阅读说明：本技术 用于涡轮机叶片边缘缺陷的超声导波检测装置和方法 (Ultrasonic guided wave detection device and method for edge defects of turbine blades ) 是由 陈会明 唐志峰 张梦茹 张鹏飞 杨斌 于 2020-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于涡轮机叶片边缘缺陷的超声导波检测装置和方法。两个超声导波换能器组合成一组,共有两组,每组导波换能器分别安装在涡轮机叶片的边缘,每个换能器分时检测,激励产生的导波可沿着涡轮叶片的边缘聚焦并沿着边缘传播,当遇到缺陷,通过两组超声导波换能器接受导波回波实现涡轮叶片缺陷的检测与定位。本发明的检测方法不仅消除了传统导波检测在对结构复杂的涡轮机叶片检测时的叶片本身的异形结构以及凸起导致信号混杂的现象,提高了叶片检测的信噪比和可靠性,而且可以通过两组换能器组合消除检测盲区。且使用本发明的磁致伸缩换能装置对涡轮叶片的边缘进行检测时,可实现在涡轮机不拆卸情况下的快速检测,适用性强且操作简单。(The invention discloses an ultrasonic guided wave detection device and method for edge defects of a turbine blade. The two ultrasonic guided wave transducers are combined into one group, the two groups are provided, each group of guided wave transducers are respectively arranged at the edge of the turbine blade, each transducer is used for time-sharing detection, guided waves generated by excitation can be focused along the edge of the turbine blade and are transmitted along the edge, and when defects are met, guided wave echoes are received by the two groups of ultrasonic guided wave transducers to realize detection and positioning of the defects of the turbine blade. The detection method of the invention not only eliminates the phenomenon that the abnormal structure of the blade and the bulge cause signal mixing when the traditional guided wave detection is used for detecting the turbine blade with a complex structure, but also improves the signal-to-noise ratio and the reliability of the blade detection, and can eliminate the detection blind area through the combination of two groups of transducers. When the magnetostrictive transducer is used for detecting the edge of the turbine blade, the rapid detection can be realized under the condition that the turbine is not disassembled, and the magnetostrictive transducer has strong applicability and simple operation.)

用于涡轮机叶片边缘缺陷的超声导波检测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种涡轮机叶片边缘缺陷无损检测方法，特别涉及一种基于超声导波的涡轮叶片边缘微小型缺陷的检测装置和方法，属于无损检测技术领域。

背景技术

涡轮机是一种在工业生产中常用的旋转机械，作为动力设备，发挥着举足轻重的作用。而叶片又是涡轮机的核心部件，主要起着能量交换的作用，所以在运转过程中叶片承受着复杂的冲击载荷，容易发生疲劳破坏和裂纹故障等问题，严重时，裂纹的扩展可能会导致叶片的断裂和脱落，进而损坏整个涡轮机的正常运行，导致严重的生产事故，甚至危及人身和财产安全同时涡轮机叶片由于其边缘受到离心力以及应力集中，因此大多数的疲劳裂纹或者损伤裂纹都是从叶片的边缘开始产生的，然后在涡轮机在后续旋转工作的过程中，原本的微小型裂纹极易向外扩张形成大裂纹继而导致断裂的发生。因此对涡轮机叶片进行检测时主要需要对其边缘进行检测，目前的无损检测方式主要有超声检测和漏磁检测，但是这些检测都是“点对点”的检测，无法对叶片进行快速且全面的检测。同时，涡轮机的叶片大多外有壳体获框架结构的保护，因此传统的涡轮机叶片边缘缺陷检测方法比如采用超声波探伤仪对螺旋焊管进行逐点检测时，需要进行外壳和框架的一系列辅助工序，并且由于涡轮机的安装结构还有可能会存在检测的盲区，导致效率低下且费用昂贵，难以满足目前大量涡轮机无需拆卸的无损检测需要。此外传统的涡轮机叶片检测方法不具备实现在线检测的潜力。

超声导波技术是一种长距离大范围的无损检测技术，具有检测距离远，检测效率高且可以实现周向扫查等优点，近年来在各类结构的无损检测领域得到了广泛的应用。

由于压电换能器可以激励出纯净的Lamb导波，所以在以往的平板结构导波检测研究中，Lamb得到了广泛的应用。但是根据导波的频散曲线得知，SH导波在低频范围内的波速一直保持恒定，因此无频散现象，使得回波信号的波包和振型更加完整，有利于缺陷的检出。仿真和实验发现，当Lamb和SH导波在叶片边缘被激励后，激励的导波信号将会聚焦在边缘向前传播，而遇到缺陷后产生的缺陷回波也会聚焦在边缘向换能器方向传播。由于此时大量的能量集中在边缘且被缺陷反射回来，因此对叶片的边缘检测将会得到很高的信噪比和灵敏度。对于无法手动安装换能器的涡轮机叶片，也可使用设计的夹具实现检测。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，针对现有的检测方法难以对涡轮机叶片的边缘微小型缺陷实现快速有效的检测，且检测的结果会受到叶片上的台阶和凸起等固有结构的影响，本发明提出了一种使用超声导波的边缘微小型缺陷的检测装置和方法。

