JP6508568B2 - タービンブレード用素材の形状矯正方法及びタービンブレード用素材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービンブレード用素材の形状矯正方法及びタービンブレード用素材の製造方法に関するものである。

タービンブレードは根部と翼部により構成されており、根部側から翼部の先端に向けて徐々に捩られた形状を有するものである。
このタービンブレードは、荒地と呼ばれる棒状の素材を例えば１０００℃程度の高温に加熱し、タービンブレード形状の型彫り面を有する上型と下型とで熱間や恒温での鍛造やプレス（以下、熱間鍛造）によってタービンブレード用素材の形状に塑性加工が行われ、その後、最終形状への機械加工が施されて製造されている。例えば、火力発電所に設置されるタービンは、高温流体の流れをタービンブレードでタービンの回転運動に効率よく変換するため、タービンブレードの形状は極めて重要である。
ところで、タービンブレード用素材は熱処理を施されると変形が生じる。そのため、例えば特開平９−１５７７３９号公報（特許文献１）では熱処理時に変形を防止する熱処理方法の発明が開示されている。しかし、実際には熱処理時に確実に変形を防止するのは極めて困難であり、熱処理後のタービンブレード用素材に生じた変形を所望の形状に矯正することが行われている。例えば、特開平８−２７６２１６号公報（特許文献２）ではタービンブレード用素材の根部を固定し、翼部の上下方向から加圧機構によって加圧して形状の矯正が行われている。

特開平９−１５７７３９号公報 特開平８−２７６２１６号公報

ところで、近年タービンブレードの長さは次第に長尺化してきており、最近では５０インチ以上のタービンブレードが用いられてきている。また、鍛造ままの形状を有するタービンブレード用素材では、最終製品に機械加工することを想定して、約３ｍｍ以上の削りしろが設けられている。そのため、例えば、熱処理で生じた変形を矯正するには、数１００トンを超える荷重で矯正しなければならい。また、大型のタービンブレード用素材の材質の中には、Ｔｉ合金のように、低温ではスプリングバックが大きいという問題を抱えるものがある。
上述した特許文献２の方法では、根部（翼根）が当て金によるクランプ機構により把持されている。例えば、上記のＴｉ合金を矯正しようとすると、タービンブレード用素材を加熱したとしても根部を把持する当て金への熱伝導が生じて、タービンブレード用素材の温度が低下し、スプリングバックにより所望の形状に矯正することは困難である。また、大型のタービンブレード用素材の矯正には熱間で大きな荷重を加えないとならないが、上述したように、特許文献２の方法では熱間での形状矯正に課題が残っている。
本発明の目的は、熱処理後のタービンブレード用素材に生じた捻じれと反りをより確実に矯正可能なタービンブレード用素材の形状矯正方法及びタービンブレード用素材の製造方法を提供することである。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、少なくとも根部と翼部とを有するタービンブレード用素材の形状矯正方法であって、このタービンブレード用素材の形状矯正は、根部を固定する根部固定部と、翼部の捻じれ又は反りの矯正時に翼部を支持するための第１と第２の少なくとも２つの支点を備える翼部支点部と、翼部の先端を押圧する押圧手段と、を有する形状矯正装置を用いて、この形状矯正装置の根部固定部に加熱されたタービンブレード用素材の根部を挿入して固定する根部固定工程と、翼部の捻じれを矯正する部分と第１の支点とを接触させ、押圧手段を用いて翼部の先端を押圧することにより捻じれを矯正する捻じれ矯正工程と、押圧手段を用いて翼部の先端を更に押圧して、翼部を第２の支点に接触させ、更に翼部の先端を押圧することにより翼部の反りを矯正する反り矯正工程と、を含むタービンブレード用素材の形状矯正方法である。
好ましくは、押圧手段はプレス機である。

また本発明は、棒状の素材を加熱し、タービンブレード形状の型彫り面を有する上型と下型とで熱間鍛造して少なくとも根部と翼部とを有するタービンブレード用素材を形成し、タービンブレード用素材の翼部の捻じれ又は反りを矯正して、タービンブレード用素材を得るタービンブレード用素材の製造方法であって、そのタービンブレード用素材の翼部の捻じれ又は反りを矯正する矯正方法は、根部を固定する根部固定部と、翼部の捻じれ又は反りの矯正時に翼部を支持するための第１と第２の少なくとも２つの支点を備える翼部支点部と、翼部の先端を押圧する押圧手段と、を有する形状矯正装置を用いて、この形状矯正装置の根部固定部に加熱されたタービンブレード用素材の根部を固定する根部固定工程と、翼部の捻じれを矯正する部分と第１の支点とを接触させ、押圧手段を用いて翼部の先端を押圧することにより捻じれを矯正する捻じれ矯正工程と、押圧手段を用いて翼部の先端を更に押圧して、翼部を第２の支点に接触させ、更に翼部の先端を本来の製品形状の位置よりも下方側に押圧することにより翼部の反りを矯正する反り矯正工程と、を含むタービンブレード用素材の製造方法である。
好ましくは、押圧手段はプレス機である。

