用於檢測封閉的孔的表面分析和用於再打開的方法

2023-11-09 00:51:07 1

專利名稱：用於檢測封閉的孔的表面分析和用於再打開的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於檢測封閉的孔的表面分析方法和一種用於再打開的方法。
背景技術：
在修復渦輪機葉片時必須去除耗損的陶瓷保護層並且在修復之後再次施加陶瓷保護層。在此，在覆層過程期間部分地或者完全地封閉存在的冷卻空氣孔。冷卻空氣孔的鑽孔軸線的位置和定向不能夠或者僅能夠部分地測定。迄今為止，通過尋找在陶瓷層中的輕微凹陷和/或更小的開口來識別孔，並且藉助於手動過程打開。可靠的、可調節的系統是不存在的
發明內容

因此，本發明的目的是解決上述問題。所述目的通過根據權利要求I的方法和根據權利要求6的用於再打開的方法來實現。在從屬權利要求中列舉其他有利的措施，所述措施能夠彼此相互組合以便實現進一步的優點。


其示出圖1-5示意地示出方法的流程，圖6示出燃氣輪機，圖7示出渦輪機葉片，圖8示出燃燒室，圖9不出超合金列表。
具體實施例方式描述和附圖僅為本發明的實施例。在圖I中示出具有帶有覆層(未示出)的兩個孔的已測定的幾何數據的覆層模型4。同樣示出掩模模型19的一部分，其具有關於至少一個未覆層的孔7』、7」的位置和孔7』、7」的定向13』、13」的信息。三維掩模模型19也能夠通過對未覆層的構件120、130進行測量來測定。優選地，能夠藉助於雷射三角測量法以可接受的解析度並且在極其短的時間內以多個維度測定彎曲面的表面。在此，對例如為構件的葉片120、130在未覆層的狀態下在相關部位處進行掃描或者完全地掃描，以便限定孔7』、7」.......的位置和/或孔7』、7」.......的軸線的位置。所述數據稍後在運算單元16中用作為掩模模型19 (圖1、2)。同樣地，能夠將構件120、130的幾何數據用作為掩模模型19，所述幾何數據例如從製造中預先已知。在任何情況下，孔軸線和孔角度(孔的定向)以數據記錄的形式存在(圖2中的19)。圖2示出，運算單元16獲得掩模模型19的數據或者已知的幾何數據5。之後，進行對構件120、130的覆層。接下來，尤其藉助於雷射三角法對覆層的構件120、130再次進行測量，由此得到覆層模型4。 結合孔7 』、7 」的之前測定的定向，可精確地說明孔在覆層/封閉狀態下的精確的位置和定向。 在此，進行兩個模型4、19的迭代的比較17 (擬合)(最小的總偏差)。在此採用至
少部分封閉的孔7』、7」的凹部10』、10」的邊界和未覆層的孔7』、7」的邊界8』、8」.......來
測定未封閉的孔7』、7」.......的孔中心和軸線位置(定向13)。因此，將凹部10』、10」的邊
界11』、11」與孔7』、7」的邊界8』、8」進行比較(圖3)，以便測定孔7』、7」的位置。在此，根據覆層，凹部10』的邊界不論是大是小都必須均具有在邊界8』、8」中的確定的定向，在此例如是同心的(圖3)。在此，孔7』、7」被均勻地覆層。圓8』、11』的同心性在孔V、7」內的覆層期間構件變形的情況下消失。在多個孔(圖4)的情況下，以迭代的方式經由全部孔7』、7」測定最佳的擬合(總偏
差)。在此，將凹部的邊界8』、8」.......的數據連同孔7』、7」.......的邊界一起地相互進
行比較。僅有如此才能夠執行再打開。現在，以計算機輔助的方式估算孔7』、7」的中點並且生成用於再打開的加工程序，所述加工程序實現從孔中去除「向下覆層(coat down)」。除了以計算機輔助的方式測定在覆層下的孔7』、7」的位置數據和角度數據之外，在此主要優點首先在於，對於每個單獨的葉片和在每個製造狀態下的孔7』、7」的精確位置。當前，葉片120、130在覆層期間的變形僅藉助經驗確定的方式來預測。在此應用的方法能夠檢驗所述預測並且測定精確的位置(圖2中的步驟17)，所述精確位置表明孔7』、V』.......的環周9』、9」(虛線示出)的新的位置。因此，如此測定的環周9』、9」.......可用作為加工程序的基礎，所述環周在覆層
