JP4447637B2 - 流体機械の回転子の状態を検知する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、内部機構の露出状態で外部から視認可能で、流体機械の作動時に比較的非臨界性の応力が発生するチェック領域を有し、且つ露出状態で外部から視認不能で、流体機械の作動時に比較的臨界性の応力が発生する監視領域を有し、チェック領域に配置され、ノッチとして形成された、所定破壊点の如き脆弱部を備える流体機械の回転子に関する。更に本発明は、請求項８の前文に記載の流体機械および請求項１０の前文に記載の、流体機械の回転子の状態を検知する方法にも関する。

独国特許出願公開第１９９６２７３５号明細書から、圧縮機段又はタービン段の回転要素のクリープ挙動を監視する方法が知られている。この方法の場合、比較可能な温度および作動荷重が発生する領域に設けた監視対象要素に少なくとも１つのテスト要素が固定される。所定の作動時間が経過した後、テスト要素のクリープ挙動を検査し、これから監視対象要素のクリープ挙動を導出する。テスト要素は部分的にテーパ状のシートメタルストライプとして形成され、該ストライプはタービン羽根のための保持溝の領域において回転子円板の端面側に溶接されている。

上記独国特許出願公開第１９９６２７３５号明細書に開示の実施形態は、シートメタルストライプが作動時に折損し、この際ガスタービンが損傷する危険がある欠点を持つ。

更に、ガスタービンの回転子の個々の構成要素を組み立てる前に欠陥部があるか否かを検査し、ガスタービンの作動時に発生する損傷を回避することが知られている。回転子は互いに当接している複数個の回転子円板とタイロッドとからなる。回転子は熱応力以外に、特に遠心力によって発生する機械的応力にも曝されており、その結果回転子の個々の構成要素が欠陥部に関し検査される。

特に回転子円板は、例えば超音波等の公知の材料試験により、該回転子円板の製造後に存在し得る徴候と思われる欠陥部に関し検査される。徴候は欠陥部、異物の影響、材料構造の非均質性或いは亀裂をも示唆する。この初検査に従って徴候なしと認められた回転子円板は、その後回転子の組み立てのために使用される。徴候がないとは、実際に欠陥部が存在しないということか、構成要素内にある欠陥部が小さく、理論的に破壊力学的計算によれば、ガスタービンの作動中にこのような徴候から致命的な亀裂は発生せず、また成長もしないということを意味している。

回転子円板の初検査にもかかわらず、回転子円板は検知されなかった欠陥部又は影響力を過小評価された欠陥部を有することがあり、このため作動安定性の理由から、所定始動回数後にガスタービンを保守目的で開口させ、回転子を再試験で検査する。

回転子は検査のために取り出す必要がある。即ち回転子を個々の構成要素に分解し、回転子の内部にあって外部から視認できず、よって検査することのできなかった回転子円板の領域を亀裂に関し検査する必要がある。

個々の回転子円板を亀裂に関し検査すべく、上記の公知の方法を繰り返し適用する。

更に、確定的分析によりガスタービンの許容始動回数を求め、この許容始動回数に従って回転子構成要素の欠陥に関する検査を行うことが知られている。この場合、許容始動回数が控えめに指定される、即ち許容始動回数が低めに査定されるよう、破壊力学的境界条件と想定作動応力とを選定する。

これに関連し、図５は従来技術による始動回数と亀裂長さの関係を示すグラフである。

図５は回転子円板の亀裂の成長特性を示す。特性曲線５１は前記分析で求める。始動回数が増えるに従意、亀裂長さａは不相応に増大している。しかし亀裂は、作動中に算出した最大許容亀裂長さａ許容を越えるべきでない。

ガスタービンの安定した作動を保証すべく、理論的に特性曲線５１に従って亀裂の成長を生じさせるような欠陥部が想定される。最大許容亀裂長さａ許容を越えるべきでないので、特性曲線５１を用いて許容始動回数Ｎ許容を特定できる。遅くともこの許容始動回数Ｎ許容に到達すれば回転子を分解し、回転子円板を欠陥に関し検査する。

