DE102011000144A1

DE102011000144A1 - Prozess und System zum Erzeugen geformter Luftlöcher

Info

Publication number: DE102011000144A1
Application number: DE102011000144A
Authority: DE
Inventors: Bin N.Y. Wei; Jon Conrad N.Y. Schaeffer; Ronald Scott N.Y. Bunker; Wenwu N.Y. Zhang; Kathleen Blanche N.Y. Morey; Jane Marie N.Y. Lipkin; Benjamin Paul N.Y. Lacy; Wilbur Douglas N.Y. Scheidt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2011-08-04
Also published as: CN102189339A; JP2011157964A; CN102189339B; CH702610A8; US20110185572A1; JP5864861B2; US8857055B2; CH702610B1; CH702610A2

Abstract

Es werden ein Prozess und System zum Erzeugen geformter Löcher (12), wie z. B. zur Verwendung bei Turbinenlaufschaufeln (10) bereitgestellt. Aspekte der Beschreibung betreffen die Erzeugung geformter Abschnitte (38) von Luftlöchern (12) unter Anwendung eines Kurzimpuls-Lasers, die Erzeugung (50) eines jedem geformten Abschnitt (38) entsprechenden kalibrierten Loches (40) und die getrennte Endbearbeitung (54) des geformten Abschnittes (38) unter Anwendung eines Kurzimpuls-Lasers. In weiteren Ausführungsformen kann die Reihenfolge dieser Operationen variiert werden, um so die geformten Abschnitte (38) zu erzeugen und die geformten Abschnitte (38) unter Anwendung des Kurzimpuls-Lasers vor der Erzeugung der kalibrierten Löcher (40) endzubearbeiten.

Description

Hintergrund der Erfindung
Der hier beschriebene Erfindungsgegenstand betrifft Gasturbinen und insbesondere einen Prozess und ein System zum Erzeugen von Löchern in Turbinenlaufschaufeln.
Generell verbrennen Gasturbinen ein Gemisch aus verdichteter Luft und Brennstoff, um heiße Verbrennungsgase zu erzeugen, welche über an einem Rotor befestigte Turbinenlaufschaufeln strömen und deren Drehung bewirken. Die heißen Verbrennungsgase können Temperaturen erreichen, die den Schmelz Punkt der Turbinenlaufschaufeln und weiterer Komponenten in dem Pfad der heißen Gase überschreiten. Um dieses zu verhindern, werden die Turbinenlaufschaufeln und anderen Komponenten in dem Gaspfad typischerweise unter Anwendung hoch schmelzender Legierungen aufgebaut und von einer Wärmeschutzbeschichtung abgedeckt. Zusätzlich können die Komponenten Luftlöcher enthalten, die den Durchtritt kühlerer Luft durch die Komponenten hindurch oder über diese hinweg ermöglichen. Nach dem Verlassen der Löcher erzeugt die kühlere Luft eine zusammenhängende Wärmeschildschicht über den Komponenten Diese kühle Luftschicht wirkt als ein Wärmeschild, indem die Wärmeübertragung aus den heißen Verbrennungsgasen auf die Turbinenlaufschaufeln begrenzt wird. Durch Begrenzen der Wärmeübertragung aus den heißen Verbrennungsgasen wird die Lebensdauer der Komponenten erhöht.
Jedoch kann der Vorgang der Erzeugung der Luftlöcher selbst Probleme bewirken, wie z. B. die Auslösung von Rissen, Spannungen oder Unregelmäßigkeiten in der Wärmeschutzbeschichtung. Ferner kann der mehrschichtige Aufbau der Komponenten Probleme bei der Erzeugung der Luftlöcher aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen Schichten bereiten. Zusätzlich hat die Komponente typischerweise eine konturierte Gestalt, deren dreidimensionales (3D) Profil selbst Probleme für die Erzeugung der Luftlöcher präsentieren kann.
Kurzbeschreibung der Erfindung
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Erzeugen eines geformten Loches bereitgestellt. Gemäß dieser Ausführungsform wird eine Komponente an einer ersten Station positioniert. Mehrere geformte Abschnitte von Luftlöchern werden in der Komponente unter Anwendung eines ersten Kurzimpuls-Lasers erzeugt, der durch einen dreidimensionalen Laserscanner gesteuert wird. Die Komponente wird zu einer zweiten Station gebracht und ein kalibriertes Loch an jedem entsprechenden geformten Abschnitt erzeugt. Die Komponente wird zu einer dritten Station oder zu der ersten Station gebracht und die geformten Abschnitte werden geglättet.
