JP2016200059A - タービンブレードの補修方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】タービンブレードのシュラウドの摩耗部分に肉盛溶接を行って肉盛部を形成した後、当該肉盛部を切削して補修する際に、シュラウドが肉盛溶接で熱変形されている場合でも、母材を傷つけることなくＮＣ加工機により指定形状に切削する。
【解決手段】タービンブレード１をＮＣ加工機にセットしてシュラウドの肉盛溶接されていない部分を三次元計測することにより変形後のワーク形状データを取得し、ワーク形状データが予め登録された設計形状データの許容された公差内に収まるように、設計形状データを平行移動及び回転移動させ、あるいは、公差内で拡大縮小してワーク形状データにマッチングさせ、設計形状データに基づきその公差領域の外側部分を切削するツールパスを自動演算により算出し、当該ツールパスに基づきＮＣ加工機で切削加工することとした。
【選択図】図２
【解決手段】タービンブレード１をＮＣ加工機にセットしてシュラウドの肉盛溶接されていない部分を三次元計測することにより変形後のワーク形状データを取得し、ワーク形状データが予め登録された設計形状データの許容された公差内に収まるように、設計形状データを平行移動及び回転移動させ、あるいは、公差内で拡大縮小してワーク形状データにマッチングさせ、設計形状データに基づきその公差領域の外側部分を切削するツールパスを自動演算により算出し、当該ツールパスに基づきＮＣ加工機で切削加工することとした。
【選択図】図２
Description
本発明は、ジェットエンジンのロータ等に使用されるタービンブレードの補修方法に関する。
タービンのロータに放射状に取り付けられるタービンブレード１は、図３に示すように、その先端側にシュラウド２が形成されている。
シュラウド２は、翼３に対して略直交するプラットフォーム４の外周面側に、ステータとの間でラビリンスシールを構成するシールティース５が、ロータの回転方向に沿って並列に形成されている。また、プラットフォーム４の左右端縁は、翼同士の間隔や位置を保持するため屈曲線状のＺフォーム部６Ｌ、６Ｒに形成されており、使用によりＺフォーム部６Ｌ、６Ｒやシールティース５が摩耗する。
シュラウド２は、翼３に対して略直交するプラットフォーム４の外周面側に、ステータとの間でラビリンスシールを構成するシールティース５が、ロータの回転方向に沿って並列に形成されている。また、プラットフォーム４の左右端縁は、翼同士の間隔や位置を保持するため屈曲線状のＺフォーム部６Ｌ、６Ｒに形成されており、使用によりＺフォーム部６Ｌ、６Ｒやシールティース５が摩耗する。
このため、摩耗部分に肉盛溶接を行って肉盛部７を形成し、Ｚフォーム部６Ｌ、６Ｒはその端縁形状に形成されたフォームド砥石で研削し、肉盛部７の余剰部分をグラインダー等で手仕上げ加工して、元の形状に成形し直す補修作業が行われる。
しかし、このような手仕上げ加工では、効率が悪いだけでなく、寸法精度が低いものを再使用せざるを得ないという問題があった。
しかし、このような手仕上げ加工では、効率が悪いだけでなく、寸法精度が低いものを再使用せざるを得ないという問題があった。
そこで、出願人は、ＮＣ加工技術を応用し、そのタービンブレード１の設計形状データに基づいて、シュラウド２を自動的に補修することを試みた。
シュラウド２は、その位置を規定するため、後方端縁６Ｂと、その右側Ｚフォーム部６Ｒの後端側端縁６Ｃが基準面として規定され、その基準面となる端縁６Ｂ及び６Ｃには肉盛溶接することが禁止されている。
したがって、ＮＣ加工する際には肉盛溶接されていない端縁６Ｂ及び６Ｃを基準面として設計形状データをマッチングさせてツールパスの設定を行う。
シュラウド２は、その位置を規定するため、後方端縁６Ｂと、その右側Ｚフォーム部６Ｒの後端側端縁６Ｃが基準面として規定され、その基準面となる端縁６Ｂ及び６Ｃには肉盛溶接することが禁止されている。
したがって、ＮＣ加工する際には肉盛溶接されていない端縁６Ｂ及び６Ｃを基準面として設計形状データをマッチングさせてツールパスの設定を行う。
