JP5016672B2 - エーロフォイルブレードの計測 - Google Patents

Description

本発明は、構成要素の表面プロファイルの計測（測定）に関する。更に詳細には、ガスタービンエンジンのエーロフォイルブレードの計測に関する。

ガスタービンエンジンでは、ロータブレード及びステータベーンの各々はエーロフォイル断面形状を備えており、形態が所定の合格限度内でその所期の設計と一致していなければならない。例えば、各エーロフォイルは、特定の効果を奏するための複雑な形状を備えて設計された前縁を有する。最適設計からのずれは、空力学的ストール、コンプレッサのサージ、又はエネルギ効率の低下等の望ましからぬ性能低下をもたらす。このような場合には、比較的小さなずれにより性能に顕著な効果がもたらされる。

エーロフォイルの縁部の形態一致性(conformity)の評価は、従来、計測によって得られた一組のデータ点を公称設計プロファイル要件と比較することによって行われた。設計プロファイルには所定の許容差帯域があり、ブレードが合格であるとされるためには、データ点がこの帯域内になければならない。許容差帯域は、片側幅、両側幅、一定幅、可変幅、等の多くの形態をとることができる。形態の評価は、縁部位置の評価とは別個に行われ、そのため、通常は、評価を行う前に、計測によって得られたデータを公称データに何らかの方法で最適に適合することが行われる。標準的な最適適合方法は、最小自乗エラー法であり、ブレードが合格であるとされるためには、計測により得られた輪郭の全ての点の適合度が許容差帯域内になければならない。欧州特許第ＥＰ１６１５１５３Ａ２号には、一つのこのような評価法が記載されている。

この評価方法は、縁部の近くのエーロフォイルの領域の、ここから離れた領域に対する相対的重要性を完全には考慮していない。これは、縁部のプロファイルが円形として設計されているのでない場合、例えば楕円形であるに特に重要である。更に、最小自乗法は、ブレードを製造中に途中で計測する場合、また、まだ材料の除去が行われていない材料を有する場合に、又はブレードの形状が製造プロセスにより変化する場合に限定されている。更に、プロファイルの全形態を許容差帯域と比較するには時間がかかる。

形態の一致は、別の態様では、通り／止まりゲージ等の機械的計測デバイスを使用して評価してもよいが、これらのデバイスは、これらのデバイスによって計測が行われるように設計された表面を損傷してしまう。

欧州特許第ＥＰ１６１５１５３Ａ２号

本発明の目的は、既知の方法の欠点を実質的に解決した、構成要素の計測を行うための方法及び装置を提供することである。

本発明によれば、構成要素の縁部の領域のプロファイルの計測を行うための、独立項に記載の方法及び装置が提供される。

次に、本発明の実施例を添付図面を参照して例として説明する。

図１、前縁を示す、ブレードの一区分の部分の平面図である。 図２は、データ点を選択する方法を示す、同様の平面図である。 図３は、前縁点を決定する方法を示す、同様の平面図である。 図４は、厚さ及びオフセットを計測するための位置を示す、同様の平面図である。 図５は、ブレードの厚さを決定するための別の方法を示す、同様の平面図である。

本発明は、ブレードの前縁点を決定し、縁部の計測した部分を整合し、次いでブレードに沿った多くの位置での縁部の厚さ及びオフセットを評価する新規な方法を使用する。

表示を容易にするため、添付図面では、ブレードの中心線を直線として示すということに着目されたい。実際には、湾曲したエーロフォイルブレードでは、ブレードの中心線は湾曲している。更に、ブレードの二つの側部を対称であるように示すが、通常はそのようになっていない。

先ず最初に図１を参照すると、ブレードの一方の側から他方の側まで一連の点１４を計測することによって、ガスタービン中間圧力コンプレッサブレードの前縁１２がデジタル化してある。これにより、端点１６は、問題の領域から十分に大きく離してある。すなわち、縁部から６ｍｍ乃至７ｍｍ（寸法１８）程後方にある。点間の間隔は、ブレードの局所的湾曲に対して適当である必要があり、縁部（２０）の周囲の間隔は、比較的後方の平らな部分（２２）での間隔よりも小さい。この例では、物理的に小さなブレードについては、前縁に最も近い最初の２ｍｍ（「計測ゾーン」）を０．００４ｍｍ間隔を使用して計測し、形態の残り（「中心線補正ゾーン」）を、０．０３０ｍｍ間隔を使用して計測する。任意の便利な計測方法を使用してもよく、座標計測機（ＣＭＭ）、レーザー三角測量、インプロセスプローブ、等の接触式又は非接触式の方法を使用してもよい。

