(57)【要約】【課題】  ガスタービンの翼の冷却孔（翼の内部に形成されている）の内面のき裂を十分な感度で検出できるようにする。【解決手段】  ガスタービンの動翼１０の表面に二振動子型の超音波探触子１２を対面させて、垂直探傷法を用いて、冷却孔の内面を目標にして超音波探触子から超音波を送信して、その反射エコーを受信する。この探傷法を実行しながら超音波探触子１２を動翼の表面に沿って走査して、超音波探触子１２の走査に伴うＢスコープ表示を取得する。このＢスコープ表示に基づいて冷却孔の内面のき裂の有無を判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却流体の通路を内部に形成したガスタービンの翼の超音波探傷方法であって、次の（ア）乃至（ウ）の段階を実施する超音波探傷方法。
（ア）前記翼の表面に二振動子型の超音波探触子を対面させて、垂直探傷法を用いて、前記通路の内面を目標にして前記超音波探触子から超音波を送信して、その反射エコーを受信する検出段階。
（イ）前記検出段階を実行しながら前記超音波探触子を前記翼の表面に沿って走査して、超音波探触子の走査に伴うＢスコープ表示を得る表示段階。
（ウ）前記Ｂスコープ表示に基づいて前記通路の内面のき裂の有無を判定する判定段階。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波探傷方法において、次の（エ）乃至（カ）の特徴を備えていて、さらに、次の（キ）及び（ク）の段階を実施することを特徴とする超音波探傷方法。
（エ）前記翼はガスタービンの動翼である。
（オ）前記表示段階では、前記動翼に遠心力がかかる方向に対して平行に前記超音波探触子を走査する。
（カ）前記判定段階では、前記き裂の有無を判定するとともに前記き裂の深さを求める。
（キ）前記き裂が存在する位置において、前記遠心力がかかる方向に対して垂直方向に前記超音波探触子を前記翼の表面に沿って走査して、その走査に伴うＡスコープ表示の連続波形を得る第２の表示段階。
（ク）前記Ａスコープ表示の連続波形に基づいて前記き裂の指示長さと最大深さを求める計測段階。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンの翼の超音波探傷方法に関し、特に、冷却流体の通路を内部に形成した動翼について、その通路の内面に発生するき裂を検査する超音波探傷方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
火力発電などに使用されるガスタービンの動翼は、冷却空気を流すための通路（冷却孔）が内部に形成されている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平１１−２２９８０８号公報
【０００３】
そのような動翼の内部の冷却孔の内面にき裂が生じていないかどうかを検査する方法として、超音波探傷方法を利用することが試みられている。次の特許文献２は、ガスタービンの動翼の表面及び内部（冷却孔の内面）の欠陥を超音波探傷方法で検査することを開示している。この特許文献２では斜角探傷方法を用いている。
【特許文献２】特開平１１−２９５２７８号公報
【０００４】
本発明は垂直探傷法に関係しているが、タービンの部品を垂直探傷法で検査するものとして、次の特許文献３が知られている。この文献は、原子力高圧タービンロータのＴルート翼溝部を垂直探傷法で検査しており、垂直探傷法では底面エコーが現れるので、欠陥位置を直線的にとらえることができる、としている。
【特許文献３】特開７−１４０１１８号公報
【０００５】
本発明は、その実施例において、超音波探傷検査の前処理としてタービンの動翼を局部的に冷却してき裂を顕在化させるような工夫をしているが、そのような熱処理に関しては、次の特許文献４と特許文献５が知られている。
【特許文献４】特開２００４−２７１２８１公報
【特許文献５】特開昭６２−７１８５５号公報
【０００６】
