壓氣機葉片根部原位檢測傳感器的設計與制作

， ，，

(南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室，南昌 330063)

圖1 壓氣機轉子葉片結構示意

圖2 壓氣機葉片輪盤結構示意圖

壓氣機葉片通常采用軸向燕尾型榫頭榫槽結構,以多處面接觸的形式與輪盤連接。壓氣機轉子葉片結構示意如圖1所示，壓氣機輪盤結構示意如圖2所示。這種軸向燕尾型榫頭通常用于級數(shù)不多的低壓轉子和高壓壓氣機前幾級轉子中。壓氣機轉子葉片承受載荷的榫頭面積大，能承受較大的離心載荷，因此在葉片高度較高的前2～4級葉片多采用軸向燕尾榫頭。由于壓氣機葉片承受著離心力、熱應力、振動應力以及氣動應力等復雜載荷的作用，葉片根部不僅易產(chǎn)生較嚴重的應力集中，而且受力狀態(tài)較為復雜。壓氣機葉片在服役期間，要經(jīng)過啟動、運轉和停車等過程，其中應力應變溫度的循環(huán)以及葉片振動在葉片根部部位會產(chǎn)生低周和高周疲勞[1-2]，故，葉片根部部位成為發(fā)動機事故多發(fā)部位之一。對斷裂葉片榫頭斷口的分析表明，葉片斷裂屬于疲勞擴展開裂，斷裂源在葉片排氣邊，源區(qū)內(nèi)有明顯的疲勞條紋等。

采用渦流檢測法檢測疲勞裂紋，不僅可靠性高、操作簡單，而且在檢測時不需清除零件表面的油脂、積碳和保護層，還可進行原位檢測，因此，在航空維修中得到了廣泛的應用。由于壓氣機葉片榫頭根部是不規(guī)則曲面，且受現(xiàn)場空間限制，不能采取傳統(tǒng)的掃查方式對其進行檢測，故對傳感器提出了新的要求，要吻合復雜的檢測面且要能達到在役檢測的要求。目前使用的傳感器大都是從各方購買的普通傳感器，其靈敏度低、可達性差。因此，需根據(jù)葉片根部不規(guī)則形面的變化，設計與葉片根部曲面相吻合的探頭仿形面，使其適用于葉片根部的檢測。筆者介紹的渦流檢測傳感器正是在這一思想下研制成功的。

1 傳感器設計原理與方法

1.1 工作原理介紹

傳感器由磁芯、線圈、屏蔽電纜等組成，在線圈中通以一定頻率的電流，變化的電流會產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場靠近導體，導體表面又感生出變化的電流，即渦流。當試件表面或近表面出現(xiàn)缺陷時，渦流的大小及分布會發(fā)生變化，進而影響探頭線圈的電壓和阻抗大小，通過檢測線圈電壓和阻抗的變化，可分析被測試件表面及近表面是否有缺陷。為了得到線圈阻抗變化的特性，必須知道反磁場的空間分布特性，要知道反磁場的空間分布規(guī)律，就必須研究被測導體上的渦流分布規(guī)律。根據(jù)渦流環(huán)原理，將被測導體看成一個渦流環(huán)，其與傳感器的線圈磁性相連，組成一個等效電路，即變成了一個空心的變壓器[4]。基于變壓器原理，將傳感器線圈看成變壓器原邊，被測體中渦流電路看成副邊，即可得到電渦流傳感器的等效電路，如圖3所示。

圖3 電渦流傳感器等效電路

1.2 傳感器磁芯材料的選擇

為了實現(xiàn)對微小缺陷的測量，有效拾取磁場量，線圈的體積應越小越好。為了增強檢測效果，在線圈中應加入磁芯。加入磁芯后，磁感線都集中到了磁芯上，從而磁芯中的磁通密度增大，即磁感應強度增大。

圓柱形磁性材料處于交變磁場中的渦流損耗P可用式(1)表示[6-7]

(1)

