JP2003227308A - レーザを用いたタービンスケール除去装置及びタービンスケール除去方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】取り扱いが容易で、防塵対策が不要、施工にお
ける消耗品も少なく、また施工に伴う母材への影響がな
いレーザを用いたタービンスケール除去装置及びタービ
ンスケール除去方法を提供する。 【解決手段】タービンスケール除去に必要なレーザパル
ス光を出射するレーザ発振器１と、１からのレーザパル
ス光をタービン翼４のスケール４ａの存在する位置近く
まで伝送することのできる導光系２と、２からのレーザ
パルス光を取り込み、これをタービン翼の表面であって
該表面に付着した酸化鉄やアカガナイト（β-FeOOH）等
を主成分としたスケール４ａに照射する照射装置３と、
照射装置３を、タービン翼４に平行に配設されたガイド
レール５に沿って移動可能な移動装置１１とを具備した
もの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電プラントに用
いられるタービンロータのタービン翼の表面に付着する
スケールをレーザ光を用いて除去するタービンスケール
除去装置及びこの除去装置を使用したタービンスケール
除去方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、火力発電所及び原子力発電所等
の発電用タービンロータは、図４に示すように、回転軸
１２と、回転軸１２の軸方向に配設された多段構成のタ
ービン翼（翼群又は翼段）４からなり、各タービン翼４
は回転軸１２の外周面に放射状に並設固定された複数枚
の翼から構成されている。

【０００３】これらのタービン翼４の表面には、酸化鉄
やアカガナイト(赤金鉱：β-FeOOH)等を主成分としたス
ケールが付着する。これは、具体的にはタービン翼４の
使用に伴い蒸気中に微量含まれる珪素やマグネシウムな
どが化合物化して付着したり、高温環境であるため金属
表面が酸化或いは水酸化されたりして皮膜化、堆積する
ことである。

【０００４】タービン翼４の表面に付着したスケールは
材料の腐食を引き起こしたり、またタービン動作中に剥
離した場合タービン内に飛散し、機器の損傷などの問題
を引き起こす。そのため、従来タービンの点検、保守時
にサンドブラスト法（砂吹き法）を用いてスケールを定
期的に除去することが行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記サ
ンドブラスト法では施工時にブラスト材である砂の飛散
を防ぐために、防塵エリアを設置する必要がある、施工
時に多大な粉塵が生じ作業環境が劣悪である、ブラスト
材の消費量が多く費用がかかる、施工時にタービン翼母
材に損傷を与え易いなどの課題がある。

【０００６】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、その目的は取り扱いが容易で、防塵対
策が不要、施工における消耗品も少なく、また施工に伴
う母材への影響がないレーザを用いたタービンスケール
除去装置及びタービンスケール除去方法を提供するにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に対応する発明は、レーザパルス光を出射
するレーザ発振器と、前記レーザパルス光をタービン翼
近くまで伝送することのできる導光系と、前記導光系か
らのレーザパルス光を取り込み、前記タービン翼の表面
であって該表面に付着した酸化鉄やアカガナイト(β-Fe
OOH)等を主成分としたスケールに照射する照射装置と、
前記照射装置を、前記タービン翼に平行な方向に配設さ
れたガイドレールに沿って移動可能な移動装置とを具備
したことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール
除去装置である。

【０００８】前記目的を達成するため、請求項２に対応
する発明は、次のように構成したものである。すなわ
ち、請求項１記載の照射装置は、前記レーザ発振器から
のレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、該光
学素子により変換された平行光を所定の振幅で前記ガイ
ドレールの配設方向に対して直交する方向に走査する走
査用ミラーと、該走査用ミラーからのレーザ光を集光す
る集光素子とから構成したものである。

【０００９】前記目的を達成するため、請求項３に対応
する発明は、次のように構成したものである。すなわ
ち、請求項１記載の照射装置は、前記レーザ発振器から
のレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、該光
学素子により変換された平行光を所定方向に折り曲げる
ミラーと、該ミラーからのレーザ光を前記ガイドレール
の配設方向に対し直交する線状に集光するシリンドリカ
ルレンズ等の光学素子とから構成したものである。

