JP2022188400A - 蒸気タービン翼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、寸法の標準偏差を低減し、完全３次元形状のプロファイル部を有する蒸気タービン翼であっても、所望の表面粗度を達成する蒸気タービン翼の製造方法を提供する。
【解決手段】
上記した課題を解決するため、本発明の蒸気タービン翼の製造方法は、プロファイル部、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールを有する蒸気タービン翼の製造方法であって、プロファイル部、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールを、単一の切削工具（テーパボールエンドミル）により、連続的に機械加工することを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、蒸気タービン翼の製造方法に関する。

蒸気タービンの構成要素である蒸気タービン翼は、主に、切削加工によって製造される。蒸気タービンは、蒸気を受けるプロファイル部、並びに、それに連なるルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールを有し、特に、プロファイル部は、切削加工の後に、所望の表面粗度を達成するために、手研磨加工（手作業）による研磨仕上げ加工が実施される。

こうした技術分野における背景技術として、特開２０１１－１０６３３２号公報（特許文献１）がある。

特許文献１には、蒸気タービン翼の表面処理加工として手研磨加工を使用し、Ｒａ０．０２μｍからＲａ０．２μｍの表面粗度に加工し、且つ、表面から１０μｍの深さ範囲に２５０ＭＰａ以上の圧縮応力を追加された表面状態に加工する蒸気タービン翼の加工方法（蒸気タービン翼の製造方法）が記載されている（特許文献１の要約参照）。

また、特許文献１には、蒸気タービン翼を、エンドミルによる切削加工によって、Ｒａ１μｍからＲａ１０μｍの表面粗度に加工し、次に、表面処理加工として切削加工で形成された蒸気タービン翼の表面にローラ処理を実施し、続いて、エメリー紙を使用し、手研磨加工（研磨仕上げ加工）によって、Ｒａ０．０２μｍからＲａ０．２μｍの表面粗度に加工することが記載されている（特許文献１の００２６参照）

特開２０１１－１０６３３２号公報

特許文献１には、エメリー紙を使用し、手研磨加工（研磨仕上げ加工）によって、所望の表面粗度に加工することが記載されている。

しかし、手研磨加工は、手作業に起因して寸法の標準偏差（寸法のばらつき）が大きい。また、蒸気タービン翼の形状の最適化によって、近年、プロファイル部の形状が複雑になっており、手研磨加工には、高い技量が必要となっている。

そこで、本発明は、寸法の標準偏差を低減し、完全３次元形状のプロファイル部を有する蒸気タービン翼であっても、所望の表面粗度を達成する蒸気タービン翼の製造方法を提供する。

上記した課題を解決するため、本発明の蒸気タービン翼の製造方法は、プロファイル部、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールを有する蒸気タービン翼の製造方法であって、プロファイル部、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールを、単一の切削工具（テーパボールエンドミル）により、連続的に機械加工することを特徴とする。

本発明によれば、寸法の標準偏差を低減し、完全３次元形状のプロファイル部を有する蒸気タービン翼であっても、所望の表面粗度を達成する蒸気タービン翼の製造方法を提供することができる。

なお、上記した以外の課題、構成及び効果については、下記する実施例の説明により、明らかにされる。

従来の蒸気タービン翼の製造方法における製造工程を説明する説明図である。 従来の蒸気タービン翼の製造方法における加工軌跡を説明する説明図である。 従来の蒸気タービン翼の製造方法における外観を説明する外観図である。 本実施例の蒸気タービン翼の製造方法における製造工程を説明する説明図である。 本実施例の蒸気タービン翼の製造方法における加工軌跡を説明する説明図である。 本実施例の蒸気タービン翼の製造方法における外観を説明する外観図である。 本実施例の蒸気タービン翼の製造方法に使用する切削工具を説明する説明図である。 本実施例の蒸気タービン翼の製造方法に使用する切削工具の１刃当たりの送り量を説明する説明図である。 本実施例の蒸気タービン翼の製造方法に使用する切削工具のスキャロップ高さを説明する説明図である。 本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価する代表断面（評価断面）を説明する説明図である。 本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価する評価パラメータを説明する説明図である。 本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価した評価パラメータに対する標準偏差を説明する説明図である。 本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価した評価断面に対する表面粗度を説明する説明図である。

以下、本発明の実施例を、図面を使用し、説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には同一の符号を付し、説明が重複する場合には、重複する説明を省略する場合がある。

＜従来の蒸気タービン翼の製造方法＞
先ず、本実施例を説明する前に、従来の蒸気タービン翼の製造方法を説明する。

図１は、従来の蒸気タービン翼の製造方法における製造工程を説明する説明図である。

蒸気タービン翼は、一般的に、金属材料から削り出され、従来の蒸気タービン翼の製造方法における製造工程は、
（１）プロファイル部、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールの切削加工、
（２）プロファイル部における手研磨加工（手作業）による研磨仕上げ加工
（３）手研磨加工による研磨仕上げ加工における残部の仕上げ加工、
を有し、特に、プロファイル部について、所望の表面粗度を達成する。

