相控陣超聲檢測(cè)用噴水耦合噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭 猛，班 偉，劉露露，袁豪楊，陳嘉琪，姚 東

(1.寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021；2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司銀川輸氣分公司，銀川 750021)

在我國(guó)提出“碳中和、碳達(dá)峰”的目標(biāo)下，新能源需求不斷增加，風(fēng)力發(fā)電作為一種重要的清潔能源轉(zhuǎn)換方法得到了迅速發(fā)展[1]。風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量的提高對(duì)風(fēng)機(jī)的壽命、可靠性等服役性能要求更為嚴(yán)苛，葉片作為風(fēng)機(jī)中承受強(qiáng)風(fēng)載荷的主要部件，其制造過(guò)程中的檢測(cè)要求也不斷提高。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法如光照觀察法、敲擊法等，檢測(cè)精度低，不易檢測(cè)出葉片玻璃纖維外殼內(nèi)部的缺陷，如孔洞、夾渣、分層、樹(shù)脂纖維體積比不當(dāng)?shù)萚2]。相控陣超聲檢測(cè)能靈活地控制聲束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦等特性，在構(gòu)件形狀的適應(yīng)性、檢測(cè)參數(shù)的調(diào)整方面具有更多的自由度，已成為風(fēng)機(jī)葉片等大型構(gòu)件檢測(cè)的重要方法。石一飛[3]分析了風(fēng)電葉片褶皺、脫膠、干絲等多種缺陷的相控陣超聲圖像,證明了相控陣超聲能夠有效實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片的無(wú)損檢測(cè)。ZHANG等[4]利用相控陣超聲技術(shù)對(duì)多種葉片試樣進(jìn)行了缺陷檢測(cè)，驗(yàn)證了該技術(shù)在風(fēng)電葉片缺陷檢測(cè)領(lǐng)域的可行性和適用性。

相控陣超聲檢測(cè)方法通常使用水作為耦合劑，可分為水浸式和噴水耦合式兩種形式。與水浸式相比，噴水耦合式具有方便、快捷、檢測(cè)范圍大、避免工件長(zhǎng)時(shí)間浸泡等優(yōu)點(diǎn)，得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。王炳方等[5]對(duì)噴水速度、噴水距離和噴水角度等參數(shù)對(duì)超聲檢測(cè)的影響進(jìn)行了研究，提出了合理的參數(shù)選擇范圍；DEUTSCH等采用噴水耦合的方法對(duì)焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)，證明了噴水耦合對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的適用性。目前噴水耦合存在的缺點(diǎn)主要是由射流不穩(wěn)定而引起的聲耦合穩(wěn)定性較差，因此提高耦合水柱的射流穩(wěn)定性是該技術(shù)得以進(jìn)一步推廣的關(guān)鍵。由于噴嘴內(nèi)流道能夠直接影響到水柱的射流狀態(tài)[6]，需要對(duì)耦合噴嘴的內(nèi)流道進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以提高耦合水柱的射流質(zhì)量。

為滿足超聲檢測(cè)噴水耦合的需求，文章對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)的噴嘴進(jìn)行了射流模擬仿真，選擇了一種射流最為穩(wěn)定的噴嘴，并從降低加工成本的角度進(jìn)行考慮，對(duì)噴嘴進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 噴水耦合式相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 噴水耦合式相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)組成

圖1 噴水耦合式超聲檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意

1.2 噴水耦合原理

噴水耦合式相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)超聲信號(hào)的反饋對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，超聲信號(hào)從探頭發(fā)出后沿耦合水柱進(jìn)行傳遞。為防止水柱射流到工件表面產(chǎn)生劇烈飛濺，射流的速度不宜過(guò)大；為保證超聲信號(hào)能夠沿耦合水柱到達(dá)探頭前方對(duì)應(yīng)的工件檢測(cè)區(qū)域，要求水柱在距工件30 mm的射流距離a內(nèi)，且偏移量b應(yīng)小于1 mm(見(jiàn)圖2)；為減少超聲信號(hào)在傳遞過(guò)程中的衰減，保持信號(hào)的聲耦穩(wěn)定性，要求耦合水柱狀態(tài)穩(wěn)定、集束性好。

圖2 超聲噴水耦合原理示意

1.3 相控陣超聲探頭工作原理

常見(jiàn)的超聲陣列有線性、二維陣、環(huán)形陣等多種形式，不同的超聲陣列適用于不同的檢測(cè)情況[7]。文章設(shè)計(jì)從降低成本和適用于大型復(fù)雜構(gòu)件的檢測(cè)方面來(lái)考慮，選用線性相控陣，該類(lèi)型超聲探頭內(nèi)的條形壓電晶片呈線性排布，探頭的形狀為矩形。因?yàn)閲娝詈鲜较嗫仃嚦曅盘?hào)的傳播是沿著耦合水柱傳播的，所以需要設(shè)計(jì)合適的矩形出水口噴嘴便于超聲探頭的噴水耦合。

