JPH10293049A

JPH10293049A - ガスタービンの保守管理方法および装置

Info

Publication number: JPH10293049A
Application number: JP11360897A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yoshioka; 洋明吉岡; Daizo Saito; 大蔵斎藤; Kazunari Fujiyama; 一成藤山; Itaru Murakami; 格村上; Takahisa Kondo; 卓久近藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1997-04-16
Publication date: 1998-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスタービン部品の劣化・損傷診断を効率的に
精度よく行なってタービン余寿命を正確に精度よく予測
し、点検や補修のメンテナンスコストを軽減させ、信頼
性を向上させる。【解決手段】ガスタービン１５の定期検査等の点検毎に
実機劣化・損傷検査装置３１でガスタービン部品の劣化
・損傷状態を検査し、その劣化・損傷状態を余寿命診断
装置３２で評価し、点検時以降のガスタービン部品の劣
化・損傷状態を予測する。この予測値を次の点検時に劣
化・損傷の実測値と照合装置３４で照合し、比較する。
予測値と実測値が一致しない場合には、ガスタービンの
余寿命の評価方法あるいはデータ入力方法の補正を補正
装置３５で行ない、余寿命診断装置３３で点検時毎にガ
スタービン１５の余寿命予測が診断（更新）され、この
診断結果から判定装置３３でガスタービン１５の補修の
有無、廃却の有無が判断された上で、運転に供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンの余
寿命予測を行なって保守管理を行なうガスタービンの保
守管理方法および装置に係り、特に定期検査時等の点検
時の検査結果に基づき、実機の劣化・損傷状態を診断
し、タービン余寿命を精度よく予測するガスタービンの
保守管理方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、コンバインドサイクル発電プラン
トに用いられているガスタービンの高温部品は、運転の
極めて初期から顕著な損傷が生じている。従来の火力発
電プラントでは亀裂等の欠陥を許容しないのに対し、ガ
スタービンでは定期検査の際に検出された欠陥は補修を
行うが、ある基準以下の欠陥に対しては補修しないで用
いる損傷許容設計の考え方が導入されている。

【０００３】ガスタービンの点検・補修および部品交換
時期は、機種、運転方法、使用燃料だけでなく、大気よ
り吸引した空気を冷却気体に用いていることから、ガス
タービンプラントの立地環境によっても大きく変わって
くる。したがって、画一的な寿命予測が非常に困難であ
る。

【０００４】現在行なわれているガスタービンの保守管
理は、設計段階で決まるクリープあるいは疲労寿命と実
機の運転・立地上の環境要件により設定される寿命（設
定寿命）をベースに、同一機種、同一運転形態をとるガ
スタービンを分類し、分類された各グループの先行機の
実績を用いて設計寿命を補正し、この寿命補正に基づい
て後続機の保守管理を行なう手法が採られている。

【０００５】ガスタービンの設計寿命については、新材
の材料データベースを用いてかなり単純化したモデルの
下で計算が行なわれており、運転中の複雑な現象、例え
ば材料劣化の影響等は考慮されていない。このため、ガ
スタービンの設計寿命はかなりの安全係数をかけた設定
となっている。また、グループ分けについてもかなり大
まかな分類がなされていることから、極めて保守的な安
全サイドの保守管理を行なっているのが現状である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ガスタービンの高温部
品には、高価な超合金が用いられているにも拘らず、そ
の劣化損傷は顕著であり、寿命は極めて短かい。このた
め、高価なガスタービン部品の寿命延伸が強く望まれて
いる。

【０００７】また、ガスタービンの点検あるいは補修に
要するメンテナンスコストも増額の一途を辿っており、
タービン効率面のメリットを相殺するまでにも至ってい
る。このため、ガスタービンの点検や補習に要するメン
テナンスコストを軽減させるために、ガスタービンの保
守管理を如何にしたらよいか問題になっている。

【０００８】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、ガスタービン部品の劣化・損傷診断を効率的
に精度よく行なってタービン余寿命を正確に精度よく予
測し、点検や補修に要するメンテナンスコストを軽減さ
せ、信頼性の高いガスタービンの保守管理方法および装
置を提供することを目的とする。

【０００９】本発明の他の目的は、タービン余寿命を正
確に精度よく予測でき、ガスタービンの劣化・損傷の特
徴に基づいて補修基準を適正化して補修量を低減させ、
メンテナンスコストを低減させ、信頼性を向上させたガ
スタービンの保守管理方法および装置を提供するにあ
る。

【００１０】本発明のさらに他の目的は、タービン余寿
命を正確に精度よく予測でき、ガスタービンの劣化・損
傷の特徴に基づいて定期検査等の点検間隔を延長し、点
検回数を低減させてメンテナンスコストを低減させたガ
スタービンの保守管理方法および装置を提供するにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るガスタービ
ンの保守管理方法は、上述した課題を解決するために、
請求項１に記載したように、ガスタービンの定期検査等
の点検毎にガスタービン部品の劣化・損傷状態を検査し
て評価し、上記点検時以降のガスタービン部品の劣化・
損傷状態を予測し、その予測値を次の点検時にガスター
ビン部品の劣化・損傷の実測値と比較し、予測値と実測
値との間に差異が生じたとき、ガスタービンの余寿命評
価方法あるいはデータ入力方法の補正を行ない、ガスタ
ービンの余寿命予測を点検毎に較正する方法である。

