JPH10176546A - ガスタービン高温部品の長寿命化方法およびその装置 - Google Patents

ガスタービン高温部品の長寿命化方法およびその装置

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JPH10176546A
JPH10176546A JP8335320A JP33532096A JPH10176546A JP H10176546 A JPH10176546 A JP H10176546A JP 8335320 A JP8335320 A JP 8335320A JP 33532096 A JP33532096 A JP 33532096A JP H10176546 A JPH10176546 A JP H10176546A
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JP
Japan
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repair
life
damage
crack
growth
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JP8335320A
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English (en)
Inventor
Nobuhiro Isobe
展宏 磯部
Shigeo Sakurai
茂雄 桜井
Kazuhiko Kumada
和彦 熊田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ガスタービン高温部品の長寿命化を可能とする
運用方法を提供する。 【解決手段】部品の損傷に応じて行われる補修につい
て、補修とその後の寿命低下率の関係を求め、それを基
に、廃棄までの部品の寿命が最も長くなるように、部品
の補修時期を最適化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンで、
熱疲労やクリープによる損傷を受け、補修等の処置が施
される高温部品の長寿命化方法およびその装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】ガスタービン静翼はプラントの起動停止
に伴って生じる熱ひずみの繰り返しにより、使用中、部
材表面にき裂が発生することがある。そのため、それら
損傷の成長による機能の低下や、さらには事故や故障に
よりプラントを長時間停止することのないように、適当
な間隔で定期検査を行っている。この定期検査の際に、
各部品がどの程度の損傷を受けているかが調査され、次
回の検査までにその部品が寿命に達すると判断されれ
ば、補修などの処置がとられる。そこで部品の余寿命を
推定する手法については、かなり多くの手法が提案され
ている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、損傷
の成長を予測する手法は数多く提案されているが、各部
品の長寿命化につながるものは少ない。ここで損傷が問
題となる高温部品は、ガスタービン全体のコストの数十
%を占めるため、その長寿命化が達成されれば、運用コ
ストの低減に大きく役立つことになる。
【0004】
【課題を解決するための手段】本開発手法は、補修を行
う時期を最適化し、部品の長寿命化を図ろうというもの
である。補修後の部品の寿命は、未使用時の寿命よりも
いくらか低下する。その低下の割合は、施された補修の
量に依存すると考えられる。そこで、補修量と補修後の
寿命の関係を、実機データや実験により予め求めてお
き、それを基に部品の廃棄までの寿命が最も長くなるよ
うな補修時期を求めることで、上記目的を達成しようと
いうものである。
【0005】
【発明の実施の形態】図1に本発明手法のフローを示
す。実機データや実験より得られた補修による部品の寿
命低下のデータがデータベース1に蓄えられ、そのデー
タを基に、部品の寿命が最も長くなる補修時期を求める
演算および導出された結果の確認が演算器2で行われ、
表示装置3に表示される。
【0006】以下に、初段静翼を例に本手法の実施の形
態を示す。初段静翼の主な損傷形態はき裂である。定期
検査時には発生したき裂の位置,長さなどが記録され、
必要に応じて溶接補修などが行われている。一般に補修
が施されると、補修後の寿命は補修前よりも低下する。
これは、補修で用いられる溶接材が一般的には母材より
も脆性的な挙動を示すことなどによる。また、補修量が
大きいほど寿命の低下量も大きくなると考えられる。施
される補修の量は、き裂の発生量に依存するので、補修
時におけるき裂の発生量が分かれば、補修後の寿命低下
率が推定できる。
【0007】図2は実機において、補修が施された静翼
が使用されたときの、起動停止回数とき裂長さの関係を
示したものである。第2回目の定期検査後に補修された