しかし、回転子の分解と検査とはチェック時間を延ばし、従ってガスタービンの使用可能度を低下させる。

従って本発明の課題は、流体機械の回転子において、流体機械の使用可能度の向上を達成することである。更に本発明の課題は、このために、流体機械と回転子の状態を検知する方法とを提供することである。

回転子に関する課題は請求項１の構成、流体機械に係る課題は請求項８の構成そして方法に係る課題は請求項１０の構成により解決される。有利な構成を従属項に示す。

回転子に係る課題の解決手段によれば、脆弱部を画成するため、非致命的欠陥の終端になりうる凹部、特に応力逃がし穴が設けられる。

本発明によれば、まず第１に、以前に実際に生じた応力であって、作動態様により、即ち特に流体機械の始動により発生した前記応力の下で、監視対象である構成要素自身の亀裂成長を観察し、補助的なテスト要素の亀裂成長は観察しないことが可能である。このため、回転子円板の統合性の上で比較的致命性のないチェック領域に脆弱部を配置し、この脆弱部を起点として、以前の実際の集中応力により発生した非致命的欠陥を成長させることができる。補助的なテスト要素を設けず、非致命的欠陥をベースにして、外部から見えない監視領域にある回転子の可能な破壊力学的損傷を推定する。

本発明の認識の基礎は、初検査の際に検知されなかった、又は許容された欠陥部が、流体機械の作動中に亀裂の成長を生じさせるというものである。本発明に従って設ける脆弱部により、外部から視認可能なチェック領域に欠陥部を設けるとよい。脆弱部を起点として、応力集中により発生した非致命的欠陥が成長する。流体機械を開口させた状態で回転子を組み立てる際に、チェック領域に非致命的欠陥が発見され、その長さが限界値を越えていれば、回転子の状態は「検査要」と見なされる。このときに初めて、回転子の分解と回転子構成要素の詳細な検査とが必要となる。

従って、控えめな境界条件を使用した確定的分析により回転子を分解するか否かの判断基準を導出するようにした従来の方法とは異なる。即ち、従来は、分解した回転子構成要素の検査時に回転子の内部に欠陥がないことが判明すれば、回転子は不必要に分解され、回転子構成要素が不必要に検査されたことになる。

チェック領域の欠陥が限界値を越えていなければ、回転子の分解と回転子構成要素の検査とを時間的に後へずらすことができる。この結果流体機械の使用可能度が増大し、チェックコストを低減できる。

更に、脆弱部を画成すべく、非致命的欠陥の終端になる凹部、特に応力逃がし穴を設け得る。これにより超臨界的長さへの欠陥の成長および／又はチェック領域からの欠陥の成長を阻止できる。

有利な構成によれば、脆弱部はリング状の突出縁に形成され、流体機械の作動時に該突出縁に、周方向に指向する荷重が作用するように構成される。前記独国特許出願公開第１９９６２７３５号明細書における如く半径方向に作用する荷重の代わりに、周方向に作用する荷重により、チェック領域と監視領域の荷重の比較可能性に関し平均以上の改善を達成できる。また、公知のシートメタルストライプを設けないので、剥がれたシートメタルストライプにより流体機械内部に発生する損傷も回避できる。

１つの構成によれば、回転子は、複数個の回転子円板と、該回転子円板を締め付け固定させている少なくとも１つのタイロッドとを有している。複数個の回転子円板のうち少なくとも１つの回転子円板がチェック時にチェック領域に致命的な欠陥を持っていれば、回転子を分解して少なくとも該当する構成要素を欠陥に関し検査する必要がある。

本発明は溶接した回転子又は一体の回転子に適用できる利点を持つ。と言うのは、溶接した回転子又は一体の回転子の場合分解は不可能であるが、場合により回転子の機能不能を生じ得る内部の致命的欠陥に関し回転子の状態を特定できるからである。

少なくとも複数個の回転子円板の１つに脆弱部を設けるとよい。特に有利なのは、各回転子円板が１つの脆弱部を持つ構成である。回転子の取り出しと回転子円板の検査とが必要であるとの判定を演算的に下す最初の検査間隔はチェック領域の一部をカバーする。他の各検査間隔のため、それ迄の作動態様の故に亀裂が成長する、他の脆弱部と付属の凹部とを持つ他のチェック領域を設けてもよい。かくして付属の脆弱部に全ての集中応力が作用し、チェック領域の検査の際に回転子全体に対し帰納的な推定を行える。

