JP6305777B2 - タービンロータディスクの補修方法及びタービンロータ - Google Patents
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Description
この後、図9(c)及び図10(b)に示すように、除去部3に溶接肉盛りを行うことで除去部3を埋めた肉盛部5とし、最終的に肉盛部5を機械加工することにより、欠陥部2とともに切削除去された翼溝4を再度形成する。
この理由を具体的に説明すると、除去部3に肉盛り溶接を行う場合、その大きさによっては何十パスもの溶接を行う必要があること、補修範囲によっては溶接後の応力除去焼鈍が必要になることから、翼溝形成の加工も含めて補修に要する期間が長くなる。
そして、溶接範囲が広くなると、溶接欠陥の存在確率が上がり、さらに、溶接割れなどの施工不良の可能性も高くなる。
また、ロータディスク1の母材と肉盛部5との界面では、熱影響部の存在により経年的な二次損傷が生じることも懸念される。
このような背景から、肉盛溶接と比較して短期間の補修を可能にするタービンロータディスクの補修方法が望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、肉盛溶接より短期間で補修可能なタービンロータディスクの補修方法及びこの補修方法で補修したタービンロータを提供することにある。
本発明に係るタービンロータディスクの補修方法は、外周部に翼溝部が形成されているタービンロータディスクに適用され、前記外周部に生じた欠陥部を除去して前記翼溝部を再形成するタービンロータディスクの補修方法であって、前記タービンロータディスクから前記欠陥部を含む外周欠陥領域を全周にわたって除去する欠陥部除去工程と、前記外周欠陥領域に相当するリング状補修部材を円周方向に分割してなる複数の補修パーツを作成する補修パーツ準備工程と、前記補修パーツ間に所定の隙間を残した状態で、前記タービンロータディスクの外周欠陥領域除去面に前記補修パーツを爆発圧接により溶着接合して一体化させる爆発圧接工程と、前記補修パーツ間に残る前記隙間を溶接により埋める隙間溶接工程と、前記隙間の溶接部を焼鈍する溶接部焼鈍工程と、前記タービンロータディスクの外周欠陥領域除去面に爆発圧接された前記補修パーツを機械加工して翼溝を形成する翼溝加工工程と、を備え、前記爆発圧接工程において、前記補修パーツの厚さ方向を複数に分割して、前記分割した補修パーツ毎に前記爆発圧接を繰り返す複数段階の爆発圧接を行うことを特徴とする。
また、空間部の形成により、必要となる火薬量の低減が可能となる。
図8は、蒸気タービン等に用いられるタービンロータRの全体概要を一部断面にして示した正面図であり、ロータ軸10には、軸方向に所定の間隔で配置した複数段のタービンロータディスク(以下、「ロータディスク」と呼ぶ)1が設けられている。各ロータディスク1は、外周部に形成された翼溝(翼溝部)4にタービン翼6が取り付けられる。
図1に示すロータディスク1の補修方法は、外周部に翼溝4が形成されているロータディスク1に適用され、外周部に生じた欠陥部2を除去して翼溝4を再形成する場合に用いられる。
欠陥除去工程は、図1(a)に示すように、ロータディスク1から欠陥部2を含む外周欠陥領域を全周にわたって除去する工程である。すなわち、ロータディスク1の外周面から、欠陥部2を含む除去部(外周欠陥領域)3を切削除去することにより、新たに外周欠陥領域除去面となるロータ外周面1aを形成する工程である。このように、除去部3を形成したロータディスク1´は、欠陥除去工程前のロータディスク1より小径となる。
なお、図示の構成例では、補修パーツ21がリング状補修部材20を2分割したものを使用しているが、3分割や4分割以上としてもよい。
こうして爆発圧接の準備が完了すると、円周方向の一端部側から火薬30に点火して爆発させる。図示の構成例では、2分割した補修パーツ21,21毎に着火点S1,S2を設け、2箇所の着火点S1,S2で同時に点火して爆発圧接を実施する。
