相控陣超聲檢測用噴水耦合噴嘴的優化設計

郭 猛，班 偉，劉露露，袁豪楊，陳嘉琪，姚 東

(1.寧夏大學 機械工程學院，銀川 750021；2.國家管網集團西氣東輸公司銀川輸氣分公司，銀川 750021)

在我國提出“碳中和、碳達峰”的目標下，新能源需求不斷增加，風力發電作為一種重要的清潔能源轉換方法得到了迅速發展[1]。風機裝機容量的提高對風機的壽命、可靠性等服役性能要求更為嚴苛，葉片作為風機中承受強風載荷的主要部件，其制造過程中的檢測要求也不斷提高。傳統的檢測方法如光照觀察法、敲擊法等，檢測精度低，不易檢測出葉片玻璃纖維外殼內部的缺陷，如孔洞、夾渣、分層、樹脂纖維體積比不當等[2]。相控陣超聲檢測能靈活地控制聲束掃描、偏轉和聚焦等特性，在構件形狀的適應性、檢測參數的調整方面具有更多的自由度，已成為風機葉片等大型構件檢測的重要方法。石一飛[3]分析了風電葉片褶皺、脫膠、干絲等多種缺陷的相控陣超聲圖像,證明了相控陣超聲能夠有效實現風電葉片的無損檢測。ZHANG等[4]利用相控陣超聲技術對多種葉片試樣進行了缺陷檢測，驗證了該技術在風電葉片缺陷檢測領域的可行性和適用性。

相控陣超聲檢測方法通常使用水作為耦合劑，可分為水浸式和噴水耦合式兩種形式。與水浸式相比，噴水耦合式具有方便、快捷、檢測范圍大、避免工件長時間浸泡等優點，得到國內外學者的廣泛關注。王炳方等[5]對噴水速度、噴水距離和噴水角度等參數對超聲檢測的影響進行了研究，提出了合理的參數選擇范圍；DEUTSCH等采用噴水耦合的方法對焊縫進行超聲檢測，證明了噴水耦合對復雜構件的適用性。目前噴水耦合存在的缺點主要是由射流不穩定而引起的聲耦合穩定性較差，因此提高耦合水柱的射流穩定性是該技術得以進一步推廣的關鍵。由于噴嘴內流道能夠直接影響到水柱的射流狀態[6]，需要對耦合噴嘴的內流道進行設計優化，以提高耦合水柱的射流質量。

為滿足超聲檢測噴水耦合的需求，文章對4種不同結構的噴嘴進行了射流模擬仿真，選擇了一種射流最為穩定的噴嘴，并從降低加工成本的角度進行考慮，對噴嘴進行了優化設計。

1 噴水耦合式相控陣超聲檢測系統

1.1 噴水耦合式相控陣超聲檢測系統組成

圖1 噴水耦合式超聲檢測系統構成示意

1.2 噴水耦合原理

噴水耦合式相控陣超聲檢測系統通過超聲信號的反饋對工件進行檢測，超聲信號從探頭發出后沿耦合水柱進行傳遞。為防止水柱射流到工件表面產生劇烈飛濺，射流的速度不宜過大；為保證超聲信號能夠沿耦合水柱到達探頭前方對應的工件檢測區域，要求水柱在距工件30 mm的射流距離a內，且偏移量b應小于1 mm(見圖2)；為減少超聲信號在傳遞過程中的衰減，保持信號的聲耦穩定性，要求耦合水柱狀態穩定、集束性好。

圖2 超聲噴水耦合原理示意

1.3 相控陣超聲探頭工作原理

常見的超聲陣列有線性、二維陣、環形陣等多種形式，不同的超聲陣列適用于不同的檢測情況[7]。文章設計從降低成本和適用于大型復雜構件的檢測方面來考慮，選用線性相控陣，該類型超聲探頭內的條形壓電晶片呈線性排布，探頭的形狀為矩形。因為噴水耦合式相控陣超聲信號的傳播是沿著耦合水柱傳播的，所以需要設計合適的矩形出水口噴嘴便于超聲探頭的噴水耦合。

2 噴嘴的參數及結構設計

2.1 噴嘴的參數設計

相控陣超聲探頭發出的超聲聲場理論上覆蓋探頭的整個前方，但聲場邊角的檢測效果較差，所以將發射范圍定義為一個由檢測精度確定的有效范圍[8]，噴嘴出口的大小應根據此范圍進行確定。文章所選用的相控陣超聲探頭信號發射面的長為66 mm，寬為20 mm，發射超聲波有效范圍的角度約為100°。從降低噴水耦合過程中超聲信號的衰減和降低噴嘴的整體質量方面考慮，應盡量減少超聲探頭與噴嘴出口截面的距離。為了減少超聲探頭對噴嘴射流的影響，探頭距噴嘴出口截面的距離應略大于噴嘴過渡段的長度。所設計的噴嘴過渡段的長度為90 mm，超聲探頭距噴嘴出口的距離為95 mm。噴嘴出口處超聲檢測有效范圍的長度為