特許文献４は、配管のき裂を超音波探傷方法で検査するものであるが、その前処理として、配管を局部的に加熱または冷却することで、き裂を開口させて顕在化させることを開示している。特許文献５は、タービンロータの欠陥を音響放出（ＡＥ）法によって検査するものであるが、その前処理として、タービンロータの中心孔を冷却するとともにタービンロータの外周部を加熱することで、ロータの中心部に引張応力を発生させて、ロータに遠心力が作用しているのと同等の応力状態を作ることを開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献２の超音波探傷方法によれば、ガスタービンの動翼の内部の冷却孔の欠陥を検査することが可能である。しかし、斜角探傷方法であるために、き裂の検出感度が不十分であり、小さなき裂はノイズに紛れてしまう。
【０００８】
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、ガスタービンの翼の冷却孔の内面のき裂を十分な感度で検出できる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】
【０００９】
本発明の超音波探傷方法は、冷却流体の通路を内部に形成したガスタービンの翼の超音波探傷方法であって、次の（ア）乃至（ウ）の段階を実施するものである。（ア）前記翼の表面に二振動子型の超音波探触子を対面させて、垂直探傷法を用いて、前記通路の内面を目標にして前記超音波探触子から超音波を送信して、その反射エコーを受信する検出段階。（イ）前記検出段階を実行しながら前記超音波探触子を前記翼の表面に沿って走査して、超音波探触子の走査に伴うＢスコープ表示を得る表示段階。（ウ）前記Ｂスコープ表示に基づいて前記通路の内面のき裂の有無を判定する判定段階。
【００１０】
上述の翼は、ガスタービンの静翼または動翼であり得るが、特に、ガスタービンの動翼に対して本発明は効果的である。動翼の場合、上述の表示段階では、動翼に遠心力がかかる方向に対して平行に前記超音波探触子を走査する。そして、上述の判定段階では、き裂の有無を判定するとともにき裂の深さを求める。さらに、次の第２の表示段階と計測段階を実行することが好ましい。第２の表示段階は、き裂が存在する位置において、遠心力がかかる方向に対して垂直方向に超音波探触子を翼の表面に沿って走査して、その走査に伴うＡスコープ表示の連続波形を得る段階である。計測段階は、追加のＡスコープ表示の連続波形に基づいてき裂の指示長さと最大深さを求める段階である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、二振動子型の超音波探触子による垂直探傷法を用いているので、ガスタービンの翼の冷却孔の内面のき裂を十分な感度で検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。図１はガスタービンの動翼の概略の斜視図である。動翼１０の表面に二振動子型の超音波探触子１２を対面させて、この探触子１２を例えば矢印１４の方向に走査することで、Ｂスコープ表示を取得する。図１では動翼１０の腹側に超音波探触子１２を対面させる状況示しているが、動翼１０の背側（腹側の反対側）についも同様に超音波探触子を走査する。この動翼はニッケル基合金の鋳造品であり、この材質は、鉄系の材質と比較すると、超音波が減衰しやすい。ゆえに、本発明の方法が特に効果的である。
【００１３】
図２は動翼１０の概略の縦断面図である。動翼１０の内部には、断面積が比較的大きな空洞１６と、断面積が比較的小さなマルチホール１８が形成されている。どちらも、冷却空気が通過するための通路、すなわち空気孔、である。空洞１６とマルチホール１８は連通している。空洞１６はリブ２０で仕切られている。冷却空気２２は、動翼１０の根元の部分から空洞１６内に流入し、空洞１６を通過してからマルチホール１８に入り、動翼１０の先端２４から出て行く。動翼１０は高温のガスにさらされるものであり、かつ、タービンの回転により矢印２６の方向に遠心力がかかる。この動翼の空洞１６の内面には、例えばクリープによってき裂が発生するおそれがあるが、その場合、遠心力の方向２６に対して垂直な方向に延びるようなき裂２８が想定される。
【００１４】
図３（Ａ）は図２の３Ａ−３Ａ線断面図である。比較的断面積の大きな空洞１６はリブ２０で仕切られている。
【００１５】
図３（Ｂ）は図２の３Ｂ−３Ｂ線断面図である。比較的断面積の小さなマルチホール１８が存在する。空洞１６の内面と比較すると、このマルチホール１８の内面にはき裂は生じにくい。空気孔の内面にき裂が発生するとすれば、空洞１６の内面である。
【００１６】
