JP4801295B2

JP4801295B2 - 遮熱コーティングの温度推定方法

Info

Publication number: JP4801295B2
Application number: JP2001264982A
Authority: JP
Inventors: 智晴藤井; 高橋　　毅
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: JP2003074376A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating、以下「ＴＢＣ」と称する）の温度推定方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、例えばガスタービン高温部品のように部品表面にＴＢＣが施され、運転中における温度の実測が困難な部品の温度を推定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンのように高温で運転され、しかも回転体をもつ発電機器においては運転中の部品温度を実測することが一般に困難である。そこで従来は、試運転期間中に、静止部品に対しては熱電対、回転体に対してはテレメータや放射温度計によって温度を測定する試みが行われてきた。
【０００３】
しかし、このような測定方法は、ケーシングの改造や温度計の取り付けなどを伴うことから多大な労力を要するばかりでなく、営業運転中は安全の観点から測定できないという欠点がある。
【０００４】
このため、このような実測方法に代え、運転中の部品温度を推定する方法が採用されている。例えば動翼については、部品の材料組織中に存在するγ’相が部品の運転時間ｔや運転温度Ｔと相関を持って徐々に肥大化していく性質を利用して部品温度が推定されている。この場合、部品等を高温雰囲気下に曝露し、そのときの動翼材中のγ’相の大きさと曝露条件（曝露時間、曝露温度）との相関式を実験室的に求め、この相関式に実機部品の破壊検査から得られたγ’相の大きさと部品運転時間ｔを入力して当該部位の運転温度Ｔを推定する手法が試みられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような推定方法によると、高価な部品を破壊しなくてはならないため、部品コスト、検査コストが高額となってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、ガスタービン構成部品など表面にＴＢＣが施された高温部品の運転温度を非破壊で調べることができるＴＢＣ（遮熱コーティング）の温度推定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
ここで、本願発明者らは、高温部品の表面に耐熱目的で施されているＴＢＣは初期の施工状態においてその内部に大小の気孔をもつが高温での使用により焼結が進行し、内部の気孔が減少して熱伝導率や気孔率が経年的に変化するという性質に着目した。そして、種々の実験の結果、曝露温度が高いほど気孔率の減少割合が大きくなること、気孔率は曝露時間の増加とともに減少していく傾向があること、熱伝導率の場合と同様に、２００時間までに急激に気孔率が変化し、その後は緩やかに変化する傾向があることを知見し、また、焼結による非溶着部の減少と、加熱による結晶構造の変化が遮熱性能の経年劣化を引き起こすことも知見した。さらには、高温下に曝露された場合、どの曝露条件においても経年材（劣化材）は初期材よりも熱伝導率が大きく、曝露時間が同じ場合で比較すると曝露温度が高いほど初期材に対する熱伝導率の増加割合が大きくなっていることを知見した。また、焼結による熱伝導率の増加が起こるのは、1000℃以上であると考えられた。そして、種々の検討の結果、これらの性質から、初期状態に対する熱伝導率の変化（あるいは気孔率の変化）と運転時間ｔおよび運転温度Ｔの相関が得られることを知見するに至った。
【０００８】
本願発明はかかる知見に基づくもので、請求項１記載の遮熱コーティング（ＴＢＣ）の温度推定方法は、ガスタービン構成部品など高温部品の表面に施された遮熱コーティングの熱伝導率の経年的な変化と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関を求め、この相関に基づいて運転前および運転後の熱伝導率の測定値と運転時間ｔとから遮熱コーティングの運転温度Ｔを推定するものである。
【０００９】
この場合、熱伝導率と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関に基づき、実機部品の測定から得られた熱伝導率と運転時間ｔとから運転温度Ｔを推定することができる。したがって、本発明と、公知あるいは新規の非破壊によるＴＢＣの熱伝導率測定法（例えばフォトサーマル赤外検知法）を組み合わせることにより、今まで測定が困難であったガスタービン高温部品の運転温度を非破壊で調べられるようになり、低コストでの部品の保守管理が可能となる。
【００１０】
さらに、相関は、熱伝導率の経年的な変化とＬＭＰとの関係を示す一次式
λ／λ_{as sprayed} ＝ａ×ＬＭＰ＋ｂ
