高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台及测试方法与流程

本发明涉及一种中空结构叶片冷却气膜孔检测技术，特别是涉及一种高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台及测试方法。

背景技术：

公开资料表明：航空发动机对推重比的要求日益提升，导致发动机涡轮前温度进一步提升。推重比10发动机的涡轮前温度约为1940k，未来第五代航空发动机涡轮前燃气温度为2100-2300k。随着涡轮前燃气温度的大幅提高，在使用先进耐热材料、先进冷却技术以及热障涂层共同作用，才能实现涡轮叶片的长期可靠工作。

早期的涡轮叶片没有采用冷却技术，涡轮前温度受到叶片材料的限制，难以超过1050℃。随着冷却技术的日益成熟，目前用于航空发动机涡轮叶片冷却的基本冷却技术主要有气膜冷却、冲击冷却、肋壁强化换热、扰流柱强化换热等，其基本冷却原理是冷气从叶片下部进入叶片内部，通过到肋壁的内流冷却通道，对叶片的内表面实施有效的冷却，一部分冷气通过冲击孔，以冲击冷却的形式对叶片前缘内表面进行冷却，一部分通过气膜孔流出，在涡轮叶片表面形成一层冷气薄层，对叶片表面进行有效保护，剩下的一部分气体经过叶片尾部的扰流柱，被扰动强化换热以后从尾缘排出。

通常影响气膜冷却效果的因素有：①气膜孔的几何形状，比如气膜孔的喷射角度、孔径的大小、孔长与孔径的比、孔的间距、孔排数亦即孔出口的形状；②孔的气动参数，比如主流速度、吹风比、冷气流与主流的动量比、主流湍流度、气膜孔前边界层发展情况、压力梯度等。现代航空发动机涡轮叶片气膜孔发展由冲击冷却、气膜冷却逐步发展至层板冷却，小孔精密铸造，能够在叶片内部铸造出细小腔体和扰流柱结构，随制造技术的发展，层板结构将逐步获得应用。气膜冷却系统在涡轮叶片中起到至关重要的作用，如气膜孔偏差导致叶片实际温度比预测温度高出10℃，叶片服役寿命将降低一半左右，会对飞行安全性造成极大的隐患。

高压涡轮叶片涂覆热障涂层前，需要对孔径进行系统检查确定其孔径通堵及孔径符合要求。涂覆热障涂层过程中，会对高压涡轮工作叶片冷却气膜孔形成缩孔，影响冷却气膜孔孔径大小和冷却效果；在中间喷砂、热处理过程中，操作不当可能会对高压涡轮工作叶片冷却气膜孔形成堵孔，影响冷却气膜孔通堵。目前对冷却气膜孔通堵与孔径大小的检测方法，一般为塞规法与水流量法。塞规法采用不同直径标准塞规逐个对冷却气膜孔进行适配检验，效率低且存在较大断针堵孔的风险；水流量法采用一定压力的水流，通入叶片内腔通道，表征整个通道位置气膜孔的流通量，该方法效率高，但是只能整体表征流道和气膜孔的整体流通量数据，不能准确得到每个气膜孔的信息。在工程应用过程中，为了提高检验效率，采用符合气膜孔尺寸的不锈钢通针，检验气膜孔尺寸的下限，但是完全依靠人工，效率低，针对导向器至少几百个气膜孔，高压涡轮工作叶片一般为一百余个气膜孔，耗时耗力。

即使随着飞秒激光、皮秒激光等技术的发展，在涡轮叶片表面先涂覆涂层再进行气膜孔制备成为可能，即使如此，所制备的气膜孔由于热障涂层陶瓷层/粘结层/基体多层复杂结构及涂层不均质特性，批量加工过程中，仍然会导致加工气膜孔尺寸和形状等偏差，会导致叶片气膜冷却效果及温度场的差异，因而也存在孔径、形态检测的需求。

因此，考虑到目前冷却气膜孔检测技术的不足，且叶片内腔为封闭结构，一般的光学或者其他无损检测方法难以实现对气膜孔的检测，急需一种可快速、准确、有针对性的冷却气膜孔检测平台及测试方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台及测试方法，用于快速准确识别高压涡轮工作叶片冷却气膜孔通堵、缩孔、形态偏差等情况。

