CN111351452B - 一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，包括以下步骤：步骤1，将空心涡轮叶片固定在支架工装上，且该空心涡轮叶片的前缘切线方向竖向方向垂直布置；步骤2，将标准样块与装夹后的空心涡轮叶片并列布置在数字射线探测器上，且同时进行数字射线检测透照，获得包含标准样块与空心涡轮叶片的数字图像，其中，标准样块为直径均匀的管状结构；步骤3，利用标准样块的尺寸对步骤2中获取的数字图像进行空间尺寸校准；步骤4，利用步骤3校准后的尺寸对步骤2中获得的数字图像进行处理，得到空心涡轮叶片的前缘壁厚；本方法消除了放大效应而带来的测量不准确；消除了不清晰度带来的测量不准确，通过本方法测量更精准。

Description

一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，具体涉及一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法。

背景技术

航空发动机涡轮叶片在制造和修理过程中,需要严格监测叶片型面和壁厚尺寸的变化,尤其空心叶片,以保证叶片在工作中能够满足所需承受的强度。

目前,对于空心涡轮叶片的壁厚测量,国内外多采用工业CT测厚和超声波测厚方法。采用工业CT技术对空心涡轮叶片进行壁厚测量,设备费用较高,且检查处理时间长(层析、扫查速度慢),在生产检验过程中应用尚不普遍。超声波测厚主要是根据超声波脉冲反射原理检测空心叶片叶身壁厚，而在空心叶片前缘部位，超声波测厚探头平面与曲面的接触为点接触或线接触,耦合效果差，无法采用超声波检测方法检测该部位的壁厚。

《无损检测》(2010年，第32卷，第6期)《射线测量涡轮叶片大曲率处壁厚尺寸的方法》，以下简称“论文”，作者熊瑛,张孝玲,董德秀。该论文中采用胶片射线照相方法，采用叶片缘切线竖直的透照角度透照布置见图1、图2，采用刻度放大镜测量了某航空发动机涡轮叶片大曲率处(即本专利申请书中的叶片前缘处)的壁厚,测量示意图见图3，并验证射线测量结果,证明了涡轮叶片大曲率处壁厚尺寸测量采用射线照相检测方法是可行的。

论文中所描述的方法存在诸多弊端：

1、所测量部位未紧贴胶片，存在影像放大效应，在未对影像进行修正的情况下，直接测量的值比实际值偏大。影像放大示意图见图4，底片上测量的为T1值，大于实际值T。

2、外壁边界底片黑度较大，超出人眼有效识别范围；内壁边界黑度较小，黑度变化率较小；以上两个原因导致无法获得准确的壁厚测量边界，测量误差较大，不同人员壁厚测量结果差异较大。使用较大倍数的放大镜进行测量，使边界更加虚化，加剧了测量结果的差异。本申请中将解决该问题。

3、射线检测不清晰度(即影像边界的模糊程度)，影响壁厚测量边界的准确定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，解决了现有技术中空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法存在的测量结果不准确的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将空心涡轮叶片固定在支架工装上，且该空心涡轮叶片的前缘切线方向竖向方向垂直布置；

步骤2，将标准样块与装夹后的空心涡轮叶片并列布置在数字射线探测器上，且同时进行数字射线检测透照，获得包含标准样块与空心涡轮叶片的数字图像，其中，标准样块为直径均匀的管状结构；

步骤3，利用标准样块的尺寸对步骤2中获取的数字图像进行空间尺寸校准；

步骤4，利用步骤3校准后的尺寸对步骤2中获得的数字图像进行处理，得到空心涡轮叶片的前缘壁厚。

优选地，步骤1中，所述支架工装包括框架结构，所述框架结构的一端端面上开设有V型槽；

所述框架结构内放置有支撑板，所述支撑板与V型槽所形成的空间与空心涡轮叶片的榫头部分相配合。

优选地，步骤2中，在安装时，空心涡轮叶片的前缘与标准样块的中心置于同一高度。

优选地，所述标准样块的材质与空心涡轮叶片的材质一致，且标准样块的壁厚与空心涡轮叶片的前缘壁厚一致；所述管状结构的直径为空心涡轮叶片的前缘直径的0.8-4倍。

优选地，步骤3中，所述获取的数字图像的灰度值范围为探测器最大灰度值的10％-80％。

优选地，步骤3中，利用标准样块(2)的尺寸对步骤2中获取的数字图像进行空间尺寸校准，具体方法是，通过标准样块的外径校准点校准数字图像的空间尺寸：

Sa1，在数字射线处理软件中沿垂直与管轴方向生成一条灰度曲线；

Sa2，选取校准始末点：将S1中生成得到的灰度曲线放大，放大后的灰度曲线的上端与水平线交界处的斜线段为射线检测的不清晰度，以该斜线段的中间点作为尺寸校准的校准点；标准样块管壁的左端和右端分别设有一处校准点，以该两处校准点为作为尺寸校准的始末点；

