(57)【要約】【課題】同一のセンサで複数の動翼を順次検査するに際し動翼の形状公差がある場合に検査箇所で発生した反射波の識別精度を向上した信頼性の高いＵＴを実行する。【解決手段】タービンホイールにピンで締結するフォーク型の翼植込部７、翼植込部のタービン径方向の外側に位置する翼取付部８、翼取付部からタービン径方向に延びる翼部９を備えたタービン動翼を対象とし、翼植込部の探傷のためにタービンホイールに締結された状態のタービン動翼の翼部に超音波センサ１を設置するための治具２０であって、タービン動翼の翼取付部に設置するベース２１と、超音波センサを保持するセンサ保持部２２と、センサ保持部とベースとを連結するアーム２３を備え、センサ保持部が、タービン径方向に延びるＺ軸を中心とする回転が不能であると共に、２軸以下の回転自由度を有しているものを提供する。【選択図】  図９
2019049441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンホイールにピンで締結するフォーク型の翼植込部、前記翼植込部のタービン径方向の外側に位置する翼取付部、前記翼取付部からタービン径方向に延びる翼部を備えたタービン動翼を対象とし、前記翼植込部の探傷のために前記タービンホイールに締結された状態の前記タービン動翼の前記翼部に超音波センサを設置するための治具であって、
前記タービン動翼の前記翼取付部に設置するベースと、
前記超音波センサを保持するセンサ保持部と、
前記センサ保持部と前記ベースとを連結するアームを備え、
前記センサ保持部が、タービン径方向に延びるＺ軸を中心とする回転が不能であると共に、２軸以下の回転自由度を有していることを特徴とする超音波センサ設置用治具。
【請求項２】
請求項１の超音波センサ設置用治具において、前記センサ保持部が、タービン軸方向に沿って延びるＸ軸を中心として回転する第１回転部材、及びタービン周方向に沿って延びるＹ軸を中心として回転する第２回転部材を有する２軸の回転ジョイントを備えていることを特徴とする超音波センサ設置用治具。
【請求項３】
請求項１の超音波センサ設置用治具において、前記センサ保持部は、前記超音波センサを回転可能に保持する内郭と、前記内郭を回転可能に保持すると共に前記アームに固定された外郭を備えた二重構造であることを特徴とする超音波センサ設置用治具。
【請求項４】
請求項１の超音波センサ設置用治具において、前記ベースは、前記タービン動翼の前記翼取付部に対する位置定量機構又は位置決め機構の少なくとも一方を備えていることを特徴とする超音波センサ設置用治具。
【請求項５】
請求項１の超音波センサ設置用治具と、
前記超音波センサ設置用治具によって前記タービン動翼に設置された超音波センサと、
前記超音波センサを制御する制御装置を備えた超音波探傷システム。
【請求項６】
請求項５の超音波探傷システムを用い、
超音波探傷条件を前記制御装置に入力するステップと、
前記超音波センサを装着した請求項１の超音波センサ設置用治具を前記タービン動翼の翼取付部に設置するステップと、
超音波探傷を実施するステップと、
検査箇所に超音波を送信しているセクタ面の特定又はセンサ設置角誤差が許容範囲内にあるかの評価の少なくとも一方を前記制御装置で実行するステップを行うことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項７】
請求項６の超音波探傷方法において、前記検査箇所に超音波を送信しているセクタ面の特定は、タービン軸方向に延びる座標軸をＸ軸、タービン周方向に延びる座標軸をＹ軸として、Ｘ−Ｚ面に投影されるセクタ面の角度を順次変更して３次元的に超音波を走査する複数のセクタ走査を含むあおり走査の探傷結果から、前記翼植込部における隣接する２つのフォークの間の空間のタービン径方向の外側の端部であるフォーク間上端の形状エコーが検出されるセクタ面を基準として行うことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項８】
請求項６の超音波探傷方法において、センサ設置角誤差が許容範囲内にあるかの評価は、複数のセクタ走査を含むあおり走査の探傷結果から、前記翼植込部における隣接する２つのフォークの間の空間のタービン径方向の外側の端部であるフォーク間上端の形状エコーが検出されるセクタ面の数を基準にして行うことを特徴とする超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォーク型タービン動翼の翼植込部についてアレイセンサを用いて信頼性の高い超音波探傷（以下、超音波探傷をＵＴと称する）を実施するための超音波センサ設置用治具、超音波探傷システム及び超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電設備や原子力発電設備のタービンの動翼（以下、タービン動翼を動翼と称する）には、ロータシャフトに設けられた円盤型のディスクにフォーク型に形成された基端部を挿入し、ディスクに対してピンで締結されるものがある。この種の動翼は、ピン孔の周囲に高応力がかかる。全ての動翼をロータから外して高応力箇所を検査する場合、多数の動翼を取り外す作業や組み付ける作業に多大な労力を要し長時間を要するため、ディスクにピンで締結されたままの状態でタービン翼の高応力箇所を検査することが望まれる。
【０００３】
