(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のタービン翼が互に間隔を存し、かつ前記タービン翼に対して直交するように取り付けられたタービンの回転軸を回転可能に支持する架台と、
前記少なくとも１個のタービン翼の直径方向で前記タービン翼に近接して配設されたガイドレールと、
レーザパルス光を射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器からのレーザパルス光を前記タービン翼近くまで伝送することのできる導光系と、
前記ガイドレールに沿って移動可能に配設された移動装置と、
前記移動装置に配設され、前記タービン翼の所望の位置に前記レーザパルス光を照射する照射装置と、
を具備し、前記タービン翼の表面であって該表面に付着した酸化鉄やアカガナイト(β-FeOOH)を主成分としたスケールに対して、前記照射装置からのレーザ光を照射することで前記スケールを除去することを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去装置。
【請求項２】
前記照射装置は、前記レーザ発振器からのレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、前記光学素子により変換された平行光を所定の振幅で走査する走査用ミラーと、該走査用ミラーからのレーザ光を集光する集光素子とからなることを特徴とする請求項１記載のタービンスケール除去装置。
【請求項３】
前記照射装置は、前記レーザ発振器からのレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、該光学素子により変換された平行光を線状に集光する集光素子とからなることを特徴とする請求項１記載のタービンスケール除去装置。
【請求項４】
前記照射装置は、前記レーザ発振器からのレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、該光学素子により変換された平行光を所定方向に折り曲げるミラーと、該ミラーからのレーザ光を線状に集光する集光素子とからなることを特徴とする請求項１記載のタービンスケール除去装置。
【請求項５】
前記ガイドレールは、前記タービン翼の半径寸法より長めのもの、又は前記タービン翼の直径寸法より長めのものを使用することを特徴とする請求項１記載のタービンスケール除去装置。
【請求項６】
前記導光系からのレーザパルス光を取り込むと共に平行光に変換する光学素子は、コリメータレンズであり、前記走査用ミラーからの平行光を集光して前記タービン翼の所望の位置に照射する集光素子は集光レンズであることを特徴とする請求項２記載のタービンスケール除去装置。
【請求項７】
前記導光系からのレーザパルス光を取り込むと共に平行光に変換する光学素子は、コリメータレンズであり、前記変換用ミラーからの平行光を線状に集光して前記タービン翼の所望の位置に照射する集光素子はシリンドリカルレンズ又はレンズアレイであることを特徴とする請求項３又は４記載のタービンスケール除去装置。
【請求項８】
請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパルスエネルギー密度を１００ｍJ/cm2以上３５７ｍJ/cm2以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法。
【請求項９】
請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパルスエネルギー密度を５０ｍJ/cm2以上５００ｍJ/cm2以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法。
【請求項１０】
請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパルスの重畳数を４０回以上１０００回以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法。
【請求項１１】
請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパルスの重畳数を４０回以上１６００回以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法。
【請求項１２】
