Technologie detekce a opravy poruch ve vějířových lopatkách letadlových motorů

Lopatky turbíny jsou důležitou součástí letadlových motorů, s vysokou teplotou, těžkým zátěžím a složitou strukturou. Kvalita prohlídek a údržby je úzce spojena s odolností a životností této práce. Tento článek studuje prohlídky a údržbu lopatek letadlového motoru, analyzuje režim selhání lopatek letadlového motoru a shrnuje technologie detekce selhání a údržby lopatek letadlového motoru.

Při návrhu větrákových listů se často používají nové materiály s vyšší kvalitou a snižuje se pracovní rezerva pomocí zlepšení konstrukce a technologie zpracování, aby se zvýšil poměr tahu ku hmotnosti motoru. Větrákový list je aerodynamický profil, který může dosahovat ekvivalentní práce po celé délce listu, čímž se zajistí, že proudový vzduch má rotaci mezi kořenem a špičkou listu, a rotace na špičce je větší než u kořene. Instalace větrákového rotorového listu na větrákovém kotouči je velmi důležitá. "Jehličnatý" klín je rotor moderního plynového turbíny. Byl přesně zpracován a navržen tak, aby bylo zajištěno, že všechny flangy rovnoměrně nesou zátěž. Když je turbína v klidu, list má tangenciální pohyb v zubním údolí, a když turbína rotuje, kořen listu je kvůli odstředivé síle stisknut ke kotouči. Materiál vrtule je důležitým faktorem pro zajištění výkonu a spolehlivosti turbíny. V minulosti se používaly deformované vysokoteplotné slitiny a vyráběly se lisováním. S neustálým pokrokem v návrhu motorů a technologii přesného lití se větrákové listy změnily z deformovaných slitin na duté, polycrystalické na jednovrstvé, a tepelná odolnost listů byla významně zvýšena. Niklové jednovrstvé super slitiny jsou široce používány při výrobě teplých částí letadlových motorů díky svým vynikajícím vysokoteplotním plazmovým vlastnostem. Proto je hluboký výzkum kontroly a údržby větráků velmi významný pro zvýšení bezpečnosti provozu motoru a přesné posouzení morfologie a stupně poškození listů.

Spolehlivostové režimy selhání listů letadlového motoru

Selhání způsobené nízkofrekvenční únavou listu

Ve skutečné práci není nízkofrekvenční únavové zlomení rotorových listů obvykle snadné, ale za následujících tří podmínek dojde k nízkofrekvenční únavě. Obrázek 1 je schéma zlomeného listu.

(1) I když je pracovní napětí na nebezpečném místě menší než prahová odolnost materiálu, jsou na nebezpečném místě velké lokální defekty. V této oblasti dochází kvůli existenci defektů k tomu, že větší okolní plocha překročí prahovou odolnost materiálu, což způsobuje velké plastické deformace a následně nízkofrekvenční únavové zlomení listu.

(2) Z důvodu špatného návrhu je pracovní napětí listu na nebezpečném místě blízké nebo překračuje prahovou odolnost materiálu. Když jsou v nebezpečné části další defekty, list utrpí nízkofrekvenční únavové zlomení.

(3) Když list vykazuje neobvyklé stavy, jako je chvění, rezonance a přehřátí, je celková hodnota napětí v jeho kritické části větší než jeho prahová síla, což způsobí nízkofrekvenční unavové zlomení listu. Nízkofrekvenční unavové zlomení je hlavně způsobeno nesprávným návrhem a většinou se projevuje kolem kořene listu. Na typickém nízkofrekvenčním zlomu není patrný žádný zřetelný unavový oblouk.

Selhání z důvodu unavového zlomení při torsionální rezonanci listu

Vysokofrekvenční unavové zlomení se týká zlomení, které nastane při torsionální rezonanci listu, a má následující reprezentativní charakteristiky:

(1) Pokles rohu nastává v uzlu torsionální rezonance.

(2) Na unavovém zlomu listu je viditelná zřetelná unavová křivka, ale unavová křivka je velmi tenká.

(3) Zlom obvykle začíná na zadní straně listu a rozšiřuje se do kotouče listu, přičemž unavová oblast zabírá hlavní část plochy zlomu.

Existují dva hlavní důvody pro torzní únavové trhliny listu: jedním je torzní rezonance a druhým je rozsáhlá rzi na povrchu listu nebo dopad vnější síly.

Vysokoteplotní únavové a tepelné poškození trhlinové selhání listu

Turbínové rotory pracují v prostředí vysokých teplot a jsou předmětem změn teploty a střídavých stresů, což způsobuje krupení a únavové poškození listů (viz obrázek 2). Pro vysokoteplotní únavové trhliny listu musí být splněny následující tři podmínky:

(1) Únavové trhliny listu převážně ukazují charakteristiky meziprvkového lomu.

(2) Teplota na místě trhliny listu je vyšší než mez creep teploty materiálu;

(3) Místo únavové trhliny listu může snést pouze odstředivé tahové síly ve tvaru čtvercové vlny, které přesahují mez creep nebo únavové mez na této teplotě.

Obecně je únavové lomení rotorových listů při vysokých teplotách extrémně vzácné, ale ve skutečném použití je únavové lomení způsobené tepelním poškozením rotoru poměrně běžné. Během provozu motoru se označuje jako přehřátí poškození přehřátí nebo přepálení součástí kvůli krátkodobému překročení teploty v anormálních pracovních podmínkách. Při vysokých teplotách jsou na lisech snadno viditelné únavové trhliny. Únavové lomení způsobené poškozením vysokými teplotami má následující hlavní charakteristiky:

(1) Poloha lomu se obvykle nachází v nejteplejší oblasti listu, kolmo na jeho osu.