しかしながら、補修対象となるタービンブレード１は肉盛溶接時の高熱の影響を受け、基準面となる端縁６Ｂ及び６Ｃを含め全体が熱変形している。したがって、これら端縁６Ｂ及び６Ｃを基準面として設計形状データをマッチングさせてツールパスを設定すると、許容された公差を考慮しても、シュラウド２の母材を傷つけてしまうことが判明した。
補修により切削加工が許される部分は肉盛部７のみであり、母材を切削してしまうと規格外となり再使用することができない。
補修により切削加工が許される部分は肉盛部７のみであり、母材を切削してしまうと規格外となり再使用することができない。
そこで本発明は、シュラウドが摩耗又は熱変形して元の形状が維持されていない場合でも、摩耗した部分に肉盛して、設計データに基づきＮＣ加工機により母材を傷つけることなく指定形状に成形できるようにすることを技術的課題とする。
この課題を解決するために、本発明は、タービンブレードの先端側シュラウドのプラットフォームの左右端縁及びシールティースが摩耗又は熱変形したときに、当該シュラウドの肉盛溶接が許容された箇所に肉盛溶接を行って肉盛部を形成した後、当該肉盛部のはみ出し部分を切削して補修するタービンブレードの補修方法において、
タービンブレードをＮＣ加工機にセットした状態で、シュラウドの肉盛溶接されていない部分を三次元計測することによりワーク形状データを取得し、
前記ワーク形状データが予め登録された設計形状データについて許容された公差内に収まるように、設計形状データを平行移動及び回転移動させてタービンブレードのワーク形状データにマッチングさせ、
前記設計形状データに基づきその公差領域の外側部分を切削するツールパスを算出し、
当該ツールパスに基づき前記ＮＣ加工機で切削加工することを特徴とする。
タービンブレードをＮＣ加工機にセットした状態で、シュラウドの肉盛溶接されていない部分を三次元計測することによりワーク形状データを取得し、
前記ワーク形状データが予め登録された設計形状データについて許容された公差内に収まるように、設計形状データを平行移動及び回転移動させてタービンブレードのワーク形状データにマッチングさせ、
前記設計形状データに基づきその公差領域の外側部分を切削するツールパスを算出し、
当該ツールパスに基づき前記ＮＣ加工機で切削加工することを特徴とする。
本発明方法によれば、タービンブレードをＮＣ加工機にセットした状態で測定されたシュラウド部分のワーク形状データが、タービンブレードの設計形状データの許容された公差内に収まるように設計形状データを平行移動及び回転移動させてマッチングを行った後、その公差領域の外側部分を切削加工するツールパスが設定されるので、設計形状データの公差領域の内側部分は切削されずに残され、外側部分のみが切削される。
ワーク形状データは、補修しようとするシュラウドの母材部分の三次元データであり、この母材部分が設計形状データの公差内に収まっているので母材は切削されることがなく、公差領域の外側にはみ出た肉盛部のみを切削することができ、シュラウド全体を設計形状データ通りにその公差内に収まるように補修することができる。
ワーク形状データは、補修しようとするシュラウドの母材部分の三次元データであり、この母材部分が設計形状データの公差内に収まっているので母材は切削されることがなく、公差領域の外側にはみ出た肉盛部のみを切削することができ、シュラウド全体を設計形状データ通りにその公差内に収まるように補修することができる。
本例は、タービンブレード先端のシュラウドを補修する際に、シュラウドが摩耗したり熱変形して元の形状が維持されていない場合でも、設計データに基づきＮＣ加工機により指定形状に成形できるようにするために、
タービンブレードの先端側シュラウドのプラットフォームの左右端縁及びシールティースが摩耗又は熱変形したときに、当該シュラウドの肉盛溶接が許容された箇所に肉盛溶接を行って肉盛部を形成した後、当該肉盛部のはみ出し部分を切削して補修するタービンブレードの補修方法において、
タービンブレードをＮＣ加工機にセットした状態で、シュラウドの肉盛溶接されていない部分を三次元計測することによりワーク形状データを取得し、
前記ワーク形状データが予め登録された設計形状データについて許容された公差内に収まるように、設計形状データを平行移動及び回転移動させてタービンブレードのワーク形状データにマッチングさせ、