【００１２】また、本発明に係るガスタービンの保守管
理方法は、上述した課題を解決するために、請求項２に
記載したように、ガスタービンの点検時に、ガスタービ
ン部品の対象部位の組織を破壊あるいは非破壊的に採取
して検査し、採取された組織を温度・強度・寿命の設計
基準に用いられる値に変換し、ガスタービンの余寿命を
予測し、評価する方法である。

【００１３】さらに、本発明に係るガスタービンの保守
管理方法は、上述した課題を解決するために、請求項３
に記載したように、ガスタービンの点検時に、ガスター
ビン部品の対象部位の亀裂の発生および進展情報を採取
し、この採取情報を基に亀裂進展の損傷評価マスタカー
ブを求め、この損傷評価マスタカーブを用いて点検時の
検査結果からガスタービン部品の亀裂の評価・進展予測
を行なう方法であったり；請求項４に記載したように、
ガスタービンの点検時に、ガスタービン部品の対象部位
の変形量情報を採取し、この採取情報を基に変形の損傷
評価マスタカーブを求め、この損傷評価マスタカーブを
用いて点検時の検査結果からガスタービン部品の変形の
評価・予測を行なう方法であったり；また、請求項５に
記載したように、ガスタービンの点検時に、ガスタービ
ン部品の対象部位の磨耗量情報を採取し、この採取情報
を基に磨耗の損傷評価マスタカーブを求め、その損傷評
価マスタカーブを用いて点検時の検査結果からガスター
ビン部品の磨耗の評価・予測を行なう方法である。

【００１４】さらにまた、本発明に係るガスタービンの
保守管理方法は、上述した課題を解決するために、請求
項６に記載したように、ガスタービン部品あるいは対象
部位毎にガスタービンの劣化・損傷のメカニズムを物理
モデル化し、この物理モデルに基づくシミュレーション
解析技術を用いて点検時以降のガスタービンの劣化・損
傷状態を予測する方法であったり；また、請求項７に記
載したように、物理モデルにガスタービン部品あるいは
対象部位の組織変化を用いる方法であったり；さらに、
請求項８に記載したように、物理モデルにガスタービン
部品あるいは対象部位の亀裂を用いる方法である。

【００１５】また、本発明に係るガスタービンの保守管
理装置は、上述した課題を解決するために、請求項９に
記載したように、ガスタービンの定期検査等の点検時
に、ガスタービン部品の劣化・損傷状態を検査する実機
劣化・損傷検査装置と、上記ガスタービン部品の劣化・
損傷状態からガスタービンの余寿命を予測し、診断する
余寿命診断装置と、この余寿命診断装置からの余寿命診
断信号に基づいてガスタービンの補修の有無および廃却
の有無を判定する判定装置と、上記ガスタービンの余寿
命予測値を次の点検時に検査されたガスタービンの劣化
・損傷状態の実測値と比較する照合装置と、前記予測値
が実測値と一致する場合にはそのまま、一致しない場合
には補正係数を乗算して前記余寿命診断装置に入力する
補正装置とを備え、前記余寿命診断装置でガスタービン
の余寿命予測を点検時毎に較正したものである。

【００１６】さらに、本発明に係るガスタービンの保守
管理装置は、上述した課題を解決するために、請求項１
０に記載したように、余寿命診断装置は、ガスタービン
部品あるいは対象部位の組織情報を解析する組織情報解
析装置と、上記組織情報からメタル温度、クリープ特性
および疲労特性を推定する推定装置と、この推定装置か
らのメタル温度、クリープ特性および疲労特性をデータ
解析してガスタービンの余寿命を予測し、診断する余寿
命解析装置とを備えたものである。

【００１７】さらにまた、本発明に係るガスタービンの
保守管理装置は、上述した課題を解決するために、請求
項１１に記載したように、余寿命診断装置は、ガスター
ビン部品あるいは対象部位の亀裂発生および進展情報等
の実機損傷データを収集する実機損傷データ収集装置
と、この収集装置からの実機損傷データをデータ解析す
る損傷データ解析装置と、上記実機損傷データに基づい
て損傷評価マスタカーブを作成する損傷評価マスタカー
ブ作成装置と、この損傷評価マスタカーブを用いて点検
時の実測値からガスタービンの余寿命を予測し、評価す
る余寿命解析装置とを備えたものである。

【００１８】またさらに、本発明に係るガスタービンの
保守管理装置は、上述した課題を解決するために、請求
項１２に記載したように、余寿命診断装置は、ガスター
ビン部品あるいは対象部位毎の実機劣化・損傷データを
収集する実機劣化・損傷データ収集装置と、上記実機劣
化・損傷のメカニズムをモデル化し、実機劣化損傷の物
理モデルを作成する物理モデル作成装置と、実機対象部
位の物性データを解析する物性データ解析装置と、前記
実機劣化損傷の物理モデルに基づき、実機対象部位の物
性データおよび運転環境条件を加味し、シミュレーショ
ン解析技術を用いてデータ解析を行なうシミュレーショ
ン解析装置と、上記シミュレーション解析技術によるデ
ータ解析情報を入力してガスタービンの劣化・損傷状態
を予測し、余寿命を予測評価する余寿命解析装置とを備
えたものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明に係るガスタービンの保守
管理方法および装置の実施の形態について添付図面を参
照して説明する。

