JP6071760B2 - タービン翼およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ガスタービン等のタービン翼に用いられて好適なタービン翼およびその製造方法に関するものである。

火力発電プラント、高熱効率が得られるコンバインドサイクル発電プラント等の構成機器として使われるガスタービン装置においては、高温、高圧の燃焼ガスが衝突するガスタービン翼は、極めて過酷な条件下で使用される。そのためガスタービン翼の前縁部や腹側部等は供用期間中に摩耗あるいは高温酸化による減肉、割れの発生などの劣化が生じる可能性があり、定期点検時に不具合の発生が認められた場合、溶接等により補修が実施される。

極めて過酷な条件下で使用されるタービン翼を冷却する技術として、フィルム冷却技術が知られている。フィルム冷却技術とは、タービン翼面上に設けた冷却孔から翼表面に沿って冷却空気を吹き出すことにより、翼面上に冷却膜を形成し、高温ガスから壁面を保護する技術である。タービン翼の冷却孔に減肉や割れ等の劣化が発生した場合の対策として、下記特許文献１がある。

特許文献１には、ガスタービン装置用ガスタービン翼の補修方法において、翼内部の翼冷却用の通気孔に流体を通流しながら、該翼を加熱補修することが示されている。これにより、ガスタービン動翼の先端部を肉盛溶接した際に溶接熱影響部において高温割れの発生しない健全な補修部を形成する効果が示されている。

特開平１０−１８０４４２号公報

ガスタービンの製造工程において、タービン翼の冷却構造（例えば、通気孔）を作りこむため、製造工程で用いた孔を塞ぐ場合がある。この孔を塞ぐために特許文献１に開示された補修方法を用いた場合に以下のような問題がある。

タービン翼の基材は、単結晶材や一方向凝固材といった結晶成長方向を制御した材料であるとともに、ＡｌやＴｉといった高温割れを引き起こす成分が含まれていることから溶接性が悪い。また、肉盛溶接による補修にＴＩＧ溶接（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）やアーク溶接を用いた場合、溶接材の溶け込み不良を起こすという問題があった。さらに、溶接中に溶けた金属が通気孔に溶け落ちるという問題があった。

ＴＩＧ溶接やアーク溶接の替わりにろう材による溶接補修を用いた場合であっても、ろう切れなどの欠陥が生じるという問題があった。

また、溶接材の溶け込み不良が生じることで、溶接部にポロシティが発生するという問題あった。ポロシティとは、溶接部における溶接欠陥の一種で、溶接金属中に発生するブローホール（溶着金属中に生じる球状又はほぼ球状の空洞）や、芋虫状に表面まで穴のあいたピット（ビードの表面に生じた小さなくぼみ穴）などの溶接欠陥のことをいう。

レーザ溶接を用いて補修する場合は、高密度エネルギを局所的に集中させることができる。しかし、開口部（例えば、溝や孔）の付近で連続して溶接を行った場合、タービン翼本体が熱影響を受けて開口部が溶接変形を起こすことで、溶接レーザの照射位置がずれるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡便な構造で開口部を塞ぐことができ、溶接材の溶け込み不良を防止するタービン翼およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のタービン翼およびその製造方法は以下の手段を採用する。
本発明のタービン翼の製造方法は、開口部が形成された本体と、前記開口部を規定する周縁部に沿って前記本体に形成される座と、前記開口部を密閉する蓋と、を備え、前記蓋は、その外周縁に向かって漸次厚さが減少する薄肉部が設けられており、前記座と前記蓋とが溶接されるタービン翼の製造方法であって、前記開口部の形状を検知レーザを用いて検知する検知工程と、前記検知工程にて得られた前記開口部の形状に基づいて前記検知レーザと異なる溶接レーザを用いて前記座と前記蓋とを溶接する溶接工程と、を備える。