翼が使用されているが、その後のき裂進展が補修前に比
べて早くなっていることが分かる。このき裂進展が早く
なる理由は、上記したように補修後の材料が脆くなるた
めである。以下に寿命の低下率を推定する手法を示す。
図3はき裂進展速度da/dNと応力拡大係数範囲ΔK
あるいはJ積分範囲ΔJの関係を示したもので、両対数
グラフ上で両者の関係は直線近似されることが一般的に
知られている。すなわち、
【0008】
【数1】 da/dN=C(ΔK(orΔJ))m …(数1) の関係が両者の間に成り立つということである。ここ
で、定数C,mは材料定数であり、実験等により求めら
れる。材料が脆化し、き裂進展が早くなるということ
は、このCとmのどちらかあるいは両方が大きくなるこ
とに対応する。また、応力拡大係数ΔKは部材の応力状
態とき裂形状から、J積分範囲ΔJはそれとヤング率や
加工硬化指数などの材料定数から計算により求められる
値である。また有限要素法によりそれらの値が求められ
ることもある。構造解析により部材に作用する応力を求
め、適当な初期き裂を設定すれば、それに対する応力拡
大係数範囲ΔKやJ積分範囲ΔJが求められる。それと
(数1)からき裂進展速度da/dNが推定される。こ
のda/dNは負荷の繰り返し1回あたりのき裂進展量
と考えられるので、このようにして求めたda/dNを
初期き裂の長さに加えたものが1回目の負荷後のき裂長
さとなる。このき裂長さを初期き裂長さに置き換えて、
同様の計算を繰り返すことにより、負荷繰り返し数とき
裂長さの関係が得られる。ここで、係数C,mが大きく
なればき裂進展が速くなり、部材の寿命も短くなる。そ
こで図4のような、補修量と係数C,mの関係を実験、
あるいは実機のき裂進展データにC,mを変化させて求
めたき裂進展曲線をフィッティングすることにより求め
る。だだし、補修量はその時点のき裂発生量と関連して
いるので、ここでは、き裂発生量とC,mの関係として
表示される。このようにして求めたC,mを用いて、上
記したき裂進展計算を行い、いくつかの補修量に対応し
たき裂進展曲線を求める。そして、適当な限界き裂長さ
を与えることで、部品の寿命が決定される。このように
して図5のように、補修量すなわちき裂発生量と補修後
の寿命の関係が得られる。
【0009】部品の未使用時の寿命をNf0,i回目の補
修後の寿命をNfiとし、それぞれの期間での寿命消費率
をαi とすると、補修を含めた全寿命Nは、
【0010】
【数2】 N=α0f0+α1f1+α2f2+… …(数2) で表される。そして、Nが最大になるようにα0,α1
α2… を設定すれば、本発明の目的が達成されることに
なる。ここで、βi を各時点でのき裂長さとすると、N
fiは図5の関係からβi-1の関数として与えられる。さ
らに、βiはその時点でのCi,miが分かれば、それら
を用いて計算されるき裂進展曲線と寿命消費率αi によ
り与えられる。そしてCi,miは図4の関係からβi-1
が分かれば求められる。そこで、図4,図5の関係およ
びC,mを変化させて得られるき裂進展曲線を直線近似
あるいは多項式近似するなどして、数式化すれば、(数
2)の関係はα0,α1,α2… の関数として与えられ
る。ここでNが最大となるようにα0,α1,α2…を与
えるには、
【0011】
【数3】 ∂N/∂αi=0 …(数3) として得られる連立方程式を解けばよいことになる。た
だし、その解は極小値を与えることもあるので、解が得
られればその解が最大値になっていることを確認する必
要がある。以上では1台のガスタービンを対象として、
その長寿命化を図る手法について述べてきたが、実際に
は1つの発電所において、数台の同機種のガスタービン
が運用されていることが多くなっている。また、全てが
同じ運転モードで運用されずに、D.S.S.(Daily Sta
rt-up and Shut-down ,毎日起動停止)やW.S.S.(W
eekly Start-up and Shut-down,毎週起動停止)あるい
はベースロード対応といったように異なった運用をされ
ることが多くなっている。そして、運用モードが異なる
と、部材に加わる負荷が異なってくるため、寿命やき裂
進展挙動が異なってくる。そこで、これらの異なるガス
タービン間での部品のローテイションを考慮して、長寿
命化を図る手法について以下に示す。
【0012】対象となるガスタービンがn台あり、それ
ぞれ1軸,2軸,…,n軸と呼ぶとする。そして、1つ
の部品について、1軸−1軸−1軸…,1軸−2軸−1
軸…,1軸−2軸−3軸…といったように軸間のローテ
イションの組み合わせを全て考える。ただし、何回の補
修を対象とするかは、部品の補修性(何回補修が可能
か)を考えて入力される。そして、それらの全ての組み
合わせに対して、上記した運転スケジュールを求める方
法により、補修時期の最適化を図る。そして、同一時期
に同一の軸で使用される部品がないような組み合わせを
全て抽出し、それらの中で最も部品の長寿命化が可能に
なる組み合わせが最終結果として表示される。