【００２０】図１は本発明が適用されたコンバインドサ
イクル発電プラントに用いられる例えば１３００℃級の
ガスタービンプラントを示す縦断面図である。このガス
タービンプラント１０は基部フレーム１１上にフロント
サポート１２とリヤサポート１３により支持されたガス
タービン１５と空気圧縮機１６とを一体的に備える。ガ
スタービン１５と空気圧縮機１６との間には複数台のタ
ービン燃焼器１７が設けられる。タービン燃焼器１７は
タービンケーシング１８と圧縮機ケーシング１９との間
に固定され、タービンロータ２０の周りに複数台、例え
ば８〜１２台周方向に間隔をおいて設けられる。

【００２１】タービン燃焼器１７は、燃焼室２２を内部
に形成した燃焼器ライナ２３を備えており、燃焼器ライ
ナ２３内で空気圧縮機１６からの圧縮空気と燃料インジ
ェクションノズル２４からの燃料を混合して燃焼させ、
燃焼ガスを発生させるようになっている。燃焼器ライナ
２３の燃焼室２２内で燃焼せしめられた燃焼ガスは、ト
ランジションピース２４を経てガスタービン１５に導か
れる。燃焼ガスはトランジションピース２４からタービ
ン静翼としてのタービンノズル２５により適正な流入角
度および流速が保たれて動翼としてのタービンブレード
２６に導かれ、タービンブレード２６を回転させ、ター
ビンロータ２０を回転駆動させるようになっている。ガ
スタービン１５はタービン静翼とタービン動翼とから各
段のタービン段落が構成される。

【００２２】タービンロータ２０の回転駆動力は空気圧
縮機１６の圧縮機ロータ２７や図示しない発電機あるい
は蒸気タービンに伝達され、これらを回転駆動させるよ
うにになっている。なお、符号２８はエキゾーストディ
フューザである。

【００２３】上記ガスタービン１５は図２および図３に
示すガスタービンの保守管理装置３０によりガスタービ
ンの余寿命が予測され、保守管理される。ガスタービン
保守管理装置３０は、ガスタービン１５の運転開始後、
第１図の定期検査時等の点検時にガスタービン高温部品
（燃焼器ライナ２３、トランジションピース２４、ター
ビンノズル２５、タービンブレード２６、タービンロー
タ２０等）の劣化・損傷状態を検査する実機劣化・損傷
検査装置３１を備え、この実機劣化・損傷装置３１から
の検査データに基づいて余寿命診断装置３２でガスター
ビン１５の余寿命が診断される。余寿命診断装置３２の
診断結果は判定装置３３に送られ、この判定装置３３で
ガスタービン１５を補修するか否か、または廃却するか
否かが判断される。

【００２４】ガスタービン１５を補修する場合には、ガ
スタービン補修後に実機劣化・損傷検査装置３１でガス
タービン部品の劣化・損傷の程度が再度検査され、次の
余寿命診断装置３２でガスタービン１５の余寿命が診断
され、判定装置３３により、ガスタービン１５の運転が
可能か否か判定される。判定装置３３でガスタービン１
５の運転が可能であると判定されて初めて運転が開始さ
れる。

【００２５】ガスタービン１５の運転開始後、次回（第
２回目以降）の定期検査時等の点検時には、実機劣化・
損傷検査装置３１によりガスタービン高温部品の劣化・
損傷状態（実測値）が測定により検査され、その検査後
に照合装置３４により検査による実測値が前回の予測結
果（予測値）と照合される。

【００２６】実測値が前回の予測結果（予測値）と一致
する場合には、図３に示すように、一致データ信号が余
寿命診断装置３２に送られてガスタービン１５の余寿命
診断が行なわれ、その後、判定装置３３によりガスター
ビン１５がそのまま使用できるか否かが判定される。ガ
スタービン１５がそのまま使用できると判定された場
合、ガスタービン１５は再び運転に供される。

【００２７】実測値が前回の予測結果（予測値）と一致
しない場合にはその旨の信号が補正装置３５に入力さ
れ、この補正装置３５で補正係数が乗算され、ガスター
ビン１５の余寿命評価方法あるいはデータ入力方法の較
正が行なわれる。その後、余寿命診断装置３２によりガ
スタービン１５の余寿命診断が行なわれる。ガスタービ
ン１５の余寿命診断が行なわれた後、余寿命診断信号が
判定装置３３に送られ、ここでガスタービン１５の補修
の有無・廃却の有無が判定され、次工程に移されるよう
になっている。

【００２８】次に、ガスタービンの保守管理について説
明する。

【００２９】ガスタービン１５の運転時間ゼロにおける
余寿命予測は設計寿命であるが、この設計寿命はガスタ
ービン高温部品の材料データのばらつきや運転時に生じ
る不確定要素（立地環境、運転形態等）を加味できない
ことから、その予測値のばらつき幅は、図４で示される
ように設計寿命上限および下限曲線３５ａ，３５ｂで表
わされる範囲となり、大きい。このため、ガスタービン
１５の設計寿命では、安全係数を大きく設定する必要が
あり、かなりの安全率をもって寿命設定がなされる。

【００３０】実際には、ガスタービン１５の設計寿命
は、大きな安全係数を確保し、設計寿命下限曲線（設計
寿命曲線）３５ｂが設計裕度と交差する点をもって設計
寿命と判断しており、ガスタービン１５の実機寿命より
かなり短かく設定される。

