(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周部に周方向に延びるフック列を有する鞍形をした翼植込部が設けられ、タービンのロータシャフトと同心状に設けられたホイールにおける上記翼植込部を超音波により探傷する超音波探傷方法において、上記ホイールの一側面側の所定位置に配設された送信用超音波探触子からホイール内に超音波ビームを入射するとともに、その超音波ビームの植込部の欠陥による反射ビームをホイールの他面側の位置であって前記ホイールの軸方向に対し前記所定位置と対向する位置に配設された受信用超音波探触子により受信することによって、上記翼植込部にその翼植込部における上記周方向に延びるフック列に直交するホイールの軸方向に形成された欠陥の探傷を行うことを特徴とする、超音波探傷方法。
【請求項２】
外周部に周方向に延びるフック列を有する鞍形をした翼植込部が設けられ、タービンのロータシャフトと同心状に設けられたホイールにおける上記翼植込部を超音波により探傷する超音波探傷方法において、上記ホイールの一側面側の所定位置に配設された送信用超音波探触子からホイール内に超音波ビームを入射するとともに、その入射超音波ビームが欠陥の存在によって遮断される透過超音波ビームを、ホイールの他面側の位置であって前記所定位置に対し周方向にずれた位置に配設された受信用超音波探触子により検出することによって、上記翼植込部にその翼植込部における上記周方向に延びるフック列に直交するホイールの軸方向に形成された欠陥の探傷を行うことを特徴とする、超音波探傷方法。
【請求項３】
外周部に周方向に延びるフック列を有する鞍形をした翼植込部が設けられ、タービンのロータシャフトと同心状に設けられたホイールにおける上記翼植込部を超音波により探傷する超音波探傷装置において、上記ホイールの一側面側の所定位置にホイール内に超音波を入射する送信用超音波探触子を配設するとともに、ホイールの他面側であって前記ホイールの軸方向に対し前記所定位置と対向する位置に、植込部の欠陥による反射ビームを受信する受信用超音波探触子を配設し、上記翼植込部にその翼植込部における上記周方向に延びるフック列に直交するホイールの軸方向に形成された欠陥の探傷を行うことを特徴とする、超音波探傷装置。
【請求項４】
外周部に周方向に延びるフック列を有する鞍形をした翼植込部が設けられ、タービンのロータシャフトと同心状に設けられたホイールにおける上記翼植込部を超音波により探傷する超音波探傷装置において、上記ホイールの一側面側の所定位置に送信用超音波探触子を配設するとともに、ホイールの他面側の位置であって前記所定位置に対して周方向にずれた位置に受信用超音波探触子を配設し、送信用超音波探触子からの入射超音波ビームが欠陥の存在によって遮断される透過超音波ビームを上記受信用超音波探触子により検出することにより、上記翼植込部にその翼植込部における上記周方向に延びるフック列に直交するホイールの軸方向に形成された欠陥の探傷を行うことを特徴とする、超音波探傷装置。
【請求項５】
超音波探触子は、タービンのロータシャフトの外周に敷設されたガイドレールに沿って移動可能な超音波探触子保持体に装着され、前記超音波探触子保持体の下部には、前記超音波探触子を周方向に順次走査させるように、前記ロータシャフトの外周に敷設されたガイドレールに係合しそのガイドレールに沿って転動する溝付ローラが設けられていることを特徴とする、請求項３または４記載の超音波探傷装置。
【請求項６】
超音波探触子は、タービンのロータシャフトの半径方向に移動調整可能に超音波探触子保持体に装着されていることを特徴とする、請求項５記載の超音波探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、外周部に周方向に延びるフック列を有する鞍形をした翼植込部が設けられたタービンロータホイールの超音波探傷方法および装置に係り、特に上記翼植込部に発生する欠陥を検出するための超音波探傷方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は一般的な蒸気タービンロータの概念図であって、タービンロータ１のシャフト２にはこれと同心状に複数のホイール３が一体的に形成されており、各ホイール３の外周部には多数の翼４が列状に装着されている。すなわち、ホイール３の外周部には、図１１に示すように、周方向に延びるフック列を有する鞍形をした翼植込部５が設けられており、その翼植込部５に多数の翼４が装着されている。ところで、蒸気タービンロータ１は運転中は蒸気により高速回転するため、翼４とホイール３との間の翼植込部５には大きな応力が働く。そのため翼植込部５の健全性を確保するために、一般に超音波を利用した検査が行われている。
