JP2005524533A - ガスタービンエンジン要素の冷却穴からコーティング材料を除去する方法 - Google Patents

Abstract

ガスタービン要素の冷却穴（１）を遮蔽するコーティング材料をＣＮＣ要素プログラムを利用し除去するレーザードリル加工（３）の方法が提供される。ＣＮＣ要素プログラムは、要素の冷却穴（１）の概略位置について予め計画され、一連の冷却穴（１）のための各冷却穴（１）位置に対して機械ビジョン装置（７、６、８）及び要素を互いに関して運動させ、各冷却穴（１）の実際の位置を決定し、一連の冷却穴（１）に対して冷却穴（１）の実際の位置をＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶させ、ＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶された冷却穴（１）の実際の位置に基づいて一連の冷却穴（１）の冷却穴（１）を遮蔽するコーティング材料を除去するようにレーザードリル加工（３）を行う。

Description

本発明は、冷却穴がコーティング材料により部分的又は全体的に遮蔽されているガスタービン要素（components）を、冷却穴を開くためのレーザードリルを行うことにより製造又は修理する方法に関する。

エンジンの高温区分において作動する発展したガスタービンエンジン要素は要素の作動寿命を減少させる原因となることのある温度に遭遇することがある。一般に、このような要素はタービンブレード及び羽根、燃焼器、タービンシュラウド並びに排気装置内の種々の要素を含む。要素の寿命を改善するため、このような要素は要素の本体内に位置し、表面又はほぼ要素の表面から出る冷却通路を含むように設計されてきた。付加的な熱又は環境抵抗に対して、しばしば、一層高い温度に曝される表面上に、金属又はセラミック形式のコーティングの如き高温保護コーティングが設けられる。

このようなコーティングの例はアルミニド、プラチナアルミニド、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍは鉄、コバルト及びニッケル元素のうちの少なくとも１つ）、種々の金属上重ね形式のコーティング、及び、その１つの形式が当業界で熱バリアコーティング（Thermal Barrier Coatings）即ちＴＢＣとして参照されるセラミック熱保護コーティングを含む。ＴＢＣコーティングの典型例は、イットリアで安定されたジルコニア、例えば約８重量％のイットリアで安定された約９２重量％のジルコニアを基礎とするものである。ＴＢＣコーティングを適用する方法はプラズマスプレイ(plasma splay)及び電子ビーム物理蒸着を含む。頻繁に、このようなコーティングは金属結合コートと一緒に使用される。

適正に機能させるためには、冷却穴を特定の形状及び寸法に構成しなければならない。その理由は、エンジン作動中に要素の適正な冷却を達成するように空気流の分布を制御しなければならないからである。従って、要素の内部を通り要素の外部を横切る十分で一様な冷却空気の分布を提供するために、冷却穴は遮蔽されてはならず、部分的にさえ遮蔽されてはならない。コーティングの適用は冷却穴を通る空気流の重大な減少を招くことがあり、冷却穴の完全な閉鎖を招くことがある。

それ故、コーティングを適用した後、要素の適正な冷却を提供するために及び（又は）適正な空気流を回復させるために、冷却穴をその特定の寸法へと開かねばならず、コーティングを除去したい場所以外の領域において要素の親材料又はコーティングの損傷を生じさせずに、穴を開かねばならない。穴を開く方法は既存の冷却穴内への再ドリル加工に対する精確な制御、並びに、減少した処理時間及びドリル加工のエラーの回避に関して商業的な基礎に基づいて有効に作動できる処理を提供する必要がある。

要素のための仕様（例えば青写真）は冷却穴の概略位置を示すが、（例えば、レーザードリル加工、ＥＤＭ、ＥＣＭ等により）冷却穴を設置する際の製造中に小さな変化が生じ、このような小さな変化は再ドリル加工を試みる場合に重大になる。さらに、要素を修理しているときに、使用又は修理作業のため、冷却穴の位置の変化が生じることがある。従って、冷却穴を再度開くためのレーザードリル加工の精確で的確な制御が必要である。その上、レーザードリル加工中、かなりの量の屑が発生し、このような屑は、特に機械ビジョン装置を利用する場合には、更なるドリル加工を妨げることがあり、要素の頻繁の停止及び清掃を必要とする。