（ただしλは運転後における熱伝導率、λ_{as sprayed} は運転前における熱伝導率、ａ，ｂはＴＢＣ（遮熱コーティング）材料の焼結状況により定まる定数、ＬＭＰはラーソンミラーパラメータでＬＭＰ＝(Ｔ＋273.15)(log₁₀t＋Ｃ)、Ｔは運転温度、ｔは運転時間、Ｃは定数）で表すようにしている。これにより、熱伝導率と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関が一義的に表され、この相関式に実機部品の測定から得られた熱伝導率を入力し、併せて運転時間ｔを入力することで残りの運転温度Ｔを演算し推定することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明では、ガスタービン構成部品など高温部品の表面に施された遮熱コーティングにおける気孔率の経年的な変化と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関を求め、この相関に基づいて運転前および運転後の気孔率の測定値と運転時間ｔとから遮熱コーティングの運転温度Ｔを推定するようにしている。
【００１２】
この場合、気孔率と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関に基づき、実機部品の測定から得られた気孔率と運転時間ｔとから運転温度Ｔを推定することができる。
【００１３】
さらに、相関式は、気孔率の経年的な変化とＬＭＰとの関係を示す一次式
Ｐ／Ｐ_{as sprayed} ＝ｃ×ＬＭＰ＋ｄ
（ただしＰは運転後における気孔率、Ｐ_{as sprayed} は運転前における気孔率、ｃ，ｄはＴＢＣ（遮熱コーティング）材料の焼結状況により定まる定数、ＬＭＰはラーソンミラーパラメータでＬＭＰ＝(Ｔ＋273.15)(log₁₀t＋Ｃ)、Ｔは運転温度、ｔは運転時間、Ｃは定数）で表すようにしている。これにより、気孔率と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関が一義的に表され、この相関式に実機部品の測定から得られた気孔率を入力し、併せて運転時間ｔを入力することで残りの運転温度Ｔを演算し推定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１〜図４に本発明のＴＢＣの温度推定方法を説明するための図を示す。この温度推定方法は、ガスタービン構成部品など高温部品の表面に施されたＴＢＣにおける熱伝導率（または気孔率）の経年的な変化と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関を求め、この相関に基づいて運転前と運転後の熱伝導率（または気孔率）の測定値と運転時間ｔとからＴＢＣの運転温度Ｔを演算し推定するものである。
【００１６】
この場合、相関式は、熱伝導率（または気孔率）の変化とＬＭＰ（ラーソンミラーパラメータ）との関係を示す一次式として数式１または数式２のように表すことができる。
【数１】
λ／λ_{as sprayed}＝ａ×ＬＭＰ＋ｂ
【数２】
Ｐ／Ｐ_{as sprayed}＝ｃ×ＬＭＰ＋ｄ
ただし、ここで、λ／λ_{as sprayed}は熱伝導率の変化、Ｐ／Ｐ_{as sprayed}は気孔率の変化、ａ，ｂ，ｃ，ｄはＴＢＣ材料の焼結状況により定まる定数であり、
ＬＭＰ＝(Ｔ＋273.15)(log₁₀t＋Ｃ)
ＬＭＰ：ラーソンミラーパラメータ
Ｃ：定数（熱伝導率変化の場合は14、気孔率変化の場合は32）
である。なお、as sprayedという添字は初期材（または運転前の状態）であることを示す。また、本実施形態では熱伝導率変化（または気孔率変化）を運転後および運転前における熱伝導率（または気孔率変化）の比として表している。
【００１７】
これら一次式によれば、熱伝導率（または気孔率）と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関が直線グラフ上に一義的に表され、熱伝導率（または気孔率）と運転時間ｔとから運転温度Ｔを演算し推定することが可能となる。
【００１８】
ここで、ＬＭＰを利用した相関式は例えば以下のようにサンプルを用いて求められる。まず、実機（例えばガスタービン動翼）に施されるＴＢＣと同様の方法で、熱伝導率および気孔率を測定するためのＴＢＣ試料を作成する。そしてこのＴＢＣ試料の使用前初期材と、曝露条件（曝露時間および曝露温度）をパラメータとして電気炉等で数通りの条件で曝露された曝露材とについて、それぞれ熱伝導率と気孔率を測定し、初期材に対する曝露材の熱伝導率および気孔率の変化と曝露時間ｔおよび曝露温度Ｔとの相関式を得る。
【００１９】
ここでいう「曝露」とは、表面にＴＢＣが施されたＴＢＣ試料を炉などで高温雰囲気下に曝すことであり、ガスタービンに適用可能な適正数値を得るため、ガスタービンにおける実際の運転状況に即した曝露条件（曝露時間、曝露温度）で行われる。
【００２０】
ここで、ＴＢＣの熱伝導率の変化は焼結の進行による気孔率の変化によって引き起こされると考えられることから、ＴＢＣ内における挙動がアレニウス型の式に従うと仮定し、初期材に対する曝露材の熱伝導率の変化の速度を以下の数式３を使って表す。
【数３】

