JP2017217653A - Laser-peening device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、構造物の表面にレーザ光を照射し、圧縮残留応力を付与するレーザピーニング装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a laser peening apparatus that irradiates a surface of a structure with laser light and applies compressive residual stress.
発電プラントで用いられている蒸気タービンでは、動翼と静翼の組み合わせ1対でタービン段落が形成され、タービン段落は複数段並べられている。 In a steam turbine used in a power plant, a turbine stage is formed by a pair of moving blades and stationary blades, and the turbine stages are arranged in a plurality of stages.
近年、発電プラントでは、排気損失改善によるプラント熱効率の向上を図るために、低圧タービンの最終段落やその前段落では、動翼の長翼化が指向されている。動翼を長翼化する場合、プラント運転中には、タービンロータ側のディスクの動翼植込部により大きな遠心力が作用することになる。長翼化したタービン段落では、この大きな遠心力に耐えうるように、ディスクと動翼の結合部には、フォーク型の植込構造が採用されている。 In recent years, in power plants, in order to improve plant thermal efficiency by improving exhaust loss, the last stage of the low-pressure turbine and the preceding paragraph have been directed to lengthening the moving blades. When the moving blade is made longer, a large centrifugal force acts on the moving blade implantation portion of the disk on the turbine rotor side during plant operation. In the turbine stage with longer blades, a fork-type implant structure is adopted at the joint between the disk and the rotor blade so as to withstand this large centrifugal force.
この種のフォーク型植込構造では、動翼の根本の翼植込部はフォーク形状に形成され、ディスクにも同様のディスク植込部が形成されている。これら翼植込部とディスク植込部は、交互に組み合わされ、その結合部を貫通するように設けられた複数本のピン孔に結合ピンが挿入される構造となっている。 In this type of fork-type implant structure, the base blade implant portion of the moving blade is formed in a fork shape, and the same disc implant portion is formed in the disc. The wing implantation part and the disk implantation part are alternately combined, and a coupling pin is inserted into a plurality of pin holes provided so as to penetrate the coupling part.
このようなフォーク型植込構造では、遠心力による高い引張曲げ応力がピン孔の内面と結合ピンにかかる。ディスクを含むロータと動翼、結合ピンには、この引張曲げ応力に対して十分な強度をもつ材料が採用されている。 In such a fork-type implant structure, high tensile bending stress due to centrifugal force is applied to the inner surface of the pin hole and the coupling pin. A material having a sufficient strength against this tensile bending stress is adopted for the rotor including the disk, the rotor blade, and the connecting pin.
また、フォーク型植込構造では、応力腐食割れによる損傷を防止する対策として、翼植込部およびディスク植込部の表面、結合ピンの表面にショットピーニング等の加工を施し、材料表面に圧縮応力を付与することが従来から行われている。 In the fork-type implant structure, as a measure to prevent damage due to stress corrosion cracking, the surface of the wing and disk implants and the surface of the connecting pin are subjected to processing such as shot peening, and the material surface is subjected to compressive stress. Is conventionally performed.
ところで、近年では、フォーク型植込構造において、ピン孔の内周面についても、応力腐食割れによる損傷事例が報告されている。 By the way, in recent years, in the fork-type implant structure, damage examples due to stress corrosion cracking have been reported on the inner peripheral surface of the pin hole.
このようなピン孔内周面の表面に対しては、ショットピーニングの施工が困難である。これに替わる方法として、例えば、レーザを用いたレーザピーニング加工により、ピン孔の内周面に圧縮応力を付与し、材料披露強度を向上させる方法が提案されている。
また、タービン動翼のフォーク型植込構造のピン孔に対するレーザピーニング加工に特化した施工システムが開示されている。
It is difficult to perform shot peening on the surface of the pin hole inner peripheral surface. As an alternative method, for example, a method for improving the material display strength by applying a compressive stress to the inner peripheral surface of the pin hole by laser peening using a laser has been proposed.
In addition, a construction system specialized in laser peening processing for pin holes in a fork-type implant structure of a turbine rotor blade is disclosed.
近年、タービン最終段落およびその前段落では、動翼の長翼化に伴い、フォーク型植込構造はますます大きくなり、その幅は増加する傾向にある。 In recent years, in the final paragraph of the turbine and the previous paragraph, as the moving blades become longer, the fork-type implant structure becomes larger and its width tends to increase.
他方、ロータの長さが延びること、ロータを支持する軸受の軸受間距離が増大することは、タービン建屋を大きくするので、ロータの延長につながるような長翼化は好ましくない。特に、ロータの延長に直結するディスク間の間隔の増加は構造上最小限に抑える必要がある。 On the other hand, an increase in the length of the rotor and an increase in the distance between the bearings of the bearings that support the rotor increase the size of the turbine building. Therefore, it is not preferable to increase the length of the rotor. In particular, the increase in the interval between the disks directly connected to the extension of the rotor must be minimized.
このようなことから、タービン動翼の長翼化によって、フォーク型植込構造のディスク自体幅が増大する反面で、隣接するディスクとの間隔は、狭くなる傾向にある。これをフォーク型植込構造を貫通するピン孔の内周面にレーザピーニング加工を施工する観点からみると、レーザ加工装置の施工対象へのアクセスが狭いディスク間隔によって制約を受けることになる。 For this reason, the longer blades of the turbine blades increase the width of the disk of the fork-type implant structure, but the distance between adjacent disks tends to be narrower. From the viewpoint of performing laser peening on the inner peripheral surface of the pin hole penetrating the fork-type implant structure, access to the construction object of the laser machining apparatus is restricted by a narrow disk interval.