【００３１】一方、このガスタービン１５の保守管理で
は、ガスタービン１５の運転時間ゼロでの設計寿命をそ
のまま使用せず、点検時である各定期検査毎にガスター
ビン１５の余寿命をガスタービン部品の劣化・損傷状態
に応じて評価し、再予測を行ない得るようになってい
る。例えば、ガスタービン１５の第１回目の定期検査時
の検査結果により、実測値Ａをベースとして次のサイク
ル以降のガスタービンの余寿命を診断・評価し、判断す
ることができる。

【００３２】すなわち、このガスタービン１５の保守管
理においては、第１回目の定期検査により実測値Ａから
の寿命予測（第１寿命予測上限および下限曲線３６ａ，
３６ｂ）となり、第１回の定期検査までに受けたガスタ
ービン運転時の不確定要素を考慮し、この定期検査時に
ガスタービン１５の劣化・損傷量の評価とそれ以降の寿
命予測が可能となる。点Ｂは第２回目の定期検査時にお
ける実測値を表わし、その実測値Ｂからのガスタービン
１５の寿命予測は、第２寿命予測上限および下限曲線３
７ａ，３７ｂで表わされる。

【００３３】このガスタービン１５の保守管理において
は、設計寿命に基づいてガスタービン１５の余寿命を予
測することは、ガスタービン１５の運転初期だけであ
り、ガスタービン１５の各定期検査後には、各定期検査
毎の実測値Ａ，Ｂに応じて再評価され、ガスタービン１
５の余寿命予測が順次更新される。また、このガスター
ビン１５の保守管理では、より近未来におけるガスター
ビン１５の余寿命を正確に予測することとなり、同じ予
測式を補正なく用いた場合でも、推定精度は時間軸（Ｘ
軸）が短かい分だけ向上する。

【００３４】ガスタービン１５の第１回目の定期検査に
おいて、図４に示すように、設計寿命下限曲線３５ｂに
よる予測値（推定値）Ｃと実測値Ａとの照合が照合装置
３４により行なわれ、予測値Ｃと実測値Ａの間に食い違
いがある場合は余寿命診断技術の補正装置３５により較
正されて補正係数が積算され、余寿命診断装置３２の診
断精度を順次向上させる。こうすることにより定期検査
を繰り返す毎にガスタービン余寿命診断精度が向上する
ことから設計裕度を小さくすることができ、ガスタービ
ン１５の寿命延伸にも繋る。

【００３５】なお、図４において、符号Ｄは第１回目定
期点検時の検査結果によるガスタービン１５の余寿命予
測結果を示す点である。

【００３６】図５は、本発明に係るガスタービンの保守
管理方法および装置の第２実施形態を示すブロック構成
図である。

【００３７】この実施形態に示されたガスタービンの保
守管理装置３０Ａは、ガスタービン高温部品の劣化・損
傷状態が実機劣化・損傷検査装置３１で検査され、その
検査結果に基づいて余寿命診断装置３２Ａでガスタービ
ン１５の余寿命が診断される。他の構成は図２および図
３に示すものと異ならないので、説明を省略する。

【００３８】余寿命診断装置３２Ａは、組織情報解析装
置４０が備えられており、この組織情報解析装置４０に
実機劣化・損傷検査装置３１により破壊あるいは非破壊
的に採取されたガスタービン高温部品の組織情報が取り
込まれる。この組織情報はガスタービン高温部品あるい
は対象部位の組織を温度・強度・寿命の設計基準に用い
られる値に変換された情報であり、この組織情報は組織
情報解析装置４０により解析され、解析結果が測定装置
４１に送られる。測定装置４１では、析出物の粒子径、
析出物間距離あるいは転位密度等の下部組織情報が測定
される。

【００３９】余寿命診断装置３２Ａの測定装置４１で測
定された組織情報の下部情報は続いて温度推定装置４
２、クリープ特性推定装置４３および疲労特性推定装置
４４にそれぞれ入力される。温度推定装置４２ではガス
タービン部品の組織変化からメタル温度が推定される。
また、クリープ特性推定装置４３および疲労特性推定装
置４４では、ガスタービン部品の組織（組織情報）ある
いは下部組織（下部組織情報）からガスタービン部品の
クリープ特性および疲労特性がそれぞれ推定される。ク
リープ特性はガスタービン部品の変形（ひずみ）と時間
の関係を表しており、疲労特性は、破壊に至るまでの繰
返し回数と繰返し応力の関係から材料の機械的性質（材
料の疲れ、疲れ強さ、疲れ寿命、疲れ破壊等の疲れ特
性）を知ることができる。

【００４０】ガスタービン部品のメタル温度、クリープ
特性および疲労特性は余寿命診断装置３２Ａの余寿命解
析装置４５に送られる。余寿命解析装置４５は、ガスタ
ービン部品のクリープ特性および疲労特性をメタル温度
と組み合せてデータ解析することにより、ガスタービン
１５の余寿命が予測され、その予測結果が判定装置３３
に送られる。判定装置３３では、ガスタービン１５の補
修の有無、廃却の有無が判定される。

【００４１】このガスタービン保守管理装置３０Ａの作
用は、余寿命診断装置３２Ａによるガスタービン１５の
余寿命診断を除いて、図２および図３に示すものと同様
であり、同じ方法でガスタービン１５の保守管理が行な
われる。

