JP2011208978A - タービン翼植込み部の超音波検査方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一素子の探触子を使用したときよりも欠陥検出性を向上させながら、欠陥サイジングも可能であるタービンロータの翼植込み部の超音波検査方法および装置を提供することにある。
【解決手段】超音波の送受信および超音波ビームを電子走査するフェーズドアレイ探触子１５および制御信号処理部２０と送受信部４０とを有する超音波探傷器と、フェーズドアレイ探触子を把持し周方向に走査するスキャナ１１と、超音波探傷器による検査結果を表示する表示部３４とを備える。フェーズドアレイ探触子１５を用いて、翼植込み部のフック肩部の曲率半径よりも、超音波ビームの集束径が大きくなるように超音波を緩く集束するビームパターンの超音波を送受信する。
【選択図】図６

Description

本発明は、発電用タービンロータ翼植込み部の健全性を超音波で検査するタービン翼植込み部の超音波検査方法および装置に関する。

発電用タービンロータの翼植込み部の健全性を確認するには、タービンホイールから動翼を抜き取り、翼植込み部を目視できる状態で、浸透探傷法（ＰＴ法）や磁分探傷法（ＭＴ法）で検査する方法が適用されてきた。ただし、翼抜き取り作業には時間を要するため、翼を抜き取る必要のない超音波探傷法（ＵＴ法）で、ロータ翼植込み部の健全性を確認する方法が提案されている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。

特公平７−７８４９１号公報 特開２００９−２４４０７９号公報

特許文献１は、欠陥エコーだけでなく遮蔽による形状エコー低下にも着目して、欠陥の検出またはサイジングを行うものである。ただし、超音波ビームの集束については言及していない。特許文献１の出願時点では、フェーズドアレイ探触子を用いたＵＴ法は未だ一般的ではなく、ある程度の発散角を持って超音波ビームを送信する単一素子の探触子を想定しているものと推察する。

特許文献２は、フェーズドアレイ探触子を用いた翼植込み部の超音波検査で、欠陥エコー強度と形状エコー強度の両方に着目するものである。フェーズドアレイ探触子を用いる主目的は、電子走査で超音波ビームの屈折角を変化させるためと推察される。ビームの集束性については本文中では明言されていないが、図中には欠陥の発生起点にビームが点集束するように示されている。欠陥エコーの検出感度を向上させたいという観点を優先させているものと推察する。

ここで、タービンロータの翼植込み部の超音波検査に点集束ビームを適用した場合、欠陥検出性は向上するが、サイジングには不向きになるという課題があった。

本発明の目的は、単一素子の探触子を使用したときよりも欠陥検出性を向上させながら、欠陥サイジングも可能であるタービンロータの翼植込み部の超音波検査方法および装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、タービンホイールの側面から翼植込み部に向けて、軸方向には垂直の向きで、径方向には斜角の向きで超音波を送受信し、前記翼植込み部のフックコーナー部を起点とする周方向欠陥を探傷する超音波検査方法であって、フェーズドアレイ探触子を用いて、前記翼植込み部のフック肩部の曲率半径よりも、超音波ビームの集束径が大きくなるように超音波を緩く集束するビームパターンの超音波を送受信するようにしたものである。
かかる方法により、単一素子の探触子を使用したときよりも欠陥検出性を向上させながら、欠陥サイジングも可能となる。

（２）上記（１）において、好ましくは、超音波受信波形の伝播時間から、前記フックコーナー部を起点とした欠陥がある場合に発生する欠陥エコーと、前記フックコーナー部に割欠陥がある場合に、欠陥で超音波が遮蔽されてエコー強度が低下する前記フック肩部の形状エコーと、前記フックコーナー部の欠陥の有無とは無関係な前記フック立ち上がり部の形状エコーと、を抽出し、それぞれのエコー強度を独立して求めるようにしたものである。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記フックコーナー部を起点とした欠陥からの欠陥エコー強度と、前記フック肩部の形状エコー強度で除算して両者の比を算出し、その除算結果から割れの有無を判定するようにしたものである。

（４）上記（３）において、好ましくは、前記除算結果と、予め作成しておいた除算結果と欠陥寸法の関連性と、を比較して欠陥寸法を求めるようにしたものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記フック立ち上がり部の形状エコー強度が一定の値となるように探傷感度を調整して、超音波を送受信するようにしたものである。

（６）上記（１）において、好ましくは、複数のフックを持つ翼植込み部を検査する場合に、少なくとも最下段のフック立ち上がり部から最上段のフック肩部までの範囲について、超音波ビームを径方向に電子的に走査しながら、前記フェーズドアレイ探触子を周方向に機械的に走査するようにしたものである。

（７）上記（１）において、好ましくは、複数のフックを持つ翼植込み部を検査する場合に、フック１段分の立ち上がり部から肩部までの範囲について、超音波ビームを径方向に電子的に走査しながら、前記フェーズドアレイ探触子を周方向に機械的に走査することを、前記フックの段数分だけ繰り返すようにしたものである。

（８）上記（７）において、好ましくは、被検査フックコーナー部への超音波ビームの屈折角が４５°になるように、被検査フックによって超音波送受信位置を変更するようにしたものである。

（９）上記（８）において、好ましくは、タービンロータの構造上の制約で、前記被検査フックコーナー部への超音波ビームの屈折角が４５°の直線経路がとれない場合には、直線経路がとれる範囲で屈折角が４５°に近くなるような超音波送受信位置とするようにしたものである。

（１０）上記（８）において、好ましくは、フック段数分の回数だけ分割して収録した検査結果を、同一の画面上に同時に表示するようにしたものである。

（１１）上記（１）において、好ましくは、前記フェーズドアレイ探触子から送受信する超音波ビームのパターンが探触子の中心軸に対して対称的となるように、前記フェーズドアレイ探触子とシューを組み合わせて斜角超音波を送受信するようにしたものである。