为实现上述目的，本发明提出一种高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台，该检测平台包括包括气体加热装置、冷却系统、工件调节系统、支撑机架、控制系统、热成像仪、显示单元、工作气源、压缩空气气源、热气测温传感器、第一角阀座、第二角阀座、工件测温传感器和浮子流量计；所述浮子流量计安装在支撑机架上，所述浮子流量计的输入端与工作气源连接，所述浮子流量计的输出端与气体加热装置的输入端连接，所述气体加热装置的输出端与所述工件调节系统相连接，在所述气体加热装置和所述工件调节系统之间的管路中设有第一角阀座和热气测温传感器；冷却系统与压缩空气气源相连接，所述冷却系统与气体加热装置采用并联方式连接工件调节系统，在所述冷却系统与工件调节系统之间的管路中设有第二角阀座、工件测温传感器；所述工件调节系统用于安装并且将气体输送至高压涡轮工作叶片；所述热成像仪用以拍摄所述高压涡轮工作叶片。

可选地，所述工件调节系统包括工件调节装置、锁紧密封装置和气体分配装置，所述工件调节装置固定于所述支撑机架上，所述气体分配装置与工件调节装置连接，所述锁紧密封装置与气体分配装置连接，所述气体分配装置用于安装高压涡轮工作叶片；所述气体分配装置分别与所述气体加热装置和所述冷却系统相连接。

可选地，工作气包括氮气、压缩空气或者二氧化碳。

为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种高压涡轮工作叶片冷却气膜孔的测试方法，利用上述的检测平台进行。其中，包括如下步骤：

步骤一：将高压涡轮工作叶片安装在工件调节系统上；

步骤二：开启热成像仪，进行视角与对焦调节，进行捕捉参数设置；

步骤三：开启压缩空气与工作气源，调节压缩空气与工作气压力至设定值，调节工作气流量至设定值；

步骤四：开启气体加热器，设置气体加热温度，将工作气加热至预设温度；

步骤五：通过热气测温传感器测量热气温度，当热气温度达到预设温度后，开启第一角阀座，对工件进行热气通入；

步骤六：与步骤四同时进行，开启热成像仪，捕捉热图信号；

步骤七：步骤六热图信号捕捉完成后，关闭气体加热器，关闭工作气，关闭第一角阀座，开启第二角阀座，对工件进行快速冷却；

步骤八：通过查看显示单元的输出结果，判断高压涡轮工作叶片气膜孔情况。

可选地，所用压缩空气压力为0.6-0.8mpa，工作气压力为0.3-0.6mpa。

可选地，所用气体加热温度为100-200℃。

可选地，工件冷却时间不大于30秒。

采用本方法测量高压涡轮工作叶片气膜孔的优点在于：

(1)构建了一种温度、压力和流量参数可控的测量平台，具有瞬态脉冲热气流供应的特征；同时工件装卡方式具有快速、便捷特性，适应于批量检验；

(2)该方法具有低温工作特性，热气流温度为100～200℃，采用低温加热形式可以提高均温间隔时间，提高信号采集可用时间，可获得反差度最大的信号，用于气膜孔特性的准确分析；

(3)该方法具有快速检测的特征，在热气流脉冲提供10秒内，可以获得反差信号，同时即可快速利用压缩空气降温，降温时间小于30秒，随后即可开展下一工件的检测；

(4)通过确认固定热像仪分辨率、测试位置和装卡位置，以及热气流参量的固化，即可利用图像对比方法，确定气膜孔异常形态的差异水平，大幅度提高检测准确程度和效率；

(5)该技术对于高压涡轮工作叶片，通常材料为高温合金或其他高温结构材料，低温气流(100～200℃)对叶片合金基体无损伤，同时低温下快速冷却至常温也对叶片无损伤；

(6)上述方法为基础方法，同时具有良好的扩展性，如利用热图信号变化结合叶片材料、涂层材料热传导特性，可以评估叶片壁厚；上述平台及方法可以获得气膜孔位置热图信号和时间的变化关系，同时也获得叶片其余部位的相关关系，对于一定尺度裂纹、叶片缺陷等，利用升降温过程的信号也可进一步评估获得相关信息；进一步而言，本基础方法提供的结果，利用人工神经网络和机器学习功能，可进一步实现气膜孔信号的自动锁定、识别和跟踪，与标准正常样品对比，自动必选预警气膜孔的异常。