本体（例えば、Ｎｉ基超合金）には、開口部（例えば、溝や孔等）が設けられる。開口部を規定する周縁部に沿って座が形成され、開口部を密閉する蓋が配置される。座と蓋を溶接することで、蓋により本体に形成された開口部を塞ぐことができる。また溶接には、例えばレーザ溶接を用いることで溶接金属の溶け込みが良くなる。したがって、座と蓋の溶接を安定させることができる。また、蓋を用いることで、溶接中の溶けた金属が通気孔に落下することを防止することができる。
蓋には、その外周縁に向かって漸次厚さが減少する薄肉部が設けられている。この薄肉部をレーザ溶接の開先として用いることができる。蓋の外周縁に向かって開先が形成されることで、溶接時の溶接金属の溶け込みを良くすることができる。開先の角度は、例えば３０°とされる。
検知工程により、本体の開口部（例えば、開先）に形状を検知するレーザを照射することで開口部形状を検知することができる。これにより、開口部形状（開先形状）を把握した上で、開口部に溶接レーザを照射することができる。溶接工程は、検知に用いられたレーザとは異なる溶接レーザを用いて開口部を溶接している。検知工程にて得られた開口部の形状に基づいて溶接レーザを走査することで、レーザを照射する照射部と溶接レーザを照射する照射部間の位置関係を校正することができる。また、検知工程で得られた開口部の形状に基づいて溶接レーザを走査することで、本体の溶接変形による位置ズレを制御装置により補正することができる。

さらに、本発明にかかるタービン翼の製造方法は、前記検知レーザが照射された前記開口部と隣接する前記本体の端部に隣り合うように、前記検知レーザが照射される領域に冶具を設置する治具設置工程を備えていることを特徴とする。

レーザが照射された開口部と隣接する本体の端部に隣り合うように、検知レーザが照射される領域に冶具を設置する治具設置工程を備えている。本体のレーザ照射箇所の幅が狭い場合であっても、冶具を設置することにより検知レーザを受けることができる。また、レーザ照射箇所から外れた場合であっても、検知レーザが照射される領域に冶具が設けられているので、検知レーザが本体の端部から突き抜けることがない。したがって、本体端部よりも外側の空間を開口部と誤って検知することを防止することができる。

さらに、本発明にかかるタービン翼は、前記開口部は、前記本体を冷却する冷却通路に接続されていることを特徴とする。

本体の開口部は、例えば、本体を冷却する冷却通路に接続されている。この冷却通路が複数ある場合に、所定の開口部を蓋で覆って溶接することで、所望の形状の冷却通路を形成することができる。

さらに、本発明にかかるタービン翼は、前記溶接は、レーザ粉体肉盛溶接とされること
を特徴とする。

レーザ粉体肉盛溶接とすることで、高密度エネルギを局所的に集中させることができる。これにより、熱影響部や入熱量を減らすことで高温割れや溶接変形を最小限に抑えることができる。

本発明によれば、タービン翼本体（例えば、Ｎｉ基超合金）には、開口部（例えば、溝や孔等）が設けられる。また、開口部を規定する周縁部に沿って座が形成され、開口部を密閉する蓋が配置される。座と蓋を溶接することで、蓋により本体に形成された開口部を塞ぐことができる。また溶接には、例えばレーザ溶接を用いることで溶接金属の溶け込みが良くなり、溶接部の溶け込み不良を防止することができる。これにより、ガスタービン翼の品質を向上させることができる。

本発明の第１実施形態にかかるタービン翼の溶接工程を示した部分拡大側断面図であり、（ａ）は座に蓋を設置する工程、（ｂ）は座と蓋を溶接する工程、（ｃ）は蓋の薄肉部を肉盛溶接する工程、（ｄ）は蓋の外表面を肉盛溶接する工程を示す。 本発明にかかるタービン翼の溶接方法の第２実施形態を示し、溶接位置を上面視した上面図である。 本発明の第２実施形態にかかる溶接レーザ照射部を示した側断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる冶具の設置例を示した側断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる溶接レーザの照射箇所を示した上面図である。

