採用渦電流進行壁厚尤其是葉片壁厚的測量的製作方法

2023-05-05 02:01:56

專利名稱：採用渦電流進行壁厚尤其是葉片壁厚的測量的製作方法
技術領域：
本發明涉及渦輪機領域，作為其發明目的，本發明提出一個壁厚測量裝置，可通過渦電流來測量空心部件的壁厚，諸如葉片，尤其是渦輪葉片。
背景技術：
高壓渦輪葉片的幾何形狀越來越複雜，特別是在通過空氣循環來對葉片進行冷卻的內部通道，內隔板和凹凸不平的彎曲部分。部件製造後，根據通道情況要對外壁的厚度必須通過無損方法進行測量，以便確保其機械強度。這種測量的不確定性必須非常低。例如，對於壁厚範圍在0.3到1.2mm時，不確定性定在小於25微米。
一種已知方法就是X線斷層照相術。但是，其缺點是操作時間過長。整個葉片的檢查要求在幾個高度上連續分段進行，每個都需要幾分鐘。人們無法想像這樣的解決方案如何適應系統檢查，更何況所要求的測量精度得不到滿足。
另一種方法是超聲波檢查，也不適合，因為材料的各向異性以及手動方式會極大地影響測量結果-精度目標也達不到。另外，它還依賴於可變性因素，諸如操作手的經驗、校準情況以及重複能力等。
渦電流測量技術非常適合這種用途，也就是說，對於單晶體材料製成的部件來講，非常適合，這種技術能夠滿足預期的測量精度目標。特別是，環境溫度下材料的導電性也不會受到晶體取向的影響。但是，必須考慮到這種部件所特有的幾何特性，因為下面幾個參數會影響測量結果-葉片的局部彎曲度；-測量點附近的隔板；-探測器和部件之間的相對位置。
後者可以通過使用精度非常可靠的機械結構件來解決。
本發明申請者已經研製了一種測量方法，可以抑制隔板可以造成的任何影響。已經生產出了一種合適的U形磁探測器，它可以在最佳方向上進行輻射。第EP1167917號申請專利涉及到一種空心壁厚的測量方法，包括在壁上應用渦電流探測器的兩個磁極，與隔板成一直線平行，磁極上提供有串行連接的線圈，該方法還包括將壁上的探測器垂直向隔板移動，記錄探測器產生的信號，並按照預先校準情況推算壁的厚度。根據包括隔板在內的樣壁上的測量結果，來對壁厚進行評定。此外，這些校準採用了類神經網絡方法。一旦通過這種方法進行編程後，當輸入信號應用到壁上時，這種類神經網絡就可以提供壁厚的評定，正如探測器所提供的那樣，並符合測量阻抗值。
這種人工類神經網絡是一種數字計算機操作的計算模型，它是按照真實生物神經原理建立的。正如上述專利申請中所說明的那樣，它包括經由輸入和輸出數值連接在一起的神經元。更確切的說，一個人造神經元N就是一個單獨的處理器，連接到一個或多個加權值W與之相關的輸入口e和一個輸入端s上。輸出值取決於加權輸入值以及a偏壓b，如公式s＝f(w.e+b)，式中，f是一個啟動函數，由神經元N的編程來決定。這樣，數據在其輸送的每個神經元時所修改的網絡中傳輸。神經元連續多層分布，並與前一層和後一層神經元相連結。
上述申請中所使用的模型包括一個輸出層C2，帶有一個提供所需輸出和厚度的神經元，以及一個隱蔽層C1，包括從渦電流探測器提供的信號中獲得的阻抗值、電阻和/或電抗值提供的幾個神經元。神經元所發揮的功能對於C2層來講相同f(w.e+n)＝w.e+b；雙曲正切C1層中的f(w.e+b)＝tanh(w.e+b)。
該方法是在一個隔板固定架上進行的，該隔板固定架包括一個厚度逐漸增加的若干平行條構成，且在後端帶有與隔板相似的加強筋。在這個隔板固定架上應用渦電流探測器以獲得符合阻抗值的試樣信號，並根據該信號，確定並調整類神經網絡的參數、加權和偏壓值。該方法可通過使用相關的算法來進行，以便使類神經網絡按照探測器提供的信號在隔板固定架的每個點上輸出已知厚度。
然而，在彎曲嚴重的部件情況下，最後還有一個因素需要給予考慮在探測器的扁平表面和影響測量信號的部件的彎曲表面之間形成一個氣隙；最好是能夠對此忽略不計。
發明專利內容本發明的發明人現在提出了一個目標，即開發一種能夠將彎曲效應引入計算的方法。
