JP7080646B2 - 一体型ひずみインジケータを有する構成要素を作製および監視する方法 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、一体型ひずみインジケータを有する構成要素を作製および監視するための方法に関する。

様々な産業用途を通して、装置構成要素は、多数の極端な条件（たとえば、高温、高圧、大きな応力負荷など）を受ける。時間の経過とともに、装置の個々の構成要素は、構成要素の使用可能な寿命を低下させる可能性があるクリープおよび／または変形を受けることがある。そのような懸念は、たとえば、いくつかのターボ機械に当てはまる可能性がある。

ターボ機械は、発電および航空機エンジンなどの分野で広く利用されている。たとえば、従来のガスタービンシステムは、圧縮機セクションと、燃焼器セクションと、少なくとも１つのタービンセクションとを含む。圧縮機セクションは、作動流体（たとえば、空気）が圧縮機セクションを通って流れるときに、作動流体を圧縮するように構成される。圧縮機セクションは、高圧の圧縮された作動流体を燃焼器に供給し、そこで高圧の作動流体は燃料と混合されて燃焼室で燃やされ、高温高圧の燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、高温ガス経路に沿ってタービンセクション内に流れる。タービンセクションは、燃焼ガスからエネルギを抽出することによって燃焼ガスを利用し、仕事を生成する。たとえば、タービンセクション内の燃焼ガスの膨張によってシャフトを回転させ、圧縮機、発電機、および他の様々な負荷に電力を供給することができる。

ターボ機械の動作中、ターボ機械内の様々な構成要素、特にターボ機械のタービンセクション内のタービンブレードなどの高温ガス経路に沿った構成要素が、高温および高応力に起因してクリープを受ける可能性がある。タービンブレードの場合には、クリープがブレードの一部または全部を伸長させて、ブレード先端部が固定構造、たとえばタービンケーシングに接触し、動作中に望ましくない振動および／または性能低下を引き起こすおそれがある。

米国特許出願２０１４／０２６７６７７号

本発明の態様および利点は、その一部を以下の説明に記載しており、あるいはその説明から明らかになり、あるいは本発明の実施により学ぶことができる。

本開示の一実施形態によれば、一体型ひずみインジケータを有する構成要素を作製する方法が提供される。前記方法は、内部容積と、外側表面とを含む前記構成要素を形成することを含む。前記方法は、前記構成要素に複数の基準マーカを形成することをさらに含み、前記複数の基準マーカの各々は、前記構成要素に画定されたくぼみである。前記複数の基準マーカは、前記構成要素の分析領域に配置される。

いくつかの実施形態では、前記分析領域は、ゲージ長さを画定し、前記複数の基準マーカの各々は、前記ゲージ長さの１／１０～１／２０の最大直径を有する。

本開示の別の実施形態によれば、構成要素を監視する方法が提供される。前記構成要素は、内部容積と、外側表面とを含む。前記方法は、前記構成要素の一部に形成された複数の基準マーカを最初に測定することであって、前記複数の基準マーカの各々は、前記構成要素に画定されたくぼみである、測定することと、前記最初の測定に基づいて前記構成要素の三次元モデルを製作することとを含む。前記方法は、前記構成要素を少なくとも１つのデューティサイクルにかけることをさらに含む。前記方法は、前記少なくとも１つのデューティサイクルの後に前記複数の基準マーカを後続的に測定することと、前記後続の測定に基づいて前記構成要素の三次元モデルを製作することとをさらに含む。前記方法は、前記最初の測定に基づく前記三次元モデルを前記後続の測定に基づく前記三次元モデルと比較することをさらに含む。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することによってよりよく理解されるであろう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するものであるが、本発明の実施形態を例示し、また説明と共に本発明の原理を説明する働きをする。

その最良の態様を含み、当業者を対象とする、本発明の完全かつ実施可能な程度の開示が本明細書に記載され、以下の添付の図を参照する。

本開示の実施形態による複数の基準マーカを含む例示的な構成要素の斜視図である。 本開示の実施形態による構成要素に形成された複数の基準マーカの部分断面図である。 本開示の他の実施形態による構成要素に形成された複数の基準マーカの部分断面図である。 本開示の実施形態による構成要素のひずみを監視するためのシステムの斜視図である。 本開示の実施形態による複数の基準マーカの俯瞰図である。 本開示の実施形態による複数の基準マーカの俯瞰図である。 本開示の実施形態による第１の時点における例示的な基準マーカの俯瞰図である。 本開示の実施形態による第２の時点における図７の基準マーカの断面図である。 本開示の実施形態による構成要素を作製する方法を示すフローチャートである。 本開示の実施形態による構成要素の変形を監視するための方法を示すフローチャートである。

ここで、本発明の実施形態を詳細に参照するが、その１つまたは複数の例が、図面に示されている。各例は、本発明の限定としてではなく、本発明の例示として提示される。実際、本発明の範囲または主旨から逸脱せずに、本発明に様々な修正および変形を施し得ることが、当業者にとっては明らかであろう。たとえば、一実施形態の一部として図示または記載する特徴は、別の実施形態と共に用いて、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にあるそのような修正および変形を包含することが意図されている。

