JPS62107975A - 水車ランナの表面加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は水車ランナの疲労強度を向上させるための表面
加工方法に関する。

〔従来技術とその問題点〕

水車の種類にはフランシス水車、カブラン水車。

ペルトン水車あるいはポンプ水車などがあるが、これら
はいずれもランナが水車の運転中に圧力変動によ）繰り
返しの負荷を受ける。水車ランナは長期間の使用中にそ
の繰り返しの負荷を受けた部位にき裂を生じ、さらにこ
のき裂が次第に進展し遂には破壊に至ることが知られて
おシ、この現象は一般に金属の疲労に起因するものであ
る０以下金属疲労の概要と水車２ンナに対する問題点に
ついて述べる０金属材料が静荷重を受けて破壊するとき
は、大きな塑性変形を生じた後に破壊する延性破壊と＃
ｌとんど塑性変形を伴わすに破壊する脆性破壊とがある
が、いずれの場合も荷重がある値に達した後にその部所
の全断面が瞬間的に破断する。これに対して疲労に基づ
く破壊の場合は、荷重がある回数繰り返し負荷された後
、材料の極めて小さな領域にのみ微細なき裂を生じ、引
続き負荷される荷重の繰り返しによりき裂が徐々に進展
し、残ｐの部分の応力が静的な破壊応力に等しくなった
とき瞬間的に破壊するものである。しかもこのき裂の発
生した部位の繰り返し応力の大きさは静的破壊応力よシ
も小さいのである。また複雑な形状をもった構造物など
では、形状が急激に変化する部分の応力は平滑な形状の
部分に比べて高く、したがって繰り返し負荷によるき裂
は形状の急変する部分に発生する。一方き裂を発生しな
い繰り返し応力は材料によってその大きさが異なる・次
に水車ランナの繰υ返し負荷を受ける機構および疲労損
傷の発生する部位について７ランシス水車を例に説明す
る０第４図はフランシス水車の要部断面図でおる。ケー
シング１にある圧力水はガイドペン２を通ってランナの
羽根３の入口側４にあたる。羽根３に衝突した圧力水は
水車ランナ５に水動力を加えて仕事を伝達した後、羽根
３の出口側６から排出される。この水動力の仕事により
て水車ランナ５が回転する仕組みになっている０このよ
うな構造と作用をもつ７ランシス水車のランナ５の近傍
の断面図を第５図に再掲し、また第５図におけるＰ矢視
図を第６図に、Ｑ矢視図を第７図に示し、これらの図を
併用参照して以下に７ランシス水車ランナを例とする疲
労損傷の起こシやすい個所について述べる。水車ランナ
５は水動力の仕事によって回転運動をするが、この運動
時に強い円板振動を受ける０この円板振動によシ最も大
きな繰フ返し応力の発生する個所はそれぞれランナクラ
ウン７、ランナバンド８の羽根３との付根部であフ、第
５図ないし第７図に円で囲い共通付号Ａをもって表わし
た位置にある。すなわち付根部人は水車ランナにおける
最も形状の急変する部分である。また水車ランナは運動
時の繰り返し負荷ばかシではなく、回転中は常に遠心力
が働いておシ、停止した時には負荷は零となるＯこのよ
うに水車ランナは起動停止により繰り返し負荷を受け、
この場合も最も大きな繰り返し応力の発生する個所は形
状が最も不連続となる付根部Ａである。以上のことから
水車ランナの長期間の稼動によって付根部Ａに生ずる繰
り返し応力に相当するき裂発生繰り返し数に到達すると
、付根部Ａにき裂が発生して疲労損傷を受け、水車ラン
ナは当初もっていた効率を維持することができなくなる
Ｏ したがって水車ランナとしては繰り返し負荷を受けても
き裂が発生しないようにすることが望ましい。その対策
として水車ランナの羽根の付根部を高い繰り返し応力の
発生しない形状にすることおよび水車ランナに高い疲労
強度をもった材料を選択して用いることなどが考えられ
るが、羽根の形状については当初の設計効率との関係も
あシ、他の条件を無視して一方的に疲労強度向上の観点
のみから変更することは不可能であり、疲労強度の高い
材料を使用することもまた水車のコストが高くなるとい
う点で経済的な面から得策ではない。