そこで、ディスクに締結した状態の動翼に弾性媒質を密着させ、弾性媒質を介してＵＴセンサ（以下、ＵＴセンサをセンサと称する）により動翼の締結部（ピン孔）に対して超音波を送受信して検査画像を得るものがある（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１０８５２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ディスクに動翼を締結したまま検査をする場合、１つのタービン動翼の検査を終えると別の動翼（例えば隣の動翼）にセンサを設置し直す必要がある。各動翼は完全に同一形状であるとは限らず翼形状には公差があり、各ＵＴにおいて動翼とセンサとの位置関係にバラつきが生じ得る。
【０００６】
特許文献１に記載された検査装置では動翼の形状公差に応じて弾性媒質を変形させてセンサの姿勢を調整できる。しかし、弾性媒質の変形に伴いセンサの姿勢は任意に変化するため、センサの設置位置や設置角を動翼毎に変化し、検査箇所で発生した反射波の識別が難しくなる場合がある。
【０００７】
本発明の目的は、同一のセンサで複数の動翼を順次検査するに際し、動翼の形状公差によってセンサの姿勢が変化しても検査箇所で発生した反射波を識別し、信頼性の高いＵＴを実行できる超音波センサ設置用治具、超音波探傷システム及び超音波探傷方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、タービンホイールにピンで締結するフォーク型の翼植込部、前記翼植込部のタービン径方向の外側に位置する翼取付部、前記翼取付部からタービン径方向に延びる翼部を備えたタービン動翼を対象とし、前記翼植込部の探傷のために前記タービンホイールに締結された状態の前記タービン動翼の前記翼部に超音波センサを設置するための治具であって、前記タービン動翼の前記翼取付部に設置するベースと、前記超音波センサを保持するセンサ保持部と、前記センサ保持部と前記ベースとを連結するアームを備え、前記センサ保持部が、タービン径方向に延びるＺ軸を中心とする回転が不能であると共に、２軸以下の回転自由度を有している超音波センサ設置用治具を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、同一のセンサで形状公差のある複数の動翼を順次検査するに際し、検査箇所で発生した反射波の識別精度を向上した信頼性の高いＵＴを実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】検査対象とするフォーク型タービン動翼植込部の構造に関する説明図
【図２】フォークの超音波探傷方法に関する説明図
【図３】タービン動翼の翼形状公差の超音波探傷への影響に関する説明図
【図４Ａ】本発明の第１実施形態に係る超音波センサ設置用治具の全体構成を表す上面図
【図４Ｂ】本発明の第１実施形態に係る超音波センサ設置用治具の全体構成を表す正面図
【図４Ｃ】本発明の第１実施形態に係る超音波センサ設置用治具の全体構成を表す側面図
【図５Ａ】本発明の第１実施形態に係る超音波センサ設置用治具に備えられたセンサ保持部の正面図
【図５Ｂ】本発明の第１実施形態に係る超音波センサ設置用治具に備えられたセンサ保持部の側面図
【図６】本発明の第１実施形態に係る超音波センサ設置用治具に備えられた回転ジョイントの正面図
【図７Ａ】本発明の第１実施形態に係る超音波センサ設置用治具を用いてセンサを動翼曲面に設置した様子を示す上面図
【図７Ｂ】本発明の第１実施形態に係る超音波センサ設置用治具を用いてセンサを動翼曲面に設置した様子を示す正面図
【図７Ｃ】本発明の第１実施形態に係る超音波センサ設置用治具を用いてセンサを動翼曲面に設置した様子を示す側面図
【図７Ｄ】図７Ｃの要部の拡大図
【図８Ａ】あおり走査を実施する様子を表す図
【図８Ｂ】超音波センサをタービン動翼に設置してあおり走査を行う様子をタービン周方向から見た図
【図８Ｃ】超音波センサをタービン動翼に設置してあおり走査を行う様子をタービン径方向から見た図
【図９】超音波センサの設置角の誤差があおり走査に与える影響の説明図
【図１０】本発明の第１実施形態に係る超音波センサ設置用具を用いて構築する超音波探傷システムの一例の機能ブロック図
【図１１】本発明の第１実施形態に係る超音波探傷方法の手順の一例を表すフローチャート
【図１２Ａ】本発明の第２実施形態に係る超音波センサ設置用治具に備えられたセンサ保持部の正面図
【図１２Ｂ】図１２Ａに示したＡ−Ａ’線による断面図
【図１２Ｃ】図１２Ａに示したＢ−Ｂ’線による断面図
【図１２Ｄ】図１２Ａに示したＣ−Ｃ’線による断面図
【図１３Ａ】本発明の第２実施形態に係る超音波センサ設置用治具を用いてセンサを動翼曲面に設置した様子を示す上面図
【図１３Ｂ】本発明の第２実施形態に係る超音波センサ設置用治具を用いてセンサを動翼曲面に設置した様子を示す正面図
【図１３Ｃ】本発明の第２実施形態に係る超音波センサ設置用治具を用いてセンサを動翼曲面に設置した様子を示す側面図
【図１４Ａ】Ｚ軸周りの回転によるセンサの設置角の誤差が許容範囲内であるか否かの評価方法の説明図
【図１４Ｂ】Ｚ軸周りの回転によるセンサの設置角の誤差が許容範囲内であるか否かの評価方法の説明図
【図１５】本発明の第２実施形態に係る超音波探傷方法の手順の一例を表すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
（適用対象の具体例）
図１は検査対象とするフォーク型タービン動翼植込部の構造に関する説明図である。この図を用いて本発明に係る超音波センサ設置用治具の適用対象の例を説明する。同図に示したタービン動翼２（以下、タービン動翼を動翼と略称する）は、翼植込部７、翼取付部８及び翼部９を備えている。翼植込部７、翼取付部８及び翼部９は一体に形成されている。
【００１３】