図１を参照すると、構成要素１０の外側表面１４に形成された複数の基準マーカ１２を有する例示的な構成要素１０が示されている。構成要素１０は、たとえば高温用途において利用される構成要素（たとえば、ニッケルまたはコバルト基超合金を含む構成要素）など、様々な異なる用途において使用される様々な種類の構成要素のいずれかとすることができる。いくつかの実施形態では、構成要素１０は、燃焼構成要素または高温ガス経路構成要素などの産業用ガスタービンまたは蒸気タービン構成要素であってもよい。いくつかの実施形態では、構成要素１０は、タービンブレード、圧縮機ブレード、ベーン、ノズル、シュラウド、ロータ、トランジションピースまたはケーシングであってもよい。他の実施形態では、構成要素１０は、ガスタービン、蒸気タービンなどのための任意の他の構成要素のようなタービンの任意の他の構成要素であってもよい。いくつかの実施形態では、構成要素は、これらに限定されないが、自動車構成要素（たとえば、車、トラックなど）、航空宇宙構成要素（たとえば、航空機、ヘリコプター、スペースシャトル、アルミニウム部品など）、機関車または鉄道構成要素（たとえば、電車、列車の線路など）、構造的、生活基盤的、または土木工学的な構成要素（たとえば、橋、建物、建設機械など）、および／または発電装置または薬品処理用構成要素（たとえば、高温用途で使用されるパイプ）を含む非タービン構成要素とすることができる。

たとえば図１に示すように、例示的な構成要素１０は、基準マーカ１２が配置される外側表面１４を有する。図１の例示的な実施形態に示す例示的な構成要素１０は、タービン構成要素、より具体的にはタービンブレードである。しかし、構成要素１０は、上述したように、様々な追加のまたは代替の構成要素であってもよい。基準マーカ１２は、一般に、識別可能なターゲットであり、各々が長さＬおよび幅Ｗ（図５参照）を有する。本明細書で論じるように、本開示による基準マーカ１２は、構成要素１０に画定されたくぼみである。したがって、基準マーカ１２は、構成要素内に延びる深さＤ（図２参照）を各々さらに有することができる。

たとえば図１および図２に示すように、例示的な構成要素１０は、第１の材料から形成される内部容積１５を有する。様々な冷却通路（図示せず）を、内部容積１５に画定することができる。構成要素１０がタービンブレードまたは他のタービン構成要素であるようないくつかの実施形態では、内部容積１５に適切な材料としては、ＧＴＤ－１１１、ＧＴＤ－１４１、ＧＴＤ－４４４、Ｒ１０８、ＩＮＣＯＮＥＬ（商標）７３８、または単結晶Ｎ４およびＮ５など、高性能ニッケル基超合金を挙げることができる。あるいは、他の適切な金属または他の材料を利用してもよい。

構成要素１０は、たとえば、ベース構成要素６０を含むことができる。ベース構成要素６０は、内部容積１５を含むことができる。いくつかの実施形態では、ベース構成要素６０は、外側表面１４をさらに含むことができる。したがって、これらの実施形態では、外側表面１４は、第１の材料から形成されてもよい。あるいは、図２および図３に示すように、構成要素１０の１つまたは複数の追加の層をベース構成要素６０に含めることができる。たとえば、熱障壁層６２をベース構成要素に設けてもよい。熱障壁層６２は、外側表面１４を含むことができる。熱障壁層６２として使用するのに適切な材料としては、たとえば、イットリア安定化ジルコニア（「ＹＳＺ」）または低熱伝導率を有する適切なセラミックベースの組成を挙げることができる。特に、いくつかの実施形態では、結合層などの追加の層を熱障壁層６２とベース構成要素６０との間に設けることができる。結合層として使用するのに適切な材料としては、たとえば、ＧＥ３３、ＧＥ５５、ゲルアルミナイド、ＧＴ２１、ＧＴ２９、またはＧＴ３３を挙げることができる。

図２および図３に示すように、本開示による基準マーカ１２は、構成要素に画定されるくぼみである。したがって、基準マーカ１２は、構成要素の内側に延びる。いくつかの実施形態では、図２に示すように、基準マーカ１２は、外側表面１４に画定されてもよい。あるいは、基準マーカ１２は、構成要素１０内に画定されてもよい。たとえば、図３に示すように、基準マーカ１２は、ベース構成要素６０に形成され、したがってベース構成要素６０に画定することができる。

ここで図１～図６を参照すると、基準マーカ１２は、構成要素１０の外側表面１４の一部１８に配置される。例示的な実施形態では、少なくとも２つの別個のマーカ（たとえば、１２ａおよび１２ｂ）が設けられ、前記少なくとも２つのマーカ１２ａおよび１２ｂの間の距離ＤＩを測定することができる。当業者には理解されるように、これらの測定は、構成要素１０のその領域におけるひずみ、ひずみ速度、クリープ、疲労、応力などの量を決定するのに役立つことができる。少なくとも２つの別個のマーカ１２ａおよび１２ｂは、それらの間の距離ＤＩを測定することができる限りにおいて、個々の構成要素１０に応じて様々な距離でおよび様々な位置に配置することができる。