Sa3，根据测量所得的标准样块的外径标准值和Sa2中得到的尺寸校准的始末点进行数字图像空间尺寸校准，获得数字图像空间尺寸。

优选地，第一步中，利用标准样块(2)的尺寸对步骤2中获取的数字图像进行空间尺寸校准，具体方法是，通过标准样块的内径校准点校准数字图像的空间尺寸：

Sb1，在数字射线处理软件中沿垂直与管轴方向生成一条灰度曲线；

Sb2，选取校准始末点：将S1中生成得到的灰度曲线放大，放大后的灰度曲线的下端两点中间的水平线段为射线检测的不清晰度，以该水平线段的中间点作为尺寸校准的校准点；标准样块管壁的左端和右端分别设有一处校准点，以该两处校准点为作为尺寸校准的始末点；

Sb3，根据测量所得的标准样块的内径标准值和Sb2中得到的尺寸校准的始末点进行数字图像空间尺寸校准，获得数字图像空间尺寸。

优选地，步骤4中，利用步骤3校准后的尺寸对步骤2中获得的数字图像进行处理，具体方法是：

第一步，在数字图像中确定测量截面位置，并获得壁厚测量灰度曲线；

第二步，确定空心涡轮叶片前缘的外壁测量边界；

第三步，确定空心涡轮叶片前缘的内壁测量边界；

第四步，获得涡轮叶片前级壁厚测量值。

优选地，第一步中，确定空心涡轮叶片的前缘壁厚测量截面位置，具体方法是：

根据空心涡轮叶片的工艺条件选择测量截面的位置要求，生成一条以基准为起点的直线，且该直线的方向沿空心涡轮叶片的前缘方向；该直线的长度根据工艺条件确定，最终将该直线的末即为空心涡轮叶片的壁厚测量截面位置；沿垂直于叶片前缘的方向，做一条灰度曲线作为壁厚测量灰度曲线。

优选地，第二步中，确定空心涡轮叶片的前缘外壁测量边界，具体方法是：

将第一步中的壁厚测量灰度曲线放大，放大后的灰度曲线的上端与水平线交界处为一斜线段，以该斜线段的中间点作为外壁测量边界；

第三步中，确定空心涡轮叶片的前缘内壁测量边界，具体方法是：

将第一步中的壁厚测量灰度曲线放大，放大后的灰度曲线的最下端处为一水平线段，以该水平线段的中间点作为外壁测量边界；

第四步中，获得涡轮叶片前级壁厚测量值，具体方法是：

在数字图像分析软件中，将涡轮叶片内外壁测量边界输入，软件自动根据图像的空间尺寸计算出涡轮叶片的壁厚值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，本方法同超声波壁厚测量方法相比，不存在耦合问题，影像观测量直观，而超声波探头在叶片前缘无法耦合，无法实现空心涡轮叶片前缘壁厚测量；

本方法同论文中的测量方法相比，消除了由于黑度变化较大超出人眼识别范围而带来的测量不准确；采用管子标准样块，易于进行尺寸校准，消除了放大效应而带来的测量不准确；消除了不清晰度带来的测量不准确，通过本方法测量更精准。

