DE69009365T2

DE69009365T2 - Verfahren zur Herstellung eines gelochten Bauteils.

Info

Publication number: DE69009365T2
Application number: DE69009365T
Authority: DE
Inventors: George Edward Baker; Edward Christopher Williams
Original assignee: Elliott Industries Ltd
Current assignee: Elliott Industries Ltd
Priority date: 1989-08-15
Filing date: 1990-08-15
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: DE69009365D1; US5117087A; ES2057420T3; EP0417917A1; EP0417917B1; GB8918606D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit Löchern, das im Gebrauch einen Fluidfluß durch dieses hindurch aufweist, der gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (siehe US-A-4,297,559) so nahe wie möglich an einem vorbestimmten Wert ist. Die Erfindung ist insbesondere für die Herstellung von Bauteilen für eine Gasturbine, wie Turbinenschaufeln oder Brennkammerkühlringe, anwendbar.
Beim Herstellen von Bauteilen des oben erwähnten Typs ist es wünschenswert, daß der Fluidfluß durch die Löcher so nahe wie möglich an einem vorbestimmten gewünschten Wert ist. Herkömmlich werden die Löcher unter Verwendung spezifischer Prozeßparameter gebildet (z.B. durch Laserbohren) und es wird, nachdem alle der Löcher derart erzeugt wurden, der gesamte Fluidfluß durch das Bauteil gemessen, um zu überprüfen, daß er leidlich nahe zu dem gewünschten Wert kommt. Es ist unter Verwendung dieser Technik möglich, eine typische Toleranz von +/- 10 % zu erreichen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der angegebenen Art bereitzustellen, in dem viel engere Toleranzen möglich sind.
Die US-A-4,297,559 offenbart eine Vorrichtung für die Präzisionsperforation von sich bewegenden (Papier-) Bahnen unter Verwendung eines gepulsten, fest fokussierten Laserstrahls, in welcher die Laserpulse automatisch in der Pulswiederholungsfrequenz und in der Pulsbreite reguliert werden, um eine gewünschte voreingestellte Bahnporosität zu liefern. Eine auf die Bahngeschwindigkeit, die gemessene Bahnporosität und ein Porositätsvoreinstellsignal ansprechende Regelschaltungsanordnung stellt die nötige präzise Regulierung der Vorrichtung bereit zum Herstellen und Aufrechterhalten der voreingestellten Porosität uber einen weiten Bereich von Variablen der Vorrichtung.
Diese Erfindung liefert ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit Löchern, das im Gebrauch einen Fluidfluß durch dieses hindurch aufweist, der so nahe wie möglich an einem vorbestimmten Wert ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Bilden wenigstens eines Loches in dem Bauteil, anschließend Bilden eines weiteren Loches oder weiterer Löcher in dem Bauteil, Messen des Flusses durch das Bauteil zwischen den Schritten des Bildens des wenigstens einen Loches und des Bildens des weiteren Loches oder der weiteren Löcher und Einstellen des Lochbildungsprozesses, um das weitere Loch oder die weiteren Löcher mit einer Größe herzustellen, um den vorbestimmten Fluidfluß vorzusehen; in welchem Verfahren die Löcher in dem Bauteil in mehreren Lochbildungsschritten gebildet werden und zwischen jedem Lochbildungsschritt der Fluidfluß durch das in dem Bauteil bereits ausgebildete Loch oder die in dem Bauteil bereits ausgebildeten Löcher gemessen wird und die Steuerung für das Bilden eines weiteren oder weiterer Löcher in dem Bauteil entsprechend dem gemessenen Fluß eingestellt wird, um das weitere Loch oder weitere Löcher in dem Bauteil mit der geforderten Größe zu bilden, um bei dem Bauteil den erforderlichen vorbestimmten Gesamtdurchfluß vorzusehen.