次に図２を参照すると、データ分析における第１の工程は、有効な先端の位置（有効なチップの位置）を決定することである。有効な先端の位置は、仮想位置であり、製造段階で決まる計測点の一つであってもよいし、そうでなくてもよい。また、有効な先端の位置は、ブレードの材料内にあってもよいしその外側にあってもよい。適当な縁部中心線２４で開始し、縁部プロファイルを二つの部分、即ち凹状部分２６及び凸状部分２８（これらの部分は、ブレードの凹状の表面及び凸状の表面と対応する）に分ける。次いで、各部分において計測により得られたデータ点のサブセットを決定する。先ず最初に、計測した極値点３０を定める。次いで、極値点３０から後方に少なくとも所定距離Ｘの、各部分２６、２８における第１点を定める。これらの点３２、３４が、各サブセットの第１点である。極値点３０から第２距離Ｙを定め、最後に計測した各部分の点３６、３８が、各サブセットの最後の点を形成する。この例では、Ｘは０．１ｍｍであり、Ｙは０．８ｍｍである。これで、計測点４０、４２の二つのサブセットが定められる。これらの点は、夫々、凹状部分２６及び凸状部分２８と関連している。

次に図３を参照すると、最小自乗最適円４４が、サブセット４０に適合されており、最小自乗最適円４６（これは、円４４とは半径が異なっていてもよい）が、サブセット４２に適合されている。これらの二つの円４４、４６の交点４８を、真のブレードの先端（チップ）即ち前縁点とする。

ブレードの先端を見つけた後、真のブレード中心線を決定できる。先端から後方に６ｍｍ程度の適当な距離でブレードの中間点５０を決定でき、次いで、この中間点５０を前縁点４８と結ぶ直線５２によって中心線を決定する。

次いで、ブレードがその中心線５２に沿って整合した状態で、ブレードの輪郭とブレード中心線に対して垂直な線５４とを交差することによって、先端から後方に任意の数の位置のところで、縁部の厚さを決定できる。これらの線５４は、プロファイルの部分の相対的重要度で決まる位置に設定される。例えば、これらの線は、先端の近くでは互いに近づき、線が先端から遠ざかるにつれて拡がる。この例では、ブレードの先端から０．１８０ｍｍ、０．３８０ｍｍ、０．５８０ｍｍ、１．０８０ｍｍ、及び１．５８０ｍｍのところで厚さを計算する。

更に、ブレード中心線から凹状の側部２６及び凸状の側部２８の夫々までの距離５６、５８を計測し、ブレードの対称性及び縁部のオフセットの計測値を提供する。この例では、これらの距離は、ブレードの先端から、０．１８０ｍｍ、０．３８０ｍｍ、及び０．５８０ｍｍのところで、計算する。この簡単な例では、距離５６、５８は実質的に等しいけれども、プロファイル２６、２８が異なる（オフセット、即ち仮想中心線がある）別の実施例では、これらの距離５６、５８は異なる。

別の厚さ計算方法を図５に示す。第１工程は、中心線５２上の所与の位置で縁部プロファイル２６、２８の内側に接する又は適合する最大の円６０を決定する工程である。この場合、厚さは、円の直径６２又は二つの接点６６、６８間の距離６４のいずれかとして決定できる。

計測した厚さ及びオフセットを設計要件と比較することによって、縁部の形態が合格していることを決定でき、合格ブレードを製造する上でどのような加工が必要とされるのかを決定できる。

プロファイルは、ブレードに沿った様々な高さのところで異なっていてもよいということは理解されよう。

更に、上面及び下面の各々について楕円比(ellipse ratio) を計算してもよい。楕円比は表面の形状を表しており、楕円比を用いて、適合機械セル(adaptive machine cell)を制御することにより、同様の形状を形成できる。二つの表面の楕円形が異なる場合には、ブレードに対する仮想中心線を決定し、これを使用して、計測計算の「修正」即ち「オフセット」を行う。

本明細書中に説明した方法に対し、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、変更を行ってもよく、又は別の態様を使用してもよいということは当業者には理解されよう。

本方法は、ブレード又はベーンの後縁のプロファイルの計測にも同様に良好に使用でき、又はエーロフォイル、ハイドロフォイル、又は同様の形状の構成要素の、任意の同様の形状のプロファイルの計測にも同様に良好に使用できる。このような構成要素の幾つかの具体的な例は、船舶用のプロペラ、推進機、及び推進用固定ベーン、及びヘリコプターのブレードである。

