CN101424666A - 在模拟现场运行状态下测试与评定机器构件的方法和装置 - Google Patents

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CN101424666A CNA200810173973XA CN200810173973A CN101424666A CN 101424666 A CN101424666 A CN 101424666A CN A200810173973X A CNA200810173973X A CN A200810173973XA CN 200810173973 A CN200810173973 A CN 200810173973A CN 101424666 A CN101424666 A CN 101424666A
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C·E·汤普森
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Abstract

本发明公开了在模拟现场运行状态下测试与评定机器构件的方法和装置。描述了一种方法和装置，使得能够在模拟现场热运行状态下对工业机器构件，特别是燃气涡轮发动机构件进行测试与评定，以有效评定新的构件设计和修复技术。样品机器构件/零件置于测试室中，并被循环加热和冷却，同时进行监测，以获取关于构件结构中裂纹产生和扩展的信息。获取关于直到裂纹产生时构件所持续的加热和冷却循环次数信息，以及指示裂纹扩展速率的信息，并在多个加热－冷却循环上进行比较，以评定构件和修复技术。在一个示范性的实施例中，在循环加热－冷却过程中对构件的自发声发射进行监测，并记录和分析声发射波形数据，以确定裂纹产生和/或扩展。

Description

在模拟现场运行状态下测试与评定机器构件的方法和装置
技术领域
本文所公开的主体大体上涉及用于对新机器构件或经过修复的机器构件进行测试与评定，以获取关于裂纹产生及扩展的数据的方法和装置，更具体地讲，涉及用于对承受循环热应力的新涡轮发动机构件和承受循环热应力的经过修复的涡轮发动机构件进行测试与评定，以获取关于裂纹产生及扩展的数据的方法和装置。
背景技术
在燃气涡轮发动机的设计和修复的工程领域中，非常希望能够精确地评定涡轮发动机构件的新机械/结构设计，以及在该领域中实施新的或者不同的构件修复技术之前对这些修复技术进行可靠地验证。同样已知的是，对新的构件设计或经过修复的机器构件的结构整体性及耐久性的有效评定至少部分地基于获取关于裂纹产生和扩展(当构件承受在实际的运行状态中引起的应力时，裂纹的产生和扩展可在该构件内发生)精确信息。对于许多工业和商业机器构件，尤其是对于燃气涡轮发动机构件，在构件中形成裂纹的一个突出的因素，是构件在使用过程中可能承受的重复的热应力。过去，没有可用于在实际热运行状态下对涡轮发动机的单独零件或构件进行测试及评定，以获取精确且可靠的裂纹产生及扩展数据的可用的简单、经济并精确的方法或装置。通常，用于预测新零件/构件设计或构件修复步骤/技术的成功可能性的方法通常包括，通过对特定的单独的涡轮发动机进行综合性的全运行测试，或者通过进行所谓的“前导”(fleet leader)测试，而对特定的构件在实际运行状态下进行现场评定，其中，综合性的全运行测试或所谓的“前导”测试中的任一项测试需要非常长的时间来完成，并且两种测试执行起来均相当地昂贵。因此，就需要方便、经济的并且精确的方法和装置，以用于在实际运行状态的热应力下，对单独的涡轮发动机构件和/或其它大型/复杂的工业机器构件进行测试及评定，而无须使特定的机器或涡轮发动机经历测试步骤。
发明内容
