JP4985644B2 - 集成部品の超音波ピーニング処理 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケーシング又はユニットロータ内に位置したままの状態の集成ロータ部品のピーニングに関し、具体的には、ショットピーニングが必要又は望ましいと思われるガスタービン、蒸気タービン又は水力機械用のロータ部品の超音波ピーニング処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
部材をショットピーニングするとある種の材料の耐疲労寿命が向上することが一般に認められている。ピーニングは残留圧縮応力を生じて、亀裂発生を遅らせる。最も広く用いられているピーニング法では、大量の（何ポンドもの）粒径の細かい金属又はセラミック「ショット（打撃子）」を、ピーニングすべき部品に衝突させる。工場環境では、ショットが稼働タービンに導入されないように、細かいショットを極めて容易に部品からきれいに取り除くことができる。
【０００３】
ロータ部品を現場で補修又は改造する場合、実用に戻した際に亀裂に耐える圧縮応力を導入するため、部品の再ショットピーニングが必要とされることがある。しかし、現場で応用する場合、従来のショットピーニング法では、作業領域の周りにショットが広く散乱し、タービンユニットから細かなショットを回収するのは容易ではない。ユニットにショットが残留すると、タービン作動にとって危険な存在となる。
【０００４】
レーザショック、ウォータキャビテーションショックなど、慣用ショットピーニングとは異なるピーニング技術も存在するが、これらの技術は非常に高価であるか、さもなくば現場に容易に適応できない。
【０００５】
超音波ピーニングは、一般に工場環境で固定コンピュータ制御機械を用いて一定形状の部品をピーニングする商業利用可能な技術である。この構成では一般に（１）部品が最大寸法であること（単一部品など）、又は（２）規定の部品を処理するため機械が大型であることのいずれかが必要とされる。ロータ部品でのピーニングの現行の応用法は、通例、ピーニング装置の周囲を回転するロータを含む別々の部品で作業を実施するか、或いは水平面内の別々の部品の周りで操作されるピーニング装置で作業を実施するかである。そのため、現行の応用法は、現場での使用に適していない。さらに、現行の応用法は、機器の移動性に欠けており、概して垂直回転部品では作業できない。
【０００６】
さらに、他のショットピーニング法（例えば、慣用ショットピーニング、ウォータジェットキャビテーション、レーザ）では「視線（line-of-sight）」が必要とされ、ピーニング媒体（金属又はセラミックショット、ウォータジェット、レーザビーム）がピーニングすべき物体と一直線上になければならないか、或いは反跳して物体の所定の面をピーニングできるものでなければならない。大半の方法では、ロータがケーシング内にあるか及び／又はロータアセンブリが原型を保った状態では、視線（line-of-sight）は利用できない。
【０００７】
従来のショットピーニングのもう一つの懸念は、集成したロータ又はケーシングに若干のショットが残り、実用に戻した際にバケット、ノズル又は軸受のような他の部品の早期故障を引き起こしかねないことである。
【特許文献１】
米国特許第６２８９７０５号明細書
【特許文献２】
米国特許第６３３６８４４号明細書
【特許文献３】
米国特許第６４９０８９９号明細書
【特許文献４】
米国特許第６５０５４８９号明細書
【特許文献５】
米国特許第６５０８０９３号明細書
【特許文献６】
米国特許第６５３６１０９号明細書
【特許文献７】
米国特許出願公開第２００２／００６９６８７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、分解せずにしかもショット媒体の混入のおそれがない状態でロータ部品をピーニングすることができれば望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の例示的な実施形態では、集成タービンロータ部品の超音波ピーニング処理用のシステムは、ピーニングチャンバ内でピーニング媒体を励振する音響要素と、集成部品に取付可能なフレームとを備える。フレームは、音響要素と係合し得る支持構造体を含んでいるとともに、集成部品と共にピーニングチャンバを画成して囲繞するチャンバ工具と協働し得る。
【００１０】
本発明の別の例示的な実施形態では、集成タービンロータ部品の超音波ピーニング処理を実施する方法は、集成部品にフレームを取付ける段階と、ピーニングチャンバ内でピーニング媒体を励振する音響要素をフレームに固定する段階と、フレーム及び集成部品と選択的に係合し得るチャンバ工具であって、集成部品と共にピーニングチャンバを画成して囲繞するチャンバ工具でピーニングチャンバを囲む段階と、音響要素を作動させる段階とを含む。