基準マーカ１２は、それらが一貫して識別可能であり、それらの間の距離ＤＩを測定するために使用することができる限りにおいて、点、線、円、矩形あるいは任意の他の幾何学的形状または非幾何学的形状など、任意の適切な形状を有することができる。基準マーカ１２は、様々な異なる形状、サイズ、および配置の基準マーカ１２を組み込むことなどによって、様々な異なる構成および断面を形成することができる。たとえば、各基準マーカ１２は、一致した形状または固有の形状を含むことができる。いくつかの実施形態では、各マーカ１２は、別の基準マーカと同じであり（すなわち、一致する）、あるいは別の基準マーカにない円形、矩形、または直線形を画定することができる。

上述したように、基準マーカ１２は、構成要素１０に画定されたくぼみである。構成要素１０に基準マーカ１２を形成するために、様々な適切な方法を利用することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、基準マーカ１２は、たとえば適切なキャスティングプロセスまたは他の適切な製造プロセスを使用して形成することができる、構成要素１０の形成中に形成することができる。あるいは、基準マーカ１２は、適切な減法技術を使用して、構成要素１０の形成後に形成することができる。そのような技術の例には、レーザ除去、エッチングなどが含まれる。

例示的な実施形態では、基準マーカ１２を形成する適切な方法には、構成要素１０の粒子構造に影響を与えない方法が含まれる。たとえば、構成要素１０の粒子構造は、電子走査顕微鏡を用いるような、試験片または試料の顕微鏡分析によって影響を受けていないことが実際に実証されている。さらに、基準マーカ１２を形成する方法は、そのような方法が構成要素１０に応力集中部を生じさせない場合、本開示に従って適切となり得る。

結果として、基準マーカ１２は、構成要素１０とは無関係な、または構成要素１０を上回る基準マーカ１２の移動を低減または最小化するように、構成要素１０と一体的に結合する。したがって、本開示による基準マーカ１２は、構成要素１０の一体的な受動型ひずみインジケータである。さらに、構成要素１０に基準マーカ１２を直接形成することにより、耐久性が向上し、適切な測定デバイスが時間の経過につれてマーカ１２を測定できなくなるリスクを低減することができる。

いくつかの実施形態では、基準マーカ１２が形成される外側表面１４の部分は、構成要素１０の外側表面１４の分析領域１８であってもよい。このような実施形態では、分析領域１８の主要寸法は、分析領域１８のゲージ長さＧを画定する。ゲージ長さＧを有する分析領域１８を含むいくつかの実施形態では、基準マーカ１２は各々、最大直径ＭＤ（図４）を有することができ、各基準マーカ１２の最大直径ＭＤは、ゲージ長さＧの１／１０～１／２０など、１／８～１／２５であってもよい。様々な実施形態において、分析領域１８のゲージ長さＧは、３／１０インチ（０．３”）～１インチ（１．０”）など、２／１０インチ（０．２”）～１と２／１０インチ（１．２”）であってもよい。様々な例示的な実施形態において、マーカ１２の最大直径ＭＤは、２／１００インチ（０．０２”）～１２／１００インチ（０．１２”）など、１／１００インチ（０．０１”）～１５／１００インチ（０．１５”）であってもよい。いくつかの例示的な実施形態では、ゲージ長さＧは、３／１０インチ（０．３”）であってもよく、マーカ１２の最大直径ＭＤは、１５／１０００インチ（０．０１５”）～３／１００インチ（０．０３”）であってもよい。１つの基準マーカ１２の最大直径ＭＤが、他の基準マーカ１２の最大直径ＭＤと異なっていてもよく、たとえば最大直径ＭＤが、すべて同じ範囲内にあってよいが、必ずしも互いに等しくなくてもよいことを理解されたい。特に、マーカ１２のサイズに対するマーカ１２の間の比較的大きい距離は、構成要素１０の応力および／またはひずみに起因する測定された変化に対するマーカ１２の変形の影響を回避または低減することによって、有利には、構成要素１０自体に対するひずみの比較的正確な表現を提供することができる。

上述したように、いくつかの実施形態では、基準マーカ１２は、深さＤ（図２および図３参照）を有することができる。また、上述したように、特定の例示的な実施形態では、構成要素１０は、タービンブレードまたは他の適切な空気力学的構成要素であってもよい。有利には、基準マーカ１２のサイズおよび抑圧特性は、好ましくは、これらの実施形態では構成要素の空力特性に影響を与えない程度に小さく、また本明細書で論じるように測定する程度に大きい。したがって、例示的な実施形態では、基準マーカ１２の深さＤは、たとえば３／１０００インチ（０．００３”）～２５／１０００インチ（０．０２５”）、６／１０００インチ（０．００６”）～２０／１０００インチ（０．０２０”）、または８／１０００インチ（０．００８”）～１５／１０００インチ（０．０１５”）など、１／１０００インチ（０．００１”）～３０／１０００インチ（０．０３０”）であってもよい。