本發明提出了空心部件壁厚測定方法，這種部件屬於渦輪機葉片形的，且帶有一定的彎曲表面，測量在至少一個彎曲半徑已經確定點上進行，特別是在彎曲半徑和厚度的確定的範圍內機型，其包括渦電流探測器應用到壁上所形成電路的阻抗值的確定，並包括這些數值輸入到類神經網絡型數字處理單元，該方法的特徵在於網絡參數已經提前確定，其方法是根據隔板固定架上所述範圍內已知的彎曲半徑和壁厚設置。
本發明特別適應於渦輪機葉片壁厚的測量，這種渦輪機葉片的彎曲半徑大於或等於10mm和小於100mm，根據傳感器是在壓力一側還是在葉片的吸入一側，彎曲度可能是凸起或凹下。
根據本發明的另一個特性，所述方法可應用於渦輪機葉片壁厚的測量，所述厚度在0.1mm和2mm範圍內。
為了避免由於材料特性而需要進行修正，所述隔板固定架優選與葉片相同的材料。
根據本發明的另一個特性，即應用到諸如渦輪機葉片這樣的部件的方法，所述葉片帶有內部隔板，可以使用一種帶有U形磁芯的探測器，該磁芯的每個分路都提供有一個測量線圈。特別是，磁芯的分路間隔至少等於所述隔板的間隔。


下面參照附圖，更詳細地對本發明進行介紹，這些附圖是圖1為渦輪機葉片的剖面圖，該葉片提供有內部通道，用於循環冷卻流體；圖2為使用渦電流測量壁厚的探測器的示例圖；圖3和圖4為根據類神經網絡方法使用的隔板固定架示例圖，分別為前視圖和側面圖。
具體實施例方式
圖1示出了一個空心葉片1，其外壁10是彎曲的，該葉片包括一個內隔板12，特別是在隔板和葉片壁之間，構成了冷卻空氣循環通道14。隔板與隔板之間的布置和厚度彼此不同。可以有多種布置形式。同樣，葉片壁的彎曲程度沿機翼翼弦和翼根和其自由端之間也多少不同。如上所述，重要的是，在模塑製造時，應能知道每個點上葉片壁的厚度。
本發明所提出的方法是，應用渦電流測量法測量或至少允許評定每個點上的葉片壁10的厚度。該方法包括與交流發電機連接的電路，一個相應的探測器20和一個記錄探測器接線端子處產生的電壓的電壓表。探測器靠在壁上，葉片壁會對電路的阻抗產生影響。通過電路阻抗，電壓表測量的電壓值取決於探測器線圈電磁感應在部件相鄰部分產生的渦電流。因此，它們取決於葉片壁的特性。然後，對這些值進行處理，以便測量壁的厚度。
所使用的探測器20優選圖2所示的型號，而且以本發明申請者的名義已經在專利申請EP 1167917中所介紹的方法中得到應用。該探測器包括一個U形的高滲透性磁芯22，並帶有一個方形或長方形斷面。在磁芯的兩個分路上布置了兩個線圈23和24，並且採用串行電氣連接。因此，探測器可以按最佳方向輻射，從而減少了隔板的影響。
兩個磁極之間的磁電路的寬度接近或大於隔板的寬度。探測器20可在一個專門的基座上移動到測量點，兩個U形磁極所構成的線與隔板的方向保持平行。
帶有U形磁電路傳感器結構使得其能夠產生一種磁場，基本上與「U」兩個磁極構成的線平行。正如上述專利所給出的那樣，在每個測量點上，傳感器與隔板的兩個磁極平行，從而獲得一個信號，該信號不會受到隔板的很大影響，因為渦電流而後與隔板成直角，並不會穿透後者。另一方面，直角對中可以給隔板產生很高的靈敏度。在這個示例中，該傳感器最好以「平行」方式使用。如果必要時，估算精度的改善可以使用彎曲隔板，具體描述如下。
已經用傳感器進行了各種試驗，所使用的方形磁極為1mm乘以1mm，磁極間間隔為1mm。
然而，可以看到，因為本發明應用於測量帶有一定彎曲度的葉片壁的厚度，但是並不一定是隔板下方的壁的厚度，任何其它探測器的使用都是包括在本發明的範圍之內。
為了確保所有測量點和探測器的垂直性，其精度和可靠性應相對於要測量的表面，探測器最好採用多軸支撐，特別是五軸機械結構。掃描最好採用點對點進行。在每個點上，都要記錄信號，然後將探測器移動到下一個測量點。
如果電壓表測量的電壓是V，穿過線圈的電流強度是I，那麼，這就給出了這種關係Z0＝V0/I0+R0+jX0，式中，Z0是阻抗，R0是電阻，X0是沒有部件時的電路的電抗，j2＝-1。同樣，當探測器應用到該部件時，Zc＝Vc/Ic＝Rc+jXc。
帶有逆模型的數字處理方法對厚度進行估算。「逆模型」是一種數學模型，該模型不同於直接模型，一般將結果與原因相聯繫，而直接模型則是從原因到結果。在本發明中，逆模型根據阻抗(是厚度和葉片其它參數的結構)提供壁厚度(原因)。人們知道，這種類型的模型是解決基於測量結果來估算參數的問題。它可以通過資料庫來建立，如本示例所實施的那樣。這種模型將探測器的阻抗作為其輸入數據，優選標準化的阻抗，將估算厚度作為其輸出數據。