ただし、Ａ，Ｑはそれぞれ頻度因子と見掛けの活性化エネルギーであり、ともに反応条件に固有な定数である。また、Ｔは曝露温度［℃］である。
【００２１】
次に数式３を変形して
【数４】

【００２２】
ここで、初期材に対する曝露材の熱伝導率の変化の速度が１／ｔに比例することを考慮して数式４を変形すると、以下の数式５が得られる。
【数５】
Ｑ／Ｒ＝(Ｔ＋273.15)(log₁₀t＋Ｃ)
ただし、Ｃは定数である。
【００２３】
この数式５の右辺は、金属材料に対してクリープ破断強度と曝露温度、破断時間の関係を整理するために一般的に用いられているラーソンミラーパラメータと一致している。そこで、このラーソンミラーパラメータを用いてある温度（例えば950℃）における熱伝導率比を表すことにより、熱伝導率の経年的な変化と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関を一次式で表すことができる。この場合、このようにして得られた相関式に熱伝導率の測定値と運転時間ｔとを入力（代入）して演算することにより、ＴＢＣにおける運転温度Ｔを一義的に推定することができる。また、気孔率についても、熱伝導率と同様、気孔率変化と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関を一次式で表し、気孔率の測定値と運転時間ｔとを入力（代入）して演算することによりＴＢＣにおける運転温度Ｔを一義的に推定することができる。
【００２４】
本実施形態の温度推定方法によれば、ガスタービン構成部品をはじめとする高温部品の任意の部位に適用することで対象部品の局所の運転温度Ｔを求めることができるし、さらには、運転温度Ｔを複数点求めることによって部品の温度分布を求めることもできる。
【００２５】
なお、本実施形態はＴＢＣ内における挙動がアレニウス型の式に従うとの仮定の下に相関を求めるものだがこれは好適な一例に過ぎない。ここでは詳しく言及しないが、例えば焼結速度、曝露温度Ｔ、曝露時間ｔの関係がよく整理できる別の式が得られればそれらの式を使って相関式を求めることもできる。
【００２６】
【実施例】
上述の温度推定方法を実際にガスタービン燃焼器に施されたＴＢＣの運転前後の熱伝導率測定に適用した実施例を具体的数値を挙げて以下に示す。ここでは、８ｗｔ％イットリア部分安定化ジルコニア（８ｗｔ％ＹＳＺ）の溶射粉末から大気圧プラズマ溶射で作成されたＴＢＣを実機想定温度に曝露し、相関式を求め、実機燃焼器で12000時間使用されたＴＢＣの運転温度Ｔを演算により推定した。まず、上述の数式５に表されたラーソンミラーパラメータを用い、曝露温度950℃における相関式（数式６、数式７）を得た。
【数６】
λ／λ_{as sprayed}＝ 1.25×10^-4 ＬＭＰ−1.40
【数７】
Ｐ／Ｐ_{as sprayed}＝−1.89×10^-5 ＬＭＰ＋1.80
ただし、
λ：熱伝導率（950℃における値）
Ｐ：気孔率
Ｔ：曝露温度（または運転温度）
ｔ：曝露時間（または運転時間）
Ｃ：定数（熱伝導率変化の場合は14、気孔率変化の場合は32）
ＬＭＰ：ラーソンミラーパラメータ
なお、相関式（数式６、数式７）を求める段階においては曝露時間および曝露温度が代数ｔおよびＴとなり、求められた相関式を実機に適用する段階においては実機における運転時間と運転温度がｔおよびＴとなる。
【００２７】
以上のように数式が求められた結果、熱伝導率については図１、気孔率については図２に示すように、ＬＭＰと熱伝導率変化λ／λ_{as sprayed}（あるいはＬＭＰと気孔率変化Ｐ／Ｐ_{as sprayed}）の関係を一次関数として表すことができた。
【００２８】
また、初期材と曝露材で得られた熱伝導率と気孔率の相関を回帰分析等により求め、相関式を得ると数式８のようになり、図３に示すように一次関数として表すことができた。
【数８】
λ＝−0.383Ｐ＋4.42
【００２９】
続いて、これら３つの数式（数式６〜数式８）を使用し、図４に示すフローに従いガスタービンのＴＢＣの運転温度（運転中におけるＴＢＣ部分の温度）Ｔを推定した。この場合、公知または新規の非破壊での熱伝導率測定法を用いれば実際のＴＢＣを施した部品からガスタービンで運転される前（初期材）の熱伝導率λ_{as sprayed}と運転後（経年材）の熱伝導率λをステップ１、ステップ２として示すように測定することが可能だが、実際には、ＴＢＣを模擬したＴＢＣ試験片を使用して熱伝導率を測定した。ここでは熱伝導率のみ測定したが、ＴＢＣの気孔率の変化を利用して運転温度Ｔを求める場合には初期材のＴＢＣの気孔率（Ｐ_{as sprayed}）も測定しておくようにする（ステップ３）。
【００３０】
これらの測定を終えた後、第１の方法として、初期材の熱伝導率λ_{as sprayed}と経年材の熱伝導率λを数式６に代入し（ステップ４）、さらに運転時間ｔを代入して運転温度Ｔを推定した（ステップ５）。なお、気孔率の変化を利用する場合には、第２の方法として、経年材の熱伝導率λを数式８に代入して経年材の気孔率Ｐを計算し（ステップ６、ステップ７）、この経年材の気孔率Ｐ、初期材の気孔率Ｐ_{as sprayed}、運転時間ｔを数式７に代入して（ステップ８、ステップ９）運転温度Ｔを推定するようにする。また、初期材の気孔率Ｐ_{as sprayed}が測定不能な場合は、運転前後で熱伝導率変化が無い部分の熱伝導率λを数式７に代入し、得られた気孔率Ｐを初期材の気孔率Ｐと仮定することで対応可能である。
【００３１】
ここで、温度によって熱伝導率λがどのように変化するかプロットしていくと、初期材、燃焼器入口部（低温部）、燃焼器中間部（高温部）ともにほぼ直線状に並ぶことがわかった。ただし、この結果は非破壊で測定したものではなく、破壊して得られた試験片による測定結果である。第１の方法による計算結果を表１に、第２の方法による計算結果を表２に示す。運転前の気孔率Ｐは不明であるため、前述の方法（仮定する方法）により求めた。
【表１】