これと代替的に、脆弱部がその付属の荷重逃がし穴により検査間隔全てをカバーするようにチェック領域を構成してもよい。従って、回転子の状態を特定するには、各チェック毎に実際の亀裂長さを検出し、それぞれのチェックに割り当てられる所定の許容亀裂長さと比較せねばならない。

他の有利な構成では、監視領域は回転子円板のハブに境を接している。この箇所には、流体機械の作動時により大きな応力が発生するからである。破壊力学的損傷はまずこの領域に生じるので、この領域の監視は重要である。

流体機械に係る前記課題の解決手段は、この流体機械の回転子を請求項１から７迄のいずれか１つの請求項に従って構成することを提案する。

方法に係る前記課題の解決手段は、流体機械の露出した回転子の状態を検知するため、まず、回転子のチェック領域を、非致命的欠陥があるかどうか検査し、チェック領域に欠陥がなければ状態を「検査不要」として確定し、欠陥がある場合には、監視領域に他の欠陥があると帰納的に推定し、この欠陥から回転子の状態を確定する。

なお、回転子に対し述べた利点は、流体機械および方法にも対応する。

次に、本発明を図面を用いて説明する。

ガスタービンとその作動態様は周知である。図６はガスタービン１と、燃焼空気のための圧縮機５と、燃焼室６と、圧縮機５および例えば発電機等の作業機械をも駆動するためのタービン８とを図示する。タービン８と圧縮機５とは、タービンロータとも呼ばれる共通の回転子３上に配置され、回転子３は前記作業機械にも連結され、且つ自らの縦軸線の回りに回転可能に支持されている。燃焼室６は液状又はガス状の燃焼物質を燃焼させるためのバーナー７を備えている。

ガスタービン１は相対回転不能な下部ケーシング半部分１２を有し、該下部ケーシング半部分１２に、ガスタービン１を取り付ける際に組み立て式の回転子３が挿入される。続いて上部ケーシング半部分１３を取り付けてガスタービン１を閉鎖する。

回転子３は、互いに接する複数個の回転子円板１９を互いに締め付け固定するタイロッド１０を中央に有している。

圧縮機５とタービン８は、各々内部に、回転子３と連結される回転可能な複数個の回転羽根１６を有する。回転羽根１６はリング状の回転子円板１９に花冠状に配置され、従って複数個の回転羽根列１５を形成している。圧縮機５とタービン８とは、更に複数個の位置固定の案内羽根１４を有する。案内羽根１４も、圧縮機５又はタービン８のケーシング内壁に花冠状に固定されて案内羽根列１７を形成している。

図１は、ガスタービン１の回転子円板１９を半径方向に沿って切断した断面図である。圧縮機円板又はタービンディスクとしても形成され得るリング状の回転子円板１９の中心を回転子３の回転軸線２が通っている。回転子円板１９は、半径方向外端２１に、案内羽根１６を受容する案内羽根保持溝２３を有する。回転子円板１９の端面２５に、突出して露出する突出縁２７が存在する。突出縁２７は組み立てた回転子３の露出状態で外部から視認できるチェック領域２９を備える。このとき回転子３はガスタービン１の下部ケーシング半部分１２の中にあり、上部ケーシング半部分１３は取り外されている。

図３は、脆弱部３１を備えたチェック領域２９を示す。脆弱部３１はノッチ長さａノッチ0を持つノッチ３２として形成している。ノッチ３２は突出縁２７の軸線方向のエッジ３３に設けており、該ノッチ３２に対向するよう荷重逃がし穴３５としての凹部３４を配置している。荷重逃がし穴３５は、エッジ３３に対する間隔が後述する最大許容亀裂長さａノッチ許容長サに相当するよう、エッジ３３に対し間隔を持って配置している。

半径方向内側に、回転子円板１９のハブ３６に接する監視領域３７が配置されている。この監視領域３７には、ガスタービン１の作動時に臨界応力が発生することがある。

回転子３の機能にとり障害のないチェック領域２９に配置された脆弱部３１は、監視領域３７で想定される欠陥部４１と大きさおよび作用の点で比例的に比較できる。更にチェック領域２９に発生する応力は、監視領域３７に発生する応力と比例的に比較できる。

