Технологии за разпознаване на повреди и ремонт на лопатките на авиационните двигатели

Турбинните лопатки са важна част от авиационните мотори, с висока температура, тежка заредка и сложна структура. Качеството на проверката и поддържането е тясно свързано с издръжливостта и срока на служба на работата. В тази статия се разглежда проверката и поддържането на лопатките на авиационните мотори, анализира се режимът на повреда на лопатките на авиационните мотори и се обобщават технологиите за детекция на повреди и поддържане на лопатките на авиационните мотори.

При проектирането на турбинни лопатки често се използват нови материали с по-високо качество, а работната маржа се намалява чрез подобряване на конструкцията и технологията на обработка, за да се подобри тласъкът към тегловото отношение на двигателите. Турбинната лопатка е аеродинамичен профил, който може да осъществява еквивалентна работа през цялата дължина на лопатката, като по този начин гарантира, че въздушният поток има ъгъл на врътене между корена и върха на лопатката, при което ъгълът на връхът е по-голям от този на корена. Едно от най-важните неща е инсталирането на турбинната роторна лопатка на турбинния диск. "Дървосъставната" шпала е роторът на съвременните газови турбини. Тя е точно обработена и проектирана, за да се гарантира, че всички фланси могат да притежават равномерно разпределена заредка. Когато турбина е неподвижна, лопатката има допирателно движение в зъбастата канавка, а когато турбината се върти, коренът на лопатката се стиска до диска поради центробежния ефект. Материалът на импелера е важен фактор за гарантиране на производителността и надеждността на турбината. През ранните дни се използваха деформирани високотемпературни алойси, произведени чрез ковачество. С постоянн непрекъснатото подобряване на дизайна на двигателите и прецизната литейна технология, турбинните лопатки са променени от деформирани алойси до празни, поликристални до единични кристали, и тяхната топлотна устойчивост е значително подобрена. Никеловите единични кристални супeraloyzi са широко използвани за производство на горещите части на авиационните двигатели поради техните отлични високотемпературни криптови свойства. Следователно, дълбоко изследване на проверката и поддръжката на турбинните лопатки е от голямо значение за подобряване на безопасността на функционирането на двигателите и точна оценка на морфологията и степента на повредата на лопатките.

Режими на неуспех на лопата на самолетния двигател

Ломов по нискочестотна умора на лопатка

При praktičnata експлоатация, нискочестотната умора на роторните лопатки обикновено не се създава лесно, но при следните три условия възниква нискочестотна умора. Фигура 1 е схематичен чертеж на лома на лопатка.

(1) Въпреки че работното напрежение в опасната секция е по-малко от предела на пластичното деформиране на материал, има големи локални дефекти в опасната секция. В тази област, поради наличието на дефектите, по-голямата част от съседната област надвишава предела на пластичното деформиране на материала, което води до голяма пластична деформация и довежда до нискочестотна умора на лопатката.

(2) Поради лошо разгледаните конструкционни решения, работното напрежение на лопатката в опасната секция е близо до или надвишава предела на пластичното деформиране на материала. Когато има допълнителни дефекти в опасната част, лопатката ще претърпи нискочестотна умора.

(3) Когато лопастта има необикновени условия като трептение, резонанс и превързане, общата стойност на напреженията в нейната опасна секция е по-голяма от нейната гранична твърдост, което води до разпад на лопастта поради нискоциклова умора. Разпадът от нискоциклова умора се дължи главно на причини свързани с проектирането и най-често се случва около корена на лопастта. Няма显著ен уморен дуговиден арк при типичния разпад от нискоциклова умора.

Счупване на лопастта поради умора при торсионен резонанс

Уморният разпад от висок брой цикли се отнася за разпада, който се случва при торсионния резонанс на лопастта и има следните представителни характеристики:

(1) Има падане на ъгъла при торсионния резонанс възел.

(2) Може да се види显著ен уморен дуговиден арк при уморния разпад на лопастта, но дугата е много тънка.

(3) Разпадът обикновено започва от задната част на лопастта и се разпространява към чашата на лопастта, а зоната на умората заема основната част от повърхнината на разпада.

Има две основни причины за въртящите се уморителни тресове на лопатката: първата е въртящият резонанс, а втората е широкото ржавене на повърхността на лопатката или въздействието на външна сила.

Уморително и термично повредено разцепване на лопатката

Лопатките на турбинния ротор работят в високотемпературна среда и са подложени на промени в температурата и чередувани стресове, които водят до деформация и уморителни повреди на лопатките (вж. фигура 2). За високотемпературното уморително разцепване на лопатките трябва да бъдат изпълнени следните три условия:

(1) Уморителното разцепване на лопатката главно показва характера на междучестичното разцепване.