【００１０】前記目的を達成するため、請求項４に対応
する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンス
ケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着
したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパル
スエネルギー密度を１００ｍJ/cm²以上３５７ｍJ/cm²以
下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたター
ビンスケール除去方法である。

【００１１】前記目的を達成するため、請求項５に対応
する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンス
ケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着
したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパル
スエネルギー密度を５０ｍJ/cm²以上５００ｍJ/cm²以下
の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービ
ンスケール除去方法である。

【００１２】前記目的を達成するため、請求項６に対応
する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンス
ケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着
したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパル
スの重畳数を４０回以上１０００回以下の範囲内で行う
ことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去
方法である。

【００１３】前記目的を達成するため、請求項７に対応
する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンス
ケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着
したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパル
スの重畳数を４０回以上１６００回以下の範囲内で行う
ことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去
方法である。

【００１４】前記目的を達成するため、請求項８に対応
する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンス
ケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着
したスケールを除去する場合、前記照射装置からのレー
ザパルスの時間幅を５０ns以上１５０ns以下の範囲内で
行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール
除去方法である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。図１（ａ）は、本発明に係る
タービンスケールの除去装置の第１の実施形態を示す概
略構成図である。ここで、示されているタービンロータ
は、回転軸１２に、この軸方向に例えば４段のタービン
翼４が並設固定され、回転軸１２には軸方向両端部にフ
ランジ１２ａが形成されており、フランジ１２ａを有す
る回転軸１２の両端部は、点検架台（主として点検時に
使用するもの）１３に回転可能に支承されている。そし
て、スケールを除去する際に点検架台１３に、例えば油
圧又は手動により駆動する回転機構（図示しない）を付
加することで回転軸１２を回転できるように構成されて
いる。

【００１６】タービンスケール除去装置は次のように構
成されている。すなわち、タービンスケール除去に必要
なレーザパルス光を出射するレーザ発振器１と、レーザ
発振器１からのレーザパルス光をタービン翼４の施工位
置近くつまり後述するスケールの存在する位置近くまで
伝送することのできる光ファイバーと鏡からなる導光系
２と、導光系２からのレーザパルス光を取り込み、これ
をタービン翼の表面であって該表面に付着した酸化鉄や
アカガナイト(β-FeOOH)等を主成分としたスケール（図
示せず）に照射する照射装置３と、タービン翼４に平行
であって回転軸１２に対して直交する半径方向、具体的
には回転軸１２近くからタービン翼４の外周側の放射方
向に延びるようにガイドレール５を複数本（ここでは２
本）配設し、この各ガイドレール５に沿って照射装置３
を夫々移動可能に構成したものである。

【００１７】図１（ａ）のような構成のタービンスケー
ル除去装置を使用して実際に、タービンスケールを除去
するには、例えば始めに直径の大きいタービン翼４にお
いて照射装置３を半径方向に移動させながら所望のレー
ザパルス光を照射してタービンスケールを除去した後、
照射装置３が配設されている各ガイドレール５を、直径
の小さいタービン翼４側に移動した後、直径の小さいタ
ービン翼４において照射装置３を半径方向に移動させな
がら所望のレーザパルス光を照射してタービンスケール
の除去を行えばよい。

【００１８】図１（ａ）のようにタービン翼４の半径方
向に照射装置３が移動できるようにガイドレール５が配
設されているので、回転軸に近接した位置であってもタ
ービンスケールの除去が容易に行える。

【００１９】図１（ｂ）は本発明に係わるタービンスケ
ール除去装置の第２の実施形態を示す概略構成図であ
り、図１（ａ）とは次の点が異なる。図１（ａ）ではタ
ービン翼４のほぼ半径方向に照射装置３を移動できるよ
うにガイドレール５を配設したものであるのに対して、
図１（ｂ）ではタービン翼４のほぼ直径方向、具体的に
はタービン翼４の直径寸法より長めのガイドレール５
を、タービン翼４に形成されている回転軸１２の近傍に
配設にしたものである。