請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのレーザパルスの時間幅を５０ns以上１５０ns以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電プラントに用いられるタービンロータのタービン翼の表面に付着するスケールをレーザ光を用いて除去するタービンスケール除去装置及びこの除去装置を使用したタービンスケール除去方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、火力発電所及び原子力発電所等の発電用タービンロータは、図４に示すように、回転軸１２と、回転軸１２の軸方向に配設された多段構成のタービン翼（翼群又は翼段）４からなり、各タービン翼４は回転軸１２の外周面に放射状に並設固定された複数枚の翼から構成されている。
【０００３】
これらのタービン翼４の表面には、酸化鉄やアカガナイト(赤金鉱：β-FeOOH)等を主成分としたスケールが付着する。これは、具体的にはタービン翼４の使用に伴い蒸気中に微量含まれる珪素やマグネシウムなどが化合物化して付着したり、高温環境であるため金属表面が酸化或いは水酸化されたりして皮膜化、堆積することである。
【０００４】
タービン翼４の表面に付着したスケールは材料の腐食を引き起こしたり、またタービン動作中に剥離した場合タービン内に飛散し、機器の損傷などの問題を引き起こす。そのため、従来タービンの点検、保守時にサンドブラスト法（砂吹き法）を用いてスケールを定期的に除去することが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記サンドブラスト法では施工時にブラスト材である砂の飛散を防ぐために、防塵エリアを設置する必要がある、施工時に多大な粉塵が生じ作業環境が劣悪である、ブラスト材の消費量が多く費用がかかる、施工時にタービン翼母材に損傷を与え易いなどの課題がある。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は取り扱いが容易で、防塵対策が不要、施工における消耗品も少なく、また施工に伴う母材への影響がないレーザを用いたタービンスケール除去装置及びタービンスケール除去方法を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、複数のタービン翼が互に間隔を存し、かつ前記タービン翼に対して直交するように取り付けられたタービンの回転軸を回転可能に支持する架台と、
前記少なくとも１個のタービン翼の直径方向で前記タービン翼に近接して配設されたガイドレールと、
レーザパルス光を射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器からのレーザパルス光を前記タービン翼近くまで伝送することのできる導光系と、
前記ガイドレールに沿って移動可能に配設された移動装置と、
前記移動装置に配設され、前記タービン翼の所望の位置に前記レーザパルス光を照射する照射装置と、
を具備し、前記タービン翼の表面であって該表面に付着した酸化鉄やアカガナイト(β-FeOOH)を主成分としたスケールに対して、前記照射装置からのレーザ光を照射することで前記スケールを除去することを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去装置である。
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記照射装置は、前記レーザ発振器からのレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、前記光学素子により変換された平行光を所定の振幅で走査する走査用ミラーと、該走査用ミラーからのレーザ光を集光する集光素子とからなることを特徴とする請求項１記載のタービンスケール除去装置である。
【０００８】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記照射装置は、前記レーザ発振器からのレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、該光学素子により変換された平行光を線状に集光する集光素子とからなることを特徴とする請求項１記載のタービンスケール除去装置である。
【０００９】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記照射装置は、前記レーザ発振器からのレーザパルス光を平行光に変換する光学素子と、該光学素子により変換された平行光を所定方向に折り曲げるミラーと、該ミラーからのレーザ光を線状に集光する集光素子とからなることを特徴とする請求項１記載のタービンスケール除去装置である。
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記ガイドレールは、前記タービン翼の半径寸法より長めのもの、又は前記タービン翼の直径寸法より長めのものを使用することを特徴とする請求項１記載のタービンスケール除去装置である。
