CN110174464B - 一种涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测装置及其方法，装置主要包括探头安置盖、超声检测子系统、高速滑环、工控机四大部分。其中，相控阵全聚焦探头和校准用相控阵全聚焦探头通过螺纹安装在探头安置盘上。采用内部缺陷在线超声检测技术，实现了在旋转状态下进行涡轮发动机转子内部缺陷在线检测，克服了需使工件处于静止状态、移下试验系统、拆解后再检测的问题；压缩了检测工作量及对试验进度的影响；解决了合理制定检测周期问题；达到高效识别内部缺陷、裂纹及其变化的目的。本专利涉及的发明在涡轮发动机转子内部缺陷在线检测方法具有内部缺陷扫查效率高、识别能力强的特点，解决了现有内部缺陷无损检测技术不足之处。

Description

一种涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测装置及方法
技术领域
本发明属于用于指示或测量工件特性的技术领域，具体为一种涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线无损检测方法。
背景技术
涡轮发动机转子转速高、温度高，安全性要求高；同时涡轮发动机转子通常含有微裂纹和微孔洞等缺陷，易成为疲劳源源，大幅缩减疲劳寿命，严重威胁航空发动机的安全可靠性。因此，需对其内部缺陷及其扩展开展高精度的检测工作，为涡轮发动机转子的裂纹扩展研究与损伤容限研究提供支撑。涡轮发动机转子停机时，内部缺陷造成的裂纹发生闭合，具有检测信号弱、不易识别的特点。
现有的内部缺陷扩展无损检测方法主要有射线法、超声波法。传统的射线法、超声波法需让试验件停机，移下试验系统，拆解，进行移位检测；或让试验件保持低速运动、超声检测探头保持静止；或者让试验件保持静止，通过设置转动轴带动探头旋转、提升。在用于涡轮发动机转子时上述方法存在以下问题：移位检测方式需要拆除工装，严重影响试验进度，工作量大，进而导致试验的检测周期长，轮盘破裂前的检测过程往往不能发现裂纹，同时，由于检测时工件不受载，裂纹处于闭合状态，裂纹检出率低；试验件保持低速运动、超声检测探头保持静止的方式则受限于工装遮挡涡轮发动机转子盘心等关键部位、中心孔或偏心孔尺寸小，不能观察到缺陷部位，受限于楔块与试验件间存在摩擦、磨损，不能应用于涡轮发动机转子的旋转试验，受限于其转动方式其只能对轮心部位进行定角度检测，且很难均匀地给探头施加压力保证探头的良好耦合。因而，对于涡轮发动机转子内部缺陷，这些方法都或多或少存在扫查效率低、扫查效果差的问题。
发明内容
为解决上述技术背景中提出的涡轮发动机转子内部缺陷扩展无损检测效率低、效果差的问题，本发明提供了一种基于在线检测的超声波无损检测方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案是：
涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测装置包括探头安置盖、探头、楔块、超声收发仪、高速滑环、工控机、芯轴和高速柔性轴；待测涡轮发动机转子通过锁紧螺母紧固，与芯轴、探头安置盖、下盖形成一个整体；所述的探头安置盖上开有第一螺栓孔，第一螺栓孔内安放相控阵全聚焦探头；所述第一螺栓孔靠涡轮发动机转子端设置第一凹槽，第一凹槽内放置第一楔块；所述探头安置盖在关于第一螺栓孔的对称位置开有第二螺栓孔，第二螺栓孔内安放校准用相控阵全聚焦探头，所述第二螺栓孔靠涡轮发动机转子端设置第二凹槽，第二凹槽内放置第二楔块；所述相控阵全聚焦探头和校准用相控阵全聚焦探头通过螺纹安装在各自的螺栓孔内；所述第一楔块和第二楔块通过探头安置盘和涡轮发动机转子的压紧作用固定；
芯轴中心开设中空安装部用于安装和固定超声收发仪；超声收发仪通过数据线与相控阵全聚焦探头相连；芯轴与高速柔性轴同轴安装，高速柔性轴的端部连接高速滑环；超声收发仪通过贯穿高速柔性轴的数据线与高速滑环的动环接线端相连，高速滑环的静环接线端通过导线与工控机相连。