【０００３】
図１０及び図１１は、上記タービンロータの従来の超音波探傷方法を示す概略図であって、ホイール３の一側面に超音波探触子６を配し、その超音波探触子６から超音波ビーム７をホイール３内に翼植込部５に向けて入射し、周方向に走査することにより、上記翼植込部５の探傷が行なわれる。すなわち、図１１の（ａ），（ｂ）に示すように、翼植込部５における周方向に延びるフック列に直交する軸方向の欠陥８が翼植込部５に存在した場合には、入射超音波ビーム７が軸方向の欠陥８で反射され、超音波探触子６に再び到達し、反射エコーとして検知され、欠陥の存在として検出される。
【０００４】
また、図１２及び図１３に示すように、ホイール３の一側面に送信用超音波探触子１０と受信用超音波探触子１１を配設し、入射超音波ビーム１２をホイール３内に翼植込部５に向けて入射し、翼植込部５で反射した反射超音波ビーム１３を受信用超音波探触子１１で受信しながら、両超音波探触子１０，１１を周方向に走査させ、探傷を行なうことも提案されている。すなわち、、翼植込部５における周方向に延びるフック列に直交する軸方向の欠陥８が翼植込部５にある場合には、入射超音波ビーム１２の一部が軸方向の欠陥８によって遮られるため、受信用超音波探触子１１に到達する反射超音波ビーム１３の割合が減少するように観察され、反射エコーの減少によって欠陥の存在が検出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のようにホイールの一側面に１つの超音波探触子を配設して探傷を行なうものは、翼植込部形状に依存する疑似エコー（以下形状エコーという）と、欠陥により入射超音波ビームが反射されることによって得られる反射エコー（以下欠陥エコーという）との識別が困難であるという問題がある。しかも、欠陥エコーは入射超音波ビームの一部のみであるため、比較的大きな欠陥の評価や、欠陥の半径方向のつながり及び大きさを正確に評価することができない等の問題もある。
【０００６】
一方、ホイールの一側面に入射用と受信用の２つの超音波探触子を用いたものにおいては、欠陥に対する反射エコーの変化の度合いが小さいため、必ずしも感度の高い探傷を行なうことができず、また２つの探触子の間隔を厳密に調整しないと期待の反射エコーの変化が得られない等の問題がある。さらに、２つの探触子を用いているために装置全体が大型となり重量がかさむ等の問題もある。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑み、欠陥の検出感度を高く保ったままで、欠陥の存在及び大きさを精度よく評価可能で、かつ機構が簡単で走査が容易な超音波探傷方法及び装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、外周部に周方向に延びるフック列を有する鞍形をした翼植込部が設けられ、タービンのロータシャフトと同心状に設けられたホイールにおける上記翼植込部を超音波により探傷する超音波探傷方法において、上記ホイールの一側面側の所定位置に配設された送信用超音波探触子からホイール内に超音波ビームを入射するとともに、その超音波ビームの植込部の欠陥による反射ビームをホイールの他面側の位置であって前記ホイールの軸方向に対し前記所定位置と対向する位置に配設された受信用超音波探触子により受信することによって、上記翼植込部にその翼植込部における上記周方向に延びるフック列に直交するホイールの軸方向に形成された欠陥の探傷を行うことを