大涵道比渦扇民用發(fā)動機高能X射線檢測系統(tǒng)
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為了滿足巨大的民用飛機市場需求，我國已開始研制大涵道比渦扇民用發(fā)動機，其主要技術特點有高性能、高可靠性、高可預測性、低污染、低噪聲以及低成本。與軍用飛機相比，民用飛機強調的是經濟性，在保證起飛推力和發(fā)動機可靠性前提下，要具有盡量低的巡航耗油率。為了降低耗油率，就必須對發(fā)動機轉子葉片徑向間隙進行控制，據(jù)文獻報道：葉尖間隙每增加葉片長度的1%，耗油率約增加2%[1]。
高能 X 射線檢測技術可以完成發(fā)動機運轉狀態(tài)下的葉尖間隙的實時測量，其適用于金屬葉片和非金屬葉片。
1 X 射線簡介
X 射線是指在電場中高速電子束轟擊陽極靶產生的波長范圍在0.1~0.6pm的電磁波，是一種不可見光，電場越強、電子的速度越高、其動能也越大，轟擊出來的X 射線能量越高。
通常，以千電子伏特（KeV）和兆電子伏特（MeV）來表示X 射線的能量。X 射線穿透物體的能力較強，當其穿過被照物體時，X 射線的能量會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部結構和厚度，于是，透過的X 射線的強弱就包含著物體內部結構的信息。X 射線具有光化學作用，能使感光底片曝光，X 射線還具有熒光作用，使某些物質發(fā)出可見熒光，這些性能使得X射線能夠用于非接觸檢測。
X 射線的衰減通常用半衰減層厚度（也稱半價層）來表示，半衰減層指射線透過物體時其強度減少到一半時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 射線檢測系統(tǒng)的應用
航空發(fā)動機在高速、高溫、高負荷狀態(tài)下運轉，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)動機工作狀態(tài)的改變而變化。壓氣機及渦輪
轉子與機匣之間的徑向間隙對航空發(fā)動機的喘振裕度、效率、耗油率、壽命及工作可靠性等都有很大的影響。發(fā)動機運行時，各部件的軸向位移、軸承篦齒密封間隙的變化對發(fā)動機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)動機各個工況下通過計算精確地獲得這些至關重要的參數(shù)和信息，盡管有時可以在發(fā)動機壁面開孔安裝相應的測量探頭來了解發(fā)動機運行時的內部情況，但是這不僅費時，費力，還干擾了發(fā)動機的內部流場，同時還有很大的局限性，許多部位不允許或者根本無法安裝測量探頭。
采用高能X射線檢測系統(tǒng)能很方便地觀察和測量發(fā)動機任意部位、任何運行狀態(tài)下的內部工件的微變情況，甚至可測量發(fā)動機的顫振，為發(fā)動機設計調試和改進提供重要數(shù)據(jù)，同時還可及早發(fā)現(xiàn)由機械力和熱應力引起的零部件變形、松動及葉片裂紋等可能引起嚴重后果的事故隱患。另外，在新機調試中，為了分析一段試車之后的內部工件情況，發(fā)動機通常要下臺分解檢查。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)動機運行時才會出現(xiàn)的問題，采用高能X 射線檢測系統(tǒng)可大大減少發(fā)動機下臺分解的次數(shù)，提高工作效率。
3 高能X 射線檢測系統(tǒng)
本系統(tǒng)主要由以下五大分系統(tǒng)構成：高能X 射線源分系統(tǒng)、數(shù)字成像分系統(tǒng)、檢測與控制分系統(tǒng)、支撐與調整裝置分系統(tǒng)、信息處理分系統(tǒng)。
3.1 高能X射線源分系統(tǒng)
高能 X 射線源是整個系統(tǒng)的重要部件，通常它是一個駐波直線加速式X 射線發(fā)生器：由脈沖磁控管產生的射頻（RF）脈沖，經波導管、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“沖浪運動員”似的騎在射頻脈沖之上一起進入直線加速段，直線加速段的外面有磁場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，產生MeV 能級的高能X射線，在直線加速器的出口裝有射束準直器，使射線以一定的錐度向前方射出來。
3.2 數(shù)字成像分系統(tǒng)
采用閃爍屏結合制冷CCD 相機的方式作為數(shù)字成像分系統(tǒng)，其具有轉換效率高、分辨率高、動態(tài)范圍大、像素尺寸小等特點。該系統(tǒng)的主要作用是將穿過被檢測工件的X射線轉換成數(shù)字信號圖像在計算機上進行顯示、分析。其內部成像器件主要有高分辨率高靈敏度CCD相機、大口徑光學鏡頭、閃爍屏、鍍膜反射鏡等部件，這些部件共同封裝在防護罩內。射線穿過被檢工件后，被閃爍屏吸收并轉換成可見光，可見光通過反射鏡反射后，由相機攝取，進行光電轉換、模數(shù)轉換，最終形成數(shù)字圖像，通過采集卡將數(shù)字圖像傳到計算機，從而得到被檢測工件的數(shù)字化圖像。
3.3檢測與控制分系統(tǒng)
檢測與控制分系統(tǒng)的主要作用是控制加速器及圖像采集系統(tǒng)進行運動，對發(fā)動機不同部位進行檢測，實現(xiàn)對檢測過程的運動控制、位置顯示。系統(tǒng)控制邏輯圖如圖1 所示。
通過現(xiàn)場或控制室的按鈕對射線源及采集裝置的運動位置控制；探測工作過程中環(huán)境的變化，通過快速電子信號處理系統(tǒng)采集并對檢查過程進行控制與校正。負責控制系統(tǒng)攝像監(jiān)視、廣播對講及警示設備的狀態(tài)，保證工作狀態(tài)正常。
3.4支撐與調整裝置分系統(tǒng)
由于航空發(fā)動機需要檢測的部位很多，而成像系統(tǒng)的成像面積有限，因此采用位移機構，使直線加速器與成像系統(tǒng)沿發(fā)動機的軸向方向相對平移，同時該分系統(tǒng)能夠滿足射線源和圖像采集裝置進行相應的升降以及小轉角等運動。此外，還具有減振、降噪、定位、保護機構。
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