飞机发动机叶片榫槽超声爬波检测探头设计

　　0 引言

　　发动机涡轮叶片、 压缩器叶片是飞机的重要结构部件， 在高温、 高压、 高载荷复杂条件下工作， 容易产生裂纹， 是飞机日常检测的重点对象。 受人力、 物力的限制和安全上的考虑， 叶片不能经常拆卸， 因此日常主要采用原位检测方法。 目前， 在原位条件下只能对发动机叶片的叶身采取涡流、 视频孔探等无损检测手段， 但是对同样容易产生裂纹的叶片榫槽， 由于与涡轮盘齿啮合， 探头不能到达， 还无法进行原位检测。

　　1 爬波检测原理

　　图1 是叶片安装位置图 。 爬波是入射角等于第一临界角时折射纵波和横波的合成， 是一种特殊模式的超声波。 爬波传播时的大部分能量主要集中在表面下很小范围内， 对表面和近表面缺陷有较高的检测灵敏度， 而且对工件表面状况和材料晶粒度不敏感， 已在薄壁管、 电力绝缘子、 焊接接头的无损检测中得到成功应用[1]。

　　图2 是叶片爬波原位检测示意图。 可以看出， 爬波原位检测的探测面在叶身， 爬波穿过叶榫到达榫槽， 遇到缺陷即被反射， 反射的爬波被探伤仪接收， 荧光屏上显示出缺陷信号。 而叶片榫槽处却无爬波反射， 这样仪器荧光屏上只有缺陷波而无其他杂波， 大大提高信噪比， 检测人员容易判断[2]。

　　2 爬波探头设计

　　2.1 探头型式确定

　　飞机发动机叶片榫槽超声爬波原位检测的关键是探头。 根据爬波传播特性以及飞机叶片形状、 尺寸和材料，首先确定探头的型式。因为双晶探头具有对表面、近表面裂纹敏感，而且发射声束和接收声束分离的特点， 拟定采用双晶探头为佳。 双晶探头主要有串列式和并列式两种结构。由于晶片串列式在一定程度上限制了大尺寸晶片的应用，不适合于放置较长晶片，这里主要考虑并列式结构。目前广泛采用的并列式爬波探头主要应用在平面工件的检测上。如果简单地将该种探头磨制成与叶片相匹配的弧面会造成两晶片声束交叉点上移，叶片表面的曲率越大，效应越明显。因此要将爬波应用在叶片榫槽的检测上， 需根据叶片形状、 尺寸和材料对探头的结构进行特殊的设计[3]。

　　2.2 倾斜角的确定

　　探头有机玻璃斜楔的形状见图3(a)， 根据叶片的曲率半径来选择最佳的第一和第二斜楔倾斜角θ1、 θ2和晶片倾斜角γ， 以实现榫槽的高灵敏度检测。

　　建立以晶片中心为圆点， 隔声层平面为 XOZ 平面的坐标系， 如图 3(b)所示。 由此可得：

　　式中：γ—晶片倾斜角，也是声轴平面和中心平面的夹角;y— 声束交叉点偏离中心平面的距离;x— 声束交叉点沿的中心平面的水平距离。 由图 3(b)和图 3(c)可求得：