專利名稱：確定透平葉片內(nèi)缺陷的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種確定透平葉片內(nèi)缺陷的方法和測量及計算裝置以及一種用于將探頭固定在透平葉片表面上的固定裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，例如形式上為裂紋的缺陷對于構(gòu)件的強度并因而還對構(gòu)件的可靠性造成負面的影響。這些在構(gòu)件表面內(nèi)的裂紋在一定的條件下可能進一步發(fā)展。這尤其涉及一些構(gòu)件，例如軸、透平葉片或尤其透平葉片葉根，它們除靜負荷外還遭受動態(tài)負荷。
DE4421277A1、DE3731947A1、WO85/02464A1和EP0337700A2介紹了一些確定構(gòu)件內(nèi)缺陷的方法。在上述文件中分別說明了用于表面裂紋探測的著色法。其中在要探測裂紋的表面上涂抹一種對比劑，對比劑侵入到所存在的裂紋內(nèi)。去除對比劑，必要時清洗表面并施加一個薄的層厚的顯影劑。侵入裂紋內(nèi)的對比劑在裂紋所在的幾何地點與顯影劑混合，從而基于顯影劑的薄層使裂紋輪廓顯形。為此，顯影劑例如有白色以及對比劑有紅色或?qū)Ρ葎┦前l(fā)熒光的。
顯然采用上述方法不可能檢查處于已裝入狀態(tài)的透平葉片的葉根。
在由J.+H.Krautkraemer所著的書“Werkstoffprüfung mit Ultraschall”(Springer-Verlag Berlin 1986)中介紹了確定構(gòu)件內(nèi)缺陷的另一種方法。尤其在110至111頁中說明了如何能充分利用構(gòu)件內(nèi)部表面的反射，用發(fā)送探頭和接收探頭借助超聲波檢查構(gòu)件的一個區(qū)域。在構(gòu)件有彼此對置的外側(cè)時，探頭互相對置地裝在這些外側(cè)上。發(fā)送探頭將超聲信號發(fā)送給要檢查的表面。信號從那里向接收探頭反射。檢查的另一種可能性是串聯(lián)法，按此方法兩個探頭串聯(lián)地裝在同一個外側(cè)上。在這種情況下構(gòu)件后側(cè)用于第二次反射。當(dāng)然，若構(gòu)件只存在一個可以接近的外側(cè)以及除此之外沒有適用的后側(cè)用于按串聯(lián)法的附加的反射，則所介紹的方法沒有可用性。
另一種確定構(gòu)件內(nèi)缺陷的方法是所謂的渦流探測法。其中借助勵磁線圈產(chǎn)生交變磁場，該交變磁場在要探測的材料內(nèi)引起渦流。渦流本身產(chǎn)生一個可用探測線圈測量的交變磁場。形式上為損傷的材料缺陷對于測得的磁場有特別的影響并因而可以被探測到。
應(yīng)力腐蝕裂紋或缺陷在旋轉(zhuǎn)件、例如透平轉(zhuǎn)子輪盤承受動態(tài)負荷時可能導(dǎo)致更進一步的損壞。因此有必要在規(guī)定的間隔時間內(nèi)檢驗缺陷或應(yīng)力腐蝕裂紋。輪盤或透平葉片葉根或透平葉片，它們通過軸向或徑向銷子防轉(zhuǎn)地裝在轉(zhuǎn)子上，考慮到經(jīng)濟性的原因不應(yīng)通過分解轉(zhuǎn)子或拆卸透平葉片來進行檢測。因此推薦在熱壓配合區(qū)和相鄰的材料區(qū)內(nèi)，尤其在輪盤中輪轂內(nèi)表面和軸向防轉(zhuǎn)裝置區(qū)域內(nèi)進行超聲探測。然而輪盤的幾何形狀對于用超聲探頭的超聲探測而言，在不能接近的輪轂內(nèi)部區(qū)以及在防轉(zhuǎn)裝置附近極其復(fù)雜。此外，能再現(xiàn)地實施超聲探測還遭遇另一些問題。只能提供輪盤的側(cè)壁用作超聲探頭的結(jié)合面。在輪盤上結(jié)合面的可接近性往往受相鄰輪盤的限制。另一個問題在于，到受到幾何形狀限制的反射器的聲波路徑與到可能存在的從輪轂孔出發(fā)的裂紋的聲波路徑可能是一致的。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種方法和一種測量及計算裝置以及一種固定裝置，以便能在透平葉片已安裝在轉(zhuǎn)子上的狀態(tài)下確定透平葉片的缺陷。
