冷却钻孔的参数化加工的制作方法

专利名称：冷却钻孔的参数化加工的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于参数化加工构件中的钻孔的方法，特别是用于参数化加工燃气轮机或蒸气轮机的构件中的、优选燃气轮机或蒸气轮机的叶片中的冷却钻孔。此外，本发明还涉及一种特别是用于实施该方法的钻孔装置以及一种构件，在该构件中按本方法加工了一个或多个钻孔。
背景技术：
为了在高比功率的同时达到高效率，当前燃气轮机以很高的涡轮入口温度工作。从燃烧室出来进入涡轮的热的流体流的温度经常超过涡轮叶片组的允许的材料温度。为了使燃气轮机仍能可靠和长久地运行，必须对涡轮叶片以及还经常要对叶片根部和壳体壁进行冷却。在此，一种很有效的冷却方法是膜冷却，其中试图用一种冷流体膜覆盖待冷却构件的待冷却部位并从而使其相对于热气体被屏蔽。为了施加冷流体膜，通常将从一个在前的压缩机机分支出来的冷流体例如冷空气通过冷却信道引导到待冷却的、内部空心构造的叶片的内部并从那里出来通过多个冷却钻孔引导到叶片的外侧面上。从冷却钻孔出来的冷流体在从冷却钻孔出来时被流过叶片的热气体流偏转和扩展，使得沿着叶片壁形成一个冷膜。该冷膜阻止热气体直接与叶片接触。
在此，冷流体膜的构造对应冷却作用具有中心意义。如果冷流体以太陡的角度从冷却钻孔流出，则在朝向叶片壁偏转前进入热气流中太远。后果是，直接在冷却钻孔下游加强地构成涡流，它导致热气体到达叶片壁上。冷却效率特别是局部下降并且会产生所谓叶片“热点”，即叶片的局部材料过热。热点会导致叶片损伤甚至破坏。但如果出来的冷流体流未被足够地扩宽，以便能够覆盖中间区域直至从相邻冷却钻孔出来的冷流体，则也会出现热点。如果太少冷流体从冷却钻孔出来，也是同样情况。
冷流体通过冷却钻孔的流动和接下来的构成贴在叶片壁上的冷流体膜明显地由通过冷却钻孔的导流来决定。如果在此例如由于在加工时出现的材料毛边而产生过高的冷却流体流动损失，则太少的冷流体流过冷却钻孔。为了能够优化冷流体在从冷却钻孔出来时的出流，冷却钻孔在出口区域内通过构造为具有非圆形横截面的扩散器。但如果例如扩散器口的角度或非圆形扩宽不符合给定几何参数，则会产生带来上述后果的冷流体错误出流。为此要求，一个叶片的多个冷却钻孔相互协调，使得产生一个尽可能封闭的、包围叶片的冷流体膜。
为了例如在燃气轮机的涡轮叶片或其它构件中设置冷却钻孔，从现有技术中已知多种钻孔方法。这样的钻孔可以例如借助入在美国专利文献US-A-4 197 443中说明的腐蚀方法制造。这种腐蚀方法除高制造成本外还具有的缺点是，小的表面公差就会导致各个钻孔的很不相同的孔口情况。另一种传播很广的用于在构件中制造冷却钻孔的方法是激光钻孔。在此区分为冲击式钻孔，在冲击式钻孔中可用一系列激光脉冲加工圆柱形的钻孔。另一方面在环钻孔中使一个精密聚焦的激光束相对于工件运动并这样切出钻孔。由此也可以制造具有非圆形横截面的钻孔。
为了在制造钻孔时避免特别是在从圆形横截面到非圆形横截面的过渡区域中损伤钻孔，开发了多种不同的方法。在美国专利文献US-A-5 609 779中，一个激光束在少量几个激光脉冲内从孔中心线加速引导到扩散器边缘。但用这种方法制造的扩散器结果很不相同。
