JP2012047184A - Turbine moving blade - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はフォーク型の翼植込部を有するタービン動翼に関する。 The present invention relates to a turbine blade having a fork-type blade implantation portion.
図1の斜視図に示すように、タービンは、ディスク1と、タービン動翼(動翼)2と、ピン3を備えている。
As shown in the perspective view of FIG. 1, the turbine includes a
ディスク1は、回転軸の外周側に取り付けられた円盤状の部材であり、ディスクフォーク4と、ピン穴5を有している。なお、図1(a)は、ディスク1の一部のみを示しており、ディスク1の部分的な断面形状を示している。
The
ディスク1は、動翼2の翼植込部7(後述)と係合するように設けられた複数のフォーク6を備えている。ディスク4のフォーク6は、翼植込部7のフォーク10(後述)の間隔に対応する間隔で、ディスク1の外縁部上にロータ軸方向に沿って配置されている。
The
ピン穴5は、動翼2をディスク1に固定するためのピン3が挿入されるものである。このピン穴5は、動翼2のピン穴11(後述)と中心と直径が同一となるよう製作されている。また、応力を分散して耐久性を向上するため、ピン穴5は複数設けられている。
The
動翼2は、フォーク型の翼植込部(翼フォーク)7と、翼取付部8と、翼部9を備えている。
The moving
翼植込部7は、動翼2をディスク1に取り付けた姿勢(翼取付姿勢)においてディスク1側に位置する部分であり、複数のフォーク10とピン穴11を有している。
The
フォーク10は、翼取付姿勢においてロータ径方向の内側に突出した部材であり、ロータ軸方向に沿って複数配列されている。また、フォーク10は、ディスク1のフォーク6と係合するように設けられており、複数のピン穴11を有している。
The
ピン穴11は、動翼2をディスク1に固定するためのピン3が挿入されるもので、翼植込部7の複数のフォーク10をロータ軸方向から貫通するように設けられている。
The
翼取付部8は、ロータ径方向に所定の厚みを有する部分であって、翼植込部7と一体に取り付けられている。翼取付部8のロータ径方向外側の翼取付面13には翼部9が取り付けられている。また、翼取付部8は、ロータ軸方向の両端に張出部12を有している。張出部12は、翼取付姿勢における翼植込部7のロータ軸方向の両端面と比較して、ロータ軸方向の端面が突出するように設けられた部分である。
The
この種のタービンでは、タービンの回転に伴ってピン穴10に応力がかかるため、亀裂(以下、欠陥)が生じることがある。このため、供用中の動翼の信頼性を確認するために、フォーク10の欠陥検査が重要視されている。
In this type of turbine, stress is applied to the
フォーク10の欠陥検査には、従来、図10に示す磁粉探傷試験(MT(Magnetic particle Testing))が利用されていた。MTとは、検査対象40にN磁極41とS磁極42で磁場をかけた際に欠陥44から漏洩する磁束を検出する手法であって、欠陥の漏洩磁束に集積される蛍光物質を塗布した磁性金属粉43に紫外線を照射し、その磁性金属粉43の集積の有無を蛍光の発光として観察することで欠陥を検出する手法である。しかし、MTによる欠陥検査ではピンを抜いてディスクと動翼を分解する必要があるため、検査に時間がかかるという問題があった。
Conventionally, the magnetic particle testing (MT) shown in FIG. 10 has been used for defect inspection of the
そこで、非分解検査を実現する技術として、超音波探傷試験(UT(Ultrasonic Testing))の適用が検討された。UTとは、図11に示すように、超音波センサ45を用いて検査対象40内に超音波Uを送信し反射波を受信する検査方法であって、欠陥43からの反射があるか否かで欠陥の有無を評価するものである。このUTのフォーク検査への適用手法としては、(1)図11に示すように検査対象内で超音波を反射させて欠陥へ到達させる方法、(2)図13に示すようにピン穴へ超音波を入射させて表面波に変換して欠陥へ到達させる方法が考えられる。
Therefore, application of an ultrasonic flaw test (UT (Ultrasonic Testing)) has been studied as a technique for realizing non-decomposition inspection. As shown in FIG. 11, UT is an inspection method in which an ultrasonic wave U is transmitted into an
これらのUT手法を利用して動翼の欠陥検査を行う技術には、図26に示すダブテイル型の動翼に利用するのものとして、超音波探触子保持器とその位置決め治具を備えている超音波探傷センサが開発されている(特許文献1等参照)。 The technology for inspecting a defect of a moving blade using these UT methods includes an ultrasonic probe holder and a positioning jig for the dovetail type moving blade shown in FIG. An ultrasonic flaw detection sensor has been developed (see Patent Document 1).
ところで、上記(1)の方法でUTを行う場合は、(i)検出感度を確保するために超音波を発振してから欠陥で反射するまでの反射回数の合計(欠陥での反射も含める)を4回以内とすること、(ii)図7に示すように反射効率を安定させるために超音波入射角の範囲を35〜55°程度とすることが必要となる。 By the way, when performing UT by the method of (1) above, (i) the total number of reflections from the oscillation of an ultrasonic wave to reflection at a defect in order to ensure detection sensitivity (including reflection at the defect) (Ii) In order to stabilize the reflection efficiency as shown in FIG. 7, it is necessary to set the range of the ultrasonic incident angle to about 35 to 55 °.