L=2h·tan(a-90°)+l

(1)

式中：L為噴嘴出口處超聲檢測有效范圍的長度；h為探頭距噴嘴出口的距離；a探頭發射超聲波有效范圍的角度；l為探頭的長度。

計算可得在距探頭信號發射面95 mm的噴嘴出口處，超聲檢測有效范圍的長度約為100 mm，因此所設計噴嘴出口長度為100 mm。

由于探頭陣元沿長度方向排列，所以噴嘴出口的寬度在理論上只需要與超聲探頭的寬度相同即可。考慮到探頭安裝過程中可能存在一定的角度偏差，在設計中應保有一定的余量。文章設計噴嘴出口的寬度為30 mm。

2.2 噴嘴結構設計

單一進水管道所產生的彎折應力較大，機械臂運動時易產生抖動。為降低機械臂抖動對檢測精度的影響，進水端設計為3個均勻布置的進水口，與3條DN 40的管道連接。為減少水流進入噴嘴內腔而產生旋流，噴嘴進水口與出水口采用平行式水路設計。

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噴嘴通常設計成錐形收縮結構，其邊壁收縮處為轉折突變，易產生紊流旋渦區，而使用維多辛斯基曲線設計的噴嘴內腔壁面平滑，能使進入噴嘴收縮處的水流橫向壓力梯度和徑向分速度逐漸減小，得到較為穩定的射流流束。為研究適用于相控陣超聲檢測的耦合噴嘴內流道結構，設計了3種常見的噴嘴和一種維多辛斯基曲線噴嘴。維多辛斯基曲線如圖3所示，曲線計算公式如式(2)所示。不同噴嘴的內腔結構如圖4所示。

圖3 維多辛斯基曲線

(2)

圖4 不同噴嘴的內腔結構示意

式中：h1，h2，y分別為過渡段進口、出口及任意x處截面對應高的一半；L為噴嘴過渡段的總長度。

3 噴嘴射流仿真分析

3.1 流場幾何模型的建立

優化設計主要針對噴嘴內流道，在建立噴嘴射流流場模型時暫不考慮噴嘴內部構件。以錐形噴嘴為例，建立起的流場模型如圖5所示。

圖5 錐形噴嘴流體域模型(半剖圖)

3.2 仿真邊界條件的設定

噴嘴射流水柱主要受重力影響向下偏移，根據射流水柱在30 mm的射程內，偏差小于1 mm的要求，通過計算可知射流水柱的最低流速為2.1 m·s-1。又知射流速度過大易產生濺射，通常在進行超聲檢測時，耦合水柱流速為0.8～3 ·s-1，透射信號的波動小，檢測效果好。在保有余量的前提下，設計噴嘴出口的流速為2.5 ·s-1，計算得噴嘴入口的流速約為2 ·s-1。對求解器進行設定時，以水流速度入口和速度出口為邊界，并將計算所得的流速等系數代入求解器。

3.3 噴嘴射流仿真結果與分析

在進行相控陣超聲檢測系統射流仿真分析時，由于噴嘴的出口為方形，所以需要對同一噴嘴流體域的xy截面和xz截面的射流情況進行分析，又考慮到射流偏移量的要求，還需對距噴嘴出口30 mm處的yz截面進行速度分布分析。

相同條件下4種噴嘴xy截面和xz截面速度分布的仿真結果如圖6所示。

圖6 4種噴嘴xy截面和xz截面的速度分布

由圖6的射流仿真可知，各噴嘴由于內流道結構不相同，速度分布也不相同，其中錐形噴嘴的速度分布不均勻，存在明顯的速度差，易產生紊流，速度發散較快；直角形噴嘴速度衰減較大，水流從3個進水口進入后未能在噴嘴內部得到有效的整流，射流發散明顯；錐直形噴嘴射流穩定，但因過渡段較短，仍存在明顯的速度差，且整流效果較差，射流發散快；維多辛斯基曲線噴嘴中射流速度變化主要集中在過渡段，由于過渡段為曲線，所以速度變化為柔性變化，無明顯速度差，射流較為穩定不易產生紊流，且射流集中，速度發散較為緩慢。

