CN106845011B - 一种大型燃气轮机叶片数字射线分区探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型燃气轮机叶片数字射线分区探测方法，采用X射线源和平板探测器组成数字射线探测系统，所述X射线源以六组透照参数对待测叶片进行透照，在所述平板探测器上形成由高亮全白过渡至全黑的图像灰度，确定各个分区厚度变化，划分各个透照分区，裁剪得到有效区域，最后完成分区图像的拼接。本发明方法可增大射线透照区域、简化操作、提高检测效率，规范燃气轮机叶片数字射线分区探测方法，有助于实现燃气轮机叶片内部缺陷的快速提取，操作简单，对工人技术水平要求较低，在工厂大规模检测时效率高，具有较高的实用性。
Description
【技术领域】
本发明属于工业射线无损检测领域，涉及一种应用于大型燃气轮机叶片的分区探测方法。
【背景技术】
燃气轮机是一种旋转叶轮式动力机械。在工作中，高速流动的燃料-空气混合气体(工作介质)冲击叶轮使其旋转，进而将工作介质的内能、动能等形式的能量转化为叶轮的动能并通过输出轴对外做功。燃气轮机主要在两个领域有着较为广泛的应用：一方面，可在发电系统中作为发电机组的能量输入源；另一方面，又可充当大型舰船的发动机为其提供动力。燃气轮机属于极具战略意义的动力装备，而我国目前尚未完全掌握燃气轮机的核心技术，相关产品还主要依靠国外进口。叶片作为构成燃气轮机的核心气动零件，其制造通常采用精密铸造成型工艺，且在工作中需要在极高的温度和压力下承受巨大的载荷。因此，叶片在制造以及服役的过程中，会在其内部形成裂纹、缩孔、缩松、夹杂等形式的缺陷。将严重影响燃气轮机整机的性能以及运行的安全可靠性。因此，研究燃气轮机叶片缺陷的检测技术，对提高我国燃气轮机制造水平、突破发达国家的技术封锁具有深远的战略意义。
传统的燃气轮机叶片检测是通过工业射线借助胶片成像的方法。其过程通常是将叶片左右较薄区域作为同一透照区域，将中间较厚区域作为单独的另一透照区域。由于铅材料对射线具有较大的衰减作用，故区域的分割是通过铅丝对部分透照区域进行遮挡而形成划分的边界，没有绝对的标准。该方法的不足之处在于：铅丝遮挡处是检测的盲区，检测的过程复杂；胶片的成本较高且难以保存；评判通常由人工完成，受经验和主观性影响较大。
燃气轮机叶片表面是复杂的自由曲面，且各个位置的曲率和厚度沿着曲面连续变化。考虑到燃气轮机叶片复杂的结构和不均匀的厚度分布以及平板探测器有限的成像范围(小于叶片叶身尺寸)，为获得较好的成像质量，必须要对燃气轮机叶片的不同部位采用不同的透照参数进行分区域探测，区域的划分以及透照参数的选取就显得尤为的关键。分区探测之后为了显示缺陷的位置，需要将所有分区图像进行拼接组合。传统分区方法由于铅丝对叶片的遮挡严重，大大减小了有效透照面积。并且分区操作复杂，使得检测效率大大降低。由于叶片曲率以及厚度变化连续，透照后的图像灰度变化均匀，难以实现对分区图像的拼接。传统分区方法没有具体的量化标准，对分区的各个参数没有具体规定。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，本发明设计了一种基于数字射线的燃气轮机叶片分区探测方法，简化了区域划分的过程并提出了区域划分的标准，有助于实现燃气轮机叶片内部缺陷的快速提取。
本发明采用以下技术方案：
一种大型燃气轮机叶片数字射线分区探测方法，其特征在于：采用X射线源和平板探测器组成数字射线探测系统，所述X射线源以六组透照参数对待测叶片进行透照，在所述平板探测器上形成由高亮全白过渡至全黑的图像灰度，确定各个分区厚度变化，划分各个透照分区，裁剪得到有效区域，最后完成分区图像的拼接。