（１２）また、上記目的を達成するために、本発明は、超音波の送受信および超音波ビームを電子走査するフェーズドアレイ探触子および制御信号処理部と送受信部とを有する超音波探傷器と、前記フェーズドアレイ探触子を把持し周方向に走査する走査手段、前記超音波探傷器による検査結果を表示する手段とを備え、タービンホイールの側面から翼植込み部に向けて、軸方向には垂直の向きで、径方向には斜角の向きで超音波を送受信し、前記翼植込み部のフックコーナー部を起点とする周方向欠陥を探傷するとともに、前記フェーズドアレイ探触子を用いて、前記翼植込み部のフック肩部の曲率半径よりも、超音波ビームの集束径が大きくなるように超音波を緩く集束するビームパターンの超音波を送受信するようにしたものである。
かかる構成により、単一素子の探触子を使用したときよりも欠陥検出性を向上させながら、欠陥サイジングも可能となる。

（１３）上記（１２）において、好ましくは、前記フック肩部の曲率半径と超音波ビームの集束径を比較するために、超音波の周波数・フェーズドアレイ探触子の素子数・素子ピッチ・焦点距離の値から、音場計算で超音波ビーム径を算出する算出手段と、該算出手段により算出したビーム径を表示する表示手段とを備えるようにしたものである。

（１４）上記（１２）において、好ましくは、前記フック立ち上がり部からのエコーと、前記フックコーナー部からのエコーと、前記フック肩部からのエコーを独立して抽出する３つ以上の時間ゲートと、それぞれのゲート内のエコー強度を求める強度算出手段を備えるようにしたものである。

（１５）上記（１２）において、好ましくは、前記フックコーナー部のエコー強度と、前記フック肩部のエコー強度を除算して両者の比を求める比算出手段と、予め作成しておいた除算結果と欠陥寸法の関連性を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された除算結果と欠陥寸法の関連性と、前記比算出手段により算出された除算結果とを用いて、欠陥寸法を求めて表示する算出表示手段とを備えるようにしたものである。

（１６）上記（１２）において、好ましくは、前記フェーズドアレイ探触子の周方向の走査位置を正確に測定記録するための測定記録手段と、フック段数分の回数だけ分割して収録した検査結果を重ね合わせる重ね合わせ手段と、該重ね合わせ手段により重ね合わせた結果を表示する表示手段とを備えるようにしたものである。

（１７）上記（１２）において、好ましくは、検査するタービンホイールの形状に合わせてシューを交換できる方式で、フェーズドアレイ探触子とシューを組合せることができる手段を備えるようにしたものである。

本発明によれば、タービンロータの翼植込み部の超音波検査において、単一素子の探触子を使用したときよりも欠陥検出性を向上させながら、欠陥サイジングも可能となる。

本発明の第１の実施形態による超音波検査装置の検査対象であるタービンロータの概略形状を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置で用いるスキャナの構成図である。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置の検査対象であるタービンロータの３段フックからなる翼植込み部の形状を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置における超音波ビームの集束性とエコー強度の関連性の説明図である。 超音波検査装置においてシューを用いない場合と用いた場合のビーム内の強度不均一性の説明図である。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置を用いて翼植込み部のフック１段分を検査する際の判定・操作手順を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、２段フックを検査するときの超音波ビームの入射位置を決める際に参照する画面表示の例の説明図である。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、２段フックを検査するときの超音波ビームの入射位置を決める際に参照する画面表示の例の説明図である。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、翼植込み部に欠陥が無い場合の探傷結果の例の説明図である。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、翼植込み部に欠陥が有る場合の探傷結果の例の説明図である。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、周方向への機械走査中の、エコー強度とエコー強度比の変化の例の説明図である。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、１段フックを検査する場合に超音波ビームの屈折角を４５°とする直線経路がとれない場合の探傷条件設定方法の説明図である。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、１段フックを検査する場合に超音波ビームの屈折角を４５°とする直線経路がとれない場合の探傷条件設定方法の説明図である。 本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、３回の走査で検査した結果のうち、ある周方向角度θの検査結果のＢスコープ像を同時に表示した画面例の例の説明図である。 本発明の第２の実施形態による超音波検査装置による検査方法の例の説明図である。 本発明の第３の実施形態による超音波検査装置による検査方法の例の説明図である。 本発明の第４の実施形態による超音波検査装置による検査方法の例の説明図である。

以下、図１〜図１５を用いて、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による超音波検査装置の検査対象であるタービンロータの概略形状について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置の検査対象であるタービンロータの概略形状を示す斜視図である。

タービンロータ１は、ロータシャフト２とロータホイール３を組合せた構造をしている。ロータホイール３の外周の翼植込み部５には、動翼４が植え込まれている。本実施形態では、動翼４を抜き取らずに、ロータホイール３側の翼植込み部５の健全性を検査するために超音波検査を適用する。

次に、図２を用いて、本実施形態による超音波検査装置で用いるスキャナの構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置で用いるスキャナの構成図である。図２（Ａ）は、ロターシャフトの軸方向から見た図であり、図２（Ｂ）はロータシャフトの軸に沿った断面方向から見た図である。

