レーザー三角測量によって膜厚を測定するための方法および装置
部品のコーティング前後にレーザー三角測量の測定を行なうことによって、プロセスの監視が自動化される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー三角測量によって膜厚を測定するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
品質アセスメントおよびそれ以降の使用に向けて、コーティングされた部品が、そのすべての場所で必要な膜厚を達成していることは重要である。
【０００３】
このことは、渦電流の測定方法などの既存の測定方法では確認不可能である。
【０００４】
破壊試験は、部品を後で使用することを不可能にし、パラメータの最適化に使用されうるにすぎない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第 1 204 776 号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第 1 306 454 号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第1 319 729号明細書
【特許文献４】国際公開第99/67435号
【特許文献５】国際公開第00/44949号
【特許文献６】米国特許第 6,024,792号明細書
【特許文献７】欧州特許出願公開第0 892 090号明細書
【特許文献８】欧州特許第0 486 489号明細書
【特許文献９】欧州特許第0 786 017号明細書
【特許文献１０】欧州特許第0 412 397号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は上記の課題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、請求項1に特許請求されている方法、および、請求項8に特許請求されている装置によって達成される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明による方法および装置における概略の順序を示す図である。
【図２】本発明による方法および装置における概略の順序を示す図である。
【図３】本方法における順序の概略図である。
【図４】膜厚測定の位置を示す図である。
【図５】ガスタービンを示す図である。
【図６】タービンブレードまたはタービンベーンを示す図である。
【図７】燃焼室を示す図である。
【図８】超合金のリストを示す表である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
これらの図およびその説明は、本発明の例示的実施形態を示すにすぎない。
【００１０】
図1は、例として用いられる部品1として、タービンブレード120またはタービンベーン130を示す。
【００１１】
タービンブレード120またはタービンベーン130は、新しい部品でもよく、または、(磨き直し(refurbishment)によって)被膜が取り除かれた、使用済みの、例として、被膜除去プロセスによって肉厚が減った部品120、130でもよい。
【００１２】
第1のステップでは、ブレード120またはベーン130は、コーティングの前に、膜厚を調べるのに都合のよいそれぞれの場所13'、13''(図4)で、レーザー三角測量の測定のためのセンサ4によって測定される(図3のI)。これは、1つまたは複数のポイントで局所的に行なわれてもよく、または、コーティングされる面全体にわたって全体的に行なわれてもよい。
【００１３】
次に、タービンブレード120またはタービンベーン130は、コーティングされ(図3のII)、レーザー三角測量によって再度測定される(図2、および、図3のIII)。
【００１４】
好ましくは、レーザー三角測量による測定は、コーティング(II)の間に行なわれてもよい。
【００１５】
コーティング前後もしくはコーティング中にタービンブレード120またはタービンベーン130から得られたデータは、コンピュータによって互いに比較することができ(図3のIV)、それによって、それぞれの所望位置(図4)における膜厚が求められ、好ましくは、それらの膜厚が設定値と比較されうる。
【００１６】
形状データの差を確定することによって、それぞれの所望位置13'、13''(図4)における膜厚が求められる(図3のV)。
【００１７】
膜厚は、金属層およびセラミック層に対してもたらされ、APS、VPS、PVD、CVDを用いて決めることができる。
【００１８】
測定は、好ましくは部品120、130の取り付けと取り外しをせずに、同じ取り付け台でコーティングの前後に行なわれることが好ましい。
【００１９】
この測定は、技術的準備がいくらか容易になることから、コーティングの前後だけで行なわれることが好ましい。
【００２０】
タービンのメインブレードまたはベーン部分、および、ブレードプラットフォームまたはベーンプラットフォームからなるタービンブレード120またはタービンベーン130の場合、特に湾曲面では様々な膜厚が設定されているため、部品は、広範な範囲にわたってスキャンされることが好ましい。
【００２１】
部品1、120、130、155の上に基準ポイントを選択することによって(特にブレード120またはベーン130の場合には、この基準ポイントは、非常に固いことによってブレードの付け根部分、もしくはベーンの付け根部分などの場所におけるポイント、または、取り付け台などの場所における変形することのないポイントであることが好ましい)、コーティングプロセス(熱)によって形成された部品1、120、130、155の変形、特に、具体的にはメインブレードまたはベーン部分である部品の非常に薄い部分における変形を考慮して、実際の膜厚を求めることができる。
【００２２】
このプロセスは、高度に自動化されており、プロセス認定の際に用いることができ、または、プロセスに付随する測定もしくは品質管理として用いることができる。
【００２３】
概して、コーティングとは、物質を塗布することを意味し、狭義にはタービンブレードまたはタービンベーンにおけるメインブレードまたはベーン部分のように局所的に、メインブレードもしくはベーン部分の局所的なコーティングを意味するか、または全体的なコーティングを意味するが、さらに蒸着溶接プロセスも意味する。
