大涵道比渦扇民用發(fā)動(dòng)機(jī)高能X射線檢測(cè)系統(tǒng)
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為了滿足巨大的民用飛機(jī)市場(chǎng)需求，我國(guó)已開(kāi)始研制大涵道比渦扇民用發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)特點(diǎn)有高性能、高可靠性、高可預(yù)測(cè)性、低污染、低噪聲以及低成本。與軍用飛機(jī)相比，民用飛機(jī)強(qiáng)調(diào)的是經(jīng)濟(jì)性，在保證起飛推力和發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性前提下，要具有盡量低的巡航耗油率。為了降低耗油率，就必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片徑向間隙進(jìn)行控制，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道：葉尖間隙每增加葉片長(zhǎng)度的1%，耗油率約增加2%[1]。
高能 X 射線檢測(cè)技術(shù)可以完成發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的葉尖間隙的實(shí)時(shí)測(cè)量，其適用于金屬葉片和非金屬葉片。
1 X 射線簡(jiǎn)介
X 射線是指在電場(chǎng)中高速電子束轟擊陽(yáng)極靶產(chǎn)生的波長(zhǎng)范圍在0.1~0.6pm的電磁波，是一種不可見(jiàn)光，電場(chǎng)越強(qiáng)、電子的速度越高、其動(dòng)能也越大，轟擊出來(lái)的X 射線能量越高。
通常，以千電子伏特（KeV）和兆電子伏特（MeV）來(lái)表示X 射線的能量。X 射線穿透物體的能力較強(qiáng)，當(dāng)其穿過(guò)被照物體時(shí)，X 射線的能量會(huì)由于物體的吸收和散射而衰減，衰減的程度取決于被照物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和厚度，于是，透過(guò)的X 射線的強(qiáng)弱就包含著物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。X 射線具有光化學(xué)作用，能使感光底片曝光，X 射線還具有熒光作用，使某些物質(zhì)發(fā)出可見(jiàn)熒光，這些性能使得X射線能夠用于非接觸檢測(cè)。
X 射線的衰減通常用半衰減層厚度（也稱(chēng)半價(jià)層）來(lái)表示，半衰減層指射線透過(guò)物體時(shí)其強(qiáng)度減少到一半時(shí)已穿透的該物體的厚度。X 射線在鉛、鋼及混凝土的半衰減層厚度如表1 所示。
表1 X射線在鉛、鋼和混凝土中的半衰減層厚度 
2 高能X 射線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用
航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高速、高溫、高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，由于各零部件承受的溫度和載荷狀態(tài)不同，各零部件的變形存在著較大差異，并隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的改變而變化。壓氣機(jī)及渦輪
轉(zhuǎn)子與機(jī)匣之間的徑向間隙對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度、效率、耗油率、壽命及工作可靠性等都有很大的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，各部件的軸向位移、軸承篦齒密封間隙的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性也有很大影響。然而，我們目前還不能在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況下通過(guò)計(jì)算精確地獲得這些至關(guān)重要的參數(shù)和信息，盡管有時(shí)可以在發(fā)動(dòng)機(jī)壁面開(kāi)孔安裝相應(yīng)的測(cè)量探頭來(lái)了解發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部情況，但是這不僅費(fèi)時(shí)，費(fèi)力，還干擾了發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)，同時(shí)還有很大的局限性，許多部位不允許或者根本無(wú)法安裝測(cè)量探頭。