一方材料の疲労強度を高める手段として表面加工法の一
つであるショットピーニング法によシ残留応力を付与す
ることが水車ランナのような複雑形状の構造物に対して
有力であるとみられる。

ショットピーニング法とは通常０．５〜１．０　ｍの直
径をもつ鋼球を毎秒２０〜６０ｍの速度で被加工物の対
象部位に噴射し、その表面に圧縮残留応力を付与すると
とＫよって、外部から受けるその部分の繰り返しの引張
荷重を相対的に減少させ、疲労強度を向上させるもので
ある、このショットピーニング法では使用される銅球の
直径が対象部位の疲労強度の向上効果に対してかなシ大
きな影替を及ぼすことが知られておシ、この関係は第８
図のごとくなる。第８図は横軸を鋼球の直径、縦軸を疲
労強度向上割合としてショットピーニング加工前後の疲
労強度比すなわちショットピーニング加工したときの疲
労強度／ショットピーニング加工しないと愈の疲労強度
で表わした線図である。

第８図から鋼球直径が小さいほど疲労強度向上割合が高
く、鋼球直径が１．０■以上になるとショットピーニン
グ加工を施した方がショットピーニングをしカいときよ
り疲労強度は逆に低下することがわかる０ また、直径０．５〜１．０　ｍの鋼球でショットピーニ
ング加工を施した部分の残留応力の影響深さはたかだか
０．２〜０．３露程度である。一般にショットピーニン
グの除用いる鋼球は被加工材より硬いから、ショットピ
ーニング加工を受けた部分の表面は非常に粗くなる。そ
の表面粗さは凹凸の最大高さでおよそ０．１■である。

水車ランナの場合羽根の表面が粗くなると、羽、根の表
面を流れる水に対して表面の凹凸が抵抗となって水車の
効率を低下させる原因となるほかに、表面粗さが繰り返
し負荷による微細なき裂の発生を助長することにもなる
。さらにショットピーニング加工を受けた部分の表面に
は、その強い冷間加工によυ著しく塑性変形した加工変
質層が形成される。水車のように水中など腐食環境中に
あるとき、この加工変質層は母材に比べて腐食しやすい
ことが知られておシ、腐食の発生は疲労強度の低下をも
たらす原因となるので、水車ランナの羽根に対しては加
工変質層は必ず除去しなければならない。

以上のことから、水車ランナにショットピーニング加工
を施した後は、その部分をグラインダで研磨し、加工変
質層を除去すると同時に表面に生じた凹凸も取シ除き表
面を平滑な状態にすることが肝要である。

しかしながら、水車ランナの前述した最も大きな繰り返
し応力の発生する羽根の付根部Ａに従来のようなショッ
トピーニング加工を施すことによシ圧縮残留応力を付与
しても、前述のごとくその影響深さはたかだか０．２〜
０．３　ｍであるから、その後のグラインダ研磨によっ
て残留応力はほとんど取９去られてしまい、水車ランナ
の疲労強度を向上させることは望めない。

したがって水車ランナの疲労強度を向上させるためには
十分な圧縮残留応力の影響深さが形成されるように鋼球
直径を従来よシ大きくすることが好ましく、第８図に示
した関係はあるものの、さらに未知な鋼球直径の領域に
対しての検討が必要である〇 〔発明の目的〕 本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目
的は水車ランナの疲労強度を向上させるための適切な大
きさの直径を有する鋼球によるショットピーニング加工
法を提供することにある。

〔発明の要点〕

本発明は水車う／すの主としてランナクラウン。

ランナバンドと羽根の付根部の高い繰り返し負荷を受け
る部位にショットピーニング加工を施すに当シ直径４〜
１０■最も好ましくは５〜７ｍｍを有する鋼球を用いる
ことによシ、ショットピーニング加工後に必要な研磨量
以上の圧縮残留応力を有する領域を保持させることがで
き、水車ランナの疲労強度を高めたものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明を実施例に基づき説明する。

