JP2019168274A - 損傷確率演算装置、損傷確率演算方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
以下、第1の実施形態に係る損傷確率演算装置について、図1〜図11を参照しながら説明する。
図1は、第1の実施形態に係る損傷確率演算装置の機能構成を示す図である。
図1に示す損傷確率演算装置1は、監視対象とするガスタービンGの評価対象部位gにおける損傷確率を演算する装置である。ガスタービンGは回転機械の一態様である。評価対象部位gは、ガスタービンGの高温部品等であって、運転に応じて特に保守メンテナンス、交換を必要とする部位である。評価対象部位gは、例えば、動翼、静翼などである。
強度分布算出部10は、評価対象部位gに用いられる材料Mの応力に対する強度の試験結果である強度試験データD10に基づいて、当該材料Mの応力に対する強度の平均、標準偏差及び確信度を含む強度分布Aを算出する。
応力分布算出部20は、ガスタービンGの運転データD20及び製造データD21に基づいて、評価対象部位gに入力される応力の平均、標準偏差及び確信度を含む応力分布Bを算出する。
損傷確率分布算出部30は、強度分布Aと応力分布Bとに基づいて、評価対象部位gの損傷確率の分布を示す損傷確率分布Cを算出する。
図2は、第1の実施形態に係る損傷確率演算装置の処理フローを示す図である。
また、図3から図11は、第1の実施形態に係る損傷確率演算装置の処理を詳細に説明するための図である。
図2に示す処理フローは、ある運転サイクル数/運転時間にあるガスタービンGについての損傷確率及び損傷確率分布を算出するため、損傷確率演算装置1によって実行される。
まず、損傷確率演算装置1の強度分布算出部10は、評価対象部位gの材料Mについての強度分布Aを算出する(ステップS10)。以下、図3、図4を参照しながら、強度分布算出部10によるステップS10の処理について詳しく説明する。
例えば、強度試験データD10が低サイクル疲労寿命試験の試験データであった場合、当該強度試験データD10は、図3に示すSN線図のように表される。SN線図は、材料Mに対してある応力範囲y(縦軸)が“Nf”回(横軸)入力された場合に破断に至る(寿命が尽きる)という材料Mの特性を示している。
このように、強度分布Aは、評価対象部位gにおける評価値(例えば、応力に対する強度)の平均、標準偏差、及び、確信度を示す。
図2に戻り、次に、損傷確率演算装置1の応力分布算出部20は、ガスタービンGの運転データD20及び製造データD21に基づいて、応力分布Bを算出する(ステップS20)。以下、図5〜図9を参照しながら、応力分布算出部20によるステップS20の処理について詳しく説明する。
図6は、取得した運転データD20の各々のヒストグラムである。ヒストグラムは、各運転データD20の数値範囲を横軸に示し、ガスタービン運転中における各数値範囲の発生頻度を縦軸に示している。応力分布算出部20は、図6のヒストグラムに示されるような各運転データD20の分布(平均、標準偏差、及び、確信度)を算出する。
製造データD21は、ガスタービンGの寸法公差等に関する情報群である。製造データD21は、例えば、TBC(遮熱コーティング)膜厚、冷却空気流路面積などであって、複数のガスタービン本体についての実測データである。
図7は、取得した製造データD21の各々のヒストグラムである。応力分布算出部20は、図7のヒストグラムに示されるような各製造データD21の分布(平均、標準偏差、及び、確信度)を算出する。