スキャナ１１は、タービンロータ３の形状に倣って、超音波探触子１５を保持・走査するものである。スキャナ１１は、ロータシャフト２の円筒面に吸着して走行するための磁気車輪１２と、ロータホイール３に吸着してホイール側面に倣うための磁気車輪１３を備えている。スキャナ１１に取付けたフェーズドアレイ探触子１５は、ホイール３の片側面から超音波を斜角で送信し、対面側の翼植込み部５を検査する。フェーズドアレイ探触子１５を取付けた台座は、ボールネジ１４で径方向位置（シャフト面からの高さ）の設定が変更できる。一旦、設定した径方向位置は、スキャナ１１を周方向に走行走査させても同じ位置（シャフト面からの高さ）を保持できる。また、スキャナ１１は、シャフト面上の走行距離を計測し、超音波検査している周方向角度θを算出するためのエンコーダ１７を備えている。

次に、図３を用いて、本実施形態による超音波検査装置の検査対象であるタービンロータの３段フックからなる翼植込み部の形状について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置の検査対象であるタービンロータの３段フックからなる翼植込み部の形状を示す断面図である。

翼植込み部５は、１段フック，２段フック，３段フックの３段からなるフックを備えている。フックをさらに分割したときの各部は様々な名称で呼ばれることがあるが、ここでは、それぞれ、立ち上がり部５１、コーナー部５２、肩部５３と称する。

フェーズドアレイ探触子１５とシュー１９を組合せて対面側の２段フックへ向けて超音波を送信すると、一点鎖線５５に示すフック立ち上がり部５１からの形状エコーと、点線５７に示すフック肩部５３からの形状エコーを受信することができる。また、フックコーナー部５２に欠陥５４がある場合には、実線５６に示す欠陥エコーも受信できる。

ここで、翼植込みの２段フックを超音波で検査する場合について説明する。まず、翼植込み部が健全で、欠陥５４が存在しないときには、一点鎖線５５に示す経路のフック立ち上がり部の形状エコー、および、点線５７に示す経路のフック肩部の形状エコーを受信できる。これに対し、フックコーナー部に欠陥５４が存在する場合には、実線５６で示すような経路の欠陥エコーを受信すると同時に、欠陥５４によって点線５７で示す伝播経路の一部が遮蔽されるため、フック肩部の形状エコー強度が低下する。

次に、図４を用いて、本実施形態による超音波検査装置における超音波ビームの集束性とエコー強度の関連性について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置における超音波ビームの集束性とエコー強度の関連性の説明図である。

図４において、図の左半分は、比較例として試験体１０１の底面で点集束するようなビーム１０２を用いた場合の説明図であり、右半分は、本実施形態により試験体１０１の底面で緩く集束するようなビーム１０３を用いた場合の説明図である。

試験体１０１の底面で点集束するようなビーム１０２を考えた場合、欠陥の大きさが異なっても、ビームのほぼ全体が欠陥で反射するので、欠陥寸法が欠陥１０５ａのように小さくても、欠陥１０５ｄのように大きくても、欠陥１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ，１０５ｄの大きさに関わらず、ほぼ同じ大きさのエコー１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄを受信できる。すなわち、タービンロータの翼植込み部の超音波検査に点集束ビームを適用した場合、欠陥検出性は向上する。しかし、エコー１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，１０６ｄの大きさは、結果の大きさに関わらず同じであるため、サイジングには不向きである。

それに対して、本実施形態におけるように、試験体１０１の底面で緩く集束するようなビーム１０３を使用した場合について説明する。緩くとはいえ、超音波ビームを集束させているので、欠陥の検出性は向上する。また、ビームの欠陥の大きさに応じた部分（１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄ）が反射するので、欠陥寸法がビームより小さい場合にはエコー（１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ）の強度は欠陥の大きさに対応する。（ただし、欠陥の大きさがビーム径以上の場合（１０５ｃ，１０５ｄ）では、エコー強度は飽和する。）すなわち、緩く集束したビームの場合、欠陥の検出性は単一素子センサより向上し、サイジングも可能となる。

図３に示したような翼植込み部形状を考えた場合、欠陥５４の発生位置はフックコーナー部５２となり、欠陥で遮蔽される形状エコーの反射位置とはフック肩部５３の曲率のついた部分となる。実線５６と点線５７で示すように、フック肩部５３までの路程の方がフックコーナー部５２までの路程より長いので、フックコーナー部５２でのビーム径がフック肩部５３より小さくなることはない。また、フック肩部５３からの形状エコーが得られるのは肩の曲率のついた部分である。フック肩部５３でのビーム径を肩の曲率Ｒより大きくすれば、反射エコー強度は飽和しない。同時に、欠陥が発生するフックコーナー部でのビーム径も十分に大きくなるので、単一素子の探触子を使用したときよりも欠陥検出性を向上させながら、欠陥サイジングも可能となる。

なお、単一素子の探触子より超音波ビームの集束性を悪くすると欠陥の検出性が悪くなる。本実施形態において、超音波ビームを緩く集束するとは、フックコーナー部でのビーム径が肩部の曲率Ｒより大きく、単一素子よりはビームが集束している範囲を意味する。また、欠陥検出性を重視した場合には、肩部の曲率Ｒと同じビーム径が最適となる。サイジングを重視する場合には、サイジング上限値と同じビーム径が最適となる、検査時間短縮を重視する場合には、電子走査無しでフック立ち上がり部とフックコーナー部とフック肩部の３つのエコーが受信できる大きさのビーム径が最適となる。

また、図４の模式図で超音波ビームの集束性とエコー強度の関連性を考察する前提として、超音波ビーム内に著しい強度の不均一は無い、ということがある。

ここで、図５を用いて、超音波検査装置においてシューを用いない場合と用いた場合のビーム内の強度不均一性について説明する。
図５は、超音波検査装置においてシューを用いない場合と用いた場合のビーム内の強度不均一性の説明図である。