遮蔽された冷却穴を開くためのエキシマーレーザーの使用は米国特許第5２１６８０８号明細書に記載されている。しかし、ＮＤ／ＹＡＧ形式のレーザーを利用して有効に作動できる処理が望ましい。
米国特許第5２１６８０８号明細書

略述すれば、本発明は、一連の冷却穴のための各冷却穴位置に対して機械ビジョン（vision:視覚）装置及び要素を互いに関して運動させるために要素の冷却穴の概略位置で予めプログラムされたＣＮＣ要素プログラムを利用し、各冷却穴の実際の位置を決定し、一連の冷却穴に対して冷却穴の実際の位置をＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶させ、次いで、一連の冷却穴に対して冷却穴を遮蔽しているコーティング材料を除去するようにＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶された冷却穴の実際の位置に基づいてレーザードリルを行うことにより、ガスタービン要素の遮蔽された冷却穴からコーティング材料を除去するためにレーザードリルを行う方法を提供する。この方法は被覆された要素又はコーティングのために準備された要素上の冷却穴の実際の位置を決定するために有利に実行することができる。

図1を参照すると、線図はガスタービンエンジン要素２の冷却穴１からコーティング材料を除去する装置を示す。ガスタービンエンジン要素の製造又は修理中、要素はコーティング材料で完全に又は部分的に覆われることがある。適当なコーティング材料はアルミニド、プラチナアルミニド、Ｍがニッケル、コバルト及び鉄のうちの少なくとも１つであるＭＣｒＡｌＹ、並びに、イッテリアで安定されたジルコニアの如きセラミック熱バリアコーティング（ＴＢＣ）等を含む。コーティングはプラズマスプレイ、物理蒸着（ＰＶＤ）又は他のコーティング方法により適用することができる。コーティング材料の適用中、冷却穴は完全に又は部分的に遮蔽されることがある。

本発明はコーティングの付着中に任意の又はすべての冷却穴を遮蔽してしまったコーティング材料を除去する方法を提供し、要素を変形又は損傷させるか或いは冷却穴の設計幾何学又は形状を変えることなく、障害物を除去即ち掃除して冷却穴の直径を再確立するために及び（又は）適正な空気流を確立するために冷却穴の位置へ脈動レーザービームを導くためのレーザーを含む。

適当な産業上の形式のレーザーは、収斂性オーロラＰ−５０Ｌ（Convergent Aurora P-50L）の如きＮＤ／ＹＡＧレーザーである。典型的には、Ｎｄ／ＹＡＧ形式のレーザーは脈動するレーザービームを利用し、各パルスは約．３ないし１０ミリ秒、好ましくは約０．６ミリ秒のパルス幅及び約１０６０ｎｍの波長を有する。レーザービームのエネルギは、除去しているコーティング材料の形式に応じて、約５ジュール／ｃｍ^２ないし約１５ジュール／ｃｍ^２となることがある。

レーザー装置３は垂直又は水平に装着することができ、要素２はＣＮＣ５（コンピュータ数値制御子）若しくは障害物の除去のために任意の部分的又は全体的に遮蔽された冷却穴1上にレーザービームを合焦させるように要素１及びレーザー装置３を互いに関して位置決めし移動させる産業ロボットの如き同様のプログラム可能な位置決め機構により制御される多軸テーブル４上に装着することができる。本発明によれば、ＣＮＣ５はこのような要素形式のための冷却穴の位置及び角度の仕様を含むプログラムデータ又は工具経路データで予めプログラムされる。これは、冷却穴を最初にドリル加工又は形成するために使用された青写真データから又は製造された要素から得た測定結果から得ることができる。

