CN103362564A - 涡轮动叶片与涡轮转子的销结合部的加工方法及涡轮动叶片 - Google Patents

Abstract

本发明提供即使是使用高强度材料的叉销结合方式的动叶片，也具有较高强度可靠性的销结合部的加工方法与涡轮动叶片。在对由高强度材料形成的涡轮动叶片与转子盘进行销结合的销结合部的加工方法中，在销孔的铰孔加工后使铰孔棒一边旋转一边从加工孔拔出铰孔棒，通过销结合部的销孔内表面的由切削产生的筋状裂纹（15）相对于销孔轴向倾斜，并且销孔内表面的筋状裂纹的方向与在销孔内表面上产生的拉伸应力的方向充分近似于平行，抑制由筋状裂纹产生的疲劳强度下降。

Description

涡轮动叶片与涡轮转子的销结合部的加工方法及涡轮动叶片

技术领域

本发明涉及涡轮动叶片与涡轮转子的销结合部的加工方法及涡轮动叶片。

背景技术

发电用蒸汽涡轮在被称为涡轮转子的旋转轴上结合有动叶片，利用动叶片受到蒸汽的力，使涡轮转子旋转，从而产生电力。在涡轮转子旋转时，在动叶片上产生离心力，在与涡轮转子的结合部承受离心力。作为结合方式，具有叉销结合方式、鞍式结合方式、轴向进入结合方式等。其中，叉销结合方式的动叶片与涡轮转子的结合部分别为叉状，通过使两者的叉啮合，插入贯通啮合部分的结合销，从而结合两者。在涡轮转子旋转时，由于以结合销承受动叶片的离心力，因此在销孔内表面的圆周方向上产生较大的应力，疲劳损伤风险高。因此，为了降低损伤风险，需要尤其留意销孔的加工精度、表面精加工。

结合部的销孔加工在使涡轮转子与动叶片的叉啮合的状态下，在利用钻孔加工形成贯通孔后，为了将嵌合精度与表面粗糙度精加工为目标值，实施铰孔加工。作为在利用钻孔加工形成贯通孔后，实施铰孔加工的销孔加工法，例如具有专利文献1所记载的方法。

现有技术文献

专利文献1：日本特开昭60-222503号公报

非专利文献1：Walter D.Pilkey著，“Peterson，s Stress Concentration Factors”、（美国）第2版，Wiley-Interscience，1997年4月18日

在火力发电设备中，为了实现动叶片的大型化（长叶片化），存在使用高强度材料的场合。在该场合，由于材料的切口灵敏性高，因此为了较低地抑制表面凹凸而要求特别考虑表面精加工。

在利用铰孔加工的表面精加工中，当铰孔加工中的切屑附着在刀尖上时，成为结构刀尖而对表面精加工带来不良影响，因此在加工中使空气或切削油不断地流向切削部，从而从销孔排出切屑。

但是，在微细的切屑未完全排出而留在刀尖，铰孔加工后拔出铰孔棒时，有时在销孔内表面产生微小的筋状裂纹。根据本发明人员等的研究，发现对高强度材料而言，即使在铰孔加工后拔出铰孔棒时产生的微小的筋状裂纹，也存在对疲劳带来不良影响的可能性。

在以往的动叶片的销孔加工方法中，也包括专利文献1，未考虑以微细的切屑为起因的拔出铰孔棒时产生筋状裂纹。当在维持以往的动叶片的销孔加工方法的状态下将切口灵敏性高的高强度材料用于叶片材料时，无法排除以筋状裂纹为起因的不良影响。