以下に、本発明に係るタービン翼およびその製造方法の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
［第１実施形態］
ガスタービン（図示せず）は、例えば、圧縮空気を生成する圧縮機（図示せず）と、圧縮機から供給される圧縮空気に燃料を供給して作動流体である燃焼ガスを生成する複数の燃焼器（図示せず）が設けられている。また、一組一段となったタービン翼（静翼および動翼）を複数段有し、燃焼器から供給される燃焼ガスにより回転動力を発生させるタービン（図示せず）とを備えている。

ここで、本発明は、タービン静翼１及びタービン動翼（図示せず）の何れにも適用できる。そこで、以降、本実施形態について、図１に示すようにタービン静翼１について説明し、タービン動翼についての説明は省略する。

タービン静翼１は、図示されない、例えば、前縁及び後縁を結ぶ翼弦に対して凸面状の背面部と凹面状の腹面部とが配された翼本体１３を備えている。また、翼本体１３の先端部には、例えば、タービン静翼１の翼本体１３を冷却する冷却孔と接続される開口部２が設けられている。タービン静翼１の材質は、例えば、Ｎｉ基超合金とされる。

翼本体１３は、例えば、鋳造によって成形される。また、翼本体１３は、図示しない隣接する翼本体１３の背面部側と腹面部側とが対向するようにして複数配されている。そして、隣接する翼本体１３間を燃焼ガスが通過するようになっている。

開口部２は、例えば、タービン静翼１の冷却通路（図示せず）を製造する工程で発生した孔とされ、その冷却通路の終端は翼本体１３を冷却する冷却孔と接続されている。また、開口部２は、静翼タービン１の翼本体１３を冷却するための所望の冷却通路（例えばサーペンタイン形状の流路）を形成する際に不要となることから、例えば、レーザ粉体肉盛溶接（以下、単にレーザ溶接という）によって塞がれる。また、レーザ溶接の条件は、例えば、粉末（ＩＮ６２５）、粉末供給量１０ｇ／ｍｉｎ、レーザ出力３００Ｗとされる。

本実施形態で使用されるレーザ溶接装置（図示せず）は、開口部２に沿って移動可能な溶接装置（図示せず）、溶接装置に支持固定された金属粉末供給ノズル（図示せず）を備えている。溶接装置は、開口部２に向けてレーザを照射する。また、金属粉末供給ノズルは、詳細には、溶接レーザ照射部（図３参照）の側方からレーザの照射方向と異なる角度で照射部に溶加材としての金属粉末を不活性ガスの流れに乗せて供給するものである。

図１（ａ）に示されているように、タービン静翼１には、開口部２が形成された翼本体１３と、開口部２を規定する周縁部２ａに沿って翼本体１３に形成される座３と、開口部２を密閉する蓋４とが設けられている。また、座３と蓋４とが溶接されて設けられている。さらに、蓋４は、その外周縁５に向かって漸次厚さが減少する薄肉部４ａが設けられている。言い換えると、蓋４は、座３に対する当接位置から厚さ方向（図において矢印ｃの方向）に向かって空間が漸次増大するように傾斜する傾斜面（薄肉部４ａ）が設けられている。薄肉部４ａは、レーザ溶接時に開先として用いられる。また、開先の角度は、例えば、１５°以上６０°以下、好ましくは３０°とされる。

座３の寸法は、溝の大きさ、深さ、開口部２の寸法によって調整される。本実施形態では、例えば、幅（矢印ａ）８ｍｍ、深さ（矢印ｄ）３ｍｍ、座の幅（矢印ｂ）１ｍｍとされる。また、蓋４の寸法は、例えば、上端の幅６ｍｍ、高さ（矢印ｃ）２ｍｍとされる。また、蓋４の材質は、例えば、翼本体１３と同様の材質、あるいは類似の材質とされる。

