JP2009510302A - 露出した開口部を備えるコーティングされるべきガスタービン構成部品を製造する方法、この方法を実施する装置、およびフィルム冷却開口部を備えるコーティング可能なタービン羽根 - Google Patents

Abstract

本発明は、後加工されるべき構成部品（１）の三次元の検出に基づいてその表面形態を判定して中間記憶することができ、それにより、例えばコーティングがなされた後に領域的に、すなわち局所的に、フィルム冷却開口部（１０）の領域で当初の表面形状または所望の表面形状を製作することができる方法に関する。格別に正確で迅速な三次元の検出は、三角測量法の適用によって実現することができる。この場合、プロジェクタによって構成部品（１）の上に浮かび上がる基準パターンが、角度をなして配置された２つのカメラ（４）で検出される。そしてこれらのカメラ（４）の画像を基にして、三角測量法を適用しながら、表面（１３）を三次元で表現する座標を制御システム（８）によって求めることができる。

Description

本発明は、露出した開口部を備えるコーティングされるべきガスタービン構成部品を製造する方法に関し、この構成部品の表面形態は開口部の位置と形状を検出するためにコーティングの前に事前判定されて記憶され、コーティングされた後にコーティング材料で覆われた開口部を露出させるために制御システムが事前判定された構成部品の表面形態に基づいて工具を構成部品に対して位置決めして、工具が相応の開口部をコーティング材料の局所的な除去によって露出させ、または開口部の形状を再び製作するようになっている。さらに本発明は、この方法を実施する装置、およびフィルム冷却開口部を備えるコーティング可能なタービン羽根に関する。

作動時に冷却空気を流出させることができるフィルム冷却穴を備える、超合金から製作された中空のタービン固定羽根およびタービン回転羽根が知られている。冷却空気はタービン羽根の表面で、特にその支持面翼形部で、タービン羽根の周囲を流れる高温ガスからの熱流入に対してタービン羽根材料を守る冷却膜を惹起する。このようなフィルム冷却穴は構成部品の壁を貫通し、穴パターンすなわち穴相互の配置と各穴の開口部ジオメトリー、および穴を通って吐き出される冷却空気質量流量が相互に関連する防護性の冷却膜を生成するように、羽根表面に配置されている。

前側のタービン段のタービン羽根の高温ガス作用を受ける領域は、特別に高い熱負荷を受けるので、酸化防止層および／または断熱層を追加的に備える。酸化防止層としては、相応の超合金をベースとするいわゆるＭＣｒＡｌＹコーティングが使用され、これがプラズマ溶射法によって被着される。これに加えて、部分的に安定化された酸化ジルコニウムからなる断熱層が用いられる。この酸化物セラミックスは、ＭＣｒＡｌＹコーティングの後に真空蒸着法ＥＢ−ＰＶＤによって、または気中プラズマ溶射（ＡＰＳ）によって、保護されるべきタービン羽根の領域に被着される。

フィルム冷却開口部は、特に、引き続いて断熱層がＥＢ−ＰＶＤ法によって蒸着される場合には、ＭＣｒＡｌＹコーティングの後でレーザ穿孔または放電加工により穿設されるのが通常である。これに代えてＡＰＳ法が断熱層の被着のために採用されるときは、円筒状の穴の穿設はレーザ放射によって多くの場合その後から行われ、すなわちセラミック断熱層を貫通するように行われる。しかし、円筒状ではなく異形のディフューザ形をしたフィルム冷却開口部は、成形開口部としてはほぼ放電加工でしか製作することができないので、事前に穿設しておかなくてはならない。セラミック断熱層は非導電性であり、したがって、それに応じて成形開口部の製作が不可能だからである。しかし、ＡＰＳ法での断熱層のコーティングよりも前に成形開口部を製作するときには、多くの場合、非常に高いコストをかけて成形開口部をマスクで防護しておかなくてはならない。コーティングによって、その幾何学形状や輪郭が許容されないほど変化してしまうからである（コートダウン現象）。