本发明通过在涡轮叶片的侧边边缘激励出超声导波，超声导波的能量将集中在叶片的边缘，并沿着叶片的边缘向前传播，克服了涡轮叶片其他路径上的本身的结构变化对导波检测得到干扰，且由于能量的集中现象，大大提高了涡轮机叶片边缘微小型缺陷的检出率和信噪比。且使用该检测装置和方法，可以减少外壳框架的剥离，仅需要很小的安装空间即可实现检测，使叶片的检测更加的方便高效；同时，对于无法手动安装换能器的涡轮机叶片，也可以使用设计的夹具实现远程布置换能器和导波的激励和接收。

本发明是通过如下技术方案予以实现：

一、一种用于涡轮机叶片边缘缺陷的超声导波检测装置：

装置包括四个导波换能器，导波换能器分别布置在涡轮机叶片两侧的边缘，同一侧的两个导波换能器沿边缘方向均匀间隔设置，所述的四个导波换能器经各自的电缆和导波检测仪连接。

所述的导波检测仪包括功率放大器、脉冲信号发生模块、前置放大器和信号采集模块，导波换能器的输入端经功率放大器和脉冲信号发生模块连接，导波换能器的输出端经前置放大器和信号采集模块连接。

所述涡轮机叶片同一侧边缘的侧面布置的两个导波换能器，相邻之间的间距大于导波换能器所发出的导波信号波长的4倍。

所述涡轮机叶片是扇形结构的叶片，扇形的圆心角小于15度，且沿径向的横截面呈中间厚、两侧薄的结构。

所述的导波换能器采用磁致伸缩换能器，所述的磁致伸缩换能器的一端位于涡轮机叶片的边缘，且磁致伸缩换能器的线圈尺寸小于1/3的涡轮机叶片宽度。

所述的导波换能器不限于磁致伸缩换能器，也能是其他换能器发出SH导波及Lamb波进行检测。

所述导波换能器包括感应线圈和磁致伸缩带材的两部分组成，两部分使用胶粘接在一起，磁致伸缩带材在未与感应线圈连接的另一面再通过耦合剂接触于涡轮机叶片的边缘表面，将声波耦合到叶片的边缘实现涡轮机叶片的缺陷检测。

所述导波换能器通过换能装置安装到涡轮机叶片进行检测，换能装置包括移动端换能器夹具、固定端换能器夹具、拉紧装置、钢缆线和弹簧，移动端换能器夹具一端通过铆钉嵌装在固定端换能器夹具一端的滑槽中并沿滑槽移动，固定端换能器夹具和移动端换能器夹具的端面之间连接有弹簧，弹簧被压紧；固定端换能器夹具包括夹具部和直管部，夹具部和直管部之间固定连接，拉紧装置固定在固定端换能器夹具的直管部上端，拉紧装置包括拉紧手柄和拉紧手刹，拉紧手柄套装在固定端换能器夹具的直管部，拉紧手刹安装在拉紧手柄上并和钢缆线一端连接，钢缆线另一端连接在移动端换能器夹具中间的肋板上，按下拉紧手刹经拉紧手柄拉动钢缆线进行移动端换能器夹具沿滑槽移动，使得移动端换能器夹具靠近或者远离固定端换能器夹具的夹具部进行移动，调整控制移动端换能器夹具和固定端换能器夹具相互加紧，让整个换能器夹具固定加紧在涡轮机叶片上；通过移动端换能器夹具和固定端换能器夹具上固定的导波换能器对涡轮机叶片进行边缘缺陷的检测；

所述的移动端换能器夹具和固定端换能器夹具分别在夹住涡轮机叶片边缘的两侧均设有各自的两个换能器支架分支，每个换能器支架分支上均使用耦合剂粘贴有导波换能器。

所述的磁致伸缩换能器包括回折型线圈和预磁化后的磁致伸缩带材，4个回折型线圈的一面通过耦合剂分别固定在固定端换能器夹具和移动端换能器夹具的4个换能器固定分支的下底面，4个线圈的另一面通过耦合剂分别与4个磁致伸缩带材连接。4个磁致伸缩换能器各自的信号传输电缆均从固定端换能器夹具底端的圆孔引出，并穿过焊接的圆管引出与导波仪相连。