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、外周部に周方向に延びるフック列を有する鞍形をした翼植込部が設けられ、タービンのロータシャフトと同心状に設けられたホイールにおける上記翼植込部を超音波により探傷する超音波探傷方法において、上記ホイールの一側面側の所定位置に配設された送信用超音波探触子からホイール内に超音波ビームを入射するとともに、その入射超音波ビームが欠陥の存在によって遮断される透過超音波ビームを、ホイールの他面側の位置であって前記所定位置に対し周方向にずれた位置に配設された受信用超音波探触子により検出することによって、上記翼植込部にその翼植込部における上記周方向に延びるフック列に直交するホイールの軸方向に形成された欠陥の探傷を行うことを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、外周部に周方向に延びるフック列を有する鞍形をした翼植込部が設けられ、タービンのロータシャフトと同心状に設けられたホイールにおける上記翼植込部を超音波により探傷する超音波探傷装置において、上記ホイールの一側面側の所定位置にホイール内に超音波を入射する送信用超音波探触子を配設するとともに、ホイールの他面側であって前記ホイールの軸方向に対し前記所定位置と対向する位置に、植込部の欠陥による反射ビームを受信する受信用超音波探触子を配設し、上記翼植込部にその翼植込部における上記周方向に延びるフック列に直交するホイールの軸方向に形成された欠陥の探傷を行うことを特徴とする。
さらに第４の発明は、外周部に周方向に延びるフック列を有する鞍形をした翼植込部が設けられ、タービンのロータシャフトと同心状に設けられたホイールにおける上記翼植込部を超音波により探傷する超音波探傷装置において、上記ホイールの一側面側の所定位置に送信用超音波探触子を配設するとともに、ホイールの他面側の位置であって前記所定位置に対して周方向にずれた位置に受信用超音波探触子を配設し、送信用超音波探触子からの入射超音波ビームが欠陥の存在によって遮断される透過超音波ビームを上記受信用超音波探触子により検出することにより、上記翼植込部にその翼植込部における上記周方向に延びるフック列に直交するホイールの軸方向に形成された欠陥の探傷を行うことを特徴とする。
【００１１】
【作用】
超音波探触子のホイールの面に沿って周方向に走査した際に、ホイールの翼植込部に軸方向の欠陥があると、送信用の超音波探触子から入射された超音波ビームが上記欠陥によって反射され、その反射超音波ビームが受信用の超音波探触子によって検出される。或は上記入射された超音波ビームが上記欠陥によって遮断され、受信用の超音波探触子に到達する透過超音波ビームの割合が減少する。したがって、その透過超音波ビームの検出によって欠陥の存在が検出される。
【００１２】
【実施例】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明における超音波探傷機の正面図で、図２はその側面図であって、検査対象となるタービンロータ１に取り付けた状態を示す、図中符号２０は超音波探触機における超音波探触子保持体であって、その超音波探触子保持体２０の下部には、ロータシャフト２の外周に周方向に敷設したガイドレール２１に係合しそのガイドレール２１に沿って転動する溝つきローラ２２及びローラ２３が設けられている。
【００１３】
上記溝つきローラ２２の外周にはガイドレール２１の凹凸に係合する溝２２ａが形成されており、また上記溝つきローラ２２には歯車２４が一体に形成されている。そして、その歯車２４がロータリエンコーダ２５に連結された歯車２５ａに噛合され、溝つきローラ２２の回転がロータリエンコーダ２５に伝動されるようにしてある。
【００１４】
上記ロータリエンコーダ２５の出力は図示しない位置読みとり装置に接続され、ローラ２２の回転量がシャフト２上の長さに変換され表示される。
【００１５】