采用高能X射線檢測(cè)系統(tǒng)能很方便地觀察和測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)任意部位、任何運(yùn)行狀態(tài)下的內(nèi)部工件的微變情況，甚至可測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的顫振，為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)調(diào)試和改進(jìn)提供重要數(shù)據(jù)，同時(shí)還可及早發(fā)現(xiàn)由機(jī)械力和熱應(yīng)力引起的零部件變形、松動(dòng)及葉片裂紋等可能引起嚴(yán)重后果的事故隱患。另外，在新機(jī)調(diào)試中，為了分析一段試車(chē)之后的內(nèi)部工件情況，發(fā)動(dòng)機(jī)通常要下臺(tái)分解檢查。這樣不僅延誤研制周期，而且很難發(fā)現(xiàn)那些只有在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)才會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，采用高能X 射線檢測(cè)系統(tǒng)可大大減少發(fā)動(dòng)機(jī)下臺(tái)分解的次數(shù)，提高工作效率。
3 高能X 射線檢測(cè)系統(tǒng)
本系統(tǒng)主要由以下五大分系統(tǒng)構(gòu)成：高能X 射線源分系統(tǒng)、數(shù)字成像分系統(tǒng)、檢測(cè)與控制分系統(tǒng)、支撐與調(diào)整裝置分系統(tǒng)、信息處理分系統(tǒng)。
3.1 高能X射線源分系統(tǒng)
高能 X 射線源是整個(gè)系統(tǒng)的重要部件，通常它是一個(gè)駐波直線加速式X 射線發(fā)生器：由脈沖磁控管產(chǎn)生的射頻（RF）脈沖，經(jīng)波導(dǎo)管、射頻窗口傳到直線加速段，位于加速段一端的電子槍發(fā)出與射頻脈沖同步的電子束，此電子束如“沖浪運(yùn)動(dòng)員”似的騎在射頻脈沖之上一起進(jìn)入直線加速段，直線加速段的外面有磁場(chǎng)線圈用于電子束的聚焦。電子束在直線加速段被聚焦和加速到接近光速，然后沖擊直線加速段另一端的鎢靶，產(chǎn)生MeV 能級(jí)的高能X射線，在直線加速器的出口裝有射束準(zhǔn)直器，使射線以一定的錐度向前方射出來(lái)。
3.2 數(shù)字成像分系統(tǒng)
采用閃爍屏結(jié)合制冷CCD 相機(jī)的方式作為數(shù)字成像分系統(tǒng)，其具有轉(zhuǎn)換效率高、分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大、像素尺寸小等特點(diǎn)。該系統(tǒng)的主要作用是將穿過(guò)被檢測(cè)工件的X射線轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)圖像在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示、分析。其內(nèi)部成像器件主要有高分辨率高靈敏度CCD相機(jī)、大口徑光學(xué)鏡頭、閃爍屏、鍍膜反射鏡等部件，這些部件共同封裝在防護(hù)罩內(nèi)。射線穿過(guò)被檢工件后，被閃爍屏吸收并轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光，可見(jiàn)光通過(guò)反射鏡反射后，由相機(jī)攝取，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終形成數(shù)字圖像，通過(guò)采集卡將數(shù)字圖像傳到計(jì)算機(jī)，從而得到被檢測(cè)工件的數(shù)字化圖像。
3.3檢測(cè)與控制分系統(tǒng)
檢測(cè)與控制分系統(tǒng)的主要作用是控制加速器及圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)控制、位置顯示。系統(tǒng)控制邏輯圖如圖1 所示。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)或控制室的按鈕對(duì)射線源及采集裝置的運(yùn)動(dòng)位置控制；探測(cè)工作過(guò)程中環(huán)境的變化，通過(guò)快速電子信號(hào)處理系統(tǒng)采集并對(duì)檢查過(guò)程進(jìn)行控制與校正。負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)攝像監(jiān)視、廣播對(duì)講及警示設(shè)備的狀態(tài)，保證工作狀態(tài)正常。
3.4支撐與調(diào)整裝置分系統(tǒng)
由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要檢測(cè)的部位很多，而成像系統(tǒng)的成像面積有限，因此采用位移機(jī)構(gòu)，使直線加速器與成像系統(tǒng)沿發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向方向相對(duì)平移，同時(shí)該分系統(tǒng)能夠滿足射線源和圖像采集裝置進(jìn)行相應(yīng)的升降以及小轉(zhuǎn)角等運(yùn)動(dòng)。此外，還具有減振、降噪、定位、保護(hù)機(jī)構(gòu)。
評(píng)論