所述的换能器夹具在未夹紧前，现将固定端换能器夹具一侧的2个换能器固定支架安装的2个磁致伸缩换能器抵在叶片的一侧边缘上，然后将移动端换能器夹具压在叶片表面，压下拉紧装置的拉紧手刹，实现整个换能器夹具固定在叶片上，且换能器夹具上的4个换能器固定分支将各自耦合的磁致伸缩换能器压紧在叶片的边缘上。通过拉紧机构和固定端换能器夹具上的凹槽，该装置可以用于不同宽度和厚度的涡轮机叶片，实现对其边缘上的缺陷的检测。

由此，本发明通过上述结构实施和方法的实施能共同实现针对涡轮机叶片的非拆卸检测，并消除盲区提高检测准确性。

二、用于涡轮机叶片边缘缺陷的超声导波检测装置的检测方法，方法包括：

通过控制涡轮机叶片侧面边缘的多个导波换能器以轮询方式工作，受脉冲信号发生模块激励每个导波换能器向涡轮机叶片边缘并发出脉冲导波，脉冲导波的传播方向沿叶片边缘传播，脉冲导波在遇到涡轮机叶片边缘的缺陷时，沿着传播方向的反方向传播缺陷回波，同一导波换能器接收到缺陷回波后转换为电信号，电信号发送到导波检测仪中进行处理，导波检测仪在接收到不同的导波换能器的电信号后进行综合分析处理得到涡轮机叶片的完整情况和缺陷的位置信息，同一侧换能器接收到的信号进行对比消除检测盲区。

所述的导波检测仪在接收到不同的导波换能器的电信号后进行综合分析处理得到涡轮机叶片的完整情况和缺陷的位置信息，同一侧换能器接收到的信号进行对比消除检测盲区，具体为：根据两个导波换能器之间的距离，将两个导波换能器接收到两组信号的距离值进行补偿，使得两组信号中对应涡轮机叶片的信号端面处对齐，再将两组信号的进行叠加重构成一组信号，以此实现对导波换能器激励位置位置及其周围位置的盲区的消除。

建立厚度等于涡轮机叶片叶片平均厚度的带有曲率的平板模型，通过半解析有限元法对平板模型进行分析计算得到的脉冲导波在激励频率下的波速；通过有限元分析建立带有曲率的涡轮机叶片的叶片模型，通过变化激励区域沿垂直传播方向的长度的尺寸大小确定最佳的激励长度，将激励长度控制导波换能器激发出沿叶片边缘传播的脉冲导波，将脉冲导波的弹性应变耦合到涡轮机叶片上，脉冲导波在沿叶片边缘传播时，遇到缺陷后发生反射，其回波由激励换能器位置接收；根据缺陷回波的电信号中的缺陷波包确定叶片边缘缺陷的位置，采用以下公式计算得到缺陷所在的位置与导波换能器之间的距离L；

当使用SH波时，

当使用Lamb波时，

其中，t为缺陷回波在时间轴上的位置，c_g为脉冲导波的群速度，L_d为叶片上非导波换能器安装端的端面距导波换能器的距离，t_d为非导波安装端的端面回波在时间轴上的位置。

对于涡轮叶片边缘上的微小型缺陷指的是对于涡轮机叶片的正常运行还未造成实质影响的极小缺陷，一般横截面损失比小于：0.1％。

当脉冲导波在叶片边缘传播时，由于脉冲导波的能量均集中在边缘以及能量守恒定理，聚焦后的脉冲导波遇到缺陷产生的缺陷回波的幅值和能量会比普通的导波检测方法更大，放大后的回波信号传给接收换能器，导波检测仪通过对接收到的回波信号进行分析处理，实现微小型缺陷的检测和定位。

本发明在采用SH导波和Lamb导波实验时，均发现了沿着边缘的能量聚焦现象，进而设计了技术方案用于涡轮机叶片边缘的微小型缺陷的检测，将导波的能量尽量集中在感兴趣的叶片边缘，进而提高对涡轮机叶片的边缘缺陷的检测效率，实现单点的长距离检测，提高检测的灵敏度。

本发明消除了传统导波检测在对结构复杂的涡轮机叶片检测时的叶片本身的异形结构以及凸起导致信号混杂的现象，提高了叶片检测的信噪比和可靠性，且使用磁致伸缩换能器和电磁超声换能器对涡轮叶片的边缘进行检测时，可实现在涡轮机不拆卸情况下的快速检测，适用性强且操作简单。

综上所述，本发明用于涡轮叶片的导波检测方法及装置，能实现对叶片边缘微小缺陷的检测，不仅可以使用磁致伸缩换能器激励的SH导波，也可以使用压电超声导波换能器及电磁超声换能器激励的Lamb导波对叶片的边缘缺陷进行检测，对于无法用手接触到的叶片，本发明换能器夹具装置可以实现对无法手动安装换能器位置的叶片边缘的缺陷监测。