このため、従来のレーザピーニング装置によるピン孔内周面の施工では、1つのピン孔に対して、ディスク片側から一度に施工できない場合があった。このようなときには、レーザピーニング装置をディスクの他方の側に移動し反対側からの施工を追加し、あるいは、ディスクの両側にそれぞれレーザピーニング装置を配置し、2台の加工装置による同時施工を行う必要があった。 For this reason, in the construction of the inner peripheral surface of the pin hole by the conventional laser peening apparatus, it may not be possible to construct one pin hole at a time from one side of the disk. In such a case, the laser peening apparatus is moved to the other side of the disk and construction from the opposite side is added, or laser peening apparatuses are arranged on both sides of the disk, and simultaneous construction is performed by two processing apparatuses. There was a need.
発電プラントの蒸気タービンでは、フォーク型植込構造におけるピン孔は相当な数になることから、施工効率の向上、施工コストの低減のために、1台のレーザピーニング装置で1つのピン孔に対して一度で施工を完結できることが望まれていた。 In a steam turbine of a power plant, the number of pin holes in a fork-type implant structure is considerable, so one laser peening device can be used for one pin hole to improve construction efficiency and reduce construction costs. It was hoped that construction could be completed at once.
本発明は、前記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであって、1台の加工装置で1つの貫通孔に対して一度で施工を完結できるようにして、レーザピーニングの施工効率の向上、施工コストの低減を実現できるようにしたレーザピーニング装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and can improve the construction efficiency of laser peening by allowing a single machining apparatus to complete the construction for one through hole at a time. Another object of the present invention is to provide a laser peening apparatus that can realize a reduction in construction cost.
前記の目的を達成するために、本発明に係るレーザピーニング装置は、タービンのディスクと動翼を結合する動翼植込構造においてロータ軸方向に貫通する貫通孔の内周面に対してレーザ光を照射し圧縮残留応力を付与するレーザピーニング装置であって、レーザ光を前記貫通孔の内周面に向けて照射する照射ヘッドと、前記照射ヘッドと連結され、前記貫通孔の少なくとも全長分のストロークを流体圧力により伸長可能であり前記照射ヘッドに回転を伝達可能な入れ子型の多重管からなる多重連結部と、レーザ発振器からレーザ光を導くレーザ光路を形成し前記照射ヘッドにレーザ光を導入する導光管と、前記多重連結部を同軸に収容し、前記多重連結部に回転を与えて貫通孔内周面に対する周方向のレーザ照射位置を制御するヘッド回転機構と、前記貫通孔内での前記照射ヘッドの軸方向の位置を制御するヘッド軸方向制御手段と、前記照射ヘッドに液体を供給する送液手段と、を備え、前記多重連結部を伸長させながら、前記照射ヘッドを前記貫通孔内で移動させ前記貫通孔の内周面にレーザピーニングを施すようにしたことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a laser peening apparatus according to the present invention provides a laser beam for an inner peripheral surface of a through hole penetrating in the rotor axial direction in a rotor blade implantation structure that couples a disk and a rotor blade of a turbine. A laser peening apparatus for applying compressive residual stress by irradiating a laser beam toward an inner peripheral surface of the through-hole and an irradiation head connected to the irradiation head, and at least the entire length of the through-hole. Stroke can be extended by fluid pressure, and multiple connecting parts consisting of nested multiple tubes that can transmit rotation to the irradiation head, and a laser beam path for guiding the laser beam from the laser oscillator are formed, and the laser beam is introduced into the irradiation head. The light guide tube and the multiple coupling portion are coaxially accommodated, and the rotation of the head for controlling the laser irradiation position in the circumferential direction with respect to the inner circumferential surface of the through hole by rotating the multiple coupling portion And a head axial direction control means for controlling the position of the irradiation head in the axial direction in the through hole, and a liquid feeding means for supplying a liquid to the irradiation head, and extending the multiple connecting portion. However, the irradiation head is moved in the through hole to perform laser peening on the inner peripheral surface of the through hole.
本発明によれば、1台の加工装置で1つの貫通孔に対して一度で施工を完結できるようにして、レーザピーニングの施工効率の向上、施工コストの低減を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to improve the construction efficiency of laser peening and reduce the construction cost by making it possible to complete the construction for one through hole at a time with one processing device.