図５（Ａ）は超音波検査装置においてシューを用いない場合であり、図５（Ｂ）はシューを用いた場合である。

図５（Ａ）に示すように、試験体１０１にフェーズドアレイ探触子１５を直接接触させた場合、垂直ビーム１１１よりも、斜角ビーム１１２のほうが、ビーム内の強度不均一性が大きくなる。

一方、図５（Ｂ）に示すように、探触子１５とシュー１９を組合せると、ビーム内の強度不均一性が小さい斜角ビームを入射することができる。

したがって、本実施形態においては、フェーズドアレイ探触子をロータホイール側面に直接接触させるのではなく、探触子とシューを組合せた状態でホイール側面から超音波を斜角入射するようにしている。

次に、図６〜図１５を用いて、本実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置の構成を示すブロック図である。図７は、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置を用いて翼植込み部のフック１段分を検査する際の判定・操作手順を示すフローチャートである。

なお、本実施形態では、３段フックの翼植込み部を検査する場合に、フック１段分ずつを検査する。これにより、超音波波形の収録・信号処理に時間を要する装置でも検査ができるという特徴がある。

本実施形態の超音波検査装置は、パソコン等で構成する制御信号処理部２０と、電子部品を搭載した基板等で電子回路を構成する送受信部４０と、図２にて説明したスキャナ１１とを備えている。

操作者は、キーボードやマウスからなる設定手段２１を用いて探傷条件を設定し、設定条件記憶部２２に記憶させる。探傷条件設定作業では、まず、ロータ材の音速、フックコーナー部の曲率Ｒを入力する（図７の手順Ｆ１１）。次に、超音波の周波数、フェーズドアレイ探触子の素子数、素子ピッチ等の探触子の条件を入力する（図７の手順Ｆ１２）。さらに、シュー材の音速、角度等、シューの条件を入力する（図７の手順Ｆ１３）。これらの入力データは、設定条件記憶部２２から遅延パターン作成記憶部２３に自動伝達され、シミュレータ２４の計算に利用される。操作者は、ここからシミュレータ２４の表示画面をみながら超音波ビームの入射位置を決める（図７の手順Ｆ１４）。

ここで、図８及び図９を用いて、本実施形態による超音波検査装置により、２段フックを検査するときの超音波ビームの入射位置を決める際に参照する画面表示の例について説明する。
図８及び図９は、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、２段フックを検査するときの超音波ビームの入射位置を決める際に参照する画面表示の例の説明図である。

図８に示す表示画面において、操作者が、２段フックの欠陥発生候補としてフックコーナー部をマウスでクリックすると、マーカー６１が画面上に表示されると同時に、欠陥の検出感度が最良となる屈折角４５°の伝播経路も点線６２として表示される。操作者は、点線６２で示される経路に障害が無いことを確認し（図７の手順Ｆ１５）、点線６２とホイール側面の交点をクリックする。

その結果、表示画面は図９のように変化し、超音波の入射位置を示すマーカー６３が表示されると同時に、フック立ち上がり部への伝播経路６５、コーナー部への伝播経路６６、肩部への伝播経路６７も画面上に表示される。操作者は、まず幾何的な焦点位置を肩部にしたケースを検討するため、伝播経路６７とフック肩部の交点をマウスでクリックすると（図７の手順Ｆ１６）、幾何焦点のマーカー６４ａが表示される。シミュレータ２４は音場計算を行い、肩部でのビーム径の算出結果を表示箇所７６に表示する。操作者は、肩部でのビーム径７６と肩部の曲率Ｒの値７５を比較し（図７の手順Ｆ１７）、ビーム径の方が大きい場合には探傷条件の設定を完了する（図７の手順Ｆ１８）。ビーム径７６のほうが小さい場合には、幾何焦点の位置を、位置６４ｂや位置６４ｃに変更し、肩部でのビーム径７６が肩部での曲率Ｒより大きくなるまで探索を行う。また、画面上には超音波ビーム入射の径方向位置７１、肩部までの路程７２、肩部への屈折角７４、幾何焦点の距離７４も表示しているので、操作者はこれらの値を確認しながら探傷条件を探索することができる。

探傷条件の設定を完了したら、スキャナ１１のボールネジ１４を操作してフェーズドアレイ探触子１５の高さを調整し、超音波ビーム入射の径方向位置が設定条件と同一にする。

図６の遅延パターン制御部２５は、作成・記録した設定条件の遅延パターンで送信回路４１を制御する。送信回路４１で発信した信号は、アンプ４２で増幅し、コネクタ４３、探傷ケーブル１６を経由してフェードアレイ探触子１５を駆動する。径方向に超音波ビームを電子走査し、翼植込み部５からの反射波をフェードアレイ探触子１５で受信し、探傷ケーブル１６とコネクタ４３を経由してアンプ４４で増幅する。増幅した信号は遅延メモリ４５で時間差つけて記憶し、加算回路２６で受信波形を合成し、探傷結果記憶部２８に記憶する（図７の手順Ｆ２１、図７の手順Ｆ２２）。

ここで、図１０を用いて、本実施形態による超音波検査装置により、翼植込み部に欠陥が無い場合の探傷結果の例について説明する。
図１０は、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、翼植込み部に欠陥が無い場合の探傷結果の例の説明図である。

図１０（Ａ）に示すように、探触子１５とシュー１９から緩く集束した超音波ビームを送信し、２段フックが探傷できるようにビームをセクタスキャンする。ビームが８２の位置にあるときには、受信波形は、図１０（Ｂ）に示す画面例８３ａのような特徴を示す。なお、画面例８３ａの中には、フック立ち上がり部の形状エコーに対応する時間ゲート３４、フックコーナー部の欠陥エコーに対応する時間ゲート３５、フック肩部からの形状エコーに対応する時間ゲート３６が表示されている。これらのゲート３６は、シミュレータ２４の路程評価結果に基づいて、ゲート発生回路３１で算出したものである。ビームが図１０（Ａ）の位置８２にあると、肩部からの形状エコー３９ａの強度は大きく、立ち上がり部からの形状エコー３７ａは小さい。コーナー部には欠陥が無いのでコーナー部のエコー３８ａは小さい。