翼植込部７は、複数のフォーク１０を備えたフォーク型のものである。フォーク１０は翼取付部８からタービン径方向内側に延びる板状の部分であり、同一の動翼２にタービン軸方向に複数並んでいる。これらフォーク１０には複数のピン穴１１が設けられている。ピン穴１１はタービン径方向に複数並べて設けられており、いずれも複数のフォーク１０をタービン軸方向に貫通している。各フォーク１０のタービン径方向に隣り合うピン穴１１の間には段差１４が備わっており、各フォーク１０はタービン径方向の内側になるに連れてタービン軸方向の厚みが段階的に薄くなる。またタービン軸方向に隣接するフォーク１０の間には、ディスクのフォーク（不図示）が挿し込まれる。複数のタービンホイールの外周部にフォーク型の翼植込部７をタービン径方向の外側から挿し込み、上記ピン穴１１にピン（不図示）を挿し込むことによって、タービンホイールに対して翼植込部７ひいては動翼２が締結される。本実施形態では、タービン軸方向に隣接する２つのフォーク１０の間の空間のタービン径方向の外側の端部をフォーク間上端１５と称する。
【００１４】
翼取付部８は、タービン径方向に所定の厚みを有する部分であって、翼植込部７のタービン径方向の外側に位置している。翼取付部８のタービン径方向外側を向いた翼取付面１３には翼部９が取り付けられている。翼部９は翼取付部８からタービン径方向の外側に延びる。また、翼取付部８は、タービン軸方向の両端に張出部１２を有している。張出部１２は、タービン軸方向の両端に位置するフォーク１０に対してタービン軸方向に突出した部分である。
【００１５】
説明の便宜のため、動翼２に設置したセンサ１（図７Ａ等）を基準にしてタービン径方向に延びる座標軸をＺ軸とする。また動翼２に設置したセンサ１を基準にして、タービン軸方向に延びる座標軸をＸ軸、タービン周方向に延びる座標軸をＹ軸とする。Ｘ軸及びＹ軸は、後述する治具２０のセンサ保持部２２の２軸回転自由度の回転中心となるものである。
【００１６】
（ＵＴの説明）
図２はフォークのＵＴ方法に関する説明図である。同図には翼植込部のタービン軸に直交する断面が示されている。翼部９における翼植込部に近い根元部分の曲面にＵＴセンサ１（以下、ＵＴセンサをセンサと称する）を固定し、センサ１により走査方向（屈折角）を電子走査で変更しながら超音波を送信して反射波を検出する。センサ１を固定して超音波を走査するため、超音波の走査面は扇型の平面となる。この二次元的な走査（セクタ走査）による扇型の走査面をセクタ面という。セクタ面４内に検査箇所３である段差１４と形状エコー源であるピン穴１１を含むよう超音波を走査する。ピン穴１１やフォーク間上端１５で生じる形状エコーは超音波の反射強度が強いため識別が容易であり、これを超音波走査方向の基準信号とすることができる。ピン穴１１やフォーク間上端１５と検査箇所３との相対位置は翼植込部７の形状で定まるため、形状エコーを基に検査箇所３を同定し、同定位置における形状エコーに基づいてき裂の有無を判断することができる。
【００１７】
図３は翼形状公差のフォークのＵＴへの影響に関する説明図であり、タービン回転軸を含む動翼２の断面を表している。同図の断面にはセクタ面４は直線として投影される。左図（ａ）には、翼部９の根元部の曲面に形状公差（幾何公差）がなく、動翼２に対して予め設定された基準の位置及び角度でセンサ１が設置されている場合のセクタ面４を示している。以降、動翼２に対して基準位置に基準角度でセンサ１が設置された状態を基準とし、センサ１の設置位置及び設置角の少なくとも一方に関する基準とのずれを誤差という。また、基準の状態において、好ましくはＺ軸に直交する断面に投影されるセクタ面４はタービン周方向（フォーク１０と平行）に延びることとする。或いは、センサ１の設置態様が基準の状態において、Ｚ軸に直交する断面に投影されるセクタ面４がタービン周方向に延びるようにセンサ１に含まれる複数の超音波素子（例えばピエゾ素子）の超音波の送信タイミング（遅延時間）を設定する。
【００１８】
動翼２に形状公差がない場合はセンサ１が基準位置に基準角度で設置され、センサ１から発信された超音波が検査箇所３に入射する。しかし動翼２のセンサ１を設置する翼部９の曲面に形状公差があると、センサ１の設置位置及び設置角の少なくとも一方に誤差が生じ得る。図３の右図（ｂ）は形状公差によりセンサ１の設置角に誤差が生じた場合のセクタ面４の角度変化を示しており、センサ１がＹ軸周りに回転してセクタ面４の角度が変化した結果、検査箇所３に超音波が入射していない。このように動翼２の形状公差によりセンサ１の設置態様に誤差が生じることで、検査箇所３からセクタ面４が外れ検査漏れが生じ得る。
【００１９】
（第１実施形態）
（１）超音波センサ設置用治具
図４Ａは第１実施形態に係る超音波センサ設置用治具の全体構成を表す上面図（動翼２に設置した場合にタービン径方向外側から見た図に相当する図）である。図４Ｂはその正面図（タービン周方向から見た図に相当する図）、図４Ｃは側面図（タービン軸方向から見た図に相当する図）である。
【００２０】
超音波センサ設置用治具２０（以下、超音波センサ設置用治具を治具と略称する）は、例えば図１に示し動翼２の翼植込部７の検査箇所３（図２等）の探傷のために、タービンホイールに締結された状態の動翼２の翼部９にセンサ１を設置するための治具である。この治具２０は、ベース２１、センサ保持部２２及びアーム２３を備えている。
【００２１】