コーティング材料が成形開口部に沈積すると、後にフィルム冷却作用が許容されないほど損なわれることにつながるので（これにより変化した開口部ジオメトリーに起因。そのために冷却エアジェット出口領域、冷却空気衝撃の空間方向、および冷却空気質量流量が変化する）、コーティングに引き続いて（または処置されるべき構成部品の再コーティングに引き続いて）、吐き出される冷却空気が必要性を満たす冷却作用・防護作用を有するための成形開口部の所定の所望の幾何学形状を再び製作するために、覆われた成形穴からコーティング材料を後加工で丁寧に取り除かなくてはならない。

これに関して米国特許出願公開第６，３８０，５２１Ｂ１号明細書は、円筒状のフィルム冷却穴の出口開口部からレーザ放射によってコーティング材料を除去する方法を開示している。ほぼプログラム制御されるこの方法は、タービン羽根に対する定義された撮影システムを基準として電子式に提供される三次元の設計データを前提とした上で、構成部品の表面における加工されるべき穴の正確な位置を判定する。装置に属しているタービン羽根の３軸撮影装置によって、タービン羽根が、ＣＮＣ機械により穿孔レーザおよびビデオ光学系に対して相対的に動かされて空間内で位置決めされる。しかし、実際の構成部品の寿命サイクルにおける動作負荷および／または製造・補修プロセスによる幾何学形状変化に基づき、実際の幾何学形状は、理論上または当初の三次元の定義とは相違している。レーザ光学系に対して同心的にアライメントされた光学系を備えるビデオカメラが、場合により閉じている穴の出口開口部の画像を撮影する。次いで、穴の長手方向で投影された二次元の結像が画像処理ソフトウェアによって評価され、それに基づいて、投影平面におけるそれぞれの穴中心点の位置を近似的に判定することができる。すべての穴が検出されてから、これらの穴が３Ｄ設計データと比較され、それに基づいて可能な限り正確に、すなわち高い蓋然性で、穴の実際の位置を判定する。次いで、開口部をレーザ穿孔によって露出させる。そして、タービン羽根の位置決め、場合により隠れている穴の位置の検出、３Ｄ設計データを前提とする蓋然性の高い実際の位置の算出、およびコーティング材料の除去が、各々の開口部について繰り返される。

すなわちカメラ光学系の投影平面で、構成部品ジオメトリーの二次元の結像が行われるにすぎない。タービン羽根における穴の実際の位置を判定できるようにするには、構成部品依存的な付属の基準撮影システムを考慮しながら、この結像を構成部品の三次元の設計データと高いコストをかけて組み合わせなくてはならない。そのため、構成部品を定義された方法で基準システムで撮影しなくてはならず、そのようにして、共通の座標系を通じて、三次元の構成部品ジオメトリーと、空間内での穿孔レーザの位置との関連づけを成立させることができる。

円筒状でない穴構造もしくは成形穴（いわゆる扇形穴）のプログラム制御式の加工は、最も近縁の従来技術に記載されている二次元の処理に基づく方法によっては行うことができない。さらに、コーティング材料、ろう付け材料、または溶加材によって部分的に著しく塞がれた、もしくは完全に塞がれた円筒状の穴の加工は位置認識ソフトウェアに依存しており、また、記憶されているデータセットを用いる既知の方法は、実現可能な位置決め可能性という面から制約がある。

特にＡＰＳ法で被着された断熱層は円筒状の穴をほぼ完全に塞ぐので、それにより少なくとも部分的に塞がれた開口部の露出を行うことができず、もしくは十分な精度で行うことができない。その上、非導電性のセラミックコーティングにおける三次元の構造、例えばディフューザ形をした成形開口部は、従来、安価なＡＰＳコーティング（再コーティング）に引き続いてレーザ放射によって加工することができず、すなわち一般に機械で加工することができていない。

各々の開口部の実際の位置の判定を、タービン羽根がコーティングされる前に行われる光学式の操作プロセスによってのみ行うことができることも、米国特許出願公開第６，３８０，５２１号明細書から既知である。しかし、これには非常に高いコストがかかる。

そこで本発明の課題は、コーティング材料で覆われているガスタービン構成部品の非円筒状および円筒状のフィルム冷却開口部からのコーティング材料の除去が可能である、露出した開口部を備えるコーティングされるべきガスタービン構成部品を検出して製造する簡単な方法を提供することである。さらに本発明の課題は、そのために相応の装置を提供するとともに、三次元構造に関して格別に容易に検出可能なタービン羽根を提供することである。