【００２０】なお、図１（ｂ）においては、タービン翼
４を１段のみしか示していないが、スケール４ａを除去
する際には、図１（ａ）と同様に回転軸１２を点検架台
１３により支承することは言うまでもない。また、図１
（ｂ）に示す実施形態も、必要に応じて例えば油圧又は
手動により回転軸を回転させる回転機構（図示せず）を
使用することも、図１（ａ）の実施形態と同様である。

【００２１】図１（ｂ）に示す実施形態も、前述の図１
（ａ）の実施形態と同様に、タービン翼４に付着したス
ケール４ａを除去できる。

【００２２】図２は、図１の照射装置３の構成を説明す
るための図である。これは、レーザ発振器１からのレー
ザパルス光を導光系２を介して導かれ、平行光に変換す
る光学素子例えばコリメータレンズ６と、コリメータレ
ンズ６により変換された平行光を所定の振幅で前記ガイ
ドレールの配設方向に対して直交する方向に走査する走
査用ミラー７と、走査用ミラー７からのレーザ光を集光
する集光素子例えば集光レンズ８とから構成したもので
ある。

【００２３】このような構成のタービンスケール除去装
置を用いて、タービン翼４に付着したスケール４ａを除
去するには、スケール４ａに対して、照射装置３からの
所望のエネルギのレーザパルス光を照射すればよい。こ
の場合、移動装置１１及び回転機構を使用してスケール
４ａに対応するように照射する。

【００２４】このようにしてタービン翼４の表面に付着
したスケール４ａに対してレーザ光を照射すると、スケ
ール４ａはレーザ光のエネルギーを吸収し、これにより
スケール４ａは急速に過熱、プラズマ化することにより
達成される。この加熱によりスケール４ａの一部は蒸散
し、また一部は急速な過熱により母材は変化せずに表面
のみが熱膨張するため母材との境界が剥離することによ
り除去される。

【００２５】従って、この場合、吸収されるレーザ光の
エネルギーが少な過ぎる場合、上述した蒸散量が極めて
少ない、表面加熱による熱膨張が剥離に至るほど大きく
ない、などにより除去することができない。

【００２６】また、スケール４ａの除去可能な所定のエ
ネルギーを与えた場合、翼表面のスケールは無くなり、
それ以上多大なエネルギーを与えた場合スケール除去に
寄与することなく無効となるばかりか、タービン翼その
ものへ悪影響を及ぼす可能性がある。このため、照射エ
ネルギー密度はスケールが完全に除去できる量とするこ
とが望ましい。

【００２７】本発明に係るスケール４ａの除去加工では
レーザ動作の繰り返しは５〜１０ｋHzであり、照射パル
スを重畳することは１００〜２００マイクロ秒毎にスケ
ール表面が繰り返し加熱されることとなる。パルス重畳
せずに高エネルギー密度のレーザを１パルス照射する場
合、照射領域内の密度分布やショットごとのエネルギー
変動などが除去結果に及ぼす影響が大きく、実用的では
ない。

【００２８】一方、低エネルギー密度の照射条件で重畳
数（照射重畳数）を増やして照射した場合、スケールが
除去されることなく、表面のみならず母材も加熱される
ため、前述したように本発明の手法によるスケール４ａ
の除去の除去機構で重要となるプラズマ発生や熱膨張に
よる母材との剥離が生じず、スケール４ａを除去するこ
とができない。ここで、重畳数は、レーザパルスを所定
の間隔で同じ位置に何回照射したかを表す。

【００２９】従って、重畳数は、エネルギー分布のばら
つきが平均化され除去特性に影響を及ぼさず、かつレー
ザ照射による母材の加熱も問題にならない範囲内に設定
する必要がある。