上述有關(guān)方法的技術(shù)問題通過一種確定透平葉片內(nèi)缺陷的方法得以解決，此方法的特征在于下列步驟-將探頭固定在透平葉片表面上，-連接探頭與測量及計算裝置，-采用群輻射器(相陣列)超聲探測法測量，其中發(fā)射超聲脈沖信號以及接收源于在缺陷或輪廓形狀邊界(Formgrenzen)上反射的回波信號，-將回波信號與一個基準回波信號比較，-通過計算回波信號與基準回波信號之間的差別確定缺陷。
上述有關(guān)測量和計算裝置的技術(shù)問題通過一種用于確定透平葉片內(nèi)缺陷的測量及計算裝置得以解決，其包括-用于將探頭固定在透平葉片表面上的固定裝置，-與探頭連接的超聲脈沖信號源，
-超聲回波信號接收器，以及-用于顯示回波信號的顯示器。
上述有關(guān)固定裝置的技術(shù)問題通過一種用于將探頭固定在透平葉片表面上的固定裝置得以解決，其中，固定裝置用一種能容易變形的材料制成。
本發(fā)明的優(yōu)點主要在于，透平葉片內(nèi)的缺陷可以在已安裝的狀態(tài)下確定。從而取消了費時并因而昂貴的拆卸和安裝透平葉片的費用。
通過建議使用設(shè)計為群輻射器(相陣列)的探頭，可以改變超聲波發(fā)射的方向或由此可以接收超聲波的方向。
采用此方法例如可以在透平葉片葉根的一個估計有缺陷的區(qū)域內(nèi)實施可靠而迅速的分析。裂紋由于高的機械負荷、熱負荷或腐蝕形成。在這種情況下產(chǎn)生疲勞或振動裂紋。通過采用所介紹的方法可以早期識別和接著監(jiān)測已形成的缺陷。
所介紹的方法提供可再現(xiàn)的探測結(jié)果以及適合實際應(yīng)用。
按本發(fā)明的一項有利的設(shè)計，使用脈沖回波法作為群輻射器(相陣列)超聲探測法。
通過脈沖回波法可以非常精確地確定缺陷。
本發(fā)明的出發(fā)點是，探頭固定在透平葉片表面上。在這里將探頭固定為，在拆下探頭并接著重新安置探頭后，能準確地占據(jù)與探頭拆下前的同一個位置。探頭的定位必須非常準確地進行。只有這樣才可能實施可再現(xiàn)的測量。在測量期間由探頭放射一個超聲信號以及接收一個源于在缺陷或輪廓形狀邊界上反射的回波信號。
將回波信號與一個基準回波信號比較，通過計算回波信號與基準回波信號之間的差別可以確定缺陷。
有利地，基準回波信號根據(jù)模型計算或根據(jù)在一個基本上無缺陷的透平葉片上的測量確定。
通過使用一種設(shè)計為相陣列的探頭，可以沿不同的方向放射超聲脈沖信號。由此創(chuàng)造在一個更大的角度范圍內(nèi)實施所謂的角向掃描的可能性。因此在測量過程中可以檢查透平葉片的一個更大的區(qū)域。
有利地，所述角度范圍處于相對于主放射方向為-45°至+45°之間的角度范圍內(nèi)，其中，主放射方向基本上垂直于在探頭所在地的透平葉片表面地延伸。
本發(fā)明的出發(fā)點是，為了將探頭固定在透平葉片表面上使用一個固定裝置。通過此固定裝置可以安裝一個探頭并將此探頭非常準確地定位在透平葉片的表面上。甚至在拆下固定裝置并接著安裝在透平葉片表面后，探頭能準確地占據(jù)如固定裝置拆下前的同一個位置。
固定裝置在這里用一種能容易變形的材料制成。由此帶來的優(yōu)點是，固定裝置可以迅速而經(jīng)濟地制造。
有利地，固定裝置用塑料、木材或橡膠制造。
按本發(fā)明的一項有利的設(shè)計將固定裝置制成，使固定裝置的面朝透平葉片表面的外部幾何形狀與透平葉片表面的外部幾何形狀相配，以及固定裝置有一個用于容納探頭的孔。
