直升機渦軸發動機葉片損傷檢測與定量評估

李小麗，陳新波，何忠祥，黃富明

（海軍航空大學青島校區，山東青島 266041）

0 引言

隨著科技發展和經濟水平的提高，直升機在各領域的應用逐漸增多，其故障也隨之而來。為了保障飛行安全，對直升機尤其是對其發動機的故障檢測尤為重要。在國外，民用航空發動機葉片檢測以孔探儀檢測和渦流檢測為主，比較先進的技術有基于激光超聲與掃描探針顯微鏡相結合的無損檢測技術，這種技術可開展納米尺寸上的研究。在中國，曹強等[1-2]開展了有關無損檢測技術在軍用飛機修理中的應用研究，指出無損檢測仍然存在局限性，并提出在軍用飛機維修中應用聲振檢測、DR 檢測、相控陣檢測等技術，但是對原位無損檢測的研究比較少，大多處于離位檢測狀態。無損檢測定量評估技術在航空領域的應用主要包括民用飛機飛行品質適航性評估、民航飛行安全定量評估、民用飛機軟件可靠性定量設計和評估等，用于設計過程試驗數據后期處理階段，主要采用權威數據法、算術平均法對數值的標準差、變異系數進行估計等。目前在國際上，定量評估技術在航空發動機葉片無損檢測上的應用尚淺，而在航空領域也僅應用于民用航班的安全性、可靠性研究。

某型直升機常年飛行、停放在高濕度、高溫度、高鹽分的大氣中，自然環境和工作環境對該型直升機發動機葉片有嚴重影響[3-4]。發動機葉片在使用過程中容易發生損傷，出現裂紋、缺口、掉塊、撕裂、燒蝕等損傷缺陷，曾在地面試車和空中飛行過程中發生多次葉片斷裂故障，打傷發動機，造成飛行安全事故。目前對該型直升機發動機的日常維護以定期檢修時的無損檢測為主，根據該型直升機維護規程，主要使用孔探儀進行原位目視檢測。孔探儀檢測只能針對已經出現較大缺口、掉塊、撕裂或燒蝕的發動機葉片進行，而無法檢測出微小裂紋損傷，且檢測工位受限、人為因素干擾較大，不能及時發現細微損傷而導致檢測結果可靠度偏低。孔探儀檢測設備普遍體積偏大、設備復雜，不便于在狹小空間操作。在某型直升機發動機葉片損傷的原位檢測中沒有采用定量檢測，大多是出現損傷即換件，導致資源利用率不高、維修勞動強度大和直升機出勤率大幅降低。

本文通過設計制作專用傳感器，采用概率正態分布和線性回歸分析方法分析試驗數據，針對某型直升機發動機葉片進行了原位損傷檢測方法研究。

1 葉片損傷分析

某型艦載直升機采用的渦軸發動機為多級軸流式結構，具有12 級壓氣機葉片。該渦軸發動機在工作時，氣流由整流罩前端進入進氣導向器，并依次通過壓氣機各級轉子形成高壓高速氣流[5]。在發動機工作過程中，壓氣機轉子葉片會產生很大的慣性離心力、氣動力和振動交變應力等。

第1 級壓氣機葉片處于壓氣機轉子的前端，發動機在地面起動工作時會吸入大量空氣，地面的外來物如細小砂礫會進入發動機進氣道，在高速氣流的作用下打擊第1 級壓氣機葉片，使其產生壓痕和細微裂紋。在高濕度、高溫度、高鹽分的大氣中，裂紋在應力集中的尖端發生腐蝕而擴展。而在通常采用孔探儀進行的日常檢查中，并不能有效發現裂紋缺陷。

綜合上述分析，確定將第1 級壓氣機葉片的裂紋缺陷作為損傷原位無損檢測研究對象。

2 葉片無損檢測

2.1 原位無損檢測

某型渦軸發動機第1 級壓氣機葉片原位安裝情況如圖1 所示。根據相關維護規程采用內窺檢測，但只能檢測到缺口、掉塊、撕裂、燒蝕等缺陷，而無法檢測到該發動機第1 級壓氣機葉片上的裂紋缺陷，需要選用其他檢測方法檢測裂紋缺陷。

