某發動機風扇轉子葉片渦流檢測傳感器設計

楊光

（中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川 綿陽 621000）

0 引言

風扇轉子葉片是發動機最重要的部件之一，長期工作于高速、高負荷等惡劣工作環境，形狀結構復雜，使用過程中極易產生疲勞裂紋，導致其發生斷裂，對發動機的安全運行構成嚴重威脅。影響發動機研制進度。為保障發動機的試驗安全，需要對風扇轉子葉片表面質量狀態進行快速檢測，因此在試驗現場對風扇葉片進行無損檢測，成為了一項確保葉片表面質量情況良好的重要技術手段。

渦流檢測速度快，無污染，對檢測環境要求低，可檢測零件表面或近表面缺陷。同時，可根據待檢零件形狀及檢測空間將渦流傳感器設計成不同形狀以實現異形零件表面缺陷的檢測。因此，渦流檢測比較適用于結構復雜、空間狹小的風扇轉子現場快速檢測。

1 渦流傳感器設計原理

1.1 渦流檢測原理

渦流檢測是建立在電磁感應原理基礎之上的一種無損檢測方法，通常由三部分組成，即載交變電流的檢測線圈、檢測電流的儀器和被檢的金屬工件。當線圈流過高頻交變電流時會在其中產生同頻率的交變磁場，如果該磁場靠近金屬工件表面，則在工件中能感應出同頻率的電流，簡稱為渦流。渦流的大小與金屬材料的導電性、導磁性、幾何尺寸及其中的缺陷形態有關。渦流本身也會產生同頻率的磁場，其強度取決于渦流的大小，其方向與線圈電流磁場相反，它與線圈磁場疊加后形成線圈的交流阻抗。當零件表面具有材質異常或缺陷時，就會引起零件表面的渦流磁場變化，從而引起線圈阻抗的變化。測量出該阻抗變化的幅值與相位即能間接地測量出工件表面與近表面材質異常或缺陷尺寸[1-2]。

1.2 渦流傳感器設計影響因素

圖1 渦流檢測原理示意圖

渦流傳感器設計的主要內容為線圈半徑、厚度和寬度，其主要影響線圈的線性范圍、重復性及靈敏度等參數。

首先對單匝載流圓導線在中心軸上的磁感應強度進行分析，根據畢奧—薩伐—拉普拉斯定律計算可得[3]：

公式（1）中

在激勵電流不變的情況下，分析各種半徑對曲線的影響，如圖2所示。從圖中可見，半徑小的載流圓導線，在接近圓導線處產生的磁感應強度大，而在遠離圓導線處，則是半徑大的磁感應強度大。

圖2 BP-x曲線

綜合分析，檢測線圈的檢測靈敏度會隨著檢測線圈半徑的減小而增加，但其線性范圍也會隨著線圈半徑的減小而減小。根據渦流檢測傳感器線圈的設計經驗，一般傳感器線圈的線性范圍一般取線圈直徑的1/3～1/5[4-5]，因此在線圈參數設計時應盡可能提高檢測靈敏度的同時保證線圈的線性范圍能夠覆蓋缺陷的埋藏深度。

2 風扇轉子葉片渦流傳感器設計

2.1 渦流傳感器線圈設計

在渦流傳感器參數設計中，應根據風扇轉子的葉片厚度、電導率來確定線圈半徑、厚度等參數。

根據1.2中的公式計算分析，檢測線圈的直徑與檢測深度的線性范圍有關，針對該發動機風扇葉片檢測要求，檢測缺陷等級為0.12mm，為保證檢測效果滿足驗收等級要求，渦流的滲透深度應達到0.2mm左右為宜，根據傳感器線圈的線性范圍一般取線圈外徑的1/3～1/5推算，線圈直徑宜取1mm。

同時，為提高渦流傳感器的檢測靈敏度，本次設計采用差動式線圈結構，并設計單獨的激勵線圈，圖3為渦流傳感器等效電路圖。由于線圈采用差動式連接方式，當被檢工件無表面缺陷時，兩個檢測線圈的感應電動勢互相抵消，檢測線圈將無信號產生，而當零件表面存在缺陷時，由于兩個檢測線圈對于缺陷的不對稱性，其感應電動勢無法完全抵消，從而檢測線圈將有信號產生。

圖3 渦流傳感器等效電路

為保證激勵線圈與檢測線圈的配合，建議線圈匝數比取1，而線圈的匝數由于受儀器內部阻抗和繞線電阻的影響，一般通過試制確定。

以線圈直徑1mm進行試制，采用0.07mm直徑的漆包銅線，線圈匝數取100匝.