本发明的有益效果是：

本发明实例涡轮机叶片的边缘微小型缺陷是指受到冲击振动导致的裂缝或者由于机械疲劳导致的裂缝，该缺陷主要出现在叶片的边缘，为细长型缺陷，由于其横截面损失比较小，所以经常出现回波信号能量较小导致漏检现象。本发明专利中提到的沿叶片边缘传播的超声导波，由于其能量集中的物理效果，可以在无需拆卸的情况下对所有的叶片进行边缘微小型缺陷的检测，且回波信噪比较高，操作简单快速。

本发明技术方法中的超声导波，在涡轮机叶片的表面激励出合适频率的超声导波后，向前传播的超声导波由于能量的聚集现象，大部分的能量会完全集中到叶片的边缘，当集中后的能量遇到边缘的微小型裂纹缺陷后，有一部分的导波能量就会发生反射，由于传播过来的导波本身能量就比较大，因此反射后的导波回波信号能量也会比未经能量聚集后的能量要大。因此，通过本发明技术方法检测叶片的边缘缺陷效果明显，且检出率高。

同时考虑到涡轮叶片表面不一定是完全光滑的，由于不同的工作类型和工作场合，其表面会加工制有很多的凸起结构或者阶梯状结构，所以如果使用传统的整端激励的导波检测方法，接收到的回波中就会存在很多结构本身导致的回波信号，而微小型裂纹缺陷导致的回波本身幅值就较低，因此就更容易导致缺陷的回波信号被淹没在其他结构产生的回波信号中，使得缺陷无法检出。同时，为消除换能器检测时存在的盲区，使用在叶片的一侧按照移动的检测同时布置两个换能器的方法，分次激励和接收导波信号，通过将接收到的两个导波信号对比分析，即可实现对换能器周围的盲区的检测。

综合来说，本发明用于涡轮机叶片边缘微小缺陷检测的检测装置和方法，可以实现在无需拆卸涡轮机及其叶片的情况下对涡轮机叶片的边缘微小缺陷的定位和检测，该装置通过外部的一个磁致伸缩换能器、压电换能器、EMAT电磁超声换能器，安装布置在叶片的一端的边缘处，通过分离式的换能器装置和重复使用的耦合剂，可以适用于不同结构和材料的叶片，且检测距离远，可大大提高装置的适用性和实用性。同时对于不拆卸情况下无法手动安装的情况，本方法使用了一个换能器夹具实现远距离的磁致伸缩换能器的布置和该位置处叶片边缘的缺陷检测。

附图说明

图1为本发明方法技术的用于涡轮机叶片边缘缺陷的导波检测原理示意图；

图2为本发明实施例的导波沿叶片边缘传播的仿真示意图；

图3为本发明实施例的使用磁致伸缩换能器的微小型缺陷检测的结果回波图；

图4(a)为本发明实施例的使用电磁超声换能器对边缘裂纹缺陷检测的结果回波图；

图4(b)为本发明实施例的使用电磁超声换能器对叶片非端面位置的异形凸起的检测的结果回波图；

图5为本发明实施例的用于涡轮叶片边缘缺陷检测的磁致伸缩换能器夹具工作的原理图；

图6为本发明实施例的用于涡轮叶片边缘缺陷检测的磁致伸缩换能器夹具设计图；

图7为本发明试力的用于涡轮叶片边缘缺陷检测的磁致伸缩换能器夹具的下端的局部放大图。

图中：涡轮机叶片1、导波换能器2；固定端换能器夹具(3)、移动端换能器夹具(4)、拉紧装置(5)、钢缆线(6)、弹簧(7)。

具体实施方式

下面结合实施例以及附图对本发明作进一步详细的描述，显然，这是本发明的一个实施例，但不限于此。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，装置包括四个导波换能器2，导波换能器2分别布置在涡轮机叶片1两侧的边缘，同一侧的两个导波换能器2沿边缘方向均匀间隔设置，同一侧的两个导波换能器2形成合成一组，共计两组，四个导波换能器2经各自的电缆和导波检测仪连接。

导波检测仪包括功率放大器、脉冲信号发生模块、前置放大器和信号采集模块，导波换能器2的输入端经功率放大器和脉冲信号发生模块连接，导波换能器2的输出端经前置放大器和信号采集模块连接。

导波换能器2是磁致伸缩式换能器、压电换能器或电磁超声换能器。磁致伸缩换能器及压电换能器需要在涡轮叶片表面涂抹耦合剂进行检测，电磁超声换能器，无需耦合剂即可吸附在叶片进行检测。当使用磁致伸缩换能器进行检测时，通过设计的换能器夹具实现对无法手动安装换能器的涡轮机叶片的检测。

