JPWO2019225003A1

JPWO2019225003A1 - ロータティースクラック検査方法

Info

Publication number: JPWO2019225003A1
Application number: JP2020520983A
Authority: JP
Inventors: 貴志大宅; 政憲内村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-05-25
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2020-12-10
Anticipated expiration: 2038-05-25
Also published as: US20210083559A1; EP3805751A4; US11888361B2; JP6896170B2; CN112154323B; CN112154323A; EP3805751A1; WO2019225003A1

Abstract

ティース（３２）の径方向とティース肩部（３２ａ）を横切って直交する基準線（Ｂ）に対するクラック（３２ｂ）の発生角度をαとしたとき、この発生角度αに直交すると推定される方向のリテーニングリング（３５）の外周面の位置にフェーズドアレイ探触子（４）を予め設置し、フェーズドアレイ探触子（４）から発射される超音波ビームをセクタスキャンすることによりティース肩部（３２ａ）のクラック（３２ｂ）の発生の有無を検査する。

Description

本願は、回転電機のロータを構成するティースの肩部に発生する応力により生じるクラックの発生の有無を、超音波を用いて検査するロータティースクラック検査方法に関するものである。

回転電機として、例えばタービン発電機のロータは、電機子鉄心の周方向に沿って複数のスロットが径方向に向けて放射状に形成されるとともに、各々のスロットの間にティースが形成され、磁界を発生するための界磁コイルが各ティースに巻き付けられた状態でスロット内に収納される。

このように、界磁コイルは、上記スロット内に積層配置されるが、ロータの回転による遠心力でスロットから外に飛び出さないように、ティースの肩部に形成された溝には楔状のウエッジが挿入されている。このように、ウエッジは、界磁コイルをスロット内へ保持するものであるから、ティースの肩部はウエッジを介して界磁コイルの遠心力を直接的に受けることになる。

一方、ロータのコイルエンドでは、電機子鉄心から外部に飛び出している界磁コイルを固定するために、リテーニングリングを焼嵌めするなどして嵌合されており、ティースの肩部はリテーニングリングによっても常に応力を受けている。

したがって、ティースの肩部は上述のような大きな応力によりクラックが発生する可能性があり、定期的にクラック発生の有無を点検する必要がある。この点検に際して、従来は、リテーニングリングが焼嵌めされているため、ロータをステータから抜き取った後、焼嵌めされているリテーニングリングを取り外すとともに、ウエッジを抜き取り、その後、ロータティース肩部に溶剤を塗って浸透探傷試験により、クラックの大きさまたは方向を検査していた。

このように、従来、ティースの肩部のクラックの発生の有無を検査する浸透探傷試験は、ロータをステータから引き抜く引抜き工程、焼嵌めされたリテーニングリングをロータ端部から取り外すリテーニングリング取外し工程、ティース肩部の溝からウエッジを抜き取るウエッジ引抜工程を行った後、クラック発生と推定される部分に溶剤を塗って浸透探傷試験を行っている。そのため、定期点検に合わせてロータをステータから抜くような大掛かりな作業を行わざるを得ず、しかも、その他の工程作業も要するので、浸透探傷試験に多大な労力と時間を要していた。

このような、ティース肩部のクラックの発生の有無を検査する浸透探傷試験を簡便化するために、従来技術では、送波用と受波用の一対の超音波探触子を用い、両超音波探触子をロータの外周部に設置し、一方の超音波探触子から超音波を送波し、クラックから反射した超音波を他方の超音波探触子で受波することで、クラック発生の有無を検査する方法が提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開昭６２−２９１５６０号公報

しかし、従来のように送波用と受波用の一対の超音波探触子を用いる場合には、超音波の送受波時間または効率を考慮して送波用と受波用の一対の超音波探触子の一方、あるいは双方をそれぞれ最適な位置に設置されるように、位置をずらせた上で少なくとも２回にわたってクラック発生の有無を検査する必要があり、位置設置のために時間がかかり、探傷試験を短時間に効率良く実施することが難しい。逆に、送波用と受波用の一対の超音波探触子がそれぞれ最適な位置に設置されていないと、クラックの検出精度が悪くなるという問題がある。

