CN102539534A - 涡轮叉超声波探伤装置及方法 - Google Patents

涡轮叉超声波探伤装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及涡轮叉超声波探伤装置及方法。涡轮叉的检查可通过磁粉探伤进行，但因需要分解动叶片和盘所以存在检查需要时间的问题。曾尝试通过超声波探伤的检查，但因叉形状复杂，所以存在难以识别由叉的凹凸反射的超声波(形状回波)和由缺陷反射的超声波(缺陷信号)的问题。把传感器移动的自由度限定在旋转移动和平行移动，将为能够定量评价移动量而附加有刻度的超声波探伤传感器设置夹具固定在无缺陷且和检查对象同尺寸的基准试验片上来取得形状回波。固定超声波探伤传感器设置夹具，把超声波传感器设置在和取得形状信号时相同的位置，取得、并比较超声波探伤信号，由此，来评价有无超声波(缺陷信号)。

Description

涡轮叉超声波探伤装置及方法
本申请为2007年9月25日递交的、申请号为2007101617386、发明名称为“涡轮叉超声波探伤装置及方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及适合缩短涡轮叉的检查时间的超声波探伤装置及方法。
背景技术
如图15(a)以及(b)所示，发电厂的涡轮机，为提高制作性和维修性分别制作旋转轴和动叶片，组合旋转轴上的盘和动叶片的叉结构部，通过把销***在叉上设置的孔内来固定。因为伴随涡轮的旋转给叉孔施加有应力，所以在图15(c)所示位置会产生裂缝。
叉孔裂缝的检查，传统上是把叶片取出后通过磁粉探伤(MT，Magneticparticle Testing)来进行。如图16所示，所谓MT是检测给检查对象施加了磁场时从缺陷处泄漏的磁通的方法。对于在缺陷的泄漏磁通上聚集的涂布有荧光物质的磁性金属粉，照射紫外线，作为荧光的发光观察磁性金属粉有无聚集，这样来检测缺陷。因为在通过MT的叉孔缺陷检查中需要拔出销分解盘和动叶片，所以存在检查费时间的问题。
因此，尝试通过超声波探伤(UT，Ultrasonic Testing)检查叉孔。所谓UT是向检查对象内发送超声波、接收反射波的检查方法。从有无来自缺陷的反射来评价有无缺陷。如图17(a)所示，当为向缺陷发生位置直接入射超声波而在叶片根部设置UT传感器时，因为设置场所成为曲面所以在叉和UT传感器之间产生间隙，超声波的入射变得困难。另外，如图17(b)所示，在叉侧面设置传感器通过在叉内反射超声波要向缺陷发生位置入射超声波的场合，因为难以判定超声波的入射路径，所以确定探伤部位困难。因此，通过UT的检查尚未实用化。作为不是叉形状而是嵌入部的超声波探伤技术可以举出专利文献1。
【专利文献1】特开2002-310998号公报
发明内容
如上述，在现有技术中，在组装的状态下，关于是复杂形状的叉部的非破坏检查，未加考虑。
本发明在于使以非解体方式能够进行涡轮叉的非破坏检查。
本发明的主要特征在于，设置把UT传感器移动的自由度限定为传感器的旋转和平行移动的传感器设置夹具，或者通过执行机构控制传感器的旋转和平行移动的传感器移动机构，把形状回波作为基准信号，通过比较基准信号和超声波探伤信号识别来自缺陷的反射波。
本发明的涡轮叉超声波探伤装置以及方法，因为能够以非解体方式检查动叶片和盘，所以能缩短检查时间。
附图说明
图1是第一实施例中的涡轮叉超声波探伤装置的结构图。
图2是第一实施例中的UT传感器设置夹具的结构图。
