JP3940609B2

JP3940609B2 - Turbine scale removing apparatus and turbine scale removing method using laser

Info

Publication number: JP3940609B2
Application number: JP2002026042A
Authority: JP
Inventors: 憲秀松村; 裕内田; 博信木村; 一佐藤; 隆一外川
Original assignee: Toshiba Corp; Shikoku Research Institute Inc; Shikoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Shikoku Research Institute Inc; Shikoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: JP2003227308A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラントに用いられるタービンロータのタービン翼の表面に付着するスケールをレーザ光を用いて除去するタービンスケール除去装置及びこの除去装置を使用したタービンスケール除去方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、火力発電所及び原子力発電所等の発電用タービンロータは、図４に示すように、回転軸１２と、回転軸１２の軸方向に配設された多段構成のタービン翼（翼群又は翼段）４からなり、各タービン翼４は回転軸１２の外周面に放射状に並設固定された複数枚の翼から構成されている。
【０００３】
これらのタービン翼４の表面には、酸化鉄やアカガナイト(赤金鉱：β-FeOOH)等を主成分としたスケールが付着する。これは、具体的にはタービン翼４の使用に伴い蒸気中に微量含まれる珪素やマグネシウムなどが化合物化して付着したり、高温環境であるため金属表面が酸化或いは水酸化されたりして皮膜化、堆積することである。
【０００４】
タービン翼４の表面に付着したスケールは材料の腐食を引き起こしたり、またタービン動作中に剥離した場合タービン内に飛散し、機器の損傷などの問題を引き起こす。そのため、従来タービンの点検、保守時にサンドブラスト法（砂吹き法）を用いてスケールを定期的に除去することが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記サンドブラスト法では施工時にブラスト材である砂の飛散を防ぐために、防塵エリアを設置する必要がある、施工時に多大な粉塵が生じ作業環境が劣悪である、ブラスト材の消費量が多く費用がかかる、施工時にタービン翼母材に損傷を与え易いなどの課題がある。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は取り扱いが容易で、防塵対策が不要、施工における消耗品も少なく、また施工に伴う母材への影響がないレーザを用いたタービンスケール除去装置及びタービンスケール除去方法を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、複数のタービン翼が互に間隔を存し、かつ前記タービン翼に対して直交するように取り付けられたタービンの回転軸を回転可能に支持する架台と、
前記少なくとも１個のタービン翼の直径方向で前記タービン翼に近接して配設されたガイドレールと、
レーザパルス光を射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器からのレーザパルス光を前記タービン翼近くまで伝送することのできる導光系と、
前記ガイドレールに沿って移動可能に配設された移動装置と、
前記移動装置に配設され、前記タービン翼の所望の位置に前記レーザパルス光を照射する照射装置と、
を具備し、前記タービン翼の表面であって該表面に付着した酸化鉄やアカガナイト ( β -FeOOH) を主成分としたスケールに対して、前記照射装置からのレーザ光を照射することで前記スケールを除去することを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去装置である。
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記照射装置は、前記レーザ発振器からのレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、前記光学素子により変換された平行光を所定の振幅で走査する走査用ミラーと、該走査用ミラーからのレーザ光を集光する集光素子とからなることを特徴とする請求項１記載のタービンスケール除去装置である。
【０００８】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記照射装置は、前記レーザ発振器からのレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、該光学素子により変換された平行光を線状に集光する集光素子とからなることを特徴とする請求項１記載のタービンスケール除去装置である。
【０００９】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記照射装置は、前記レーザ発振器からのレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、該光学素子により変換された平行光を所定方向に折り曲げるミラーと、該ミラーからのレーザ光を線状に集光する集光素子とからなることを特徴とする請求項１記載のタービンスケール除去装置である。
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記ガイドレールは、前記タービン翼の半径寸法より長めのもの、又は前記タービン翼の直径寸法より長めのものを使用することを特徴とする請求項１記載のタービンスケール除去装置である。
【００１０】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記導光系からのレーザパルス光を取り込むと共に平行光に変換する光学素子は、コリメータレンズであり、前記走査用ミラーからの平行光を集光して前記タービン翼の所望の位置に照射する集光素子は集光レンズであることを特徴とする請求項２記載のタービンスケール除去装置である。
前記目的を達成するため、請求項７に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記導光系からのレーザパルス光を取り込むと共に平行光に変換する光学素子は、コリメータレンズであり、前記変換用ミラーからの平行光を線状に集光して前記タービン翼の所望の位置に照射する集光素子はシリンドリカルレンズ又はレンズアレイであることを特徴とする請求項３又は４記載のタービンスケール除去装置である。
前記目的を達成するため、請求項８に対応する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパルスエネルギー密度を１００ｍJ/cm²以上３５７ｍJ/cm²以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法である。
【００１１】
前記目的を達成するため、請求項９に対応する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパルスエネルギー密度を５０ｍJ/cm²以上５００ｍJ/cm²以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法である。
