タービンブレードとは？寸法測定の重要性・測定のポイントを解説します！

2022.03.30

タービンブレードとは

発電したり、航空機や船舶等を動かしたりするために利用される「タービン（羽根車）」に組み込まれている1枚1枚の薄い羽根のことをタービンブレードと呼びます。タービンは、タービンブレードに高温高圧の蒸気やガスを当て原動機を回し、発電機により電気を生み出します。また、タービンの回転力を取り出すかわりに、タービンからの排気エネルギーにより排気自身を加速し、ジェットとして噴出することにより推進力を得ることもでき、航空機などのジェットエンジンに利用されています。

タービンブレードには、回転体側に付いて回転する動翼と、ボディ側に付いて固定されている静翼があります。動翼と静翼は一対で複数列並んでおり、静翼は動翼が効率よく回転できるように蒸気やガスの流れ方向を調整しています。タービンブレードは熱エネルギーを回転エネルギーへと変換させるための最重要部品で、高温の過酷な環境に晒されるため、耐熱性の強い金属が使用されます。

今回は、そんなタービンブレードに関して、寸法測定の重要性・測定のポイントについて解説します。

寸法測定の重要性

先に説明した通り、タービンブレードはタービンにおいて最重要部品であり、高温高圧下で高速回転するため、高強度、超高温度下での耐性、耐腐食性などが求められます。ブレードの寸法精度はローターの回転精度に影響し、寸法誤差があるとエネルギー変換効率の損失やブレードやそのほかの部品の破損原因となり、割れ目や異物などの構造欠陥は、ブレードの寿命を短命化する危険性があるため、タービンブレードの検査は非常に重要です。

また、加工時・メンテナンス時にも寸法や形状を測定する必要があります。

寸法測定のポイント

タービンブレードの形状や位置だしは、最適なブレード位置と空力動作を保証するために厳しい公差が適用されます。一般にタービンブレードは自由曲面で構成されており、高度な測定技術が求められます。

タービンブレードは三次元形状であるため測定ポイントも数多く、そのすべてが重要です。その中でも最も重要とされるタービンブレードの直径とブレードの形状・組み付け精度・ブレード・芯だしの肉厚の4点に絞って説明します。

①タービンブレードの直径とブレードの形状

タービンブレードの直径とブレード、レーシングワイヤーを通す孔の径や高さを測定します。1枚のブレードは、シュラウド・スタブ・植込部で構成されており、このすべての位置や寸法が公差内であることは必須です。特にシュラウドはブレードの先端にあり、回転中のタービンの振動に影響するため寸法を厳しく測定する必要があります。また、シュラウドから植込部に向ってねじれた形状になっており、かつ翼断面が三次元曲面です。このため、面全体の形状を把握するには多くの点を測定しなければならず時間を要するため、高精度かつ効率的な測定が求められます。

②組み付け精度

1台のタービンブレードには、多くのブレードが取り付けられます。これらが正確に回転するには、1枚のブレードの寸法精度だけでなく、ブレードとブレードの間隔や植込部の状態、止端部形状などの組み付け精度も重要な測定ポイントです。特にタービンブレードとそれを格納する翼環のクリアランスは、直径が数メートルのタービンブレードでも数ミリと狭いため厳しい寸法測定が必要です。クリアランスの測定にはシックネスゲージを用いることが多く、該当サイズのシックネスゲージを通すことによって確認していきます。

③ブレードの肉厚

動作中のタービンブレードは極めて高温になるため、一部のブレードでは内部を冷却材が循環できるよう中空状になっています。この構造のタービンブレードを「中空タービンブレード」といいます。中空タービンブレードのブレードの肉厚に寸法誤差があると、冷却材の循環が不足し冷却効果が低下するため、異常過熱など不測の事態を引き起こす原因になります。このため、ブレードの肉厚測定は最適強度や冷却のバランスを確保するための重要なポイントといえます。また、肉厚はブレード全体を測定しなければ正確な値を得られないため、正確な三次元測定が必要です。さらに3D CADによる設計データとの照合なども欠かせない作業となります。

④芯だし（シャフトアライメント）

回転機整備時には、タービンの芯だし（シャフトアライメント）を行います。このとき、シャフトを固定する治具が重力でたわんだり、治具の遊びが測定結果に影響を与えたりする場合があります。また、カップリング表面の荒れや軸のスラスト方向の動きがある場合は、その誤差を考慮した測定が必要です。正しい芯出しの値を得るには、これらの影響を測定者が修正しなければならず、熟練した測定者による緻密な測定が必要とされます。

引用元　株式会社キーエンス