さらに、従来技術として、多数の圧電素子をアレイ状に配置した構成のフェーズドアレイ探触子を用い、制御部からの指令により、複数の圧電素子からなるグループを所定の時間差で動作させることにより、送受波される超音波ビームの角度または焦点距離を制御することでクラック発生の有無を検査するフェーズドアレイ探傷技術も知られている。

しかし、このようなフェーズドアレイ探触子を用いてティース肩部のクラックの発生の有無を検査する場合においても、ティース肩部からクラックが進展して行く方向が予め高い確率で推定できていないと、クラックの検出精度が依然として悪くなるという問題がある。

すなわち、クラックの発生方向と直交する方向に対して超音波ビームを送受波するのが送受波効率が一番良く、したがってクラックの検出精度も高くなるが、このような最適位置にフェーズドアレイ探触子が設置されていないと超音波ビームの送受波効率が悪く、クラックの検出精度が劣化する。また、フェーズドアレイ探触子を上記のような最適な位置に設置するには、従来ではその最適位置の探索に時間がかかり、特許文献１に記載の場合と同様に、探傷試験を短時間に効率良く実施することが難しい。

本願は上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、界磁コイルを固定するために嵌合されているリテーニングリング上からティース肩部のクラック発生の有無を短時間の内に、容易かつ確実に検査することができるロータティースクラック検査方法を提供することを目的とする。

本願に開示されるロータティースクラック検査方法は、ステータの内部にロータが回転自在に設けられ、上記ロータは、電機子鉄心の周方向に沿って複数のスロットが径方向に向けて放射状に形成されるとともに、各々の上記スロットの間にティースが形成され、各々の上記ティースには磁界発生用の界磁コイルが巻き付けられた状態で上記スロットに収納されるとともに、上記ティースの外周側の端部には上記界磁コイルのコイルエンドの固定用のリテーニングリングが嵌合されている構成の回転電機に対して、上記ティースの肩部に発生するクラックの有無を検査するロータティースクラック方法であって、
上記ティースの径方向とティース肩部を横切って直交する基準線に対するクラックの発生角度をαとしたとき、この発生角度αに直交すると推定される方向の上記リテーニングリングの外周面の位置にフェーズドアレイ探触子を予め設置し、上記フェーズドアレイ探触子から発射される超音波ビームをセクタスキャンすることにより、上記クラックの発生の有無を検査するものである。

本願に開示されるロータティースクラック検査方法によれば、超音波の送受波効率が一番良く、したがってクラックの検出精度も高くなるリテーニングリングの外周面の最適な位置を予め特定し、その最適な位置にフェーズドアレイ探触子を設置した上で、フェーズドアレイ探触子から発射される超音波ビームをセクタスキャンするので、探触子のリテーニングリング上の最適な設置位置を探索する手間を省くことができ、かつ、超音波ビームの送受波効率も高いので、リテーニングリングの上から、ティース肩部のクラック発生の有無を短時間の内に、容易かつ確実に検査することができる。

実施の形態１のロータティースクラック検査方法の適用対象となるタービン発電機の概略構成を示す平面図である。図１のＸ−Ｘ線に沿う部分断面図である。実施の形態１の検査方法を適用する場合に使用されるフェーズドアレイ探触子を備えた超音波探傷装置の概略システムを示す構成図である。図３に示した超音波探傷装置を用いてティース肩部のクラック発生の有無を検査した結果の表示画面の一例を示す説明図である。

実施の形態１．
図１は本願の実施の形態１のロータティースクラック検査方法が適用される対象となるタービン発電機の概略構成を示す平面図、図２は図１のＸ−Ｘ線に沿う部分断面図である。

タービン発電機は、フレーム１に支持されたステータ２の内部にロータ３が回転自在に設けられている。ロータ３は、電機子鉄心の周方向に沿って複数のスロット３１が径方向に向けて放射状に形成されるとともに、各々のスロット３１の間にティース３２が形成され、各々のティース３２には図示しない磁界発生用の界磁コイルが巻き付けられた状態でスロット３１内に収納されている。

