CN112415094A - 一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装及方法 - Google Patents

一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装及方法，包括主体支架、转向器、探头夹持模块、底部驱动模块、前端滑动模块。转向器位于主体支架中部，与主体支架采用导轨连接，底部驱动模块和前端滑动模块与主体支架采用转轴连接，探头夹持模块与转向器采用螺柱连接。本发明可在机组临停期间进行压气机动叶片背弧面叶根全自动化超声检测，具备记录探头位置信息生成C扫描图像，保持探头前端与叶根平台距离恒定和探头耦合力度一致，以及可控制探头在三维平面旋转，具备检测有不同取向角度的叶根裂纹的能力，检测结果精确度高、稳定性好。

Description

一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装及方法
技术领域
本发明属于超声无损检测技术领域，具体是一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装及方法。
背景技术
压气机动叶片是压气机对燃气轮机进口气体做功的核心部件，由叶身和叶根两部分组成，叶身是叶片与气流相互作用的部分，叶根是叶片装配到转子轮盘槽的部分，一般采用燕尾型叶根。压气机动叶片作为旋转机械在服役过程中经受复杂的交变应力，易在燕尾型叶根背弧面和内弧面变截面位置萌生裂纹缺陷，严重影响机组的安全稳定运行。因此，为保证燃气轮机压气机动叶片安全的可靠性，定期对压气机动叶片叶根进行无损检测非常必要。特别是在动叶片不拆卸的检修状态下，实现内弧面和背弧面叶根裂纹缺陷的有效检测成为当下燃机运维技术研发人员关注的重点。
超声检测具有不易受部件形状尺寸限制、现场适应性强、装置设备操作简单、对人体无潜在伤害，且检测结果准确度高、重复性好等优点，非常适合复杂结构部件现场不拆卸原位检测。但由于压气机动叶片背弧面为大曲率变截面结构，背弧面叶根平台宽度最小处仅为2mm左右，不具备放置微型相控阵超声线阵列纵波直探头从平台垂直向下检测的条件，可采用微型相控阵超声线阵列斜探头从动叶片叶身内弧面耦合，声波斜向经过叶身向背弧面叶根传播，实现背弧面叶根变截面位置裂纹缺陷的有效检测。由于叶身内弧面为变截面曲面结构，采用手动扫查无法控制扫查路径的一致性和耦合力的均匀性，难以保证检测结果的可靠性和重复性。国外相关公司开发了动叶片背弧面叶根超声检测扫查工装(专利号：US8365584B1)，但该工装在现场实际使用时存在以下方面局限：1、不具备工装行程位置显示功能，无法实时得到探头在动叶片进气边到出气边方向的具体位置数据，无法生成超声C扫描图，难以进行裂纹缺陷的长度精确测量；2、工装前端缺乏与叶根平台的定位和滑动装置，仅靠探头楔块前端定位存在倒圆滑动导致的定位不准确、楔块夹持孔易损坏等问题；3、该工装与叶片叶身接触的3条支腿为固定结构，扫查时需与叶片进行刚性摩擦，支腿头部设置的低摩擦塑料帽会导致工装吸力减小，影响探头的耦合力和检测可靠性；4、不具备全自动检测能力，需依靠操纵杆手动进行推拉扫查，耗费大量人力时间；专利(US7302851B2)设计了一种动叶片背弧面叶根超声检测全自动化检测工装，但该工装为直线丝杠模组结构，存在以下方面局限：1、丝杠为直线结构，即探头行程为直线，而动叶片内弧面为变截面曲面结构，扫查器至叶身距离随位置变化而变化，压紧探头的弹簧的弹力会受距离影响而变化，导致探头的耦合力不均匀，严重影响回波信号的一致性和可靠性。另外，背弧面叶根平台为弧形结构，探头扫查时需控制探头与平台的距离为一恒定值，直线行程难以满足上述技术要求；2、探头仅实现在两个平面维度移动，不具备在三维平面内调整的能力，对于有一定角度取向的裂纹缺陷，其检测灵敏度大大下降；3、工装需借助相邻叶片的背弧面进行定位，未在叶片进、出气边对工装进行固定，使用时工装易产生轴向位移，影响检测可靠性。同时，工装尺寸较大，现场检测工装拆装进出较繁琐；专利(US7654143B2)设计了一种动叶片背弧面叶根超声检测工装，该工装采用铰链结构在叶片进、出气边进行固定，克服了工装易产生轴向位移的缺陷，但该结构每检1个叶片即需拆装1次工装和转子盘车1次，检测效率较低。同时该工装为导轨结构，探头行程也为直线，同样存在专利2中的局限性。另外，该工装也不具备探头在三维平面内旋转的功能。
发明内容