次に上記構成のタービン静翼１の溶接方法について説明する。
図１（ａ）に示すように、翼本体１３に形成された開口部２を規定する周縁部２ａに沿って形成された座３に、開口部２を密閉する蓋４が配置される。また、図１（ｂ）に示すように、開口部２を覆うように蓋４が配置された後に、蓋４の薄肉部４ａを溶接レーザ（図３参照）のレーザで炙って座３と溶接する。薄肉部４ａが最も溶接欠陥（例えば、ポロシティ等）を生じやすい箇所とされているため、薄肉部４ａを確実に溶融する。また、溶接には、例えば、粉体肉盛りを適用してもよい。

溶接レーザ（図３参照）のレーザで炙ることで薄肉部４ａが熔けて溶金６ａとなる。この時、溶金６ａの溶接条件は、例えば、レーザ出力８７０Ｗ、溶接速度３００ｍｍ／ｍｉｎ、ビーム径０．９ｍｍ、パウダ量０．５ｇ／ｍｉｎとされる。また、同様に溶金６ｂの条件は、例えば、レーザ出力８７０Ｗ、溶接速度３００ｍｍ／ｍｉｎ、ビーム径０．９ｍｍ、パウダ量０．５ｇ／ｍｉｎとされる。

薄肉部４ａを溶接した後は、図１（ｃ）に示すように、蓋４は、座３に対する当接位置から厚さ方向（図１（ａ）において矢印ｃの方向）に向かって空間が漸次増大するように傾斜する傾斜面（薄肉部４ａ）と翼本体１３との間の空間を埋めるようにレーザ溶接で肉盛を行う。これにより、薄肉部４ａには、溶金６ｃ、６ｄが形成される。溶金６ｃの溶接条件は、例えば、レーザ出力９００Ｗ、溶接速度８０ｍｍ／ｍｉｎ、ビーム径０．９ｍｍ、パウダ量３ｇ／ｍｉｎ、ウィービングふり幅２．２°、ウィービング周波数３Ｈｚとされる。また、同様に６ｄの溶接条件は、例えば、レーザ出力９００Ｗ、溶接速度８０ｍｍ／ｍｉｎ、ビーム径０．９ｍｍ、パウダ量３ｇ／ｍｉｎ、ウィービングふり幅２．２°、ウィービング周波数３Ｈｚとされる。溶接を行う順序としては、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの順に行う。

薄肉部４ａをレーザ溶接で肉盛した後は、図１（ｄ）で示すように、蓋４の外表面を覆うように肉盛を行う。この肉盛りにより、溶金６ｅが形成される。また、翼本体１３の高さを越えた時点でレーザ溶接を中止し、翼本体１３と均一の高さとなるようにヤスリなどにより表面を仕上げる。これらの溶接手順を、例えば、レーザヘッドを把持させた多関節ロボットにティーチング（例えば、溶接狙い位置、溶接順序、溶接角度、溶接速度等）することで自動溶接するようにしてもよい。

本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
座３と蓋４を溶接することで、蓋４により翼本体１３に形成された開口部２を塞ぐことができる。また溶接には、例えばレーザ溶接を用いることで溶接金属（座３と蓋４）の溶け込みが良くなる。したがって、座３と蓋４の溶け込み不良を防止することができる。

また、蓋４には、その外周縁５に向かって漸次厚さが減少する薄肉部４ａが設けられている。この薄肉部４ａをレーザ溶接の開先として用いることができる。蓋４の外周縁５に向かって開先が形成されることで、溶接時の溶接金属の溶け込みを良くすることができる。開先の角度は、例えば３０°とされる。

翼本体１３の開口部２は、例えば、翼本体１３を冷却する冷却通路に接続されている。この冷却通路が複数ある場合に、所定の開口部２を蓋４で覆って溶接することで、所望の形状の冷却通路を形成することができる。

