JP5713834B2 - 安定化要素の機械的な安全性を検査する方法ならびに安定化要素の機械的な安全性を検査する方法を実施する走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、タービン分野においてトラブルなく材料検査する技術分野に係る。

本発明は、安定化要素の機械的な安全性を検査する方法ならびに安定化要素の機械的な安全性を検査する方法を実施する走査装置に関する。

蒸気タービンは、とりわけ低圧部分で、極めて長い動翼を備えており、動翼は、適切な措置を講じないと、運転中に所望しない振動が生じやすい。たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００８０５９８３６号明細書において開示されているように、適切な措置として、翼先端部付近で動翼のブレードの間に機械式の連結部材を設けることが公知である。

また、米国特許第４２５７７４３号明細書において記載されているように、ブレードの中央部分に特別な安定化要素による連結部材を設けることも公知である。

図１には、該当する連結部材を断面図で示す。蒸気タービン１０の動翼１１は、それぞれ貫通開口１３を備えており、貫通開口１３を通って、アーチ形の安定化要素１２が延びていて、硬ろうでろう接されている。安定化要素１２の形状は、図２において平面図（図２ａ）および側面図（図２ｂ）で示す。

図１および図２に示す安定化要素１２は、その全てが同形に構成されている。安定化要素１２は、それぞれ２つの端部１８，１９を備えており、第１の端部１８は、Ｖ字形の溝（比喩的に照門ともいう）として、２つの溝壁２０を備えて形成されており、これに対して第２の端部１９は、溝壁２０に適合するＶ字形の楔として、楔壁２２（比喩的に照星ともいう）を備えて形成されている。端部１８，１９の間で中央に、厚みを増した中央部材１５が配置されており、中央部材１５から、アーム１６，１７が端部１８，１９に向かって延びている。周方向にみて相前後して配置された安定化要素１２は、図３に例示するように、それぞれ第２の端部１９で、隣接する安定化要素の第１の端部１８に係合する。このようにして相並んで位置する２つの安定化要素１２ａ，１２ｂの間に係合域１４が形成され、係合域１４は、図３において破線の円で表記する。係合域１４は、それぞれ反対側の外側で、平らな２つの外面２１により画定されている。ブレードが捻れて形成されているので、照星は、常に片側で照門に接触する（組付側）。運転中に、ブレードに捻れが解消されるような作用が及ぼされると、照星は、別の片側で、照門に接触する（運転側）。

係合域１４において安定化要素１２もしくは１２ａ，１２ｂが組み付けられた状態では、運転中に亀裂が発生する恐れがある、ということが判った。亀裂は、特に照門側で発生し、つまり第１の端部１８の溝壁２０に発生し、したがって発生当初は外側から視認されない。

通常、係合域１４の亀裂検査は、公知のＭＰＩ法（Magnetic Particle Inspection；磁粉探傷検査）で行うことができる。この方法の欠点によれば、亀裂が外側に現れるとはじめて発見することができ、たいていの場合、破損した要素を適時交換するには、これでは遅すぎる（大きな損傷を伴う）。

さらに係合域１４を手動で超音波により検査することも考えられる。そのような手動の検査は、発生した亀裂を早期に発見することができるが、動翼１１の間の狭いスペース条件に基づいて、困難であり、時間が掛かり、確実なものではない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００８０５９８３６号明細書 米国特許第４２５７７４３号明細書

したがって本発明の課題は、冒頭で述べたような、安定化要素の機械的な安全性を検査する方法を改良して、公知の欠点を解消し、迅速に行い、再現可能で確実な結果が得られるものを提供すること、ならびに、このような方法を実施する走査装置を提供することである。

この課題を解決するために本発明の方法では、安定化要素の機械的な安全性を検査する方法であって、安定化要素は、組付状態で、タービン、特に蒸気タービンの動翼のブレードを周方向に相互に機械式に連結し、隣接する安定化要素は、それぞれ係合域で、相互に入り込んで係合しているものにおいて、係合域に存在する安定化要素の材料部分における亀裂の存在を外側から超音波を用いて自動で走査する。

本発明による方法の別の１つの態様によれば、安定化要素は、係合域において、外側で、平らな外面により画定されており、外面に沿って走査を行う。

本発明による方法の別の１つの態様によれば、走査を半径方向に行う。

本発明による方法の別の１つの態様によれば、走査するために、単数または複数の超音波ビームを、斜めの入射角度で、係合域もしくは外面に入力結合する。

本発明による方法の別の１つの態様によれば、走査を、同時に係合域の反対側で行う。

本発明による方法の別の１つの態様によれば、継続的に走査箇所を求め、走査箇所と走査結果とを相互に対応付けして、対応を保存する。

この課題を解決するために本発明の走査装置では、安定化要素の機械的な安全性を検査する方法を実施する走査装置において、超音波走査のための少なくとも１つのセンサを備えており、係合域で安定化要素に走査装置を固定するための第１の手段を備えており、係合域に沿って少なくとも１つのセンサを自動走行するため第２の手段を備えている。

