JP4801629B2 - 筒体壁面の貫通孔製造方法及び筒体構造 - Google Patents

Description

本発明は、たとえばガスタービン燃焼器の燃料噴射ノズルのように、貫通孔の内壁面側に加工バリが残らない筒体壁面の貫通孔製造方法及び筒体構造に関する。

従来、ガスタービン燃焼器に用いられる燃料噴射ノズルは、円筒部材の筒体壁面を中空部まで貫通して設けた燃料噴射用の孔を備えている。
図６に示す燃料噴射ノズル１は、円筒形状とした筒体２の壁面を貫通して燃料の流体を噴射するノズル孔３を備えている。このノズル孔３は、筒体２の外周側からドリル等の工具を用いて穿設した貫通孔であり、工具が壁面を突き抜ける際に、筒体２の内壁面（中空部）側へ突出する加工バリが発生する。このような加工バリの存在は流量係数（Ｃｄ値）に悪影響を及ぼすので、燃料噴射量の正確な制御にとって障害となる。すなわち、流量係数のバラツキを低減して燃料噴射量の正確な制御を可能にするためには、ノズル孔３の内壁面側に形成される加工バリ（以下、「内バリ」とも呼ぶ）をなくし、シャープエッジに形成することが重要になる。

このため、従来の燃料噴射ノズル１においては、機械加工により壁面を貫通してノズル孔３を穿設した後、たとえば先端部にヤスリが形成された耳かき形状の専用特殊工具を用い、手作業により内バリを除去する工程を実施して流量調整を行っている。なお、このような流量調整は、規定の流量係数が所定の公差（たとえば±１０％以内）を満足する必要がある。
また、金属製のワークにドリル加工を行って孔の表面縁部に生じるバリに関する従来技術としては、穴あけ加工と同時にバリを除去することができるバリ取り兼用の孔明け方法及び孔明けドリルが提案されている。この提案は、ドリル先端の縮径部で穴あけを行った後、ドリルの軸方向に対して略４５度の傾斜角度を有する肩部により表バリを削ってバリ取りを行うものである。（たとえば、特許文献１参照）
特開平９−２３９６１０号公報（図１参照）

ところで、上述した燃料噴射ノズル１のノズル孔３においては、専用特殊工具を用いて手作業により内バリを除去する必要があるので、安定した品質を維持するためには作業の習熟度を高めることが不可欠である。すなわち、内バリを除去する手作業は、熟練作業者への依存度が高くなるとともに、勘に頼る作業でもあるため、作業時間が長く個人差等によるバラツキも多いという問題が指摘されている。

このような背景から、たとえば燃料噴射ノズルに穿設されるノズル孔のように、円筒部材の壁面に加工バリ（内バリ）を残さないで貫通孔を穿設する作業について、熟練者に依存することなく容易かつ確実に実施できるようにした筒体壁面の貫通孔製造方法及び筒体構造が望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、円筒部材の壁面に加工バリを残さないで貫通孔を穿設する作業を、熟練者に依存することなく容易かつ確実に実施できる筒体壁面の貫通孔製造方法及び筒体構造を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明は、筒体壁面に工具を貫通させて穿設した貫通孔の内壁面側に加工バリを生じさせない筒体壁面の貫通孔製造方法であって、
筒体軸線と直交または略直交するように筒体外側から工具を貫通させて前記筒体壁面に一または複数対の貫通孔を穿設する穴あけ工程と、前記筒体より熱伝導性のよい素材の溶接治具を用い、前記工具が前記筒体の外壁面側から内壁面側に貫通して穿設された貫通孔を溶接により塞ぐ溶接工程とを具備し、前記工具が前記筒体の内壁面側から外壁面側へ貫通して穿設された貫通孔を残すことを特徴とするものである。