进一步的，包括以下步骤：
S1、按照平板探测器成像尺寸大小和待测叶片几何结构选取透照方向，获取所述待测叶片在此方向的投影；
S2、利用两个铅点以及待测叶片叶身的四个角点将所述待测叶片分为上、下两部分，上下各三个分区，确定各个分区的透照参数，获取各个区域透照厚度变化范围；
S3、按照待测叶片的厚度、曲率和尺寸变化规律布置两个所述铅点的间隔，划分所述待测叶片的六个透照区域；
S4、根据两个所述铅点在透照图像中呈现的高亮白点，以及待测叶片叶身的四个所述角点在透照图像中处于灰度明暗变化临界位置特征，获取所述铅点和角点的几何中心坐标；
S5、通过获取各个分区两个对角点的坐标，将各个分区图像裁剪出来并获取有效区域；
S6、将裁剪出来的各个分区图像分别以两个所述铅点为基准，将六个分区拼接到一起，完成对整个分区图像的拼接。
进一步的，步骤S2中，所述待测叶片上部从左到右依次为第一分区、第二分区和第三分区，下部从左到右依次为第四分区、第五分区和第六分区，所述第一分区、第二分区、第四分区和第五分区的交点为第一铅点，所述第二分区、第三分区、第五分区和第六分区的交点为第二铅点。
进一步的，步骤S2具体包括以下步骤：
S21、沿透照方向以待测叶片叶身高度四分之一处的截面与四分之三处的截面厚度变化作为初步透照参数获取的参考；
S22、在所述叶身宽度方向上将截面三等分，利用有限元分析或以三坐标机测量截面各部分厚度变化，确定各个部分透照厚度变化范围；
S23、加工一个厚度范围与待测截面部分透照厚度范围相同的同材质试验用楔块，由零开始不断增大所述数字射线探测系统的透照参数，直到透照图像成像灰度处于所述平板探测器响应线性区域中心三分之二区域为止，得到区域理论透照厚度变化范围。
进一步的，步骤S3具体包括以下步骤：
S31、加工一个厚度变化范围与所述待测叶片叶身整体厚度变化范围相同的试验用楔块，分别以步骤S2得到的六组透照参数对所述楔块进行透照，获取在各组参数下的检测图像，确定各组参数的有效透照厚度范围；
S32、将待测叶片设计模型导入有限元分析软件，随后对其进行网格划分，沿射线透照方向对网格进行数值计算，确定射线透照方向上所述待测叶片的厚度与曲率；
S33、将两个所述铅点贴于所述待测叶片中线上，调整两个所述铅点的间距以及每个所述铅点与所述待测叶片边界的间距，使得各个分区的厚度变化范围处于步骤S31所确定的各个对应透照参数的有效透照厚度范围，划分所述待测叶片的透照区域。
进一步的，步骤S32中，所述待测叶片的厚度与曲率具体为：首先，通过对叶片进行定尺寸网格划分，沿射线透照方向确定该方向上的网格数量值，该值乘以单个网格尺寸即可计算出射线透照方向上的厚度；然后，通过选取各个网格的临点，对曲率张量求取平均值，即可计算出叶片表面的曲率。
进一步的，步骤S33中，各个分区曲率变化不超过总曲率变化的三分之一。
进一步的，步骤S6具体包括以下步骤：
S61、利用X射线源对所述待测叶片的六个分区分别进行透照，得到六幅透照图像；
S62、分别以两个所述铅点和四个所述角点坐标对所述透照图像进行图像截取，获得六个分区图像；
S63、以所述待测叶片的高度方向作为各个分区图像的Y轴正方向，沿所述待测叶片宽度方向定义各个分区图像的X轴正方向，重新建立各个分区的坐标系；
S64、分别以两个所述铅点的几何中心为基准，统一各个分区的坐标系，完成六个分区图像的拼接。
进一步的，步骤S61中，所述六个分区采用不同的曝光参数。
