JP6583441B2 - 動翼の翼端研磨方法及びブリスクの翼端研磨用治具 - Google Patents

Description

本開示は、圧縮機やタービンなどの軸流式ターボ機械のブリスク（integrally bladed disk, integrated bladed rotor）における動翼の翼端を研磨する方法とその際に用いる治具に関する。

圧縮機やタービンなどの軸流式ターボ機械における従来のロータでは、取り外し可能な動翼のダブテールがディスクの周面に形成したスロットに嵌められていた。このような翼車の利点は、損傷した動翼だけを交換できることにある。以下、取り外し可能な動翼がディスクに嵌められた翼車を、説明の便宜上、動翼・ディスク組立翼車(blade-disk assembled wheel)と称する。

ブリスクは一体化されたディスクと動翼とで構成された翼車である。ブリスクは、機械的強度及び軽量性の向上を目的として、近年用いられ始めている。ブリスクの具体的な利点は例えば、ディスクと動翼の連結に使用される部品の削減、ディスクと動翼との連結部における空気抵抗の減少、及び、それに伴う燃焼ガスの圧縮効率の向上、などである。

そこで、上述の２つのタイプの翼車のそれぞれの利点を生かして、動翼・ディスク組立翼車とブリスクとを組み合わせてロータを構成する場合がある。

ところで、ロータにおいては、動翼間の燃焼ガスの気密性を保つために動翼の翼長を精度良く仕上げることが重要である。そこで、ロータを製造する際には動翼を回転させながらその翼端（チップ）を研磨する作業が行われる。動翼の研磨については特許文献１に開示されている。

特表２０１２−５００７３０号公報

動翼・ディスク組立翼車における動翼の翼端を研磨する場合、この翼車は高速に回転する。これは、翼端の位置が、圧縮機やタービンの実際の運用時と同等の位置に到達するように、十分な遠心力を翼に与える必要があるからである。一方、ブリスクにおける動翼の翼端を研磨する場合もブリスク（ロータ）は回転する。しかしながら、ブリスクの回転速度は、研磨時における動翼・ディスク組立翼車の回転速度よりもある程度抑えられる。これは、ブリスクの回転速度を過度に高めると、翼端を研磨する際に翼端が振動し、動翼の損傷につながるような応力が翼根に加わる可能性があるからである。

このため、動翼・ディスク組立翼車とブリスクが組み合わされた軸流式ターボ機械を用いる場合は、軸流式ターボ機械の製造過程において、ロータを高速に回転させた状態で行う動翼・ディスク組立翼車の研磨作業と、ロータを低速で回転させた状態で行うブリスクの研磨作業とを、段階を分けて行う必要がある。このように段階を分けた研磨作業は、作業効率悪化の要因となる。

本開示は前記事情に鑑みなされたもので、本開示の目的は、ディスクと翼とが一体のブリスクにおける動翼の翼端の研磨作業を、ディスクと翼とが別体の翼車（動翼・ディスク組立翼車）における動翼の翼端の研磨作業と同時に、ロータの高速回転下で行うことができる動翼の翼端研磨方法と、この方法を実行する際に用いられる翼端研磨用治具とを提供することにある。

本開示の第１の態様は、動翼の翼端研磨方法であって、
ロータ中に存在するディスク及び動翼が一体のブリスクの動翼列とその隣りの動翼列との間に挿入された治具により、前記ブリスクの動翼のディスクに対する翼の相対移動を規制する移動規制工程と、
前記ロータの所定の速度での回転中に、前記ロータ中に混在する前記ブリスクの動翼の翼端と、ディスク及び動翼が別体の翼車の動翼の翼端とを同時に研磨する研磨工程と、
を含む。

前記移動規制工程において、前記ブリスクの動翼列とその両隣の動翼列との各間に前記治具をそれぞれ挿入してもよい。また、前記研磨工程において、前記治具により相対移動が規制された前記ブリスクの動翼の翼端と前記翼車の動翼の翼端とを同時に研磨してもよい。

本開示の第２の態様は、
ディスク及び動翼が別体の翼車の動翼と共にロータ中に存在する、ディスク及び動翼が一体のブリスクで構成した動翼の翼端を研磨する際に、前記ブリスクの動翼列とその隣の動翼列との間に挿入されるブリスクの翼端研磨用治具であって、
前記動翼列の間に挿入され且つ挟まれた状態で前記ブリスクの動翼のディスクに係止されるディスク係止部と、
前記動翼列の間に挿入され且つ当該動翼列のディスクに挟まれた状態で、前記ディスク係止部が係止された前記ディスクを有する前記ブリスクの翼に係止される翼係止部と、
前記ディスク係止部と前記翼係止部とを接続する接続部と、
を備える。