以下、本発明によるレーザピーニング装置の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。 Embodiments of a laser peening apparatus according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
(第1実施形態)
図1は、施工対象である蒸気タービンの動翼とディスクとを結合するフォーク型植込構造を示す図である。図1において、参照番号1は、蒸気タービンのロータを示し、参照番号2は、動翼3を保持するディスクを示している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a fork-type implant structure for connecting a moving blade and a disk of a steam turbine to be constructed. In FIG. 1,
動翼3の根本側には、複数の翼フォーク4が一定間隔でロータ1の軸方向に並んだ翼植込部が形成されている。同様に、ディスク2には、複数のディスクフォーク5がロータ1の軸方向に一定の間隔で並ぶようになっている。これら翼フォーク4とディスクフォーク5は交互に重なり合うように組み合わせられており、動翼3は、ロータ1の軸方向に拘束されている。
On the base side of the moving
また、重なり合った翼フォーク4とディスクフォーク5を貫通するようにして複数のピン孔(貫通孔)6がロータ1の軸方向に貫通形成されている。各ピン孔6には、図示しない結合ピンが挿入されることで、遠心力を受けてもディスク2の半径方向に拘束されるように、動翼3はディスク2と結合されている。図1に示されるように、このようなフォーク型植込構造は、複数の段落において、ディスク2に対して動翼3を結合する構造に採用されている。
Further, a plurality of pin holes (through holes) 6 are formed in the axial direction of the
本実施形態によるレーザピーニング装置は、ピン孔6の内周面表面に圧縮残留応力を形成する応力改善処理を施工する。
The laser peening apparatus according to the present embodiment applies a stress improving process for forming a compressive residual stress on the inner peripheral surface of the
図2、図3は、本発明の第1実施形態に係るレーザピーニング装置を示す図である。このうち、図2は、隣り合った段落間に設置されたレーザピーニング装置の施工開始前の状態を示している。参照番号10は、ピン孔6の入口に位置しているレーザ光の照射ヘッドを示している。図3は、照射ヘッド10がピン孔6の出口まで到達して施工が完了した状態を示す。ディスク2の両側にある端面2a、2bのうち、端面2aのある方を施工開始側、端面2bのある方を施工完了側とする。
2 and 3 are views showing the laser peening apparatus according to the first embodiment of the present invention. Among these, FIG. 2 has shown the state before the construction start of the laser peening apparatus installed between the adjacent paragraphs.
施工対象のディスク2と、施工開始側に隣り合っているディスク2Aとの間にはスペース7が形成されている。同様に、ディスク2と、施工完了側に隣り合っているディスク2Bとの間には、スペース8が形成されている。
A
本実施形態によるレーザピーニング装置は、レーザ発振器11から発振されるレーザ光を照射ヘッド10に導光するレーザ導光部12と、照射ヘッド10を回転させるヘッド回転駆動部14と、照射ヘッド10と回転駆動部14とを連結し軸方向に伸縮可能な多重連結部16と、を有している。
The laser peening apparatus according to the present embodiment includes a
この実施形態では、施工対象のディスク2の両側にあるスペース7、8のうち、レーザ導光部12は、一方のスペース8に配置され、回転駆動部14および多重連結部16を他方のスペース7に配置されている。
In this embodiment, among the
まず、レーザ光導光部12の構成から説明する。
First, the configuration of the laser
支持構造であるフレーム17には、導光管18、19が支持されている。導光管18は、ディスク2の半径方向に延びる光路を形成している。導光管19は、導光管18と液密に接続され、接続部には、レーザ光を直角に反射する第1の反射ミラー20が設けられている。導光管19は、ピン孔6の軸方向と平行なレーザ光の光路を形成するようになっている。第1の反射ミラー20に入射したレーザ光は方向を変えてピン孔6を通って照射ヘッド10に導かれる。なお、導光管19の先端は、ピン孔6から延長する照射ヘッド10の案内となる延長ガイド22と同軸に接続されている。
レーザ導光部12は、隣り合うディスク2間のスペース8に入れた状態で固定できるように、次のようなクランプ装置23が設けられている。クランプ装置23はフレーム17に固定されたエアシリンダから構成されている。クランプ部23aが伸びると、このときの反力で、フレーム17は、施工対象段落のディスク2の端面2bに押し付けられるので、レーザ導光部12全体を固定することができるようになっている。
The following
次に、照射ヘッド10を回転させるヘッド回転駆動部14と、照射ヘッド10とヘッド回転駆動部14とを連結し軸方向に伸縮可能な多重連結部16について説明する。
Next, the head
ここで、図4は、ピン孔6に挿入されている照射ヘッド10を示している。照射ヘッド10には、ピン孔6を通って入射したレーザ光を集光して、ピン孔6の内周面に向けて反射する第2の反射ミラー24が設けられている。照射ヘッド10の側面には、レーザ光が通過する開口部25が形成されている。
Here, FIG. 4 shows the
このような照射ヘッド10は、多重連結部16を介して回転駆動部14と連結され、多重連結部16の伸長とともに、ピン孔6内で軸方向の移動が可能に構成されている。
Such an
図2に示されるように、ヘッド回転駆動部14は、円筒状のフレーム26を支持構造として用いている。本実施形態では、モータとして、扁平型のACサーボモータの一種であるダイレクトドライブモータ27が用いられている。このダイレクトドライブモータ27の回転子28には、多重連結部16の後端部が結合されている。
As shown in FIG. 2, the head
他方、多重連結部16は、内管30aが外管30bに嵌合した二重連結管が用いられている。
図5に示されるように、内管30aは多角形、図5の場合は略四角形の横断面形状を有している。外管30bの内面の形状は内管30aの横断面形状に倣って外管30bの内面と内管30aの外面との間には0.01mm以下の隙間になるように加工されている。これによって、内管30aは軸方向へのスライド移動が許容されるとともに、ダイレクトドライブモータ27に駆動される外管30bからお互いの角部を介して内管30aにトルク伝達が可能になっている。なお、トルク伝達をより強化する場合には、多角形断面の構造と組み合わせて、内管30aと外管30bとをキー溝と滑りキーを用いて結合するようにしてもよい。
On the other hand, the multiple connecting
As shown in FIG. 5, the
以上のようなヘッド回転駆動部14および多重連結部16を支持するフレーム26には、隣り合うディスク2間のスペース7に入れてから固定できるように、次のようなクランプ装置32が設けられている。
The
クランプ装置32は、フレーム26において、ダイレクトドライブモータ27とは反対側の端部に固定されている。この場合、クランプ装置32は、エアシリンダから構成されており、クランプ部34が押し出されると、クランプ部34の先端は、施工対象のディスクの端面2aに当接する。そして、さらにクランプ部34が端面2aに押すと、その反力でフレーム26の反対側が隣にある段落のディスク2Bの端面2dに押し付けられる。これによって、フレーム26を固定することができる。