进一步的，步骤S64中，先以第一铅点的几何中心为基准，统一第一分区、第二分区、第四分区和第五分区的坐标系，完成四个分区图像的拼接；再变换第一分区、第二分区、第四分区和第五分区的统一坐标系与第二铅点的几何中心重合；以第二铅点的几何中心为基准，统一第三分区和第六分区的坐标系以及第一分区、第二分区、第四分区和第五分区拼接图像的坐标系，完成对六幅分区图像的拼接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种大型燃气轮机叶片数字射线分区探测方法，采用X射线源和平板探测器组成数字射线探测系统，以一组透照参数对待测叶片进行透照，在平板探测器上形成由高亮全白过渡至全黑的图像灰度，具有一个线性响应区域，以在透照参数下所形成图像的灰度变化范围必须处于数字射线探测系统的线性变化区域作为确定各个分区厚度变化的依据，进而划分各个透照分区，裁剪得到有效区域，最后完成分区图像的拼接，各个分区厚度变化范围由平板探测器的响应曲线决定，提高了透照成像质量，对区域划分提出有效划分标准，提高缺陷检出准确率，各区域厚度分布合理，可运用于数字射线检测实现缺陷三维参数的定量量化，有助于计算机系统识别大型燃气轮机叶片内部缺陷信息，提高叶片缺陷检测效率。
进一步的，按照平板探测器成像尺寸大小和待测叶片几何结构选取透照方向，获取投影，再对待测叶片分区，确定透照参数获取高质量的检测图像，合理布置铅点的间隔，根据透照图像得到铅点和角点的几何中心坐标，将各个分区裁剪出有效区域，最后以铅点为基准，将六个分区拼接成一体，整个分区探测方法步骤简单，操作简便，对工人技术水平要求较低，在工厂大规模检测时效率高。
进一步的，通过采用两个铅点代替传统方法中所使用的铅丝，大大减小对透照区域的遮挡，提高了透照面积。
进一步的，利用试验用楔块作为对比进行透照，确定透照厚度范围，导入有限元分析，得到待测叶片的厚度和曲率，调整铅点的间距，使各分区厚度变化范围处于楔块的透照厚度范围内，叶片分区获取可精确划分各组透照参数所对应的透照区域。
进一步的，利用铅点和角点进行图像截取，获得六个分区图像，再重新建立分区坐标系，叶片分区图像拼接结合分区基准点拼接获取叶片的完整检测图像，进而可实现对缺陷的精确定位。
综上所述，本发明方法可增大射线透照区域、简化操作、提高检测效率，规范燃气轮机叶片数字射线分区探测方法，有助于实现燃气轮机叶片内部缺陷的快速提取，操作简单，对工人技术水平要求较低，在工厂大规模检测时效率高，具有较高的实用性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
图1为本发明数字射线探测系统示意图；
图2为本发明燃气轮机叶片分区示意图；
图3为本发明数字射线探测成像系统线性响应区域曲线图；
图4为本发明获取初步透照参数的参考截面示意图；
图5为本发明B-B截面三等分示意图；
图6为本发明B-B截面第2部分厚度变化示意图；
图7为本发明试验楔块X射线透照示意图；
图8为本发明透照厚度-成像灰度关系曲线示意图；
图9为本发明叶片区域划分流程示意图；
图10为本发明叶片分区1、2、4、5坐标系示意图；
图11为本发明叶片分区3和6坐标系示意图；
图12为本发明叶片分区1、2、4、5图像拼接示意图；
图13为本发明叶片分区3和6图像拼接示意图；
图14为本发明叶片分区图像完整拼接流程，其中，(a)为六分区图像，(b)为第一阶段拼接，(c)为第一阶段拼接结果，(d)为第二阶段拼接，(e)为最终拼接结果。
【具体实施方式】