发明内容

本发明的目的在于提供即使是使用高强度材料的叉销结合方式的动叶片，也具有高的强度可靠性的销结合部的加工方法与涡轮动叶片。

为了实现上述目的，本发明的特征在于，在对动叶片与转子盘进行销结合的销结合部的加工方法中，在销孔的铰孔加工后一边使铰孔棒旋转一边从加工孔拔出铰孔棒。

另外，本发明的涡轮动叶片的特征在于，与转子盘进行销结合的销结合部的销孔内表面的筋状裂纹相对于销孔轴向倾斜。

本发明的效果如下。

根据本发明，由于销孔内表面的筋状裂纹的方向与在销孔内表面产生的拉伸应力的方向近似平行，因此能够抑制由筋状裂纹引起的疲劳强度下降。

附图说明

图1是涡轮动叶片结合部的结构图。

图2是铰孔加工设备的概略图。

图3是铰孔棒的概略图。

图4是现有的销孔内表面的概略图。

图5是本发明的实施例的销孔内表面的概略图。

图6是表示高强度材料的应力范围与疲劳寿命的关系的图表。

图7是表示应力集中系数Kt与筋状裂纹的倾斜角θ的关系的图表。

图8是表示筋状裂纹的倾斜角θ与旋转方向的移动量和拔出方向的移动量的关系的图。

图9是显微镜的概略图。

图中：2—涡轮动叶片，3—涡轮转子，4—叶片部，5—叶片叉，6—转子盘，7—转子叉，8—销孔，9—结合销，10—涡轮旋转轴，11—切屑，12—微细的切屑，13—由切屑产生的筋状裂纹，14—筋状裂纹的底部，15—由切屑产生的筋状裂纹，16—筋状裂纹的底部，20—铰孔加工设备，21—铰孔棒，22—卡盘部，23—吹风机，27—臂，28—底座，40—显微镜，41—显示器主体，42—摄像机，43—发光体，44—橡胶轮胎。

具体实施方式

下面，使用附图说明本发明的实施方式。

图1是涡轮动叶片结合部的结构图。涡轮动叶片结合部是组合涡轮动叶片2与涡轮转子3的结构。涡轮动叶片2包括受到蒸汽流并转换为涡轮的旋转能量的叶片部4、叶片叉5。另外，涡轮转子3包括涡轮旋转轴10与设在其外周的转子盘6，在转子盘6上形成有转子叉7。

涡轮动叶片侧的叶片叉5与涡轮转子侧的转子叉7以互相交错地咬合的方式配置。另外，在叶片叉5与转子叉7上形成有在旋转轴向上贯通两者的销孔8。并且，以填埋销孔8的方式插入结合销9，从而在涡轮转子3上固定涡轮动叶片2。

在涡轮旋转时，径向（图中上方向）的离心力作用在涡轮动叶片2上，利用结合销9承受离心力，保持涡轮动叶片2的连结状态。在涡轮转子3旋转时，由于利用结合销9承受涡轮动叶片2的离心力，因此在销孔8内表面的圆周方向产生较大的拉伸应力，疲劳损伤风险高。因此，为了降低损伤风险，需要特别留意销孔8的加工精度、表面精加工。

涡轮动叶片为了与长叶片化对应而以高强度材料形成。作为高强度材料使用Ti合金。作为高强度材料，还可以使用高强度钢（抗拉强度1300MPa以上）。如上所述，高强度材料由于切口敏感性高，因此要求特别留意表面精加工。

涡轮动叶片结合部的销孔加工在使涡轮转子3与涡轮动叶片2的叉啮合的状态下，在利用钻孔加工形成贯通孔后，为了将嵌合精度与表面粗糙度精加工为目标值，实施铰孔加工。

图2是铰孔加工设备的概略图。铰孔加工设备20包括进行涡轮动叶片结合部的涡轮叉5及转子叉7的销孔精加工的铰孔棒21、将铰孔棒21固定在驱动部上的卡盘部22、内置驱动部并在旋转轴方向上进行驱动的臂27、安装有臂27的底座28、用于将在加工中附着在铰孔棒21上的切屑吹飞到外部的吹风机23。

当铰孔加工中的切屑附着在铰孔棒21的刀尖上时，由于成为结构刀尖并对表面精加工带来不良影响，因此在加工中从吹风机23不断地向切屑部喷射空气，从而将切屑11从销孔8排出。但是，如图3那样微细的切屑12未完全排出并残留在铰孔棒21的刀尖，当在铰孔加工后拔出铰孔棒21时有时在销孔内表面产生微小的筋状裂纹。

图4是在铰孔加工后不使铰孔棒21旋转地拔出时（现有例）的销孔8的内表面的放大图。与微细的切屑12的轨迹对应且与销孔轴向平行地形成由切屑产生的筋状裂纹13。在涡轮转子3旋转时，在销孔8内表面的圆周方向上产生较大的应力，由切屑产生的筋状裂纹13的底部14成为应力集中部位。因此，考虑沿筋状裂纹的底部14产生疲劳裂纹并扩大的风险。