【００２４】
図5は、例として、ガスタービン100の部分的な縦方向の断面を示す。
【００２５】
内部において、ガスタービン100は、回転軸102のまわりを回転できるように取り付けられた、タービンロータとも呼ばれる、シャフトをもつロータ103を有する。
【００２６】
このロータ103に沿って、吸気ハウジング104、コンプレッサ105、同軸上に配置された複数のバーナー107を有する、特に環状燃焼室である、例えばトロイダルの燃焼室110、タービン108、および排気ガスハウジング109が互いに続いている。
【００２７】
環状燃焼室110は、例えば、環状の高温ガス通路111と連通しており、この環状の高温ガス通路111では、例えば、連続した4つのタービン段112が、タービン108を形成している。
【００２８】
それぞれのタービン段112は、例えば2つのブレードリング、または2つのベーンリングから形成されている。作動媒体113が流れる方向に見られるように、高温ガス通路111では、ガイドベーンの並び115の後に、ロータブレード120から形成された並び125が続いている。
【００２９】
ガイドベーン130は、ステータ143の内部ハウジング138に固定されており、並び125におけるロータブレード120は、例えばタービンディスク133によって、ロータ103に取り付けられている。
【００３０】
発電機(図示せず)は、ロータ103に結合している。
【００３１】
ガスタービン100が動作する間、コンプレッサ105は、吸気ハウジング104を介して空気135を吸引し、その空気を圧縮する。コンプレッサ105のタービン側の端部で提供される圧縮された空気は、バーナー107に送られ、バーナー107で燃料と混ぜられる。次に、その混合物が燃焼室110で燃焼して、作動媒体113を発生させる。作動媒体113は、燃焼室110から、ガイドベーン130およびロータブレード120を通り過ぎて高温ガス通路111に沿って流れる。作動媒体113は、ロータブレード120の所で膨張して、作動媒体113の運動量を伝え、それによってロータブレード120はロータ103を駆動し、またロータ103は、ロータ103に結合している発電機を駆動する。
【００３２】
ガスタービン100が動作する間、高温の作動媒体113にさらされる部品は熱応力を受ける。作動媒体113が流れる方向に見られる、第1のタービン段112におけるガイドベーン130およびロータブレード120、ならびに、環状燃焼室110の内側を覆う熱シールド素子は、最も強い熱応力を受ける。
【００３３】
ガイドベーン130およびロータブレード120、ならびに熱シールド素子の所で生じる温度に耐えることができるように、ガイドベーン130およびロータブレード120、ならびに熱シールド素子は、冷却液によって冷却することができる。
【００３４】
さらに、これらの部品の基材は、方向性構造を有し、すなわち、単結晶形(SX構造)であるか、または、縦方向だけに配向した結晶粒を有する(DS構造)。
【００３５】
例えば、特に、タービンブレード120またはタービンベーン130と、燃焼室110の部品とである部品の材料として、鉄基、ニッケル基、またはコバルト基の超合金が用いられる。
【００３６】
このタイプの超合金は、例えば、EP 1 204 776 B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435、またはWO 00/44949より公知である。
【００３７】
ガイドベーン130は、タービン108の内部ハウジング138に対向するガイドベーンの付け根部分(図示せず)と、ガイドベーンの付け根部分の反対側の端にある、ガイドベーンの先端部分とを有する。ガイドベーンの先端部分は、ロータ103に対向しており、ステータ143の固定リング140に取り付けられている。
【００３８】
図6は、縦方向の軸121に沿って延びている、ターボ機械におけるロータブレード120またはガイドベーン130の斜視図を示す。
【００３９】
このターボ機械は、飛行機もしくは発電所のガスタービン、蒸気タービン、またはコンプレッサでもよい。
【００４０】
ブレード120またはベーン130は、縦方向の軸121に沿って連続して、固定部400、隣接ブレードまたはベーンプラットフォーム403、メインブレードまたはベーン部分406、および、ブレード先端部またはベーン先端部415を有する。
【００４１】
ガイドベーン130として、ベーン130は、ベーン130のベーン先端部415の所にさらなるプラットフォーム(図示せず)を有する場合がある。
【００４２】
ロータブレード120、130をシャフトまたはディスク(図示せず)に固定するために用いられるブレードの付け根部分、またはベーンの付け根部分183は、固定部400に形成されている。
【００４３】
ブレードの付け根部分、またはベーンの付け根部分183は、例えば、ハンマーの頭形(hammerhead form)で設計されている。もみの木形の付け根部分(fir-tree root)、または、あり継ぎの付け根部分(dovetail root)などの他の構成も可能である。
【００４４】
ブレード120またはベーン130は、メインブレードまたはベーン部分406のそばを通って流れる媒体のための前縁部409および後縁部412を有する。
【００４５】
従来のブレード120またはベーン130の場合、例えば、ブレード120またはベーン130のすべての部分400、403、406には、特に超合金である、中空でない金属材料が用いられる。
【００４６】
このタイプの超合金は、例えば、EP 1 204 776 B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435、またはWO 00/44949より公知である。
【００４７】
この場合、ブレード120またはベーン130は、鋳造プロセス、一方向性凝固、鍛造プロセス、切削プロセス、またはこれらの組み合わせによって作ることができる。
【００４８】
1つまたは複数の単結晶構造体を有する加工物は、運用時に強度の機械的応力、熱応力、および/または化学的応力を受ける、機械用の部品として用いられる。このタイプの単結晶の加工物は、溶融物からの一方向性凝固などによって作られる。これには、液体の金属合金が凝固して単結晶構造体、すなわち単結晶の加工物を形成する鋳造プロセス、または、液体の金属合金が一方向に凝固する鋳造プロセスが必要になる。