前記設計形状データに基づきその公差領域の外側部分を切削するツールパスを算出し、
当該ツールパスに基づき前記ＮＣ加工機で切削加工することとした。
タービンブレードの先端側シュラウドのプラットフォームの左右端縁及びシールティースが摩耗又は熱変形したときに、当該シュラウドの肉盛溶接が許容された箇所に肉盛溶接を行って肉盛部を形成した後、当該肉盛部のはみ出し部分を切削して補修するタービンブレードの補修方法において、
タービンブレードをＮＣ加工機にセットした状態で、シュラウドの肉盛溶接されていない部分を三次元計測することによりワーク形状データを取得し、
前記ワーク形状データが予め登録された設計形状データについて許容された公差内に収まるように、設計形状データを平行移動及び回転移動させてタービンブレードのワーク形状データにマッチングさせ、
前記設計形状データに基づきその公差領域の外側部分を切削するツールパスを算出し、
当該ツールパスに基づき前記ＮＣ加工機で切削加工することとした。
図１は本発明に係る補修方法で使用する補修装置１１を示し、補修対象となるブレード１を切削するＮＣ加工機１２と、ブレード１先端のシュラウド２の肉盛溶接されていない母材部分の座標を計測する三次元測定機１３と、その測定結果に基づいて得られたワーク形状データと予め設定された設計形状データに基づきツールパスを設定する演算装置１４を備えており、当該演算装置１４で設定されたツールパスに従いＮＣ加工機１２で切削加工が実行される。
ＮＣ加工機１２は、Ｘθテーブル２１、Ｚθテーブル２２、Ｘ軸テーブル２３、Ｙ軸テーブル２４、鉛直Ｖ軸テーブル２５を備えた５軸制御のものが用いられており、Ｖ軸テーブル２５に主軸２６が設けられ、Ｙ軸テーブル２４にワーククランパ２７が取り付けられている。
主軸２６位置には、ブレード１の切削箇所に応じた種類のツール２８がオートツールチェンジャにより交換されてセットされる。
また、水平Ｈ軸テーブル２９には切削工具の摩耗やＺ軸方向位置を精密測定するタッチプローブ３０が取り付けられている。
三次元測定機１３は、工具交換用スピンドルコレットに装着されて主軸２６位置にセットされるタッチプローブ３１と、ＮＣ加工機１２の各テーブル２１〜２５の位置座標を読み取る座標リーダ３２からなり、タッチプローブ３１がワークに接した時点の座標データが精密測定される。
主軸２６位置には、ブレード１の切削箇所に応じた種類のツール２８がオートツールチェンジャにより交換されてセットされる。
また、水平Ｈ軸テーブル２９には切削工具の摩耗やＺ軸方向位置を精密測定するタッチプローブ３０が取り付けられている。
三次元測定機１３は、工具交換用スピンドルコレットに装着されて主軸２６位置にセットされるタッチプローブ３１と、ＮＣ加工機１２の各テーブル２１〜２５の位置座標を読み取る座標リーダ３２からなり、タッチプローブ３１がワークに接した時点の座標データが精密測定される。
図２は演算装置１４による処理手順を示す工程図である。
まず、タービンブレード１のシュラウド２のＺフォーム部６Ｌ、６Ｒに形成された左右端縁やシールティース５の先端側に肉盛溶接を行ってワーククランパ２７に固定し、ステップＳＴＰ１で工具交換用スピンドルコレットにより主軸２６位置にセットされたタッチプローブ３１を用いて、母材が露出しているプラットフォーム４の基準面となる端縁６Ｂ及び６Ｃ、表面、シールティース５の根元部分の多数の点について三次元計測を行う。
ステップＳＴＰ２で計測が終了したと判断されたらステップＳＴＰ３に移行し、三次元座標データが計測された点集合のデータをワーク形状データとして所定の記憶領域に記憶する。
まず、タービンブレード１のシュラウド２のＺフォーム部６Ｌ、６Ｒに形成された左右端縁やシールティース５の先端側に肉盛溶接を行ってワーククランパ２７に固定し、ステップＳＴＰ１で工具交換用スピンドルコレットにより主軸２６位置にセットされたタッチプローブ３１を用いて、母材が露出しているプラットフォーム４の基準面となる端縁６Ｂ及び６Ｃ、表面、シールティース５の根元部分の多数の点について三次元計測を行う。