例えば、応力分布算出部20は、「圧縮機出口圧力」及び「排ガス温度」なる運転データD20をガスタービンGの熱特性線図に適用して「タービン入口温度」を取得する。更に、応力分布算出部20は、取得したタービン入口温度に熱落差線図を適用して、評価対象部位g(動翼、静翼)についての境界条件BCの一つであるガスパスガス温度Tgを取得する。また、例えば、応力分布算出部20は、「圧縮機出口圧力」及び「排ガス温度」なる運転データD20に熱特性線図及び熱落差線図を適用し、評価対象部位gの「入口圧力」を取得する。そして、応力分布算出部20は、評価対象部位gの「入口圧力」に、製造データD21の「TBC膜厚」、及び、乱流平板の式を適用し、評価対象部位gについての境界条件BCの一つであるガスパス熱伝達率αgを取得する。応力分布算出部20は、他の境界条件BCについても同様に、各種運転データD20、製造データD21を用いて取得する。
なお、境界条件BCの種類によっては、運転データD20、製造データD21の値そのものを当該境界条件BCとして適用可能な場合もある。この場合、応力分布算出部20は、運転データD20の値をそのまま境界条件BC(後述する応答曲面RSへの入力)としてもよい。
図2に戻り、次に、損傷確率演算装置1の損傷確率分布算出部30は、強度分布Aと応力分布Bとに基づいて、評価対象部位gの損傷確率の分布を示す損傷確率分布Cを算出する(ステップS30)。以下、図10〜図11を参照しながら、損傷確率分布算出部30によるステップS30の処理について詳しく説明する。
図11の実線に示す曲線は、運転サイクル数に対する損傷確率の推移であって、図10のノミナル分布A1、B1どうしが重なる面積に対応する。また、図11の破線に示す曲線は、図10の破線に示す分布が重なる面積に対応し、最小の損傷確率から最大の損傷確率までの範囲の推移を示す。
なお、製造データD21が新たに取得された場合には、応力分布算出部20は、上記と同様に、新たに得られた製造データD21に基づいて、式(2)、式(3)に適用する各パラメータの更新を行ってもよい。
以上のとおり、第1の実施形態に係る損傷確率演算装置1は、平均、標準偏差及び確信度を含む強度分布Aと、平均、標準偏差及び確信度を含む応力分布Bとを算出する。そして、損傷確率演算装置1は、確信度を含む強度分布Aと応力分布Bとが重なる面積から損傷確率と、当該損傷確率の不確定性の分布を示す損傷確率分布Cを算出する。
このようにすることで、損傷確率ばかりでなく、その不確定性をも把握することができるので、リスクに応じた適正な保守管理が可能となる。すなわち、部品購入費用の低減、定検間隔の適正化により、保守費用の低減が可能となる。
以上、第1の実施形態に係る損傷確率演算装置1について詳細に説明したが、損傷確率演算装置1の具体的な態様は、上述のものに限定されることはなく、要旨を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を加えることは可能である。
他の実施形態に係る損傷確率演算装置1は、既に取得済みの運転データD20、製造データD21(実績データ)の分布に基づくモンテカルロシミュレーションを行い、将来(例えば、200サイクル後など)の損傷確率分布Cを予測する機能を有してもよい。この場合、損傷確率演算装置1は、更に、実際の運転データD20よりも過酷な運転データ(例えば、排ガス温度に+20℃を加えた運転データ)を入力してもよい。このようにすることで、より安全側の寿命予測を行うことができる。
また、温度分布算出部20’は、ガスタービンGの運転データD20及び製造データD21に基づいて、評価対象部位gに入力されるメタル温度の平均、標準偏差及び確信度を含む温度分布B’を算出する。
損傷確率分布算出部30’は、強度分布A’と温度分布B’とに基づいて、評価対象部位gの損傷確率の分布を示す損傷確率分布C’を算出する。
図12は、上述の各実施形態に係る損傷確率演算装置のコンピュータの構成を示す図である。
コンピュータ99は、プロセッサ991、メインメモリ992、ストレージ993、インタフェース994を備える。
