JP2010043595A - 蒸気タービン、タービン動翼、蒸気タービン用のディスク、蒸気タービンの処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン動翼とディスクを結合する構造の１つであるフォーク形構造は、翼フォークとディスクフォークを結合するピン孔やピンが腐食環境かつ大きい遠心力が作用する環境におかれ、疲労強度と耐ＳＣＣの向上が必要であることが分かった。
【解決手段】タービン動翼に設けられた翼フォーク２とディスクに設けられたディスクフォーク４を貫通するように設けられたピン孔６の内面に応力改善処理を施し、圧縮残留応力領域を形成する。ピン孔６はリーマ加工によって形成されるが、リーマ加工によってピン孔６内面に残留する引張応力を除去して圧縮残留応力７を形成することにより、蒸気タービンの疲労強度、耐ＳＣＣ性を高めることが可能である。
【選択図】図２

Description

本発明はタービン動翼とディスクの一方または両方に応力改善処理を施した蒸気タービン及び蒸気タービンの処理方法に係る。

軸流タービンは、ロータの周方向に多数本植設された動翼と、タービンケーシングに固定された静翼（ノズル）とから構成され、この動翼と静翼の組合せ１対でタービン段落を形成し、この段落を複数段並べることで軸流タービンが形成されている。そして、この段落内に導入される作動流体である高圧の蒸気が、各段落を通過する際に徐々に膨張し、そのエネルギが動翼の回転エネルギに変換されることでロータが回転駆動される。

タービン動翼の植込み構造としては、鞍形構造、クリスマスツリー形構造、Ｔ形構造、およびフォーク形構造などが用いられ、植込み部に要求される強度および製造性（組立の容易さやコスト）に配慮して、その構造が選択されている。このうち、フォーク形構造は主に最終段落やその前段翼に適用される構造であり、大きな遠心力に耐え得るような設計がなされている（例えば、特許文献１参照。）。

フォーク形構造による蒸気タービン翼とディスクの結合構造について、図１６を用いて説明する。タービン動翼１０１の下部に複数の翼フォーク１０２が設けられている。翼フォーク１０２はタービンの軸方向に配分されており、ディスク１０３に設けられたディスクフォーク１０４と交互に係合され、破線で示す複数のピン１０５を翼フォーク１０２、ディスクフォーク１０４を貫通して設けられたピン孔１０６に挿入することで結合されている。

タービン翼の組み立て時には、予めピン孔１０６の孔径よりも小さい径の下孔を開けておき、タービン動翼１０１をディスク１０３の所定の位置に植え込んだあとに、リーマ工具を用いて下孔の内面を０．５〜１．０ｍｍ程度削ってピン孔１０６の孔径となるように加工する。その後、加工時に生じた切り屑を取り除いた後にピン１０５を挿入する。

タービン翼とディスクの結合部には、翼の回転に伴って大きな遠心力が作用し、かつ蒸気が隙間より結合部に入り込むことにより蒸気中に含まれるＮａやＣｌなどの腐食生成物が蓄積されるため、結合部は強度的に非常に厳しい環境にある。

ピン１０５に作用する遠心力について、図１７を用いて説明する。図１７はタービン動翼１０１の植込み部の要部拡大縦断面図である。

タービン動翼１０１が回転すると、翼フォーク１０２とピン１０５の結合部は、翼１０１にかかる遠心力によって矢印１０８の方向の力を受ける。また、ディスクフォーク１０４とピン１０５の結合部は矢印１０７の方向の力を受ける。その結果、ピン１０５の中央部に位置する付近で高い引張の曲げ応力が発生する。この曲げ応力に対して十分な強度を得るため、ピン１０５の材料としては１２０ｋｇ／ｍｍ^２以上の引張強さを有した高強度鋼が採用されている。

また、タービン動翼１０１とディスク１０３の材料についても同様に、運転時の遠心力に耐えられるように５００／ｍｍ^２以上の引張強さを有する材料が用いられている。

しかし、引張強さの高い材料は応力腐食割れ（以下、ＳＣＣ）に対する感受性が高いため、運転から１０年近く経過したプラントにおいてはピン１０５の最大引張曲げ応力が作用する点を起点としてＳＣＣが発見されることがあった。一般に、ＳＣＣは、感受性が高い材料が腐食環境下で高い引張応力が作用する環境に長時間さらされることにより生じる。

一方で、近年蒸気タービンの効率を向上させるために、低圧最終段においては排気損失を低減させることを目的として翼長の長いタービン翼が採用される傾向にある。しかしながら、翼長の増大に伴って翼に作用する遠心力が増大するため、応力集中が高い翼とディスクの結合部においては、起動停止に伴う低サイクル疲労、高い平均応力と腐食環境下での高サイクル疲労に対して十分な強度を有した構造でなければならない。

