JP5822736B2

JP5822736B2 - 芯出装置およびロータ製造方法

Info

Publication number: JP5822736B2
Application number: JP2012010974A
Authority: JP
Inventors: 憲治川崎; 鴨　和彦; 鴨　　和彦; 育生中村
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2032-01-23
Also published as: JP2013148056A

Description

この発明は、芯出装置およびロータ製造方法に関し、さらに詳しくは、ロータ部材の芯出し精度を維持しつつ溶接できる芯出装置およびロータ製造方法に関する。

例えば、蒸気タービンのロータは、（１）大型かつ長尺な構造を有するため、あるいは、（２）蒸気温度に応じて各部分の素材を変更する必要があるために、複数のロータ部材を軸方向に継ぎ合わせて製造される。このとき、ロータ部材の軸方向を水平にしてロータ部材の芯出しおよび溶接が行われる。このため、ロータ部材の撓みを考慮した施工が必要となる。

このような課題に関する従来の芯出装置およびロータ製造方法として、特許文献１に記載される技術が知られている。

特開２０１１−６４１２２号公報

この発明は、ロータ部材の芯出し精度を維持しつつ溶接できる芯出装置およびロータ製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる芯出装置は、一対のロータ部材を芯出しする芯出装置であって、対応する前記ロータ部材にそれぞれ固定される一対の第一固定治具と、対応する前記第一固定治具にそれぞれ連結されて前記第一固定治具を前記ロータ部材の回転方向に回転可能に支持すると共に、相互に連結されて相互の位置関係を固定する一対の第二固定治具とを備えることを特徴とする。

また、この発明にかかるロータ製造方法は、一対のロータ部材を芯出ししつつ溶接するロータ製造方法であって、一対の第一固定治具を対応する前記ロータ部材にそれぞれ設置する第一固定治具設置ステップと、一対の第二固定治具を対応する前記第一固定治具に連結して前記第一固定治具を前記ロータ部材の回転方向に回転可能に支持する第二固定治具設置ステップと、前記一対のロータ部材を芯出しする芯出ステップと、前記一対のロータ部材を芯出しした状態にて前記一対の第二固定治具を相互に連結して前記一対の第二固定治具の位置関係を固定する第二固定治具連結ステップとを備えることを特徴とする。

この発明にかかる芯出装置およびロータ製造方法によれば、第一固定治具および第二固定治具により、左右のロータ部材の位置関係を芯出しした状態で固定できる。また、第一固定治具および第二固定治具を左右のロータ部材に装着したまま、左右のロータ部材を回転させて溶接できる。これにより、ロータ部材の芯出し精度を維持しつつ溶接できる利点がある。

図１は、この発明の実施の形態にかかるロータ製造方法を示すフローチャートである。図２は、ロータ部材を示す説明図である。図３は、ロータ部材を示す説明図である。図４は、この発明の実施の形態にかかるロータ製造方法を示す説明図である。図５は、この発明の実施の形態にかかるロータ製造方法を示す説明図である。図６は、この発明の実施の形態にかかるロータ製造方法を示す説明図である。図７は、この発明の実施の形態にかかるロータ製造方法を示す説明図である。図８は、この発明の実施の形態にかかるロータ製造方法を示す説明図である。図９は、この発明の実施の形態にかかるロータ製造方法を示す説明図である。図１０は、この発明の実施の形態にかかるロータ製造方法を示す説明図である。図１１は、図１に記載したロータ製造方法の変形例を示す説明図である。図１２は、図１に記載したロータ製造方法の変形例を示す説明図である。図１３は、図１に記載したロータ製造方法の変形例を示す説明図である。図１４は、図１に記載したロータ製造方法の変形例を示す説明図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施の形態に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

［ロータ製造方法および芯出装置］
図１は、この発明の実施の形態にかかるロータ製造方法を示すフローチャートである。同図は、２つのロータ部材１０Ａ、１０Ｂを軸方向に継ぎ合わせてロータ１０を製造する工程を示している。

このロータ製造方法は、例えば、蒸気タービンのロータ、ガスタービンのロータなどの製造方法に適用される。かかるロータ１０は、（１）大型かつ長尺な構造を有するため、あるいは、（２）蒸気温度に応じて各部分の素材を変更する必要があるために、複数のロータ部材１０Ａ、１０Ｂを軸方向に継ぎ合わせて製造される。このとき、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの軸方向を水平にしてロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出しおよび溶接が行われる。このため、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの撓みを考慮した施工が必要となる。