本開示によれば、ディスクと翼とが一体のブリスクで構成した動翼の翼端の研磨作業を、ディスクと翼とが別体の翼車で構成した動翼の翼端の研磨作業と同時に、ロータの高速回転下で行うことができる。

本開示の一実施形態に係る治具を用いて翼端の研磨作業が行われるロータの要部を示す断面図である。 本開示の一実施形態に係る動翼の翼端研磨方法における工程を示すフローチャートである。 図１のロータの一部を拡大して示す斜視図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本開示の一実施形態に係る治具を用いて翼端の研磨作業が行われるロータの要部を示す断面図である。

図１に示すロータ１０は、圧縮機やタービンなどの軸流式ターボ機械に用いられる。ロータ１０は、回転軸（図示せず）に取り付けられた複数の動翼列(blade cascades)１１、１３、１５、１７を有している。動翼列１１，１３，１５は圧縮流体（図示せず）の取り入れ口側に位置している。動翼列（動翼）１１は複数の動翼（翼）１１ｂを有し、複数の動翼１１ｂはディスク１１ａと一体化されている。即ち、複数の動翼１１ｂとディスク１１ａは単一のブリスクを構成する。これと同様に、動翼列（動翼）１３を構成する複数の動翼（翼）１３ｂとディスク１３ａとが単一のブリスクを構成し、動翼列（動翼）１５を構成する複数の動翼（翼）１５ｂとディスク１５ａとが単一のブリスクを構成する。また、動翼列１７が、動翼列１１，１３，１５よりも圧縮流体の排出口側に位置している。

動翼列（動翼）１７を構成する複数の動翼（翼）１７ｂは、ディスク１７ａとは別体として形成され、ディスク１７ａに嵌められている。動翼１７ｂはディスク１７ａに対して取り外し可能である。つまり、複数の動翼１７ｂとディスク１７ａは、両者が互いに別体の翼車（説明の便宜上、動翼・ディスク組立翼車(blade-disk assembled wheel)と称する）を構成する。動翼１７ｂは、そのプラットフォーム１７ｃにダブテール１７ｄを有し、ダブテール１７ｄは動翼１７ｂの翼体から離れる方向に延伸している。動翼１７ｂは、ディスク１７ａの周面に形成したスロット１７ｅにダブテール１７ｄを嵌めることで、ディスク１７ａに連結している。

ロータ１０が回転すると、動翼列１７の各動翼１７の位置は、ダブテール１７ｄとスロット１７ｅとのクリアランスの範囲内で、ロータ１０の径方向において変化する。これは、ロータ１０の回転により動翼１７ｂに遠心力が働くためであり、ロータ１０の回転速度が速いほど、動翼１７ｂの位置はロータ１０の回転中心軸から径方向外側に移動する。

ところで、上述したロータ１０においては、動翼間の燃焼ガスの気密性を保つために各動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂ，１７ｂの翼長を精度良く仕上げることが重要である。そこで、ロータ１０を製造する際には動翼列１１，１３，１５，１７を回転させながら動翼１ｂ，１３ｂ，１５ｂ，１７ｂの翼端（チップ）１１ｃ，１３ｃ，１５ｃ，１７ｆを砥石２１、２３、２５、２７で研磨する作業が行われる。

動翼列１７の動翼１７ｂの研磨については、ロータ１０の回転によって動翼１７ｂがロータ１０の径方向に移動することを考慮して、圧縮機やタービンの実運用時に適切な位置に到達するように翼端１７ｆを研磨しなければならない。そのためには、ロータ１０の径方向における動翼１７ｂの位置が実運用時と同等の位置に位置するように、それに見合った所定の速度でロータ１０を回転させて、十分な遠心力を動翼１７ｂに与える必要がある。

一方、動翼列１１，１３，１５の動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂの研磨については、動翼１７ｂの研磨時の回転速度でロータ１０が回転すると、砥石２１，２３，２５による研磨時の衝撃で動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂの翼端１１ｃ，１３ｃ，１５ｃ側が大きく振動する場合がある。この振動が動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂの翼端１１ｃ，１３ｃ，１５ｃ側に発生すると、ディスク１１ａ，１３ａ，１５ａ側の翼根に、動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂの損傷につながるような応力が加わる可能性がある。