図４は超音波探触子の走査経路を示す正面図である。空洞が存在する箇所において、動翼の表面に超音波探触子を対面させる。そして、ひとつの空洞１６ａの長手方向に沿って、探触子１２を図面の上から下に向かって矢印３０に示すように走査する。ほかの空洞１６ｂ，１６ｃについても、同様に、探触子１２を図面の上から下に向かって走査する。このように、遠心力方向２６に対して平行に探触子１２を走査することで、図２に示したようなき裂２８の有無を検査することができる。このような走査を、動翼の腹側と背側のそれぞれで実施する。これにより、空洞の腹側の内面のき裂と、背側の内面のき裂を検査することができる。この例では、３本の空洞１６ａ〜１６ｃが遠心力方向２６に延びていることを想定していて、そのために３本の走査経路になっているが、空洞の数が増加すれば、走査経路の数もそれに応じて増加する。
【００１７】
図５は超音波探触子の別の走査経路を示す正面図である。例えば、図４に示すような走査によって空洞１６ａの腹側の内面にき裂が見つかった場合には、空洞１６ａに関して、き裂が見つかった位置において、図５の矢印３２に示すように、探触子１２を遠心力方向２６に対して垂直方向に走査する。この走査は、き裂が延びる方向に探触子１２を走査することを想定している。この走査によりき裂の指示長さを測定することができる。
【００１８】
図６（Ａ）は超音波探触子１２の走査状況を示す断面図である。この走査は、図４の矢印３０の方向の走査に対応している。動翼の腹側の表面３４に超音波探触子１２を対面させて、空洞１６ａの長手方向に探触子１２を走査して、空洞１６ａの腹側の内面３６のき裂４４を検査している。探触子１２は図６の矢印３０の方向に走査する。この実施例の場合、動翼の肉厚（表面３４から内面３６までの距離）は５〜１０ｍｍである。
【００１９】
利用する探触子１２の仕様を説明する。本発明は二振動子型の探触子を使うものであり、実施例の探触子１２は、ひとつの円筒状のケースの中に送信用振動子３８と受信用振動子４０を収納した分割型のものである。この探触子を用いて垂直探傷法を実施する。送信用振動子３８と受信用振動子４０の間には音響仕切板４２が配置されている。送信用振動子３８と受信用振動子４０は、その送信方向と受信方向が互いに面対称になるように傾斜していて、所定の焦点範囲の中にある音響反射体からの反射エコーを受信できるようになっている。この探触子１２は、ケースの直径が１０ｍｍで、周波数が５ＭＨｚである。振動子３８，４０はコンポジット型と呼ばれるもので、ジルコン酸鉛を主体とした圧電素子と樹脂を格子状に配列したものである。探触子１２と動翼の表面３４の間にはグリセリンなどの接触媒質を介在させる。接触媒質は縦波用のものを用いている。
【００２０】
この探触子１２は垂直探傷法で使用することができ、空洞１６ａの内面３６の反射エコーを明瞭に検出することができる。したがって、内面３６に生じたき裂４４からの反射エコーと内面３６からの反射エコーを明瞭に区別できる。
【００２１】
図６（Ｂ）は超音波探触子を図６（Ａ）の矢印３０の方向に走査したときのＢスコープ表示である。横軸は探触子の移動距離であり、縦軸は検出した反射エコーの表面からの深さである。空洞の内面からの反射エコー４６の強度が１００％になるように感度調整を行っている。本発明は垂直探傷法を用いているので、空洞の内面からの反射エコー４６を明瞭に検出できる。そして、き裂の反射エコー４８は内面からの反射エコー４６と区別して検出できる。また、き裂の反射エコー４８の反射位置（深さ）と内面からの反射エコー４６の反射位置（深さ）の差を求めることで、き裂の深さｄを求めることができる。実験に使った動翼はニッケル基合金であり、超音波が減衰しやすくて超音波の散乱によるノイズが発生しやすいものであるが、本発明の超音波探傷方法によれば、超音波の散乱によるノイズの影響がほとんどなく、Ｓ／Ｎ比の良好な結果が得られた。
【００２２】