図2において、(a)は爆発圧接の準備段階、(b)は起爆時の状態、(c)は圧着後の状態を示している。この説明図において、図中の符号51が母材、52が合わせ材、53が火薬(爆薬)、54が雷管、55が導線である。
図2(a)の準備段階では、母材51の上に所定の間隔を設けて合わせ材52を重ね、合わせ材52の上には全面にわたって粉末の火薬53をセットする。また、火薬52の1端部側には雷管54がセットされ、この雷管54は、導線55を介して図示しない起爆スイッチと接続される。
この結果、図2(c)に示すように、爆発圧着は瞬時(2500m/秒)に完了し、従って、爆発熱が金属材料に伝わる余裕はなく、純然たる冷間圧着が施される。また、爆発圧着は、その圧着界面57がさざ波状を呈するものとなる。
また、隙間溶接工程の後には、隙間22´の溶接部を焼鈍する溶接部焼鈍工程を実施する。この溶接部焼鈍工程は、隙間22´の溶接部のみを焼鈍する部分焼鈍となるため、小電力での施工が可能となる。
この場合、矩形断面とした火薬30の燃焼速度にばらつきがあると、図中に白抜矢印で示す発生圧力には、ディスク幅方向において微妙なばらつき(アンバランス)を生じることとなる。また、上述した平面の接合面には、厳密には面の微妙な傾きが存在する。このため、接合面となるロータ外周面1aが平面の場合には、爆発圧接工程において、発生圧力のアンバランスや接合面の微妙な傾きにより、爆発圧接された補修パーツ21に板厚方向の位置ずれを生じることが懸念される。このような位置ずれは、追加工の手間が増える原因となるため好ましくない。
なお、上述した接合面の凹凸係合は、ロータ外周面1a´側を凸断面形状とし、補修パーツ21A側を凹断面形状としてもよい。
すなわち、補修パーツ21が厚い場合、図4(a)に白抜矢印で示す発生圧力には、火薬燃焼のばらつきによる微妙なアンバランスが生じる。これが原因となり、ロータディスク1´のロータ外周面1aと補修パーツ21との接合面まで衝撃波が到達する時間差は大きくなり、この結果、不良接合部60や未溶着の発生が懸念される。
この第1変形例では、図5(a)に示すように、補修パーツ21の外周に配置して爆発させる火薬31の半径方向断面形状が、図1(d)の矩形断面とは異なっている。すなわち、第3変形例の火薬31は、ロータディスク1の板厚方向断面形状(図1(b)のA−A−断面に対応)が、ロータディスク1の板厚方向中央に円弧状の凸部31aを設けて厚くしたかまぼこ型の断面形状となっている。なお、凸部31aについては、円弧状に限定されることはない。
すなわち、ディスク板厚方向中央の火薬配置量を多くした断面形状の火薬31を採用することにより、爆発時には、図5(c)に白抜矢印で示すように、火薬量の多いディスク板厚中央部における発生圧力を高くすることができる。この結果、ディスク板厚中央から外側に向かって溶着が進むこととなり、従って、ディスク板厚方向にも均一な溶着が得られるようになり、未溶着等の不良接合部60が発生しにくくなる。
この第4変形例では、図6(a)に示すように、補修パーツ21の外周に配置して爆発させる火薬32の半径方向断面形状が、図1(d)の矩形断面形状と異なっている。すなわち、第4変形例の火薬32は、矩形断面のディスク板厚方向中央内部に、補修パーツ21側を底辺とした三角形断面の空間部32aを設けた形状とされ、火薬32がすり鉢状に成形されたものとなる。このような火薬32に対して、すり鉢の谷底(空間部32aの頂点部分)で点火して爆発させる。
すなわち、第4変形例の火薬32は、モンロー効果と呼ばれる爆発現象を利用し、図6(c)に示すように、ディスク板厚中央部の発生圧力を高くしたものである。このモンロー効果は、火薬の爆発現象として知られており、すり鉢状に成形した火薬32を爆発させると、エネルギーが凹型の中央部に集中し、すり鉢の上方に向かって超高速の金属噴流が発生する現象である。
また、空間部32aを形成した火薬32は、必要となる火薬量の低減が可能となる。