方法を対象とする課題は、請求項１の構成要件によって解決される。本発明は、当分野に属する方法において、開口部の位置を検出するために、構成部品の実際の表面形態がそのコーティングの前に光学的に三次元で検出されることを提案する。

本発明が前提とする知見は、コーティングの前に、構成部品およびそこにある開口部の公差依存的な実際の表面形態がビデオシステムによってコーティング前に三次元で検出されれば、最も近縁の従来技術に基づく、三次元空間で表現されたフィルム冷却開口部の位置を含む設計データセットが必要ないということである。三次元の検出によって、構成部品ジオメトリーならびに構成部品表面形態が空間的な奥行きに関しても検出されるので、空間内で可動の適当な工具を用いて、当初に存在していた構成部品表面形態の形状をコーティングの後に機械で部分的に再び作り出すことが可能であり、そのためにこの検出に基づいて、表面形態にその後被着されたコーティング材料が正しい輪郭で除去される。

本発明の方法により、例えば成形開口部やディフューザ形の冷却空気開口部（扇形穴）などの三次元構造でも、開口部を取り囲む羽根材料のコーティング後に適当な工具を用いて、その当初の位置と輪郭に関して正確に再加工することが初めて可能となる。なぜなら、コーティングの前に各々の成形開口部そのものの初期状態と構成部品におけるその位置、もしくは例えば円筒状の供給穴に対する位置決めなどが事前判定されているからである。測定システムの高い精度に基づき、加工を極めて精密に行うことができる。上述した方法により、１つまたは複数のコーティングによってほとんど、もしくは完全に塞がれている成形開口部の加工が、特に低コストなＡＰＳ法の適用にもかかわらず可能である。このことは、ディフューザ形をした成形開口部について特別に当てはまり、あるいは円筒状の穴にも同様に当てはまる。両方の保護層すなわち金属のＭＣｒＡｌＹ酸化防止層とセラミックの断熱層を、機械的・電気的な特性がそれぞれ異なるにもかかわらず、ただ１つの工具を用いて、例えば穿孔レーザを用いて、輪郭づけられたフィルム冷却開口部から、すなわち成形開口部から１回の作業工程で除去できるということも同じく新規であり、このことはいっそうのコスト面・時間面の利点をもたらす。

好ましい実施形態は従属請求項に記載されている。

１つの好ましい実施形態では、三次元の検出は三角測量法によって行われる。本方法は既知の測定方法よりも高い測定精度を有する。さらにこの方法は、表面形態もしくはその断面形状の正確な判定を三次元空間で可能にし、すなわち、単に二次元の平面においてではなく、空間の奥行きにおいても可能にする。したがって本方法は、タービン羽根に穿設された成形開口部を三次元で認識するのに格別に適している。

構成部品の表面形態を判定するために、プロジェクタが構成部品上へ基準パターン、好ましくは可動の縞画像を投影するのが好ましい。構成部品の平坦ではない異形断面を有する表面に基づき、基準パターンは当初の既知のパターンに対して、構成部品の上に歪んだ状態で浮かび上がる。照射されたタービン羽根は、歪みを伴ったままビデオシステムによって画像として撮影され、制御システムへ電子的に転送される。制御システムは、構成部品の上に歪んだ状態で浮かび上がる基準パターンを利用し、そこから構成部品およびこれに伴う非円筒状に成形された成形開口部の実際の表面形態の三次元座標をコンピュータにより判定し、記憶する。場合により加工されるべきそれぞれ個別の構成部品の成形開口部の位置のこのような事前判定は、そのコーティングの前に、もしくはその再コーティングの前に、ビデオシステムと制御システムとを用いて実施される。それにより、構成部品を未加工状態で、もしくはその後のコーティングよりも前に、既に穿設されているフィルム冷却開口部とともにディテールに忠実に、かつ正確に検出し、表面形態の三次元座標をデータとして制御システムで電子的に記憶させることが可能である。コーティングが実施されてから、このデータが装置によって利用され、場合により部分的または全面的に覆われている成形開口部をコーティング材料の局所的な除去によって露出させる。上述した３Ｄ縞光スキャン技術を用いて適用される三角測量法に基づき、従来技術の場合のような高いコストのかかる構成部品の照明、あるいは表面の前処理なども省略することができる。