また、界磁コイルは、上記スロット３１内に積層配置されるが、ロータ３の回転による遠心力でスロット３１から外に飛び出さないように、ティース肩部３２ａに形成された溝には楔状のウエッジ３４が挿入され、さらに、ティース３２の外周側の端部には界磁コイルのコイルエンドの固定用の円筒形のリテーニングリング３５が焼嵌めするなどして嵌合されている。

したがって、ロータ３のティース肩部３２ａには、リテーニングリング３５の焼嵌めなどの嵌合による圧縮応力と、タービン発電機の運転中の界磁コイルの遠心力によるウエッジ３４を介した引っ張り応力とが繰り返し作用し、クラック３２ｂの発生の要因となる。

図３は、実施の形態１の検査方法を適用する場合に使用されるフェーズドアレイ探触子を備えた超音波探傷装置の概略システムを示す構成図である。

ここに、フェーズドアレイ探触子４は、超音波を送受波する多数の圧電素子をアレイ状に配列した構成を有する送受波部４１を備える。そして、送受波部４１は、後述の制御部５２からの指令により、複数の圧電素子からなるグループを所定の時間差で動作させることにより、送受波される超音波ビーム７の角度または焦点距離を制御することができる。

超音波探傷装置本体５は、フェーズドアレイ探触子４から照射する超音波ビーム７の周波数、および照射する角度幅等を設定する操作部５１、フェーズドアレイ探触子４の送受波部４１による超音波ビーム７の送受波を制御するとともに、受信した超音波信号に基づいて探傷画像を生成する制御部５２、および探傷画像を表示する表示部５３を有する。また、フェーズドアレイ探触子４と超音波探傷装置本体５とは制御用のケーブル６を介して互いに接続されている。

次に、図３に示した構成の超音波探傷装置を用いてティース肩部のクラック発生の有無を検査する方法について説明する。

本願の発明者は、ロータのティース肩部に実際に発生したクラックの事例について、多数の情報を収集して鋭意検討したところ、クラックは、一定の方向の範囲内に集中して発生することを見出した。すなわち、図２において、ロータ３の中心からティース３２の径方向に沿って伸びる中心線Ａに対して、ティース肩部３２ａを横切って前記中心線Ａと直交する方向の線を基準線Ｂとした場合、クラック３２ｂはこの基準線Ｂから外径方向に４５度〜６０度の一定の角度範囲内で発生していることが分かった。

このように、クラック３２ｂが一定の角度範囲内で発生する理由は、いずれの種類の発電機であっても、ティース肩部３２ａの溝形状はほぼ同一の形状に形成されていること、また、ティース肩部３２ａに加わる大きな応力は、リテーニングリング３５の締付け力と界磁コイルの遠心力とに起因するためと考えられる。

以上説明したように、いずれの種類の発電機であっても、ティース肩部３２ａの溝形状はほぼ同一の形状に形成されているので、ロータ３のティース肩部３２ａに実際に発生するクラック３２ｂは、一定の方向の角度範囲内に集中して発生する。すなわち、図２において、ロータ３の中心から各々のティース３２の径方向に沿って伸びる中心線Ａに対して、ティース肩部３２ａを横切ってこの中心線Ａと直交する線を基準線Ｂとした場合、クラック３２ｂの発生角度αは、この基準線Ｂから外径方向に４５度〜６０度の範囲で発生する。

したがって、クラック３２ｂの発生方向と直交する方向に対して超音波ビーム７を送受波すれば、超音波ビーム７の送受波効率が一番良く、したがってクラック３２ｂの検出精度も高くなる。つまり、クラック３２ｂの発生角度αに対し、超音波ビーム７の照射角度が垂直に近いほど超音波ビーム７の跳ね返りの効率が良くなり、クラック３２ｂを判別し易くなる。

そこで、本実施の形態では、クラック３２ｂの発生角度αに直交すると推定される方向のリテーニングリング３５の外周面の位置にフェーズドアレイ探触子４を予め設置する。このフェーズドアレイ探触子４の設置位置は、具体的にはロータ３の外径、ティース３２の形状、リテーニングリング３５の厚さなどの寸法に基づき、ティース肩部３２ａからリテーニングリング３５の外周面までの距離を考慮して予め決定することができる。