以下でより詳細に論じるように、様々な実施形態は、光学スキャナ２４（図４）などの三次元データ取得デバイスを使用して複数の基準マーカ１２を直接測定することを含む。光学スキャナ２４または他の適切なデバイスは、いくつかの実施形態では、視野、すなわちデバイスが単一の画像またはパスで取り込むことができる最大面積範囲を有することができる。このような実施形態では、分析領域１８のゲージ長さＧは、好ましくは、視野の最長寸法、たとえば、視野が楕円である場合には、視野によって画定される楕円の長軸の少なくとも３分の１（１／３）であってもよい。たとえば、以下でより詳細に論じるように、いくつかの例示的な実施形態では、光学スキャナ２４は、構造化光スキャナであってもよく、このようなスキャナの例示的な実施形態は、６０ミリメートル（６０ｍｍ）の視野を有することができる。このような実施形態では、分析領域１８のゲージ長さＧは、少なくとも２０ミリメートル（２０ｍｍ）であってもよい。さらに、このような実施形態では、スキャナ２４または他の適切なデバイスの視野は、分析領域１８のサイズに上限をもたらすことができ、たとえば、分析領域１８は、複数の基準マーカ１２のすべてを視野内に収めることができるようなサイズであってもよい。

基準マーカ１２は、様々な構成要素上の様々な位置の１つまたは複数に配置することができる。たとえば、上述したように、基準マーカ１２は、タービンブレード、ベーン、ノズル、シュラウド、ロータ、トランジションピースまたはケーシングに配置することができる。このような実施形態では、基準マーカ１２を、翼形部、プラットフォーム、先端部または任意の他の適切な位置にまたは付近など、ユニットの動作中に様々な力を受けることが知られている１つまたは複数の位置に構成することができる。さらに、基準マーカ１２は、高温を受けることが知られている１つまたは複数の位置に堆積させることができる。たとえば、基準マーカ１２は、高温ガス経路および／または燃焼構成要素１０に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、分析領域は、たとえば高応力または高クリープの領域ならびに／あるいは公差または隙間が小さい領域など、構成要素の寿命制限領域を含むことができる。たとえば、構成要素１０がガスタービンエンジンのタービンブレードである実施形態では、ブレードの外側部分またはその近傍において、タービンブレードとタービンのケーシングとの間に小さい隙間が存在し得る。したがって、ブレードの外側部分は、その部分の変形によってケーシングがブレードの回転を妨害させる可能性があるという点で、寿命が制限されている可能性がある。他の実施形態では、分析領域１８は、構成要素１０の外側表面１４全体を実質的に含むことができる。このような実施形態は、選択可能な可変部分（たとえば、２つの隣接するマーカ１２の間の領域）にわたる局所的なひずみの任意の検出、および／または構成要素１０にわたる全体的なひずみの検出を可能にすることができる。

複数の基準マーカ１２は、任意の適切な数および配置で構成要素１０の外側表面１４に配置することができる。少なくとも４つの基準マーカ１２を設けることで、有利には、全ひずみ構成要素、すなわち３つのひずみ構成要素のすべての測定および分析を可能にすることができる。たとえば、少なくとも４つの基準マーカ１２を設けることで、有利には、２Ｄひずみ場の測定および分析を可能にすることができ、少なくとも７つの基準マーカ１２を設けることで、有利には、３Ｄひずみ場の測定および分析を可能にすることができる。基準マーカ１２は、様々な例示的な実施形態において、たとえば、マーカ１２が矩形を画定するように、規則的なグリッドに沿って配置されてもよい。少なくとも１つの代替の実施形態では、基準マーカ１２は、線形または他の規則的なパターンで配置されてもよい。他の代替の実施形態では、基準マーカ１２は、非線形パターンで配置されてもよく、および／または不規則な形状を画定してもよい。このような実施形態の様々な組合せが可能であり、たとえば、４つのマーカを設け、矩形または直線を形成するように配置することができ、あるいは４つの基準マーカを非線形パターンで設けることができる。そのような例は、説明のためのものに過ぎず、限定ではない。様々な実施形態において、任意の適切な数および配置の基準マーカ１２を設けることができる。

様々な実施形態において、基準マーカ上のいくつかの点のいずれかに基づいて基準マーカの間の距離を測定し、および／または基準マーカの位置を画定することが可能であり、たとえば頂点などの基準マーカの縁部または外側表面の点を使用することができる。いくつかの実施形態では、基準マーカは、半球など、球の一部であってもよいし、または球の一部に近似していてもよく、たとえば複数の基準マーカの各基準マーカが、球面を部分的に画定することができる。このような実施形態では、基準マーカ１２の重心１２０（図７および図８）または質量中心を使用して、分析の目的のための基準マーカ１２の位置を画定することができる。いくつかのこのような実施形態では、分析目的のための基準マーカ１２の重心１２０は、たとえば、半球の基準マーカの物理的形状によって画定された実際の重心であってもよい。他の例示的な実施形態では、画像プロセッサ２６が、基準マーカ１２によって画定された部分的な、たとえば、半球から完全な球１３の重心１２０を計算または導出することができる。すなわち、本明細書に記載される監視のいくつかの例示的な方法における分析目的のための基準マーカの重心は、たとえば基準マーカが球の一部を画定する球の重心など、仮想重心であってもよい。たとえば、図２を参照すると、基準マーカ１２は球１３の約半分を画定し、球１３の残りは外側表面１４から延びる破線によって示される。

本開示による重心は、二次元または三次元領域とすることができる領域の幾何学的中心であり、したがって、形状におけるすべての点の算術平均または平均位置である。例示的な実施形態では、重心は、画像化デバイス２４およびプロセッサ２６の使用によって特定されてもよい。プロセッサ２６は、たとえば、基準マーカの画像の分析において、上述したように、物理的重心または仮想重心とすることができる基準マーカの重心を計算し、したがって位置を特定することができる。

