ガスタービンタービンディスクの開発において、タイロッド穴は隣接するインペラを接続するための重要な機能であり、その位置精度はガスタービンローターの組み立て品質に直接影響します。 ガスタービンホイールディスクのタイロッド穴の加工技術を開拓し、高精度な位置決めと困難なボーリング加工により、ガスタービンホイールディスクのタイロッド穴加工の技術的参考となることが期待されます。
#01
ガスタービンの心臓部であるタービンインペラは複雑な構造をしており、高い加工精度が要求されます。 そのプロセス開発と最終製品の製造が鍵となります。 中でもタイロッド穴は隣り合う羽根車間の連結構造としての役割を果たしており、その重要性は自明の理である[1-3]。
タービンインペラは、図1に示すように、段間の円弧端歯の噛み合いによって接続され、ディスク表面に周方向に配置された12個のタイロッド穴にタイロッドを挿入してロータとして組み立てられます。 円弧端歯にはセルフセンタリング機能があるため、隣接する2段羽根車の噛み合い後のタイロッド穴の位置調整はできません。 そのため、タイロッド穴の位置には非常に高い要求が課せられます。
写真
図１ タービンシャフト系接続図
タイロッド穴の直径は42mmで、一般的にはドリルやボーリングによって加工されます。 その最大アスペクト比は直径の5倍を超え、表面粗さの値はRa=1.6μmを必要とし、これは中ぐり加工に大きな課題をもたらします。
上記のような高難度の加工要求を踏まえ、当社では主に「高精度位置決め」と「高難度ボーリング加工」の2点に注力しています。
2.1 タイロッド穴位置加工技術
タイロッド穴の絞り条件は、φ42.58mm、位置φ0.12mm、円筒度0.012mmです。 スムーズな組み立てを確保するために、プロセス要件は、φ42.58mm、位置決めφ0.05mm、円筒度0.012mmに増加します。 したがって、プロセステストの検証が必要です。 この試験はインペラのタイロッド穴の加工を模擬したもので、試験片の構造を図2に示します。ボーリングフライス盤を使用し、クランプ方法はアングル鉄製クランププレートで試験片を垂直にクランプします。
写真
図2 タイロッド穴試験片
(1) 従来の軸方向分散穴加工方法は、レバーダイヤルインジケーターの中心を「回転」させ、天と地の左右の4時の位置を見つけ、円の中心を決め、 Tドリルでφ420mmのピッチ円に合わせて下穴を開け、タイロッド穴を精密穴あけします。
1) 3 座標検出結果。 位置の最大値は 0.0756mm、外円 D600mm の真円度は 0.0056mm です (表 1 を参照)。
表 1: 最初の 3 座標検出データの画像
2) データの並べ替え。 図 3 に示すように、穴の位置は全体的に +Y 方向にシフトします。
写真
図3：3座標検出データ図
3) データ分析。 図 3 の I 位置を例にとると、X 方向の偏差は小さく、オフセットは約 0.01mm です。 Y方向の偏差は大きく、オフセットは約0.035mmです。 Y 方向は位置偏差の主な影響要因です。 0.03mm の Y 方向オフセットを除外すると、位置決め状況が大幅に改善され、測定点の全体的な輪郭が良くなり、工作機械自体の繰り返し位置決め精度が向上したことがわかります。 ３座標検出データを変換した後の角度データを表２に示す。主なオフセットがＹ方向であることが明らかである。
表2：第1の3座標検出変換データ [単位：(度)] 画像
4) 考えられる原因の分析。 X方向の位置合わせ方法は、レバーダイヤルインジケータを試験片の外円上の左右方向の2点に接触させて水平方向を決定します。 Y方向の位置合わせ方法は、レバーダイヤルインジケータを試験片の外円上の上下方向の2点に接触させて垂直方向を決定します。 試験片の中心位置を決定する方向。 ここで、Ｙ方向ダイヤル指示針が上下の外円の２点に接触すると、ダイヤル指示針の重力により遅れたり引っ込んだりして実際の位置と表示位置にずれが生じる場合がある。 穴加工完了後にY方向のズレが発生する主な要因となります。 また、ダイヤルインジケータの精度は0.01mmであり、その誤差はY方向の偏差にも影響しますが、影響は小さい二次影響因子となります。 Ｘ方向は水平方向であり、重力による相対位置ずれはない。 影響を与える要因はダイヤルインジケーター自体の精度誤差であり、その影響は小さく、パフォーマンスは向上します。
(2) 改善方法：上記のレバーダイヤルインジケーターを使って「中心をひっくり返す」ことで中心を見つけ、まず対称な位置に２つの穴を開けます。 ダイヤルインジケータは工作機械の動きにより各方向の外円点から穴の最奥端までの寸法を測定し、X方向とY方向の2つのデータをそれぞれ減算して偏差値を求めます。 X方向とY方向を補正し、最終的に12個の穴を精密に穴あけします。
図 4 に示すように、X 方向の補正は、この方法で測定されたデータは相対値であるため、ダイヤルインジケータの後退に対する重力の影響を排除できます。 同時に、同じダイヤルインジケーターで測定するため、測定具の精度誤差の影響も排除できます。 ファインボーリング後、3 つの座標を使用して位置データを再確認します。 以上の方法に基づき、第２回目の位置処理試験を行った。 処理状況を図5に示します。
写真
図 4: 座標補正図
写真