本発明によれば、熱処理後のタービンブレード用素材に生じた捻じれと反りをより確実に矯正することが可能となる。

タービンブレード用素材の一例を示す模式図である。 本発明のタービンブレード用素材の形状矯正装置の一例を示す模式図である。 熱処理後のタービンブレード用素材の形状の変形の一例を示す模式図である。 翼部の形状矯正前後の変化を示す模式図である。

本発明を図面を用いて説明する。
図１はタービンブレード用素材１の一例を示す模式図である。タービンブレード用素材１は、根部２と翼部３を備える。翼部３はその先端方向に向かって徐々に捻じれた形状を有するものである。このタービンブレード用素材の熱処理後の形状の一例を図３に示す。
図３に示すように、熱処理後のタービンブレード用素材は過度に捻じれを生じて、翼部先端方向に向かって反りが生じている。この複雑な変形を所望の形状とするには、矯正する順序が重要となる。
図２は本発明のタービンブレード用素材１の形状矯正装置１１の一例を示す模式図である。この形状矯正装置１１は、根部２を挿入して固定するための根部固定部１２と、翼部３の捻じれ又は反りの矯正時に翼部を支持するための第１の支点（以下、支点Ａともいう）と第２の支点（以下、支点Ｂともいう）とを備える翼部支点部１３と、翼部の先端を押圧する押圧手段（押圧装置）１４と、を有するものである。なお、この形状矯正装置を用いて形状矯正されるタービンブレード用素材は、予め加熱装置（図示せず）により加熱されたものを用いる。加熱装置は図２の形状矯正装置１１とは別に、通常の加熱炉であれば良い。また、前記押圧装置はプレス機であることが好ましい。これは、タービンブレード用素材が５０インチ以上の大型化となると、反りの矯正に大きな荷重を加えるのに容易なためである。

＜タービンブレード用素材の加熱＞
本発明では、例えば５０インチ以上のタービンブレード用素材の形状矯正を容易とすることを目的として、所望の温度に加熱を行う。加熱の温度は、材質によって異なるが、例えば、Ｔｉ合金であれば、２００℃を下限とし、焼鈍または時効処理の温度未満を上限とするのが良い。これは、前述する下限の温度未満では、スプリングバックによって形状矯正が不十分となる場合があるためである。また、上限温度を超えると、後に行う焼鈍や時効処理でも所望の金属組織が得られない場合があるためである。

＜根部固定工程＞
加熱したタービンブレード用素材１は、その根部を図２に示す根部固定部１２に挿入する。根部固定部は、前記した特許文献２のような当て金によるクランプ機構は避けて、２つで一対の柱状の根部固定部の間に根部を挿入する。加熱したタービンブレード用素材１の温度をできるだけ低下させないようにする必要がある。そのため、図２では根部２は形状矯正装置１１に設けられた２つの柱状部分の間に挟まされるように挿入する構造として根部固定部１２を示している。それぞれの柱状部分の間隔は、加熱して膨張した根部の厚さよりも１〜５ｍｍ程度広い間隔とする。また、熱間鍛造後の根部の形状は、前記特許文献２の図面で示される根部（翼根）の形状とは異なり、立方体である。その立方体の根部を若干傾斜させて、立方体（根部）の下辺、左右の何れかの辺を柱状部分に接触させ、できるだけ根部をとおしてタービンブレード用素材の温度を低下させないようにするのが好ましい。