寸法は、構成要素の特定のプロファイルに従って、また、その大きさに従って変化する。例えば、寸法１８は、大型のガスタービンブレードについては１２ｍｍ乃至１５ｍｍであってもよく、船舶用プロペラブレードについては３０ｍｍ乃至４０ｍｍに及ぶ。

二つの表面の楕円形は、互いに同様であってもよいし異なっていてもよい。

先端の点を見つけるための別の方法は、最適円を見つける代りに固定半径の円をデータに適用する工程と、縁部から近接した距離に（即ち、縁部から一つ又はそれ以上の固定点のところで）曲線を適合する工程と、設計形状に更にぴったりと適合した形状、例えば楕円形を適合する工程と、先端に近づくに従って益々細かい点を選択し、曲線を適用する工程とを含む。

ブレードの湾曲が複雑である場合（例えば後退ブレードである場合）には、適用曲線は、特定の実施例で考えられている（そして図面に図示された）平面内にとどまらず、立体的に延びる可能性もある。この場合、曲線は、球又は楕円体上の大円経路である。

ブレード中心線を設定する別の方法は、ブレードに沿った二つの位置、即ち縁部に近い位置と縁部から遠い位置で、中間点を結ぶ工程と、ブレードの凸状の側部と凹状の側部との間の平均線を計算することによって、直線状でなく湾曲した中心線を形成する工程（これは、ブレードが縁部のところで大きく湾曲している場合に有用である）とを含む。

ブレードの初期位置しか概算されないため、連続的な整合で変化が見出されなくなるまでプロセスを繰り返すことによって、更に正確な中心線を見つけることができる。

プロセスは、ブレードの長さに沿った幾つかの点で必要なだけ繰り返すことができる。プロファイル及び楕円比は、ブレードの長さに沿って変化してもよい。

本発明の重要な利点は、ブレード縁部の評価を設計の特定の形状に適合するように調節又は調整できるということである。第２の利点は、必要とされる実際と公称(actual to nominal)との間の比較の数が減るため、全プロファイル評価よりも迅速に前記評価を行うことができるということである。前記評価は、計測装置によって縁部末端の表面輪郭の小さな変化が導入されようといまいと、又は部分仕上げが施されたブレードによるものであろうとなかろうと、こうした縁部末端の表面輪郭の小さな変化によって、大きく影響されることがない。

この方法を設計プロセスで使用して、応力又は他の計算で使用できる（ＣＡＤ工具内の「仮想的」ブレードの評価に基づいて）ブレードのプロファイルを決定可能である。前記方法を製造プロセス中に使用して、実際のブレードのプロファイルを計測でき、また、加工上の要件又は適合性を決定できる。プロファイルの決定が比較的少数の計測点に基づいて行われるため、例えばＦＥメッシュに基づく決定よりも計算が速く且つ容易である。更に、同じ方法を使用して、メインテナンスのために点検中のブレードを評価でき、これにより、これらのブレードの現在のプロファイルを計測でき、また、縁部に仕上げ加工を施す上で十分な材料的余裕が存在するかどうか、又は再形成前に修復（おそらくは、材料の追加を含む）を行う必要があるかどうかを計算できる。

設計、製造、及び再加工で一貫した方法が使用されるため、また、前記方法をＣＡＤ装置及びＣＡＭ装置の両方で使用できるため、意図した設計と実際の製造との間を密接に相関させることができる。

１４ 点
１６ 端点
１８ 寸法
２０ 縁部
２２ 平らな部分
２４ 縁部中心線
２６ 凹状部分
２８ 凸状部分
３０ 極値点

Claims (18)