圖1 某型渦軸發動機進氣道和第1級壓氣機葉片原位安裝情況

常用的無損檢測方法有渦流、超聲、磁粉、射線和滲透檢測。其中，磁粉、射線和滲透檢測不能對該壓氣機葉片進行原位檢測[6-7]。超聲檢測一般需要耦合劑，結合圖1可知，該發動機第1級壓氣機轉子葉片前端進氣道空間狹小，不便于涂抹和清理耦合劑，且超聲檢測使用的傳感器的體積相對于葉片而言普遍較大，不便于實施原位檢測；渦流檢測不需要耦合劑，與檢測對象可以有一定距離或直接接觸，能夠進行多種測量，第1 級壓氣機葉片的進氣邊能外露出來，可通過設計專用傳感器進行檢測，實現疲勞裂紋監控，該檢測方法工藝簡單、操作容易、檢測速度快、結果采集方便，可在短時間內重復采集數據[8-9]。

綜合以上情況，選擇渦流檢測方法進行某型艦載直升機發動機第1級壓氣機葉片裂紋缺陷的原位檢測。

2.2 專用試件設計

某型艦載直升機發動機第1 級壓氣機葉片材料為TC8 鈦合金，參照《中華人民共和國國家軍用標準渦流檢測方法GJB 2908-97》對發動機葉片設計不同大小的人工缺陷，通過分析多次數、多狀態的檢測結果，研究不同程度裂紋的信號類型，實現裂紋與檢測信號的定量評估。

根據以上要求進行發動機葉片的對比試塊設計，人工缺陷參數見表1。

表1 發動機葉片對比試塊設計參數 mm

采用電火花加工法對發動機葉片進行人工缺陷加工[10]，缺陷實物如圖2所示。

圖2 葉片人工損傷實物

2.3 專用傳感器設計

發動機葉片葉型曲率較小，接近于平面，且需要較高的檢測靈敏度，故采用放置式檢測線圈（又稱為點式檢測線圈或探頭），如圖3所示。

圖3 放置式線圈結構

經過對比，采用絕對式檢測線圈對葉片缺陷進行檢測。其纏繞方式如圖4所示。

圖4 絕對式檢測線圈的接線方式

根據渦流環理論，計算放置式線圈檢測試件的特征頻率

式中：μr為磁導率；σ為電導率；rb為線圈半徑[11]。

TC8合金為非磁性金屬，即μr=1，經測量可知TC8合金的電導率為97.6%IACS，即σ=56.8 MS/m，故確定特征頻率fg，從而確定工作頻率f1=（10～50）fg。

某型艦載直升機發動機葉片的進氣邊厚度d=0.5～1.5 mm，且裂紋缺陷一般都貫穿葉片。為滿足渦流信號有效滲透，有效滲透深度應不小于葉片進氣邊厚度，即δ=2.6y≥0.5～1.5 mm（y為標準滲透深度，工程中通常定義2.6倍標準滲透深度為有效滲透深度），標準滲透深度[12]

由式（2）可確定工作頻率f2=13382～120446 Hz。

確定線圈直徑主要考慮以下幾點：（1）線圈的直徑越大，檢測范圍越大，且一般為磁芯直徑的3 倍；（2）線圈的直徑越大，檢測靈敏度越低；（3）線圈纏繞越薄，靈敏度越高[13]。根據以上影響因素及實際靈敏度和檢測作用范圍要求，選擇磁芯直徑為1.0 mm，材料為錳鋅，加上繞制導線，檢測線圈總直徑約為1.16 mm。

根據航空維修中所使用的渦流儀，其阻抗的取值范圍為1～2 kΩ，根據XL=2πfL，可求得繞組線圈電感量L。線圈匝數N估算式為

式中：μs為磁芯有效磁導率；l為線圈長度；D0為線圈平均直徑[14]。

由于受葉片的實際安裝位置限制，將傳感器的接觸部分設計成階梯型，為滿足檢測靈敏度要求和抑制邊緣效應，通過試驗找到線圈磁芯的最佳安裝位置。專用傳感器的制作如圖5所示，檢測時可將卡槽狀部位卡在葉片進氣邊緣。

