تكنولوجيا الكشف عن الفشل وإصلاح شفرات محركات الطائرات

تشكل شفرات التوربين جزءًا مهمًا من محركات الطائرات، حيث تعمل في ظروف درجات حرارة مرتفعة، وأحمال ثقيلة، وبنية معقدة. ترتبط جودة الفحص والصيانة ارتباطًا وثيقًا بمتانة ومدة خدمة العمل. يدرس هذا البحث الفحص والصيانة لشفرات محركات الطائرات، ويحلل أنماط الفشل لشفرات محركات الطائرات، ويُلخص تقنيات الكشف عن الفشل وتقنيات الصيانة لشفرات محركات الطائرات.

في تصميم شفرات التوربين، يتم استخدام مواد جديدة ذات جودة أعلى غالبًا، وتقليل الهامش العامل من خلال تحسين البنية والتكنولوجيا المعالجة، وذلك بهدف تحسين نسبة الدفع إلى الوزن في المحرك. الشفرة التوربين هي سطح هوائي ديناميكي يمكنه تحقيق عمل مكافئ على طول كامل للشفرة، مما يضمن أن يكون لتدفق الهواء زاوية دوران بين قاعدة الشفرة وطرفها، حيث تكون زاوية الدوران عند طرف الشفرة أكبر منها عند القاعدة. من الضروري تركيب شفرة التوربين الدوار على قرص التوربين. المفصل "على شكل شجرة الأرز" هو الجزء الدوار للتوربين الغازي الحديث. تم معالجته وتصميمه بدقة لضمان أن تحمل جميع الفlangات الحمل بالتساوي. عندما يكون التوربين ثابتًا، يكون للشفرة حركة مماسية في خندق الأسنان، وعندما يدور التوربين، يتم شد قاعدة الشفرة إلى القرص بسبب تأثير القصور الذاتي. يعتبر مادة عجلة التوربين عاملاً مهمًا لضمان أداء وموثوقية التوربين. في الماضي، تم استخدام السبائك الحرارية المتغيرة وتصنيعها عن طريق التشكيل. ومع التقدم المستمر في تصميم المحرك والتكنولوجيا الصب الدقيقة، انتقلت شفرات التوربين من السبائك المتغيرة إلى السبائك المجوفة، ومن البلورية متعددة إلى بلورية واحدة، مما تم تحسين مقاومة الحرارة بشكل كبير. يتم استخدام السبائك أحادية البلورة القائمة على النيكل على نطاق واسع في إنتاج أجزاء نهاية السخونة للمحركات الجوية بسبب خواص الزحف العالي درجة الحرارة الممتازة. لذلك، فإن البحث العميق حول فحص وصيانة شفرات التوربين له أهمية كبيرة لتحسين سلامة تشغيل المحرك وتقييم دقيق لمorphology الضرر ومدى الضرر في الشفرات.

أوجه فشل شفرات محركات الطائرات

كسر الشفرة بسبب التعب الدورى منخفض الدورة

في العمل الفعلي، لا يحدث كسر التعب منخفض الدورة للشفرات الدوارة بسهولة، ولكن تحت الظروف الثلاثة التالية سيحدث الكسر منخفض الدورة. الشكل 1 هو رسم تخطيطي لكسر الشفرة.

(1) على الرغم من أن الإجهاد العامل في القسم الخطر أصغر من مقاومة المادة للانحناء، إلا أن هناك عيوب محلية كبيرة في هذا القسم. في هذه المنطقة، نتيجة لوجود العيوب، فإن الجزء الأكبر القريب يتجاوز مقاومة المادة للانحناء، مما يؤدي إلى حدوث تشوه بلاستي كبير، مما يؤدي إلى كسر التعب منخفض الدورة للشفرة.

(2) نتيجة لعدم مراعاة التصميم الجيد، يكون الإجهاد العامل للشفرة في القسم الخطر قريبًا أو يتجاوز مقاومة المادة للانحناء. عندما تكون هناك عيوب إضافية في الجزء الخطر، ستخضع الشفرة للكسر التعب منخفض الدورة.

(3) عندما يكون هناك ظروف غير طبيعية مثل الاهتزاز، والرنين، والاحترار المفرط في الشفرة، يكون إجمالي قيمة الإجهاد في قسمها الخطر أكبر من مقاومتها للانحناء، مما يؤدي إلى كسر التعب منخفض الدورة للشفرة. يُعزى كسر التعب منخفض الدورة بشكل أساسي إلى أسباب تصميمية، ويحدث معظمها حول جذر الشفرة. لا يوجد قوس تعب واضح عند الكسر النموذجي لمنخفض الدورة.