ベース２１は、動翼２の翼取付部８に設置して治具２０を動翼２に取り付けるための部材である。ベース２１は接触面２１ａ，２１ｂ（図４Ｂ）からなる逆Ｌ字型の部分を有している。接触面２１ａはタービン径方向の内側を向いた平面であり、翼取付部８の張出部１２の上面（タービン径方向の外側を向いた平面）に面接触する（図７Ｂ等参照）。対する接触面２１ｂはタービン軸方向の一方側を向いた平面であり、翼取付部８の張出部１２の端面（タービン軸方向の他方側を向いた平面）に面接触する（図７Ｂ等参照）。ベース２１は粘着性の貼り付け手段、磁力による吸着手段、クランプやボルト等の機械的な固定手段等、適宜の方法で張出部１２に固定される。
【００２２】
このとき、ベース２１には、動翼２の翼取付部８に対する位置定量機構及び位置決め機構の少なくとも一方が備わっていることが望ましい。本実施形態においてベース２１は透明な樹脂で形成されており、位置定量機構の例として角度目盛２１ｃや格子状の位置目盛２１ｄがタービン軸方向を向いた面に描かれている（図４Ｃ）。この場合、張出部１２にベース２１を設置する際に、タービン軸方向からベース２１を透かして角度目盛２１ｃや位置目盛２１ｄで張出部１２に対するベース２１の位置関係を定量することができる。また、位置決め機構の例として、ベース２１のタービン周方向（図４Ａでは上下方向）の幅が動翼２の張出部１２の端面のタービン周方向の幅に揃えてある。これによりベース２１の接触面２１ａを動翼２の翼取付部８の上面に接触させた状態で張出部１２とベース２１のタービン周方向両側の端面位置を合わせれば、張出部１２に対するベース２１の位置は一定となる。但し、位置決め機構としては、ベース２１と張出部１２の幅が異なっていても、ベース２１と張出部１２互いの基準となる部位（例えばタービン周方向一方側の端面）を合わせればベース２１の位置が一定となる構成であれば良い。本実施形態では位置定量機構と位置決め機構の双方を有する構成を例示しているが、いずれかを省略しても良い。角度目盛２１ｃや位置目盛２１ｄを省略する場合はベース２１が透明である必要はなく、ベース２１を金属やセラミック等で形成してもよい。
【００２３】
アーム２３はセンサ保持部２２とベース２１とを連結する部材であり、樹脂、金属、セラミック等の少なくとも１つの材質で形成されている。アーム２３の形状は特には制限されないが、動翼２の翼取付部８におけるタービン軸方向の一方側に取り付けたベース２１からタービン周方向に隣接する２枚の翼部９の間に向かって延びる棒状の形状とすることができる。アーム２３はベース２１に対して固定された構造とすることもできるが、本実施形態ではタービン径方向に延びる軸を中心に回動可能な構造としてある。但し、アーム２３にはベース２１に対する角度を固定する構成を備えており、各動翼２に対して治具２０を順次脱着してゆく際にはベース２１に対するアーム３３の角度は固定される。
【００２４】
図５Ａは治具２０のセンサ保持部２２の正面図（治具２０を動翼２に設置した際にセンサ保持部２２をタービン周方向から見た図に相当する図）、図５Ｂはその側面図（タービン軸方向から見た図に相当する図）である。センサ保持部２２はセンサ１を保持する部材であり、アーム２３と同様、樹脂、金属、セラミック等の少なくとも１つの材質で形成されている。
【００２５】
センサ保持部２２は、本体２２ａと回転ジョイント２４を備えている。本体２２ａは、タービン周方向の一方側を向いた面（回転ジョイント２４が設けられた側と反対側の面、ここでは図５Ｂ中の右側を向いた面）にセンサ１を嵌め込むための凹部２２ｂを備えている。本体２２ａにおけるタービン周方向の他方側を向いた面（回転ジョイント２４が設けられた側の面、ここでは図５Ｂ中の右側の面）には、押付機構２５が備わっている。センサ１は凹部２２ｂに嵌め込まれ、超音波を入出力する部分が本体２２ａからタービン周方向の一方側に突出する。押付機構２５は、バネ、プランジャ、可撓性樹脂等の弾性体を用いたもので、本体２２ａからタービン周方向の他方側に突出している。本体２２ａはタービン周方向から見れば四角形状をしているが（図５Ａ）、タービン軸方向から見るとタービン径方向の内側に向かって窄まる台形状に形成されている。センサ１を装着したセンサ保持部２２を２つの動翼２の間に挿入すると、隣接翼の翼面を押付機構２５が押し、その反力でセンサ１の超音波送受信面が目的の動翼２の翼面に押し付けられる構成である。
【００２６】
図６は回転ジョイント２４の正面図である。同図に示したように、上記回転ジョイント２４は、第１回転部材２４ａと第２回転部材２４ｂを有する２軸回転機構（２軸の自転機構）である。第１回転部材２４ａは基端に雄ねじ部を有しており、この雄ねじ部がアーム２３の先端部にねじ込まれる。第１回転部材２４ａはアーム２３と同じ方向に延在し、雄ねじ部がアーム２３に対して回転することによってＸ軸を中心にして回転自在である。なお、図示していないが、アーム２３のタービン回転軸に対する角度ずれが問題になる場合には、アーム２３を屈曲可能な構造として回転ジョイント２４が取り付けられる先端部の角度を調整及び固定できる構造とすることができる。第２回転部材２４ｂはピン２４ｃを介して基端が第１回転部材２４ａの先端に連結されており、第１回転部材２４ａに対してＹ軸を中心として回転自在である。第２回転部材２４ｂの先端は雄ねじ部になっており、この雄ねじ部をねじ込むことによって第２回転部材２４ｂはセンサ保持部２２の本体２２ａに固定される。このように２軸の回転機構である回転ジョイント２４を介してアーム２３に対して連結されることによって、センサ保持部２２は２軸の回転自由度を有している。同時にセンサ保持部２２の回転自由度は２軸のみであり、Ｚ軸を中心とする回転は不能な構成である。なお、回転ジョイント２４は例えば２軸の回転自由度を有するジンバル等で代替することもできる。
【００２７】
