JP2006150540A - 部材の研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】研磨加工が施工しにくいタービン部品の狭隘部、嵌合部を含む表面研磨ができ、しかも表面研磨の加工を良好に施工させて表面の酸化皮膜等を容易に除去することのできる部材の研磨方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る部材の研磨方法は、被研磨面１２に付着・堆積した異物を取除くステップ（ステップ１）と、異物を取除いた後の被研磨面を検査するステップ（ステップ２）と、被研磨面に付着・堆積した異物が良好に取除かれているとき、弾性投射材を用いて被研磨面の表面仕上げを行うステップ（ステップ４）と、被研磨面の表面仕上げを行った後、表面検査を行うステップ（ステップ５）とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、部材の研磨方法に係り、特に部材表面に研磨粒を投射・衝突させて研磨する部材の研磨方法に関する。

超大型部品の部材、例えば蒸気タービンの部品部材は、各部材の表面粗さが流力特性に大きな影響を与えるため、定期点検検査時を利用して、その部材表面に研磨加工を行っており、研磨加工を行う蒸気タービンおよびこれに組込まれたタービンノズルとして図６および図８に示す構成のものがある。

図６は、蒸気タービンを概略的に示す断面図である。

蒸気タービンは、一つのタービンケーシング１内に高圧タービン部２ａと中圧タービン部２ｂと一体構造として組み込んだ高中圧一体タービン部２と、別置きの低圧タービン部３とを備え、これらを互いにタービンロータ４で軸結合させ、全体をコンパクトにして設置面積の有効活用を図っている。

また、蒸気タービンは、高圧タービン部２ａ、中圧タービン部２ｂ、低圧タービン部３のそれぞれに、タービンロータ４の軸方向に沿ってタービンノズル５とタービン動翼６とをペアーとして組み込んでタービン段落７を設け、高圧タービン部２ａの入口８ａから供給された蒸気をタービン段落７で膨張仕事をさせ、膨張仕事を終えたタービン排気を出口８ｂを介してボイラ内に設置された再熱器（図示せず）に供給し、ここで再び過熱して再熱蒸気にし、その再熱蒸気を中圧タービン２ｂの入口９に供給し、ここからタービン段落７で膨張仕事をさせ、膨張仕事を終えた中圧タービン排気をクロスオーバ管１０を介して低圧タービン部３に供給し、ここでも膨張仕事をさせた後、その低圧タービン排気を復水器、給水加熱器（ともに図示せず）等を介してボイラに戻している。

また、タービン段落７の構成部品の一つであるタービンノズル５は、図８に示すように、半割れ状のダイアフラム外輪１１とダイアフラム内輪１２とで挟まれたノズル翼１３を環状列に配置し、環状列に配置したノズル翼１３の両端部のそれぞれにノズル板（図示せず）を介装させてダイアフラム外輪１１およびダイアフラム内輪１２のそれぞれに固設させ、ノズル翼１３の入口側に供給された蒸気の持つ熱エネルギを速度エネルギに変換した後、タービン動翼に供給し、ここで回転トルクを得ている。

このような膨張仕事を行うタービン段落７は、タービンノズル５やタービン動翼６等の表面が粗く、蒸気の流れに流路抵抗が発生していると、流力特性が著しく低下するので、その表面に研磨を行って表面粗さを少なくさせている。

図７は、設計仕様に基づき、表面粗さＲｙ＝６．３におけるタービン段落７の効率を１００としたときの、表面粗さに対するタービン段落効率を示している。

この図において、タービンノズル５とタービン動翼６とで構成するタービン段落７の表面を滑らかに仕上げると、現在よりも約３．５％の効率改善につながることがわかる。

このように、蒸気タービン部品の効率改善がなされる研磨作業には、従来、圧縮空気や電動によるグラインダ等の回転工具を用いたものや、研磨効果の高い液体、布等によるバフ研磨と称する手作業研磨が行われていた。

しかし、この種の研磨加工は、多くの時間とコストを費やす等の問題を抱えていた。

最近の研磨加工法では、圧縮空気によりセラミックス系の投射材を投射して被研磨部材の表面を研磨するサンドブラスト法が比較的多く使用されている。

しかし、このサンドブラスト法は、投射範囲全域において、表面の洗浄、皮膜等の除去が容易である反面、表面の減肉量が多くなる点、表面粗さが悪くなる点、粉塵が発生する点等、不具合、不都合がある。また、タービン部品の表面粗さとして、仕上がりでＲｙ＝６．３あるいはＲｙ＝１．０以下の表面粗さを得ることが難しい。