在欧洲公开文献EP 0 950 463 A1中说明了另一种用于制造非圆形冷却钻孔的方法，其中，冷却钻孔沿流动方向由一个圆形的输入段和一个非圆形的扩散器段组成。为了避免在扩散器段钻孔时损伤输入段，在确定这些段的几何尺寸后，首先产生一个横截面在输入段横截面之内的通孔，接着用射束钻孔法切出扩散器段，使得输入段区域内的孔束基本保持在同一横截面内。
在所有从现有技术中公知的方法中，为了确定用于例如输入段的对应钻孔深度，从安置钻孔的那个位置上的由结构设计决定的壁厚出发。这些几何尺寸通常或者以绝对尺寸给出，或者以相对于通过结构设计决定的理想壁厚的相对尺寸给出，并且通过用于控制钻孔刀具的钻孔控制并加工。但如果该位置上的实际壁厚与该理想壁厚有偏差，则会出现实际钻孔与理想钻孔之间的偏差并且由此在壁厚偏差处于制造公差之内时也会出现部分明显的冷却钻孔通流特性改变。钻孔的例如圆形的、圆柱形的部分太长，由此，输入段的入口区域与理想入口区域相比发生改变或者入口区域甚至损坏。由此发生冷流体通流与规定的通流相比的变化。如果相反输入段太短，则发生输入段中冷流体流的压力损失减小，从而发生冷空气从相关冷却钻孔过多地和不受控制的流出。如果扩散加工得不完全，则直接影响出流特性。

发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种用于在构件中加工钻孔的方法，其中，用该方法加工的钻孔在实际壁厚与理想壁厚有偏差时也能符合预定的、理想的通流特性。该方法特别适合用于在燃气轮机或蒸气轮机的一个构件中、优选在燃气轮机或蒸气轮机的叶片中加工冷却钻孔。此外，本发明的一个任务是，提供一种用于实施该方法的钻孔装置。
根据本发明，该任务通过按照权利要求1的用于在构件中参数化加工钻孔的方法以及通过按照权利要求9的钻孔装置以及按照权利要求12的根据本发明制造的构件来解决。本发明的其它有利构型在从属权利要求中。
用于在构件中参数化加工钻孔的本发明方法包括以下方法步骤a)测量该构件在要设置钻孔的那个位置上的实际壁厚；b)根据该测得的实际壁厚与一个假想的理想壁厚的比较求得至少一个参数化的钻孔几何值；c)按照所述至少一个求得的参数化的钻孔几何值加工该钻孔。
本发明方法特别适合于在燃气轮机或蒸气轮机的一个构件中、优选在燃气轮机或蒸气轮机的叶片中或者还在叶片根部或壳体中加工冷却钻孔。
与从现有技术中知道的方法不同，在本发明方法中，在真正加工钻孔前在要设置钻孔的那个位置上测量该构件的实际壁厚。由此可以在与测量过程相接的钻孔加工中考虑实际壁厚的波动，这些波动例如由于铸造过程中的材料收缩而不能精确地预先给定并且在公差范围内自理想的、由结构设计预先给定的壁厚发散。因此通过在真正加工钻孔前考虑实际情况可以这样适配一个或多个钻孔几何值，使得该钻孔对于通过该钻孔流动的流体具有精确地预先规定的通流特性和/或出流特性。在测量实际壁厚后，将测得的实际壁厚与给定的理想壁厚相比较并根据比较结果求得至少一个参数化的钻孔几何值。为此有利的是，该钻孔几何值借助简单的、事先确定的函数关系根据比较结果确定。求得的钻孔几何值用作参数化加工钻孔的参数并且为此例如直接规定钻孔刀具控制，例如激光器的控制。
符合目的的是，在方法步骤a中借助涡流测量来测量构件的实际壁厚。借助涡流的构件壁厚测量在费用相对较小的情况下提供了足够精确的厚度结果。
为了求得参数化的钻孔几何值，在方法步骤b中优选首先从假想的理想壁厚与测得的实际壁厚中求得一个差值，接着在考虑该差值的情况下从至少一个预给定值出发求得该钻孔几何值。例如该预给定值可以直接与求得的差值成正比地变化。这样的修正适合于大多数应用情况，以便以足够高的精度达到预先确定的通流特性。同时，用于求得参数化的钻孔几何值的计算上的费用很低。但在一种替换计算中也可首先构成实际壁厚与理想壁厚的一个比值，接着使该钻孔几何值或这些钻孔几何值与求得的比值成正比地变化。