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項１０に対応する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパルスの重畳数を４０回以上１０００回以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法である。
【００１３】
前記目的を達成するため、請求項１１に対応する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパルスの重畳数を４０回以上１６００回以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法である。
【００１４】
前記目的を達成するため、請求項１２に対応する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのレーザパルスの時間幅を５０ns以上１５０ns以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）は、本発明に係るタービンスケールの除去装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。ここで、示されているタービンロータは、回転軸１２に、この軸方向に例えば４段のタービン翼４が並設固定され、回転軸１２には軸方向両端部にフランジ１２ａが形成されており、フランジ１２ａを有する回転軸１２の両端部は、点検架台（主として点検時に使用するもの）１３に回転可能に支承されている。そして、スケールを除去する際に点検架台１３に、例えば油圧又は手動により駆動する回転機構（図示しない）を付加することで回転軸１２を回転できるように構成されている。
【００１６】
タービンスケール除去装置は次のように構成されている。すなわち、タービンスケール除去に必要なレーザパルス光を出射するレーザ発振器１と、レーザ発振器１からのレーザパルス光をタービン翼４の施工位置近くつまり後述するスケールの存在する位置近くまで伝送することのできる光ファイバーと鏡からなる導光系２と、導光系２からのレーザパルス光を取り込み、これをタービン翼の表面であって該表面に付着した酸化鉄やアカガナイト(β-FeOOH)等を主成分としたスケール（図示せず）に照射する照射装置３と、タービン翼４に平行であって回転軸１２に対して直交する半径方向、具体的には回転軸１２近くからタービン翼４の外周側の放射方向に延びるようにガイドレール５を複数本（ここでは２本）配設し、この各ガイドレール５に沿って照射装置３を夫々移動可能に構成したものである。
【００１７】
図１（ａ）のような構成のタービンスケール除去装置を使用して実際に、タービンスケールを除去するには、例えば始めに直径の大きいタービン翼４において照射装置３を半径方向に移動させながら所望のレーザパルス光を照射してタービンスケールを除去した後、照射装置３が配設されている各ガイドレール５を、直径の小さいタービン翼４側に移動した後、直径の小さいタービン翼４において照射装置３を半径方向に移動させながら所望のレーザパルス光を照射してタービンスケールの除去を行えばよい。
【００１８】
図１（ａ）のようにタービン翼４の半径方向に照射装置３が移動できるようにガイドレール５が配設されているので、回転軸に近接した位置であってもタービンスケールの除去が容易に行える。
【００１９】
図１（ｂ）は本発明に係わるタービンスケール除去装置の第２の実施形態を示す概略構成図であり、図１（ａ）とは次の点が異なる。図１（ａ）ではタービン翼４のほぼ半径方向に照射装置３を移動できるようにガイドレール５を配設したものであるのに対して、図１（ｂ）ではタービン翼４のほぼ直径方向、具体的にはタービン翼４の直径寸法より長めのガイドレール５を、タービン翼４に形成されている回転軸１２の近傍に配設にしたものである。
【００２０】
なお、図１（ｂ）においては、タービン翼４を１段のみしか示していないが、スケール４ａを除去する際には、図１（ａ）と同様に回転軸１２を点検架台１３により支承することは言うまでもない。また、図１（ｂ）に示す実施形態も、必要に応じて例えば油圧又は手動により回転軸を回転させる回転機構（図示せず）を使用することも、図１（ａ）の実施形態と同様である。
【００２１】
図１（ｂ）に示す実施形態も、前述の図１（ａ）の実施形態と同様に、タービン翼４に付着したスケール４ａを除去できる。
【００２２】
図２は、図１の照射装置３の構成を説明するための図である。これは、レーザ発振器１からのレーザパルス光を導光系２を介して導かれ、平行光に変換する光学素子例えばコリメータレンズ６と、コリメータレンズ６により変換された平行光を所定の振幅で前記ガイドレールの配設方向に対して直交する方向に走査する走査用ミラー７と、走査用ミラー７からのレーザ光を集光する集光素子例えば集光レンズ８とから構成したものである。
【００２３】
このような構成のタービンスケール除去装置を用いて、タービン翼４に付着したスケール４ａを除去するには、スケール４ａに対して、照射装置３からの所望のエネルギのレーザパルス光を照射すればよい。この場合、移動装置１１及び回転機構を使用してスケール４ａに対応するように照射する。
【００２４】
このようにしてタービン翼４の表面に付着したスケール４ａに対してレーザ光を照射すると、スケール４ａはレーザ光のエネルギーを吸収し、これによりスケール４ａは急速に過熱、プラズマ化することにより達成される。この加熱によりスケール４ａの一部は蒸散し、また一部は急速な過熱により母材は変化せずに表面のみが熱膨張するため母材との境界が剥離することにより除去される。
【００２５】
従って、この場合、吸収されるレーザ光のエネルギーが少な過ぎる場合、上述した蒸散量が極めて少ない、表面加熱による熱膨張が剥離に至るほど大きくない、などにより除去することができない。
【００２６】
また、スケール４ａの除去可能な所定のエネルギーを与えた場合、翼表面のスケールは無くなり、それ以上多大なエネルギーを与えた場合スケール除去に寄与することなく無効となるばかりか、タービン翼そのものへ悪影響を及ぼす可能性がある。このため、照射エネルギー密度はスケールが完全に除去できる量とすることが望ましい。
【００２７】
本発明に係るスケール４ａの除去加工ではレーザ動作の繰り返しは５〜１０ｋHzであり、照射パルスを重畳することは１００〜２００マイクロ秒毎にスケール表面が繰り返し加熱されることとなる。パルス重畳せずに高エネルギー密度のレーザを１パルス照射する場合、照射領域内の密度分布やショットごとのエネルギー変動などが除去結果に及ぼす影響が大きく、実用的ではない。
【００２８】
一方、低エネルギー密度の照射条件で重畳数（照射重畳数）を増やして照射した場合、スケールが除去されることなく、表面のみならず母材も加熱されるため、前述したように本発明の手法によるスケール４ａの除去の除去機構で重要となるプラズマ発生や熱膨張による母材との剥離が生じず、スケール４ａを除去することができない。ここで、重畳数は、レーザパルスを所定の間隔で同じ位置に何回照射したかを表す。
【００２９】
従って、重畳数は、エネルギー分布のばらつきが平均化され除去特性に影響を及ぼさず、かつレーザ照射による母材の加熱も問題にならない範囲内に設定する必要がある。
【００３０】
これらの条件に対して適性条件を求めるための試験結果の一例を表１及び表２に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【表２】