附图说明

图1一种高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台总体结构示意图

图2一种高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台工件调节系统结构示意图

图3一种高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台工件气体分配装置结构示意图

图4测试过程分段示意图

图5一种未涂覆热障涂层前叶片冷却流道以及冷却气膜孔剖视示意图

图6一种涂覆完热障涂层叶片冷却流道以及冷却气膜孔剖视示意图

图7采用该高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台以及测试方法热成像输出结果示意图

附图中各部件的标记如下：1气体加热装置、2冷却系统、3工件调节系统、4支撑机架、5控制系统、6热成像仪、7显示单元、8工作气源、9压缩空气气源、10热气测温传感器、11第一角阀座、12第二角阀座、13工件测温传感器、14浮子流量计、301工件调节装置、302锁紧密封装置、303气体分配装置、304高压涡轮工作叶片、3031气体分配针、3041冷却流道、3042气模孔、3043堵塞物、3044热障涂层

具体实施方式

下面对本发明的具体实施做详细说明，所述说明在本发明提出的技术方案下实施，给出详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1、2、3所示，本实施例提供了一种高压涡轮工作叶片冷却气膜孔用检测平台，该检测平台包括包括气体加热装置1、冷却系统2、工件调节系统3、支撑机架4、控制系统5、热成像仪6、显示单元7、工作气源8、压缩空气气源9、热气测温传感器10、第一角阀座11、第二角阀座12、工件测温传感器13和浮子流量计14；浮子流量计14安装在支撑机架4上，浮子流量计14的输入端与工作气源8连接，浮子流量计14的输出端与气体加热装置1的输入端连接，气体加热装置1的输出端与工件调节系统3相连接，在气体加热装置1和工件调节系统3之间的管路中设有第一角阀座11和热气测温传感器10；冷却系统与压缩空气气源9相连接，冷却系统2与气体加热装置1采用并联方式连接工件调节系统3，在冷却系统2与工件调节系统3之间的管路中设有第二角阀座12、工件测温传感器13；工件调节系统3用于安装并且将气体输送至高压涡轮工作叶片304；热成像仪用以拍摄高压涡轮工作叶片。

可选地，工作气可包括氮气、压缩空气或者二氧化碳，或者其他任何适于加热的气体。

可选地，冷却气源为压缩空气；

可选地，温度传感器为标准铠装热电偶；

支撑机架为焊接组合件，是高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台的承载部件；

可选地，控制系统由手动操作装置与自动操作装置两部分组成。手动操作装置由开关、按钮、直流电源、继电器、电磁阀等组成，以开关、按钮为输入信号，控制相应电磁阀工作，实现对应角座阀开启关闭，实现系统运行。自动操作装置可按照手动操作方式预调时间进行设置，通过计时器预先设置时间，实现系统自动运行；并且通过压力、流量、温度等反馈监测，可实现该高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台全闭环控制，可保证系统工作安全可靠。

热成像仪用于采集工件的红外能量，并将红外能量转化为热像图，并将热像图发送给显示单元，热成像仪可以包括任何合适的红外摄像技术中已知的；热成像仪通常具有框架与一区域定义的有限数量的像素。优选的，热成像仪的相对位置区容纳整体冷却气膜孔，通过摄像头拍摄图像，图像需完全填充边框区域中的像素，以达到最高分辨率。

显示单元用于接收热像仪发送的热像图，将热像图进行分析，分析出工件冷却气膜孔情况，输出冷却气膜孔情况文件并显示输出结果。

可选地，浮子流量计14输入端与工作气源8采用软管连接，输出端与气体加热装置1输入端采用软管连接；气体加热装置1输出端与工件调节系统3采用硬管相连接，气体加热装置可实现将气体达到预设温度后输送到工件内。

具体地，工件调节装置301固定于标准平台平面上，用于实现工件不同角度调节；锁紧密封装置302与气体分配装置303采用螺栓连接，实现工件快速锁紧与密封；气体分配装置303与工件调节装置301采用轴承连接；气体分配装置上安装与叶片榫头部位对应的气体分配针3031，可实现减小气体阻力，增大气体流量；高压涡轮工作叶片304安装在气体分配装置303中。

通过调整工作气源8，实现气体压力调节；通过浮子流量计14，实现气体流量调节；设置气体加热器1加热温度，等待热气测温传感器10所测温度达到设置加热温度后，通过手动操作装置开启第一角阀座11，通过连接管路实现热气输送，从而实现热气进入高压涡轮工作叶片304。

在上述热气达到所设温度，通过手动操作装置开启第一角阀座11的过程的同时，开启热成像仪6，采集高压涡轮工作叶片304的红外能量，并将红外能量转化为热像图，并将热像图发送给显示单元7，实现工件热图信号的捕捉，通过查看显示单元的输出结果，通过查看热像图中冷却气膜孔灰度值变化，判断工件气膜孔通堵情况。