具体实施的涡轮机叶片1同一侧边缘的侧面布置的两个导波换能器2，相邻之间的间距大于导波换能器2所发出的导波信号波长的4倍。涡轮机叶片1是扇形结构的叶片，扇形的圆心角小于15度，且沿径向的横截面呈中间厚、两侧薄的结构。

导波换能器2采用磁致伸缩换能器，磁致伸缩换能器的一端位于涡轮机叶片1的边缘，且磁致伸缩换能器的线圈尺寸小于1/3的涡轮机叶片1宽度。

导波换能器2发出SH导波及Lamb波进行检测。磁致伸缩换能器激励SH导波，压电换能器和电磁超声换能器激励Lamb波，两种模态的导波均对叶片边缘缺陷进行检测。

脉冲信号发生模块产生周期脉冲信号，经功率放大模块放大后加载到磁致伸缩换能器导线中产生大小和方向周期性变化的电流，产生动态磁场，与通过叶片边缘表面安装的带材产生的静态磁场一起，形成SH导波并耦合到涡轮机叶片上；遇到缺陷的导波回波由磁致伸缩换能器感应接收，经前置放大模块调理放大后，再通过信号采集模块转换成数字信号进行分析处理。

同时使用电磁超声换能器EMAT也可实现对涡轮机叶片边缘的微小缺陷的检测，EMAT换能器利用自身的磁吸附效果可以在无需耦合剂的情况下，在叶片上激励出周期振动的A0信号非轴对称的Lamb信号，同时通过EMAT检测小车还可以实现对叶片边缘的扫查。

导波换能器2包括感应线圈和磁致伸缩带材的两部分组成，两部分使用胶粘接在一起，磁致伸缩带材在未与感应线圈连接的另一面再通过耦合剂接触于涡轮机叶片1的边缘表面，将声波耦合到叶片的边缘实现涡轮机叶片1的缺陷检测。

本发明的检测原理过程是：

通过控制涡轮机叶片1同一侧侧面边缘的多个导波换能器2以轮询方式工作，受脉冲信号发生模块激励每个导波换能器2向涡轮机叶片1边缘并发出脉冲导波，脉冲导波的传播方向也沿叶片边缘传播，脉冲导波在遇到涡轮机叶片1边缘的缺陷(裂纹、磕碰伤等)时，沿着传播方向的反方向传播缺陷回波，同一导波换能器2接收到缺陷回波后转换为电信号，而将导波的振动信号转换为电信号，电信号发送到导波检测仪中进行滤波放大，信号采集和信号归一化等处理，导波检测仪在接收到不同的导波换能器2的电信号后进行综合分析处理得到涡轮机叶片1的完整情况和缺陷的位置信息，同一侧换能器接收到的信号进行对比消除检测盲区。具体实施根据频散曲线分析处理获得缺陷位置的定位。

本发明这样导波换能器2布置在叶片1边缘位置，布置方式激励出的导波的传播方向大致与叶片边缘线平行，激励出的导波信号的范围在50kHz～200kHz内。

导波检测仪在接收到不同的导波换能器2的电信号后进行综合分析处理得到涡轮机叶片1的完整情况和缺陷的位置信息，同一侧换能器接收到的信号进行对比消除检测盲区，具体为：

根据两个导波换能器之间的距离，将两个导波换能器接收到两组信号的距离值进行补偿，使得两组信号中对应涡轮机叶片的信号端面处对齐，再将两组信号的进行叠加重构成一组信号，以此实现对导波换能器激励位置位置及其周围位置的盲区的消除。

涡轮机叶片1属于螺旋形的变截面波导，在计算叶片频散曲线时，建立厚度等于涡轮机叶片1叶片平均厚度的带有曲率的平板模型，材料力学参数和叶片一致，通过半解析有限元法对平板模型进行分析计算得到SH或者Lamb的脉冲导波在激励频率下的波速；

通过有限元分析建立带有曲率的涡轮机叶片1的叶片模型，通过变化激励区域沿垂直传播方向的长度的尺寸大小确定最佳的激励长度，将激励长度控制导波换能器2激发出沿叶片边缘传播的脉冲导波，将脉冲导波的弹性应变耦合到涡轮机叶片上，脉冲导波在沿叶片边缘传播时，遇到缺陷后发生反射，其回波由激励换能器位置接收；

根据缺陷回波的电信号中的缺陷波包确定叶片边缘缺陷的位置，采用以下公式计算得到缺陷所在的位置与导波换能器2之间的距离L；

当使用SH波时，

当使用Lamb波时，

其中，t为缺陷回波在时间轴上的位置，c_g为脉冲导波的群速度，L_d为叶片上非导波换能器安装端的端面距导波换能器2的距离，t_d为非导波安装端的端面回波在时间轴上的位置。