本发明的目的是针对目前公开的燃气轮机动叶片背弧面叶根超声检测工装存在的无法全自动扫查并记录位置信息、探头距叶根平台距离无法保持定值、探头的耦合力无法保持定值、探头无法在三维平面进行旋转、需大量转子盘车导致的检测效率低等局限性，提供了一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装及方法，该工装及方法简单易操作，可在机组临停期间进行压气机动叶片背弧面叶根全自动化超声检测，具备记录探头位置信息生成C扫描图像，保持探头前端与叶根平台距离恒定和探头耦合力度一致，以及可控制探头在三维平面旋转，具备检测不同取向角度的叶根裂纹的能力，极大地提高检测可靠性、精确度和稳定性。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，包括主体支架、转向器、探头夹持模块、底部驱动模块和前端滑动模块；转向器位于主体支架中部，与主体支架采用导轨连接，底部驱动模块和前端滑动模块与主体支架采用转轴连接，探头夹持模块与转向器采用螺柱连接。
本发明进一步的改进在于，主体支架为品字型结构，包括主支架、圆周T形导轨、第一角度刻度盘、底部支撑肋、前端支撑肋和螺柱平台；第一角度刻度盘设置于圆周T形导轨表面，3个底部支撑肋呈三角状分布于主支架周围，2个前端支撑肋位于主支架前端。
本发明进一步的改进在于，转向器为圆盘结构，包括圆盘、T形导轨槽、螺柱孔、第二角度刻度盘和定位螺柱；T形导轨槽与主体支架圆周T形导轨为正负模结构，呈滑动配合，圆盘内部设有2处螺柱孔，第二角度刻度盘套装在第一角度刻度盘内，定位螺柱设置在螺柱平台上，用于将转向体和主体支架的位置固定；
探头夹持模块包括内字形支撑臂、U形螺柱、弹簧、第一螺母、第二螺母、夹持螺柱和超声探头；内字形支撑臂顶部与U形螺柱底端支撑杆转动连接，通过第一螺母进行固定，内字形支撑臂底部为左右平行法兰，通过2个夹持螺柱对超声探头进行旋转固定，U形螺柱穿于转向器的螺柱孔中，弹簧外套于U形螺柱中，第二螺母旋于U形螺柱顶部；
底部驱动模块包括第一磁性轮、电机和第一转轴；第一磁性轮通过第一转轴转动连接于主体支架的底部支撑肋上，电机固定于底部支撑肋侧面，通过第一转轴与第一磁性轮连接，电机同时具备驱动和位置编码功能；
前端滑动模块包括第二磁性轮赫尔第二转轴，第二磁性轮通过第二转轴与主体支架前端支撑肋连接。
本发明进一步的改进在于，主体支架的底部支撑肋和前端支撑肋均为卡销结构，且能够更换为安装不同高度的底部支撑肋和前端支撑肋，第一角度刻度盘设置0°～360°，单位分度为1°。
本发明进一步的改进在于，转向器的定位螺柱为内六角外螺纹螺柱，第二角度刻度盘设置0°～360°，单位分度为0.9°。
本发明进一步的改进在于，探头夹持模块的第一螺母和第二螺母均为外滚花圆柱螺母，夹持螺柱为内六角外螺纹螺柱。
本发明进一步的改进在于，超声探头为线阵列相控阵探头，由探头本体和楔块构成，耦合剂导管与楔块的接口相连。
本发明进一步的改进在于，探头夹持模块的楔块上接口为双锥形接口。
本发明进一步的改进在于，底部驱动模块的第一磁性轮和前端滑动模块的第二磁性轮均为钕铁硼强力磁铁，第一转轴和第二转轴均为单键槽圆柱结构。
一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测方法，该方法基于所述的一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，包括：
将转向器的T形导轨槽与主体支架的圆周T形导轨配合连接，设置好角度值，拧紧定位螺柱；
将弹簧穿入U形螺柱中，将U形螺柱穿入螺柱孔中，并旋紧第二螺母；超声探头放入内字形支撑臂中，并旋紧夹持螺柱；将内字形支撑臂穿于U形螺柱底部支撑杆中，并旋紧第一螺母；将第一磁性轮吸附于动叶片内弧面叶身，将第二磁性轮吸附于动叶片内弧面叶根平台；将耦合剂添加管接入超声探头的接口，将超声探头接入相控阵超声检测仪，将电机接入行程控制系统；启动电机，工装沿进气边向出气边扫查，采集超声回波和位置信息，生成超声结果A\B\C\D视图；旋转转向器至另外角度，重复进行扫查；如中途需停止或回退扫查，可调节电机启停或转向进行。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装及方法，可在机组临停期间进行压气机动叶片背弧面叶根全自动化超声检测，具备记录探头位置信息生成C扫描图像，保持探头前端与叶根平台距离恒定和探头耦合力度一致，以及可控制探头在三维平面旋转，具备检测有不同取向角度的叶根裂纹的能力，检测结果精确度高、稳定性好，可极大地改善压气机动叶片背弧面叶根质量状况监测的便携性和可靠性，保障机组的安全稳定运行。
附图说明
