factor, boundary condition factor, and shape factor data in the first set of combinations are input or read, thermal / stress analysis is performed, and the temperature distribution and stress distribution in the target part of the part are obtained. Using the obtained temperature distribution and stress distribution, parameters for predicting fatigue characteristics are input or read, and first, the number of start / stops at which a crack is generated is obtained from, for example, the aforementioned Manson-Coffin equation. Next, the obtained temperature distribution and stress distribution and the continuous operation time between one start and stop input as the operating conditions of the gas turbine are input, and the stress, temperature and material constant obtained in the second step are input. When the number of start and stop times after crack initiation is determined by the differential method, for example, by substituting these parameters into the first crack growth rate and second crack growth rate equations Find the relationship of crack length. The calculation is advanced, and when the crack length reaches the fracture limit crack length stored separately in the memory means, the calculation is terminated assuming that the crack growth curve of the first set combination is obtained, and the crack propagation is completed. The curve is displayed on the display means and simultaneously stored in the database system. Subsequently, the crack growth curve of the second set of combinations is obtained by the same procedure as described above using the data of the second set of combinations. In this way, the calculation is repeated to obtain N crack growth curves. The obtained curve is displayed by display means such as a display as shown in FIG. 6 (a), for example, and once stored in the storage means.
なおき裂進展曲線の終点となる破損限界き裂長さは、その長さ以下であれば部品としての機能を失わない限界の長さであり、飛散等のおそれがない限り設計に基づいて決定するものであるので、ばらつきをともなわない確定値としてもよい。ただし破損限界き裂長さが例えば共振による低応力高サイクル疲労き裂進展開始限界で決まるとの考えで定義している場合には、共振による振動応力及びき裂進展下限界応力拡大係数(ΔKth)を確率変数のパラメータとし、これらをもとに破損限界き裂長さをパラメータとして求めてもよい。 The failure limit crack length that is the end point of the crack growth curve is the limit length that does not lose the function as a part if it is less than that length, and is determined based on the design unless there is a risk of scattering etc. Therefore, it is good also as a definite value without a dispersion | variation. However, if it is defined by the idea that the fracture limit crack length is determined by the low stress high cycle fatigue crack growth start limit due to resonance, for example, vibration stress due to resonance and critical stress intensity factor under crack growth (ΔKth) May be used as a parameter of a random variable, and the fracture limit crack length may be obtained as a parameter based on these parameters.
(第5のステップ)
第4のステップで求めたN個のき裂進展曲線を用いて統計処理を行い、疲労き裂長さの確率分布を求める。ここで言う確率分布とは、き裂が特定の長さに達する起動停止回数の確率分布若しくは特定の起動停止回数におけるき裂長さの確率分布であり、特定のき裂長さ及び特定の起動停止回数は用途に応じて定めればよい。
(Fifth step)
Statistical processing is performed using the N crack growth curves obtained in the fourth step, and a probability distribution of fatigue crack length is obtained. The probability distribution mentioned here is the probability distribution of the number of start / stop times at which the crack reaches a specific length or the probability distribution of the crack length at a specific number of start / stop times, and the specific crack length and the specific number of start / stop times. May be determined according to the application.