该预给定值可以是一个绝对值并且直接根据所述差值变化。但替换地，该预给定值也可是一个相对的、与壁厚相关的值并且变化一个值，该值正比于所述差值。在后一种情况下首先与绝对壁厚无关地进行。因此可以用同一种求值算法计算对于不同厚度的壁的钻孔几何值。在这两种情况下用于求得钻孔几何值的计算上的费用有利地都很低。
如果要在燃气轮机或蒸气轮机的一个构件、例如燃气轮机或蒸气轮机的叶片中加工钻孔，该钻孔在冷流体的流动方向上包括一个入口段、一个引导段和一个扩散器段。在此，入口段是邻接在一个安置在该构件或该叶片内部的冷流体蓄存容器或冷流体导入管上的区域。涡轮叶片例如大多内部空心构造。因此，入口段是直接邻接在空心腔上的那个区域。根据入口段的情况不同在冷却钻孔内构成一个层流的或涡流的冷流体流，这直接对通过冷却钻孔的通过能力产生影响。连接在入口段上的引导段大多圆柱形地构造并且将入口段与扩散器段连接。引导段和入口段经常也被称为冷却钻孔的输入段。在冷流体流动方向上连接在引导段上的扩散器段一直延伸到叶片的外侧。扩散器段的横截面通常是带有侧面扩宽的非圆形，使得冷流体流得到面积上的扩宽。
在此符合目的的是，作为钻孔几何值，改变作为预给定值预给定的引导段长度，变化量为在钻孔方向上投影的差值。在此该投影考虑钻孔相对于壁厚度方向的倾斜。由此使得，即使在实际壁厚与理想壁厚有偏差的情况下，特别是扩散器段以及符合目的地还有入口段，在制造时与理想壁厚相比既不变粗，也不伸长。实际壁与理想壁的厚度偏差完全通过引导段的长度适配被考虑。冷却钻孔的通流特性以及出流特性由此以很好的精度符合理想的预给定值。
补充地或者替换地，在此也可以使引导段的横截面直径作为冷却钻孔几何值根据所述差值变化。由此提高了实际特性与预给定特性的一致性的精度。
在一个特别有利的实施方式中，本发明全自动地实施。侧得的值及比较结果以及求得的钻孔值为此分别有利地被全自动地从一个测量单元传递给一个计算单元并从这里传递该一个用于控制钻孔刀具的控制单元。该方法的全自动化使得能够在时间和成本上高效率地加工例如分别带有多个彼此相邻地安置在叶片表面上的冷却钻孔的涡轮叶片。
为此有利地在进行了用于加工第一个钻孔的方法步骤a至c之后一次或多次重复该方法以便在构件中加工一个或多个另外的钻孔。
按照本发明的另一着眼点，提供一种特别用于实施上述用于在构件中参数化加工钻孔的本发明方法的钻孔装置。为此本发明钻孔装置包括一个用于测量该构件壁厚的测量单元、一个用于将测得的实际壁厚与假想的理想壁厚进行比较并用于根据该比较求得至少一个参数化的钻孔几何值的计算单元、一个用于控制钻孔单元的控制单元以及一个用于在构件中设置钻孔的钻孔单元。
特别有利的是，该钻孔单元包括一个激光钻头。为了加工冷却钻孔可以有利地使用专利申请文献EP 0 950 463 A1中说明的一种射束钻孔方法。在此，激光钻孔方法、优选脉冲式激光钻孔方法特别适合作为射束钻孔方法。因此在此使用例如脉冲NDYAG激光器或脉冲CO2激光器。但使用其它钻孔射束，如水射束也在本发明范围内。
特别是为了能够全自动地进行钻孔过程，该钻孔装置还按照目的附加包括一个抓取和定位单元，以便抓取待加工构件并优选全自动地按照相应待进行的加工步骤定位。