式中:f為激勵頻率;Bm為飽和磁感應強度;d為磁芯的直徑;ρ為磁芯材料電阻率;D為磁芯材料的密度。

從式(1)可知，要使渦流損耗最低，應該盡可能地使用較低的飽和磁通密度和電導率，以最大程度地減少磁通衰減。另外，考慮到磁芯中電磁感應的存在會不斷地產(chǎn)生焦耳熱，因此磁芯材料需要具有較高的居里溫度Tc。

另外，考慮到磁芯材料高頻環(huán)境的材料特性，磁芯加工的難易程度、成本等因素,文章主要對在中頻下常用的磁芯材料(錳鋅和鎳鋅材料)的特性作了對比(見表1)。

表1 鐵氧體磁芯材料特性對比

錳鋅和鎳鋅材料鐵氧體都具有較低的飽和磁通密度和電阻率，能夠最大程度地減小磁場的衰減；且由于鎳鋅材料電阻率較高，適合在頻率較高的環(huán)境下工作。根據(jù)檢測的壓氣機葉片材料可知，激勵頻率不宜過高，在頻率低于2 MHz時，錳鋅材料的性能明顯好一些。錳鋅材料的初始磁導率高于鎳鋅材料的，在達到磁飽和前將得到更高的磁通密度[8]。因此，傳感器選擇錳鋅材料作為磁芯的材料，以最大程度地減少磁場的衰減，提高檢測靈敏度。

1.3 傳感器磁芯尺寸的確定

在帶有磁芯的線圈上通以交流電，軸線上的磁感應強度可根據(jù)畢奧-薩伐爾-拉普拉斯定律[5]得到

(2)

式中:μ0為真空磁導率；I為激勵電流；r為磁芯線圈的半徑；x為軸線上某點M到線圈平面的距離。

通過設置不同的磁芯尺寸對比，在保持被測體與探頭距離不變的情況下，設置不同的磁芯尺寸。

圖4 傳感器線圈電阻、感抗與檢測距離之間的關系曲線

傳感器線圈電阻、感抗與檢測距離之間的關系曲線如圖4所示，由圖4可以看出，由于風扇葉片為非鐵磁性材料，磁芯的加入會提高線圈對檢測距離的靈敏度，且在相同的檢測距離下，線圈的電阻和感抗都明顯增大。主要原因是磁芯使線圈中的一次場增強，由一次場在被測體中感應的二次場也相應增強。雖然一次場和二次場方向相反，但穿過線圈的總磁通鏈增加(耦合系數(shù)小于1)，故在相同檢測距離下線圈的電阻和感抗都明顯增加。此外，隨著檢測距離的增加，一次場和二次場的耦合系數(shù)減小，線圈電阻和感抗的變化與空心線圈基本相同，故線圈對檢測距離的靈敏度得到了提高[6]。

磁芯雖然能將大部分磁場限定在被關注區(qū)域，但仍然有部分磁場散布在空氣中，使得傳感器線圈對檢測距離的靈敏度的提高受限。因此，可以通過優(yōu)化磁芯的幾何結構，改變磁路以獲得更高的靈敏度。假設磁芯高度h和半徑r的比值為λ，當λ=2,3,4,5時，分別研究其對線圈阻抗和檢測距離關系的影響，結果如圖5所示。

圖5 磁芯高度與半徑的比值對線圈阻抗與 檢測距離關系的影響

由于被測體為非鐵磁性材料，磁芯的高度或半徑對線圈電阻的影響極小，但對感抗的影響較大，磁芯高度減小或半徑增大會使得磁芯的靈敏度升高。根據(jù)靈敏度的要求以及線性范圍的要求，文章選取直徑為2～4 mm的錳鋅磁芯。

1.4 線圈參數(shù)的確定

航空發(fā)動機葉片材料大多是鈦合金和高溫合金材料，其電導率范圍為(2～10)×105S·m-1，非磁性材料的相對磁導率為1。渦流檢測時特征頻率按式(3)選取。

(3)