このようなＳＣＣの発生を抑制するために、ピン１０５については表面にショットピーニングを施して圧縮残留応力を付与する方法が用いられている。
特開２００２−３４９２０７号公報

一方で、ピン孔１０６の内面は、多くの場合リーマ加工により引張応力が残ったままでピン１０５を挿入して運転に供される。さらに、運転時の遠心力によって高い引張応力が負荷されるため、ＳＣＣが発生する可能性が高くなる。また、タービン内の蒸気流の乱れによって発生するランダム振動による応力や、タービンに給水加熱器内の蒸気が急速に逆流して送るフラッシュバック現象による振動応力などによって翼フォーク１０２、ディスクフォーク１０４が疲労破壊に至る懸念もある。また、ピン孔１０６はリーマ加工によって下孔の内面を削って形成されるため、リーマ加工前に応力改善処理を施しても、圧縮残留応力が形成された表面がリーマ加工によって除去されてしまう。以上の理由から、応力改善処理はリーマ加工の後に施工する必要がある。

ピン１０５に適用されているショットピーニングをピン孔１０６内面に適用しようとする場合、図１８に示すようにノズル５０１から噴射された投射材５０２を反射板５０３に一度衝突させてから投射方向５０４のように変えることでピン孔内面に当てる方法が考えられる。しかし、投射材５０２が反射板５０３に一度衝突する際にエネルギを失うためピーニング効果は低下する。また、ピン孔内面に突き刺さったり、施工部周囲の狭隘部に入った投射材５０２をすべて回収することは非常に困難である。

また、ショットピーニングは施工範囲に対して大量の投射材５０２を打ち出すもので、施工範囲に対してどれだけ均一に施工されるかは確率の問題となる。したがって、ショットピーニングをピン１０５、ピン孔１０６の両方に適用した場合、ショットピーニングの施工が均一でないとピン１０５の径とピン孔１０６の径の公差が許容範囲を超え、精密な結合が損なわれる事象が考えられる。

上述の従来技術を鑑み、本発明は、蒸気タービンの動翼とディスクの結合に用いるピン孔内面に応力改善処理を施し、疲労強度と耐ＳＣＣ性を高めた蒸気タービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による蒸気タービンは、翼フォークを有するタービン動翼と、このタービン動翼の前記翼フォークと係合するディスクフォークを有するディスクと、係合した前記翼フォーク及び前記ディスクフォークを貫通するピン孔と、このピン孔に挿入され前記タービン動翼と前記ディスクを結合するピンと、を有する蒸気タービンであって、前記ピンは、前記ピン孔の内面の少なくとも一部に応力改善処理により圧縮残留応力領域が形成された後に前記ピン孔に挿入されたことを特徴とする。

また、本発明によるタービン動翼は、蒸気タービンのディスクに設けられたディスクフォークと係合する翼フォークと、この翼フォークに設けられ前記ディスクフォークと前記翼フォークを結合して固定するピンが挿入されるピン孔と、を有するタービン動翼であって、
前記ピンが前記ピン孔に挿入される前に、前記ピン孔の内面の少なくとも一部に圧縮残留応力領域が形成されてなることを特徴とする。

また、本発明による蒸気タービンのディスクは、蒸気タービンに取り付けられるタービン動翼に設けられた翼フォークと係合するディスクフォークと、このディスクフォークに設けられ前記ディスクフォークと前記翼フォークを結合して固定するピンが挿入されるピン孔と、を有する蒸気タービンのディスクであって、前記ピンが前記ピン孔に挿入される前に、前記ピン孔の内面の少なくとも一部に圧縮残留応力領域が形成されてなることを特徴とする。

また、本発明による蒸気タービンの処理方法は、互いに係合するように構成されるタービン動翼の翼フォークとディスクのディスクフォークを有する蒸気タービンの一部に対して応力改善処理を施す蒸気タービンの処理方法であって、前記翼フォークと前記ディスクフォークとを係合させる工程と、この係合状態を保った状態で、前記翼フォークと前記ディスクフォークに設けられた下孔にリーマ加工を施して前記翼フォークと前記ディスクフォークにピン孔を形成する工程と、このピン孔の内面の少なくとも一部に応力改善処理を施して圧縮残留応力領域を形成する工程と、この圧縮残留応力領域を形成した後に、前記ピン孔にピンを貫通するように挿入して前記タービン動翼を前記ディスクに固定する工程と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、タービン動翼の翼フォーク及びディスクのディスクフォークに設けられたピン孔内面に圧縮残留応力領域を形成することにより、疲労強度と耐ＳＣＣ性を高めた蒸気タービン、タービン動翼、及び蒸気タービン用のディスクを提供することが可能となる。