本发明针对在燃气轮机叶片分区探测中所面临的两个关键问题，提出一种用于分区探测的叶片区域分割方法以及分区图像拼接方法，对区域划分提出有效划分标准，提高缺陷检出准确率。
采用X射线源和平板探测器组成数字射线探测系统，X射线源以六组透照参数对待测叶片进行透照，在平板探测器上形成由高亮全白过渡至全黑的图像灰度，确定各个分区厚度变化，划分各个透照分区，裁剪得到有效区域，最后完成分区图像的拼接。
具体包括以下步骤：
S1、按照平板探测器成像尺寸大小和叶片几何结构选取合适的透照方向，获取叶片在此方向的投影，如图1所示，本发明各个分区厚度变化范围由平板探测器的响应曲线决定，提高了透照成像质量。
S2、利用第一铅点、第二铅点以及第一角点、第二角点、第三角点和第四角点将待测叶片分为上、下两部分，上部从左到右分成第一分区、第二分区、第三分区，下部从左到右分成第四分区、第五分区、第六分区，第一分区、第二分区、第四分区、第五分区四个分区的交点为第一铅点，第二分区、第三分区、第五分区、第六分区四个分区的交点为第二铅点，如图2所示；初步确定各个分区透照参数，获取各个区域理论透照厚度变化范围。
请参阅图3所示，数字射线探测系统以一组透照参数(电压、电流、曝光时间)对叶片进行透照，所形成的图像灰度可由高亮全白(较厚区域)过渡至全黑(较薄区域)，具有一个线性响应区域。以“在透照参数下所形成图像的灰度变化范围必须处于数字射线探测系统的线性变化区域”作为确定各个分区厚度变化的依据，进而划分各个透照分区。
本发明通过采用两个铅点代替传统方法中所使用的铅丝，大大减小对透照区域的遮挡，提高了透照面积。
请参阅图4所示，待测叶片叶身在叶身高度方向的厚度变化较为平缓，顶部与底部厚度差值很小，主要的厚度变化发生在叶身的宽度方向。本方法沿透照方向以叶身高度四分之一处的截面(图4中A-A处)与四分之三处的截面(图4中B-B处)的厚度变化作为初步透照参数获取的参考。
请参阅图5和图6所示，在叶身宽度方向上将截面三等分；将叶片模型导入有限元分析软件计算截面各个部分的厚度变化，或者以三坐标测量机测量截面厚度变化，确定各个部分透照厚度变化范围。
请参阅图7和图8所示，以第二分区为例，加工一个厚度范围与B-B截面第2部分透照厚度范围相同的同材质的试验楔块，如图7所示。由零开始不断增大数字射线探测系统的透照参数，直到透照图像成像灰度处于平板探测器响应线性区域中心三分之二区域为止，如图8所示，该透照参数即为第二分区的初步透照参数。相同的方法可分别确定第一分区、第三分区、第四分区、第五分区、第六分区的初步透照参数。
S3、按照叶片的厚度、曲率和尺寸变化规律布置两个铅点的间隔，精确划分叶片的六个透照区域，如图9所示。
S31、加工一个厚度变化范围与叶片叶身整体厚度变化范围一致的楔块。分别以初步选定的六组透照参数对该楔块进行透照，即可获取在各组参数下的检测图像。确定灰度范围处于探测系统线性变化区域的图像所对应的厚度范围即是各组参数的有效透照厚度范围。
射线透照待测叶片的过程就是对待测叶片在透照方向作投影，较大的曲率变化会使图像中的缺陷二维轮廓严重变形。为了将缺陷变形量均匀分配到各个分区，需限制各个分区曲率变化不超过总曲率变化的三分之一。
S32、将待测叶片设计模型导入有限元分析软件，随后对其进行网格划分，沿射线透照方向对网格进行数值计算，即可确定射线透照方向上叶片透照厚度与曲率。
首先，通过对叶片进行定尺寸网格划分，沿射线透照方向确定该方向上的网格数量值，该值乘以单个网格尺寸即可计算出射线透照方向上的厚度；然后，通过选取各个网格的临点，对曲率张量求取平均值，即可计算出叶片表面的曲率。