【００４２】一方、余寿命診断装置３２Ａは、組織情報
解析装置４０、下部組織情報測定装置４１、温度推定装
置４２、クリープ特性推定装置４３、疲労特性推定装置
４４および余寿命解析装置４５から構成され、ガスター
ビン部品の組織（組成）情報からメタル温度および材料
特性を全て推定することにより、複数の手法を用いるこ
とによる推定装置の重畳を避けることができ、ガスター
ビン１５の余寿命の推定精度の向上を図ることができ
る。

【００４３】ここで、ガスタービン部品の組織情報から
の温度推定には、図６に示すように、ある特定の優先析
出温度域を持つ析出相の領域図を用いる場合と、図７に
示すように物の凝集粗大化の速度式を用いる場合と、図
８に示すように、温度依存の変態をする析出相の形態を
用いる場合とがある。

【００４４】このうち、図６に示されるものは、ガスタ
ービン高温部品の部材がある運転温度履歴で異なる組織
を示す材料の場合に有効である。ここでは、ガスタービ
ン部品としてタービン燃焼器材料を対象とし、燃焼器材
料として広く用いられているＡｌおよびＴｉを含有する
Ｎｉ基合金 Nimonic２６３の場合を示している。板状の
析出物であるη相（Ｎｉ₃Ｔｉ）析出領域は８００℃か
ら９００℃の温度域で３０００時間以降の運転を行なっ
た場合析出してくる。

【００４５】また、Ｎｉ基合金は、９１０℃以上の温度
では析出物は認められなくなり、８００℃から７５０℃
の温度域ではη相とγ′相［Ｎｉ₃（Ａｌ，Ｔｉ）］の
析出領域が共存し、７５０℃以下ではγ′相の析出のみ
が認められる。このようにガスタービン１５の運転中に
受けた温度履歴の組織観察を行なうことによりガスター
ビン１５の余寿命を予測でき、この余寿命から判定装置
３３でガスタービン１５の補修や廃却の有無を判定する
ことができ、運転中に受けた温度履歴を予測することが
可能となる。

【００４６】図７は、ガスタービン部品としての例えば
タービン動翼や静翼の余寿命の診断に適する温度予測法
である。図７はガスタービン部品の部材からの析出物の
成長が時間の３乗に比例する体積拡散律則に従うことに
着目し、以下の成長速度式で示すことのできる析出物を
有するガスタービン部品の合金に対してガスタービンの
余寿命を予測する温度予測法である。これは、ガスター
ビンの動翼や静翼に一般的に用いられる材料について成
り立つ予測法であり、図７の例はγ′相の析出強化Ｎｉ
基合金で動翼材として用いられているＩＮ７３８ＬＣ材
について温度推定を行なった例である。

【００４７】すなわち、γ′相の析出強化Ｎｉ基合金を
タービン動翼材として用いた場合、析出物の粒径変化
は、次式で表わされる。

【００４８】

【数１】

【００４９】ガスタービン運転後の組織と運転前の組織
観察結果から各々の析出物（γ′相）の平均粒径を求め
運転時間ｔと共に式（１）に代入することにより、メタ
ル温度Ｔが求まる。

【００５０】一方、メタル温度Ｔは、単位面積当りの析
出物の析出個数でも求めることができる。上記γ′相の
場合、単位面積当りの析出個数の逆数の変化は時間に比
例することから、式（２）にて表わすことができる。

【００５１】

【数２】

【００５２】また、図８は、ガスタービン部品の部材が
拡散律速型変態理論に従う析出物である場合にガスター
ビン１５の寿命予測を行なう温度推定法である。図６で
示した Nimonic２６３の析出物であるη相の場合、式
（３）で表わされる温度依存性がある。

【００５３】

【数３】

【００５４】次に、ガスタービンの余寿命を組織情報か
ら予測する保守管理を説明する。

【００５５】ガスタービン部品にＡｌとＴｉを含有する
Ｎｉ基合金が用いられている場合、クリープ余寿命はＮ
ｉ基合金の部材からの析出物であるγ′相の粒子間距離
ｄと粒子径λの関数であるｄ／λ²と次式の関係式が成
立する。

【００５６】

【数４】

【００５７】この式（４）からガスタービン部品である
部材組織からクリープ余寿命を求めることができる。組
織のパラメータは、材料によって異なり、例えばＮｉ基
合金である HastelloyＸでは、粒界と粒内に析出した析
出物となり、合金系特有の現象を示している。

【００５８】図９は、本発明に係るガスタービンの保守
管理方法および装置の第３実施形態を示すものである。

【００５９】この実施形態に示されたガスタービンの保
守管理方法および装置の全体的な構成および作用は、図
２および図３に示されるものと実質的に異ならないの
で、同一符号を付して説明を省略する。

【００６０】図９の実施形態に示されたガスタービンの
保守管理装置３０Ｂは、余寿命診断装置３２Ｂの構成に
特徴を有する。この余寿命診断装置３２は、実機劣化・
損傷検査装置３１により採取（検査）されたガスタービ
ン高温部品あるいは対象部位の亀裂発生および進展情
報、変形量情報あるいは磨耗量情報等の実機損傷データ
を実機損傷データ収集装置４６に入力させ、収集させ
る。実機損傷データ収集装置４６に収集された亀裂・変
形あるいは磨耗の実機損傷データは続いて損傷データ解
析装置４７に入力されてデータ解析される。