通過固定裝置與透平葉片表面的外部形狀相配，這在一定程度上可以說導(dǎo)致一種陰壓印模，從而可以將探頭安置在透平葉片葉根的要探測的位置的始終同一個位置上。
固定裝置相宜地在這里設(shè)計為可方便地安裝。
為了改善裝配和為了良好地傳輸超聲波，在固定裝置與透平葉片表面之間加上一種能容易變形的超聲傳輸軟膏。


下面借助

本發(fā)明的實施例。附圖中功能相似的部件采用相同的附圖標記標注。附圖中圖1表示汽輪機的剖面圖；圖2表示透平葉片的透視圖；圖3表示部分透平葉片和固定裝置的透視圖；圖4表示部分透平葉片和固定裝置的另一個透視圖；圖5表示部分轉(zhuǎn)子和一個測量及計算裝置的透視圖；圖6表示測量記錄和缺陷圖；以及圖7表示基本上無缺陷的基準透平葉片測量記錄。
具體實施例方式
圖1表示通過汽輪機1的一個剖面。汽輪機1有一個外缸2和一個內(nèi)缸3。軸4可繞旋轉(zhuǎn)軸線5旋轉(zhuǎn)地支承。在軸表面6上沿周向排列透平葉片7。在內(nèi)缸3內(nèi)裝有透平導(dǎo)葉片8。在運行時，蒸汽流入進汽區(qū)9以及在通過流動通道10的過程中膨脹作功。在這種情況下使軸4旋轉(zhuǎn)。由此可以使圖中未進一步示出的發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
在檢查時或在損壞的情況下通常打開汽輪機1的外缸2，由此可以接近在軸4上的各個透平葉片7。
由圖2可見以透視圖表示的透平葉片7。透平葉片7有一個透平葉片葉根11。在圖2中表示的透平葉片葉根11設(shè)計為所謂的樅樹形葉根。在汽輪機1運行時，基于軸4高的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生大的離心力。這種大的離心力會導(dǎo)致透平葉片葉根11內(nèi)或甚至導(dǎo)致葉片內(nèi)形式上為裂紋的缺陷。
形式上為裂紋的小缺陷在大多數(shù)情況下用肉眼不能看出。這些裂紋不僅發(fā)生在透平葉片表面13上而且也在透平葉片7的內(nèi)部產(chǎn)生。
由圖3可見以透視圖表示出的部分透平葉片7和固定裝置14。固定裝置14用一種能容易變形的材料制成。此固定裝置14可以用塑料、木材或橡膠制造。固定裝置也可以用一種硬化后剛性的澆注材料制成。
將固定裝置14制造成，使它面朝透平葉片表面13的外部幾何形狀與透平葉片表面13一個部分的外部幾何形狀相配。由圖3可以看出，固定裝置14支承在透平葉片邊緣15上。因此不可能沿移動方向16移動固定裝置。若從透平葉片7上取下固定裝置14，則它可以重新精確地安放在完全同一個位置上。
固定裝置14有一個孔17，其中裝入探頭18，使得形成一個超聲波束的通道。探頭18以這樣的方式裝入孔17內(nèi)，即，使探頭一方面機械固定地夾緊在或以其他方法保持在固定裝置內(nèi)以及另一方面盡可能近地放置在透平葉片表面13上，以便盡可能無干擾地傳輸超聲波。探頭18有一個探頭出口19，它通過導(dǎo)線20與測量及計算裝置21連接。固定裝置14借助一種能容易地變形的超聲波傳輸軟膏安裝到透平葉片表面13上。
作為超聲波傳輸軟膏可以例如使用一種超聲波凝膠或膠粘劑。
由此可構(gòu)成能方便地安裝的固定裝置14。
采用固定裝置14的這種外形取消了復(fù)雜的安裝。借助這種超聲波傳輸軟膏可以充填很小的空氣間隙，由此使超聲波信號能良好地進入到材料內(nèi)。借助回波信號可以直接檢查固定裝置的配合狀況。
由圖4可見透平葉片7和固定裝置14另一個透視圖。在圖4中表示的固定裝置14′的外形與圖3所示固定裝置14的外形不同。如對圖3所作的說明那樣，固定裝置14的體形與透平葉片表面13的一個規(guī)定的部分相配。固定裝置14、14′在一定程度上可以說構(gòu)成了透平葉片表面13這一部分的一個陰模。