【００１０】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記導光系からのレーザパルス光を取り込むと共に平行光に変換する光学素子は、コリメータレンズであり、前記走査用ミラーからの平行光を集光して前記タービン翼の所望の位置に照射する集光素子は集光レンズであることを特徴とする請求項２記載のタービンスケール除去装置である。
前記目的を達成するため、請求項７に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記導光系からのレーザパルス光を取り込むと共に平行光に変換する光学素子は、コリメータレンズであり、前記変換用ミラーからの平行光を線状に集光して前記タービン翼の所望の位置に照射する集光素子はシリンドリカルレンズ又はレンズアレイであることを特徴とする請求項３又は４記載のタービンスケール除去装置である。
前記目的を達成するため、請求項８に対応する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパルスエネルギー密度を１００ｍJ/cm2以上３５７ｍJ/cm2以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法である。
【００１１】
前記目的を達成するため、請求項９に対応する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパルスエネルギー密度を５０ｍJ/cm2以上５００ｍJ/cm2以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法である。
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項１０に対応する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパルスの重畳数を４０回以上１０００回以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法である。
【００１３】
前記目的を達成するため、請求項１１に対応する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのパルスの重畳数を４０回以上１６００回以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法である。
【００１４】
前記目的を達成するため、請求項１２に対応する発明は、請求項１記載のレーザを用いたタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼の表面に付着したスケールを除去する場合、前記照射装置からのレーザパルスの時間幅を５０ns以上１５０ns以下の範囲内で行うことを特徴とするレーザを用いたタービンスケール除去方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）は、本発明に係るタービンスケールの除去装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。ここで、示されているタービンロータは、回転軸１２に、この軸方向に例えば４段のタービン翼４が並設固定され、回転軸１２には軸方向両端部にフランジ１２ａが形成されており、フランジ１２ａを有する回転軸１２の両端部は、点検架台（主として点検時に使用するもの）１３に回転可能に支承されている。そして、スケールを除去する際に点検架台１３に、例えば油圧又は手動により駆動する回転機構（図示しない）を付加することで回転軸１２を回転できるように構成されている。
【００１６】
タービンスケール除去装置は次のように構成されている。すなわち、タービンスケール除去に必要なレーザパルス光を出射するレーザ発振器１と、レーザ発振器１からのレーザパルス光をタービン翼４の施工位置近くつまり後述するスケールの存在する位置近くまで伝送することのできる光ファイバーと鏡からなる導光系２と、導光系２からのレーザパルス光を取り込み、これをタービン翼の表面であって該表面に付着した酸化鉄やアカガナイト(β-FeOOH)等を主成分としたスケール（図示せず）に照射する照射装置３と、タービン翼４に平行であって回転軸１２に対して直交する半径方向、具体的には回転軸１２近くからタービン翼４の外周側の放射方向に延びるようにガイドレール５を複数本（ここでは２本）配設し、この各ガイドレール５に沿って照射装置３を夫々移動可能に構成したものである。
【００１７】
図１（ａ）のような構成のタービンスケール除去装置を使用して実際に、タービンスケールを除去するには、例えば始めに直径の大きいタービン翼４において照射装置３を半径方向に移動させながら所望のレーザパルス光を照射してタービンスケールを除去した後、照射装置３が配設されている各ガイドレール５を、直径の小さいタービン翼４側に移動した後、直径の小さいタービン翼４において照射装置３を半径方向に移動させながら所望のレーザパルス光を照射してタービンスケールの除去を行えばよい。
