CN102667399A - 用于检测封闭的孔的表面分析法和装置 - Google Patents

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Abstract

通过对具有孔的未覆层和已覆层的构件进行激光三角测量，可在覆层之后检测孔的精确位置用于再次打开。

Description

用于检测封闭的孔的表面分析法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于检测封闭的孔的表面分析的方法。
背景技术
在维修涡轮叶片时必须除去所使用的陶瓷保护层，并且在修复之后再次施加陶瓷保护层。在此，在覆层工艺期间将存在的冷却空气孔部分地或完全地封闭。冷却空气孔的钻孔轴线的位置和定向不能测定或仅能部分地测定。到目前为止，孔部分地通过发现陶瓷层的轻微凹陷和/或更小的开口来识别，并且借助于手动过程打开。不存在安全的、可控的系统。
发明内容
因此，本发明的目的是解决上述问题。
该目的通过依据权利要求1的方法和依据权利要求7的装置来实现。
在从属权利要求中列出了其他有利的措施，这些措施可任意相互组合，以便实现其他优点。
附图说明
附图示出：
图1、2、3示意地示出方法流程；
图4示出燃气轮机；
图5示出涡轮叶片；
图6示出燃烧室；
图7示出超合金列表。
描述和附图仅表示本发明的实施例。
具体实施方式
在图1中示出了具有覆层(未示出)的两个孔的所测定的几何数据的覆层模型4。
同样示出的是具有在至少一个孔的位置7’、7”和孔的定向13’、13”方面的在理论上假设的遮罩模型19。遮罩模型19也可通过测量未覆层的构件120、130来测定。可优选借助于三角测量法以可接受的分辨率并且在非常短的时间内在多个维度上测定弯曲的面的表面。在此例如作为构件的叶片120、130在未覆层的状态下在相关部位被扫描，以便限定孔的位置和/或限定孔的轴线的定位。这些数据稍后在运算单元16中用作为遮罩模型19(图1、2)。同样地，构件120、130的已知的几何数据可用作为遮罩模型19，这些几何数据预先例如从制造中已知。在任何情况下，孔轴线、孔角度(孔的位置)以数据记录的形式存在(图2中的19)。
图2示出，运算单元16获得所测得的已知的几何数据5或遮罩模型19的数据。
此后，对构件120、130进行覆层。然后，尤其借助于激光三角测量法再次测量所覆层的构件120、130，由此获得覆层模型4。
与孔的之前测定的定向7’、7”相组合，可精确地给出冷却空气孔在覆层/封闭状态下的位置和方向。
在此，通过迭代的方式将两个模型4、19进行比较17，直至测定位置或孔中心和钻孔轴线。在此，完全封闭的孔的凹部10’、10”的凹陷的定位或者部分封闭的孔的开口的定位10’、10”用来测定未封闭的孔的孔中心和轴线定位。
同样地，可将凹部10’、10”的边界与孔的边界进行比较(图3)，以便测定孔的定位。在此，根据覆层，凹部10’的边界不论大或小都必须具有在边界7’中的确定的定向，在此例如同心(图3)。在多个孔的情况下，在所有孔上通过迭代的方式测定最佳的适配。只有这样才能实现再次打开。
现在，可计算机辅助地计算孔的中点(图2中的17)并且生成用于再次打开的加工程序，该加工程序实现了从孔中去除“向下覆层(Coatdown)”。除了计算机辅助地测定在覆层之下的冷却空气孔的位置数据和角度数据之外，在这里本质上的优点首先在于对于每个单独的叶片和在任意制造状态下冷却孔的精确的位置。当前，叶片120、130在覆层期间的变形仅可借助经验确定的做法来预测。在此使用的方法可检验该预测并且测定精确的位置(图2中的步骤17)。
图4以局部纵剖面图举例地示出燃气轮机100。燃气轮机100在内部具有带有轴的、可围绕旋转轴线102转动地安装的转子103，该转子也称为涡轮机电枢。沿着转子103依次为进气壳体104、压缩机105、带有多个同轴设置的燃烧器107的尤其为环形燃烧室的例如环面状的燃烧室110、涡轮机108和排气壳体109。环形燃烧室110与例如环形的热气体通道111连通。在那里例如四个相继连接的涡轮级112形成涡轮机108。每个涡轮级112例如由两个叶片环形成。沿工质113的流动方向观察，在热气体通道111中，由转子叶片120形成的排125跟随导向叶片排115。
在此，导向叶片130固定在定子143的内壳体138上，而该排125的转子叶片120例如借助涡轮盘133安装在转子103上。发电机或者做功机械(未示出)耦接于转子103。
在燃气轮机100工作期间，压缩机105通过进气壳体104将空气135吸入并且压缩。在压缩机105的涡轮侧的端部处提供的压缩空气被引至燃烧器107并且在那里与燃料混合。接着混合物在燃烧室110中燃烧，从而形成工质113。工质113从那里起沿着热气体通道111流过导向叶片130和转子叶片120。工质113在转子叶片120处以传递动量的方式膨胀，使得转子叶片120驱动转子103并且该转子驱动耦接在其上的做功机械。
暴露于热工质113的构件在燃气轮机100工作期间承受热负荷。除了加衬于环形燃烧室110的热屏蔽元件之外，沿工质113的流动方向观察的第一涡轮机级112的导向叶片130和转子叶片120承受最高的热负荷。为了经受住那里存在的温度，可借助冷却剂来冷却第一涡轮机级的导向叶片和转子叶片。同样，构件的基质可以具有定向结构，这就是说它们是单晶的(SX结构)或仅具有纵向定向的晶粒(DS结构)。例如，铁基、镍基或钴基超合金用作构件的材料，特别是用作涡轮叶片120、130和燃烧室110的构件的材料。例如由EP 1 204 776 B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435或WO 00/44949已知这样的超合金。
导向叶片130具有朝向涡轮机108的内壳体138的导向叶片根部(这里未示出)，以及与导向叶片根部相对置的导向叶片顶部。导向叶片顶部朝向转子103并固定在定子143的固定环140处。
图5以立体图示出流体机械的沿着纵轴线121延伸的转子叶片120或导向叶片130。
所述流体机械可以是蒸汽轮机、压缩机或飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机。
叶片120、130沿着纵轴线121相继具有：固定区域400、邻接于固定区域的叶片平台403以及叶身406和叶片梢部415。作为导向叶片130，叶片130可以在其叶片梢部415处具有另一平台(未示出)。
