CN102998363A - 一种发动机叶片原位超声检测方法 - Google Patents

Abstract

一种发动机叶片原位超声检测方法：使用专用的探头在发动机叶片外场进行原位检测，在超声波探伤仪上得到A扫描波形图，然后根据A扫描波形图判定探头扫查区域内的被检测叶片是否有损伤；所述专用的探头具体由下述结构组成：探头体（1）、插接座（2）、水管（3）、电缆（4）、压电晶片（5）；电缆（4）连接着超声波探伤仪。本发明实现了原位检测，具备非常突出的经济价值和巨大的技术应用价值技术效果优良。

Description

一种发动机叶片原位超声检测方法

技术领域

本发明涉及某航空发动机高压压气机I级转子叶片原位超声检测的技术背景，特别提供了一种发动机叶片原位超声检测方法。 

背景技术

某发动机高压压气机I级转子叶片在使用过程中排气侧榫头压力面转角R处产生了裂纹。为确保外场飞行安全，急需研究有效、可靠的无损检测方法对其进行原位检查。从相关资料中得知，民航IAE公司V2500 A5/D5系列发动机曾在高压压气机第Ⅳ级转子叶片榫头压力面发现过裂纹；很明显，此类事件严重影响着飞机的飞行安全。如果发动机返厂维修，可以对单片叶片进行无损检测，保证叶片的质量。但发动机返厂、分解、检查、组装、试车、合格交付等过程不仅周期长、而且费用高，此方案不宜采用。 

为解决这一类技术问题，人们期望获得一种技术效果更好的发动机叶片原位超声检测方法。 

发明内容

本发明的目的是提供一种技术学效果优良的发动机叶片原位超声检测方法。 

本发明提供了一种发动机叶片原位超声检测方法，其特征在于：使用专用的探头在发动机叶片外场进行原位检测，在超声波探伤仪上得到A扫描波形图，然后根据A扫描波形图判定探头扫查区域内的被检测叶片是否有损伤； 

所述专用的探头具体由下述结构组成：探头体1、插接座2、水管3、电缆4、压电晶片5；其中：探头体1与插接座2固定连接为一体；水管3和电缆4都布置在探头体1与插接座2内部并延伸到插接座2远离其与探头体1连接处的外部；压电晶片5固定设置在探头体1靠近被探测物的前端，且其与电缆4构成电连接；

探头体1朝向被检测对象一侧的外端面上还设置有连通外部的注水孔5，注水孔5与水管3相连接；

电缆4连接着超声波探伤仪。

  

本发明所述发动机叶片原位超声检测方法，还要求保护下述的优选内容：

所述发动机叶片原位超声检测方法中，专用探头放置在被检测叶片叶盆侧缘板上，采用斜入射方式对叶片榫头可能发生裂纹的区域进行检查；具体的超声波斜入射检查方法具体为采用纯横波检查。

  

所述发动机叶片原位超声检测方法中还有下述要求：

1）折射角范围满足下述两个条件：其一，折射声束是纯横波；其二，折射主声束要求覆盖叶片榫头根部型面，最大折射角要求不超过榫头底面排气侧压力面，折射角的取值范围是32-38.7°，折射角依据斯奈尔定律并根据下述公式可以计算：

  ----------------------------①

 ---------------------②

式中：为纵波入射角（第一临界角）；为最小横波折射角；为纵波在有机玻璃中的声速2700m/s；为纵波在钛合金叶片中的声速6100m/s；为横波在钛合金叶片中的声速3200m/s；为入射角，亦即专用探头的压电晶片5的法线和被检测叶片榫头缘板之间的夹角；

2）所述专用探头满足下述要求：其整体为轴状或者杆状组件，横截面外轮廓最大直径或者横截面的外接圆直径要求≤ 9mm。针对发动机上可能伸进探头的机匣处圆孔直径尺寸，可以对应调整这一要求。,

所述发动机叶片原位超声检测方法中，专用探头的探头体1的横截面外轮廓为圆形，同时，探头体1朝向被检测对象一侧的外端面与探头体1的轴线之间有12~16°的夹角（进一步优选为14°夹角）。