图3是表示通过更换靴引起的超声波入射路径变更的原理的图。
图4是基准(形状)信号的评价例。
图5是缺陷信号的测定例。
图6是第一实施例中的超声波探伤步骤。
图7是第二实施例中的涡轮叉超声波探伤装置的结构图。
图8是第二实施例中的UT传感器移动机构的结构图。
图9是第二实施例中的UT传感器的结构图。
图10是第二实施例中的超声波探伤方法。
图11是超声波起振开始时间差的评价例。
图12是第二实施例中的超声波探伤步骤。
图13是超声波传播路径解析的原理。
图14是第二实施例中的信号传递的流图。
图15是涡轮叉的构造。
图16是现有技术的涡轮叉检查方法。
图17是通过超声波探伤的涡轮叉检查的问题点。
符号说明
1 超声波探伤器
2 UT传感器
3 UT传感器设置夹具
4 固定爪
5 磁铁折叠器
6 传感器旋转柄
7 传感器固定臂
8 臂旋转柄
9 弹簧
10 UT传感器移动机构
11 执行机构
12 执行机构驱动器
13 移动棒
14 执行机构内置旋转台
15 存储容器
16 吸盘
17 个人计算机
18 架台
19 靴
21 CPU
22 硬盘驱动器
23 随机存取存储器
24 只读存储器
25 I/O端口
27 记录介质
28 在监视器上显示有无缺陷
29 A/D变换器
30 D/A变换器
31 超声波元件
32 电极
33 阻尼器
34 保护壳
101 超声波探伤器和UT传感器间的信号线
102 个人计算机和超声波探伤器间的信号线
103 个人计算机和执行机构驱动器间的信号线
104 执行机构和执行机构驱动器间的电力线
具体实施方式
在作为和涡轮盘的连结部位的涡轮叶片的涡轮叉的超声波探伤方法中，在涡轮盘和涡轮叶片连结的状态下，通过在涡轮叉的侧面平面部上设置超声波探伤传感器，利用通过超声波探伤传感器的来自涡轮叉内侧面的反射波探伤该涡轮叉的内外表面，能够以非解体方式检查动叶片和盘。
另外，设置传感器设置夹具或者传感器移动机构从叉侧面收发超声波进行超声波探伤，同时设置通过把形状回波作为基准信号比较基准信号和超声波探伤信号来识别来自缺陷的反射波的步骤，实现缩短涡轮叉的检查时间的目的。
(第一实施例)使用图1～图6以及数学式1，说明关于使用UT传感器设置夹具的叉的超声波探伤的实施例。
图1是第一实施例中的超声波探伤装置的结构图，具有超声波探伤器1、UT传感器2、UT传感器设置夹具3、和超声波探伤器1以及UT传感器2之间的信号线101。作为UT传感器2的超声波收发元件使用诸如PZT、LiNbO3、PVDF的压电元件。作为信号线101使用被覆绝缘的铜线。
图2是第一实施例中的UT传感器设置夹具3的结构图，是在涡轮盘和涡轮叶片被连结的状态下，在涡轮叉的侧面平面部设置超声波探伤传感器的传感器设置单元。具有对于动叶片的UT传感器设置夹具的固定爪4、把UT传感器设置夹具固定在动叶片上的磁铁折叠器5、UT传感器旋转柄6、UT传感器固定臂7、臂旋转柄8、用于把包括臂在内的UT传感器向叉侧面压的弹簧9。
通过具有这样的传感器设置单元，能够容易地在涡轮叉的侧面平面部上适当地设置。通过从平的侧面进行探伤，能够使入射回波的大小均匀，能够适当地确保缺陷(伤)的检测性。
把固定爪4压向动叶片41，利用磁铁折叠器5的磁力固定UT传感器设置夹具3。UT传感器2用螺丝固定在传感器旋转柄6上。通过使传感器旋转柄6旋转，能够使UT传感器2在图2中的θ1方向上旋转。