ところで、タービン段落７等のタービン部品を通る蒸気には、ボイラ等で生成された酸化スケールと称する異物が含まれ、この異物が長い間の運転に際し、タービンノズル５やタービン動翼６に堆積する。このため、部品部材の表面に酸化皮膜が付着することがある。

これら酸化スケールや酸化皮膜は、定期点検検査時に行われる非破壊検査に対する精度を著しく悪くしている。

非破壊検査は、表面から液体を内部に浸透させたり、Ｘ線や超音波などを照射して内部からの反射波などで内部の状態を検査しているため、いわば内部からの情報の窓となる表面の粗さの状態が悪いと、これら内部からの情報が表面で乱され、検査精度が落ちる。

したがって、定期点検検査時には、これら酸化スケールや酸化皮膜を落としてから行っており、その表面粗さを少なくするために手作業で行っていた。このため、時間および作業者の手間がかかっていたが、手作業であるがゆえに作業場所により部品部材の表面粗さが異なり、検査精度が充分良好ではなかった。

また、上述のタービンノズル５やタービン動翼６に付着した酸化スケール等は、設計時のプロファイル形状を変形させてしまうので、蒸気タービンの内部効率を低下させる要因になっていた。そして、定期点検検査時には、酸化スケール等を取除く作業を行うものの、特にタービンノズルおよびタービン動翼の後縁端の厚みが薄いので、上述サンドブラスト法では、プロファイルが変形を起す等の不具合、不都合があった。

ところで、部品部材やワーク等の表面を研削する発明として、特許文献１が開示されている。この特許文献１は、弾力性のある多孔質の植物繊維から構成される担体に植物繊維に含まれる脂肪あるいは糖分を粘着剤として研削粉を付着させた砥粒を、研削液を混合した上で、部品部材等の表面に斜めから数多く噴射、衝突させ、担体を塑性変形させながら砥粒を部品部材表面で滑動させ、研削粉により部品部材表面を加工仕上げを行うものである。
特開平９−３１４４６８号公報

特許文献１に開示された研削方法は、歯科補綴物のような小型の部品部材の研磨に適しているが、蒸気タービン部品部材のように超大型であったり、また、蒸気の流れの構造上、その形状が複雑であったり、部品間に狭隘な部分があり、この狭隘部分の表面を研磨することには向いていない。

本発明は、このような事情にもとづいてなされたもので、研磨加工が施工しにくいタービン部品の狭隘部、嵌合部を含む表面研磨ができ、しかも表面研磨の加工を良好に施工させて表面の酸化皮膜等を容易に除去することのできる部材の研磨方法を提供することを目的とする。

本発明に係る部材の研磨方法は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、被研磨面に付着・堆積した異物を取除くステップと、異物を取除いた後の被研磨面を検査するステップと、被研磨面に付着・堆積した異物が良好に取除かれているとき、弾性投射材を用いて被研磨面の表面仕上げを行うステップと、被研磨面の表面仕上げを行った後、表面検査を行うステップとを備えている方法である。

また、本発明に係る部材の研磨方法は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、弾性投射材を用いて被研磨面の表面仕上げを行うステップは、被研磨面に対し、弾性投射材を分速１０００ｍ〜４０００ｍの範囲で行う方法である。

また、本発明に係る部材の研磨方法は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、弾性投射材を用いて被研磨面の表面仕上げを行うステップは、前記被研磨面に前記弾性投射部を衝突・滑動させて表面仕上げを行う方法である。

また、本発明に係る部材の研磨方法は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、弾性投射材は、コアとして弾性体を用い、コアの表面に硬質材を被着させる方法である。

また、本発明に係る部材の研磨方法は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、硬質材は、珪砂、アルミナ、ガラスビーズ、ジルコニア粒のうち、いずれかであることを特徴とする方法である。

また、本発明に係る部材の研磨方法は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、弾性部材を用いて被研磨面の表面仕上げを行うステップは、粗研磨加工後、仕上げ研磨加工を行う方法である。