しかし、フォーク形状が超音波の伝播を考慮したものではないため、反射回数と入射角度の制約のため、超音波が到達しない領域が発生する。また、後述の第1の実施の形態と第2の実施の形態の超音波到達距離の比較を表す図16に示すように、翼設置面にUTセンサを設置すると超音波到達距離が長くなるが、翼設置面にUTセンサを設置しようとすると、翼曲面とセンサ間に隙間が生じ、超音波の入射が困難となる。 However, since the fork shape does not consider the propagation of ultrasonic waves, a region where the ultrasonic waves do not reach occurs due to restrictions on the number of reflections and the incident angle. Moreover, as shown in FIG. 16 showing a comparison of ultrasonic reach distances of the first embodiment and the second embodiment described later, when the UT sensor is installed on the blade installation surface, the ultrasonic reach distance becomes long. When attempting to install the UT sensor on the blade installation surface, a gap is generated between the curved surface of the blade and the sensor, making it difficult for the ultrasonic wave to enter.
本発明の目的は、超音波探傷に好適なフォーク型翼植込部を有するタービン動翼を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a turbine rotor blade having a fork type blade implantation portion suitable for ultrasonic flaw detection.
本発明は、上記目的を達成するために、フォーク型の翼植込部を有するタービン動翼において、複数のフォークのうち回転軸方向の端部に位置し、超音波探傷試験の対象となる外フォークと、翼植込部の回転軸の径方向の外側に前記翼植込部と一体に取り付けられた翼取付部と、この翼取付部上の面であって、翼が取り付けられている翼取付面と、この翼取付面上に設けられ、超音波センサが載置される平滑面とを備え、
前記超音波センサから発振された超音波が前記平滑面に進入する点を発振基準点、前記外フォークの回転軸方向における断面形状を回転軸の径方向に射影することによって前記翼取付面上に形成される射影像に対して、回転軸方向の両側から隣接する前記翼取付面上の領域をセンサ設置領域、前記外フォークの回転軸方向の幅をフォーク幅(W3)、前記外フォークが拡大する箇所を変曲点、この変曲点から前記発振基準点までの回転軸の径方向における距離を超音波通過深さ(H4)、前記発振基準点から前記変曲点を通過して前記外フォークのピン穴と接するように作成された直線が前記外フォークの端面に到達する点を超音波到達点、この超音波到達点から前記発振基準点までの回転軸の径方向における距離を超音波到達距離(Hc)とするとき、
前記センサ設置領域は、回転軸方向の幅(W4)が「W4=H4・W3(Hc−H4)」を満たすように形成されており、前記平滑面は、前記センサ設置領域内に前記発振基準点が位置するように設けられているものとする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a turbine rotor blade having a fork-type blade implantation portion, which is located at an end portion in the rotation axis direction of a plurality of forks and is an object of an ultrasonic flaw detection test. A fork, a wing attachment portion integrally attached to the wing implantation portion outside the radial direction of the rotation shaft of the wing implantation portion, and a wing on which a wing is attached on a surface on the wing attachment portion A mounting surface and a smooth surface provided on the blade mounting surface and on which the ultrasonic sensor is placed;
The point where the ultrasonic wave oscillated from the ultrasonic sensor enters the smooth surface is an oscillation reference point, and the cross-sectional shape in the rotation axis direction of the outer fork is projected onto the blade mounting surface by projecting in the radial direction of the rotation shaft. For the projection image to be formed, the area on the blade mounting surface adjacent from both sides in the rotation axis direction is the sensor installation area, the width of the outer fork in the rotation axis direction is the fork width (W3), and the outer fork is enlarged. The inflection point, the radial distance from the inflection point to the oscillation reference point in the radial direction of the rotation axis (H4), the ultrasonic reference point passing through the inflection point from the oscillation reference point The point where the straight line created so as to contact the pin hole of the fork reaches the end surface of the outer fork is the ultrasonic arrival point, and the distance in the radial direction of the rotation axis from this ultrasonic arrival point to the oscillation reference point Reach distance (Hc) When you,
The sensor installation area is formed such that the width (W4) in the rotation axis direction satisfies “W4 = H4 · W3 (Hc−H4)”, and the smooth surface is within the sensor installation area. It is assumed that the points are provided.
本発明によれば、フォーク型翼植込部を有するタービン動翼に対して超音波探傷を利用できるので、供用中のタービン動翼の信頼性を向上することができる。 According to the present invention, since ultrasonic flaw detection can be used for a turbine blade having a fork-type blade implantation portion, the reliability of the turbine blade in service can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図2は本発明の第1の実施の形態である動翼2の構成図である。図2(a)は上面図、図2(b)はその正面図(ロータ径方向から見た図)、図2(c)はその側面図(ロータ軸方向から見た図)である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付し、説明は省略する(後の図も同様とする)。