图1是本发明一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装的结构示意图。
图2是本发明一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装的剖面图。
图3是本发明一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装顶部视图。
附图标记说明：
1、主体支架，2、转向器，3、探头夹持模块，4、底部驱动模块，5、前端滑动模块；
101、主支架，102、圆周T形导轨，103、第一角度刻度盘，104、底部支撑肋，105、前端支撑肋，106、螺柱平台；201、圆盘，202、T形导轨槽，203、螺柱孔，204、第二角度刻度盘，205、定位螺柱；301、内字形支撑臂，302、U形螺柱，303、弹簧，304、第一螺母，305、第二螺母，306、夹持螺柱，307、超声探头，308、接口，309、支撑杆，310、探头本体，311、楔块；401、第一磁性轮，402、电机，403、第一转轴；501、第二磁性轮，502、第二转轴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合参照附图，对本发明进一步详细说明。
参照附图1、附图2和附图3，本发明提供的一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，包括主体支架1、转向器2、探头夹持模块3、底部驱动模块4、前端滑动模块5。转向器2位于主体支架1中部，与主体支架1采用导轨连接，底部驱动模块4和前端滑动模块5与主体支架1采用转轴连接，探头夹持模块3与转向器2采用螺柱连接。
主体支架1为品字型结构，包括主支架101、圆周T形导轨102、第一角度刻度盘103、底部支撑肋104、前端支撑肋105、螺柱平台106。第一角度刻度盘103设置于圆周T形导轨102表面，刻度采用电火花加工。3个底部支撑肋104呈三角状分布于主支架101周围，为平行取向。2个前端支撑肋105位于主支架101前端，为平行取向。底部支撑肋104和前端支撑肋105均为U形结构，底部设置轴孔，主体支架1上部为镂空设置，用于超声探头307和电机402的连接线以及耦合剂添加管的穿过。T形导轨102可保证与转向器2的转动精度和稳定度。
转向器2为圆盘结构，包括圆盘201、T形导轨槽202、螺柱孔203、第二角度刻度盘204、定位螺柱205。其中，T形导轨槽202与主体支架1圆周T形导轨102为正负模结构，呈滑动配合，圆盘201内部设有2处螺柱孔203，2处螺柱孔203位于同一直线上，第二角度刻度盘204套装在第一角度刻度盘103内，定位螺柱205设置在螺柱平台106上。第二角度刻度盘204表面刻度采用电火花加工。旋转转向器2即可实现超声探头307在X轴平面上的旋转，该特征可保证实现叶根位置有一定取向角度裂纹缺陷的有效检出，通过螺柱平台106内的定位螺柱205来保持转向体2和主体支架1的位置固定，旋转角度可由第一角度刻度盘103和第二角度刻度盘204的读数差值得到。
探头夹持模块3包括内字形支撑臂301、U形螺柱302、弹簧303、第一螺母304、第二螺母305、夹持螺柱306，超声探头307、接口308。内字形支撑臂301顶部与U形螺柱302底端支撑杆309转动连接，通过第一螺母304进行固定，可实现超声探头307在Y轴平面上的旋转，该特征可保证超声探头307动叶片背弧面曲面结构进行自适应，保证耦合稳定性。内字形支撑臂301底部为左右平行法兰，通过2个夹持螺柱306对超声探头307进行旋转固定，可实现超声探头307在Z轴平面上的旋转，该特征可保证超声探头307随动叶片表面纵向形状变化进行自适应，保证耦合稳定性。U形螺柱302穿于转向器2的螺柱孔203中，弹簧303外套于U形螺柱302中，第二螺母305旋于U形螺柱302顶部。该特征可实现超声探头307以稳定一致的力度与动叶片叶身进行耦合，保证回波的可靠性。
底部驱动模块4包括第一磁性轮401、电机402、第一转轴403。第一磁性轮401通过第一转轴403转动连接于主体支架1的底部支撑肋104上，电机402固定于底部支撑肋104侧面，通过第一转轴403与第一磁性轮401连接，电机402同时具备驱动和位置编码功能。该特征可实现超声检测的全自动化，电机402为伺服电机，兼具编码的功能，即可实现超声探头307位置信息的实时记录。另外采用第一磁性轮401设计，其与叶身为线接触，加之三角品字形结构，无须专门结构仿形即可实现与动叶片曲面叶身的无缝贴合。