a) 状態 1 b) 状態 2
図5 処理状況
1) 3 座標検出結果。 最大位置角度は 0.0501mm です (表 3 を参照)。
表 3: 2 番目の 3 座標検出データの画像
2) データの並べ替え。 2回目の3座標検出の変換データを表4に示します。
表4：第2の3座標検出変換データ [単位：（度）] 画像
3) データ分析。 穴の主なオフセット方向は、X 負方向と Y 正方向であり、ピッチ円は真円度が良好です。 この処理方法により、ある程度の位置決め度が向上した。
（３）第２の改善方法 上記方法をベースに、第３回の位置加工試験を実施し、送り方法をテーブル送りに変更した。
1) 3 座標検出結果。 最大位置値は 0.0269mm、12 穴のピッチ真円度は 0.0106mm です (表 5 を参照)。
表 5: 3 番目の 3 座標検出データの画像
2) データの並べ替え。 3回目の3座標検出の変換データを表6に示します。
表6：第3の3座標検出変換データ [単位：(度)] 画像
3) データ分析。 穴のピッチ真円度が良くなります。 この加工方法によりタイロッド穴の位置が大幅に改善されます。
2.2 難穴加工の研究
タービンの第 4 段羽根車の材質は 21501-5 (工場グレード) で、Cr と Ni の含有量が高く、材料の切断性能が悪く、タイロッド穴の長さと直径の比は 5 倍を超えています。径が大きくなり、穴あけ加工が困難になります。
この試験はインペラの均質材料試験ブロックに基づいており、装置として同じボーリングおよびフライス盤が使用されます。
1) Walter モジュラーボーリングツールバー。 従来のボーリング工具を使用してアスペクト比の大きな穴を加工すると、表面の振動パターンが顕著になり、理想的な加工とは言えません。 切断パラメータを表 7 に示します。
表 7 切断パラメータ 1
写真
2) 防振ダンピングボーリングツールバーを選択してください。 切削パラメータを表 8 に示します。京セラチップは使用中にすぐに摩耗するため、このような深穴の加工には防振ダンピングボーリングツールバー + Taguk TCMT 110204 FG CT3000 (または Sandvik Coromant TCGT 110204L-K1125) の組み合わせを使用します。 加工品質の比較は良好。 表面品質の比較を図 6 と 7 に示します。
表 8 切断パラメータ 2
写真
写真
図 6: 表面品質が悪い
写真
図 7: 表面品質の向上
#03
写真
タービンインペラへの高精度タイロッド穴加工技術の適用
写真
3.1 クランプ計画
インペラはアングル鉄製取付板方式を採用し垂直クランプとなります。 クランプする前に、山形鋼の垂直面が工作機械の Z 軸に対して垂直であることを確認してください。 V 字型ブロックの高さとインペラ全体の寸法に基づいて、パッド ブロックの位置を計算して決定します。 ワークと接触するすべての位置は銅被覆鉄で保護されています (図 8 を参照)。
写真
図8 タービンインペラのクランプ方法
クランプ後、インペラプレッシャープレートの端面左右4点の位置を誤差0.01mm以内で合わせてください。
3.2 処理ルート
タービン羽根車のタイロッド穴の加工ルートは、下穴加工→荒ボーリング→ファインボーリングとなります。 まず、伝統的な位置合わせ方法を使用して、タイロッド穴の加工と中仕上げを完了します。 次に、レバーダイヤルインジケータと工作機械の X 軸と Y 軸を使用して、それぞれ A、B、C、D の長さデータを測定します (図 9 を参照)。 内径マイクロメーターを使用して、2つの穴径D1(φ42.3mm)とD2(φ42.3mm)を測定します。 4mm）。
写真
図9 座標補正データ
X 軸のオフセットは [(A-D1/2)-(B-D2/2)]/2、Y 軸のオフセットは [(C-D1/2)-(D-D2/2)] です。 / 2.
図9のデータは実際の加工時に測定したデータです。 /2= 0.025 (mm)、つまり工作機械の X 軸ゼロ位置を正方向に 0.025mm 調整します。 Y 軸: 321.25 ‒ (42.4/2)=300.05 (mm)、321.33 ‒ (42.3/2)=300.18 (mm)、Y 軸オフセット (300.18 ‒ 300.05) / {{ 24｝｝.065 (mm)、つまり工作機械 Y 軸原点位置をマイナス方向に 0.065mm 調整します。
最終的に、上記の計算により、ワーク円中心 X は正方向に {{0}}.025mm、Y は負方向に 0.065mm 調整されることがわかります。 得られた新たな円中心で12穴の仕上げ加工を行います。
3.3 適用効果
この工程で加工されたタイロッド穴付き羽根車は、端面歯が自動調心噛み合った後、隣接する二段羽根車のタイロッド穴の同軸度が高く、タイロッドを自由に挿入でき、ガスタービンを安定させることができます。ローターは無事に組み立てられました。
#04
写真
結論
写真
ガスタービンインペラの高精度タイロッド穴加工技術の研究により、ガスタービンローターアッセンブリの保証を実現します。 同時に、このプロセスはさまざまなタイプのアキシャルアレイ穴の加工に広く使用でき、部品の加工品質を効果的に向上させ、製品の組み立て精度を向上させることができます。