ガスタービン１の作動時、脆弱部３１そして欠陥部４１がある場合、該欠陥部４１に、応力および集中応力が生じ、これら各部に亀裂が成長することがある。

作動安定性の理由から、脆弱部３１は、見つかっていない欠陥部４１よりも先に亀裂４０が成長するようなサイズに選定する必要がある。

チェックの際、複数個の回転子円板１９の内、１つの回転子円板の少なくとも１つのチェック領域２９に欠陥３９として亀裂４０があり、該亀裂４０が脆弱部３１を起点として荷重逃がし穴３５迄延びていれば、監視領域３７に欠陥部４１があって、比較可能な亀裂４５が発生しており、従って回転子３又は回転子円板１９の状態は「検査要」の段階にあると前提すべきである。かかる場合には、非致命的欠陥３９を持つタービンディスク１９を回転子３を分解した上でより精密に検査する必要がある。

代替的に、複数のチェック区間に跨って亀裂の成長が可能であるような距離で荷重逃がし穴をノッチから離して配置してもよい。この場合には、１つの検査間隔に割り当てられる、「検査要」の状態を示唆する許容亀裂長さを、実際に存在する、測定した亀裂長さと常に比較しなければならない。これによれば、ガスタービンの作動に伴い、連続する２つのチェックの間に発生する亀裂の成長を検知できる。

監視領域３７における回転子円板１９の検査が欠陥４３を示さなければ、チェック領域２９の欠陥３９は障害をもたらさないので、監視領域３７には著しい欠陥部４１は存在しないものと推定できる。もしそうでなければ、欠陥４３が認められるはずである。従って観察対象である回転子円板１９を更に使用できる。

図４は、本発明で使用する始動回数と亀裂長さとの関係を示すグラフである。横軸はガスタービン１の始動回数Ｎ、縦軸は回転子円板１９の亀裂４０の亀裂長さａである。

実線で示す特性曲線５３は、控えめに算出したチェック領域２９における亀裂４０の亀裂長さａの経過と、ガスタービン１の始動回数Ｎとの関係を表わしている。ノッチ３２の長さａノッチ0をも含めた亀裂４０の最大亀裂長さａは、限界値としての最大許容亀裂長さａノッチ許容長サで与えられている。最大許容亀裂長さａノッチ許容長サであれば、回転子円板２９は、該回転子円板の状態と回転子３の状態とが「検査要」の段階にならずに作動させ得る。特性曲線５３は点５５で最大許容亀裂長さａノッチ許容長サと交わっている。これから、控えめな想定の下に算出した許容始動回数Ｎ許容₍算出₎を特定できる。

遅くとも算出した許容始動回数Ｎ許容₍算出₎に達すれば、チェックを目的としてガスタービン１を分解する。この場合、ノッチ３２を起点とする、実際の長さａ実際を持つ亀裂４０があれば、外部から視認できるチェック領域２９によりこの亀裂４０が解る。なおグラフでは、実際の長さａ実際を点６３Ｐ（Ｎ許容₍算出₎、ａ実際）として示した。他の特性曲線５７の起点としての第２の点６１は座標Ｐ（０、ａノッチ0）である。その結果、回転子円板１９の材料の破壊力学的特性に基づき、横軸区間［０、Ｎ許容₍算出₎］において特性曲線５７を特定できる。従って、一点鎖線で示した特性曲線５７は、実際の集中応力により発生した亀裂の成長を示している。次に、外挿法によって特性曲線５７の更なる経過６５を求めて、最大許容亀裂長さａノッチ(許容₎との交点５９を特定する。これにより実際に許される始動回数Ｎ許容₍実際₎を求め、この実際に許される始動回数Ｎ許容₍実際₎に従って回転子３を分解し、問題の監視領域３７に欠陥４３があるかどうかを検査する。このようにして回転子円板１９の残り寿命の比較的正確な特定を行える。

実際に許される始動回数Ｎ許容₍実際₎と算出した許容始動回数Ｎ許容₍算出₎との差Δｎは、本発明によって得られる、ガスタービン１の初期利得Ｎである。実際に許される始動回数Ｎ許容₍実際₎に到達した後に初めて回転子３を分解し、回転子円板１９と他の回転子要素とを問題の監視領域３７に欠陥４３があるかどうかを調べる。