そこで、このロータ製造方法では、２つのロータ部材１０Ａ、１０Ｂを精度良く芯出しして溶接するために、以下の芯出装置１および工程が採用される。

図２および図３は、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂを示す説明図である。これらの図は、ロータを構成する２つのロータ部材１０Ａ、１０Ｂをそれぞれ示している。

図２および図３に示すように、各ロータ部材１０Ａ、１０Ｂは、各溶接面１０１Ａ、１０１Ｂの中央部に凹状の中空部１０２Ａ、１０２Ｂを有する。これらの中空部１０２Ａ、１０２Ｂは、各ロータ部材１０Ａ、１０Ｂを軽量化するために設けられ、例えば、各ロータ部材１０Ａ、１０Ｂを切削加工して形成される。

また、各ロータ部材１０Ａ、１０Ｂは、各溶接面１０１Ａ、１０１Ｂにインロー部１０３Ａ、１０３Ｂを有する。これらのインロー部１０３Ａ、１０３Ｂは、２つのロータ部材１０Ａ、１０Ｂを突き合わせた状態にて、各溶接面１０１Ａ、１０１Ｂを位置決めするために設けられる。例えば、図２および図３の構成では、一方のロータ部材１０Ａが、中空部１０２Ａの開口縁部に沿って形成された凹状のインロー部１０３Ａをその溶接面１０１Ａに有し、他方のロータ部材１０Ｂが、中空部１０２Ｂの開口縁部に沿って形成された凸状のインロー部１０３Ｂをその溶接面１０１Ｂに有している。また、各ロータ部材１０Ａ、１０Ｂのインロー部１０３Ａ、１０３Ｂが相互に嵌合可能であり、インロー部１０３Ａ、１０３Ｂの嵌合状態にて、２つのロータ部材１０Ａ、１０Ｂの軸芯が略一致する。

なお、図３のロータ部材１０Ｂは、既に２つのロータ部材を溶接して継ぎ合わした構造を有している。

図４〜図１０は、この発明の実施の形態にかかるロータ製造方法を示す説明図である。これらの図において、図４〜図８は、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出工程を示し、図９は、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの溶接工程を示している。また、図１０は、溶接後のロータ１０を示している。

以下、このロータ製造方法について、図１のフローチャートに沿って説明する。

ステップＳＴ１では、図４に示すように、一対の第一固定治具２Ａ、２Ｂが、一対のロータ部材１０Ａ、１０Ｂにそれぞれ取り付けられて固定される（第一固定治具設置ステップ）。例えば、図４の構成では、一対の第一固定治具２Ａ、２Ｂが、金属製の円環部材から構成されている（図８参照）。また、一対のロータ部材１０Ａ、１０Ｂが、旋盤装置１１の旋盤ベッド１１１上に配置されている。このとき、一方のロータ部材１０Ａが旋盤チャック１１２および支持台１２に支持され、また、他方のロータ部材１０Ｂが支持台１３および旋盤装置１１の回転台座１１３に支持されている。そして、各第一固定治具２Ａ、２Ｂが、対応するロータ部材１０Ａ、１０Ｂの溶接面１０１Ａ、１０１Ｂ側の端部外周に嵌め合わされて、複数のボルト２１Ａ、２１Ｂによりロータ部材１０Ａ、１０Ｂに固定されている。

ステップＳＴ２では、図５に示すように、一対の第二固定治具３Ａ、３Ｂが、対応する第一固定治具２Ａ、２Ｂにそれぞれ連結される（第二固定治具設置ステップ）。このとき、各第二固定治具３Ａ、３Ｂが、対応する第一固定治具２Ａ、２Ｂをロータ部材１０Ａ、１０Ｂの回転方向に回転可能に支持する。言い換えれば、第一固定治具２Ａ（２Ｂ）が第二固定治具３Ａ（３Ｂ）に対してロータ部材１０Ａ（１０Ｂ）の回転方向に相対回転できるように、対応する第一固定治具２Ａ（２Ｂ）と第二固定治具３Ａ（３Ｂ）とが連結される。例えば、図５の構成では、一対の第二固定治具３Ａ、３Ｂが、対応する第一固定治具２Ａ、２Ｂよりも大径な金属製の円環部材から構成されている（図８参照）。また、各第二固定治具３Ａ、３Ｂが、対応する第一固定治具２Ａ、２Ｂに対して複数のベアリング３１Ａ、３１Ｂを介して連結されることにより、第一固定治具２Ａ、２Ｂが、第二固定治具３Ａ、３Ｂに対してロータ部材１０Ａ、１０Ｂの回転方向に相対回転可能に支持されている。また、対応する第一固定治具２Ａ、２Ｂと第二固定治具３Ａ、３Ｂとが連結されることにより、これらのロータ部材１０Ａ、１０Ｂの径方向に対する位置関係が固定されている。