(第6のステップ)
第5のステップで求めた疲労き裂長さの確率分布をもとに、コストの点から最適な許容き裂長さを求める。ここで許容き裂長さとは、検査時にき裂が検出されても補修を行わないかつ廃却としない最大のき裂長さのことである。次回定期検査までの間に破損する部品を低減すると同時に破損の頻度を下げるためには、許容き裂長さを小さく設定する必要があるが、一方で許容き裂長さが小さいほど補修及び廃却による取り替えに要する材料費や人件費などのコスト(以後、あわせて補修コストという)は増加する。したがって全体としてのコストを最小化する最適な許容き裂長さを求めることが要求される。ここで全体としてのコストとは、前述した補修コストと破損によるコストとの合計である。破損により発生するコストとは破損にともない発生した他の部品及び装置の故障による修理費並びに運転停止による損害であり、事業者の営業上の損害に係るコストをも含む。また破損により発生するコストは、実際に発生する損害金額に破損する確率を乗じたものであり、許容き裂長さを大きくすれば破損する確率は高くなるので、損害金額は同じでも破損により発生するコストは大きくなる。
(Sixth step)
Based on the probability distribution of the fatigue crack length obtained in the fifth step, the optimum allowable crack length is obtained from the viewpoint of cost. Here, the allowable crack length is the maximum crack length that will not be repaired and discarded even if a crack is detected during inspection. In order to reduce the number of parts that are damaged before the next periodic inspection and at the same time reduce the frequency of breakage, it is necessary to set the allowable crack length smaller. On the other hand, the smaller the allowable crack length, the more Costs such as material costs and labor costs required for replacement (hereinafter referred to as repair costs) will increase. Therefore, it is required to obtain an optimum allowable crack length that minimizes the overall cost. Here, the cost as a whole is the sum of the repair cost and the cost due to breakage. The cost caused by the damage is a repair cost due to a failure of other parts and devices caused by the damage and a damage due to the operation stop, and includes a cost related to the business damage of the business operator. In addition, the cost caused by breakage is the actual damage amount multiplied by the probability of breakage. Increasing the allowable crack length increases the probability of breakage. Cost increases.
はじめに第5のステップにおいて得られたN個のき裂進展曲線を用いて、補修基準作成のための許容き裂長さを求める手順を以下に説明する。手順を図6に示す。得られたき裂進展曲線は破損限界き裂長さに到達する起動停止回数が異なる(図6(a))が、各き裂進展曲線を横軸(起動停止回数の軸)方向に移動して、破損限界き裂長さacrになる点を一致させる(図6(b))。次にあらかじめ定められた定期検査間の起動停止回数(ΔNss)分遡った起動停止回数におけるき裂長さ分布(き裂長さの確率分布)を求める。ここで許容き裂長さatoを仮決めする。検査時にき裂長さが仮決めされた許容き裂長さato以上の場合はそのき裂を補修するか若しくは修理せずにその部品を廃棄し、許容き裂長さato以下の場合には処置はせず検査後そのまま使用することを想定する。このとき許容き裂長さato以下のき裂の割合をp(図6の確率分布の黒い部分の面積に相当)とする。これは、N個のき裂進展曲線のうちN×p個のき裂進展曲線は許容き裂長さよりも短いことを意味する。次に各き裂進展曲線をき裂長さが許容き裂長さatoのときに同じ起動停止回数となるように横軸(起動停止回数の軸)方向に移動する(図6(c))。この表示において明らかなように、N個のき裂進展曲線のうちN×p個のき裂進展曲線は次回定期検査までにき裂長さが破損限界き裂長さacrに達する。すなわち仮決めされた許容き裂長さatoのき裂が部品に発生していた場合、次回定期検査までに破損が生じる確率は図6(b)のpと等しいという結果が導かれる。したがって第5のステップで求められたき裂進展曲線群と運転条件より、図6に示す方法で許容き裂長さatoと破損が生じる確率との関係を求められることが示された。 First, a procedure for obtaining an allowable crack length for repair standard creation using the N crack growth curves obtained in the fifth step will be described below. The procedure is shown in FIG. The obtained crack growth curves differ in the number of start and stop times reaching the fracture limit crack length (Fig. 6 (a)), but each crack growth curve is moved in the horizontal axis (start and stop number axis) direction, The points at which the fracture limit crack length acr is reached are matched (FIG. 6B). Next, a crack length distribution (probability distribution of crack length) at the number of start / stop times retroactive by a predetermined number of start / stop times between periodic inspections (ΔNss) is obtained. Here, the allowable crack length ato is provisionally determined. If the crack length is longer than the allowable crack length ato, which was provisionally determined at the time of inspection, repair the crack or discard the part without repairing it, and take action if the crack length is shorter than the allowable crack length ato. It is assumed that it will be used as it is after the inspection. At this time, the ratio of cracks having an allowable crack length at or less is assumed to be p (corresponding to the area of the black portion of the probability distribution in FIG. 6). This means that of the N crack growth curves, N × p crack growth curves are shorter than the allowable crack length. Next, each crack propagation curve is moved in the direction of the horizontal axis (the axis of the number of start / stop times) so that the same number of start / stop times is obtained when the crack length is the allowable crack length ato (FIG. 6C). As is apparent from this display, the crack length of N × p crack growth curves among the N crack growth curves reaches the fracture limit crack length acr by the next periodic inspection. That is, when a crack having a provisionally determined allowable crack length ato has occurred in the part, the result is that the probability that damage will occur before the next periodic inspection is equal to p in FIG. 6B. Therefore, it was shown that the relationship between the allowable crack length at and the probability of occurrence of breakage can be obtained by the method shown in FIG. 6 from the crack growth curve group obtained in the fifth step and the operating conditions.