図１０（Ａ）に示すビームが位置８１にあるときの受信波形は、図１０（Ｃ）に示す画面例８３ｂに示すように、立ち上がり部からの形状エコー３７ｂは大きく、コーナー部からのエコー３８ｂや肩部からのエコー３９ｂは小さい。

超音波ビームをセクタスキャンした結果を、各路程でのエコー強度の最大値を表示するように合成すると、図１０（Ｄ）に示す画面例８３ｃのように立ち上がり部の形状エコー３７ｃと肩部の形状エコー３９ｃは大きく、コーナー部の欠陥エコー３８ｃは小さい。また、セクタスキャンの結果をＢスコープで表示すると、図１０（Ｅ）に示す画面例８３ｄのように、着目する検査範囲８６の中でフック立ち上がり部でのインジケーション８７ａとフック肩部のインジケーション８９ａが表示される。

次に、図１１を用いて、本実施形態による超音波検査装置により、翼植込み部に欠陥が有る場合の探傷結果の例について説明する。
図１１は、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、翼植込み部に欠陥が有る場合の探傷結果の例の説明図である。

図１１（Ａ）に示すように、ビームが位置８２にあるときには、受信波形は、図１１（Ｂ）に示す画面例８３ｄのような特徴を示す。コーナー部に欠陥５４があるのでコーナー部のエコー３８ｄの強度は大きくなり、肩部からの形状エコー３９ｄは欠陥５４の遮蔽の影響を受けるので強度が低下する。立ち上がり部からの形状エコー３７ａは小さいままである。

図１１（Ａ）に示すように、ビームが８１の位置にあるときの受信波形は、図１１（Ｃ）に示す画面例８３ｅに示すように、立ち上がり部からの形状エコー３７ｅは大きく、コーナー部からのエコー３８ｅや肩部からのエコー３９ｂは小さい、という特徴は欠陥の有無に関わらず同じである。

超音波ビームをセクタスキャンした結果を、各路程でのエコー強度の最大値を表示するように合成すると、図１１（Ｄ）に示す画面例８３ｆのようにコーナー部のエコー３８ｆの強度は大きくなり、肩部からの形状エコー３９ｆの強度は低下する。立ち上がり部からの形状エコー３７ｆの強度は欠陥の有無には影響されない。また、セクタスキャンの結果をＢスコープで表示すると、図１１（Ｅ）に示す画面例８４ｄのように、フック立ち上がり部でのインジケーション８７ｄとフック肩部のインジケーション８９ｄに加えて、フックコーナー部のインジケーション８８ｄも表示される。

このような収録波形から、図６に示したエコー強度算出部３２は、ゲート発生回路３１が発生する、図１０（Ｂ）や図１１（Ｂ）に示したゲート３４，３５，３６内のエコー強度を自動算出する。さらに、エコー強度比算出部３３は、ゲート３５内のエコー強度をゲート３６内のエコー強度で除算し、コーナー部の欠陥エコーと肩部の形状エコーの強度比を算出する。これらの探傷結果を、表示部３４に表示し、記録部３５に記録する（図７の手順Ｆ２２）。

上述したように、径方向への超音波ビームの電子走査を繰り返している状態で、スキャナ１１を周方向へ機械走査する（図７の手順Ｆ２３）。エンコーダケーブル１８を経由して信号変換部２７が受信したエンコーダ信号からスキャナ１１の走行距離を算出し、収録ピッチに相当する距離を周方向走査する度に、波形収録、信号処理、結果表示を行う（図７の手順Ｆ２４，Ｆ２５）。

次に、図１２を用いて、本実施形態による超音波検査装置により、周方向への機械走査中の、エコー強度とエコー強度比の変化の例について説明する。
図１２は、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、周方向への機械走査中の、エコー強度とエコー強度比の変化の例の説明図である。

画面９０には、周方向への機械走査中の、エコー強度とエコー強度比の変化が示される。表示例の上段には、フック立ち上がり部からの形状エコーの強度変化９１、フックコーナー部からの欠陥エコーの強度変化９２、フック肩部からの形状エコーの強度変化９３の変化を示している。立ち上がり部の形状エコーは欠陥の有無に関わらず一定のはずであり、フック立ち上がり部形状エコー９１のエコー高さに大きな変動があるときには検査装置の不具合を疑わなければならない。このため表示画面上には、立ち上がり部形状エコー９１の正常範囲の上限９４ａと下限９４ｂが表示してあり、操作者が検査装置の不具合にすぐに気がつくようにしている。表示画面の後半で、コーナー部欠陥エコー９２の強度が増大し、肩部形状エコー９３の強度が低下していることから、２段フックのコーナー部に欠陥が存在していると判断できる。コーナー部欠陥エコー９２と肩部形状エコー９３の強度比９５の変化をみれば、欠陥の存在はいっそう判断しやすくなる。しきい値９６を予め定めておけば、欠陥検出の自動判断も可能になる。また、エコー強度比算出部３３には、欠陥サイズとエコー強度比の関連性を予め求めて記憶されており、エコー強度比から欠陥の寸法を評価することもできる。

また、エコー強度比算出部３３は、探傷感度を調整することができる。すなわち、図３に一点鎖線５５に示した経路のフック立ち上がり部５１の形状エコーの強度に着目して、これが一定の値となるよう、超音波を送受信するように制御する。