  

所述发动机叶片原位超声检测方法中，首先针对表面制有人工伤的参比标准件首先对探头进行灵敏度校验和检测有效性的效果验证，然后再进行发动机叶片原位超声检测相关操作。

参比标准件是超声检测中用来调整仪器的参考灵敏度和测量范围，保证扫查灵敏度足以发现所要求尺寸与取向的缺陷，以及将所检出的不连续信号与样件中已知反射体所产生的信号比较，从而评价缺陷的大小的依据。因此，参比标准件的制作是实施检测的先决条件。 

  

所述表面制有人工伤的参比标准件满足下述要求：长（L）×宽（d）×开口宽度（W）为3.81mm×3.08mm×0.20mm；具体为电火花加工获得。参比标准件上人工伤的具体要求是我们根据大量实验数据和理论研究最后得到的研究成果。

根据研究，被测物上可能发生的实际的裂纹断裂面通常是一个略有起伏，大致平行于榫头底面的类扇形面。同时，我们以V2500-A5和D5发动机高压压气机IV级转子叶片榫头参比标准件上的人工伤进行了检定，最终制定出针对人工伤的要求。 

  

本发明中，关于专用探头的波型的确定，相关知识介绍如下：

超声检测是利用超声波（常用频率为0.5~25MHz）在介质中传播时产生衰减，遇到界面产生反射的性质来检测缺陷的无损检测方法。对透过被检件的超声波或反射的回波进行显示、分析，可以确定缺陷是否存在及其位置与严重程度。可用来进行超声检测的波型主要有纵波、横波、表面波和兰姆波。

在决定对某一试件选用哪种波型或检测技术时，所考虑的主要因素是试件中需要检测缺陷的位置及取向，选取的原则是要得到缺陷的最大可能显示。 

根据叶片的实际几何形状及叶片排气侧榫头裂纹的形貌与位置，我们确定了将超声探头放置在叶片叶盆侧缘板上，并采用斜入射方式进行检查的技术方案。 

从常规的应用原理上讲，超声波斜入射检查有两种方法：纯横波检查或小角度纵波检查。横波和纵波是两种不同类型的超声波，横波波长短，灵敏度和指向性优于纵波；但是横波衰减较纵波大。故我们分别制作一系列横波探头和小角度纵波探头对单个带有人工伤的叶片进行了超声探伤试验。初步试验结果表明：采用小角度纵波时，受叶片几何形状及被检部位与扫查面特殊空间关系的影响，存在很多波型及波型转换，因此有很多回波,给裂纹信号的判断带来了很大困难。(2)采用不同角度横波检查时,出现回波的位置相对都比较固定，经反复分析、验证，发现叶片排气侧榫头底部R处可形成一个固定回波信号，此信号与榫头裂纹信号同时出现,使我们检查榫头裂纹时，方便找到探头与叶片缘板的最佳耦合位置，故将因榫头几何结构产生的回波信号称为监控信号。综上所述，我们确定采用横波对榫头裂纹进行检测。 

另外，关于专用探头折射角范围的确定我们还补充说明如下： 

通过对被测叶片进行空间观察，我们发现探头扫查面（叶片叶盆侧缘板）、叶片榫头裂纹（起始于排气侧压力面转接R处）及榫头底面空间关系平行但位置近似成一条斜线，因此探头折射角范围的确定必须满足两个基本条件：(1)折射声束是纯横波；(2)折射主声束能够覆盖叶片榫头根部型面，最大折射角不超过榫头底面排气侧压力面，如图5所示，叶片榫头压力面与榫头底面的夹角δ即等于最大折射角β，通过测量计算我们得到δ约为38.7°。 对于最小折射角计算主要根据斯奈尔定律，具体请参见前文所述的公式①和②。

综合上述，确定横波折射角范围应该在32°~38.7°之间。由于声束具有一定的扩散角,折射角范围可以有1°~2°的浮动。我们根据计算得到的折射角范围制作了一组不同角度的横波探头，经试验验证，当探头放在叶片缘板合适位置时，叶片榫头部位的人工伤和监控信号均在超声仪上有清晰的回波显示。 