1. 構成要素のプロファイルを、該構成要素の縁部の領域で計測するための方法において、
   ａ）前記構成要素の縁部点の位置を決定する工程と、
   ｂ）前記縁部の前記領域において前記構成要素の中心線を決定する工程と、
   ｃ）前記構成要素の少なくとも一つの寸法を前記中心線に関して計測する工程とを含み、
   前記工程ａ）は、
   ａａ）前記縁部の前記領域において前記構成要素の周囲を計測する工程と、
   ａｂ）前記計測により二つの座標データセットを発生し、一方のデータセットは、前記縁部の一方の側に含まれる計測から発生され、他方のデータセットは前記縁部の他方の側に含まれる計測から発生される、工程と、
   ａｃ）最適曲線を各座標データセットに接するように適合させる工程と、
   ａｄ）二つの曲線の交点を決定する工程と、
   ａｅ）この交点を縁部点として決定する工程とを含み、
   前記工程ｂ）は、
   ｂａ）前記縁部から所定距離離れた場所で、前記構成要素の中間点を決定する工程と、
   ｂｂ）前記縁部点と前記中間点とを結ぶ直線を決定する工程と、
   ｂｃ）前記直線を前記構成要素の中心線と決定する工程と
   を含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記工程ｂ）において、前記中心線は、所定のオフセットを持つように決定される、方法。
3. 請求項１に記載の方法において、
   前記工程ａｃ）において、各曲線は、円、楕円、球の大円経路、楕円体の大円経路を含むリストから選択される、方法。
4. 請求項１、２、又は３に記載の方法において、
   連続した計測間隔は、前記構成要素の前記周囲の局所的湾曲で決まる、方法。
5. 請求項４に記載の方法において、
   前記間隔は、前記湾曲が大きいところで小さい、方法。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の方法において、
   前記工程ａｂ）は、更に、
   ａ）下限度値及び上限度値を決定する工程と、
   ｂ）前記限度値の外の点を前記データセットから除外する工程とを含む、方法。
7. 請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の方法において、
   前記工程ｃ）では、
   前記構成要素の厚さが、前記中心線に対して垂直な線に沿って計測される、方法。
8. 請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の方法において、
   前記工程ｃ）では、
   前記中心線から前記構成要素の二つの表面の夫々までの、前記中心線に対して垂直な線に沿った距離が計測され、比較され、これによって、前記構成要素の対称性の表示を提供する、方法。
9. 請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載の方法において、更に、
   ｄ）計測した一つ又はそれ以上の寸法を設計値と比較し、これにより、前記プロファイルが、所定の合格判定基準に合致するかどうかを決定する工程を含む、方法。
10. 請求項１乃至９のうちのいずれか一項に記載の方法において、更に、
    ｅ）使用により磨耗した構成要素において、構成要素を再加工する上で十分な材料が残っているかどうかを決定し、残っていない場合には、材料の付着又は修復を必要とする位置及び程度を計算する工程を含む、方法。
11. 請求項１乃至１０のうちのいずれか一項に記載の方法において、
    前記構成要素は、エーロフォイル又はハイドロフォイルである、方法。
12. 請求項１乃至１１のうちのいずれか一項に記載の方法において、
    前記構成要素は、ガスタービンエンジン用のコンプレッサブレードであり、前記ブレードの前縁の領域で前記プロファイルの計測を行う、方法。
13. 請求項１乃至１２のうちのいずれか一項に記載の方法において、
    前記構成要素は、コンピュータで実行する設計プログラム内の対象である、方法。
14. 構成要素の縁部の領域において前記構成要素のプロファイルを計測するための装置であって、
    前記構成要素の縁部点の位置を決定するための手段と、
    前記縁部の領域において前記構成要素の中心線を決定するための手段と、
    前記構成要素の少なくとも一つの寸法を、前記中心線を参照して計測するための手段と
    を備え、
    前記構成要素の縁部点の位置を決定するための手段は、
    前記縁部の領域において前記構成要素の周囲を計測するための手段と、
    前記計測により二つの座標データセットを発生するための手段であって、一方のデータセットは、前記縁部の一方の側に含まれる計測から発生され、他方のデータセットは、前記縁部の他方の側に含まれる計測から発生される、手段と、
    最適曲線を各座標データセットに接するように適合させる手段と、
    二つの曲線の交点を決定するための手段と、
    この交点を縁部点として決定するための手段と
    を備え、
    前記縁部の前記領域において前記構成要素の中心線を決定するための手段は、
    前記縁部から所定距離離れた場所で前記構成要素の中間点を決定するための手段と、
    前記縁部点と前記中間点とを結ぶ直線を決定するための手段と、
    前記直線を前記構成要素の中心線と決定するための手段と
    を備えた、装置。
15. 請求項１４に記載の装置において、
    各曲線は、円、楕円、球の大円経路、楕円体の大円経路を含むリストから選択される、装置。
16. 請求項１４又は１５に記載の装置において、二つの座標データセットを発生するための前記手段は、
    下限度値及び上限度値を決定するための手段と、
    前記限度値の外の点を前記データセットから除外するための手段とを含む、装置。
17. 請求項１４乃至１６のうちのいずれか一項に記載の装置において、更に、
    計測した一つ又はそれ以上の寸法を設計値と比較して、前記プロファイルが、所定の合格判定基準に合致するかどうかを決定するための手段を含む、装置。
18. 請求項１４乃至１７のうちのいずれか一項に記載の装置において、更に、
    使用により磨耗した構成要素において、構成要素を再加工する上で十分な材料が残っているかどうかを決定し、残っていない場合には、材料の付着又は修復を必要とする位置及び程度を決定するための手段を含む、装置。

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