【００３３】
表１(ａ)及び表１(ｂ)には、エネルギー密度、重畳数をパラメータとした場合の低圧タービン翼のスケール除去特性の一例について示している。表２には同じくエネルギー密度、重畳数をパラメータとした場合の高中圧タービンの翼のスケール除去特性の一例について示している。
【００３４】
表１、表２において、結果の欄で記載されている「残る」はスケールが除去できないことを意味し、又、「僅かに残る」はスケールが一部残っているが実用上問題がないことを意味し、更に、「除去」はスケールが完全に除去できていることを意味している。
【００３５】
表１、表２から明らかなように、前述のタービンスケール除去装置を使用してタービン翼４の表面に付着したスケール４ａを除去する場合、この測定例においては、照射装置３からのパルスエネルギー密度をスケールが除去可能となる１００ｍJ/cm²以上とし、かつ母材に損傷を与えない３５７ｍJ/cm²以下の範囲内で行えば、スケール４ａが完全に除去されるか、叉はスケール４ａが一部に残っているが実用上問題がない状態となる。
【００３６】
なお、パルスエネルギー密度を５０ｍJ/cm²以上５００ｍJ/cm²以下の範囲内に設定することにより本発明の効果が得られる。
【００３７】
また、表１、表２から明らかなように、前述のタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼４の表面に付着したスケール４ａを除去する場合、この測定例においては照射装置３からのパルスの重畳数をスケールが除去可能となる４０回以上とし、かつ母材に損傷を与えない１０００回以下の範囲内で行えば、スケール４ａが完全に除去されるか、叉はスケール４ａが一部に残っているが実用上問題がない状態となる。
【００３８】
なお、パルスの重畳数を４０回以上１６００回以下の範囲内に設定することにより本発明の効果が得られる。
【００３９】
さらに照射するレーザパルス幅に対してパルス幅が長い場合、パルス後半においてスケール表面によって吸収されたエネルギーはスケールを加熱し、さらに熱伝導により母材温度を上昇させる。このような条件下ではスケールと母材との境界での剥離が生じず、除去特性が良くない。したがって本発明による手法では、適用可能な最大パルス幅が存在する。
【００４０】
また、パルス幅を短くした場合、同じエネルギーを照射するためにはより大きなピークパワーのレーザ出力が必要となり、使用するレーザや光学素子として高品質、高価の部品が必要となり、さらに使用時にも部品表面の清浄度の管理が必要になる、など実用上望ましくない事象が生じる。したがって実用上最短パルス幅も存在することになる。
【００４１】
そこで、表１、表２から明らかなように、前述のタービンスケール除去装置を使用してタービン翼４の表面に付着したスケール４ａを除去する場合、照射装置３からのレーザパルスの時間幅をスケールが除去可能となる５０ns以上とし、かつ母材に損傷を与えない１５０ns以下の範囲内で行えば、スケール４ａが完全に除去されるか、叉はスケール４ａが一部に残っているが実用上問題がない状態となる。
【００４２】
図３は本発明のタービンスケール除去装置の第２の実施形態の照射装置３のみを示す概略構成図である。照射装置３は、レーザ発振器１からのレーザパルス光を平行光に変換する光学素子例えばコリメータレンズ６と、コリメータレンズ６により変換された平行光を所定方向に折り曲げるミラー９と、ミラー９からのレーザ光を線状に集光するシリンドリカルレンズ１０とから構成されている。
【００４３】
このように構成された照射装置３は、導光系２からのレーザ光はコリメータレンズ６により径を拡大した平行ビームに変換後ミラー９により所定の方向に折り曲げた後、シリンドリカルレンズ１０により加工点で必要とされるエネルギー密度を持つように線状に集光され、タービン翼４のスケール４ａ上に照射される。この結果、前述の第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【００４４】
なお、シリンドリカルレンズ１０は他の光学素子、例えばレンズアレイ等に置き換えることによって線状に集光されるものであってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、取り扱いが容易で、防塵対策が不要、施工における消耗品も少なく、また施工に伴う母材への影響がないレーザを用いたタービンスケール除去装置及びタービンスケール除去方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるタービンスケール除去装置の第１及び第２の実施形態を示す概略構成図。
【図２】図１の照射装置を拡大して示す構成図。
【図３】本発明によるタービンスケール除去装置の第２の実施形態に係る照射装置を拡大して示す構成図。
【図４】一般的なタービン翼の概略を示す斜視図。
【符号の説明】
１…レーザ発振器
２…導光系
３…照射装置
４…タービン翼
４ａ…スケール
５…ガイドレール
６…コリメータレンズ
７…走査用ミラー
８…集光レンズ
９…ミラー
１０…シリンドリカルレンズ
１１…移動装置
１２…回転軸
１３…点検架台[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a turbine scale removing device that removes a scale adhering to the surface of a turbine blade of a turbine rotor used in a power plant using a laser beam, and a turbine scale removing method using the removing device.
[0002]
[Prior art]
In general, a power generation turbine rotor of a thermal power plant, a nuclear power plant or the like has a rotating shaft 12 and a multistage turbine blade (blade group or blade) arranged in the axial direction of the rotating shaft 12, as shown in FIG. Each turbine blade 4 is composed of a plurality of blades that are radially fixed to the outer peripheral surface of the rotary shaft 12.
[0003]
On the surface of these turbine blades 4, a scale mainly composed of iron oxide, akaganite (red gold ore: β-FeOOH) or the like adheres. Specifically, as the turbine blades 4 are used, silicon or magnesium contained in a trace amount in the vapor is compounded and adhered, or because of the high temperature environment, the metal surface is oxidized or hydroxylated to form a film. Is to deposit.
[0004]
The scale adhering to the surface of the turbine blade 4 causes corrosion of the material, and when peeled off during the operation of the turbine, the scale is scattered in the turbine, causing problems such as damage to equipment. Therefore, the scale is regularly removed using a sandblasting method (sand blowing method) at the time of inspection and maintenance of a conventional turbine.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above sandblasting method, it is necessary to install a dust-proof area to prevent scattering of sand as a blasting material during construction, a large amount of dust is generated during construction, the working environment is poor, and the consumption of blasting material is high. There is a problem that the turbine blade base material is easily damaged during construction.
[0006]
