相控陣超聲檢測用噴水耦合噴嘴的優(yōu)化設(shè)計

在我國提出“碳中和、碳達峰”的目標下，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)機裝機容量的提高對風(fēng)機的壽命、可靠性等服役性能要求更為嚴苛，葉片作為風(fēng)機中承受強風(fēng)載荷的主要部件，其制造過程中的檢測要求也不斷提高。傳統(tǒng)的檢測方法如光照觀察法、敲擊法等，檢測精度低，不易檢測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?shù)?。相控陣超聲檢測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、檢測參數(shù)的調(diào)整方面具有更多的自由度，已成為風(fēng)機葉片等大型構(gòu)件檢測的重要方法。相控陣超聲檢測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、檢測范圍大、避免工件長時間浸泡等優(yōu)點，得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，噴水耦合存在的缺點主要是由射流不穩(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)，需要對耦合噴嘴的內(nèi)流道進行設(shè)計優(yōu)化，以提高耦合水柱的射流質(zhì)量。為滿足超聲檢測噴水耦合的需求，寧夏大學(xué)機械工程學(xué)院和國家管網(wǎng)集團西氣東輸公司銀川輸氣分公司的技術(shù)人員對4種不同結(jié)構(gòu)的噴嘴進行了射流模擬仿真，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行考慮，對噴嘴進行了優(yōu)化設(shè)計。噴水耦合式相控陣超聲檢測系統(tǒng)01系統(tǒng)組成噴水耦合式相控陣超聲檢測系統(tǒng)由電氣控制、機械機構(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?？刂破骱陀嬎銠C控制機械臂帶動超聲探頭對待檢區(qū)域進行掃描。超聲探頭發(fā)射和接收超聲信號，并通過計算機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，再以實時掃描圖像的形式進行顯示。循環(huán)供水系統(tǒng)負責(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系統(tǒng)通過超聲信號的反饋對工件進行檢測，超聲信號從探頭發(fā)出后沿耦合水柱進行傳遞。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；為保證超聲信號能夠沿耦合水柱到達探頭前方對應(yīng)的工件檢測區(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；為減少超聲信號在傳遞過程中的衰減，保持信號的聲耦穩(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情況。筆者的設(shè)計從降低成本和適用于大型復(fù)雜構(gòu)件的檢測方面來考慮，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。因為噴水耦合式相控陣超聲信號的傳播是沿著耦合水柱傳播的，所以需要設(shè)計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

01噴嘴的參數(shù)設(shè)計相控陣超聲探頭發(fā)出的超聲聲場理論上覆蓋探頭的整個前方，但聲場邊角的檢測效果較差，所以將發(fā)射范圍定義為一個由檢測精度確定的有效范圍，噴嘴出口的大小應(yīng)根據(jù)此范圍進行確定。所選用的相控陣超聲探頭信號發(fā)射面的長為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度。所設(shè)計的噴嘴過渡段的長度為90mm，超聲探頭距噴嘴出口的距離為95mm。噴嘴出口處超聲檢測有效范圍的長度為：L=2h·tan(a-90°)+l式中：L為噴嘴出口處超聲檢測有效范圍的長度；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為探頭的長度。計算可得在距探頭信號發(fā)射面95mm的噴嘴出口處，超聲檢測有效范圍的長度約為100mm，因此所設(shè)計噴嘴出口長度為100mm。由于探頭陣元沿長度方向排列，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)計中應(yīng)保有一定的余量，因此設(shè)計噴嘴出口的寬度為30mm。

02噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計單一進水管道所產(chǎn)生的彎折應(yīng)力較大，機械臂運動時易產(chǎn)生抖動。為降低機械臂抖動對檢測精度的影響，進水端設(shè)計為3個均勻布置的進水口，與3條DN40的管道連接。為減少水流進入噴嘴內(nèi)腔而產(chǎn)生旋流，噴嘴進水口與出水口采用平行式水路設(shè)計。噴嘴通常設(shè)計成錐形收縮結(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)計的噴嘴內(nèi)腔壁面平滑，能使進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的耦合噴嘴內(nèi)流道結(jié)構(gòu)，設(shè)計了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分別為過渡段進口、出口及任意x處截面對應(yīng)高的一半；L為噴嘴過渡段的總長度。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

流場幾何模型的建立優(yōu)化設(shè)計主要針對噴嘴內(nèi)流道，在建立噴嘴射流流場模型時暫不考慮噴嘴內(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，通常在進行超聲檢測時，耦合水柱流速為0.8~3m/s，透射信號的波動小，檢測效果好。在保有余量的前提下，設(shè)計噴嘴出口的流速為2.5m/s，計算得噴嘴入口的流速約為2m/s。對求解器進行設(shè)定時，以水流速度入口和速度出口為邊界，并將計算所得的流速等系數(shù)代入求解器。

03噴嘴射流仿真結(jié)果與分析在進行相控陣超聲檢測系統(tǒng)射流仿真分析時，由于噴嘴的出口為方形，所以需要對同一噴嘴流體域的xy截面和xz截面的射流情況進行分析，又考慮到射流偏移量的要求，還需對距噴嘴出口30mm處的yz截面進行速度分布分析。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個進水口進入后未能在噴嘴內(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應(yīng)的超聲檢測區(qū)域。

噴嘴的優(yōu)化設(shè)計01道格拉斯-普克算法實現(xiàn)噴嘴的近似設(shè)計設(shè)計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，要以維多辛斯基曲線作為引導(dǎo)，加工精度難以保證。因此在進行噴嘴設(shè)計時，需要采用一種近似方法，對維多辛斯基曲線噴嘴進行近似設(shè)計，以達到在降低加工難度的同時，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，刪除較小彎曲上的特征點，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入過渡段處和水流剛進入平緩流道處，與曲線彎曲形態(tài)較大的部分相對應(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，對維多辛斯基曲線噴嘴進行近似設(shè)計。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A、B，得到一條直線，找到曲線上所有點與該直線距離最大的點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C把曲線分成兩段重復(fù)上述步驟。（3）當曲線處理完畢時依次連接各分割點形成的折線，即為該曲線的近似折線。采用道格拉斯-普克算法來實現(xiàn)維多辛斯基曲線的近似時，通常設(shè)置的閾值越小、選取的點越多、劃分的線段越多、近似效果越好，但較多的分段又會增加加工難度。在進行曲線近似線段劃分時，要在消除掉曲線上較為明顯的彎曲形態(tài)特征點的基礎(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)計了一種四段式噴嘴。由于噴嘴的出口為長方形，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)點也并不相同，無法同時作為放樣引導(dǎo)線。分析可知xz平面上維多辛斯基曲線坡度變化較小，對噴嘴射流的影響較小，在設(shè)計時可僅在坡度變化較大的xy平面上采用道格拉斯-普克近似線段進行引導(dǎo)。設(shè)計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。對該四段式噴嘴進行仿真分析，得到其流速場分布如圖11所示。圖11

四段式噴嘴速度流場分布由圖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應(yīng)檢測的工件區(qū)域，且與維多辛斯基曲線噴嘴的射流仿真分析對比，也未發(fā)現(xiàn)有明顯的射流發(fā)散現(xiàn)象。