前可能會偏差於孔7』、7」的位置8』、8」、8」』或者環周，因為其例如由於變形而移動。圖6以局部縱剖面圖舉例地示出燃氣輪機100。燃氣輪機100在內部具有帶有軸的、可圍繞旋轉軸線102轉動地安裝的轉子103，該轉子也稱為渦輪機轉子。沿著轉子103依次為進氣殼體104、壓縮機105、帶有多個同軸設置的燃燒器107的尤其為環形燃燒室的例如環面狀的燃燒室110、渦輪機108和排氣殼體109。環形燃燒室110與例如環形的熱氣體通道111連通。在那裡例如四個相繼連接的渦輪級112形成渦輪機108。每個渦輪級112例如由兩個葉片環形成。沿工質113的流動方向觀察，在熱氣體通道111中，由轉子葉片120形成的排125跟隨導向葉片排115。在此，導向葉片130固定在定子143的內殼體138上，相對地，排125的轉子葉片120例如藉助渦輪盤133安裝在轉子103上。發電機或者做功機械(未示出)耦接於轉子103。在燃氣輪機100工作期間，壓縮機105通過進氣殼體104將空氣135吸入並且壓縮。在壓縮機105的渦輪側端部處提供的壓縮空氣被引至燃燒器107並且在那裡與燃料混合。接著混合物在燃燒室110中燃燒，從而形成工質113。工質113從那裡起沿著熱氣體通道111流過導向葉片130和轉子葉片120。工質113在轉子葉片120處以傳遞動量的方式膨脹，使得轉子葉片120驅動轉子103，並且該轉子驅動耦接在其上的做功機械。暴露於熱工質113的構件在燃氣輪機100工作期間承受熱負荷。除了加襯於環形燃燒室Iio的熱屏蔽元件之外，沿工質113的流動方向觀察的第一渦輪機級112的導向葉片130和轉子葉片120承受最高的熱負荷。為了經受住那裡存在的溫度，可藉助冷卻劑來冷卻第一渦輪機級的導向葉片和轉子葉片。同樣，構件的基質可以具有定向結構，這就是說它們是單晶的(SX結構)或僅具有縱向定向的晶粒(DS結構)。例如，鐵基、鎮基或鑽基超合金用作構件的材料，特別是用作渦輪葉片120、130和燃燒室110的構件的材料。例如由EPI 204 776 BUEP I 306 454,EP I 319 729 AUffO 99/67435 或 WO 00/44949 已知這樣的超合金。導向葉片130具有朝向渦輪機108的內殼體138的導向葉片根部(這裡未示出)，以及與導向葉片根部相對置的導向葉片頂部。導向葉片頂部朝向轉子103並固定在定子143 的固定環140處。圖7以立體圖示出流體機械的沿著縱軸線121延伸的轉子葉片120或導向葉片130。所述流體機械可以是飛機的或用於發電的發電廠的燃氣輪機，也可以是蒸汽輪機或壓縮機。葉片120、130沿著縱軸線121相繼具有固定區域400、鄰接於固定區域的葉片平臺403以及葉身406和葉片梢部415。作為導向葉片130，葉片130可以在其葉片梢部415
處具有另一平臺(未示出)。在固定區域400中形成有用於將轉子葉片120、130固定在軸或盤上的葉片根部183 (未示出)。葉片根部183例如構成為錘頭形。作為揪樹形根部或燕尾形根部的其他構形是可行的。葉片120、130對於流過葉身406的介質具有入流稜邊409和出流稜邊412。在傳統的葉片120、130中，在葉片120、130的所有區域400、403、406中使用例如實心的金屬材料、尤其是超合金。例如由EP I 204 776BU EP I 306 454、EP I 319 729AUffO 99/67435或WO 00/44949已知這樣的超合金。在這種情況下，葉片120、130可以通過鑄造法，也可以藉助定向凝固、通過鍛造法、通過銑削法或其組合來製造。將帶有一個或多個單晶結構的工件用作機器的在運行中承受高的機械的、熱的和/或化學的負荷的構件。這種單晶工件的製造例如通過由熔融物定向凝固來進行。在此，這涉及一種澆注法，其中液態金屬合金凝固為單晶結構、即單晶工件，或者定向凝固。在這種情況下，枝狀晶體沿熱流定向，並且形成柱狀晶體的晶粒結構(柱狀地，這就是說在工件的整個長度上分布的晶粒，並且在此根據一般的語言習慣稱為定向凝固)，或者形成單晶結構，這就是說整個工件由唯一的晶體構成。