2 噴嘴的參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 噴嘴的參數(shù)設(shè)計(jì)

相控陣超聲探頭發(fā)出的超聲聲場(chǎng)理論上覆蓋探頭的整個(gè)前方，但聲場(chǎng)邊角的檢測(cè)效果較差，所以將發(fā)射范圍定義為一個(gè)由檢測(cè)精度確定的有效范圍[8]，噴嘴出口的大小應(yīng)根據(jù)此范圍進(jìn)行確定。文章所選用的相控陣超聲探頭信號(hào)發(fā)射面的長(zhǎng)為66 mm，寬為20 mm，發(fā)射超聲波有效范圍的角度約為100°。從降低噴水耦合過(guò)程中超聲信號(hào)的衰減和降低噴嘴的整體質(zhì)量方面考慮，應(yīng)盡量減少超聲探頭與噴嘴出口截面的距離。為了減少超聲探頭對(duì)噴嘴射流的影響，探頭距噴嘴出口截面的距離應(yīng)略大于噴嘴過(guò)渡段的長(zhǎng)度。所設(shè)計(jì)的噴嘴過(guò)渡段的長(zhǎng)度為90 mm，超聲探頭距噴嘴出口的距離為95 mm。噴嘴出口處超聲檢測(cè)有效范圍的長(zhǎng)度為

L=2h·tan(a-90°)+l

(1)

式中：L為噴嘴出口處超聲檢測(cè)有效范圍的長(zhǎng)度；h為探頭距噴嘴出口的距離；a探頭發(fā)射超聲波有效范圍的角度；l為探頭的長(zhǎng)度。

計(jì)算可得在距探頭信號(hào)發(fā)射面95 mm的噴嘴出口處，超聲檢測(cè)有效范圍的長(zhǎng)度約為100 mm，因此所設(shè)計(jì)噴嘴出口長(zhǎng)度為100 mm。

由于探頭陣元沿長(zhǎng)度方向排列，所以噴嘴出口的寬度在理論上只需要與超聲探頭的寬度相同即可?？紤]到探頭安裝過(guò)程中可能存在一定的角度偏差，在設(shè)計(jì)中應(yīng)保有一定的余量。文章設(shè)計(jì)噴嘴出口的寬度為30 mm。

2.2 噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單一進(jìn)水管道所產(chǎn)生的彎折應(yīng)力較大，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生抖動(dòng)。為降低機(jī)械臂抖動(dòng)對(duì)檢測(cè)精度的影響，進(jìn)水端設(shè)計(jì)為3個(gè)均勻布置的進(jìn)水口，與3條DN 40的管道連接。為減少水流進(jìn)入噴嘴內(nèi)腔而產(chǎn)生旋流，噴嘴進(jìn)水口與出水口采用平行式水路設(shè)計(jì)。

智慧科研是將信息化理念深入到科學(xué)研究、科學(xué)應(yīng)用以及科研項(xiàng)目管理中。通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，提供與項(xiàng)目相關(guān)活動(dòng)的準(zhǔn)確的各角度視圖，使科研主管部門(mén)能夠?yàn)轫?xiàng)目分配合適的資源，確保項(xiàng)目執(zhí)行并跟蹤項(xiàng)目的成果，從而提升科研院所的科研能力及效率；將科研成果、獲獎(jiǎng)情況以及日常的科研活動(dòng)及時(shí)記錄下來(lái)，便于查詢(xún)統(tǒng)計(jì)，并促進(jìn)專(zhuān)家資源庫(kù)、專(zhuān)利資源庫(kù)、學(xué)術(shù)資源庫(kù)的建立和完善；對(duì)科研活動(dòng)科研人員進(jìn)行自動(dòng)績(jī)效考核，免去人工統(tǒng)計(jì)的煩惱，使得工作更加高效、協(xié)同。

噴嘴通常設(shè)計(jì)成錐形收縮結(jié)構(gòu)，其邊壁收縮處為轉(zhuǎn)折突變，易產(chǎn)生紊流旋渦區(qū)，而使用維多辛斯基曲線設(shè)計(jì)的噴嘴內(nèi)腔壁面平滑，能使進(jìn)入噴嘴收縮處的水流橫向壓力梯度和徑向分速度逐漸減小，得到較為穩(wěn)定的射流流束。為研究適用于相控陣超聲檢測(cè)的耦合噴嘴內(nèi)流道結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了3種常見(jiàn)的噴嘴和一種維多辛斯基曲線噴嘴。維多辛斯基曲線如圖3所示，曲線計(jì)算公式如式(2)所示。不同噴嘴的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 維多辛斯基曲線

