(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン動翼とタービンロータのロータディスクとをピン結合するピン結合部の加工方法であって、
前記ピン結合部のピン穴加工は、ドリル加工で貫通穴を形成する工程、前記貫通穴をリーマ加工する工程、前記リーマ加工後にリーマ棒を回転させながらリーマ加工した穴から前記リーマ棒を抜取る工程を有することを特徴とするタービン動翼とタービンロータのピン結合部の加工方法。
【請求項２】
請求項１において、前記リーマ棒抜取り時に生じるスジ疵のアスペクト比a/h（a：疵の深さ、h：疵の幅）、許容応力集中係数Kt、リーマ棒半径r(mm)として、リーマ棒回転速度f(rpm)と抜取り速度v(mm/min)を、（数１）の条件を満たすように前記リーマ棒を抜取ることを特徴とするタービン動翼とタービンロータのピン結合部の加工方法。
【数１】
0005538468.tif 000011
【請求項３】
請求項２において、前記スジ疵のアスペクト比a/hを0.1、前記許容応力集中係数Ktを1.2として、前記リーマ棒回転速度f(rpm)と前記抜取り速度v(mm/min)を、（数２）の条件で抜取ることを特徴とするタービン動翼とタービンロータのピン結合部の加工方法。
【数２】
0005538468.tif 000012
【請求項４】
請求項１において、前記リーマ棒抜取り後にピン穴内面を観察し、ピン穴内面に形成されたスジ疵とピン穴軸方向とのなす角θが予め定められた角度以上であることを確認するタービン動翼とタービンロータのピン結合部の加工方法。
【請求項５】
請求項２において、前記リーマ棒抜取り後にピン穴内面を観察し、ピン穴内面に形成されたスジ疵とピン穴軸方向とのなす角θが（数３）を満たすか確認することを特徴とするタービン動翼とタービンロータのピン結合部の加工方法。
【数３】
0005538468.tif 000013
【請求項６】
請求項４又は５において、前記ピン穴内面の観察は、マイクロスコープを用いて行うことを特徴とするタービン動翼とタービンロータのピン結合部の加工方法。
【請求項７】
請求項４又は５において、前記ピン穴内面の観察領域を、タービン回転時に前記ピン穴内面に沿って繰返し大きな引張荷重がかかる予め定めた領域に限定して行うことを特徴とするタービン動翼とタービンロータのピン結合部の加工方法。
【請求項８】
請求項７において、前記観察領域が、前記タービンロータの中心側である前記ピン穴内面の底部を0°として、50°から130°の範囲であることを特徴とするタービン動翼とタービンロータのピン結合部の加工方法。
【請求項９】
タービンロータのロータディスクに対してピン結合により固定されるタービン動翼であって、
前記タービン動翼に形成されたピン穴内面のスジ疵が、ピン穴軸方向に対して傾斜していることを特徴とするタービン動翼。
【請求項１０】
請求項９において、前記ピン穴内面のスジ疵のアスペクト比a/h（a：疵の深さ、h：疵の幅）、許容応力集中係数Ktとして、前記スジ疵の前記ピン穴軸方向に対する角度θが（数４）を満足することを特徴とするタービン動翼。
【数４】
0005538468.tif 000014
【請求項１１】
請求項１０において、前記スジ疵のアスペクト比a/hを0.1、許容応力集中係数Ktを1.2として、スジ疵のピン穴軸方向に対する角度θを６０°以上にしたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項１２】
低圧タービンの最終段動翼に用いられるタービン動翼であって、前記タービン動翼は高強度材で形成され、タービンロータのロータディスクに形成されたロータフォークとピン結合する翼フォーク部を有し、前記翼フォーク部に形成されたピン穴内面のスジ疵が、ピン穴軸方向に対して傾斜していることを特徴とするタービン動翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン動翼とタービンロータのピン結合部の加工方法及びタービン動翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電用蒸気タービンは、タービンロータと呼ばれる回転軸に動翼が結合されており、蒸気の力を動翼で受けて、タービンロータを回転させ、電力を発生させている。タービンロータ回転時には、動翼に遠心力が生じるが、タービンロータとの結合部で遠心力を支持する。結合方式としては、フォーク−ピン結合方式，鞍型結合方式，アキシャルエントリー結合方式などがある。このうち、フォーク−ピン結合方式は、動翼とタービンロータの結合部がそれぞれフォーク状になっており、両者のフォークをかみ合わせて、噛合せ部分を貫通する結合ピンを挿入し、両者を結合するものである。タービンロータ回転時には、動翼の遠心力を結合ピンで支持するので、ピン穴内面の周方向に高い応力が発生し、疲労損傷リスクが高い。したがって、損傷リスクを低減させるために、ピン穴の加工精度，表面仕上げに特に留意する必要がある。