前端滑动模块5包括第二磁性轮501、第二转轴502。第二磁性轮501通过第二转轴502与主体支架1前端支撑肋105连接。该特征可实现超声探头307与弧性内弧面叶根平台距离为固定值，有利于保证裂纹缺陷回波信号的一致性和提高缺陷深度的定量精度。
所述主体支架1的底部支撑肋104和前端支撑肋105均为卡销结构，可更换安装不同高度的底部支撑肋104和前端支撑肋105，第一角度刻度盘103设置0°～360°，单位分度为1°。可更换不同高度的前端支撑肋105设计即可实现不同尺寸的动叶片叶根进行检测。可更换不同高度的底部支撑肋104设计即可实现采用不同规格尺寸的超声探头307进行检测。
所述转向器2的定位螺柱205为内六角外螺纹螺柱,第二角度刻度盘204设置0°～360°，单位分度为0.9°。第一角度刻度盘103和第二角度刻度盘204的角度错位错位放大设计，可实现最高旋转角度测量精度为0.1°，即可对超声探头307在X轴平面的旋转位置进行高精度定位。
所述探头夹持模块3的第一螺母304和第二螺母305均为外滚花圆柱螺母，外滚花设计可实现检测现场螺母的手动快速拆装，夹持螺柱306为内六角外螺纹螺柱。超声探头307为线阵列相控阵探头，由探头本体310和楔块311构成，耦合剂导管与楔块311的接口308相连，可保证在检测扫查过程中耦合剂的稳定添加，提高检测可靠性。
所述底部驱动模块4的第一磁性轮401和前端滑动模块5的第二磁性轮501均为钕铁硼强力磁铁，加强磁性设计可保证检查时工装与叶身的牢固连接，防止工装的意外掉落。第一转轴403和第二转轴502均为单键槽圆柱结构。
所述探头夹持模块3的楔块311上接口308为双锥形接口，该设计可加固耦合剂添加管和接口的连接，避免扫查过程耦合剂添加管的松脱。
参照附图1、附图2和附图3，在实际应用时，本发明的使用方法如下：
1、将转向器2的T形导轨槽202与主体支架1的圆周T形导轨102配合连接，设置好角度值，拧紧定位螺柱205；
2、将弹簧303穿入U形螺柱302中，将U形螺柱302穿入螺柱孔203中，并旋紧第二螺母305；
3、超声探头307放入内字形支撑臂301中，并旋紧夹持螺柱306；
4、将内字形支撑臂301穿于U形螺柱302底部支撑杆309中，并旋紧第一螺母304；
5、将第一磁性轮401吸附于动叶片内弧面叶身，将第二磁性轮501吸附于动叶片内弧面叶根平台；
6、将耦合剂添加管接入超声探头307的接口308，将超声探头307接入相控阵超声检测仪，将电机402接入行程控制系统；
7、启动电机402，工装沿进气边向出气边扫查，采集超声回波和位置信息，生成超声结果A\B\C\D视图；
8、旋转转向器2至另外角度，重复进行扫查。如中途需停止或回退扫查，可调节电机402启停或转向进行。
上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，其特征在于，包括主体支架(1)、转向器(2)、探头夹持模块(3)、底部驱动模块(4)和前端滑动模块(5)；转向器(2)位于主体支架(1)中部，与主体支架(1)采用导轨连接，底部驱动模块(4)和前端滑动模块(5)与主体支架(1)采用转轴连接，探头夹持模块(3)与转向器(2)采用螺柱连接。
2.根据权利要求1所述的一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，其特征在于，主体支架(1)为品字型结构，包括主支架(101)、圆周T形导轨(102)、第一角度刻度盘(103)、底部支撑肋(104)、前端支撑肋(105)和螺柱平台(106)；第一角度刻度盘(103)设置于圆周T形导轨(102)表面，3个底部支撑肋(104)呈三角状分布于主支架(101)周围，2个前端支撑肋(105)位于主支架(101)前端。
3.根据权利要求2所述的一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，其特征在于，转向器(2)为圆盘结构，包括圆盘(201)、T形导轨槽(202)、螺柱孔(203)、第二角度刻度盘(204)和定位螺柱(205)；T形导轨槽(202)与主体支架(1)圆周T形导轨(102)为正负模结构，呈滑动配合，圆盘(201)内部设有2处螺柱孔(203)，第二角度刻度盘(204)套装在第一角度刻度盘(103)内，定位螺柱(205)设置在螺柱平台(106)上，用于将转向体(2)和主体支架(1)的位置固定；