【００４９】
この場合、樹枝状結晶(dendritic crystals)は熱流の方向に沿って配向しており、柱状結晶粒子構造体(すなわち、加工物の長さ全体に及んでおり、慣例に従って用いられる言葉によって、本明細書では一方向に凝固したと呼ばれる結晶粒)か、または、加工物全体が単一の結晶からなる単結晶構造体のどちらかを形成する。これらのプロセスでは、全方向の(多結晶の)凝固への移行は避ける必要があるが、それは、一方向性凝固または単結晶の部品における好ましい特性を無効にする横方向と縦方向の結晶粒界を、方向性のない成長が必然的に形成するためである。
【００５０】
本明細書では、広義の用語として、一方向に凝固した微細構造体に言及する場合には、いかなる結晶粒界も有さないか、もしくは、せいぜい小角粒界を有する単結晶と、縦方向に及ぶ結晶粒界を有するが、いかなる横方向の結晶粒界も有さない柱状結晶構造体との両方を意味するものとして理解されるべきである。結晶構造体におけるこの第2の形態も、一方向に凝固した微細構造体(一方向に凝固した構造体)という言葉で記述される。
【００５１】
このタイプのプロセスは、US-A 6,024,792およびEP 0 892 090 A1より公知であり、これらの文献は、凝固プロセスに関する本開示の一部をなしている。
【００５２】
さらに、ブレード120またはベーン130は、MCrAlX(Mは、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)からなる群から選ばれた少なくとも1つの元素であり、Xは、活性元素であり、イットリウム(Y)、および/または、シリコン、および/または、少なくとも1つの希土類元素、またはハフニウム(Hf)を表す)などの、腐食または酸化から保護する被膜を有することができる。このタイプの合金は、EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1、またはEP 1 306 454 A1より公知である。
【００５３】
密度は、理論密度である95%であることが好ましい。
【００５４】
(中間層または最外層として)MCrAlX層の上には、保護用酸化アルミニウム層(TGO=熱成長酸化物層)が形成される。
【００５５】
MCrAlX層は、Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si、または、Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Yの組成を有することが好ましい。これらのコバルト基の保護被膜に加えて、Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re、または、Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re、または、Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Reなどのニッケル基の保護層を使用することも好ましい。
【００５６】
さらに、好ましくは最外層であり、例えばZrO2、Y2O3-ZrO2からなる断熱被膜であって、安定化されていないか、酸化イットリウムおよび/または酸化カルシウムおよび/または酸化マグネシウムによって部分的に安定化されているか、または完全に安定化された断熱被膜が、MCrAlXの上に設けられてもよい。
【００５７】
この断熱被膜は、MCrAlX層全体を覆う。断熱被膜には、例えば電子ビーム物理蒸着法(EB-PVD)などの好適なコーティングプロセスによって柱状結晶粒が作られている。
【００５８】
大気圧プラズマ溶射法(APS)、LPPS、VPS、またはCVDなどの他のコーティングプロセスも可能である。断熱被膜は、熱衝撃に対する耐性を改善するために、多孔性の、または、微視的なクラックもしくは巨視的なクラックを有する結晶粒を含むことができる。したがって、断熱被膜は、MCrAlX層より多孔性であることが好ましい。
【００５９】
ブレード120またはベーン130は、形状において中空であってもよく、また中空でなくてもよい。ブレード120またはベーン130が冷却される場合には、ブレード120またはベーン130は中空であり、(破線によって示されている)被膜冷却穴418を有することもできる。
【００６０】
図7は、ガスタービン100の燃焼室110を示す。この燃焼室110は、例えば、炎156を発生させ、回転軸102のまわりに円周方向に配置された複数のバーナー107が共通の燃焼室空間154に向けて開く、環状燃焼室として知られている、燃焼室として構成されている。このため、燃焼室110は、全体的に、回転軸102の周りに配置された環状構成となる。
【００６１】
燃焼室110は、比較的高い効率を達成するために、約1000℃から約1600℃の作動媒体Mにおける比較的高い温度に合わせて設計されている。材料にとって好ましくないこれらの動作パラメータの場合でも比較的長い耐用年数を可能とするために、燃焼室壁153には、作動媒体Mに面する側に、熱シールド素子155から形成された内張りが設けられている。
【００６２】
さらに、燃焼室110の内部における高い温度を考慮して、熱シールド素子155、および/または、熱シールド素子155の保持素子のための冷却システムが設けられてもよい。さらに、例えば、熱シールド素子155は中空であり、燃焼室空間154に向かって開いている冷却孔(図示せず)を有することもできる。
【００６３】
合金からなるそれぞれの熱シールド素子155は、特に耐熱性のある保護層(MCrAlX層および/またはセラミック被膜)を作動媒体の側に備えているか、または、高温に耐えることができる材料(中空でないセラミックれんが)から作られる。
【００６４】
これらの保護層は、タービンブレードまたはタービンベーンと同様であってもよく、すなわち、例えばMCrAlXでもよい。ここで、Mは、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)からなる群から選ばれた少なくとも1つの元素であり、Xは、活性元素であり、イットリウム(Y)、および/または、シリコン、および/または、少なくとも1つの希土類元素、またはハフニウム(Hf)を表す。このタイプの合金は、EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1、またはEP 1 306 454 A1より公知である。