基準マーカ１２の重心を距離測定のための基準点として使用することで、有利には、マーカ１２の変形に起因する誤差を低減または最小化することができる。たとえば、図７は、たとえば製造されたときなど、初期状態の例示的な基準マーカ１２を示し、図８は、たとえばマーカ１２が配置された構成要素１０が少なくとも１つのデューティサイクルにかけられた後など、後の状態における図７の基準マーカ１２を示している。この例では、マーカ１２の縁部の点と隣接するマーカの別の点との間の距離は、構成要素１０の変形に代わり、あるいは構成要素１０の変形に加えて、マーカ１２の変形ゆえにマーカ１２の縁部または周辺に沿った点が変位するようにマーカ１２の形状が変化することによってのみ変化し得る。対照的に、重心１２０の位置は、マーカ１２の縁部に沿った点の位置と比較して比較的一定のままであり、したがって、重心１２０に基づいて、各マーカ１２の位置およびマーカの間の距離を画定することによって、構成要素１０の変形のより本当の画像を得ることができる。図７および図８において、重心１２０の位置は、以下に説明し図４に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸またはＺ軸のいずれか２つであってもよい相互に直交する軸５０，５２を基準とした座標系で画定される。さらなる例示的な実施形態では、重心１２０の位置は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３つすべてを基準とした三次元座標系で画定されてもよい。

ここで図１～図６を参照すると、構成要素の変形を監視するためのシステムの例示的な実施形態が示されている。本開示によるこのようなシステムは、３つの軸（従来はＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸と呼ばれ、相互に直交している）に沿って基準マーカ１２を測定することによって改善された局所的および／または全体的なひずみ分析を容易にすることができる。図５に示すように、システム２３が各マーカの相対変位を測定し、それによって構成要素１０の変形を測定するとき、基準マーカ１２の移動Ｍ（図６）を各平面で追跡することができる。システム２３は、たとえば、上述のように１つまたは複数の構成要素の外側表面１４に配置される複数の基準マーカ１２を含むことができる。さらに、システム２３は、例示的な実施形態では、基準マーカ１２を分析するための光学スキャナ２４（図４）などの三次元データ取得デバイス２４と、三次元データ取得デバイスと動作可能に通信するプロセッサ２６とを含むことができる。

一般に、本明細書で使用する場合、「プロセッサ」という用語は、コンピュータに含まれるものとして当技術分野で参照される集積回路を指すだけでなく、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路、および他のプログラマブル回路も指す。さらに、プロセッサ２６はまた、三次元データ取得デバイス２４などのプロセッサ２６と通信する様々な他の構成要素との入力の受信および制御信号の送信のための様々な入力／出力チャネルを含むことができる。プロセッサ２６は、三次元データ取得デバイス２４からの入力およびデータを記憶および分析し、本明細書に記載の方法ステップを広く実行するための適切なハードウェアおよび／またはソフトウェアをさらに含むことができる。

特に、プロセッサ２６（またはその構成要素）は、光学データ取得デバイス２４内に統合することができる。追加のまたは代替の実施形態では、プロセッサ２６（またはその構成要素）は、データ取得デバイス２４とは別個であってもよい。例示的な実施形態では、たとえば、プロセッサ２６は、データ取得デバイス２４によって受信されたデータを最初に処理するためのデータ取得デバイス２４内に統合される構成要素と、基準マーカ１２を測定し、および／またはデータから現時点の三次元プロファイルを作り出し、これらのプロファイルを比較するためのデータ取得デバイス２４とは別個の構成要素とを含む。

一般に、プロセッサ２６は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸に沿って基準マーカ１２を直接測定して、Ｘ軸データ点、Ｙ軸データ点、およびＺ軸データ点を取得し、表面１４のトポロジの正確な３Ｄデジタル複製を製作するように動作可能である。上述したように、軸は、相互に直交している。Ｘ軸データ点、Ｙ軸データ点、およびＺ軸データ点は、基準マーカ１２の直接測定に関連する寸法データ点である。プロセッサ２６は、各基準マーカ１２の重心１２０の位置を特定するために、たとえば重心１２０の位置を表す三次元座標を決定するようにさらに動作可能とすることができる。たとえば、クリープ、疲労、および過負荷のような変形事象の前後の様々な時点に構成要素１０を走査することにより、構成要素１０は、たとえば、応力および／またはひずみに関して監視することができる。データ取得デバイス２４は、複合測定が必要とされず、または実行されないように、構成要素１０の単一の三次元測定を実行するように動作可能とすることができる。構成要素１０の単一の三次元測定は、三次元データを生成し、三次元のひずみ分析を可能にする。このような三次元データの例示的な実施形態は、相互に直交する軸Ｘ、Ｙ、およびＺによって画定された三次元空間における重心座標を含む三次元点群内のポリゴンメッシュデータを含み得る。このような三次元データは、次に変形分析アルゴリズムに入力されて、局所的な表面ひずみを計算することができる。