浅いき裂をどこまで検出できるかを検証するために、き裂を想定した加工溝を故意に形成した動翼について超音波探傷の実験をした。加工溝は、図２に示す想定き裂２８と同じ方向（すなわち、遠心力方向２６に対して垂直に延びる方向）に形成した。この加工溝は、深さが３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍ、０．５ｍｍの４種類を準備した。これらの加工溝について超音波探傷検査の実験をしたところ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍの深さのき裂については明瞭に検出できた。そして、その深さの値についても、±０．５ｍｍの精度で求めることができた。一方、深さ０．５ｍｍのき裂については、周波数が５ＭＨｚの探触子を用いた実験ではうまく検出できなかった。周波数をもっと高くすれば、深さ０．５ｍｍのき裂も検出できる可能性があるが、このような浅いき裂は、動翼の材質によっては結晶粒界からの反射エコー（ノイズになる）に紛れるおそれがある。本発明の方法によれば、少なくとも１ｍｍ程度の深さのき裂を明瞭に検出できることが確認できた。
【００２３】
図７（Ａ）は超音波探触子１２の別の走査状況を示す断面図である。この走査は、図５の矢印３２の方向の走査に対応しており、この走査により、き裂の指示長さを求めることができる。超音波探触子１２は矢印３２の方向に走査する。き裂４４の指示長さの方向はこの走査方向３２に平行である。
【００２４】
図７（Ｂ）は超音波探触子を図７（Ａ）の矢印３２の方向に走査したときのＡスコープ表示の連続波形（重ね合わせ波形）である。この連続波形の求め方を図８を参照して説明する。図８の（Ａ）〜（Ｄ）は、図７（Ａ）の矢印３２の走査方向に沿った４箇所の探触子位置でのＡスコープ表示である。図８（Ａ）は探触子がき裂の領域に入り始めたときのＡスコープ表示である。空洞の内面からの反射エコー４６が大きく現れていて、それよりも少し浅い位置に、き裂からの反射エコー６０が現れる。反射エコー６０の高さはＡ１である。図８（Ｂ）は探触子がもう少し移動したときのＡスコープ表示である。き裂からの反射エコー６２の出現位置は浅い方にシフトし、反射エコーの高さＡ２はＡ１よりも大きくなる。図８（Ｃ）と（Ｄ）は探触子がさらに移動していったときのＡスコープ表示であり、反射エコー６４，６６は、より浅い位置に出現し、そのエコー高さはより大きくなる。このようなＡスコープ表示を探触子の移動に伴って連続的に重ね合わせたものが図７（Ｂ）の連続波形（重ね合わせ波形）である。探触子が移動するにつれて、反射エコー高さはＡ１→Ａ２→Ａ３→Ａ４というように矢印６８に示すように大きくなっていき、その出現位置は浅くなっていく。き裂の最大深さＤのところで反射エコー高さが最大になる。探触子がさらに移動すると、今度は矢印７０に示すように、反射エコー高さが減少していき、その出現位置は深くなっていく。このような連続波形を表示することで、き裂の最大深さＤを求めることができる。
【００２５】
図７（Ｂ）の連続波形に基づいて、き裂の指示長さも求めることができる。連続波形において、反射エコーの最大高さ（これを１００％とする）の半分（５０％）の反射エコー高さを示したときの探触子位置を、き裂の端部と定義することができる。探触子がき裂の最大深さに向かう途中（すなわち、矢印６８の途中）で５０％の反射エコー高さを示す探触子位置が存在する。この探触子位置がき裂の一方の端部の位置である。さらに、探触子がき裂の最大深さから離れていく途中（すなわち、矢印７０の途中）でも５０％の反射エコー高さを示す探触子位置が存在する。この探触子位置が、き裂の他方の端部の位置である。これらの二つの端部の間の距離が、き裂の指示長さＬである。この指示長さＬを図７（Ａ）に示す。
【００２６】
次に、動翼を局部的に冷却することでき裂を顕在化させることについて説明する。板材を局部的に冷却したときに板材にどのような応力が作用するかを非定常解析により理論的に計算した。図９は想定した板材の斜視図である。一辺の長さａが２００ｍｍで、厚さｂが２０ｍｍの板材である。この板材の中央に、一辺の長さが４０ｍｍの冷却領域５２を設定した。板材の周囲は拘束されていない自由状態であるとした。板材の材質は鉄を想定した。室温が２０℃で、板材の温度が２０℃になっているときに、上述の冷却領域５２に０℃の氷を接触させることを想定する。その接触開始時点からの、板材の温度変化の計算値を図１０に示す。板材の温度は、冷却領域５２の中央において、板材の深さ方向の各位置で計算した。図１０のグラフの横軸は接触開始からの経過時間であり、縦軸は当初の板材の温度（室温２０℃に等しい）からの温度変化である。図１０のグラフでは、板材の表面と、深さ４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ、２０ｍｍでの各位置での温度を示している。深さ２０ｍｍは板材の裏面の位置である。接触開始から４０秒程度が経過すると、板材の裏面の位置でも、温度がほぼ定常値に近いところまで達する。