【００６５】
さらに、例えばZrO2、Y2O3-ZrO2からなる、例えばセラミックの、断熱被膜であって、安定化されていないか、酸化イットリウムおよび/または酸化カルシウムおよび/または酸化マグネシウムによって部分的に安定化されているか、または、完全に安定化された断熱被膜が、MCrAlXの上に設けられてもよい。
【００６６】
断熱被膜には、例えば電子ビーム物理蒸着法(EB-PVD)などの好適なコーティングプロセスによって柱状結晶粒が作られている。
【００６７】
大気圧プラズマ溶射法(APS)、LPPS、VPS、またはCVDなどの他のコーティングプロセスも可能である。断熱被膜は、熱衝撃に対する耐性を改善するために、多孔性の、または、微視的なクラックもしくは巨視的なクラックを有する結晶粒を含むことができる。
【００６８】
磨き直しは、保護層が使用された後に、その保護層がタービンブレード120またはタービンベーン130または熱シールド素子155から(例えば、サンドブラストによって)取り除かれる必要がありうることを意味する。次に、腐食層および/または酸化層および生成物が取り除かれる。さらに、タービンブレード120またはタービンベーン130または熱シールド素子155におけるクラックが適宜修復される。タービンブレード120またはタービンベーン130または熱シールド素子155の再コーティングがこれに続き、その後、タービンブレード120またはタービンベーン130または熱シールド素子155を再利用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
1 部品
4 センサ
10 装置
13' 位置
13'' 位置
100 ガスタービン
102 回転軸
103 ロータ
104 吸気ハウジング
105 コンプレッサ
107 バーナー
108 タービン
109 排気ガスハウジング
110 燃焼室
111 高温ガス通路
112 タービン段
113 作動媒体
115 ガイドベーンの並び
120 タービンブレード
125 ロータブレードから形成されている並び
130 タービンベーン
133 タービンディスク
135 空気
138 内部ハウジング
140 固定リング
143 ステータ
153 燃焼室壁
155 熱シールド素子
183 ブレードの付け根部分、またはベーンの付け根部分
400 固定部
403 隣接ブレードまたはベーンプラットフォーム
406 メインブレードまたはベーン部分
409 前縁部
412 後縁部
415 ブレード先端部またはベーン先端部
418 被膜冷却穴
I 膜厚を調べるためにタービンブレード120またはタービンベーン130が測定される。
II タービンブレード120またはタービンベーン130がコーティングされる。
III タービンブレード120またはタービンベーン130が再度測定される。
IV タービンブレード120またはタービンベーン130から得られたデータが比較される。
V 膜厚が求められる。
【図１−２】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー三角測量によって膜厚を測定するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
品質アセスメントおよびそれ以降の使用に向けて、コーティングされた部品が、そのすべての場所で必要な膜厚を達成していることは重要である。
【０００３】
このことは、渦電流の測定方法などの既存の測定方法では確認不可能である。
【０００４】
破壊試験は、部品を後で使用することを不可能にし、パラメータの最適化に使用されうるにすぎない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第 1 204 776 号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第 1 306 454 号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第1 319 729号明細書
【特許文献４】国際公開第99/67435号
【特許文献５】国際公開第00/44949号
【特許文献６】米国特許第 6,024,792号明細書
【特許文献７】欧州特許出願公開第0 892 090号明細書
【特許文献８】欧州特許第0 486 489号明細書
【特許文献９】欧州特許第0 786 017号明細書
【特許文献１０】欧州特許第0 412 397号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は上記の課題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、請求項1に特許請求されている方法、および、請求項8に特許請求されている装置によって達成される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明による方法および装置における概略の順序を示す図である。
【図２】本発明による方法および装置における概略の順序を示す図である。
【図３】本方法における順序の概略図である。
【図４】膜厚測定の位置を示す図である。
【図５】ガスタービンを示す図である。
【図６】タービンブレードまたはタービンベーンを示す図である。
【図７】燃焼室を示す図である。
【図８】超合金のリストを示す表である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
これらの図およびその説明は、本発明の例示的実施形態を示すにすぎない。
【００１０】
図1は、例として用いられる部品1として、タービンブレード120またはタービンベーン130を示す。
【００１１】
タービンブレード120またはタービンベーン130は、新しい部品でもよく、または、(磨き直し(refurbishment)によって)被膜が取り除かれた、使用済みの、例として、被膜除去プロセスによって肉厚が減った部品120、130でもよい。
【００１２】