FIG. 2 is a configuration diagram of the moving
この図に示す翼取付面13に平滑面15が設けられている。平滑面15は、翼取付面13上のUTセンサ16が載置される面であり、UTセンサ16を載置した際に翼取付面13との間に隙間が生じないように平滑となっている。なお、平滑面15の面積は、UTが可能な最小のUTセンサの大きさを考慮して9mm2以上にすることが好ましい。また、動翼を回転させる流体の乱れの発生を抑制することを考慮して100mm2以下とすることが好ましい。また、本実施の形態の平滑面15の大きさは、UTセンサ16の位置合わせが容易なようにUTセンサ16の底面積と等しくしてあるが、UTセンサ16の底面積より大きくしても勿論良い。
A
次に図3から図5を用いてUTセンサ16について説明する。
Next, the
図3はタービン動翼2でUTを行う際に用いられるUTセンサ16の構成図である。この図において、UTセンサ16は、複数の超音波素子31と、検査対象に面する各超音波素子31の底面に設けられた電極32と各超音波素子31の上面に設けられた電極32Bに電圧を印加する信号線33と、電極32B上に設けられ、発振した超音波のエネルギーを吸収するダンパー34を備えている。ダンパー34は、超音波発振時の残振を減らすので、S/Nを向上することができる。また、超音波素子31、電極32、及びダンパー34は、保護ケース35内に格納されている。超音波素子31としてはPZT、LiNbO3、PVDF等の圧電素子を、電極32と電極32BしてはAu,Ag,Cu等の導電性の高い金属を、信号線33としては銅線を、ダンパー34としてはHf,W,Ta等の金属を樹脂に混合したものを用いることが好ましい。また、保護ケース35は、樹脂、金属のうち1つ以上の材質からなるものを成型して用いることが好ましい。
FIG. 3 is a configuration diagram of the
図4はUTセンサ16を用いてUTを行う方法を示す図である。この図に示すように、UTを行う際には、センサ16内に平行配置した複数の超音波素子31から収束点36に同時に超音波が届くように、各超音波素子31における超音波発振開始時間を調整する。ここで、超音波素子31と収束点との最大距離をmax(L)[m]、図中左からi番目の超音波素子31と収束点との距離をLi[m]、超音波の伝搬速度(音速)をV[m/s]、i番目の超音波素子31のX座標をxi[m]、i番目の超音波素子31のY座標をyi[m]、収束点のX座標をxf[m]、収束点のY座標をyf[m]とすると、i番目の超音波素子31と収束点との距離Li[m]、及び各超音波素子31の超音波発振開始時間差dt[s]は次式(1),(2)で表される。
Li=((xi−xf)2+(yi−yf)2)1/2[m]・・・(1)
dt=(max(L)−Li)/V[s]・・(2)
図5は超音波発振開始時間差dt[s]の一例を示す図である。この図は、超音波素子31の総数が20個、V=5780[m/s]、xi=(0.5i−0.25)×10−3[mm]、yi=0[m]、xf=0[m]、yf=3×10−2[m]のときの超音波発振開始時間差dt[s]を示している。この図に示すように、収束点から遠い超音波素子を早く発振させると、各素子から収束点への超音波到達時間が揃うので信号強度を強くすることができる。
FIG. 4 is a diagram illustrating a method of performing UT using the
Li = ((xi−xf) 2 + (yi−yf) 2 ) 1/2 [m] (1)
dt = (max (L) −Li) / V [s] (2)
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the ultrasonic oscillation start time difference dt [s]. This figure shows that the total number of
ここで図2に戻る。図2が示すように、平滑面15上の点であってUTセンサ16の中心が載置される点を発振基準点P1、外フォーク10aの張出部12a側に位置する端面を外側端面20、外フォーク10aのロータ軸方向の端面であって他のフォーク10側に位置するものを内側端面21、張出部幅をW1、外フォーク10aの幅をフォーク幅W2、発振基準点P1から張出部12aのロータ軸方向の端面までの距離をセンサ距離S1とする。なお、図示したように、本実施の形態におけるW2は、ロータ径方向において一定となっている。
Returning now to FIG. As shown in FIG. 2, the point on the
ここで、発振基準点P1から端面21に対して入射角θで超音波Uを発振する場合、欠陥からの反射波の検出感度を確保するために超音波Uを発振してから欠陥で反射するまでの合計反射回数を4回以内にする必要があることを考慮すると、超音波Uが外フォーク10a内で反射したときに到達する距離(L)は、W1、W2、S1を利用して次式(3)で与えられる。
Here, when the ultrasonic wave U is oscillated from the oscillation reference point P1 to the
L=(W1−S1+4W2)/tanθ・・・(3)
また、この式(3)においてW1,W2,S1を固定して入射角θ(θ1<θ2)を大きくすると、図6に示すように到達距離L(L1>L2)が小さくなることが分かる。また、上記式(3)で表される到達距離Lは、図7の超音波の反射効率の入射角依存性に示すように反射効率が安定している35〜55°の範囲に制限すると、次式(4)のようにθ=35°のときに最大値(Lmax)となる。
L = (W1-S1 + 4W2) / tan θ (3)
In addition, when W1, W2, and S1 are fixed in this expression (3) and the incident angle θ (θ1 <θ2) is increased, the reach distance L (L1> L2) is decreased as shown in FIG. Further, when the reach distance L represented by the above formula (3) is limited to a range of 35 to 55 ° where the reflection efficiency is stable as shown in the incident angle dependence of the reflection efficiency of the ultrasonic wave in FIG. As shown in the following equation (4), the maximum value (Lmax) is obtained when θ = 35 °.
Lmax=(W1−S1+4W2)/tan35°・・・(4)
ここで、外フォーク10a上でUTセンサ16からの超音波の到達が必要な最長到達点をP2とし、P1からP2までのロータ径方向における距離を必要到達距離Hとする。このとき、P2まで超音波Uを到達させるためには必要到達距離Hよりも最大到達距離Lmaxが大きくなるように設定すれば良い(即ち「H≦Lmax」)。これにより本実施の形態のタービン動翼2は、必要到達距離H、張出部幅W1、フォーク幅W2、及びセンサ距離S1の値が次式(5)を満たすように形成されている。
Lmax = (W1-S1 + 4W2) / tan35 ° (4)
Here, the longest arrival point where the ultrasonic wave from the
tan35°≦(W1−S1+4W2)/H・・・(5)
図8は、W1=25[mm]、S1=5[mm]、θ=35[°]のときにおける超音波到達距離(H)のフォーク幅(W2)に対する依存性を示した図である。図8中の直線は、式(5)にW1=25[mm]、S1=5[mm]、θ=35[°]を代入した式(H≦(20+4W2)/tan35°)によって描かれるものである。例えば、H=100[mm]の場合、W2は約12.5[mm]以上にする必要があることが分かる。
tan35 ° ≦ (W1−S1 + 4W2) / H (5)
FIG. 8 is a diagram showing the dependence of the ultrasonic reach distance (H) on the fork width (W2) when W1 = 25 [mm], S1 = 5 [mm], and θ = 35 [°]. The straight line in FIG. 8 is drawn by the formula (H ≦ (20 + 4W2) / tan35 °) in which W1 = 25 [mm], S1 = 5 [mm], and θ = 35 [°] are substituted into the formula (5). It is. For example, when H = 100 [mm], it is understood that W2 needs to be about 12.5 [mm] or more.