本発明の特に好ましい実施形態では、構成部品もしくは成形開口部の最新の位置が、構成部品に設けられた基準ジオメトリー部材を利用して算出され、またはグローバル座標系を基準として算出される。それに応じて、既知の従来技術の場合のようなコストが集中する可動の保持部を省略することができる。構成部品の表面形態および開口部の検出を、ビデオシステムに対する構成部品の相対位置に関わりなく検出することができるからである。それにより構成部品をまだ機械に組み付けられた状態のままでも、その場で適切な装置により測定したり、加工したりすることが可能である。

この場合、形状に関して自由に選択可能である立体的な基準ジオメトリー部材は、構成部品のコーティングされない領域に配置されているのが好ましい。それにより、コーティングの後にも変わることなく第２の測定プロセスでビデオシステムおよび制御システムにより明確に認識可能（再認識可能）な、座標原点として割り当てられる基準ジオメトリー部材を、構成部品の表面形態の事前判定のために検出することが可能である。このようにして、コーティングされていない構成部品を検出したときに、構成部品の表面形態を判定するために利用されて記憶される座標もしくはデータが基準ジオメトリー部材に対して関係づけられ、このデータは、コーティング材料を除去するために、ビデオシステムおよび制御システムによって再び認識された基準ジオメトリー部材に対して同様に関係づけられる。従来技術の場合のような、制御システムと接続された基準保持装置は必ずしも必要ない。

構成部品表面はグローバル座標系を基準として算出され、もしくは、未加工状態もしくは未コーティング状態で測定された構成部品の基準ジオメトリー部材を基準として算出されるので、工具を開口部の輪郭に沿って動かすことができ、この領域で冷却空気流にマイナスの影響を及ぼすコーティング材料を、正確な輪郭で除去することができる。

コーティング材料は、穿孔レーザによって、機械式または化学式の剥離方法によって、または放電加工によって除去されるのが好ましい。このような低コストな方法は従来技術から知られ、成形開口部の所望の輪郭を製作するために必要な精度を有する。

２番目に挙げた課題は、請求項７の構成要件に基づく装置を準備することによって解決される。

本発明は、加工されるべき構成部品の表面形態を三次元で検出するために配置された、少なくとも１つのプロジェクタと少なくとも２つのカメラとをビデオシステムが有することを提案する。

このとき構成部品はプロジェクタにより、好ましくは可動の光縞からなる基準パターンで照射される。異形断面を有する構成部品の表面形態に基づき、プロジェクタから基準パターンとして投影される平行な光縞は、構成部品の上に歪んだ状態で浮かび上がる。この歪みが、１つの平面に位置する２つのカメラによって画像として撮影されて制御システムへ転送され、それに基づいて制御システムが実際の表面形態を検出し、三次元座標で電子式に記憶しておく。さらに、各々のカメラは角度をなして交わる光学軸を有するので、三角測量法を適用しながら、構成部品の表面上に位置する各点の座標を、制御システムによって好ましくは基準ジオメトリー部材を基準としながら求め、もしくは算出することができる。それにより、加工前に走査されて検出された構成部品を、その加工後に、例えばコーティング後に、当初の状態へ区域ごとに戻すことが可能であり、もしくは、当初の表面形態を適切な工具によって再び製作することが可能である。

したがって、極めて少ない装置コストと少ない測定・加工時間で、前述した問題を解決することができ、特別な照明や高価な表面前処理などの高いコストのかかる措置を必要とすることがない。オリジナル３Ｄ設計データの準備や利用、ならびに、このデータと光学走査プロセスで求めたデータとの時間のかかる照合も不要である。さらには、従来技術から知られているようなコストの集中する基準撮影装置も不要である。さらに、構成部品のその場での加工さえ可能となる。