【００６１】損傷データ解析装置４７による実機損傷デ
ータのデータ解析に基づき、損傷発生後の挙動から損傷
評価マスタカーブを作成装置４８にて時系列で作成す
る。損傷評価マスタカーブ作成装置４８での作成操作を
定期検査毎に繰り返し、定期検査毎に損傷評価マスタカ
ーブを構築する。定期検査毎に損傷評価マスタカーブを
構築することにより、マスタカーブを用いて点検時（定
期検査時）の検査結果（測定値）から亀裂の評価・進展
予測や変形の評価・予測、あるいは磨耗の評価・予測を
行ない、ガスタービン１５の余寿命予測を精度よく行な
い得るものである。

【００６２】図１０は、ガスタービンプラントの定期検
査毎に計測したガスタービンの第１段静翼（タービンノ
ズル）の翼と内輪側サイドウォール間に発生した表面亀
裂検査結果に基づいて、縦軸にその最大亀裂長さを、横
軸に実機の起動・停止回数をとってプロットしたもので
ある。

【００６３】図１０に表わされた表面亀裂結果をベース
に、損傷データ解析装置でデータ解析し、横軸に亀裂が
発生した起動回数をとって整理した結果を図１１に示
す。図１１からわかるように、全ての実機損傷データが
１つの曲線で表わすことができる。この曲線Ｍが損傷評
価マスタカーブとして用いられる。

【００６４】例えば、図１１において、ある定期検査時
に最大亀裂長さ（実測値）がＣ₁mm、限界亀裂長さの基
準値がＣ_crmmとすると、実機損傷マスタカーブから最大
亀裂長さＣ₁mmのときの起動回数Ｎ₁と、基準値Ｃ_crmm
のときの起動回数Ｎ_crを求め、その起動回数の差（Ｎ_cr
−Ｎ₁）をガスタービンの余寿命として求めることがで
きる。

【００６５】図１２は、本発明に係るガスタービンの保
守管理方法および装置の第４実施形態を示すものであ
る。

【００６６】この実施形態に示されたガスタービンの保
守管理方法および装置の全体的な構成および作用は、図
２および図３に示されるものと実質的に異ならないの
で、説明を省略する。このガスタービンの保守管理装置
３０Ｃは、所定の運転モードとは異なる運転を行なうガ
スタービンに適し、そのガスタービンの劣化・損傷を評
価し、ガスタービンの余寿命を予測するものである。

【００６７】ガスタービンの保守管理装置３０Ｃは、余
寿命診断装置３２Ｃの構成および機能に特徴を有する。
この余寿命診断装置３２Ｃは、図１２に示されたブロッ
ク構成を有し、実機劣化・損傷検査装置３１で検査され
たガスタービン１５の劣化・損傷データを採取する実機
劣化・損傷データ収集装置５０を備える。この実機劣化
・損傷データ収集装置５０で採取された実機劣化・損傷
データをベースに、実機劣化・損傷の物理モデルが物理
モデル作成装置５１で作成される。

【００６８】一方、ガスタービン高温部材を構成する材
料は、実機診断部材の物性解析装置５２により物性解析
され、その解析データがシミュレーション装置５３に送
られる。シミュレーション装置５３には物理モデル作成
装置５１から実機劣化・損傷の物理モデルも入力され、
この実機劣化・損傷の物理モデルと物性解析データとか
ら実機劣化・損傷の解析システムが構築される。この解
析データはシミュレーション解析装置５４に送られる。

【００６９】一方、シミュレーション解析装置５４には
環境条件設定装置５５からガスタービン実機の運転環境
条件が入力される。この環境条件が与えられて実機劣化
・損傷の解析データがシミュレーション解析装置５４に
てデータ解析され、その解析結果が余寿命解析装置５６
に入力される。この余寿命解析装置５６でガスタービン
１５の余寿命が推定され、余寿命予測・診断が行なわれ
る。ガスタービン１５の余寿命診断信号は続いて判定装
置３３に送られ、この判定装置３３てガスタービン１５
の補修の有無、廃却の有無が判定され、以下、図２およ
び図３に示されるものと同様な保守管理が繰り返され
る。

【００７０】この余寿命診断装置３２Ｃの物理モデル作
成装置５１では、例えば２種類の物理モデルが実機劣化
・損傷の物理モデルとして採用される。１つは、ガスタ
ービン高温部材の部材組織変化を拡散モデルで表示する
実機劣化・損傷物理モデルであり、他の１つは、ガスタ
ービン高温部材の亀裂発生および進展挙動を、マトリッ
クスの組織分布における亀裂特性分布に置き換えた物理
モデルである。

【００７１】このガスタービンの保守管理においても、
ガスタービンの点検時である定期検査毎の実機劣化・損
傷データをベースに実機劣化・損傷の物理モデルを構築
し、この物理モデルから次の亀裂発生や進展挙動を予測
する一方、実機劣化・損傷が顕著に表われるガスタービ
ン１５の劣化・損傷の特徴を生かし、現実の実測値と前
回の予測結果とを照合して物理モデルの修正を行なった
り、物理モデル修正が不要な場合には、入力データの入
力方法を修正し、定期検査毎にガスタービン余寿命の予
測精度を向上させ、順次精度の向上を図るものである。

【００７２】なお、本発明に係るガスタービンの保守管
理方法および装置の実施形態では、１３００℃級ガスタ
ービンの余寿命を精度よく予測する例について説明した
が、ガスタービンの構成材料、あるいはガスタービン機
器の構造が変っても、ガスタービンの高温部品の劣化・
損傷のメカニズムが変らない限り、水素燃焼タービンを
含めた種々のガスタービンに適用することができる。

