JP2013253599A - 運転前にタービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】タービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法およびシステムを提供する。
【解決手段】知られているクリープ特性を有する材料から加工された複数のタービンコンポーネントを製造する。複数のタービンコンポーネントのそれぞれに引張応力、遠心応力、および熱応力のうちの少なくとも１つを、測定可能な量のクリープが得られるまで加える。こうして試験されたタービンコンポーネントを、コンポーネントで使用される材料に対する知られているクリープ特性に対して比較する。定義済みの量より大きいクリープを示すコンポーネントは、複数のタービンコンポーネントから分離されて、運用から外される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に、ガスタービンエンジンに関するものであり、より具体的には、タービンエンジン内で使用される動翼に関するものである。

ガスタービンエンジン用の動翼は、使用中に、エンジン回転子の回転によって動翼にかかる遠心力によって引き起こされる実質的応力を受ける。それに加えて、ガスタービンエンジンの動翼は、広い範囲にわたる熱サイクリングを受ける。その結果、このような動翼は、少なくとも動翼の縦方向寸法にそったクリープを受け、場合によっては、他の寸法でも同様に、動翼の寸法の許容できない変化、および／または初期故障を生じる可能性がある。他のエンジンコンポーネントも、加えられた力および熱サイクリングからのクリープを受ける。既存のエンジン設計はコンポーネント内の指定された量のクリープに対応できるようになされている。問題は、特定のコンポーネントをいつ運用から外すべきかを決定することである。

クリープを完全に排除することは不可能であると現在は考えられているが、与えられたタービン動翼設計のクリープ能力（クリープが生じる速度および条件）を決定することを可能にするタービン動翼の製造および検査の方法を開発することが望ましいであろう。

米国特許第８００６５４４号明細書

一態様では、タービンコンポーネントのクリープ能力を決定する方法が提供される。この方法は、知られているクリープ特性を有する材料から加工された複数のタービンコンポーネントを用意することを含む。この方法は、複数のタービンコンポーネントのそれぞれに遠心応力、引張応力、および熱応力のうちの少なくとも１つを、測定可能な量のクリープがタービンコンポーネント内に誘発されるまで加えることをさらに含む。この方法は、複数のタービンコンポーネントのそれぞれの中に誘発されるクリープの量を測定することをさらに含む。この方法は、複数のタービンコンポーネントのそれぞれに対する蓄積速度を決定することをさらに含む。この方法は、複数のタービンコンポーネントのそれぞれの中に誘発されるクリープの測定された量および複数のタービンコンポーネントのそれぞれに対する蓄積速度のうちの１つを定義済みの公差値と比較することをさらに含む。この方法は、定義済みの公差値を超える誘発されたクリープの量を測定したタービンコンポーネントを識別することをさらに含む。この方法は、複数のタービンコンポーネントから、定義済みの公差値を超える誘発されたクリープの量を測定したとして識別されたタービンコンポーネントを分離することをさらに含む。

さらに別の態様では、タービンコンポーネントのクリープ能力を決定するためのシステムが実現される。システムは、複数のタービンコンポーネントを備える。システムは、複数のタービンコンポーネントを受け入れるように構成された試験リグと、測定装置とをさらに備える。システムは、知られているクリープ特性を有する材料から加工された複数のタービンコンポーネントを受け入れるように構成される。システムは、複数のタービンコンポーネントのそれぞれに遠心応力、引張応力、および熱応力のうちの少なくとも１つを、測定可能な量のクリープがタービンコンポーネント内に誘発されるまで加えるようにさらに構成される。システムは、複数のタービンコンポーネントのそれぞれの中に誘発されるクリープの量を測定するようにさらに構成される。システムは、複数のタービンコンポーネントのそれぞれに対する蓄積速度を決定するようにさらに構成される。システムは、複数のタービンコンポーネントのそれぞれの中に誘発されるクリープの測定された量および複数のタービンコンポーネントのそれぞれに対する蓄積速度のうちの１つを定義済みの公差値と比較するようにさらに構成される。システムは、定義済みの公差値を超える誘発されたクリープの量を測定したタービンコンポーネントを識別するようにさらに構成される。システムは、複数のタービンコンポーネントから、定義済みの公差値を超える誘発されたクリープの量を測定したとして識別されたタービンコンポーネントを分離するようにさらに構成される。