また、この場合でも、実際のクラック３２ｂの発生角度αは一定ではなく、基準線Ｂから外径方向に４５度〜６０度の角度範囲で発生する可能性がある。そこで、クラック３２ｂの検出精度を高めるために、フェーズドアレイ探触子４から発射される超音波ビーム７の方向をある一定の角度範囲で時間的に変化させるセクタスキャンを実施する。具体例として、フェーズドアレイ探触子４から照射する超音波ビーム７の周波数は、２．２５ＭＨＺとした場合に、送波角度はクラック３２ｂの発生部分を目がけて２０度〜７０度の範囲でセクタスキャンする。

これにより、クラック３２ｂの発生角度αが基準線Ｂから一定の角度範囲４５度〜６０度で発生していても、クラック３２ｂの発生角度αと直交する方向から超音波ビーム７を送受波することができるため、従来のように、フェーズドアレイ探触子４をリテーニングリング３５の外周面に沿って移動して最適位置を探索しなくても、同じ定位置において、クラック３２ｂの検出精度を高めることができる。

このように、本実施の形態では、フェーズドアレイ探触子４を予めリテーニングリング３５の外周面上の超音波ビーム７の送受波に最適と考えられる定位置に予め設置した上で、超音波ビーム７をリテーニングリング３５の外周面からクラック３２ｂが発生すると想定される箇所に対してセクタスキャンしてクラック発生の有無を検査することができるので、従来のように、探触子のリテーニングリング３５上の最適な設置位置を探索する手間を省くことができ、かつ、超音波ビーム７の送受波効率も高いので、リテーニングリング３５の上からティース肩部３２ａにおけるクラック発生の有無を短時間の内に、容易かつ確実に検査することができる。

ティース肩部３２ａのクラック発生の有無を検査するために、フェーズドアレイ探触子４を備えた超音波探傷装置を使用する際には、超音波探傷装置本体５の操作部５１を操作して、フェーズドアレイ探触子４により超音波ビーム７の送受波を行う。その際に、操作部５１で超音波ビーム７の周波数、および発信角度を調節し、制御部５２によりフェーズドアレイ探触子４から照射する超音波ビーム７の発信制御を行う。そして、ティース肩部３２ａに生じたクラック３２ｂからの反射波は、送受波部４１で受信され、ケーブル６を介して超音波探傷装置本体５の制御部５２へ送信されて探傷画像を生成し、表示部５３に探傷画像が表示される。このように、本実施の形態では、発電機のロータ３をステータ２に挿入した状態のままでクラック３２ｂの発生の有無が検査可能となり、リテーニングリング３５等の各種部品の分解作業等の手間が省略できる。

図４は超音波探傷装置本体５の表示部５３に表示された探傷画像の一例を示したものである。点線部は、探傷対象となるティース３２の部分を仮想線として示したものである。符号１０と１１で示す２つの反射波形の内、一方の反射波形１０はクラック３２ｂからのものであり、他方の反射波形１１は、クラック３２ｂの発生箇所とは反対側のティース肩部３２ａからのものである。

各々の反射波形１０、１１は、フェーズドアレイ探触子４の送受波部４１が受信した超音波ビーム７の方向および照射から受信するまでの時間により描画される。リテーニングリング３５上に設置されたフェーズドアレイ探触子４からクラック発生の可能性があるティース肩部３２ａの方向と距離は予め判っているので、ティース肩部３２ａの４５度〜６０度の範囲で直角に反射してきた反射波形１０はクラック３２ｂによる波形と判定できる。仮にクラックが発生していなければ、その辺りからは反射波は得られない。