在臂7上设置贯通的沟，通过使贯通沟设置传感器旋转柄6，能够使传感器在图2中的Y方向上移动。另外，把臂旋转柄8作为轴，使臂在图2中的θ2方向上旋转。通过在这些传感器旋转柄6、臂7、臂旋转柄8上设置刻度，能够对超声波的入射方向进行定量化。固定爪4、臂7、传感器旋转柄6、臂旋转柄8，把金属或者树脂作为材料进行整形。作为弹性体的弹簧9，使用CrMo钢、Mo钢等弹性系数大的钢材。
这样，因为具有旋转超声波探伤传感器的单元，所以在容易地适当设置的涡轮叉的侧面平面部上之后，能够使探伤时的条件设定等变得容易。
另外，对于超声波的检查对象的入射角，通过在UT传感器2和检查对象之间设置楔型的丙烯基(靴19)来进行调节。图3是通过靴的超声波入射角调整的原理，从靴向检查对象的超声波入射角根据斯内尔的法则，用数学式1记述。
(数学式1)
sin(θ1)÷V1＝sin(θ2)÷V2
式中，V1：靴内的超声波的音速，θ1：从靴向检查对象的超声波的入射角度＝靴尖端角度，V2：检查对象内的超声波的音速，θ2：检查对象内的超声波的入射角度。通过把这样的靴19用螺丝固定在UT传感器2上，能够调节超声波入射角。
因为利用通过超声波探伤传感器的来自涡轮叉内侧面的反射波探伤涡轮叉的内外表面，所以能够进行非解体方式的探伤。
图6表示第一实施例的超声波探伤步骤，以下进行说明。主要说明传感器的设置、探伤过程。
在步骤201，把无缺陷的、和检查对象相同尺寸的基准试验体固定在传感器设置夹具上。
在步骤202，取得在如图4所示那样的检查对象的凹凸上反射的形状回波(基准回波)。
在步骤203，在检查对象上固定传感器设置夹具进行超声波探伤，取得如图5所示那样的超声波探伤信号。把超声波探伤信号与图4的基准信号比较，从与形状回波不同的部位上有无反射波，来评价有无缺陷。
在步骤204，更换靴变更超声波入射角亦即超声波入射位置。
构成为：利用通过超声波探伤传感器测得的来自涡轮叉内侧面的反射波探伤涡轮叉的内外表面，把在涡轮叉内产生的希望的超声波反射波作为基准信号，比较基准信号和探伤的超声波探伤信号检测来自缺陷的反射波的结构，由此，用非解体方式通过超声波探伤就能够进行缺陷的检测。
另外，通过入射超声波并使之跳跃能够避免复杂形状的叉部的级差等。另外，因为从侧面入射超声波并使之跳跃所以能够从同一探伤面探伤叉部的内表面侧、外表面侧双方。
在本实施例中，因为如上说明构成，所以利用传感器设置夹具的刻度使超声波的入射方向的定量化成为可能，由此，能够确定超声波入射位置。另外，因为以形状回波作为基准评价缺陷信号的有无，所以缺陷的有无的判断变得容易。因此，能缩短涡轮叉的检查时间。
(第二实施例)使用图7～图14和(数学式2)～(数学式5)说明关于使用UT传感器移动机构的涡轮叉的超声波探伤。
图7是第二实施例中的涡轮叉超声波探伤装置的结构图，由超声波探伤器1、UT传感器2、个人计算机17、传感器移动机构10、执行机构11、执行机构驱动器12、超声波探伤装置和UT传感器之间的信号线101、个人计算机和超声波探伤器之间的信号线102、个人计算机和执行机构驱动器之间的信号线103、执行机构和执行机构驱动器之间的电力线104构成。作为信号线、电力线使用被覆绝缘的铜线。