【００７３】

【発明の効果】以上に述べたように本発明に係るガスタ
ービンの保守管理方法および装置においては、ガスター
ビンの点検時毎に実機劣化・損傷検査装置によりガスタ
ービン部品の劣化・損傷状態を検査し、余寿命診断装置
で評価し、点検時以降のガスタービン部品の劣化・損傷
状態を予測し、この予測値を次の点検時に検査された劣
化・損傷状態の実測値と照合装置で比較し、予測値と実
測値との間に差異が生じた場合、補正装置により余寿命
評価方法あるいはデータ入力方法の補正を行なって較正
し、ガスタービンの余寿命の予測精度を点検時毎に向上
させ、ガスタービンの余寿命を精度よく正確に予測し、
診断することができ、ガスタービンの点検や補修に要す
るメンテナンスコストを軽減させ、信頼性を向上させる
ことができる。

【００７４】また、本発明に係るガスタービンの保守管
理方法および装置においては、ガスタービンの点検毎に
ガスタービン部品あるいは対象部位の亀裂発生および進
展情報、変形量情報あるいは磨耗の損傷評価マスタカー
ブを作成し、このマスタカーブを用いて点検時の検査結
果からガスタービン部品の亀裂、変形あるいは磨耗の評
価・予測を行ない、ガスタービンの余寿命を予測、診断
するようにしたので、点検時毎にガスタービンの余寿命
予測を較正でき、タービン余寿命を正確に精度よく予測
できるので、ガスタービンの劣化・損傷の特徴に基づい
て補修基準を適正化して補修量を低減させることがで
き、メンテナンスコストを低減させ、信頼性の高いガス
タービンの保守管理を行なうことができる。

【００７５】さらに、本発明に係るガスタービンの保守
管理方法および装置においては、点検毎の実機劣化・損
傷データに基づいて実機劣化・損傷の物理モデルを構築
し、構築された物理モデルを基に次の亀裂等の進展挙動
を予測するとともに、劣化・損傷が顕著に表れるガスタ
ービンの劣化・損傷の特徴を生かし、現実の実測値と上
記予測値と照合させて物理モデルの修正（余寿命評価方
法の較正）を行なったり、物理モデルの修正がない場合
は入力データの入力方法の修正を行なうことによりガス
タービン余寿命の予測精度の向上を点検毎に行ない順次
精度の向上を図るものなので、精度のよいガスタービン
の劣化・損傷診断ができ、余寿命を精度よく予測するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガスタービンの保守管理方法およ
び装置を適用したガスタービンプラントの縦断面図。

【図２】本発明に係るガスタービンの保守管理方法およ
び装置の第１実施形態を示すシステム構成図。

【図３】本発明に係るガスタービンの保守管理方法およ
び装置の第１実施形態における保守管理のフローチャー
トを示す図。

【図４】本発明に係るガスタービンの保守管理方法およ
び装置の第１実施形態における保守管理の精度向上施策
の説明図。

【図５】本発明に係るガスタービンの保守管理方法およ
び装置の第２実施形態を示すもので、余寿命診断装置の
システム構成図。

【図６】本発明の第２実施形態の金属組織から温度を推
定する装置の一例として析出相の優先析出温度域を利用
する場合の析出領域図。

【図７】本発明の第２実施形態の金属組織から温度を推
定する装置の他の例として析出物の凝集粗大化の速度式
を利用する場合の析出速度を示す図。

【図８】本発明の第２実施形態の金属組織から温度を推
定する装置のさらに他の例として拡散変態に従う場合の
析出物の間隔の温度依存性を示した図。

【図９】本発明に係るガスタービンの保守管理方法およ
び装置の第３実施形態を示すもので、損傷解析を用いた
余寿命診断装置のシステム構成図。

【図１０】本発明の第３実施形態の損傷解析のパラメー
タの一例として、タービン静翼の翼と内輪側サイドウォ
ールの間に発生した亀裂を横軸起動回数でまとめた図。

【図１１】本発明の第３実施形態の損傷解析のパラメー
タの一例として、タービン静翼の翼と内輪側サイドウォ
ールの間に発生した亀裂を横軸亀裂発生後の起動回数で
整理したマスタカーブを表す図。