【０００３】
結合部のピン穴加工は、タービンロータと動翼のフォークをかみ合わせた状態で、ドリル穴加工で貫通穴を形成させたあと、嵌合精度と表面粗さを目標値に仕上げるために、リーマ加工を実施する。ドリル穴加工で貫通穴を形成させたあと、リーマ加工を実施するピン穴加工法としては、例えば、特許文献１に記載のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−２２２５０３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Walter D. Pilkey著、「Peterson's Stress Concentration Factors」、（米国）、第２版、Wiley-Interscience、１９９７年４月１８日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
火力発電プラントでは、動翼の大型化（長翼化）を意図して、高強度材料を用いる場合がある。この場合、材料の切欠き感受性が高いため、表面凹凸を低く抑えるよう表面仕上げに特段の配慮が要求される。
【０００７】
リーマ加工による表面仕上げにおいて、リーマ加工中の切屑が刃先に付着すると、構成刃先となって表面仕上げに悪影響を及ぼすため、加工中はエアや切削油を絶えず切削部に流し、切屑をピン穴から排出するようにしている。
【０００８】
しかし、微細な切屑が排出しきれずに刃先に残り、リーマ加工後のリーマ棒引抜き時に微小なスジ疵をピン穴内面に生じさせることがある。本発明者等の検討によれば、高強度材料については、リーマ加工後のリーマ棒抜取り時に生じる微小なスジ疵についても、疲労に悪影響を及ぼす可能性があることを見出した。
【０００９】
従来の動翼のピン穴加工方法においては、特許文献１も含めて、微細な切屑に起因するリーマ棒抜取り時のスジ疵の発生については考慮されていない。従来の動翼のピン穴加工方法をそのまま、切欠き感受性の高い高強度材を翼材料に用いた場合、スジ疵に起因する悪影響を排除できない。
【００１０】
本発明は、高強度材を用いたフォーク−ピン結合方式の動翼であっても、高い強度信頼性を有するピン結合部の加工方法とタービン動翼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、動翼とロータディスクとをピン結合するピン結合部の加工方法において、ピン穴のリーマ加工後にリーマ棒を回転させながら加工穴からリーマ棒を抜取ることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のタービン動翼は、ロータディスクとピン結合するピン結合部におけるピン穴内面のスジ疵が、ピン穴軸方向に対して傾斜するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ピン穴内面のスジ疵の方向とピン穴内面に発生する引張応力の方向とが平行に近くなるため、スジ疵による疲労強度低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】タービン動翼結合部の構造図。
【図２】リーマ加工機械の概略図。
【図３】リーマ棒の概略図。
【図４】従来のピン穴内面の概略図。
【図５】本発明の実施例のピン穴内面の概略図。
【図６】高強度材料の応力範囲と疲労寿命との関係を示すグラフ。
【図７】応力集中係数Ｋｔとスジ疵の傾きθとの関係を示すグラフ。
【図８】スジ疵の傾きθと回転方向の移動量と抜取り方向の移動量の関係を示す図。
【図９】マイクロスコープの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
図１はタービン動翼結合部の構造図である。タービン動翼結合部は、タービン動翼２とタービンロータ３が組合された構造である。タービン動翼２は、蒸気流を受けてタービンの回転エネルギーに変換させる翼部４と、翼フォーク５とから構成される。また、タービンロータ３は、タービン回転シャフト１０と、その外周に設けられたロータディスク６とから構成され、ロータディスク６にはロータフォーク７が形成されている。