この第5変形例では、上述した爆発圧接工程において、二分割した1つの補修パーツ21に対して、外周に配置して爆発させる火薬30の円周方向において異なる複数個所の着火点を設けている。図示の構成例では、5か所の着火点Sa〜Seを設けているが、着火点の数については補修パーツ21の分割数等に応じて適宜選択すればよく、従って、5か所に限定されることはない。
このような複数の着火点を設ける着火により、火薬30全体として必要な燃焼速度を得られるようになるため、爆発圧接にとる溶着面の全面にわたって均一な溶着品質が得られる。ちなみに、例えば図7(b)に示すように、着火点S1の1箇所で着火して爆発させた場合と比較すれば、数十m秒程度の燃焼速度を数m秒程度まで速くすることができる。
また、上述した補修方法で補修した補修翼溝を1つ以上備えているタービンロータは、ロータディスク1の欠陥部2が爆発圧接により短時間で修復されたものである。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
1a,1a´ ロータ外周面(外周欠陥領域除去面)
2 欠陥部
3 除去部(外周欠陥領域)
4 翼溝
5 肉盛部
6 タービン翼
10 ロータ軸
20 リング状補修部材
21,21A,21a,21b 補修パーツ
22,22´ 隙間
30,30a,30b,31,32 火薬
31a 凸部
32a 空間部
33 点火コントローラー
60 不良接合部
R タービンロータ
S1,S2,Sa〜Se 着火点
Claims (6)
- 外周部に翼溝部が形成されているタービンロータディスクに適用され、前記外周部に生じた欠陥部を除去して前記翼溝部を再形成するタービンロータディスクの補修方法であって、
前記タービンロータディスクから前記欠陥部を含む外周欠陥領域を全周にわたって除去する欠陥部除去工程と、
前記外周欠陥領域に相当するリング状補修部材を円周方向に分割してなる複数の補修パーツを作成する補修パーツ準備工程と、
前記補修パーツ間に所定の隙間を残した状態で、前記タービンロータディスクの外周欠陥領域除去面に前記補修パーツを爆発圧接により溶着接合して一体化させる爆発圧接工程と、
前記補修パーツ間に残る前記隙間を溶接により埋める隙間溶接工程と、
前記隙間の溶接部を焼鈍する溶接部焼鈍工程と、
前記タービンロータディスクの外周欠陥領域除去面に爆発圧接された前記補修パーツを機械加工して翼溝を形成する翼溝加工工程と、
を備え、
前記爆発圧接工程において、前記補修パーツの厚さ方向を複数に分割して、前記分割した補修パーツ毎に前記爆発圧接を繰り返す複数段階の爆発圧接を行うことを特徴とするタービンロータディスクの補修方法。 - 前記爆発圧接工程において、前記外周欠陥領域除去面と前記補修パーツとの接合面は、板厚方向を凹凸係合させた状態にして爆発圧接されることを特徴とする請求項1に記載のタービンロータディスクの補修方法。
- 前記爆発圧接工程において、前記補修パーツの外周に配置して爆発させる火薬の半径方向断面は、ディスク板厚方向中央を厚くした断面形状とされることを特徴とする請求項1または2に記載のタービンロータディスクの補修方法。
- 前記爆発圧接工程において、前記補修パーツの外周に配置して爆発させる火薬の半径方向断面を矩形断面とし、前記矩形断面のディスク板厚方向中央内部に、前記補修パーツ側を底辺とした三角形断面の空間部を設けたことを特徴とする請求項1または2に記載のタービンロータディスクの補修方法。
- 前記爆発圧接工程において、前記補修パーツの外周に配置して爆発させる火薬の円周方向に複数の着火点を設けることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のタービンロータディスクの補修方法。
- ロータ軸の軸方向に配置した複数のロータディスクを備え、前記ロータディスクの外周部にタービン翼を取り付ける翼溝が形成されているタービンロータにおいて、
前記翼溝の少なくとも1つが、請求項1から5のいずれか1項に記載のタービンロータディスクの補修方法により形成された補修翼溝であることを特徴とするタービンロータ。
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