ところで、欠陥はピン穴11の周囲に発生するので、上記において必要到達距離Hは、ピン穴11aの位置となる。
By the way, since a defect occurs around the
また、上記の実施の形態において、張出部12aの厚みは下記のように決定すると良い。ここで図2に示すP1からP2に対して発振された超音波Uが張出部12aを通過する際に到達する深さを張出部通過深さ(H1)とすると、H1は翼取付面13を基準として「H1=(W1−S1)/tanθ」で表される。これにより、例えば、図8の例(W1=25,D1=5,θ=35°)では、H1は約28.7[mm]となる。なお、このH1の範囲は、超音波の反射効率の安定性を考慮すると、
「(W1−S1)/tan55°≦T1≦(W1−S1)/tan35°」となる。したがって、外フォーク10aの外側端面20位置における張出部12aの厚さを張出部最小厚さ(T1)とすると、「H1≦T1」とすれば良い。このように張出部12aを形成すれば、超音波Uを張出部12a内で反射させることなく、外フォーク10a内へ導入することができる。
Moreover, in said embodiment, it is good to determine the thickness of the overhang |
“(W1-S1) / tan 55 ° ≦ T1 ≦ (W1-S1) / tan 35 °”. Therefore, if the thickness of the overhanging
図9は本実施の形態におけるUT実施手順のフローチャートである。この図に示すように、本実施の形態においてUTを実施するためには、まず、翼植込部7(外フォーク10a及び張出部12a)の形状、UTセンサ16内の超音波素子31の位置、及び式(1)(2)から、超音波発振開始時間差dtを求める(S201)。次に、UTセンサ16を平滑面15上に設置し、S201で求めた時間差dtを利用して超音波を発振し、超音波探傷信号を取得する(S202)。最後に、超音波探傷信号の測定結果から翼植込部7の欠陥の有無を評価してUTを終了する(S203)。
FIG. 9 is a flowchart of the UT implementation procedure in this embodiment. As shown in this figure, in order to implement UT in the present embodiment, first, the shape of the wing implantation part 7 (the
次に本実施の形態の効果について、比較例等を参照しながら説明する。 Next, the effects of the present embodiment will be described with reference to comparative examples.
フォーク型のタービン動翼植込部の欠陥検査には、従来、磁粉探傷試験(MT(Magnetic particle Testing))が利用されていた。しかし、このMTによる欠陥検査をフォーク型翼植込部を有するタービン動翼に用いると、ピンを抜いてディスクと動翼を分解する必要があるため、検査に時間がかかるという問題があった。そこで、非分解検査を実現する技術として、UTによる検査技術が開発された。UTとは、超音波センサを用いて検査対象内に超音波Uを送信し反射波を受信する検査方法であって、欠陥からの反射があるか否かで欠陥の有無を評価するものである。このUTの手法としては、図12に示した検査対象40内で超音波Uを反射させて欠陥43へ到達させる方法がある。しかし、この方法でUTを行う場合は、(i)検出感度を確保するために超音波を発振してから欠陥で反射するまでの反射回数の合計(欠陥での反射も含める)を4回以内とすること、(ii)反射効率を安定させるために超音波反射角の範囲を35〜55°程度とすることが必要となる。この制約のため、超音波を欠陥43まで到達できない場合があった。
Conventionally, magnetic particle testing (MT) has been used for defect inspection of fork-type turbine rotor blade implants. However, when this defect inspection by MT is used for a turbine rotor blade having a fork type blade implantation portion, there is a problem that it takes time to inspect because it is necessary to remove the pin and disassemble the disk and the rotor blade. Therefore, an inspection technique using UT has been developed as a technique for realizing non-disassembly inspection. The UT is an inspection method that transmits an ultrasonic wave U into an inspection object and receives a reflected wave using an ultrasonic sensor, and evaluates the presence / absence of a defect depending on whether there is reflection from the defect. . As a method of this UT, there is a method of reflecting the ultrasonic wave U in the
これに対して本実施の形態のタービン動翼は、超音波センサ16が載置される平滑面15を翼取付面13上に有しており、W1、W2、S1、Hの間に、「tan35°≦(W1−S1+4W2)/H」が成立するように形成されている。このようにタービン動翼を形成すれば、UTが必要な箇所のうちロータ径方向の最も内側に位置する点(最長到達点P2)に超音波を発振するときにも上記条件(i)(ii)が満たされるので、P2よりロータ径方向の内側に位置する部分にも超音波を到達することができる。これによりフォーク型翼植込部を有するタービン動翼の供用中に欠陥が発生してもUTによって発見することが容易になるので、供用中のタービン動翼の信頼性を向上することができる。
On the other hand, the turbine rotor blade of the present embodiment has a
次に本発明の第2の実施の形態を説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described.