ところで、上記超音波探触子保持体２０には、それがシャフト２の外周部に取り付られたときシャフト２の半径方向に延びる長孔２６が形成されており、その長孔２６に超音波探触子２７を保持する探触子保持機構２８が摺動可能に装着され、その探触子保持機構２８を長孔２６に沿って移動調整することによって超音波探触子２７をホイール３に密着させながらホイール３に対する半径方向の位置Ｌｐを調整固定することができるようにしてある。また、上記超音波探触子２７は探触子保持機構２８に対して揺動可能に保持されており、超音波探触子２７から発信する超音波ビームγの方向を自在に変化させ、検査に適した希望の角度である首振り角度Ａに設定できるよう構成されている。
【００１６】
また、超音波探触子保持体２０には、その保持体を手によって容易に支持しガイドレール２１に沿って移動させることができるように、溝つきローラ２２及びローラ２３の反対側にハンドグリップ２９が設けられている。
【００１７】
図３は２個の超音波探傷機２０，２０′によってタービンロータ１の翼植込部５の探傷状態を示す図であって、探傷を行なうホイール３の両側におけるシャフト２の外周に、それぞれ周方向に延びるガイドレール２１，２１′を敷設し、各ガイドレール２１，２１′にそれぞれ超音波探傷機２０，２０′の溝つきローラ２２，２２′及びローラ２３，２３′を係合し、両超音波探触子２７，２７′が検査対象のホイール３を挾む形で両側に配設されている。すなわち両超音波探触子２７，２７′が上記検査対象のホイール３の中心面に対して対称位置に配設される。
【００１８】
そして、上記超音波探触子２７は、図４の（ｂ）に示すように、翼植込部に発生している軸方向欠陥８に対して斜めの方向に超音波を入射し、また他方の超音波探触子２７′はその反射超音波を受信するようにホイール３の半径方向に対してそれぞれ所定の首振り角度に設定されている。
【００１９】
しかして、翼植込部５の探傷に際しては、両超音波探触子２７，２７′を探触子保持機構２８，２８′によってホイール３の面に所定の首振り角度Ａ及び探触子位置Ｌｐを保ったまま密着させながら、周方向に順次走査させるとともに、一方の送信用の超音波探触子２７から超音波ビームγをホイール３内に入射する。その場合、翼植込部５に軸方向の欠陥８が存在する場合には、送信超音波ビームγは軸方向の欠陥８で反射され、反射超音波ビームβが発生し、受信用の超音波探触子２７′で欠陥エコーが検出される（図４（ａ），（ｂ））。
【００２０】
一方、翼植込部５に欠陥が存在しない場合には、入射超音波ビームγは翼植込部５の頂端面で反射し、送信用の超音波探触子２７の反対側へ進行するため、欠陥エコーは発生せず、受信用の超音波探触子２７′では超音波ビームは検出されない。
【００２１】
図５に翼植込部５に発生が予想される軸方向欠陥８の分類を示す。図はホイール３及び翼植込部５の半径方向の断面図で示しており、図５の（ａ）から（ｅ）に対し、順次タイプＩ、…タイブＶと呼ぶ。
【００２２】
タイプＩは、片側の第１フック３０ａの下方にその周方向に延びるフック３０ａの列に直交するすなわちホイール３の軸方向の比較的小さな割れがある場合で，第１フック３０ａ全てが割れていない状態にある軸方向欠陥がある場合である。タイプIIは片側の第１フック３０ａが割れた状態にある上述のような軸方向欠陥８がある場合であり、タイプIII は両側の第１フック３０ａがそれぞれ割れた状態にある軸方向欠陥がある場合である。また、タイプIVはタイプIII における割れの中央部がつながり、両側の第１フック３０ａが割れた状態にある軸方向欠陥８がある場合で、さらにタイプＶは第１フック３０ａにより軸方向欠陥８が第２フック３０ｂや第３フック３０ｃに到達した状態にある軸方向欠陥８がある場合である。そして、欠陥の成長に従い、タイプＩからタイプＶになると考えられる。
【００２３】
図６は、従来の検出方法と本発明による検出方法による、図５に示すような軸方向欠陥の超音波受信波形を示す図で、（ａ）は従来の２つの探触子を用いたもので、（ｂ）は従来の１つの探触子を用いたもの、（ｃ）は本発明による２つの探触子を用いたものにおける各超音波受信波形を、欠陥無しの部分とタイプＩ、タイプII、タイプIVの欠陥がある部分について概念的に示したものである。
【００２４】