本発明による走査装置の別の１つの態様によれば、少なくとも１つのセンサは、１チャンネルの超音波センサである。

本発明による走査装置の別の１つの態様によれば、少なくとも１つのセンサは、フェイズドアレイ信号変換器である。

本発明による走査装置の別の１つの態様によれば、安定化要素の外面に適合させるために、少なくとも１つのセンサは、走査装置に枢着式に支承されている。これにより平らな外面にセンサを自動で確実に当て付けることができる。

本発明による操作装置の別の１つの態様によれば、それぞれ反対側で係合域を同時に走査するためにそれぞれ反対側に位置する２つのセンサが設けられている。これにより検査を大幅に短縮することができる。

本発明による操作装置の別の１つの態様によれば、各センサは、２つまたは３つ以上の信号変換器を備えており、信号変換器は、様々な角度で超音波ビームを送出する。これにより発生しやすい潜在的な亀裂の正確な特定が達成される。

その際、特に超音波ビームは、センサの設置面に対して傾斜している。

本発明による操作装置の別の１つの態様によれば、第２の手段は、好適にはモータ式に駆動される走行機構を備えている。

本発明による操作装置の別の１つの態様によれば、走査装置に、走査工程中に少なくとも１つのセンサの位置を継続して特定するための手段が設けられている。これにより結果を簡単にグラフ表示することができる。

本発明による操作装置の別の１つの態様によれば、第１の手段は、安定化要素に走査装置を着脱可能に、好適にはセルフセンタリング式に固定するためのクランプを備えている。

本発明による操作装置の別の１つの態様によれば、第１の手段は、保持磁石を備えている。

蒸気タービンの複数の動翼の一部を示す図であり、動翼のブレードは安定化要素を介して機械式に相互に連結されている。 図１に示す個々の安定化要素の配置構成を、ａは平面図で示し、ｂは側面図で示す。 図２に示す２つの安定化要素を相互に係合して係合域を形成した状態で示す平面図である。 安定化要素にセットされた、本発明による係合域を走査する走査装置の１つの実施の形態を示す側面図である。 図４に示す走査装置の運転に関して例示するブロック図である。 相互に傾斜し、かつ設置面に対して傾斜する２本の超音波ビームを形成する、図４に示す走査装置に使用されるセンサを示す斜視図である。

以下に、図面に基づいて、本発明の実施の形態を詳説する。

図４には、本発明を実施するための１つの形態による、破線で示す安定化要素１２ａ，１２ｂにセットされた、係合域１４を走査する走査装置２３を側面図で示す。走査装置２３は、ハウジング２４を備えており、ハウジング２４内に、走行機構２８が設けられ、ガイドされており、走行機構２８により、走行機構２８の前端に取り付けられた超音波検査用のセンサ２７が、タービン軸に関して半径方向に制御可能で往復運動可能である。走行機構２８がたとえば電動モータにより駆動される場合、電動モータは、ハウジング２４の内側に取り付けられている。図４にはケーブルを示していない。ケーブルは、ハウジング２４から出発している。ケーブルには、給電線路ならびに信号線路が含まれる。

走査装置２３のハウジング２４に、互いに反対側にＵ字形のクランプ２５，２６が取り付けられており、クランプ２５，２６により、走査装置２３は、係合域１４の両側で挟持して、係合域１４で重畳する安定化要素１２ａ，１２ｂの隣接するアーム１６，１７に沿って摺動し、固定することができる。付加的に固定するために、クランプ２５，２６付近に保持磁石２９，３０を設けることができ、保持磁石２９，３０は、クランプ２５，２６の挟持力を補足する。

センサ２７から送信されて、再び受信される超音波は、係合域１４の平らな外面２１を介して入力結合もしくは出力結合される。入力結合および出力結合を最適に行うために、センサ２７は、設置面（図６の３８）で、できるだけ全面的に外面２１に当て付ける必要がある。全面的な当て付けを容易にするために、センサ２７は、走行機構２８の端部に、好適には枢着式に、たとえばカルダン式または軸線（図６の３９）を中心に旋回可能に取り付けられている。

走査過程を短縮するために、各外面２１に対応するセンサ２７を設けてもよい。したがって超音波による走査は、同時にそれぞれ反対側つまり両側で行われる。図６に示すように、各センサ２７は、２つまたは３つ以上の信号変換器３４，３５を備えてよく、信号変換器３４，３５は、パルスエコー原理に従って作動し、様々な角度で超音波ビーム３６，３７を送出する。その際、特に超音波ビーム３６，３７は、センサ２７の設置面３８に対して傾斜してよい。センサ２７は、フェイズドアレイ信号変換器であってもよく、その超音波ビームは、位相関係の変化により変向することができる。

走査装置が位置決めセンサを備えていると特に好適であり、位置決めセンサは、走査過程に際して単数または複数のセンサ２７の位置を継続的に記録するので、各センサ位置に、対応する走査結果を対応付けすることができ、評価に際して走査結果の２次元的な表示が可能である。

