直升機(jī)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)葉片損傷檢測(cè)與定量評(píng)估

李小麗，陳新波，何忠祥，黃富明

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東青島 266041）

0 引言

隨著科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的提高，直升機(jī)在各領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多，其故障也隨之而來(lái)。為了保障飛行安全，對(duì)直升機(jī)尤其是對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)的故障檢測(cè)尤為重要。在國(guó)外，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片檢測(cè)以孔探儀檢測(cè)和渦流檢測(cè)為主，比較先進(jìn)的技術(shù)有基于激光超聲與掃描探針顯微鏡相結(jié)合的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，這種技術(shù)可開(kāi)展納米尺寸上的研究。在中國(guó)，曹強(qiáng)等[1-2]開(kāi)展了有關(guān)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在軍用飛機(jī)修理中的應(yīng)用研究，指出無(wú)損檢測(cè)仍然存在局限性，并提出在軍用飛機(jī)維修中應(yīng)用聲振檢測(cè)、DR 檢測(cè)、相控陣檢測(cè)等技術(shù)，但是對(duì)原位無(wú)損檢測(cè)的研究比較少，大多處于離位檢測(cè)狀態(tài)。無(wú)損檢測(cè)定量評(píng)估技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括民用飛機(jī)飛行品質(zhì)適航性評(píng)估、民航飛行安全定量評(píng)估、民用飛機(jī)軟件可靠性定量設(shè)計(jì)和評(píng)估等，用于設(shè)計(jì)過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)后期處理階段，主要采用權(quán)威數(shù)據(jù)法、算術(shù)平均法對(duì)數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)進(jìn)行估計(jì)等。目前在國(guó)際上，定量評(píng)估技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片無(wú)損檢測(cè)上的應(yīng)用尚淺，而在航空領(lǐng)域也僅應(yīng)用于民用航班的安全性、可靠性研究。

某型直升機(jī)常年飛行、停放在高濕度、高溫度、高鹽分的大氣中，自然環(huán)境和工作環(huán)境對(duì)該型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片有嚴(yán)重影響[3-4]。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在使用過(guò)程中容易發(fā)生損傷，出現(xiàn)裂紋、缺口、掉塊、撕裂、燒蝕等損傷缺陷，曾在地面試車和空中飛行過(guò)程中發(fā)生多次葉片斷裂故障，打傷發(fā)動(dòng)機(jī)，造成飛行安全事故。目前對(duì)該型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的日常維護(hù)以定期檢修時(shí)的無(wú)損檢測(cè)為主，根據(jù)該型直升機(jī)維護(hù)規(guī)程，主要使用孔探儀進(jìn)行原位目視檢測(cè)。孔探儀檢測(cè)只能針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)較大缺口、掉塊、撕裂或燒蝕的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行，而無(wú)法檢測(cè)出微小裂紋損傷，且檢測(cè)工位受限、人為因素干擾較大，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)微損傷而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果可靠度偏低。孔探儀檢測(cè)設(shè)備普遍體積偏大、設(shè)備復(fù)雜，不便于在狹小空間操作。在某型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片損傷的原位檢測(cè)中沒(méi)有采用定量檢測(cè)，大多是出現(xiàn)損傷即換件，導(dǎo)致資源利用率不高、維修勞動(dòng)強(qiáng)度大和直升機(jī)出勤率大幅降低。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)制作專用傳感器，采用概率正態(tài)分布和線性回歸分析方法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)某型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行了原位損傷檢測(cè)方法研究。

1 葉片損傷分析

某型艦載直升機(jī)采用的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為多級(jí)軸流式結(jié)構(gòu)，具有12 級(jí)壓氣機(jī)葉片。該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，氣流由整流罩前端進(jìn)入進(jìn)氣導(dǎo)向器，并依次通過(guò)壓氣機(jī)各級(jí)轉(zhuǎn)子形成高壓高速氣流[5]。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片會(huì)產(chǎn)生很大的慣性離心力、氣動(dòng)力和振動(dòng)交變應(yīng)力等。

第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片處于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的前端，發(fā)動(dòng)機(jī)在地面起動(dòng)工作時(shí)會(huì)吸入大量空氣，地面的外來(lái)物如細(xì)小砂礫會(huì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，在高速氣流的作用下打擊第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片，使其產(chǎn)生壓痕和細(xì)微裂紋。在高濕度、高溫度、高鹽分的大氣中，裂紋在應(yīng)力集中的尖端發(fā)生腐蝕而擴(kuò)展。而在通常采用孔探儀進(jìn)行的日常檢查中，并不能有效發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

綜合上述分析，確定將第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片的裂紋缺陷作為損傷原位無(wú)損檢測(cè)研究對(duì)象。

2 葉片無(wú)損檢測(cè)

2.1 原位無(wú)損檢測(cè)

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片原位安裝情況如圖1 所示。根據(jù)相關(guān)維護(hù)規(guī)程采用內(nèi)窺檢測(cè)，但只能檢測(cè)到缺口、掉塊、撕裂、燒蝕等缺陷，而無(wú)法檢測(cè)到該發(fā)動(dòng)機(jī)第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片上的裂紋缺陷，需要選用其他檢測(cè)方法檢測(cè)裂紋缺陷。