本发明实现了原位检测，具备非常突出的经济价值和巨大的技术应用价值技术效果优良。 

  

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明： 

图1为参比标准件结构示意简图之一；

图2为参比标准件结构示意简图之二；图2可以认为是图1的右视图；图2中还包含了人工伤形状的局部放大显示图；图1和图2中，a =2.0mm，b=2.0mm， h =8.8±0.12mm；

图3为专用探头结构示意简图；

图4为图3的A向视图；

图5为最大折射角计算示意图；

图6为实施原味照常检查的叶片榫头部位装配位置示意图（去除叶片）。

  

具体实施方式

  

实施例1

一种发动机叶片原位超声检测方法，首先制作专用的超声波检测探头，然后使用该探头在制有人工伤的参比标准件上验证检测装置的灵敏性和有效性后，将超声波检测探头放入发动机检查位置，进行原位检测。

所述发动机叶片原位超声检测方法要求：使用专用的探头在发动机叶片外场进行原位检测，在超声波探伤仪上得到A扫描波形图，然后根据A扫描波形图判定探头扫查区域内的被检测叶片是否有损伤； 

所述专用的探头具体由下述结构组成：探头体1、插接座2、水管3、电缆4、压电晶片5；其中：探头体1与插接座2固定连接为一体；水管3和电缆4都布置在探头体1与插接座2内部并延伸到插接座2远离其与探头体1连接处的外部；压电晶片5固定设置在探头体1靠近被探测物的前端，且其与电缆4构成电连接；

探头体1朝向被检测对象一侧的外端面上还设置有连通外部的注水孔5，注水孔5与水管3相连接；

电缆4连接着超声波探伤仪。

  

所述发动机叶片原位超声检测方法中，专用探头放置在被检测叶片叶盆侧缘板上，采用斜入射方式对叶片榫头可能发生裂纹的区域进行检查；具体的超声波斜入射检查方法具体为采用纯横波检查。

  

所述发动机叶片原位超声检测方法中还有下述要求：

1）折射角范围满足下述两个条件：其一，折射声束是纯横波；其二，折射主声束要求覆盖叶片榫头根部型面，最大折射角要求不超过榫头底面排气侧压力面，折射角的取值范围是32-38.7°，折射角依据斯奈尔定律并根据下述公式可以计算：

  

----------------------------①

 

---------------------②

式中：为纵波入射角（第一临界角）；为最小横波折射角；为纵波在有机玻璃中的声速2700m/s；为纵波在钛合金叶片中的声速6100m/s；为横波在钛合金叶片中的声速3200m/s；为入射角，亦即专用探头的压电晶片5的法线和被检测叶片榫头缘板之间的夹角；

2）所述专用探头满足下述要求：其整体为轴状或者杆状组件，横截面外轮廓最大直径或者横截面的外接圆直径要求≤ 9mm。针对发动机上可能伸进探头的机匣处圆孔直径尺寸，可以对应调整这一要求。,

所述发动机叶片原位超声检测方法中，专用探头的探头体1的横截面外轮廓为圆形，同时，探头体1朝向被检测对象一侧的外端面与探头体1的轴线之间有14°夹角。

  

所述发动机叶片原位超声检测方法中，首先针对表面制有人工伤的参比标准件首先对探头进行灵敏度校验和检测有效性的效果验证，然后再进行发动机叶片原位超声检测相关操作。

参比标准件是超声检测中用来调整仪器的参考灵敏度和测量范围，保证扫查灵敏度足以发现所要求尺寸与取向的缺陷，以及将所检出的不连续信号与样件中已知反射体所产生的信号比较，从而评价缺陷的大小的依据。因此，参比标准件的制作是实施检测的先决条件。 

  

所述表面制有人工伤的参比标准件满足下述要求：长（L）×宽（d）×开口宽度（W）为3.81mm×3.08mm×0.20mm；具体为电火花加工获得。参比标准件上人工伤的具体要求是我们根据大量实验数据和理论研究最后得到的研究成果。