本実施の形態のタービン動翼2Aが第1の実施の形態のタービン動翼2と異なる点は、UTセンサ16を張出部12aのロータ径方向の外側端面に取り付けている点である。
The
図15は本発明の第2の実施の形態であるタービン動翼2Aの構成図である。図15(a)はタービン動翼2Aの上面図、図15(b)はその正面図(ロータ径方向から見た図)、図15(c)はその側面図(ロータ軸方向から見た図)である。なお、この図では翼部9は省略してある。
FIG. 15 is a configuration diagram of a
この図において、張出部12aのロータ径方向の端面は平滑に設けられており、この端面上にはUTセンサ16が着脱可能に取り付けられている。また、この図において、張出部12aのロータ径方向の端面上の点であってUTセンサ16の中心が載置される点を発振基準点P1aとし、P1aから翼取付面13までの距離をセンサ距離S2とする。このとき、P1aにおいて入射角θで発振された超音波Uが外フォーク10a内で4回目に反射する点から翼取付面13までの距離(最大到達距離La)は、張出部幅W1、フォーク幅W2、及びセンサ距離S2を利用して次式(6)で与えられる。
La=(W1+4W2)/tanθ+S2・・・(6)
第1の実施の形態同様、超音波の反射効率の安定性から最大到達距離Laはθ=35°のときに実質最大となることを考慮すると、翼取付面13から最長到達点P2までのロータ径方向における距離を必要到達距離Haは、次式(8)を満たすように設定すれば良い。
In this figure, the end surface of the overhanging
La = (W1 + 4W2) / tan θ + S2 (6)
As in the first embodiment, considering that the maximum reach distance La is substantially the maximum when θ = 35 ° from the stability of the reflection efficiency of ultrasonic waves, the rotor from the
Ha≦(W1+4W2)/tan35°+S2・・・(8)
図16は、W1=25[mm]、S2=5[mm]、θ=35[°]における超音波到達距離(Ha)のフォーク幅(W2)に対する依存性を示した図である。この図において、Ha=100[mm]とすると、W2は約10.4[mm]以上にする必要があることが分かる。
Ha ≦ (W1 + 4W2) / tan35 ° + S2 (8)
FIG. 16 is a diagram illustrating the dependence of the ultrasonic reach distance (Ha) on the fork width (W2) at W1 = 25 [mm], S2 = 5 [mm], and θ = 35 [°]. In this figure, when Ha = 100 [mm], it is understood that W2 needs to be about 10.4 [mm] or more.
また、図16中の1点破線は同一の翼植え込み部形状における第1の実施の形態の超音波到達距離の参照データである。この破線は式(4)にW1=25[mm]、S1=5[mm]、θ=35[°]を代入した式(Ha≦(25−5+4W2)/tan35°)によって描かれるものである。このように第2の実施の形態は、第1の実施の形態に比し超音波到達距離は短くなる。しかし、以上のように構成した本実施の形態のタービン動翼2Aによれば、第1の実施の形態のように翼取付面13上に平滑面を設けることなくUTを実施することができる。したがって、翼取付面13に平滑面を設けることが難しい場合にも、UTを実施することができる。
Also, the one-dot broken line in FIG. 16 is reference data of the ultrasonic reach distance of the first embodiment in the same wing implantation part shape. This broken line is drawn by the formula (Ha ≦ (25−5 + 4W2) / tan 35 °) in which W1 = 25 [mm], S1 = 5 [mm], and θ = 35 [°] are substituted into the formula (4). . As described above, in the second embodiment, the ultrasonic reach distance is shorter than that in the first embodiment. However, according to the
次に本発明の第3の実施の形態を説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described.
本実施の形態のタービン動翼2Bが上記の各実施の形態のタービン動翼と異なる点は、横波を表面波(レイリー波)に変換してUTを行っている点である。
The difference between the
図17はこのUT方法の原理図である。この図に示すように、横波をレイリー波に変換してUTを行う際には、ピン穴の表面に接するように超音波Uを発振する。この図において、接線50は超音波Uの発振位置からピン穴11の表面に接するように作成した直線であり、接点51は直線50がピン穴11と接する点である。横波52は接線50上を進むように発振されており、接点51でピン穴11の表面に接する。接点51でピン穴11の表面に接した横波52は、レイリー波53となってピン穴11の表面を伝播し、ピン穴11の表面に形成された欠陥54に到達している。ピン穴11においてレイリー波を発生させるためには、ピン穴11の径方向の振動成分が超音波Uに含まれていることが必要であるため、超音波Uは、図17に示すような側面図内で振動する成分(即ち、横波成分)を有している。
FIG. 17 shows the principle of this UT method. As shown in this figure, when performing a UT by converting a transverse wave into a Rayleigh wave, an ultrasonic wave U is oscillated so as to be in contact with the surface of the pin hole. In this figure, the
以下では、まず、横波成分を有する超音波Uをピン穴11の表面に直接入射する方法について説明する。
Below, the method to inject the ultrasonic wave U which has a transverse wave component directly into the surface of the