図２は、従来の蒸気タービン翼の製造方法における加工軌跡を説明する説明図である。

従来の蒸気タービン翼の製造方法においては、切削加工によって、形状を成形した後に、プロファイル部、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールに対して、手研磨加工による研磨仕上げ加工が実施される。

そして、特に、プロファイル部は、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールよりも、要求される所望の表面粗度が小さいため、手研磨加工による研磨仕上げ加工が実施される。

また、切削加工においては、プロファイル部、ルート側エンドウォール、シュラウド側エンドウォールのそれぞれに要求される所望の表面粗度の相違を踏まえ、更に、加工時間を短縮するため、一般的に、比較的曲率が小さな部位であるプロファイル部（パス３）は、大径の切削工具（３）によって加工され、比較的曲率が大きな部位であるルート側エンドウォール（パス１）及びシュラウド側エンドウォール（パス２）は、小型の切削工具（１及び２）によって加工される。

このため、加工パスが複数に分けられ、加工軌跡は複数に分かれ、特に、プロファイル部に発生する境界部には加工筋が発生する場合がある。

図３は、従来の蒸気タービン翼の製造方法における外観を説明する外観図である。

図３に示すように、従来の蒸気タービン翼の製造方法では、その外観に、加工パスを複数に分けることによって、加工筋が発生する。

＜本実施例の蒸気タービン翼の製造方法＞
次に、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を説明する。

図４は、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法における製造工程を説明する説明図である。

蒸気タービン翼は、一般的に、金属材料から削り出され、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法における製造工程は、
（１）プロファイル部、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールの切削加工（機械加工：機械的な切削加工）、
（２）切削加工による残部の仕上げ加工、
を有し、特に、プロファイル部について、所望の表面粗度を達成する。

このように、本実施例では、手研磨加工を機械加工によって代替することにより、手研磨加工による研磨仕上げ加工を省略する。

図５は、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法における加工軌跡を説明する説明図である。

本実施例の蒸気タービン翼の製造方法においては、切削加工によって、形状が成形される。つまり、プロファイル部、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールに対して、切削加工が実施される。

本実施例においては、切削加工によって、プロファイル部も所望の表面粗度が達成される。

また、本実施例においては、比較的曲率が小さな部位であるプロファイル部、比較的曲率が大きな部位であるルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールが、単一の切削工具（１）によって、一つのパス（１）で切削加工される。このため、加工パスを複数に分ける必要がなく、加工軌跡は複数に分かれず、プロファイル部にも境界部が発生せず、加工筋が発生しない。

つまり、本実施例においては、ルート側エンドウォール⇒プロファイル部⇒シュラウド側エンドウォール（シュラウド側エンドウォール⇒プロファイル部⇒ルート側エンドウォール）を、単一の切削工具によって、連続的に切削加工（機械加工）する。

このように、プロファイル部、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールを連続的に切削加工することにより、加工筋が発生せず、特に、良好なプロファイル部の加工面を得ることができる。

図６は、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法における外観を説明する外観図である。

図６に示すように、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法では、その外観に、加工パスを一つにすることによって、加工筋が発生しない。

このように、本実施例においては、単一の切削工具によって、連続的に切削加工するため、加工筋が発生せず、良好なプロファイル部の加工面を得ることができる。

図７は、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法に使用する切削工具を説明する説明図である。

図７に示す切削工具は、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法に使用し、切削加工を実施するための仕上げ工具でもある切削工具であり、テーパボールエンドミルである。

このテーパボールエンドミルは、金属材料を切削する切削工具であり、チップ式エンドミルやソリッド式エンドミルと相違し、底刃がボール形状であり、側面刃がテーパ形状である切削工具である
そして、このテーパボールエンドミルは、良好なプロファイル部の加工面を得ることができ、高剛性であり、複雑な３次元形状のプロファイル部を有する蒸気タービン翼の切削加工に有利である。

また、本実施例では、テーパボールエンドミルを使用し、機械加工のみで、プロファイル部について、所望の表面粗度を達成するため、理論面粗度が設計要求を満足するように、テーパボールエンドミルの加工諸元を設定する。

このように、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法は、プロファイル部、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールを有する蒸気タービン翼の製造方法であって、プロファイル部、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールを、単一の切削工具（テーパボールエンドミル）により、連続的に機械加工する。

図８は、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法に使用する切削工具の１刃当たりの送り量を説明する説明図である。

加工諸元である、この１刃当たりの送り量（ｆｚ）は、テーパボールエンドミルの送り速度を制御することによって、設定される。

図９は、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法に使用する切削工具のスキャロップ高さを説明する説明図である。