距噴嘴出口30 mm處4種噴嘴yz截面的速度分布如圖7所示，圖中黑色框線代表噴嘴出口在工件上的對應位置。

圖7 距噴嘴出口30 mm處4種噴嘴yz截面的速度分布

由圖7的仿真結果可知，錐形噴嘴和錐直型噴嘴的射流覆蓋效果較差，均呈現出兩邊高中間低的情況。直角形噴嘴的射流水柱速度分布面積較廣，但存在明顯的速度分布差，射流水柱不夠穩定。維多辛斯基曲線噴嘴射流水柱穩定，速度分布均勻，向下偏差較小。

通過對噴嘴射流的仿真分析可以發現，錐形、直角形以及錐直型噴嘴的射流均存在一定的缺陷，相比之下維多辛斯基曲線噴嘴過渡良好，射流穩定，射流水柱能較好地覆蓋工件上對應的超聲檢測區域。

4 噴嘴的優化設計

4.1 道格拉斯-普克算法實現噴嘴的近似設計

文章設計的噴嘴存在一定的加工困難，特別是維多辛斯基曲線噴嘴在制造時，要以維多辛斯基曲線作為引導，加工精度難以保證。因此在進行噴嘴設計時，需要采用一種近似方法，對維多辛斯基曲線噴嘴進行近似設計，以達到在降低加工難度的同時，保持較優的射流效果。

道格拉斯-普克算法是線狀要素抽稀的經典算法，采用該算法可以保留曲線較大彎曲形態上的特征點，刪除較小彎曲上的特征點，有效地保持曲線的形態特征。通過維多辛斯基曲線噴嘴內部壓力的分布(見圖8)可知，噴嘴內部壓力差變化較大的區域主要集中于水流剛進入過渡段處和水流剛進入平緩流道處，與曲線彎曲形態較大的部分相對應。因此可以采用道格拉斯-普克算法得到維多辛斯基曲線的近似折線，對維多辛斯基曲線噴嘴進行近似設計。

圖8 維多辛斯基曲線噴嘴內部壓力分布

道格拉斯-普克算法的步驟如下所述。

(1) 連接曲線的首末端點A、B，得到一條直線，找到曲線上所有點與該直線距離最大的點C，最大距離記為d。

(2) 比較該距離d與事先定義的閾值D的大小，若dD，則通過點C把曲線分成兩段重復上述步驟。

(3) 當曲線處理完畢時依次連接各分割點形成的折線，即為該曲線的近似折線。

采用道格拉斯-普克算法來實現維多辛斯基曲線的近似時，通常設置的閾值越小、選取的點越多、劃分的線段越多、近似效果越好，但較多的分段又會增加加工難度。在進行曲線近似線段劃分時，要在消除掉曲線上較為明顯的彎曲形態特征點的基礎上盡量減少分段。綜合考慮后設置曲線的近似折線線段為4段，繪制維多辛斯基曲線的近似折線結果如圖9所示。

圖9 維多辛斯基曲線的近似折線

文章根據道格拉斯-普克算法實現維多辛斯基曲線的近似分段，在維多辛斯基曲線噴嘴的基礎上設計了一種四段式噴嘴。由于噴嘴的出口為長方形，在xy平面上的曲線與xz平面上的曲線并不相同，得出的近似線段的節點也并不相同，無法同時作為放樣引導線。分析可知xz平面上維多辛斯基曲線坡度變化較小，對噴嘴射流的影響較小，在設計時可僅在坡度變化較大的xy平面上采用道格拉斯-普克近似線段進行引導。設計出的四段式噴嘴外形如圖10所示。

圖10 四段式噴嘴外形

4.2 四段式噴嘴的仿真驗證

該四段式噴嘴除過渡段輪廓外，其他參數與上述4種噴嘴均相同。對該四段式噴嘴進行仿真分析，得到其流速場分布如圖11所示。

圖11 四段式噴嘴速度流場分布

由圖11中的仿真分析可知，依據道格拉斯-普克算法近似設計的四段式噴嘴射流速度分布均勻，流束集中，水流能夠完全覆蓋對應檢測的工件區域，且與維多辛斯基曲線噴嘴的射流仿真分析對比，也未發現有明顯的射流發散現象。

5 結語

(1) 噴水耦合式相控陣超聲檢測系統耦合水柱的狀況能夠直接影響到超聲檢測信號的傳遞，噴嘴內流道的輪廓曲線是影響射流的重要因素。

(2) 對比4種噴嘴射流的仿真結果可知，以維多辛斯基曲線作為引導線設計的噴嘴，其射流水柱質量較高，耗散率低。

(3) 維多辛斯基曲線噴嘴加工較為困難，在維多辛斯基曲線噴嘴的基礎上，根據道格拉斯-普克算法設計了一種四段式噴嘴，使其在降低加工難度的同時還能保持較好的射流情況，該噴嘴適用于相控陣超聲檢測系統的噴水耦合。