【図１２】本発明に係るガスタービンの保守管理方法お
よび装置の第４実施形態を示すもので、シミュレーショ
ンを用いた余寿命診断装置のシステム構成図。

【符号の説明】

１０ガスタービンプラント１５ガスタービン１６空気圧縮機１７タービン燃焼器１８タービンケーシング１９圧縮機ケーシング２０タービンロータ２２燃焼室２３燃焼器ライナ２４トランジションピース２５タービンノズル（タービン静翼）２６タービンブレード（タービン動翼）２７圧縮機ロータ３０ガスタービン保守管理装置３１実機劣化・損傷検査装置３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ余寿命診断装置３３判定装置３４照合装置３５補正装置４０組織情報解析装置４１測定装置４２温度推定装置４３クリープ特性推定装置４４疲労特性推定装置４５余寿命解析装置４６実機損傷データ収集装置４７損傷データ解析装置４８損傷評価カーブ作成装置４９余寿命解析装置５０実機劣化・損傷データ収集装置５１実機劣化・損傷の物理モデル作成装置５２実機診断部材の物性データ解析装置５３シミュレーション装置５４シミュレーション解析装置５５環境条件設定装置５６余寿命解析装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村上格神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者近藤卓久神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービンの定期検査等の点検毎にガ
スタービン部品の劣化・損傷状態を検査して評価し、上
記点検時以降のガスタービン部品の劣化・損傷状態を予
測し、その予測値を次の点検時にガスタービン部品の劣
化・損傷の実測値と比較し、予測値と実測値との間に差
異が生じたとき、ガスタービンの余寿命評価方法あるい
はデータ入力方法の補正を行ない、ガスタービンの余寿
命予測を点検毎に較正することを特徴とするガスタービ
ンの保守管理方法。
【請求項２】ガスタービンの点検時に、ガスタービン
部品の対象部位の組織を破壊あるいは非破壊的に採取し
て検査し、採取された組織を温度・強度・寿命の設計基
準に用いられる値に変換し、ガスタービンの余寿命を予
測し、評価する請求項１記載のガスタービンの保守管理
方法。
【請求項３】ガスタービンの点検時に、ガスタービン
部品の対象部位の亀裂の発生および進展情報を採取し、
この採取情報を基に亀裂進展の損傷評価マスタカーブを
求め、この損傷評価マスタカーブを用いて点検時の検査
結果からガスタービン部品の亀裂の評価・進展予測を行
なう請求項１記載のガスタービンの保守管理方法。
【請求項４】ガスタービンの点検時に、ガスタービン
部品の対象部位の変形量情報を採取し、この採取情報を
基に変形の損傷評価マスタカーブを求め、この損傷評価
マスタカーブを用いて点検時の検査結果からガスタービ
ン部品の変形の評価・予測を行なう請求項１記載のガス
タービンの保守管理方法。
【請求項５】ガスタービンの点検時に、ガスタービン
部品の対象部位の磨耗量情報を採取し、この採取情報を
基に磨耗の損傷評価マスタカーブを求め、その損傷評価
マスタカーブを用いて点検時の検査結果からガスタービ
ン部品の磨耗の評価・予測を行なう請求項１記載のガス
タービンの保守管理方法。
【請求項６】ガスタービン部品あるいは対象部位毎に
ガスタービンの劣化・損傷のメカニズムを物理モデル化
し、この物理モデルに基づくシミュレーション解析技術
を用いて点検時以降のガスタービンの劣化・損傷状態を
予測する請求項１記載のガスタービンの保守管理方法。
【請求項７】物理モデルにガスタービン部品あるいは
対象部位の組織変化を用いる請求項６記載のガスタービ
ンの保守管理方法。
【請求項８】物理モデルにガスタービン部品あるいは
対象部位の亀裂を用いる請求項６記載のガスタービンの
保守管理方法。
【請求項９】ガスタービンの定期検査等の点検時に、
ガスタービン部品の劣化・損傷状態を検査する実機劣化
・損傷検査装置と、上記ガスタービン部品の劣化・損傷
状態からガスタービンの余寿命を予測し、診断する余寿
命診断装置と、この余寿命診断装置からの余寿命診断信
号に基づいてガスタービンの補修の有無および廃却の有
無を判定する判定装置と、上記ガスタービンの余寿命予
測値を次の点検時に検査されたガスタービンの劣化・損
傷状態の実測値と比較する照合装置と、前記予測値が実
測値と一致する場合にはそのまま、一致しない場合には
補正係数を乗算して前記余寿命診断装置に入力する補正
装置とを備え、前記余寿命診断装置でガスタービンの余
寿命予測を点検時毎に較正したことを特徴とするガスタ
ービンの保守管理装置。
【請求項１０】余寿命診断装置は、ガスタービン部品
あるいは対象部位の組織情報を解析する組織情報解析装
置と、上記組織情報からメタル温度、クリープ特性およ
び疲労特性を推定する推定装置と、この推定装置からの
メタル温度、クリープ特性および疲労特性をデータ解析
してガスタービンの余寿命を予測し、診断する余寿命解
析装置とを備えた請求項９記載のガスタービンの保守管
理装置。
【請求項１１】余寿命診断装置は、ガスタービン部品
あるいは対象部位の亀裂発生および進展情報等の実機損
傷データを収集する実機損傷データ収集装置と、この収
集装置からの実機損傷データをデータ解析する損傷デー
タ解析装置と、上記実機損傷データに基づいて損傷評価
マスタカーブを作成する損傷評価マスタカーブ作成装置
と、この損傷評価マスタカーブを用いて点検時の実測値
からガスタービンの余寿命を予測し、評価する余寿命解
析装置とを備えた請求項９記載のガスタービンの保守管
理装置。
【請求項１２】余寿命診断装置は、ガスタービン部品
あるいは対象部位毎の実機劣化・損傷データを収集する
実機劣化・損傷データ収集装置と、上記実機劣化・損傷
のメカニズムをモデル化し、実機劣化損傷の物理モデル
を作成する物理モデル作成装置と、実機対象部位の物性
データを解析する物性データ解析装置と、前記実機劣化
損傷の物理モデルに基づき、実機対象部位の物性データ
および運転環境条件を加味し、シミュレーション解析技
術を用いてデータ解析を行なうシミュレーション解析装
置と、上記シミュレーション解析技術によるデータ解析
情報を入力してガスタービンの劣化・損傷状態を予測
し、余寿命を予測評価する余寿命解析装置とを備えた請
求項９記載のガスタービンの保守管理装置。