JP7455814B2 - 冷却孔の自動識別及びツールパスの生成 - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、ガスタービンの被冷却構造に関し、より具体的には、タービン翼形部に関連するシステム及び方法に関する。
大型のヘビーデューティー産業用ガスタービンエンジンでは、燃焼器で発生した高温ガス流がタービンを通過して機械的仕事を生じる。タービンは、高温ガス流が作用するステータ静翼及びロータ動翼の１以上の列又は段を含んでおり、高温ガス流の温度は徐々に低下する。タービン、ひいてはエンジンの効率は、タービンに流入するガス流を高めることによって向上させることができる。しかし、タービン入口温度は、タービン、特に第１段静翼及び動翼の材料特性、さらにはかかる第１段翼形部の冷却能力によって制限されることがある。
第１段ロータ及びステータ構成要素は最も高いガス流温度に曝され、ガス流がタービン段を通過するにつれて温度は徐々に低下する。第１段及び第２段翼形部（動翼及び静翼）は、冷却空気を内部冷却通路に通し、膜冷却孔から冷却空気を排出して冷却空気のブランケット層を与え、高温ガス流から被冷却表面を保護することによって、冷却すべきである。
タービンロータ動翼、静止静翼及びそれらの内部の冷却通路は、例えば、冷却通路が閉塞したか否かを判断するため及び／又は部品の幾何形状が所期の設計から逸脱したか否かを判断するため、検査を必要とすることが多々ある。しかし、ガスタービンエンジンには多数のタービン翼形部（動翼及び静翼）があり、各翼形部には冷却通路と孔が多数あることが多いため、個々の孔を手動で検査するのは時間のかかる作業である。
以下の詳細な説明に本発明の態様及び利点を開示するが、以下の詳細な説明から本発明の態様及び利点は明らかとなろう。
一実施形態では、部品の処理方法は、部品３６のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを用いて、部品に配置された少なくとも１つの孔６２の位置を識別するステップ２５０２と、部品を取付システム５６内で位置合わせするステップ２５０４と、部品３６を３Ｄスキャンするステップ２５０６と、部品３６を３Ｄスキャンするステップ２５０６で得られた少なくとも１つのデータに少なくとも部分的に基づいて、孔３６の少なくとも１つの境界特徴を検出するステップ２５２０と、境界特徴に少なくとも部分的に基づいて、第１のツールパス９２を生成するステップ２５３６とを含む。
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することによって理解を深めることができよう。添付の図面は、本明細書に取り込まれて本明細書の一部をなすものであり、本発明の実施形態を例示するとともに、詳細な説明と併せて本発明の基本原理を説明するためのものである。
最良の形態を含めて、当業者に向けて、実施可能とするための十分な開示を、添付の図面を参照して、本明細書に記載する。
本明細書及び図面において、繰返し用いられる符号は、本発明の同一又は類似の特徴又は要素を表す。
以下、本実施形態の態様について詳細に説明するが、その１以上の例を添付の図面に示す。詳細な説明では、図面の特徴を参照するために、数字及び文字の符号を使用する。図面及び詳細な説明における同様又は類似の符号は、本実施形態の同様又は類似の部分を示すために用いられる。本明細書で用いる「第１」、「第２」及び「第３」という用語は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために互換的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を示すものではない。「上流」又は「後方」並びに「下流」又は「前方」という用語は、流体経路における流体の流れに関する相対的な方向を示す。例えば、「上流」又は「後方」は、流体が流れてくる方向を示し、「後部」と呼ばれることもある。「下流」又は「前方」は、流体が流れていく方向を示し、「前部」と呼ばれることもある。「半径方向」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に略垂直な相対的な方向を示し、「軸方向」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に略平行な相対的な方向を示す。「円周方向」及び「接線方向」という用語は、回転タービン又は圧縮機ロータの円周と整列した方向を示すことがある。
本明細書及び特許請求の範囲で用いる近似表現は、数量を修飾し、その数量が関係する基本機能に変化をもたらさない許容範囲内で変動し得る数量を表現する際に適用される。したがって、「約」及び「実質的に」のような用語で修飾された値はその厳密な数値に限定されない。場合によっては、近似表現は、その値を測定する機器の精度に対応する。本明細書及び特許請求の範囲において、数値限定の範囲は互いに結合及び／又は交換可能である。かかる範囲はその上下限で規定され、前後関係等から明らかでない限り、その範囲に含まれるあらゆる部分範囲を包含する。