構成部品に配置された本発明の基準ジオメトリー部材に基づき、構成部品がただ単に動かないように保持される、本発明による装置のための格別に安価な保持部を提供することが可能である。本装置によって実施可能な方法に基づき、両方のカメラと視線がつながっているすべての開口部を、これらのカメラで検出できるようにすることが可能である。開口部を露出させるために、構成部品をビデオシステムに対して相対的に動かさなくてよくなる。１つの視点から検出されるすべての成形開口部を、本発明の装置により、工具を用いて露出させることができる。後で加工されるべき構成部品のジオメトリーデータもしくは表面形態の検出を、２つ以上の視点から広い面積にわたって行い、それにより、成形開口部が設けられている構成部品の表面全体を検出するのが好ましい。制御システムで算出された２つの視点の座標（ジオメトリーデータ）が、基準ジオメトリー部材を基準としながら制御システムによって組み合わされ、それにより、座標原点としての基準ジオメトリー部材を前提とした上で、観察もしくは検出された構成部品の外側輪郭を制御システムにより判定し、その内部で保存することができる。構成部品がコーティングされてから、本装置により、構成部品を類似の視点から改めて検出することができる。このとき、コーティングされた表面を表現する新たな座標が制御システムにより算定され、次いで、場合により部分的にコーティング材料で隠されている、すなわち覆われている成形開口部を、輪郭に忠実に露出させる。コーティングされた個別の構成部品を最初に検出するときは、構成部品にあるコーティングされていない基準ジオメトリー部材が一緒に検出されて、表面を表現する座標をこれに関連づけられるように留意するだけでよい。

加工されるべき構成部品を、開口もしくは露出されるべきフィルム冷却開口部ごとに、ビデオシステムに対して移動させなくてよい。工具だけが、構成部品に対して動かされる。さらに、スキャンプロセスのときに両方のカメラで検出されたすべての成形開口部を、順次露出させていくことができる。このことは格別に迅速な加工につながり、したがって構成部品の加工時間の短縮につながる。

タービン羽根を対象とする課題は、請求項１０の構成要件によって解決される。

次に、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。

コーティング材料で覆われたタービン羽根の開口部からのコーティング材料の除去を例にとって、本発明について説明する。コーティング材料の除去に代えて、本方法および本装置により、構成部品をこれ以外の方法で修正、加工することもできる。例えば構成部品を研削することができ、または後から穴をつけ加えることもでき、または既存の穴を再び塞ぐこともできる。異なる加工作業の組合せも考えられる。このように本方法および本装置の用途は、以下の実施例に限定されるものではない。

製造プロセスの一環として加工されるべき構成部品１は、ガスタービンのタービン羽根１１である。タービン羽根１１は、表面１３にある材料を除去するために、そのために特別に構成されている保持部５で保持されるか、または、例えばガスタービンなどの機械に取り付けられている。

タービン羽根１１は、フィルム冷却開口部１０としての役目をする、支持面翼形部１５に配置された成形開口部を有する。ガスタービンでタービン羽根１１を使用するときに、冷却エアジェットが各々のフィルム冷却開口部１０を通って外に出ることができる。フィルム冷却開口部１０の相並んだ配置に基づき、外に出た個々の冷却エアジェットは平面状の冷却空気膜となり、支持面輪郭部１５の周囲を流れる高温ガスから、構成部品１を効果的に保護するようになっている。格別に信頼度の高い隙間のない冷却空気膜を実現するためには、構成部品表面にある各々の成形開口部が円形や楕円形の形状ではなく、ディフューザ形に輪郭づけられた出口領域を有さなければならない（図３）。

さらに、構成部品１に設けられた、形態を自由に選択可能である立体的な基準ジオメトリー部材１７、例えば三次元の十字線が設けられている。基準ジオメトリー部材１７はタービン羽根１１において、コーティングすることが意図されていない領域に配置され、例えば羽根脚部１９に配置されている。本装置が独自の専用の保持部５または収容装置を有する場合には、構成部品１の基準ジオメトリー部材１７を省略することができる。