（ａ）では欠陥無しの部分では翼植込部８から常にエコーが得られ、タイプＩの欠陥が存在した場合には、送信超音波ビームが軸方向欠陥によって遮られることになるため、エコーの振幅が減少する。同様に、タイプIIまたはタイプIVの欠陥が存在した場合にも欠陥なしのエコーの振幅に比べ振幅が減少するという形で欠陥の存在を知ることができる。しかしながら、図５の軸方向欠陥の大きさの変化に比べ、受信エコーの変化割合は小さく、高々６ｄＢである。しかも、タイプIIとタイプIVのエコー振幅の変化割合はほぼ同じであって、軸方向欠陥の大きさの評価は困難である。
【００２５】
また（ｂ）では軸方向欠陥が存在した場合にエコーが得られるけれども超音波ビームの一部分のみが軸方向欠陥に当り反射するので、欠陥検出の感度が低く、またタイプIIとタイプIVではほぼ同等のエコー振幅になり、これも軸方向欠陥の大きさの評価が困難である。
【００２６】
これに対し、本発明においては、図５におけるタイプIIIまでは、送信超音波ビームが翼植込部５の頂端面で反射し、送信用探触子が設けられている面と反対面側であって周方向にずれた位置へ進行するので、図６の（ｃ）に示すようにエコーは得られず、タイプIVにになって高いエコーが得られる。送信超音波ビームはホイール３内を伝播するうちに広がりをもつようになり、超音波ビームの中心で最も高いエネルギーをもち、周辺に向かってエネルギーが弱くなる。しかして、タイプIV以前の軸方向欠陥では広がった送信超音波ビームの中心が軸方向欠陥に当らないか、または弱い周辺の広がったビームしか欠陥に当らないため、受信超音波として検出されないか、または非常に超音波エコーの高さ対ノイズの高さであるＳ／Ｎ比が悪い信号になる。ところが、本発明の方法の場合にはタイプIV以降の比較的大きな軸方向欠陥では必ず欠陥エコーが検出されるため、軸方向欠陥の大きさの識別が容易にできる。
【００２７】
図７に探傷手順をフローチャートで示す。本発明における探傷は図６に示すように、前記タイプＩからタイプIII の軸方向欠陥は検出困難である。したがって、全ての欠陥を対象とした欠陥探傷は、図１１に示す従来の１探触子を用いる探傷方法、または図１３に示す従来の２探触子を用いた探傷方法と組み合わせて、本発明の探傷法を適用する。
【００２８】
すなわち、探傷に際しては、まず超音波ビームが軸方向欠陥に当り反射エコーが得られるような位置に超音波探触子を配置するための条件について算出する。次いでその算出した条件で探傷を実施する。そこで欠陥が存在し反射エコーが検出された場合には、本発明における２探触子探傷法によりエコー検出位置で探傷を実施する。そして、本発明の探傷法によりエコーが検出された場合には、欠陥の大きさが前記タイプIV以上、つまりタイプIVまたはタイプＶであることが推測される。またタイプIVとタイプＶの弁別は、本発明の探傷装置を第２フックの探傷条件に設定して探傷した場合にエコーが得られた場合に、タイプＶと判定する。またエコーが検出されなかった場合には、欠陥の大きさはタイプＩからタイプIII までの間であると推測される。そして、タイプＩからタイプIII の弁別は次の方法で行なう。
【００２９】
すなわち、タイプＩの半径方向欠陥は、超音波ビームがホイールの頂端で１回反射した場合しか到達できないことから、欠陥のビーム路程が反射の分長くなることで判定できる。またタイプIIの軸方向欠陥は、上の理由により一回反射したビームによるエコーと軸方向欠陥にビームが直接当ることで生じるエコーと軸方向欠陥にビームが直接当ることで生じるエコーのビーム路程の異なる２種類のエコーが同時に得られる。またタイプIII の軸方向欠陥は同一軸半径方向断面上の両側でエコーが得られるものの、本発明の方法では当該場所でエコーが得られないので、これで弁別することができる。
【００３０】
図８は本発明の他の実施例を示す図であって、（ａ）は半径方向断面図、（ｂ）は周方向断面図であり、本方法では図８（ａ）に示すように、送信用の超音波探触子２７と受信用の超音波探触子２７′が検査対象のホイール３を挾む形で両側に配設されている。しかも、両超音波探触子２７，２７′は図８（ｂ）に示すようにホイール３に周方向に互いにずらして設けられ、軸方向欠陥８に対して斜め方向に超音波を入射し、かつ軸方向欠陥８を挾む形で配設されている。