筋状裂纹的深度a即使最大也是10μm左右。在原子力发电设备的蒸汽涡轮等中使用的涡轮叶片材料是抗拉强度小于900MPa的钢材，因此如果是这种程度的深度的筋状裂纹，则不会对疲劳强度带来不良影响。但是，在火力发电设备中，具有为了实现动叶片的大型化，将更高强度的材料作为涡轮动叶片材料使用的场合。如上所述，在本实施例中，为了与长叶片化对应，涡轮动叶片由高强度材料形成。高强度材料由于材料的切口灵敏性高，因此即使由微细的切屑12所产生的深度10μm左右的切屑引起的筋状裂纹13，也有对疲劳带来不良影响的可能性。

图5是本发明的实施例的、在规定条件下一边使铰孔棒旋转一边拔出的场合的销孔8的内表面的放大图。在该场合，微细的切屑12的轨迹为螺旋状，形成相对于销孔轴向倾斜角度θ的由切屑引起的筋状裂纹15。通过这样使筋状裂纹相对于销孔轴向倾斜，能够降低筋状裂纹的底部16的应力集中的程度即应力集中系数Kt（=筋状裂纹底部的应力／没有筋状裂纹的场合的应力）。以下详细地说明这种情况。就由筋状裂纹产生的应力增大效果而言，例如能够根据非专利文献1等简单地进行计算。

首先，参照图4对现有例的铰孔加工后在不使铰孔棒旋转地拔出时在销孔的内表面与销孔轴向平行地形成筋状裂纹的场合进行说明。由切屑产生的筋状裂纹13的应力方向的截面形状能够近似于深度a、宽度h的半椭圆形状。根据非专利文献1，该场合的应力集中系数Kt由式（1）表示。

[公式1]

$\mathrm{Kt}=1+\frac{4a}{h}---\left(1\right)$

因为由切屑产生的筋状裂纹13的深度与宽度的比a／h是0.1左右，因此为

[公式2]

Kt=1+4×0.1=1.4   （2）

相对于没有筋状裂纹的场合1.4倍左右的应力施加在由切削产生的筋状裂纹13的底部14上。

接着，参照图5对本发明的实施例的场合进行说明。由切屑产生的筋状裂纹15的应力方向的截面形状能够近似于深度a、宽度h／cosθ的半椭圆形状。如果代替（1）式的h使用使用h／cosθ，则本实施例的场合的应力集中系数Kt由式（3）表示。

[公式3]

$\mathrm{Kt}=1+\frac{4a}{h}\cos \mathrm{\θ}---\left(3\right)$

由切屑产生的筋状裂纹15的a／h也是0.1左右，在使筋状裂纹的倾斜角θ为60°的场合，为

[公式4]

Kt=1+4×0.1×0.5=1.2   （4）

根据以上，在一边使铰孔棒旋转一边拔出并使筋状裂纹的倾斜角θ为60°的场合（本实施例），相对于不使铰孔棒旋转而拔出且与销孔轴向平行地形成筋状裂纹的场合（现有例），将应力集中系数Kt从1.4降低到1.2，能将筋状裂纹底部的应力降低

图6是在涡轮叶片材料使用高强度材料的场合的、将应力范围与疲劳寿命的关系作为一个例子表示的图。当在现有例的筋状裂纹的底部14上产生的应力范围（起动-停止间的应力的变动范围）是1500MPa、疲劳寿命是5000次的时，如果能够利用本发明的实施例将应力降低14%，则具有疲劳寿命大约为3倍（15700次）的效果。

一般地，疲劳裂痕相对于应力方向在垂直方向上扩大，在现有例的场合，裂痕的扩大路径上也成为筋状裂纹的底部14，应力高，相对于此，在本实施例的场合，由于裂痕扩大，裂痕在由切屑产生的筋状裂纹15的区域外扩大，因此裂痕扩大中的裂痕前端的应力比现有例小。这也能够起到延长疲劳寿命的效果。

图7表示在式（3）中a／h=0.1的场合的、应力集中系数Kt与筋状裂纹的倾斜角θ的关系的图。当由切屑产生的筋状裂纹15的倾斜角浅时，无法得到充分的Kt的降低效果。但是，如果销结合部的销孔内表面的筋状裂纹相对于销孔轴向倾斜，则与现有相比，由于销孔内表面的筋状裂纹的方向与在销孔内表面产生的拉伸应力的方向近似平行，因此得到能够抑制由筋状裂纹引起的疲劳强度下降之类的效果。另外，所谓销结合部的销孔内表面的筋状裂纹相对于销孔轴向倾斜，从不含有制造误差等的观点来看是指至少倾斜10°左右。