The
図2に示されるように、クランプ装置32の中心部には、多重連結部16と同軸にガイドブッシュ35が設けられている。このガイドブッシュ35は、ピン孔6と同じ内径を有しており、施工開始時には、照射ヘッド10をピン孔6の入口に導く案内として機能するようになっている。
As shown in FIG. 2, a
照射ヘッド10をピン孔6内で前進させるためには、多重連結部16を伸長させる必要がある。そして所定の照射位置に照射ヘッド10を位置決めするためには、照射ヘッド10のピン孔6の軸方向の位置を制御する必要がある。
In order to advance the
そこで、本実施形態によるレーザピーニング装置では、多重連結部16の伸長量を制御する次のような軸方向位置制御手段が構成されている。
Therefore, in the laser peening apparatus according to the present embodiment, the following axial position control means for controlling the extension amount of the multiple connecting
多重連結部16を構成している外管30bの後端部には、液体注入管36が継手を介して接続されている。
A
照射ヘッド10が取り付けられている内管30aの先端部は閉じられており、液体注入管36から多重連結部16の内管30aに水などの液体が注入されると、その圧力で内管30aは照射ヘッド10とともにピン孔6内で伸長するようになっている。
The tip of the
他方、ピン孔6内でのレーザピーニング施工中は、レーザ導光部12の導光管18、19を通って、送液装置38から供給される液体が施工対象のピン孔6を介して照射ヘッド10に送られてくるので、この液体の圧力によって、多重連結部16の伸長は規制されることになる。したがって、多重連結部16内の液体の圧力と、照射ヘッド10に送られてくる液体の圧力とのバランスを調整することにより、照射ヘッド10を送る速度を調整したり、あるいは、照射ヘッド10を任意の軸方向位置の位置に位置決めするといった位置制御を行うことができる。
On the other hand, during laser peening in the
本実施形態によるレーザピーニング装置は、以上のように構成されるものであり、次に、その作用および効果について説明する。 The laser peening apparatus according to the present embodiment is configured as described above. Next, its operation and effect will be described.
まず、本実施形態によるレーザピーニング装置は、施工対象であるタービン段落のフォーク型植込構造に次のように設置される。 First, the laser peening apparatus according to the present embodiment is installed as follows in a fork type implantation structure of a turbine stage that is a construction target.
図2において、レーザ導光部12は、施工対象タービン段落のディスク2の一方の端面2b側にあるスペース8に設置される。そして、導光管19と、これからレーザピーニング加工を施工するピン孔6と、が同芯になるように、導管管19の位置を調整する。
調芯が終わったら、クランプ装置23を作動させて、クランプ部23aを隣のディスク2Aの端面2cに対して押し付ける。このようにして、レーザ導光部12のフレーム17を向き合ったディスク2の端面2b、2cの間でしっかりと固定することができる。
In FIG. 2, the
When the alignment is completed, the
これに対して、ヘッド回転駆動部14および多重連結部16を支持するフレーム26は、施工対象のディスク2の他方の端面2a側にあるスペース7に配置される。この場合もピン孔6にガイドブッシュ35が同芯になるように調芯を行う。その後、クランプ装置32を作動させ、クランプ部34を端面2aに対して押し付けると、ヘッド回転駆動部14を隣り合ったディスク2の端面2a、2dの間で固定することができる。
On the other hand, the
次に、ピン孔6の内周面に対するレーザピーニング加工について説明する。
Next, laser peening processing for the inner peripheral surface of the
図2に示されるように、加工開始前では、照射ヘッド10は、施工対象のピン孔6の入口近傍に位置している。このとき、照射ヘッド10は、ガイドブッシュ35によって支持され、内管30aは外管30bの内部に収容されている。この状態で、照射ヘッド10はピン孔6と同軸に位置決めされている。
As shown in FIG. 2, the
そこで、液体注入管36から多重連結部16の内部に液体を注入する。このとき内管30aは、注入された液体の圧力で外管30bをスライドしながら押し出され、照射ヘッド10がピン孔6に挿入される。これと同時に、送液装置38から供給される液体を、導光管18、19、ピン孔6を通して照射ヘッド10に供給する。また、レーザ発振器11からレーザ光を出力させる。
Therefore, the liquid is injected from the
照射ヘッド10を多重連結部16の伸長とともにピン孔6内を送っていく過程では、ダイレクトドライブモータ27が起動され、その回転トルクは多重連結部16から照射ヘッド10に伝達される。これによって、照射ヘッド10を回転させることができる。
In the process of sending the
レーザ発振器11からレーザ光を出力すると、レーザ光は、導光管18、19を経路として、第1反射ミラー20からピン孔6を通り、照射ヘッド10に導かれる。図4に示されるように、レーザ光は、照射ヘッド10内の第2反射ミラー24によって集光されるとともに、ピン孔6の半径方向に方向を変え、開口部25を通ってピン孔6の内周面を指向して照射される。そして、照射ヘッド10では、送液装置38から供給される液体が開口部25からピン孔6の内周面に向けて噴射されるので、レーザ光の照射により、ピン孔6の内周面の表面に圧縮応力を発生させ、圧縮残留応力領域を形成することができる。
When laser light is output from the
このようにして、多重連結部16を伸長させながら、照射ヘッド10をピン孔6内を出口まで送る場合、内管30aの長さが施工対象であるディスク2の幅よりも長くなっているので、ピン孔6の内周面全面へのレーザピーニング加工が可能である。
In this way, when the
以上のように本実施形態によれば、隣接するディスク2との間隔が狭くなっている場合でも、施工対象のディスク2の両側のスペース7、8にレーザピーニング装置の構成部分を分割して配置しているので、施工対象ディスク2へのアクセスが狭いディスク間隔によって制約を受けることがない。
As described above, according to the present embodiment, even when the distance between
しかも、1つのピン孔6に対して、ディスク2の片側から一度に施工することができるので、レーザピーニングの効率を大幅に高めることができる。
Moreover, since it can be applied to one
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態によるレーザピーニング装置について、図6、図7を参照して説明する。なお、図2、図3に示した第1実施形態と、同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
(Second Embodiment)
Next, a laser peening apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same components as those in the first embodiment shown in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals, and a duplicate description is omitted.