【００１７】
タービン動翼側の翼フォーク５とタービンロータ側のロータフォーク７は互い違いに咬み合わさるように配置される。また、翼フォーク５とロータフォーク７には、両者を回転軸方向に貫通するピン穴８が形成されている。そして、ピン穴８を埋めるように結合ピン９が差し込まれ、タービンロータ３にタービン動翼２が固定される。
【００１８】
タービン回転時には、タービン動翼２に径方向（図中で上方向）の遠心力が作用し、結合ピン９にて遠心力を支持し、タービン動翼２の連結状態を保持する。タービンロータ３の回転時には、タービン動翼２の遠心力を結合ピン９で支持するので、ピン穴８内面の周方向に高い引張応力が発生し、疲労損傷リスクが高い。したがって、損傷リスクを低減させるために、ピン穴８の加工精度、表面仕上げに特に留意する必要がある。
【００１９】
タービン動翼は、長翼化に対応するために高強度材料で形成されている。高強度材料としてはTi合金が用いられている。高強度材料としてはその他に高強度鋼（引張強度１３００MPa以上）が用いられる。上述したように、高強度材料は、切欠き感受性が高いため、表面仕上げに特段の配慮が要求される。
【００２０】
タービン動翼結合部のピン穴加工は、タービンロータ３とタービン動翼２のフォークをかみ合わせた状態で、ドリル穴加工で貫通穴を形成させたあと、嵌合精度と表面粗さを目標値に仕上げるために、リーマ加工を実施する。
【００２１】
図２はリーマ加工機械の概略図である。リーマ加工機械２０は、タービン動翼結合部のタービンフォーク５及びロータフォーク７のピン穴仕上げをするリーマ棒２１、リーマ棒２１を駆動部に固定するチャック部２２、駆動部を内蔵し、回転軸方向に駆動するアーム２７、アーム２７が取付けられた架台２８、加工中にリーマ棒２１に付着した切屑を外部に吹飛ばすためのエアブロー２３で構成される。
【００２２】
リーマ加工中の切屑がリーマ棒２１の刃先に付着すると、構成刃先となって表面仕上げに悪影響を及ぼすため、加工中はエアブロー２３から絶えず切削部に空気を噴射し、切屑１１をピン穴８から排出するようにしている。しかし、図３のように微細な切屑１２が排出しきれずにリーマ棒２１の刃先に残り、リーマ加工後にリーマ棒２１を引抜いた時に微小なスジ疵をピン穴内面に生じさせることがある。
【００２３】
図４は、リーマ加工後にリーマ棒２１を回転させずに抜き取った時（従来例）のピン穴８の内面の拡大図である。微細な切屑１２の軌跡に対応してピン穴軸方向に平行に切屑によるスジ疵１３が形成されている。タービンロータ３の回転時には、ピン穴８内面の周方向に高い応力が発生し、切屑によるスジ疵１３の底部１４が応力集中箇所となる。したがって、スジ疵の底部１４に沿って、疲労き裂が発生・進展するリスクが考えられる。
【００２４】
スジ疵の深さａは、最大でも１０μｍ程度である。原子力発電プラントの蒸気タービン等で用いられているタービン翼材は、引張強度９００MPa未満の鋼材であるため、この程度の深さのスジ疵であれば、疲労強度に悪影響を及ぼすことはない。しかし、火力発電プラントでは、動翼の大型化を意図して、より高強度な材料をタービン翼材として用いる場合がある。上述したように、本実施例では、長翼化に対応するためにタービン動翼は高強度材料で形成されている。高強度材料は、材料の切欠き感受性が高いため、微細な切屑１２による深さ１０μｍ程度の切屑によるスジ疵１３についても、疲労に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００２５】
図５は、本発明の実施例である、所定条件でリーマ棒を回転させながら抜き取った場合のピン穴８の内面の拡大図である。この場合、微細な切屑１２の軌跡は、らせん状となり、ピン穴軸方向に対して角度θ傾いた切屑によるスジ疵１５が形成される。このようにスジ疵をピン穴軸方向に対して傾けることにより、スジ疵の底部１６の応力集中の度合いすなわち応力集中係数Ｋｔ（＝スジ疵底部の応力／スジ疵が無い場合の応力）を低減することができる。これを以下に詳細に説明する。スジ疵による応力増大効果については、例えば、非特許文献１などから簡易的に計算することができる。
【００２６】