上述の方法で許容き裂長さatoを試行錯誤的に変化させて破損が生じる確率pを求め、これによって許容き裂長さと破損により発生するコストとの関係を求めることができる。一方、蓄積された高温部品の検査データから許容き裂長さを越えて補修若しくは取り替えとなる部品の数が予想できるので、許容き裂長さと補修コストとの関係を求めることができる。これより図9に示すように、許容き裂長さと全体としてのコストとの関係を求めることができる。全体としてのコストが最小となる許容き裂長さを見いだし、これを許容き裂長さの最適値とする。このようにして決定された許容き裂長さをき裂測定時の測定誤差を考慮して補正し、さらに種々の事情を考慮して適正な許容き裂長さを決定し、補修基準に反映し、定期検査時に適用する。なお自動的に最適な許容き裂長さを求めるために、特に破損によるコストに含まれる営業上の損害等は、事前に金額若しくは数値パラメータに換算しうる式を設定し装置に保存しておき、計算時に計算手段に読み込むようにしておけばよい。 The probability p of occurrence of breakage is obtained by changing the allowable crack length ato by trial and error by the above-described method, and thereby the relationship between the allowable crack length and the cost caused by the breakage can be obtained. On the other hand, since the number of parts to be repaired or replaced beyond the allowable crack length can be predicted from the accumulated inspection data of the high-temperature parts, the relationship between the allowable crack length and the repair cost can be obtained. From this, as shown in FIG. 9, the relationship between the allowable crack length and the overall cost can be obtained. Find the allowable crack length that minimizes the overall cost, and make this the optimum value for the allowable crack length. The allowable crack length determined in this way is corrected in consideration of measurement errors at the time of crack measurement, and further, an appropriate allowable crack length is determined in consideration of various circumstances, and is reflected in the repair criteria. Applies during periodic inspections. In addition, in order to automatically determine the optimum allowable crack length, especially for business damage included in the cost due to breakage, an expression that can be converted into an amount or numerical parameter is set in advance and saved in the device, What is necessary is just to read into a calculation means at the time of calculation.
以上のステップは、大型計算機の端末若しくはパーソナルコンピュータなどの計算機を用いて手作業で実行することも可能であるが、あらかじめ人の判断に頼らざるを得ない各種コスト若しくはコスト計算式等の入力を行えば、バッチ処理等によって自動的に最終的に許容き裂長さを得ることが可能である。本発明においては、図8に示すような、データ読み取り手段、記憶手段、入力手段、計算手段、表示手段等から構成され、上述の実施例で記載した各ステップに対応した統計処理のための大量のデータ処理が可能な装置を含む。さらに図8に示す装置と社内LAN又はインターネット回線をつなげ、各種の実験データベースや他機関のデータベースからデータを入手できるようにしておけば効率的である。 The above steps can be executed manually using a computer such as a large computer terminal or a personal computer. However, it is necessary to input various costs or cost calculation formulas that must be relied on in advance by human judgment. If it is carried out, it is possible to finally obtain the allowable crack length automatically by batch processing or the like. In the present invention, as shown in FIG. 8, it is composed of data reading means, storage means, input means, calculation means, display means, etc., and is a large quantity for statistical processing corresponding to each step described in the above-mentioned embodiment. Including a device capable of data processing. Furthermore, it is efficient if the apparatus shown in FIG. 8 is connected to an in-house LAN or Internet line so that data can be obtained from various experimental databases and databases of other institutions.