前述のように、クラックが発生する可能性のある発生角度αと直交する方向に対して超音波ビーム７を送受波すべく、フェーズドアレイ探触子４からはクラック発生箇所と推定される位置に向けて所定の角度幅で超音波をセクタスキャンする。したがって、この超音波ビーム７が直角に当たる部分があれば、その反射波を送受波部４１は受信してしまう。それが他の反射波形１１であり、ティース３２の反対側のティース肩部３２ａから得られた反射波形である。しかし、この反射波形１１は本来のクラック３２ｂの発生箇所からのものではないので、クラックとは判定しない。

なお、１個のティース３２に対しては、ティース肩部３２ａが中心線Ａの左右２箇所に存在するので、各々のティース肩部３２ａにクラック３２ｂが発生している可能性がある。したがって、クラック検査に際しては、フェーズドアレイ探触子４からはクラック発生箇所と推定される各々２箇所のティース肩部３２ａの方向に向けてそれぞれ超音波ビームが送受波される。

なお、この実施の形態１では、回転電機として、タービン発電機のロータ３のティース肩部３２ａにクラック３２ｂが発生する場合の検査方法について説明したが、本願は、このような発電機を対象とするものに限らず、例えば電動機のロータのティースにクラックが発生しているかどうかを検査する場合にも本願を適用することが可能である。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１フレーム、２ステータ、３ロータ、３１スロット、３２ティース、３２ａティース肩部、３２ｂクラック、３４ウエッジ、３５リテーニングリング、４フェーズドアレイ探触子、４１送受波部、５超音波探傷装置本体、５１操作部、５２制御部、５３表示部、７超音波ビーム、１０クラックからの反射波形、１１ティース肩部からの反射波形。

本願に開示されるロータティースクラック検査方法は、ステータの内部にロータが回転自在に設けられ、上記ロータは、電機子鉄心の周方向に沿って複数のスロットが径方向に向けて放射状に形成されるとともに、各々の上記スロットの間にティースが形成され、各々の上記ティースには磁界発生用の界磁コイルが巻き付けられた状態で上記スロットに収納されるとともに、上記ティースの外周側の端部には上記界磁コイルのコイルエンドの固定用のリテーニングリングが嵌合されている構成の回転電機に対して、上記ティースの肩部に発生するクラックの有無を検査するロータティースクラック検査方法であって、
上記ティースの肩部の２箇所に生じると推定されるクラックにつき、上記ロータの中心から上記ティースの径方向に沿って伸びる中心線に対して、上記ティースの肩部を横切って直交する方向の線を基準線とした場合、上記基準線から外径方向に向けて生じるクラックの発生角度をそれぞれαとしたとき、各々の発生角度αを上記基準線から外径方向に４５度から６０度の範囲に設定し、上記ティースの肩部から上記リテーニングリングの外周面までの距離に基づいて決まる上記発生角度αに直交すると推定される方向の上記リテーニングリングの外周面の位置にフェーズドアレイ探触子を予め設置し、上記フェーズドアレイ探触子から発射される超音波ビームを２０度から７０度の範囲でセクタスキャンすることにより、上記クラックの発生の有無を検査するものである。

Claims

ステータの内部にロータが回転自在に設けられ、上記ロータは、電機子鉄心の周方向に沿って複数のスロットが径方向に向けて放射状に形成されるとともに、各々の上記スロットの間にティースが形成され、各々の上記ティースには磁界発生用の界磁コイルが巻き付けられた状態で上記スロットに収納されるとともに、上記ティースの外周側の端部には上記界磁コイルのコイルエンドの固定用のリテーニングリングが嵌合されている構成の回転電機に対して、上記ティースの肩部に発生するクラックの有無を検査するロータティースクラック検査方法であって、
上記ティースの径方向とティース肩部を横切って直交する基準線に対するクラックの発生角度をαとしたとき、この発生角度αに直交すると推定される方向の上記リテーニングリングの外周面の位置にフェーズドアレイ探触子を予め設置し、上記フェーズドアレイ探触子から発射される超音波ビームをセクタスキャンすることにより、上記クラックの発生の有無を検査するロータティースクラック検査方法。
上記ロータを上記ステータから抜き出さずに、上記ロータが上記ステータの内部に嵌装されたままの状態で上記クラックの発生の有無を検査する請求項１に記載のロータティースクラック検査方法。