【0013】さらに、運用モードを軸間でローテイショ
ンさせることが可能な場合には、それにより上記目的を
達成することも可能になる。今、A,B,Cの3つの運
転モードで運用されている複数台のガスタービンがあ
り、それぞれの運転モードで運用される台数は決まって
いるとする。そこで、各軸につきA−A−A…,A−A
−B…,A−B−B…の様に運用モードの組み合わせを
全て求める。そして、上記した手法と同様にして補修時
期の最適化を行う。ただし、最終的な結果は、同一時期
にある運転モードで運用される台数が常に同じになるこ
とを満足しなければならない。
【0014】以上の説明では、補修の工程についてはふ
れていないが、それを考慮して、以下のような手法を用
いても長寿命化が可能であると考えられる。一般的に、
高温部材に生じる損傷は、例えば静翼のき裂のように分
布して存在することが多い。そこで図6のように、分布
して存在する損傷に対して、それぞれ識別番号を付け、
図6中の補修1,2のようにそれらのいくつかについて
補修を施す場合を考える。補修した部位には例えば溶接
欠陥等が存在することが考えられるので、適当な大きさ
の初期損傷が含まれているとする。そして、それらの成
長を計算しその後の寿命を求める。ここで評価の基準と
しては、例えば図中lmax で示した最大き裂長さや、き
裂長さの総和が用いられる。このような演算をいくつか
あるいは考えられる全ての補修パターンについて行い、
その中で最も寿命が長くなるパターンを採用すれば長寿
命化が達成される。さらに、ここで補修にかかるコスト
は補修量により異なる。そのコストと部品の長寿命化に
より低減されるコストとの間である関数を定義し、それ
を個々の補修パターンに対して求めれば、コスト的に最
適となる補修工程を求めることも可能である。
【0015】この手法は、図1のようなかたちで装置化
される。すなわち、この長寿命化装置は、実験や点検時
に得られたデータを蓄え、補修量と補修後の寿命の関係
を求めるのに用いるデータベースと、そこから補修後の
損傷成長を計算し、寿命低下率を求める演算装置と、そ
の結果を表示する表示装置から構成される。このうち表
示装置については、静翼翼部を例に取ると、図7のよう
に点検で観察されたあるいは予測される損傷状態の部品
を部分分割して、使用者がその状況を把握しやすいよう
に、各部位ごとに色や数字を付けて表示される。図7で
は、斜線の間隔が狭いほど損傷が大きいことを示してい
る。なお、ここでは各部品1個ごとあるいは全体の平均
的な損傷分布などの情報が使用者の指示により表示され
る。そして、最も長寿命化が達成される点検スケジュー
ルや補修パターンが表示される。さらに、使用者が補修
を考えている部位を入力すれば、そこを補修した場合の
その後の損傷成長予測結果があわせて表示される。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、高温部品の長寿命化に
よりガスタービンの運用コストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明手法のフローチャート。
【図2】実機におけるき裂進展状況の一例の説明図。
【図3】応力拡大係数範囲あるいはJ積分範囲とき裂進
展速度の関係を示す特性図。
【図4】補修によるき裂進展特性の変化を示す特性図。
【図5】補修による寿命低下率を示す特性図。
【図6】補修パターンを変化させたときの損傷成長評価
の例を示す説明図。
【図7】損傷分布の表示例を示す説明図。
【符号の説明】
1…データベース、2…最適化演算器、3…出力装置、
4…静翼翼部。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ガスタービン高温部品の長寿命化方法にお
    いて、損傷が発生したときに行われる補修の量と補修後
    の損傷の成長速度の関係を予め求めておき、損傷成長と
    補修および補修期間中の繰り返し負荷数との関係を多項
    式化したものから、最長寿命となる補修時期を求め、運
    転スケジュールを最適化することにより、部品を長寿命
    化することを特徴とするガスタービン高温部品の長寿命
    化方法。
  2. 【請求項2】ガスタービン高温部品の長寿命化装置にお
    いて、実験あるいは点検データより、補修量と補修後の
    寿命低下率あるいは損傷の成長速度の関係を求め、それ
    をデータベース化する記憶装置と、そのデータベースを
    元に補修後の損傷の成長を予測する演算装置と、その結
    果を運転時間あるいは起動回数との関係で図示する表示
    装置からなることを特徴とするガスタービン高温部品の
    長寿命化装置。
JP8335320A 1996-12-16 1996-12-16 ガスタービン高温部品の長寿命化方法およびその装置 Pending JPH10176546A (ja)

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