相控陣超聲檢測(cè)用噴水耦合噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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。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、樹脂纖維體積比不當(dāng)?shù)?。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。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。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)，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，寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院和國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司銀川輸氣分公司的技術(shù)人員對(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)。噴水耦合式相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)01系統(tǒng)組成噴水耦合式相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)由電氣控制、機(jī)械機(jī)構(gòu)、超聲發(fā)射/接收系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及水循環(huán)系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1所示?？刂破骱陀?jì)算機(jī)控制機(jī)械臂帶動(dòng)超聲探頭對(duì)待檢區(qū)域進(jìn)行掃描。超聲探頭發(fā)射和接收超聲信號(hào)，并通過計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，再以實(shí)時(shí)掃描圖像的形式進(jìn)行顯示。循環(huán)供水系統(tǒng)負(fù)責(zé)水的循環(huán)利用（向噴嘴提供潔凈、穩(wěn)定的耦合用水）。圖1

噴水耦合式超聲檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意02噴水耦合原理噴水耦合式相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)通過超聲信號(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30mm的射流距離a內(nèi)，且偏移量b應(yīng)小于1mm，如圖2所示；為減少超聲信號(hào)在傳遞過程中的衰減，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03相控陣超聲探頭工作原理常見的超聲陣列有線性、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。筆者的設(shè)計(jì)從降低成本和適用于大型復(fù)雜構(gòu)件的檢測(cè)方面來考慮，選用線性相控陣，該類型超聲探頭內(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。

噴嘴的參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

01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，噴嘴出口的大小應(yīng)根據(jù)此范圍進(jìn)行確定。所選用的相控陣超聲探頭信號(hào)發(fā)射面的長(zhǎng)為66mm，寬為20mm，發(fā)射超聲波有效范圍的角度約為100°。從降低噴水耦合過程中超聲信號(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)略大于噴嘴過渡段的長(zhǎng)度。所設(shè)計(jì)的噴嘴過渡段的長(zhǎng)度為90mm，超聲探頭距噴嘴出口的距離為95mm。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為探頭發(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95mm的噴嘴出口處，超聲檢測(cè)有效范圍的長(zhǎng)度約為100mm，因此所設(shè)計(jì)噴嘴出口長(zhǎng)度為100mm。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，因此設(shè)計(jì)噴嘴出口的寬度為30mm。

02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DN40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)。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)算公式如下所示，不同噴嘴的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)如圖4所示。式中：h1，h2，y分別為過渡段進(jìn)口、出口及任意x處截面對(duì)應(yīng)高的一半；L為噴嘴過渡段的總長(zhǎng)度。圖3

維多辛斯基曲線圖4

不同噴嘴的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)示意

噴嘴射流仿真分析01

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）

02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30mm的射程內(nèi)，偏差小于1mm的要求，通過計(jì)算可知射流水柱的最低流速為2.1m/s。又知射流速度過大易產(chǎn)生濺射，通常在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，耦合水柱流速為0.8~3m/s，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2.5m/s，計(jì)算得噴嘴入口的流速約為2m/s。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。

03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30mm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渡段，由于過渡段為曲線，所以速度變化為柔性變化，無明顯速度差，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30mm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30mm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。

噴嘴的優(yōu)化設(shè)計(jì)01道格拉斯-普克算法實(shí)現(xiàn)噴嘴的近似設(shè)計(jì)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。通過維多辛斯基曲線噴嘴內(nèi)部壓力的分布（見圖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d<D，則曲線處理完畢，線段AB即為該曲線的近似線段。若d＞D，則通過點(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

02四段式噴嘴的仿真驗(yàn)證該四段式噴嘴除過渡段輪廓外，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。