图8是第二实施例中的UT传感器移动机构的结构图，是并进移动超声波探伤装置的单元。通过该移动机构，能够高效率检查多个涡轮叉。另外适合自动化。由执行机构、为把执行机构的旋转变换为平行移动切割有公螺纹的移动棒13、为使UT传感器平行移动和移动棒组合而切割有母螺纹的架台18、内置执行机构的旋转台14、执行机构和移动机构的存储容器15、用于把移动机构固定在动叶片的吸盘16构成。在执行机构内，使用一个以上的电动机或者超声波式执行机构。移动棒中使用CrMo钢、Mo钢等弹性系数大的钢材。在吸盘中使用整形树脂。存储容器把金属或树脂作为材料整形。通过用螺丝把UT传感器固定在旋转台上，使UT传感器旋转移动。另外，通过用螺丝把旋转台固定在架台上，通过执行机构使移动棒旋转，连同和移动棒组合的架台使UT传感器平行移动。
图9是第二实施例中使用的UT传感器的结构图，使用设置多个超声波元件31的列、在各列中配置多个超声波元件、存储在保护壳34中的阵列传感器。在超声波元件的测量端蒸镀电极32，与UT传感器和超声波探伤器之间的信号线连接。另外，在和接触检查对象的部位相反侧的端上设置降低超声波起振后的超声波元件的振动的阻尼器33。在超声波元件中，和第一实施例同样，使用PZT、LiNbO3、PVDF等的压电元件。在电极中使用银、金、铜等导电性高的金属。在阻尼器中使用混合Ta、W、Hf等重金属和树脂的材料。保护壳把金属或树脂作为材料进行整形。
图10是使用该UT传感器的场合的超声波探伤方法，使用数学式2～3调整超声波起振开始时间差，以使超声波从各超声波元件同时到达收束点。
(数学式2)
dt＝(max x(L)-Li)÷V  …(数学式2)
(数学式3)
Lij＝((xij-yf)2+(yij-yf)2+(zf)2)1/2  …(数学式3)
式中，max(L)：元件和收束点的距离最大值[m]，Lij：第j列的第i号的元件和收束点的距离[m]，：V：超声波音速[m/s]，xij：第j列的第i号元件的x坐标[m]，xf：收束点的x坐标[m]，yij：第j列的第i号元件的列方向的y坐标[m]，yf：收束点的y坐标[m]，zf：收束点的z坐标[m]。
图11表示起振开始时间差的例子。该例是元件列3列，每一列的x超声波元件数是8个传感器，求得在
V＝5900[m/s]、xij＝(0.5×i-0.25)×10-3[m](i＝1～8)、yij＝(1.3×j-0.65)×10-3[m](j＝1～3)、xf＝2×10-3[m]、yf＝3×10-3[m]、zf＝10×10-3[m]、时的起振开始时间差。当把上述的V、xij、yij、xf、yf、zf代入(数学式2)以及(数学式3)计算超声波起振开始时间差时，就成为图11那样。通过将超声波起振开始时间差做成为上述那样，来自各元件朝向收束点的超声波到达时间聚齐，信号强度会变强。
将第二实施例中的超声波探伤步骤汇总在图12中。
在步骤211，在无缺陷、且和检查对象相同尺寸的基准试验体上固定传感器移动机构。
在步骤212，向个人计算机输入检查对象的三维形状和缺陷发生位置坐标。
在步骤213，根据三维形状数据解析超声波传播路径。
在步骤211，把已输入的缺陷发生位置坐标作为起点计算发射超声波时的超声波通过路径。利用超声波在撞到叉外周之前直进的事实、和在撞倒外周反射时如图13所示对于反射点的法线入射角和反射角成为对称的事实来进行计算。在该通过路径到达叉侧面之前变更来自缺陷发生位置坐标的超声波发射角来反复进行解析。
步骤214：把在步骤213求得的向叉侧面的超声波射出点作为UT传感器中心位置使用数学式4～5来求Lij，代入数学式2来计算构成UT传感器的超声波元件之间的超声波起振开始时间差。
(数学式4)
Lij’＝((xs-xij)2+(ys-yij)2+(zs-zij)2)1/2  …(数学式4)
(数学式5)