ステップＳＴＰ２で計測が終了したと判断されたらステップＳＴＰ３に移行し、三次元座標データが計測された点集合のデータをワーク形状データとして所定の記憶領域に記憶する。
次いで、ステップＳＴＰ４に移行し、予め登録されたタービンブレード１の設計形状データを読み出し、ステップＳＴＰ５でワーク形状データとのマッチング処理を行う。
このマッチング処理は、ワーク形状データが、予め登録された設計形状データの許容された公差内に収まるように、設計形状データを平行移動及び回転移動させ、あるいは、許容された公差内で拡大縮小させることにより行う。
このとき、設計形状データを公差分大きくした許容形状データ内にワーク形状データが収まるように設計形状データを移動させても、また、ワーク形状データを構成する各点から設計形状データで特定される境界面に至る距離（ずれ）を算出し、その距離が公差以下になるように設計形状データを移動させてもよい。
ステップＳＴＰ６では、ステップＳＴＰ５のマッチング処理によりワーク形状データが設計形状データの公差内に収まったか否かが判断され、収まった場合はブレード１の補修が可能であると判断してステップＳＴＰ７に移行し、収まらない場合は補修不能であると判断して処理を中止する。
例えば、０.２ｍｍ程度の公差が認められている場合に、ワーク形状データを構成する各点から設計形状データで特定される境界面に至る距離（ずれ）が全て０.２ｍｍ以内であれば、公差内に収まったと判断される。
ステップＳＴＰ７では、マッチング処理された設計形状データを公差分外側に張り出した公差領域に基づき、その公差領域の外側部分を切削するツールパスが算出される。
シュラウド２を切削するツールは切削箇所に応じて予め設定されているので、そのツールに応じてツールパスが算出される。
ステップＳＴＰ８ではこのように算出されたツールパスを出力してＮＣ加工機１２を稼働させる。これにより、切削箇所に応じたツールが装着されて、設計形状データの公差領域の内側部分は切削されずに残され、外側部分のみが切削される。
ワーク形状データは、補修しようとするブレード１の母材部分の三次元データであり、マッチング処理によりこの母材部分が設計形状データの公差内に収まる場合に、その外側を切削するツールパスが設定されるので、母材は切削されることなく、公差領域の外側にはみ出た肉盛部７のみが切削される。
このマッチング処理は、ワーク形状データが、予め登録された設計形状データの許容された公差内に収まるように、設計形状データを平行移動及び回転移動させ、あるいは、許容された公差内で拡大縮小させることにより行う。
このとき、設計形状データを公差分大きくした許容形状データ内にワーク形状データが収まるように設計形状データを移動させても、また、ワーク形状データを構成する各点から設計形状データで特定される境界面に至る距離（ずれ）を算出し、その距離が公差以下になるように設計形状データを移動させてもよい。
ステップＳＴＰ６では、ステップＳＴＰ５のマッチング処理によりワーク形状データが設計形状データの公差内に収まったか否かが判断され、収まった場合はブレード１の補修が可能であると判断してステップＳＴＰ７に移行し、収まらない場合は補修不能であると判断して処理を中止する。
例えば、０.２ｍｍ程度の公差が認められている場合に、ワーク形状データを構成する各点から設計形状データで特定される境界面に至る距離（ずれ）が全て０.２ｍｍ以内であれば、公差内に収まったと判断される。
ステップＳＴＰ７では、マッチング処理された設計形状データを公差分外側に張り出した公差領域に基づき、その公差領域の外側部分を切削するツールパスが算出される。
シュラウド２を切削するツールは切削箇所に応じて予め設定されているので、そのツールに応じてツールパスが算出される。
ステップＳＴＰ８ではこのように算出されたツールパスを出力してＮＣ加工機１２を稼働させる。これにより、切削箇所に応じたツールが装着されて、設計形状データの公差領域の内側部分は切削されずに残され、外側部分のみが切削される。
ワーク形状データは、補修しようとするブレード１の母材部分の三次元データであり、マッチング処理によりこの母材部分が設計形状データの公差内に収まる場合に、その外側を切削するツールパスが設定されるので、母材は切削されることなく、公差領域の外側にはみ出た肉盛部７のみが切削される。