فشل كسر التعب الناتج عن الرنين العزمي للشفرة

يشير كسر التعب عالي الدورة إلى الكسر الذي يحدث نتيجة الرنين العزمي للشفرة، وله السمات التمثيلية التالية:

(1) يحدث فقد الزاوية عند عقدة الرنين العزمي.

(2) يمكن رؤية منحنى تعب واضح عند الكسر الناتج عن التعب في الشفرة، لكن منحنى التعب يكون رفيعًا جدًا.

(3) يبدأ الكسر عادةً من الجزء الخلفي للشفرة ويمتد إلى حوض الشفرة، ويحتل مجال التعب المساحة الرئيسية من سطح الكسر.

هناك سببان رئيسيان لتشققات التعب الالتوائي للشفرة: الأول هو اهتزاز الالتواء، والثاني هو الصدأ المكثف على سطح الشفرة أو تأثير القوة الخارجية.

فشل كسر التعب الحراري والتلف الحراري للشفرة عند درجات حرارة مرتفعة

تعمل شفرات محرك التوربين في بيئة ذات درجة حرارة عالية وتتعرض لتغيرات في درجات الحرارة والضغوط البديلة، مما يؤدي إلى الزحف والتلف التعبوي للشفرات (انظر الشكل 2). بالنسبة لكسر التعب العالي للشفرات، يجب توفر الشروط الثلاثة التالية:

(1) يظهر كسر التعب للشفرة بشكل أساسي خصائص الكسر بين الحبيبات.

(2) تكون درجة الحرارة في موقع الكسر أعلى من درجة حرارة الزحف الحدية للمادة؛

(3) يمكن لموقع كسر التعب في الشفرة تحمل ضغط الجاذبية الدوراني الموجي فقط، والذي يتجاوز حد الزحف أو حد التعب عند هذه الدرجة الحرارية.

بشكل عام، كسر التعب لشفرات الدوار عند درجات حرارة عالية هو أمر نادر للغاية، لكن في الاستخدام الفعلي، الكسر الناجم عن الأضرار الحرارية للدوار شائع نسبيًا. أثناء تشغيل المحرك، يتم تسمية تلف المكونات بسبب ارتفاع درجة الحرارة قصير الأمد تحت ظروف عمل غير طبيعية بـ 'الضرر الناتج عن ارتفاع الحرارة'. عند درجات الحرارة العالية، تكون الشقوق الناتجة عن التعب معرضة للحدوث في الشفرات. يمتلك الكسر الناتج عن الضرر الناتج عن درجات الحرارة العالية السمات الرئيسية التالية:

(1) يكون موقع الكسر عادةً موجودًا في المنطقة الأكثر حرارة في الشفرة، ويكون عموديًا على محور الشفرة.

(2) ينبع الكسر من حافة المنبع للمنطقة المصابة، وسطحه المقطوع غامق اللون ومتأكسد بشكل كبير. سطح القسم الممتد نسبيًا أملس ولونه ليس غامقًا كما هو الحال في منطقة المنبع.

تكنولوجيا إصلاح أعطال شفرات محرك الطائرة

الفحص باستخدام المنظار على متن الطائرة

الفحص الداخلي باستخدام منظار الصمامات هو فحص بصري للشفرات التوربينية من خلال Probe في صندوق توربين المحرك. هذه التقنية لا تتطلب فك المحرك ويمكن إكمالها مباشرة على الطائرة، وهي عملية وسريعة. يمكن لفحص المنظار اكتشاف الحروق والتآكل والانفصال في شفرات التوربين بشكل أفضل، مما يساعد على فهم وإتقان تقنية وصحة التوربين، وبالتالي إجراء فحص شامل للشفرات التوربينية وضمان التشغيل الطبيعي للمحرك. توضح الشكل 3 فحص المنظار.

المعالجة قبل التنظيف قبل الفحص في ورشة الإصلاح

تغطي الرواسب سطح شفرات التوربين بعد الاحتراق، والتغليف، وطبقات التآكل الحراري الناتجة عن تآكل الأكسدةを超え درجات الحرارة. سيؤدي ترسب الكربون إلى زيادة سماكة جدران الشفرات، مما يؤدي إلى تغيير في المسار الهوائي الأصلي، وبالتالي تقليل كفاءة التوربين؛ التآكل الحراري سيقلل من الخصائص الميكانيكية للشفرات؛ ونتيجة لوجود رواسب الكربون، يتم إخفاء الضرر على سطح الشفرة، مما يجعل الكشف عنها صعبًا. لذلك، يجب تنظيف الرواسب الكربونية قبل مراقبة وإصلاح الشفرات.