また、本発明に係る部材の研磨方法は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、被研磨面に蒸気タービン部品の基材を適用する方法である。

本発明に係る部材の研磨方法は、従来の圧縮空気や電気を用いた回転工具による研磨や、手作業による研磨に代えて弾性投射材を用いて被研磨面に研磨を行うので、仕上りの安定した研磨を行うことができ、研磨効率をより一層向上させることができる。

以下、本発明に係る部材の研磨方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係る部材の研磨方法の実施形態を示す手順ブロック図である。

本実施形態に係る部材の研磨方法は、酸化スケール除去処理工程（ステップ１）、酸化スケール除去後の検査工程（ステップ２）、検査の結果、酸化スケール除去が充分でない場合の補修工程（ステップ３）、酸化スケール除去後の表面仕上げ工程（ステップ４）、表面仕上げ後の表面検査工程（ステップ５）を経る手順になっている。

すなわち、先ず、最初に、例えばタービンノズルやタービン動翼に付着、堆積した酸化スケール等の異物を除去（ステップ１）した後、タービンノズル等の部材表面を目視等で検査（ステップ２）を行う。この検査において、タービンノズル等の部材に欠陥が認められた場合、検査不合格となり、欠陥部分の補修作業（ステップ３）を行う。

補修作業（ステップ３）、または検査（ステップ２）合格後の部材は、表面粗さを回復、向上させるため表面仕上げ（ステップ４）を行う。表面仕上げ（ステップ４）の際、弾性投射材を用いて研磨加工を行う。

表面仕上げ（ステップ４）を行った後、部材の表面検査（ステップ５）を行い、部材表面が不合格の場合、再び表面仕上げを行い、表面検査（ステップ５）に合格すると、例えば出荷工程等に移行する。

図２は、弾性投射材を用いて部材の表面仕上げとしての研磨方法の原理を説明する図である。

弾性投射材１１には、弾性体として石油化学系高分子材料、例えば発泡ポリウレタン、ポリ塩化ビニリデン等の合成樹脂、合成繊維、合成ゴム、天然素材、あるいはへちま、海綿、ゼラチン等がコア（投射材）として使用され、その表面に、硬質材として、例えば、珪砂、アルミナ、ガラスビーズ、ジルコニア粒等の砥粒を被着させたものが使用される。

そして、弾性投射材１１は、被研磨面１２に対し、ある角度を持って吹き付けられ、被研磨面１２に衝突させる。その際、弾性投射材１１は、弾性変形しながらその表面上を短い時間の間に滑った後、再び被研磨面１２に対し、ある角度で飛ばされる。

この被研磨面１２が滑動面１３を滑る際、コア（投射材）の表面に被着された砥粒が被研磨面１２を研磨する。

ところで、本実施形態に係る部材（被研磨材）は、大型の部品を対象としており、その代表的なものとされる蒸気タービンの構成部品であるタービンノズル、タービン動翼、タービンロータ、蒸気弁、大口径の蒸気配管等である。

これらの部品の研磨作業は手元に置くか、あるいは手で持ちながら研磨作業を行うのではなく、部品のあるところまで研磨機を移動させるか、あるいは大型の作業台の上に載せて研磨加工を行うのが一般的である。

このため、本実施形態では、先の研磨原理の関係から、弾性投射材１１が研磨機から被研磨面１２まで高いエネルギを持って届かなければ、研磨加工が難しくなる。

そこで、発明者等は、本実施形態にかかる研磨方法における弾性投射材１１の投射速度を実験で試みた。

図３は、弾性投射材１１を用いて被研磨面１２を研磨加工する場合、投射速度と研磨効率との関係を示す線図である。

この線図から、投射速度が遅いと、研磨効率は低いが、研磨速度を上げると、研磨効率も上昇することがわかった。

ただし、研磨速度を上げすぎると、弾性投射材料の寿命が短くなるので、上限の投射速度を４０００ｍ／ｍｉｎとし、下限の投射速度を１０００ｍ／ｍｉｎとした。

また、発明者等は、弾性投射材１１を用いて被研磨面１２を研磨加工をするとき、研磨方向が被研磨面１２の表面粗さに影響を与えるか、否かを実験で確認した。

図４は、被研磨面１２の研磨方向に対する表面粗さ（Ｒｙ）と、研磨方向に垂直方向の表面粗さ（Ｒｙ）とを対比させた図である。

この図から、研磨方向の表面粗さ（Ｒｙ）と研磨方向と垂直方向の表面粗さ（Ｒｙ）とは、ほぼ同等であり、安定した研磨加工が得られ、研磨方向性に対し、表面粗さ（Ｒｙ）に影響がないことがわかった。