在固定区域400中形成有用于将转子叶片120、130固定在轴或盘上的叶片根部183(未示出)。叶片根部183例如构成为锤头形。作为枞树形根部或燕尾形根部的其他构形是可行的。叶片120、130对于流过叶身406的介质具有迎流棱边409和出流棱边412。
在传统叶片120、130中，在叶片120、130的所有区域400、403、406中使用例如实心的金属材料、尤其是超合金。例如由EP 1 204 776B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435或WO 00/44949已知这样的超合金。在这种情况下，叶片120、130可以通过铸造法，也可以借助定向凝固、通过锻造法、通过铣削法或其组合来制造。
将带有一个或多个单晶结构的工件用作机器的在运行中承受高的机械的、热的和/或化学的负荷的构件。这种单晶工件的制造例如通过由熔融物的定向凝固来进行。在此涉及一种浇注法，其中液态金属合金凝固为单晶构造物、即单晶工件，或者定向凝固。在这种情况下，枝状晶体沿热流定向，并且形成柱状晶体的晶粒结构(柱状地，这就是说在工件的整个长度上分布的晶粒，并且在此根据一般的语言习惯称为定向凝固)，或者形成单晶结构，这就是说整个工件由唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免过渡成球形(多晶的)凝固，因为通过非定向的生长不可避免地构成横向和纵向晶界，所述横向和纵向晶界使定向凝固的或单晶的构件的良好特性不起作用。如果一般性地提到定向凝固组织，则是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶和确实具有沿纵向方向分布的晶界但不具有横向晶界的柱状晶体结构。第二种所提到的晶体结构也称为定向凝固组织(directionally solidified structures)。由US-PS 6,024,792和EP 0 892 090 A1已知这样的方法。
叶片120、130同样可以具有抗腐蚀或抗氧化的覆层，例如(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf))。由EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或EP 1 306 454A1已知这样的合金。密度优选地是理论密度的95％。在MCrAlX层上形成保护性氧化铝层(TGO＝thermal grown oxide layer(热生长氧化层))(作为中间层或最外层)。
优选地，层成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-06Y-07Si或Co-28Ni-24Cr-10Al-06Y。除这些钴基保护覆层外，也优选地使用镍基保护层，例如Ni-10Cr-12Al-06Y-3Re或Ni-12Co-21Cr-11Al-04Y-2Re或Ni-25Co-17Cr-10Al-04Y-15Re。
在MCrAlX上还可以有隔热层，隔热层优选是最外层并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2组成，即，隔热层由于氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。隔热层覆盖整个MCrAlX层。通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。其他覆层方法也是可以考虑的，例如气相等离子喷涂(APS)、LPPS(低压等离子喷涂)、VPS(真空等离子喷涂)或CVD(化学气相沉积)。隔热层可以具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，用于更好地耐热冲击。因此，隔热层优选地比MCrAlX层更为多孔。
叶片120、130可以构造成空心的或实心的。如果要冷却叶片120、130，则叶片为空心的并且必要时还具有薄膜冷却孔418(由虚线表示)。
图6示出燃气轮机的燃烧室110。燃烧室110例如构成为所谓环形燃烧室，其中多个在周向上围绕旋转轴线102设置的燃烧器107通到共同的燃烧室腔154中，所述燃烧器产生火焰156。为此，燃烧室110的整体构成为环形的结构，所述环形的结构围绕旋转轴线102定位。
为了实现相对高的效率，针对大约1000℃至1600℃的工作介质M的相对高的温度来设计燃烧室110。为了还在这些对材料不利的工作参数的情况下实现相对长的工作持续时间，燃烧室壁153在其朝向工作介质M的侧上设有由热屏蔽元件155形成的内衬。
由于在燃烧室110的内部中的高温，此外可为热屏蔽元件155或者为其保持元件设置冷却系统。那么，热屏蔽元件155例如是空心的或者必要时还具有通到燃烧室腔154中的冷却孔(未示出)。
每个由合金构成的热屏蔽元件155在工作介质侧配备有尤其耐热的保护层(MCrAlX层和/或陶瓷覆层)或者由耐高温的材料(实心陶瓷石)制成。保护层能够类似于涡轮叶片，于是MCrAlX例如表示：M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf)。从EP 0 486 489B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1或EP 1 306 454 A1中已知这种合金。
在MCrAlX上还可以有例如陶瓷的隔热层，并且隔热层例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的覆层工艺在隔热层中产生柱状晶粒。其他覆层工艺，例如气相等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或CVD也是可行的。隔热层可以具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，用于更好的耐热冲击性。
再处理(Refurbishment)意味着在使用涡轮叶片120、130和热屏蔽元件155之后，必要时必须将保护层从涡轮叶片120、130和热屏蔽元件155上去除(例如通过喷砂)。接着，进行腐蚀和/或氧化层及腐蚀和/或氧化产物的移除。必要时，还修复在涡轮叶片120、130或热屏蔽元件155中的裂缝。然后，进行涡轮叶片120、130和热屏蔽元件155的再覆层以及涡轮叶片120、130或热屏蔽元件155的重新使用。