式中:μr為相對磁導率；σ為電導率；Db為磁芯的直徑。

由式(3)可求得fg范圍為4.129 kHz～20.649 kHz。

在檢測葉片根部的疲勞裂紋時，其工作頻率選取f=(10～50)fg，由此計算出檢測的工作頻率在206.496 kHz～1.032 4 MHz間。

檢測儀器采用實驗室自主研發(fā)的渦流檢測儀器，激勵電流部分采用由場效應管組成的柵-漏雙諧振回路振蕩器。振蕩器的振蕩頻率主要由探頭組成的并聯(lián)諧振回路決定，漏極回路作為諧振放大電路，如果探頭回路參數(shù)發(fā)生變化(由于探頭接觸到試件表面的裂紋處)，柵極回路電壓會下降及振蕩頻率發(fā)生變化[9]。因此，在漏極諧振回路上產(chǎn)生的電壓也就會發(fā)生變化。圖6所示為柵極回路中由探頭組成的并聯(lián)電路結構示意以及頻率與電流的關系曲線。在并聯(lián)諧振電路中，如果線圈中的電流與電容中的電流相等，則電路就達到了并聯(lián)諧振狀態(tài)。此時除LC并聯(lián)部分外，其他部分的阻抗變化幾乎對能量消耗沒有影響。

圖6 柵極回路LC并聯(lián)電路結構和頻率與電流的關系曲線

諧振頻率計算公式為

(4)

式中：L為線圈電感；C為電容。

根據(jù)工作頻率f與諧振頻率f0，選取合適的并聯(lián)電容與線圈電感，使諧振頻率達到工作頻率。通過重復試驗得到，線圈電感為15～35 μH，線圈匝數(shù)為20～30。

1.5 傳感器磁芯的加工設計

圖7 葉片根部檢測位置的不規(guī)則曲面

圖8 葉片根部磁芯檢測示意(根部存在R角)

在實際檢測中，渦流檢測的對象是葉片根部，其幾何形狀較為復雜，在渦流檢測時勢必會存在較大的提離效應。圖7所示為葉片根部的檢測位置，可以看出，根部位置存在R角。為了保證被測葉片中的磁場強度，必須盡可能地消除提離。圖8為磁芯檢測示意(圖中α為葉片曲率角)。因此，根據(jù)葉片根部的形狀特點，對磁芯檢測面進行加工，使得磁芯的檢測面可以更好地貼合葉片根部檢測部位，減少提離效應。具體的做法是：

(1) 確定葉片根部檢測部位的曲率變化，由于檢測部位是一個不規(guī)則的曲面，存在不同程度的曲率，對試驗的葉片根部檢測部位的曲率進行精確測量，葉片根部曲率角測量示意如圖9所示，然后計算出試驗葉片曲率的偏角α1，α2，α3，…，αn的平均值。

(5)

由于葉片根部在出廠前經(jīng)過磨削加工，任何一塊葉片的曲率角都在(-3σ，+3σ)的范圍內(nèi)(σ為葉片曲率角的標準差值)，雖然葉片的曲率角會各不相同，但是在磁芯的實際加工過程中發(fā)現(xiàn)，曲率角的標準差σ≤0.04 mm，3σ≤0.12 mm，而由正態(tài)分布知識可知，有99%的葉片曲率角的變化在±0.12 mm范圍內(nèi)，根據(jù)傳感器的靈敏度(≥0.2 mm的裂紋)，可以將曲率角變化范圍內(nèi)的波動忽略。

圖9 葉片根部曲率角測量示意圖(以某點為例)

(3) 實際加工過程中，使用醫(yī)用的咬合紙貼合葉根檢測位置，使磁芯檢測面接觸葉根檢測位置，磁芯自動標記上接觸點位置，使用工具修磨接觸點，重復操作，慢慢地加工磁芯接觸點，直到接觸點完全被標記，即磁芯接觸面完全吻合葉根檢測位置。圖10,11分別為磁芯加工示意和加工后的磁芯形狀。

圖10 磁芯加工示意

圖11 加工后的磁芯(φ4 mm)