＜捻じれ矯正工程＞
次に、翼部３の捻じれを矯正する部分と翼部支点部１３に設けられた支点Ａとを接触させ、翼部の先端を押圧して支点Ａと対角位置に力が加わることにより捻じれを矯正する。タービンブレード用素材の変形は、経験上、ほぼ同じ傾向を示している。支点Ａとする場所は、タービンブレード用素材１のボス部４から見て翼部の先端方向である
図２に示す翼部支点部１３に設けられた凸状の位置決め部１７は、タービンブレード用素材１を翼部支点部１３上の所定の位置に載置可能なように位置決めを行う部分であり、形状矯正中（押圧中）にタービンブレード用素材の位置ずれを防止するものある。支点Ａは、形状矯正中にタービンブレード用素材１と翼部支点部１３とが最初に接触する部分であり、その接触する部分の支点Ａの形状は平坦としている。
この翼部支点部１３の高さは、タービンブレード用素材１のスプリングバックを考慮して、本来の製品形状の位置よりも若干多めに矯正可能なように設定すると良い。また、タービンブレード用素材１の長さによって、翼部支点部１３の高さは変更すべきであり、翼部支点部１３を組立て体（積層体）としておけば、高さの調整が容易になる。また、翼部支点部１３を設ける場所はタービンブレード用素材１の長さに応じて変化させることが必要なため、形状矯正装置１１に翼部支点部１３の位置を変化させるスライド機構を設けておくのが好ましい。

＜反り矯正工程＞
そして、支点Ａに接触したタービンブレード用素材１の翼部の先端を押圧し続けることにより捻じれが徐々に矯正され、やがて支点Ｂにタービンブレード用素材表面が接触する。すると、今度は、支点Ｂが反りの矯正を行う支点となって、更に翼部の先端を押圧して翼部の反りを矯正する。反りの矯正の終了は図２に示す押圧停止部１５に翼部の先端が接触することで終了する。前記の支点Ｂはタービンブレード用素材に接触することから、その接触面の形状は矯正によって支点Ｂの形状がタービンブレード用素材に転写しにくい曲面形状とするのが好ましい。
また、この押圧停止部１５の高さは、タービンブレード用素材１のスプリングバックを考慮して、本来の製品形状の位置よりも若干多めに矯正可能なように設定すると良い。また、タービンブレード用素材１の長さによって、押圧停止部１５の高さは変更すべきであり、押圧停止部１５はタービンブレード用素材１の長さに応じて、押圧停止部１５を組立て体（積層体）としておけば、高さの調整が容易になる。また、押圧停止部１５を設ける場所はタービンブレード用素材１の長さに応じて変化させることが必要なため、形状矯正装置１１に押圧停止部１５の位置を変化させるスライド機構を設けておくのが好ましい。

本発明のタービンブレード用素材の形状矯正方法を５０インチ以上の大型のタービンブレード用素材に適用する場合、押圧手段（押圧装置）はプレス機を用いることが好ましい。これは、鍛造ままの形状の５０インチ以上の大型のタービンブレード用素材では、後に行うタービンブレード製品への機械加工前であるため、削り代がおおよそ３ｍｍ以上確保されており、その厚さが１５ｍｍ以上の厚さである。そのため、大型のタービンブレード用素材の形状矯正を行う場合、翼部の先端を押圧する荷重が１００トン以上になることが多く、実際の作業では、５００トン以上の荷重を加えることが必要になる。例えば、１０００トンの荷重を加えても、押圧停止部１５がストッパーとなって、過度に矯正されることもなく、例えば、作業者が変わったとしても、再現性良く同じ形状矯正が行える。

ここで、実際に５０インチのタービンブレード用素材に本発明方法を適用した効果を検証した。用いたタービンブレード用素材の材質はＴｉ合金である。
熱間鍛造と固溶化熱処理を行ったＴｉ合金製タービンブレード用素材を用意した。用意したタービンブレード用素材には捻じれと反りが見られるものであった。
形状矯正を行う前にタービンブレード用素材を６５０℃で加熱した。加熱温度は後に行う焼鈍温度マイナス６０℃である。加熱したタービンブレード用素材の形状矯正を図２に示す形状矯正装置１１を用いて行った。