冷却穴は、Ｎｄ／ＹＡＧ形式のレーザー又は同様の高パワー産業レーザー、電気放電機械加工（ＥＤＭ）、電子化学機械加工（ＥＣＭ）等を使用して、最初にドリル加工又は形成できる。ＣＮＣ要素プログラムは冷却穴の概略の位置を提供するが、冷却穴を設置する際の製造工程において変化が生じるか、或いは、要素の使用又は修理中に変化が生じることがあり、要素を損傷させずに覆われた穴を有効に再ドリル加工するためには一層精確な実際の位置が必要である。

レーザー装置３は機械ビジョン装置と一緒に使用される。ビジョン装置はカメラ７（例えばビデオカメラ）と、ビジョンプロセッサ６（例えば画像捕捉能力を備えたＰＣ及びモニター）と、ビデオモニター８とを有する。カメラ７は要素２の画像からビデオ信号を発生させ、この信号をビジョンプロセッサ６へ提供する。図1に示すように、ビジョン装置のカメラ７はレーザーレンズ装置を介して画像を得るようにレーザー３に装着することができ又はカメラはレーザーから離間させることができる。

ＣＮＣはレーザー３及び多軸テーブル４を制御し、ＣＮＣ要素プログラムは予めプログラムされた概略位置に従って機械ビジョンカメラ7及び要素２を互いに関して移動させるために使用される。機械ビジョン装置のビジョンプロセッサ６は次いで各冷却穴１のための実際の位置を決定するために画像を分析し、この位置をＣＮＣ又はデータ記憶装置（例えばハードディスク、ディスク、ネットワーク等）のメモリー内に記憶させる。好ましい実施の形態においては、ＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶される値は冷却穴の実際の位置である。冷却穴の実際の位置のこの決定及びＣＮＣメモリー又はデータ記憶装置内への実際の位置の記憶はレーザーで再ドリル加工すべき一連の冷却穴に対して続けられる。

典型的には、要素例えばブレード又は羽根のすべての穴までの少なくとも完全な列の穴は一連の穴のレーザードリル加工の前にこの方法で評価される。典型的には、１０ないし６００個の冷却穴がレーザードリル加工前に評価される。一連の冷却穴のレーザードリル加工の前の一連の冷却穴の実際の位置のこの別個の評価は冷却穴の実際の位置の決定を妨げるレーザードリル加工からの屑の発生を回避する有効な処理を提供する。

機械ビジョン装置が冷却穴の予めプログラムされた冷却穴の位置に基づいて冷却穴の実際の位置を突き止めない場合は（例えば冷却穴が完全に遮蔽されなかった場合）、レーザードリル加工のためにＣＮＣメモリー又はデータ記憶装置に記憶される値は補正により調整された予めプログラムされた概略位置である。この補正は、先の冷却穴の予めプログラムされた概略位置ではなく、先の冷却穴の実際の位置に基づくものである。

モニター８は、人間のオペレータが評価及びレーザードリル加工処理をリアルタイムに見るのを許容する。オペレータはビジョンプロセッサと通信でき、位置値を無効にしたり修正したりすることができる。従って、オペレータはビジョン装置により決定された冷却穴の実際の位置をチェックでき、いかなる間違った位置をも無効にすることができる。

この装置においてはまた、レーザードリル加工前に、オペレータは、メモリー内に記憶された冷却穴の実際の位置の精度をチェックするために、ＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶された冷却穴の実際の位置に基づいて各冷却穴位置に対して一連の冷却穴のための機械ビジョン装置を移動させるようにＣＮＣを利用することができる。

図1に示すような多軸テーブル４は、直線及び角度位置決めのために、３軸（ＸＹＺ）位置決めテーブルと、回転及び傾斜テーブル（ＡＢ）とを有し、実際の穴位置を決定し、コンピュータ数値コントローラ５からの信号に応答してレーザービームを発生させることにより冷却穴１を再ドリル加工するために、カメラ７／レーザー３及びテーブル４が各冷却穴１のための適正な位置へ移動するときに、要素２を適所に保持するための固定具９を有する。

