飞机发动机叶片榫槽超声波检测探头设计

薛 倩

（西安航空学院航空工程系,西安 710077）

0 引言

飞机有很多重要的结构及部件，其中发动机涡轮叶片，压缩器叶片是其中的关键之一。它们在高温、高压、高载荷等较为复杂的环境中发挥作用，同时很容易出现裂痕。在飞机检测中视为重点部分。由于在人力及物力上的局限性，具有安全上的隐患，所以各部分的叶片不可以频繁地拆除更换，这样我们通常会采取原处检测的方法。在当前的这种情况下，我们只能采取一些特定的手段，如在叶片的叶身部分采用涡流、视频孔探等一些没有损害的方法。但这种方法并不是对所有部分都有效比如叶片榫槽，它也很容易产生裂痕，但是因为它与涡轮盘齿啮合，探头不能准确到达，所以对它不能进行原位检测。

1 飞机发动机叶片榫槽超声波检测探头的现状和意义

因为我国这项技术的起步比较晚，所以无法对叶片榫槽进行超声检测，而其他技术不适合这项工作，正是此项原因已经导致了飞行事故的产生。叶片榫槽超声波检测正是在此基础上发展起来的一门技术，只有少数的西方国家才能够完全掌握这门技术，而我国在此项技术上还不够成熟。

随着我国航空事业的不断发展，我国的飞机发动机叶片榫槽超声波检测技术也在不断的发展，并且在此行业中得到了广泛的发展，使我国的无损检测技术越来越数字化和信息化，在生产上也实现了产业化，可以说为推动我国的航空事业起到了巨大的作用。

2 超声波检测原理

超声波传播时需要大量的能量，而其中大部分的能量主要集中在一个特定的很小的范围里。超声波对叶片上的表面或是和表面很相近的地方的裂痕有很大程度的灵敏性，并且，它对工件表面的各种状况和材料晶粒度没有什么敏感性。目前这种原理的应用已在一些领域取得成功，如薄壁管、电力绝缘子、焊接接头的无损检测。在超声波检测缺陷时，超声波的检测在叶身部分，超声波通过叶榫从而到达榫槽，如果在这个过程中遇到缺陷，那么它就会被反射，然后探伤仪就会接受被反射的超声波，从而相关的缺陷信号就会在荧光屏上显示出来，并且超声波不会在榫槽处反射，因此确保了荧光屏上显示出的缺陷波不掺加其他杂波，同时在很大程度上提高了信噪比。

3 超声波探头设计

3.1 确定探头型式

探头在飞机发动机叶片榫槽超声波的原位检测中起到很重要的作用，探头型式的确定首先与超声波传播的特点及飞机叶片的尺寸、形状和材料密切相关，根据双晶探头对表面或者表面附近的裂痕较为敏感、发射声束和接收声束会分离等特性，制定以双晶探头为主，双晶探头的主要结构有两种，分别是串列式和并列式，。但是因为列式不能使大尺寸晶片的应用发挥到很好的效果，并不适合大尺寸的晶片。因此目前我们主要采用并列式结构。在当前世纪，别大范围采用的超声波并列式结构探头主要是检测平面结构。我们不能很单纯地把超声波探头磨制成与叶片相应的弧面，因为这样引起两晶片声束交叉点上移。同时，应用的效果随叶片表面的弧度的增大而明显，所以我们要着重根据叶片形状、尺寸及材料去设计探头的结构，将超声波在叶片榫槽中进行应用。

3.2 确定倾斜角

探头的有机玻璃斜模具有一定的倾斜度，我们确定最佳的第一第二倾斜角与晶片倾斜角通常根据叶片的曲率半径，从而对榫槽进行高灵敏度检测。我们通过建立平面直角坐标系，得出了声轴平面和中心平面的夹角、声束交叉点偏离中心平面的距离、声束交叉点沿中心平面的水平距离之间的关系公式。又通过相关的实验研究，得出了中心平面上的入射角度、声轴平面上的入射角度、偏离角、探测面曲率外径之间的公式关系。这些关系让我们可以有根据地确定了相关倾斜角。

3.3 确定尺寸

由于主瓣角度随晶片的面积的增加而增大，但是有一定的限度，晶片面积无限大时我们就认为主瓣角度达到直角。因为晶片面积不能无限大，所以这个假定在现实中并不可行。这样，我们通常会对晶片的尺寸进行合理现实的调整，进而确定管材壁厚上的敏感度，同时也会提高探测榫槽缺陷的灵敏度，为了让主瓣角度在合理情况下达到最大，我们让晶片长度尽可能地大，由晶片的尺寸、第一第二斜模倾斜角、晶片倾斜角确定了透声斜模的最小长度、最小宽度、最小高度、晶片的长度、宽度、考虑探测曲面曲率影响的修正值之间的关系。

3.4 建立模型

建立了上述数学模型，据此我们可以选择制作探头的晶片尺寸与声束交叉点的位置。同时值得注意的是我们应该将探头磨制为与叶片表面相吻合的弧面，这样就可以确保了超声波的有效激发与叶片耦合度的良好。

4 结论与展望

进行了以上模拟分析，得出了下列的结论小尺寸高频双晶波探头较其他探头而言，对发动机叶片榫槽裂痕的检测更具有高效性。当叶片榫槽出现裂痕时，会同时观察到裂痕回波，并且端面回波高度会受裂痕的影响，轻则高度降低，严重会出现回波消失的现象。存在的一些局限如超声衰减程度大，传播距离还比较短，所以当前的超声波涉及工业的还较少，而较多应在电力绝缘子检测上。事实上，超声波检测某些焊缝或是一些较难检测的零件部位有一定的特别之处是其他检测物不能及得上的。坚信超生波检测仪器会不断进步，并会有很广阔的发展前景。

[1]江涛.发动机叶片榫槽爬波原位检测系统研制[D].南京航空航天大学,2012.

[2]江涛,龚春英,谢小荣等.飞机发动机叶片榫槽超声爬波检测探头设计[J].机电产品开发与创新,2011.03.007.