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Erzeugen eines geformten Loches bereitgestellt. Gemäß dieser Ausführungsform werden mehrere geformte Abschnitte von Luftlöchern in einer Turbinenlaufschaufel unter Anwendung eines Kurzimpuls-Lasers erzeugt, der durch einen dreidimensionalen Laserscanner gesteuert wird. Die geformten Abschnitte werden unter Anwendung des durch den dreidimensionalen Laserscanner gesteuerten Kurzimpuls-Lasers geglättet. Der Kurzimpuls-Laser wird mit einer anderen Scanrate beim Glätten der geformten Abschnitte als bei der Erzeugung der geformten Abschnitte betrieben. Die Turbinenlaufschaufel wird an eine andere Station gebracht und ein kalibriertes Loch bei jedem entsprechenden geformten Abschnitt erzeugt.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Validierung eines Fertigungsprozesses bereitgestellt. Gemäß diesem Verfahren wird eine volumetrische Darstellung der gesamten oder eines Teils der Turbinenlaufschaufel erzeugt, in welcher ein oder mehrere Luftlöcher vollständig oder teilweise erzeugt wurden. Die volumetrische Darstellung wird mit einer CAD-Datei verglichen und ein Fertigungsprozess auf der Basis des Vergleichs der volumetrischen Darstellung mit der CAD-Datei angepasst.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, wobei:
1 eine isometrische Ansicht einer Turbinenlaufschaufel ist, die geformte Luftlöcher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung enthält;
2 eine entsprechende Ansicht eines geformten Luftloches gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung ist;
3 eine Querschnittsansicht des geformten Loches von 2 entlang der Linie 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung ist;
4 ein Prozess zum Erzeugen eines geformten Luftloches in einer Turbinenlaufschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung ist;
5 ein Validierungsprozess für einen Erzeugungsprozess eines geformten Luftloches in einer Turbinenlaufschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung ist.
6 ein weiterer Prozess zum Erzeugen eines geformten Luftloches in einer Turbinenlaufschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. In dem Bemühen, eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementation in der Beschreibung beschrieben werden. Es dürfte erkennbar sein, dass bei der Entwicklung von jeder derartigen tatsächlichen Implementation wie bei jedem technischen oder konstruktiven Projekt zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele des Entwicklers, wie z. B. Übereinstimmung mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Einschränkungen zu erreichen, welche von einer Implementation zur anderen variieren können. Ferner dürfte erkennbar sein, dass eine derartige Entwicklungsanstrengung komplex und zeitaufwendig sein kann, aber trotzdem hinsichtlich Auslegung, Herstellung und Fertigung für den normalen Fachmann mit dem Vorteil dieser Beschreibung eine Routineaufgabe wäre.
Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel ”einer, eines, eine”, ”der, die, das” und ”besagter, besagte, besagtes” die Bedeutung haben, dass eines oder mehrere von den Elementen vorhanden sein kann. Die Begriffe ”aufweisend”, ”enthaltend” und ”habend” sollen einschließend sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche weitere Elemente außer den aufgelisteten Elementen vorhanden sein können.
Die vorliegende Beschreibung ist auf ein Verfahren zur Erzeugung von Luftlöchern in Turbinenlaufschaufeln oder irgendwelchen anderen Komponenten gerichtet, die eine Filmkühlung erfordern. 1 ist eine isometrische Ansicht einer exemplarischen Turbinenlaufschaufel 10, die eine dreidimensional (3D) gekrümmte Oberfläche besitzt und mehrere geformte Luftlöcher 12 enthält. Diese geformten Luftlöcher 12 wurden in die Außenoberfläche 14 der Turbinenlaufschaufel 10 gemäß einem von den Verfahren gebohrt, die später in der Anmeldung beschrieben werden. Die Luftlöcher 12 stehen mit dem Innenhohlraum 16 der Turbinenlaufschaufel 10 in Fluidkontakt. Dieses ermöglicht, dass Luft aus dem Innenhohlraum 16 durch die Löcher 12 unter Erzeugung eines kühlen Luftfilms strömt, der die Turbinenlaufschaufel 10 abdeckt, und diese von den in einem Gasturbinentriebwerk erzeugten heißen Verbrennungsgasen isoliert. Aufgrund ihrer Form in Bezug auf die Oberfläche der Turbinenlaufschaufel 10 können die geformten Luftlöcher 12 dazu beitragen, einen gleichmäßigeren Luftstrom über der Turbinenlaufschaufel 10 zu erzeugen.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines geformten Luftloches 12. Das geformte Luftloch 12 wurde in eine Außenoberfläche 14 der Turbinenlaufschaufel 10 gebohrt. In der dargestellten Ausführungsform wird das Loch 12 allmählich von der Außenoberfläche 14 aus kleiner, sobald das geformte Luftloch 12 zu dem Inneren der Turbinenlaufschaufel 10 fortschreitet. Der Oberflächenumfang 20 des geformten Luftloches 12 ist in dieser Ausführungsform an der Außenoberfläche 14 der Turbinenlaufschaufel 10 winkelartig geformt. Während das geformte Luftloch 12 zu dem Innenhohlraum 16 der Turbinenlaufschaufel 10 hin fortschreitet, wird die Querschnittsfläche kleiner und in einigen Fällen kreisförmiger. Es wird in Betracht gezogen, dass eine Vielfalt von Löchern mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen unter Anwendung des hierin offengelegten Verfahrens erzeugt werden kann.
