涡轮叶片红外热波无损检测技术研究

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涡轮叶片红外热波无损检测技术研究孙国栋吴云峰叶玉堂冯晓星李洋电子科技大学光电信息学院,四川成都

摘

要涡轮叶片的造价昂贵为了满足涡轮叶片缺陷检测中的安全性要求,提高检

测效率,本文采用红外热波无损检测技术对航空涡轮叶片内部冷却风道的缺陷进行检测该技术不同于传统的红外检测方法,它是通过主动控制激励热源和分析测量样件表面的温度场变化获得样件表面及内部的结构信息,从而达到检测目的的提出了烘热激励法、冷热水交替喷流激励法、涡流激励法和蒸汽激励四种检测方案,所得图像表明该技术有其独特的先进性

关键词无损检测红外热波激励源

中图分类号

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引言涡轮叶片的造价很高川,出于经济方面的

进行精确检测,有利于正确评估叶片的损伤形式和损伤程度,确定叶片的可修理度和适当的修理技术,因此对叶片修复具有重要的指导意义。

考虑,人们通常是在维修车间采用先进的修理技术对存在缺陷和损伤的叶片进行修复的,这样可以延长其使用寿命,从而可以减少新叶片的

传统的无损检测技术各有其缺点比红外热波无损检测技术

,而

更换在修理之前,对叶片的形状和结构完整性收稿日期于作者简介孙国栋

一是集热学、计算机

,男,重庆市忠县人,硕士研究生,主要从事红外无损检测技术研究

贾

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蘸蘸蘸馨耀馨缨翼黝瓢黝翼薰瓢馨馨科学和图像处理技术为一体的无损缺陷检测方法,是金属缺陷探测领域中的红外探伤技术的重要补充,具有广阔的应用前景

其内部扩散如果工件内部存在缺陷,缺陷介质与正常介质之间便存在热传导性能差异,经过一定时间,缺陷点处就会产生热量积累或热量减少现象,引起工件表面温度梯度的变化,表征为温度异常人们可以用红外测温仪器扫描试件表面并测量试件表面的温度分布情况当检测到

基础理论辐射源斯蒂芬一玻耳兹曼定律指出,黑体辐射

温度异常点时,就可以断定该点表面或内部存在缺陷

强度和温度之间满足如下关系式

“一劝丈式中,

入

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实验系统为黑体本实验系统是通过提高辐射率、提高温差以及改进工艺等来获取最佳实验效果的。我们在叶片表面涂黑油漆以提高辐射率,并在此基础之上采用四种方案进行检测。系统的主要硬件有红外热像

仪、三维移动平台和电动精密旋

为黑体全波辐射出射度,

的热力学温度,,

二

咤

士

一为斯蒂芬一‘玻耳兹曼常数实际物体的辐射强度除依赖温度和波长

外,还与构成物体的材料的性质和表面状况等因素有关,其辐射强度与温度的关系如下

转台,其中红外热像仪用于探测叶片表面的热辐射三维移动平台用于改变红外热像仪的位置,使其视场对准叶片电动精密转台用于改变叶片与红外热像仪之间的角度

。式中,或率热传导理论

为实际物体在温度

下的全辐射

洪热激励法本方案采用让激励源从外部激励然后进行内部冷却的方式系统硬件包含加热箱、高压气

当物体内部有热源时,其强度为,其相应的热传导方程为

,,,,

源系统和温度实日监创控系统本方案所采取的是红外无损检测主动式双面法,需要先对叶片进

行加热,使其初始温度处于较高点,然后对其内。。。二二,,”,,

部风道区域进行冷却由于要检测的是叶片的内部风道,故先将叶片加热到一定温度,然后将高压室温气体通入叶片的内部风道在冷却风道中,高压室温气体与叶片进行强烈的热交换,导致与冷却风道区对应的表面区域温度变得较

式中,。,。,亡为温度的分布方程,其中二

为热传导系数,。比热,为。

为密度

红外热波检测技术红外热波检测是一种通过主动式受控加热

低,这样其辐射强度也就变得相对较弱热像仪通过测量叶片表面辐射场,测出温度场,也就测

来激发被检物体的温度场分布然后利用红外热成像技术检测被检物中缺陷的无损检测技术,它所使用的热源有大功率闪光灯、超声波、激光、微波和电磁感应等陈‘红外热波检测的原理是基于物体的热辐射特性,扫描记录或观察试