図７Ａ−図７Ｄに治具を用いてセンサを動翼曲面に設置した様子を示す。図７Ａは上面図、図７Ｂは正面図、図７Ｃは側面図、図７Ｄは図７Ｃの要部の拡大図である。治具２０を設置する際には、周方向に隣接する２つの動翼２の翼部９Ａ，９Ｂの間にセンサ保持部２２を挿入し、動翼２の翼取付部８の張出部１２にベース２１を装着する。その際、ベース２１のタービン周方向の両端部を張出部１２のタービン周方向の両端部に一致するようにする。また、ベース２１の角度目盛２１ｃや位置目盛２１ｄを用いて、張出部１２に対するベース２１位置を定量し、許容範囲内となるように調整する。また、アーム２３により拘束されたセンサ保持部２２が回転ジョイント２４による２軸の回転自由度の範囲で姿勢を変え、隣接する翼部９Ｂの翼面を押付機構２５が押し、その反力でセンサ１の超音波送受信面が目的の翼部９Ａの翼面に押し付けられて密着する。
【００２８】
図８Ａはセクタ面の角度を変更して複数回のセクタ走査を実施する様子を表す図である。以降、角度を変えて複数回のセクタ走査をすることによる三次元的な走査をあおり走査という。図８Ｂはセンサ１を動翼に設置してあおり走査を行う様子をタービン周方向から見た図、図８Ｃはタービン径方向から見た図である。図８Ａに示したようにセクタ面のＸ−Ｚ面に投影される角度を順次変更して３次元的に超音波を走査する方法をあおり走査と称する。タービン周方向から見ると、図８Ｂに示すようにセクタ面４Ａ−４Ｃは線で表される。また同一のタービン径方向位置に投影されるセクタ面４Ａ−４Ｃは、図８Ｃに示すように３本の平行線となる。
【００２９】
（２）センサ設置角誤差のあおり走査による探傷結果への影響
図９はセンサ設置角の誤差があおり走査に与える影響を説明するための図である。同図の左欄はセンサ１がＸ軸周りに回転することで生じた設置角の誤差があおり走査による探傷結果に与える影響を表している。左欄の上段は基準の態様で動翼２にセンサ１が設置されている状態をタービン軸方向から見て表している。動翼２の形状公差によって左欄の中段に示したようにセンサ１の設置角に誤差が生じても、これがセンサ１のＸ軸周りの回転によるものであれば、同一のセクタ面４（セクタ走査）でピン穴１１と検査箇所３が検出される。形状エコー源となるピン穴１１と検査箇所３のセクタ面４上における相対位置（セクタ面４上の角度θ）は変わらないため、ピン穴１１の形状エコーを検出して検査箇所３を特定すれば、動翼２の形状公差によりセンサ１の設置角が変化しても検査箇所の反射波を抽出できる。
【００３０】
図９の中央の欄はセンサ１がＹ軸周りに回転することで生じた設置角の誤差があおり走査の信頼性に与える影響を表している。同欄の上段は基準の態様で動翼２にセンサ１が設置されている状態をタービン周方向から見て表している。動翼２の形状公差によって中央欄の中段に示したようにセンサ１の設置角に誤差が生じても、これがセンサ１のＹ軸周りの回転によるものであれば、あおり走査でフォーク間上端１５と検査箇所３が捉えられる限りあおり走査の信頼性に与える影響は小さい。図９の中央欄では、あおり走査で１２回のセクタ走査が行われる場合を例として示している。動翼２に形状公差がない場合、同欄の上段に示したように２番目のセクタ面４−２でフォーク間上端１５の形状エコーが検出され、３セクタだけ離れた５番目のセクタ面４−５が検査箇所３に超音波を発信するセクタとなる。この関係はセンサ１の設置角にＹ軸周りの回転による誤差が生じても変化せず、同欄の中段に示したように３番目のセクタ面４−３でフォーク間上端１５の形状エコーが検出され、６番目のセクタ面４−６が検査箇所３に超音波を発信するセクタとなる。これらセクタ面４−３，４−６の間隔は、基準状態でフォーク間上端１５と検査箇所３を捉えるセクタ面４−２，４−５の間隔と同じく３セクタである。従ってフォーク間上端１５の形状エコーを検出して検査箇所３へ超音波を発信しているセクタ面を特定すれば、動翼２の形状公差によりセンサ１の設置角が変化しても検査箇所の反射波を抽出できる。
【００３１】
図９の右欄はセンサ１がＺ軸周りに回転することで生じた設置角の誤差があおり走査の信頼性に与える影響を表している。同欄の上段は基準の態様で動翼２にセンサ１が設置されている状態をタービン径方向から見て表している。同欄に示すセクタ面はＺ軸に直交する断面に投影したものを示しており、あおり走査で１２回のセクタ走査が行われる場合を例示している。動翼２に形状公差がない場合、同欄の上段に示したように２番目のセクタ面４−２でフォーク間上端１５の形状エコーが検出され、３セクタだけ離れた５番目のセクタ面４−５が検査箇所３に超音波を発信するセクタとなる。しかしこの関係はセンサ１の設置角にＺ軸周りの回転による誤差が生じると崩れる。個々のセクタ面４がＺ軸周りに回転する結果、複数のセクタ面でフォーク間上端１５が検出される。例えば３番目のセクタ面４−３でもフォーク間上端１５が検出されるが、３セクタ離れた６番目のセクタ面４−６では検査箇所３を捉えることができない。このため、検査箇所の反射波が抽出できない。
【００３２】
（３）効果
本実施形態によれば、センサ保持部２２の回転自由度が２軸に制限し、センサ１を複数の動翼２に対して順次付け替えて行く際、動翼２の形状公差を２軸の回転でセンサ１を翼部９の翼面に確りと密着させることができる。このとき、センサ保持部２２の回転自由度はＸ軸及びＹ軸についてのものであり、センサ保持部２２はＺ軸周りの回転が不能である。従ってＺ軸周りの回転によるセクタ面４の角度変化を抑制することができ、先に図９の右欄を用いて説明したように検査箇所の反射波を抽出できる。よって同一のセンサ１で複数の動翼２を順次検査するに際し、動翼２の形状公差によってセンサの姿勢が変化した場合にも、フォーク間上端１５やピン穴といった形状エコーと検査箇所３の相対位置が変化することを抑制し、信頼性の高いＵＴを実行することができる。