このような筒体壁面の貫通孔製造方法によれば、筒体軸線と直交または略直交するように筒体外側から工具を貫通させて筒体壁面に一または複数対の貫通孔を穿設する穴あけ工程と、筒体より熱伝導性のよい素材の溶接治具を用い、工具が筒体の外壁面側から内壁面側に貫通して穿設された貫通孔を溶接により塞ぐ溶接工程とを具備し、工具が筒体の内壁面側から外壁面側へ貫通して穿設された貫通孔を残すので、筒体は、内壁面側に形成される加工バリ（内バリ）のない貫通孔が穿設されたものとなる。

本発明は、筒体壁面に工具を貫通させて穿設した貫通孔の内壁面側に加工バリがない筒体構造であって、
筒体壁面に筒体軸線と直交または略直交するように筒体外側から工具を貫通させて前記筒体壁面に穿設した一または複数対の貫通孔と、前記工具が前記筒体の外壁面側から内壁面側に貫通して穿設された貫通孔を溶接により塞ぐ封止部材とを備え、前記工具が前記筒体の内壁面側から外壁面側へ貫通して穿設された貫通孔を、内壁面側に加工バリのない貫通孔として残したことを特徴とするものである。

このような筒体構造によれば、筒体壁面に筒体軸線と直交または略直交するように筒体外側から工具を貫通させて筒体壁面に穿設した一または複数対の貫通孔と、工具が筒体の外壁面側から内壁面側に貫通して穿設された貫通孔を溶接により塞ぐ封止部材とを備え、工具が筒体の内壁面側から外壁面側へ貫通して穿設された貫通孔を、内壁面側に加工バリのない貫通孔として残したので、内壁面側に形成される加工バリ（内バリ）のない貫通孔が穿設された筒体を容易に製造することができる。

上記の発明において、前記内壁面側に加工バリのない貫通孔は、前記内壁面側から前記外壁面側へ流体を流出させるノズル孔として用いられることが好ましく、これにより、筒体に対して、流量係数が安定したノズル孔を容易に穿設することができる。この場合の好適な筒体には、ガスタービン燃焼器の燃料噴射ノズルがある。

上述した本発明によれば、たとえば燃料噴射ノズルに穿設されるノズル孔のように、円筒部材の壁面に加工バリ（内バリ）を残さないで貫通孔を穿設する作業が、熟練者や勘に依存することなく容易かつ確実に実施できるようになる。従って、燃料噴射ノズル等のように貫通孔を備えた円筒部材の製造に要する作業時間が短縮され、さらに、個人差等による製品のバラツキをなくして安定化させるという顕著な効果が得られる。

以下、本発明に係る筒体壁面の貫通孔製造方法及び筒体構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、筒体壁面に工具を貫通させて穿設した貫通孔の内壁面側に加工バリを生じさせない筒体壁面の貫通孔製造方法を示す工程図である。以下の説明では、ガスタービン燃焼器の燃料噴射ノズル（筒体壁面）１にノズル孔（貫通孔）３を穿設するものとする。
この製造方法が適用される燃料噴射ノズル１は、図２及び図３に示すように、筒体２の壁面を放射状に貫通する３つのノズル孔３を備えている。これら３つのノズル孔３は、燃料噴射ノズル１の軸線と直交する断面内において、１２０度ピッチの放射状に配設されている。なお、図２及び図３において、図中の符号４は後述する封止部材である。

図１（ａ）に示す穴あけ工程では、筒体２の軸線５と直交または略直交するように、筒体２の外側から工具１１を貫通させることにより、筒体２の壁面に一対の貫通孔２ａ，２ｂを穿設する。図示の例では、たとえばドリル等の工具１１を用い、筒体２の外側上部から軸線５を通って下向きに貫通させることで上下一対の貫通孔２ａ，２ｂを穿設する。なお、３つのノズル孔３を１２０度ピッチに形成するためには、上述した貫通孔２ａ，２ｂを１２０度ピッチに三対形成する。
こうして穿設された貫通孔２ａ，２ｂには、工具１１を筒体２の内壁面側へ貫通させる貫通孔２ａにおいて内壁面側へ突出する加工バリ（内バリ）６ａが形成され、さらに、工具１１を筒体２の外壁面側へ貫通させる貫通孔２ｂにおいて外壁面側へ突出する加工バリ（外バリ）６ｂが形成される。