在這些方法中，必須避免過渡成球形(多晶的)凝固，因為通過非定向的生長不可避免地構成橫向和縱向晶界，所述橫向和縱向晶界使定向凝固的或單晶的構件的良好特性不起作用。如果一般性地提到定向凝固組織，則是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的單晶和確實具有沿縱向方向分布的晶界但不具有橫向晶界的柱狀晶體結構。第二種所提到的晶體結構也稱為定向凝固組織(directionally solidified structures)。由US-PS6，024，792和EP O 892090 Al已知這樣的方法。葉片120、130同樣可以具有抗腐蝕或抗氧化的覆層，例如(MCrAlX ;M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)中的至少一種元素，X是活性元素並代表釔(Y)和/或矽和/或至少一種稀土元素，或鉿(Hf))。由 EP O 486 489 BK EP O 786 017 BK EP O 412 397 BI 或 EP I306 454A1已知這樣的合金。密度優選地是理論密度的95%。在(作為中間層或最外層的)MCrAlX層上形成保護性氧化招層(TG0=thermal grown oxide layer (熱生長氧化層))。優選地，層成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si 或Co-28Ni-24Cr-10Al-0. 6Y。除這些鈷基保護覆層外，也優選地使用鎳基保護層，例如 Ni-10Cr-12Al-0. 6Y-3Re 或 Ni-12Co_2ICr-11A1-0. 4Y_2Re 或Ni-25Co-17Cr-10Al-0. 4Y-1. 5Re。
在MCrAlX上還可以有隔熱層，隔熱層優選是最外層並例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2組成，即，隔熱層通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂非穩定、部分穩定或完全穩定。隔熱層覆蓋整個MCrAlX層。通過例如電子束氣相澱積(EB-PVD)的適當的覆層方法在隔熱層中產生柱狀晶粒。其他覆層方法也是可以考慮的，例如氣相等離子噴塗(APS)、LPPS (低壓等離子噴塗)、VPS (真空等離子噴塗)或CVD (化學氣相澱積)。隔熱層可以具有多孔的、有微觀裂縫或宏觀裂縫的晶粒，用於更好地耐熱衝擊。因此，隔熱層優選地比MCrAlX層更為多孔。葉片120、130可以構造成空心的或實心的。如果要冷卻葉片120、130，則葉片為空心的並且必要時還具有薄膜冷卻孔418 (由虛線表示)。圖8示出燃氣輪機的燃燒室110。燃燒室110例如構成為所謂環形燃燒室，其中多個在周向上圍繞旋轉軸線102設置的燃燒器107通到共同的燃燒室腔154中，所述燃燒器產生火焰156。為此，燃燒室110整體構成為環形的結構，所述環形的結構圍繞旋轉軸線102定位。為了實現相對高的效率，針對為大約1000°C至1600°C的工作介質M的相對高的溫度來設計燃燒室110。為了即使在這些對材料不利的工作參數的情況下也實現相對長的工作持續時間，燃燒室壁153在其朝向工作介質M的側上設有由熱屏蔽元件155形成的內襯。此外，由於在燃燒室110的內部中的高溫，能夠為熱屏蔽元件155或者為其保持元件設置冷卻系統。因此，熱屏蔽元件155例如是空心的並且必要時還具有通向燃燒室腔154中的冷卻孔(未示出)。每個由合金構成的熱屏蔽元件155在工作介質側配備有尤其耐熱的保護層(MCrAlX層和/或陶瓷覆層)或者由耐高溫的材料(實心陶瓷石)製成。保護層能夠類似於渦輪葉片，即MCrAlX例如表示M是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)中的至少一種元素，X是活性元素並代表釔(Y)和/或矽和/或至少一種稀土元素，或鉿(Hf)。從EP O 486 489 BUEP
