CN113916166A - 一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测方法及装置 - Google Patents
一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测方法及装置，该方法包括：S1：制作声速标定试样；S2：标定声速；S3：将透平叶片浸入水槽中；S4：调节水声程和透平叶片与探头相对位置，使超声回波最高；S5：通过声时差和该区域已标定声速，计算出透平叶片该区域壁厚；S6：重复以上程序完成透平叶片下一区域壁厚的测量；该装置包括超声检测仪、聚焦式水浸超声探头，扫查装置，水槽，夹持装置，以及数据采集及处理装置。本发明采用点聚焦方式并精准控制水声程使超声声束恰好聚焦在壁厚底面附近，同时通过扫查装置和夹持装置使测厚过程中的超声声束与透平叶片表面始终保持垂直，获得了更加准确的透平叶片壁厚值。
Description
技术领域
本发明属于超声检测领域，具体涉及一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测方法及装置。
背景技术
燃气轮机透平叶片壁厚测量是透平叶片制造及修复过程中的关键质量控制环节，实现透平叶片壁厚快速、可靠、准确的无损检测对提高透平叶片的质量稳定性和工艺改进等都具有极其重要的影响。
目前常用的透平叶片壁厚测量方法主要为接触式脉冲回波超声检测方法，由于透平叶片外形及内部腔室的复杂性，在检测过程中往往存在以下难以克服的缺点：
1、由于检测时需要在透平叶片表面耦合，而探头耦合面一般为平面而透平叶片表面有曲率，耦合时必然在探头与透平叶片表面间形成一定的间隙(特别是在检测内弧面时)，这种间隙是无法消除的，而且在每一个检测区域的间隙值是变化的，因此会导致检测过程中不可避免的带入误差。
2、由于透平叶片内部腔室与外表面所形成的壁厚的上下表面一般都不是平行的，而探头在外表面耦合之后所发射的超声波方向一般都是垂直于耦合面的，因此将导致所测的壁厚与想要测量的壁厚往往成一夹角，这种情况在检测过程中也难以避免。
为了克服接触式脉冲回波超声检测方法的以上缺点，进一步提高透平叶片壁厚的测量准确度，提出了一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测方法及装置，通过采用水浸聚焦技术和高精度扫查装置和夹持装置，使声束与透平叶片表面在检测全程保持垂直，实现了透平叶片壁厚的高精度测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测方法及装置，以解决透平叶片因外形曲率和内部腔室复杂结构导致壁厚测量不准确的问题。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测方法，其包括以下步骤：
S1：采用与透平叶片相同的制造工艺及参数，制作透平叶片叶型和叶柄待检测壁厚区域的声速标定试样；
S2：采用脉冲回波反射式水浸超声检测方法，对标定试样声速进行测量，依据公式v＝h/t获得透平叶片叶型和叶柄不同待检测壁厚区域标定试样的声速vi，其中i代表透平叶片的不同区域；
S3：将待检测壁厚的透平叶片固定在水浸超声检测水槽的夹持装置上，向水槽中缓慢注水至透平叶片被完全淹没，保证透平叶片表面不产生影响壁厚测量的小气泡；
S4：将聚焦式水浸超声探头固定在水浸超声扫查装置上并移动到待检测壁厚的位置，通过夹持装置调节使透平叶片表面与水浸超声探头声束完全垂直，通过扫查装置调节水浸超声探头与透平叶片表面的水声程使透平叶片的反射回波为最高；
S5：识别并记录水/透平叶片界面波和透平叶片壁厚底部回波之间时间差Δt，通过代入该区域的声速标定值vi，获得透平叶片该区域的壁厚值h＝vi×Δt；
S6：通过扫查装置将聚焦式水浸超声探头移动到下一位置，重复S4的操作，对下一区域的透平叶片壁厚进行测量并记录，以此类推，获得透平叶片不同区域的壁厚值。
本发明进一步的改进在于，声速标定试样的厚度为该区域透平叶片壁厚设计值，声速标定试样的晶粒取向、晶粒大小、成分与该区域透平叶片一致。
本发明进一步的改进在于，获得同一声速标定试样不同位置的声速，并取平均值作为该声速标定试样的声速vi。
本发明进一步的改进在于，水声程的初步调节满足