例示的なガスタービンエンジンの略図である。 例示的なガスタービン動翼の簡略化された端面図である。 ガスタービン動翼を試験するための例示的なホットスピン試験リグ（ｈｏｔ ｓｐｉｎ ｔｅｓｔ ｒｉｇ）の側面図である。 代替的動翼試験配置構成の上面略図である。 図４の代替的動翼試験配置構成の側面図である。 タービンコンポーネントにおけるクリープ能力を決定する例示的な方法を示す流れ図である。 試験配置構成とともに使用する締め付け構造物を備える例示的なコンポーネントの簡略化された図である。

本明細書で使用されているように、「軸方向」および「軸方向に」という言い回しは、ガスタービンエンジンの縦軸に実質的に平行に延在する方向および向きを指す。さらに、「半径方向」および「半径方向に」という言い回しは、ガスタービンエンジンの縦軸に実質的に垂直に延在する方向および向きを指す。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の略図である。エンジン１００は、圧縮機アセンブリ１０２と燃焼器アセンブリ１０４とを備える。エンジン１００は、タービン１０８と共通圧縮機／タービンシャフト１１０（ときには回転子１１０とも称される）も備える。

動作時に、空気は、圧縮空気が燃焼器アセンブリ１０４に供給されるように圧縮機アセンブリ１０２内を貫流する。燃料は、流路を辿って、燃料が空気と混合され点火される燃焼器アセンブリ１０４内に画成される燃焼領域および／または燃焼帯（図示せず）に導かれる。発生した燃焼ガスは、流路を辿ってタービン１０８に導かれ、そこで、ガス流の熱エネルギーが力学的回転エネルギーに変換される。タービン１０８は、シャフト１１０に回転可能に結合される。本明細書で使用されているような「流体」という用語は、限定はしないが、ガスと空気とを含む、流れる媒体もしくは材料を含む用語であることも理解されるであろう。

図２は、典型的なガスタービン動翼１２０の簡略化された軸方向図である。動翼１２０は、動翼１２０をタービン回転子（図示せず）に接続するために、エーロフォイル部分１２２、翼根部１２４、シャンク１２６、および蟻継ぎ１２８を備える。蟻継ぎ１２８は、軸方向から入るタイプの蟻継ぎ構造物を有するものとして例示されているが、本開示は、接線方向から入るタイプの蟻継ぎ構造物、またはエンジン回転子に取り付けるための他の機構を有する動翼に等しく適用可能であることは理解されるであろう。

図３は、タービン動翼のホットスピン試験リグ１３０の一部を示す略図である。例示的な一実施形態では、タービン動翼１２０がスピン試験リグ１３０内に配置され、制御された温度条件の下でスピン応力試験を行う。スピンリグ１３０は、バランスをとるため複数の固定された、または取り外し可能なダミー動翼１３４を備える、円盤１３２を具備する。いくつかのスロットが開き、その中に動翼１２０が挿入され、スピン試験を行った後に取り外される。ホットスピン試験リグ１３０は、ダミー動翼１３４または試験動翼１２０の１つが故障した場合に備えてシールドとして頂板１３６および底板１３８も備える。円盤１３２は、ドライブシャフト１４０によって駆動される。ダミー動翼１３４と動翼１２０の先端部を囲むように、１つまたは複数の加熱素子１４２が位置決めされる。

動翼１２０の加熱は、放射加熱、誘導加熱、または伝導加熱などの好適な手段によって、または対流加熱などの、試験室全体を著しく加熱することによって達成されうる。

図６は、タービンコンポーネントにおけるクリープ能力を決定する例示的な方法２００を示す流れ図である。例示的な実施形態では、試験リグ１３０内での装着および試験が可能なように複数の動翼１２０を十分な完成状態に製造する（２０２）。あるいは、図７に関して本明細書で説明されているように、締め付け構造物３０２、３０４を使用して、それぞれの動翼を試験リグ１３０に装着することができる。それぞれの動翼１２０は、試験前に、知られている寸法を有する。それぞれの動翼１２０は、動翼１２０を試験リグ１３０に付けられるようにする蟻継ぎ１２８または他の永久的なもしくは非永久的な特徴を備える。動翼１２０は、試験リグ１３０内に装着される（２０４）。他の動翼１２０が試験リグ１３０内に装着されると、例えばそれぞれの動翼１２０の縦軸Ｌ（図２に示されている）に関する、１つまたは複数の方向で測定可能なクリープまたは伸びを動翼１２０が得るまで十分な時間の間遠心応力および熱負荷が動翼１２０に加えられる。