根据研究，被测物上可能发生的实际的裂纹断裂面通常是一个略有起伏，大致平行于榫头底面的类扇形面。同时，我们以V2500-A5和D5发动机高压压气机IV级转子叶片榫头参比标准件上的人工伤进行了检定，最终制定出针对人工伤的要求。 

  

关于专用探头的波型的确定，相关知识介绍如下：

超声检测是利用超声波（常用频率为0.5~25MHz）在介质中传播时产生衰减，遇到界面产生反射的性质来检测缺陷的无损检测方法。对透过被检件的超声波或反射的回波进行显示、分析，可以确定缺陷是否存在及其位置与严重程度。可用来进行超声检测的波型主要有纵波、横波、表面波和兰姆波。

在决定对某一试件选用哪种波型或检测技术时，所考虑的主要因素是试件中需要检测缺陷的位置及取向，选取的原则是要得到缺陷的最大可能显示。 

根据叶片的实际几何形状及叶片排气侧榫头裂纹的形貌与位置，我们确定了将超声探头放置在叶片叶盆侧缘板上，并采用斜入射方式进行检查的技术方案。 

从常规的应用原理上讲，超声波斜入射检查有两种方法：纯横波检查或小角度纵波检查。横波和纵波是两种不同类型的超声波，横波波长短，灵敏度和指向性优于纵波；但是横波衰减较纵波大。故我们分别制作一系列横波探头和小角度纵波探头对单个带有人工伤的叶片进行了超声探伤试验。初步试验结果表明：采用小角度纵波时，受叶片几何形状及被检部位与扫查面特殊空间关系的影响，存在很多波型及波型转换，因此有很多回波,给裂纹信号的判断带来了很大困难。(2)采用不同角度横波检查时,出现回波的位置相对都比较固定，经反复分析、验证，发现叶片排气侧榫头底部R处可形成一个固定回波信号，此信号与榫头裂纹信号同时出现,使我们检查榫头裂纹时，方便找到探头与叶片缘板的最佳耦合位置，故将因榫头几何结构产生的回波信号称为监控信号。综上所述，我们确定采用横波对榫头裂纹进行检测。 

另外，关于专用探头折射角范围的确定我们还补充说明如下： 

通过对被测叶片进行空间观察，我们发现探头扫查面（叶片叶盆侧缘板）、叶片榫头裂纹（起始于排气侧压力面转接R处）及榫头底面空间关系平行但位置近似成一条斜线，因此探头折射角范围的确定必须满足两个基本条件：(1)折射声束是纯横波；(2)折射主声束能够覆盖叶片榫头根部型面，最大折射角不超过榫头底面排气侧压力面，如图6所示，叶片榫头压力面与榫头底面的夹角δ即等于最大折射角β，通过测量计算我们得到δ约为38.7°。 对于最小折射角计算主要根据斯奈尔定律，具体请参见前文所述的公式①和②。

综合上述，确定横波折射角范围应该在32°~38.7°之间。由于声束具有一定的扩散角,折射角范围可以有1°~2°的浮动。我们根据计算得到的折射角范围制作了一组不同角度的横波探头，经试验验证，当探头放在叶片缘板合适位置时，叶片榫头部位的人工伤和监控信号均在超声仪上有清晰的回波显示。 

本实施例实现了原位检测，具备非常突出的经济价值和巨大的技术应用价值技术效果优良。 

  

本实施例相关的其他问题说明：

（1）探头设计：某发动机高压压气机叶片榫头部位所在的机匣是由外涵机匣、前机匣、零级可调叶片、一级转子叶片和一级叶盘等组成，原位超声探伤时，探头经外涵机匣上尺寸仅有9毫米的圆孔进入机匣内部，通过叶片间隙到达检测点，如图6所示。