先ず、図４を参照して、従来例のリーマ加工後にリーマ棒を回転させずに抜き取った時にピン穴の内面にピン穴軸方向に平行にスジ疵が形成されている場合について説明する。切屑によるスジ疵１３の応力方向の断面形状は、深さａ、幅ｈの半楕円形状に近似できる。非特許文献１によれば、この場合の応力集中係数Ｋｔは、式（１）で表される。
【００２７】
【数１】
0005538468.tif 000002
【００２８】
切屑によるスジ疵１３の深さと幅の比a／ｈは、０．１程度であることから、
【００２９】
【数２】
0005538468.tif 000003
【００３０】
となる。切屑によるスジ疵１３の底部１４には、スジ疵が無い場合に対して１.４倍程度の応力がかかることになる。
【００３１】
次に、図５を参照して、本発明の実施例の場合について説明する。切屑によるスジ疵１５の応力方向の断面形状は、深さａ、幅ｈ／cosθの半楕円形状に近似できる。（１）式のｈの代わりにｈ／cosθを用いれば、本実施例の場合の応力集中係数Ｋｔは、式（３）で表される。
【００３２】
【数３】
0005538468.tif 000004
【００３３】
切屑によるスジ疵１５も、ａ／ｈは０.１程度であり、スジ疵の傾きθを６０°とした場合、
【００３４】
【数４】
0005538468.tif 000005
【００３５】
となる。以上より、リーマ棒を回転させながら抜き取りスジ疵の傾きθを６０°とした場合（本実施例）、リーマ棒を回転させずに抜き取りピン穴軸方向に平行にスジ疵が形成されている場合（従来例）に対して、応力集中係数Ｋｔを１.４から１.２に低減し、スジ疵底部の応力を１４％低減（１−１.２／１.４≒０.１４）することが可能となる。
【００３６】
図６は、タービン翼材に高強度材料を用いた場合の、応力範囲と疲労寿命との関係を一例として示したものである。従来例のスジ疵の底部１４に発生する応力範囲（起動−停止間の応力の変動範囲）が１５００ＭＰａ、疲労寿命が５０００回であった場合、本発明の実施例により応力を１４％低減できれば、疲労寿命が約３倍（１５７００回）となる効果がある。
【００３７】
一般に、疲労き裂は応力方向に対して垂直方向に進展するが、従来例の場合、き裂の進展経路上もスジ疵の底部１４となり応力が高いのに対し、本実施例の場合、き裂進展により、切屑によるスジ疵１５の領域外にき裂が進んでいくため、き裂進展中のき裂先端の応力は従来例よりも小さくなる。これも、疲労寿命を長くさせる効果に加えることができる。
【００３８】
図７は式（３）でａ／ｈ＝０．１とした場合の、応力集中係数Ｋｔとスジ疵の傾きθとの関係を示したものである。切屑によるスジ疵１５の傾きが浅いと十分なＫｔの低減効果が得られないことがわかる。但し、ピン結合部におけるピン穴内面のスジ疵がピン穴軸方向に対して傾斜するようにすれば、従来と比べて、ピン穴内面のスジ疵の方向とピン穴内面に発生する引張応力の方向とが平行に近くなるため、スジ疵による疲労強度低下を抑えることができるという効果は得られる。なお、ピン結合部におけるピン穴内面のスジ疵がピン穴軸方向に対して傾斜するとは、製造誤差などを含まないという観点から少なくとも１０°程度傾斜していることを意味するものとする。
【００３９】
本実施例では、スジ疵の傾きθを６０°にしているので、ピン穴内面のスジ疵の方向とピン穴内面に発生する引張応力の方向とが十分平行に近くなるため、スジ疵による疲労強度低下を効果的に抑えることができる。そして、図７から分かるように、θ≧６０°とすれば、１４％以上の応力低減効果が得られる。
【００４０】
より一般的には、状況に応じて目標とするＫｔを定め、目標Ｋｔに対応したθ以上となるようにする。これは式（３）から、式（５）で表される。
【００４１】
【数５】
0005538468.tif 000006
【００４２】
以上より、式（５）から目標とするＫｔに対して適切なスジ疵１５の傾きθを得ることが可能となる。
【００４３】
式（５）を満足させるためは、リーマ棒２１の抜取り条件を適切に設定すればよい。リーマ棒２１の半径をｒ（ｍｍ）、抜取り時の回転速度をｆ（ｒｐｍ）、抜取り速度をｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）とすると、図８に示すスジ疵の傾きθと１分間に進む回転方向の移動量と抜取り方向の移動量の関係から、式（６）が成り立つ。
【００４４】
【数６】
0005538468.tif 000007
【００４５】
式（３）、（５）、（６）より、目標Ｋｔ以下に抑えるために必要な、リーマ棒２１の抜取り条件は式（７）で表される。
【００４６】