由圖5可見帶透平葉片7的軸4局部透視圖。裝在透平葉片7一個位置上的固定裝置14通過導(dǎo)線20連接在測量及計算裝置21上。探頭18在這里設(shè)計為相陣列或群輻射器探頭。
在探測透平葉片7期間，探頭18朝一個方向發(fā)出超聲波。超聲波在缺陷或輪廓形狀邊界上反射并作為回波信號被探頭18檢測到?；夭ㄐ盘栠M一步導(dǎo)入到測量及計算裝置21。因此使用的是一種脈沖-回波法。按另一種實施形式也可以采用所謂Pitch Catch法，其中一個探頭發(fā)射超聲信號以及另一個探頭接收此信號。
通過使用設(shè)計為相陣列的探頭，使超聲脈沖信號能朝不同的方向射出。由此可以在一個更大的角度范圍內(nèi)實施所謂的角向掃描。按優(yōu)選的實施形式，所述角度范圍相對于主放射方向而言處于-45°至+45°之間，其中主放射方向基本上垂直于探頭所在地的透平葉片表面13延伸。按特別優(yōu)選的實施形式，此角度范圍相對于主放射方向而言處于-85°至+85°之間。
圖6表示這種測量的結(jié)果。圖6的左部表示所謂的角向掃描。在這里由探頭在0與80°之間的角度范圍內(nèi)放射超聲波。角向掃描中的暗斑說明在輪廓形狀邊界或缺陷上的反射。在圖6的右部中可以看到所謂A圖。A圖在一定程度上可以說表示了確定或測得的回波信號強度隨超聲波傳輸時間或由此確定的探頭到輪廓形狀邊界或缺陷的距離的關(guān)系。
圖7的左部表示用同一個探頭18和同一個固定裝置14記錄到的角向掃描。當(dāng)然所述的記錄是在一個沒有缺陷的透平葉片7上實施的。角向掃描中的暗斑僅源于在輪廓形狀邊界處的反射。在圖7左部所表示的角向掃描還可以稱之為基準回波信號。恰當(dāng)?shù)?，不僅應(yīng)在一個，而且應(yīng)在多個無缺陷的透平葉片上確定基準回波信號。此外，有意義的是應(yīng)由模型計算確定基準回波信號。
由圖7可以看出，在用十字表示的地方?jīng)]有接收到回波信號。與之相比，在圖6中用十字表示的地方明確地接收到一個回波信號。在圖6的角向掃描內(nèi)其余的暗斑與圖7的角向掃描內(nèi)的暗斑兒乎相同。用十字表示的暗斑明確地源于一個缺陷。由此可以通過計算回波信號與基準回波信號之間的差別推斷出在透平葉片7內(nèi)的缺陷。按另一種實施形式，所述的計算可以通過圖形識別軟件實施。
模型計算用作探頭在透平葉片表面13上定位的準備措施。在探頭18按規(guī)定定位時，借助模型計算模擬如何觀察一個預(yù)期的回波信號。
通過上述模擬確定位置和聲入射角(Einschallwinkel)。
對于透平葉片7每個要檢查的區(qū)域分別制作單個固定裝置14。固定裝置14也可以稱為模板。取決于葉片類型，考慮使用可水平和/或垂直移動的相陣列探頭。根據(jù)用途可通過僅一個角向掃描檢測和分析一個達35mm范圍的估計有缺陷的區(qū)域。
用于確定聲入射參數(shù)(Einschallparameter)、探頭位置和聲角的理論研究借助三維模擬完成。參數(shù)的確定迭代進行，也就是說，改變探頭-聲入射位置、迎角和聲入射角，直至達到理論上有利的入射條件。為了可視化在計算機上實施相應(yīng)的模擬。通過此方法可以識別缺陷位置和缺陷的單值性。缺陷的單值性通過大的信噪比達到。除了聲入射角外，振動器尺寸和探測頻率是重要的探頭參數(shù)。聲入射角和振動器尺寸決定性地取決于葉根幾何結(jié)構(gòu)或結(jié)合面大小。探測頻率可選擇為，使得在有大的信噪差距的同時達到良好的缺陷分辨能力。振動器尺寸和探測頻率必須彼此協(xié)調(diào)，使得借助聲束發(fā)散度即使在不利的聲入射位置也能指明缺陷。作為可變的參數(shù)應(yīng)選擇聲入射位置、聲入射角。探頭18可更換地集成在固定裝置14內(nèi)。