上述した第1の実施形態に係る損傷確率演算装置1は、それぞれ、コンピュータ99を備える。損傷確率演算装置1がそれぞれ具備する各機能部は、プログラムとしてストレージ993に記憶されている。プロセッサ991は、プログラムをストレージ993から読み出してメインメモリ992に展開し、当該プログラムにしたがって動作することで、図1に示す各種機能部としての機能を発揮する。ストレージ993は、一時的でない有形の媒体の一例である。一時的でない有形の媒体の他の例としては、インタフェース994を介して接続される光ディスク、磁気ディスク、光磁気ディスクおよび半導体メモリが挙げられる。
10 強度分布算出部
20 応力分布算出部
30 損傷確率分布算出部
Claims (9)
- 回転機械の評価対象部位における損傷確率を演算する損傷確率演算装置であって、
前記評価対象部位に用いられる材料の、応力に対する強度の試験データに基づいて、当該材料の強度の平均、標準偏差及び確信度を含む強度分布を算出する強度分布算出部と、
前記回転機械の運転データに基づいて、前記評価対象部位に入力される応力の平均、標準偏差及び確信度を含む応力分布を算出する応力分布算出部と、
前記強度分布と前記応力分布とに基づいて、前記評価対象部位の損傷確率の分布を示す損傷確率分布を算出する損傷確率分布算出部と、
を備える損傷確率演算装置。 - 前記強度分布算出部及び前記応力分布算出部は、前記確信度をベイズ推定により求める
請求項1に記載の損傷確率演算装置。 - 前記応力分布算出部は、
前記運転データのデータ数が増加するごとに、事前分布である前記応力分布を事後分布に更新する
請求項2に記載の損傷確率演算装置。 - 前記強度分布算出部は、
前記試験データのデータ数が増加するごとに、事前分布である前記強度分布を事後分布に更新する
請求項2又は請求項3に記載の損傷確率演算装置。 - 前記応力分布算出部は、
前記運転データ及び前記回転機械の製造データに基づいて前記応力分布を算出する
請求項1から請求項4の何れか一項に記載の損傷確率演算装置。 - 前記応力分布算出部は、
前記運転データから前記評価対象部位の解析モデルに対する境界条件を算出し、当該境界条件に対する前記応力の応答を示す応答曲面に基づいて、前記応力分布を算出する
請求項1から請求項5の何れか一項に記載の損傷確率演算装置。 - 回転機械の評価対象部位における損傷確率を予測する損傷確率演算方法であって、
前記評価対象部位に用いられる材料の強度の試験データに基づいて、当該材料の強度の平均、標準偏差及び確信度を含む強度分布を算出するステップと、
前記回転機械の運転データに基づいて、前記評価対象部位に入力される応力の平均、標準偏差及び確信度を含む応力分布を算出するステップと、
前記強度分布と前記応力分布とに基づいて、前記評価対象部位の損傷確率の分布を示す損傷確率分布を算出する損傷確率分布算出部と、
を有する損傷確率演算方法。 - 回転機械の評価対象部位における損傷確率を予測する損傷確率演算装置のコンピュータに、
前記評価対象部位に用いられる材料の強度の試験データに基づいて、当該材料の強度の平均、標準偏差及び確信度を含む強度分布を算出するステップと、
前記回転機械の運転データに基づいて、前記評価対象部位に入力される応力の平均、標準偏差及び確信度を含む応力分布を算出するステップと、
前記強度分布と前記応力分布とに基づいて、前記評価対象部位の損傷確率とその確率分布とを示す損傷確率分布を算出するステップと、
を実行させるプログラム。 - 回転機械の評価対象部位における損傷確率を演算する損傷確率演算装置であって、
前記評価対象部位に用いられる材料の、温度に対する強度の試験データに基づいて、当該材料の強度の平均、標準偏差及び確信度を含む強度分布を算出する強度分布算出部と、
前記回転機械の運転データに基づいて、前記評価対象部位に入力される温度の平均、標準偏差及び確信度を含む温度分布を算出する温度分布算出部と、
前記強度分布と前記温度分布とに基づいて、前記評価対象部位の損傷確率の分布を示す損傷確率分布を算出する損傷確率分布算出部と、
を備える損傷確率演算装置。
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