【００１８】
図１（ａ）のようにタービン翼４の半径方向に照射装置３が移動できるようにガイドレール５が配設されているので、回転軸に近接した位置であってもタービンスケールの除去が容易に行える。
【００１９】
図１（ｂ）は本発明に係わるタービンスケール除去装置の第２の実施形態を示す概略構成図であり、図１（ａ）とは次の点が異なる。図１（ａ）ではタービン翼４のほぼ半径方向に照射装置３を移動できるようにガイドレール５を配設したものであるのに対して、図１（ｂ）ではタービン翼４のほぼ直径方向、具体的にはタービン翼４の直径寸法より長めのガイドレール５を、タービン翼４に形成されている回転軸１２の近傍に配設にしたものである。
【００２０】
なお、図１（ｂ）においては、タービン翼４を１段のみしか示していないが、スケール４ａを除去する際には、図１（ａ）と同様に回転軸１２を点検架台１３により支承することは言うまでもない。また、図１（ｂ）に示す実施形態も、必要に応じて例えば油圧又は手動により回転軸を回転させる回転機構（図示せず）を使用することも、図１（ａ）の実施形態と同様である。
【００２１】
図１（ｂ）に示す実施形態も、前述の図１（ａ）の実施形態と同様に、タービン翼４に付着したスケール４ａを除去できる。
【００２２】
図２は、図１の照射装置３の構成を説明するための図である。これは、レーザ発振器１からのレーザパルス光を導光系２を介して導かれ、平行光に変換する光学素子例えばコリメータレンズ６と、コリメータレンズ６により変換された平行光を所定の振幅で前記ガイドレールの配設方向に対して直交する方向に走査する走査用ミラー７と、走査用ミラー７からのレーザ光を集光する集光素子例えば集光レンズ８とから構成したものである。
【００２３】
このような構成のタービンスケール除去装置を用いて、タービン翼４に付着したスケール４ａを除去するには、スケール４ａに対して、照射装置３からの所望のエネルギのレーザパルス光を照射すればよい。この場合、移動装置１１及び回転機構を使用してスケール４ａに対応するように照射する。
【００２４】
このようにしてタービン翼４の表面に付着したスケール４ａに対してレーザ光を照射すると、スケール４ａはレーザ光のエネルギーを吸収し、これによりスケール４ａは急速に過熱、プラズマ化することにより達成される。この加熱によりスケール４ａの一部は蒸散し、また一部は急速な過熱により母材は変化せずに表面のみが熱膨張するため母材との境界が剥離することにより除去される。
【００２５】
従って、この場合、吸収されるレーザ光のエネルギーが少な過ぎる場合、上述した蒸散量が極めて少ない、表面加熱による熱膨張が剥離に至るほど大きくない、などにより除去することができない。
【００２６】
また、スケール４ａの除去可能な所定のエネルギーを与えた場合、翼表面のスケールは無くなり、それ以上多大なエネルギーを与えた場合スケール除去に寄与することなく無効となるばかりか、タービン翼そのものへ悪影響を及ぼす可能性がある。このため、照射エネルギー密度はスケールが完全に除去できる量とすることが望ましい。
【００２７】
本発明に係るスケール４ａの除去加工ではレーザ動作の繰り返しは５〜１０ｋHzであり、照射パルスを重畳することは１００〜２００マイクロ秒毎にスケール表面が繰り返し加熱されることとなる。パルス重畳せずに高エネルギー密度のレーザを１パルス照射する場合、照射領域内の密度分布やショットごとのエネルギー変動などが除去結果に及ぼす影響が大きく、実用的ではない。
【００２８】
一方、低エネルギー密度の照射条件で重畳数（照射重畳数）を増やして照射した場合、スケールが除去されることなく、表面のみならず母材も加熱されるため、前述したように本発明の手法によるスケール４ａの除去の除去機構で重要となるプラズマ発生や熱膨張による母材との剥離が生じず、スケール４ａを除去することができない。ここで、重畳数は、レーザパルスを所定の間隔で同じ位置に何回照射したかを表す。
【００２９】
従って、重畳数は、エネルギー分布のばらつきが平均化され除去特性に影響を及ぼさず、かつレーザ照射による母材の加熱も問題にならない範囲内に設定する必要がある。
【００３０】
これらの条件に対して適性条件を求めるための試験結果の一例を表１及び表２に示す。
【００３１】
【表１】
0003940609.tif 000002
【００３２】
【表２】
0003940609.tif 000003
【００３３】
表１(ａ)及び表１(ｂ)には、エネルギー密度、重畳数をパラメータとした場合の低圧タービン翼のスケール除去特性の一例について示している。表２には同じくエネルギー密度、重畳数をパラメータとした場合の高中圧タービンの翼のスケール除去特性の一例について示している。
【００３４】