优选的，所述探头采用频率大于5MHz、64晶片、耐高速旋转的线阵或面阵相控阵全聚焦探头。
优选的，所述高速滑环采用高速滑环引电器，对旋转状态下探头超声波测试数据进行传输；如可以采用CX-24-20000RPM型高速滑环引电器，其滑环通道数为24个；在需要时，也可采用更高通道数的高速滑环引电器。
优选的，所述相控阵全聚焦探头和所述校准用相控阵全聚焦探头均施加10N.m的拧紧力矩，保证所述涡轮发动机转子转动时，所述相控阵全聚焦探头、第一楔块和所述涡轮发动机转子紧密贴合，所述校准用相控阵全聚焦探头、第二楔块和所述涡轮发动机转子紧密贴合。
优选的，所述第一螺栓孔和第二螺栓孔尺寸和结构相同，两者关于转动轴对称。
优选的，所述相控阵全聚焦探头和所述校准用相控阵全聚焦探头型号相同；所述的第一楔块和第二楔块相同。
优选的，所述的第一楔块和第二楔块采用聚砜材质。楔块对探头起保护作用，避免探头直接与所述涡轮发动机转子接触而导致的摩擦损耗。另外由于涡轮发动机转子的形状并不固定，采用楔块还可自适应涡轮发动机转子的形状，因涡轮发动机转子的改变，而导致探头不适用或损坏。
本发明还公开了一种所述检测装置的涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测方法，包括如下步骤：
(1)试验前，开展涡轮发动机转子移位相控阵全聚焦扫查，确定扫查参数，确定危险部位最大缺陷，并作为在线检测部位；
(2)根据扫查参数，安装探头安置盘、第一楔块和第二楔块；但不放置所述相控阵全聚焦探头及所述校准用相控阵全聚焦探头，进行试转；
(3)放置所述相控阵全聚焦探头及所述校准用相控阵全聚焦探头，开启超声检测，缓慢提高转速至预设转速，通过所述高速滑环传送超声波信号并成像；
(4)根据所述相控阵全聚焦探头及所述校准用相控阵全聚焦探头的成像结果对比判断信号是否准确，根据所述相控阵全聚焦探头的信号判断缺陷裂纹是否发展至表面，并确定扩展裂纹的位置、形状、尺寸，并开展裂纹扩展仿真，确定检测周期；
(5)移除所述相控阵全聚焦探头及所述校准用相控阵全聚焦探头，根据步骤(4)确定的检测周期开展阶段性疲劳试验；
(6)开展阶段性疲劳试验，疲劳试验结束后，重复步骤(3)-(4)；
(7)若裂纹未发展至表面，则在涡轮发动机转子开展下一阶段疲劳试验后，重复步骤(3)-(6)的检测步骤；若裂纹扩展临近表面，则进行表面的涡流检测；
(8)根据成像结果判断裂纹内部和表面尺寸，开展裂纹扩展仿真，判断转子是否达到爆裂的临界点；若未达爆裂的临界点则重复步骤(5)-(7)过程；若达爆裂的临界点则结束试验。
所述超声收发仪产生超声信号传输给探头，并接收探头的采集信号，超声收发仪与工控机相连。所述相控阵全聚焦探头能获得高缺陷成像分辨力。所述工控机用于超声无损检测自动扫描控制及图形成像分析处理。
本发明的有益效果是：本发明方案采用内部缺陷在线超声检测技术，实现了在旋转状态下进行涡轮发动机转子内部缺陷在线检测，克服了需使工件处于静止状态、移下试验系统、拆解后再检测的问题；压缩了检测工作量及对试验进度的影响；解决了合理制定检测周期问题；达到高效识别内部缺陷、裂纹及其变化的目的。本专利涉及的发明在涡轮发动机转子内部缺陷在线检测方法具有内部缺陷扫查效率高、识别能力强的特点，解决了现有内部缺陷无损检测技术不足之处。
附图说明
图1是涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测装置结构框图。
图2是涡轮发动机转子检测装置示意图。
图3是涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线检测流程图。