各例は、本実施形態を説明するためのものであり、本実施形態を限定するものではない。実際、本実施形態の技術的範囲又は技術的思想を逸脱せずに、様々な修正及び変形をなすことができることは、当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として例示又は記載した特徴を別の実施形態に利用してさらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本実施形態は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲に属する修正及び変形を包含する。本実施形態の例示的な態様は、例示のため概してガスタービンに関して記載するが、本実施形態の態様は任意のターボ機械に適用することができ、特許請求の範囲に明示されていない限り、産業用ガスタービンに限定されないことは、当業者には明らかであろう。本明細書では産業用、船舶用又は陸上用のガスタービンについて記載及び例示するが、本明細書に記載及び例示される本発明は、特許請求の範囲に明示されていない限り、陸上用及び／又は産業用及び／又は船舶用のガスタービンに限定されない。例えば、本明細書に記載される開示内容は、限定はしないが、航空機転用タービン又は船舶用ガスタービン並びに航空機エンジンタービン及び／又は航空用エンジンを含む任意のタイプのタービンに使用し得る。
ここで図面を参照すると、同様の参照符号は同様の構成要素を示し、図１は、本実施形態の様々な態様を組み込むことができるガスタービン１０の例を示す。図に示す通り、ガスタービン１０は、一般に、圧縮機セクション１２を含み、圧縮機セクション１２は、ガスタービン１０の上流端に配置された入口１４と、圧縮機セクション１２を少なくとも部分的に囲むケーシング１６とを有する。ガスタービン１０は、圧縮機セクション１２から下流に少なくとも１つの燃焼器２０を有する燃焼セクション１８と、燃焼セクション１８から下流のタービンセクション２２とをさらに含む。図に示す通り、燃焼セクション１８は、複数の燃焼器２０を含むことができる。シャフト２４は、ガスタービン１０を通って軸方向に延在する。図１は、半径方向９４、軸方向９２及び円周方向９０を示す。
動作中、空気２６は、圧縮機セクション１２の入口１４に引き込まれ、次第に圧縮されて圧縮空気２８を燃焼セクション１８に供給する。圧縮空気２８は、燃焼セクション１８に流入し、燃焼器２０において燃料と混合されて可燃性混合物を形成する。可燃性混合物は、燃焼器２０で燃焼して高温ガス３０を生成し、高温ガス３０は、燃焼器２０からタービンノズル３４の第１段３２を横切ってタービンセクション２２に流れ込む。タービンセクションは、一般に、隣接するタービンノズル３４の列によって軸方向に分離されたロータ動翼３６の１以上の列を含む。ロータ動翼３６は、ロータディスクを介してロータシャフト２４に結合される。ロータシャフト２４は、エンジン中心線ＣＬを中心として回転する。タービンケーシング３８は、ロータ動翼３６及びタービンノズル３４を少なくとも部分的に包囲する。ロータ動翼３６の列の各々又は一部は、タービンケーシング３８内に配置されるシュラウドブロックアセンブリ４０によって同心状に囲まれてもよい。高温ガス３０は、タービンセクション２２を通って流れる際に急速に膨張する。熱及び／又は運動エネルギーが高温ガス３０からロータ動翼３６の各段に伝達され、それによりシャフト２４が回転して機械的仕事を生じる。シャフト２４は、発電機（図示せず）などの負荷に結合されて電気を発生することができる。加えて又は代わりに、シャフト２４を使用して、ガスタービンの圧縮機セクション１２を駆動することができる。
図２は、軸方向前方の前縁４４から軸方向後方の後縁４６まで延在するとともに半径方向内側根元４８から半径方向外側先端４２まで延在する例示的なタービンロータ動翼すなわち翼形部３６の拡大断面側面図を示す。翼形部３６は、高温ガス経路の半径方向内側境界を画成するプラットフォーム５０を含む。翼形部３６は、膜冷却孔（図示せず）などの冷却孔を配置することができる少なくとも１つの基材５２も含む。冷却孔を含む基材は、前縁４４、後縁４６、先端４２を含む翼形部の任意の部分、並びに翼形部の正圧側及び／又は翼形部の負圧側にあってもよい。図２の翼形部３６は、本明細書に記載のシステム及び方法を説明するための例示的な構成要素として使用され、タービン静翼、タービンノズル、燃焼器ライナー、シュラウド、並びに冷却孔が配置された基材及び／又は表面を含む他の構成要素にも適用される。
図３は、冷却孔５４を含む翼形部３６の基材５２の一部を示す。コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを用いて、冷却孔５４の位置を特定することができる。各冷却孔５４は、ＣＡＤにおいて、円筒６０によって表すことができ、円筒６０のｚ軸の中心線は、冷却孔５４の中心の位置及び配向と整列する。円筒６０の直径は、冷却孔５４のボア直径と一致するようなサイズにすることができる。したがって、冷却孔５４の幾何形状の多くの態様は、ＣＡＤにおいて円筒を用いて表すことができる。他の実施形態では、楕円形、台形、三角形、長方形及び／又は他の形状のプリズムを使用して、冷却孔５４の形状を表すことができ、使用される形状は、冷却孔５４の断面形状に依存し得る。図３はｘ－ｙ－ｚ座標系も示しており、ｚ軸は、冷却孔５４の近傍で局所表面又は基材５２に垂直になるように位置合わせすることができる。ｚ軸のゼロ点又は原点（及び一般にｘ－ｙ－ｚ座標系のゼロ点）は、冷却孔５４の内部中心として選択し得る。