【００３３】
また、治具２０に位置定量機構及び位置決め機構を設けたことにより、治具２０の位置決めが容易となり、ひいてはセンサ１の設置位置の精度も容易に確保することができる。更に、位置決めが容易となるため、検査時間が短縮される。
【００３４】
（４）超音波探傷システム
図１０は治具２０を用いて構築する超音波探傷システムの一例の機能ブロック図である。同図に示したＵＴシステムは、制御装置３０、ＵＴ装置４０及びセンサ１を備えている。センサ１は図７Ａ−図７Ｄ等に示したように治具２０によって動翼２の翼部９の根元部分の表面である曲面部にセンサ１が設置されている。前述したようにセンサ１の基準の設置態様に対するＺ軸周りの回転による設置角の誤差は、治具２０によって抑制されている。
【００３５】
ＵＴ装置４０は、Ｉ／Ｏポート３５、Ｄ／Ａコンバータ４１及びＡ／Ｄコンバータ４２を備えている。Ｄ／Ａコンバータ４１及びＡ／Ｄコンバータ４２はＵＴ装置４０にそれぞれ複数備わっている。Ｄ／Ａコンバータ４１は制御装置３０からの指令値に応じた電圧をセンサ１に出力する。センサ１には複数の超音波素子（例えばピエゾ素子）が備わっており、各超音波素子は対応するＤ／Ａコンバータ４１から短時間（一定時間）出力される電圧信号によって励振されて超音波を送信する。また超音波素子は反射波を受信して電圧信号に変換する。各Ａ／Ｄコンバータ４２は対応する超音波素子によって反射波から変換された電圧信号をデジタル信号に変換して制御装置３０に出力する。各Ｄ／Ａコンバータ４１から超音波素子に電圧を印加するタイミングの時間差（遅延時間）を制御することで超音波のセクタ走査やあおり走査が可能となる。ＵＴ装置４０としては、例えばフェーズドアレイ探傷装置、開口合成探傷装置のいずれかを用いることができる。
【００３６】
制御装置３０はセンサ１を制御する装置であり、Ｉ／Ｏポート３５、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンメモリ）３４、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）３２及びＣＰＵ（中央演算処理装置）３１を備えている。制御装置３０には、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）を用いることができる。デスクトップ型ＰＣ、ノート型ＰＣ、タブレット型ＰＣ、産業用ＰＣ等、ＰＣの形態は限定されない。
【００３７】
Ｉ／Ｏポート３５は制御装置３０のハードウェアインターフェースであり、このＩ／Ｏポート３５を介して制御装置３０にＵＴ装置４０が接続される。また、キーボード３６等の入力装置や記録メディア３７等の入出力装置、モニタ３８等の出力装置もＩ／Ｏポート３５を介して制御装置３０に接続される。モニタ３８はタッチパネル式であれば入力装置を兼ねることができる。記録メディア３７は、そのドライブがＩ／Ｏポート３５に接続される場合もあるし、ドライブが制御装置３０に実装されている場合もある。記録メディア３７には、ＣＤやＤＶＤ、ブルーレイ等のディスクの他、ＵＳＢメモリ等のＩ／Ｏポート３５に接続可能な各種の記録媒体を用いることができる。また出力装置としては、モニタ３８の他、プリンタ等もＩ／Ｏポート３５に接続できる。接続方式は有線接続が想定されるが、無線接続を採用することもできる。
【００３８】
ＲＡＭ３３、ＲＯＭ３４、ＨＤＤ３２は制御装置３０に実装された記憶装置である。ＨＤＤ３２の代表例は、磁気記憶媒体、ＳＳＤ等である。これら記憶装置及び上記記録メディア３７のうちの少なくとも１つにＵＴ装置４０から入力される探傷データが記録される。以下、単に「記憶装置」と記載した場合には、ＲＡＭ３３、ＲＯＭ３４及びＨＤＤ３２の１つ以上を指すこととする。また、記憶装置には、本実施形態に係るＵＴシステムを制御してＵＴを実行するＵＴプログラムが格納されている。このＵＴプログラムは制御装置３０を用いてプログラミングしても良いが、予め記録メディア３７又はネットワーク上のサーバに記録しておき、ＲＡＭ３３、ＲＯＭ３４、ＨＤＤ３２の少なくとも１つにインストールすることもできる。
【００３９】
ＣＰＵ３１は演算処理装置であり、記憶装置からＵＴプログラムを読み込み、読み込んだＵＴプログラムを実行してＵＴ装置４０に指令を出力し、ＵＴ装置４０を制御する指令部としての機能を果たす。
【００４０】
（５）ＵＴ方法
図１１は図１０の超音波探傷システムを用いた超音波探傷方法の手順の一例を表すフローチャートである。
【００４１】
ステップ１０１はＵＴ条件の入力ステップである。ＵＴ条件の具体例は、検査対象である動翼２の形状、超音波音速、検査箇所３、形状公差がない場合のセンサ設置角、超音波走査範囲等である。制御装置３０のキーボード３６、記録メディア３７の少なくとも一方の装置を用いて制御装置３０にＵＴ条件を入力する。入力されたＵＴ条件は、Ｉ／Ｏポート３５を介してＣＰＵ３１に入力され、ＲＡＭ３３、ＨＤＤ３２の少なくとも一方の記憶媒体に記録される。ＣＰＵ３１はこの記憶媒体に記憶されたＵＴ条件を読み込み、超音波送信条件及び受信条件として遅延時間を計算する。但し遅延時間は制御装置３０で自動計算するのではなく、ＵＴ条件の１項目として入力するようにしてもよい。
【００４２】
ステップ１０２は検査対象とする動翼２の翼部９の表面にセンサ１を設置するステップである。まずセンサ保持部２２にセンサ１を装着して、形状公差のない動翼２に治具２０を設置した場合にセクタ面４が所望の角度となるように調整しておく。そして、このセンサ１を装着した治具２０を張出部１２にベース２１を固定することで動翼２に設置する。前述した通り、Ｚ軸周りのセクタ面４の回転ずれを抑止しつつ、センサ保持部２２の２軸の回転自由度による姿勢変化で、動翼２に形状公差がある翼部９にセンサ１を表面に密着させることができる。