図５は、被研磨面１２の研磨加工工程中、表面粗さの推移を示す線図である。

運転直後のタービン部品は、運転時間にもよるが、被研磨面１２に酸化スケールが付着した状態で表面粗さ（Ｒｙ）も粗い。

しかし、本実施形態では、被研磨面１２に付着した酸化スケールを取除いた後、弾性投射材１１を用いてブラスト処理するので、表面粗さ（Ｒｙ）が２０ｓ程度になる。その後、粗研磨を行って表面粗さ（Ｒｙ）を８ｓ程度にし、最後に、目標表面粗さ（Ｒｙ）を、例えば５ｓ以下にする。

このように、本実施形態は、被研磨面１２に付着・堆積した酸化スケール等の異物や不純物を除去後、弾性投射材１１を用いて被研磨面１２を研磨加工し、さらに被研磨面１２の表面粗さ（Ｒｙ）に応じて粗研磨、仕上げ研磨を行うので、研磨の難しい狭隘部や嵌合部であっても、被研磨面１２の表面粗さをより一層向上させることができる。

本発明に係る部材の研磨方法の実施形態を示す手順ブロック図。 本発明における弾性投射材を被研磨面に衝突させて研磨加工を行う原理を説明する図。 本発明における弾性投射材を用いて被研磨面を研磨加工する場合、投射速度と研磨効率との関係を示す線図。 本発明における被研磨面の研磨方向に対する表面粗さと研磨方向に垂直方向の表面粗さとを対比させた図。 本発明における被研磨面の研磨加工工程中、表面粗さの推移を示す線図。 従来の蒸気タービンを概略的に示す断面図。 従来の蒸気タービンのタービン段落効率とタービン部品の表面粗さとの相関を示す線図。 従来の蒸気タービンに適用され、半割れ状のタービンノズルを示す斜視図。

符号の説明

１ タービンケーシング
２ａ 高圧タービン部
２ｂ 中圧タービン部
３ 低圧タービン部
４ タービンロータ
５ タービンノズル
６ タービン動翼
７ タービン段落
８ａ 入口
８ｂ 出口
９ 入口
１０ クロスオーバ管
１１ 弾性投射材
１２ 被研磨面
１３ 滑動面

Claims (7)

1. 被研磨面に付着・堆積した異物を取除くステップと、異物を取除いた後の被研磨面を検査するステップと、被研磨面に付着・堆積した異物が良好に取除かれているとき、弾性投射材を用いて被研磨面の表面仕上げを行うステップと、被研磨面の表面仕上げを行った後、表面検査を行うステップとを備えていることを特徴とする部材の研磨方法。
2. 弾性投射材を用いて被研磨面の表面仕上げを行うステップは、被研磨面に対し、弾性投射材を分速１０００ｍ〜４０００ｍの範囲で行うことを特徴とする請求項１記載の部材の研磨方法。
3. 弾性投射材を用いて被研磨面の表面仕上げを行うステップは、前記被研磨面に前記弾性投射部を衝突・滑動させて表面仕上げを行うことを特徴とする請求項１記載の部材の研磨方法。
4. 弾性投射材は、コアとして弾性体を用い、コアの表面に硬質材を被着させることを特徴とする請求項１記載の部材の研磨方法。
5. 硬質材は、珪砂、アルミナ、ガラスビーズ、ジルコニア粒のうち、いずれかであることを特徴とする請求項４記載の部材の研磨方法。
6. 弾性部材を用いて被研磨面の表面仕上げを行うステップは、粗研磨加工後、仕上げ研磨加工を行うことを特徴とする請求項１記載の部材の研磨方法。
7. 被研磨面に蒸気タービン部品の基材を適用することを特徴とする請求項１記載の部材の研磨方法。

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