得られたクリープの測定２０８は、例えば、適切に構成された計装１２９に接続された適切に配置されたひずみゲージ１２３を含む、任意の好適な測定機器１２７を使用して行われる。測定機器１２７は、試験実行時にリアルタイムで、得られたクリープを測定するように構成されうるか、または必要に応じて、試験中に定期的に、および／または試験後に接続することができる。別の例示的な実施形態では、得られたクリープの測定２０８は、試験リグ１３０から動翼１２０を取り外し、動翼１２０に試験を実行することによって、例えば、座標測定機によって、タッチプローブを使用して、行われ、これにより、試験された動翼を物理的に測定し、試験後測定結果を知られている試験前測定結果と比較する。次いで、推定される今後のクリープ速度またはクリープ能力（「蓄積速度」とも称する）を、得られたクリープの量および回転数、スピン試験リグの回転速度、使用される温度、熱サイクルの数などに基づき、クリープを計算するための知られている方法を使用して、計算する。

次いで、測定した得られたクリープおよび／または対応する計算された蓄積速度と動翼の製造に使われる材料の知られているクリープ速度との相関を求める。それぞれの動翼、または他のコンポーネントタイプ、および材料について、試験後の測定されたクリープおよび計算された蓄積速度に対する公差値が確定する。クリープ公差値は、その動翼を運用することができる、動翼が試験中に得ることが許されるクリープの最大値となる。蓄積速度公差値は、動翼１２０が持つことが許され、そのまま運用できる、試験中に得られたクリープの量に基づき計算される、対応する蓄積速度である。クリープ公差値および蓄積速度公差値は、タービン動翼または他のタービンコンポーネントに対する定義済みの所望の耐用年数（およびその耐用年数の期間中に許容されるクリープの最大量）に対応する。したがって、コンポーネントが、定義済みの耐用年数および許容されるクリープの最大量に対応する運用状態に置かれたときに、コンポーネントは、運用から外される。

試験後の測定されたクリープの量が大きければ大きいほど、蓄積速度は大きく、コンポーネントが意外に早く故障する確率も高くなる。このような「高速クリーピング」する動翼は、故障に近づくか、または運用に使用するのに許容できないとみなされるクリープの定義済みの量に近づく。

したがって、リグ１３０での試験を受けるそれぞれの動翼１２０は、測定可能な量のクリープを有することになる。それぞれの動翼１２０の製造に使われる材料のクリープ速度がわかれば、それぞれの動翼において利用可能なクリープの推定される残りの量が計算される（２０８）。前述のクリープおよび蓄積公差値を超える、得られたクリープの測定された量および対応する計算された蓄積速度を有する動翼１２０は、製造ロットから分離される。残りの動翼１２０は組み立てられ（２１０）、運用される母集団に入れられる。次いで、その母集団からの動翼１２０のそれぞれは、所定の使用時間の後、運用から外され、したがって、それぞれの動翼１２０は、安全で有用な耐用年数に達するか、またが過ぎる前に撤去される。分離された動翼１２０または他のコンポーネントは、「寿命短縮」コンポーネントとして販売するか、または他の何らかの形で流通させることができるか、または破壊するか、または他の何らかの方法で適切に処分することができる。

動翼１２０が、寿命を全うしたコンポーネント、または短縮寿命コンポーネントの母集団に入れられるかどうかに関係なく、それぞれの動翼は所定の推定される平均耐用年数を有する。このような動翼は、一定期間運用され、適当な誤差の範囲内で、各耐用年数が尽きたときに、または尽きる前に取り外すことができる。

例示的な代替的実施形態では、動翼１２０は、図３のスピン試験リグ１３０実施形態に関してすでに説明されている方法と同様の方法で、直接引張および／または熱応力を印加して試験される。図４は、代替的試験リグ１４６の略図であり、図５は、同じ代替的試験リグ１４６の側面図である。例示的な代替的実施形態では、動翼１２０は、その先端部に第２の蟻継ぎ継手１４４を備える（図２に破線で示されている）。第２の対向する蟻継ぎ継手１４４があることによって、動翼１２０を静止している引張試験リグ１４８の対向する装着ブラケット１４６に嵌合することができる。加熱素子１５０を備えることで、望み通りに動翼１２０を熱サイクルに通すことができる。試験リグ１４８内に嵌合した後、少ないが測定可能な量のクリープがそれぞれの動翼１２０内に誘発されるまで動翼１２０に引張および熱応力負荷を加える。