第1のステップでは、ブレード120またはベーン130は、コーティングの前に、膜厚を調べるのに都合のよいそれぞれの場所13'、13''(図4)で、レーザー三角測量の測定のためのセンサ4によって測定される(図3のI)。これは、1つまたは複数のポイントで局所的に行なわれてもよく、または、コーティングされる面全体にわたって全体的に行なわれてもよい。
【００１３】
次に、タービンブレード120またはタービンベーン130は、コーティングされ(図3のII)、レーザー三角測量によって再度測定される(図2、および、図3のIII)。
【００１４】
好ましくは、レーザー三角測量による測定は、コーティング(II)の間に行なわれてもよい。
【００１５】
コーティング前後もしくはコーティング中にタービンブレード120またはタービンベーン130から得られたデータは、コンピュータによって互いに比較することができ(図3のIV)、それによって、それぞれの所望位置(図4)における膜厚が求められ、好ましくは、それらの膜厚が設定値と比較されうる。
【００１６】
形状データの差を確定することによって、それぞれの所望位置13'、13''(図4)における膜厚が求められる(図3のV)。
【００１７】
膜厚は、金属層およびセラミック層に対してもたらされ、APS、VPS、PVD、CVDを用いて決めることができる。
【００１８】
測定は、好ましくは部品120、130の取り付けと取り外しをせずに、同じ取り付け台でコーティングの前後に行なわれることが好ましい。
【００１９】
この測定は、技術的準備がいくらか容易になることから、コーティングの前後だけで行なわれることが好ましい。
【００２０】
タービンのメインブレードまたはベーン部分、および、ブレードプラットフォームまたはベーンプラットフォームからなるタービンブレード120またはタービンベーン130の場合、特に湾曲面では様々な膜厚が設定されているため、部品は、広範な範囲にわたってスキャンされることが好ましい。
【００２１】
部品1、120、130、155の上に基準ポイントを選択することによって(特にブレード120またはベーン130の場合には、この基準ポイントは、非常に固いことによってブレードの付け根部分、もしくはベーンの付け根部分などの場所におけるポイント、または、取り付け台などの場所における変形することのないポイントであることが好ましい)、コーティングプロセス(熱)によって形成された部品1、120、130、155の変形、特に、具体的にはメインブレードまたはベーン部分である部品の非常に薄い部分における変形を考慮して、実際の膜厚を求めることができる。
【００２２】
このプロセスは、高度に自動化されており、プロセス認定の際に用いることができ、または、プロセスに付随する測定もしくは品質管理として用いることができる。
【００２３】
概して、コーティングとは、物質を塗布することを意味し、狭義にはタービンブレードまたはタービンベーンにおけるメインブレードまたはベーン部分のように局所的に、メインブレードもしくはベーン部分の局所的なコーティングを意味するか、または全体的なコーティングを意味するが、さらに蒸着溶接プロセスも意味する。
【００２４】
図5は、例として、ガスタービン100の部分的な縦方向の断面を示す。
【００２５】
内部において、ガスタービン100は、回転軸102のまわりを回転できるように取り付けられた、タービンロータとも呼ばれる、シャフトをもつロータ103を有する。
【００２６】
このロータ103に沿って、吸気ハウジング104、コンプレッサ105、同軸上に配置された複数のバーナー107を有する、特に環状燃焼室である、例えばトロイダルの燃焼室110、タービン108、および排気ガスハウジング109が互いに続いている。
【００２７】
環状燃焼室110は、例えば、環状の高温ガス通路111と連通しており、この環状の高温ガス通路111では、例えば、連続した4つのタービン段112が、タービン108を形成している。
【００２８】
それぞれのタービン段112は、例えば2つのブレードリング、または2つのベーンリングから形成されている。作動媒体113が流れる方向に見られるように、高温ガス通路111では、ガイドベーンの並び115の後に、ロータブレード120から形成された並び125が続いている。
【００２９】
ガイドベーン130は、ステータ143の内部ハウジング138に固定されており、並び125におけるロータブレード120は、例えばタービンディスク133によって、ロータ103に取り付けられている。
【００３０】
発電機(図示せず)は、ロータ103に結合している。
【００３１】
ガスタービン100が動作する間、コンプレッサ105は、吸気ハウジング104を介して空気135を吸引し、その空気を圧縮する。コンプレッサ105のタービン側の端部で提供される圧縮された空気は、バーナー107に送られ、バーナー107で燃料と混ぜられる。次に、その混合物が燃焼室110で燃焼して、作動媒体113を発生させる。作動媒体113は、燃焼室110から、ガイドベーン130およびロータブレード120を通り過ぎて高温ガス通路111に沿って流れる。作動媒体113は、ロータブレード120の所で膨張して、作動媒体113の運動量を伝え、それによってロータブレード120はロータ103を駆動し、またロータ103は、ロータ103に結合している発電機を駆動する。
【００３２】
ガスタービン100が動作する間、高温の作動媒体113にさらされる部品は熱応力を受ける。作動媒体113が流れる方向に見られる、第1のタービン段112におけるガイドベーン130およびロータブレード120、ならびに、環状燃焼室110の内側を覆う熱シールド素子は、最も強い熱応力を受ける。
【００３３】
ガイドベーン130およびロータブレード120、ならびに熱シールド素子の所で生じる温度に耐えることができるように、ガイドベーン130およびロータブレード120、ならびに熱シールド素子は、冷却液によって冷却することができる。
【００３４】
さらに、これらの部品の基材は、方向性構造を有し、すなわち、単結晶形(SX構造)であるか、または、縦方向だけに配向した結晶粒を有する(DS構造)。
【００３５】
例えば、特に、タービンブレード120またはタービンベーン130と、燃焼室110の部品とである部品の材料として、鉄基、ニッケル基、またはコバルト基の超合金が用いられる。
【００３６】
このタイプの超合金は、例えば、EP 1 204 776 B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435、またはWO 00/44949より公知である。