図18は本発明の第3の実施の形態であるタービン動翼2Bの構成図である。図18(a)はタービン動翼2Bの上面図、図18(b)はその正面図(ロータ径方向から見た図)、図18(c)はその側面図(ロータ軸方向から見た図)である。フォーク10のロータ軸方向における断面形状を翼取付面13に対してロータ径方向に射影するものとする。このとき、平滑面15Bは、翼取付面13上に射影されたフォーク10の断面形状(断面形状D1とする)内に発振基準点P1bが位置するように設けられている。すなわち、本実施の形態の平滑面15Bは、図18(b)に示すフォーク10の端面60に対し、発振基準点P1bがロータ径方向外側に位置するように翼取付面13上に設けられている。このように平滑面15Bを形成すると、ピン穴11に超音波Uを直接入射させることができるので、レイリー波を利用したUTを実施することができる。
FIG. 18 is a configuration diagram of a
図18に示すタービン動翼2Bは、翼取付面13上に、超音波センサ(UTセンサ)55が載置される平滑面15Bを有している。UTセンサ55は、単一の超音波素子を利用したシングルプローブ型のもので、シュー56を超音波発信素子と試験体間に挿入することで超音波入射角θを調整する。図19は本実施の形態のタービン動翼のUTに利用するシューの構成図である。この図に示すように、シュー56は、角度θ1に傾いた斜面57を有するクサビ型に形成されおり、平滑面15B上に載置されている。斜面57上にはネジ等によってUTセンサ55が固定されている。シュー56内での超音波速度をV1とし、検査対象(タービン動翼2B)内での超音波速度をV2とし、検査対象内での超音波入射角度をθ2とする。このとき、スネルの法則から下記式(9)が成り立つ。
sinθ1/V1=sinθ2/V2・・・(9)
したがって、平滑面15Bに対する超音波入射角θ2を所望の角度に調整する場合には、(9)式が成立する角度θ1を有するシュー56を用いて超音波を発振すれば良い。また、シュー56の素材としてはアクリル等を利用することが好ましい。
A
sin θ1 / V1 = sin θ2 / V2 (9)
Therefore, when adjusting the ultrasonic incident angle θ2 with respect to the
図20は本実施の形態におけるUT実施手順のフローチャートである。この図に示すように、本実施の形態においてUTを実施するためには、まず、発振基準点P1bを通過しかつピン穴11の表面に接する直線の傾きから、平滑面15Bに対する超音波Uの入射角θ2を求める(S211)。このように定めた入射角θ2で超音波Uを入射すれば、超音波Uはピン穴11の表面でレイリー波に変換される。次に、S211で求めた入射角θ2と、シュー56内での超音波速度V1と、タービン動翼2B内での超音波速度をV2を、式(9)に代入し、シュー56の傾斜角度θ1を求める(S212)。そして、S212で求めた角度θ1を有し、斜面57上にUTセンサ55が固定されたシュー56を平滑面15B上に載置し、超音波を発振して超音波探傷信号を取得する。最後に、超音波探傷信号の測定結果から翼植込部7(フォーク10)の欠陥の有無を評価してUTを終了する(S213)。
FIG. 20 is a flowchart of the UT implementation procedure in this embodiment. As shown in this figure, in order to implement UT in this embodiment, first, the ultrasonic wave U is applied to the
上記のように構成したタービン動翼2Bによれば、翼取付面13上に設けた平滑面15Bを介して超音波Uをピン穴11の表面に対して直接入射することができる。これにより、超音波Uの横波成分をピン穴11でレイリー波に変換して、ピン穴11の表面上を伝播させることができる。これによりフォーク型翼植込部を有するタービン動翼の供用中に欠陥が発生してもUTによって発見することが容易になるので、供用中のタービン動翼の信頼性を向上することができる。
According to the
なお、本実施の形態において、欠陥が無い場合に得られる超音波探傷信号と、欠陥が有る場合に得られる超音波探傷信号とを比較することで、UTセンサ55から欠陥までの距離を求める方法を図21を利用して説明する。図21(a)は欠陥が無い場合、図21(b)は欠陥が有る場合のものである。この図において、ピン穴11に対する横波61の入射点をA点とし、フォーク10の側面をB点とし、ピン穴上の欠陥63の位置をC点とする。レイリー波が伝播する面が平面でない場合には、曲面の曲がり(曲率等)に応じてレイリー波の伝搬速度が異なることが知られている。レイリー波の伝搬速度が既知でない場合においても、超音波の入射点(A点)からフォーク10の端面(C点)までの伝搬時間と、超音波の入射点(A点)から欠陥(B点)までの伝搬時間の比を求めることによって、円弧ABと円弧ACの長さの比を求めることができる。したがってこの円弧AB及び円弧ACの長さの比に基づいて、欠陥までの距離を求めることができる。
In the present embodiment, a method for obtaining the distance from the
上記では、超音波Uをピン穴11に直接入射する方法について説明したが、縦波成分で形成された超音波を一旦フォーク10の側面に入射し、モード変換によって縦波成分を横波成分に変換してからピン穴11に入射させる方法を利用しても良い。次に、この方法を図22及び図23を用いて説明する。
In the above description, the method of directly injecting the ultrasonic wave U into the
図22はフォーク10の側面でモード変換した超音波をピン穴に入射する方法の説明図、図23(a)は縦波の入射角θLとモード変換の効率を示す図、図23(b)は縦波の入射角θLと横波の反射角θTの関係を示す図である。
FIG. 22 is an explanatory diagram of a method for injecting an ultrasonic wave that has undergone mode conversion on the side surface of the
図22において、縦波成分から成る超音波は、平滑面15Bに対して入射角θ2(θ2+θL=90°)で入射され、フォーク10の側面に対して入射角θLで入射している。フォーク10に入射角θLで入射した超音波(縦波成分)は、
sin(θT)÷VS=sin(θL)÷VL (11)
に基づいて横波にモード変換されて反射角θTで反射される。
In FIG. 22, ultrasonic waves composed of longitudinal wave components are incident on the
sin (θT) ÷ VS = sin (θL) ÷ VL (11)
Is converted into a transverse wave based on the reflection angle θT and reflected at a reflection angle θT.