各検査間隔に対しては、この時点迄実際の集中応力に曝される亀裂成長インジケータが所定破壊点として脆弱部３１により提供され、外部から見えない回転子円板１９の領域に欠陥４３があるかどうかを帰納的に推理することが可能になる。

脆弱部を備えた回転子円板の断面図である。 図１の回転子円板の側面図である。 図１の回転子円板の周囲部の平面図である。 本発明による始動回数と亀裂長さとの関係を示すグラフである。 従来の技術による始動回数と亀裂長さとの関係を示すグラフである。 ガスタービンの部分縦断面図である。

符号の説明

１ ガスタービン、３ 回転子、１０ タイロッド、１９ 回転子円板、２７ 突出縁、２９ チェック領域、３１ 脆弱部、３２ ノッチ、３４ 凹部、３５ 荷重逃がし穴、３６ ハブ、３７ 監視領域、３９ 欠陥、４０ 亀裂

Claims (12)

1. 内部機構の露出状態で外部から視認可能で、流体機械の作動時に比較的非臨界性の応力が発生するチェック領域（２９）と、内部機構の露出状態で外部から視認不能で、流体機械の作動時に比較的臨界性の応力が発生する監視領域（３７）を有し、
   チェック領域（２９）に配置され、ノッチ（３２）として形成されて、所定破壊点となる脆弱部（３１）を備える流体機械の回転子（３）において、
   脆弱部（３１）を形成すべく、非致命的欠陥（３９）の終端になる凹部（３４）、特に荷重逃がし穴（３５）が設けられたことを特徴とする回転子。
2. 脆弱部（３１）がリング状の突出縁に形成され、その結果流体機械の作動時に該突出縁に、周方向に指向する荷重が作用することを特徴とする請求項１記載の回転子。
3. 回転子（３）が、複数個の回転子円板（１９）と、該回転子円板（１９）を締め付け固定させた少なくとも１つのタイロッド（１０）とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の回転子。
4. 回転子（３）が一体であり、特に溶接されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の回転子。
5. 前記少なくとも１つの脆弱部（３１）が、複数個の回転子円板（１９）のうちの少なくとも１つの回転子円板（１９）の端面側に設けられたことを特徴とする請求項４記載の回転子。
6. 回転子（３）が、複数個の脆弱部（３１）を、１つの回転子円板（１９）又は複数個の回転子円板（１９）に分配されて有すること、および
   検査を格付けすべく、各検査時点迄にチェック領域に蓄積した集中応力が検査毎に比較可能な亀裂成長を生じさせるよう、複数個の脆弱部（３１）に付属する複数個の凹部（３４）の構成が異なっていることを特徴とする請求項５記載の回転子。
7. 監視領域（３７）が回転子円板（１９）のハブ（３６）に接していることを特徴とする請求項６記載の回転子。
8. 回転子（３）を備えた流体機械において、
   回転子（３）が請求項１から７の１つに従って構成されたことを特徴とする流体機械。
9. 流体機械が圧縮機（５）、ガスタービン（１）又は蒸気タービンとして構成されたことを特徴とする請求項８記載の流体機械。
10. 流体機械の露出した回転子（３）の状態を検知する方法であって、
    回転子（３）が、内部機構の露出状態で外部から視認可能で、流体機械の作動時に比較的非臨界性の応力が発生するチェック領域（２９）を有し、
    且つ内部機構の露出状態で外部から視認不能で、流体機械の作動時に比較的臨界性の応力が発生する監視領域（３７）を有している方法において、
    まず回転子（３）のチェック領域（２９）を、亀裂（４０）として生じた非致命的欠陥（３９）があるかどうかを検査し、非致命的欠陥（３９）があり、かつチェック領域（２９）に発生した亀裂（４０）が限界値を越えるような亀裂長さａを持っているときに、回転子の状態を「検査要」として検知することを特徴とする方法。
11. 「検査要」の状態の検知後、回転子（３）を分解することを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 請求項１から７の１つに記載の回転子を用いる、請求項１０又は１１記載の方法。

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