Zweckdienlicherweise werden die Löcher in einem bestimmten Abschnitt alle vor den Löchern in einem anderen bestimmten Abschnitt gebildet. Alternativ werden zuerst in allen Abschnitten ein Teil der Löcher gebildet, wird der Fluidfluß durch diese Löcher in jedem Abschnitt gemessen, und anschließend werden die restlichen Löcher in allen Abschnitten gebildet. Nach einer weiteren Alternative werden die Löcher zuerst in einem Testbauteil gebildet, wird der Fluidfluß durch die Löcher gemessen, wird der Prozeß wiederholt, bis ein Fluidfluß nahe dem vorbestimmten Wert erreicht ist, und werden die Löcher dann in dem eigentlichen Bauteil gebildet, wobei dieselben Prozeßparameter wie bei dem Testbauteil verwendet werden.
Bevorzugterweise wird der Fluidfluß als eine durch einen konstanten Massenfluß von Fluid über die Löcher hinweg hervorgerufene Druckdifferenz gemessen. Der konstante Massenfluß von Fluid wird vorteilhafterweise durch Verwenden einer Kritischflußdüse und eines Druckreglers flußaufwärts von dieser erzeugt.
Die vorliegende Erfindung wird nun weiter beschrieben, nur als Beispiel unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
Figur 1 eine schematische graphische Darstellung einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens der Erfindung, angewendet auf eine Gasturbinenschaufel, ist;
Figur 2 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens der Erfindung, angewendet auf einen Brennkammerkühlring, ist; und
Figur 3 eine graphische Darstellung eines Teils der in Figur 2 gezeigten Vorrichtung ist.
Bezugnehmend zuerst auf Figur 1, umfaßt die veranschaulichte Vorrichtung im allgemeinen einen numerisch-gesteuerten Manipulator 10, auf welchem ein Bauteil 11 befestigt ist, in welchem Löcher 12 zu bilden sind, und einen Laserbohrer 13 zum Erzeugen der Löcher 12. Luft wird dem Bauteil 11 mittels einer Pumpe 14 und eines Konstantdruckluftreservoirs 15 zugeführt, und es wird der Luftfluß durch die Löcher 12 durch ein Flußmeßgerät 16 gemessen. Das Meßgerät 16 führt seinerseits einer Prozeßsteuerung 17 Signale zu, die ferner auf den Quellenluftdruck anspricht, und eine Lasersteuerung 18 steuert die Funktion des Laserbohrers 13 unter Steuerung durch die Prozeßsteuerung 17.
Im Gebrauch bildet der Laserbohrer 13 ein erstes Loch in dem Bauteil 12 bei voreingestellten Parametern der Laserpulsleistung, Pulslänge und Brennweite. Es wird dann der Luftfluß durch dieses Loch durch das Meßgerät 16 gemessen und durch die Prozeßsteuerung 17 mit einem vorbestimmten gewünschten Wert des Luftflusses verglichen. Die Prozeßparameter des Laserbohrers 13 werden dann eingestellt, so daß, wenn der Bohrer anschließend ein zweites Loch in dem Bauteil erzeugt, die Abmessungen dieses Lochs zu einem Wert vergrößert oder verkleinert sind, um den gewünschten Gesamtluftfluß zu geben. Es wird dann der vereinigte Luftfluß durch beide Löcher gemessen, und die Laserbohrerparameter werden wiederum geeignet eingestellt für die Erzeugung eines dritten Loches. Dieser Prozeß wird wiederholt bis die gewünschte Anzahl von Löchern erzeugt worden ist: vor jedem Laserbohrarbeitsvorgang wird der vereinigte Luftfluß durch alle vorher gebildeten Löcher gemessen, und es werden die Prozeßparameter des Laserbohrers 13 eingestellt, so daß jedes neue Loch dimensioniert ist, den Gesamtluftfluß näher zu dem vorbestimmten gewünschten Wert zu bringen.