また、本発明の蒸気タービンの処理方法によれば、蒸気タービンの疲労強度と耐ＳＣＣ性を高めることができる。

以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例１について、図面を用いて以下説明する。図１は本発明による蒸気タービンのタービン動翼１とディスク３の結合構造を示す側面図である。タービン動翼１の下部に複数の翼フォーク２が設けられている。翼フォーク２はタービンの軸方向に配分されており、ディスク３に設けられたディスクフォーク４と交互に係合され、破線で示す複数のピン５を翼フォーク２、ディスクフォーク４を貫通して設けられたピン孔６に挿入することで結合されている。タービン動翼１としては、たとえば１２Ｃｒ鋼やＴｉ系合金、ディスク材としては３．５％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼、ピン材としては５ＣｒＭｏＶ鋼を用いる。

このタービン動翼１とディスク３の係合部を拡大して図２に示す。図２は翼フォーク２とディスクフォーク４を係合させ、ピン５が挿入されていない状態を示す要部拡大縦断面図である。ピン孔６内面には、ハッチングで示すように圧縮残留応力領域７が形成されている。この圧縮残留応力領域７は、たとえば表層から０．１ｍｍ〜２．０ｍｍ程度までの範囲に付与されており、この圧縮残留応力領域７が形成されていることによって運転時にピン孔６内面にかかる引張残留応力が抑えられ、疲労強度を高めるとともにＳＣＣの発生を抑制することが出来る。なお、図３に示すように、翼フォーク２におけるピン孔６にだけ圧縮残留応力領域７を形成することも、あるいはディスクフォーク４におけるピン孔６にだけ圧縮残留応力領域７を形成することも可能である。

圧縮残留応力領域７を形成するための応力改善処理としては、レーザピーニング、ウォータジェットピーニング、超音波ショットピーニング、バニシング加工などが挙げられる。なお、ピン５とピン孔６の公差としては、例えばピン径に対して０．２％〜０．６％が望ましい。上述の応力改善処理に関して、レーザピーニングは、表層数μｍがプラズマ化するプロセスなので、施工後の内径変化は上述の公差範囲内となる。また、ウォータジェットピーニング、超音波ショットピーニング、バニシング加工については、施工条件を制御することで内径変化を公差範囲内に収めることが可能である。

圧縮残留応力領域７の形成を含めたタービン動翼１とディスク３の組み立て手順について、図４を用いて説明する。図４は本実施例による蒸気タービンの応力改善処理方法の手順を示すフローチャートである。

まずタービン動翼１の翼フォーク２とディスク３のディスクフォーク４と係合させ、タービン動翼１を取り付ける（Ｓ１）。この時点では翼フォーク２にはピン孔６よりも径の小さい下孔が形成されている。ディスクフォーク４には、新設タービンの場合は下孔が、タービン動翼１の取替え時の場合はピン孔６が設けられている。タービン動翼１の取替えの場合、取替え前のタービン動翼１よりもピン孔６の径を大きくするため、実質的にディスクフォーク４に設けられているピン孔６は下孔である。

次に、下孔にリーマ加工を施して径を大きくし、ピン孔６を形成し、必要に応じてリーマ加工で生じた切り屑を除去する（Ｓ２）。

次に、形成されたピン孔６の表面に上述した応力改善処理を行い、圧縮残留応力領域７を形成する（Ｓ３）。なお、上述の切り屑の除去に関して、応力改善処理によっては応力改善処理と並行して行う、あるいは応力改善処理の後に行うことが可能である。例えば、レーザピーニングはレーザ光照射点近傍である施工部に液体を供給しながら施工するため、施工部周辺の切り屑を除去しつつ施工することが可能である。

最後に、ピン孔６にピン５を挿入し、タービン動翼１をディスク３に固定する（Ｓ４）。このような手順によってピン孔６の内面に圧縮残留応力領域７を形成する。なお、圧縮残留応力領域７を形成する際に、タービン動翼１をいったん取り外して、例えばディスクフォーク４と同じ形状の固定治具に固定し、応力改善処理を行う、ということも可能である。この場合、ディスク３に取り付けている状態に比較して、ディスク３本体や周囲の構造物がないため、施工性が高まる。この場合、応力改善処理が完了したら固定治具からタービン動翼１を取り外して再びディスク３に取り付け、ピン５を挿入する。

このように、ピン孔６の内面に圧縮残留応力領域７を形成する処理を行うことにより、材料の疲労強度と耐ＳＣＣ性を高めることが可能である。この効果に関して、一例として、金属材料にレーザピーニングを適用して圧縮残留応力領域を形成し、高サイクル疲労試験を実施した結果を説明する。