附图说明

图1是现有技术中的透照角度透照布置示意图；

图2是现有技术中的透照角度透照布置示意图；

图3是现有技术中叶片前缘壁厚测量示意图；

图4是现有技术中影像放大效应示意图；

图5是本发明涉及的透照布置示意图；

图6是本发明涉及的灰度曲线位置示意图；

图7是本发明涉及的灰度曲线；

图8是本发明涉及的校准始末点选择示意图；

图9是本发明涉及的校准始末点选择示意图；

图10是本发明涉及的输入标准值提示框；

图11是本发明涉及的校准始末点选择示意图；

图12是本发明涉及的校准始末点A1和A2选择示意图；

图13是本发明涉及的输入标准值提示框；

图14是本发明涉及的测量截面位置选取示意图；

图15是本发明涉及的涡轮叶片内外壁测量边界

图16是本发明涉及的空心涡轮叶片安装示意图；

图17是本发明涉及的支架工装的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，包括以下步骤：

步骤1，将空心涡轮叶片固定在支架工装1上，且该空心涡轮叶片的前缘切线方向竖向方向垂直布置；

步骤2，将标准样块与装夹后的空心涡轮叶片并列布置在数字射线探测器4上，且同时进行数字射线检测透照，获得包含标准样块2与空心涡轮叶片3的数字图像；

步骤3，利用标准样块2的尺寸对步骤2中获取的数字图像进行空间尺寸校准；

步骤4，利用步骤3校准后的尺寸对步骤2中获得的数字图像进行处理，得到空心涡轮叶片的前缘壁厚。

其中，步骤1中，如图5、图16、图17所示，所述支架工装1包括框架结构，所述框架结构的一端端面上开设有V型槽101。

所述框架结构内放置有支撑板，所述支撑板与V型槽101所形成的空间与空心涡轮叶片的榫头部分相配合。

步骤2中，在安装时，空心涡轮叶片的前缘与标准样块的中心置于同一高度，即到探测器的距离相同。

步骤2中，所述标准样块为直径均匀的管子。

所述标准样块的材质与空心涡轮叶片的材质一致，且标准样块的壁厚与空心涡轮叶片的前缘壁厚一致，用以保证标准样块的影像黑度和空心涡轮叶片的影像黑度相近。

所述管子直径为空心涡轮叶片的前缘直径的0.8-4倍。

在进行测量之前，应测量标准样块的内径和外径，用以获得内径和外径的标准值。

所述标准值的精度与所需的测量精度相同。

步骤2中，所述获取的数字图像的灰度值范围为探测器最大灰度值的10％-80％。

步骤3中，利用标准样块(2)的尺寸对步骤2中获取的数字图像进行空间尺寸校准，具体方法是：通过标准样块的外径或内径对数字图像的空间尺寸进行校准，其中：

通过标准样块的外径校准点校准数字图像的空间尺寸：

Sa1，在数字射线处理软件中沿垂直与管轴方向生成一条灰度曲线；

Sa2，选取校准始末点：将S1中生成得到的灰度曲线放大，放大后的灰度曲线的上端与水平线交界处的斜线段为射线检测的不清晰度，以该斜线段的中间点作为尺寸校准的校准点；标准样块管壁的左端和右端分别设有一处校准点，以该两处校准点为作为尺寸校准的始末点；

Sa3，根据测量所得的标准样块的外径标准值和Sa2中得到的尺寸校准的始末点进行数字图像空间尺寸校准，获得数字图像空间尺寸。

通过标准样块的内径校准点校准数字图像的空间尺寸：

Sb1，在数字射线处理软件中沿垂直与管轴方向生成一条灰度曲线；

Sb2，选取校准始末点：将S1中生成得到的灰度曲线放大，放大后的灰度曲线的下端两点中间的水平线段为射线检测的不清晰度，以该水平线段的中间点作为尺寸校准的校准点；标准样块管壁的左端和右端分别设有一处校准点，以该两处校准点为作为尺寸校准的始末点；

Sb3，根据测量所得的标准样块的内径标准值和Sb2中得到的尺寸校准的始末点进行数字图像空间尺寸校准，获得数字图像空间尺寸。

步骤4中，利用步骤3校准后的尺寸对步骤2中获得的数字图像进行处理，具体方法是：

第一步，在数字图像中确定测量截面位置，并获得壁厚测量灰度曲线；

第二步，确定空心涡轮叶片前缘的外壁测量边界；

第三步，确定空心涡轮叶片前缘的内壁测量边界；

第四步，获得涡轮叶片前级壁厚测量值。

标准样块的内径校准点，具体方法是：

第一步中，确定空心涡轮叶片的前缘壁厚测量截面位置，具体方法是：

根据空心涡轮叶片的工艺条件选择测量截面的位置要求，生成一条以基准为起点的直线，且该直线的方向沿空心涡轮叶片的前缘方向；该直线的长度根据工艺条件确定，最终将该直线的末即为空心涡轮叶片的壁厚测量截面位置；沿垂直于叶片前缘的方向，做一条灰度曲线作为壁厚测量灰度曲线；