図４は、前縁４４、後縁４６、翼形部先端４２、翼形部根元４６及び翼形部プラットフォーム５０を含む例示的な翼形部３６を示す。図４の実施形態では、幾つかの冷却孔５４が、翼形部３６の基材５２に配置されている。図４は、ｘ－ｙ－ｚ座標系に対して位置合わせした翼形部３６、及び取付システム５６を示す。例えば、ｘ軸を翼形部プラットフォームの円周方向縁部に沿って規定し、ｙ軸をプラットフォームの軸方向縁部に沿って規定し、ｚ軸を、翼形部３６の前縁及び／又は他の半径方向に延在する部分に沿って整列させてもよい。他の座標系も規定することができる。６軸ロボットアーム５８及び／又は他の位置合わせツールを使用して、ｘ－ｙ－ｚ座標系が翼形部上で正確に位置合わせされるように、取付システム５６に対して翼形部３６を位置合わせすることができる。翼形部３６、取付システム５６及びｘ－ｙ－ｚ座標系のロボットによる位置合わせは、６軸ロボットアーム５８に搭載されたカメラで得られるカメラビュー、並びにキャリパー、深さゲージ、近接ゲージ、ジャイロスコープ、マーカー、位置特定機構及び／又は翼形部３６上の位置合わせ機構を含む他の計測器を使用して実施し得る。使用できる他のタイプのゲージ又はプローブとして、構造化光プローブ、点共焦点プローブ、コノスコピックプローブ又は干渉プローブが挙げられ、ロボットと組み合わせて又は固定された配置で位置合わせを確立する。さらに、精密な機械的固定具を使用して、部品モデルに従って既知のデータ点を使用して部品を位置合わせすることができる。翼形部３６、取付システム５６及びｘ－ｙ－ｚ座標系の位置合わせに続いて、３Ｄスキャナを用いて翼形部３６の初期３Ｄスキャンを行うことができる。３Ｄスキャナは、レーザーストライプシステム、三角測量ベースの構造化光システム、位相シフトベースの白色光スキャナ、点スキャニング共焦点システム、レーザーレーダーシステム、立体写真測量システム、デプスフロムフォーカスベースのカメラシステム、メカニカルタッチベースのシステム又は上記の任意の組み合わせで構成し得る。位置合わせ及びスキャンシステムは、単一のシステムとして統合してもよいし、或いは２以上の別個のシステムであってもよい。別個の位置合わせ及びスキャンシステム及び／又は機械を使用すると、各システムが単一の目的のみを果たすことができ、各システムの精度を向上させることができる。さらに、別個の位置合わせ及びスキャンシステム及び／又は機械を使用すると、システムが独立して及び／又は同時に動作させることができるので、プロセス全体を改善することができる。
図５は、図４の３Ｄスキャナを介して受信された測定データに対して傾斜している翼形部３６を示す。換言すると、３Ｄスキャナで取得した３Ｄ測定データは、図４で確立された孔のｘ－ｙ－ｚ座標系と一致するように変換される。スキャナで取得した３Ｄ測定データは、非構造化３Ｄ点群から、例えば、点の３Ｄ三角測量などによって、局所法線及び連結性などの局所近傍情報を有する構造化３Ｄ点群データへと変換し得る。このような構造化データクラウドは、３Ｄメッシュ、データメッシュ、３Ｄデータメッシュ及び／又は３Ｄ測定データメッシュと呼ばれることがあり、データ構造を保持するために、ステレオリソグラフィ（．ｓｔｌ）、ＶＲＭＬ又はＷａｖｅｆｒｏｎｔデータフォーマットを始めとする様々なファイルフォーマットを使用して、スキャナから他の処理システムに転送し得る。
図６は、翼形部基材５２内に配置された幾つかの冷却孔５４と、幾つかの冷却孔内に配置された円筒６０とを含む翼形部３６を示す。３Ｄスキャナで取得した３Ｄ測定データは円筒座標系に移され、３Ｄ測定データで得られた各データは、それに関連付けられた冷却孔５４の円筒６０の体積の内側又は外側のいずれかに位置する。３Ｄ測定データの円筒座標への変換は、検査座標系を孔座標系と関連付ける行列変換を始めとする様々な方法で実施できる。
図７は、追加の処理のために選択された冷却孔６２を含む翼形部３６を示す。冷却孔６２は、ある１又は複数の基準を超える円筒６０（図示せず）の体積内の３Ｄ測定データを始めとする様々な基準を使用して選択し得る。例えば、冷却孔６２は、３Ｄ測定データが、円筒の体積内（したがって、冷却孔６２内）の残存及び／又は摩損した遮熱コーティング（ＴＢＣ）その他の異物のような異物の存在を示唆している場合に選択し得る。換言すれば、異物の体積が所定の閾値体積（例えば、円筒体積の所定の割合）を超える場合に、その冷却孔６２を追加の処理のために選択し得る。同様に、ある範囲の冷却孔の深さ（すなわち、円筒座標系のｚ軸に対して）に異物が存在することを３Ｄ測定データが示唆する場合にも、その冷却孔６２を追加の処理のために選択し得る。追加の処理のために選択された任意の冷却孔６２に対して、少なくとも１回の追加の３Ｄスキャンを実行することができる。その他の異物として、摩損したボンドコート、環境バリアコーティング（ＥＢＣ）、付着物、汚染物質、汚損物質、酸化及びその他の材料を挙げることができる。起こり得る損傷、材料の欠落又は重大な位置ずれのために、孔を選択してもよい。
図８は、翼形部３６（図示せず）の基材５２内に配置された冷却孔６２の拡大図を示す。冷却孔６２は、１以上の側壁６４と、冷却孔が基材５２の平面と交差する冷却孔出口部分に１以上の下流隅部６８を含むことができる。冷却孔６２は、冷却孔調量セクションと冷却孔出口との間の移行部を画成する傾斜段部６６を含んでいてもよい。傾斜段部６６は、実質的に平面であってもよく、空力形状を有してもよい。冷却孔６２は、中央ボア部７０を含んでいてもよい。