【表２】

【００３２】
この結果、燃焼器中間部の推定値として、第１の方法と第２の方法とでほぼ同等の値が得られた。数式６〜８の適用温度範囲としては焼結が開始する1000℃以上となることを考慮すると、特に1000℃以上の使用環境においては、本願の手法によりＴＢＣの実際の運転温度Ｔを精度よく推定することが可能であることが確認された。
【００３３】
なお、上述の実施例は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態ではフォトサーマル赤外検知法などによって実測した熱伝導率を用いるようにしたが、場合によっては、熱拡散率、低圧比熱、熱膨張率を公知の測定装置で測定し、これらから演算により求めた熱伝導率を用いてもよい。また、初期材の熱伝導率が既知の場合にはこの既知の値を用いることによって運転温度Ｔを推定することができる。また、上述の説明では、具体的な適用例としてガスタービンを挙げて説明したが、本願発明は、ガスタービン構成部品以外の高温部品にも適用可能である。
【００３４】
【比較例】
６ｗｔ％ＹＳＺ、２０ｗｔ％ＹＳＺ、８ｗｔ％ＹＳＺ（中空状粉）の３種類のＴＢＣについて、表３に示す曝露条件と熱伝導率の測定値および数式６で使用されているものと同じＣの値を用いて、各ＴＢＣの初期材に対する劣化材の熱伝導率比と曝露条件の関係を求めた。その結果を図６に示す。この図から、８ｗｔ％ＹＳＺと８ｗｔ％ＹＳＺ（中空状粉）は、ほぼ同様の傾向を示し、曝露後の遮熱性能の劣化が最も少ないことがわかった。
【表３】