Lij＝(L12+Lij’2)1/2  …(5)
式中，L1：在步骤213求得的到叉侧面的超声波通过路径的距离[m]，Lij’：传感器中心点和第j列第i号超声波元件的距离[m]，xs：传感器中心点的x坐标[m]，ys：传感器中心点的y坐标[m]，zs：传感器中心点的z坐标[m]，xij：第j列第i号元件的x坐标[m]，yij：第j列第i号元件的y坐标[m]，zij：第j列第i号元件的z坐标[m]。
在步骤215，把UT传感器移动到超声波入射位置，取得基准信号(形状回波)。
在步骤216，在检查对象上固定传感器移动机构，取得超声波探伤信号。
在步骤217，从超声波探伤信号中减去基准信号，根据是否有剩余信号来判断是否有缺陷。在基准信号以外有超声波探伤信号的场合，存在缺陷。
图14表示第二实施例中的信号传递的流图。
从MO、CD、DVD等27记录介质输入检查对象的三维形状数据，从26键盘输入缺陷发生位置坐标。三维形状数据和缺陷发生位置坐标通过个人计算机的25I/O端口传送到21CPU，由CPU计算超声波传播路径和超声波起振开始时间差。
根据超声波传播路径的解析结果，通过个人计算机的I/O端口、执行机构驱动器向执行机构供给电力，使传感器移动到超声波入射位置。另外，根据超声波起振开始时间差，通过个人计算机的I/O端口、超声波探伤装置的I/O端口、30D/A变换器，给超声波元件施加电压，来向检查对象内发送超声波。由检查对象内的凹凸或缺陷反射的超声波用UT传感器变换为电压，通过29A/D变换器、超声波探伤装置的I/O端口、个人计算机的I/O端口向CPU传送。
在CPU中，在22硬盘驱动器(HDD)、23随机存取存储器(RAM)、24只读存储器(ROM)中的一个以上的存储装置中，连同传感器位置、超声波起振开始时间差一起记录超声波探伤结果。另外，在CPU中从探伤信号中减去基准信号，并通过个人计算机的I/O端口在28监视器上显示。
本实施例如上述说明过的那样，被构成为：通过解析求取传感器的设置位置或超声波的入射角度，自动进行传感器的移动和超声波探伤，所以比第一实施例更能缩短涡轮叉的检查时间。
【产业上的利用前景】
能够缩短涡轮叉的检查时间。

Claims (4)

1.一种用于涡轮叶片的涡轮叉的超声波探伤装置，所述涡轮叶片的涡轮叉是涡轮盘和涡轮叶片的连结部位，其特征在于，
具有：在该涡轮盘和该涡轮叶片连结的状态下，把超声波探伤传感器设置在成为动叶片叉的正面的平滑面上的传感器设置单元，和利用由该超声波探伤传感器测得的来自该涡轮叉内侧面的反射波来对该涡轮叉进行探伤的探伤单元。
2.根据权利要求1所述的用于涡轮叶片的涡轮叉的超声波探伤装置，其特征在于，
所述传感器设置单元，具有使该超声波探伤传感器旋转的单元、以及使该超声波探伤传感器平行移动的单元。
3.根据权利要求1或者权利要求2所述的用于涡轮叶片的超声波探伤装置，其特征在于，
将所述探伤单元构成为：把在该涡轮叉内产生的形状回波作为基准信号，比较该基准信号和所探伤出的超声波探伤信号来检测来自缺陷的反射波。
4.一种用于涡轮叶片的涡轮叉的超声波探伤方法，所述涡轮叶片的涡轮叉是涡轮盘和涡轮叶片的连结部位，其特征在于，在该涡轮盘和该涡轮叶片连结的状态下，把超声波探伤传感器设置在成为动叶片叉的正面的平滑面上，利用由该超声波探伤传感器测得的来自该涡轮叉内侧面的反射波来对该涡轮叉进行探伤。
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