また、要素２を静止の固定具内に装着すること、及び、産業ロボット等の如き適当な位置決め機構を使用して要素２に関してレーザー装置３及びカメラ７を移動させることは本発明の要旨内にあり、または、要素２及びレーザー装置３／カメラ７の双方を相対的に移動させることができる。

要素２を精確に位置決めするための固定具９の使用は、コーティングのための要素の準備を可能にし、冷却穴の実際の位置の決定及び記憶のための要素の評価を可能にし、次いで、固定具からの要素の取り外し及び要素のコーティングを可能にし、続いて、ＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶された冷却穴の実際の位置に基づいて冷却穴を遮蔽しているコーティング材料をレーザードリル加工するために固定具内での要素の精確な再位置決めを可能にする。要素は清掃、粒子噴霧加工、修理（例えば溶接、ろう付け、ブレンディング）等を含む種々の処理の１つ又はそれ以上によりコーティングのために準備することができる。

この準備工程はまた中間のコーティング材料での要素のコーティングを含むことができる。次いで、冷却穴の実際の位置が決定され、特定の要素に対してＣＮＣメモリー又はデータ記憶装置内に記憶される。コーティングに続き、これらの実際の位置はこの特定の要素のための冷却穴を再ドリル加工するためにＣＮＣメモリー又はデータ記憶装置から呼び出される。冷却穴の実際の位置の決定前及びレーザードリル加工前のコーティングされた要素の方位の精確な位置決め及び決定は、固定具及び位置感知装置の使用により実行することができる。例えば、接触プローブ（例えばレンショウ(Renshaw)接触プローブ）が多数（典型的には6個）の位置で要素に触れ、ＣＮＣが要素の実際の方位を調整する。

本発明の方法による遮蔽された冷却穴を開く装置の概略図である。

Claims (19)