構成部品１の材料を除去する装置２５は、縞光スキャナ２として構成されたビデオシステム２１を有し、このビデオシステムは、可動の光縞を構成部品１へ投影するための１台のプロジェクタ３と、互いに角度をなして組み付けられた２つのデジタルカメラまたはビデオカメラ４とを含む。ビデオシステム２１は制御システム８と接続され、制御システムは、ビデオカメラ４で撮影された構成部品１の画像を測定データとして互いに組み合わせる。例えばコンピュータ８ａとして構成される制御システム８は、市販されているソフトウェアを使って、三角測量法を適用しながら、検出された構成部品１の表面形態を座標に換算する。この座標は、表面形態すなわちそこに設けられた成形開口部を含む表面形態を、三次元で表現するものである。例えばデカルト座標Ｘ，Ｙ，Ｚの形態で保存されるこの座標は、一緒に検出されて座標原点として使用される基準ジオメトリー部材１７を基準とし、次いで電子的に、例えばコンピュータ８ａのハードディスクに記憶される。

さらに本装置２５は、コーティング材料２０を除去するための工具２３を含み、例えば穿孔レーザ６、または成形開口部もしくはフィルム冷却開口部１０の輪郭１２（図３）に対応して構成された放電加工工具を含む。さらに装置２５は工具２３のために、ＣＮＣ制御部７を備える移動システム９を有する。

工具２３は、例えば複数の自由度を有するロボットアーム状の運動システム９の自由端に取り付けられ、検出された構成部品１の表面１３のどの点にでも到達することができ、これを修正および／または再加工する。位置決め機構として構成された保持部５によって構成部品１が追加的に動かされる、ＣＮＣ機械のような形式の移動システム９も考えられる。

未処理の構成部品１がコーティングされる前に、第１の方法ステップで構成部品が本発明の装置２５で検出され、表面形態を三次元で表現する座標が構成部品ジオメトリーデータとして保存されて、その当初の輪郭を加工後に部分的または区域的に再び製作できるようにする。この事前検出は、互いに重なり合う画像の、ビデオシステム２１の１回または複数回の画像撮影によって行うことができる。例えば構成部品１のコーティングされた表面を、３つの視点から全面的に撮影することができ、その第１の画像撮影は前面を示し、第２の画像撮影は側面を示し、第３の画像撮影は構成部品１の裏面を示している。このように各々の画像撮影が構成部品１を広い面積で検出する。

例えば溶接やろう付けによる構成部品１の加工が完了した後、あるいは特に金属の酸化防止層２６および／またはセラミックの断熱層２８によるコーティングもしくは再コーティングがなされた後、工具６を用いて、フィルム冷却開口部１０もしくは成形開口部からコーティング材料２０を極めて正確に除去することができる。そのためにコーティングの後、まず第２の方法ステップで、加工された構成部品１の前面が、例えばコーティングされているタービン羽根１１が、ビデオシステム２１で改めて撮影され、制御システム８により検出される。改めて検出された構成部品ジオメトリーデータは、制御システム８により、当初に検出された構成部品ジオメトリーデータと比較される。それにより、コーティング材料２０で完全に隠されているために第２の方法ステップで検出されなかった成形開口部でさえ、それにもかかわらず、第１の方法ステップで事前判定されたことにより既知となっている位置に基づいて正確に位置特定される。

次いで、広い面積にわたる画像撮影で検出もしくは位置特定されたすべての成形開口部が、制御システム８またはコンピュータ８ａによって露出され、そのために制御システムは、第１の方法ステップで求められた構成部品ジオメトリーデータを利用しながらＣＮＣ機械または工具６を制御する。それに応じて各々の成形開口部が当初の輪郭１２のまま再び製作され、そのために、その内部に沈積しているコーティング材料２０が工具６によって除去される。このようにして画像撮影時に位置特定されたすべての成形開口部が順次再加工され、従来技術の場合のように各々の成形開口部について独自の画像撮影を必要とすることがない。

次いで、第２の画像撮影によって構成部品１の裏面を検出し、この面に設けられている成形開口部を相応に加工することができる。

加工されるべき構成部品１が、そのために専用に構成された、必要な場合には同じく複数の自由度で可動である保持部５を備えている場合には、構成部品１を当初の位置へ、すなわち第１の検出をしたときの位置へと旋回させ、それによって位置を一致させることができる。このことは制御システム８の計算時間を短縮する。