先ず、翼部支点部１３と押圧停止部１５の位置合わせを行った。翼部支点部１３はタービンブレード用素材１のボス部４より翼部先端側となる位置とした。翼部支点部１３と押圧停止部１５の高さはスプリングバックを考慮して本来の製品形状の位置よりも若干多めとなるように、翼部支点部１３はプラス１０ｍｍ高い高さとし、押圧停止部１５は本来の製品形状の位置よりも下方側（若干多めに）押圧するように、マイナス２０ｍｍ低い高さとした。形状矯正装置１１に設けられた２つの柱状部分の間隔は、加熱して膨張した根部の厚さよりも２ｍｍ程度広い間隔とした。
そして、根部２を根部固定部１２に挿入して固定して、更に、翼部支点部１３に設けられた凸状の位置決め部１７にタービンブレード用素材１を接触させて支点Ａとなる場所を確保した。次に、最大荷重１０００トンの油圧プレス機（押圧手段１４）を用いて翼部の先端を押圧した。このとき、油圧プレス機（押圧手段１４）と翼部の先端の間にスペーサ１６を挟めてプレス機の押圧部分の形状が翼部の先端に転写されるのを防止した。
徐々に荷重を加えて翼部３の捻じれと反りを矯正した。このとき、翼部の捻じれを矯正する支点Ａに翼部が最初に接触し、続いて翼部の反りを矯正する支点Ｂに接触し、続いて支点Ｂによって反りの矯正が行えたことを確認した。形状矯正の終了は押圧停止部１５に翼部３が接触し、１０００トンの荷重を加えたところで終了した。

図４に翼部の形状矯正前後の変化を示す模式図を示す。図４に示すように、捻じれが１．５ｍｍ矯正され、反りが７ｍｍ矯正され、好適な形状に矯正が行えた。
以上の結果から、熱処理後のタービンブレード用素材に生じた捻じれと反りをより確実に矯正することが可能となることが分かる。また、熱間で形状矯正の作業が行えるため、特に冷間では形状矯正が困難なスプリングバックの大きなＴｉ合金製タービンブレード用等に効果を奏することが確認された。

１ タービンブレード用素材
２ 根部
３ 翼部
４ ボス部
１１ 形状矯正装置
１２ 根部固定部
１３ 翼部支点部
１４ 押圧手段（押圧装置）
１５ 押圧停止部
１６ スペーサ
１７ 位置決め部

Claims (4)

1. 少なくとも根部と翼部とを有するタービンブレード用素材の形状矯正方法であって、
   前記タービンブレード用素材の形状矯正方法は、
   前記根部を固定する根部固定部と、
   前記翼部の捻じれ又は反りの矯正時に前記翼部を支持するための第１と第２の少なくとも２つの支点を備える翼部支点部と、
   前記翼部の先端を押圧する押圧手段と、を有する形状矯正装置を用いて、
   前記形状矯正装置の根部固定部に加熱されたタービンブレード用素材の根部を固定する根部固定工程と、
   前記翼部の捻じれを矯正する部分と前記第１の支点とを接触させ、前記押圧手段を用いて前記翼部の先端を押圧することにより捻じれを矯正する捻じれ矯正工程と、
   前記押圧手段を用いて前記翼部の先端を更に押圧して、前記翼部を前記第２の支点に接触させ、更に前記翼部の先端を押圧することにより前記翼部の反りを矯正する反り矯正工程と、
   を含むことを特徴とするタービンブレード用素材の形状矯正方法。
2. 前記押圧手段はプレス機であることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード用素材の形状矯正方法。
3. 棒状の素材を加熱し、タービンブレード形状の型彫り面を有する上型と下型とで熱間鍛造して少なくとも根部と翼部とを有するタービンブレード用素材を形成し、
   前記タービンブレード用素材の翼部の捻じれ又は反りを矯正して、タービンブレード用素材を得るタービンブレード用素材の製造方法であって、
   前記タービンブレード用素材の翼部の捻じれ又は反りを矯正する矯正方法は、
   前記根部を固定する根部固定部と、
   前記翼部の捻じれ又は反りの矯正時に前記翼部を支持するための第１と第２の少なくとも２つの支点を備える翼部支点部と、
   前記翼部の先端を押圧する押圧手段と、を有する形状矯正装置を用いて、
   前記形状矯正装置の根部固定部に加熱されたタービンブレード用素材の根部を固定する根部固定工程と、
   前記翼部の捻じれを矯正する部分と前記第１の支点とを接触させ、前記押圧手段を用いて前記翼部の先端を押圧することにより捻じれを矯正する捻じれ矯正工程と、
   前記押圧手段を用いて前記翼部の先端を更に押圧して、前記翼部を前記第２の支点に接触させ、更に前記翼部の先端を本来の製品形状の位置よりも下方側に押圧することにより前記翼部の反りを矯正する反り矯正工程と、
   を含むことを特徴とするタービンブレード用素材の製造方法。
4. 前記押圧手段はプレス機であることを特徴とする請求項３に記載のタービンブレード用素材の製造方法。