在本实施例中，由于使筋状裂纹的倾斜角θ为60°，因此销孔内表面的筋状裂纹的方向与在销孔内表面产生的拉伸应力的方向充分近似于平行，因此能够有效地抑制由筋状裂纹引起的疲劳强度下降。并且，从图7可以看出，如果θ≥60°，则得到14%以上的应力降低效果。

更一般地，根据状况设定成为目标的Kt，为与目标Kt对应的θ以上。这根据式（3）由式（5）表示。

[公式5]

$\mathrm{\θ}\≥{\cos }^{-1}\left\{\frac{(\mathrm{Kt}-1)h}{4a}\right\}---\left(5\right)$

根据以上，能够根据式（5）得到对成为目标的Kt适当的筋状裂纹15的倾斜角θ。

为了满足式（5），只要适当地设定铰孔棒21的拔出条件即可。当使铰孔棒21的半径为r（mm），使拔出时的旋转速度为f（rpm），使拔出速度为v（mm／min）时，根据图8所示的筋状裂纹的倾斜角θ与在一分钟期间前进的旋转方向的移动量和拔出方向的移动量的关系，式（6）成立。

[公式6]

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}2\mathrm{\πr}\·\frac{f}{v}---\left(6\right)$

根据式（3）、（5）、（6），对抑制为目标Kt以下必要的、铰孔棒21的拔出条件以式（7）表示。

$\mathrm{Kt}\≥1+\frac{4a}{h}\sqrt{\frac{1}{1+{(2\mathrm{\πr}\·\frac{f}{v})}^2}}---\left(7\right)$

在a／h=0.1，目标Kt=1.2的场合，式（8）如下。

[公式8]

$1.21\≥1+0.4\sqrt{\frac{1}{1+{(2\mathrm{\πr}\·\frac{f}{v})}^2}}---\left(8\right)$

另外，在铰孔棒21的半径r=6mm的场合，拔出时的旋转速度f与拔出速度v只要满足式（9）即可。

[公式9]

$\frac{f}{v}\≥0.046---\left(9\right)$

根据以上，通过在满足式（7）、（8）、（9）的条件下拔出铰孔棒21，能将筋状裂纹的Kt抑制为目标以下。因此，根据本实施例，即使对以切口灵敏性高的高强度材料为叶片材料的叉销结合方式，也能得到高的强度可靠性。

另外，在利用钻头穿孔时，为了取出毛刺，例如与穿孔用的钻头不同地设置钻头，一边使钻头旋转一边拔出钻头，但在铰孔加工中，由于在其加工的性质上不会产生明显的毛刺，因此不会如钻头加工那样一边旋转一边拔出铰孔棒。

接着，对形成在销孔内表面的筋状裂纹的检查进行说明。图9是检查铰孔加工后的销孔8内部的显微镜的概略图。

在本实施例中，在铰孔棒拔出后观察销孔内表面，确认形成在销孔内表面的筋状裂纹与销孔轴向所成的角θ是预定的角度以上。

显微镜40由棒状的显示器主体1与图像处理、显示装置45构成。显示器主体41在前端具备两个摄像机，在各个摄像机42的附近具备成为内表面摄影时的光源的发光体43。另外，在摄像机42的前后具备橡胶轮胎44。在检查销孔8时，将显示器主体41插入销孔8，利用摄像机42对内表面的图像进行摄影，并利用图像处理、显示装置45映出内表面的样子。

摄像机能够将销孔8的转子中心侧作为0°而对两侧50°～130°的范围进行摄影。该范围在涡轮旋转时沿销孔8内表面反复施加大的拉伸负荷，包括期望抑制圆周方向的凹凸的区域。因此，能够只通过一次将显示器主体41通过销孔8，结束必要区域的观察。

利用橡胶轮胎44，摄像机42与销孔8内表面能够维持一定的距离并摄影，并且，由于是橡胶制，因此不会损伤销孔8内表面，能够使显示器主体顺畅地出入。

根据以上，能够使用显微镜40并利用显示器主体41的一次的插入，不会损伤销孔8且迅速地观察内表面。并且，在本实施例中，能确认在拔出铰孔棒后，有可能对疲劳带来不良影响的筋状裂纹不存在。即，在形成在销孔内表面的筋状裂纹与销孔轴向所成的角度θ小于预定的角度的场合（例如在上述（5）式中不满足目标的应力集中系数Kt的θ），成为有可能对疲劳带来不良影响的筋状裂纹，确认是否存在这种筋状裂纹。在确认存在有可能对疲劳带来不良影响的筋状裂纹的场合，例如进行研磨来进行筋状裂纹的修复。