因此，逆模型是一種數學功能，最好是一種類神經網絡或者一種多項式模型，其參數的設定是基於來自測量結果的渦電流數據，這些測量結果是在隔板固定架上進行的，而這則覆蓋了整個可以查找的厚度和彎曲度範圍。
圖3和圖4示出了類神經網絡型方法所使用的隔板固定架30。隔板固定架30的形狀是一個圓筒形部分，尤其是一個半圓筒形，圓形部分的半徑表示了彎曲半徑，而該半徑是在葉片的彎曲半徑範圍內選取的。隔板固定架的壁的厚度有多種31，32，33等。厚度沿其軸線逐層增加。厚度還可以按照要測量的厚度範圍進行選擇。隔板固定架用在凹凸位置上。構成隔板固定架的材料最好是與要測量的部件的材料一樣，或者至少具有相同的導電性。然而，不可避免的是，測量時隔板固定架的導電性和部件的導電性可能會不一致。特別是，正如上述發明所定義的那樣，標準化的阻抗按產品的形式只取決於σ和f。那麼，導電性的誤差可以通過修改相對於最終在部件上隔板固定架上的採集頻率來予以補償。
根據探測器與之相連電路的阻抗情況，進行數值的測量，使得類神經網絡方法可以繼續進行；部件中產生的渦電流可以對該電路進行修正，而部件中的渦電流本身則取決於隔板固定架的厚度。了解了隔板固定架的厚度後，就可以採用相關的迭代算法從中推算出網絡參數的數值。例如，這種算法是基於計算類神經網絡提供的厚度和測量點隔板固定架實際厚度之間的誤差梯度。
與隔板平行排列的傳感器對隔板的靈敏度較低。因此，在校正傳感器時，不一定非得使用帶有隔板的固定架。半圓筒形隔板固定架的使用就足夠了。帶有隔板的固定架，然而，如果必要的話，相應切割的並帶有計量特徵的葉片，就可以增加測量的精度。逆模型可以至少部分地將隔板的影響修正到最小，但並不可能沒有。為了進一步改善性能，傳感器應該採用與隔板直角的布置形式使用，以對前面所述方式的補充。由於這兩種方式中隔板影響的不同，在對隔板彎曲校正後，可以使用類神經網絡來發現並修正隔板的影響。
權利要求
1.一種帶有彎曲表面的渦輪機葉片的空心部件壁厚的測量方法，該測量至少在該點的已確定彎曲半徑和厚度處進行，測量包括確定應用到壁上渦電流探測器所形成的電路的阻抗值，以及將這些數值輸入到神經網絡型的數字處理單元，其特徵在於網絡參數已經提前確定，其方法是根據隔板固定架上所述範圍內已知的彎曲半徑和壁厚設置。。
2.根據前面權利要求所述的方法，測量彎曲半徑大於或等於10mm和小於100mm的渦輪機葉片的厚度，彎曲可以是凹下的或者是凸起的。
3.根據權利要求1或2所述的渦輪機葉片壁厚度測量的方法，所述厚度範圍在0.1mm至2mm之間。
4.根據權利要求1、2或3所述的方法，所述隔板固定架的材料與葉片的材料相同。
5.根據權利要求1到3中任一權利要求所述的方法，所述隔板固定架與葉片的材料不同，一種可以對所應用的導電性差異影響的修正方法。
6.根據上述任一權利要求所述的方法，應用到一個部件，如帶有內部隔板的渦輪機葉片，由此，所使用的探測器帶有一個U形磁芯，磁芯的每個分路都提供有一個測量線圈。
7.根據上述任一權利要求所述的方法，其特徵在於磁芯的各個分路的間隔都至少與所述隔板間隔相等。
全文摘要
本發明涉及一種測量渦輪機葉片型空心部件壁厚的方法，該測量至少是在彎曲半徑已經確定的一個點上進行，而且是在彎曲半徑和壁厚已確定範圍內，測量包括渦電流探測器(20)應用到壁上時所形成電路的阻抗值的確定，以及將這些值輸入到一個帶有類神經網絡的數字處理單元，其特徵在於網絡參數已經提前確定，其方法是根據隔板固定架上所述範圍內已知的彎曲半徑和壁厚設置。
文檔編號G01B7/06GK101074863SQ20071010360
公開日2007年11月21日 申請日期2007年4月26日 優先權日2006年4月26日
發明者皮埃爾-於斯·約伯特, 延恩·勒畢恩, 奧利維爾·萊斯皮奈特, 亞歷山大·米科克 申請人:斯奈克瑪, 國家科學研究中心(Cnrs)