出了叶片内部冷却风道区的温度。当叶片冷却风道发生堵塞时,通入气体与叶片的热交换和热传递受阻,形成热量堆积,相应部位就得不到充分冷却,温度就会比其它区域偏高这样通过对待测叶片表面热图像信息的提取、处理及将其与正常叶片热图像的比较、分析,就可判定叶片冷却风道是否发生堵塞。冷热水交替喷流激励法由于气体的比热容比较小,冷却气体与叶片进行热交换和热传递时所带走的热量就比较,,

件表面由于缺陷和材料不同受到热激励而引起的温度变化,通过对表面温度场分布的检测获

取工件的缺陷信息,因此它又被称为热无损检测其检测过程与被检物体的热扩散过程紧密相关当热量被加在试件上时,热流注入试件并在贾

翼鬓纂蘸薰薰黝黝蘸黝瓢薰薰鬃黔耀小,不能很好地对

冷却风道进行冷却,因而风道区域与叶片其它区域之间不能形成明显的温致冷却风道区所对应的表面区域温度变低这

样其辐射强度也就变得比较弱,其表面就会形成相对稳定的温度场分布。通过用热像仪测量

差故采用瞬态热效应的思想,即让热激励与致冷交替进行。同时由于水的比热容比气体的比热容大得多,进行热交换和热传递的能力更强,提出了冷热水交替喷流法本方案采用先让激励源从内部激励然后进行内部冷却的方式系统硬件包含水温实时控制系统、冷热水源系统和冷热水通入与接收装置工作时,采用冷热水交替喷流方法,控制冷、热

叶片表面的辐射场,就可测出叶片内部冷却风道区的温度当叶片冷却风道发生堵塞时,气体与叶片的热传递受阻,产生热量堆积,相应部位就不能充分冷却,温度比起其它区域相对偏高这样通过对待测叶片表面热图像信息的提取、处理及其与正常叶片热图像的比较、分析,就可判定叶片冷却风道是否发生堵塞蒸汽法本方案采用让激励源从内部激励然后进行内部冷却的方式系统硬件包含蒸汽发生器和高

水通断的电磁阀和热像仪都由计算机控制‘在实验过程中,先打开控制热水通断的电磁阀,通入热水并持续一定时间亡,然后打开控制冷,

水通断的电磁阀,同时关断控制热水通入的电磁阀,使冷水通入叶片内部风道,持续一定时间亡后,再次通入热水,同时关断冷水,如此重复在进行冷热水交替的同时,热像仪探测叶片表面温度场分布的红外图像所得图像信号由热像仪传输给图像采集卡,由计算机控制图像采集卡进行采集涡流激励法由于用水作为激励源和冷却源在工艺上较

压气源系统。实验时,先启动蒸汽发生器,蒸汽发生器工作而后开始产生高温高压蒸汽,此时便可开启实验图像采集系统采集红外图像实验中,室温气体与热蒸气交替通入涡轮叶片,控

制冷、热气体通断的电磁阀和热像仪都由计算机控制。实验过程中,先打开控制高温高压气体通断的电磁阀,通入高温气体并持续一定时间

后,然后打开控制室温气体通断的电磁阀,同时关断控制高温气体通入的电磁阀,使室温气体通入叶片内部风道,持续一定时间亡‘之后,再次通入高温气体,同时关断室温气体,如此重复在进行冷热交替的同时,热像仪探测叶片表面温度场分布的红外图像所得图像信号由热像仪传输给图像采集卡,由计算机控制图像采集卡进行采集,然后进行图像处理

难实现,在实际操作中也极为不便,而在工程化应用中就更为不便,极大地降低了工作效

率同时,涡轮叶片的冷却风道的出气孔较多,而且分布在叶片的两边和底端。在实验操作过程中,飞

溅的高温液体极易对操作人员造成伤害,对周围的仪器设备造成威胁而且液体对系统装置的密封性也提出了更高要求,如若密封做得不够严密,从涡轮叶片入口处通入的液体就会覆盖在叶片表面,形成薄膜。这对红外热像仪探测叶片表面的温度场影响很大,会极大地降低图像的对比度,甚至减小表面温差,使热像仪探测不出任