S33、将第一铅点和第二铅点(或其它高衰减率材料)贴于待测叶片的中线上，调整第一铅点和第二铅点的间距以及铅点与叶片边界的间距使得各个分区的厚度变化范围处于步骤S31中所确定的各组对应透照参数的有效透照厚度范围，且各个分区的曲率变化不得超过叶片总体曲率变化的三分之一。
S4、铅材料对射线的强衰减使得铅点在透照图像中呈现为高亮白点；叶身四个角点是临界位置点，在透照图像中处于灰度明暗变化临界位置。通过上述两个特征，可直接获取六个位置的几何中心坐标。
S5、通过获取每个分区对应两个对角点的坐标，将每个分区图像裁剪出来并获取有效区域。
S6、将裁剪出来的各个分区图像以第一铅点为基准，对第一分区、第二分区、第四分区、第五分区进行拼接；再以第二铅点为基准将第三分区、第六分区拼接到一起，从而完成对分区图像的拼接，如图14所示。
S61、分区透照
利用X射线源对叶片的六个分区分别进行透照，各个分区采用不同的曝光参数(电压、电流、曝光时间)。通过控制旋转载物台与X射线源的相对位置，使透照叶片时X射线中心束正对各个分区的中心，得到六幅透照图像。
S62、分区图像截取
计算机系统识别叶片四个角点的坐标和两个铅点的坐标，以第一铅点和第一角点的坐标对第一幅图像进行图像截取可获得第一分区的图像，以同样的方式可分别获得第三分区、第四分区、第六分区的图像。由第一铅点、第二铅点和二者在第一角点、第二角点连线上的投影点截取第二分区的图像；同理由第一铅点、第二铅点和二者在第三角点、第四角点连线上的投影点截取第五分区的图像。
S63、坐标系统一
请参阅图10和图11所示，以叶片的高度方向作为各个分区图像的Y轴正方向，沿叶片宽度方向定义各个分区图像的X轴正方向，重新建立各个分区的坐标系。其中，第一分区、第二分区、第四分区、第五分区所对应坐标系的原点为第一铅点的几何中心；第三分区、第六分区所对应坐标系的原点为第二铅点的几何中心。
S64、分区图像拼接
请参阅图12和图13所示，以第一铅点的几何中心为基准，统一第一分区、第二分区、第四分区、第五分区的坐标系进而完成这四个分区图像的拼接，如图12所示；变换第一分区、第二分区、第四分区、第五分区的统一坐标系使之与第二铅点的几何中心重合，如图13所示；以第二铅点的几何中心为基准，统一第三分区、第六分区的坐标系以及第一分区、第二分区、第四分区、第五分区拼接图像的坐标系，完成对六幅分区图像的拼接。图中细实线是叶身以外的窗选区域，并不影响缺陷识别，粗实线为叶身轮廓。
本发明各区域厚度分布合理，可运用于数字射线检测实现缺陷三维参数的定量量化。有助于计算机系统识别大型燃气轮机叶片内部缺陷信息，提高叶片缺陷检测效率。
本发明操作简单，对工人技术水平要求较低，在工厂大规模检测时效率高，具有较高的实用性。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种大型燃气轮机叶片数字射线分区探测方法，其特征在于：采用X射线源和平板探测器组成数字射线探测系统，在所述平板探测器上形成由高亮全白过渡至全黑的图像灰度，确定各个分区厚度变化，划分各个透照分区，所述X射线源以六组透照参数对待测叶片进行透照，裁剪得到有效区域，最后完成分区图像的拼接，包括以下步骤：
S1、按照平板探测器成像尺寸大小和待测叶片几何结构选取透照方向，获取所述待测叶片在此方向的投影；