そこで、本実施形態のロータ１０においては、ブリスクの動翼列１１，１３，１５と動翼・ディスク組立翼車の動翼列１７に対する各研磨が同時に行われる。即ち、動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂの翼端１１ｃ，１３ｃ，１５ｃと、動翼１７ｂの翼端１７ｆとの研磨を、図２のフローチャートに示す移動規制工程（ステップＳ１）と研磨工程（ステップＳ３）とによって同時に行う。以下、各工程について説明する。

移動規制工程（ステップＳ１）は、ロータ１０を所定の速度で高速に回転させて砥石２１、２３、２５、２７により翼端１１ｃ，１３ｃ，１５ｃ，１７ｆを研磨する前に実施される工程である。図１に示すように、ロータ１０の回転が停止した状態で、ディスク１１ａ，１３ａ，１５ａに対する動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂの相対移動を、治具３０，４０によって規制する。

治具３０，４０は、動翼列１１，１３，１５とその隣の動翼列１１，１３，１５との間にそれぞれ挿入される。本実施形態では、動翼列１１と動翼列１３の間、換言すれば、動翼列１１の動翼１１ｂと動翼列１３の動翼１３ｂとの間に治具３０が挿入される。また、動翼列１３と動翼列１５の間、換言すれば、動翼列１３の動翼１３ｂと動翼列１５の動翼１５ｂとの間に治具４０が挿入される。

治具３０は、ディスク係止部３１と、翼係止部３３と、ディスク係止部３１及び翼係止部３３を接続する接続部３５とを備えている。治具３０は、ディスク係止部３１側から、動翼列１１の動翼１１ｂと動翼列１３の動翼１３ｂとの間に挿入される。この挿入によって、ディスク係止部３１は各動翼列１１，１３のディスク１１ａ，１３ａにそれぞれ当接して係止される。つまり、ディスク係止部３１は、ディスク１１ａとディスク１３ａによってロータ１０の軸方向に挟まれる。

ディスク係止部３１がディスク１１ａとディスク１３ａとによって挟まれることで、ディスク係止部３１はディスク１１ａとディスク１３ａからロータ１０の軸方向に押圧される。その結果、ディスク係止部３１とディスク１１ａとの間、及び、ディスク係止部３１とディスク１３ａとの間には摩擦力が作用し、ディスク１１ａ、１３ａに対する治具３０の相対移動（例えば、ロータ１０の周方向に沿った移動）を規制する。つまり、本実施形態のディスク係止部３１は、ロータ１０の軸方向において、このような相対移動を規制する幅を有している。

また、ディスク係止部３１は、ディスク１１ａ及びディスク１３ａの何れかとロータ１０の径方向において当接する。この当接によって、ロータ１０の回転軸に対する治具３０の相対位置が規定される。従って、例えば、ロータ１０の回転軸に対して治具３０を同一円上に分布させることができ、これは、ロータ１０の高速かつ安定な回転に寄与する。

翼係止部３３は、動翼列１１の動翼１１ｂの幅方向（コード方向）における一方の側部（例えば後縁）に、ゴム等の緩衝部材３３ａを介して当接して係止される。同様に、翼係止部３３は、動翼列１３の動翼１３ｂの幅方向（コード方向）における一方の側部（例えば前縁）に、ゴム等の緩衝部材３３ｂを介して当接して係止される。つまり、翼係止部３３は動翼１１ｂと動翼１３ｂによってロータ１０の軸方向に挟まれる。

翼係止部３３が動翼１１ｂと動翼１３ｂとによって挟まれることで、翼係止部３３は動翼１１ｂと動翼１３ｂからロータ１０の軸方向に押圧される。その結果、翼係止部３３と動翼１１ｂとの間、及び、翼係止部３３と動翼１３ｂとの間には摩擦力が作用し、動翼１１ｂ、１３ｂに対する治具３０の相対移動（例えば、ロータ１０の周方向に沿った移動）を規制する。つまり、本実施形態の翼係止部３３は、ロータ１０の軸方向において、このような相対移動を規制する幅を有している。

動翼列１１，１３の間に挿入された治具３０は、緩衝部材３３ａ，３３ｂを介して翼係止部３３を係止した動翼１１ｂ，１３ｂの位置を、ディスク係止部３１を係止したディスク１１ａ，１３ａの位置に対して固定する。これにより、動翼列１１，１３のディスク１１ａ，１３ａに対する動翼１１ｂ，１３ｂの相対移動が治具３０によって規制される。