第二步中，确定空心涡轮叶片的前缘外壁测量边界，具体方法是：

将第一步中的壁厚测量灰度曲线放大，放大后的灰度曲线的上端与水平线交界处为一斜线段，以该斜线段的中间点作为外壁测量边界；

第三步中，确定空心涡轮叶片的前缘内壁测量边界，具体方法是：

将第一步中的壁厚测量灰度曲线放大，放大后的灰度曲线的最下端处为一水平线段，以该水平线段的中间点作为外壁测量边界；

第四步中，获得涡轮叶片前级壁厚测量值，具体方法是：

在数字图像分析软件中，将涡轮叶片内外壁测量边界输入，软件自动根据图像的空间尺寸计算出涡轮叶片的壁厚值。

本方法同工业CT壁厚测量方法相比，设备投入较少，影像观测量更直观，检测效率提高5-10倍，测量数据较准确，检测费用较低；

本方法同超声波壁厚测量方法相比，不存在耦合问题，影像观测量直观，而超声波探头在叶片前缘无法耦合，无法实现空心涡轮叶片前缘壁厚测量。

本方法同论文中的测量方法相比，消除了由于黑度变化较大超出人眼识别范围而带来的测量不准确；采用管子标准样块，易于进行尺寸校准，消除了放大效应而带来的测量不准确；通过步骤7中所述方法，消除了不清晰度带来的测量不准确，通过本方法测量更精准。

实施例

步骤1，制作叶片支架工装：根据空心涡轮叶片的数据模型，确定叶片前缘的切线方向，转换基准至易装夹部位，易装夹部位一般为榫头部位，设计制作支架工装，保证叶片稳定放置时，叶片前缘切线方向竖直，支架工装如图16、图17所示，使用时可将椎头部位自然放置在该工装上。

步骤2，选定直径均匀的不锈管子，作为尺寸标准样块。管子标准样块材料为1Cr18Ni9Ti，壁厚约1mm。

步骤3，对管子标准样块内径或外径进行计量，以获得内径或外径的标准值，标准值保留位数与所需测量精度相同，内径为8.04mm，外径10.00mm。

步骤4，将叶片固定到步骤1的支架工装上，按照图5的透照布置，对被检测叶片和管子标准样块同时进行数字射线检测透照，管子中心与叶片前缘位于同一高度，并获取数字图像。透照参数以获得合适黑度为宜，约为最大黑度的10％-80％。

步骤5，尺寸校准，方法A，适用于步骤3中获得内径标准值的情况。

Sa1、沿垂直与管轴方向做一条灰度曲线，见图6，图7，灰度曲线尽量占满全屏幕。

Sa2、选取校准始末点。将灰度曲线放大，在其上端与水平线交界处，存在一小段斜线，该斜线即射线检测的不清晰度，以斜线的中间为尺寸校准的校准点，如图8所示中的A点；标准样块管壁的左端和右端分别设有一处校准点，以该两处校准点为作为尺寸校准的始末点，如图9中的A1和A2两点。

Sa3、输入标准值，完成校准。选取始末点后，会要求输入标准值，输入计量所得外径标准值10.00mm，完成尺寸校准，如图10所示。

(5B)尺寸校准，方法B。适用于步骤3中获得外径标准值的情况。

Sb1、沿垂直与管轴方向做一条灰度曲线，见图6，图11，灰度曲线尽量占满全屏幕。

Sb2、选取校准始末点。将灰度曲线放大，在其最下端两点，存在一小段水平线，该水平线即射线检测的不清晰度，以水平线的中间为尺寸校准的校准点，如图11所示中的A点；标准样块管壁的左端和右端分别设有一处校准点，以该两处校准点为作为尺寸校准的始末点，如图12中的A1和A2两点；

Sb3、输入标准值，完成校准。选取始末点后，会要求输入标准值，输入计量所得内径标准值8.04，完成尺寸校准，如图13所示。

步骤6，确定壁厚测量点位置。如图14所示，依据设计图中的对测量点位置的要求，画一条沿涡轮叶片前缘从基准起的直线，长度为设计图中的值34.5mm±1mm，直线的末端即为测量点。

步骤7，确定涡轮叶片内外壁测量边界。沿空心涡轮前缘部位垂直方向做一条灰度曲线，该灰度曲线位置与步骤6中的直线末端重合，如图14所示。按步骤5A和5B中，图8和图11所示的A点确定内外壁测量边界。如图15所示。

步骤8，测量壁厚，完成步骤7后，即可测得壁厚值,为0.72mm。

步骤9重复步骤6-8，可以获得其他测量点的壁厚尺寸。

本方法在某发动机高压涡轮叶片前缘壁厚进行实验测量，测量数据精准，符合设计图的要求。

Claims (9)

1.一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将空心涡轮叶片(3)固定在支架工装(1)上，且该空心涡轮叶片的前缘切线方向竖向方向垂直布置；

步骤2，将标准样块(2)与装夹后的空心涡轮叶片并列布置在数字射线探测器上，且同时进行数字射线检测透照，获得包含标准样块(2)与空心涡轮叶片(3)的数字图像，其中，标准样块(2)为直径均匀的管状结构；