(2) Температурата при мястото на разцепването на лопатката е по-висока от граничната крипна температура на материалите;

(3) Мястото на уморителното разцепване на лопатката може да издържи само центробежното дълговременно напрежение на квадратна форма, което надхвърля крипния или уморителен лимит при тази температура.

Обикновено, изламане на роторните лопатки от умора при високи температури е изключително рядко, но при реалното използване уморните тресове, причинени от термичен щета към ротора, са относително често срещани. През функционирането на двигателите, перетопването или прекалено загряване на компонентите поради краткосрочни надtemperature при необичайни работни условия се нарича надtemperature щета. При високи температури, уморните тресове лесно могат да се появят в лопатките. Уморното разцепване, причинено от високотемпературния щет, има следните основни характеристики:

(1) Позицията на разцепването обикновено се намира в областта с най-висока температура на лопатката, перпендикулярно на осия на лопатката.

(2) Разцепването започва от входящия край на източника, а неговият пресечен вид е тъмен и има висока степен на окисление. Пресеченият вид на продължаващата секция е сравнително равен и цветът му не е толкова тъмърен като в източника.

Технология за подправяне на повреди на лопатките на авиационния двигател

Борскопно проучване на борда

Проверка с бороскоп на борда е визуална проверка на лопатките на турбината чрез зонд в турбинния блок на двигателите. Тази технология не изисква разграждане на двигателя и може да се извърши директно на самолета, което е удобно и бързо. Проверката с бороскоп позволява по-добро откриване на горене, корозия и отлепване на лопатките на турбината, което може да помогне за разбиране и овладяване на технологията и здравето на турбината, така че да се проведе всестранна проверка на лопатките на турбината и да се гарантира нормалното функциониране на двигателя. Фигура 3 показва проверката с бороскоп.

Преградителна промива преди проверка в ремонтиращия ателиер

Повърхността на турбинните лопатки е покрита с отложения след горене, облагания и термични слоеве корозия, образувани от високотемпературна оксидна корозия. Отлагането на въглерод ще увеличи стенината на лопатките, което води до промени в първоначалния път на воздушния поток, по този начин намалявайки ефективността на турбината; термичната корозия ще намали механичните свойства на лопатките; а поради наличието на въглеродни отложения, повредите на повърхността на лопатките остават скрити, затруднявайки техните детектиране. Затова преди да се мониторират и подправят лопатките, въглеродните отложения трябва да бъдат изчистени.

Тестване на целостта на лопатките

В миналото, "твърдите" измерващи инструменти като ъгломери и шестарти се използваха за определяне на диаметъра на лопатките на авиационни двигатели. Този метод е прост, но лесно може да бъде повлиян от човешки фактор и има недостатъци като ниска точност и бавна скорост на измерване. Потом, базирано на координатната измерваща машина, беше написана програма за автоматично управление с микрокомпютър и беше разработена система за измерване на геометричните размери на лопатките. Чрез автоматично измерване на лопатките и сравнение с стандартния облик на лопатката, резултатите от тестовете за грешки се дават автоматично, за да се определи пригодността на лопатката и необходимият метод за поддръжка. Въпреки че координатните измервателни машини на различните производители имат различия в конкретните технологии, те имат следните общности: високо ниво на автоматизация, бързо измерване, обикновено една лопатка може да бъде измерена за 1 минута, и имат добри възможности за разширение. Чрез промяна на базата данни с стандартен облик на лопатките, могат да се измерват различни видове лопатки. На рисунка 4 е показан тестът за цялост.

Поддръжка на лопатките на самолетния двигател

Термична спрей технология

Термичното спрейване е процес, при който влакна или праховидни материали се горят до топено състояние, след това се атомизират и се депозират върху частите или основите за спрейване.

(1) Износостойки покрития

Износостойките покрития, като кобалтни, никелни и карбидни от волфрам, се използват широко в частите на самолетните двигатели, за да се намали триенето, причинено от вибрация, скъсване, сблъсквания, триене и други видове триене по време на функционирането на самолетните двигатели, което подобрява производителността и срока на служба.

(2) Термостойки покрития

За да се увеличи тласъкът, модерните авиационни двигатели трябва да увеличат температурата преди турбината до максимум. Поради това работната температура на лопастите на турбината също ще се увеличи съответно. Въпреки че се използват топлостойки материали, все още е трудно да се отговарят на изискванията за употреба. Резултатите от тестовете показват, че прилагането на топлостойки покрития върху повърхността на лопастите на турбината може да подобри топлостойкостта на частите и да избегне деформацията и трескването на частите.