加工諸元である、このキャロップ高さ（Ｒｙ）は、テーパボールエンドミルの押し付け量を制御することによって、設定される。なお、ピッチは、テーパボールエンドミルの底刃の曲率によって設定される。

本実施例においては、金属材料として、フェライト鋼材料（例えば、１２Ｃｒ鋼）を使用し、１刃当たりの送り量（ｆｚ）を０．０７ｍｍと設定し、スキャロップ高さ（Ｒｙ）を０．００１５ｍｍと設定した。そして、テーパボールエンドミルの加工諸元である、１刃当たりの送り量を０．０７ｍｍ以下と設定し、スキャロップ高さを０．００１５ｍｍ以下と設定することが好ましい。

次に、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価する代表断面（評価断面）を説明する。

図１０は、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価する代表断面（評価断面）を説明する説明図である。

蒸気タービン翼は、シュラウド側エンドウォール１、プロファイル部２、ルート側エンドウォール３を有する。

そして、特に、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価するため、プロファイル部２の３箇所の代表断面を評価断面として設定する。つまり、プロファイル部２におけるシュラウド側エンドウォール１の代表断面を評価断面Ｃと、プロファイル部２における中央の代表断面を評価断面Ｅと、プロファイル部２におけるルート側エンドウォール３の代表断面を評価断面Ｇと、設定する。

次に、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価する評価パラメータを説明する。

図１１は、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価する評価パラメータを説明する説明図である。

また、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価するため、プロファイル部２について、コード長（翼長）、最大肉厚（評価断面における最大肉厚部分）、出口厚み（刃先肉厚：翼先端から２ｍｍの位置）を設定する。

次に、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価した評価パラメータに対する標準偏差を説明する。

図１２は、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価した評価パラメータに対する標準偏差を説明する説明図である。

評価パラメータ（最大肉厚、刃先肉厚、コード長）について、それぞれ、評価断面Ｃ、評価断面Ｅ、評価断面Ｇに対する標準偏差（ｍｍ）を評価した。

そして、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を使用し、製造された蒸気タービン翼のプロファイル部２（〇白抜き丸）と、従来の蒸気タービン翼の製造方法を使用し、製造された蒸気タービン翼のプロファイル部２（■黒色四角）と、を比較した。

図１２に示すように、従来の蒸気タービン翼の製造方法では、標準偏差が最大で０．０３７ｍｍ（評価断面Ｇのコード長）であり、本実施例のタービン翼の製造方法では、標準偏差は最大で０．０１５ｍｍ（評価断面Ｇの最大肉厚）であり、本実施例のタービン翼の製造方法は、従来の蒸気タービン翼の製造方法に対して、標準偏差が小さくすることができる。

このように、本実施例によれば、完全３次元形状のプロファイル部を有する蒸気タービン翼であっても、機械加工によるため寸法の標準偏差を低減することができる。

次に、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価した評価断面に対する表面粗度を説明する。

図１３は、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を評価した評価断面に対する表面粗度を説明する説明図である。

図１３に示すように、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を使用し、製造された蒸気タービン翼のプロファイル部２は、評価断面Ｇ、評価断面Ｅ、評価断面Ｃのいずれもが、表面粗度Ｒａが実用上十分な０．３０μｍ以下であり、所望の表面粗度を達成することができる。

つまり、本実施例の蒸気タービン翼の製造方法を使用し、製造された蒸気タービン翼のプロファイル部２は、標準偏差が０．０１５ｍｍ以下であり、表面粗度Ｒａが０．３０μｍ以下である。

このように、本実施例によれば、完全３次元形状のプロファイル部を有する蒸気タービン翼であっても、機械加工によるため寸法の標準偏差を低減することができ、所望の表面粗度を達成することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を有するものに限定されるものではない。

１・・・シュラウド側エンドウォール
２・・・プロファイル部
３・・・ルート側エンドウォール

Claims (4)

1. プロファイル部、ルート側エンドウォール及びシュラウド側エンドウォールを有する蒸気タービン翼の製造方法であって、
   前記プロファイル部、前記ルート側エンドウォール及び前記シュラウド側エンドウォールを、単一の切削工具により、連続的に機械加工することを特徴とする蒸気タービン翼の製造方法。
2. 請求項１に記載する蒸気タービン翼の製造方法であって、
   前記単一の切削工具が、テーパボールエンドミルであることを特徴とする蒸気タービン翼の製造方法。
3. 請求項２に記載する蒸気タービン翼の製造方法であって、
   前記テーパボールエンドミルの加工諸元である、１刃当たりの送り量を０．０７ｍｍ以下と設定し、スキャロップ高さを０．００１５ｍｍ以下と設定することを特徴とする蒸気タービン翼の製造方法。
4. 請求項２に記載する蒸気タービン翼の製造方法であって、
   前記プロファイル部は、標準偏差が０．０１５ｍｍ以下であり、表面粗度が０．３０μｍ以下であることを特徴とする蒸気タービン翼の製造方法。

Images