本実施例では７ランシス水車ランナを用いたが、その材
料の化学成分はＪＩＳ規格のｓｃｓ　ｓに和尚し、１３
％Ｃｒと３．８％Ｎｉを含むマルテンサイト系ステンレ
ス鋳鋼であシ、ショットピーニング加工を施す個所は前
記の第５図ないし第７図に示した付根部Ａである０ ショットピーニングは鋼球を圧搾空気などによシ被加工
材の表面に高速で叩きつけて、材料表面を加工硬化させ
るとともに、圧縮残留応力を利用して表面部を積極的に
強靭化することによって、耐疲労性や他の機械的強さを
向上させる冷間加工法の一種であって、通常は直径０．
５〜１．２　ｍの小さな鋼球を被加工面に噴射する方法
がとられることを既に述べたが、本発明ではとくにさら
に鋼球直径を大きくしたときの効果について検討したＱ
まず鋼球直径を３〜ｌ１ｍの範囲に変化させ５ｋｇ／−
の圧力で付根部Ａに５〜８移間噴射した。

その結果、各鋼球直径に対する残留応力影響深さと疲労
強度向上側の関係を横軸を共通に銅球直径として表わす
と第１図のような曲線が得られる。

第１図の曲線イが残留応力影響深さであり、曲線口が疲
労強度向上割合との関係を表わすものである。第１図曲
線イから残留応力影響深さは、この範囲の鋼球径のもの
を用いると最大４■以上が得られ、従来のショットピー
ニング法に比べて著しく深いことがわかる。疲労強度は
第１図の曲線口にみられるように、鋼球を大きくしても
疲労強度が向上する範囲の存在することが明らかとなり
、銅球直径がほぼ３■から１．０．５　ｍの間で疲労強
度向上割合が１．０を超え、鋼球直径は４〜１０霞とす
るのがよいが、疲労強度向上割合を２割以上とするため
の好ましい範囲は曲線口から４〜７ｍである。すなわち
鋼球直径４〜１０日のショットピーニングを施した水車
ランナは残留応力影響深さと疲労強度向上割合とに良好
な対応がみられ、水車を長期間健全な状態で運転させる
ことができる。

例えば直径５■の鋼球を用い、前述と同様の条件でショ
ットピーニングを行なったとき、加工を受けた部分の表
面粗さは凹凸の最大高さ寸法が０．１０５冑であυ、加
工変質層の深さはおよそ２０μｍである。したがってシ
ョットピーニング加工後表面の凹凸と加工変質層を除去
するためのグラインダ研磨量としては０．２　ｗａ径程
度なる。ショットピーニング加工した部分の残留応力の
表面からの深さ方向の分布を、横軸を表面からの深さ、
縦軸を残留応力として表わすと第２図の曲線が得られ、
残留応力が零となる所をその影響深さとすれば、残留応
力影響深さはおよそ４■はあるから、グラインダの研磨
によって取シ除かれてしまうという不都合を生ずること
はない。

次に上記実施例に述べた水車ランナ材料である１３％Ｃ
ｒ、　３．８％Ｎｉのステンレス鋳鋼に直径５ｍの鋼球
を用いたショットピーニングを施し、圧縮残留応力を付
与したときの疲労強度曲線を第３図に示す。なお第３図
には比較の丸めに同材料でショットピーニングを行なっ
ていないものも併記しである◇第３図において曲１ｆｓ
ａがショットピーニング加工した場合あシ、曲線すがシ
ョットピーニング加工してない場合を表わす。この両面
線の比較から明らかなごとく、直径５＋ａ＋の鋼球で叩
くショットピーニング法によ）表面加工したものの方が
、表面加工を行なっていないものに比べて寿命にしてお
よそ１０倍向上したことを示してお９′％また破断に至
る繰夛返し数１×１０７における疲労強度向上割合はお
よそ１．２５であることがわかる。

従来のショットピーニング法によれば第８図に示したよ
うに、鋼球直径が１．０　ｗｍ以上になると、ショット
ピーニング加工を施した方が、ショットピーニングをし
ないときより、疲労強度は逆に低下することを既に述べ
たが、このことは鋼球直径の増大とともに表面あらさが
粗くなシ、表面の凹凸が切欠き効果となって応力集中を
生じ疲労強度を低下させるものであるのに対して、本発
明では鋼球直径をかなシ大きくし圧縮残留応力を深い領
域まで形成しても表面研磨が可能であって切欠き効果が
発生しないからであると本発明者らは理解している。