図９は、図８の冷却孔６２の拡大図を示し、その上に点群データをマッピングしたものである。この点群は一連の測定データ点であり、点間の隣接性、表面フィッティング又はその他の数学的モデル連結に関して点同士を関連付ける連結又は順序付けが確立されていないものである。各点について知られる唯一の情報は、その点のＸ－Ｙ－Ｚ座標である。公称モデル形状に基づいて個々の点を曲線又は小さな表面領域の数学的表面にロフトしてそれらの表面を使用して幾何学的特徴を決定するという従来のアプローチではなく、この点データだけを使用して局所的傾向又は変化を評価する。フィットさせた数学的表面の使用は時間がかかり、数学的表面モデル内の他の非孔特徴部の形状又は位置のために、点群データ内に存在する非常に局所的な特徴が失われたり偏ってしまうおそれがある。点群データは、追加の処理のために選択された冷却孔６２での２回目以降の３Ｄスキャンの際に並びに他のプロセスによって収集し得る。点群データは、各箇所で表面に垂直な方向の配向を表すことができる。同様に、点群データは、面法線配向の変化を表すことができる。したがって、点群データは、面法線配向がすぐ近傍の他の点に対して一定である領域（基材５２及び傾斜段部６６などの平面部分など）を識別するのに用いることができる。点群データは、下流隅部６８及び側壁６４のように、面法線配向が急速に変化する領域を特定するのに用いることができる。点群データは、冷却孔の中央ボア部７０のように、面法線配向が存在しない領域を特定するのに用いることができる。点群データは、基材５２のように、面法線配向が３Ｄスキャン方向（例えば、ｚ軸）に対して垂直な領域を特定するのに用いることができる。点群データを上述の通り使用することによって、数学的にフィッティングした表面に影響を与えるおそれのある部品上の他の特徴による偏り又は平均化の影響を受けずに、冷却孔６２の形状の複数の属性を特定することができるようになり、ひいては、測定された冷却孔の形状が公称冷却孔の形状又は予想位置から逸脱している場合でも、冷却孔６２の境界を特定する複数の方法が可能となる。
図１０は、点群データ及び基材の面法線を用いて基材５２及び大まかな孔境界７２を識別する際の第１のパスを含む、図８及び図９の冷却孔６２の拡大図を示す。
図１１は、図８～図１０の冷却孔６２の拡大図を示し、点群データ及び基材の面法線を用いた基材５２及び大まかな孔境界７２並びに下流隅部及び／又は傾斜段部の点群データを使用する孔境界７２の改善されたマッピングを含む。
図１２は、基材５２のような垂直面配向を有する部分、並びに第１の非垂直面部分７４及び第２の非垂直面部分７６を含む、冷却孔６２の表示の拡大図を示す。
図１３は、基材５２のような垂直面配向を有する部分、並びに第１の非垂直面部分７４及び第２の非垂直面部分７６を含む冷却孔６２の表示の拡大図を示す。図１３では、冷却孔自由縁部７３の一部は、基材５２のような垂直面配向を有する部分と、第１及び第２の非垂直面部分７４、７６の少なくとも一方との間の移行部又は縁部で識別される。冷却孔自由縁部７３は、円筒座標系において、公称部品形状の形状と一致する形状を有することができる。図１３では、冷却孔自由縁部７３は、基材５２と第１の非垂直面７４との間の移行部で識別される。基材５２と第２の非垂直面７６との間の移行部では、移行部が公称部品データの形状と一致しないか又は配向が一致しないため、冷却孔自由縁部７３は識別されない。第３の非垂直面７７も識別されるが、基準に一致する冷却孔自由縁部７３を含まない。換言すれば、垂直部分と非垂直部分との間の移行部の形状及び配向の両方を使用して、冷却孔境界を識別することができる。冷却孔自由縁部７３は、冷却孔境界７２（図示せず）と一致する場合と一致しない場合がある。例えば、垂直面配向を有する部分と非垂直面配向を有する部分との間の移行部を画成する冷却孔自由縁部７３は、冷却孔６２内にある場合があり、したがって、冷却孔境界を画成しない場合がある。これは、冷却孔境界７２が、１層以上のデブリ、コーティング及び／又は汚損物質で覆われていて、垂直面配向を有するように見掛けられるものの、少なくとも１つの冷却孔自由縁部７３（すなわち、垂直面配向と非垂直面配向との間の移行部）が冷却孔６２内の深さに配置されている場合に起こり得る。このように、冷却孔自由縁部７３は冷却孔境界７２の近似であり、スケーリング（自由縁部が冷却孔６２内の深さ又は冷却孔６２を超える高さでみられることによる）及び／又は冷却孔自由縁部７３が冷却孔境界７２の特徴的な孔形状の一部（例えば片側）しか含まないことによる並進を必要とすることがある。
さらに図１３を参照すると、第２の非垂直面部分７６（すなわち、垂直面配向を有すると「予想される」基材の位置で）は、基材の浸食、剥離、異物の堆積、異物損傷、並びに他の形態の変質及び／又は劣化に起因する可能性がある。冷却孔６２の表示は、垂直配向を有しているように見掛けられ、そのため冷却孔６２を囲む基材５２の一部であるように見掛けられるが、冷却孔６２自体によって占有されると予想される冷却孔６２の表示の部分に位置する埋込み垂直部分８０を含んでもよい。冷却孔６２内の部分は周囲の基材５２に「見掛けられる」ことがあるので、冷却孔自由縁部７３の形状を公称部品データの形状と正確に一致させることができない場合がある。図８～図１１並びに図１２及び図１３は、他にも可能な目的はあるものの、特に冷却孔６２の初期境界又は大まかな境界を特定する目的で、測定された面法線データ、公称部品データ形状及び所定の座標系に対するそれらの配向を使用する方法を例示する。
