CN101027552B - 确定透平叶片内缺陷的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定透平叶片(7)内缺陷的方法和测量及计算装置(21)以及一种用于将探头(18)固定在透平叶片表面(13)上的固定装置(14)。

Description

确定透平叶片内缺陷的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种确定透平叶片内缺陷的方法和测量及计算装置以及一种用于将探头固定在透平叶片表面上的固定装置。
背景技术
众所周知，例如形式上为裂纹的缺陷对于构件的强度并因而还对构件的可靠性造成负面的影响。这些在构件表面内的裂纹在一定的条件下可能进一步发展。这尤其涉及一些构件，例如轴、透平叶片或尤其透平叶片叶根，它们除静负荷外还遭受动态负荷。
DE4421277A1、DE3731947A1、WO85/02464A1和EP0337700A2介绍了一些确定构件内缺陷的方法。在上述文件中分别说明了用于表面裂纹探测的着色法。其中在要探测裂纹的表面上涂抹一种对比剂，对比剂侵入到所存在的裂纹内。去除对比剂，必要时清洗表面并施加一个薄的层厚的显影剂。侵入裂纹内的对比剂在裂纹所在的几何地点与显影剂混合，从而基于显影剂的薄层使裂纹轮廓显形。为此，显影剂例如有白色以及对比剂有红色或对比剂是发荧光的。
显然采用上述方法不可能检查处于已装入状态的透平叶片的叶根。
在由J.+ H.Krautkraemer所著的书“Werkstoffprüfung mit Ultraschall”(Springer-Verlag Berlin 1986)中介绍了确定构件内缺陷的另一种方法。尤其在110至111页中说明了如何能充分利用构件内部表面的反射，用发送探头和接收探头借助超声波检查构件的一个区域。在构件有彼此对置的外侧时，探头互相对置地装在这些外侧上。发送探头将超声信号发送给要检查的表面。信号从那里向接收探头反射。检查的另一种可能性是串联法，按此方法两个探头串联地装在同一个外侧上。在这种情况下构件后侧用于第二次反射。当然，若构件只存在一个可以接近的外侧以及除此之外没有适用的后侧用于按串联法的附加的反射，则所介绍的方法没有可用性。
另一种确定构件内缺陷的方法是所谓的涡流探测法。其中借助励磁线圈产生交变磁场，该交变磁场在要探测的材料内引起涡流。涡流本身产生一个可用探测线圈测量的交变磁场。形式上为损伤的材料缺陷对于测得的磁场有特别的影响并因而可以被探测到。
应力腐蚀裂纹或缺陷在旋转件、例如透平转子轮盘承受动态负荷时可能导致更进一步的损坏。因此有必要在规定的间隔时间内检验缺陷或应力腐蚀裂纹。轮盘或透平叶片叶根或透平叶片，它们通过轴向或径向销子防转地装在转子上，考虑到经济性的原因不应通过分解转子或拆卸透平叶片来进行检测。因此推荐在热压配合区和相邻的材料区内，尤其在轮盘中轮毂内表面和轴向防转装置区域内进行超声探测。然而轮盘的几何形状对于用超声探头的超声探测而言，在不能接近的轮毂内部区以及在防转装置附近极其复杂。此外，能再现地实施超声探测还遭遇另一些问题。只能提供轮盘的侧壁用作超声探头的结合面。在轮盘上结合面的可接近性往往受相邻轮盘的限制。另一个问题在于，到受到几何形状限制的反射器的声波路径与到可能存在的从轮毂孔出发的裂纹的声波路径可能是一致的。
发明内容
因此本发明所要解决的技术问题是提供一种方法和一种测量及计算装置以及一种固定装置，以便能在透平叶片已安装在转子上的状态下确定透平叶片的缺陷。
上述有关方法的技术问题通过一种确定透平叶片内缺陷的方法得以解决，此方法的特征在于下列步骤：
-将探头固定在透平叶片表面上，
-连接探头与测量及计算装置，
-采用群辐射器(相阵列)超声探测法测量，其中发射超声脉冲信号以及接收源于在缺陷或轮廓形状边界(Formgrenzen)上反射的回波信号，
-将回波信号与一个基准回波信号比较，
-通过计算回波信号与基准回波信号之间的差别确定缺陷。
上述有关测量和计算装置的技术问题通过一种用于确定透平叶片内缺陷的测量及计算装置得以解决，其包括