3 ist eine Querschnittsansicht eines exemplarisch geformten Luftloches 12. einer Turbinenlaufschaufel 10 entlang der in 2 dargestellten Sichtlinie 3. In einer Ausführungsform können die Turbinenlaufschaufel 10 oder spezifische Schichten der Turbinenlaufschaufel 10 aus einer beliebigen Anzahl von Materialien einschließlich Metalllegierungen bestehen. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform die Turbinenlaufschaufel 10 aus einer Substratschicht 32 bestehen, die aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufgebaut sein kann. In einer Ausführungsform ist die Substratschicht 32 angenähert 160 mils (d. h., angenähert 4,064 mm) dick. In der dargestellten Ausführungsform ist die Substratschicht 32 von einer Zwischenschicht 34, wie z. B. einer Haftbeschichtung überdeckt. In dieser Ausführungsform befindet sich auf der Oberseite der Zwischenschicht 34 eine Wärmeschutzbeschichtung 36. Die Wärmeschutzbeschichtung kann eine keramische Beschichtung oder eine andere geeignete Wärmebeschichtung sein. In einer Ausführungsform ist die Wärmeschutzbeschichtung 36 angenähert 40 mils (d. h., angenähert 1,016 mm) dick. Die Wärmeschutzbeschichtung 36 und/oder die Substratschicht 32 können stärker an der Zwischenschicht 34 haften, als sie direkt aneinander haften würden. Somit kann die Zwischenschicht 34 eine stärkere mehrschichtige Struktur in derartigen Ausführungsformen erzeugen. In weiteren Ausführungsformen kann keine Zwischenschicht 34 vorhanden sein, und die Wärmeschutzbeschichtung 36 kann direkt mit der Substratschicht 32 in Kontakt stehen. Ferner können in weiteren Ausführungsformen zusätzliche Beschichtungen oder Schichten vorhanden sein. Zusätzlich können weitere Ausführungsformen keinerlei Wärmeschutzbeschichtungen oder Schichten enthalten.
Der geformte (d. h., nicht runde) Abschnitt 38 des Luftloches 12 kann auf die Wärmeschutzbeschichtung 36 oder auf die Wärmeschutzbeschichtung 36 und die Zwischenschicht 34 begrenzt sein. Alternativ kann sich in weiteren Ausführungsformen der geformte Abschnitt 38 des Luftloches 12 bis in die Substratschicht 32 erstrecken. Typischerweise verläuft in dem Maße, wie die Substratschicht 32 (und/oder die Substratschicht 32 und die Zwischenschicht 34) nicht von dem geformten Abschnitt 38 durchdrungen sind, ein gerades kalibriertes Loch 40 (mit einem runden oder ovalen Querschnitt) durch die Substratschicht 32 von dem geformten Abschnitt 38 des Luftloches 12 zu dem Innenhohlraum 16 der Turbinenlaufschaufel 10. In einer Ausführungsform ist das gerade kalibrierte Loch 40 in einem Winkel von 30° in Bezug auf die Oberfläche der Turbinenlaufschaufel 10 gebohrt.
In Hinblick auf den vorstehenden Aufbau ist 4 ein Verfahren 42 zum Erzeugen eines geformten Luftloches 12 gemäß einer ersten Ausführungsform. Eine Turbinenlaufschaufel 10 wird zu Beginn (Block 44) in einer Bohrvorrichtung positioniert. Die Positionierung der Turbinenlaufschaufel 10 kann manuell oder automatisch durchgeführt werden. Als Teil des Positionierungsverfahrens kann ein Laser, der zum Erzeugen der geformten Luftlöcher 12 verwendet wird, auf die dreidimensionale Geometrie der Turbinenlaufschaufel 10 ausgerichtet werden.
Sobald die Turbinenlaufschaufel positioniert ist, kann der geformte Abschnitt 38 eines Luftloches 12 in der Turbinenlaufschaufel 10 erzeugt werden (Block 46). In einer Ausführungsform wird der geformte Abschnitt 38 unter Anwendung eines Kurzimpuls-Lasers erzeugt, der einen Abschnitt der Wärmeschutzbeschichtung 36 gemäß einer spezifizierten dreidimensionalen Geometrie des geformten Abschnittes 38 des Luftloches 12 herausarbeitet. In einigen Ausführungsformen kann der Kurzimpuls-Laser auch Abschnitte einer Zwischenschicht 34 und/oder Substratschicht 32 während der Formung des geformten Abschnittes 38 eines Luftloches 12 herausarbeiten. Beispiele geeigneter Kurzimpuls-Laser können in einer Ausführungsform eine Pulsdauer von weniger als 10 μs, wie z. B. weniger als 1 μs haben. In einer Implementation können Laser mit Impulsdauern im Bereich von Femto- und/oder Pico-Sekunden verwendet werden, um den geformten Abschnitt 38 der Luftlöcher 12 zu formen. Beispielsweise kann der Impulslaser ein 30 W Grünlaser mit Pulsdauern im Nanosekunden-Bereich (z. B. weniger als 25 ns) sein.
In einer Ausführungsform steht der Kurzimpuls-Laser unter der Steuerung eines dreidimensionalen Laserscanners mit Echtzeitfokussteuerung. Ein derartiger Fokussteuerungsmechanismus kann die Impulsdauer, die Impulsenergie, das Überlappungsverhältnis, die Scangeschwindigkeit usw. steuern oder anpassen, um somit die Geometriegenauigkeit sicherzustellen. In einer Implementation wird der die Formungsoperation steuernde Scanner mit einer CAD-Datei (z. B. einer 3D STL CAD-Datei) geladen, welche in beliebige oder konfigurierbare Schichten (z. B. 5 μm, 10 μm, 20 μm usw.) unterteilt ist. Die CAD-Datei ist in die Lasersteuerung so integriert, dass der Scanner den Kurzimpuls-Laser steuert, um die gewünschte Geometrie für den geformten Abschnitt 36 des Luftloches 12 gemäß der CAD-Datei herauszuarbeiten. In einer derartigen Ausführungsform kann ein geformter Abschnitt 38, der angenähert 3 mm breit und 8 mm lang ist, in angenähert 6 Minuten erzeugt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann ein geformter Abschnitt 38, der etwa 1 mm breit und 8 mm lang ist, in angenähert 1,5 Minuten erzeugt werden.