【００１１】
本発明のさらに別の例示的な実施形態では、集成タービンロータホイールの超音波ピーニング処理用のシステムは、タービンロータホイールに取付け可能で、３以上のダブテールスロットにわたって円周方向に広がるフレームを備える。フレームは、ロータホイールに軸方向に摺動取付けするためホイールダブテールスロットに対応する形状のダブテール取付け部材を含む。音響要素をフレームに固定することができて、ピーニングチャンバ内でピーニング媒体を励振する。２以上の挿入部材を、フレーム及び取付け部材の両側のダブテールスロットを通してロータホイールに選択的に係合させることができ、これらの挿入部材は、タービンロータホイールと共にピーニングチャンバを画成して囲繞する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１及び図２を参照すると、集成タービンロータ部品の超音波ピーニング処理用のシステムは、集成タービンロータ部品に取付け可能なフレーム１２を備える。図１及び図２に示すロータ部品は、タービンホイール１４の一部である。典型的なタービンホイール１４は、タービンブレードの対応する形状のダブテール（図示せず）が挿入される複数のダブテールスロット１６を含む。フレーム１２は、ロータホイール１４のダブテールスロット１６内に軸方向に摺動嵌合するダブテール形状の取付け部１８を含む。ネジその他の適当な固定構造体でフレーム１２をスロット１６に固定する。
【００１３】
図２に示すように、１以上の挿入部材２０（場合によって２又は３つ）は、フレーム１２及びロータホイール１４に選択的に係合させることができる。具体的には、図３に示すように、ロータホイール１４は、その周囲に円周方向に延在する冷却溝２２と、冷却溝２２に開口する各ダブテールスロット１６の開口２４とによって画成される冷却通路を有している。フレーム１２には、各ダブテールスロット１６間の間隔に対応した間隔をもつ複数の開口２６が設けられる。フレーム１２は、開口２６がダブテールスロット１６と整列するようにロータホイール１４上に配置される。こうして、挿入部材２０は、フレーム１２の開口２６と開口２４を通して冷却溝２２へと伸長させることができる連接シャフト２８を含む。
【００１４】
図４に示すように、挿入部材２０は概して挿入脚部３０と枢動脚部３２とを有する連接シャフト２８で形成される。組立て時に、挿入脚部３０及び枢動脚部３２は、開口２６及びフレーム１２を通して挿入するための真っ直ぐなシャフトを形成するように略一直線になる。連接シャフト２８をフレーム１２とダブテールスロット１６の開口２４を通して挿入した後、調整機構３４を作動して挿入脚部３０に対して枢動脚部３２を枢動させ、枢動脚部３２がロータホイール１４の冷却溝２２に係合するようにする。調整機構３４を回転させると枢動脚部３２が枢動するように、適当なギア構造などを使用すればよい。こうして、連接シャフト２８を備える挿入部材２０は、ロータホイール１４と共にピーニングチャンバを画成して囲繞する働きをする。好ましい実施形態では、同じく図４を参照すると、隣り合った挿入部材２０の枢動脚部３２は、所定の順序で冷却溝２２と係合するように枢動され、ピーニングチャンバの一部３８を協働して画成するための溝３６をそれぞれ含んでいる。
【００１５】
フレーム１２に固定された挿入部材２０及び冷却溝２２内に固定された枢動脚部３２と共にロータホイール１４によってピーニングチャンバが画成され、ピーニングチャンバは完全に密閉されて、ピーニングチャンバ内のピーニング媒体がピーニングチャンバから漏れ出るのを防ぐ。冷却溝がないなどの他の構成において、適当な工具などで密閉ピーニングチャンバを画成できる場合は、挿入部材は不要である。
【００１６】
フレーム１２が所定の位置に固定され、挿入部材２０がピーニングチャンバが画成されるような構成に配置されると、ユニットは超音波ピーニング処理の実施準備が整った状態にある。フレーム１２は、ピーニングチャンバに連通した支持構造体４０を備えており、支持構造体４０は、システムの使用及び作動のための様々な工具を受ける。図５は、所定の数のピーニング媒体をピーニングチャンバ内に送給するため、例示的な工具４２を支持構造４０と連結した状態を示す。ピーニング媒体は、プランジャを有する工具を介して或いはチャンバ内への注入などを始めとする様々な方法でピーニングチャンバ内に導入することができるので、工具４２は包括的であることを意図している。
【００１７】