-用于将探头固定在透平叶片表面上的固定装置，
-与探头连接的超声脉冲信号源，
-超声回波信号接收器，以及
-用于显示回波信号的显示器。
上述有关固定装置的技术问题通过一种用于将探头固定在透平叶片表面上的固定装置得以解决，其中，固定装置用一种能容易变形的材料制成。
本发明的优点主要在于，透平叶片内的缺陷可以在已安装的状态下确定。从而取消了费时并因而昂贵的拆卸和安装透平叶片的费用。
通过建议使用设计为群辐射器(相阵列)的探头，可以改变超声波发射的方向或由此可以接收超声波的方向。
采用此方法例如可以在透平叶片叶根的一个估计有缺陷的区域内实施可靠而迅速的分析。裂纹由于高的机械负荷、热负荷或腐蚀形成。在这种情况下产生疲劳或振动裂纹。通过采用所介绍的方法可以早期识别和接着监测已形成的缺陷。
所介绍的方法提供可再现的探测结果以及适合实际应用。
按本发明的一项有利的设计，使用脉冲回波法作为群辐射器(相阵列)超声探测法。
通过脉冲回波法可以非常精确地确定缺陷。
本发明的出发点是，探头固定在透平叶片表面上。在这里将探头固定为，在拆下探头并接着重新安置探头后，能准确地占据与探头拆下前的同一个位置。探头的定位必须非常准确地进行。只有这样才可能实施可再现的测量。在测量期间由探头放射一个超声信号以及接收一个源于在缺陷或轮廓形状边界上反射的回波信号。
将回波信号与一个基准回波信号比较，通过计算回波信号与基准回波信号之间的差别可以确定缺陷。
有利地，基准回波信号根据模型计算或根据在一个基本上无缺陷的透平叶片上的测量确定。
通过使用一种设计为相阵列的探头，可以沿不同的方向放射超声脉冲信号。由此创造在一个更大的角度范围内实施所谓的角向扫描的可能性。因此在测量过程中可以检查透平叶片的一个更大的区域。
有利地，所述角度范围处于相对于主放射方向为-45°至+45°之间的角度范围内，其中，主放射方向基本上垂直于在探头所在地的透平叶片表面地延伸。
本发明的出发点是，为了将探头固定在透平叶片表面上使用一个固定装置。通过此固定装置可以安装一个探头并将此探头非常准确地定位在透平叶片的表面上。甚至在拆下固定装置并接着安装在透平叶片表面后，探头能准确地占据如固定装置拆下前的同一个位置。
固定装置在这里用一种能容易变形的材料制成。由此带来的优点是，固定装置可以迅速而经济地制造。
有利地，固定装置用塑料、木材或橡胶制造。
按本发明的一项有利的设计将固定装置制成，使固定装置的面朝透平叶片表面的外部几何形状与透平叶片表面的外部几何形状相配，以及固定装置有一个用于容纳探头的孔。
通过固定装置与透平叶片表面的外部形状相配，这在一定程度上可以说导致一种阴压印模，从而可以将探头安置在透平叶片叶根的要探测的位置的始终同一个位置上。
固定装置相宜地在这里设计为可方便地安装。
为了改善装配和为了良好地传输超声波，在固定装置与透平叶片表面之间加上一种能容易变形的超声传输软膏。
附图说明
下面借助附图说明本发明的实施例。附图中功能相似的部件采用相同的附图标记标注。附图中：
图1表示汽轮机的剖面图；
图2表示透平叶片的透视图；
图3表示部分透平叶片和固定装置的透视图；
图4表示部分透平叶片和固定装置的另一个透视图；
图5表示部分转子和一个测量及计算装置的透视图；
图6表示测量记录和缺陷图；以及
图7表示基本上无缺陷的基准透平叶片测量记录。
具体实施方式
图1表示通过汽轮机1的一个剖面。汽轮机1有一个外缸2和一个内缸3。轴4可绕旋转轴线5旋转地支承。在轴表面6上沿周向排列透平叶片7。在内缸3内装有透平导叶片8。在运行时，蒸汽流入进汽区9以及在通过流动通道10的过程中膨胀作功。在这种情况下使轴4旋转。由此可以使图中未进一步示出的发电机的转子旋转。
在检查时或在损坏的情况下通常打开汽轮机1的外缸2，由此可以接近在轴4上的各个透平叶片7。
由图2可见以透视图表示的透平叶片7。透平叶片7有一个透平叶片叶根11。在图2中表示的透平叶片叶根11设计为所谓的枞树形叶根。在汽轮机1运行时，基于轴4高的转速产生大的离心力。这种大的离心力会导致透平叶片叶根11内或甚至导致叶片内形式上为裂纹的缺陷。
形式上为裂纹的小缺陷在大多数情况下用肉眼不能看出。这些裂纹不仅发生在透平叶片表面13上而且也在透平叶片7的内部产生。