【００３０】これらの条件に対して適性条件を求めるた
めの試験結果の一例を表１及び表２に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】表１(ａ)及び表１(ｂ)には、エネルギー密
度、重畳数をパラメータとした場合の低圧タービン翼の
スケール除去特性の一例について示している。表２には
同じくエネルギー密度、重畳数をパラメータとした場合
の高中圧タービンの翼のスケール除去特性の一例につい
て示している。

【００３４】表１、表２において、結果の欄で記載され
ている「残る」はスケールが除去できないことを意味
し、又、「僅かに残る」はスケールが一部残っているが
実用上問題がないことを意味し、更に、「除去」はスケ
ールが完全に除去できていることを意味している。

【００３５】表１、表２から明らかなように、前述のタ
ービンスケール除去装置を使用してタービン翼４の表面
に付着したスケール４ａを除去する場合、この測定例に
おいては、照射装置３からのパルスエネルギー密度をス
ケールが除去可能となる１００ｍJ/cm²以上とし、かつ
母材に損傷を与えない３５７ｍJ/cm²以下の範囲内で行
えば、スケール４ａが完全に除去されるか、叉はスケー
ル４ａが一部に残っているが実用上問題がない状態とな
る。

【００３６】なお、パルスエネルギー密度を５０ｍJ/cm
²以上５００ｍJ/cm²以下の範囲内に設定することにより
本発明の効果が得られる。

【００３７】また、表１、表２から明らかなように、前
述のタービンスケール除去装置を使用して前記タービン
翼４の表面に付着したスケール４ａを除去する場合、こ
の測定例においては照射装置３からのパルスの重畳数を
スケールが除去可能となる４０回以上とし、かつ母材に
損傷を与えない１０００回以下の範囲内で行えば、スケ
ール４ａが完全に除去されるか、叉はスケール４ａが一
部に残っているが実用上問題がない状態となる。

【００３８】なお、パルスの重畳数を４０回以上１６０
０回以下の範囲内に設定することにより本発明の効果が
得られる。

【００３９】さらに照射するレーザパルス幅に対してパ
ルス幅が長い場合、パルス後半においてスケール表面に
よって吸収されたエネルギーはスケールを加熱し、さら
に熱伝導により母材温度を上昇させる。このような条件
下ではスケールと母材との境界での剥離が生じず、除去
特性が良くない。したがって本発明による手法では、適
用可能な最大パルス幅が存在する。

【００４０】また、パルス幅を短くした場合、同じエネ
ルギーを照射するためにはより大きなピークパワーのレ
ーザ出力が必要となり、使用するレーザや光学素子とし
て高品質、高価の部品が必要となり、さらに使用時にも
部品表面の清浄度の管理が必要になる、など実用上望ま
しくない事象が生じる。したがって実用上最短パルス幅
も存在することになる。

【００４１】そこで、表１、表２から明らかなように、
前述のタービンスケール除去装置を使用してタービン翼
４の表面に付着したスケール４ａを除去する場合、照射
装置３からのレーザパルスの時間幅をスケールが除去可
能となる５０ns以上とし、かつ母材に損傷を与えない１
５０ns以下の範囲内で行えば、スケール４ａが完全に除
去されるか、叉はスケール４ａが一部に残っているが実
用上問題がない状態となる。

【００４２】図３は本発明のタービンスケール除去装置
の第２の実施形態の照射装置３のみを示す概略構成図で
ある。照射装置３は、レーザ発振器１からのレーザパル
ス光を平行光に変換する光学素子例えばコリメータレン
ズ６と、コリメータレンズ６により変換された平行光を
所定方向に折り曲げるミラー９と、ミラー９からのレー
ザ光を線状に集光するシリンドリカルレンズ１０とから
構成されている。

【００４３】このように構成された照射装置３は、導光
系２からのレーザ光はコリメータレンズ６により径を拡
大した平行ビームに変換後ミラー９により所定の方向に
折り曲げた後、シリンドリカルレンズ１０により加工点
で必要とされるエネルギー密度を持つように線状に集光
され、タービン翼４のスケール４ａ上に照射される。こ
の結果、前述の第１の実施形態と同様な作用効果が得ら
れる。