【００３７】
ガイドベーン130は、タービン108の内部ハウジング138に対向するガイドベーンの付け根部分(図示せず)と、ガイドベーンの付け根部分の反対側の端にある、ガイドベーンの先端部分とを有する。ガイドベーンの先端部分は、ロータ103に対向しており、ステータ143の固定リング140に取り付けられている。
【００３８】
図6は、縦方向の軸121に沿って延びている、ターボ機械におけるロータブレード120またはガイドベーン130の斜視図を示す。
【００３９】
このターボ機械は、飛行機もしくは発電所のガスタービン、蒸気タービン、またはコンプレッサでもよい。
【００４０】
ブレード120またはベーン130は、縦方向の軸121に沿って連続して、固定部400、隣接ブレードまたはベーンプラットフォーム403、メインブレードまたはベーン部分406、および、ブレード先端部またはベーン先端部415を有する。
【００４１】
ガイドベーン130として、ベーン130は、ベーン130のベーン先端部415の所にさらなるプラットフォーム(図示せず)を有する場合がある。
【００４２】
ロータブレード120、130をシャフトまたはディスク(図示せず)に固定するために用いられるブレードの付け根部分、またはベーンの付け根部分183は、固定部400に形成されている。
【００４３】
ブレードの付け根部分、またはベーンの付け根部分183は、例えば、ハンマーの頭形(hammerhead form)で設計されている。もみの木形の付け根部分(fir-tree root)、または、あり継ぎの付け根部分(dovetail root)などの他の構成も可能である。
【００４４】
ブレード120またはベーン130は、メインブレードまたはベーン部分406のそばを通って流れる媒体のための前縁部409および後縁部412を有する。
【００４５】
従来のブレード120またはベーン130の場合、例えば、ブレード120またはベーン130のすべての部分400、403、406には、特に超合金である、中空でない金属材料が用いられる。
【００４６】
このタイプの超合金は、例えば、EP 1 204 776 B1、EP 1 306 454、EP 1 319 729 A1、WO 99/67435、またはWO 00/44949より公知である。
【００４７】
この場合、ブレード120またはベーン130は、鋳造プロセス、一方向性凝固、鍛造プロセス、切削プロセス、またはこれらの組み合わせによって作ることができる。
【００４８】
1つまたは複数の単結晶構造体を有する加工物は、運用時に強度の機械的応力、熱応力、および/または化学的応力を受ける、機械用の部品として用いられる。このタイプの単結晶の加工物は、溶融物からの一方向性凝固などによって作られる。これには、液体の金属合金が凝固して単結晶構造体、すなわち単結晶の加工物を形成する鋳造プロセス、または、液体の金属合金が一方向に凝固する鋳造プロセスが必要になる。
【００４９】
この場合、樹枝状結晶(dendritic crystals)は熱流の方向に沿って配向しており、柱状結晶粒子構造体(すなわち、加工物の長さ全体に及んでおり、慣例に従って用いられる言葉によって、本明細書では一方向に凝固したと呼ばれる結晶粒)か、または、加工物全体が単一の結晶からなる単結晶構造体のどちらかを形成する。これらのプロセスでは、全方向の(多結晶の)凝固への移行は避ける必要があるが、それは、一方向性凝固または単結晶の部品における好ましい特性を無効にする横方向と縦方向の結晶粒界を、方向性のない成長が必然的に形成するためである。
【００５０】
本明細書では、広義の用語として、一方向に凝固した微細構造体に言及する場合には、いかなる結晶粒界も有さないか、もしくは、せいぜい小角粒界を有する単結晶と、縦方向に及ぶ結晶粒界を有するが、いかなる横方向の結晶粒界も有さない柱状結晶構造体との両方を意味するものとして理解されるべきである。結晶構造体におけるこの第2の形態も、一方向に凝固した微細構造体(一方向に凝固した構造体)という言葉で記述される。
【００５１】
このタイプのプロセスは、US-A 6,024,792およびEP 0 892 090 A1より公知であり、これらの文献は、凝固プロセスに関する本開示の一部をなしている。
【００５２】
さらに、ブレード120またはベーン130は、MCrAlX(Mは、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)からなる群から選ばれた少なくとも1つの元素であり、Xは、活性元素であり、イットリウム(Y)、および/または、シリコン、および/または、少なくとも1つの希土類元素、またはハフニウム(Hf)を表す)などの、腐食または酸化から保護する被膜を有することができる。このタイプの合金は、EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1、またはEP 1 306 454 A1より公知である。
【００５３】
密度は、理論密度である95%であることが好ましい。
【００５４】
(中間層または最外層として)MCrAlX層の上には、保護用酸化アルミニウム層(TGO=熱成長酸化物層)が形成される。
【００５５】
MCrAlX層は、Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si、または、Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Yの組成を有することが好ましい。これらのコバルト基の保護被膜に加えて、Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re、または、Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re、または、Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Reなどのニッケル基の保護層を使用することも好ましい。
【００５６】
さらに、好ましくは最外層であり、例えばZrO2、Y2O3-ZrO2からなる断熱被膜であって、安定化されていないか、酸化イットリウムおよび/または酸化カルシウムおよび/または酸化マグネシウムによって部分的に安定化されているか、または完全に安定化された断熱被膜が、MCrAlXの上に設けられてもよい。