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明したが、これは実施の形態の一例を示すにすぎず、この実施の形態に限定するものではない。 Although the embodiment of the invention has been described based on an example with reference to the drawings, this is merely an example of the embodiment, and the present invention is not limited to this embodiment.
Claims (6)
前記進展速度を前記ガスタービンの起動と停止に基づいてき裂の長さが長くなる第一の進展速度と前記ガスタービンの運転に基づいてき裂の長さが長くなる第二の進展速度とを合成させて求める方法であって、
前記第二の進展速度は、
前記部品若しくは前記部品と同じ金属組織を有する材料素材から採取した試験片を用いて加熱炉中で高温酸化試験を行うステップと、
前記高温酸化試験の結果をもとに最大侵食深さを時間と温度の関数として求めるステップと、
前記関数をもとにガスタービンの1回の起動停止間の運転時間に相当する時間での高温酸化による最大侵食深さを算出するステップと、
前記第二の進展速度を前記最大侵食深さと比例する若しくは等しいとして算出するステップにより求めることを特徴とするき裂進展予測方法。 The crack growth rate generated in the high-temperature part of the gas turbine is obtained, the crack growth curve representing the crack length with respect to the number of start / stops is obtained from the growth rate, and the crack length is calculated from the crack growth curve. In the crack growth prediction method that predicts changes,
Based on the start and stop of the gas turbine, the progress speed is combined with a first progress speed that increases the crack length and a second progress speed that increases the crack length based on the operation of the gas turbine. there is provided a method of Ru determined by,
The second evolution rate is
Performing a high-temperature oxidation test in a heating furnace using a test piece taken from the component or a material material having the same metal structure as the component; and
Obtaining a maximum erosion depth as a function of time and temperature based on the results of the high temperature oxidation test;
Calculating a maximum erosion depth due to high-temperature oxidation in a time corresponding to an operation time between one start and stop of the gas turbine based on the function ;
A crack growth prediction method characterized in that the second growth rate is obtained by a step of calculating as being proportional to or equal to the maximum erosion depth .
対象部品の温度及び応力を予測するためのパラメータの実測値若しくは計算値を統計処理することにより、各パラメータの確率分布を求める第1のステップと、
請求項1記載のき裂進展予測方法に基づいて対象部品の疲労特性を予測するためのパラメータの実測値若しくは計算値を統計処理することにより、各パラメータの確率分布を求める第2のステップと、
前記第1及び第2ステップにおいて得られた各パラメータの確率分布に基づいて、各パラメータの値を確率分布にしたがった乱数で決定し、前記決定したパラメータを組み合わせて、複数のパラメータの組み合わせを作成する第3のステップと、
前記第3のステップにて作成されたパラメータの組み合わせごとに、前記各パラメータの数値を入力して熱及び応力解析を行い、対象部品の温度及び応力を計算し、前記対象部品の温度及び応力とガスタービンの運転条件とを用いて各パラメータの組み合わせにおける疲労特性を計算し、疲労き裂進展曲線を求める第4のステップと、
前記第4のステップにおいて得られた、パラメータの組み合わせごとの疲労き裂進展曲線を統計処理することによって疲労き裂長さの確率分布を得る第5のステップと、
を含み、
前記第4のステップにおいて前記疲労き裂進展曲線を計算するために用いるき裂進展速度を、
前記ガスタービンの起動と停止に基づいてき裂の長さが長くなる第一の進展速度と前記ガスタービンの1回の起動停止間の運転に基づいてき裂の長さが長くなる第二の進展速度とを合成させて求めることを特徴とする疲労き裂長さの確率分布を予測する方法。 A method for predicting a probability distribution of fatigue crack length generated in a high-temperature part of a gas turbine by applying a Monte Carlo method,
A first step of obtaining a probability distribution of each parameter by statistically processing an actual measurement value or a calculated value of a parameter for predicting the temperature and stress of the target part;
By statistically processing the measured values or the calculated values of the parameters for predicting the fatigue properties of the target component based on claim 1 can according crack growth prediction method, a second step of obtaining a probability distribution of each parameter,
Based on the probability distribution of each parameter obtained in the first and second steps, the value of each parameter is determined by a random number according to the probability distribution, and a combination of a plurality of parameters is created by combining the determined parameters. A third step,