The present invention has been made to solve such problems, and its purpose is to provide a laser that is easy to handle, does not require dust-proof measures, has few consumables in construction, and does not affect the base material associated with construction. It is in providing the turbine scale removal apparatus and turbine scale removal method which were used.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention corresponding to claim 1 is capable of rotating a rotating shaft of a turbine in which a plurality of turbine blades are spaced apart from each other and are orthogonal to the turbine blades. A supporting frame,
A guide rail disposed proximate to the turbine blade in a diametrical direction of the at least one turbine blade;
A laser oscillator that emits laser pulse light; and
A light guide system capable of transmitting the laser pulse light from the laser oscillator to said turbine blade near,
A moving device arranged to be movable along the guide rail;
An irradiation device disposed in the moving device and irradiating the laser pulse light to a desired position of the turbine blade;
The scale of the turbine blade by irradiating a laser beam from the irradiation device to a scale mainly composed of iron oxide or akaganite ( β- FeOOH) adhering to the surface of the turbine blade Is a turbine scale removing device using a laser characterized in that
In order to achieve the object, the invention corresponding to claim 2 is as follows. That is, the irradiation device includes an optical element that converts laser pulse light from the laser oscillator into parallel light, a scanning mirror that scans the parallel light converted by the optical element with a predetermined amplitude, and the scanning mirror. The turbine scale removing device according to claim 1, further comprising a condensing element that condenses the laser beam from the light source.
[0008]
In order to achieve the object, the invention corresponding to claim 3 is configured as follows. That is, the irradiation device includes an optical element that converts laser pulse light from the laser oscillator into parallel light, and a condensing element that linearly condenses the parallel light converted by the optical element. a turbine descaling apparatus according to claim 1 Symbol mounting and.
[0009]
In order to achieve the object, the invention corresponding to claim 4 is configured as follows. That is, the irradiation device includes an optical element that converts laser pulse light from the laser oscillator into parallel light, a mirror that bends the parallel light converted by the optical element in a predetermined direction, and a laser beam from the mirror. Jo be made of a condensing element for condensing the a te bottle descaling apparatus according to claim 1 Symbol mounting characterized.
In order to achieve the above object, the invention corresponding to claim 5 is configured as follows. That is, the guide rail, the longer ones than the radial dimension of the turbine blades, or te bottle descaling apparatus according to claim 1 Symbol placement, characterized by using a longer ones than the diameter of the turbine blades.
[0010]
In order to achieve the object, the invention corresponding to claim 6 is configured as follows. That is, the optical element that captures the laser pulse light from the light guide system and converts it into parallel light is a collimator lens, and collects the parallel light from the scanning mirror and irradiates it to a desired position of the turbine blade. 3. The turbine scale removing device according to claim 2, wherein the condensing element is a condensing lens.
In order to achieve the above object, the invention corresponding to claim 7 is configured as follows. That is, the optical element that takes in the laser pulse light from the light guide system and converts it into parallel light is a collimator lens, and collects the parallel light from the conversion mirror in a linear shape to obtain a desired value of the turbine blade. 5. The turbine scale removing device according to claim 3, wherein the condensing element for irradiating the position is a cylindrical lens or a lens array.
To achieve the aforementioned object, the present invention corresponding to claim 8, when removing scale deposited on the surface of the turbine blade using the turbine descaling device using a laser according to claim 1, wherein the irradiation device a turbine descaling method using a laser and performing pulse energy density in the range of 100 mJ / cm ² or more 357mJ / cm ² or less from.
[0011]