治具４０は治具３０と同様の構造を有する。即ち、治具３０と治具４０の違いは、治具３０が動翼１１ｂ，１３ｂ及びディスク１１ａ，１３ａに合わせた断面形状をもっているのに対して、治具４０は動翼１３ｂ，１５ｂ及びディスク１３ａ，１５ａに合わせた断面形状をもっている点にある。従って、治具４０自体の作用は、治具３０自体の作用と同一である。治具４０は、ディスク係止部４１と、翼係止部４３と、ディスク係止部４１及び翼係止部４３を接続する接続部４５とを備えている。治具４０は、ディスク係止部４１側から、動翼列１３の動翼１３ｂと動翼列１５の動翼１５ｂとの間に挿入される。この挿入によって、ディスク係止部４１は各動翼列１３，１５のディスク１３ａ，１５ａにそれぞれ当接して係止される。つまり、ディスク係止部４１は、ディスク１３ａとディスク１５ａによってロータ１０の軸方向に挟まれる。また、翼係止部４３は各動翼列１３，１５の動翼１３ｂ，１５ｂの幅方向（コード方向）における一方の側部（例えば後縁）に、ゴム等の緩衝部材４３ａを介して当接して係止される。同様に、翼係止部４３は、動翼列１５の動翼１５ｂの幅方向（コード方向）における一方の側部（例えば前縁）に、ゴム等の緩衝部材４３ｂを介して当接して係止される。

動翼列１３，１５の間に挿入された治具４０は、緩衝部材４３ａ，４３ｂを介して翼係止部４３を係止した動翼１３ｂ，１５ｂの位置を、ディスク係止部４１を係止したディスク１３ａ，１５ａの位置に対して固定する。これにより、動翼列１３，１５のディスク１３ａ，１５ａに対する動翼１３ｂ，１５ｂの相対移動が治具４０によって規制される。

なお、図３は治具３０，４０を部分的にしか示していないが、治具３０，４０は、ロータ１０の回転方向における全周に亘って、動翼列１１，１３の動翼１１ｂ，１３ｂ間や動翼列１３，１５の動翼１３ｂ，１５ｂ間に挿入してもよい。即ち、治具３０（４０）は、例えばロータ１０の周方向に延びる環を形成する複数のセグメントの１つであってもよい。その場合、治具３０，４０は、連結具（図示せず）による連結部の連結を外すことで、帯状に展開したり円弧状の複数の部分に分割できるように構成することができる。

上述した治具３０，４０を用いて動翼列１１，１３，１５の研磨作業を行った場合、ディスク１１ａ，１３ａ，１５ａに対する動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂの相対移動が規制された状態で研磨が遂行される。従って、研磨時の衝撃による動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂの振動が抑制される。つまり、動翼・ディスク組立翼車の動翼１７ｂを研磨するときの回転速度でブリスクを回転させ、動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂを研磨することができる。

そこで、ステップＳ１の移動規制工程の後に図２に示すステップＳ３の研磨工程を行う。この研磨工程では、図１に示すロータ１０を、動翼・ディスク組立翼車の動翼列１７の翼端１７ｆを研磨するのに適した所定の速度で高速に回転させる。そして、ブリスクの動翼列１１，１３，１５の翼端１１ｃ，１３ｃ，１５ｃと、動翼・ディスク組立翼車の動翼列１７の翼端１７ｆとを、砥石２１，２３，２５，２７を用いて同時に研磨する。

このとき、動翼列１１，１３，１５の動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂは、動翼１１ｂ，１３ｂ間や動翼１３ｂ，１５ｂ間に挿入した治具３０，４０によって、ディスク１１ａ，１３ａ，１５ａに対する相対移動が規制されている。したがって、所定の速度でロータ１０を高速に回転させて、動翼列１１，１３，１５の翼端１１ｃ，１３ｃ，１５ｃを研磨しても、動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂの損傷につながるような応力が動翼１１ｂ，１３ｂ，１５ｂの翼根側にかかるのを抑制することができる。

このため、図２のステップＳ１の移動規制工程とステップＳ３の研磨工程とを実行することで、ブリスクの動翼列１１，１３，１５の翼端１１ｃ，１３ｃ，１５ｃの研磨作業を、動翼・ディスク組立翼車の動翼列１７の翼端１７ｆの研磨作業と同時に、動翼列１７の翼端１７ｆを研磨するのに適した所定の速度でロータ１０を高速に回転させて行うことができる。

なお、本実施形態では、移動規制工程において、動翼列１５の動翼１５ｂ間に治具は挿入されておらず、動翼列１７の動翼１７ｂ間にも治具は挿入されていない。しかしながら、動翼１５ｂ間および動翼１７ｂ間にも治具を挿入して、研磨工程における動翼列１１，１３，１５，１７の翼端１１ｃ，１３ｃ，１５ｃ，１７ｆの研磨作業を行うようにしてもよい。