图中，1.芯轴，2.相控阵全聚焦探头，3.探头安置盖，4.楔块1，5.涡轮发动机转子，6.下端盖，7.锁紧螺母，8.楔块2，9.校准用相控阵全聚焦探头，10.超声收发仪，11.高速柔性轴，12.动环接线端，13.静环接线端，14.工控机，15.高速滑环。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测装置包括芯轴1、高速柔性轴11、探头安置盖3、超声检测子系统、高速滑环15和工控机14；超声检测子系统包括相控阵全聚焦探头2和超声收发仪10；待测涡轮发动机转子5安装在芯轴上，一端通过锁紧螺母7紧固，另一端由探头安置盖3固定；所述的探头安置盖上开有第一螺栓孔，第一螺栓孔内安放相控阵全聚焦探头2；所述第一螺栓孔靠涡轮发动机转子5端设置第一凹槽，第一凹槽内放置第一楔块4；所述探头安置盖在关于第一螺栓孔的对称位置开有第二螺栓孔，第二螺栓孔内安放校准用相控阵全聚焦探头9，所述第二螺栓孔靠涡轮发动机转子5端设置第二凹槽，第二凹槽内放置第二楔块8；所述相控阵全聚焦探头2和校准用相控阵全聚焦探头9通过螺纹安装在各自的螺栓孔内；所述第一楔块4和第二楔块8通过探头安置盘和涡轮发动机转子5的压紧作用固定；芯轴中心开设中空安装部用于安装和固定超声收发仪10；超声收发仪通过数据线与相控阵全聚焦探头2相连；芯轴与高速柔性轴同轴安装，高速柔性轴的端部连接高速滑环；超声收发仪通过贯穿高速柔性轴的数据线与高速滑环的动环接线端相连，高速滑环的静环接线端通过导线与工控机相连。
超声检测子系统含相控阵全聚焦探头2。所述相控阵全聚焦探头2采用频率大于5MHz、64晶片、耐高速旋转的线阵或面阵相控阵全聚焦探头。所述的超声检测子系统还包括超声收发仪；所述超声收发仪产生超声信号传输给探头，并接收探头的采集信号，超声收发仪与工控机相连。所述的相控阵全聚焦探头将采集的信号经超声收发仪传递至工控机，所述工控机用于超声无损检测自动扫描控制及图形成像分析处理。
所述高速滑环采用CX-24-20000RPM型高速滑环引电器，对旋转状态下探头超声波测试数据进行传输。所述滑环通道数为24个。
通过采用高频相控阵全聚焦超声探头，本发明方案解决涡轮发动机转子内部缺陷、内部缺陷的识别问题，及降低检测参数调整的复杂性；通过采用在线检测方式，减少对试验进度的影响，降低工作量大，进而达到加密试验检测周期，高效分辨缺陷的发展；通过制定正确的检测方案，达到根据内部缺陷发展情况制定合理的检测周期等问题；提高裂纹检出率。
涡轮发动机转子型面方向内部缺陷扩展在线检测的使用过程包括如下步骤：
(1)试验前，开展涡轮发动机转子移位相控阵全聚焦扫查，确定扫查参数，确定危险部位最大缺陷，并作为在线检测部位；
(2)根据扫查参数，安装探头安置盘、第一楔块和第二楔块；但不放置所述相控阵全聚焦探头及所述校准用相控阵全聚焦探头，进行试转；
(3)放置所述相控阵全聚焦探头及所述校准用相控阵全聚焦探头，开启超声检测，缓慢提高转速至预设转速，通过所述高速滑环传送超声波信号并成像；
(4)根据所述相控阵全聚焦探头及所述校准用相控阵全聚焦探头的成像结果对比判断信号是否准确，根据所述相控阵全聚焦探头的信号判断缺陷裂纹是否发展至表面，并确定扩展裂纹的位置、形状、尺寸，并开展裂纹扩展仿真，确定检测周期；
(5)移除所述相控阵全聚焦探头及所述校准用相控阵全聚焦探头，根据步骤(4)确定的检测周期开展阶段性疲劳试验；
(6)开展阶段性疲劳试验，疲劳试验结束后，重复步骤(3)-(4)；
(7)若裂纹未发展至表面，则在涡轮发动机转子开展下一阶段疲劳试验后，重复步骤(3)-(6)的检测步骤；若裂纹扩展临近表面，则进行表面的涡流检测；
(8)根据成像结果判断裂纹内部和表面尺寸，开展裂纹扩展仿真，判断转子是否达到爆裂的临界点；若未达爆裂的临界点则重复步骤(5)-(7)过程；若达爆裂的临界点则结束试验。

Claims (6)