To achieve the aforementioned object, the present invention corresponding to claim 9, when removing scale deposited on the surface of the turbine blade using the turbine descaling device using a laser according to claim 1 Symbol placement, the irradiation A turbine scale removing method using a laser, wherein the pulse energy density from the apparatus is within a range of 50 mJ / cm ^{2 to} 500 mJ / cm ² .
[0012]
To achieve the aforementioned object, the present invention corresponding to claim 10, when removing scale deposited on the surface of the turbine blade using the turbine descaling device using a laser according to claim 1 Symbol placement, the irradiation A turbine scale removing method using a laser, wherein the number of superimposed pulses from the apparatus is within a range of 40 to 1000 times.
[0013]
To achieve the aforementioned object, the present invention corresponding to claim 11, when removing scale deposited on the surface of the turbine blade using the turbine descaling device using a laser according to claim 1 Symbol placement, the irradiation A turbine scale removal method using a laser, wherein the number of pulses superimposed from the apparatus is within a range of 40 to 1600 times.
[0014]
To achieve the aforementioned object, the present invention corresponding to claim 12, when removing scale deposited on the surface of the turbine blade using the turbine descaling device using a laser according to claim 1 Symbol placement, the irradiation A turbine scale removing method using a laser, wherein a time width of a laser pulse from the apparatus is performed within a range of 50 ns to 150 ns.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1A is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of a turbine scale removing apparatus according to the present invention. Here, in the illustrated turbine rotor, for example, four stages of turbine blades 4 are juxtaposed and fixed to the rotary shaft 12 in the axial direction, and the rotary shaft 12 has flanges 12a formed at both ends in the axial direction. The both ends of the rotating shaft 12 having the flange 12a are rotatably supported by an inspection rack 13 (mainly used for inspection). When the scale is removed, the rotating shaft 12 can be rotated by adding a rotating mechanism (not shown) that is driven, for example, hydraulically or manually to the inspection platform 13.
[0016]
The turbine scale removing device is configured as follows. That is, the laser oscillator 1 that emits laser pulse light necessary for turbine scale removal, and the laser pulse light from the laser oscillator 1 can be transmitted to a position near the construction position of the turbine blade 4, that is, to a position where a scale described later exists. The light guide system 2 composed of an optical fiber and a mirror, and the laser pulse light from the light guide system 2 are taken in. The main component is iron oxide, akaganite (β-FeOOH), etc. attached to the surface of the turbine blade. The irradiation device 3 for irradiating a scale (not shown), and a radial direction that is parallel to the turbine blade 4 and orthogonal to the rotating shaft 12, specifically, from the vicinity of the rotating shaft 12 to the outer peripheral side of the turbine blade 4 A plurality of guide rails 5 (two in this case) are arranged so as to extend in the radial direction, and the irradiation device 3 is configured to be movable along each guide rail 5. .
[0017]
In order to actually remove the turbine scale by using the turbine scale removing device having the configuration as shown in FIG. 1A, for example, the irradiation device 3 is first moved in the radial direction in the turbine blade 4 having a large diameter. After removing the turbine scale by irradiating the laser pulse light, each guide rail 5 on which the irradiation device 3 is disposed is moved to the turbine blade 4 having a small diameter, and then irradiated on the turbine blade 4 having a small diameter. The turbine scale may be removed by irradiating a desired laser pulse light while moving the apparatus 3 in the radial direction.
[0018]
As shown in FIG. 1A, the guide rail 5 is arranged so that the irradiation device 3 can move in the radial direction of the turbine blade 4, so that the turbine scale can be easily removed even at a position close to the rotating shaft. Can be done.
[0019]
FIG.1 (b) is a schematic block diagram which shows 2nd Embodiment of the turbine scale removal apparatus concerning this invention, and the following points differ from Fig.1 (a). In FIG. 1A, the guide rail 5 is disposed so that the irradiation device 3 can be moved in the almost radial direction of the turbine blade 4, whereas in FIG. Specifically, a guide rail 5 longer than the diameter dimension of the turbine blade 4 is disposed in the vicinity of the rotating shaft 12 formed on the turbine blade 4.