当在涡轮机叶片的侧面边缘布置换能器激励出导波时，由于叶片边缘能量聚集的物理因素，激励出的导波在向前传播的过程中，会逐渐向叶片的边缘聚集，聚集后的导波继续沿着叶片的边缘传播，当遇到边缘存在的微小型缺陷时，汇聚后的导波在该处产生缺陷回波，缺陷回波仍然会聚集在边缘并沿原路返回，被边缘的换能器接收，由于激励出来的导波能量大部分都聚焦在了边缘处，所以边缘导波传播距离远且遇到缺陷产生的回波信号的能量值也远大于常规的导波检测检测的回波信号；同时，由于导波信号集中汇聚在边缘位置，其余部分的叶片固有的结构将不会对缺陷的检测产生影响，如图1所示，由于涡轮机不同的工作需求，在叶片的表面会铸有一些异形凸起和阶梯结构，由于此时大部分的导波是沿着叶片的边缘径向向前传播的，因此这些异形的凸起和阶梯机构并不会导致很明显的回波信号。综上所述，使用该方法对叶片边缘的微小型缺陷检测，将会获得的信噪比较高的回波缺陷，且微小型缺陷的回波信号幅值和能量较大，在信号分析中较明显。

如图1所示，本发明具体实施包括2个换能器装置和1个导波检测仪，换能器装置可以使用磁致伸缩装置产生SH导波，也可以使用压电换能器、电磁超声装置(EMAT)产生Lamb导波对涡轮机叶片的边缘微小型缺陷进行检测。其中磁致伸缩换能器及压电换能器使用耦合剂安装布置在涡轮叶片表面，通过电缆和导波检测仪相连，而电磁超声换能器通过自身的磁性吸附在涡轮叶片上无需耦合剂，另一端通过电缆和导波检测仪相连。换能器的安装只需一定的安装空间即可实现，因此可以实现涡轮机叶片在无拆卸的情况的下的微小缺陷诊断和定位。

具体实施当涡轮的安装位置无法实现手动安装换能器时，可以使用磁致伸缩换能器夹具对涡轮叶片上的微小缺陷进行检测，下面结合实施例以及附图对本发明中的磁致伸缩换能器夹具进一步详细的描述。

如图5-图7所示，导波换能器2通过换能装置安装到涡轮机叶片1进行检测，换能装置包括移动端换能器夹具4、固定端换能器夹具3、拉紧装置5、钢缆线6和弹簧7，移动端换能器夹具4一端通过铆钉嵌装在固定端换能器夹具3一端的滑槽中并沿滑槽移动，滑槽平行于叶片的径向方向，固定端换能器夹具3和移动端换能器夹具4的端面之间连接有弹簧7，弹簧7被压紧；固定端换能器夹具3包括夹具部和直管部，夹具部和直管部之间固定连接，拉紧装置5固定在固定端换能器夹具3的直管部上端，拉紧装置5通过拉紧手柄51下端的圆孔套在固定端换能器3的圆管结构32上实现固定，用于整个拉紧装置5的固定，拉紧装置5包括拉紧手柄51和拉紧手刹52，拉紧手柄51套装在固定端换能器夹具3的直管部，拉紧手刹52安装在拉紧手柄51上并和钢缆线6一端连接，拉紧手刹52和拉紧固定块51通过可转动的转轴连接在一起，实现整个拉紧装置5在固定端换能器夹具3上的固定以及手刹的拉紧动作。钢缆线6另一端沿固定端换能器夹具3的直管部延伸后连接在移动端换能器夹具4中间的肋板43上，按下拉紧手刹52经拉紧手柄51拉动钢缆线6进行移动端换能器夹具4沿滑槽移动，使得移动端换能器夹具4靠近或者远离固定端换能器夹具3的夹具部进行移动，调整控制移动端换能器夹具4和固定端换能器夹具3相互加紧，让整个换能器夹具固定加紧在涡轮机叶片1上；通过移动端换能器夹具4和固定端换能器夹具3上固定的导波换能器2对涡轮机叶片1进行边缘缺陷的检测。

移动端换能器夹具4和固定端换能器夹具3分别在夹住涡轮机叶片1边缘的两侧均设有各自的两个换能器支架分支31、41，每个换能器支架分支31、41上均使用耦合剂粘贴有导波换能器2，导波换能器2由感应线圈和磁致伸缩带材依次使用耦合剂粘贴在换能器支架分支上。涡轮机叶片1同一侧同一换能器夹具上的两个换能器支架分支31、41通过中间梁按照间隔固定连接。