在上述热气加热与热成像捕捉过程完成后，需对高压涡轮工作叶片304进行快速冷却，通过压缩空气源9，调节冷气参数，通过手动操作装置，关闭第一角阀座11，开启第二角阀座12，实现冷气输送，通过工件测温传感器13测量冷气温度，待工件温度值达到室温左右，可进行高压涡轮工作叶片304拆卸，冷却时间不大于30秒。

本实施例公开的基于红外热成像技术的高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台，该标准平台采用气体加热器实现工作气加热，加热温度为100-200℃，采用红外热成像仪捕捉热图信号的方法进行高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测，其中热成像捕捉时间取决于组件被成像的特点，通常不大于10秒，并且采用压缩空气冷却方法进行高压涡轮工作叶片快速冷却，采用流量计、减压阀等进行热气流量及压力精确控制。因此具有低温、快速、升温速率快、参数控制精准等特点。同时本发明检测平台采用手动及自动双控制方式，可适应在实验或批产模式下长时间稳定工作，具有不可替代的优越性。采用本检测平台的检测方法，可实现低温、快速测量，短时间低温热气对高压涡轮工作叶片基体无高温历程，可保证对叶片基体无损伤；本发明有效提高了高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测准确性，同时大幅度提高了检测效率。

另外，本发明还提出了一种高压涡轮工作叶片冷却气膜孔的测试方法，利用上述的检测平台进行。其中，包括如下步骤：

步骤一：工件安装与姿态调节；

步骤二：开启热成像仪，进行视角与对焦调节，进行捕捉参数设置；

步骤三：开启压缩空气与工作气，调节压缩空气与工作气压力至设定值，调节工作气流量至设定值；

步骤四：开启气体加热器，设置气体加热温度，将工作气加热至预设温度；

步骤五：通过热气测温传感器测量热气温度，当氮气温度达到预设温度后，开启第一角阀座，对工件进行热气通入；

步骤六：与步骤四同时进行，开启热成像仪，捕捉热图信号；

步骤七：步骤六热图信号捕捉完成后，关闭气体加热器，关闭工作气，关闭第一角阀座，开启第二角阀座，对工件进行快速冷却；

步骤八：通过查看显示单元的输出结果，判断高压涡轮工作叶片气膜孔情况。

待完成步骤八后，可调整工件姿态至第二位置，重复步骤三至步骤八；

其中步骤一具体包括在高压涡轮工作叶片的榫头部位安装到气体分配装置定位面上；采用锁紧密封装置进行快速锁紧；根据所需姿态，分别调整定位装置实现位置定位；调整工件调节装置，实现工件姿态调节。

其中步骤二具体包括依据工件姿态与位置，调整热成像仪姿态，使工件以清晰、准确的视角显示在热成像仪配套软件界面上；捕捉参数为帧频速度不低于30帧/秒，用于检测所捕捉热图的时间长度(即信号采集时间)取决于组件被成像的特点。

其中步骤三压缩空气压力为0.6-0.8mpa，工作气压力为0.3-0.6mpa，工作气流量依据组件内部中空容积与冷却流道设计而定。

其中步骤四气体加热温度为100-200℃。

其中步骤五热气测温传感器为t型铠装热电偶，测量范围为0-300℃，直径为2mm。

其中步骤七冷却时间不大于30秒。

如图4所示，测试过程分为三个阶段，第一阶段为升温过程，在有限的时间内(根据叶片内部流道设计以及叶片壁厚而定)，叶片表面未均温前，冷却气膜孔温度将高于叶片表面温度，在此阶段取一个时间段(t2-t3)，此时间段通常不大于10秒，用红外热成像仪捕捉叶片表面温度差异，通过与标准叶片进行对比，可得到相应气膜孔的实际状态信息；可生成一组冷却气膜孔实际状态信息与所捕捉热图中灰度值之间的的对应关系。第二阶段为均温过程，由于叶片内部存在冷却流道以及叶片本身为薄壁件，热气持续通入一定时间，将使叶片表面达到均温，即叶片表面温度与冷却气膜孔之间的温度差异性消失。第三阶段为降温段，为提高检测效率，缩短检测时间，在检测完成后，将会对叶片实现冷气降温，降温过程可以在检测完成后任意时刻。

在另一方面，使用热气对叶片进行加热，将引起热量向叶片外表面的扩散，并最终引起叶片外表面温度的升高，由于叶片为内空薄壁件，并且由均匀材质构成，整个叶片扩散系数是恒定的；通过红外热像仪捕捉叶片表面温度变化情况，可得到一组热量经由叶片内表面扩散到叶片外表面的扩散时间或引起叶片表面温度的最大变化值关于时间的曲线，通过对曲线进行拟合，可确定叶片实际壁厚。