公开了一种方法和装置，该方法和装置用于在模拟的现场热运行状态下对工业机器构件进行监测，来以获取关于构件内裂纹产生和扩展的信息，以用于对新的设计和修复技术进行评定。具体而言，公开了一种示范性方法和装置，其用于在模拟的现场热运行状态下，对单独的涡轮发动机零件/构件以及经过修复的零件/构件进行检查、测试与评定。在本文所公开的一个非限制性的示范性实施例中，样品构件或机器零件被置于充有惰性气体的加热室中，然后被循环地加热并容许其冷却，同时对声发射进行监测。根据对特定构件所预测的使用中的运行状态而形成了该特定构件的现场温度曲线。该预定的温度曲线用来控制加热和冷却循环，以便至少部分地模拟特定的机器、发动机或***中的零件/构件(该构件用于该特定的机器、发动机或***中)的实际热运行状态。样品构件的循环加热-冷却一直持续到构件结构中产生裂纹。对在加热-冷却循环过程中发生的声发射以及在样品构件中使裂纹产生所需的加热-冷却循环的次数进行监测、记录和分析，以提供关于热致应力及裂纹产生和扩展的信息。通过进一步监测及分析声发射波形并跟踪使引起的裂纹扩展到预定长度所需的加热-冷却循环，还可以获取关于在特定构件中产生的裂纹的扩展和增长速率的信息。
以上讨论了使用声发射来获取在机器构件中使裂纹产生和/或扩展所需的加热-冷却循环次数的信息，作为其补充或替代，还可以使用许多其它已知的常规检测/无损检验(NDE)技术中的任何一种技术。例如，可采用许多其它为人熟知的常规的材料检验/检测技术(例如荧光/液体渗透检测(FPI/LPI)、超声波检测、涡流检测、磁性粒子检测、前视红外(FLIR)照相检测和/或目视检测)中的任何技术，以用于检测/观察裂纹产生并监测裂纹扩展。
本文所公开的示范性的方法和装置的至少一方面是其在对新的/不同的修复技术进行评定及验证中的应用。在该应用中，当引起裂纹产生时，在初始检查阶段之后，使用常规的或新开发的修复技术对构件进行修复，然后使构件再次经历重复的/循环的加热-冷却和超声监测过程，直到裂纹产生和扩展再次发生。以这种方式中，可对与构件在修复前后两种情况下直到裂纹产生时所经历的热循环的次数有关的信息，以及从多次测试重复中获取的裂纹扩展速率及声发射波形数据进行比较，并尤其可用来有效地评定所提出的新的修复技术和新的构件设计。
在至少一方面中，本文所公开的非限制性的示范性实施例提供了新颖的方法和装置，该方法和装置用于通过结合可编程的循环热应力测试装置对新机器构件进行评定并对构件修复进行验证，该可编程的循环热应力测试装置用于与声发射监测及对被测构件的分析相结合来模拟机器构件的实际的现场热运行状态。
本文所公开的非限制性的示范性实施例的另一方面提供了燃气涡轮发动机零件/构件的测试装置和方法，该装置和方法能够模拟构件的现场热运行状态，以用于对新构件的几何形状、设计以及构件修复技术进行评定和验证，而无须为了测试单个构件而花费进行整个涡轮发动机测试的精力和费用。
本文所公开的非限制性的测试装置和方法的示范性实施例的又一方面提供了备用手段，以用于在实际热运行状态下对特定机器的涡轮发动机构件的设计和修复进行分析。
本文所公开的非限制性的示范性实施例的再一方面提供了一种方法和装置，该方法和装置用于在现场热状态下以相对快捷和经济的方式对具有各种几何形状的机器构件进行测试与评定。
本文所公开的非限制性的示范性实施例的又一方面在于机器构件测试过程的自动化，使得该测试过程可长时间地进行并且经过多次热“循环”而无须人为干预。
本文所公开的示范性实施例的又一方面在于以高于常规测试方法的置信度来获取裂纹的产生和扩展信息，并且无须使实际机器(构件在该机器中运行)经历全运行测试。
本文所述的测试装置和方法的非限制性示范性实施例的又一方面是能够复制多种机器构件的使用状态和环境，以便能够提供用于评定新的构件设计或构件修复技术的有效性的简单、经济和精确的方法。
本文所述的测试装置和方法的非限制性示范性实施例的又一方面在于用于执行裂纹产生和扩展测试方法的可能性，通过使用强制加热和/或强制冷却循环，该测试方法可有效地模拟发动机的运行循环，并以加速的方式在较短的时间内进行积极的测试。
附图说明
图1是说明***的示范性实施例的功能概要的示意性框图，该***用于在模拟的现场热运行状态下，使用循环加热和声发射监测对机器构件进行测试与评定；以及
图2显示了用于循环地加热涡轮机构件并监测声发射的***和装置的示范性的非限制性、示意性实施例的剖面透视图。
零件列表：
100 构件或零件(被测的)
101 纵向波声变换器
110 多通道分析器
120 热源
130 红外(IR)高温计
135 热电偶传感器
140 热源控制器
145 变换器阵列
150 数字相机
200 样品加热箱/充有惰性气体的室
201 样品台架
210 感应加热线圈
215 热电偶安装支架
220 变换器
230 声发射分析器
240 便携式计算机