【００３１】
しかして、この場合軸方向欠陥がある場合、入射ビームγが遮断されるため、それを受信用の超音波探触子２７′で検出することにより欠陥の有無を検知できる。そしてこの場合、軸方向欠陥８が前記タイプIV以上の軸方向欠陥のときには遮断作用が大きく、欠陥の有無が容易に判定できる。
【００３２】
ところで、ホイール３の両側に配設する２つの超音波探傷機は同等の性能を有する必要はない。すなわち、本発明の探傷手法は図７に示した探傷手順において、１つの探傷機を用いた探傷において欠陥波形が得られた場合においてのみ実施するため、同等の性能を有する探傷機を２台用意することは必ずしも必要ではない。
【００３３】
また、送信用の超音波探触子２７や受信用の超音波探触子２７′の超音波入射角は両者で同一であれば、１つの翼植込部に対して異なる入射角の探触子を用いてもよい。さらに首振り角Ａについても、２つの探傷機で同じであれば、一つに限定されることもない。また１つの探傷機に複数の超音波探触子を搭載することで、１回の走査で翼植込部の複数のフックを同時に、また異なった探傷条件で１つのフック部の探傷を行なうこともできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は外周部に周方向に延びるフック列を有する鞍形をした翼植込部が設けられホイールにおける上記翼植込部を超音波により探傷する超音波探傷を行うものにおいて、送信用の超音波探触子と受信用の超音波探触子とを探傷の対象とするホイールの互いに反対側に設けるようにしたので、欠陥の検出感度を高く保ったままで欠陥の存在及び大きさを精度良く評価でき、発生が予想される欠陥形状を容易に弁別することができる。さらに、超音波探触子保持体をロータシャフトの外周に敷設されたガイドレールに沿って移動可能とした場合には、装置自体を小型にでき、手により容易に支持して走査が可能であり、またシャフトの構造によらずに探傷が実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明における超音波探傷機の正面図。
【図２】  本発明における超音波探傷機の側面図。
【図３】  本発明に一実施例を示す側面図。
【図４】  本発明にによる超音波探傷法を説明するための図で、（ａ）は半径方向断面図、（ｂ）は周方向正面図。
【図５】  翼植込部に発生が予想される軸方向欠陥の分類を示す図。
【図６】  （ａ），（ｂ），（ｃ）は従来の探傷方法と本発明の探傷方法による軸方向欠陥の超音波受信波形の一例を示す図。
【図７】  本発明の超音波探傷方法を適用した探傷方法のフローチャート。
【図８】  本発明の他の実施例を示す図で、（ａ）は半径方向断面図、（ｂ）は周方向正面図。
【図９】  上記タービンロータの一例を示す斜視図。
【図１０】  従来の超音波探傷方法の一例を示す解説図。
【図１１】  図１０の超音波探傷方法を説明する図で、（ａ）は半径方向断面図、（ｂ）は周方向正面図。
【図１２】  ２つの超音波探触子を用いた従来の超音波探傷方法を示す説明図。
【図１３】  図１２の超音波探傷方法を説明する図で、（ａ）は半径方向断面図、（ｂ）は周方向正面図。
【符号の説明】
１  タービンロータ
２  シャフト
３  ホイール
４  翼
５  植込み部
６，２７，２７′  超音波探触子
８  欠陥
１２  入射超音波ビーム
１３  反射超音波ビーム
２０，２０′  超音波探触子保持体
２１  ガイドレール
２２  溝つきローラ
２３  ローラ
２５  ロータリエンコーダ
２６  長孔
２８  超音波探触子保持機構
２９  ハンドグリップ
【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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【図１２】
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【図１３】
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