按照另一着眼点，本发明提供一种构件，特别是燃气轮机或蒸气轮机的叶片，其中，该构件具有至少一个钻孔，优选多个钻孔，这些钻孔按照上述方法加工。与从现有技术中知道的构件不同，特别是与从现有技术中知道的涡轮叶片不同，每一个钻孔的各一个或多个钻孔值分别根据构件的刚好在钻孔位置上的相应壁厚被优化。这样，例如在钻冷却钻孔时使输入段的长度适配于相应的局部壁厚，使得钻孔具有希望的通流特性和出流特性，没有迄今常见的由于加工造成的几何波动所产生的发散宽度。


下面借助实施例结合附图详细说明本发明。附图表示图1从现有技术中已知的一种用于加工钻孔的方法的过程示意图，图2a一个带有冷却钻孔的涡轮叶片的壁和一个横截面，图2b图2a中的冷却钻孔的俯视图，图3用于参数化加工钻孔、特别是冷却钻孔的本发明方法的过程示意图。
在附图中只表示出对于理解本发明重要的因素和构件。
相同的和作用相同的构件基本设置用相同的参考标号。
具体实施例方式
在图1中表示出从现有技术中已知的一种用于加工钻孔的方法的过程示意图。从一个CAD模型1出发，为加工钻孔所必需的钻孔几何值3被输入或读入一个钻孔刀具、例如激光钻头2的控制装置中。接着，借助该钻孔刀具根据这些钻孔值在构件4中加工钻孔。构件的实际尺寸与在CAD模型中预给定的理想尺寸的偏差在此不被附加考虑。这会导致实际加工出的钻孔的几何尺寸与理想的钻孔有偏差并且由此实际加工出的钻孔的通流特性和出流特性也与理想的钻孔有偏差。
图2表示出一个涡轮叶片的壁10的横截面，带有一个设置在该壁中的冷却钻孔11。在此示出的涡轮叶片内部空心地构造。涡轮叶片内的空腔被用作冷流体蓄存容器，它通过输送管路从前面的一个压缩机级被供送冷空气。在运行中，来自燃烧室的热的流体流按照流动箭头14在涡轮叶片的外侧面上流动。
冷却钻孔11沿通过该冷却钻孔流动的冷流体的流动方向13分成一个入口段15、一个与它连接的引导段16和一个与该引导段连接的扩散器段18。入口段15和引导段16也可以如这里所表示的那样被总括成输入段17并且具有恒定的横截面。入口段15和引导段16的分别垂直于钻孔轴线12观察的横截面在大多数应用情况下如所示出的那样是圆形的，因为圆形的钻孔横截面比非圆形的钻孔横截面可在制造技术上更简单地加工。在此，钻孔的半径在入口段15和引导段16的区域内也保持恒定，即冷却钻孔11的整个输入段17在此圆柱形构造。但也可以根据目的将入口段15具有非圆形横截面地或者扩宽地或喷嘴状地构造，以便将冷流体以希望的方式从邻接的蓄存容器引导到冷却钻孔11中。在此在图2中，扩散器段18具有一个非圆形的、朝向出口扩宽的横截面，以便在运行中在冷却钻孔11中就已经达到通过该钻孔引导的冷流体束的扩宽以及变慢。因此，从冷却钻孔出来的冷流体束与主流配合一方面被更好地向叶片壁转弯，另一方面由于扩宽而覆盖冷却钻孔下游叶片壁的一个更宽的区域。这总体导致涡轮叶片的叶片外侧面上的冷膜的构造改善并从而导致比无扩散器段情况下更好的冷却。
在图2中示出的壁10具有标准壁厚19，它相应于结构设计确定的并且在流体机械方面优化的CAD模型的一个值。根据该标准壁厚19在结构设计阶段确定冷却钻孔11的尺寸，使得在考虑所有必要的边缘参数的情况下在燃气轮机的一个宽的运行范围上构成很大程度优化的、通过冷却钻孔的冷流体流并且在该冷流体从冷却钻孔出来时构成叶片外侧面上的优化的冷膜。但如果涡轮叶片的实际壁厚例如由于制造公差与预定的壁厚有偏差，则实际加工的钻孔与理想钻孔的几何特性也有偏差。这会例如导致输入段16与理想结构相比过长或过短或者扩散器18过长或过短或具有变化了的扩散器口角度。在所有情况下这会导致冷流体通过冷却钻孔的流动特性的改变，质量流量增大或减小或者冷流体束在从冷却钻孔出来时的扩宽变差。由于冷却钻孔的设计考虑最佳冷却效率来设计，冷却钻孔的实际几何特性相对于理想几何特性的任何变化都会导致冷却效率变差。