次に、図１（ｂ）に示す溶接工程では、筒体２より熱伝導性のよい素材の溶接治具１２を用い、工具１１が筒体２の外壁面側から内壁面側に貫通して穿設された貫通孔２ａを、溶接により封止部材４を形成して塞ぐ。この工程は、一対の貫通孔２ａ，２ｂを形成してノズル孔３として使用する際、流量係数に悪影響を及ぼす加工バリ６ａが形成されている貫通孔２ａを塞ぐための工程である。
すなわち、この溶接工程は、穴径が同じ貫通孔２ａでも流量係数のバラツキを大きくする原因になる加工バリ６ａを除去する代わりに、内バリのある貫通孔２ａを封止部材４により塞いで、ノズル孔３として使用できないようにするシール溶接の工程である。

一方、筒体２の外壁面側へ突出する加工バリ６ｂは、貫通孔２ｂの流量係数に大きく影響しない位置にあり、しかも、貫通孔２ｂの内壁面側はシャープエッジ２ｃとなるので、この貫通孔２ｂはそのままノズル孔３として使用される。
すなわち、工具１１が筒体２の内壁面側から外壁面側へ貫通して穿設された貫通孔２ｂについては、加工バリ６ｂとともにそのまま残すことでノズル孔３となる。なお、この場合の加工バリ６ｂは、筒体２の外壁面側にあるので、除去が必要な場合であってもその作業は容易である。

ところで、上述した燃料噴射ノズル１となる筒体２には、たとえばＳＵＳ３０４等の耐熱製合金が用いられる。一方、溶接治具は熱伝導性のよい材料を使用することが望ましく、たとえば銅及び黄銅等の銅合金やアルミニウム合金等の材料が望ましい。

溶接方法は、ＴＩＧ溶接の他に、レーザ溶接等の比較的入熱を小さくできる溶接方法が有効である。すなわち、溶接による入熱を小さく抑えつつ、貫通孔２ａの内壁２ｅと貫通孔２ａに内方から差し込まれた溶接治具１２の先端部１２ａとにより溶融した封止部材４を溜め込むための金属溜め部２ｆを形成し、かつ、封止部材４と溶接治具１２の先端部との境界面が溶融しないような条件を作ることが重要である（図５（ａ））。このような条件を実現することより、封止部材４で貫通孔２ａを塞ぐとともに、溶接後直ちに溶接治具１２を筒体２から取り外すことができるので、容易に流量係数の安定したノズル孔３を穿設できる。

上述した溶接治具１２の目的は、筒体２の貫通孔２ａの内壁と溶接治具１２の先端部１２ａとから金属溜め部２ｆを形成し、貫通孔２ａ内に封止部材４を滞留させ易くするとともに、溶接時の入熱を速やかに系外へ放熱させることにある。
ここで、ＴＩＧ溶接の場合を一例にあげて、図５（ａ）を用いて具体的に説明する。
溶接工程においては、溶接トーチ３０で貫通孔２ａの外表面２ｃの周縁２ｄを狙ってアークを発生させ、周縁２ｄに沿って周溶接する。この過程では、筒体２の一部の母材２ｇ及び溶加棒３１が溶融して、封止部材４が形成される。溶加棒３１は筒体２と同等の材料が使われる。この場合、できるだけ入熱を抑えるため、電流値を絞り、高速度で溶接することが望ましい。このような溶接方法を採用すれば、貫通孔２ａの内壁２ｅと溶接治具１２の先端部１２ａとにより形成される金属溜め部２ｆには溶融した封止部材４が充填され、この封止部材４が固化することにより貫通孔２ａが完全に塞がれる。