【００５７】
この断熱被膜は、MCrAlX層全体を覆う。断熱被膜には、例えば電子ビーム物理蒸着法(EB-PVD)などの好適なコーティングプロセスによって柱状結晶粒が作られている。
【００５８】
大気圧プラズマ溶射法(APS)、LPPS、VPS、またはCVDなどの他のコーティングプロセスも可能である。断熱被膜は、熱衝撃に対する耐性を改善するために、多孔性の、または、微視的なクラックもしくは巨視的なクラックを有する結晶粒を含むことができる。したがって、断熱被膜は、MCrAlX層より多孔性であることが好ましい。
【００５９】
ブレード120またはベーン130は、形状において中空であってもよく、また中空でなくてもよい。ブレード120またはベーン130が冷却される場合には、ブレード120またはベーン130は中空であり、(破線によって示されている)被膜冷却穴418を有することもできる。
【００６０】
図7は、ガスタービン100の燃焼室110を示す。この燃焼室110は、例えば、炎156を発生させ、回転軸102のまわりに円周方向に配置された複数のバーナー107が共通の燃焼室空間154に向けて開く、環状燃焼室として知られている、燃焼室として構成されている。このため、燃焼室110は、全体的に、回転軸102の周りに配置された環状構成となる。
【００６１】
燃焼室110は、比較的高い効率を達成するために、約1000℃から約1600℃の作動媒体Mにおける比較的高い温度に合わせて設計されている。材料にとって好ましくないこれらの動作パラメータの場合でも比較的長い耐用年数を可能とするために、燃焼室壁153には、作動媒体Mに面する側に、熱シールド素子155から形成された内張りが設けられている。
【００６２】
さらに、燃焼室110の内部における高い温度を考慮して、熱シールド素子155、および/または、熱シールド素子155の保持素子のための冷却システムが設けられてもよい。さらに、例えば、熱シールド素子155は中空であり、燃焼室空間154に向かって開いている冷却孔(図示せず)を有することもできる。
【００６３】
合金からなるそれぞれの熱シールド素子155は、特に耐熱性のある保護層(MCrAlX層および/またはセラミック被膜)を作動媒体の側に備えているか、または、高温に耐えることができる材料(中空でないセラミックれんが)から作られる。
【００６４】
これらの保護層は、タービンブレードまたはタービンベーンと同様であってもよく、すなわち、例えばMCrAlXでもよい。ここで、Mは、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)からなる群から選ばれた少なくとも1つの元素であり、Xは、活性元素であり、イットリウム(Y)、および/または、シリコン、および/または、少なくとも1つの希土類元素、またはハフニウム(Hf)を表す。このタイプの合金は、EP 0 486 489 B1、EP 0 786 017 B1、EP 0 412 397 B1、またはEP 1 306 454 A1より公知である。
【００６５】
さらに、例えばZrO2、Y2O3-ZrO2からなる、例えばセラミックの、断熱被膜であって、安定化されていないか、酸化イットリウムおよび/または酸化カルシウムおよび/または酸化マグネシウムによって部分的に安定化されているか、または、完全に安定化された断熱被膜が、MCrAlXの上に設けられてもよい。
【００６６】
断熱被膜には、例えば電子ビーム物理蒸着法(EB-PVD)などの好適なコーティングプロセスによって柱状結晶粒が作られている。
【００６７】
大気圧プラズマ溶射法(APS)、LPPS、VPS、またはCVDなどの他のコーティングプロセスも可能である。断熱被膜は、熱衝撃に対する耐性を改善するために、多孔性の、または、微視的なクラックもしくは巨視的なクラックを有する結晶粒を含むことができる。
【００６８】
磨き直しは、保護層が使用された後に、その保護層がタービンブレード120またはタービンベーン130または熱シールド素子155から(例えば、サンドブラストによって)取り除かれる必要がありうることを意味する。次に、腐食層および/または酸化層および生成物が取り除かれる。さらに、タービンブレード120またはタービンベーン130または熱シールド素子155におけるクラックが適宜修復される。タービンブレード120またはタービンベーン130または熱シールド素子155の再コーティングがこれに続き、その後、タービンブレード120またはタービンベーン130または熱シールド素子155を再利用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
1 部品
4 センサ
10 装置
13' 位置
13'' 位置
100 ガスタービン
102 回転軸
103 ロータ
104 吸気ハウジング
105 コンプレッサ
107 バーナー
108 タービン
109 排気ガスハウジング
110 燃焼室
111 高温ガス通路
112 タービン段
113 作動媒体
115 ガイドベーンの並び
120 タービンブレード
125 ロータブレードから形成されている並び
130 タービンベーン
133 タービンディスク
135 空気
138 内部ハウジング
140 固定リング
143 ステータ
153 燃焼室壁
155 熱シールド素子
183 ブレードの付け根部分、またはベーンの付け根部分
400 固定部
403 隣接ブレードまたはベーンプラットフォーム
406 メインブレードまたはベーン部分
409 前縁部
412 後縁部
415 ブレード先端部またはベーン先端部
418 被膜冷却穴
I 膜厚を調べるためにタービンブレード120またはタービンベーン130が測定される。
II タービンブレード120またはタービンベーン130がコーティングされる。
III タービンブレード120またはタービンベーン130が再度測定される。
IV タービンブレード120またはタービンベーン130から得られたデータが比較される。
V 膜厚が求められる。
【図１−２】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コーティングされる部品(1、120、130、155)の膜厚を求めるための方法であって、