移动端换能器夹具4和固定端换能器夹具3之间通过移动端换能器夹具4上的铆钉结构在固定端换能器夹具3上的凹槽结构中滑移实现夹具在叶片1两侧的夹紧和放松。拉紧手刹52下压带动钢缆线6向拉紧装置5方向移动，带动整个移动端换能器夹具4向固定端换能器3移动，固定端换能器夹具3的凹槽和移动端换能器夹具4的铆钉机构实现对移动端换能器夹具4移动的引导作用。

拉紧装置5通过钢缆绳6拉动移动端换能器夹具4向固定端换能器夹具3移动实现拉紧，夹紧后的换能器夹具将耦合在换能器固定分支31和41上的磁致伸缩换能器21压紧在叶片的边缘，进行SH导波的激励和接收。检测完毕后，松动拉紧手刹52，弹簧7回弹实现移动端换能器夹具4的回到初始放松位置。

如图6所示，移动端换能器夹具4安装有4个铆钉机构42，4个铆钉机构42两两一组，穿过固定端换能器夹具3的2个凹槽位置33，固定在移动端换能器的底面，铆钉42的凸台压在固定端换能器夹具3表面，实现移动端换能器夹具4与固定端换能器夹具3的可动连接。

安装在4个换能器夹具分支31、41上的导波换能器2的信号传输电缆21均从固定端换能器夹具3的圆管焊接部分的圆口位置引出，引出的电缆线21从圆管的中间穿过连接到导波仪3上。

如图6所示，磁致伸缩换能器21包括回折型线圈和预磁化的磁致伸缩带材，回折型线圈一面通过耦合剂安装在固定端换能器夹具3和移动端换能器夹具4的换能器固定分支31和41上，磁致伸缩带材通过耦合剂安装在回折型线圈的另一面。4个磁致伸缩换能器21各自的信号传输电缆22共同穿过固定端换能器夹具3底部的开口，在圆管结构32的引导下，从整个磁致伸缩换能器夹具中引出与导波仪3相连实现SH导波的激励和接收。4个磁致伸缩换能器2相互独立，采用轮询的方式进行导波信号的激励和接收。

当使用某一磁致伸缩换能器21进行工作时，将导波信号通道22切换即可。但是每次检测过程中，收发必须使用同一个换能器21。

如图1所示，磁致伸缩换能器、压电换能器及电磁超声换能器通过不同的耦合方式安装在涡轮叶片1的边缘表面上，换能器2的布置应尽量靠近叶片1的边缘，对于换能器的长度没有特别的要求，但是要求长度不能超过叶片宽度的1/3，换能器2通过信号传输电缆与导波检测仪连接，导波检测仪包括脉冲信号发生模块、功率放大模块、前置放大模块，脉冲信号发生模块通过功率放大模块与换能器连接，换能器经前置放大模块与信号采集模块连接；脉冲信号发生模块产生检测脉冲信号，经功率放大模块放大后加载到换能器2，形成SH导波或者Lamb并耦合到叶片1上；在叶片1边缘传播的导波信号的回波由换能器2感应接收，经前置放大模块调理放大后，在通过信号采集模块转换成数字信号进行分析处理。

只要涡轮机叶片1的外壳上有可安装换能器的小空间，即可对该涡轮机的所有叶片进行缺陷检测，通过转动涡轮机，使每个叶片均可实现换能器的安装，安装上的换能器即可试下对该叶片的缺陷检测。

具体实施中采用SH导波及Lamb波进行检测，换能原理包括但不限于压电式、磁致伸缩式及电磁超声。激励SH波可采用磁致伸缩原理的导波换能器，并通过膏状耦合剂将导波耦合到涡轮叶片上。激励Lamb波可采用压电式或电磁式的导波换能器，压电式导波换能器可通过液体耦合剂将导波耦合到涡轮叶片上。

本发明将导波换能器2布置在涡轮机叶片1边缘，由于冲击和疲劳导致微小型裂纹，该裂纹缺陷横截面损失比较小，在端面激励的导波由于边缘的聚焦效果，将沿着叶片的边缘向前传播，遇到缺陷后，聚焦后的能量将和缺陷发生相互作用，从而产生高信噪比的回波，该回波同样聚集在边缘沿着叶片边缘传播并被换能器接收。

本发明的技术方案下，导波换能器2在边缘激励出的导波在叶片上传播时，导波的能量会逐渐聚焦到叶片的边缘处，聚焦后的导波会沿着叶片的边缘向前传播，遇到缺陷位置时反射出缺陷回波，缺陷回波也会沿着叶片的边缘被换能器接收，所以对于边缘缺陷，导波信号也会产生较大的回波信号，获得信噪比比较高的回波信号，可以实现对涡轮机叶片边缘上的微小型的裂纹或者腐蚀缺陷的检测。