(3) Износни покрития

В современите авиационни двигатели турбината се състои от огледало, съставено от множество хоризонтални статорни лопатки, и роторна лопатка, закрепена на диска. За да се подобри ефективността на двигателите, разстоянието между двата компонента - статора и ротора - трябва да бъде намалено колкото е възможно повече. Този интервал включва "преден интервал" между края на ротора и фиксирания външен пръстен, както и "интервал на етап" между всеки етап на ротора и огледалото. За да се намали въздушната протичка, предизвикана от прекомерния интервал, теоретично интервалът трябва да бъде нулев колкото е възможно повече, но поради реалните грешки и грешките при монтажа на производствените части това е трудно за постигане; освен това при високи температури и скорости колелото се движи продължително, което води до радиално "разширяване" на лопастите. Поради изкривяването, термичното разширяване и свиване на деталите, се използват спрейни износни покрития, за да се получи най-малкият контролируем интервал, тоест се нанасят различни покрития върху повърхността край върха на лопастта; когато вращащите се части се трият срещу нея, покритието произвежда жертвен износ, което намалява интервала до минимум. На фигура 5 е показана термичната спрейна технология.

Shot Peening

Технологията Shot peening използва високоскоростни снаряди, които ударяват повърхността на детал, пораждайки остатъчно компресивно напрежение на повърхността на детал и формирайки усилващ материал до определена степен, за да се подобри умората на продукта и се намали стресното корозионно действие на материала. Фигура 6 показва лопаст след shot peening.

(1) Сухо shot peening

Сухата технология shot peening използва центробежна сила, за да образува усилващ слой с определена дебелина на повърхността на детал. Въпреки че сухата технология shot peening има прости машини и висока ефективност, тя все още има проблеми като пылна загадваност, висок шум и висок разход на снаряди по време на масово производство.

(2) Водно shot peening

Водното шот пениране има същия механизъм за укрепване като сухото шот пениране. Разликата е, че то използва бързо движими течни частици вместо шот, което намалява въздействието на праха върху околната среда по време на сухото шот пениране и подобрява работната среда.

(3) Укрепване с ротационна плоча

Американската компания 3M е разработила нов тип процес за укрепване чрез шарпечене. Нейният метод за укрепване е да се използва вращаща се тарелка с шари, които непрекъснато ударяват металната повърхност с висока скорост, за да се образува слой за укрепване на повърхността. Сравнено с обикновеното шарпечене, то има предимства като прости инструменти, лесно използване, висока ефективност, икономичност и продължителност. Укрепването с вращаща се тарелка означава, че когато високоскоростен шар удари лопастта, повърхността ще се разшири бързо, причинявайки й да претърпи пластична деформация на определена дълбочина. Толщината на деформационния слой зависи от ударната сила на проектила и механичните свойства на материалите на работния предмет, като може да достигне между 0,12 и 0,75 мм. Чрез регулиране на процеса на шарпечене може да се получи подходящата толщина на деформационния слой. Под влиянието на шарпеченето, когато се появява пластична деформация на повърхността на лопастта, съседната подповърхност ще се деформира също. В сравнение с повърхността, деформацията на подповърхността е по-малка. Без да се достигне точката на изтаяване, тя все още е в стадията на еластична деформация, така че неuniformната пластична деформация между повърхността и подповърхността е неравномерна, което може да причини промени в остатъчните напрежения след спрayersването. Резултатите от тестовете показват, че има остатъчни компресионни напрежения на повърхността след шарпеченето, а на определена дълбочина се появяват растящи напрежения на подповърхността. Остатъчните компресионни напрежения на повърхността са няколко пъти по-големи от тези на подповърхността. Това разпределение на остатъчни напрежения е много полезно за подобряване на умората и корозионната устойчивост. Затова технологията за шарпечене играе много важна роля за продължаване на срока на служба на продуктите и подобряване на качеството на продуктите.

Поправка на покритието

В самолетните двигатели много от съвременните турбинни лопатки използват технология за покритие, за да подобрят своите свойства срещу окисление, корозия и износ; обаче, тъй като лопатките ще бъдат повредени в различна степен по време на употребата, те трябва да бъдат поправени по време на техническото обслужване, обикновено чрез премахване на оригиналното покритие и след това нанасяне на нов слой покритие.