叶片深根裂纹的原位超声波检测

叶片深根裂纹的原位超声波检测

李万恒1郭跃2

（1中国能源建设集团山西电力建设有限公司山西省太原市030000；2中国一拖集团有限公司能源分公司河南省洛阳市471000）

摘要：叶片所处的工作环境十分恶劣，需要承受较高的离心负荷、气动负荷、高温和大气温差负荷以及振动的交变负荷，同时受风沙、潮湿的浸蚀，容易造成叶片产生缺陷，如疲劳裂纹，而疲劳裂纹扩展引起叶片断裂后会危及发动机的使用安全。原位超声波检测技术可以避免装备和结构的拆卸、分解和安装，节省检测费用和时间，在航空发动机的检修中具有十分重要的意义。

关键词：叶片深根；裂纹；超声波；检测；分析

引言：由于航空发动机结构的特殊性，以及常规无损检测技术（如磁粉、射线等）的局限性，发动机叶片的原位检测常受到限制。针对某发动机在外场试飞中低压一级转子叶片深根部位出现完全断裂的质量事故，在外场采用超声检测的方法使发动机在不分解状态下有效发现缺陷。

1.超声波概述

超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz-20000Hz。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大.在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理。

2.端角反射原理

在超声检测中，常遇到声波在两个相互垂直平面构成的直角内的反射，超声声束入射到直角内，若未发生波形转换，则声波被两个平面反射后仍平行于入射声束反射后回来。如此，反射声波应非常强烈，然而，对超声波来说，不可避免地会出现波型转换，在两次反射时均可能分离出其他波型，这些转换后的波反射角不等于入射角，经过两个面反射后不能沿原方向回到探头，从而带来能量的损失；将回波声压与入射声压之比做为端角反射率，通过研究得知，横波入射时，在30°和60°附近，存在两个反射率低谷，而在中间一段角度范围（为35°-55°），反射率非常强。因此，在检测垂直于表面的裂纹时，应选用折射角为35°-55°的横波探头从叶身部位检测处于叶片深根部位垂直于叶片表面的裂纹，检测原理类似于超声检测中的端角反射。因此当横波入射角度合适，将探头放置在叶片的合适部位，探头就可接收来自深根部位缺陷的反射波，因此在叶身部位去检测发现叶片深根部位的缺陷在超声检测理论上是可行的。

3.超声波产生

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。由于其频率高，因而具有许多特点：首先是功率大，其能量比一般声波大得多，因而可以用来切削、焊接、钻孔等。再者由于它频率高，波长短，衍射不严重，具有良好的定向性，工业与医学上常用超声波进行超声探测。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，1兆Hz=10^6Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16-20000HZ之间）。

超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用──当超声波在介质的传播过程中，存在一个正负压强的交变周期，在正压相位时，超声波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大；在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用足够大振幅的超声波作用于液体介质时，介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

4.叶片原位超声波检测的可行性

通过上面试验结果的对比，可以看出在分解状态下采用超声检测的方法能够从叶身部位发现叶片深根部位的缺陷，但是因为在分解状态对叶片的检测不同于外场装机状态对叶片的检测，最明显的区别就是叶片和叶片之间的空间有限，检验人员在检验时，手不能完全进入到叶片之间的空隙中，如对探头不进行改装就不能在装机状态下对叶片进行检测，为此在试验中通过与探头制作商合作，对分解状态下所用探头制作了工装，通过在探头上安装工装后，检验人员不用将手伸到叶片之间的空间，而是通过加长杆就可实现对叶身的检测。通过设计制作具有与外场发现的叶片深根部位裂纹可比较的对比试块，选择合适的探头参数，制作

合适的探头工装，可以实现对叶片深根部位裂纹的原位超声波检测，可避免常规发动机叶片定期无损检验所带来的人力、物力的浪费。

总结：航空发动机叶片在工作中要承受较高的离心负荷、气动负荷、高温和大气温差负荷以及振动的交变负荷，同时还要受风沙、潮湿的浸蚀，这些因素使叶片容易产生疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展会引起叶片断裂并影响发动机的安全。通过设计制作具有与外场发现的叶片深根部位裂纹可比较的对比试块，选择合适的探头参数，制作合适的探头工装，可以实现对叶片深根部位裂纹的原位超声波检测，可避免常规发动机叶片定期无损检验所带来的人力、物力的浪费。

参考文献：

[1]孙佳兴,曹树谦,郭虎伦,李利青.基于Hilbert变换的裂纹叶片时变物理参数识别[J].振动.测试与诊断,2018,38(04)：666-671+867.

[2]王琳琳,陈长征,周勃,张亚楠.风力机叶片裂纹尖端温度场数值模拟[J].机械设计与制造,2018(08)：22-25.

[3]修娟.航空发动机涡轮叶片焊接修复裂纹分析与控制[J].科学技术创新,2018(21)：177-178.

[4]胡李杰,张鹤峰.小湾水电站机组转轮裂纹分析及修型处理[J].吉林水利,2018(07)：32-34.

[5]龚妙,李录平.声发射技术在风力机叶片故障检测中的应用研究综述[J].太阳能,2018(05)：57-61+51.