【００２７】
図１１は、図１０に示すような温度変化があったときに、板材に発生する応力がどのように変化するかを示すグラフである。横軸は経過時間であり、縦軸は板材の各深さの位置に発生する応力である。接触開始から約４０秒後には、それぞれの深さにおいて、応力がほぼ定常値に近いところまで達している。そして、その応力の値は１０〜２０ＭＰａ程度の引張応力である。この程度の引張応力が作用すれば、き裂が閉じていてもそれが開口してき裂が顕在化し、き裂を超音波探傷方法で見つけやすくなる、ことが予想される。このような理論的考察から、板材を局所的に冷却してから４０秒程度が経過した後に超音波探傷方法を実施すれば、開口したき裂を検出しやすくなることが分かる。
【００２８】
図４に示す超音波探傷方法に局部冷却の前処理を適用することを考えると、空洞１６ａ〜１６ｃが存在する領域において動翼の腹側または背側（検査する側）の表面を局部的に冷却して、冷却開始から４０秒程度が経過した後に、超音波探触子１２の走査をスタートすることが好ましい。
【００２９】
本発明は上述の実施例に限定されずに、次のような変更が可能である。
（１）上述の実施例では、翼の材質としてニッケル基合金を例示したが、ほかの材質にも適用できる。本発明は、超音波が減衰しやすい材質（すなわち、反射エコーを検出しにくい材質）について特に効果があり、そのような材質としては、上述のニッケル基合金のほかに、コバルト基合金がある。
（２）上述の実施例では、動翼の肉厚が５〜１０ｍｍであるが、本発明の方法は、翼の肉厚が３〜２０ｍｍ程度のものに適用可能である。なお、翼の肉厚に応じて、使用する探触子の焦点深さをそれに合わせることが必要である。
（３）上述の実施例では、二振動子型の探触子の例として、ひとつのケースの中に送信用振動子と受信用振動子を収納した分割型のものを用いているが、送信用振動子と受信用振動子を別個のケースに収納したものを用いてもよい。また、ひとつのケースに収納する場合でも、円筒状のケースに限らずに、四角柱の形をしたケースであってもよい。上述の円筒状のケースの直径も、上述の１０ｍｍに限定せずに、例えば、５〜２０ｍｍの範囲内のものを使用できる。
（４）探触子を構成する振動子としては、上述のコンポジット型でなくても、圧電素子の単体のものでもよく、その材質も、ジルコン酸鉛を主体としたものに限らずに、ニオブ酸鉛を主体にしたものなど、各種の公知の振動子を用いることができる。
（５）上述の実施例では、探触子が送信する超音波の振動数は５ＭＨｚであるが、その他の振動数、例えば、２〜１０ＭＨｚの範囲内の振動数、を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】ガスタービンの動翼の概略の斜視図である。
【図２】動翼の概略の縦断面図である。
【図３】（Ａ）は図２の３Ａ−３Ａ線断面図であり、（Ｂ）は図２の３Ｂ−３Ｂ線断面図である。
【図４】超音波探触子の走査経路を示す正面図である。
【図５】超音波探触子の別の走査経路を示す正面図である。
【図６】（Ａ）は超音波探触子の走査状況を示す断面図であり、（Ｂ）はそのＢスコープ表示である。
【図７】（Ａ）は超音波探触子の別の走査状況を示す断面図であり、（Ｂ）はそのＡスコープ表示の連続波形である。
【図８】超音波探触子の走査途中の４箇所の位置でのＡスコープ表示の例である。
【図９】応力計算に用いた板材の斜視図である。
【図１０】板材の温度変化の計算値を示すグラフである。
【図１１】板材の応力変化の計算値を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１０  動翼
１２  超音波探触子
１６  空洞
１８  マルチホール
２０  リブ
２２  冷却空気
２６  遠心力の方向
２８  き裂
３４  動翼の表面
３６  空洞の内面
３８  送信用振動子
４０  受信用振動子
４２  音響仕切板
４４  き裂
４６  内面の反射エコー
４８  き裂の反射エコー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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