圖1 某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和第1級(jí)壓氣機(jī)葉片原位安裝情況

常用的無(wú)損檢測(cè)方法有渦流、超聲、磁粉、射線和滲透檢測(cè)。其中，磁粉、射線和滲透檢測(cè)不能對(duì)該壓氣機(jī)葉片進(jìn)行原位檢測(cè)[6-7]。超聲檢測(cè)一般需要耦合劑，結(jié)合圖1可知，該發(fā)動(dòng)機(jī)第1級(jí)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片前端進(jìn)氣道空間狹小，不便于涂抹和清理耦合劑，且超聲檢測(cè)使用的傳感器的體積相對(duì)于葉片而言普遍較大，不便于實(shí)施原位檢測(cè)；渦流檢測(cè)不需要耦合劑，與檢測(cè)對(duì)象可以有一定距離或直接接觸，能夠進(jìn)行多種測(cè)量，第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片的進(jìn)氣邊能外露出來(lái)，可通過(guò)設(shè)計(jì)專用傳感器進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋監(jiān)控，該檢測(cè)方法工藝簡(jiǎn)單、操作容易、檢測(cè)速度快、結(jié)果采集方便，可在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)采集數(shù)據(jù)[8-9]。

綜合以上情況，選擇渦流檢測(cè)方法進(jìn)行某型艦載直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)第1級(jí)壓氣機(jī)葉片裂紋缺陷的原位檢測(cè)。

2.2 專用試件設(shè)計(jì)

某型艦載直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)第1 級(jí)壓氣機(jī)葉片材料為TC8 鈦合金，參照《中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)渦流檢測(cè)方法GJB 2908-97》對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)不同大小的人工缺陷，通過(guò)分析多次數(shù)、多狀態(tài)的檢測(cè)結(jié)果，研究不同程度裂紋的信號(hào)類型，實(shí)現(xiàn)裂紋與檢測(cè)信號(hào)的定量評(píng)估。

根據(jù)以上要求進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的對(duì)比試塊設(shè)計(jì)，人工缺陷參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片對(duì)比試塊設(shè)計(jì)參數(shù) mm

采用電火花加工法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行人工缺陷加工[10]，缺陷實(shí)物如圖2所示。

圖2 葉片人工損傷實(shí)物

2.3 專用傳感器設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉型曲率較小，接近于平面，且需要較高的檢測(cè)靈敏度，故采用放置式檢測(cè)線圈（又稱為點(diǎn)式檢測(cè)線圈或探頭），如圖3所示。

圖3 放置式線圈結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)對(duì)比，采用絕對(duì)式檢測(cè)線圈對(duì)葉片缺陷進(jìn)行檢測(cè)。其纏繞方式如圖4所示。

圖4 絕對(duì)式檢測(cè)線圈的接線方式

根據(jù)渦流環(huán)理論，計(jì)算放置式線圈檢測(cè)試件的特征頻率

式中：μr為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率；rb為線圈半徑[11]。

TC8合金為非磁性金屬，即μr=1，經(jīng)測(cè)量可知TC8合金的電導(dǎo)率為97.6%IACS，即σ=56.8 MS/m，故確定特征頻率fg，從而確定工作頻率f1=（10～50）fg。

某型艦載直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的進(jìn)氣邊厚度d=0.5～1.5 mm，且裂紋缺陷一般都貫穿葉片。為滿足渦流信號(hào)有效滲透，有效滲透深度應(yīng)不小于葉片進(jìn)氣邊厚度，即δ=2.6y≥0.5～1.5 mm（y為標(biāo)準(zhǔn)滲透深度，工程中通常定義2.6倍標(biāo)準(zhǔn)滲透深度為有效滲透深度），標(biāo)準(zhǔn)滲透深度[12]

由式（2）可確定工作頻率f2=13382～120446 Hz。

確定線圈直徑主要考慮以下幾點(diǎn)：（1）線圈的直徑越大，檢測(cè)范圍越大，且一般為磁芯直徑的3 倍；（2）線圈的直徑越大，檢測(cè)靈敏度越低；（3）線圈纏繞越薄，靈敏度越高[13]。根據(jù)以上影響因素及實(shí)際靈敏度和檢測(cè)作用范圍要求，選擇磁芯直徑為1.0 mm，材料為錳鋅，加上繞制導(dǎo)線，檢測(cè)線圈總直徑約為1.16 mm。

根據(jù)航空維修中所使用的渦流儀，其阻抗的取值范圍為1～2 kΩ，根據(jù)XL=2πfL，可求得繞組線圈電感量L。線圈匝數(shù)N估算式為

式中：μs為磁芯有效磁導(dǎo)率；l為線圈長(zhǎng)度；D0為線圈平均直徑[14]。

由于受葉片的實(shí)際安裝位置限制，將傳感器的接觸部分設(shè)計(jì)成階梯型，為滿足檢測(cè)靈敏度要求和抑制邊緣效應(yīng)，通過(guò)試驗(yàn)找到線圈磁芯的最佳安裝位置。專用傳感器的制作如圖5所示，檢測(cè)時(shí)可將卡槽狀部位卡在葉片進(jìn)氣邊緣。