Sw＝F-Sb×(vi/vw)
其中，Sw为水声程，即聚焦式水浸超声探头与透平叶片表面的距离；F为水浸超声探头在水中的焦距；Sb为透平叶片中的聚焦深度；vi为该区域的透平叶片声速；vw为水中声速。
一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测装置，包括超声检测仪，聚焦式水浸超声探头，扫查装置，水槽，夹持装置，以及数据采集及处理装置；
所述超声检测仪通过屏蔽线缆与聚焦式水浸超声探头连接，超声检测仪通过数据传输线与数据采集及处理装置连接；
所述扫查装置至少具有X、Y、Z三个方向的移动自由度，聚焦式水浸超声探头设置在扫查装置上，所述水槽的尺寸能够完全放进透平叶片，并保证检测过程中聚焦式水浸超声探头和透平叶片始终浸没在水中，用于夹持透平叶片的夹持装置安装在水槽中，至少具有X、Y、Z三个方向的旋转自由度，最小旋转步进不大于0.1°。
本发明进一步的改进在于，所述超声检测仪的最大脉冲重复频率不小于10kHz，最大增益不小于100dB。
本发明进一步的改进在于，所述聚焦式水浸超声探头为点聚焦形式，探头频率选择保证透平叶片壁厚底部回波与表面界面波能够明显区分，同时考虑材质对超声波的散射作用，探头频率通常不小于10MHz。
本发明进一步的改进在于，所述聚焦式水浸超声探头的晶片材质选择声阻抗较低的、易于与水进行声匹配的压电复合材料，晶片厚度等于超声波波长的二分之一；
所述聚焦式水浸超声探头采用声透镜形式进行聚焦，声透镜材料选择环氧树脂加钨粉，声透镜顶端厚度小于0.2mm；
所述聚焦式水浸超声探头的焦柱直径不大于0.5mm，以减小透平叶片外形曲率对检测结果的影响；
所述聚焦式水浸超声探头在水中的焦距至少大于待检测透平叶片壁厚的四倍，选择水中焦距不小于50mm。
本发明进一步的改进在于，所述扫查装置三个方向的有效扫查行程不小于500mm，最小步进不大于0.01mm。
本发明进一步的改进在于，所述数据采集及处理装置最大采样频率不小于125MHz，采样精度不小于14bit；
所述数据采集及处理装置至少具有A扫描波形和C扫描图像的显示功能，并且能够调节超声检测仪的各项检测参数。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明通过提出一种透平叶片壁厚水浸超声检测方法及装置，采用点聚焦方式并精准控制水声程使超声声束恰好聚焦在壁厚底面附近，同时通过扫查装置和夹持装置使测厚过程中的超声声束与透平叶片表面始终保持垂直，获得了更加准确的透平叶片壁厚值；同时，对于与透平叶片表面成不同角度的壁厚值，均可以通过调节超声声束入射角度和水声程进行精准测量。
附图说明
图1为本发明一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测装置的示意图。
附图标记说明：
1-超声检测仪，2-聚焦式水浸超声探头，201-晶片，202-声透镜，203-声透镜顶端，3-扫查装置，4-水槽，5-夹持装置，6-数据采集及处理装置，7-透平叶片。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1，本发明提供的一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测方法，包括以下步骤：
S1：采用与透平叶片相同的制造工艺及参数，制作透平叶片叶型和叶柄待检测壁厚区域的声速标定试样。
S2：采用脉冲回波反射式水浸超声检测方法，对标定试样声速进行测量，依据公式v＝h/t获得透平叶片叶型和叶柄不同待检测壁厚区域标定试样的声速vi(其中i代表透平叶片的不同区域)。
S3：将待检测壁厚的透平叶片固定在水浸超声检测水槽的夹持装置上，向水槽中缓慢注水至透平叶片被完全淹没，保证透平叶片表面不产生影响壁厚测量的小气泡。
S4：将聚焦式水浸超声探头固定在水浸超声扫查装置上并移动到待检测壁厚的位置，通过夹持装置调节使透平叶片表面与水浸超声探头声束完全垂直，通过扫查装置调节水浸超声探头与透平叶片表面的水声程使透平叶片的反射回波为最高。
S5：识别并记录水/透平叶片界面波和透平叶片壁厚底部回波之间时间差Δt，通过代入该区域的声速标定值vi，获得透平叶片该区域的壁厚值h＝vi×Δt。