اختبار سلامة الشفرة

في الماضي، تم استخدام أدوات قياس "صلبة" مثل مقاييس الزوايا والمقاييس السلكية لاكتشاف قطر شفرات محركات الطائرات. هذه الطريقة بسيطة، لكنها تتأثر بسهولة بالتدخل البشري ولديها عيوب مثل الدقة المنخفضة وسرعة القياس البطيئة. لاحقًا، تم كتابة تطبيق للتحكم الآلي بالميكروكمبيوتر بناءً على آلة القياس الإحداثية، وتم تطوير نظام قياس للأبعاد الهندسية للشفرة. من خلال قياس الشفرة تلقائيًا ومقارنتها مع الشكل القياسي للشفرة، يتم تقديم نتائج اختبار الخطأ تلقائيًا لتحديد مدى توفر الشفرة والطريقة المطلوبة للصيانة. وعلى الرغم من وجود فروقات في التكنولوجيات المحددة بين أجهزة القياس الإحداثي الخاصة بالشركات المختلفة، إلا أن لديهم ما يلي من المشتركات: مستوى تلقائي عالٍ، سرعة قياس، عادةً يمكن قياس شفرة واحدة في دقيقة واحدة، ولديهم قدرات توسعية جيدة. عن طريق تعديل قاعدة بيانات الشكل القياسي للشفرة، يمكن قياس أنواع مختلفة من الشفرات. يظهر الشكل 4 اختبار السلامة.

صيانة شفرات محرك الطائرة

تكنولوجيا الرش الحراري

تكنولوجيا الرش الحراري هي حرق الألياف أو المواد المسحوقية لتحويلها إلى حالة الذوبان، ثم تفتيتها أكثر وإيداعها على الأجزاء أو القواعد المراد رشها.

(1) طبقات مقاومة لل put-on

تُستخدم طبقات مقاومة للتآكل مثل طبقات ذات أساس كوبالت، نيكل، وكربيد التنجستن بشكل واسع في أجزاء محركات الطائرات لتقليل الاحتكاك الناتج عن الاهتزاز، والانزلاق، والتصادم، والاحتكاك، وغيرها من أنواع الاحتكاك أثناء تشغيل محركات الطائرات، مما يحسن الأداء ويطيل العمر الافتراضي.

(2) طبقات مقاومة للحرارة

من أجل زيادة الدفع، تحتاج محركات الطائرات الحديثة إلى رفع درجة الحرارة قبل التوربين إلى الحد الأقصى. بهذه الطريقة، سترتفع درجة حرارة تشغيل شفرات التوربين بشكل متزامن. وعلى الرغم من استخدام المواد المقاومة للحرارة، لا يزال من الصعب تلبية متطلبات الاستخدام. تشير نتائج الاختبارات إلى أن تطبيق طبقات مقاومة للحرارة على سطح شفرات التوربين يمكن أن يحسن مقاومة الحرارة للأجزاء ويتجنب تشوهها وتشققها.

(3) طبقات القابلية للتآكل

في محركات الطائرات الحديثة، يتكون التوربين من غلاف يحتوي على شفرات ساكنة أفقية متعددة وشفرة دوارة مثبتة على قرص. لتحسين كفاءة المحرك، يجب تقليل المسافة بين المكونين الساكن والدوران إلى الحد الأدنى قدر الإمكان. هذه الفجوة تشمل "الفجوة النهائية" بين طرف الدوار والحلقة الخارجية الثابتة، و"فجوة المرحلة" بين كل مرحلة من الدوار والغلاف. لتجنب تسرب الهواء الناتج عن الفجوة الزائدة، يتم تقنيًا مطالبة الفجوات بأن تكون صفرية قدر الإمكان، لكن من الصعب تحقيق ذلك بسبب الأخطاء الفعلية وأخطاء التركيب في أجزاء الإنتاج؛ بالإضافة إلى ذلك، تحت درجات الحرارة العالية والسرعات العالية، سيتحرك العجل طوليًا مما يؤدي إلى "نمو" الشفرات بشكل شعاعي نتيجة التشوه الانحنائي، والتمدد والانكماش الحراري للقطعة. لذلك، يتم استخدام رش طبقات مقاومة للتآكل لتقليل الفجوة الواعية إلى أصغر حد ممكن، أي برش أنواع مختلفة من الطلاء على السطح القريب من أعلى الشفرة؛ عندما تتصادم الأجزاء الدوارة معها، فإن الطلاء سيتسبب في تآكل تضحية، مما يؤدي إلى تقليل الفجوة إلى الحد الأدنى. يوضح الشكل 5 تقنية الرش الحراري.