図１４は、図１２及び図１３の冷却孔境界７２（図示せず）の近似の改善を示し、冷却孔自由縁部７３を含む測定された３Ｄデータに、予想される冷却孔境界の特徴的な船形の投影８２をマッピングしたものである。特徴的な船形は、縁部の丸い対称台形として表すことができる。投影８２は、冷却孔自由縁部７３に最もよく一致するように、サイズを拡大又は縮小することができる。例えば、冷却孔６２内に付着物が存在する場合、冷却孔自由縁部７３は、図示しない冷却孔境界７２（すなわち、例えば、深さがゼロで又は基材５２と共平面である平面内で冷却孔６２と基材５２との交点）とは異なる大きさに見掛けられることがある。冷却孔６２の輪郭は、様々な異なる深さで同じ特徴的形状を含み、サイズが拡大又は縮小されているだけの場合がある（例えば、膜冷却孔が基材５２へと移行するにつれて、膜冷却孔の拡散部分の断面積及び／又は流路面積が漸増するため）。さらに、所定の許容誤差内での円筒座標系に対する投影の配向に基づくスケーリングが望ましいこともある。したがって、冷却孔自由縁部７３と一致するように投影８２をスケーリングすることが必要な場合がある。投影８２は、図１４に示すように、特徴的形状のために舟形として表すこともできる。
図１５は、別の改善を含み、冷却孔自由縁部７３と特徴的な船形の投影８２とを互いに重ね合わせたものだけを示す。この重ね合わせによって、少なくとも１つのオフセット８４を規定できるようになる。オフセット８４は、冷却孔特徴部の公称位置と対応する測定データの位置との間の空間変位として定義することができる。オフセットは、任意の軸（横方向、縦方向、軸方向）に対する並進及び／又は円筒座標系に対する配向に一致する回転を含んでもよい。さらに、複数のオフセットを規定することもできる。
図１６は、特徴的な船形の投影８０と、図１５で得られたオフセット８４を特徴的な船形の投影８０に適用したオフセット舟形８６とを示す。図１６は、基材５２によって画成される平面で冷却孔境界７２を近似する第２の投影８８を示す。換言すれば、特徴的な船形の投影８０及びオフセット舟形８６は、基材５２によって画成される平面とは異なる深さ及び／又は高さで得られ、その差は、第２の投影８８によって近似し説明することができる。
図１７は、特徴的な船形の投影８０、オフセット舟形８６、及び測定データの３Ｄメッシュに重ね合わせた第２の投影８８を示し、垂直面配向を有する部分として示される基材５２も示してある。図１７は、第２の投影８８（冷却孔境界７２の改善された近似）を測定データの３Ｄ点に重ね合わせた後は、垂直面配向の部分が投影孔境界内にあることを示す。換言すれば、面法線のため基材５２の一部（したがって冷却孔境界７２の外側）である可能性が高いと以前に識別された測定データの部分は、近似の改善後は実際には冷却孔境界７２内にあると決定された。したがって、基材５２の一部として当初識別されたものが、改善によって、冷却孔６２内の漂遊物又は異物として再識別される。したがって、図１３～図１７に示すように、冷却孔自由縁部７３、特徴的な船形の投影８０、オフセット舟形８６、及び測定データの３Ｄメッシュに重ね合わせた第２の投影８８を使用すると、冷却孔境界を識別するのに面法線データにしか依拠しない方法論に比べて、冷却孔境界７２のより精密な調整が可能となる。
図１８は、第２の投影８８（すなわち、冷却孔境界７２の近似）内にあった垂直面部分を取り除いた後の冷却孔６２の改善された近似を示す。第２及び第３の非垂直面７６、７７も、改善された冷却孔境界７２の外側として識別され、冷却孔６２の一部を形成しない。
図１９は、第２の投影８８（又は冷却孔境界の近似）の内側にある垂直面の一部及び第２の投影８８の外側にある第２及び第３の非垂直面７６、７７（図示せず）を取り除いた後の、高次のフィッテイング又は近似を用いた冷却孔６２の改善された近似を示す。これらの外れ値表面を削除すると、冷却孔境界の近似をさらに改善することができる。そのため、外れ値データを破棄した後に、フィッテイングの次数を繰り返し及び／又は段階的に増やすことにより、さらなる改善が可能になる。
図２０は、調量セクション９６、拡散セクション９８への移行部を画成するスロート部１００及び基材５２を含む例示的な冷却孔６２の側面図を示す。冷却孔６２は、中心線１０２及びピアス点１０４を含む。ピアス点１０４は、冷却孔の中心線１０２と基材５２の平面との交点として定義される。ピアス点１０４は、孔座標系の原点又はゼロ点として使用することができる。ピアス点１０４は、冷却孔境界近似（例えば、第２の投影８８）を、冷却孔境界が定義される平面（すなわち、基材５２）に固定するために使用し得る。
図２１は、第２の投影８８を実際の冷却孔境界に変換する前の、冷却孔６２、基材５２及び第２の投影８８を示す。
図２２は、第２の投影８８を実際の冷却孔境界に変換した後の、冷却孔６２、基材５２及び第２の投影８８を示す。第２の投影８８は図の平面内で並進及び回転させて、実際の冷却孔境界に一致するベストフィットへと変形させることができる。さらに、第２の投影８８は、図２０に示すピアス点１０４を用いて、正しい高さ又は平面に固定し得る。
図２３は、複数の曲線９２から構築されたツールパス９０を示しており、曲線９２は第２の投影８８から構築される。第２の投影８８は、冷却孔境界７２の全周の改善された近似を与え、複数の深さで適用される。第２の投影８８が適用される各々の深さは、複数の曲線９２のうちの１つによって表され、各曲線は特徴的な船形を含むことができ、第２の投影８８の冷却孔６２の中心と同心であり得る。
図２４は、複数の深さでの第２の投影８８から生じるツールパス９０（図２３に示す）を、３Ｄスキャン測定データを含む翼形部３６（冷却孔６２及び基材５２を含む）の表面に重ね合わせたものを示す。ツールパス９０は、オフセットデータを使用して垂直面平面内で並進及び／又は回転され、円筒座標系を使用して冷却孔６２の対応する部分と位置合わせされる。