走査過程を制御するには、図５に示すブロック回路が適している。同時にモータ駆動装置の給電装置を含むモータ制御装置３１は、ケーブルを介して、走査装置２３と接続されている。制御装置３１は、走行機構２８の運動ひいてはセンサ２７の走査経路を制御する。外部のセンサ電子装置３２は、センサ２７と接続されていて、センサ２７から、適切な走査信号を受け取る。

さらにセンサ電子装置３２は、走査装置２３から、求められたセンサ２７の位置値を受け取る。両方の値は、相互に関係付けて、データメモリ３３に格納し、結果を画像表示するかまたは別の結果と比較するために呼び出すことができる。

１０ タービン（蒸気タービン）、 １１ 動翼、 １２；１２ａ，１２ｂ 安定化要素（アーチ）、 １３ 貫通開口、 １４ 係合域、 １５ 中央部材、 １６，１７ アーム、 １８，１９ 端部（溝形、楔形）、 ２０ 溝壁、 ２１ 外面、 ２２ 楔壁、 ２３ 走査装置（スキャナ）、 ２４ ハウジング、 ２５，２６ 保持手段（たとえばクランプ）、 ２７ センサ、 ２８ 走行機構、 ２９，３０ 保持磁石、 ３１ モータ制御装置、 ３２ センサ電子装置、 ３３ データメモリ、 ３４，３５ 信号変換器、 ３６，３７ 超音波ビーム、 ３８ 設置面、 ３９ 軸線

Claims (14)

1. 安定化要素（１２；１２ａ，１２ｂ）の機械的な安全性を検査する方法であって、
   安定化要素（１２；１２ａ，１２ｂ）は、組付状態で、タービン（１０）、特に蒸気タービンの動翼のブレードを周方向に相互に機械式に連結し、隣接する安定化要素（１２；１２ａ，１２ｂ）は、それぞれ係合域（１４）で、相互に入り込んで係合しているものにおいて、
   係合域（１４）に存在する安定化要素（１２；１２ａ，１２ｂ）の材料部分における亀裂の存在を外側から超音波を用いて自動で走査し、
   この場合に、安定化要素（１２ａ，１２ｂ）は、係合域（１４）において、外側で、平らな外面（２１）により画定されていて、係合域（１４）を両側から同時に走査するために互いに反対側の各外面（２１）に配置された２つのセンサ（２７）によって、係合域（１４）の各外面（２１）に沿って両側で同時に走査を行うことを特徴とする、安定化要素の機械的な安全性を検査する方法。
2. 走査を半径方向に行う、請求項１記載の方法。
3. 走査するために、単数または複数の超音波ビーム（３６，３７）を、斜めの入射角度で、係合域（１４）もしくは外面（２１）に入力結合する、請求項１又は２記載の方法。
4. 継続的に走査箇所を求め、走査箇所に走査結果を対応付けして、対応関係を保存する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項記載の安定化要素の機械的な安全性を検査する方法を実施する走査装置（２３）において、
   超音波走査のための２つのセンサ（２７）を備えており、係合域（１４）で安定化要素（１２ａ，１２ｂ）に走査装置（２３）を固定するための第１の手段（２５，２６）を備えており、係合域（１４）に沿って２つのセンサ（２７）を自動走行するため第２の手段（２８）を備えており、２つのセンサ（２７）は、両側で係合域（１４）を同時に走査するためにそれぞれ反対側の各外面（２１）に位置することを特徴とする、安定化要素の機械的な安全性を検査する方法を実施する走査装置。
6. センサ（２７）は、１チャンネルの超音波センサである、請求項５記載の走査装置。
7. センサ（２７）は、フェイズドアレイ信号変換器である、請求項５記載の走査装置。
8. 安定化要素（１２；１２ａ，１２ｂ）の外面（２１）に適合させるために、センサ（２７）は、走査装置（２３）に枢着式に支承されている、請求項５から７までのいずれか１項記載の走査装置。
9. 各センサ（２７）は、２つまたは３つ以上の信号変換器（３４，３５）を備えており、信号変換器（３４，３５）は、様々な角度で超音波ビーム（３６，３７）を送出する、請求項５から８までのいずれか１項記載の走査装置。
10. 超音波ビーム（３６，３７）は、センサ（２７）の設置面（３８）に対して傾斜している、請求項９記載の走査装置。
11. 第２の手段は、好適にはモータ式に駆動される走行機構（２８）を備えている、請求項５から１０までのいずれか１項記載の走査装置。
12. 走査装置（２３）に、走査工程中にセンサ（２７）の位置を継続して特定するための手段が設けられている、請求項５から１１までのいずれか１項記載の走査装置。
13. 第１の手段は、安定化要素（１２；１２ａ，１２ｂ）に走査装置（２３）を着脱可能に、好適にはセルフセンタリング式に固定するためのクランプ（２５，２６）を備えている、請求項５から１２までのいずれか１項記載の走査装置。
14. 第１の手段は、保持磁石（２９，３０）を備えている、請求項５から１３までのいずれか１項記載の走査装置。