CN113466332B - 针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头及方法 - Google Patents

针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头及方法 Download PDF

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Abstract

一种针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头及方法，该探头包括激励线圈部分和检出线圈部分，激励线圈部分由两个相互正交的柔性线圈组成，激励线圈激发的均匀涡流场覆盖叶片气膜孔，检出线圈部分由一排相同大小的盘式小线圈组成，对应分布在每个气膜孔正上方，且左右相互对称的两个盘式小线圈组成一个差动涡流检出单元，检出单元的输出信号为两个盘式小线圈的差分信号；检测时，在激励线圈中通入两个相位差为90°的调幅激励电流，通过分析各差分单元的差分信号对裂纹进行评价；本发明可以同时检测裂纹位置和方向，具有自差分和自归零特性，消除了气膜孔对孔边裂纹检测的影响，具有贴合度高、检测提离小、检测速度快和检测精度高等优点。

Description

针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头及方法
技术领域
本发明涉及一种电磁无损检测探头，具体涉及一种针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头及方法。
背景技术
涡轮叶片是航空发动机中涡轮段的重要组成部件，为了提高航空发动机的推重比，涡轮进口温度在不断提高，涡轮进口温度的增加要求涡轮叶片必须有较好的耐热性能，但涡轮进口温度的增加远远超过了涡轮叶片耐热程度的增加，因此需要冷却技术来降低涡轮叶片的壁面温度。气膜冷却技术是在涡轮叶片表面开设气膜孔，当冷却介质穿出气膜孔后，会在叶片壁面形成温度较低的冷却气膜，从而隔绝了高温燃气与叶片直接接触，提高了叶片的耐热极限。但气膜孔的存在会在一定程度上破坏叶片结构的完整性，导致叶片结构性能降低，比如涡轮叶片在服役中，由于应力集中、高离心力、振动等情况，容易导致叶片气膜孔边萌生裂纹，如果不能及时发现裂纹导致叶片失效或破坏，将造成严重的飞行事故。因此，为了避免造成严重的飞行事故和巨大的经济财产损失，定期对叶片气膜孔边裂纹进行无损评估十分必要。
涡轮叶片上的气膜孔直径在0.3～1mm范围内，且相邻孔中心间距在0.96～2mm左右，密集气膜孔会严重干扰涡轮叶片气膜孔边裂纹的检测；同时，叶片气膜孔边裂纹的方向具有任意性，而传统机械式旋转探头又容易造成机械磨损，且检测噪声大，相比之下，旋转涡流检测技术中，导体表面感生的涡流周期性旋转，因此对于任意方向的裂纹都有较高的灵敏度，且在每个检测点均可获得一个完整旋转周期的涡流信号，这为裂纹识别和分析提供了更多的检测特征量；叶片结构一般为曲面，传统刚性探头容易产生提离噪声，而柔性探头可以很好的避免这个问题；此外，采用阵列探头结构，能够明显提高检测速度；综合考虑叶片气膜孔边裂纹的任意性、曲面、提高检测速度等因素，开发满足检测需求的柔性阵列涡流检测探头十分必要。
发明内容
为了实现对涡轮叶片气膜孔边裂纹的高效检测和评估，本发明的目的在于提供一种针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头及方法，本发明探头对气膜孔边裂纹可同时实现位置识别和方向判断；本发明柔性探头对曲面有着良好的适应性，阵列检出提高了检测效率，有效降低了提离和探头倾斜等外部条件的干扰，检测精度高。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头，该探头包括激励线圈部分和检出线圈部分；所述激励线圈部分由两个互相交错的第一激励线圈3和第二激励线圈4组成，第一激励线圈3和第二激励线圈4的结构相同，均包括均匀涡流区5和回路区6两部分；均匀涡流区5为第一激励线圈3和第二激励线圈4的交错区域，且第一激励线圈3和第二激励线圈4在均匀涡流区5内的导线均匀分布，探头工作时，第一激励线圈3和第二激励线圈4在均匀涡流区5内均感应出均匀涡流场，检测时，叶片气膜孔2位于均匀涡流区5下方，会干扰感应的涡流场；第一激励线圈3和第二激励线圈4中除了均匀涡流区5外的部分为回路区6，回路区6的导线非均匀分布，检测时，回路区6导线与均匀涡流区5导线环绕叶片1一周以构成完整回路；所述检出线圈部分由一排完全相同的盘式小线圈组成，用于采集检出信号，探头的检测区域7为盘式小线圈覆盖的区域，即检出线圈部分中一排完全相同的盘式小线圈对应分布在每个气膜孔2正上方，一排完全相同的盘式小线圈中左右相互对称的左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2组成一个差分涡流检出单元8，且差分涡流检出单元8的个数为气膜孔个数的一半。