次いで、図３の例示的な実施形態に関して上で説明されているように、引張試験リグ１４８の試験を受けた動翼１２０を測定し、それぞれの動翼内に誘発されたクリープの測定された量が許容可能な、または許容可能でないクリープ能力に対応するかどうかに応じて分離する。上で説明されているように、許容可能でないクリープ能力を有すると判明した動翼１２０は、分離され、運用されない。

別の例示的な実施形態では、タービンコンポーネントは、試験リグ内に装着しやすいように、永久的な装着構造物（蟻継ぎなど）を組み込んでいないか、またはこれらのコンポーネント内に一時的装着構造物を組み込むためのキャパシティを有していないものとしてよい。このようなコンポーネントは、試験される部分の適切な位置に解放可能に付けられた適切に構成された締め付け構造物を使用することで本明細書で説明されている方法およびシステムにより試験されうる。図７は、試験配置構成とともに使用する締め付け構造物３０２、３０４を備える例示的なコンポーネント３００の簡略化された図である。締め付け構造物３０２、３０４は、次いで、スピンまたは引張試験機器（図７に示されていない）に永久的に、または取り外し可能に付けることができる。

図３および４の実施形態は、そのクリープ能力を決定するためにタービン動翼を試験するという背景の下で説明されているが、燃焼コンポーネント、静的高温ガス経路ハードウェア、および他のクリープ制限ハードウェアなどの他のタービンコンポーネントも、クリープ能力について同様に試験されうる。

本明細書で説明されている発明は、タービンコンポーネントを製造し、運用する知られている方法に勝るいくつかの利点をもたらす。例えば、１つの利点は、コンポーネントの予測される耐用年数をより正確に、より詳しく知って、動翼または他のコンポーネントを運用するという点である。上で説明されているように、それぞれの生産動翼のクリープ能力が決定された後、加速クリープ能力を有していると判定された動翼は、試験済みの動翼のバッチから選び取られ、運用から外される。この方法を使用すると、潜在的に、例えば、動翼の材料の微細構造を変える熱処理など、動翼の座標測定機（「ＣＭＭ」）または定期的処理を使用することにより、運用中の動翼の定期的測定などの他の種類のクリープ管理の必要性をなくすか、または減じることができる。

タービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法およびシステムの例示的な実施形態は、上で詳細に説明されている。方法およびシステムは、本明細書で説明されている特定の実施形態に限定されず、むしろ、システムのコンポーネントおよび／または方法のステップを、本明細書で説明されている他のコンポーネントおよび／またはステップと独立して、また別に使用することができる。例えば、この方法は、他のタービンコンポーネント生産および品質管理システムおよび方法と組み合わせて使用することもでき、本明細書で説明されているようなタービン動翼のみを使って実施することに限定されることはない。むしろ、例示的な実施形態は、他の多くのタービン用途に関連して実装し、利用することができる。

本発明のさまざまな実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面に示されているが、他の図面には示されていないということもありうるが、便宜上のことにすぎない。本発明の原理により、図面の任意の特徴は、他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照され、および／または請求されうる。

本明細書では、いくつかの例を使用して、最良の態様を含む発明を開示し、これにより、当業者は、デバイスまたはシステムを製作し、使用すること、および組み込まれている方法を実行することも含めて本発明を実施することができる。本発明の特許可能な範囲は、請求項によって定められ、当業者であれば思い付く他の例を含むものとしてよい。このような他の例は、これらの例が請求項の文言と異ならない構造要素を有している場合、またはこれらの例が請求項の文言との違いがわずかである同等の構造要素を含む場合に、請求項の範囲内にあることが意図される。

本発明は、さまざまな特定の実施形態に関して説明されているが、当業者であれば、請求項の精神および範囲内で修正とともに実施できることを理解するであろう。

１００ エンジン
１０２ 圧縮機アセンブリ
１０４ 燃焼器アセンブリ
１０８ タービン
１１０ 圧縮機／タービンシャフト
１２０ 動翼
１２２ エーロフォイル部分
１２３ ひずみゲージ
１２４ 翼根部
１２６ シャンク
１２８ 測定機器
１２８ 蟻継ぎ
１２９ 計装
１３０ 試験リグ
１３２ 円盤
１３４ ダミー動翼
１３６ 頂板
１３８ 底板
１４０ ドライブシャフト
１４２ 加熱素子
１４４ 蟻継ぎ継手
１４６ 代替的試験リグ
１４８ 静止している引張試験リグ
１５０ 加熱素子
２００ 方法
２０２ 動翼を製造する
２０４ 動翼を試験装置内に装着する
２０６ 応力および／または熱条件を印加してクリープを誘発する
２０８ クリープを測定し、個別の動翼を評価する
２１０ 推定されるクリープ能力に応じて動翼母集団を組み立て、運用を開始する
３００ 例示的コンポーネント
３０２ 締め付け構造物
３０４ 締め付け構造物