S6：通过扫查装置将聚焦式水浸超声探头移动到下一位置，重复S4的操作，对下一区域的透平叶片壁厚进行测量并记录。以此类推，获得透平叶片不同区域的壁厚值。
声速标定试样的厚度应为该区域透平叶片壁厚设计值，声速标定试样的晶粒取向、晶粒大小、成分应与该区域透平叶片一致。
获得同一声速标定试样不同位置的声速，并取平均值作为该声速标定试样的声速vi。
水声程的初步调节应满足
Sw＝F-Sb×(vi/vw)
其中，Sw为水声程，即聚焦式水浸超声探头与透平叶片表面的距离；F为水浸超声探头在水中的焦距；Sb为透平叶片中的聚焦深度；vi为该区域的透平叶片声速；vw为水中声速。
一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测装置，包括超声检测仪1，聚焦式水浸超声探头2，扫查装置3，水槽4，夹持装置5，以及数据采集及处理装置6。
超声检测仪1通过屏蔽线缆与聚焦式水浸超声探头2连接，超声检测仪1通过数据传输线8与数据采集及处理装置6连接。
超声检测仪1的最大脉冲重复频率不小于10kHz，最大增益不小于100dB。
聚焦式水浸超声探头(2)为点聚焦形式，探头频率选择应保证透平叶片壁厚底部回波与表面界面波可以明显区分，同时需考虑材质对超声波的散射作用，探头频率通常不小于10MHz。
聚焦式水浸超声探头2的晶片201材质应选择声阻抗较低的、易于与水进行声匹配的压电复合材料，晶片201厚度约等于超声波波长的二分之一。
聚焦式水浸超声探头2采用声透镜202形式进行聚焦，声透镜202材料选择环氧树脂加钨粉，声透镜顶端203厚度应尽可能薄，一般应小于0.2mm。
聚焦式水浸超声探头2的焦柱直径不大于0.5mm，尽可能减小透平叶片外形曲率对检测结果的影响。
聚焦式水浸超声探头2在水中的焦距至少应大于待检测透平叶片壁厚的四倍，一般选择水中焦距应不小于50mm。
扫查装置3至少应具有X、Y、Z三个方向的移动自由度，并且三个方向的有效扫查行程不小于500mm，最小步进不大于0.01mm。
水槽4的尺寸应能完全放进透平叶片，并保证检测过程中聚焦式水浸超声探头2和透平叶片始终浸没在水中。
夹持装置5安装在水槽4中，至少应具有X、Y、Z三个方向的旋转自由度，最小旋转步进不大于0.1°。
数据采集及处理装置6最大采样频率不小于125MHz，采样精度不小于14bit。
数据采集及处理装置6至少应具有A扫描波形和C扫描图像的显示功能，并且可调节超声检测仪1的各项检测参数。
参见图1，对本发明作进一步的说明：
通过沿X和Y方向移动扫查装置3，将聚焦式水浸超声探头2移动到透平叶片7待检测壁厚区域的正上方；通过夹持装置5调节透平叶片7的方位，使得透平叶片7的上表面与聚焦式水浸超声探头2的声束入射方向基本垂直；超声检测仪1通过发射激励信号，激发聚焦式水浸超声探头2发射超声波，通过调节聚焦式水浸超声探头2与透平叶片7表面的距离，使超声波聚焦于透平叶片7内腔表面O点处，沿Z轴微调聚焦式水浸超声探头2的高度，获得最大超声回波。此时，通过数据采集及处理装置6提取透平叶片7上表面返回的界面波和内腔表面返回的底面波的声时差Δt，通过公式壁厚值h＝vi×Δt获得透平叶片7的实际壁厚值。
完成该区域声速测量后，通过扫查装置3和夹持装置5将聚焦式水浸超声探头2移动到透平叶片7的下一待检测壁厚区域，并重复上述检测程序，直至完成透平叶片7所有区域壁厚的测量。
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)
1.一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1：采用与透平叶片相同的制造工艺及参数，制作透平叶片叶型和叶柄待检测壁厚区域的声速标定试样；
S2：采用脉冲回波反射式水浸超声检测方法，对标定试样声速进行测量，依据公式v＝h/t获得透平叶片叶型和叶柄不同待检测壁厚区域标定试样的声速vi，其中i代表透平叶片的不同区域；
S3：将待检测壁厚的透平叶片固定在水浸超声检测水槽的夹持装置上，向水槽中缓慢注水至透平叶片被完全淹没，保证透平叶片表面不产生影响壁厚测量的小气泡；
S4：将聚焦式水浸超声探头固定在水浸超声扫查装置上并移动到待检测壁厚的位置，通过夹持装置调节使透平叶片表面与水浸超声探头声束完全垂直，通过扫查装置调节水浸超声探头与透平叶片表面的水声程使透平叶片的反射回波为最高；
S5：识别并记录水/透平叶片界面波和透平叶片壁厚底部回波之间时间差Δt，通过代入该区域的声速标定值vi，获得透平叶片该区域的壁厚值h＝vi×Δt；
S6：通过扫查装置将聚焦式水浸超声探头移动到下一位置，重复S4的操作，对下一区域的透平叶片壁厚进行测量并记录，以此类推，获得透平叶片不同区域的壁厚值。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测方法，其特征在于，声速标定试样的厚度为该区域透平叶片壁厚设计值，声速标定试样的晶粒取向、晶粒大小、成分与该区域透平叶片一致。
3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测方法，其特征在于，获得同一声速标定试样不同位置的声速，并取平均值作为该声速标定试样的声速vi。
4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测方法，其特征在于，水声程的初步调节满足
Sw＝F-Sb×(vi/vw)
其中，Sw为水声程，即聚焦式水浸超声探头与透平叶片表面的距离；F为水浸超声探头在水中的焦距；Sb为透平叶片中的聚焦深度；vi为该区域的透平叶片声速；vw为水中声速。
5.一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测装置，其特征在于，包括超声检测仪(1)，聚焦式水浸超声探头(2)，扫查装置(3)，水槽(4)，夹持装置(5)，以及数据采集及处理装置(6)；
所述超声检测仪(1)通过屏蔽线缆与聚焦式水浸超声探头(2)连接，超声检测仪(1)通过数据传输线(8)与数据采集及处理装置(6)连接；
所述扫查装置(3)至少具有X、Y、Z三个方向的移动自由度，聚焦式水浸超声探头(2)设置在扫查装置(3)上，所述水槽(4)的尺寸能够完全放进透平叶片，并保证检测过程中聚焦式水浸超声探头(2)和透平叶片始终浸没在水中，用于夹持透平叶片(7)的夹持装置(5)安装在水槽(4)中，至少具有X、Y、Z三个方向的旋转自由度，最小旋转步进不大于0.1°。
6.根据权利要求5所述的一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测装置，其特征在于，所述超声检测仪(1)的最大脉冲重复频率不小于10kHz，最大增益不小于100dB。
7.根据权利要求5所述的一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测装置，其特征在于，所述聚焦式水浸超声探头(2)为点聚焦形式，探头频率选择保证透平叶片壁厚底部回波与表面界面波能够明显区分，同时考虑材质对超声波的散射作用，探头频率通常不小于10MHz。
8.根据权利要求5所述的一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测装置，其特征在于，所述聚焦式水浸超声探头(2)的晶片(201)材质选择声阻抗较低的、易于与水进行声匹配的压电复合材料，晶片(201)厚度等于超声波波长的二分之一；
所述聚焦式水浸超声探头(2)采用声透镜(202)形式进行聚焦，声透镜(202)材料选择环氧树脂加钨粉，声透镜顶端(203)厚度小于0.2mm；
所述聚焦式水浸超声探头(2)的焦柱直径不大于0.5mm，以减小透平叶片外形曲率对检测结果的影响；
所述聚焦式水浸超声探头(2)在水中的焦距至少大于待检测透平叶片壁厚的四倍，选择水中焦距不小于50mm。
9.根据权利要求5所述的一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测装置，其特征在于，所述扫查装置(3)三个方向的有效扫查行程不小于500mm，最小步进不大于0.01mm。
10.根据权利要求5所述的一种燃气轮机透平叶片壁厚水浸超声检测装置，其特征在于，所述数据采集及处理装置(6)最大采样频率不小于125MHz，采样精度不小于14bit；
所述数据采集及处理装置(6)至少具有A扫描波形和C扫描图像的显示功能，并且能够调节超声检测仪(1)的各项检测参数。
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