Claims (7)

1.用于在覆层之后对构件(120、130)的待打开的、至少部分封闭的孔进行表面分析的方法，
其中在未覆层的状态下尤其借助于通过激光三角测量法进行的测量来测量具有不封闭的孔的构件(120、130)并且生成遮罩模型(19)，所述遮罩模型(19)至少包括所述孔的位置以及所述孔的纵轴线的定向，或者所述遮罩模型(19)能够从数据记录中事先已知，并且尤其借助于激光三角测量法利用已覆层的所述构件(120、130)和由此至少部分封闭的孔来执行测量，其中，这样生成的数据记录表示覆层模型(4)，并且将所述遮罩模型(19)与所述覆层模型(4)进行比较，以便实现检测封闭的孔。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述遮罩模型(19)能够由所述构件(120、130)的设计事先已知。
3.根据权利要求1或2的方法，
其中，通过迭代法来测定遮罩模型(19)和覆层模型(4)的最可能的适配。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，
其中，检测完全封闭的孔，尤其仅检测封闭的孔。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，
其中，仅检测部分封闭的孔，尤其仅检测部分封闭的孔。
6.用于再次打开构件(120、130)的已覆层的孔的方法，
其中，通过根据权利要求1、2、3、4或5所述的方法来检测所述孔的位置和定向，以及借助加工程序再次打开所述孔，所述加工程序通过比较遮罩模型(19)和覆层模型(4)来生成。
7.尤其用于执行根据权利要求1、2、3、4或5所述的方法的装置，所述装置具有：
用于构件(120、130)的支架；
构件(120、130)；
测量传感器，尤其是用于激光三角测量法的传感器；
运算单元，所述运算单元具有用于遮罩模型(19)和覆层模型(4)的存储单元，并且
用于通过迭代的方式测定所述孔的位置和定向，并且
尤其用于生成加工程序。
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