ステップＳＴ３では、図６に示すように、一対のロータ部材１０Ａ、１０Ｂが突き合わされて位置決めされる（ロータ部材嵌合ステップ）。このとき、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂのインロー部１０３Ａ、１０３Ｂ（図２および図３参照）が相互に嵌り合うことにより、２つのロータ部材１０Ａ、１０Ｂがある程度芯出しした状態で位置決めされる。

また、支持台１２、１３（図５参照）が撤去されて、一対の保持治具４Ａ、４Ｂが配置される。これらの保持治具４Ａ、４Ｂは、一対の第二固定治具３Ａ、３Ｂを固定状態で保持する。また、保持治具４Ａ、４Ｂは、後述するように、一対の第二固定治具３Ａ、３Ｂの位置関係を調整できる。例えば、図６の構成では、一対の保持治具４Ａ、４Ｂが、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂを挿通可能な枠状部材から成り、旋盤ベッド１１１上に設置されて、対応する第二固定治具３Ａ、３Ｂをそれぞれ保持している。これにより、各第二固定治具３Ａ、３Ｂが、対応する保持治具４Ａ、４Ｂを介して旋盤ベッド１１１に対して固定されている。一方で、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂおよび第一固定治具２Ａ、２Ｂは、第一固定治具２Ａ、２Ｂが第二固定治具３Ａ、３Ｂに対して相対回転可能なので、保持治具４Ａ、４Ｂに拘束されることなく自由に回転できる。

なお、上記のステップＳＴ１〜ＳＴ３は、その工程が前後しても良い（図示省略）。

ステップＳＴ４では、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出しが行われる（芯出ステップ）。このとき、左右の保持治具４Ａ、４Ｂが用いられて、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの径方向の位置関係が調整される。例えば、図６の構成では、各保持治具４Ａ、４Ｂが、複数のボルトあるいは複数のダンパから成る調整部材４１Ａ、４１Ｂを有し（図８参照）、これらの調整部材４１Ａ、４１Ｂを介して対応する第二固定治具３Ａ、３Ｂを支持している。また、各保持治具４Ａ、４Ｂが、各調整部材４１Ａ、４１Ｂをロータ部材１０Ａ、１０Ｂの径方向に進退変位させることにより、対応する第二固定治具３Ａ、３Ｂの支持位置を調整できる。これにより、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの径方向の位置関係が調整されて、芯出しの精度が高められている。

ステップＳＴ５では、図７に示すように、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂが芯出しされた状態にて、左右の第二固定治具３Ａ、３Ｂが相互に連結されて、第二固定治具３Ａ、３Ｂの位置関係が固定される（第二固定治具連結ステップ）。すると、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂが、これらの第二固定治具３Ａ、３Ｂにより第一固定治具２Ａ、２Ｂを介して連結されて、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの軸方向および径方向の位置関係が固定される。これにより、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂが、芯出しされた状態で相互に固定される。なお、図７の構成では、左右の第二固定治具３Ａ、３Ｂが、複数の連結ボルト３２を介して相互に連結されている。

ステップＳＴ６では、図９に示すように、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂが溶接されて一体化される（溶接ステップ）。このとき、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂが第一固定治具２Ａ、２Ｂ、第二固定治具３Ａ、３Ｂ、保持治具４Ａ、４Ｂなどの各種の治具を装着したまま、旋盤装置１１が旋盤チャック１１２を回転させる。このため、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの回転時にて、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの位置関係が第一固定治具２Ａ、２Ｂおよび第二固定治具３Ａ、３Ｂにより固定されて芯出しした状態で維持される。これにより、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出し精度を維持しつつ溶接できる。なお、符号１４は、溶接機のトーチを示している。