In einer Ausführungsform kann der auf der gekrümmten Oberfläche der Turbinenlaufschaufel 10 eingebettete und gekippt geformte Abschnitt 38 für Qualitätszwecke unter Anwendung eines geeigneten Verfahrens gemessen und/oder bewertet werden. Beispielsweise können in bestimmten Ausführungsformen eines oder mehrere von IR-Bildgebung, konfokaler mikroskopischer 3D-Messung und/oder Röntgenradiographie angewendet werden, um die Genauigkeit der Geometrie zu bewerten und/oder sich aus dem Formungsverfahren ergebende Mikrorisse zu detektieren. Diese Verfahren können durchgeführt werden, während die Turbinenlaufschaufel in einer Bohrhalterung verbleibt oder diese aus der Bohrhalterung entfernt wird und sie an einer anderen Station durchgeführt werden. Beispielsweise können in einer Implementation 3D konfokale optische Geometriemessungen und/oder eine Röntgenradiographie dazu genutzt werden, um die Geometrie des geformten Abschnittes 38 zu messen. Derartige Messungen können dann mit den in einer CAD-Datei spezifizierten Messungen als eine Qualitätskontrollmaßnahme verglichen werden. Ebenso kann eine IR-Bildgebung des geformten Abschnittes 38 mittels einer Querschnittsanalyse kalibriert werden, um eine rasche Inline-Qualitätsüberwachung der geformten Abschnitte 38 bereitzustellen. Derartige Qualitätssteuerungsaktivitäten können bei jedem geformten Abschnitt 38 und/oder Turbinenlaufschaufel 10 oder an einer eingeschränkten Anzahl geformter Abschnitte 38 und/oder Turbinenlaufschaufeln 10 gemäß einer geeigneten statistischen Probenahmetechnik durchgeführt werden.
Beispielsweise kann in einer Ausführungsform eine globale Kalibrierung oder Validierung (Block 48) durchgeführt werden, um periodisch (z. B. einmal am Tag, zweimal am Tag, einmal pro Woche) den Formungsprozess zu bewerten und/oder zu kalibrieren. Ein Beispiel eines derartigen Validierungsprozesses 58 ist in 5 dargestellt. In einer derartigen Ausführungsform wird eine Turbinenlaufschaufel 10, in welcher geformte Abschnitte 38 erzeugt werden, unter Anwendung einer volumetrischen Bildgebungsmodalität (Block 60), wie z. B. einer geeigneten dreidimensionalen optischen oder röntgentechnischen Bildgebungsmodalität (z. B. einem Computertomographie(CT)-Bildgebungssystem, einem Tomosynthese-Bildgebungssystem oder anderen volumetrischen Röntgen-Bildgebungsmodalitäten) abgebildet. In einer derartigen Ausführungsform werden erfasste Röntgenprojektionsdaten oder dreidimensionale optische Messwerte zum Rekonstruieren eines Volumen-Renderings (62) der Turbinenlaufschaufel 10 zur weiteren Analyse verwendet. Das Volumen-Rendering 62 kann mit einem CAD-Modell 66 (wie z. B. einer dreidimensionalen STL CAD-Datei) verglichen werden (Block 64), um zu ermitteln, ob die geformten dreidimensionalen Oberflächenmerkmale der Turbinenlaufschaufel 10 (z. B. die geformten Abschnitte 38) den spezifizierten Formen gemäß Darstellung in dem CAD-Modell 66 entsprechen. In einer Ausführungsform kann ein Volumen-gerendertes Bild 62, das durch die Röntgenbilder und/oder das entsprechende CAD-Modell 66 erzeugt wurde, in Schichten konfigurierbarer Dicke (z. B. 5 μm Schicht, 20 μm Schichten usw.) unterteilt werden, was einen detaillierten Schicht-für-Schicht-Vergleich der Turbinenlaufschaufel 10 (gemäß Darstellung durch das Volumen-Rendering 62) und dem CAD-Modell 66 ermöglicht. Die detaillierte Inspektion kann die Positionen, Formen, Querschnitt und/oder Abmessungen der geformten Luftlöcher 12 gegenüber dem CAD-Modell 66 vergleichen, sowie auf Risse und/oder andere Unregelmäßigkeiten prüfen, die sich aus der Erzeugung des geformten Abschnittes 38 der Luftlöcher 12 ergeben.
Wenn festgestellt wird, dass die geformten Abschnitte 38 nicht korrekt platziert, geformt oder in Bezug auf das CAD-Modell 66 dimensioniert sind, werden die zum Formen der geformten Abschnitte 38 der Luftlöcher 12 verwendeten Computer und Werkzeuge angepasst und/oder kalibriert (Block 68), um die Mängel zu beheben. Derartige Einstellungen können eine Änderung der Laserintensität, Impulsdauer, des Scanmusters, der Scangeschwindigkeit, der Positionierung der Turbinenlaufschaufel usw. beinhalten. Dieser Validierungsprozess kann auf anschließend geformten Turbinenlaufschaufeln 10 wiederholt werden, bis die abgebildeten geformten Abschnitte 38 als innerhalb einer bestimmten spezifizierten Toleranz des CAD-Modells liegend ermittelt wird, wobei an dem Punkt, an dem die Einstellungen als zufriedenstellend ermittelt werden, die validierten Prozessparameter akzeptiert werden können (Block 70).