众所周知，超声检测时如果探头和试件之间有一层空气，超声波的反射率几乎为100%，即使很薄的一层空气也可能阻止超声波传入试件。耦合剂可以填充探头与试件间的空气间隙，使超声波能够传入试件。除此之外,耦合剂有润滑作用，可以减少探头和试件之间的摩擦，防止试件表面磨损探头，并使探头便于移动。因此，为了保证探头顺畅地伸缩，并与叶片缘板有效、良好的贴合，我们将拟研制探头的外壳尺寸限制在Φ8mm×10mm（内径尺寸Φ7.6mm×10mm，约是常用探头手册中最小横波探头尺寸的一半）。同时将耦合剂的实施与探头设计融为一体,即在Φ8mm探头内加入柔软度、耐磨疫相匹配的耦合管（即水管3），采取类似医用“打点滴”方式实现原位检查时的直接水耦合，同时由于所做夹具与叶片缘板接触面存在一定夹角，且只能通过探头外壳制作来实现，故最终原位探头设计见图3、图4。 

（2）探头制作 

常规横波探头由压电晶片、吸声材料、斜楔、阻尼块、电缆线、外壳组成。通用探头手册中常规横波探头外廓尺寸长×宽×高约为24mm×14mm×22mm。而我们在制作专用探头时，由于受探头外壳尺寸限制，有机玻璃斜楔只能做成6mm×4.5mm，这种过小的尺寸限制，造成斜楔内多次反射声波无法完全消除掉，故专门选择了进口吸声材料，以减少杂波干扰。

在探头连接上，探头必须与工装有效连接，才能确保探头面与叶片缘板的有效贴合，从而实现叶片的原位超声检测，因此专用探头后面需制作Φ6mm×5mm金属座（即插接座2）与夹具保证同轴牢固连接。由于探头外壳（外壳联通内部的压电晶片5等统称为探头体1）尺寸Φ8mm，金属座（对应插接座2）外廓尺寸Φ6mm,两者连接时存在着配合间隙，所以可以将金属座与探头配合处加工成Φ7.6rmm×5mm的整体金属管，使金属座与探头同轴；并通过将Φ7.6mm×5mm金属管与探头Φ8mm×7.6mm外壳配合后灌入一种固化胶来达到探头与金属座的牢固连接。此外,为使探头具有良好的信噪比,尽可能提高探头的灵敏度，在压电晶片5制作中，专门增加了匹配层，提高吸声效果。 

（3）模拟样机试验：将带有两片有伤叶片的叶片组(共38片)随机组装在试验机上。在孔探仪的帮助下使用发动机传动齿轮箱转动发动机核心机到合适位置，用探头位置控制器将探头定位到一片叶片叶盆侧缘板合适位置，直到仪器出现叶片榫头叶背侧根部转角R处(外凸)的反射回波信号，然后向叶盆根部平移探头观察伤波有效信号区域是否有显示信号。当完成一片叶片检测时，在检查记录本上进行记录。同时操作探头位置控制器移开探头，进行下一叶片的检测。通过检查发现有两片叶片在伤波有效信号区域有显示信号，随后从发动机上拆下此两片叶片，确实为两片带伤叶片。 

（4）飞机状态试验： 

打开飞机高压压气机零级叶片孔探口盖、低压压气机二级叶片孔探口盖、飞机附件机匣蒙皮口盖、发动机舱口盖、进气道防护堵盖。连接发动机燃油驱动装置，将高压压气机可调叶片转到全开位置。

使孔探仪到达观察位置，将高压转子分度定位摇转工具安装到飞机附件机匣高压转子摇转位置，用人工制作的参比标准件对超声检查装置进行灵敏度校验。 

之后，将超声波探头放入检查位置并固定，在孔探仪的帮助下，逆时针缓慢转动高压转子分度摇转共军，使超声波检测专用探头到达叶片检查位置，观察超声波检合仪波型显示，并对显示结果进行评定。 

我们在某机场对飞机状态下30台发动机叶片进行了原位超声波探伤检查，检查效果良好，未见异常显示。 

  

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，其主要不同之处在于：

1）所述专用探头满足下述要求：其整体为轴状或者杆状组件，横截面外轮廓最大直径或者横截面的外接圆直径要求≤ 8mm。针对发动机上可能伸进探头的机匣处圆孔直径尺寸对应着这一要求。,