一方、溶接時の大半の入熱は、図５（ａ）に示すように、金属溜め部２ｆから溶接治具１２の先端部１２ａを経由して、溶接治具１２の末端部１２ｂまで熱伝導により移動し、末端部１２ｂから大気中に熱放散する。このように、大半の溶接熱が貫通孔２ａ、２ｂの周囲の筒体２へ拡散せずに、溶接治具１２の末端部１２ｂから大気中へ熱放散するのは、筒体２の熱伝導度に比較して、溶接治具１２の熱伝導度が格段に大きいからである。銅製の溶接治具１２を採用する場合、溶接治具１２が銅製、筒体２がステンレス製の組合せとなるので、溶接治具／筒体の熱伝導度比は２０倍以上となる。

この結果、貫通孔２ａの周縁２ｄから溶接治具１２の末端部１２ｂに向けて、たとえば図５（ｂ）に示すような温度勾配が生ずる。すなわち、金属溜め部２ｆに滞留する溶融した封止材４は大半が筒体２の母材と同じ材料で構成されているので、熱伝導度は溶接治具１２と比較して非常に小さい。従って、溶接治具／筒体について適当な材料の組合せを選択すれば、溶接治具／筒体の熱伝導度比を大きく取ることにより、アークが当たる周縁２ｄ付近の溶融した封止部材４には、滞留する金属溜め部２ｆから溶接治具の先端部１２ａまでの間で急激な温度降下が生ずる（図５（ｂ）の領域Ａ）。
また、溶接治具１２の先端部１２ａから末端部１２ｂまでの間は、熱伝導度の大きい材料が用いられているため、溶融した封止部材４が滞留する金属溜め部２ｆと比較して緩やかな温度勾配となる（図５（ｂ）の領域Ｂ）。
このような組合せを見出したことにより、溶接治具１２の先端部１２ａでは温度が融点以下に維持されるので、溶接終了後直ちに溶接治具１２を筒体２から取り外すことができる条件が成立する。

ところで、上述した溶接治具／筒体の熱伝導度比については、できるだけ大きい設定が好ましく、少なくとも５倍以上、望ましくは１０倍以上とするのがよい。
また、上述した溶接行程において、溶接トーチ３０が、貫通孔２ａの内壁２ｅを狙わずに周縁２ｄを狙うのは、筒体２の一部の母材２ｇを溶融させながら、溶接治具１２の先端部１２ａからできるだけ離れた地点を狙うためである。すなわち、溶接治具１２の先端部１２ａから近い地点を狙うと、先端部１２ａが高温となるため、先端部１２ａと封止部材４とが溶着して溶接終了後の溶接治具１２の取外しが困難となることを防止するものである。

また、溶接工程では、筒体２の内側流路２６にアルゴン等の不活性ガスＳＧを少量ずつ供給し、溶接箇所を不活性ガスでシールして、溶接部の酸化防止を図っている。このような酸化防止を図ることにより、溶融した封止部材４の流動性が確保され、安定した溶接が可能となる。

さらに、上述の熱伝導度の違いにより、封止部材４から貫通孔２aの壁面を介して筒体２への熱伝導による熱移動する現象や、封止部材４から溶接治具１２を介して溶接治具１２の末端１２ｂ側に熱が移動し、さらに貫通孔２ｂの壁面２ｈを介して周囲の筒体２へ熱伝導によって拡散する現象が抑制される。従って、筒体２の全体にわたり、特に周方向の熱の不均一分布が小さく抑えられ、溶接時の入熱に伴う熱歪が小さくなる。

上述のような溶接治具１２と筒体２との組合せを採用することにより、図５に示すような温度勾配が得られ、溶接治具１２の先端部１２ａが融点以下の温度に維持されて、先端部１２ａの溶融現象を回避できる。また、筒体２の溶接部の入熱は、速やかに大気中へ放散される。このため、ノズル孔３となる貫通孔２ｂが溶接歪みにより変形することを防止し、所望のノズル性能を維持することができる。