所述第一激励线圈3和第二激励线圈4为柔性线圈；
所述第一激励线圈3和第二激励线圈4正交分布，检测时分别通入I1＝I0sin(ω0t)sin(ω1t)和I2＝I0sin(ω0t+90°)sin(ω1t)的调幅激励电流，其中ω0＜＜ω1。
所述各差分涡流检出单元8中左盘式小线圈A1和右盘式小线圈 A2采集的信号具有以下关系：当气膜孔边没有裂纹时，左盘式小线圈 A1在一个周期内采集的电压信号与右盘式小线圈A2在一个周期内采集的电压信号互为相反数，差分涡流检出单元8的输出信号为左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2采集的电压信号之和，通过差分能够消除气膜孔对孔边裂纹检测的影响，因此各差分涡流检出单元8具有自差分和自归零特性；当气膜孔边有裂纹时，差分后只剩下反映裂纹信息的信号。
所述的一种针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头进行叶片气膜孔边裂纹检测的方法，首先，向第一激励线圈3和第二激励线圈4分别通入相位差为90°的调幅激励电流，将会在均匀涡流区5内的叶片1表面感生出周期性旋转的涡流，涡流又会感生出二次磁场，检出线圈部分的左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2会感应出电压信号，孔边任意方向的裂纹均会对感应涡流产生相应的干扰，进而对左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2采集到的电压信号产生相应的干扰，最后导致对涡流差分单元8采集的差分电压信号产生干扰；
其次，由于左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2在气膜孔上方左右相互对称分布，当气膜孔边没有裂纹时，每个差分涡流检出单元8 中左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2采集的电压信号具有以下关系：当气膜孔边没有裂纹时，左盘式小线圈A1在一个周期内采集的电压信号与右盘式小线圈A2在一个周期内采集的电压信号互为相反数，差分涡流检出单元的输出信号为左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2采集的电压信号之和，通过差分能够消除气膜孔对孔边裂纹检测的影响，因此各差分涡流检出单元8具有自差分和自归零特性；当气膜孔边有裂纹时，差分后只剩下反映裂纹信息的信号；
最后，通过对各涡流差分检出单元的差分检出信号峰值和相位对比，能够发现裂纹所在的位置；当发现有裂纹时，对裂纹所在位置处的涡流差分检出单元的差分检出信号进行分析，绘制幅值在一个周期内的极坐标图，极坐标图中两个峰值的连线在极坐标图中的角度反映了裂纹在气膜孔边的方向。
附图说明
图1为本发明探头服役中与待测叶片结构的位置示意图。
图2为本发明探头的结构示意图。
图3为本发明探头第一激励线圈的结构示意图。
图4为本发明探头第二激励线圈的结构示意图。
图5为气膜孔在叶片上的分布示意图。
图6为本发明检出线圈部分在叶片气膜孔周围分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本实施例一种针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头，该探头为柔性阵列探头，检测时均匀涡流区域5贴附于叶片气膜孔2表面，激励线圈的柔性构型使得本发明探头对叶片曲面贴合度高、检测提离小。
如图2所示，本发明针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头包括激励线圈部分和检出线圈部分。