例えば、VS=3100[m/s]、VL=6100[m/s]の検査対象の平滑面15Bからθ2=30°で縦波の超音波を入射すると、フォーク10の側面に対する縦波の入射角θLは60°となる。このように縦波が入射角60°で入射される場合、フォーク10における横波へのモード変換効率は図23(a)に示されるように90%以上にし、モード変換が効率的に行われる。また、モード変換後の横波は、図23(b)に示されるように、約30°で反射される。したがって、平滑面15Bに入射角30°で縦波を入射させれば、ピン穴11に対して幾何学的に探傷に好適な横波が発生することが分かる。このように、縦波を横波にモード変換してUTを実施する場合には、モード変換効率と反射角θTを考慮しながら入射角θ2を定め、超音波をピン穴11に入射すれば良い。
For example, when a longitudinal ultrasonic wave is incident at θ2 = 30 ° from the
なお、上記では、シングルプローブ型のUTセンサ55を利用する方法について説明したが、本実施の形態でも第1及び第2の実施の形態のようなアレイ型のUTセンサ16を利用し、発振開始時間差(dt)を与えて超音波を入射しても良いことは言うまでもない。
In the above description, the method of using the single probe
次に本発明の第4の実施の形態を説明する。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
本実施の形態のタービン動翼2Cが第3の実施の形態と異なる点は、UTセンサ55の設置箇所である。
The difference between the
図24は本発明の第4の実施の形態であるタービン動翼2Cの構成図である。図24(a)はタービン動翼2Cの上面図、図24(b)はその正面図(ロータ径方向から見た図)、図24(c)はその側面図(ロータ軸方向から見た図)である。この図に示すタービン動翼2Cは、翼取付面13上に設けられた領域D2のいずれかに、発振基準点P1cが設定される平滑面15Cを備えている。平滑面15Cは、翼取付面13上に設けられた平滑な面であって、超音波センサ55又は超音波センサ55が固定されたシュー56が載置される面である。発振基準点P1cは、UTセンサ55から発振された超音波Uが平滑面15Cに進入する点である。平滑面15Cは、センサ設置領域D2内に発振基準点P1cが位置するように翼取付面13上に設けられている。
FIG. 24 is a configuration diagram of a turbine rotor blade 2C according to the fourth embodiment of the present invention. 24A is a top view of the turbine rotor blade 2C, FIG. 24B is a front view thereof (viewed from the rotor radial direction), and FIG. 24C is a side view thereof viewed from the rotor axial direction. ). The turbine rotor blade 2C shown in this figure includes a
図24(b)に示すように、フォーク10のロータ径方向の幅をW2、W2が拡大する箇所をP3、P3からP1cまでのロータ径方向における距離を超音波通過深さH4とし、P3を通りピン穴11bと接する直線がフォーク10の端面に到達する点を超音波到達点P2cとし、P3を通りピン穴11bと接する直線が翼取付面13に到達する点をP1cmとし、P2cからP1cまでのロータ径方向における距離を超音波到達距離Hcとする。なお、本実施の形態では、フォーク幅W3はロータ径方向において一定であり、超音波通過深さH4はフォーク10のロータ軸方向の端面の位置における翼取付部8の厚さに相当している。ここで、P1cmは領域D2の境界線上の点である。このとき、センサ設置領域D2のロータ軸方向における幅W4は、次式(10)によって与えられる。
As shown in FIG. 24B, the width of the
W4=H4・W2/(Hc−H4)・・・(10)
このように幅W4を有するセンサ設置領域D2を設定し、その領域内にP1cが位置するように平滑面15Cを設ければ、フォーク10に設けられた複数のピン穴11に対して超音波Uを直接入射することができる。これによりフォーク型翼植込部を有するタービン動翼の供用中に欠陥が発生してもUTによって発見することが容易になるので、供用中のタービン動翼の信頼性を向上することができる。
W4 = H4 · W2 / (Hc−H4) (10)
When the sensor installation region D2 having the width W4 is set in this way and the
図25はセンサ設置領域幅W4のフォーク幅W3への依存性を示す図である。図25(a)は超音波通過深さH4を一定(30[mm])とした場合のものであり、図25(b)は超音波到達距離Hcと超音波通過深さH4の差(本実施の形態ではフォーク10の長さ)“Hc−H4”を一定(80[mm])とした場合のものである。この図に示すように、フォーク幅W3を大きくすると、センサ設置領域幅W4を大きくすることができる。このように本実施の形態によれば、第3の実施の形態と比較してUTセンサの設置位置の自由度を増加することができる。 FIG. 25 is a diagram showing the dependence of the sensor installation area width W4 on the fork width W3. FIG. 25A shows the case where the ultrasonic passage depth H4 is constant (30 [mm]), and FIG. 25B shows the difference between the ultrasonic reach distance Hc and the ultrasonic passage depth H4 (this In the embodiment, the length of the fork 10) “Hc−H4” is constant (80 [mm]). As shown in this figure, when the fork width W3 is increased, the sensor installation region width W4 can be increased. Thus, according to the present embodiment, the degree of freedom of the installation position of the UT sensor can be increased as compared with the third embodiment.
このように平滑面15Cを設ければ、第3の実施の形態同様に、超音波センサ55から発振された超音波Uをピン穴11bの表面に接するように直接入射することができる。また、このように最もロータに近いピン穴11bに対して超音波Uを入射できれば、ピン穴11bよりロータ径方向外側に位置する他のピン穴11に対しても超音波Uを入射することができるので、フォーク10に設けられたすべてのピン穴11に対してUTを実施することができる。特に本実施の形態によれば、平滑面を設けることができる範囲を第3の実施の形態の場合より拡張することができるので、平滑面設置位置の自由度を向上させることができる。これにより、例えば、第3の実施の形態の設置位置では作動流体の流れを乱す恐れがある場合にも、本実施の形態によってそれを解消できることもある。
By providing the
本実施の形態においては、第3の実施の形態で説明した、UTセンサ55から欠陥までの距離の求め方や、フォーク10の側面でのモード変換を利用したUT方法等は、本実施の形態にも勿論適用することができる。また、アレイ型のUTセンサ16も本実施の形態に勿論利用することができる。
In the present embodiment, the method for obtaining the distance from the
1 ディスク
2 タービン動翼
3 ピン
4 ディスクフォーク
5 ピン穴
6 ディスク1のフォーク
7 翼植込部
8 翼取付部
9 翼部
10 フォーク
10a 外フォーク
11 ピン穴
11a 最もロータに近いピン穴
12 張出部
12a 張出部
13 翼取付面
15 平滑面
15B 平滑面
15C 平滑面
16 UTセンサ
20 外側端面
21 内側端面
31 超音波素子
32 電極
32B 電極
33 信号線
34 ダンパー
35 保護ケース
36 収束点
40 検査対象
41 N磁極
42 S磁極
43 磁性金属粉
44 欠陥
45 超音波センサ
50 超音波Uの発振位置からピン穴11の表面に接するように作成した直線
51 直線50がピン穴11と接する点
52 横波
53 レイリー波
55 UTセンサ
56 シュー
57 シュー上の斜面
60 フォーク10の端面
61 横波
W1 張出部幅
W2 突出部幅
W3 突出部幅
W4 センサ設置領域幅
S1 センサ距離
S2 センサ距離
θ 入射角
H 必要到達距離
H1 張出部通過深さ
H4 超音波通過深さ
Hc 超音波到達距離
D1 断面形状
D2 センサ設置領域
T1 張出部最小厚さ
A点 横波61の入射点
B点 フォーク10の側面
C点 ピン穴上の欠陥63の位置
P1 発振基準点
P1b 発振基準点
P1c 発振基準点
P2 最長到達点
P3 W3が拡大する箇所