【００４３】
ステップ１０３はあおり走査によるＵＴを実施するステップである。ＵＴ開始の信号を制御装置３０に入力すると、ＵＴ条件に基づく遅延時間が制御装置３０のＣＰＵ３１からＩ／Ｏポート３５を介してＵＴ装置４０に伝達される。ＵＴ装置４０では入力された遅延時間に従って各Ｄ／Ａコンバータ４１によって対応する超音波素子に電圧が印加され、これにより超音波が送信される。センサ１で受信された翼植込部７からの反射波は、Ａ／Ｄコンバータ４２でデジタル信号化され、Ｉ／Ｏポート３５を介してＣＰＵ３１に入力される。ＣＰＵ３１は少なくとも１つの記憶媒体に取得データを記憶し、Ｉ／Ｏポート３５を介してモニタ３８等の出力装置に探傷結果を出力する。
【００４４】
ステップ１０４は検査箇所３に超音波を送信しているセクタ面４を特定するステップである。フォーク間上端１５が形状エコーとして検出されるセクタ面４を基準として、検査箇所３へ超音波を送信しているセクタ面４を動翼２の既知の形状から特定する。このステップは例えばモニタ３８に表示された探傷結果を基に探傷者が判断することもできるし、記憶媒体にプログラムを格納してＣＰＵ３１に実行させるようにすることもできる。
【００４５】
ステップ１０５は検査箇所３におけるき裂の有無を判別するステップである。き裂の有無は、検査箇所３からの反射波が検出されるか否かでＣＰＵ３１により判別されるようにすることもできるし、モニタ３８に表示された探傷結果に基づいて探傷者が判別してもよい。このとき、フォーク間上端１５の形状エコーが検出されたセクタ面４とあおり走査方向に所定の角度差があるセクタ面４においてピン穴１１の形状エコーと所定の位置関係にある箇所が検査箇所３と推定される。この検査箇所３の推定は、ステップ１０１で入力したＵＴ条件からＣＰＵ３１で実行されるようにすることもできるし、ＵＴ条件の項目としてステップ１０１で入力するようにしても良い。
【００４６】
（第２実施形態）
図１２Ａは本発明の第２実施形態に係る超音波センサ設置用治具のセンサ保持部の正面図（治具を動翼に設置した際にセンサ保持部をタービン周方向から見た図に相当する図）である。図１２Ｂは図１２Ａに示したＡ−Ａ’線による断面図、図１２Ｃは図１２Ａに示したＢ−Ｂ’線による断面図、図１２Ｄは図１２Ａに示したＣ−Ｃ’線による断面図である。本実施形態の治具２０Ａは第１実施形態の治具２０とセンサ保持部の構成が相違し、他の構成は治具２０と同様である。本実施形態に係るセンサ保持部２２Ａは、内郭２７と外郭２６の二重構造をしている。内郭２７はセンサ１を回転可能に保持し、外郭２６は内郭２７を回転可能に保持する。なお、このセンサ保持部２２Ａもアーム２３と同様、樹脂、金属、セラミック等の少なくとも１つの材質で形成されている。
【００４７】
内郭２７はタービン周方向の一方側（ここでは図１２Ｂ中の右側）に開口２７ｂを有する内部空間２７ａを有している。センサ１はこの内部空間２７ａに収容されると共に、超音波を送受信する面が開口２７ｂを介してセンサ保持部材２２Ａの外部に突出している。内部空間２７ａの壁面（センサ１を挟んで開口２７ｂと反対側の壁面）とセンサ１との間には複数の押付機構２８が介在している。これら押し付機構２８によってセンサ１が内郭２７に対して弾性的に支持されると共に、センサ１が開口２７ｂ側に押し付けられている。押付機構２８はバネ、プランジャ、可撓性樹脂等の弾性体を用いたものである。このとき、内部空間２７ａは概略直方体状の空間であってタービン軸方向に採った内法は、図１２Ｃ及び図１２Ｄに示したように収容されたセンサ１の同方向に採った寸法に合わせてある。これにより内郭２７に対するセンサ１のＺ軸周りの回転が拘束される。一方、タービン軸方向から見て内部空間２７ａのタービン径方向の両側の面は図１２Ｂに示したように円弧状に形成されており、センサ１は内部空間２７ａの中でＸ軸周りに回転（自転）可能な構成となっている。図１２Ａ及び図１２Ｃで符号１ａを付した要素はセンサ１の配線である（第１実施形態では図示省略した）。
【００４８】
外郭２６はアーム２３の先端に固定されており、タービン周方向の一方側（ここでは図１２Ｂ中の右側）に開口２６ｂを有する内部空間２６ａを有している。内郭２７はこの内部空間２６ａに収容されている。内部空間２６ａの壁面（内郭２７を挟んで開口２６ｂと反対側の壁面）と内郭２７との間には複数の押付機構２９が介在している。これら押し付機構２９によって内郭２７が外郭２６に対して弾性的に支持されると共に、内郭２７が開口２６ｂ側に押し付けられている。押付機構２９はバネ、プランジャ、可撓性樹脂等の弾性体を用いたものである。このとき、内部空間２６ａは中心軸をＹ軸と平行に延ばした円筒状をしており、内郭２７の内径もこれに対応した形状をしている。これにより内郭２７は内部空間２６ａの中でＹ軸周りに回転（自転）可能な構成となっている。
【００４９】
また、本例では外郭２６のセンサ１と反対側（開口２６ｂと反対側）を向いた背面２６ｃが、センサ１を設置する際に接触する動翼２の翼部９における曲面（形状公差のないもの）に一致する３次元曲面形状をしている（図１２Ｂ−図１２Ｄ）。これにより図１３に示したように隣接する動翼２の翼部９Ｂにセンサ保持部２２Ａの外郭２６の背面２６ｃが広い面で接触し、内郭２７及びセンサ１の回転及び押付機構２８，２９の押付力によって動翼２の翼部９Ａの表面にセンサ１が密着する。
【００５０】