以上のように圧縮残留応力を有する領域を深くし、疲労
強度を向上させることができたのは、従来試みられなか
った大きな直径をもつ鋼球を使用してのショートピーニ
ング加工を行なったことによるものである。

なお上述した実施例ではフランシス水車の場合について
述べたが、本発明は７ランシス水車に限ることなく、そ
の他の水車ランナに適用しても同様の効果が得られるも
のでおる。

またこれまで本発明によるショットピーニング加工は高
い繰夛返し負荷を受ける部分に適用するものとして説明
してきたが、以下に述べる水車う／すの部位についても
有効に用いることができる。

水車ランナの多くは一体の鋳造品であシ、鋳造品である
以上は鋳造欠陥の発生は避けられず、この鋳造欠陥が水
車ランナの疲労寿命を著しく低下させる原因となるため
、鋳造欠陥部を除去し溶接補修をしなければならない。

このとき溶接補修部には引張残留応力が内在するので、
通常は応力除去熱処理を施し、その引張残留応力を十分
低減させることはできるが、本発明によるショットピー
ニング加工を行なって圧縮残留応力を付与し、その部分
の疲労強度を向上させることができる。

〔発明の効果〕

水車ランナの大きな繰り返し負荷を受ける部位の疲労強
度を高−める手段に比較的簡単に実施が可能な方法とし
てショットピーニングによる表面加工が有力とみられる
が、従来法のように小さな径の鋼球を用いたのでは表面
に圧縮残留応力を与える領域が浅く、グラインダ研磨仕
上げのとき除去されてしまうのく対し、本発明では実施
例で説明したように、鋼球径を大きくすると疲労強度が
低下する傾向にあるという従来の知見に反して４〜１０
■φという飛躍的に大きな鋼球を用いたショットピーニ
ング加工を施すようにしたために、圧縮残留応力を有す
る表面層を深く形成させることができ、その結果この表
面層は表面仕上研磨に対しても十分に残存しておシ、し
かも材料の疲労強度を向上させ、水車ランナの疲労寿命
を約１０倍も伸ばすことに成功したものであシ、さらに
高い繰り返し応力の発生する形状急変部のほかＫも鋳造
欠陥の溶接補修部に適用することにより、引張残留応力
を低減させ、疲労強度を高めるという効果を有するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例におけるショットピーニングの
鋼球径と残留応力影響深さ、および疲労強度向上割合と
の関係を示す線図、第２図は同じくショットピーニング
による残留応力の表面からの深さ方向分布線図、第３図
は同じくシミツトピーニングによる水車ランナ材の疲労
強度線図、第４図は７ランシス水車の要部断面図、第５
図はショットピーニング加工の適用部位を説明するため
の第４図の部分図、第６図は第５図のＰ矢視図。 第７図は第５図のＱ矢視図、第８図は従来の知見に基づ
くショットピーニング加工における鋼球径と疲労強度向
上割合との関係を示す線図である□３・・・・・・羽根
、５・・・・・・水車ランナ、７・・・・・・ランナク
ラウン、８・・・・・・ランナバンド、Ａ・・・・・・
付根部。 第１図 、メりくｆび！λぐミ／ν（／？ｈ／ｐＬ′″ン扁刀（
噂り鋺永り 第５図 第７図 ＯＱ２　０４　　Ｑ６　　Ｑ８　１．０　１２１．４第
８因

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）直径４〜１０ｍｍの鋼球を用いて局部的にショット
   ピーニング加工を施した後、該ショットピーニング加工
   により生じた表面の凹凸と変質層を除去することを特徴
   とする水車ランナの表面加工方法。 ２）特許請求の範囲第１項記載の方法において、ショッ
   トピーニング加工は高い繰り返し応力の発生する部位に
   施すことを特徴とする水車ランナの表面加工方法。 ３）特許請求の範囲第１項記載の方法において、ショッ
   トピーニング加工は鋳造欠陥の溶接補修部に施すことを
   特徴とする水車ランナの表面加工方法。 ４）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載の方法において、直径５〜７ｍｍの鋼球を用いること
   を特徴とする水車ランナの表面加工方法。