探头夹持模块(3)包括内字形支撑臂(301)、U形螺柱(302)、弹簧(303)、第一螺母(304)、第二螺母(305)、夹持螺柱(306)和超声探头(307)；内字形支撑臂(301)顶部与U形螺柱(302)底端支撑杆(309)转动连接，通过第一螺母(304)进行固定，内字形支撑臂(301)底部为左右平行法兰，通过2个夹持螺柱(306)对超声探头(307)进行旋转固定，U形螺柱(302)穿于转向器(2)的螺柱孔(203)中，弹簧(303)外套于U形螺柱(302)中，第二螺母(305)旋于U形螺柱(302)顶部；
底部驱动模块(4)包括第一磁性轮(401)、电机(402)和第一转轴(403)；第一磁性轮(401)通过第一转轴(403)转动连接于主体支架(1)的底部支撑肋(104)上，电机(402)固定于底部支撑肋(104)侧面，通过第一转轴(403)与第一磁性轮(401)连接，电机(402)同时具备驱动和位置编码功能；
前端滑动模块(5)包括第二磁性轮(501)赫尔第二转轴(502)，第二磁性轮(501)通过第二转轴(502)与主体支架(1)前端支撑肋(105)连接。
4.根据权利要求3所述的一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，其特征在于，主体支架(1)的底部支撑肋(104)和前端支撑肋(105)均为卡销结构，且能够更换为安装不同高度的底部支撑肋(104)和前端支撑肋(105)，第一角度刻度盘(103)设置0°～360°，单位分度为1°。
5.根据权利要求3所述的一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，其特征在于，转向器(2)的定位螺柱(205)为内六角外螺纹螺柱，第二角度刻度盘(204)设置0°～360°，单位分度为0.9°。
6.根据权利要求3所述的一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，其特征在于，探头夹持模块(3)的第一螺母(304)和第二螺母(305)均为外滚花圆柱螺母，夹持螺柱(306)为内六角外螺纹螺柱。
7.根据权利要求3所述的一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，其特征在于，超声探头(307)为线阵列相控阵探头，由探头本体(310)和楔块(311)构成，耦合剂导管与楔块(311)的接口(308)相连。
8.根据权利要求7所述的一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，其特征在于，探头夹持模块(3)的楔块(311)上接口(308)为双锥形接口。
9.根据权利要求7所述的一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，其特征在于，底部驱动模块(4)的第一磁性轮(401)和前端滑动模块(5)的第二磁性轮(501)均为钕铁硼强力磁铁，第一转轴(403)和第二转轴(502)均为单键槽圆柱结构。
10.一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测方法，其特征在于，该方法基于权利要求7至9中任一项所述的一种压气机动叶片背弧面叶根超声检测专用工装，包括：
将转向器(2)的T形导轨槽(202)与主体支架(1)的圆周T形导轨(102)配合连接，设置好角度值，拧紧定位螺柱(205)；
将弹簧(303)穿入U形螺柱(302)中，将U形螺柱(302)穿入螺柱孔(203)中，并旋紧第二螺母(305)；超声探头(307)放入内字形支撑臂(301)中，并旋紧夹持螺柱(306)；将内字形支撑臂(301)穿于U形螺柱(302)底部支撑杆(309)中，并旋紧第一螺母(304)；将第一磁性轮(401)吸附于动叶片内弧面叶身，将第二磁性轮(501)吸附于动叶片内弧面叶根平台；将耦合剂添加管接入超声探头(307)的接口(308)，将超声探头(307)接入相控阵超声检测仪，将电机(402)接入行程控制系统；启动电机(402)，工装沿进气边向出气边扫查，采集超声回波和位置信息，生成超声结果A\B\C\D视图；旋转转向器(2)至另外角度，重复进行扫查；如中途需停止或回退扫查，可调节电机(402)启停或转向进行。
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CN114719161A (zh) * 2022-06-01 2022-07-08 苏州博昇科技有限公司 一种高强螺栓轴力自动巡检装置及自动巡检方法

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