[0020]
In FIG. 1B, only one stage of the turbine blade 4 is shown, but when the scale 4a is removed, the rotating shaft 12 is supported by the inspection rack 13 as in FIG. 1A. Needless to say. In addition, the embodiment shown in FIG. 1B also uses a rotating mechanism (not shown) that rotates a rotating shaft by, for example, hydraulic pressure or manually as required, as in the embodiment shown in FIG. It is.
[0021]
In the embodiment shown in FIG. 1B, the scale 4a attached to the turbine blade 4 can be removed as in the embodiment shown in FIG.
[0022]
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the irradiation apparatus 3 of FIG. This is because the laser pulse light from the laser oscillator 1 is guided through the light guide system 2 and converted into parallel light, for example, a collimator lens 6, and the parallel light converted by the collimator lens 6 has a predetermined amplitude. The scanning mirror 7 is configured to scan in a direction orthogonal to the guide rail arrangement direction, and a condensing element such as a condensing lens 8 that condenses the laser light from the scanning mirror 7.
[0023]
In order to remove the scale 4a adhering to the turbine blade 4 using the turbine scale removing device having such a configuration, the scale 4a may be irradiated with laser pulse light having a desired energy from the irradiation device 3. . In this case, irradiation is performed using the moving device 11 and the rotation mechanism so as to correspond to the scale 4a.
[0024]
When the laser beam is irradiated onto the scale 4a adhering to the surface of the turbine blade 4 in this way, the scale 4a absorbs the energy of the laser beam, whereby the scale 4a is rapidly heated and converted into plasma. The Due to this heating, a part of the scale 4a is evaporated, and a part of the scale 4a is removed by peeling off the boundary with the base material because only the surface is thermally expanded without changing the base material due to rapid overheating.
[0025]
Therefore, in this case, when the energy of the absorbed laser beam is too small, it cannot be removed because the amount of transpiration described above is extremely small, or the thermal expansion due to surface heating is not so great as to cause peeling.
[0026]
Further, when the predetermined energy that can be removed by the scale 4a is applied, the blade surface scale is lost, and when a larger amount of energy is applied, the scale 4a becomes invalid without contributing to the scale removal, and has an adverse effect on the turbine blade itself. May affect. For this reason, it is desirable that the irradiation energy density be an amount that can completely remove the scale.
[0027]
In the removal processing of the scale 4a according to the present invention, the repetition of the laser operation is 5 to 10 kHz, and the superposition of the irradiation pulse causes the scale surface to be repeatedly heated every 100 to 200 microseconds. When one pulse of a high energy density laser is irradiated without superimposing pulses, the density distribution in the irradiation region and the energy fluctuation for each shot have a large influence on the removal result, which is not practical.
[0028]
On the other hand, when irradiation is performed by increasing the number of superpositions (irradiation superposition number) under irradiation conditions of low energy density, not only the surface but also the base material is heated without removing the scale. Separation from the base material due to plasma generation or thermal expansion, which is important in the removal mechanism of the scale 4a by the technique, does not occur, and the scale 4a cannot be removed. Here, the superposition number represents how many times the same position is irradiated with the laser pulse at a predetermined interval.
[0029]
Therefore, it is necessary to set the number of superpositions within a range in which variations in energy distribution are averaged and do not affect the removal characteristics, and heating of the base material by laser irradiation does not cause a problem.
[0030]
Tables 1 and 2 show examples of test results for obtaining suitability conditions for these conditions.
[0031]
[Table 1]