所述激励线圈部分由两个互相交错的第一激励线圈3和第二激励线圈4组成，第一激励线圈3和第二激励线圈4的结构相同，均包括均匀涡流区5和回路区6两部分；均匀涡流区5为第一激励线圈3 和第二激励线圈4的交错区域，且第一激励线圈3和第二激励线圈4在均匀涡流区5内的导线均匀分布，探头工作时，第一激励线圈3和第二激励线圈4在均匀涡流区5内均感应出均匀涡流场，检测时，叶片气膜孔2位于均匀涡流区5下方，会干扰感应的涡流场；第一激励线圈3和第二激励线圈4中除了均匀涡流区5外的部分为回路区6，回路区6的导线非均匀分布，检测时，回路区6导线与均匀涡流区5 导线环绕叶片1一周以构成完整回路；所述检出线圈部分由一排完全相同的盘式小线圈组成，用于采集检出信号，探头的检测区域7为盘式小线圈覆盖的区域，即检出线圈部分中一排完全相同的盘式小线圈对应分布在每个气膜孔2正上方，一排完全相同的盘式小线圈中左右相互对称的左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2组成一个差分涡流检出单元8，且差分涡流检出单元8的个数为气膜孔个数的一半。
如图3所示，第一激励线圈3为柔性线圈，回路区6距离叶片气膜孔检测区域较远，对于叶片气膜孔检测影响较小，提高了激励线圈非工作部分对检测对象的适应性；探头工作时，第一激励线圈3在均匀涡流区5沿着垂直于叶片表面气膜孔2的分布方向布置，第一激励线圈3中通入I1＝I0sin(ω0t)sin(ω1t)(ω0＜＜ω1)的调幅激励电流，其中 sin(ω0t)为正弦调制函数，第一激励线圈3中的激励电流幅值会在调制函数的作用下周期性缓慢变化。
如图4所示，第二激励线圈4为柔性线圈，探头工作时，第二激励线圈4在均匀涡流区5沿着平行于叶片表面气膜孔2的分布方向布置，第二激励线圈4中通入I2＝I0sin(ω0t+90°)sin(ω1t)(ω0＜＜ω1)的调幅激励电流，其中sin(ω0t+90°)为正弦调制函数，第二激励线圈4中的激励电流幅值会在调制函数的作用下周期性缓慢变化。
如图5所示，气膜孔2在叶片1表面分布，气膜孔2的直径为 0.6mm，两个相邻气膜孔的中心间距为1.6mm，气膜孔个数为16个。
如图6所示，检出线圈部分由一排完全相同的盘式小线圈组成，用于采集检出信号，检出线圈部分中一排完全相同的盘式小线圈对应分布在每个气膜孔2正上方，检出线圈的内直径为0.5mm，外直径为 1.6mm；一排完全相同的盘式小线圈中左右相互对称的左盘式小线圈 A1和右盘式小线圈A2组成一个差分涡流检出单元8，总共有8个差分检出单元。由于激励线圈和检出线圈都具有良好的对称性，各差分涡流检出单元8中左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2采集的信号具有以下关系：当气膜孔边没有裂纹时，左盘式小线圈A1在一个周期内采集的电压信号与右盘式小线圈A2在一个周期内采集的电压信号互为相反数，差分涡流检出单元8的输出信号为左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2采集的电压信号之和，通过差分能够消除气膜孔对孔边裂纹检测的影响，因此各差分涡流检出单元8具有自差分和自归零特性；当气膜孔边有裂纹时，差分后只剩下反映裂纹信息的信号。
本发明的工作原理为：本发明是为了实现对叶片气膜孔边裂纹进行无损评估。
首先，向第一激励线圈3和第二激励线圈4分别通入相位差为 90°的调幅激励电流，将会在均匀涡流区5内的叶片1表面感生出周期性旋转的涡流，涡流又会感生出二次磁场，检出线圈部分的左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2会感应出电压信号，孔边任意方向的裂纹均会对感应涡流产生相应的干扰，进而对左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2采集到的电压信号产生相应的干扰，最后导致对涡流差分单元8采集的差分电压信号产生干扰；
其次，由于左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2在气膜孔上方左右相互对称分布，当气膜孔边没有裂纹时，每个差分涡流检出单元8 中左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2采集的电压信号具有以下关系：当气膜孔边没有裂纹时，左盘式小线圈A1在一个周期内采集的电压信号与右盘式小线圈A2在一个周期内采集的电压信号互为相反数，差分涡流检出单元的输出信号为左盘式小线圈A1和右盘式小线圈A2采集的电压信号之和，通过差分能够消除气膜孔对孔边裂纹检测的影响，因此各差分涡流检出单元8具有自差分和自归零特性；当气膜孔边有裂纹时，差分后只剩下反映裂纹信息的信号；
最后，通过对各涡流差分检出单元的差分检出信号峰值和相位对比，能够发现裂纹所在的位置；当发现有裂纹时，对裂纹所在位置处的涡流差分检出单元的差分检出信号进行分析，绘制幅值在一个周期内的极坐标图，极坐标图中两个峰值的连线在极坐标图中的角度反映了裂纹在气膜孔边的方向。