Claims (10)

1. タービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法であって、
   知られているクリープ特性を有する材料から加工された複数のタービンコンポーネントを用意することと、
   前記複数のタービンコンポーネントのそれぞれに遠心応力、引張応力、および熱応力のうちの少なくとも１つを、測定可能な量のクリープが前記タービンコンポーネント内に誘発されるまで加えることと、
   前記複数のタービンコンポーネントのそれぞれの中に誘発されるクリープの量を測定することと、
   前記複数のタービンコンポーネントのそれぞれに対する蓄積速度を決定することと、
   前記複数のタービンコンポーネントのそれぞれの中に誘発されるクリープの測定された量および前記複数のタービンコンポーネントのそれぞれに対する蓄積速度のうちの１つを定義済みの公差値と比較することと、
   前記定義済みの公差値を超える誘発されたクリープの量を測定したタービンコンポーネントを識別することと、
   前記複数のタービンコンポーネントから、前記定義済みの公差値を超える誘発されたクリープの量を測定したとして識別されたタービンコンポーネントを分離することと、
   を含む、タービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法。
2. 前記定義済みの公差値を超える誘発されたクリープの量を測定したとして識別されていない前記複数のタービンコンポーネントのうちの残りのコンポーネントの運用を開始することを含む、請求項１に記載のタービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法。
3. 前記タービンコンポーネントは、タービン動翼である請求項１に記載のタービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法。
4. 前記複数のタービンコンポーネントのそれぞれに遠心応力、引張応力、および熱応力のうちの少なくとも１つを、測定可能な量のクリープが前記タービンコンポーネント内に誘発されるまで加えることは、
   前記タービンコンポーネントをスピン試験リグに入れて、前記タービンコンポーネントに遠心応力を加えることと、
   前記タービンコンポーネントを直接引張負荷試験リグに入れて、前記タービンコンポーネントに引張応力を加えることと、
   のうちの１つを含む、
   請求項１記載のタービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法。
5. 前記複数のタービンコンポーネントのそれぞれに遠心応力、引張応力、および熱応力のうちの少なくとも１つを、測定可能な量のクリープが前記タービンコンポーネント内に誘発されるまで加えることは、前記タービンコンポーネントを熱サイクリングにかけることを含む、請求項４に記載のタービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法。
6. 前記複数のタービンコンポーネントのそれぞれに遠心応力、引張応力、および熱応力のうちの少なくとも１つを、測定可能な量のクリープが前記タービンコンポーネント内に誘発されるまで加えることは、放射加熱、誘導加熱、伝導加熱、対流加熱のうちの１つを使用して、前記タービンコンポーネントを加熱することを含む、請求項１に記載のタービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法。
7. 前記タービンコンポーネントを熱サイクリングにかけることは、放射加熱、誘導加熱、伝導加熱、対流加熱のうちの１つを使用して、前記タービンコンポーネントを加熱することを含む、請求項５に記載のタービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法。
8. 前記タービンコンポーネントを引張試験リグ上に置きやすくするために、前記タービンコンポーネントの対向する端部上に装着構造物を設けることをさらに含む、請求項１に記載のタービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法。
9. 前記タービンコンポーネントに応力を加えるための試験リグを用意することと、
   前記試験リグと連携し、前記試験リグ内に前記タービンコンポーネントを解放可能に保持するように構成された締め付け構造物を用意することと、
   をさらに含む、請求項１に記載のタービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法。
10. 運用開始される前記タービンコンポーネントに対する予測される平均耐用年数を確定することと、
    前記タービンコンポーネントが前記すでに確定されている予測される平均耐用年数の条件を満たしているかどうかを判定することと、
    前記定義済みの公差値を下げて、前記タービンコンポーネントが前記すでに確定されている予測される平均耐用年数の条件を満たしていないと判定された場合に、運用資格から外されるタービンコンポーネントの数を増やすことと、
    をさらに含む、請求項２に記載のタービンコンポーネントのクリープ能力を決定するための方法。