Die Vorrichtung der Figur 1 veranschaulicht die Bildung von Löchern in einer Turbinenschaufel 19. Jedoch kann die Technik bei vielen anderen Typen von Komponenten angewendet werden, und die Figuren 2 und 3 zeigen die Erfindung angewendet bei einem Brennkammerkühlring 20 einer Gasturbinenmaschine. Der Kühlring 20 ist auf einer Spannvorrichtung 21 auf einem Drehtisch 22 befestigt, welcher seinerseits für gradlinige Bewegung in der Richtung der Y-Achse durch einen Schlitten 23 getragen ist. Ein Laserbohrkopf 24 ist benachbart zu dem Ring 20 auf einer Halterung angeordnet, welche eine Bewegung in die Richtungen der X- und Z-Achse erlaubt. Ferner ist ein wirksames Ende einer Flußmeßvorrichtung (im Detail später zu beschreiben) benachbart zu dem Ring 20 angeordnet, welches eine Flußleitung 25, einen Flußgleichrichter 26 und ein Flußübergangsstück 27 in der Form einer nachgiebigen Gummimanschette umfaßt. Die Vorrichtung ist auf einem Annäherungsschieber 28 durch das Zwischenstück eines Annäherungsabstandsstücks 29 getragen, während der Schieber 28 seinerseits durch einen Abstandsschieber 30 mittels eines weiteren Annäherungsabstandsstücks 31 getragen ist. Der gesamte Aufbau ist auf einem Sockel 32 befestigt, der von dem Y-Achsenschlitten 23 hochsteht.
Die Flußmeßvorrichtung ist im Detail in Figur 3 gezeigt und umfaßt eine Versorgung 32' mit sauberer trockener Luft, welche über einen Druckregler 33 zu der flußaufwärtigen Seite einer Kritischflußdüse 34 strömt, wobei die flußabwärtige Seite der Düse mit der oben erwähnten Flußleitung 25, dem Flußgleichrichter 26 und dem Flußübergangsstück 27 verbunden ist. Solange wie der Druck P1 der Luft flußaufwärts der Düse 24 bei wenigstens dem Doppelten des Drucks P2 auf deren flußabwärtigen Seite aufrechterhalten wird, wird die Flußrate dürch die Düse 34 für eine vorgegebene Temperatur T1 direkt proportional zu dem Druck P1 sein, unabhängig von dem Wert des Drucks P2 der Luft flußabwärts von der Düse. Folglich kann ein konstanter Massenfluß von Luft an dem Brennkammerring 20 angewendet werden durch Regulieren des Drucks P1 unter Verwendung des Reglers 33, und es wird dann die Druckdifferenz P3 über die Löcher hinweg gemessen.
Der Brennkammerkühlring 20 muß typischerweise zwei parallele, sich entlang des Umfangs erstreckende Reihen von darin gebildeten Löchern aufweisen, wobei ungefähr 1000 mit gleichem Abstand angeordnete Löcher in jeder Reihe sind. Es ist also typischerweise gewünscht, daß jeder aus angenommen 40 Löchern zusammengesetzte Abschnitt des Rings einen eng festgelegten Luftfluß durch diesen aufweist, und daß der gesamte Ring ebenso einen Gesamtluftfluß aufweist, der nahe zu einem vorbestimmten Wert ist. Zum Herstellen jedes Abschnitts wird der Laserbohrer 24 zuerst verwendet, um angenommen 30 der 40 Löcher zu bilden. Der Abschnitt wird dann benachbart zu der Flußmeßvorrichtung positioniert, und die letztere wird unter Verwendung der Schieber 28 und 30 gehandhabt, um das Übergangsstück 27 gegen das Äußere des Ringes 20 einzuspannen und die 30 schon gebildeten Löcher zu umschließen. Es wird dann der vereinigte Luftfluß durch diese Löcher gemessen, und mit dem gewünschten vorbestimmten Wert für diesen Abschnitt verglichen. Es werden dann geeignete Einstellungen an den Prozeßparametern des Laserbohrers 24 vorgenommen, und der Abschnitt wird zu dem Bohrkopf zurückgeführt, so daß die restlichen zehn Löcher mit diesen Parametern gebildet werden können.
In der gegenwärtigen Praxis wird zuerst ein Bezugsbauteil mit Löchern auf der Vorrichtung montiert, und es werden die Flußeigenschaften für eine vorgegebene Druckdifferenz gemessen. Dann wird das eigentliche zu bearbeitende Bauteil auf der Vorrichtung montiert. Nachdem die erste Anzahl von Löchern in dem eigentlichen Bauteil gebildet ist, werden die Prozeßparameter des Laserbohrers geändert, daß sich eine Änderung des Lochdurchmessers wie folgt ergibt:
worin
D der Lochdurchmesser ist