(2)

圖4 不同噴嘴的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)示意

式中：h1，h2，y分別為過(guò)渡段進(jìn)口、出口及任意x處截面對(duì)應(yīng)高的一半；L為噴嘴過(guò)渡段的總長(zhǎng)度。

3 噴嘴射流仿真分析

3.1 流場(chǎng)幾何模型的建立

優(yōu)化設(shè)計(jì)主要針對(duì)噴嘴內(nèi)流道，在建立噴嘴射流流場(chǎng)模型時(shí)暫不考慮噴嘴內(nèi)部構(gòu)件。以錐形噴嘴為例，建立起的流場(chǎng)模型如圖5所示。

圖5 錐形噴嘴流體域模型(半剖圖)

3.2 仿真邊界條件的設(shè)定

噴嘴射流水柱主要受重力影響向下偏移，根據(jù)射流水柱在30 mm的射程內(nèi)，偏差小于1 mm的要求，通過(guò)計(jì)算可知射流水柱的最低流速為2.1 m·s-1。又知射流速度過(guò)大易產(chǎn)生濺射，通常在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，耦合水柱流速為0.8～3 ·s-1，透射信號(hào)的波動(dòng)小，檢測(cè)效果好。在保有余量的前提下，設(shè)計(jì)噴嘴出口的流速為2.5 ·s-1，計(jì)算得噴嘴入口的流速約為2 ·s-1。對(duì)求解器進(jìn)行設(shè)定時(shí)，以水流速度入口和速度出口為邊界，并將計(jì)算所得的流速等系數(shù)代入求解器。

3.3 噴嘴射流仿真結(jié)果與分析

在進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)射流仿真分析時(shí)，由于噴嘴的出口為方形，所以需要對(duì)同一噴嘴流體域的xy截面和xz截面的射流情況進(jìn)行分析，又考慮到射流偏移量的要求，還需對(duì)距噴嘴出口30 mm處的yz截面進(jìn)行速度分布分析。

相同條件下4種噴嘴xy截面和xz截面速度分布的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 4種噴嘴xy截面和xz截面的速度分布

由圖6的射流仿真可知，各噴嘴由于內(nèi)流道結(jié)構(gòu)不相同，速度分布也不相同，其中錐形噴嘴的速度分布不均勻，存在明顯的速度差，易產(chǎn)生紊流，速度發(fā)散較快；直角形噴嘴速度衰減較大，水流從3個(gè)進(jìn)水口進(jìn)入后未能在噴嘴內(nèi)部得到有效的整流，射流發(fā)散明顯；錐直形噴嘴射流穩(wěn)定，但因過(guò)渡段較短，仍存在明顯的速度差，且整流效果較差，射流發(fā)散快；維多辛斯基曲線噴嘴中射流速度變化主要集中在過(guò)渡段，由于過(guò)渡段為曲線，所以速度變化為柔性變化，無(wú)明顯速度差，射流較為穩(wěn)定不易產(chǎn)生紊流，且射流集中，速度發(fā)散較為緩慢。

距噴嘴出口30 mm處4種噴嘴yz截面的速度分布如圖7所示，圖中黑色框線代表噴嘴出口在工件上的對(duì)應(yīng)位置。

圖7 距噴嘴出口30 mm處4種噴嘴yz截面的速度分布

由圖7的仿真結(jié)果可知，錐形噴嘴和錐直型噴嘴的射流覆蓋效果較差，均呈現(xiàn)出兩邊高中間低的情況。直角形噴嘴的射流水柱速度分布面積較廣，但存在明顯的速度分布差，射流水柱不夠穩(wěn)定。維多辛斯基曲線噴嘴射流水柱穩(wěn)定，速度分布均勻，向下偏差較小。

通過(guò)對(duì)噴嘴射流的仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，錐形、直角形以及錐直型噴嘴的射流均存在一定的缺陷，相比之下維多辛斯基曲線噴嘴過(guò)渡良好，射流穩(wěn)定，射流水柱能較好地覆蓋工件上對(duì)應(yīng)的超聲檢測(cè)區(qū)域。

4 噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 道格拉斯-普克算法實(shí)現(xiàn)噴嘴的近似設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)的噴嘴存在一定的加工困難，特別是維多辛斯基曲線噴嘴在制造時(shí)，要以維多辛斯基曲線作為引導(dǎo)，加工精度難以保證。因此在進(jìn)行噴嘴設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用一種近似方法，對(duì)維多辛斯基曲線噴嘴進(jìn)行近似設(shè)計(jì)，以達(dá)到在降低加工難度的同時(shí)，保持較優(yōu)的射流效果。