ピーニング媒体をピーニングチャンバに送給した後に、送給工具４２は取外され、音響要素４４（図６参照）が支持構造体４０に連結され、ピーニングチャンバ内でピーニング媒体を励振するように作動される。音響要素４４の使用法及び作動は公知であり、これ以上の詳細についての説明は不要であろう。
【００１８】
ピーニング処理が完了した後、音響要素４４は取外され、ピーニングチャンバからピーニング媒体を除去するための除去工具４３（図５）が支持構造体４０に取付けられる。ピーニング媒体を除去するための工具４３は、所定の数のピーニング媒体がピーニングチャンバから除去されたことを確認するための構造体を備える。例えば、除去工具４３には、図７に示すようなグリッドフレーム４８を組み込むことができる。グリッドフレーム４８は、除去工具４３を介してピーニング媒体を受け、各々ピーニング媒体の個々に対する複数の開口４９を含んでいる。こうして、オペレータは、ピーニング媒体のすべてがピーニングチャンバから除去されたか否かを迅速かつ容易に視覚的に判断できる。一つの例示的な実施形態では、除去工具４３は、ピーニングチャンバからピーニング媒体を除去するため真空構造体を利用する。
【００１９】
以上、タービンロータホイールの超音波ピーニング処理の使用の詳細について説明してきたが、本発明は必ずしもこの用途に限定されるものではない。本システム及び方法は、高応力部品での亀裂発生率を低減するため圧縮応力を加えることが望まれる蒸気、ガス又は水力タービンロータ部品での超音波ピーニングに適用できる。本処理システム及び方法は、超音波ピーニングを現場用途で実施することができ、ロータを機械から取外す必要がない。別の例示的な用途では、本システムは、タービンバケットダブテールのロックワイヤタブの領域のピーニングに使用できる。この場合、ピーニングチャンバは、ダブテールポストの周囲の工具によって画成・囲繞され、ピーニング媒体の励振は上述と同様に実施できる。
【００２０】
現在最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲に属する様々な修正及び均等な構成を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】超音波ピーニング処理システムを取付けた状態のタービンロータホイールの断面を示す図。
【図２】ロータホイールにシステムを固定するための組立法を示す図。
【図３】ロータホイールの冷却溝を示す図。
【図４】挿入部材の拡大図。
【図５】ピーニング媒体をピーニングチャンバに送給又はピーニングチャンバから除去するための工具を示す図。
【図６】音響要素を取付けた状態のシステムを示す図。
【図７】すべてのピーニング媒体がピーニングチャンバから除去されたことを確認するための例示的な構造体を示す図。
【符号の説明】
【００２２】
１２ フレーム
１４ タービンホイール
１６ ダブテールスロット
１８ 取付け部
２０ 挿入部材
２２ 冷却溝
２４ 開口
２６ 開口
２８ 連接シャフト
３０ 挿入脚部
３２ 枢動脚部
３４ 調整機構
３６ 溝
３８ ピーニングチャンバの一部分
４０ 支持構造体
４２ 送給工具
４３ 除去工具
４４ 音響要素
４８ グリッドフレーム
４９ 孔

Claims (13)

1. 集成部品の超音波ピーニング処理用のシステムであって、
   ピーニングチャンバ内でピーニング媒体を励振する音響要素と、
   集成部品に取付可能なフレームであって、前記フレームが前記音響要素と係合し得る支持構造体を含んでいるとともに、前記集成部品と共に前記ピーニングチャンバを画成して囲繞する挿入部材（２０）と協働し得る前記フレームと、
   前記支持構造体と係合し得る供給工具（４２）と、
   を備え、
   前記供給工具（４２）が所定の数のピーニング媒体を前記ピーニングチャンバ内に送給する、
   を備えるシステム。
2. 当該システムが、前記支持構造体と係合し得るピーン除去工具をさらに備えており、前記ピーン除去工具が前記ピーニングチャンバから前記ピーニング媒体を除去し、前記ピーン除去工具が、所定の数のピーニング媒体が前記ピーニングチャンバから除去されたことを確認するカウンタを備える、請求項１記載のシステム。
3. 前記カウンタが、所定の数のピーニング媒体の各々に対する開口を有するグリッドフレームを備える、請求項２記載のシステム。
4. 前記集成部品が、複数のダブテールスロットを有するタービンロータホイールを備えており、前記フレームが、ロータホイールに軸方向に摺動取付けするためホイールダブテールスロットに対応する形状のダブテール取付け部を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
5. 集成部品の超音波ピーニング処理用のシステムであって、