Claims (5)

1.一种针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头，其特征在于：该探头包括激励线圈部分和检出线圈部分；所述激励线圈部分由两个互相交错的第一激励线圈(3)和第二激励线圈(4)组成，第一激励线圈(3)和第二激励线圈(4)的结构相同，均包括均匀涡流区(5)和回路区(6)两部分；均匀涡流区(5)为第一激励线圈(3)和第二激励线圈(4)的交错区域，且第一激励线圈(3)和第二激励线圈(4)在均匀涡流区(5)内的导线均匀分布，探头工作时，第一激励线圈(3)和第二激励线圈(4)在均匀涡流区(5)内均感应出均匀涡流场，检测时，叶片气膜孔(2)位于均匀涡流区(5)下方，会干扰感应的涡流场；第一激励线圈(3)和第二激励线圈(4)中除了均匀涡流区(5)外的部分为回路区(6)，回路区(6)的导线非均匀分布，检测时，回路区(6)导线与均匀涡流区(5)导线环绕叶片(1)一周以构成完整回路；所述检出线圈部分由一排完全相同的盘式小线圈组成，用于采集检出信号，探头的检测区域(7)为盘式小线圈覆盖的区域，即检出线圈部分中一排完全相同的盘式小线圈对应分布在每个气膜孔(2)正上方，一排完全相同的盘式小线圈中左右相互对称的左盘式小线圈(A1)和右盘式小线圈(A2)组成一个差分涡流检出单元(8)，且差分涡流检出单元(8)的个数为气膜孔个数的一半。
2.根据权利要求1所述的一种针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头，其特征在于：所述第一激励线圈(3)和第二激励线圈(4)为柔性线圈。
3.根据权利要求1所述的一种针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头，其特征在于：所述第一激励线圈(3)和第二激励线圈(4)正交分布，检测时分别通入I1＝I0sin(ω0t)sin(ω1t)和I2＝I0sin(ω0t+90°)sin(ω1t)的调幅激励电流，其中ω0＜＜ω1。
4.根据权利要求1所述的一种针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头，其特征在于：所述各差分涡流检出单元(8)中左盘式小线圈(A1)和右盘式小线圈(A2)采集的信号具有以下关系：当气膜孔边没有裂纹时，左盘式小线圈(A1)在一个周期内采集的电压信号与右盘式小线圈(A2)在一个周期内采集的电压信号互为相反数，差分涡流检出单元(8)的输出信号为左盘式小线圈(A1)和右盘式小线圈(A2)采集的电压信号之和，通过差分能够消除气膜孔对孔边裂纹检测的影响，因此各差分涡流检出单元(8)具有自差分和自归零特性；当气膜孔边有裂纹时，差分后只剩下反映裂纹信息的信号。
5.权利要求1至4任一项所述的一种针对叶片气膜孔边裂纹检测的柔性阵列涡流探头进行叶片气膜孔边裂纹检测的方法，其特征在于：
首先，向第一激励线圈(3)和第二激励线圈(4)分别通入相位差为90°的调幅激励电流，将会在均匀涡流区(5)内的叶片(1)表面感生出周期性旋转的涡流，涡流又会感生出二次磁场，检出线圈部分的左盘式小线圈(A1)和右盘式小线圈(A2)会感应出电压信号，孔边任意方向的裂纹均会对感应涡流产生相应的干扰，进而对左盘式小线圈(A1)和右盘式小线圈(A2)采集到的电压信号产生相应的干扰，最后导致对差分涡流检出单元(8)采集的差分电压信号产生干扰；
其次，由于左盘式小线圈(A1)和右盘式小线圈(A2)在气膜孔上方左右相互对称分布，当气膜孔边没有裂纹时，每个差分涡流检出单元(8)中左盘式小线圈(A1)和右盘式小线圈(A2)采集的电压信号具有以下关系：当气膜孔边没有裂纹时，左盘式小线圈(A1)在一个周期内采集的电压信号与右盘式小线圈(A2)在一个周期内采集的电压信号互为相反数，差分涡流检出单元的输出信号为左盘式小线圈(A1)和右盘式小线圈(A2)采集的电压信号之和，通过差分能够消除气膜孔对孔边裂纹检测的影响，因此各差分涡流检出单元(8)具有自差分和自归零特性；当气膜孔边有裂纹时，差分后只剩下反映裂纹信息的信号；
最后，通过对各涡流差分检出单元的差分检出信号峰值和相位对比，能够发现裂纹所在的位置；当发现有裂纹时，对裂纹所在位置处的涡流差分检出单元的差分检出信号进行分析，绘制幅值在一个周期内的极坐标图，极坐标图中两个峰值的连线在极坐标图中的角度反映了裂纹在气膜孔边的方向。
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