まず、試験片の条件について説明する。試験片はＳＵＳ３１６Ｌ材、Ｔｉ−６Ｖ−４Ａｌ材のダンベル材を用いた。ＳＵＳ３１６Ｌ材の試験片形状を図５（ａ）に、Ｔｉ−６Ｖ−４Ａｌ材の試験片形状を図５（ｂ）に示す。また、レーザピーニングの施工条件は表１に示す。

表１に示した条件のレーザ発振器によるレーザピーニングを施した材料と未施工の材料のそれぞれについて試験を実施した。ＳＵＳ３１６Ｌ材は疲労試験には小野式回転曲げ疲労試験（２８２０ｒｐｍ）を用いた回転曲げ試験を実施した。また、Ｔｉ−６Ｖ−４Ａｌ材には５Ｈｚ、応力比＝−１で疲労試験を行った。

ＳＵＳ３１６Ｌ材の試験結果を図６に、Ｔｉ−６Ｖ−４Ａｌ材の試験結果を図７に示す。それぞれ、ｘ軸は破断までの応力負荷回数を、ｙ軸は応力振幅を示している。何れの試験結果においても、圧縮残留応力領域の形成により、疲労強度が４０％〜７０％程度向上していることが分かる。

また、ＳＣＣは材料条件、環境条件、応力条件の３つが揃うと生じる破壊であり、このうちの応力条件とは、材料表面に引張残留応力が生じていることを意味する。したがって、材料表面に圧縮残留応力領域を形成すれば耐ＳＣＣ性を向上することができる。

以上説明したように、翼フォーク２とディスクフォーク４に設けられたピン孔６に圧縮残留応力領域を形成することで、疲労強度と耐ＳＣＣ性を向上させた蒸気タービンとすることが可能である。

本発明の実施例２について、図面を用いて以下説明する。なお、実施例１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図８は実施例１のレーザピーニングを実施する具体的な構成の一例であるレーザピーニング装置２１の概要を示した要部拡大縦断面図である。

レーザピーニング装置２１は、レーザ発振器２２、レーザ光の形状を整形するレーザ光調整手段２３、レーザ光を伝送するレーザ光伝送手段２４、レーザ光を施工対象に照射するレーザ光出射手段２５、施工対象に液体を供給する送液手段２６、レーザ光出射手段２５をピン孔６の軸方向に沿って移動させる軸方向移動手段２７、レーザ光出射手段２５をピン孔６の軸方向を回転軸として回転させる回転手段２８から構成されている。このレーザピーニング装置２１の作用について、以下説明する。

レーザ発振器２２はジャイアントパルスＹＡＧレーザ発振器が望ましいが、パルスレーザを照射した際にプラズマが発生するようなエネルギを発生することができるレーザ発振器であれば良い。レーザ光調整手段２３は、ミラーやレンズ、バッフル等を組み合わせてレーザ発振器２２から放出されたレーザ光の形状を整形する。

レーザ光調整手段２３によって整形されたレーザ光はレーザ光伝送手段２４により、ピン孔６内部に配置されたレーザ光出射手段２５まで伝送される。このレーザ光伝送手段２４は、例えば導光管内にミラーを配設したレーザ光伝送管や光ファイバを用いて構成する。

レーザ光出射手段２５は、レーザ光伝送手段２４から送られたレーザ光をレーザピーニング施工対象部位に照射する。このレーザ光出射手段２５の構成について、図９を用いて説明する。図９は図８におけるレーザ光出射手段２５を拡大した要部拡大縦断面図である。なお、翼フォーク２とディスクフォーク４についてはレーザピーニング施工対象側のみ図示している。レーザ光伝送手段２４によって伝送されたレーザ光３１は、レーザ光集光手段３２によって集光され、レーザ光出射手段２５の筐体３３に設けられたレーザ光出射口３４から出射され、施工対象部に照射される。レーザ光集光手段３２は、たとえば非球面ミラーや集光レンズなどを用いて構成され、本実施例においては非球面ミラーを用いたものとして図示している。

レーザ光集光手段３２は筐体３３に固定されており、筐体３３は軸方向移動手段２７と回転手段２８に直接または間接的に連結されている。軸方向移動手段２７はレーザ光出射手段２５をピン孔６の軸方向に沿って移動させる。回転手段２８はレーザ光出射手段２５をピン孔６の軸を回転軸として回転させる。この軸方向移動手段２７と回転手段２８により、ピン孔６の内面全体に対してレーザピーニングを施工することが可能である。

なお、レーザ光出射手段２５は、ピン孔６の径にあわせて筐体３３を交換することにより、その他の構成はそのままに径の異なるピン孔６に対してレーザピーニングの施工を可能とすることができる。