圖5 專用傳感器制作

3 定量評估

3.1 專用試塊檢測

用設計的專用傳感器和專用試塊進行渦流檢測試驗，將計算得到的檢測頻率作為最初頻率，通過實際檢測試驗得到最佳檢測狀態時的頻率f=1.2 MHz。

對第2.2 節中設計的缺陷葉片試塊進行檢測，檢測效果較好，其中1.0 mm裂紋檢測結果如圖6所示。

圖6 專用缺陷葉片渦流檢測結果

經過大量檢測試驗可知，由于受葉片厚度影響，在檢測過程中阻抗圖模式下渦流信號發生零點漂移，遇到裂紋缺陷后，試件上渦流分布發生較大變化，呈現在阻抗圖界面下表現為渦流信號的采樣數據點軌跡突變，如圖7所示。

圖7 葉片缺陷檢測信號軌跡

通過數據點在存在缺陷時信號軌跡的變化量來研究缺陷信號，為提高檢測結果的可靠性，不同裂紋缺陷葉片采集20 次檢測結果作為數據樣本，葉片缺陷渦流檢測信號幅值見表2。

表2 葉片缺陷渦流檢測信號幅值

3.2 定量評估技術

渦流檢測的結果受到檢測人員的操作水平、設備自身干擾以及葉片的厚度變化等諸多因素影響，且對結果的影響都是隨機的[15]，所以同一裂紋的檢測信號在一定范圍內是一個隨機數，因此同一裂紋缺陷的信號軌跡幅值滿足正態分布。設x為信號軌跡的幅值，根據正態分布的概率密度函數有

式（4）表示渦流測量結果信號阻抗幅值x服從均值為μ、標準差為σ的正態分布，即x～N（μ，σ2）[15]。

根據正態分布概念，可以選取使得概率密度函數達到最大值的眾數幅值x作為該裂紋缺陷的最佳檢測結果，即在諸多影響因素作用下，每次檢測結果的幅值都會在小范圍內變化并趨近于x。

由表2 的檢測結果計算得到裂紋長度和概率密度最大取值對應的眾數幅值，計算結果如圖8所示。

圖8 正態分布值

從圖中可見，裂紋尺寸與對應的幅值峰值基本滿足線性分布。采用一元線性回歸分析，擬合裂紋尺寸和峰值幅值的關系，假設裂紋尺寸為x，峰值幅值為y，則滿足

式中：a、b為回歸系數，可通過數據樣本求出[15]。

經計算，按統一的檢測參數設置進行檢測時，裂紋尺寸與峰值幅值滿足y=585.29x-51.531，且可決系數R2=0.9908，表示回歸模型系數的擬合優度較高，即裂紋尺寸在99.08%的程度上與渦流檢測結果幅值密切相關，更具有實際意義。

4 原位檢測方法應用

對第3.2 節中得到的結論y=585.29x-51.531 進行實際驗證，對1.0 mm 人工裂紋葉片進行渦流檢測，經計算得到檢測結果幅值為533.7。對實際檢測結果（如圖9 所示）進行幅值轉化為562.9，基本符合實際情況。

圖9 1.0 mm葉片檢測結果阻抗

5 結論

（1）制作該葉片裂紋缺陷渦流檢測的專用試塊和專用傳感器并進行試驗，該傳感器能較好地完成某型發動機第1級壓氣機葉片的裂紋缺陷檢測。

（2）對傳感器的線性度進行研究可知，該傳感器在特定檢測參數下檢測結果信號軌跡滿足y=585.29x-51.531。解決了渦流檢測儀阻抗平面顯示標定定量評估的難題，具有實際指導意義。

（3）可將該定量方法用于阻抗平面顯示渦流檢測儀，實現計算機自動定量評估。