その後に、各種の治具が取り外されて、ロータ１０が取得される（図１０参照）。

［変形例］
図１１〜図１４は、図１に記載したロータ製造方法の変形例を示す説明図である。これらの図において、図１１〜図１３は、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出工程を示し、図１４は、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの溶接工程を示している。

上記のように、図７〜図９の構成では、一対の保持治具４Ａ、４Ｂが用いられて左右の第二固定治具３Ａ、３Ｂが保持され（図７および図８参照）、また、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂがこれらの保持治具４Ａ、４Ｂを装着したまま、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの溶接が行われている（図９参照）。かかる構成では、保持治具４Ａ、４Ｂにより左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出工程を行い得るので、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出し精度が向上する点で好ましい。

これに対して、図１１〜図１４の変形例では、保持治具４Ａ、４Ｂが省略される。具体的には、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出工程および溶接工程が以下のように行われる。なお、ステップＳＴ１、ＳＴ２は、上記のロータ製造方法と同一なので、その説明を省略する。

ステップＳＴ３では、図１１に示すように、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂが突き合わされて位置決めされる（ロータ嵌合ステップ）。このとき、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂのインロー部１０３Ａ、１０３Ｂ（図２および図３参照）が相互に嵌り合うことにより、２つのロータ部材１０Ａ、１０Ｂがある程度芯出しした状態で位置決めされる。

ステップＳＴ４では、図１１に示すように、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂが支持台１２、１３上に載せられて、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出しが行われる（芯出ステップ）。このとき、支持台１２、１３に調整機能を持たせて、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの径方向の位置関係を直接的に調整することにより、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出しの精度を高め得る。例えば、支持台１２、１３が、ボルトあるいはダンパから成る調整部材（図示省略）を有し、この調整部材を進退変位させることにより、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの径方向の位置関係を調整できる。

ステップＳＴ５では、図１２および図１３に示すように、支持台１２、１３上にて、左右の第二固定治具３Ａ、３Ｂが相互に連結されて、第二固定治具３Ａ、３Ｂの位置関係が固定される（第二固定治具連結ステップ）。これにより、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂが、芯出しされた状態で相互に固定される。

ステップＳＴ６では、図１４に示すように、支持台１２、１３が撤去され、旋盤装置１１がロータ部材１０Ａ、１０Ｂを旋盤チャック１１２および回転台座１１３により二点支持した状態で回転させて、溶接機のトーチ１４がロータ部材１０Ａ、１０Ｂを溶接する（溶接ステップ）。このとき、第一固定治具２Ａ、２Ｂおよび第二固定治具３Ａ、３Ｂを装着したまま、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂが回転する。このため、第一固定治具２Ａ、２Ｂおよび第二固定治具３Ａ、３Ｂにより、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの位置関係が芯出しした状態で固定される。これにより、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出し精度を維持しつつ溶接できる。特に、図１１〜図１４の変形例では、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂを二点支持した状態で回転させて溶接できるので、保持治具４Ａ、４Ｂを用いた図７〜図９の構成と比較して、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂを安定的に回転させ得る点で好ましく、また、溶接時におけるロータ部材１０Ａ、１０Ｂの熱伸びの影響を低減できる点で好ましい。なお、溶接時には、第一固定治具２Ａ、２Ｂがロータ部材１０Ａ、１０Ｂと共に回転し、第二固定治具３Ａ、３Ｂは回転しない。

［効果］
以上説明したように、この芯出装置１は、一対のロータ部材１０Ａ、１０Ｂ（図２および図３参照）を芯出しする芯出装置であって、対応するロータ部材１０Ａ、１０Ｂにそれぞれ固定される一対の第一固定治具２Ａ、２Ｂと、対応する第一固定治具２Ａ、２Ｂにそれぞれ連結されて第一固定治具２Ａ、２Ｂをロータ部材１０Ａ、１０Ｂの回転方向に回転可能に支持すると共に、相互に連結されて相互の位置関係を固定する一対の第二固定治具３Ａ、３Ｂとを備える（図９あるいは図１４参照）。