一般に、三次元での直接測定を得るために表面計測技術を利用する任意の適切な三次元データ取得デバイス２４を利用することができる。例示的な実施形態では、デバイス２４は、非接触表面計測技術を利用する非接触デバイスである。さらに、例示的な実施形態では、本開示によるデバイス２４は、約１００ナノメートル～約１００マイクロメートルのＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸に沿った分解能を有する。したがって、例示的な方法によれば、約１００ナノメートル～約１００マイクロメートルの分解能で、Ｘ軸データ点、Ｙ軸データ点、およびＺ軸データ点が得られる。

たとえば、いくつかの実施形態では、三次元で基準マーカ１２を光学的に識別する適切な光学スキャナ２４を利用することができる。図４は、本開示による光学スキャナ２４の例示的な実施形態を示し、スキャナは、構造化光スキャナである。構造化光スキャナは、一般に、発光ダイオード３０または他の適切な光発生装置などの内蔵の発光器から光２８を放射する。例示的な実施形態では、構造化光スキャナによって利用される放射光２８は、青色光または白色光である。一般に、放射光２８は、概ね特定のパターンで基準マーカ１２および構成要素１０に投射される。光２８が基準マーカ１２および構成要素１０に接触すると、構成要素および基準マーカ１２の表面輪郭が光２８をゆがませる。このゆがみは、構造化光が外側表面によって反射された後に、たとえばカメラ３２によって撮影される画像において、検出器によって取り込むことができる。基準マーカ１２（および周囲の外側表面１４）に接触する光２８の画像は、たとえばプロセッサ２６によって受け取られる。次に、プロセッサ２６は、たとえば光パターンのゆがみを予想されるパターンと比較することによって、受け取った画像に基づいてＸ軸データ点、Ｙ軸データ点、およびＺ軸データ点を計算する。特に、例示的な実施形態では、プロセッサ２６は、このような光学スキャナ２４を動作させて様々な上記開示のステップを実行する。

あるいは、他の適切なデータ取得デバイスを利用してもよい。たとえば、いくつかの実施形態では、デバイス２４はレーザスキャナである。レーザスキャナは、一般に、これらの実施形態における基準マーカ１２およびタービン構成要素１０の全体などの物体に向けてレーザビームの形態で光を放射するレーザを含む。次に、光は、デバイス２４のセンサによって検出される。たとえば、いくつかの実施形態では、光は次に接触する表面から反射され、デバイス２４のセンサによって受光される。光がセンサに到達するまでにかかる時間は、様々な軸に沿った測定値を決定するために利用される。これらのデバイスは、通常、飛行時間型デバイスとして知られている。他の実施形態では、センサは、接触する表面の光を検出し、センサの視野内の光の相対的な位置に基づいて測定値を決定する。これらのデバイスは、通常、三角測量デバイスとして知られている。次に、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸データ点は、前述のように、検出された光に基づいて計算される。特に、例示的な実施形態では、プロセッサ２６は、様々な上記開示のステップを実行するためにこのようなデータ取得デバイス２４を実行して動作させる。

いくつかの実施形態では、レーザによって放射された光は、複数の基準マーカ１２など、測定される物体の一部から反射するのに十分なだけの帯域で放射される。これらの実施形態では、ステッパモータまたはレーザを移動させるための他の適切な機構を利用して、光が測定される物体全体から反射されるまで、必要に応じてレーザおよび放射帯域を移動させることができる。

またさらに、他の適切な三次元データ取得デバイス２４を利用することもできる。しかし、あるいは、本開示は、三次元データ取得デバイス２４の使用に限定されない。たとえば、特に基準マーカが外側表面１４に設けられておらず、外側表面の下にある実施形態では、他の適切なデバイスとして、たとえば渦電流コイル、ホール効果プローブ、導電性プローブ、および／または容量性プローブを含むことができる電界スキャナが挙げられる。

ここで図９を参照すると、一体型ひずみインジケータを有する構成要素を作製する例示的な方法２００が示されている。方法２００は、内部容積と、外側表面とを有する構成要素１０を形成するステップ２１０を含む。方法２００は、構成要素に複数の基準マーカを形成するステップ２２０をさらに含む。上述したように、各基準マーカ１２は、構成要素１０に画定されたくぼみとすることができる。

ここで図１０を参照すると、内部容積と、外側表面とを含む構成要素を監視する例示的な方法３００が示されている。例示的な実施形態におけるこのような方法３００は、全体的または部分的に、本明細書で論じるようなプロセッサ２６によって実行されてもよい。方法３００は、構成要素１０に複数の基準マーカ１２を形成するステップ３１０を含むことができる。方法３００は、三次元データ取得デバイス２４を用いて直接測定するなど、複数の基準マーカ１２を最初に測定するステップ３２０を含む。方法３００は、本明細書で論じるようにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸データ点を使用するなど、最初の測定に基づいて構成要素１０の三次元モデルを製作するステップ３３０をさらに含む。このようなステップは、第１の時点において行うことができる。方法３００は、第１の時点の後に生じ得る少なくとも１つのデューティサイクルに構成要素１０をかけるステップ３４０をさらに含む。たとえば、デューティサイクルは、ターボ機械または他の動作において使用中のタービン構成要素に行われ得る。あるいは、デューティサイクルは、一般に、構成要素１０が利用されるように設計された環境において構成要素１０を使用することによって達成されてもよい。方法３００は、三次元データ取得デバイス２４を用いた直接測定など、少なくとも１つのデューティサイクルの後に（第１の時点の後の第２の時点において）複数の基準マーカ１２を後続的に測定するステップ３５０をさらに含む。方法３００は、本明細書で論じるようなＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸データ点の使用など、後続の測定に基づいて構成要素１０の三次元モデルを製作するステップ３６０をさらに含む。方法３００は、最初の測定に基づく三次元モデルを後続の測定に基づく三次元モデルと比較するステップ３７０をさらに含む。