また、筐体３３には送液手段２６が連結されており、送液手段２６は施工対象部に液体を供給する。筐体３３の外側に送液用のホースと噴射ノズルを取り付けてもよいし、筐体３３内部を介して送液し、レーザ光出射口３４から液体を供給することもできる。送液手段２６から供給する液体として水を用いることで、施工対象部の近傍を清浄しながらレーザ光３１を照射することが可能である。また、送液手段２６から噴出される液体として、水のような中性の液体に代えてアルカリイオン水やアンモニア水といったアルカリ性の液体を用いることにより、タービン動翼１やディスク３に錆が発生するのを防止することができる。

以上説明したように、本実施例によれば、ピン孔６にレーザピーニングを施工することが可能なレーザピーニング装置２１を用いることにより、ピン孔６に圧縮残留応力領域を形成して、疲労強度と耐ＳＣＣ性を向上させた蒸気タービンを提供することが可能である。

本発明の実施例３について、図面を用いて以下説明する。なお、実施例１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１０は実施例１のウォータジェットピーニングを実施する具体的な構成の一例であるウォータジェットピーニング装置４１の概要を示す要部拡大縦断面図である。ウォータジェットピーニング装置４１は、水を供給するための水供給手段４２と、水供給手段４２から供給された水を噴出するノズル４３を備える。

ピン孔１３側面にノズル４３を固定する。ノズル４３からは水供給手段４２を介して高圧の水噴流４４が噴出される。ピン孔６の周囲に水が存在する状態であれば、水噴流４４を噴出した際にキャビテーション気泡４５が形成され、ピン孔６内面にウォータジェットピーニングを施工することが可能である。また、ノズル４３を複数にして複数のピン孔６に対して同時に施工可能とする、あるいはノズル４３を細径としてピン孔６内部へ挿入できる構成とする、といったことも可能である。

以上説明したように、本実施例によれば、ピン孔６にウォータジェットピーニングを施工することが可能なウォータジェットピーニング装置４１を用いることにより、ピン孔６に圧縮残留応力領域を形成して、疲労強度と耐ＳＣＣ性を向上させた蒸気タービンを提供することが可能である。

本発明の実施例４について、図面を用いて以下説明する。なお、実施例１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１１は実施例１の超音波ショットピーニングを実施する具体的な構成の一例である超音波ショットピーニング装置５１の概要を示す要部拡大縦断面図である。超音波ショットピーニング装置５１はハウジング５２と、ハウジング５２に連結された超音波振動発生手段５３を備える。

ピン孔６にショット５４を挿入し、ピン孔６の両端をハウジング５２により閉塞する。ハウジング２０２には超音波振動発生手段５３が連結されており、超音波振動発生手段５３からハウジング５２を介してピン孔６に超音波振動を付与する。超音波振動によってピン孔６に挿入したショット５４が跳ねてピン孔６内面に衝突し、ピン孔６内面に圧縮残留応力を付与することができる。

以上説明したように、本実施例によれば、ピン孔６に超音波ショットピーニングを施工することが可能な超音波ショットピーニング装置５１を用いることにより、ピン孔６に圧縮残留応力領域を形成して、疲労強度と耐ＳＣＣ性を向上させた蒸気タービンを提供することが可能である。

本発明の実施例５について、図面を用いて以下説明する。なお、実施例１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１２はピン孔６内面にバニシング加工を行うバニシング加工装置６１の概要を示すブロック図である。バニシング加工装置６１は、回転軸６２の先端に取り付けられた押付ローラ６３と、押付ローラに回転トルクを発生させるトルク発生手段６４と、回転軸６２をピン孔６の軸方向に沿って移動させる軸方向移動手段６５と、施工対象部位に作業用液体を供給する送液手段６６を備える。

ピン孔６に回転軸６２を挿入し、トルク発生手段６４によって押付ローラ６３をピン孔６内面に押し付ける。押付ローラ６３をピン孔６内面に押し付けた状態でトルク発生手段６４により回転軸６２を回転させ、軸方向移動手段６５によって押付ローラ６３をピン孔６の軸方向に移動させることにより、ピン孔６内面全体にバニシング加工を行うことが可能である。

以上説明したように、本実施例によれば、バニシング加工装置６１により、ピン孔６内面に押付圧力を加えてピン孔６内面を塑性変形により押しつぶし、圧縮残留応力領域を形成するバニシング加工を行い、疲労強度と耐ＳＣＣ性を向上させた蒸気タービンを提供することが可能である。

なお、本実施例の押付ローラ６３に代えてバニシングリーマ、ボールバニシング用のツールなどを適用することが可能である。

本発明の実施例６について、図面を用いて以下説明する。なお、実施例２と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１３はレーザピーニング装置２１のレーザ光伝送手段２４の概要を示すブロック図である。