これに代えて、例えばろう付けによって塞がれている開口部も、原状に忠実に、当初の地点で再び開口させることができる。そのために、第１の方法ステップで求められた構成部品ジオメトリーデータが、加工のために、当初の開口部位置および開口部ジオメトリーに関連して評価され、制御システム８からＣＮＣ制御部７へ送られて、ＣＮＣ制御部が構成部品１の位置決めと、穿孔レーザもしくは工具６の位置決めとを制御する。

図２は、フィルム冷却式のタービン羽根１１の表面１３に列をなして配置されたフィルム冷却開口部１０を示し、これらのフィルム冷却開口部は、後から行われるコーティング法により、コーティング材料２０で部分的に塞がれる可能性がある。

これに関して、一例としての図３の詳細部Ｘは、当初の輪郭１２が破線の線種で図示されたフィルム冷却開口部１０を示している。このフィルム冷却開口部１０は、タービン羽根壁を斜めに貫通する円筒状の穴１４と、これを通って流出する冷却空気の方向で見て下流側にあるディフューザ領域１６とで構成され、本例のディフューザ領域は、図３に示す実施形態では、表面１３に長円形に開口する穴１４の後で台形状となって続いている。表面１３に斜めに開口する穴１４の開口部、ならびにディフューザ領域１６は、流出する冷却エアジェットのための出口領域２４をなしている。破線の線種で示しているフィルム冷却開口部１０もしくはその当初の輪郭１２は、構成部品１の支持面翼形部１５の平面的なコーティングに基づき、少なくとも部分的にコーティング材料２０で隠され、その様子はその輪郭線２２で図示されている。すなわち輪郭線２２で囲まれた面は、当初の成形穴の低いところに位置している、コーティングされた領域である。

フィルム冷却開口部１０のディフューザ領域１６を露出させ、その個所に堆積しているコーティング材料２０を取り除くために、工具６、例えば穿孔レーザまたはその他の適当な手段もしくは方法が適用されて、制御システム８により制御される。工具６は当初の輪郭１２に沿って、およびこの輪郭で囲まれた面全体にわたって移動し、そこでコーティング材料２０を除去して成形開口部を完全に露出させる。穿孔レーザに代えて、これ以外の機械式または化学式の剥離方法、ならびに例えば放電加工などを適用するこもできる。

図４と図５は、図３に記号が付されている断面に沿った断面図を示している。これらの断面図に明らかに見てとれるように、出口領域２４すなわちディフューザ領域１６および穴開口部は、酸化防止層２６と断熱層２８の双方によって幾何学形状に関して変化し、このことは、作動時に所望の冷却空気膜の形成を損ない、場合によりは妨げてしまう。

本発明の装置２５で実施可能な方法により、出口領域２４とフィルム冷却開口部１０にある、冷却空気流を損なうコーティング材料２０を極めて正確に、かつ輪郭に忠実に除去することができ、それにより、異形断面を有する当初の輪郭１２をコーティングにもかかわらず比較的迅速かつ低コストに再び製作可能である。

さらに本発明の方法により、ディフューザ領域１６の下流側端部を超えて出口領域２４を拡大することが可能である。このことは、格別に効率的な冷却空気膜の形成につながる。この個所ではコーティング２６，２８が部分的にのみ除去され、流動方向で見て次第に大きくなる材料厚みを有するからである。つまりディフューザ領域１６の傾き（図５参照）が、ディフューザ領域を超えて同一平面上でさらに継続し、それにより、流動方向で見て、まず酸化防止層２６が最小の層厚から最大の層厚まで増えていき、続いてさらに下流側で断熱層２８が同じく最小の層厚から最大の層厚まで連続して増えていき、その様子は線３０が図示している。このように、空気動力学的に不都合なエッジを回避することができる。

全体として少ない装置コストで、再加工されるべき構成部品の三次元の検出に基づいてその表面形態を正しい輪郭で判定し、中間記憶しておいて、例えばそのコーティング後に区域的に、すなわち局所的に、フィルム冷却開口部の領域で当初の表面形状または希望する表面形状を製作することができる。格別に正確で迅速な三次元の検出は、三角測量法の適用によって実現することができる。この場合、プロジェクタによって構成部品の上に浮かび上がる基準パターンが、角度をなして配置された２つのカメラで検出される。そしてこれらのカメラの画像を基にして、三角測量法を適用しながら、表面を三次元で表現する座標をコンピュータによって求めることができる。