P1 der absolute Eingangsdruck zu der Kritischflußdüse ist
P3g der Eingangsüberdruck zu dem getesteten Bauteil ist
ΔP3g der Fehler im Druck relativ zu dem Bezugsbauteil ist
T1 die absolute Temperatur der Luft am Eingang zu der Kritischflußdüse ist
T3 die absolute Temperatur der Luft am Eingang zu dem getesteten Bauteil ist, und
CSF ein von der ursprünglichen Messung an dem Bezugsbauteil erhaltene Eichskalenfaktor ist, der gemäß der folgenden Formel berechnet wird:
worin P3g(CAL) der an dem Bezugsbauteil gemessene Wert von P3g und P1(CAL) der absolute Eingangsdruck zu der Kritischflußdüse während der Bezugswertnahme ist.
Bei einem speziellen Beispiel wird jeder Abschnitt von Löchern zu einer Zeit gebildet, bevor der nächste Abschnitt begonnen wird. Alternativ können zuerst dreißig von vierzig Löchern in allen Abschnitten gebildet werden, und es werden die Messungen des resultierenden Luftflusses durchgeführt, wobei die restlichen Löcher später erzeugt werden. Dies verringert die Stillstandszeit der Vorrichtung. Die Löcher können zuerst in dem Brennkammerring 20 erzeugt werden. Alternativ kann zuerst eine Testscheibe mit demselben Querschnitt wie der Ring gebohrt und der Luftfluß durch diese gemessen werden. Die Abmessungen der Löcher können dann "fein eingestellt" werden, bevor die Bearbeitung des eigentlichen Rings beginnt.
Wenn erst ein Brennkammerring gänzlich bearbeitet ist, können die gleichen Prozeßparameter für das Bearbeiten anderer Brennkammerringe verwendet werden.
Der Laserbohrer 24 kann die Löcher durch Hohlbohren oder durch Stoßbohren, d.h. mit einer mit jedem Laserpuls entfernten kleinen Materialdicke bis der Durchbruch erreicht ist, bilden. In dem letzteren Fall kann jedes Loch vollständig gebildet werden, bevor der Laserbohrer sich weiter bewegt, um das nächste Loch zu erzeugen; dies bedeutet allerdings, daß die Drehbewegung des Brennkammerrings 20 ständig angehalten und in Gang gesetzt wird. Als eine Alternative können die Löcher "im Flug" erzeugt werden, d.h., daß der Bohrkopf 24 auf spezielle Lochstellen um den Umfang des Rings 20 abgestimmt sein kann, und daß der Ring gedreht werden kann, während der Bohrer aufeinanderfolgende Materialdicken an jeder Lochstelle während aufeinanderfolgender Durchgänge entfernt. Auf diese Weise empfängt jedes Loch einen einzigen Laserpuls während jedes Durchgangs, und die Löcher werden alle allmählich über eine Anzahl von Umdrehungen des Rings gebildet, wodurch ermöglicht wird, daß der Ring, zumindest bis die ersten dreißig Löcher in jedem Abschnitt gebildet sind, kontinuierlich gedreht wird.
Es hat sich ergeben, daß unter Verwendung der oben beschriebenen Technik ein Bauteil mit Löchern erzeugt werden kann, in dem der tatsächliche Luftfluß durch die Löcher weitaus engere Toleranzen einhält, als dies vorher möglich war. Dies verursacht eine gesteigerte Effektivität in der Gasturbinenvorrichtung, und kann große ökonomische Vorteile für den Endverbraucher, insbesondere in dem Fall von Gasturbinen mit relativ großen Leistungsdaten, zur Folge haben. Für Ausgleich für den Luftdruck und die Lufttemperatur und auch für jede Nicht-Linearität in dem Luftfluß für Löcher in verschiedenen Teilen des Bauteils ist gesorgt. Die Flußmessungen können, falls gewünscht, kontinuierlich durchgeführt werden und Ablesungen können in einer Folge durchgeführt werden, so daß das System sehr schnell auf jegliche Variationen reagiert, die in den Laserbohrerprozeßparametern erforderlich sind.