P1cm P3を通りピン穴11bと接する直線が翼取付面13に到達する点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Disc 2 Turbine blade 3 Pin 4 Disc fork 5 Pin hole 6 Fork 7 of disc 1 Wing implantation part 8 Wing attachment part 9 Wing part 10 Fork 10a Outer fork 11 Pin hole 11a Pin hole 12 nearest to rotor 12 Overhang part 12a Overhang portion 13 Blade mounting surface 15 Smooth surface 15B Smooth surface 15C Smooth surface 16 UT sensor 20 Outer end surface 21 Inner end surface 31 Ultrasonic element 32 Electrode 32B Electrode 33 Signal line 34 Damper 35 Protective case 36 Convergence point 40 Inspection target 41 N Magnetic pole 42 S magnetic pole 43 Magnetic metal powder 44 Defect 45 Ultrasonic sensor 50 A straight line 51 formed so as to contact the surface of the pin hole 11 from the oscillation position of the ultrasonic wave U A point 52 where the straight line 50 contacts the pin hole 11 52 A transverse wave 53 A Rayleigh wave 55 UT sensor 56 shoe 57 slope 60 on shoe end surface 61 of fork 10 transverse wave W1 overhang width W2 Protrusion width W3 Protrusion width W4 Sensor installation area width S1 Sensor distance S2 Sensor distance θ Incident angle H Required reach distance H1 Overhang passage depth H4 Ultrasonic passage depth Hc Ultrasonic reach distance D1 Cross-sectional shape D2 Sensor placement area T1 Overhang portion minimum thickness A point Incident point B of transverse wave 61 Side C point of fork 10 Position of defect 63 on pin hole P1 Oscillation reference point P1b Oscillation reference point P1c Oscillation reference point P2 Longest arrival point P3 W3 is expanded The point where the straight line that passes through the location P1cm P3 and contacts the pin hole 11b reaches the blade mounting surface 13
Claims (1)
複数のフォークのうち回転軸方向の端部に位置し、超音波探傷試験の対象となる外フォークと、
翼植込部の回転軸の径方向の外側に前記翼植込部と一体に取り付けられた翼取付部と、
この翼取付部上の面であって、翼が取り付けられている翼取付面と、
この翼取付面上に設けられ、超音波センサが載置される平滑面とを備え、
前記超音波センサから発振された超音波が前記平滑面に進入する点を発振基準点、
前記外フォークの回転軸方向における断面形状を回転軸の径方向に射影することによって前記翼取付面上に形成される射影像に対して、回転軸方向の両側から隣接する前記翼取付面上の領域をセンサ設置領域、
前記外フォークの回転軸方向の幅をフォーク幅(W3)、
前記外フォークが拡大する箇所を変曲点、
この変曲点から前記発振基準点までの回転軸の径方向における距離を超音波通過深さ(H4)、
前記発振基準点から前記変曲点を通過して前記外フォークのピン穴と接するように作成された直線が前記外フォークの端面に到達する点を超音波到達点、
この超音波到達点から前記発振基準点までの回転軸の径方向における距離を超音波到達距離(Hc)とするとき、
前記センサ設置領域は、回転軸方向の幅(W4)が
W4=H4・W3(Hc−H4)
を満たすように形成されており、
前記平滑面は、前記センサ設置領域内に前記発振基準点が位置するように設けられていることを特徴とするタービン動翼。 In a turbine blade having a fork-type blade implantation part,
An outer fork that is located at the end in the direction of the rotation axis among the plurality of forks and is subject to ultrasonic flaw detection;
A wing attachment portion integrally attached to the wing implantation portion on the outer side in the radial direction of the rotation axis of the wing implantation portion;
A surface on the wing mounting portion, and a wing mounting surface to which the wing is mounted;
Provided on the blade mounting surface, and a smooth surface on which the ultrasonic sensor is placed,
The point at which the ultrasonic wave oscillated from the ultrasonic sensor enters the smooth surface is an oscillation reference point,
With respect to the projection image formed on the blade attachment surface by projecting the cross-sectional shape of the outer fork in the rotation axis direction in the radial direction of the rotation shaft, on the blade attachment surface adjacent from both sides in the rotation axis direction. The area is the sensor installation area,
The width of the outer fork in the rotation axis direction is the fork width (W3),
An inflection point where the outer fork expands,
The distance in the radial direction of the rotating shaft from the inflection point to the oscillation reference point is the ultrasonic wave penetration depth (H4),
An ultrasonic wave arrival point at which a straight line formed so as to contact the pin hole of the outer fork through the inflection point from the oscillation reference point reaches the end surface of the outer fork,
When the distance in the radial direction of the rotation axis from the ultrasonic arrival point to the oscillation reference point is the ultrasonic arrival distance (Hc),
In the sensor installation area, the width (W4) in the rotation axis direction is W4 = H4 · W3 (Hc−H4)
Is formed to satisfy
The turbine blade according to claim 1, wherein the smooth surface is provided so that the oscillation reference point is located in the sensor installation region.
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