Zurückkehrend zu 4 können nach der Erzeugung des geformten Abschnittes 38 der Luftlöcher 12 entsprechende kalibrierte Löcher 40 durch einen Bereich der Substratschicht 32 gebohrt werden, der durch jeden geformten Bereich 38 offengelegt ist (Block 50). In einer Ausführungsform sind die kalibrierten Löcher 40 im Wesentlichen gerade runde Löcher, die durch einen Teil oder die gesamte Substratschicht 32 in dem Innenhohlraum 16 der Turbinenlaufschaufel 10 gehen. Die Dosierungslöcher 40 können senkrecht zu der Oberfläche der Turbinenlaufschaufel 10 oder in einem relativen Winkel, z. B. 30° gebohrt werden. In einer Ausführungsform werden die kalibrierten Löcher 40 unter Anwendung eines Hochleistungs-Langimpuls-Lasers, wie z. B. eines Lasers mit einer Pulsdauer zwischen 1 μs bis 1 ms und einer Nennleistung größer als 50 W (z. B. 100 W und 1000 W, wobei ein Beispiel ein 500 W Laser ist) gebohrt werden. In weiteren Ausführungsformen kann das kalibrierte Loch 40 unter Anwendung weiterer geeigneter Lösungsansätze, wie z. B. Wasserstrahl, elektrische Erosionsbearbeitung (EDM), elektrochemische Bearbeitung (ECM), Stoßbohren, Kernbohren, Elektronenstrahlbearbeitung usw. gebohrt werden. In einer Implementation wird ein anderes Verfahren als EDM zum Formen des kalibrierte Loches 40 verwendet. In Ausführungsformen, in welchen ein anderer Mechanismus zum Formen des kalibrierten Loches 40 verwendet wird, als der, der zum Formen des geformten Abschnittes 38 verwendet wurde, kann die Turbinenlaufschaufel automatisch oder manuell an eine andere physikalische Station einer Fertigungs- oder Montagelinie gebracht werden.
Wie bei dem geformten Abschnitt 38 kann ein Mess- und/oder Qualitätssteuerungsprozess durchgeführt werden, wie z. B. unter Anwendung von Stiftmesslehren, um die Platzierung und die Durchdringung der kalibrierten Löcher 40 nach der Ausbildung der kalibrierten Löcher 40 zu bewerten. Obwohl eine gewisse Bewertung der Qualitätskontrolle für jedes kalibrierte Loch 40 und/oder Turbinenlaufschaufel 10 durchgeführt werden kann, kann in anderen Ausführungsformen die Qualitätskontrolle unter Anwendung einer statistischen Probenahme einer beschränkten Population von kalibrierten Löchern 40 und/oder Turbinenlaufschaufeln 10 implementiert sein. Ferner kann wie bei den geformten Abschnitten 30 ein Validierungsprozess (Block 52) periodisch (d. h., täglich, wöchentlich usw.) durchgeführt werden, um die zur Erzeugung der kalibrierten Löcher 40 verwendeten Geräte und/oder Bohrprotokolle zu validieren und/oder zu kalibrieren. Ein derartiger Validierungsprozess kann die Platzierung, den Winkel, die Durchdringung oder andere Eigenschaften der kalibrierten Löcher 40 bewerten und kann dazu genutzt werden, die Geräte und/oder den Bohrprozess anzupassen oder zu kalibrieren, um innerhalb einer spezifizierten Qualitätstoleranz zu bleiben. Beispiele von Einstellungen, die auf der Basis des Validierungsprozesses ausgeführt werden können, umfassen eine Änderung der Laserintensität, Impulsdauer, Positionierung der Turbinenlaufschaufel, Scangeschwindigkeit, des Scanmusters usw.
Obwohl der Validierungsprozess (Block 52) für die kalibrierten Löcher 40 als von dem Validierungsprozess (Block 48) für die geformten Abschnitte 38 getrennt dargestellt ist, dürfte es erkennbar sein, dass in bestimmten Ausführungsformen die Validierungsprozesse gleichzeitig und/oder in derselben Weise durchgeführt werden können. Beispielsweise können die kalibrierten Löcher 40 unter Anwendung volumetrischer Bilder 62, die unter Anwendung dreidimensionaler optischer oder radiographischer Bildgebungstechniken (wie z. B. CT oder Tomosynthese) erzeugt werden, und eines CAD-Modells 66 entweder gleichzeitig mit oder getrennt von der Validierung der geformten Abschnitte 38 validiert werden. In weiteren Ausführungsformen kann die Validierung der kalibrierten Löcher 40 unter Anwendung mechanischer Mittel durchgeführt werden, wie z. B. von Stiftmesslehren, welche die Platzierung und Durchdringung der kalibrierten Löcher 40 bewerten.
Wie in 4 dargestellt, können die durch die geformten Abschnitte 38 und kalibrierten Löcher 40 gebildeten Luftlöcher 12 feingereinigt oder endbearbeitet werden (Block 54), um den Luftlöchern 12 sowie den geformten Abschnitten 38 des Luftloches 12 auf der durch den Formungsprozess bereitgestellten Kontur die erwünschte Oberflächentextur, Glattheit und/oder Oberflächenkontur zu verleihen. Beispielsweise kann der Endbearbeitungsprozess Risse entfernen, die entstehen, wenn das kalibrierte Loch 40 erzeugt wird. Die Entfernung der Risse verbessert die Integrität der Turbinenlaufschaufeln, wenn verschiedene Belastungen während des normalen Betriebs aufgebracht werden.