以下、本実施例によるレーザ光伝送手段２４によるレーザ光の伝送について、レーザ光の経路に沿って説明する。レーザ発振器２２（図８参照）から放射されたレーザ光３１は、光ファイバ７１ａによって伝送される。光ファイバ７１ａ端部から放出されたレーザ光３１は一定の角度で広がっていく。光ファイバの場合、開口数（Ｎ／Ａ）０．２で広がっていくことになる。広がったレーザ光３１はレンズ７２ａに入射し、コリメートされて平行な光となる。コリメートされたレーザ光３１は第２のレーザ光調整手段である反射ミラー７３によって反射される。ここで、反射ミラー７３として角度４５°のミラーを用いると、レーザ光３１は９０°の方向に反射する。反射したレーザ光３１はレンズ７２ｂによって集光され、光ファイバ７１ｂに入射する。光ファイバ７１ｂに入射したレーザ光３１は図示しないレーザ光出射手段２５へ伝送される。

このような構成とすることで、レーザ光を９０°折り曲げて伝送することが可能となる。従来、レーザ光の伝送に光ファイバだけを用いた場合には光ファイバの曲げ半径以下（Ｒ１００）ではレーザ光を伝送することができなかったが、この方法を用いることで光ファイバの曲げ半径よりも小さいスペースでもレーザ光を伝送することが可能となる。

以上説明したように、本実施例によれば、光ファイバの曲げ半径よりも小さいスペースでレーザ光を曲げて伝送することが可能となり、蒸気タービンの動翼植込み部という狭隘な環境へのレーザピーニングの適用を容易とすることが可能となる。

なお、本実施例においては光ファイバ７１ｂからレーザ光射出手段２５へレーザ光を伝送するものとしたが、例えばガラス棒を光ファイバ７１ｂの代わりに用いることも可能である。

本発明の実施例７について、図面を用いて以下説明する。なお、実施例２と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１４はレーザピーニング装置２１のレーザ光出射手段２５の概要を示す要部拡大縦断面図である。

図１４に示すレーザ光出射手段２５には、先端に位置決め手段８１が装備されている。位置決め手段８１をレーザ光３１が出射される出射口３４側に具備することにより、位置決め手段８１を常に接触させながらレーザ光３１を照射することで、施工部に対して常に同じ距離でレーザピーニングを行うことができる。位置決め手段８１としては、例えばローラが考えられるが、施工中に位置決め手段８１がピン孔６に接触する程度の加重がかかる状態でレーザ光出射手段２５が回転、軸方向移動可能であれば、位置決め手段８１は単なる突起物であってもよく、あるいは接触式あるいは非接触式センサー等を採用することも考えられる。また、位置決め手段８１はレーザ光出射手段２５の円周方向に複数設けられていても、あるいは軸方向に異なる位置に複数設けられていてもよい。

本実施例によれば、レーザ光出射手段２５に位置決め手段８１を設けることにより、レーザ光出射手段２５とピン孔６の距離を一定に保ちレーザピーニングを容易に実施することができる。

本発明の実施例８について、図面を用いて以下説明する。なお、実施例２と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１５はレーザピーニング装置の概要を示す要部拡大縦断面図である。

ピン孔６内面のレーザ照射を行う部位の近傍には送液手段９１ａから液体を流すことで、レーザ照射を行う部位を清浄しながらレーザ照射を行うことができるが、供給する液体が水である場合はピン孔６内面に錆を生じることが考えられる。そこで、送液手段９２ｂから翼フォーク２あるいはディスクフォーク４に発錆を防止する液体を噴出することで、ピン孔６内面あるいはディスクフォーク４や翼フォーク２の表面から錆が発生するのを防ぐことができる。送液手段９１ｂからはアルカリイオン水、アンモニア水、水溶性切削油、などの防錆性の液体を供給する。

本実施例によれば、レーザピーニングの施工に水を用いる場合に、さらに防錆性の液体をピン孔６内部に供給することで、レーザピーニング施工部と施工部周辺の錆発生防止が可能となる。

以上本発明の実施例について図を参照して説明してきたが、上記複数の実施例に説明した特徴を任意に組み合わせたところの構成であってもよく、例えば実施例７と実施例８を組み合わせたレーザピーニング装置２１を用いて疲労強度と耐ＳＣＣ性を向上させた蒸気タービンを提供することが可能である。当業者にあっては、具体的な実施例において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種種の変形・変更を加えることが可能である。