道格拉斯-普克算法是線狀要素抽稀的經(jīng)典算法，采用該算法可以保留曲線較大彎曲形態(tài)上的特征點(diǎn)，刪除較小彎曲上的特征點(diǎn)，有效地保持曲線的形態(tài)特征。通過(guò)維多辛斯基曲線噴嘴內(nèi)部壓力的分布(見(jiàn)圖8)可知，噴嘴內(nèi)部壓力差變化較大的區(qū)域主要集中于水流剛進(jìn)入過(guò)渡段處和水流剛進(jìn)入平緩流道處，與曲線彎曲形態(tài)較大的部分相對(duì)應(yīng)。因此可以采用道格拉斯-普克算法得到維多辛斯基曲線的近似折線，對(duì)維多辛斯基曲線噴嘴進(jìn)行近似設(shè)計(jì)。

圖8 維多辛斯基曲線噴嘴內(nèi)部壓力分布

道格拉斯-普克算法的步驟如下所述。

(1) 連接曲線的首末端點(diǎn)A、B，得到一條直線，找到曲線上所有點(diǎn)與該直線距離最大的點(diǎn)C，最大距離記為d。

(2) 比較該距離d與事先定義的閾值D的大小，若dD，則通過(guò)點(diǎn)C把曲線分成兩段重復(fù)上述步驟。

(3) 當(dāng)曲線處理完畢時(shí)依次連接各分割點(diǎn)形成的折線，即為該曲線的近似折線。

采用道格拉斯-普克算法來(lái)實(shí)現(xiàn)維多辛斯基曲線的近似時(shí)，通常設(shè)置的閾值越小、選取的點(diǎn)越多、劃分的線段越多、近似效果越好，但較多的分段又會(huì)增加加工難度。在進(jìn)行曲線近似線段劃分時(shí)，要在消除掉曲線上較為明顯的彎曲形態(tài)特征點(diǎn)的基礎(chǔ)上盡量減少分段。綜合考慮后設(shè)置曲線的近似折線線段為4段，繪制維多辛斯基曲線的近似折線結(jié)果如圖9所示。

圖9 維多辛斯基曲線的近似折線

文章根據(jù)道格拉斯-普克算法實(shí)現(xiàn)維多辛斯基曲線的近似分段，在維多辛斯基曲線噴嘴的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種四段式噴嘴。由于噴嘴的出口為長(zhǎng)方形，在xy平面上的曲線與xz平面上的曲線并不相同，得出的近似線段的節(jié)點(diǎn)也并不相同，無(wú)法同時(shí)作為放樣引導(dǎo)線。分析可知xz平面上維多辛斯基曲線坡度變化較小，對(duì)噴嘴射流的影響較小，在設(shè)計(jì)時(shí)可僅在坡度變化較大的xy平面上采用道格拉斯-普克近似線段進(jìn)行引導(dǎo)。設(shè)計(jì)出的四段式噴嘴外形如圖10所示。

圖10 四段式噴嘴外形

4.2 四段式噴嘴的仿真驗(yàn)證

該四段式噴嘴除過(guò)渡段輪廓外，其他參數(shù)與上述4種噴嘴均相同。對(duì)該四段式噴嘴進(jìn)行仿真分析，得到其流速場(chǎng)分布如圖11所示。

圖11 四段式噴嘴速度流場(chǎng)分布

由圖11中的仿真分析可知，依據(jù)道格拉斯-普克算法近似設(shè)計(jì)的四段式噴嘴射流速度分布均勻，流束集中，水流能夠完全覆蓋對(duì)應(yīng)檢測(cè)的工件區(qū)域，且與維多辛斯基曲線噴嘴的射流仿真分析對(duì)比，也未發(fā)現(xiàn)有明顯的射流發(fā)散現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 噴水耦合式相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)耦合水柱的狀況能夠直接影響到超聲檢測(cè)信號(hào)的傳遞，噴嘴內(nèi)流道的輪廓曲線是影響射流的重要因素。

(2) 對(duì)比4種噴嘴射流的仿真結(jié)果可知，以維多辛斯基曲線作為引導(dǎo)線設(shè)計(jì)的噴嘴，其射流水柱質(zhì)量較高，耗散率低。

(3) 維多辛斯基曲線噴嘴加工較為困難，在維多辛斯基曲線噴嘴的基礎(chǔ)上，根據(jù)道格拉斯-普克算法設(shè)計(jì)了一種四段式噴嘴，使其在降低加工難度的同時(shí)還能保持較好的射流情況，該噴嘴適用于相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)的噴水耦合。