   ピーニングチャンバ内でピーニング媒体を励振する音響要素と、
   集成部品に取付可能なフレームであって、前記フレームが前記音響要素と係合し得る支持構造体を含んでいるとともに、前記集成部品と共に前記ピーニングチャンバを画成して囲繞する挿入部材（２０）と協働し得る前記フレームと、
   を備え、
   前記集成部品が、複数のダブテールスロットを有するタービンロータホイールを備えており、前記フレームが、ホイールダブテールスロットへの軸方向の摺動嵌合に対応する形状のダブテール取付け部を備えており、
   前記挿入部材が、フレーム及びタービンロータホイールと選択的に係合し、前記ロータホイールが、ロータホイールの周囲に円周方向に延在する冷却溝と該冷却溝に通じた各ダブテールスロット内の開口とによって画成される冷却通路をさらに備えており、上記挿入部材がフレームと開口を通して冷却溝へと伸長させることができる、システム。
6. 前記挿入部材が、挿入脚部と挿入脚部に対して選択的に枢動可能な枢動脚部とを有する連接シャフトを備えており、挿入脚部及び枢動脚部がフレームと開口を通して伸長させ、次いで枢動脚部を枢動させて冷却溝に係合させることができる、請求項５記載のシステム。
7. 当該システムが、ダブテール取付け部の両側でフレームを通して冷却溝へと伸長させることのできる２つの挿入部材を備えており、挿入部材の枢動脚部を枢動させて冷却溝に係合させることができ、共働してピーニングチャンバの一部を画成する、請求項６記載のシステム。
8. 集成部品の超音波ピーニング処理を実施する方法であって、
   集成部品にフレームを取付ける段階と、
   ピーニングチャンバ内でピーニング媒体を励振する音響要素をフレームに固定する段階と、
   フレーム及び集成部品と選択的に係合し得る挿入部材（２０）であって、集成部品と共にピーニングチャンバを画成して囲繞する挿入部材（２０）で、ピーニングチャンバを取り囲む段階と、
   音響要素を作動させる段階と、
   を含み、
   前記集成部品が、複数のダブテールスロットを有するタービンロータホイールを備えており、前記フレームが、ホイールダブテールスロットへの軸方向の摺動嵌合に対応する形状のダブテール取付け部を備えており、
   前記挿入部材（２０）が、フレーム及びタービンロータホイールと選択的に係合し、前記ロータホイールが、ロータホイールの周囲に円周方向に延在する冷却溝と該冷却溝に通じた各ダブテールスロット内の開口とによって画成される冷却通路をさらに備えており、上記挿入部材がフレームと開口を通して冷却溝へと伸長させることができる、
   方法。
9. 前記取付け段階の前に、ピーニングチャンバ内に所定の数のピーニング媒体を送給する段階をさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 前記作動段階の後に、ピーン除去工具でピーニングチャンバからピーニング媒体を除去する段階と、所定の数のピーニング媒体がピーニングチャンバから除去されたことを確認する段階とをさらに含む、請求項９記載の方法。
11. 前記挿入部材が、挿入脚部と挿入脚部に対して選択的に枢動可能な枢動脚部とを有する連接シャフトを備えており、前記取り囲む段階が、挿入脚部及び枢動脚部をフレームと開口を通して伸長させ、次いで枢動脚部を枢動させて冷却溝に係合させることを含む、請求項８乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記取り囲む段階が、２つの挿入部材をダブテール取付け部の両側でフレームを通して冷却溝へと伸長させ、挿入部材の枢動脚部を枢動させて冷却溝に係合させて共働してピーニングチャンバの一部を画成する、請求項１１記載の方法。
13. タービンバケットのバケットダブテールを収容するための複数のダブテールスロットを有する集成タービンロータホイールの超音波ピーニング処理用のシステムであって、
    タービンロータホイールに取付け可能で、３以上のダブテールスロットにわたって円周方向に広がるフレームであって、ロータホイールに軸方向に摺動取付けするためホイールダブテールスロットに対応する形状のダブテール取付け部材を含むフレームと、
    フレームに固定できて、ピーニングチャンバ内でピーニング媒体を励振する音響要素と、
    フレーム及び取付け部材の両側のダブテールスロットを通してロータホイールと選択的に係合し得る挿入部材（２０）であって、タービンロータホイールと共にピーニングチャンバを画成して囲繞する２以上の挿入部材と
    を備えるシステム。

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