前記部品(1、120、130、155)が、コーティングの前(I)、および、コーティング中(II)またはコーティングの後(III)にレーザー三角測量によって測定され、
前記部品(1、120、130、155)の様々な測定値から膜厚が計算され(V)、このうち、前記部品(1、120、130、155)の変形が考慮され、ブレードまたはベーン(120、130)の前記変形を求めるために、前記部品(1、120、130、155)に対する少なくとも1つの基準ポイントが用いられる、方法。
【請求項２】
前記膜厚測定が、単に局所的に、特に特定のポイントで行なわれる、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザー三角測量の測定が、前記部品(1、120、130、155)の前記コーティング後に行なわれる、請求項1または2に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザー三角測量の測定が、前記部品(1、120、130、155)の前記コーティング中に行なわれる、請求項1、2、または3に記載の方法。
【請求項５】
前記膜厚測定が、複数の位置(13'、13''、・・・)で行なわれる、請求項1、2、3、または4に記載の方法。
【請求項６】
前記膜厚測定が、広範囲にわたって行なわれる、請求項1、3、または4に記載の方法。
【請求項７】
前記膜厚測定が、コーティングの前後だけで行なわれる、請求項1、2、3、4、5、または6に記載の方法。
【請求項８】
特に、請求項1、2、3、4、5、6、または7に特許請求された方法を実行するための装置(10)であって、
部品(1、120、130、155)のための取り付け台と、
部品(1、120、130、155)と、
レーザー三角測量の測定のためのセンサ(4)と、
コーティング(II)の前、コーティング(II)中、またはコーティング(II)の後に前記部品(1、120、130、155)の様々な測定値を取得し、前記測定値の差を確定する(V)ことを可能にし、それによって膜厚が求められる、計算部(IV)と、
を備え、
前記取り付け台または前記部品(1、120、130、155)が、前記部品(1、120、130、155)の変形を求めるための基準ポイントを有する、装置(10)。
【請求項１】
コーティングされる部品(1、120、130、155)の膜厚を求めるための方法であって、
前記部品(1、120、130、155)が、コーティングの前(I)、および、コーティング中(II)またはコーティングの後(III)にレーザー三角測量によって測定され、
前記部品(1、120、130、155)の様々な測定値から膜厚が計算され(V)、このうち、前記部品(1、120、130、155)の変形が考慮され、ブレードまたはベーン(120、130)の前記変形を求めるために、前記部品(1、120、130、155)に対する少なくとも1つの基準ポイントが用いられる、方法。
【請求項２】
前記膜厚測定が、単に局所的に、特に特定のポイントで行なわれる、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記レーザー三角測量の測定が、前記部品(1、120、130、155)の前記コーティング後に行なわれる、請求項1または2に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザー三角測量の測定が、前記部品(1、120、130、155)の前記コーティング中に行なわれる、請求項1、2、または3に記載の方法。
【請求項５】
前記膜厚測定が、複数の位置(13'、13''、・・・)で行なわれる、請求項1、2、3、または4に記載の方法。
【請求項６】
前記膜厚測定が、広範囲にわたって行なわれる、請求項1、3、または4に記載の方法。
【請求項７】
前記膜厚測定が、コーティングの前後だけで行なわれる、請求項1、2、3、4、5、または6に記載の方法。
【請求項８】
特に、請求項1、2、3、4、5、6、または7に特許請求された方法を実行するための装置(10)であって、
部品(1、120、130、155)のための取り付け台と、
部品(1、120、130、155)と、
レーザー三角測量の測定のためのセンサ(4)と、
コーティング(II)の前、コーティング(II)中、またはコーティング(II)の後に前記部品(1、120、130、155)の様々な測定値を取得し、前記測定値の差を確定する(V)ことを可能にし、それによって膜厚が求められる、計算部(IV)と、
を備え、
前記取り付け台または前記部品(1、120、130、155)が、前記部品(1、120、130、155)の変形を求めるための基準ポイントを有する、装置(10)。
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１３−５０８６９６（Ｐ２０１３−５０８６９６Ａ）
【公表日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３４５９３（Ｐ２０１２−５３４５９３）
【出願日】平成２２年６月２１日（２０１０．６．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５８７２２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０４７８９０
【国際公開日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（５０８００８８６５）シーメンス アクティエンゲゼルシャフト (99)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２１日（２０１０．６．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５８７２２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０４７８９０
【国際公開日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（５０８００８８６５）シーメンス アクティエンゲゼルシャフト (99)
【Ｆターム（参考）】
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