由图3可见以透视图表示出的部分透平叶片7和固定装置14。固定装置14用一种能容易变形的材料制成。此固定装置14可以用塑料、木材或橡胶制造。固定装置也可以用一种硬化后刚性的浇注材料制成。
将固定装置14制造成，使它面朝透平叶片表面13的外部几何形状与透平叶片表面13一个部分的外部几何形状相配。由图3可以看出，固定装置14支承在透平叶片边缘15上。因此不可能沿移动方向16移动固定装置。若从透平叶片7上取下固定装置14，则它可以重新精确地安放在完全同一个位置上。
固定装置14有一个孔17，其中装入探头18，使得形成一个超声波束的通道。探头18以这样的方式装入孔17内，即，使探头一方面机械固定地夹紧在或以其他方法保持在固定装置内以及另一方面尽可能近地放置在透平叶片表面13上，以便尽可能无干扰地传输超声波。探头18有一个探头出口19，它通过导线20与测量及计算装置21连接。固定装置14借助一种能容易地变形的超声波传输软膏安装到透平叶片表面13上。
作为超声波传输软膏可以例如使用一种超声波凝胶或胶粘剂。
由此可构成能方便地安装的固定装置14。
采用固定装置14的这种外形取消了复杂的安装。借助这种超声波传输软膏可以充填很小的空气间隙，由此使超声波信号能良好地进入到材料内。借助回波信号可以直接检查固定装置的配合状况。
由图4可见透平叶片7和固定装置14另一个透视图。在图4中表示的固定装置14′的外形与图3所示固定装置14的外形不同。如对图3所作的说明那样，固定装置14的体形与透平叶片表面13的一个规定的部分相配。固定装置14、14′在一定程度上可以说构成了透平叶片表面13这一部分的一个阴模。
由图5可见带透平叶片7的轴4局部透视图。装在透平叶片7一个位置上的固定装置14通过导线20连接在测量及计算装置21上。探头18在这里设计为相阵列或群辐射器探头。
在探测透平叶片7期间，探头18朝一个方向发出超声波。超声波在缺陷或轮廓形状边界上反射并作为回波信号被探头18检测到。回波信号进一步导入到测量及计算装置21。因此使用的是一种脉冲-回波法。按另一种实施形式也可以采用所谓Pitch Catch法，其中一个探头发射超声信号以及另一个探头接收此信号。
通过使用设计为相阵列的探头，使超声脉冲信号能朝不同的方向射出。由此可以在一个更大的角度范围内实施所谓的角向扫描。按优选的实施形式，所述角度范围相对于主放射方向而言处于-45°至+45°之间，其中主放射方向基本上垂直于探头所在地的透平叶片表面13延伸。按特别优选的实施形式，此角度范围相对于主放射方向而言处于-85°至+85°之间。
图6表示这种测量的结果。图6的左部表示所谓的角向扫描。在这里由探头在0与80°之间的角度范围内放射超声波。角向扫描中的暗斑说明在轮廓形状边界或缺陷上的反射。在图6的右部中可以看到所谓A图。A图在一定程度上可以说表示了确定或测得的回波信号强度随超声波传输时间或由此确定的探头到轮廓形状边界或缺陷的距离的关系。
图7的左部表示用同一个探头18和同一个固定装置14记录到的角向扫描。当然所述的记录是在一个没有缺陷的透平叶片7上实施的。角向扫描中的暗斑仅源于在轮廓形状边界处的反射。在图7左部所表示的角向扫描还可以称之为基准回波信号。恰当地，不仅应在一个，而且应在多个无缺陷的透平叶片上确定基准回波信号。此外，有意义的是应由模型计算确定基准回波信号。
由图7可以看出，在用十字表示的地方没有接收到回波信号。与之相比，在图6中用十字表示的地方明确地接收到一个回波信号。在图6的角向扫描内其余的暗斑与图7的角向扫描内的暗斑几乎相同。用十字表示的暗斑明确地源于一个缺陷。由此可以通过计算回波信号与基准回波信号之间的差别推断出在透平叶片7内的缺陷。按另一种实施形式，所述的计算可以通过图形识别软件实施。
模型计算用作探头在透平叶片表面13上定位的准备措施。在探头18按规定定位时，借助模型计算模拟如何观察一个预期的回波信号。
通过上述模拟确定位置和声入射角(Einschallwinkel)。
