航空发动机涡轮叶片
裂纹的自动仿形涡流
检测系统设计及试验研究
涡轮叶片是航空发动机的重要部件之一,其可靠性直接影响到发动机的使用寿命、飞机的飞行安全以及经济效益 [1]。涡轮叶片在高温、高压和高转速的复杂工况下运转,容易产生疲劳裂纹,从而引发飞行事故 [2–5]。研究涡轮叶片裂纹的快速高效检测方法,及时发现并预防危害性故障对于确保飞行安全具有非常重要的意义。目前涡轮叶片主要采用渗透技术进行检测,在检测前需要去除热障涂层,检测效率低,成本高。涡流检测(Eddy Current Testing,ECT)[6–8]能够有效检测出非铁磁性构件中的表面和近表面缺陷,具有无需耦合剂、检测成本低和对环境污染小等优点,可以实现对航空发动机涡轮叶片构件裂纹缺陷的自动快速检测,提高检测效率。
近年来,国内外很多学者在涡轮叶片的涡流检测方面进行深入研究,付刚强、郑勇 [9] 设计了发动机二级涡轮叶片探伤专用探头,并通过人工扫查可检出涡轮叶片排气边边缘的微小裂纹,但利用人工扫查的方式稳定性和效率较低。2014 年沈阳黎明航空发动机公司赵秀梅等 [10] 采用专用阵列涡流检测探头和特殊工装解决了高压涡轮叶片的原位检测难题,但其探头仍存在一定的检测盲区。
张卫民等 [11] 研制了差激励式涡流探头并利用了数控扫查台实现了对叶片类零件表面微裂纹位置的判定,但仍然未解决涡轮叶片高效检测难题。尽管学者们在涡轮叶片检测方面开展了大量的研究工作,然而对涡轮叶片如何进行快速批量检测仍是一个难题 [12–16],主要存在检测信号信噪比低、检测效率低、检测成本高、难以实现自动批量检测等方面的问题。
本文以航空发动机涡轮叶片裂纹缺陷检测为研究对象,研制了适用于涡轮叶片的小尺寸高灵敏机械自补偿差动式涡流探头,配合开发的五轴联动自动仿形扫查系统对涡轮叶片裂纹缺陷实施高效检测,研究了涡轮叶片手动扫查和自动化扫查的涡流检测信号特征,验证了涡轮叶片裂纹缺陷自动化涡流检测系统的实用性。
仿形扫查涡流检测系统开发
仿形扫查涡流检测系统结构示意图如图 1 所示,主要包括自动仿形扫查系统、叶片专用涡流检测探头和涡流仪构成,实施检测时,自动仿形扫查系统运行载有叶片扫查路径、扫查方向和扫查范围等信息的 G 代码,使涡流探头在涡轮叶片表面上展开仿形扫查,采集缺陷涡流检测信号并传输至涡流仪中进行调理和显示
针对涡轮叶片裂纹缺陷实施涡流检测噪声大的检测难题,研制了机械自补偿差动式涡流探头,开发了的五轴联动自动仿形扫查系统,并实现了涡轮叶片的自动仿形快速检测。试验研究结果表明,涡流探头具有较高的灵敏度和分辨率,有效检出涡轮叶片多方向的微裂纹;采用自动涡流检测系统使探头始终沿着叶片曲面的切面方向按预定的轨迹移动,大幅降低干扰而提高信噪比,处于叶片边缘或曲率较大部位的纵向裂纹信噪比达到 6.0 以上,为涡轮叶片类复杂曲面金属零件涡流检测提供了新思路。