步骤3，利用标准样块(2)的尺寸对步骤2中获取的数字图像进行空间尺寸校准；

步骤4，利用步骤3校准后的尺寸对步骤2中获得的数字图像进行处理，得到空心涡轮叶片的前缘壁厚；

步骤4中，利用步骤3校准后的尺寸对步骤2中获得的数字图像进行处理，具体方法是：

第一步，在数字图像中确定测量截面位置，并获得壁厚测量灰度曲线；

第二步，确定空心涡轮叶片前缘的外壁测量边界；

第三步，确定空心涡轮叶片前缘的内壁测量边界；

第四步，获得涡轮叶片前级壁厚测量值。

2.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，其特征在于，步骤1中，所述支架工装包括框架结构，所述框架结构的一端端面上开设有V型槽(101)；

所述框架结构内放置有支撑板(102)，所述支撑板与V型槽(101)所形成的空间与空心涡轮叶片的榫头部分相配合。

3.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，其特征在于，步骤2中，在安装时，空心涡轮叶片的前缘与标准样块的中心置于同一高度。

4.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，其特征在于，所述标准样块的材质与空心涡轮叶片的材质一致，且标准样块的壁厚与空心涡轮叶片的前缘壁厚一致；所述管状结构的直径为空心涡轮叶片的前缘直径的0.8-4倍。

5.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，其特征在于，步骤3中，所述获取的数字图像的灰度值范围为探测器最大灰度值的10％-80％。

6.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，其特征在于，步骤3中，利用标准样块(2)的尺寸对步骤2中获取的数字图像进行空间尺寸校准，具体方法是，通过标准样块的外径校准点校准数字图像的空间尺寸：

Sa1，在数字射线处理软件中沿垂直与管轴方向生成一条灰度曲线；

Sa2，选取校准始末点：将S1中生成得到的灰度曲线放大，放大后的灰度曲线的上端与水平线交界处的斜线段为射线检测的不清晰度，以该斜线段的中间点作为尺寸校准的校准点；标准样块管壁的左端和右端分别设有一处校准点，以标准样块管壁的左端和右端分别设有的校准点作为尺寸校准的始末点；

Sa3，根据测量所得的标准样块的外径标准值和Sa2中得到的尺寸校准的始末点进行数字图像空间尺寸校准，获得数字图像空间尺寸。

7.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，其特征在于，步骤3中，利用标准样块(2)的尺寸对步骤2中获取的数字图像进行空间尺寸校准，具体方法是，通过标准样块的内径校准点校准数字图像的空间尺寸：

Sb1，在数字射线处理软件中沿垂直与管轴方向生成一条灰度曲线；

Sb2，选取校准始末点：将S1中生成得到的灰度曲线放大，放大后的灰度曲线的下端两点中间的水平线段为射线检测的不清晰度，以该水平线段的中间点作为尺寸校准的校准点；标准样块管壁的左端和右端分别设有一处校准点，以标准样块管壁的左端和右端分别设有的校准点为作为尺寸校准的始末点；

Sb3，根据测量所得的标准样块的内径标准值和Sb2中得到的尺寸校准的始末点进行数字图像空间尺寸校准，获得数字图像空间尺寸。

8.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，其特征在于，第一步中，确定空心涡轮叶片的前缘壁厚测量截面位置，具体方法是：根据空心涡轮叶片的工艺条件选择测量截面的位置要求，生成一条以基准为起点的直线，且该直线的方向沿空心涡轮叶片的前缘方向；该直线的长度根据工艺条件确定，最终将该直线的末即为空心涡轮叶片的壁厚测量截面位置；沿垂直于叶片前缘的方向，做一条灰度曲线作为壁厚测量灰度曲线。

9.根据权利要求1所述的一种空心涡轮叶片前缘壁厚的测量方法，其特征在于，第二步中，确定空心涡轮叶片的前缘外壁测量边界，具体方法是：

将第一步中的壁厚测量灰度曲线放大，放大后的灰度曲线的上端与水平线交界处为一斜线段，以该斜线段的中间点作为外壁测量边界；

第三步中，确定空心涡轮叶片的前缘内壁测量边界，具体方法是：

将第一步中的壁厚测量灰度曲线放大，放大后的灰度曲线的最下端处为一水平线段，以该水平线段的中间点作为外壁测量边界；

第四步中，获得涡轮叶片前级壁厚测量值，具体方法是：

在数字图像分析软件中，将涡轮叶片内外壁测量边界输入，软件自动根据图像的空间尺寸计算出涡轮叶片的壁厚值。

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