線圈的性能評價一般通過線圈的品質因數來進行，線圈的品質因數為感抗與等效電阻比，即為線圈的品質因數，f為線圈頻率，L為線圈電感，R為線圈電阻）。線圈的品質因數值越大（即損耗越小），諧振電路的頻率選擇性越強。針對風扇轉子葉片使用檢測頻率為500kHz，因此通過表1中數據可以算出，激勵和檢測線圈的品質因數均大于300，說明線圈的信號能量損失在可接受范圍內，可以按照試制線圈的參數進行探頭制作。

表1 渦流探頭結構參數實測值

2.2 渦流傳感器結構設計

發動機風扇轉子葉片與葉片間隙較小，葉片形狀厚度有變化。風扇葉片在使用過程中易在葉片進、排氣邊以及葉尖位置產生缺陷。因此，根據設計要求，風扇轉子葉片檢測區域如圖4所示。

圖4 風扇葉片檢測區域

為保證探頭與葉片檢測區域有良好的耦合效果，根據風扇轉子葉片待檢區域形狀，設計了3種外形的渦流探頭，分別用于風扇轉子葉片的葉尖和進、排氣邊的檢測，其中1號探頭用于葉片葉尖的檢測，包含葉盆側和葉背側；2號探頭用于葉片進氣邊葉盆側和排氣邊葉背側的檢測；3號探頭結構與2號探頭鏡像對稱，用于葉片進氣邊葉背側和排氣邊葉盆側的檢測。

本次探頭設計采用了半“凸”字型結構，通過探頭“凸”字邊緣卡住葉片，避免探頭掃查過程中產生滑移，同時配備掃查桿，保證在對風扇轉子進行檢測時能夠將探頭伸入到葉片的葉根部位。

同時，在2號和3號探頭設計過程中，為保證檢查葉片根部過程中留有盡可能小的盲區，將線圈安裝孔設定在了探頭的頭部位置。而為保證能夠將探頭卡緊在葉片邊緣而不滑脫，探頭“凸”字邊緣高度不應低于2mm。

最終制作探頭如圖5所示，通過試驗，將探頭貼近風扇葉片，滑動平穩，無抖動，說明該結構的探頭能夠滿足風扇葉片的檢測需求。

圖5 渦流傳感器外形結構

3 傳感器測試及分析

3.1 傳感器結果數據

通過渦流檢測標準試樣對試制探頭進行測試，標準試樣上分別刻有0.1mm、0.2mm、0.4mm深度的人工缺陷刻槽，將制作的渦流傳感器連接信號發生器，調激勵頻率為100kHz，其次將檢測線圈連接示波器，分別觀察激勵線圈在試樣無缺陷處、0.1 mm人工缺陷、0.2 mm人工缺陷、0.4 mm人工缺陷處的檢測波形圖。掃查結果如圖6，檢測數據如表2。

圖6 傳感器測試波形圖

表2 渦流檢測結果數據

對表2中的檢測的缺陷數據制作指數擬合響應曲線。擬合曲線如圖7所示：

圖7 響應曲線指數擬合

3.2 傳感器性能指標評價

通過渦流檢測結果數據對制作的渦流傳感器性能指標進行評價[10]。

（1）傳感器的靈敏度：到達穩定工作狀態時輸出變化量與引起次變化的輸入變化量之比。其計算方法為：根據圖8計算傳感器靈敏度為：K=10mv/mm。

（2）線性度：在規定條件下，傳感器校準曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程（F·S）輸出值的百分比。

利用端基法獲得其擬合直線為：Y=10.3X+67

計算指數曲線與擬合直線的最大偏差為：

得到x=1.396時有 =1.161

線性度為（1.161/98）×100%=1.2%。

（3）重復性誤差：在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全測量范圍內連續變動多次多得的特性曲線的不一致性。在數值上用各測量值標準偏差最大值的兩倍或三倍與滿量程的百分比表示。即

針對該傳感器：

所以：

新型渦流探頭性能指標匯總如表4所示：

表4 新型渦流探頭性能指標

測試結果表明：對新型渦流檢測傳感器進行性能指標計算，得到該新型渦流檢測傳感器的靈敏度為10 mv/mm，線性度為98.8%，重復性誤差為4%；

綜上所述，設計制作的某型發動機風扇轉子葉片渦流檢測傳感器性能指標良好，具有足夠的檢測靈敏度和良好的線性度，重復性也較高，滿足檢測使用需求[6-7]。

3.3 傳感器使用效果評價

將本次設計制作的渦流傳感器與渦流檢測儀連接，利用標準試樣進行測試，測試頻率500kHz，增益58dB，掃查次數3次以上。圖8是探頭分別劃過0.1mm、0.2mm、0.4mm深度刻槽時的缺陷響應，可以看出渦流傳感器能夠明顯分辨出三個不同深度的人工缺陷刻槽。說明該傳感器的靈敏度、線性度及重復性完全滿足風扇轉子葉片的檢測需求[8]。

圖8 渦流檢測效果圖

4 結語

本文通過分析某型發動機風扇轉子葉片檢測要求及渦流檢測傳感器探頭尺寸、形狀、檢測頻率等影響因素，結合實際工況條件，開展了渦流檢測傳感器設計研究工作。設計了基于某型發動機風扇轉子葉片渦流檢測傳感器，傳感器性能參數試驗驗證滿足檢測需求。解決了某型動機風扇轉子葉片表面缺陷現場渦流檢測難題，提高了檢測效率。