いくつかの実施形態では、最初の測定に基づく構成要素１０の三次元モデルはまた、各基準マーカ１２の最初の位置の表示、たとえば、上述したように軸Ｘ、Ｙ、およびＺによって画定された三次元空間における重心１２０の位置を表す三次元座標を含むことができる。後続の測定に基づく構成要素の三次元モデルのいくつかの実施形態はまた、各基準マーカの最初の位置の表示と同様の三次元重心座標とすることができる、各基準マーカの次の位置の表示を含むことができる。さらに、方法３００のこのような実施形態では、比較するステップ３７０は、複数の基準マーカの最初の位置を複数の基準マーカの次の位置と比較することを含むことができる。

本明細書は、最良の形態を含んだ本発明の開示のために、また、任意のデバイスまたはシステムの製作および使用、ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含んだ本発明の実施がいかなる当業者にも可能になるように、実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的な差異を有さない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。
［実施態様１］
一体型ひずみインジケータを有する構成要素（１０）を作製する方法であって、
内部容積（１５）と、外側表面（１４）とを含む前記構成要素（１０）を形成することと、
前記構成要素（１０）に複数の基準マーカ（１２）を形成することとを含み、前記複数の基準マーカ（１２）の各々は、前記構成要素（１０）に画定されたくぼみであり、前記複数の基準マーカ（１２）は、前記構成要素（１０）の分析領域（１８）に配置され、前記分析領域（１８）は、ゲージ長さ（Ｇ）を画定し、前記複数の基準マーカ（１２）の各々は、前記ゲージ長さ（Ｇ）の１／１０～１／２０の最大直径（ＭＤ）を有する、方法。
［実施態様２］
前記分析領域（１８）が、前記構成要素（１０）の寿命制限領域を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様３］
前記複数の基準マーカ（１２）を形成する前記ステップが、前記構成要素（１０）を形成する前記ステップ中に行われる、実施態様１に記載の方法。
［実施態様４］
前記複数の基準マーカ（１２）を形成する前記ステップが、前記構成要素（１０）を形成する前記ステップの後に行われる、実施態様１に記載の方法。
［実施態様５］
前記複数の基準マーカ（１２）が、前記構成要素（１０）の前記外側表面（１４）に形成される、実施態様１に記載の方法。
［実施態様６］
前記構成要素（１０）が、前記内部容積（１５）を画定するベース構成要素（６０）と、前記ベース構成要素（６０）に堆積され、前記外側表面（１４）を画定する熱障壁コーティング（６２）とを含み、前記複数の基準マーカ（１２）が、前記ベース構成要素（６０）に形成される、実施態様１に記載の方法。
［実施態様７］
前記複数の基準マーカ（１２）が、少なくとも４つの基準マーカ（１２）を非線形パターンで含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様８］
前記複数の基準マーカ（１２）の各基準マーカ（１２）が、球面を部分的に画定する、実施態様１に記載の方法。
［実施態様９］
前記分析領域（１８）の前記ゲージ長さ（Ｇ）が、３／１０インチ～１インチである、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１０］
前記分析領域（１８）の前記ゲージ長さ（Ｇ）が、少なくとも２０ミリメートルである、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１１］
各基準マーカ（１２）が、２／１００インチ～１２／１００インチの最大直径（ＭＤ）と、１／１０００インチ～３０／１０００インチの最大深さ（Ｄ）を有する、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１２］
一体型ひずみインジケータを有する構成要素（１０）を作製する方法であって、
内部容積（１５）と、外側表面（１４）とを含む前記構成要素（１０）を形成することと、
前記構成要素（１０）に複数の基準マーカ（１２）を形成することとを含み、前記複数の基準マーカ（１２）の各々は、前記構成要素（１０）に画定されたくぼみであり、前記複数の基準マーカ（１２）は、前記構成要素（１０）の分析領域（１８）に配置される、方法。
［実施態様１３］
前記分析領域（１８）が、ゲージ長さ（Ｇ）を画定し、前記複数の基準マーカ（１２）の各々が、前記ゲージ長さ（Ｇ）の１／１０～１／２０の最大直径（ＭＤ）を有する、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１４］
前記分析領域（１８）が、前記構成要素（１０）の寿命制限領域を含む、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１５］
内部容積（１５）と、外側表面（１４）とを含む構成要素（１０）を監視する方法であって、
前記構成要素（１０）のに形成された複数の基準マーカ（１２）を最初に測定することであって、前記複数の基準マーカ（１２）の各々は、前記構成要素（１０）に画定されたくぼみである、測定することと、
前記最初の測定に基づいて前記構成要素（１０）の三次元モデルを製作することと、
前記構成要素（１０）を少なくとも１つのデューティサイクルにかけることと、
前記少なくとも１つのデューティサイクルの後に前記複数の基準マーカ（１２）を後続的に測定することと、
前記後続の測定に基づいて前記構成要素（１０）の三次元モデルを製作することと、
前記最初の測定に基づく前記三次元モデルを前記後続の測定に基づく前記三次元モデルと比較することとを含む、方法。
［実施態様１６］
前記最初の測定に基づく前記構成要素（１０）の前記三次元モデルが、各基準マーカ（１２）の最初の位置の表示を含み、前記後続の測定に基づく前記構成要素（１０）の前記三次元モデルが、各基準マーカ（１２）の次の位置の表示を含み、比較する前記ステップが、前記複数の基準マーカ（１２）の前記最初の位置を前記複数の基準マーカ（１２）の前記次の位置と比較することを含む、実施態様１５に記載の方法。
［実施態様１７］
各基準マーカ（１２）の前記最初の位置の前記表示が、各基準マーカ（１２）の重心（１２０）の三次元座標を含み、各基準マーカ（１２）の前記次の位置の前記表示が、各基準マーカ（１２）の前記重心（１２０）の三次元座標を含む、実施態様１６に記載の方法。
［実施態様１８］
前記複数の基準マーカ（１２）が、非接触直接測定技術を使用して最初におよび後続的に直接測定される、実施態様１６に記載の方法。
［実施態様１９］
前記複数の基準マーカ（１２）が、構造化光発光器と、検出器とを含む構造化光スキャナを使用して最初におよび後続的に直接測定される、実施態様１５に記載の方法。
［実施態様２０］
最初に測定する前記ステップが、構造化光を前記構成要素（１０）の前記外側表面（１４）上に投射することと、前記構造化光が前記外側表面（１４）によって反射された後に前記構造化光を検出することとを含み、後続的に測定する前記ステップが、構造化光を前記構成要素（１０）の前記外側表面（１４）上に投射することと、前記構造化光が前記外側表面（１４）によって反射された後に前記構造化光を検出することとを含む、実施態様１９に記載の方法。