探触子１５の機械走査を継続し、スキャナ１１がシャフト面上を１周走行して、探傷開始位置に戻ったら（図７の手順Ｆ２４）、翼植込み部片側の２段フックの検査が完了する。また、翼植込み部３段フックを検査する場合には、２段フックの検査の場合と同様な手順で、図７に記載した判定・操作手順を示すフローチャートを繰り返す。

次に、図１３及び図１４を用いて、本実施形態による超音波検査装置により、１段フックを検査する場合に超音波ビームの屈折角を４５°とする直線経路がとれない場合の探傷条件設定方法について説明する。
図１３及び図１４は、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、１段フックを検査する場合に超音波ビームの屈折角を４５°とする直線経路がとれない場合の探傷条件設定方法の説明図である。

図７の手順Ｆ１５の分岐がＮｏとなった場合、すなわち、１段フックを検査する場合に超音波ビームの屈折角を４５°とする直線経路がとれない場合の、探傷条件設定方法について説明する。

図１３は、１段フックを検査するときの超音波ビームの入射位置を決める際に参照する画面表示の例である。操作者が、１段フックの欠陥発生候補としてフックコーナー部をマウスでクリックすると、マーカー６１が画面上に表示されると同時に、欠陥の検出感度が最良となる屈折角４５°伝播経路も点線６２として表示される。操作者は、図１３の画面を見て、点線６２で示される経路には翼植込み溝の障害があるので直線経路がとれないと判断し（図７の手順Ｆ１５：Ｎｏ）、点線６２とホイール側面の交点より下側の部分をクリックする。

その結果、表示画面は図１４のように変化し、クリックした点に超音波の入射位置を示すマーカー６３が表示されると同時に、フック立ち上がり部への伝播経路６５、コーナー部への伝播経路６６、肩部への伝播経路６７も画面上に表示され、今度の経路には障害がないことを確認できる（図７の手順Ｆ１５：Ｙｅｓ）。

次に、幾何的な焦点位置を肩部にしたケースを検討するため、伝播経路６７とフック肩部の交点をマウスでクリックすると（図７の手順Ｆ１６）、幾何焦点のマーカー６４ａが表示される。シミュレータ２４は音場計算を行い、肩部でのビーム径の算出結果を７６に表示する。操作者は、肩部でのビーム径７６の肩部の曲率Ｒの値７５を比較し（図７の手順Ｆ１７）、ビーム径の方が大きい場合には探傷条件の設定を完了する（図７の手順Ｆ１８）。７６のほうが小さい場合には、幾何焦点の位置を６４ｂなどに変更し、肩部でのビーム径７６が肩部での曲率Ｒより大きくなるまで探索を行う。このようにして探傷条件の設定を完了したあとは（図７の手順Ｆ１８）、２段フックの検査の場合と同様な手順で（図７の手順Ｆ２１〜図７の手順Ｆ２５）、１段フックの健全性を検査する。

以上のように、超音波ビームの送受信先を各段フックに設定し、スキャナ１１を周方向に回転走行させるフック段数の数に応じて（３段フックの場合は３回転）行うと、翼植込み部片側の検査が完了する。

次に、図１５を用いて、本実施形態による超音波検査装置により、３回の走査で検査した結果のうち、ある周方向角度θの検査結果のＢスコープ像を同時に表示した画面例の例について説明する。
図１５は、本発明の第１の実施形態による超音波検査装置により、３回の走査で検査した結果のうち、ある周方向角度θの検査結果のＢスコープ像を同時に表示した画面例の例の説明図である。

図１５（Ａ）に示すように１段フックの走査を行い、図１５（Ｂ）に示すように２段フックの走査を行い、図１５（Ｃ）に示すように３段フックの走査を行う。そして、図１５（Ｄ）は、３回の走査で検査した結果のうち、ある周方向角度θの検査結果のＢスコープ像を同時に表示した画面例９７を示す。スキャナ１１の周方向位置θはエンコーダ１７の信号から正確に評価できるので、別々に走査した各段フックの検査結果からでも、同じθの検査結果を選定して同一画面に表示することができる。

片側の翼植込み部の検査が完了したら、スキャナ１１をタービンホイール３の反対側に移動させて、今までと逆側に設置する。超音波ビームの送受信先を各段フックに設定し、スキャナ１１を周方向に回転走行させる操作を３回行うと、翼植込み部の逆側溝が検査でき、タービンホイールの翼植え込み溝の検査が完了する。

以上説明したように、本実施形態により、単一素子の探触子を使用したときよりも欠陥検出性を向上させながら、欠陥サイジングも可能となる。

次に、図１６を用いて、本発明の第２の実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による超音波検査装置の構成は、図６に示したものと同様である。
図１６は、本発明の第２の実施形態による超音波検査装置による検査方法の例の説明図である。

本実施形態では、３段フックの翼植込み部を検査する場合に、フック３段分を一気に検査する。超音波波形の収録・信号処理が短時間で行える検査装置を使用できる場合に翼植込み部検査の全体時間を短縮できる特徴がある。

図１６は、本実施形態における超音波ビームの電子走査の概要と検査結果のＢスコープ表示例９８を示している。図１６（Ａ）に示すような断面形状の翼植込み部を検査する場合、１段フックの肩部への超音波ビームの伝播経路が最も翼植込み溝による障害を受けやすい。したがって、図１３に示したような画面表示を参照しながら、１段フック肩部への直線経路がとれるように超音波入射位置を決定する。また、１段フックの肩部への路程がもっとも長くなるので、図１４に示したような画面表示を参照しながら、１段フック肩部でのビーム径が肩部の曲率Ｒより大きくなるように設定すれば、２〜３段フック肩部でのビーム径は肩部の曲率Ｒより自ずと大きくなる。