以上が本発明の一構成例であって、次にその作用について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、タービンブレードの補修作業において、シュラウド２のプラットフォーム４の右側Ｚフォーム部６Ｒ中、基準面となる端縁６Ｃを除く部分と、左側Ｚフォーム部６Ｌに肉盛溶接して、肉盛部７を形成する。
また、図３（ｂ）に示すように、シールティース５については、プラットフォーム４側の根元部分に肉盛溶接することは禁止されているので、上端側の摩耗した部分に肉盛溶接して肉盛部7を形成する。
まず、図３（ａ）に示すように、タービンブレードの補修作業において、シュラウド２のプラットフォーム４の右側Ｚフォーム部６Ｒ中、基準面となる端縁６Ｃを除く部分と、左側Ｚフォーム部６Ｌに肉盛溶接して、肉盛部７を形成する。
また、図３（ｂ）に示すように、シールティース５については、プラットフォーム４側の根元部分に肉盛溶接することは禁止されているので、上端側の摩耗した部分に肉盛溶接して肉盛部7を形成する。
次いで、タービンブレード１をワーククランパ２７に固定し、母材が露出している部分について三次元計測を行い、ワーク形状データを生成する（ステップＳＴＰ１〜３）。
すなわち、プラットフォーム４の表面部分や基準面となる端縁６Ｂ及び６Ｃ、シールティース５の根元部分の多数の点の座標を三次元測定機１３で計測し、その点集合をブレード１ごとに個別のワーク形状データとして記憶する。
これにより、修理しようとするタービンブレード１ごとにワーク形状データが計測されるので、個々のタービンブレード１の変形状態を把握することができる。
次いで、予め登録されたタービンブレード１の設計形状データを平行移動及び回転移動させ、あるいは、許容された公差内で拡大縮小させて、ワーク形状データに重なるようにマッチングさせる（ステップＳＴＰ４〜５）。
ワーク形状データが設計形状データの許容された公差内に収まれば母材を傷つけることなく補修可能であるので、設計形状データに基づきその公差領域の外側部分を切削するツールパスが設定される（ステップＳＴＰ６〜７）。
すなわち、プラットフォーム４の表面部分や基準面となる端縁６Ｂ及び６Ｃ、シールティース５の根元部分の多数の点の座標を三次元測定機１３で計測し、その点集合をブレード１ごとに個別のワーク形状データとして記憶する。
これにより、修理しようとするタービンブレード１ごとにワーク形状データが計測されるので、個々のタービンブレード１の変形状態を把握することができる。
次いで、予め登録されたタービンブレード１の設計形状データを平行移動及び回転移動させ、あるいは、許容された公差内で拡大縮小させて、ワーク形状データに重なるようにマッチングさせる（ステップＳＴＰ４〜５）。
ワーク形状データが設計形状データの許容された公差内に収まれば母材を傷つけることなく補修可能であるので、設計形状データに基づきその公差領域の外側部分を切削するツールパスが設定される（ステップＳＴＰ６〜７）。
このように設定されたツールパスをＮＣ加工機１２に出力すると、ＮＣ加工機で切削加工が実行される（ステップＳＴＰ８）。
このツールパスによれば、設計形状データの公差領域の内側部分は切削されずに残され、外側部分のみが切削される。
ワーク形状データは、補修しようとするブレード母材部分の三次元データであり、この母材部分が設計形状データの公差内に収まっているので、母材は切削されることなく、公差領域の外側にはみ出た肉盛部７のみを切削することができる。
したがって、切削加工されたタービンブレード１の仕上がりは設計形状データの公差内に収まり、シュラウド２が熱変形している場合であっても、ＮＣ加工機１２により母材を傷つけることなく、高精度で設計形状データ通りに補修することができると同時に、補修コストを著しく低減することができる。
このツールパスによれば、設計形状データの公差領域の内側部分は切削されずに残され、外側部分のみが切削される。
ワーク形状データは、補修しようとするブレード母材部分の三次元データであり、この母材部分が設計形状データの公差内に収まっているので、母材は切削されることなく、公差領域の外側にはみ出た肉盛部７のみを切削することができる。