図２５～図２７は、それぞれ、第２の投影８８（すなわち、冷却孔境界７２の改善された近似）及び様々な深さでの複数の曲線９２を含む改善されたツールパス９４の上面図、底面図及び側面図を示す。図２５～図２７の改善されたツールパス９４は、図２３及び図２４のツールパス９０を冷却孔部品の幾何形状データと交差及び／又は組み合わせることによって構築される部分も含む。例えば、冷却孔部品の幾何形状データは、冷却孔スロート部１００で拡散セクション９８へと移行する調量セクション９６を含んでもよい。
図２８は、本明細書に開示した実施形態による部品の修復方法２５００を示す。ステップ２５０２で、方法２５００は、冷却孔を識別し、ＣＡＤで冷却孔座標系を定義するステップを含む。冷却孔座標系は、冷却孔の中心軸位置及び軸配向、並びに冷却孔ボアの直径を定義する円筒６０を含むことができる。ステップ２５０４で、方法２５００は、６軸ロボット２８などの位置合わせツールを使用して、部品を取付システム５６と位置合わせするステップを含む。部品座標系は、部品形状に基づく任意の実施形態を含むことができる。例えば、部品座標系は、ｘ、ｙ及びｚ軸を、ターボ機械で使用される部品（タービン動翼又はタービンノズルなど）の円周方向、軸方向及び半径方向にマッピングすることができる。他の座標系も可能である。ステップ２５０６で、方法２５００は、部品を３Ｄスキャンするステップを含む。ステップ２５０８で、方法２５００は、ステップ２５０６のスキャンで得られた３Ｄ測定データを部品形状データと位置合わせするステップ、並びに非構造化測定点群から三角メッシュなどの３Ｄ構造化点群データを構築するステップを含む。ステップ２５１０で、方法２５００は、３Ｄ測定データ（すなわち、スキャンで得られたデータ）を部品座標系から孔座標系に変換するステップを含む。ステップ２５１２で、方法２５００は、追加の処理のために所定の閾値をパスする冷却孔６２を識別するステップを含む。所定の閾値は、円筒６０の体積内にかなりの材料（すなわち、例えば、特定の体積パーセントを超える）を含む冷却孔を識別するステップを含むことができる。
引き続き図２８を参照すると、ステップ２５１４で、方法２５００は、ステップ２５１２で追加の処理のために選択された冷却孔のみの第２の３Ｄスキャンを実行するステップを含むことができる。或いは、ステップ２５１４で、方法２５００は、元のスキャン（すなわち、ステップ２５０６）で得られたデータを使用して、選択された冷却孔に対応するデータを再処理するステップを含むことができる。ステップ２５１６で、本方法は、第２のスキャンで得られた面法線データ及び／又は第１のスキャンで得られた３Ｄ測定データを部品形状データに重ね合わせるステップを含む。ステップ２５１８で、方法２５００は、冷却孔６２及び周囲の基材５２の垂直面及び非垂直面を識別するために点群データをフィルタリングするステップを含む。ステップ２５２０で、方法２５００は、面法線データを使用して大まかな孔境界を決定するステップを含むことができる。大まかな孔境界を決定するステップは、３Ｄスキャンデータを、下流隅部６８、傾斜段部６６及び少なくとも１つの冷却孔自由縁部７３などの公称冷却孔特性と一致させるステップを含むことができる。ステップ２５２２で、方法２５００は、冷却孔の形状特性を使用して、近似された冷却孔境界を３Ｄ測定データメッシュにマッピングするステップを含む。ステップ２５２４で、方法２５００は、公称冷却孔境界を３Ｄ測定データメッシュに投影するステップを含むことができる。ステップ２５２６で、方法２５００は、公称冷却孔境界と測定された冷却孔境界との間のオフセットを決定するステップを含むことができる。オフセットは、基材５２によって画成されたプレート内の回転及び／又は並進、並びに平行平面（孔内又は基材５２より上の高さでの測定データを説明するため）を含むことができる。
さらに図２８を参照すると、ステップ２５２８で、本方法は、オフセット及び／又は孔の深さデータ（すなわち、測定データが対応する深度）に基づいて投影をスケーリングするステップを含むことができる。ステップ２５３０で、本方法は、Ｘ、Ｙ及びＺ方向の各々で実際に検出された境界に一致するようにスケーリングされた投影８８を変換するために、ピアス点を使用して、スケーリングされた投影８８を３Ｄ測定データメッシュ又は構造化点群に投影するステップを含むことができる。ステップ２５３２で、本方法は、外れ値データを除去するステップを含むことができる。外れ値データは、スケーリングされた投影８８内で識別された垂直面データ（すなわち、冷却孔境界近似）、並びにスケーリングされた（又は第２の）投影８８の外側にある非垂直面データ（すなわち、「見掛けられる」ものの、実際には基材の一部に位置するデータ）を含むことができる。ステップ２５３４で、方法２５００は、より高次の適合を使用して冷却孔境界を改善するステップを含むことができる。ステップ２５３６で、方法２５００は、オフセットデータ及びスケーリングされた投影８８を使用してツールパスを生成するステップを含むことができる。ステップ２５３８で、方法２５００は、ツールパスを３Ｄ測定データメッシュに投影するステップを含むことができる。ステップ２５４０で、本方法は、ツールパスを部品形状データと交差及び／又は組み合わせて、改善されたツールパスを生成するステップを含むことができる。ステップ２５４２で、本方法は、改善されたツールパスを使用して部品を修復するステップを含むことができる。部品を修復するステップは、冷却孔、冷却孔境界、冷却孔壁及び／又は基材の部分を穿孔、フライス加工、他の形態の機械加工、再コーティング、再表面加工及び／又は改質するステップを含むことができる。換言すれば、修復プロセスは、アディティブ及び／又はサブトラクティブな冷却孔復元プロセスを含むことができる。他の修復方法も使用することができる。さらに、翼形部、部品及び／又は冷却孔の部分の改質は、積層造形法及び他のプロセスによって実施してもよい。方法２５００は、他のステップ及びサブステップを含んでいてもよい。幾つかの実施形態では、方法２５００のすべてのステップを実施しなくてもよい。さらに、方法２５００の様々なステップは、図２８に示すものとは異なる順序で実施してもよい。