为了在加工钻孔时考虑实际实现的壁厚与理想给定的壁厚的偏差，如在图3中示意性示出的过程示意图中反映的那样，本发明在第一方法步骤21中规定，测量构件20在要设置钻孔的那个位置上的实际壁厚。从测量值出发在另一个方法步骤23中进行测得的实际壁厚与假想的理想壁厚的比较。来自结构设计的理想构件或理想钻孔CAD数据在这里被规定为输入量(见参考标号22)，它们在这里被根据实际存在的壁厚来修正。比较结果在方法步骤23中用于求出至少一个钻孔几何值，它然后被传递给一个合适的钻头、例如一个激光钻头的控制装置。然后在另一个步骤24中按照作为钻孔参数求得的钻孔几何值加工该钻孔。
借助在图3中示出的方法还可以在一个构件中加工多个钻孔，其中，为每个待加工的钻孔要进行完方法步骤21至24。在图3中借助用虚线示出的从方法步骤24到方法步骤21的返回线表示出在一个构件中这样加工多个钻孔。
在此，壁厚21的测量例如借助涡流测量来进行。在进行测量后，为了实施方法步骤23，测量结果被输送给一个计算单元，例如一个CPU，以便在此求出至少一个为了钻孔所要考虑的钻孔几何值。这里，例如作为钻孔几何值，可以改变作为预给定值预先给定的引导段长度，变化量为在钻孔方向上投影的差值。这意味着，该引导段为了补偿实际壁厚相对于理想壁厚的差值或者被相应加长，或者被缩短。差值的投影在钻孔轴线方向上进行，以便考虑钻孔的倾斜角度。由此保证，实际加工的扩散器段的几何特性符合预给定的理想扩散器几何特性，使得在此在运行中产生通过冷却钻孔流动的冷流体的预定的和最佳的流动情况。
为了考虑引导段中由于实际几何特性与理想几何特性的偏差引起的流量损失的变化，有利的可以是，使引导段横截面直径和/或扩散器横截面变化(Querschnittsverlauf)作为一个或多个另外的钻孔几何值根据所述差值变化。如果例如引导段加长，则引导段横截面也可以加大，以补充由于引导段长度加大附加出现的额外的流量损失。如果相反引导段缩短，则有利地可以减小该横截面。
这些钻孔几何值可以根据目的借助简单的、预给定的相互关系，优选借助比例函数，根据所述差值求得，并且传递给钻孔刀具的控制装置。
参考标号1-4从现有技术中已知的用于加工钻孔的方法的方法步骤(steps of a method for drilling holes as known in the state ofthe art)10 构件壁 (wall of component)11 钻孔 (drilled hole)12 钻孔轴线 (center line of drilled hole)13 钻孔通流方向 (flow through drilled hole)14 主流的流动方向 (mainstream flow)15 入口段 (inlet section)16 引导段 (feeding section)17 输入段 (supply section)18 扩散器段 (diffuser section)20-24 用于加工钻孔的本发明方法的方法步骤(steps of the method for drilling holes according to theinvention)