由于换能器激励出的导波在传播的过程中会立刻聚焦到边缘处并沿着边缘向前传播，因此叶片上一些固有的凸起和阶梯结构对于边缘上传播的导波几乎没有影响，换能器接收到的回波只能是缺陷导致的回波，使得接收到的缺陷回波具有较高的信噪比，且定位较准。

具体实施中，对于一些无法手动安装换能器的涡轮机叶片，使用本发明专利中提到的换能器夹具对该叶片进行缺陷检测，首先将回折型线圈的一面使用耦合剂安装在该换能器夹具上，然后将回折型线圈的另外一面使用耦合剂和磁致伸缩带材耦合在一起，将预磁化后的磁致伸缩带材表面涂抹换能器，然后利用该夹具将整个磁致伸缩换能器压紧在涡轮机叶片表面实现SH导波的激励和接收。同时该夹具还可实现对涡轮机叶片背面边缘的缺陷检测。

本发明的具体实施工作过程和情况如下：

图1所示，导波换能器2耦合安装在涡轮机叶片1的外壁边缘，换能器装置2的另一端通过信号传输电缆与导波检测仪3连接，导波检测仪3通过激励换能器装置2在叶片1表面激励出导波，沿边缘传播中的导波遇到微小型缺陷后，产生缺陷回波并沿着原路径返回，被换能器2接收，接收到的信号在通过电缆传递给导波检测仪进行信号的分析。以此实现叶片1上缺陷的诊断和定位。

图3所示，激励出的导波大部分会沿着叶片1的边缘向前传播，但是由于仿真使用的是线性的激励，因此会有垂直方向的波产生，类似于点声源。因此可以通过使用梳妆阵列换能器消除此现象。

图3所示，为使用导波检测仪和磁致伸缩换能器2对涡轮机叶片1上的缺陷进行检测的实验结果，从得到的信号可以看出，虽然叶片边缘的缺陷的横截面损失比较小，使用常规的导波检测方法比较难以实现该缺陷的检测，但从得到的信号结果可看出，回波信号中可以清楚的判断出缺陷和端面的位置，且信噪比较高，且不受表面上凸起结构的影响。

图4所示，为使用导波检测仪和电磁超声换能器2对涡轮机叶片1上的缺陷进行监测的实验结果，得到的回波结果不受叶片1表面上的凸起结构的影响，同时研究了当换能器2位置不布置在叶片边缘而是布置耦合在异形凸起的路径上，可以发现此时的回波中出现了一次那个凸起构件的回波。

图5所示，为对无法手动安装换能器的叶片1设计的换能器夹具装置。当使用该换能器夹具时可将换能器夹紧布置在叶片边缘位置时。首先将回折型线圈和预磁化后的磁致伸缩带材依次使用耦合剂耦合在换能器固定分支31和41上，完成磁致伸缩换能器21安装到换能器夹具上后，即可使用该夹具对难以安装换能器的叶片进行检测。

首先将固定端换能器夹具3的换能器固定分支31和2个磁致伸缩换能器21贴在叶片1的一侧，然后在不压下拉紧手刹52的情况下，将移动端换能器夹具4也靠在叶片1的另一侧边缘上。

当两侧的磁致伸缩换能器21都贴在叶片1的边缘表面上时，下压拉紧手刹52，此时拉紧手刹52带动钢缆绳6向拉紧手刹52的方向移动，钢缆绳6的另一端与移动端换能器夹具4的肋板43相连，移动的钢缆绳6就拉动着移动端换能器夹具4向固定端换能器夹具3移动，由于移动端换能器夹具4下端面的铆钉机构42在固定端换能器夹具3的凹槽机构33中活动，实现对移动端换能器夹具4的滑动的引导和限制。

拉紧后，整个换能器夹具就将4个磁致伸缩换能器21压紧在叶片1边缘的表面上。此时，导波仪依次连接4个换能器的电缆22，实现任意一磁致伸缩换能器21激励和接收SH导波信号，将得到的回波信号保存下来，对同一侧的换能器接收到的回波信号进行距离补偿消除换能器周围的检测盲区后，将两组回波信号结合起来完成缺陷的检测和对缺陷进行定位。

当检测结束后，松开拉紧手刹，弹簧机构本身的回弹力将移动端换能器夹具向远离固定端换能器夹具的方向移动，以此实现移动端换能器的复位和整个换能器夹具的放松。

由此可见，本发明的检测方法能消除了传统导波检测在对结构复杂的涡轮机叶片检测时的叶片本身的异形结构以及凸起导致信号混杂的现象，提高了叶片检测的信噪比和可靠性，而且可以通过两组换能器组合消除检测盲区。且使用本发明的磁致伸缩换能装置对涡轮叶片的边缘进行检测时，可实现在涡轮机不拆卸情况下的快速检测，适用性强且操作简单。