このように、ラーソンミラーパラメータ型の式を用いることで、各種ＴＢＣ候補材の遮熱性能変化を比較することが可能であり、この手法は、新しいＴＢＣ候補材の選定時における判断基準として使用できるものと考えられる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載の遮熱コーティング（ＴＢＣ）の温度推定方法によると、熱伝導率の変化と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関に基づき、高温部品の運転温度Ｔを非破壊で精度よく推定することができる。これによれば、信頼性の高い温度情報が得られるのでガスタービン構成部品をはじめとする高温部品の保守管理を低コストで適切に行って健全性を維持し、ガスタービンなどの運転信頼性の向上を図ることができる。
【００３６】
また、今まで測定が困難であったガスタービン高温部品の運転温度を非破壊で調べられるようになり、低コストでの部品の保守管理が可能となる。
【００３７】
請求項１記載のＴＢＣの温度推定方法によると、さらに、特定の相関式を利用し、この式に熱伝導率と運転時間ｔとを代入することで運転温度Ｔを推定することができる。
【００３８】
また、請求項２記載のＴＢＣの温度推定方法によると、気孔率の変化と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関に基づき、高温部品の運転温度Ｔを非破壊で精度よく推定することができる。これによれば、信頼性の高い温度情報が得られるのでガスタービン構成部品をはじめとする高温部品の保守管理を低コストで適切に行って健全性を維持し、ガスタービンなどの運転信頼性の向上を図ることができる。
【００３９】
また、今まで測定が困難であったガスタービン高温部品の運転温度を非破壊で調べられるようになり、低コストでの部品の保守管理が可能となる。
【００４０】
請求項２記載のＴＢＣの温度推定方法によると、さらに、特定の相関式を利用し、この式に気孔率と運転時間ｔとを代入することで運転温度Ｔを推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱伝導率変化と曝露条件の相関例を示すグラフである。
【図２】気孔率変化と曝露条件の相関例を示すグラフである。
【図３】熱伝導率λと気孔率Ｐの相関例を示すグラフである。
【図４】ＴＢＣの運転温度推定の流れを示すフローである。
【図５】ガスタービン燃焼器のＴＢＣの熱伝導率λを測定した一結果を示すグラフである。
【図６】各ＴＢＣの遮熱性能劣化状況の比較を示すグラフである。

Claims

ガスタービン構成部品など高温部品の表面に施された遮熱コーティングにおける熱伝導率の経年的な変化と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関を前記熱伝導率の経年的な変化とＬＭＰとの関係を示す一次式（数式１）で表される相関として求め、
（数式１） λ／λ _{as sprayed} ＝ａ×ＬＭＰ＋ｂ
（ただしλは運転後における熱伝導率、λ _{as sprayed} は運転前における熱伝導率、ａ，ｂは遮熱コーティング材料の焼結状況により定まる定数、ＬＭＰはラーソンミラーパラメータでＬＭＰ＝(Ｔ＋273.15)(log ₁₀ t＋Ｃ)、Ｔは運転温度、ｔは運転時間、Ｃは定数）
この相関に基づいて運転前および運転後の前記熱伝導率の測定値と前記運転時間ｔとから前記遮熱コーティングの運転温度Ｔを推定することを特徴とする遮熱コーティングの温度推定方法。
ガスタービン構成部品など高温部品の表面に施された遮熱コーティングにおける気孔率の経年的な変化と運転時間ｔおよび運転温度Ｔとの相関を前記気孔率の経年的な変化とＬＭＰとの関係を示す一次式（数式２）で表される相関として求め、
（数式２）Ｐ／Ｐ _{as sprayed} ＝ｃ×ＬＭＰ＋ｄ
（ただしＰは運転後における気孔率、Ｐ _{as sprayed} は運転前における気孔率、ｃ，ｄは遮熱コーティング材料の焼結状況により定まる定数、ＬＭＰはラーソンミラーパラメータでＬＭＰ＝(Ｔ＋273.15)(log ₁₀ t＋Ｃ)、Ｔは運転温度、ｔは運転時間、Ｃは定数）
この相関に基づいて運転前および運転後の前記気孔率の測定値と前記運転時間ｔとから前記遮熱コーティングの運転温度Ｔを推定することを特徴とする遮熱コーティングの温度推定方法。