圖5 專用傳感器制作

3 定量評(píng)估

3.1 專用試塊檢測(cè)

用設(shè)計(jì)的專用傳感器和專用試塊進(jìn)行渦流檢測(cè)試驗(yàn)，將計(jì)算得到的檢測(cè)頻率作為最初頻率，通過(guò)實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)得到最佳檢測(cè)狀態(tài)時(shí)的頻率f=1.2 MHz。

對(duì)第2.2 節(jié)中設(shè)計(jì)的缺陷葉片試塊進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)效果較好，其中1.0 mm裂紋檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 專用缺陷葉片渦流檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)大量檢測(cè)試驗(yàn)可知，由于受葉片厚度影響，在檢測(cè)過(guò)程中阻抗圖模式下渦流信號(hào)發(fā)生零點(diǎn)漂移，遇到裂紋缺陷后，試件上渦流分布發(fā)生較大變化，呈現(xiàn)在阻抗圖界面下表現(xiàn)為渦流信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)軌跡突變，如圖7所示。

圖7 葉片缺陷檢測(cè)信號(hào)軌跡

通過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)在存在缺陷時(shí)信號(hào)軌跡的變化量來(lái)研究缺陷信號(hào)，為提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性，不同裂紋缺陷葉片采集20 次檢測(cè)結(jié)果作為數(shù)據(jù)樣本，葉片缺陷渦流檢測(cè)信號(hào)幅值見(jiàn)表2。

表2 葉片缺陷渦流檢測(cè)信號(hào)幅值

3.2 定量評(píng)估技術(shù)

渦流檢測(cè)的結(jié)果受到檢測(cè)人員的操作水平、設(shè)備自身干擾以及葉片的厚度變化等諸多因素影響，且對(duì)結(jié)果的影響都是隨機(jī)的[15]，所以同一裂紋的檢測(cè)信號(hào)在一定范圍內(nèi)是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，因此同一裂紋缺陷的信號(hào)軌跡幅值滿足正態(tài)分布。設(shè)x為信號(hào)軌跡的幅值，根據(jù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)有

式（4）表示渦流測(cè)量結(jié)果信號(hào)阻抗幅值x服從均值為μ、標(biāo)準(zhǔn)差為σ的正態(tài)分布，即x～N（μ，σ2）[15]。

根據(jù)正態(tài)分布概念，可以選取使得概率密度函數(shù)達(dá)到最大值的眾數(shù)幅值x作為該裂紋缺陷的最佳檢測(cè)結(jié)果，即在諸多影響因素作用下，每次檢測(cè)結(jié)果的幅值都會(huì)在小范圍內(nèi)變化并趨近于x。

由表2 的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算得到裂紋長(zhǎng)度和概率密度最大取值對(duì)應(yīng)的眾數(shù)幅值，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 正態(tài)分布值

從圖中可見(jiàn)，裂紋尺寸與對(duì)應(yīng)的幅值峰值基本滿足線性分布。采用一元線性回歸分析，擬合裂紋尺寸和峰值幅值的關(guān)系，假設(shè)裂紋尺寸為x，峰值幅值為y，則滿足

式中：a、b為回歸系數(shù)，可通過(guò)數(shù)據(jù)樣本求出[15]。

經(jīng)計(jì)算，按統(tǒng)一的檢測(cè)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，裂紋尺寸與峰值幅值滿足y=585.29x-51.531，且可決系數(shù)R2=0.9908，表示回歸模型系數(shù)的擬合優(yōu)度較高，即裂紋尺寸在99.08%的程度上與渦流檢測(cè)結(jié)果幅值密切相關(guān)，更具有實(shí)際意義。

4 原位檢測(cè)方法應(yīng)用

對(duì)第3.2 節(jié)中得到的結(jié)論y=585.29x-51.531 進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，對(duì)1.0 mm 人工裂紋葉片進(jìn)行渦流檢測(cè)，經(jīng)計(jì)算得到檢測(cè)結(jié)果幅值為533.7。對(duì)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果（如圖9 所示）進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)化為562.9，基本符合實(shí)際情況。

圖9 1.0 mm葉片檢測(cè)結(jié)果阻抗

5 結(jié)論

（1）制作該葉片裂紋缺陷渦流檢測(cè)的專用試塊和專用傳感器并進(jìn)行試驗(yàn)，該傳感器能較好地完成某型發(fā)動(dòng)機(jī)第1級(jí)壓氣機(jī)葉片的裂紋缺陷檢測(cè)。

（2）對(duì)傳感器的線性度進(jìn)行研究可知，該傳感器在特定檢測(cè)參數(shù)下檢測(cè)結(jié)果信號(hào)軌跡滿足y=585.29x-51.531。解決了渦流檢測(cè)儀阻抗平面顯示標(biāo)定定量評(píng)估的難題，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

（3）可將該定量方法用于阻抗平面顯示渦流檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)定量評(píng)估。