Claims (12)

1.一种涡轮动叶片与涡轮转子的销结合部的加工方法，销结合部对涡轮动叶片与涡轮转子的转子盘进行销结合，该涡轮动叶片与涡轮转子的销结合部的加工方法的特征在于，

上述销结合部的销孔加工具有利用钻头加工形成贯通孔的工序、对上述贯通孔进行铰孔加工的工序、在上述铰孔加工后使铰孔棒一边旋转一边从进行了铰孔加工的孔拔出上述铰孔棒的工序。

2.根据权利要求1所述的涡轮动叶片与涡轮转子的销结合部的加工方法，其特征在于，

将在拔出上述铰孔棒时产生的筋状裂纹的纵横尺寸比作为a／h，其中a为裂纹的深度，h为裂纹的宽度，将容许应力集中系数作为Kt，将铰孔棒半径作为r（mm），以使铰孔棒旋转速度f（rpm）与拔出速度v（mm／min）满足公式1的条件的方式拔出上述铰孔棒。

$\mathrm{Kt}\≥1+\frac{4a}{h}\sqrt{\frac{1}{1+{(2\mathrm{\πr}\·\frac{f}{v})}^2}}$ 公式1

3.根据权利要求2所述的涡轮动叶片与涡轮转子的销结合部的加工方法，其特征在于，

将上述筋状裂纹的纵横尺寸比a／h作为0.1，将上述容许应力集中系数Kt作为1.2，以使上述铰孔棒旋转速度f（rpm）与上述拔出速度v（mm／min）满足公式2的条件的方式拔出上述铰孔棒。

$1.2\≥1+0.4\sqrt{\frac{1}{1+{(2\mathrm{\πr}\·\frac{f}{v})}^2}}$ 公式2

4.根据权利要求1所述的涡轮动叶片与涡轮转子的销结合部的加工方法，其特征在于，

在拔出上述铰孔棒后观察销孔内表面，确认形成在销孔内表面的筋状裂纹与销孔轴向所成的角度θ是预定的角度以上。

5.根据权利要求2所述的涡轮动叶片与涡轮转子的销结合部的加工方法，其特征在于，

在拔出上述铰孔棒后观察销孔内表面，确认形成在销孔内表面的筋状裂纹与销孔轴向所成的角度θ是否满足公式3。

$\mathrm{\θ}\≥{\cos }^{-1}\left\{\frac{(\mathrm{Kt}-1)h}{4a}\right\}$ 公式3

6.根据权利要求4或5所述的涡轮动叶片与涡轮转子的销结合部的加工方法，其特征在于，

上述销孔内表面的观察通过使用显微镜来进行。

7.根据权利要求4或5所述的涡轮动叶片与涡轮转子的销结合部的加工方法，其特征在于，

将上述销孔内表面的观察区域限定为在涡轮旋转时沿上述销孔内表面反复施加较大的拉伸负荷的预定的区域。

8.根据权利要求7所述的涡轮动叶片与涡轮转子的销结合部的加工方法，其特征在于，

当将上述涡轮转子的中心侧即上述销孔内表面的底部作为0°时，上述观察区域为50°～130°的范围。

9.一种涡轮动叶片，其利用销结合固定在涡轮转子的转子盘上，该涡轮动叶片的特征在于，

形成在上述涡轮动叶片上的销孔内表面的筋状裂纹相对于销孔轴向倾斜。

10.根据权利要求9所述的涡轮动叶片，其特征在于，

将上述销孔内表面的筋状裂纹的纵横尺寸比作为a／h，其中a为裂纹的深度，h为裂纹的宽度，将容许应力集中系数作为Kt，上述筋状裂纹相对于上述销孔轴向的角度θ满足公式4。

$\mathrm{\θ}\≥{\cos }^{-1}\left\{\frac{(\mathrm{Kt}-1)h}{4a}\right\}$ 公式4

11.根据权利要求10所述的涡轮动叶片，其特征在于，

将上述筋状裂纹的纵横尺寸比作为0.1，将容许应力集中系数Kt作为1.2，筋状裂纹相对于销孔轴向的角度θ为60°以上。

12.一种涡轮动叶片，其用于低压涡轮的最终级动叶片，该涡轮动叶片的特征在于，

上述涡轮动叶片由高强度材料形成，具有与形成在涡轮转子的转子盘上的转子叉进行销结合的叶片叉部，形成在上述叶片叉部上的销孔内表面的筋状裂纹相对于销孔轴向倾斜。

Images