【００４４】なお、シリンドリカルレンズ１０は他の光
学素子、例えばレンズアレイ等に置き換えることによっ
て線状に集光されるものであってもよい。

【００４５】

【発明の効果】以上述べた本発明によれば、取り扱いが
容易で、防塵対策が不要、施工における消耗品も少な
く、また施工に伴う母材への影響がないレーザを用いた
タービンスケール除去装置及びタービンスケール除去方
法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるタービンスケール除去装置の第１
及び第２の実施形態を示す概略構成図。

【図２】図１の照射装置を拡大して示す構成図。

【図３】本発明によるタービンスケール除去装置の第２
の実施形態に係る照射装置を拡大して示す構成図。

【図４】一般的なタービン翼の概略を示す斜視図。

【符号の説明】

１…レーザ発振器 ２…導光系 ３…照射装置 ４…タービン翼 ４ａ…スケール ５…ガイドレール ６…コリメータレンズ ７…走査用ミラー ８…集光レンズ ９…ミラー １０…シリンドリカルレンズ １１…移動装置 １２…回転軸 １３…点検架台

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年２月１５日（２００２．２．１
５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】 レーザを用いたタービンスケ
ール除去装置及びタービンスケール除去方法

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松村 憲秀 香川県高松市屋島西町2109番地８ 株式会 社四国総合研究所内 (72)発明者 内田 裕 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 木村 博信 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 佐藤 一 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 外川 隆一 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術センター内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザパルス光を出射するレーザ発振器
   と、 前記レーザパルス光をタービン翼近くまで伝送すること
   のできる導光系と、 前記導光系からのレーザパルス光を取り込み、前記ター
   ビン翼の表面であって該表面に付着した酸化鉄やアカガ
   ナイト(β-FeOOH)等を主成分としたスケールに照射する
   照射装置と、前記照射装置を、前記タービン翼に平行な
   方向に配設されたガイドレールに沿って移動可能な移動
   装置と、を具備したことを特徴とするレーザを用いたタ
   ービンスケール除去装置。
2. 【請求項２】 前記照射装置は、前記レーザ発振器から
   のレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、該光
   学素子により変換された平行光を所定の振幅で前記ガイ
   ドレールの配設方向に対して直交する方向に走査する走
   査用ミラーと、該走査用ミラーからのレーザ光を集光す
   る集光素子とからなることを特徴とする請求項１記載の
   レーザを用いたタービンスケール除去装置。
3. 【請求項３】 前記照射装置は、前記レーザ発振器から
   のレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、該光
   学素子により変換された平行光を所定方向に折り曲げる
   ミラーと、該ミラーからのレーザ光を前記ガイドレール
   の配設方向に対し直交する線状に集光するシリンドリカ
   ルレンズ等の光学素子とからなることを特徴とする請求
   項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載のレーザを用いたタービン
   スケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付
   着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパ
   ルスエネルギー密度を１００ｍJ/cm²以上３５７ｍJ/cm²
   以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタ
   ービンスケール除去方法。
5. 【請求項５】 請求項１記載のレーザを用いたタービン
   スケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付
   着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパ
   ルスエネルギー密度を５０ｍJ/cm²以上５００ｍJ/cm²以
   下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたター
   ビンスケール除去方法。
6. 【請求項６】 請求項１記載のレーザを用いたタービン
   スケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付
   着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパ
   ルスの重畳数を４０回以上１０００回以下の範囲内で行
   うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除
   去方法。
7. 【請求項７】 請求項１記載のレーザを用いたタービン
   スケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付
   着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパ
   ルスの重畳数を４０回以上１６００回以下の範囲内で行
   うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除
   去方法。
8. 【請求項８】 請求項１記載のレーザを用いたタービン
   スケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付
   着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのレ
   ーザパルスの時間幅を５０ns以上１５０ns以下の範囲内
   で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケー
   ル除去方法。