図１６（Ａ）に示すように、探触子１５とシュー１９から緩く集束した超音波ビームを送信し、３段フック立ち上がり部から１段フック肩部までの範囲をセクタスキャンすると、１〜３段フックの立ち上がり部・コーナー部・肩部のエコーを全て受信し得る。

このときのＢスコープ像は、図１６（Ｂ）の表示例９８に示すようになる。このように径方向への超音波ビームの電子走査を繰り返している状態で、第１の実施形態と同様にスキャナ１１を周方向へ機械走査する。スキャナ１１が周方向へ１回転走行すると翼植込み部片側の検査が完了する。スキャナ１１をタービンホイール３の反対側に移動させて、スキャナ１１を周方向に１回転走行させるとタービンホイールの翼植え込み溝の検査が完了する。

以上説明したように、本実施形態により、単一素子の探触子を使用したときよりも欠陥検出性を向上させながら、欠陥サイジングも可能となる。

また、超音波波形の収録・信号処理が短時間で行える検査装置を使用できる場合には、翼植込み部検査の全体時間を短縮できる。

次に、図１７を用いて、本発明の第３の実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による超音波検査装置の構成は、図６に示したものと同様である。
図１７は、本発明の第３の実施形態による超音波検査装置による検査方法の例の説明図である。

本実施形態では、フック１段分が一気に検査できる程度に超音波ビームを極めて緩く絞り、径方向の電子走査（セクタスキャン）無しで翼植込み部を検査する方法である。開口の大きな超音波探触子が必要となるが、第１の実施形態や第２の実施形態と比較して、検査時間を著しく短縮できる特徴がある。

図１７は、第３の実施例によって翼植込み部の２段フックを検査するときの超音波ビーム送受信の概要と検査結果のＢスコープ表示例８４ｇを示す。

図１７（Ａ）に示すように、開口の大きな探触子１５ｇとそれに適合したシュー１９ｇから、２段フックの立ち上がり部・コーナー部・肩部からのエコーを受信し得るようなビーム径の超音波を送受信する。このときのＢスコープ像は、図１７（Ｂ）に示す表示例８４ｇのようになる。径方向への電子走査（セクタスキャン）を不要にできるので、収録波形の数を減らすことができる。この状態で、第１の実施形態と同様にスキャナ１１を周方向へ機械走査する。超音波ビームの送受信先を各段フックに設定し、スキャナ１１を周方向に１回転走行とさせる操作を３回行うと、翼植込み部片側の検査が完了する。片側の翼植込み部の検査が完了したら、スキャナ１１をタービンホイール３の反対側に移動させて、今までと逆側に設置する。超音波ビームの送受信先を各段フックに設定し、スキャナ１１を周方向に回転走行させる操作を３回行うと、翼植込み部の逆側溝が検査でき、タービンホイールの翼植え込み溝の検査が完了する。

以上説明したように、本実施形態により、単一素子の探触子を使用したときよりも欠陥検出性を向上させながら、欠陥サイジングも可能となる。

また、翼植込み部検査の全体時間をさらに短縮できる。

次に、図１８を用いて、本発明の第４の実施形態による超音波検査装置の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態による超音波検査装置の構成は、図６に示したものと同様である。
図１８は、本発明の第４の実施形態による超音波検査装置による検査方法の例の説明図である。

第１〜第３の実施形態の検査対象は、図１７（Ａ）に示すようなテーパーの無いホイールであったが、本実施形態では、図１７（Ｂ）に示すようなテーパーの有るホイールを検査対象としている。検査装置のハード構成上は、第１〜第３の実施形態で用いたテーパー無しホイール３用のシュー１９を、テーパー有りホイール３ｂ用のシュー１９ｂに変更だけでも対応できる。テーパーの有無により、ビームの屈折角や検査対象フックまでの路程が変化するが、図６に示す検査装置の遅延パターン作成記憶部２３に記憶する遅延パターンなどの書き換え操作により、第１〜第３の実施形態と同等の方法でテーパー有りホイールの検査が可能となる。

１…タービンロータ
２…シャフト
３…ホイール
４…動翼
５…翼植込み部
１１…スキャナ
１２，１３…磁気車輪
１４…ボールねじ
１５…フェーズドアレイ探触子
１７…エンコーダ
１９…シュー
２０…制御・信号処理部
２１…設定手段
２２…設定条件記憶部
２３…遅延パターン作成・記憶部
２４…シミュレータ
２５…遅延パターン制御部
２６…加算回路
２７…信号変換部
２８…探傷結果記憶部
３１…ゲート発生回路
３２…エコー強度算出部
３３…エコー強度比算出部
３４…表示部
３５…記憶部
４０…送受信部
４１…送信回路
４５…遅延メモリ
５１…フック立ち上がり部
５２…フックコーナー部
５３…フック肩部

Claims (17)