1.6 傳感器的制作

加工設計好磁芯后，把線圈緊密繞制在距離檢測端面1 mm的磁芯上，繞制好一定匝數(shù)后，測量其電感大小，若符合要求，引出接線端，即可用絕緣漆將線圈固定，待絕緣漆風干后用環(huán)氧樹脂封裝好，根據(jù)實際檢測的復雜工況，需要設計傳感器工裝，將設計加工好的傳感器固定在工裝的特定位置，圖12(a)為傳感器工裝部分的設計圖。將線圈的兩根引出線分別連接到同軸電纜線一端的芯線和屏蔽層上，同軸電纜線的另一端連接到射頻連接器的母頭端，圖12(b)為完整的傳感器部分。

圖12 傳感器工裝設計圖與制作后的外觀

2 試驗結果分析

2.1 標準試塊試驗

(1) 標準試塊的準備，準備5塊標準葉片，標號分別為1，2，3，4，5 ，其中1，2號為有缺陷葉片，3，4，5號為完好葉片。根據(jù)發(fā)動機葉片的實際狀況，實際檢測中由于受檢測空間狹小、裂紋出現(xiàn)位置的特殊性限制，無法采用動態(tài)掃查的方式檢測，只能采用原位靜態(tài)檢測，即探頭放入葉片根部后保持不動，采集當前位置的渦流信號，與標準試塊的檢測值進行對比來判斷葉片的好壞。

(2) 選擇相同的探頭，在同一條件下對5塊標準試塊進行連續(xù)10次的試驗，對同一塊葉片在試驗時采用重復檢測法，即進行多次檢測判斷數(shù)據(jù)的可靠性，若連續(xù)5次以上采集的數(shù)據(jù)一致，則認為數(shù)據(jù)可靠；若連續(xù)5次采集的數(shù)據(jù)不一致，或相鄰兩次采集的數(shù)據(jù)不一致，則認為數(shù)據(jù)不可靠，繼續(xù)重復試驗。記錄下數(shù)據(jù)，繪制了標準試塊的試驗數(shù)據(jù)折線圖(見圖13)，其直觀地顯示了測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和差異。

圖13 標準試塊連續(xù)十次的試驗數(shù)據(jù)對比

從圖13可以看出，5塊標準試塊連續(xù)10次試驗數(shù)據(jù)標準差的平均值是0.01，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)可靠。1,2號試塊電壓幅值基本上在0.45～0.5 V間，3,4,5號試塊電壓幅值基本上在0.3～0.4 V。由此獲得完好葉片的渦流信號取值范圍為0～0.45 V，這一數(shù)值范圍可用來確定缺陷識別的參考閾值，超過此范圍的渦流信號作為異常信號進行分析。

2.2 現(xiàn)場試驗

為了進一步確定葉片根部形態(tài)對渦流檢測信號的影響，現(xiàn)場檢測了某發(fā)動機修理廠壓氣機57塊葉片，圖14為某型號發(fā)動機部分葉片根部的原位檢測連續(xù)重復檢測三次的結果。

圖14 某型號發(fā)動機壓氣機部分葉片根部的原位檢測結果

從圖14可以看出，原位靜態(tài)3次檢測的數(shù)據(jù)重復性較好，證明了檢測結果的穩(wěn)定性，同時數(shù)據(jù)又具有散在分布的特點，與葉片根部形態(tài)不一致的實際情況相符合。數(shù)據(jù)顯示第28塊第3次檢測的數(shù)據(jù)都超出閾值，其余葉片檢測數(shù)據(jù)幾乎全部集中在0～0.45 V間(參考閾值的范圍內(nèi))，懷疑28號葉片根部有缺陷。對其進行分解拆開后，發(fā)現(xiàn)28號葉片根部存在裂紋(深度0.31 mm，長度4 mm)，如圖15所示。

圖15 第28號葉片分解后的根部缺陷

3 結語

通過從外場發(fā)動機葉片原位檢測的要求出發(fā)，根據(jù)葉片根部的形狀特點，設計與制作了符合葉片根部形狀的仿形傳感器。經(jīng)過試驗驗證，設計的傳感器對葉片根部檢測具有穩(wěn)定性好、靈敏度高的特點，配合工裝可以達到葉片根部的原位檢測的要求。