1. ガスタービン要素の遮蔽された冷却穴からコーティング材料を除去するためにレーザードリルを行う方法であって、
   レーザー及び運動装置を制御するＣＮＣのためのＣＮＣ要素プログラムを提供する工程であって、運動装置が要素に対するレーザーの相対位置、距離及び角度を調整し、ＣＮＣ要素プログラムが要素のための冷却穴の概略位置を予めプログラムされる工程と；
   予めプログラムされた概略位置に基づいて、被覆された要素の一連の冷却穴のための各冷却穴位置に対して機械ビジョン装置及び要素を互いに関して移動させるためにＣＮＣ要素プログラムを利用し、各冷却穴のための実際の位置を決定し、一連の冷却穴のための冷却穴の実際の位置をＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶させる工程と；
   続いて、一連の冷却穴に対して冷却穴を遮蔽しているコーティング材料を除去するために、ＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶された冷却穴の実際の位置に基づきレーザードリルを行う工程と；
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記機械ビジョン装置が冷却穴の予めプログラムされた概略位置に基づいて冷却穴の実際の位置を突き止めない場合、レーザードリルを行うためにＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶された値が、先の冷却穴の予めプログラムされた概略位置ではなく、先の冷却穴の実際の位置のための補正により調整された予めプログラムされた概略位置であることを特徴とする請求項１の方法。
3. 前記機械ビジョン装置は、またオペレータがビジョン装置により見つかった冷却穴の実際の位置をチェックでき、いかなる間違った位置をも無効にできるようにするオペレータのためのリアルタイムのビデオモニターを提供することを特徴とする請求項２の方法。
4. 前記レーザードリルを行う前に、メモリー内に記憶された冷却穴の実際の位置の精度をチェックするためにＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶された冷却穴の実際の位置に基づいて機械ビジョン装置を各冷却穴位置へ移動させるようにＣＮＣ要素プログラムを利用する工程を更に有することを特徴とする請求項３の方法。
5. 前記ＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶される値が冷却穴のための実際の位置であることを特徴とする請求項１の方法。
6. コーティング材料がアルミニド、プラチナアルミニド、Ｍがニッケル、コバルト及び鉄のうちの少なくとも１つであるＭＣｒＡｌＹ、セラミック熱バリアコーティング及びその組み合わせからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１の方法。
7. 一連の冷却穴が１０ないし６００個の冷却穴であることを特徴とする請求項１の方法。
8. 前記一連の冷却穴は、コーティング材料を除去するためにレーザードリルを行うことを必要とする要素のすべての遮蔽された冷却穴であることを特徴とする請求項１の方法。
9. ガスタービン要素の遮蔽された冷却穴からコーティング材料を除去するためにレーザードリルを行う方法であって、
   レーザー及び運動装置を制御するＣＮＣのためのＣＮＣ要素プログラムを提供する工程であって、運動装置が要素に対するレーザーの相対位置、距離及び角度を調整し、ＣＮＣ要素プログラムが要素のための冷却穴の概略の位置で予めプログラムされる工程と；
   コーティング材料で被覆すべき要素を準備する工程と；
   予めプログラムされた概略位置に基づいて、被覆された要素の一連の冷却穴のための各冷却穴位置に対して機械ビジョン装置及び要素を互いに関して移動させるためにＣＮＣ要素プログラムを利用し、各冷却穴のための実際の位置を決定し、一連の冷却穴のための冷却穴の実際の位置をＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶させる工程と；
   コーティング材料が冷却穴を遮蔽する状態でコーティング材料により要素をコーティングする工程と；
   続いて、一連の冷却穴に対して冷却穴を遮蔽しているコーティング材料を除去するために、ＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶された冷却穴の実際の位置に基づきレーザードリルを行う工程と；
   を含むことを特徴とする方法。
10. 前記機械ビジョン装置が冷却穴の予めプログラムされた概略位置に基づいて冷却穴の実際の位置を突き止めない場合、レーザードリルを行うためにＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶された値が、先の冷却穴の予めプログラムされた概略位置ではなく、先の冷却穴の実際の位置のための補正により調整された予めプログラムされた概略位置であることを特徴とする請求項９の方法。
11. 前記機械ビジョン装置は、またオペレータがビジョン装置により見つかった実際の穴位置をチェックでき、いかなる間違った位置をも無効にできるようにするオペレータのためのリアルタイムのビデオモニターを提供することを特徴とする請求項１０の方法。
12. 前記レーザードリルを行う前に、メモリー内に記憶された冷却穴の実際の位置の精度をチェックするためにＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶された冷却穴の実際の位置に基づいて機械ビジョン装置を各冷却穴位置へ移動させるようにＣＮＣ要素プログラムを利用する工程を更に含むことを特徴とする請求項１１の方法。
13. 前記ＣＮＣ又はデータ記憶装置のメモリー内に記憶される値が冷却穴のための実際の位置であることを特徴とする請求項９の方法。
14. 前記コーティング材料がアルミニド、プラチナアルミニド、Ｍがニッケル、コバルト及び鉄のうちの少なくとも１つであるＭＣｒＡｌＹ、セラミック熱バリアコーティング及びその組み合わせからなるグループから選択されることを特徴とする請求項９の方法。
15. 前記実際の位置を決定する前及び冷却穴のレーザードリルを行う前に、要素の方位を精確に決定するために位置感知装置を使用する工程を更に含むことを特徴とする請求項９の方法。
16. 位置感知装置が接触プローブであることを特徴とする請求項１５の方法。
17. 要素が中間のコーティング材料でのコーティングにより被覆されるように準備されることを特徴とする請求項９の方法。
18. 一連の冷却穴が１０ないし６００個の冷却穴であることを特徴とする請求項９の方法。
19. 一連の冷却穴がコーティング材料を除去するためにレーザードリルを行うことを必要とする要素のすべての遮蔽された冷却穴であることを特徴とする請求項９の方法。

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