本発明の実施例１による蒸気タービンのタービン動翼とディスクの結合構造を示す側面図。 ピンが挿入されてないタービン動翼とディスクの結合構造を示す要部拡大縦断面図。 ピンが挿入されてないタービン動翼とディスクの結合構造を示す要部拡大縦断面図。 実施例１による蒸気タービンの応力改善処理方法を示すフローチャート。 （ａ）ＳＵＳ３１６Ｌ材の試験片形状を示す図。（ｂ）Ｔｉ−６Ｖ−４Ａｌ材の試験片形状を示す図。 レーザピーニング施工／未施工のＳＵＳ３１６Ｌ材の高サイクル疲労試験結果を示すグラフ。 レーザピーニング施工／未施工のＴｉ−６Ｖ−４Ａｌ材の高サイクル疲労試験結果を示すグラフ。 実施例２によるレーザピーニング装置の概要を示す要部拡大縦断面図。 レーザ光出射手段近傍を拡大した要部拡大縦断面図。 実施例３によるウォータジェットピーニング装置の概要を示す要部拡大縦断面図。 実施例４による超音波ショットピーニング装置の概要を示す要部拡大縦断面図。 実施例５によるバニシング加工装置の概要を示す要部拡大縦断面図。 実施例６によるレーザピーニング装置のレーザ光伝送手段の概要を示すブロック図。 実施例７によるレーザピーニング装置のレーザ光出射手段の概要を示す要部拡大縦断面図。 実施例８によるレーザピーニング装置の概要を示す要部拡大縦断面図。 従来の蒸気タービンのタービン動翼とディスクの結合構造を示す側面図。 従来のタービン動翼の植込み部の要部拡大縦断面図。 タービン動翼とディスクの結合構造部にショットピーニングを施工する概要を示す概念図。

符号の説明

１ タービン動翼
２ 翼フォーク
３ ディスク
４ ディスクフォーク
５ ピン
６ ピン孔
７ 圧縮残留応力領域
２１ レーザピーニング装置
２２ レーザ発振器
２３ レーザ光調整手段
２４ レーザ光伝送手段
２５ レーザ光出射手段
２６ 送液手段
２７ 軸方向移動手段
２８ 回転手段
３１ レーザ光
３２ レーザ光集光手段
３３ 筐体
３４ レーザ光出射口
４１ ウォータジェットピーニング装置
４２ 水供給手段
４３ ノズル
４４ 水噴流
４５ キャビテーション気泡
５１ 超音波ショットピーニング装置
５２ ハウジング
５３ 超音波振動発生手段
５４ ショット
６１ バニシング加工装置
６２ 回転軸
６３ 押付ローラ
６４ トルク発生手段
６５ 軸方向移動手段
６６ 送液手段
７１ａ、７１ｂ 光ファイバ
７２ａ、７２ｂ レンズ
７３ 反射ミラー
８１ 位置決め手段
９１ａ、９１ｂ 送液手段
１０１ タービン動翼
１０２ 翼フォーク
１０３ ディスク
１０４ ディスクフォーク
１０５ ピン
１０６ ピン孔
５０１ ノズル
５０２ 投射材
５０３ 反射板
５０４ 投射方向

Claims (15)