权利要求
1.用于在构件中参数化加工钻孔、尤其用于在燃气轮机或蒸气轮机的一个构件中、优选在燃气轮机或蒸气轮机的叶片(10)中参数化加工冷却钻孔(11)的方法，其中，该方法包括以下方法步骤(21，23，24)a)测量该构件在要设置钻孔的那个位置上的实际壁厚；b)根据该测得的实际壁厚与一个假想的理想壁厚的比较求得至少一个参数化的钻孔几何值；c)按照所述至少一个求得的参数化的钻孔几何值加工该钻孔。
2.根据权利要求1的方法，其中在方法步骤a中借助涡流测量来测量该构件的实际壁厚。
3.根据前述权利要求之一的方法，其中为了求得该参数化的钻孔几何值，在方法步骤b中首先从假想的理想壁厚与测得的实际壁厚中求得一个差值，接着在考虑该差值的情况下从至少一个预给定值出发求得该参数化的钻孔几何值。
4.根据权利要求3的方法，其中该预给定值是一个绝对值并且该预给定值根据所述差值变化。
5.根据权利要求3的方法，其中该预给定值是一个相对的、与壁厚相关的值并且该预给定值变化一个值，该值正比于所述差值。
6.根据前述权利要求3至5之一的方法，其中该钻孔是燃气轮机或蒸气轮机的一个构件的、尤其是燃气轮机或蒸气轮机的叶片的冷却钻孔，该钻孔在流动方向上包括一个入口段、一个引导段和一个扩散器段，并且，其中，作为钻孔几何值，改变作为预给定值预给定的引导段长度，变化量为在钻孔方向上投影的差值和/或引导段的横截面直径根据所述差值变化。
7.根据前述权利要求之一的方法，其中该方法全自动地进行。
8.根据前述权利要求之一的方法，其中在进行了用于加工第一个钻孔的方法步骤a至c之后，重复该方法以便在构件中加工一个或多个另外的钻孔。
9.钻孔装置，特别是用于实施根据前述权利要求之一的用于在构件中参数化加工钻孔的方法，包括一个用于测量该构件的实际壁厚的测量单元；一个用于将测得的实际壁厚与假想的理想壁厚进行比较并用于根据该比较求得至少一个参数化的钻孔几何值的计算单元；一个用于控制钻孔单元的控制单元以及一个用于在构件中设置钻孔的钻孔单元。
10.根据权利要求9的钻孔装置，其中该钻孔单元包括一个激光钻头。
11.根据权利要求9或10的钻孔装置，其中该钻孔装置附加包括一个抓取和定位单元，以便抓取待加工构件并优选全自动地按照相应待进行的加工步骤定位。
12.构件，特别是燃气轮机或蒸气轮机的叶片，该构件具有至少一个钻孔，优选多个钻孔，其中，该钻孔或这些钻孔按照根据权利要求1至8之一方法加工。
全文摘要
本发明涉及一种用于在构件中参数化加工钻孔、尤其用于在燃气轮机或蒸气轮机的叶片中参数化加工冷却钻孔的方法。在本发明方法中，在一个第一方法步骤(21)中测量该构件在要设置钻孔的那个位置上的实际壁厚。接着根据该测得的实际壁厚与一个假想的理想壁厚的比较求得至少一个参数化的钻孔几何值(方法步骤23)。然后按照求得的参数化的钻孔几何值加工该钻孔(方法步骤24)。此外本发明涉及一种特别是用于实施该方法的钻孔装置以及一种构件，在该构件中按照该方法设置一个或多个钻孔。
文档编号F01D5/18GK1863638SQ200480028979
公开日2006年11月15日 申请日期2004年7月29日 优先权日2003年8月4日
发明者伊万·卢凯蒂奇, 拉尔夫·瓦尔茨 申请人:阿尔斯通技术有限公司