レーザ溶接をレーザ粉体肉盛溶接とすることで、高密度エネルギを局所的に集中させることができる。これにより、熱影響部や入熱量を減らすことで高温割れや溶接変形を最小限に抑えることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図２〜図５を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に示したレーザ肉盛溶接の溶接レーザに加えて、開先形状を検知するレーザを設けるようになっている。したがって、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付しその説明を省略する。
図２で示されているように、検知工程において、翼本体１３に形成された開口部２ｂの形状をレーザを用いて検知する検知レーザ７が図示されない検知レーザ照射部（図示せず）から照射される。また、検知レーザ７と異なる溶接レーザ８を用いて開口部２ｂを溶接する溶接工程が行われる。この溶接工程にて、溶接レーザ８を照射する溶接レーザ照射部９（図３参照）が形成される。また、溶接レーザ照射部９（図３参照）は、検知工程にて得られた開口部２ｂの形状に基づいて溶接レーザ８が走査される。溶接レーザ８が通過した翼本体１３は溶金６が形成される溶接線となる。図３に示されているように、溶接レーザ照射部９が検知レーザ照射部にて得られた開口部２ｂの情報を得て、溶接レーザ８は、開口部２ｂに移動する。

また、図４に示されるように、検知レーザ７が照射された開口部２ｂと隣接する翼本体１３の溶接箇所１１の端部に隣り合うように、検知レーザ７が照射される領域に治具１０を設ける治具設置工程が行われる。なお、この治具設置工程は省略することができる。

本実施形態によれば、図示しない検知センサ照射部により、翼本体１３の開口部２ｂに形状を検知する検知レーザ７を照射することで開口部２ｂの形状（開先形状）を検知することができる。これにより、開口部２ｂの形状を把握した上で、開口部２ｂに溶接レーザ８を照射することができる。溶接レーザ照射部９は、検知に用いられた検知レーザ７とは異なる溶接レーザ８を用いて開口部２ｂを溶接している。検知レーザ７にて得られた開口部２ｂの形状に基づいて溶接レーザ８を走査することで、検知レーザ７を照射する照射部と溶接レーザ８を照射する溶接レーザ照射部９間の位置関係を校正することができる。また、図５に示されているように、検知センサ７で得られた開口部２ｂの形状に基づいて溶接レーザ８を走査することで、翼本体１３の溶接変形による位置ズレを制御装置（図示せず）により補正することができる。

また、検知レーザ７が照射された開口部２ｂと隣接する翼本体１３の端部に隣り合うよ
うに、検知レーザ７が照射される領域に治具１０が設置される。翼本体１３の検知レーザ
７の照射箇所１１の幅が狭い場合であっても、治具１０を設置することにより検知レーザ
７を受けることができる。また、照射箇所１１から外れた場合であっても、検知レーザ７
が照射される領域に冶具が設けられているので、検知レーザ７が翼本体１３の端部から抜
けることがない。したがって、翼本体１３の端部よりも外側の空間を開口部２ｂと誤って
検知することを防止することができる。

１ タービン静翼
２ 開口部
２ａ 周縁部
２ｂ 開口部
３ 座
４ 蓋
４ａ 薄肉部（傾斜面）
５ 外周縁
６ａ〜６ｅ 溶金
７ 検知レーザ
８ 溶接レーザ
９ 溶接照射部
１０ 治具
１１ 溶接箇所
１３ 翼本体

Claims (4)

1. 開口部が形成された本体と、
   前記開口部を規定する周縁部に沿って前記本体に形成される座と、
   前記開口部を密閉する蓋と、を備え、
   前記蓋は、その外周縁に向かって漸次厚さが減少する薄肉部が設けられており、
   前記座と前記蓋とが溶接されるタービン翼の製造方法であって、
   前記開口部の形状を検知レーザを用いて検知する検知工程と、
   前記検知工程にて得られた前記開口部の形状に基づいて前記検知レーザと異なる溶接レーザを用いて前記座と前記蓋とを溶接する溶接工程と、
   を備えたタービン翼の製造方法。
2. 前記検知レーザが照射される前記開口部と隣接する前記本体の端部に隣り合うように、前記検知レーザが照射される領域に冶具を設置する治具設置工程を備えていることを特徴とする請求項１に記載のタービン翼の製造方法。
3. 前記開口部は、前記本体を冷却する冷却通路に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン翼の製造方法。
4. 前記溶接は、レーザ粉体肉盛溶接とされることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のタービン翼の製造方法。

Images