本明細書に記載した方法、システム及び実施形態は、広範囲の冷却孔の形状をクリア又はマスキングする迅速かつ自動化プロセスを可能にし、それらは、手動の冷却孔のクリアランス及び復元の労働集約的なプロセスを完全に排除することができる。また、スキャン情報を用いて冷却孔の特徴情報を直接計算することで、各部品のデジタルスレッド及びツインを確立することができ、実際の孔の位置と境界データに基づいてより正確な部品ライフィングモデルを生成するための、ファミリ内の幾つかの部品の冷却孔の形状情報の統計的調査が可能になる。部品上の冷却孔の位置と境界形状を自動的に識別し、多軸ロボットが各冷却孔内又はその周辺に材料を正確かつ適応的に堆積又は除去することを可能にする一組のツールパス命令を生成することにより、本明細書に記載された方法及びシステムは、部品修復プロセスをストリームライン化すると同時に、修復プロセス及び得られる修復部品の品質を向上させることができる。本明細書で説明するプロセスは、エンジン構成要素（例えば、タービン動翼又はノズル）の公称設計形状を、構成要素の物理的インスタンスからの３次元スキャンデータと組み合わせて利用する。
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
１０ ガスタービン
１２ 圧縮機セクション
１４ 入口
１６ ケーシング
１８ 燃焼セクション
２０ 燃焼器
２２ タービンセクション
２４ ロータシャフト
２６ 空気
２８ 圧縮空気、６軸ロボット
３０ 高温ガス
３２ 第１段
３４ タービンノズル
３６ 翼形部、部品
３８ タービンケーシング
４０ シュラウドブロックアセンブリ
４２ 半径方向外側先端、翼形部先端
４４ 前縁
４６ 後縁、翼形部根元
４８ 半径方向内側根元
５０ 翼形部プラットフォーム
５２ 翼形部基材
５４ 冷却孔
５６ 取付システム
５８ ６軸ロボットアーム
６０ 円筒
６２ 冷却孔
６４ 側壁
６６ 傾斜段部
６８ 下流隅部
７０ 中央ボア部
７２ 冷却孔境界
７３ 冷却孔自由縁部
７４ 第１の非垂直面部分
７６ 第２の非垂直面部分
７７ 第３の非垂直面
８０ 投影
８２ 投影
８４ オフセット
８６ オフセット舟形
８８ 第２の投影
９０ ツールパス、円周方向
９２ 曲線、第１のツールパス
９４ 半径方向、ツールパス
９６ 調量セクション
９８ 拡散セクション
１００ 冷却孔スロート部
１０２ 中心線
１０４ ピアス点
２５００ 方法
１２ 圧縮機セクション
１４ 入口
１６ ケーシング
１８ 燃焼セクション
２０ 燃焼器
２２ タービンセクション
２４ ロータシャフト
２６ 空気
２８ 圧縮空気、６軸ロボット
３０ 高温ガス
３２ 第１段
３４ タービンノズル
３６ 翼形部、部品
３８ タービンケーシング
４０ シュラウドブロックアセンブリ
４２ 半径方向外側先端、翼形部先端
４４ 前縁
４６ 後縁、翼形部根元
４８ 半径方向内側根元
５０ 翼形部プラットフォーム
５２ 翼形部基材
５４ 冷却孔
５６ 取付システム
５８ ６軸ロボットアーム
６０ 円筒
６２ 冷却孔
６４ 側壁
６６ 傾斜段部
６８ 下流隅部
７０ 中央ボア部
７２ 冷却孔境界
７３ 冷却孔自由縁部
７４ 第１の非垂直面部分
７６ 第２の非垂直面部分
７７ 第３の非垂直面
８０ 投影
８２ 投影
８４ オフセット
８６ オフセット舟形
８８ 第２の投影
９０ ツールパス、円周方向
９２ 曲線、第１のツールパス
９４ 半径方向、ツールパス
９６ 調量セクション
９８ 拡散セクション
１００ 冷却孔スロート部
１０２ 中心線
１０４ ピアス点
２５００ 方法
Claims (13)
- 部品（３６）を処理する方法（２５００）であって、当該方法が、
前記部品（３６）のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを用いて、前記部品（３６）に配置された少なくとも１つの孔（６２）の位置を識別するステップ（２５０２）と、
前記部品（３６）を取付システム（５６）内で位置合わせするステップ（２５０４）と、
前記部品（３６）を３Ｄスキャンするステップ（２５０６）と、
前記部品（３６）を３Ｄスキャンするステップで得られたデータを使用して構造化３Ｄ点群を生成するステップ（２５０８）と、
所定の閾値体積を超える体積の異物を有する少なくとも１つの孔を選択するステップ（２５１２）と、
前記選択された少なくとも１つの孔に対して第２の３Ｄスキャンを実施するステップ（２５１４）と、
元の３Ｄスキャン及び第２の３Ｄスキャンのうちの少なくとも一方で得られた構造化３Ｄ点群上に公称孔境界の第１の投影を重ね合わせるステップ（２５１６）と、
構造化３Ｄ点群データをフィルタリングして、前記部品（３６）の垂直面及び非垂直面を識別するステップ（２５１８）と、