この第2実施形態は、直動機構の移動量を照射ヘッド10に伝える伝達体列を利用して、多重連結部16の伸長量を制御し、照射ヘッド10の軸方向位置を制御するようにした実施の形態である。
In the second embodiment, the amount of extension of the multiple connecting
図6は、隣り合った段落間のスペース7、8に設置された施工開始前のレーザピーニング装置を示す。図7は、照射ヘッド10がピン孔6の出口まで到達して施工が完了した状態のレーザピーニング装置を示す。
FIG. 6 shows a laser peening apparatus installed in the
この第2実施形態では、照射ヘッド10にレーザ光を導光するレーザ導光部12と、照射ヘッド12に回転を与えるヘッド回転駆動部14は、施工開始側のスペース7に配置され、照射ヘッド10の軸方向位置制御機構60は、反対側のスペース8に配置されている。
In the second embodiment, the
まず、レーザ導光部12及びヘッド回転駆動部14の構成について説明する。
ディスク2の半径方向に延びる導光管40は、支持構造としてのフレーム41に支持されている。この導光管40は、伸縮可能な多重連結部16に接続されている。多重連結管16は、第1実施形態と同様に、内管30aと外管30bとから構成されている。発振器11からのレーザ加工は、導光管40の内部に配置された第1の反射ミラー20で反射し、多重連結部16の管内を通って照射ヘッド10に導かれるようになっている。
First, the configuration of the laser
The
照射ヘッド10には、第2反射ミラー24が設けられ、反射ミラー24で集光されたレーザ光は、開口部25を通ってピン孔6の内周面に向けて照射される(図4参照)。この点は第1実施形態と同様である。
The
また、導光管40には、送液装置38から液体が導入され、液体は多重連結部16を通って照射ヘッド10に送られ、開口部25から噴射される。このときの液体の圧力は、内管30aを外管30bからスライドさせ、照射ヘッド10を前進させる方向に作用することになる。
In addition, a liquid is introduced into the
次に、ヘッド回転駆動機構14について説明する。
Next, the head
この第2実施形態によるヘッド回転駆動機構14では、サーボモータ42の回転を歯車機構を介して多重連結部16に伝達している。サーボモータ42には、駆動側のかさ歯車43が取り付けられ、これに噛み合う従動側のかさ歯車44は多重連結部16の外管30bの後端部に連結されている。
In the head
この第2実施形態においても、図5に示したように、内管30aは略四角形の横断面形状を有しており、内管30aは軸方向に移動が許容されるとともに外管30bから回転が伝達される。
Also in the second embodiment, as shown in FIG. 5, the
次に、ヘッド回転駆動機構14とは反対側のスペース8に配置されている照射ヘッド10の軸方向の位置を制御する軸方向位置制御機構60について説明する。
この第2実施形態による軸方向位置制御機構60は、押し棒61を直線移動させる直動機構62と、この押し棒61の移動量を移動伝達媒体としての球体列64によって先端の球体64aまで伝達する。
Next, the axial
The axial
球体列64は、複数個の同じ大きさの球体からなり、案内管65に収容されて隣り合う球体同士が接触し合うことで1つの列をなしている。この案内管65は、ディスク2の半径方向に延びる部分と、その先の直角に曲がった部分とからなり、フレーム67に固定されている。案内官65の先端はピン孔6と同軸の延長ガイド22に接続されている。延長ガイド22には、軸方向位置制御機構60の設置の際に、球体列64の案内管65からの脱落を防止する止め具66が取り付けられている。
The
次に、球体列64に移動量を入力する押し棒61を駆動する直動機構62について説明する。
Next, the
この直動機構62は、ボールねじ軸70とナット部71を有するボールねじ機構によって、押し棒61をその長さ方向に移動させる機構である。
The
ボールねじ軸70は、軸受72、73を介して支持されており、ナット部71は押し棒支持台74に固定されている。また、ボールねじ軸70は、カップリング75を介してサーボモータ76と連結されている。押し棒支持台74の移動は、一対のガイドロッド77a、77bによって案内される。ガイドロッド77a、77bの両端部には、押し棒支持台74の脱落を防止するストッパ78が取り付けられている。
The ball screw
図6、図7に示されるように、レーザピーニング加工開始時では、照射ヘッド10はピン孔6の入口にある。このとき直動機構62では、押し棒61は上がった位置にある。球体列64は、照射ヘッド10と押し棒61の間で、各球体が接触し合って隙間なく連続している。球体列64の先頭の球体64aは、照射ヘッド10に接触しており、後尾の球体64bは、押し棒61に接触している。したがって、照射ヘッド10の前進とともに、押し棒61を下方に移動させると、球体列64もつられて移動し、押し棒61の移動量を照射ヘッド10に伝達することができる。押し棒61を停止させると、その位置に照射ヘッド10を位置決めすることができる。こうして図7に示されるように、照射ヘッド10は、ピン孔6の出口まで進むことになる。押し棒61の移動ストロークは、ピン孔6の全長よりも長く設定されている。また、押し棒61の移動量は、サーボモータ76の位置制御によって、高精度に制御することができるので、ピン孔6の軸方向のどの位置でも照射ヘッド10の位置決めを高精度に行うことが可能である。
As shown in FIGS. 6 and 7, the
次に、第2実施形態によるレーザピーニング装置の作用および効果について説明する。
まず、第2実施形態によるレーザピーニング装置は、施工対象段落のフォーク型植込構造に、図6に示すように設置される。
Next, operations and effects of the laser peening apparatus according to the second embodiment will be described.