在透平葉片葉根11和透平葉片7有必要檢驗的區(qū)域上的結(jié)合面上必須沒有鋪層(腐蝕、污垢等)和疏水物質(zhì)(脂、油等)。測量參數(shù)幅度、聲傳播時間和聲入射角均儲存在測量及計算裝置21內(nèi)。這些數(shù)據(jù)可重復(fù)調(diào)出用于再次計算。
權(quán)利要求
1.一種確定透平葉片(7)內(nèi)缺陷的方法，其特征在于下列步驟，-將探頭(18)固定在透平葉片表面(13)上，-連接探頭與測量及計算裝置(21)，-采用群輻射器(相陣列)超聲探測法測量，其中放射超聲脈沖信號以及接收源于在缺陷或輪廓形狀邊界上反射的回波信號，-將回波信號與一個基準回波信號比較，-通過計算回波信號與基準回波信號之間的差別確定缺陷。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，使用脈沖回波法作為群輻射器(相陣列)超聲探測法。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征為，基準回波信號根據(jù)模型計算確定。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征為，基準回波信號根據(jù)在一個基本無缺陷的透平葉片(7)上的測量確定。
5.按照權(quán)利要求1至4中任一項所述的方法，其特征為，所述探頭(18)設(shè)計為相陣列探頭，其中，可沿不同的方向放射超聲脈沖信號。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征為，可以在一個相對于主放射方向-45°至+45°之間的角度范圍內(nèi)放射所述超聲脈沖信號，其中，主放射方向基本上垂直于在探頭(18)所在地的透平葉片表面(13)地延伸。
7.一種用于確定透平葉片(7)內(nèi)缺陷的測量及計算裝置(21)，其特征在于-用于將探頭(18)固定在透平葉片表面(13)上的固定裝置，-與所述探頭(18)連接的超聲脈沖信號源，-超聲回波信號接收器，以及-用于顯示回波信號顯示器。
8.按照權(quán)利要求7所述的測量及計算裝置(21)，其特征為，所述探頭(18)設(shè)計為相陣列探頭。
9.一種用于將探頭(18)固定在透平葉片表面(13)上的固定裝置(14)，其特征為所述固定裝置(14)用一種容易變形的材料制成。
10.按照權(quán)利要求9所述的固定裝置(14)，其特征為，所述固定裝置(14)用塑料、木材或橡膠制造。
11.按照權(quán)利要求9或10所述的固定裝置(14)，其特征為，所述固定裝置(14)的面朝透平葉片表面(13)的外部幾何形狀與透平葉片表面(13)的外部幾何形狀相配，以及所述固定裝置(14)有一個用于容納探頭(18)的孔。
12.按照權(quán)利要求9至11中任一項所述的固定裝置(14)，其特征為，所述固定裝置(14)可方便地安裝。
13.按照權(quán)利要求9至11中任一項所述的固定裝置(14)，其特征為，所述固定裝置(14)借助一種容易變形的超聲傳輸軟膏安裝在透平葉片表面(13)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種確定透平葉片(7)內(nèi)缺陷的方法和測量及計算裝置(21)以及一種用于將探頭(18)固定在透平葉片表面(13)上的固定裝置(14)。
文檔編號G10K11/34GK101027552SQ200580025012
公開日2007年8月29日 申請日期2005年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月1日
發(fā)明者邁克爾·克勞森-馮蘭肯舒爾茨, 邁克爾·奧普海斯 申請人:西門子公司