このような筒体壁面の貫通孔製造方法によれば、筒体２の貫通孔２ｂには、穴あけ加工により形成される内壁面側へ突出する加工バリ（内バリ）がなく、内壁面側にはシャープエッジ２ｃが形成されているので、貫通孔２ｂの穴径を正確に穿設しておけば、バリ取りの作業を行わなくてもそのままノズル孔３として使用することができる。
すなわち、燃料噴射ノズル１に流量係数のバラツキが少ないノズル孔３を形成する際、専用特殊工具の使用や熟練者によるバリ取り作業が不要になるので、作業の汎用性が向上する。従って、筒体壁面の貫通孔製造において、作業時間を短縮するとともに個人差等による製品のバラツキをなくすことができる。

上述した筒体壁面の貫通孔製造方法により製造された燃料噴射ノズル１は、筒体２の壁面に工具１１を貫通させて穿設した貫通孔２ｂの内壁面側に加工バリがない筒体構造となる。このような筒体構造の燃料噴射ノズル１は、筒体２の壁面に筒体軸線５と直交または略直交するように筒体２の外側から工具１１を貫通させることにより、筒体２の壁面に穿設した一または複数対の貫通孔２ａ，２ｂと、工具１１が筒体２の外壁面側から内壁面側に貫通して穿設された貫通孔２ａを溶接により塞ぐ封止部材４とを備え、工具１１が筒体２の内壁面側から外壁面側へ貫通して穿設された貫通孔２ｂを、内壁面側に加工バリのないノズル孔３用の貫通孔として残したものである。

ここで、ガスタービン燃焼器の燃料噴射ノズル１について、筒体２やノズル孔３の具体的な寸法例を示す。たとえばステンレス棒材を切削して中空円筒形状とした筒体２は、外径が約２０ｍｍ、内径が約１５ｍｍ、ノズル孔３の直径が約５ｍｍとなり、その壁面肉厚は２．５ｍｍ程度となる。このような筒体２にドリル等の工具１１で穴あけ加工を行うと、突出量が０．１ｍｍ程度となる加工バリ６ａ，６ｂを形成する。

このような筒体構造によれば、筒体２の内壁面側に突出するように形成される加工バリ（内バリ）のない貫通孔２ｂをドリル等の工具１１で容易に穿設し、この貫通孔２ｂを流量係数にバラツキのないノズル孔３として使用することができる。この結果、燃料噴射ノズル１から供給される燃料は、図３に白抜矢印で示すように、ノズル孔３の直径を所定の誤差範囲内に加工すれば、ノズル孔３から噴射される燃料噴射量（流量係数）は所定の公差内に入ってバラツキの少ないものとなる。
すなわち、本発明の筒体構造において、流量係数に影響を受ける内壁面側が加工バリのないシャープエッジになる貫通孔２ｂは、内壁面側から外壁面側へ流体を流出させるノズル孔３として好適であり、従って、安定した流量係数のノズル孔３を筒体２に容易に穿設することができる。

ところで、上述した説明では、ノズル孔３を備えた筒体２がガスタービン燃焼器の燃料噴射ノズル１であるとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
たとえば図４に示す他の実施形態のように、二重筒体２０の外筒２１及び内筒２２を工具が外側から貫通して穿設した貫通孔２３，２４においても、矢印２５で示すように流れる流体を噴出させるノズル孔として穿設孔２４を採用することができる。この場合の穿設孔２４においては、流体出口側となる角部２４ｂに加工バリが形成され、流体入口側となる角部２４ａはシャープエッジとなるので、このような流体流れ方向のノズル孔は流量係数にバラツキがないものとなる。

しかし、外筒２１に穿設された貫通孔２３の場合、シャープエッジが外筒２１の外壁面側に形成されるとともに、内壁面側に突出する加工バリも形成される。このため、外筒２１及び内筒２２の間に形成された流路２６から外筒２１の外側へ流体を流出させる場合、内壁面側に突出する加工バリが流量係数に悪影響を及ぼしてバラツキを生じさせる。従って、この貫通孔２３については、上述した実施形態と同様の封止部材４により塞がれている。