其中热气为脉冲式热气，在较短时间内通入一定量热气；

其中叶片表面温度变化情况为通过热成像仪识别叶片表面温度响应信号关于时间的函数；

其中捕捉参数为帧频速度不低于150帧/秒；

其中捕捉终止时间为温度响应信号达到最低温度的时刻；

利用该方法通过信号增强和处理，进一步也能获得叶片钎焊、肋壁的相关缺陷的信息。

如图5所示，提供了一种未涂覆热障涂层前叶片冷却流道以及冷却气膜孔剖视示意图，剖视示意图表征了叶片在未涂覆热障涂层前，经过喷丸、热处理等，冷却气膜孔的几种堵孔状态；当堵塞物对冷却气膜孔形成局部堵孔，将减小冷却气膜孔横截面积，所从此局部堵塞气膜孔流出的热气量将随着堵塞状态的严重程度的增加而降低，导致此气膜孔在热成像仪捕捉过程中温度相对于标准叶片降低，表征在热图中与标准叶片相比灰度值也降低；当堵塞物对冷却气膜孔形成完全堵孔得情况，所输热气将完全被堵塞物堵住，无热气可从此气膜孔流出，表征在热图中灰度值与叶片表面相同；通过与标准叶片的热图对比结果，可得到一组基于冷却气膜孔堵塞程度与所捕捉热图中灰度值的对应关系。

如图6所示，提供了一种涂覆完热障涂层叶片冷却流道以及冷却气膜孔剖视示意图，剖视示意图表征了叶片在涂覆完热障涂层后，冷却气膜孔的缩孔状态；随着缩孔程度的增加，从冷却气膜孔流经热气量降低，表征在热图中与标准叶片相比灰度值也降低，基于以上结果，可得到一组基于冷却气膜孔缩孔程度与所捕捉热图中灰度值的对应关系。

利用该高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台及测试方法进行试验，预先用胶泥将高压涡轮工作叶片其中几个气膜孔堵住，模拟气膜孔实际堵塞状态，用此试验件进行试验，对热成像输出结果进行分析，结果如图7所示，在一排气膜孔中，中间五个孔明显灰度值降低，与预先用胶泥堵孔位置完全吻合，因此高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台及测试方法可具有快速捕捉、分析结果、查看直观等特点，有效提高了高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测准确性，同时大幅度提高了检测效率。

采用本方法测量高压涡轮工作叶片气膜孔的优点在于：

(1)构建了一种温度、压力和流量参数可控的测量平台，具有瞬态脉冲热气流供应的特征；同时工件装卡方式具有快速、便捷特性，适应于批量检验；

(2)该方法具有低温工作特性，热气流温度为100～200℃，采用低温加热形式可以提高均温间隔时间，提高信号采集可用时间，可获得反差度最大的信号，用于气膜孔特性的准确分析；

(3)该方法具有快速检测的特征，在热气流脉冲提供10秒内，可以获得反差信号，同时即可快速利用压缩空气降温，降温时间小于30秒，随后即可开展下一工件的检测；

(4)通过确认固定热像仪分辨率、测试位置和装卡位置，以及热气流参量的固化，即可利用图像对比方法，确定气膜孔异常形态的差异水平，大幅度提高检测准确程度和效率；

(5)该技术对于高压涡轮工作叶片，通常材料为高温合金或其他高温结构材料，低温气流(100～200℃)对叶片合金基体无损伤，同时低温下快速冷却至常温也对叶片无损伤；

(6)上述方法为基础方法，同时具有良好的扩展性，如利用热图信号变化结合叶片材料、涂层材料热传导特性，可以评估叶片壁厚；上述平台及方法可以获得气膜孔位置热图信号和时间的变化关系，同时也获得叶片其余部位的相关关系，对于一定尺度裂纹、叶片缺陷等，利用升降温过程的信号也可进一步评估获得相关信息；进一步而言，本基础方法提供的结果，利用人工神经网络和机器学习功能，可进一步实现气膜孔信号的自动锁定、识别和跟踪，与标准正常样品对比，自动必选预警气膜孔的异常。

当然，本发明还可有其它多种实施形式，本高压涡轮工作叶片冷却气膜孔检测平台的实施方式不限于以上的实施步骤，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种不同的实施方式，但这些相应的变形都应属于本发明权利要求的保护范围。