具体实施方式
图1是用于某***的示范性实施例的基本功能框图，该***将循环加热和/或冷却与声发射监测进行结合，以达到在模拟的现场热运行状态下对单个机器构件(即样品构件)进行测试与评定的目的。在本文所公开的非限制性的示范性实施例中，对在加热机器构件及随后使其冷却的重复循环过程中检测到的、自然地发生的声“冲击”(即大于预定阈值或幅度的声波发射或振动发射)的能量和幅度进行记录和分析，以便在其它目的之外还达到获取与构件结构中裂纹产生和扩展有关的数据的目的。还注意和/或记录使裂纹产生所需的加热-冷却循环次数和/或使裂纹在所测试的构件中扩展到预定的尺寸/距离所需的加热-冷却循环次数。在各加热和冷却循环中，对被加热构件100的温度进行监测，并根据预定的温度曲线维持加热。在本文所公开的非限制性的示范性实施例中，预定的温度曲线是仿真特定机器中的实际现场工作状态的温度曲线。通过使用独立的热源120和热源控制器140，可遵循并严格地维持预定的温度曲线，该热源控制器140监测样品构件的温度并控制加热、冷却时间和加热循环持续时间。使用放置成与构件相接触的红外(IR)高温计130或者一个或多个其它的热电偶温度感测装置135，以将构件温度信息提供到热源控制器140。如果使用非常灵敏的热电偶装置，则可将安装支架或其它支承平台136焊接或夹紧到样品构件(合适的位置)上以提供热阻，以降低由于过热而对传感器造成破坏或导致传感器不精确的可能性。
除了提供热源以引起加速的加热之外，还可结合热源120或者取代该热源120而使用适当的散热器或降温源/冷却源，以提供加速冷却。控制器140用来控制和调节温度，并使热源和冷却源单独地、协调地进行循环或者按预定的顺序进行循环，以便以加速的方式在较短的时间内对构件进行积极的测试。可使用许多常规的技术和设备(诸如，例如冷却的强制空气流、干冰、液氮等)来进行加速冷却。
本文所公开的特定的非限制性的示范性实施例使用热循环炉和常规的声发射分析设备的组合，来模拟并分析在多个涡轮发动机行程(即多个从完全停止到满负荷，然后回到完全停止的循环)中产生的热应力将对特定的涡轮发动机构件或经过修复的构件的整体性产生的影响。首先参照图1，样品构件100(例如待测试的新零件/构件模型或经过修复的零件)装有固定到其表面上的一个或多个纵向波声变换器101。当构件100通过热源120和控制器140而按照预定的加热-冷却温度曲线进行热循环时，声变换器101对从部件100发出的声音振动进行检测。贯穿多个加热和冷却循环，对高于预定阈值的自发振动或声发射的能量和幅度进行检测和记录，以便记录在多个热循环中构件的结构整体性可能发生的任何变化，以用于比较和分析。更具体地讲，从样品构件中获取的声发射波形除了提供其它信息之外，还可提供以下信息，即指示当样品构件在加热-冷却循环过程中承受热应力时，可能在样品构件中发生的伸缩振动、相变、裂纹产生和扩展的信息。详细地讲，某些检测到的声发射具有特有的可识别的波形，该波形具体地指示在构件中发生的裂纹产生和裂纹扩展的过程。
如图1中所示，在各加热-冷却循环中，来自一个或多个变换器101的电信号提供到常规的多通道声信号分析器110。还可设有用于对接收自变换器101的信号进行预放大/过滤的器件102，以提高信号强度和信噪比。多通道声信号分析器110可在内部结合有计算机，或与常规的台式计算机或便携式计算机一起工作，该台式计算机或便携式计算机构造成用以进行声信号波形分析，以用于识别裂纹产生和扩展和/或比较从变换器101获取的不同的声波波形信号。可用于适当的实施例中的常规的多通道声信号分析器的一个实例是由PhysicalAcoustics Corporation of Princeton Junction，New Jersey制造的MicroDiSP-8声发射分析器。
可变温度的可控热源120设置成用于将构件100加热到仿真预定的现场运行状态的温度。热源120可以是任意数量的在所需的温度范围内可控的常规加热装置(诸如，例如电感应加热线圈、辐射石英加热灯或电阻加热器)，或者是这些常规加热装置的组合。合适的热源控制器140用于对热源120进行控制，以产生多个加热和冷却循环，该加热和冷却循环在各循环中均遵循预定的温度曲线。红外高温计130用来将温度反馈信号提供到热源控制器140，以用于贯穿各加热和冷却循环来监测构件100的温度并控制热源120的输出。或者，可使用热电偶传感器135或其它温度感测装置，以将温度反馈信号提供到热源控制器140。