上述した本発明によれば、たとえばガスタービン燃焼器の燃料噴射ノズル１に穿設されるノズル孔３のように、筒体２の内壁面側に突出する加工バリ（内バリ）を残さないで貫通孔２ｂを穿設する作業が、熟練者や勘に依存することなく容易かつ確実に実施できるようになる。従って、燃料噴射ノズル１等のように、貫通孔２ｂを備えた筒体２の製造に要する作業時間が短縮され、さらに、個人差等による製品のバラツキ（流量係数等）をなくして安定化させることができる。

また、上述した本発明は、流体を噴射するノズル孔３の形成に好適であるが、内壁面側に加工バリのない貫通孔を形成する場合にも適用可能である。
また、上述した本発明は、たとえば９０度ピッチで４つのノズル孔３を形成する場合のように封止部材４により塞ぐ貫通孔とノズル孔３として使用する貫通孔とが一致したり、あるいは互いに干渉する配置の場合を除いて、貫通孔の対数（ノズル孔３の数）など実施形態の記載に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係る筒体壁面の貫通孔製造方法の一実施形態を示す工程図であり、（ａ）は穴あけ工程、（ｂ）は溶接工程、（ｃ）は完成状態を示している。 図１（ｃ）のＡ−Ａ断面図である。 図１に示し製造方法で製造した筒体構造の一実施形態として、ガスタービン燃焼器に使用される燃料噴射ノズルの構成例を示す断面図である。 本発明に係る他の実施形態として、二重筒体に適用した構成例を示す断面図である。 （ａ）は溶接方法の一例としてＴＩＧ溶接を示す図で、（ｂ）は（ａ）の温度勾配を示す図である。 従来例としてスタービン燃焼器に使用される燃料噴射ノズルの構成例を示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射ノズル
２ 筒体
２ａ，２ｂ 貫通孔
３ ノズル孔
４ 封止部材
６ａ，６ｂ 加工バリ
１１ 工具
１２ 溶接治具
２０ 二重筒体
２１ 外筒
２２ 内筒
２３，２４ 貫通孔

Claims (4)

1. 筒体壁面に工具を貫通させて穿設した貫通孔の内壁面側に加工バリを生じさせない筒体壁面の貫通孔製造方法であって、
   筒体軸線と直交または略直交するように筒体外側から工具を貫通させて前記筒体壁面に一または複数対の貫通孔を穿設する穴あけ工程と、
   前記筒体より熱伝導性のよい素材の溶接治具を用い、前記工具が前記筒体の外壁面側から内壁面側に貫通して穿設された貫通孔を溶接により塞ぐ溶接工程とを具備し、
   前記工具が前記筒体の内壁面側から外壁面側へ貫通して穿設された貫通孔を残すことを特徴とする筒体壁面の貫通孔製造方法。
2. 筒体壁面に工具を貫通させて穿設した貫通孔の内壁面側に加工バリがない筒体構造であって、
   筒体壁面に筒体軸線と直交または略直交するように筒体外側から工具を貫通させて前記筒体壁面に穿設した一または複数対の貫通孔と、
   前記工具が前記筒体の外壁面側から内壁面側に貫通して穿設された貫通孔を溶接により塞ぐ封止部材とを備え、
   前記工具が前記筒体の内壁面側から外壁面側へ貫通して穿設された貫通孔を、内壁面側に加工バリのない貫通孔として残したことを特徴とする筒体構造。
3. 前記内壁面側に加工バリのない貫通孔が、前記内壁面側から前記外壁面側へ流体を流出させるノズル孔として用いられることを特徴とする請求項２に記載の筒体構造。
4. 前記筒体がガスタービン燃焼器の燃料噴射ノズルであることを特徴とする請求項３に記載の筒体構造。

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