１０ タービン構成要素
１２ 基準マーカ
１２ａ マーカ
１２ｂ マーカ
１３ 球
１４ 外側表面、外表面
１５ 内部容積
１６ 熱障壁層
１７ 結合層
１８ 分析領域、一部
２３ システム
２４ 光学スキャナ、画像化デバイス、三次元データ取得デバイス
２６ 画像プロセッサ
２８ 光、放射光
３０ 発光ダイオード
３２ カメラ
３４ レーザ
５０ 軸
５２ 軸
６０ ベース構成要素
６２ ＴＢＣ、熱障壁層
１２０ 重心
Ｄ 深さ
ＤＩ 距離
Ｇ ゲージ長さ
Ｈ 高さ
Ｌ 長さ
Ｍ 移動
ＭＤ 最大直径
Ｗ 幅

Claims (8)

1. 一体型ひずみインジケータを有するガスタービン構成要素（１０）を作製する方法であって、当該方法が、
   内部容積（１５）及び外側表面（１４）を有するガスタービン構成要素（１０）を形成するステップと、
   前記ガスタービン構成要素（１０）の粒子構造に影響を与えずに、前記ガスタービン構成要素（１０）に複数の基準マーカ（１２）を形成するステップと
   を含んでおり、
   前記複数の基準マーカ（１２）の各々が、前記ガスタービン構成要素（１０）に画定されその内側に延びる凹状のくぼみであり、前記複数の基準マーカ（１２）が、前記ガスタービン構成要素（１０）の分析領域（１８）に配置され、該分析領域（１８）がゲージ長さ（Ｇ）を画定しているとともに、該分析領域（１８）が、前記ガスタービン構成要素（１０）の寿命制限領域を含んでおり、前記複数の基準マーカ（１２）の各々が前記ゲージ長さ（Ｇ）の１／１０～１／２０の最大直径（ＭＤ）を有しており、前記複数の基準マーカ（１２）を形成するステップが、前記ガスタービン構成要素（１０）を形成するステップの後に行われる、方法。
2. 前記複数の基準マーカ（１２）が、前記ガスタービン構成要素（１０）の外側表面（１４）に形成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスタービン構成要素（１０）が、前記内部容積（１５）を画定するベース構成要素（６０）と、前記ベース構成要素（６０）に堆積され、前記外側表面（１４）を画定する熱障壁コーティング（６２）とを含み、前記複数の基準マーカ（１２）が、前記ベース構成要素（６０）に形成される、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記複数の基準マーカ（１２）が、少なくとも４つの基準マーカ（１２）を非線形パターンで含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記複数の基準マーカ（１２）の各基準マーカ（１２）が半球である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記分析領域（１８）のゲージ長さ（Ｇ）が、３／１０インチ～１インチ（７．６２ｍｍ～２５．４ｍｍ）である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記分析領域（１８）のゲージ長さ（Ｇ）が、少なくとも２０ｍｍである、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 各基準マーカ（１２）が、２／１００インチ～１２／１００インチ（５０８μｍ～３０４８μｍ）の最大直径（ＭＤ）と、１／１０００インチ～３０／１０００インチ（２５．４μｍ～７６２μｍ）の最大深さ（Ｄ）を有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。

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