かかる構成では、第一固定治具２Ａ、２Ｂおよび第二固定治具３Ａ、３Ｂにより、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの位置関係を芯出しした状態で固定できる（図９あるいは図１４参照）。また、第一固定治具２Ａ、２Ｂおよび第二固定治具３Ａ、３Ｂを左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂに装着したまま、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂを回転させて溶接できる。これにより、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出し精度を維持しつつ溶接できる利点がある。また、溶接時におけるロータ部材１０Ａ、１０Ｂの軸曲がりを低減できる利点がある。

また、この芯出装置１は、一対の第二固定治具３Ａ、３Ｂを固定状態で保持して一対の第二固定治具３Ａ、３Ｂの位置関係を調整する一対の保持治具４Ａ、４Ｂを備える（図７〜図９参照）。かかる構成では、保持治具４Ａ、４Ｂが一対の第二固定治具３Ａ、３Ｂの位置関係を調整することにより、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出し精度を向上させ得る利点がある。

また、このロータ製造方法は、一対のロータ部材１０Ａ、１０Ｂを芯出ししつつ溶接するロータ製造方法であって、一対の第一固定治具２Ａ、２Ｂを一対のロータ部材１０Ａ、１０Ｂにそれぞれ設置する第一固定治具設置ステップＳＴ１と、一対の第二固定治具３Ａ、３Ｂを対応する第一固定治具２Ａ、２Ｂに連結して第一固定治具２Ａ、２Ｂをロータ部材１０Ａ、１０Ｂの回転方向に回転可能に支持する第二固定治具設置ステップＳＴ２と、一対のロータ部材１０Ａ、１０Ｂを芯出しする芯出ステップＳＴ４と、一対のロータ部材１０Ａ、１０Ｂを芯出しした状態にて一対の第二固定治具３Ａ、３Ｂを相互に連結して一対の第二固定治具３Ａ、３Ｂの位置関係を固定する第二固定治具連結ステップＳＴ５とを備える（図１参照）。

かかる構成では、第一固定治具２Ａ、２Ｂおよび第二固定治具３Ａ、３Ｂにより、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂの位置関係を芯出しした状態で固定できる（図９あるいは図１４参照）。また、第一固定治具２Ａ、２Ｂおよび第二固定治具３Ａ、３Ｂを左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂに装着したまま、左右のロータ部材１０Ａ、１０Ｂを回転させて溶接できる。これにより、ロータ部材１０Ａ、１０Ｂの芯出し精度を維持しつつ溶接できる利点がある。

１芯出装置、２Ａ、２Ｂ第一固定治具、２１Ａ、２１Ｂボルト、３Ａ、３Ｂ第二固定治具、３１Ａ、３１Ｂベアリング、３２連結ボルト、４Ａ、４Ｂ保持治具、４１Ａ、４１Ｂ調整部材、１０ロータ、１０Ａ、１０Ｂロータ部材、１０１Ａ、１０１Ｂ溶接面、１０２Ａ、１０２Ｂ中空部、１０３Ａ、１０３Ｂインロー部、１１旋盤装置、１１１旋盤ベッド、１１２旋盤チャック、１１３回転台座、１２、１３支持台、１４溶接機のトーチ

Claims

一対のロータ部材を芯出しする芯出装置であって、
対応する前記ロータ部材にそれぞれ固定される一対の第一固定治具と、
対応する前記第一固定治具にそれぞれ連結されて前記第一固定治具を前記ロータ部材の回転方向に回転可能に支持すると共に、相互に連結されて相互の位置関係を固定する一対の第二固定治具とを備えることを特徴とする芯出装置。
前記一対の第二固定治具をそれぞれ保持して前記一対の第二固定治具の位置関係を調整する一対の保持治具を備える請求項１に記載の芯出装置。
一対のロータ部材を芯出ししつつ溶接するロータ製造方法であって、
一対の第一固定治具を対応する前記ロータ部材にそれぞれ設置する第一固定治具設置ステップと、
一対の第二固定治具を対応する前記第一固定治具に連結して前記第一固定治具を前記ロータ部材の回転方向に回転可能に支持する第二固定治具設置ステップと、
前記一対のロータ部材を芯出しする芯出ステップと、
前記一対のロータ部材を芯出しした状態にて前記一対の第二固定治具を相互に連結して前記一対の第二固定治具の位置関係を固定する第二固定治具連結ステップとを備えることを特徴とするロータ製造方法。