For each combination of parameters created in the third step, the numerical value of each parameter is input to perform thermal and stress analysis, the temperature and stress of the target part are calculated, and the temperature and stress of the target part are calculated. A fourth step of calculating a fatigue characteristic in each parameter combination using a gas turbine operating condition and obtaining a fatigue crack growth curve;
A fifth step of obtaining a fatigue crack length probability distribution by statistically processing the fatigue crack growth curve for each combination of parameters obtained in the fourth step;
Including
The crack growth rate used to calculate the fatigue crack growth curve in the fourth step,
The first growth rate at which the crack length is increased based on the start and stop of the gas turbine and the second growth rate at which the crack length is increased based on the operation during one start / stop of the gas turbine A method for predicting the probability distribution of fatigue crack length, characterized by being obtained by combining
前記各疲労き裂進展曲線において、き裂長さが前記破損限界き裂長さとなる時の起動停止回数から検査間の起動停止回数分遡った起動停止回数時のき裂長さを求め、そのき裂長さの確率分布を求めるステップと、
ある許容き裂長さを仮定して、前記確率分布を用い、検査間の起動停止回数後に破損が生じる確率を求めるステップと、
前記破損が生じる確率を用いて、前記高温部品の破損により発生するコストと、該部品の補修若しくは取り替えに要するコストとを算出するステップと、
仮定した許容き裂長さを複数回変えて、該部品破損により発生するコストと、該部品の補修若しくは取り替えに要するコストとを算出するステップと、
前記ステップで計算された、該部品破損により発生するコストと、該部品の補修若しくは取り替えに要するコストとの和が最小になる許容き裂長さを決定するステップと、
を含む検査時の許容き裂長さを決定する方法。 The allowable crack length at the time of inspection is determined using the fracture limit crack length of the high-temperature component and the fatigue crack growth curve in each parameter combination obtained by the method according to claim 2 or 3. A method,
In each of the fatigue crack growth curves, the crack length at the number of start and stop times retroactive by the number of start and stop times between inspections from the number of start and stop times when the crack length becomes the failure limit crack length is determined. Obtaining a probability distribution of
Assuming a certain allowable crack length , using the probability distribution , determining the probability of failure after the number of start and stop between inspections;
Using the probability that the breakage will occur , calculating the cost caused by breakage of the high temperature component and the cost required to repair or replace the component;
Changing the assumed allowable crack length a plurality of times to calculate the cost caused by the breakage of the part and the cost required to repair or replace the part;
Determining calculated in the step, the costs incurred by the component failure, the allowable crack length the sum of the cost of repair or replacement of the component is minimized,
To determine the allowable crack length during inspection including
対象部品の温度及び応力並びに対象部品の疲労特性を予測するためのパラメータの実測値若しくは計算値の入力手段と、
前記実測値若しくは計算値を保存する記憶手段と、
前記記憶手段に保存された前記パラメータの実測値若しくは計算値を統計処理して各パラメータの確率分布を求める第1の計算手段と、
前記計算手段で求められた各パラメータの確率分布に基づいて、各パラメータの値を確率分布にしたがった乱数で決定し、前記決定したパラメータを組み合わせて、疲労き裂長さの確率分布を計算するための前記決定したパラメータの組み合わせを作成する第2の計算手段と、
前記第2の計算手段にて作成されたパラメータの組み合わせごとに、前記各パラメータの数値を入力して熱及び応力解析を行い、各パラメータの組み合わせにおける対象部品の温度及び応力を計算する第3の計算手段と、
前記第3の計算手段で計算された各パラメータの組み合わせにおける対象部品の温度及び応力とガスタービンの運転条件とを用いて各パラメータの組み合わせにおける疲労特性を計算し、疲労特性の計算値から疲労き裂進展曲線を求める第4の計算手段と、
前記第4の計算手段で得られた疲労き裂進展曲線を統計処理することによって前記疲労き裂長さの確率分布を得る第5の計算手段とからなり、
前記第4の計算手段は、疲労き裂進展曲線を計算するためのき裂進展速度を、
ガスタービンの起動、停止の回数に起因する第一の進展速度と、
前記部品若しくは前記部品と同じ金属組織を有する材料素材から採取した試験片を用いて加熱炉中で高温酸化試験を行い、該高温酸化試験の結果をもとに最大侵食深さを時間と温度の関数として求め、該関数をもとにガスタービンの1回の起動停止間の運転時間に相当する時間での高温酸化による最大侵食深さを算出し、該最大侵食深さと比例する若しくは等しい第2の進展速度と、