First, the laser peening apparatus according to the second embodiment is installed in the fork-type implant structure of the construction target paragraph as shown in FIG.
ヘッド回転駆動部14および伸縮連結部16を支持するフレーム41は、施工開始側のスペース7に配置される。その際には、ピン孔6の入口に対してガイドブッシュ35が同芯になるように調芯を行ない、その後、クランプ装置32を作動させ、ヘッド回転駆動部14のフレーム41を隣り合ったディスク2の断面2a、2dの間で固定することができる。
The
他方、軸方向位置制御機構は、反対側の加工終了側のスペース8に設置される。その後、案内管19の先端の延長ガイド22が、ピン孔6の出口部と同芯になるように位置を調整する。調芯が終わったら、クランプ装置23を作動させれば、軸方向位置制御機構60をディスク2の端面2b、2cの間で固定することができる。
On the other hand, the axial position control mechanism is installed in the
この段階では、ピン孔6内には球体列64の球体は充填されていない。そこで、案内管65の先端にある止め具66を抜き取り、球体が案内管65から出られるようにする。その上で、押し棒61をストローク上限まで移動させれば、図6に示されるように、ピン孔6内に球体列61を隙間無く入れることができる。
At this stage, the pin holes 6 are not filled with the spheres of the
次に、施工対象段落のピン孔6の内周面に対するレーザピーニング加工について説明する。
Next, the laser peening process for the inner peripheral surface of the
図6に示されるように、照射ヘッド10は、ガイドブッシュ35によって支持され、内管30aは外管30bの内部に収容されている。この状態で、照射ヘッド10はピン孔6と同軸に位置決めされている。
As shown in FIG. 6, the
そこで、導光管40には送液装置38から液体が導入される。この液体を多重連結部16の内部に液体を注入する。このとき内管30aは、注入された液体の圧力で外管30bをスライドしながら前進し、照射ヘッド10がピン孔6に挿入される。
Therefore, liquid is introduced into the
以上のような照射ヘッド10の前進を規制するために、軸方向位置制御機構60の押し棒61は、照射ヘッド10の移動と同期して少しずつ下がり、球体列64は照射ヘッド10に押されて案内管65内を移動することになる。そして、押し棒61を停止させると、その照射ヘッド10は押し棒61の移動量に対応した軸方向の目的とする照射位置に位置決めされる。
In order to restrict the forward movement of the
また、ヘッド回転駆動機構14では、サーボモータ42が起動され、照射ヘッド10は、回転を始める。このときレーザ発振器11からはレーザ光を出力させ、導光管40を通し、反射ミラー20に反射させる。反射したレーザ光は、多重連結部16の管内を通って第2反射ミラー24で集光され、ピン孔6の内周面に照射される。レーザ光の照射の間、照射点の周りには、導光管40流れてきた水が噴射されて水膜を形成しているので、プラズマ発生の衝撃によりピン孔6の内周面に圧縮残留応力を付与することができる。
In the head
照射ヘッド10が回転する際には、照射ヘッド10は、球体列61の球体が滑らかに当接した状態で回転するので、照射ヘッド10の軸方向の位置には、誤差を及ぼすような影響を与えることはない。
When the
このようにして第2実施形態によるレーザピーニングの場合、押し棒61の移動量を球体列64によって照射ヘッド10に伝達し、照射ヘッド10のピン孔6の軸方向の位置を精密に位置決めできるので、狙った部位に正確に圧縮残留応力を付与することができる。この手順を繰り返し、照射位置を変更していくことによって、ピン孔6の入口から出口に到るまで、必要な部位に正確にレーザピーニングを施すことができる。
In this way, in the case of laser peening according to the second embodiment, the amount of movement of the
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態によるレーザピーニング装置について、図8、図9を参照して説明する。
(Third embodiment)
Next, a laser peening apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
この第3実施形態は、第1実施形態または第2実施形態のレーザピーニング装置に、照射ヘッド10とピン孔6との調芯を容易にする調芯ガイド手段を付加した実施の形態である。
The third embodiment is an embodiment in which alignment guide means for facilitating alignment between the
ここで、図8は、ヘッド回転駆動部14のクランプ装置32に設けられる調芯ガイド手段と、ディスク2のピン孔6との位置関係を示す図である。図9は、図8におけるA−A矢視断面を示す図である。
Here, FIG. 8 is a diagram showing a positional relationship between the alignment guide means provided in the
図8において、フォーク型動翼植込部では、ピン孔6は同心円状に所定のピッチで配列している。ピン孔6は、施工対象の孔である。このピン孔6から円周方向両側に2個分等しい距離にあるピン孔6a、6bが、調芯に利用されるピン孔である。施工対象のピン孔6は、調芯されることによって、ヘッド回転駆動部14が保持している多重連結部16の軸心上にある。
In FIG. 8, in the fork type rotor blade implantation portion, the pin holes 6 are arranged concentrically at a predetermined pitch. The
そこで、このような調芯を容易に行えるように、クランプ装置32には周方向の両側に延びるように腕部80a、80bが取り付けられ、この腕部80a、80bによって調芯用シリンダ82a、82bが保持されている。なお、腕部80a、80bは、ピン孔6a、6bに合わせて長さを変えられるようにしてもよい。
In order to facilitate such alignment,