1.一种涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测装置，其特征在于包括芯轴（1）、高速柔性轴（11）、探头安置盖（3）、超声检测子系统、高速滑环（15）和工控机（14）；超声检测子系统包括相控阵全聚焦探头（2）和超声收发仪（10）；待测涡轮发动机转子（5）安装在芯轴上，一端通过锁紧螺母（7）紧固，另一端由探头安置盖（3）固定；所述的探头安置盖上开有第一螺栓孔，第一螺栓孔内安放相控阵全聚焦探头（2）；所述第一螺栓孔靠涡轮发动机转子（5）端设置第一凹槽，第一凹槽内放置第一楔块（4）；所述探头安置盖在关于第一螺栓孔的对称位置开有第二螺栓孔，第二螺栓孔内安放校准用相控阵全聚焦探头（9），所述第二螺栓孔靠涡轮发动机转子（5）端设置第二凹槽，第二凹槽内放置第二楔块（8）；所述相控阵全聚焦探头（2）和校准用相控阵全聚焦探头（9）通过螺纹安装在各自的螺栓孔内；所述第一楔块（4）和第二楔块（8）通过探头安置盖和涡轮发动机转子（5）的压紧作用固定；
芯轴中心开设中空安装部用于安装和固定超声收发仪（10）；超声收发仪通过数据线与相控阵全聚焦探头（2）相连；芯轴与高速柔性轴同轴安装，高速柔性轴的端部连接高速滑环；超声收发仪通过贯穿高速柔性轴的数据线与高速滑环的动环接线端相连，高速滑环的静环接线端通过导线与工控机相连；
所述探头采用频率大于5MHz、64晶片、耐高速旋转的线阵或面阵相控阵全聚焦探头；
所述相控阵全聚焦探头和所述校准用相控阵全聚焦探头均施加10N.m的拧紧力矩，保证所述涡轮发动机转子转动时，所述相控阵全聚焦探头、第一楔块和所述涡轮发动机转子紧密贴合，所述校准用相控阵全聚焦探头、第二楔块和所述涡轮发动机转子紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测装置，其特征在于所述高速滑环采用高速滑环引电器，对旋转状态下探头超声波测试数据进行传输。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测装置，其特征在于所述第一螺栓孔和第二螺栓孔尺寸和结构相同，两者关于转动轴对称。
4.根据权利要求3所述的涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测装置，其特征在于所述相控阵全聚焦探头和所述校准用相控阵全聚焦探头型号相同；所述的第一楔块和第二楔块相同。
5.根据权利要求4所述的涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测装置，其特征在于所述的第一楔块和第二楔块采用聚砜材质。
6.一种权利要求1所述检测装置的涡轮发动机转子内部缺陷扩展在线超声检测方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）试验前，开展涡轮发动机转子移位相控阵全聚焦扫查，确定扫查参数，确定危险部位最大缺陷，并作为在线检测部位；
（2）根据扫查参数，安装探头安置盖、第一楔块和第二楔块；但不放置所述相控阵全聚焦探头及所述校准用相控阵全聚焦探头，进行试转；
（3）放置所述相控阵全聚焦探头及所述校准用相控阵全聚焦探头，开启超声检测，缓慢提高转速至预设转速，通过所述高速滑环传送超声波信号并成像；
（4）根据所述相控阵全聚焦探头及所述校准用相控阵全聚焦探头的成像结果对比判断信号是否准确，根据所述相控阵全聚焦探头的信号判断缺陷裂纹是否发展至表面，并确定扩展裂纹的位置、形状、尺寸，并开展裂纹扩展仿真，确定检测周期；
（5）移除所述相控阵全聚焦探头及所述校准用相控阵全聚焦探头，根据步骤（4）确定的检测周期开展阶段性疲劳试验；
（6）开展阶段性疲劳试验，疲劳试验结束后，重复步骤（3）-（4）；
（7）若裂纹未发展至表面，则在涡轮发动机转子开展下一阶段疲劳试验后，重复步骤（3）-（6）的检测步骤；若裂纹扩展临近表面，则进行表面的涡流检测；
（8）根据成像结果判断裂纹内部和表面尺寸，开展裂纹扩展仿真，判断转子是否达到爆裂的临界点；若未达爆裂的临界点则重复步骤（5）-（7）过程；若达爆裂的临界点则结束试验。
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