In einer Ausführungsform kann die Endbearbeitung Kurzimpuls-Lasers, wie mittels eines z. B. des unter Bezugnahme auf die Erzeugung der geformten Abschnitte 38 der Luftlöcher 12 diskutierten Kurzimpuls-Lasers ausgeführt werden. In weiteren Ausführungsformen können mechanisches Schleifen oder EDM zur Endbearbeitung des Luftloches 12 genutzt werden. In Ausführungsformen, in welchen ein Kurzimpuls-Laser zum Erzeugen des geformten Abschnittes 38 und zum Endbearbeiten des Luftloches 12, aber nicht zum Bohren des kalibrierten Loches 40 verwendet wird, kann die Turbinenlaufschaufel 10 automatisch oder manuell an eine andere physikalische Station einer Fertigungs- oder Montagelinie gebracht oder die Turbinenlaufschaufel an eine vorherige Station zurückgebracht werden. Beispielsweise kann in einer Implementation die Turbinenlaufschaufel 10 zu Beginn an einer Kurzimpuls-Laserstation bearbeitet werden, um den geformten Abschnitt 38 der Luftlöcher 12 zu erzeugen, kann dann zu einer Langimpuls-Laserstation zum Bohren der kalibrierten Löcher 40 gebracht werden, bevor sie zu der Kurzimpuls-Laserstation zur Endbearbeitung der Luftlöcher 12 unter Anwendung einer unterschiedlichen Bearbeitung oder eines Scanprotokolls als dem für die Erzeugung der geformten Abschnitte 38 verwendeten zurückgebracht wird.
In einer einen Kurzimpuls-Laser anwendenden Ausführungsform kann der Kurzimpuls-Laser mit einer schnelleren Scanrate für den Endbearbeitungsprozess arbeiten, als der, die zur Erzeugung der geformten Abschnitte 38 verwendet wurde. Ebenso kann sich in einer Ausführungsform der in dem Endbearbeitungsprozess verwendete Kurzimpuls-Laser unter der Steuerung eines Laserscanners mit Echtzeitfokussteuerung befinden, die den Laser für die Endbearbeitung des Luftloches 12 gemäß einer spezifizierten dreidimensionalen Geometrie betreibt. Ein derartiger Fokussteuerungsmechanismus kann die Impulsdauer, die Impulsenergie, das Überlappungsverhältnis, die Scangeschwindigkeit usw. steuern oder einstellen, um die Geometriegenauigkeit sicherzustellen.
In einer Ausführungsform kann die endbearbeitete Oberfläche des Luftloches 12 unter Anwendung eines geeigneten Verfahrens für Qualitätszwecke gemessen werden und/oder bewertet werden. Beispielsweise können in bestimmten Ausführungsformen eine oder mehrere von IR-Bildgebung, konfokaler mikroskopischer 3D-Messung und/oder Röntgenradiographie verwendet werden, um die Wiedergabetreue zu bewerten und/oder sich aus dem Formungsprozess ergebende Mikrorisse zu detektieren. Derartige Qualitätskontrollaktivitäten können an jedem Luftloch 12 oder an einer eingeschränkten Anzahl von Luftlöchern gemäß einer geeigneten statistischen Probenahmetechnik durchgeführt werden.
Ferner kann wie bei den vorstehend diskutierten geformten Abschnitten 38 und kalibrierten Löchern 40 ein Validierungsprozess (Block 56) periodisch (d. h., täglich, wöchentlich usw.) zum Validieren und/oder Kalibrieren der Geräte und/oder der in dem Endbearbeitungsprozess verwendeten Bohrprotokolle durchgeführt werden. Ein derartiger Validierungsprozess kann die Oberfläche, Textur, Konturierung usw. der endbearbeiteten Luftlöcher 12 bewerten und kann dazu genutzt werden, das Gerät und/oder den Endbearbeitungsprozess anzupassen oder zu kalibrieren, dass er innerhalb einer spezifizierten Qualitätstoleranz bleibt. Beispiele von Anpassungen, die auf der Basis des Validierungsprozesses durchgeführt werden können, umfassen eine Änderung des Laserwinkels, der Laserintensität, der Zeit, in der der Laser eingesetzt wird, eine Positionierung der Turbinenlaufschaufel usw.
Obwohl der Validierungsprozess (Block 56) für den Endbearbeitungsprozess als von den Validierungsprozessen (Blöcke 48, 52) für die geformten Abschnitte 38 und die kalibrierten Löcher 40 getrennt dargestellt ist, dürfte erkennbar sein, dass in bestimmten Ausführungsformen die Validierungsprozesse gleichzeitig und/oder in derselben Weise durchgeführt werden können. Beispielsweise können die endbearbeiteten Luftlöcher 12 (einschließlich der kalibrierten Löcher 40 und der geformten Abschnitte 38) in einem einzigen Schritt unter Anwendung volumetrischer Bilder 62, die unter Anwendung dreidimensionaler optischer oder radiographischer Bildgebungstechniken (wie z. B. CT oder Tomosynthese) erzeugt werden, und eines CAD-Modells 66, wie vorstehend diskutiert, validiert werden. Alternativ können alle oder einige von diesen Validierungsschritten getrennt und/oder ohne Verwendung eines Vergleichs mit dem CAD-Modell 66 durchgeführt werden.