在本文所公开的机器构件测试与评定方法的一个示范性实施例中，样品构件100的加热和冷却循环地重复，直到在构件中产生裂纹。裂纹的产生和扩展可通过分析如上所述从一个或多个声变换器获取的声发射信号来验证。另外，如果多个变换器作为阵列使用，并以相对邻近的关系101定位于构件100的表面上，则还可以通过分析例如接收自形成阵列的各变换器的信号中的时间延迟或相偏移，来确定裂纹的精确位置。除了使用所检测到的来自构件内部的声发射来跟踪裂纹的位置和扩展之外，数字相机150也可用作目视检测工具以获取裂纹形成与扩展的进一步信息。另外，许多不同的、已知的常规的材料检测技术(诸如，例如荧光/液体渗透检测(FPI/LPI)、超声波检测、涡流检测、磁性粒子检测、FLIR照相检测)中的任何一种可用来替代声发射分析，以监测裂纹产生和/或观察裂纹扩展。
如以上所提到的，本文所公开的机器构件测试与评定方法中的至少一个附加的方面在于其作为构件修复开发与验证的工具的用途。在本文所公开的非限制性的示范性的构件修复验证方法中，机器零件/构件被循环地加热及冷却直到裂纹产生，然后对有裂纹的零件/构件进行修复(例如通过常规的焊接工艺方法)，然后对经过修复的零件/构件在与初始引起裂纹的状态相同的状态下、或者在复制实际现场运行的状态下重新进行测试。对使得另一个裂纹在经过修复的构件中产生并且扩展到预定的裂纹长度所需的加热和冷却循环的数目进行记录，并与构件修复之前在类似的测试状态下获取的数据进行比较。
如以上所提到的，为待测试/分析的特定构件预先确定用于将特定构件加热和冷却到预测的运行状态的温度循环曲线。通过使用包含内部热源(例如石英加热灯、感应线圈、电阻炉等)的某种类型的隔热罩或隔热壳体，以及使用用于支承样品构件的台架，可更精确地获取并维持该温度曲线。例如，图2显示了具有样品加热箱/室200的非限制性的示范性实施例，该样品加热箱/室200用作隔热罩和构件测试支承结构。在该特定的实例中，具有感应加热线圈元件210的常规的电感应加热装置安装在加热箱/室200中。优选的是，感应线圈210具有足够大的直径，以容许容易地将具有各种几何形状的不同的机器零件/构件放置在其中心。
在本文所公开的非限制性的示范性实施例中，热电偶装置215将样品构件100的温度信息提供到单独的可编程的加热***控制器205。或者，热电偶215可将温度信号直接提供到计算机240，该计算机240可与感应加热控制器205一起使用来控制构件100的加热，或者计算机240可用作可编程的热源控制器，以监测并控制加热和冷却循环。加热箱/室200还包括某种类型的样品支承台架/支承台201，并充有惰性气体(例如以避免在加热过程中对样品构件造成氧化损坏)。尽管图2中特定的示范性实施例采用了电感应加热，但是也可使用对样品构件强制加热和/或冷却的其它形式或方法，诸如，例如石英加热灯、电阻炉或其它加热/冷却器件或装置，这些器件或装置适用于并且能够将所待测试的特定类型的机器构件加热/冷却到至少预测的现场运行温度。例如，如以上所提到的，降温源/冷却源也可用于或置于室200中，该降温源/冷却源可与热源120一起工作或取代热源120，以便提供受控的冷却以及受控的加热。控制器140可用来单独地或以某种预定的组合方式来控制和调节加热和冷却设备及加热/冷却循环，以在较短的时间内进行加速的和/或积极的测试。
常规的技术和设备(诸如，例如冷却的强制空气流、干冰、液氮等)可用来进行强制冷却。
如图2中所示，样品构件100装备有一个或多个表面安装的纵向波声变换器220。如果需要，这些变换器中的一个或多个变换器可安装到焊接或夹紧在构件上的支架或其它支承平台136上。在加热和冷却循环过程中，将所检测到的来自变换器220的声发射信号和振动发射信号提供到多通道声分析器230。便携式计算机(或其它合适的计算机)240与声分析器230一起工作，以记录声发射信号、进行波形分析并将所检测到的信号与在以前的测试循环中获取的信息进行比较。计算机240装有常规的声波波形分析软件，诸如，例如由Physicalacoustics Corporation为Micro DiSP-8分析器提供的软件。计算机240还可以用来控制电感应加热***205，以保证加热和冷却循环符合预定的温度曲线。