したがって、切削加工されたタービンブレード１の仕上がりは設計形状データの公差内に収まり、シュラウド２が熱変形している場合であっても、ＮＣ加工機１２により母材を傷つけることなく、高精度で設計形状データ通りに補修することができると同時に、補修コストを著しく低減することができる。
本発明は、タービンブレードのシュラウドが摩耗し、又は、熱変形した場合にこれを補修する用途に適用し得る。
１ タービンブレード
２ シュラウド
３ 翼
４ プラットフォーム
５ シールティース
６Ｒ Ｚフォーム部
６Ｌ Ｚフォーム部
７ 肉盛部
１２ ＮＣ加工機
１３ 三次元測定機
１４ 演算装置
２ シュラウド
３ 翼
４ プラットフォーム
５ シールティース
６Ｒ Ｚフォーム部
６Ｌ Ｚフォーム部
７ 肉盛部
１２ ＮＣ加工機
１３ 三次元測定機
１４ 演算装置
Claims (1)
- タービンブレードの先端側シュラウドのプラットフォームの左右端縁及びシールティースが摩耗又は熱変形したときに、当該シュラウドの肉盛溶接が許容された箇所に肉盛溶接を行って肉盛部を形成した後、当該肉盛部のはみ出し部分を切削して補修するタービンブレードの補修方法において、
タービンブレードをＮＣ加工機にセットした状態で、シュラウドの肉盛溶接されていない部分を三次元計測することによりワーク形状データを取得し、
前記ワーク形状データが予め登録された設計形状データについて許容された公差内に収まるように、設計形状データを平行移動及び回転移動させてタービンブレードのワーク形状データにマッチングさせ、
前記設計形状データに基づきその公差領域の外側部分を切削するツールパスを算出し、
当該ツールパスに基づき前記ＮＣ加工機で切削加工することを特徴とするタービンブレードの補修方法。
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|---|---|---|---|
| JP2015080505A JP2016200059A (ja) | 2015-04-10 | 2015-04-10 | タービンブレードの補修方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111125839A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-05-08 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 | 一种用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法 |
| CN113579639A (zh) * | 2021-07-23 | 2021-11-02 | 中国电建集团长春发电设备有限公司 | 一种修复立式磨煤机碾磨件的方法及系统 |
-
2015
- 2015-04-10 JP JP2015080505A patent/JP2016200059A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111125839A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-05-08 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 | 一种用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法 |
| CN111125839B (zh) * | 2019-11-21 | 2022-10-21 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 | 一种用于涡轮叶片叶尖损伤修复加工的刀轨修正方法 |
| CN113579639A (zh) * | 2021-07-23 | 2021-11-02 | 中国电建集团长春发电设备有限公司 | 一种修复立式磨煤机碾磨件的方法及系统 |
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