Obwohl die vorstehende Beschreibung sich speziell auf Bauteile wie Schaufeln und Verbrennungskühlringe für Gasturbinen bezieht, versteht es sich, daß die Erfindung eine viel allgemeinere Anwendbarkeit als dieses hat. Ferner kann die Erfindung nicht nur auf Laserbohren angewendet werden, sondern auf jeden anderen Prozeß zur Herstellung von Löchern in einem Bauteil, wie z.B. Funkenerosionsbearbeitung. Ferner kann die Erfindung auf Bauteile angewendet werden, bei denen ein anderes Fluid als Luft vorgesehen ist, durch die Löcher zu fließen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit Löchern, das im Gebrauch einen Fluidfluß durch dieses hindurch aufweist, der so nahe wie möglich an einem vorbestimmten Wert ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Bilden wenigstens eines Loches in dem Bauteil, anschließend Bilden eines weiteren Loches oder weiterer Löcher in dem Bauteil, Messen des Flußes durch das Bauteil zwischen den Schritten des Bildens des wenigstens einen Loches und des Bildens des weiteren Loches oder der weiteren Löcher und Einstellen des Lochbildungsprozesses, um das weitere Loch oder die weiteren Löcher mit einer Größe herzustellen, um den vorbestimmten Fluidfluß vorzusehen; dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher in dem Bauteil in mehreren Lochbildungsschritten gebildet werden und zwischen jedem Lochbildungs schritt der Fluidfluß durch das in dem Bauteil bereits ausgebildete Loch oder die in dem Bauteil bereits ausgebildeten Löcher gemessen wird und die Steuerung für das Bilden eines weiteren oder weiterer Löcher in dem Bauteil entsprechend dem gemessenen Fluß eingestellt wird, um das weitere Loch oder weitere Löcher in dem Bauteil mit der geforderten Größe zu bilden, um bei dem Bauteil den erforderlichen vorbestimmten Gesamtdurchfluß vorzusehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher in einem bestimmten Abschnitt alle vor den Löchern in einem anderen bestimmten Abschnitt gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst in allen Abschnitten ein Teil der Löcher gebildet wird, der Fluidfluß durch diese Löcher in jedem Abschnitt gemessen wird, und anschließend die restlichen Löcher in allen Abschnitten gebildet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher zuerst in einem Testbauteil gebildet werden, der Fluidfluß durch die Löcher gemessen wird, der Prozeß wiederholt wird, bis ein Fluidfluß nahe dem vorbestimmten Wert erreicht ist, und die Löcher dann in dem richtigen Bauteil gebildet werden, wobei die selben Prozeßparameter wie bei dem Testbauteil verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidfluß als eine durch einen konstanten Massenfluß von Fluid über die Löcher hinweg hervorgerufene Druckdifferenz gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der konstante Massenfluß von Fluid durch Verwenden einer Kritischflußdüse und eines Druckreglers flußaufwärts von dieser erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher durch Verwenden eines Laserbearbeitungsprozesses gebildet werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Bilden des Teils der festgelegten Anzahl von Löchern in jedem Abschnitt die Prozeßanteile des Lasers derart geändert werden, daß sich eine Änderung des Lochdurchmessers gemäß der folgenden Formel ergibt:

in der

D der Lochdurchmesser ist

P1 der absolute Eingangsdruck zu der Kritischflußdüse ist

P3g der Eingangsüberdruck zu dem getesteten Bauteil ist

ΔP3g der Fehler im Druck relativ zu dem Bezugsbauteil ist

T1 die absolute Temperatur der Luft am Eingang zu der Kritischflußdüse ist

T3 die absolute Temperatur der Luft am Eingang zu dem getesteten Bauteil ist, und

CSF der von der ursprünglichen Messung an dem Bezugsbauteil erhaltene Eichskalenfaktor, der gemäß der folgenden Formel berechnet wird: