飛機發動機葉片缺陷的差激勵渦流傳感器檢測

于霞，張衛民，邱忠超，陳國龍，秦峰

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081;2.中國兵器工業導航與控制技術研究所，北京100089)

渦輪發動機是飛機的核心部件，它依靠葉片完成對氣體的壓縮和膨脹來產生強大動力，以推動飛機前進.葉片數量眾多且屬于高速旋轉件，所受載荷復雜、使用環境惡劣，是發動機中最重要和關鍵性零件之一［1-6］.

葉片在高溫、高壓等交變載荷下工作，容易因腐蝕、振動等原因導致疲勞裂紋產生和擴展，從而引發飛行事故.因此，研究葉片裂紋的有效檢測方法，早期預報和診斷葉片裂紋缺陷的產生，是十分必要的［7-9］.渦流檢測是一種重要的無損檢測方法，其工作原理是根據電磁感應，將渦流傳感器的激勵線圈置于金屬基試件附近，這時試件中會感應出渦流，借助傳感器的檢測線圈拾取缺陷附近渦流場變化，即可實現缺陷檢測.渦流檢測簡便高效，可實現非接觸和自動化檢測，其特點是對試件表面或亞表面缺陷敏感，和超聲等檢測方法有效組合，有望取代目前生產中效率低下、難以實現自動化生產的磁粉、滲透等檢測方法，滿足葉片零件自動化批量生產的檢測需求［10-13］.

關于利用渦流方法進行葉片檢測，已開展了很多研究工作.有學者根據大型汽輪機的檢測要求，研制了專用渦流檢測傳感器，取得了較好檢測結果［14-16］;利用陣列式渦流傳感器，有效檢測出高壓渦輪葉片上的疲勞裂紋［17-18］;針對葉片檢測需求，研制了專用檢測傳感器［19］，滿足了現場檢測需求等.

渦流傳感器從原理上說主要分為兩種，即絕對式傳感器和差動式傳感器［20］.其中差動式傳感器利用差動線圈對相同信號進行抵消、差異信號進行疊加的特點，可有效抑制溫度、提離效應等共模干擾信號，更適于識別葉片中微小裂紋.本文根據葉片缺陷檢測實際需求，設計并研制了一種新型小尺寸、差激勵式渦流傳感器.實驗結果表明，這種傳感器抑制干擾能力較強、靈敏度高，較適于檢測葉片中的微小缺陷.

1 差動式渦流傳感器工作原理

差動式渦流傳感器可以分為差測量式和差激勵式，一般比較常見的是差測量式，如圖1(a)所示.它由一個激勵線圈和兩個測量線圈組成，激勵線圈在試件中感生渦流，當試件中沒有缺陷時，由于兩個測量線圈反向連接，感應電壓相互抵消，沒有輸出;一旦試件中出現缺陷，測量線圈中的感應電壓便發生變化，有信號輸出.差激勵式渦流傳感器則是由兩個激勵線圈和一個測量線圈組成，如圖1(b)所示.當試件中沒有缺陷時，兩個激勵線圈產生的渦流場能量相同，方向相反，相互抵消，測量線圈中沒有感應電壓輸出;當試件中存在缺陷時，兩個激勵渦流場能量平衡被破壞，測量線圈中產生感應電壓信號.

圖1 差動式渦流檢測Fig.1 Differential eddy current detection

由于葉片屬于復雜曲面零件，檢測時表面狀態差異、提離距離變化等干擾因素不可避免，葉片上微裂紋處渦流信號很微弱.采用差動式渦流傳感器對于抑制干擾，增大靈敏度，甚至提高線性度，無疑是合理的選擇.與差測量式傳感器相比，差激勵式傳感器在試件上施加兩個相互耦合的電磁場，一旦試件中渦流場平衡被破壞，其變化量要比差測量式傳感器更大.所以在葉片缺陷檢測實驗中，差激勵式傳感器比差測量式傳感器靈敏度更高.如圖2所示，兩個結構尺寸相同的差動式傳感器，在相同電源電壓激勵下，差激勵式傳感器輸出明顯高于差測量式傳感器，且信噪比顯著改善.

圖2 葉片試件裂紋兩種差動式檢測結果對比Fig.2 Comparing results of detecting cracks between two differential kinds

2 差激勵式渦流傳感器設計與研制

一般通用差動式渦流傳感器尺寸較大，且均為差測量式結構.本文針對葉片微裂紋檢測需求，設計了一種尺寸小、靈敏度高的差激勵式傳感器，其殼體直徑為5 mm，差激勵探頭渦流檢測系統組成如圖3所示，檢測線圈拾取的渦流信號轉化為變化的電壓信號，經過信號調理電路，A/D數據采集卡轉化為數字信號，由計算機保存、處理、輸出.差激勵傳感器中，為了增大電感量，提高檢測靈敏度，將線圈繞制在鐵氧體鐵芯上，為了減小傳感器體積，將鐵氧體磨制成0.2 mm的薄片，兩側的激勵線圈用0.09mm的漆包線纏繞鐵氧體薄片繞制兩層共300匝制作而成，兩個激勵線圈互為反向連接，而中間的測量線圈是由0.05 mm漆包線環繞鐵氧體外繞制一層400匝構成.圖4為兩種結構形式的差激勵式傳感器.

圖3 差激勵測量系統框圖Fig.3 Block diagram of difference incentive measurement system

為了實現對發動機葉片的自動高效檢測，可將上述差激勵式傳感器安裝在數控多自由度掃查臺上，通過數控軌跡規劃，實現對葉片曲面零件的快速掃查.

圖4 差動式探頭及內部線圈結構Fig.4 Differential probe and internal coil structure

3 葉片裂紋缺陷渦流檢測仿真研究

應用ANSOFT電磁場有限元分析軟件，通過位函數的選取和邊界定解條件的施加，可求得唯一數值解［21］.選取激勵和檢測線圈鐵芯為2 mm×0.2 mm的矩形鐵氧體薄片，激勵線圈導線線徑為0.05 mm，繞制300匝，檢測線圈采用同樣線徑繞制400匝.

利用渦流求解器求解時假設:時變電磁場量做周期變化且所有量具有相同的角頻率，所有電流量與所研究導體的橫截面正交.采用直接方法求解磁場強度.邊界處強制H連續，在模型中產生連續的磁場解，之后將解進行誤差分析，細化誤差較大位置的網格，連續求解直到滿足設定的終止條件［10］.

三維渦流場采用棱邊法將四面體單元棱邊上的場量作為待求自由度.磁場強度H描述為

式中:φ為標量磁位;Hp為四面體剖分6條邊上的磁場強度，該場量為待求場量.在三維非導電區域內，采用式(1)，需計算節點上標量磁位φ和棱邊上的矢量磁場強度Hp，因棱邊上的自由度是矢量，所以在x、y、z 3個方向上各對應一個標量.在導體區域，采用式(2)進行計算，其中T是棱邊元其棱邊的矢量電位，需要在四面體單元10個自由度的基礎之上再增加矢量電位自由度.在導電區域和非導電區域的交界面上矢量電位T的切向分量置成0，并按所有激勵源頻率相同且固定進行求解計算［22］.

考慮到發動機葉片表面為曲面，不同位置處曲率各異.利用正弦函數曲線建立了一個較為平緩的曲面來近似葉片葉尖部位的曲面進行仿真.這種建模方式基于兩點考慮:①葉片曲面可看作變曲率正弦曲面;②在傳感器附近用規則曲面代替葉片曲面，誤差很小.部分結果如圖5所示，不同位置處不同尺寸的裂紋的磁密度云圖有所區別.仿真忽略了因為阻抗變化電流略微變化的影響.

圖5 不同位置不同尺寸裂紋磁密度Fig.5 Magnetic flux density of cracks with different positions and various sizes

仿真過程建立了差激勵渦流檢測三維探頭模型，由于4條裂縫(裂紋相對位置及尺寸見圖6(a))處能夠導致兩個激勵線圈在金屬板上的渦流畸變，造成感應接收線圈的左右兩側磁場不相等，由此引起差分電壓并產生感應電壓波形圖，如圖6(b)所示.

圖6 裂紋相對位置及感應電壓仿真Fig.6 Relative positions of cracks and induced voltage simulation

圖7為寬度相同而長度、深度不同的裂紋在缺陷處的渦流滲透深度密度云圖.從圖中可以看出，對于文中給定的傳感器結構，隨著裂紋深度增加，渦流的滲透深度越深;隨著裂紋長度增加，渦流的滲透深度也越深.

圖7 無裂紋與4種不同位置裂紋處的渦電流密度云圖Fig.7 Eddy current density counters without cracks and with cracks at four different positions

根據仿真結果，探頭在不同提離高度下的磁信號強度明顯不同，得到了從0～1.5 mm提離高度與檢測電壓峰值的關系曲線，如圖8所示.從曲線上可以看出，1 mm提離高度以后，電壓輸出很小，幾乎均為零值，說明當提離高度超過1 mm以后較難檢測出仿真中給定尺寸的裂紋.

圖8 提離高度與電壓峰值關系曲線Fig.8 Relation curve of lift-off and voltage peak

渦流檢測過程中，除了探頭結構、提離高度和激勵頻率對檢測會造成影響外，探頭在掃查過程中的姿態，即探頭掃查通過同一條裂紋時，探頭與裂紋所成的不同角度對檢測結果會有一定的影響.為了檢驗其影響程度，通過仿真建立了3條尺寸相同均為長3mm×寬0.1mm×深0.2mm的裂紋，設定掃查路徑分別為與裂紋長度垂直方向成0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°，如圖 9(a)所示，選取得到的探頭在0°，45°，60°三種不同掃查角度下的感應電壓仿真如圖9(b)所示.上述結果說明，傳感器在垂直于裂紋方向掃查有最大靈敏度，應盡量避免順著裂紋方向掃查，此方向為傳感器檢測盲區，在其他方向上，傳感器均有不同程度的輸出.

圖9 不同角度下的感應電壓仿真Fig.9 Induced voltage simulation at different angles

4 葉片裂紋缺陷檢測實驗

應用設計的差激勵式傳感器探頭及其渦流檢測系統，該傳感器結構和仿真模型相一致.對葉片試件上不同部位采用電火花加工方法預制不同尺寸的微裂紋.如圖6(a)所示，選取葉尖部位4條裂紋，其長度、寬度、深度分別為 10 mm×0.1 mm×0.15 mm、10 mm ×0.1 mm ×0.3 mm、5 mm×0.1 mm ×0.15 mm、5 mm ×0.1 mm ×0.3 mm為例進行說明.在128 kHz激勵頻率、8 V輸出電壓和120°相位的情況下，分別改變探頭掃查角度和提離高度，進行了多次檢測實驗.

改變差激勵探頭與被測試件表面的距離，由0 mm逐漸增加到1.0 mm沿試件長度并垂直于裂紋方向進行檢測，選取4個特征提離高度(h)的檢測結果如圖10(a)所示，并根據實驗結果繪制了提離高度與檢測信號峰峰值曲線，如圖10(b)所示.

改變探頭相對裂紋的掃查方向，如圖9(a)所示，垂直裂紋的方向定為初始0°，依次沿逆時針掃查，得到0°～90°之間6個方向的掃查檢測結果.選取具有代表性的檢測曲線如圖11所示.

圖10 差激勵探頭葉尖4條裂紋缺陷提離檢測結果Fig.10 Lift-off detecting results of four cracks at the tip of leaf using differential incentive probe

圖11 不同掃查方向檢測結果Fig.11 Detecting results along different scanning directions

5 結論

本文針對較難檢測的航空發動機渦輪葉片，設計了專門用于配合葉片表面微裂紋檢測的數控多自由度掃查臺，并應用設計制作的差激勵渦流傳感器，以葉尖部位的4條尺寸和位置不同的采用電火花加工方法預制的微裂紋為例，開展了渦輪葉片表面微裂紋仿真和實驗研究，研究結果表明:

1)仿真和實驗結論相互吻合，所設計的小尺寸且具有較高靈敏度和較高分辨率的差激勵傳感器能夠有效檢測識別出發動機葉片上的微裂紋缺陷.

2)為后續進一步完善用于渦輪葉片表面微裂紋缺陷檢測的差激勵傳感器研究奠定了一定的基礎.

3)為其他領域不規則金屬曲面工件的微裂紋檢測提供一些方法和技術借鑒.

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