1. 翼フォークを有するタービン動翼と、
   このタービン動翼の前記翼フォークと係合するディスクフォークを有するディスクと、
   係合した前記翼フォーク及び前記ディスクフォークを貫通するピン孔と、
   このピン孔に挿入され前記タービン動翼と前記ディスクを結合するピンと、を有する蒸気タービンであって、
   前記ピンは、前記ピン孔の内面の少なくとも一部に応力改善処理により圧縮残留応力領域が形成された後に前記ピン孔に挿入されたことを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記応力改善処理は、レーザピーニング、ウォータジェットピーニング、超音波ショットピーニング、バニシング加工のうち何れかであることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
3. 前記圧縮残留応力領域はレーザピーニングによって形成され、かつ前記レーザピーニングは、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
   このレーザ発振器から放出されたレーザ光を前記ピン孔内面の施工部に照射するレーザ光出射手段と、
   前記レーザ光を前記レーザ発振器から前記レーザ光出射手段へ伝送するレーザ光伝送手段と、
   前記レーザ発振器から放出されたレーザ光を整形して前記レーザ光伝送手段に導入するレーザ光調整手段と、
   レーザ光の照射点に液体を供給する送液手段と、
   前記レーザ光出射手段を前記ピン孔の軸方向に移動させる軸方向移動手段と、
   前記レーザ光出射手段を前記ピン孔の周方向に回転させる回転手段と、
   を備えるレーザピーニング装置を用いてなされたことを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン。
4. 前記レーザ光伝送手段は、
   前記レーザ発振器から照射されたレーザ光を伝送する第１のレーザ光伝送手段と、
   この第１のレーザ光伝送手段から放出されたレーザ光を反射して屈折した前記レーザ光の経路を形成する第２のレーザ光調整手段と、
   この第２のレーザ光調整手段により調整されたレーザ光を伝送するための第２のレーザ光伝送手段と、
   を備えることを特徴とする請求項３記載の蒸気タービン。
5. 前記レーザ光出射手段は、
   前記回転手段と直接または間接的に接続された筐体と、
   前記筐体内に配置され前記レーザ光伝送手段から伝送されたレーザ光を集光して施工部へ照射するレーザ集光手段と、
   前記筐体に設けられ前記レーザ集光手段が照射するレーザ光が通過するレーザ光出射口と、
   を備え、
   前記筐体は他の構成要素に対して独立して交換可能であり前記ピン孔の内径に応じて交換可能であることを特徴とする請求項３または請求項４記載の蒸気タービン。
6. 前記レーザ光出射手段は、
   前記筐体と前記ピン孔の内面との距離を一定に保つ位置決め手段を備えることを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか１項記載の蒸気タービン。
7. 前記送液手段は、レーザ照射点に中性またはアルカリ性の液体を供給することを特徴とする請求項３乃至請求項６の何れか１項記載の蒸気タービン。
8. 前記送液手段は、レーザ照射点に水を供給する第１の送液手段と、レーザ光が照射された前記ピン孔内面にアルカリ性または発錆を防止するための防請性液体を供給する第２の送液手段と、を備えることを特徴とする請求項３乃至請求項７記載の蒸気タービン。
9. 前記圧縮残留応力領域は、
   前記翼フォークと前記ディスクフォークを係合させ、前記ピン孔にリーマ加工を施した後に前記動翼を取り外した後に形成されたことを特徴とする、請求項１乃至請求項８の何れか１項記載の蒸気タービン。
10. 蒸気タービンのディスクに設けられたディスクフォークと係合する翼フォークと、
    この翼フォークに設けられ前記ディスクフォークと前記翼フォークを結合して固定するピンが挿入されるピン孔と、を有するタービン動翼であって、
    前記ピンが前記ピン孔に挿入される前に、前記ピン孔の内面の少なくとも一部に圧縮残留応力領域が形成されてなることを特徴とするタービン動翼。
11. 蒸気タービンに取り付けられるタービン動翼に設けられた翼フォークと係合するディスクフォークと、
    このディスクフォークに設けられ前記ディスクフォークと前記翼フォークを結合して固定するピンが挿入されるピン孔と、を有する蒸気タービンのディスクであって、
    前記ピンが前記ピン孔に挿入される前に、前記ピン孔の内面の少なくとも一部に圧縮残留応力領域が形成されてなることを特徴とする蒸気タービンのディスク。
12. 互いに係合するように構成されるタービン動翼の翼フォークとディスクのディスクフォークを有する蒸気タービンの一部に対して応力改善処理を施す蒸気タービンの処理方法であって、
    前記翼フォークと前記ディスクフォークとを係合させる工程と、
    この係合状態を保った状態で、前記翼フォークと前記ディスクフォークに設けられた下孔にリーマ加工を施して前記翼フォークと前記ディスクフォークにピン孔を形成する工程と、
    このピン孔の内面の少なくとも一部に応力改善処理を施して圧縮残留応力領域を形成する工程と、
    この圧縮残留応力領域を形成した後に、前記ピン孔にピンを貫通するように挿入して前記タービン動翼を前記ディスクに固定する工程と、
    を有することを特徴とする蒸気タービンの処理方法。
13. タービン動翼の翼フォークをディスクのディスクフォークと係合させてとりつける工程と、
    前記翼フォークおよび前記ディスクフォークに設けられた下孔にリーマ加工を施してピン孔を形成する工程と、
    前記タービン動翼を前記ディスクから取り外す工程と、
    前記タービン動翼を前記ディスクフォークと同じ構造を備える治具に取り付ける工程と、
    前記ピン孔内面に応力改善処理を施して圧縮残留応力領域を形成する工程と、
    前記タービン動翼を前記治具から取り外して前記ディスクに取り付ける工程と、
    前記ピン孔にピンを挿入する工程と、
    を備えることを特徴とする蒸気タービンの処理方法。
14. 前記応力改善処理は、レーザピーニング、ウォータジェットピーニング、超音波ショットピーニング、バニシング加工のうち何れかであることを特徴とする請求項１２または請求項１３記載の蒸気タービンの処理方法。
15. 前記応力改善処理はレーザピーニングであり、このレーザピーニングは、レーザ光出射手段を前記ピン孔に挿入する工程と、前記レーザ光出射手段から前記ピン孔内面にレーザを照射する工程と、前記レーザ光出射手段を前記ピン孔の軸方向に沿って移動させる工程と、前記レーザ光出射手段を前記ピン孔の軸方向を回転軸として回転させる工程と、前記レーザ光出射手段からレーザを照射される前記ピン孔内面に液体を供給する工程と、を備えることを特徴とする請求項１３または請求項１４記載の蒸気タービンの処理方法。

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