本実施形態においても、センサ１のＺ軸周りの回転を拘束しつつ、動翼２の形状公差を２軸の回転自由度で吸収することができるので、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００５１】
図１４Ａ及び図１４ＢはＺ軸周りの回転によるセンサの設置角の誤差が許容範囲内であるか否かの評価方法の説明図である。この図は図９の右欄と同じ要領で図示されている。これらの図はあおり走査で１２回のセクタ走査が行われる場合を例示しており、Ｚ軸周りの回転によってセンサ１の設置角に誤差が生じた場合にフォーク間上端１５が検出されるセクタ面が変化する様子を表している。センサ１の設置角に誤差がない状態では、図１４Ａに示すように図中左側のフォーク間上端１５の形状エコーが検出されるセクタ面は左から２番目のセクタ面４−２である。また図中右側のフォーク間上端１５が検出されるセクタ面は左から１０番目のセクタ面４−１０である。それに対し、Ｚ軸周りの回転によってセンサ１の設置角に誤差が生じると、図１４Ｂに示すように図中左側のフォーク間上端１５の形状エコーは左端の３つのセクタ面４−１，４−２，４−３で検出される。また図中右側のフォーク間上端１５の形状エコーも左から９−１１番目の３つのセクタ面４−９，４−１０，４−１１で検出される。このようにＺ軸周りの回転によるセンサ１の設置角の誤差によってフォーク間上端１５が検出されるセクタ面４の数が変化する。本実施形態ではこの数を基準にＺ軸周りの回転によるセンサ１の設置角の誤差が許容範囲内であるか否かを評価する。
【００５２】
図１５の本実施形態における超音波探傷方法の手順の一例を表すフローチャートである。このフローチャートに示された手順は、例えば図１０に示したシステムを用いて実施される。
【００５３】
ステップ２０１−２０３は図１１で説明したステップ１０１−１０３と同様の手順である。本実施形態では、ＵＴ条件の１項目としてＺ軸周りの回転によるセンサ１の設置角の誤差が許容範囲内か否かを判定するための判定条件を例えばステップ１０１で入力する。この判定条件としては、図１４で説明したように誤差がない場合に個々のフォーク間上端１５がそれぞれ１つのセクタ面４で検出される場合、同一のフォーク間上端１５を検出するセクタ面４が単数であることが例示できる。また、誤差がない場合に個々のフォーク間上端１５がそれぞれＡ（複数）個のセクタ面４で検出される場合、同一のフォーク間上端１５を検出するセクタ面４の数がＡであることを条件とすることもできる。Ａよりも大きな設定値をＢとして、同一のフォーク間上端１５を検出するセクタ面４の数がＡより大きくＢ以下であることを条件とすることもできる。
【００５４】
ステップ２０４は、図１４で説明した概念に基づいてセンサ１の設置角の誤差が許容範囲か否かを評価するステップである。例えば図１４で説明した場合を例に挙げれば、個々のフォーク間上端１５がそれぞれ１つのセクタ面４で検出された場合はセンサ１の設置角の誤差は許容範囲内であると判定できる。反対に複数のセクタ面４で検出されたフォーク間上端１５がある場合には、センサ１の設置角の誤差は許容範囲を外れていると判定できる。このステップ２０４は例えばモニタ３８に表示された探傷結果を基に探傷者が判断することもできるし、記憶媒体にプログラムを格納してＣＰＵ３１に実行させるようにすることもできる。
【００５５】
ステップ２０５は、図１１で説明したステップ１０５と同様に検査箇所３におけるき裂の有無を判別する手順である。
【００５６】
このように本実施形態によれば、センサ１の設置角の誤差が許容範囲内か否かを判定するステップ２０４を経ることで、ステップＳ２０５のＵＴ結果の信頼性を向上させることができる。
【００５７】
以上、２つの実施形態を説明したが、２つの実施形態は適宜組み合わせ可能である。例えば第１実施形態で説明した治具２０を用いて図１５の手順を実施することもできるし、第２実施形態で説明した治具２０Ａを用いて図１１の手順を実施することもできる。また、治具２０又は治具２０Ａを用いて図１１の手順を実行するに当たり、ステップ１０３，１０４の間又はステップ１０４，１０５の間に図１５のステップ２０４を実行することもできる。また、Ｚ軸周りのセンサ１の回転を不能とする構成であることは前提であるとして、Ｘ軸周り及びＹ軸周りのいずれか一方の回転機構を省略し、センサ１の回転自由度を１軸に制限する構成も考えられる。センサ１が２軸に回転する場合と比べセンサ１の姿勢調整（換言すれば動翼２の形状公差の吸収性）の自由度は低下するが、Ｚ軸周りにセンサが回転することでＵＴ結果の信頼性が低下することは抑制できる。
【符号の説明】
【００５８】
１…超音波センサ、２…タービン動翼、４…セクタ面、７…翼植込部、８…翼取付部、９…翼部、１０…フォーク、１５…フォーク間上端、２０，２０Ａ…超音波センサ設置用治具、２１…ベース、２１ｃ…角度目盛（位置定量機構）、２１ｄ…位置目盛（位置定量機構）、２２，２２Ａ…センサ保持部、２３…アーム、２４…回転ジョイント、２４ａ…第１回転部材、２４ｂ…第２回転部材、２６…外郭、２７…内郭、３０…制御装置、１０１…探傷条件入力ステップ、１０２…センサ設置ステップ、１０３…超音波探傷ステップ、１０４…検査箇所探傷セクタ特定ステップ、１０５…き裂有無判別ステップ、２０１…探傷条件入力ステップ、２０２…センサ設置ステップ、２０３…超音波探傷実施ステップ、２０４…センサ設置角誤差評価ステップ、２０５…き裂有無判別ステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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