ガスタービンの運転時間に起因し、部品を構成する材料の高温クリープき裂進展試験データから計算された進展速度と、
に分けて計算する機能を有することを特徴とする疲労き裂長さの確率分布を予測する装置。 A device that predicts the probability distribution of fatigue crack length generated in high-temperature components of a gas turbine by applying a Monte Carlo method,
An input means for measured or calculated values of parameters for predicting the temperature and stress of the target part and the fatigue characteristics of the target part;
Storage means for storing the actual measurement value or the calculated value;
First calculation means for statistically processing the actual measurement value or calculation value of the parameter stored in the storage means to obtain a probability distribution of each parameter;
In order to calculate the probability distribution of fatigue crack length by determining the value of each parameter with a random number according to the probability distribution based on the probability distribution of each parameter obtained by the calculation means, and combining the determined parameters Second calculating means for creating a combination of the determined parameters of:
For each combination of parameters created by the second calculation means, a numerical value of each parameter is input to perform heat and stress analysis, and a third temperature and stress of the target component in each parameter combination are calculated. Calculation means;
Fatigue characteristics in each parameter combination are calculated using the temperature and stress of the target part in each parameter combination calculated by the third calculation means and the operating conditions of the gas turbine, and the fatigue characteristics are calculated from the calculated fatigue characteristics. A fourth calculation means for obtaining a crack growth curve;
A fifth calculation means for obtaining a probability distribution of the fatigue crack length by statistically processing the fatigue crack growth curve obtained by the fourth calculation means;
The fourth calculation means includes a crack growth rate for calculating a fatigue crack growth curve,
The first rate of progress due to the number of start and stop times of the gas turbine;
A high temperature oxidation test is performed in a heating furnace using a test piece taken from the component or a material material having the same metal structure as the component, and the maximum erosion depth is determined based on the result of the high temperature oxidation test. A maximum erosion depth due to high-temperature oxidation in a time corresponding to an operation time between one start and stop of the gas turbine is calculated based on the function, and is proportional to or equal to the maximum erosion depth . The speed of development,
Due to the operating time of the gas turbine, the growth rate calculated from the high temperature creep crack growth test data of the material constituting the part,
Apparatus for predicting the probability distribution of the fatigue crack length, characterized that you have the ability to separately compute the.
At least one of the relational expression between the operation time of the gas turbine and the maximum erosion depth or the growth rate calculated from the maximum erosion depth by the high temperature oxidation based on the survey result data of the high temperature parts actually used for operation The apparatus for predicting a probability distribution of fatigue crack length according to claim 5 , wherein:
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