O786 017 BUEP O 412 397 BI 或 EP I 306 454 Al 中已知這種合金。在MCrAlX上還可以有例如陶瓷的隔熱層，並且隔熱層例如由ZrO2J2O3-ZrO2構成，即，隔熱層通過氧化釔和/或氧化鈣和/或氧化鎂非穩定、部分穩定或完全穩定。通過例如電子束氣相澱積(EB-PVD)的適當的覆層工藝在隔熱層中產生柱狀晶粒。其他覆層工藝，例如氣相等離子噴塗(APS)、LPPS、VPS (真空等離子噴塗)或CVD也是可行的。隔熱層可以具有多孔的、有微觀裂縫或宏觀裂縫的晶粒，用於更好的耐熱衝擊性。再處理(Refurbishment)意味著在使用潤輪葉片120、130和熱屏蔽元件155之後，必要時必須將保護層從渦輪葉片120、130和熱屏蔽元件155上去除(例如通過噴砂)。接著，進行腐蝕和/或氧化層及腐蝕和/或氧化產物的移除。必要時，還修復在渦輪葉片120、130 或熱屏蔽元件155中的裂縫。然後，進行渦輪葉片120、130和熱屏蔽元件155的再覆層以及渦輪葉片120、130或熱屏蔽元件155的重新使用。
權利要求
1.用於對構件(120、130)的待打開的、至少部分封閉的孔進行表面分析尤其是在覆層之後進行表面分析的方法，其中在未覆層的狀態下對具有未封閉的孔(7』，7」，......)的構件(120，130)進行測量，並且尤其藉助通過雷射三角法進行的測量來生成掩模模型(19)，所述掩模模型(19)至少包含所述孔(7』，7」，......)的位置和所述孔的縱軸線的定向，或者所述掩模模型(19)從數據記錄中預先已知，其中由此已知未覆層的所述孔(7 』，7 」，......)的環周(8 』，8 」，......)，並且 然後尤其藉助於雷射三角法對覆層的所述構件(120，130)和由此至少部分封閉的所述孔(7』，7」，......)執行測量， 其中如此生成的所述數據記錄為覆層模型(4)，並且其中在通過至少部分封閉的所述孔(7』，7」，......)形成的凹部(10』，10」，......)的區域中測定所述凹部的環周(11』，11」，......)，其中對所述孔(7』，7」，......)的所述環周(8』，8」，......)和所測定的環周(11』，11」，......)執行擬合，以便能夠定位和定向進而檢測封閉的所述孔(7』，7」，7」』，......)。
2.根據權利要求I所述的方法，其中所述掩模模型(19)從所述構件(120，130)的設計中預先已知。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其中通過迭代測定掩模模型(19)和覆層模型(4)的儘可能一致。
4.根據權利要求1、2或3所述的方法，其中檢測完全封閉的孔(7』，7」，7」』，......)，尤其檢測僅完全封閉的孔(7 』，7 」，7 」』，......)。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的方法，其中檢測部分封閉的孔(7』，7」，7」』，......)，尤其檢測僅部分封閉的孔(7』，7」，7」』，......)。
6.用於將構件(120，130)的已覆層的孔再打開的方法，其中通過根據權利要求1、2、3、4或5所述的方法檢測所述孔(7』，7」，......)的位置和定向，並且 藉助通過將掩模模型(19)與覆層模型(4)進行比較而生成的加工程序再打開所述孔(7，，7，，，......)。
全文摘要
通過對具有孔的、未覆層和覆層的構件進行雷射三角測量能夠在覆層之後檢測孔的精確位置以便再打開。
文檔編號F01D5/00GK102893122SQ201180023729
公開日2013年1月23日 申請日期2011年5月9日 優先權日2010年5月12日
發明者喬治·博斯坦約格洛, 託爾斯滕·梅爾策-約基施, 安德烈亞斯·奧佩特, 迪米特裡奧斯·託邁迪斯 申請人:西門子公司