实验结果及分析在烘热法实验中,先把涡轮叶片在加热箱中恒温加热至间为

℃,然后移走加热箱,选用长℃进行冷却间隔时

时间间隔的室温气体

何缺陷,从而严重影响实验结果同时考虑叶片为金属材料,可用涡流激励进行致热故提出了继续采用气体作为制冷源的涡流激励法本方案采用让电磁激励源从外部激励同时进行内部空气冷却的方式电磁仪和高压气源系统系统硬件包含蜗旋由于要检测的是叶片在冷却风道

,所得辐射图像如图所示尽管采用

先用加热箱加热然后通入气体冷却的方法能显现出叶片内部的部分风道结构,但是由于气体

的热容量很小,进行热交换和热传递时所带走的热量比较小,因而产生的温差不足以显示内部的风道结构。在冷热水交替喷流激励法实验中,所用冷却水为室温约设定在,

的内部风道,故用主动方式加热叶片,同时将高压室温气体通入叶片的内部风道

℃自来水,热激励源的温度℃,热激励与冷却的持续时间

中,高压室温气体与叶片产生强烈的热交换,导

℃、,

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图

用烘热法获得的实验图像

均设为艺、在此条件下采集的辐射图像如图。,和图所示。其中,图是用一型

在涡流激励法实验中,所用冷却气体为室温气体,所得红外图像如图所示由于叶片外部形状不规则,表面不平滑,正面凹背面凸,而

热像仪获得的,从图中可看到叶片两边的风道结构以及分布,图像比较清晰,但是依然无法显现涡轮叶片内部中间的交叉斜向分布风道结构。图是用公司的型热像仪获得的

且上厚下薄,因此在采用此种热激励方式时,叶片受热不均,不便于进行实验,所采集的图像效果较差,只能看到叶片的大致轮廓,采集不到反映叶片内部风道任何情况的信息。

叶片图像。叶片边沿的风道结构更加清晰,同时叶片中间的部分斜向风道也大致可见。从该图中可看出,图像效果已明显提高,不仅叶片边沿的风道结构清晰可见,而且内部单向斜向分布的冷却风道也比较清晰,叶

片中间部分交叉重叠的网状冷却风道的结构也显现了出来,但距离预期效果还有一定差距。

在蒸汽激励实验中,高温高压蒸汽与室温气体交替通入叶片。热激励与冷却交替进行,可产生瞬态热变换,从而获得更大的温差,便于热像仪探测表面温度场分布热激励源的温度设定为℃,但是当蒸汽从激励源通过传输管道传输到叶片的时候,热量会有损耗,因此实际的

图

用冷热水交替喷流法获得的实验图像

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图

用涡流激励法获得的图像

图

用蒸汽激励法获得的实验图像

激励温度略低于

℃热激励的持续时间设为。

【何玉怀,苏彬中国航空发动机涡轮叶片用材料力学性能状况分析【」航空发动机,【」,,即一,场

亡,,冷却的持续时间设为,

、,在此条件下采集

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的红外辐射图像如图所示从该图中仅能隐约看到叶片边沿的部分风道结构,未能达到预期效果经过分析,其原因可能是冷却源未能很好地致冷由于气体的比热容较小,进行热交换和热传递的热量也就比较小,因而不能对已经加热至一百多摄氏度的叶片进行充分致冷同时

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对图像的采集时刻以及激励与冷却的持续时间

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把握不准确需要经过设定不同制冷时间以及采集时间,并在此条件下进行反复试验,才能采集到质量较好的红外图像。,

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结论本文采用红外热波无损检测技术对航空涡轮叶片内部冷却风道的缺陷进行检测,提出了气烘法、冷热水交替喷流法、涡流激励法和蒸汽激励法四种检测方案,已经能从图像上直接观察到叶片冷却风道相当大部分的内部结构,这在国内外都还未曾有过报道。从上述分析可以看出,基于红外热波无损检测技术的涡轮叶片缺陷检测系统能够完成叶片冷却风道堵塞缺陷的检测并能在生产线上对管道等带有空隙的部件进行检测,但仍存在一些尚待改进的方面。致谢感谢成都军区装备部对该项目的大【【

李志君先进复合材料的无损检测艺,【」一,芍

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力支持和协助参考文献贾

颜芳,叶玉堂,陆佳佳,等利用红外辐射获取金属覆层下表面的通道信息激光与红外,

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