التقشير بالرمل المُنفَخ

تكنولوجيا التقشير بالرمل المُنفَخ تستخدم مقذوفات عالية السرعة لضرب سطح peace، مما يولد ضغطًا انضغاطيًا متبقّيًا على سطح peace ويشكل مادة تعزيزية إلى حدٍ ما لتحسين قوة التعب للمنتج وتقليل أداء التآكل تحت التوتر للمادة. يظهر الشكل 6 الشفرة بعد عملية التقشير بالرمل المُنفَخ.

(1) التقشير بالرمل الجاف

تكنولوجيا التقشير بالرمل الجاف تستخدم القوة الطرد المركزي لإنشاء طبقة تعزيز سطحي ذات سمك معين على سطح peace. وعلى الرغم من أن تقنية التقشير بالرمل الجاف تتميز بالمعدات البسيطة والكفاءة العالية، إلا أنها لا تزال تعاني من مشاكل مثل تلوث الغبار، الضوضاء العالية، واستهلاك الرمل العالي أثناء الإنتاج الضخم.

(2) التقشير بالرمل المائي

التقوية بالماء باستخدام الرصاص لها نفس آلية التقوية مثل التقوية بالماء الجاف. الفرق هو أنها تستخدم جزيئات سائلة متحركة بسرعة بدلاً من الرصاص، مما يقلل من تأثير الغبار على البيئة أثناء التقوية بالماء الجاف، وبالتالي تحسين بيئة العمل.

(3) التقوية باللوحة الدوارة

طورت الشركة الأمريكية 3M نوعًا جديدًا من عملية التقوية بالرذاذ. طريقة التقويتها هي استخدام قرص دوار مع رذاذ لضرب السطح المعدني بسرعة عالية بشكل مستمر لتكوين طبقة تقوية على السطح. مقارنةً بعملية الرذاذ التقليدية، فإنها تتميز بمعدات بسيطة، وسهولة الاستخدام، وكفاءة عالية، واقتصادية ومتانة. تعني التقوية باستخدام القرص الدوار أن عند اصطدام الرذاذ عالي السرعة بالشفرة، سيتوسع سطح الشفرة بسرعة، مما يؤدي إلى حدوث تشوه بلاستيكي في عمق معين. سمك الطبقة المشوهة يرتبط بقوة الاصطدام للرذاذ وخواص المادة الميكانيكية للقطعة، ويمكن أن يصل عادةً إلى 0.12 إلى 0.75 ملم. عن طريق ضبط عملية الرذاذ، يمكن الحصول على سمك مناسب للطبقة المشوهة. تحت تأثير الرذاذ، عندما يحدث التشوه البلاستيكي على سطح الشفرة، ستتشوه أيضًا الطبقات المجاورة أسفل السطح. ومع ذلك، مقارنةً بالسطح، يكون التشوه في الطبقات السفلية أصغر. دون الوصول إلى نقطة التدفق، لا يزال في مرحلة التشوه المرن، لذلك فإن عدم التجانس في التشوه البلاستيكي بين السطح والطبقات السفلية غير متساوٍ، مما يمكن أن يتسبب في تغييرات في الإجهاد المتبقي للمادة بعد الرذاذ. تشير نتائج الاختبارات إلى وجود إجهاد متبقي مضغوط على السطح بعد الرذاذ، وعلى عمق معين، يظهر الإجهاد الممتد في الطبقات السفلية. يكون الإجهاد المتبقي المضغوط على السطح عدة مرات أكبر من الإجهاد الموجود في الطبقات السفلية. هذا التوزيع للإجهاد المتبقي مفيد جدًا لتحسين مقاومة التعب والمقاومة للتآكل. لذلك، تلعب تقنية الرذاذ دورًا مهمًا جدًا في تمديد عمر المنتجات وتحسين جودتها.

إصلاح الطلاء

في محركات الطائرات، تستخدم العديد من شفرات التوربين المتقدمة تقنية الطلاء لتحسين خصائص مقاومتها للأكسدة، والصدأ، والتآكل؛ ومع ذلك، بما أن الشفرات تتعرض للتلف بمختلف الدرجات أثناء الاستخدام، فيجب إصلاحها أثناء صيانة الشفرات، عادةً عن طريق إزالة الطبقة الأصلية ثم تطبيق طبقة جديدة من الطلاء.