上述の通り、動翼・ディスク組立翼車の動翼の翼端を研磨する際には、当該動翼の翼端がロータの径方向において実運用時と同等の位置に配置される所定の回転速度でロータを回転させなければならない。ここで言う所定速度とは、動翼・ディスク組立翼車の動翼の翼端がロータの径方向において実運用時と同等の位置に配置されるのに十分な遠心力が、当該動翼に加わる速度である。

このような所定の回転速度でロータを回転させて、ブリスクの動翼の翼端を研磨すると、研磨時の衝撃で翼端が振動し動翼の損傷につながるような応力が翼根に加わる可能性がある。

しかし、本実施形態の研磨方法によれば、治具がブリスクの動翼列の間に挿入される。この場合、治具は、その両側の動翼及びディスクによって係止されることで、ディスクに対する動翼の相対移動を規制する。従って、治具の両側の動翼の翼端を研磨しても、研磨時の衝撃による翼端の振動が抑制される。このため、ロータを所定の回転速度で高速に回転させて、動翼・ディスク組立翼車の動翼の翼端の研磨作業を行っているときに、ブリスクの動翼の翼端の研磨作業を同時に行うことができる。

なお、治具は、ブリスクの動翼列と隣りの動翼列との間に、ロータの回転方向における全周に亘って挿入されることが好ましい。

また、治具が、ブリスクの１つの動翼列と、その両隣の動翼列との間に挿入された場合、治具の間に位置する動翼は、その両側からディスクに対する動翼の相対移動が規制される。このため、ブリスクのディスクに対する動翼の翼端の相対移動を、当該動翼の両側の治具により確実に抑制することができる。よって、ブリスクの動翼の翼端の研磨を、当該動翼の翼根をより強固に保護しながら、行うことができる。

本実施形態の治具によれば、ブリスクの動翼列とその隣の動翼列との間に挿入された状態で、ディスク係止部が動翼列のディスクに係止されると共に、翼係止部が、ディスク係止部が係止されたディスクと同じ動翼の翼に係止される。また、ディスク係止部と翼係止部は、接続部によって接続している。従って、動翼のディスクに対する翼の相対移動が規制される。

このため、ロータを高速に回転させて、ブリスクの動翼の翼端を研磨しても、研磨時の衝撃で翼端が振動することが抑制される。したがって、ロータを高速に回転させて、動翼・ディスク組立翼車の動翼の翼端の研磨作業を行っているときに、ブリスクの動翼の翼端の研磨作業を同時に行うことができる。

Claims (5)

1. ロータ中に存在するディスク及び動翼が一体のブリスクの動翼列とその隣りの動翼列との間に挿入された治具により、前記ブリスクの動翼のディスクに対する翼の相対移動を規制する移動規制工程と、
   前記ロータの所定の速度での回転中に、前記ロータ中に混在する前記ブリスクの動翼の翼端と、ディスク及び動翼が別体の翼車の動翼の翼端とを同時に研磨する研磨工程と、
   を含む動翼の翼端研磨方法。
2. 前記移動規制工程において、前記ブリスクの動翼列とその両隣の動翼列との各間に前記治具をそれぞれ挿入し、前記研磨工程において、前記治具により相対移動が規制された前記ブリスクの動翼の翼端と前記翼車の動翼の翼端とを同時に研磨する請求項１記載の動翼の翼端研磨方法。
3. ディスク及び動翼が別体の翼車の動翼と共にロータ中に存在する、ディスク及び動翼が一体のブリスクで構成した動翼の翼端を研磨する際に、前記ブリスクの動翼列とその隣の動翼列との間に挿入されるブリスクの翼端研磨用治具であって、
   前記動翼列の間に挿入され且つ当該動翼列のディスクに挟まれた状態で前記ブリスクの動翼のディスクに係止されるディスク係止部と、
   前記動翼列の間に挿入され且つ挟まれた状態で、前記ディスク係止部が係止された前記ディスクを有する前記ブリスクの翼に係止される翼係止部と、
   前記ディスク係止部と前記翼係止部とを接続する接続部と、
   を備えるブリスクの翼端研磨用治具。
4. 前記ディスク係止部は、前記ブリスクの動翼のディスクに直接当接し、
   前記翼係止部は、前記ディスク係止部が当接した前記ディスクを有する前記ブリスクの翼に緩衝部材を介して当接している、
   請求項３に記載のブリスクの翼端研磨用治具。
5. 前記ディスク係止部、前記翼係止部及び前記接続部は一体化されている、請求項３または４に記載のブリスクの翼端研磨用治具。

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