調芯用シリンダ82a、82bのピストンロッドの先端には、テーパの付いた円すい型の位置決め突起84が設けられており、ビストンロッドが前進すると、それぞれ位置決め突起84がピン孔6a、6bに嵌合するようになっている。
A tapered
調芯用シリンダ82a、82bは、その位置決め突起84が施工対象のピン孔6のある同一円周上に位置し、かつ位置決め突起84の中間にピン孔6が位置するように腕部80a、80bによって保持されている。
The
ヘッド回転駆動部14を設置する際には、ピン孔6a、6bに対して、調芯用シリンダ82a、82bの位置をおおよそ合わせておく。そして、調芯用シリンダ82a、82bのピストンロッドを押し出すと、位置決め突起84がピン孔6a、6bに嵌合するので、この状態では、ヘッド回転駆動部14に収容されている照射ヘッド10は、ピン孔6に対して軸心が合っている。
When the head
本実施形態によれば、設置時に照射ヘッド10をピン孔6に対して位置合わせする手順を容易にすることができることに加えて、次のような利点がある。
すなわち、ピン孔6の内周面へのレーザ照射の方向がどの方向に向かっているかを判別する基準に調芯ガイド手段を利用することができる。具体的には、腕部80a、80bを基準にして、レーザ照射の方向が、例えば、ディスクの半径方向中心に向かう方向であるか、半径方向外側に向かう方向であるかを区別することができる。
According to the present embodiment, in addition to facilitating the procedure of aligning the
That is, the alignment guide means can be used as a reference for determining in which direction the direction of laser irradiation toward the inner peripheral surface of the
ピン孔6の内周面には、ピンを介して連結された動翼3が受ける遠心力によって応力が集中する箇所が存在するが、ピン孔6の内周面全体ではなくその応力集中箇所に集中してレーザ照射を行うことによって、施工効率を向上させることが可能になる。
On the inner peripheral surface of the
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態によるレーザピーニング装置について、図10を参照して説明する。
これまで説明した第1実施形態乃至第3実施形態は、動翼3をディスク2にあらかじめ植え込んだ状態で、ピン孔6にレーザピーニングを施す実施の形態である。
これに対して、第4実施形態は、ディスク2から動翼3が取り外された状態で、ディスク2側のピン孔6に限定してレーザピーニングを施す実施の形態である。動翼3を新しく交換する補修を実施するタービンにおいて、ピン孔6の内周面を補強するような場合を想定した実施の形態である。
(Fourth embodiment)
Next, a laser peening apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The first to third embodiments described so far are embodiments in which laser peening is performed on the
On the other hand, the fourth embodiment is an embodiment in which laser peening is performed only on the
図9において、参照番号90は動翼模擬体を示している。この動翼模擬体90は、実際にディスク2に取り付けられる動翼と同じ構造の翼フォーク4を有しており、ディスクフォーク5と嵌合して、フォーク型植込構造を構成するようになっている。ただし、翼の部分は不要である。動翼模擬体90をディスク2に嵌め込んだ状態では、ディスク2に動翼3を正規に植え込んだ場合と同様に連続するピン孔6ができることになる。このような動翼模擬体90は、ディスク2の全周に亘って取り付けられるものではなく、施工箇所に限って取り付けられるものである。
In FIG. 9, reference numeral 90 indicates a moving blade simulation body. This moving blade simulated body 90 has a
以上のような動翼模擬体90を照射ヘッド10の案内として取り付けることによって、ディスク2側のピン孔6の内周面みを対象にしてレーザピーニングを施工することが可能である。その場合、照射ヘッド10は、動翼模擬体90を通過するときには、レーザ照射を中断し、ディスク2のピン孔6の内周面に対してのみレーザ照射を行うことも可能である。このように動翼模擬体90通過する時間を短縮することで、ピン孔6の施工時間を短縮することができる。
By attaching the moving blade simulation body 90 as a guide for the
以上、本発明に係るレーザピーニング装置について、好適な実施形態を挙げて説明したが、これらの実施形態は、例示として挙げたもので、発明の範囲の制限を意図するものではない。もちろん、明細書に記載された新規な装置、方法およびシステムは、様々な形態で実施され得るものであり、さらに、本発明の主旨から逸脱しない範囲において、種々の省略、置換、変更が可能である。請求項およびそれらの均等物の範囲は、発明の主旨の範囲内で実施形態あるいはその改良物をカバーすることを意図している。 The laser peening apparatus according to the present invention has been described with reference to preferred embodiments. However, these embodiments are given as examples and are not intended to limit the scope of the invention. Of course, the novel apparatus, method and system described in the specification can be implemented in various forms, and various omissions, substitutions and changes can be made without departing from the spirit of the present invention. is there. The claims and their equivalents are intended to cover the embodiments or improvements thereof within the spirit of the invention.