Vorstehendes beschreibt eine Ausführungsform, in welcher der geformte Abschnitt 38 eines Luftloches 12 vor der Formung des kalibrierten Loches 40 erzeugt wird. Wie vorstehend erwähnt, kann eine derartige Ausführungsform das Verbringen der Turbinenlaufschaufeln an zwei getrennte Stationen (d. h., zu einer Kurzimpuls-Laserstation, einer Kalibrierungsstation und zurück zu der Kurzimpuls-Laserstation zur Endbearbeitung) oder zu drei getrennten Stationen (d. h., einer Kurzimpuls-Laserstation, einer Kalibrierungsstation und einer Endbearbeitungsstation, welche einen Kurzimpuls-Laser verwenden kann oder nicht, beinhalten. In Ausführungsformen, in welchen die Turbinenlaufschaufel von einer Station zur anderen gebracht wird, kann die Positionierung der Turbinenlaufschaufel eine Lochidentifikation oder Ausrichtung beinhalten, um eine korrekte Ausrichtung der Vorrichtung sicherzustellen, die die Formungs-, Kalibrierungs- und/oder Endbearbeitungsschritte durchführt.
In weiteren Ausführungsformen kann die Reihenfolge, in welchen Abschnitte des Luftloches 12 erzeugt werden, unterschiedlich sein. Beispielsweise können nun gemäß Bezugnahme auf 6, in einer Ausführungsform die verschiedenen Kalibrierungs-, Formungs- und Endbearbeitungsprozesse wie hierin beschrieben in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, in welcher das kalibrierte Loch 40 zu Beginn (Block 50) vor der Formung (Block 46) des geformten Abschnittes 38 des Luftloches 12 und der Endbearbeitung (Block 54) des Luftloches 12 erzeugt wird. In einer derartigen Ausführungsform muss die Turbinenlaufschaufel nur zu zwei getrennten Stationen gebracht werden (d. h., einer Kalibrierungsstation und einer Formungs/Endbearbeitungs-Station), wobei die Formungs- und Endbearbeitungsprozesse bei der gleichen Station, aber unter Anwendung unterschiedlicher Scanprotokolle (d. h., eines Formungsscanprotokolls und eines Endbearbeitungsscanprotokolls) erfolgen.
Ferner können in einer weiteren Ausführungsform, in welcher nur ein einziger konfigurierbarer oder abstimmbarer Laser zur Durchführung sowohl von Langimpuls- als auch Kurzimpuls-Formungsoperationen wie hierin diskutiert verwendet wird, die Luftlöcher 12 in einer Turbinenlaufschaufel 10 an nur einer einzigen physikalischen Station erzeugt werden, wobei der Betrieb des konfigurierbaren Lasers in geeigneter Weise zur Verwendung in jedem der Kalibrierungs-, Formungs- und/oder Endbearbeitungsprozesse eingestellt wird. Beispielsweise kann in einer derartigen Ausführungsform ein gepulster Laser mit einer Pulsdauer von weniger als 1 ms, geeigneten Wellenlängencharakteristiken (z. B. 532 mm, 355 mm, 317 mm usw.) und mit hoher Leistung (z. B. größer als 100 W) verwendet werden, um die Luftlöcher 12 zu formen, zu kalibrieren und endzubearbeiten. Ein derartiger Laser kann unter der Steuerung eines Scanners (wie z. B. eines CAD-gesteuerten Scanners wie hierin diskutiert) oder von Übersetzungsstufen stehen. In einer Implementation hat der gepulste Laser eine Pulsdauer von weniger als 1 ms und eine hohe Leistung und eine hohe Wiederholungsrate, wie z. B. ein Hochleistungs-Excimer-Laser der Nanosekunden-Klasse oder ein Hochleistungs-Grünlaser der Nanosekunden- oder Picosekunden-Klasse.
Die technischen Auswirkungen der Erfindung umfassen die Erzeugung einer Turbinenlaufschaufel mit geformten Luftlöchern zum Kühlen der Turbinenlaufschaufel im Einsatz. Die geformten Luftlöcher können in einem Zwei- oder Dreischritteprozess erzeugt werden, wie z. B. durch einen Prozess, in welchem ein Langimpuls-Laser zum Erzeugen eines kalibrierten Abschnittes jedes Luftloches verwendet wird, während ein Kurzimpuls-Laser zum Erzeugen eines geformten Abschnittes des Luftloches und zum Erzeugen einer Endbearbeitung (z. B. Feinreinigung) des Luftloches verwendet wird. Zusätzlich besteht ein technischer Effekt in der Verwendung von einem oder mehreren einer IR-Bildgebung, konfokaler Mikroskopie und/oder Röntgen-Radiographie in dem Qualitätssteuerungsprozess. Ein weiterer technischer Effekt ist eine Validierungsverarbeitung unter Anwendung einer von einer Turbinenlaufschaufel mit geformten Luftlöchern erzeugten volumetrischen Darstellung, wobei die volumetrische Darstellung mit einer bekannten CAD-Darstellung der Turbinenlaufschaufel verglichen wird, um den Fertigungsprozess zu verifizieren und/oder anzupassen.
Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich der besten Ausführungsart offenzulegen, und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen enthalten.
Es werden ein Prozess und System zum Erzeugen geformter Löcher 12, wie z. B. zur Verwendung bei Turbinenlaufschaufeln 10 bereitgestellt. Aspekte der Beschreibung betreffen die Erzeugung geformter Abschnitte 38 von Luftlöchern 12 unter Anwendung eines Kurzimpuls-Lasers, die Erzeugung 50 eines jedem geformten Abschnitt 38 entsprechenden kalibrierten Loches 40 und die getrennte Endbearbeitung 54 des geformten Abschnittes 38 unter Anwendung eines Kurzimpuls-Lasers. In weiteren Ausführungsformen kann die Reihenfolge dieser Operationen variiert werden, um so die geformten Abschnitte 38 zu erzeugen und die geformten Abschnitte 38 unter Anwendung des Kurzimpuls-Lasers vor der Erzeugung der kalibrierten Löcher 40 endzubearbeiten.
Bezugszeichenliste

10: Turbinenlaufschaufel
12: geformte Luftlöcher
14: Außenoberfläche
16: Innenhohlraum
20: Oberflächenumfang
32: Substratschicht
34: Zwischenschicht
36: Wärmeschutzbeschichtung
38: geformter Abschnitt
40: kalibriertes Loch
42: Prozess
44: Block: Positionierung der Turbinenlaufschaufel
46: Block: Formung des Luftloches
48: Block: Validierung
50: Block: Erzeugung des kalibrierten Loches
52: Block: Validierung
54: Block: Endbearbeitung des Luftloches
56: Block: Validierung
58: Prozess
60: Block: Erfassen von Röntgenbildern
62: Daten: Volumen-Rendering
64: Entscheidung: Vergleichen des Volumen-Renderings mit CAD-Modell
66: Daten: CAD
68: Block: Anpassen des Schrittes der Formung, Kalibrierung oder Endbearbeitung
70: Block: Akzeptieren des Prozesses

Claims

Verfahren zum Erzeugen geformter Löcher (12), mit den Schritten: Positionieren (44) einer Turbinenkomponente (10) bei einer ersten Station; Erzeugen (46) mehrerer geformter Abschnitte (38) von Luftlöchern (12) in der Turbinenkomponente (10) unter Anwendung eines durch einen dreidimensionalen Laserscanner gesteuerten ersten Kurzimpuls-Lasers; Bringen der Turbinenkomponente (10) zu einer zweiten Station; Erzeugen (50) eines kalibrierten Loches (40) bei jedem entsprechend geformten Abschnitt (38); Bringen der Turbinenkomponente (10) zu einer dritten Station oder an die erste Station; und Glätten (54) der geformten Abschnitte (38).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der dreidimensionale Laserscanner den ersten Kurzimpuls-Laser auf der Basis einer CAD-Datei steuert, die durch den dreidimensionalen Laserscanner bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die geformten Abschnitte (38) der Luftlöcher (12) in wenigstens einer Wärmeschutzbeschichtungsschicht (36) der Turbinenkomponente (10) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten: Validieren (56) von einem oder mehreren geformten Abschnitten (38), der kalibrierten Löcher (40) oder der endbearbeiteten Löcher (12) auf der Basis einer volumetrischen Rekonstruktion (62) und einer CAD-Datei (66).
Verfahren zum Erzeugen geformter Löcher (12), mit den Schritten: Erzeugen (46) mehrerer geformter Abschnitte (38) von Luftlöchern (12) in einer Turbinenkomponente (10) unter Anwendung eines von einem dreidimensionalen Laserscanner gesteuerten Kurzimpuls-Lasers; Glätten (54) der geformten Abschnitte (38) unter Anwendung des von dem dreidimensionalen Laserscanner gesteuerten Kurzimpuls-Lasers, wobei der Kurzimpuls-Laser bei einer anderen Scanrate betrieben wird, wenn die geformten Abschnitte (38) geglättet werden als dann, wenn die geformten Abschnitte (38) erzeugt werden; Bringen der Turbinenkomponente (10) zu einer getrennten Station; und Erzeugen (50) eines kalibrierten Loches (40) bei jedem entsprechend geformten Abschnitt (38).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Glättung (54) der geformten Abschnitte (38) den Schritt der Aufbringung einer spezifizierten Oberflächentextur, Glattheit und/oder Oberflächenkontur auf die entsprechend geformten Abschnitte (38) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Glättung (54) der geformten Abschnitte (38) die Beseitigung von Rissen aus den entsprechenden geformten Abschnitten (38) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, mit den Schritten: Erzeugen einer volumetrischen Darstellung (62) der geformten Abschnitte (38); und Vergleichen (64) der volumetrischen Darstellung (62) mit einer CAD-Datei (66).
Verfahren nach Anspruch 8, mit dem Schritt der Anpassung (68) des zum Erzeugen der geglätteten Löcher und/oder des Glättungsprozesses eingesetzten Prozesses, wenn die volumetrische Darstellung (62) nicht im Wesentlichen der CAD-Datei (66) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, mit dem Schritt der Bewertung der endbearbeiteten Oberfläche der geformten Abschnitte (38) unter Anwendung von einem oder mehreren von IR-Bildgebung, konfokaler Mikroskopie oder Röntgenradiographie.