S2、利用两个铅点以及待测叶片叶身的四个角点将所述待测叶片分为上、下两部分，上下各三个分区，确定各个分区的透照参数，获取各个分区透照厚度变化范围，所述待测叶片上部从左到右依次为第一分区、第二分区和第三分区，下部从左到右依次为第四分区、第五分区和第六分区，所述第一分区、第二分区、第四分区和第五分区的交点为第一铅点，所述第二分区、第三分区、第五分区和第六分区的交点为第二铅点；具体为：
S21、沿透照方向以待测叶片叶身高度四分之一处的截面与四分之三处的截面厚度变化作为初步透照参数获取的参考；
S22、在所述叶身宽度方向上将截面三等分，利用有限元分析或以三坐标机测量截面各部分厚度变化，确定各个分区的透照厚度变化范围；
S23、加工厚度范围分别与待测截面部分透照厚度范围相同的同材质试验用楔块，由零开始不断增大所述数字射线探测系统的透照参数，直到透照图像成像灰度处于所述平板探测器响应线性区域中心三分之二区域为止，得到各个分区透照参数；
S3、按照待测叶片的厚度、曲率和尺寸变化规律布置两个所述铅点的间隔，划分所述待测叶片的六个透照分区，具体为：
S31、加工一个厚度变化范围与所述待测叶片叶身整体厚度变化范围相同的试验用楔块，分别以步骤S2得到的六组透照参数对所述楔块进行透照，获取在各组透照参数下的透照图像，确定各组透照参数的有效透照厚度范围；
S32、将待测叶片设计模型导入有限元分析软件，随后对其进行网格划分，沿射线透照方向对网格进行数值计算，确定射线透照方向上所述待测叶片的厚度与曲率；
S33、将两个所述铅点贴于所述待测叶片中线上，调整两个所述铅点的间距以及每个所述铅点与所述待测叶片边界的间距，使得各个分区的厚度变化范围处于步骤S31所确定的各组对应透照参数的有效透照厚度范围，划分所述待测叶片的透照分区；
S4、利用X射线源对叶片的六个分区分别进行透照，各个分区采用不同的透照参数，通过控制旋转载物台与X射线源的相对位置，使透照叶片时X射线中心束正对各个分区的中心，得到六幅透照图像；根据两个所述铅点在透照图像中呈现的高亮白点，以及待测叶片叶身的四个所述角点在透照图像中处于灰度明暗变化临界位置特征，获取所述铅点和角点的几何中心坐标；
S5、通过获取各个分区两个对角点的坐标，将各个分区图像裁剪出来并获取有效区域；
S6、将裁剪出来的各个分区图像分别以两个所述铅点为基准拼接到一起，完成对整个分区图像的拼接。
2.根据权利要求1所述的一种大型燃气轮机叶片数字射线分区探测方法，其特征在于：步骤S32中，所述确定射线透照方向上所述待测叶片的厚度与曲率具体为：首先，通过对叶片进行定尺寸网格划分，沿射线透照方向确定该方向上的网格数量值，该值乘以单个网格尺寸即可计算出射线透照方向上的厚度；然后，通过选取各个网格的临点，对曲率张量求取平均值，即可计算出叶片表面的曲率。
3.根据权利要求1所述的一种大型燃气轮机叶片数字射线分区探测方法，其特征在于：步骤S33中，各个分区曲率变化不超过总曲率变化的三分之一。
4.根据权利要求1所述的一种大型燃气轮机叶片数字射线分区探测方法，其特征在于，步骤S6具体包括以下步骤：
S61、以待测叶片的高度方向作为各个分区图像的Y轴正方向，沿所述待测叶片宽度方向定义各个分区图像的X轴正方向，建立各个分区的坐标系；
S62、以第一铅点的几何中心为基准，统一第一分区、第二分区、第四分区、第五分区的坐标系进而完成这四个分区图像的拼接；变换第一分区、第二分区、第四分区、第五分区的统一坐标系使之与第二铅点的几何中心重合；以第二铅点的几何中心为基准，统一第三分区、第六分区的坐标系以及第一分区、第二分区、第四分区、第五分区拼接图像的坐标系，完成六个分区图像的拼接。
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