该书面描述使用实例对本发明进行了公开，这些实施例其包括了最佳的方式，并且使得本领域的任何技术人员能够实现本发明，包括制作及使用任何装置或***并执行任何所结合的方法。特别地，如以上所提到的，本发明的备选实施例可采用各种已知的常规技术和设备(诸如，例如辐射加热灯、电感应加热、电阻加热、强制冷却的空气流、干冰、液氮等)中的任意一种、或者这些技术和设备的组合，以对所检查的构件进行加速加热和/或冷却。同样，可采用各种不同的常规的材料检测技术(诸如，例如荧光/液体渗透检测(FPI/LPI)、超声波检测、涡流检测、磁性粒子检测、FLIR照相检测和/或目视检测)中的任意技术来取代声发射分析，以监测裂纹产生和/或观察裂纹扩展。
本发明可以取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员可联想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的书面语言无差异的结构元件，或者这些其它实例包括与权利要求的书面语言无本质差异的等效性结构元件，则这些其它实例也意图处于权利要求的范围之内。

Claims (9)

1.一种用于在模拟的现场热运行状态下对机器构件进行测试的装置，包括：
发热源(120)，其用于加热样品构件(100)；
热源控制器(140)，其用于循环地控制所述热源，以根据预定的温度-时间加热曲线来加热所述样品构件(100)；
一个或多个变换器(101)，其用于安装在所述样品构件(100)的表面上，所述变换器响应于在所述样品构件内发生的声音和/或振动，以用于产生声发射波形信号；
多通道声信号分析器(110)，其用于获取并比较由所述变换器(101)产生的声发射信号波形，特定的声发射信号波形指示发生在所述样品构件内的裂纹产生和/或裂纹扩展；以及
壳体(200)，其用于容纳所述发热源(120)和所述样品构件。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发热源为电感应加热器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壳体容纳有惰性气体。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发热源为电阻加热器。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发热源为石英加热灯。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品构件为燃气涡轮发动机构件。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个所述变换器为纵向波变换器。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括定位于所述样品构件表面上的变换器阵列，所述变换器阵列提供指示所述样品构件内裂纹位置的多个声信号。
9.一种评定机器构件中裂纹修复的方法，包括：
根据预定的温度曲线，以重复循环的方式加热机器构件(100)，然后容许其冷却，所述预定的温度曲线至少部分地模拟特定机器内的所述构件的现场热运行状态，其中，循环的加热-冷却一直持续到所述构件内产生裂纹；
监测多个加热-冷却循环中在所述构件(100)内产生的声发射(110)；
识别指示所述构件(240)内裂纹产生的声发射波形；
确定在所述构件(100)中使所述裂纹产生所需的加热-冷却循环的第一次数；
修复在所述构件(100)中引起的所述裂纹；
对所述构件(100)的修复完成之后，使所述构件(100)经历另外的加热-冷却循环，同时监测声发射，直到检测到指示所述构件内裂纹产生的声发射波形；
确定在所述经过修复的构件(240)中使裂纹产生所需的加热-冷却循环的第二次数；以及
比较在所述经过修复的构件中使裂纹产生所需的加热-冷却循环的第二次数与修复(240)之前在所述构件中使裂纹产生所需的加热-冷却循环的第一次数。
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