2）所述发动机叶片原位超声检测方法中，专用探头的探头体1的横截面外轮廓为圆形，同时，探头体1朝向被检测对象一侧的外端面与探头体1的轴线之间有12°的夹角。

  

 实施例3

本实施例与实施例1基本相同，其主要不同之处在于：

1）所述专用探头满足下述要求：其整体为轴状或者杆状组件，横截面外轮廓最大直径或者横截面的外接圆直径要求≤10mm。针对发动机上可能伸进探头的机匣处圆孔直径尺寸对应着这一要求。,

2）所述发动机叶片原位超声检测方法中，专用探头的探头体1的横截面外轮廓为圆形，同时，探头体1朝向被检测对象一侧的外端面与探头体1的轴线之间有16°的夹角。

Claims (6)

1.一种发动机叶片原位超声检测方法，其特征在于：使用专用的探头在发动机叶片外场进行原位检测，在超声波探伤仪上得到A扫描波形图，然后根据A扫描波形图判定探头扫查区域内的被检测叶片是否有损伤；

所述专用的探头具体由下述结构组成：探头体（1）、插接座（2）、水管（3）、电缆（4）、压电晶片（5）；其中：探头体（1）与插接座（2）固定连接为一体；水管（3）和电缆（4）都布置在探头体（1）与插接座（2）内部并延伸到插接座（2）远离其与探头体（1）连接处的外部；压电晶片（5）固定设置在探头体（1）靠近被探测物的前端，且其与电缆（4）构成电连接；

探头体（1）朝向被检测对象一侧的外端面上还设置有连通外部的注水孔（5），注水孔（5）与水管（3）相连接；

电缆（4）连接着超声波探伤仪。

2.按照权利要求1所述发动机叶片原位超声检测方法，其特征在于：所述发动机叶片原位超声检测方法中，专用探头放置在被检测叶片叶盆侧缘板上，采用斜入射方式对叶片榫头可能发生裂纹的区域进行检查；

具体的超声波斜入射检查方法具体为采用纯横波检查。

3.按照权利要求2所述发动机叶片原位超声检测方法，其特征在于：所述发动机叶片原位超声检测方法中还有下述要求：

1）折射角范围满足下述两个条件：其一，折射声束是纯横波；其二，折射主声束要求覆盖叶片榫头根部型面，最大折射角要求不超过榫头底面排气侧压力面，折射角的取值范围是32-38.7°，折射角依据斯奈尔定律并根据下述公式可以计算：

  -----------------------①

 

 ---------------②

式中：为纵波入射角（第一临界角）；为最小横波折射角；为纵波在有机玻璃中的声速2700m/s；为纵波在钛合金叶片中的声速6100m/s；为横波在钛合金叶片中的声速3200m/s；为入射角，亦即专用探头的压电晶片（5）的法线和被检测叶片榫头缘板之间的夹角；

2）所述专用探头满足下述要求：其整体为轴状或者杆状组件，横截面外轮廓最大直径或者横截面的外接圆直径要求≤ 9mm。

4.按照权利要求3所述发动机叶片原位超声检测方法，其特征在于：所述发动机叶片原位超声检测方法中，专用探头的探头体（1）的横截面外轮廓为圆形，同时，探头体（1）朝向被检测对象一侧的外端面与探头体（1）的轴线之间有12-16°的夹角。

5.按照权利要求1-4其中之一所述发动机叶片原位超声检测方法，其特征在于：所述发动机叶片原位超声检测方法中，首先针对表面制有人工伤的参比标准件首先对探头进行灵敏度校验和检测有效性的效果验证，然后再进行发动机叶片原位超声检测相关操作。

6.按照权利要求5所述发动机叶片原位超声检测方法，其特征在于：所述表面制有人工伤的参比标准件满足下述要求：长（L）×宽（d）×开口宽度（W）为3.81mm×3.08mm×0.20mm；具体为电火花加工获得。

Images