对于透平叶片7每个要检查的区域分别制作单个固定装置14。固定装置14也可以称为模板。取决于叶片类型，考虑使用可水平和/或垂直移动的相阵列探头。根据用途可通过仅一个角向扫描检测和分析一个达35mm范围的估计有缺陷的区域。
用于确定声入射参数(Einschallparameter)、探头位置和声角的理论研究借助三维模拟完成。参数的确定迭代进行，也就是说，改变探头-声入射位置、迎角和声入射角，直至达到理论上有利的入射条件。为了可视化在计算机上实施相应的模拟。通过此方法可以识别缺陷位置和缺陷的单值性。缺陷的单值性通过大的信噪比达到。除了声入射角外，振动器尺寸和探测频率是重要的探头参数。声入射角和振动器尺寸决定性地取决于叶根几何结构或结合面大小。探测频率可选择为，使得在有大的信噪差距的同时达到良好的缺陷分辨能力。振动器尺寸和探测频率必须彼此协调，使得借助声束发散度即使在不利的声入射位置也能指明缺陷。作为可变的参数应选择：声入射位置、声入射角。探头18可更换地集成在固定装置14内。
在透平叶片叶根11和透平叶片7有必要检验的区域上的结合面上必须没有铺层(腐蚀、污垢等)和疏水物质(脂、油等)。测量参数幅度、声传播时间和声入射角均储存在测量及计算装置21内。这些数据可重复调出用于再次计算。

Claims (11)

1.一种确定透平叶片(7)内缺陷的方法，其特征在于下列步骤，
-制造固定装置(14)，其中该固定装置(14)的外部几何形状与透平叶片表面(13)的一部分的外部几何形状相配，在此，所述固定装置(14)为所述透平叶片表面(13)的外部形状的阴压印模，
-将所述固定装置(14)安置在透平叶片表面(13)上，
-连接探头与测量及计算装置(21)，
-采用群辐射器超声探测法测量，其中放射超声脉冲信号以及接收源于在缺陷或轮廓形状边界上反射的回波信号，
-将回波信号与一个基准回波信号比较，
-通过计算回波信号与基准回波信号之间的差别确定缺陷。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为，使用脉冲回波法作为群辐射器超声探测法。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为，基准回波信号根据模型计算确定。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为，基准回波信号根据在一个基本无缺陷的透平叶片(7)上的测量确定。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为，所述探头(18)设计为相阵列探头，其中，可沿不同的方向放射超声脉冲信号。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征为，可以在一个相对于主放射方向-45°至+45°之间的角度范围内放射所述超声脉冲信号，其中，主放射方向基本上垂直于在探头(18)所在地的透平叶片表面(13)地延伸。
7.一种用于确定透平叶片(7)内缺陷的测量及计算装置(21)，其特征在于
-用于将探头(18)固定在透平叶片表面(13)上的固定装置(14)，该固定装置与透平叶片表面(13)上要检查的部分的外部几何形状相配，
-其中所述固定装置(14)的面朝透平叶片表面的外部几何形状与透平叶片表面(13)的外部几何形状相配以及该固定装置(14)具有一个用于容纳探头(18)的孔，
-与所述探头(18)连接的超声脉冲信号源，
-超声回波信号接收器，以及
-用于显示回波信号显示器。
8.按照权利要求7所述的测量及计算装置(21)，其特征为，所述探头(18)设计为相阵列探头。
9.按照权利要求7所述的测量及计算装置(21)，其特征为，所述固定装置(14)用一种能容易变形的材料制造。
10.按照权利要求9所述的测量及计算装置(21)，其特征为，所述固定装置(14)用塑料、木材或橡胶制造。
11.按照权利要求7至9中任一项所述的测量及计算装置(21)，其特征为，所述固定装置(14)借助一种容易变形的超声传输软膏安装在透平叶片表面(13)上。
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