1…ロータ、2…ディスク、3…動翼、4…翼フォーク、5…ディスクフォーク、6…ピン孔(貫通孔)、10…照射ヘッド、11…レーザ発振器、12…レーザ導光部、14…ヘッド回転駆動部、16…多重連結部、17…フレーム、18…導光管、19…導光管、20…第1反射ミラー、22…延長ガイド、23…クランプ装置、24…第2反射ミラー、 25…開口部、26…フレーム、30a…内管、30b…外管、32…クランプ装置、34…クランプ部、35…ガイドブッシュ、36…液体注入管、38…送液装置、40…導光管、41…フレーム、42…サーボモータ、43…かさ歯車、44…かさ歯車、60…軸方向位置制御機構、61…押し棒、62…直動機構、64…球体列、65…案内管、70…ボールねじ軸、71…ナット部、72、73…軸受 、74…押し棒支持台、76…サーボモータ、77a、77b…ガイドロッド、75…ストッパ、82a、82b…調芯用シリンダ、84…位置決め突起、90…動翼模擬体
DESCRIPTION OF
Claims (8)
レーザ光を前記貫通孔の内周面に向けて照射する照射ヘッドと、
前記照射ヘッドと連結され、前記貫通孔の少なくとも全長分のストロークを流体圧力により伸長可能であり前記照射ヘッドに回転を伝達可能な入れ子型の多重管からなる多重連結部と、
レーザ発振器からレーザ光を導くレーザ光路を形成し前記照射ヘッドにレーザ光を導入する導光管と、
前記多重連結部を同軸に収容し、前記多重連結部に回転を与えて貫通孔内周面に対する周方向のレーザ照射位置を制御するヘッド回転機構と、
前記貫通孔内での前記照射ヘッドの軸方向の位置を制御するヘッド軸方向制御手段と、
前記照射ヘッドに液体を供給する送液手段と、を備え、
前記多重連結部を伸長させながら、前記照射ヘッドを前記貫通孔内で移動させ前記貫通孔の内周面にレーザピーニングを施すようにしたことを特徴とするレーザピーニング装置。 A laser peening apparatus for irradiating a laser beam to an inner peripheral surface of a through hole penetrating in a rotor axial direction in a rotor blade implantation structure for coupling a turbine disk and a rotor blade,
An irradiation head for irradiating a laser beam toward the inner peripheral surface of the through hole;
A multi-connecting portion that is connected to the irradiation head, and that is formed of a nested multi-pipe that is capable of extending a stroke of at least the entire length of the through-hole by fluid pressure and capable of transmitting rotation to the irradiation head;
A light guide tube for introducing a laser beam into the irradiation head by forming a laser beam path for guiding a laser beam from a laser oscillator;
A head rotation mechanism that accommodates the multiple connection portion coaxially, and controls the laser irradiation position in the circumferential direction with respect to the inner peripheral surface of the through-hole by rotating the multiple connection portion;
Head axial direction control means for controlling the axial position of the irradiation head in the through hole;
Liquid feeding means for supplying a liquid to the irradiation head, and
The laser peening apparatus according to claim 1, wherein the irradiation head is moved in the through-hole while the multiple connection portion is extended to perform laser peening on the inner peripheral surface of the through-hole.
前記ヘッド軸方向制御手段は、直線移動する押し棒を有し、前記押し棒を駆動する直動機構と、
前記押し棒の移動量を前記照射ヘッドに伝達し前記移動ヘッドの移動を規制する移動伝達体列と、
前記移動伝達体列を収容し、移動伝達体列を前記貫通孔の出口側まで導く案内管と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のレーザピーニング装置。 The head axial direction control means is disposed on the opposite side of the disk from the side on which the head rotating mechanism is disposed,
The head axis direction control means has a linearly moving push rod, and a linear motion mechanism that drives the push rod;
A transfer body row that transmits the amount of movement of the push rod to the irradiation head and restricts the movement of the moving head;
A guide tube that houses the movement transmission body row and guides the movement transmission body row to the outlet side of the through hole;
The laser peening apparatus according to claim 1, further comprising:
施工対象の貫通孔と同一円周上で等距離にその両側に位置する他の貫通孔のそれぞれに前記位置決め突起が嵌合可能な位置に前記一対の調芯用シリンダを支持する支持部材と、を有することを特徴とする請求項6に記載のレーザピーニング装置。 The alignment means includes a pair of alignment cylinders having positioning protrusions;
A support member that supports the pair of alignment cylinders at positions where the positioning protrusions can be fitted to each of the other through holes located on both sides at the same distance on the same circumference as the through hole to be constructed; The laser peening apparatus according to claim 6, wherein:
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