表１、表２において、結果の欄で記載されている「残る」はスケールが除去できないことを意味し、又、「僅かに残る」はスケールが一部残っているが実用上問題がないことを意味し、更に、「除去」はスケールが完全に除去できていることを意味している。
【００３５】
表１、表２から明らかなように、前述のタービンスケール除去装置を使用してタービン翼４の表面に付着したスケール４ａを除去する場合、この測定例においては、照射装置３からのパルスエネルギー密度をスケールが除去可能となる１００ｍJ/cm2以上とし、かつ母材に損傷を与えない３５７ｍJ/cm2以下の範囲内で行えば、スケール４ａが完全に除去されるか、叉はスケール４ａが一部に残っているが実用上問題がない状態となる。
【００３６】
なお、パルスエネルギー密度を５０ｍJ/cm2以上５００ｍJ/cm2以下の範囲内に設定することにより本発明の効果が得られる。
【００３７】
また、表１、表２から明らかなように、前述のタービンスケール除去装置を使用して前記タービン翼４の表面に付着したスケール４ａを除去する場合、この測定例においては照射装置３からのパルスの重畳数をスケールが除去可能となる４０回以上とし、かつ母材に損傷を与えない１０００回以下の範囲内で行えば、スケール４ａが完全に除去されるか、叉はスケール４ａが一部に残っているが実用上問題がない状態となる。
【００３８】
なお、パルスの重畳数を４０回以上１６００回以下の範囲内に設定することにより本発明の効果が得られる。
【００３９】
さらに照射するレーザパルス幅に対してパルス幅が長い場合、パルス後半においてスケール表面によって吸収されたエネルギーはスケールを加熱し、さらに熱伝導により母材温度を上昇させる。このような条件下ではスケールと母材との境界での剥離が生じず、除去特性が良くない。したがって本発明による手法では、適用可能な最大パルス幅が存在する。
【００４０】
また、パルス幅を短くした場合、同じエネルギーを照射するためにはより大きなピークパワーのレーザ出力が必要となり、使用するレーザや光学素子として高品質、高価の部品が必要となり、さらに使用時にも部品表面の清浄度の管理が必要になる、など実用上望ましくない事象が生じる。したがって実用上最短パルス幅も存在することになる。
【００４１】
そこで、表１、表２から明らかなように、前述のタービンスケール除去装置を使用してタービン翼４の表面に付着したスケール４ａを除去する場合、照射装置３からのレーザパルスの時間幅をスケールが除去可能となる５０ns以上とし、かつ母材に損傷を与えない１５０ns以下の範囲内で行えば、スケール４ａが完全に除去されるか、叉はスケール４ａが一部に残っているが実用上問題がない状態となる。
【００４２】
図３は本発明のタービンスケール除去装置の第２の実施形態の照射装置３のみを示す概略構成図である。照射装置３は、レーザ発振器１からのレーザパルス光を平行光に変換する光学素子例えばコリメータレンズ６と、コリメータレンズ６により変換された平行光を所定方向に折り曲げるミラー９と、ミラー９からのレーザ光を線状に集光するシリンドリカルレンズ１０とから構成されている。
【００４３】
このように構成された照射装置３は、導光系２からのレーザ光はコリメータレンズ６により径を拡大した平行ビームに変換後ミラー９により所定の方向に折り曲げた後、シリンドリカルレンズ１０により加工点で必要とされるエネルギー密度を持つように線状に集光され、タービン翼４のスケール４ａ上に照射される。この結果、前述の第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【００４４】
なお、シリンドリカルレンズ１０は他の光学素子、例えばレンズアレイ等に置き換えることによって線状に集光されるものであってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、取り扱いが容易で、防塵対策が不要、施工における消耗品も少なく、また施工に伴う母材への影響がないレーザを用いたタービンスケール除去装置及びタービンスケール除去方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるタービンスケール除去装置の第１及び第２の実施形態を示す概略構成図。
【図２】図１の照射装置を拡大して示す構成図。
【図３】本発明によるタービンスケール除去装置の第２の実施形態に係る照射装置を拡大して示す構成図。
【図４】一般的なタービン翼の概略を示す斜視図。
【符号の説明】
１…レーザ発振器
２…導光系
３…照射装置
４…タービン翼
４ａ…スケール
５…ガイドレール
６…コリメータレンズ
７…走査用ミラー
８…集光レンズ
９…ミラー
１０…シリンドリカルレンズ
１１…移動装置
１２…回転軸
１３…点検架台
【図１】
0003940609.tif 000004
【図２】
0003940609.tif 000005
【図３】
0003940609.tif 000006
【図４】
0003940609.tif 000007