公称孔境界の第１の投影と前記構造化３Ｄ点群との間に少なくとも１つのオフセット（８４）を定義するステップであって、前記少なくとも１つのオフセット（８４）が、並進及び回転のうちの少なくとも一方を含む、ステップと、
前記部品（３６）を３Ｄスキャンするステップ（２５０６）で得られた少なくとも１つのデータに少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも１つの孔（６２）の少なくとも１つの境界特徴を検出するステップ（２５２０）と、
前記少なくとも１つの境界特徴に少なくとも部分的に基づいて、第１のツールパス（９２）を生成するステップ（２５３６）と
を含んでおり、
前記少なくとも１つの孔（６２）が冷却孔（５４、６２）を含んでおり、
前記少なくとも１つの孔（６２）の少なくとも１つの境界特徴を検出するステップ（２５２０）が、
冷却孔下流隅部、冷却孔傾斜段部、冷却孔側壁、冷却孔自由縁部（７３）のうちの少なくとも１つを検出するステップと、
冷却孔傾斜段部を検出するステップと
をさらに含んでおり、前記冷却孔傾斜段部が、前記冷却孔（５４、６２）の調量部分と前記部品（３６）の基材との間の移行部を形成する、方法（２５００）。 - 前記構造化３Ｄ点群を生成するステップ（２５０８）が、前記部品（３６）を３Ｄスキャンするステップで得られたデータを、前記部品（３６）のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルの形状データと位置合わせすることを含む、請求項１に記載の方法（２５００）。
- 前記少なくとも１つの孔（６２）の少なくとも１つの境界特徴を検出するステップ（２５２０）が、冷却孔自由縁部（７３）を検出するステップをさらに含んでおり、
前記冷却孔自由縁部（７３）が、前記部品（３６）の非垂直面と前記部品（３６）の基材との間の移行部を形成し、前記部品（３６）の基材が垂直面配向を有する、請求項１に記載の方法（２５００）。 - 前記少なくとも１つの孔（６２）の少なくとも１つの境界特徴を検出するステップ（２５２０）が、第２の３Ｄスキャンで得られた面法線データを使用して少なくとも１つの境界特徴を検出するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法（２５００）。
- 前記公称孔境界が船形である、請求項１に記載の方法（２５００）。
- 当該方法（２５００）が、
第２の投影（８８）を生成するために前記少なくとも１つのオフセット（８４）を使用して第１の投影を改良及びスケーリングするステップ（２５２８）であって、第２の投影（８８）が第１の投影をスケーリングしたものである、ステップ（２５２８）と、
第２の３Ｄスキャンで得られた前記構造化３Ｄ点群上に公称孔境界の第２の投影（８８）を重ね合わせるステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法（２５００）。 - 当該方法（２５００）が、少なくとも１つの外れ値データ点を削除するステップ（２５３２）をさらに含んでおり、
前記少なくとも１つの外れ値データ点が、前記構造化３Ｄ点群において第２の投影（８８）内に配置された垂直面配向を有する第１の部分及び前記構造化３Ｄ点群において第２の投影（８８）の外側に配置された非垂直面配向を有する第２の部分の少なくとも一方を含む、請求項６に記載の方法（２５００）。 - 前記少なくとも１つの外れ値データの除去に続いて第２の投影（８８）を再スケーリングするステップをさらに含む、請求項７に記載の方法（２５００）。
- 第１のツールパス（９２）を生成するステップ（２５３６）が、第２の投影（８８）に少なくとも部分的に基づいて第１のツールパス（９２）を生成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法（２５００）。
- 前記構造化３Ｄ点群上に第１のツールパス（９２）をマッピングするステップをさらに含む、請求項９に記載の方法（２５００）。
- 当該方法（２５００）が、
第２のツールパスを生成するために、第１のツールパス（９２）を前記少なくとも１つの孔の少なくとも１つの部品形状データと組み合わせるステップであって、第２のツールパスが第１のツールパス（９２）の改善版である、ステップと、
第２のツールパスに少なくとも部分的に基づいて前記部品（３６）を修復するステップと
をさらに含む、請求項１０に記載の方法（２５００）。 - 前記少なくとも１つの孔の前記少なくとも１つの部品形状データが、
調量セクション（９６）と、
前記調量セクション（９６）の下流側の拡散セクション（９８）と、
スロート部（１００）と
を含んでおり、前記スロート部（１００）が、前記調量セクション（９６）と前記拡散セクション（９８）との間で移行する、請求項１１に記載の方法（２５００）。 - 当該方法（２５００）が、
少なくとも１つの外れ値データ点を削除するステップ（２５３２）と、
前記少なくとも１つの外れ値データを削除した後に、第２の投影（８８）を再スケーリングするステップと
をさらに含んでおり、
前記少なくとも１つの外れ値データ点が、第２の投影（８８）内に配置された垂直面配向を有する前記構造化３Ｄ点群の第１の部分及び第２の投影（８８）の外側に配置された非垂直面配向を有する前記構造化３Ｄ点群の第２の部分のうちの少なくとも一方を含んでおり、
前記公称孔境界が船形である、請求項１２に記載の方法（２５００）。
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