【数７】
0005538468.tif 000008
【００４７】
ａ／ｈ＝０.１、目標Ｋｔ＝１.２の場合、式（７）は、以下のようになる。
【００４８】
【数８】
0005538468.tif 000009
【００４９】
さらに、リーマ棒２１の半径ｒ＝６ｍｍの場合、抜取り時の回転速度ｆと抜取り速度ｖは、式（９）を満足させればよい。
【００５０】
【数９】
0005538468.tif 000010
【００５１】
以上より、式（７）、（８）、（９）を満たす条件でリーマ棒２１を抜き取ることにより、スジ疵におけるＫｔを目標以下に抑えることが可能となる。したがって、本実施例によれば、切欠き感受性の高い高強度材料を翼材としたフォーク−ピン結合方式についても、高い強度信頼性を得ることが可能となる。
【００５２】
なお、ドリルで穿孔する際に、バリ取りのために、例えば、穿孔用のドリルとは別のドリルを設けて、ドリルを回転させながらドリルを抜き取るようにすることがあるが、リーマ加工では、その加工の性質上、目立ったバリは発生しないため、ドリル加工のように回転させながらリーマ棒を抜き取るようなことはなされていない。
【００５３】
次に、ピン穴内面に形成されるスジ疵の検査について説明する。図９はリーマ加工後のピン穴８内部を検査するマイクロスコープの概略図である。
【００５４】
本実施例では、リーマ棒抜取り後にピン穴内面を観察し、ピン穴内面に形成されたスジ疵とピン穴軸方向とのなす角θが予め定められた角度以上であることを確認するようにしている。
【００５５】
マイクロスコープ４０は、棒状のスコープ本体４１と画像処理・表示装置４５とで構成される。スコープ本体４１は、先端にカメラ４２を２つ備え、それぞれのカメラ４２の近傍に内面撮影時の光源となるライト４３を備えている。さらに、カメラ４２の前後にゴムタイヤ４４を備えている。ピン穴８検査時には、スコープ本体４１をピン穴８に挿入していき、カメラ４２によって内面の画像を撮影し、画像処理・表示装置４５で、内面の様子が映し出される。
【００５６】
カメラは、ピン穴８のロータ中心側を０°として両側５０°〜１３０°の範囲を撮影できる。この範囲は、タービン回転時にピン穴８内面に沿って繰返し大きな引張荷重がかかり、周方向の凹凸を抑えることが望まれる領域をカバーしている。したがって一度スコープ本体４１をピン穴８に通すだけで、必要領域の観察を完了することが出来る。
【００５７】
ゴムタイヤ４４により、カメラ４２とピン穴８内面とは一定の距離を維持して撮影でき、さらにゴム製であるので、ピン穴８内面を傷つけることなく、スムーズにスコープ本体を出し入れすることが出来る。
【００５８】
以上より、マイクロスコープ４０を用いて、スコープ本体４１の一回の挿入で、ピン穴８を傷つけることなく迅速に内面を観察することが可能となる。そして、本実施例でリーマ棒を抜き取った後に、疲労に悪影響を及ぼすおそれのあるスジ疵が、存在していないことを確認することが可能となる。即ち、ピン穴内面に形成されたスジ疵とピン穴軸方向とのなす角θが予め定められた角度未満の場合（例えば、上述の（５）式で目標の応力集中係数Ｋｔを満たさないθ）、疲労に悪影響を及ぼすおそれのあるスジ疵とし、そのようなスジ疵が存在していないか確認する。疲労に悪影響を及ぼすおそれのあるスジ疵が確認された場合には、例えば、研磨を行いスジ疵の修復を行うようにする。
【符号の説明】
【００５９】
２…タービン動翼、３…タービンロータ、４…翼部、５…翼フォーク、６…ロータディスク、７…ロータフォーク、８…ピン穴、９…結合ピン、１０…タービン回転シャフト、１１…切屑、１２…微細な切屑、１３…切屑によるスジ疵、１４…スジ疵の底部、１５…切屑によるスジ疵、１６…スジ疵の底部、２０…リーマ加工機械、２１…リーマ棒、２２…チャック部、２３…エアブロー、２７…アーム、２８…架台、４０…マイクロスコープ、４１…スコープ本体、４２…カメラ、４３…ライト、４４…ゴムタイヤ。
【図１】
0005538468.tif 000015
【図２】
0005538468.tif 000016
【図３】
0005538468.tif 000017
【図４】
0005538468.tif 000018
【図５】
0005538468.tif 000019
【図６】
0005538468.tif 000020
【図７】
0005538468.tif 000021
【図８】
0005538468.tif 000022
【図９】
0005538468.tif 000023