[0032]
[Table 2]

[0033]
Tables 1 (a) and 1 (b) show an example of the scale removal characteristics of the low-pressure turbine blade when the energy density and the number of superpositions are used as parameters. Table 2 also shows an example of the scale removal characteristics of the blades of the high and medium pressure turbine when the energy density and the number of superpositions are used as parameters.
[0034]
In Tables 1 and 2, “Remaining” described in the result column means that the scale cannot be removed, and “Slightly remaining” means that a part of the scale remains, but there is no practical problem. In addition, “removal” means that the scale has been completely removed.
[0035]
As is clear from Tables 1 and 2, when the scale 4a attached to the surface of the turbine blade 4 is removed using the turbine scale removing device described above, in this measurement example, the pulse energy density from the irradiation device 3 is removed. Is 100 mJ / cm ² or more at which the scale can be removed and is performed within a range of 357 mJ / cm ² or less that does not damage the base material, the scale 4a is completely removed or the scale 4a is It remains in the part, but there is no problem in practical use.
[0036]
The effect of the present invention can be obtained by setting the pulse energy density within the range of 50 mJ / cm ² or more and 500 mJ / cm ² or less.
[0037]
As is clear from Tables 1 and 2, when the scale 4a attached to the surface of the turbine blade 4 is removed using the turbine scale removing device described above, the pulse from the irradiation device 3 is used in this measurement example. The scale 4a is completely removed or a part of the scale 4a is partially removed if the superposition number is set to 40 times or more at which the scale can be removed and is performed within 1000 times or less that does not damage the base material. However, there is no problem in practical use.
[0038]
The effect of the present invention can be obtained by setting the number of superimposed pulses within the range of 40 times to 1600 times.
[0039]
Further, when the pulse width is longer than the laser pulse width to be irradiated, the energy absorbed by the scale surface in the second half of the pulse heats the scale and further raises the base material temperature by heat conduction. Under such conditions, peeling at the boundary between the scale and the base material does not occur, and the removal characteristics are not good. Therefore, in the method according to the present invention, there is a maximum applicable pulse width.
[0040]
In addition, when the pulse width is shortened, a laser output with a higher peak power is required to irradiate the same energy, and high quality and expensive parts are required as the laser and optical element to be used. Practical undesirable events occur, such as the need to control surface cleanliness. Therefore, the shortest pulse width practically exists.
[0041]
Therefore, as is clear from Tables 1 and 2, when the scale 4a attached to the surface of the turbine blade 4 is removed using the turbine scale removing device described above, the time width of the laser pulse from the irradiation device 3 is scaled. If it is performed within a range of 150 ns or less that does not damage the base material, the scale 4a is completely removed or the scale 4a remains in a part, but it is practically used. There is no problem.
[0042]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing only the irradiation device 3 of the second embodiment of the turbine scale removing device of the present invention. The irradiation device 3 includes an optical element that converts laser pulse light from the laser oscillator 1 into parallel light, for example, a collimator lens 6, a mirror 9 that bends the parallel light converted by the collimator lens 6 in a predetermined direction, and a laser from the mirror 9. It is comprised from the cylindrical lens 10 which condenses light linearly.
[0043]
In the irradiation device 3 configured in this way, the laser light from the light guide system 2 is converted into a parallel beam whose diameter is enlarged by the collimator lens 6, bent in a predetermined direction by the mirror 9, and then processed by the cylindrical lens 10. Then, the light is condensed in a linear shape so as to have the energy density required by the laser beam and irradiated onto the scale 4a of the turbine blade 4. As a result, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained.
[0044]
The cylindrical lens 10 may be condensed linearly by replacing it with another optical element such as a lens array.
[0045]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, a turbine scale removing apparatus and a turbine scale removing method using a laser that are easy to handle, do not require dust-proof measures, have few consumables in construction, and do not affect the base material associated with construction. Can provide.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing first and second embodiments of a turbine scale removing apparatus according to the present invention.
2 is an enlarged configuration diagram showing the irradiation apparatus of FIG. 1;
FIG. 3 is an enlarged configuration diagram showing an irradiation apparatus according to a second embodiment of a turbine scale removing apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view schematically showing a general turbine blade.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser oscillator 2 ... Light guide system 3 ... Irradiation device 4 ... Turbine blade 4a ... Scale 5 ... Guide rail 6 ... Collimator lens 7 ... Scanning mirror 8 ... Condensing lens 9 ... Mirror 10 ... Cylindrical lens 11 ... Moving device 12 ... Rotating shaft 13 ... Inspection stand