円形のフィルム冷却開口部の輪郭の、あるいはその他の輪郭を有する成形開口部の輪郭の、このような本発明による正確な製作（再製作）は、格別に安価に製造可能なタービン羽根につながる。タービン羽根がコーティングされるときに、フィルム冷却開口部をコーティング材料から保護するマスキングを省略できるからである。さらに、酸化防止層および断熱層を被着するために、ならびに特に再処理の際に既に構成部品が穴あけが施されて動作負荷を受けている場合に、場合によっては付着剤層やその他の層を被着するために、格別に好都合なＡＰＳコーティング法を適用することができる。

開口部を備えるコーティングされた構成部品を製造する方法を実施する装置を示す斜視図である。 支持翼輪郭部に配置されたフィルム冷却開口部を備える、コーティングされたタービン羽根を示す斜視図である。 部分的にコーティング材料で覆われた、図２のタービン羽根の冷却空気を吐出するためのフィルム冷却開口部を示す詳細図である。 部分的にコーティングされた図３のフィルム冷却開口部を示す第１の断面図である。 部分的にコーティングされた図３のフィルム冷却開口部を示す第２の断面図である。

Claims (11)

1. 露出した開口部を備えるコーティングされるべきガスタービン構成部品（１）を製造する方法であって、前記構成部品（１）の表面形態が開口部の位置と形状を検出するためにコーティングの前に視覚的に事前に判定されて記憶され、コーティングされた後にコーティング材料で覆われた開口部を露出させるために前記構成部品（１）の表面形態が改めて視覚的に検出され、事前判定された前記構成部品（１）の表面形態に基づいて工具（６）が前記構成部品（１）に対して位置決めされて、前記工具（６）が相応の開口部をコーティング材料（２０）の局所的な除去によって露出させるようになっている方法において、
   前記構成部品（１）の実際の表面形態が光学的に三次元で検出されることを特徴とする方法。
2. 三次元の前記検出は三角測量法によって行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記構成部品（１）の位置判定のためにプロジェクタ（３）が前記構成部品（１）の上に基準パターンを投影し、好ましくは可動の縞画像を投影する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記構成部品（１）もしくは開口部の最新の位置は前記構成部品（１）に設けられた特にコーティングされていない基準ジオメトリー部材（１７）を用いて算出され、もしくはグローバル座標系を基準として算出される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記工具（６）は開口部の輪郭（１２）に沿って移動する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記加工は、穿孔レーザ、機械式もしくは化学式の剥離方法、または放電加工によって行われる、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. コーティング材料（２０）をこれで覆われたガスタービン構成部品（１）の開口部から除去するための、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法を実施する装置（２５）であって、
   コーティング材料（２０）をこれによって少なくとも部分的に覆われた開口部から除去するための工具（６）と、
   前記工具に対する前記構成部品（１）の視覚的な位置検出をするためのビデオシステム（２１）と、
   前記ビデオシステム（２１）とデータ接続された制御システム（８）によって、前記構成部品（１）を前記工具に対して相対的に可動とする運動システム（９）とを含む装置において、
   前記ビデオシステム（２１）は前記構成部品（１）を光学的に三次元で検出するために少なくとも１つのプロジェクタ（３）と少なくとも２つのカメラ（４）とを有することを特徴とする装置（２５）。
8. 各々の前記カメラ（４）は互いに角度をなして配置された光学軸をそれぞれ有する、請求項７に記載の装置（２５）。
9. 前記プロジェクタ（３）は、両方の前記カメラ（４）の間で、前記両カメラ（４）の光学軸を通って広がる平面に投影軸が位置するように配置されている、請求項８に記載の装置（２５）。
10. フィルム冷却開口部（１０）を備えるコーティング可能なタービン羽根（１１）であって、コーティングをすることが意図されていない前記タービン羽根（１１）の領域に基準ジオメトリー部材（１７）が配置されていることを特徴とするタービン羽根（１１）。
11. 前記基準ジオメトリー部材（１７）は前記タービン羽根（１１）の羽根脚部（１９）の領域に設けられている、請求項１０に記載のタービン羽根（１１）。

Images