1. タービンホイールの側面から翼植込み部に向けて、軸方向には垂直の向きで、径方向には斜角の向きで超音波を送受信し、前記翼植込み部のフックコーナー部を起点とする周方向欠陥を探傷する超音波検査方法であって、
   フェーズドアレイ探触子を用いて、前記翼植込み部のフック肩部の曲率半径よりも、超音波ビームの集束径が大きくなるように超音波を緩く集束するビームパターンの超音波を送受信することを特徴とするタービン翼植込み部の超音波検査方法。
2. 請求項１に記載の超音波検査法において、
   超音波受信波形の伝播時間から、前記フックコーナー部を起点とした欠陥がある場合に発生する欠陥エコーと、前記フックコーナー部に割欠陥がある場合に、欠陥で超音波が遮蔽されてエコー強度が低下する前記フック肩部の形状エコーと、前記フックコーナー部の欠陥の有無とは無関係な前記フック立ち上がり部の形状エコーと、を抽出し、それぞれのエコー強度を独立して求めることを特徴とするタービン翼植込み部の超音波検査方法。
3. 請求項２に記載の超音波検査法において、
   前記フックコーナー部を起点とした欠陥からの欠陥エコー強度と、前記フック肩部の形状エコー強度で除算して両者の比を算出し、その除算結果から割れの有無を判定することを特徴とするタービン翼植込み部の超音波検査方法。
4. 請求項３に記載の超音波検査法において、
   前記除算結果と、予め作成しておいた除算結果と欠陥寸法の関連性と、を比較して欠陥寸法を求めることを特徴とするタービン翼植込み部の超音波検査方法。
5. 請求項１に記載の超音波検査方法において、
   前記フック立ち上がり部の形状エコー強度が一定の値となるように探傷感度を調整して、超音波を送受信することを特徴とするタービン翼植込み部の超音波検査方法。
6. 請求項１に記載の超音波検査方法において、
   複数のフックを持つ翼植込み部を検査する場合に、
   少なくとも最下段のフック立ち上がり部から最上段のフック肩部までの範囲について、超音波ビームを径方向に電子的に走査しながら、前記フェーズドアレイ探触子を周方向に機械的に走査することを特徴とするタービン翼植込み部の超音波検査方法。
7. 請求項１に記載の超音波検査方法において、
   複数のフックを持つ翼植込み部を検査する場合に、
   フック１段分の立ち上がり部から肩部までの範囲について、超音波ビームを径方向に電子的に走査しながら、前記フェーズドアレイ探触子を周方向に機械的に走査することを、前記フックの段数分だけ繰り返すことを特徴とするタービン翼植込み部の超音波検査方法。
8. 請求項７に記載の超音波検査方法において、
   被検査フックコーナー部への超音波ビームの屈折角が４５°になるように、被検査フックによって超音波送受信位置を変更することを特徴とするタービン翼植込み部の超音波検査方法。
9. 請求項８に記載の超音波検査方法において、
   タービンロータの構造上の制約で、前記被検査フックコーナー部への超音波ビームの屈折角が４５°の直線経路がとれない場合には、直線経路がとれる範囲で屈折角が４５°に近くなるような超音波送受信位置とすることを特徴とするタービン翼植込み部の超音波検査方法。
10. 請求項８に記載の超音波検査方法において、
    フック段数分の回数だけ分割して収録した検査結果を、同一の画面上に同時に表示することを特徴とするタービン翼植込み部の超音波検査方法。
11. 請求項１に記載の超音波検査方法において、
    前記フェーズドアレイ探触子から送受信する超音波ビームのパターンが探触子の中心軸に対して対称的となるように、前記フェーズドアレイ探触子とシューを組み合わせて斜角超音波を送受信することを特徴とするタービン翼植込み部の超音波検査方法。
12. 超音波の送受信および超音波ビームを電子走査するフェーズドアレイ探触子および制御信号処理部と送受信部とを有する超音波探傷器と、前記フェーズドアレイ探触子を把持し周方向に走査する走査手段、前記超音波探傷器による検査結果を表示する手段とを備え、
    タービンホイールの側面から翼植込み部に向けて、軸方向には垂直の向きで、径方向には斜角の向きで超音波を送受信し、前記翼植込み部のフックコーナー部を起点とする周方向欠陥を探傷するとともに、
    前記フェーズドアレイ探触子を用いて、前記翼植込み部のフック肩部の曲率半径よりも、超音波ビームの集束径が大きくなるように超音波を緩く集束するビームパターンの超音波を送受信することを特徴とするタービン翼植込み部用の超音波検査装置。
13. 請求項１２に記載の超音波検査装置において、
    前記フック肩部の曲率半径と超音波ビームの集束径を比較するために、超音波の周波数・フェーズドアレイ探触子の素子数・素子ピッチ・焦点距離の値から、音場計算で超音波ビーム径を算出する算出手段と、
    該算出手段により算出したビーム径を表示する表示手段とを備えることを特徴とするタービン翼植込み部用の超音波検査装置。
14. 請求項１２に記載の超音波検査装置において、
    前記フック立ち上がり部からのエコーと、前記フックコーナー部からのエコーと、前記フック肩部からのエコーを独立して抽出する３つ以上の時間ゲートと、それぞれのゲート内のエコー強度を求める強度算出手段を備えることを特徴とするタービン翼植込み部用の超音波検査装置。
15. 請求項１２に記載の超音波検査装置において、
    前記フックコーナー部のエコー強度と、前記フック肩部のエコー強度を除算して両者の比を求める比算出手段と、
    予め作成しておいた除算結果と欠陥寸法の関連性を記憶する記憶手段と、
    該記憶手段に記憶された除算結果と欠陥寸法の関連性と、前記比算出手段により算出された除算結果とを用いて、欠陥寸法を求めて表示する算出表示手段とを備えることを特徴とするタービン翼植込み部用の超音波検査装置。
16. 請求項１２に記載の超音波検査装置において、
    前記フェーズドアレイ探触子の周方向の走査位置を正確に測定記録するための測定記録手段と、
    フック段数分の回数だけ分割して収録した検査結果を重ね合わせる重ね合わせ手段と、
    該重ね合わせ手段により重ね合わせた結果を表示する表示手段とを備えることを特徴とするタービン翼植込み部用の超音波検査装置。
17. 請求項１２に記載の超音波検査装置において、
    検査するタービンホイールの形状に合わせてシューを交換できる方式で、フェーズドアレイ探触子とシューを組合せることができる手段を備えることを特徴とするタービン翼植込み部用の超音波検査装置。

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