Claims

A gantry that rotatably supports a rotating shaft of a turbine, wherein a plurality of turbine blades are spaced from each other and are orthogonally attached to the turbine blade;
A guide rail disposed proximate to the turbine blade in a diametrical direction of the at least one turbine blade;
A laser oscillator that emits laser pulse light; and
A light guide system capable of transmitting the laser pulse light from the laser oscillator to said turbine blade near,
A moving device arranged to be movable along the guide rail;
An irradiation device disposed in the moving device and irradiating the laser pulse light to a desired position of the turbine blade;
The scale of the turbine blade by irradiating laser light from the irradiation device to a scale mainly composed of iron oxide or akaganite ( β- FeOOH) adhering to the surface of the turbine blade turbine descaling device using a laser, characterized in that the removal of.

The irradiation device includes: an optical element that converts laser pulse light from the laser oscillator into parallel light; a scanning mirror that scans the parallel light converted by the optical element with a predetermined amplitude; and The turbine scale removing device according to claim 1, further comprising a condensing element that condenses the laser light .

The irradiation apparatus includes an optical element that converts laser pulse light from the laser oscillator into parallel light, and a condensing element that linearly condenses the parallel light converted by the optical element. claim 1 Symbol placement of te bottle descaling device.

The irradiation device includes: an optical element that converts laser pulse light from the laser oscillator into parallel light; a mirror that bends the parallel light converted by the optical element in a predetermined direction; and the laser light from the mirror in a linear shape. claim 1 Symbol placement of te bottle descaling apparatus characterized by comprising a condensing element for condensing.

The guide rail, the longer ones than the radial dimension of the turbine blades, or claim 1 Symbol placement of te bottle descaling apparatus, characterized by using a longer ones than the diameter of the turbine blades.

The optical element that takes in the laser pulse light from the light guide system and converts it into parallel light is a collimator lens, and collects the parallel light from the scanning mirror and irradiates it to a desired position of the turbine blade. The turbine scale removing device according to claim 2, wherein the optical element is a condenser lens.

The optical element that captures the laser pulse light from the light guide system and converts it into parallel light is a collimator lens, and condenses the parallel light from the conversion mirror in a linear shape to a desired position on the turbine blade. The turbine scale removing device according to claim 3 or 4, wherein the condensing element to be irradiated is a cylindrical lens or a lens array.

If the removal of scale deposited on the surface of the turbine blade using the turbine descaling device using a laser according to claim 1 Symbol placement, the pulse energy density from the illumination device 100m J / cm ² or more 357m J / A turbine scale removal method using a laser, wherein the removal is performed within a range of cm ² or less.

If the removal of scale deposited on the surface of the turbine blade using the turbine descaling device using a laser according to claim 1 Symbol placement, the pulse energy density from the illumination device 50 m J / cm ² or more 500 meters J / A turbine scale removal method using a laser, wherein the removal is performed within a range of cm ² or less.

If using a turbine descaling device using a laser according to claim 1 Symbol placement to remove scale deposited on the surface of the turbine blade, the irradiation device from the superimposing number of pulses of less than 40 times to 1000 times A turbine scale removing method using a laser, wherein the method is performed within a range.

When removing the scale adhering to the surface of the turbine blade using the turbine scale removing device using the laser according to claim 1, the number of superimposed pulses from the irradiation device is in a range of 40 times to 1600 times. A turbine scale removal method using a laser, characterized in that the method is performed in

When removing the scale adhered to the surface of the turbine blade using the turbine scale removing device using the laser according to claim 1, the time width of the laser pulse from the irradiation device is set to 50. ns 150 or more ns A turbine scale removing method using a laser, which is performed within the following range.