(2) Lomek vzniká na okraji plochy zdroje a jeho řez je tmavý a má vysokou stupeň oxidace. Řez rozšířené části je relativně rovnoměrný a není tak tmavý jako oblast zdroje.

Technologie opravy lopatek letadlového motoru

Vrtule pro kontrolu na palubě

Příruční boroskopová kontrola slouží k vizuálnímu prohlédnutí větracích listů prostřednictvím sondy v turbínové krabici motoru. Tato technologie nepožaduje rozmontáž motoru a může být provedena přímo na letadle, což je pohodlné a rychlé. Boroskopová kontrola může lépe detekovat školení, korozi a oddělení větracích listů, což může pomoci pochopit a ovládat technologii a stav turbiny, aby bylo možné provést komplexní kontrolu větracích listů a zajistit normální fungování motoru. Obrázek 3 ukazuje boroskopovou kontrolu.

Předprostředivá úprava před kontrolou v opravní dílně

Povrch vrtule je po spalování pokryt nánosy, obaly a vrstvami tepelné koroze vzniklými v důsledku vysokoteplotní oxidní koroze. Uhlíkové nasazování zvětší šířku stěny lopatek, což způsobí změnu původního průtoku vzduchu, čímž se snižuje efektivita turbíny; tepelná koroze sníží mechanické vlastnosti lopatek; a kvůli přítomnosti uhlových nánosů je poškození povrchu lopatek zakryto, což komplikuje detekci. Proto musí být před monitorováním a opravou lopatek odebrány uhlové nánosy.

Test integrity lopatek

V minulosti se k zjištění průměru lopatek letadlových motorů používaly "tvrdé" měřicí nástroje, jako jsou úhelníky a škrabošky. Tato metoda je jednoduchá, ale snadno podléhá lidskému vlivu a má nedostatky, jako je nízká přesnost a pomalá rychlost detekce. Následně byla na základě souřadnicového měřícího stroje napsána aplikace pro automatizovanou mikropočítačovou kontrolu a vyvinut měřicí systém pro geometrické rozměry lopatek. Pomocí automatické detekce lopatek a srovnání se standardní formou lopatky jsou automaticky poskytovány výsledky testu chyb pro určení použitelnosti lopatky a potřebného způsobu údržby. I když mají souřadnicové měřicí přístroje různých výrobců rozdíly ve specifických technologiích, mají následující společnosti: vysoká úroveň automatizace, rychlá detekce, obvykle je možné jednu lopatku změřit za 1 minutu, a mají dobré rozšíření. Předěláním databáze standardních tvarů lopatek lze kontrolovat různé typy lopatek. Obrázek 4 ukazuje test integrity.

Údržba lopatek letadlových motorů

Termální sprejovací technologie

Termální sprejování je technologie, kdy se vlákna nebo prachové materiály spálí do tekutého stavu, dále je atomizují a následně uloží na součástky nebo podložky určené ke sprejování.

(1) Obranné vrstvy odmítající摩損

Obranné vrstvy odmítající摩損, jako jsou kobaltové, niklové a vrstvy z tungstenového karbidu, jsou široce používány v detailech letadlových motorů pro snížení tření způsobeného vibracemi, posuvem, kolizí, třením a jiným třením během provozu letadlových motorů, čímž zlepšují výkon a životnost.

(2) Vrstvy odolné vůči teplu

Pro zvýšení tahového momentu potřebují moderní letadlové motory zvýšit teplotu před turbínou na maximum. Tímto způsobem se zvyšuje pracovní teplota listů turbíny. I když jsou používány žáruodolné materiály, je stále těžké splnit požadavky na použití. Výsledky testů ukazují, že aplikací žáruodolných nátěrů na povrch listů turbíny lze zvýšit žáruodolnost součástí a zabránit deformaci a prasknutí součástí.

(3) Odloupávací nátěry

Ve moderních letadlových motorech je turbinová soustava tvořena nádrží se souborem více horizontálních statorových listů a rotorovým lopatkovým kolem pevně připojeným na disku. Pro zvýšení účinnosti motoru by měla být vzdálenost mezi dvěma komponenty, tj. statorovými a rotorovými částmi, snížena co nejvíce. Tento mezerník zahrnuje "mezerník na špičce" mezi špicí rotoru a pevným vnějším prstencem a "mezerník mezi stupni" mezi jednotlivými stupni rotoru a obalovou nádrží. Aby se minimalizovalo unikání vzduchu způsobené příliš velkým mezerníkem, byl by ideálně mezerník co nejblíže nule, avšak kvůli skutečným chybám a instalacím je dosažení takového stavu obtížné; navíc za vysokých teplot a rychlostí dojde k longitudinálnímu posunu kol, který způsobuje, že lopatky se „rozrůstají“ radialem. Z důvodu ohýbavé deformace, tepelného roztažení a sbíhání materiálu se používá technologie nanosítí pro vytvoření nejmenší možné mezery, tedy aplikací různých nátěrových vrstev poblíž špiček lopatek; když se otáčející části dotknou těchto vrstev, dochází ke kontrolovanému opotřebení (tzv. obětovné opotřebení), čímž se mezera minimalizuje. Obrázek 5 ukazuje termální nanesovací technologii.

Shot Peening

Technologie shot peening používá vysokorychlostní střepiny k dopadu na povrch součásti, čímž vzniká zbytkové kompresní napětí na povrchu součásti a tvoří se posilující materiál určitého rozsahu, který zvyšuje odolnost proti únavě produktu a snižuje stresovou korozní vlastnost materiálu. Obrázek 6 ukazuje list po shot peening.

(1) Suchý shot peening

Technologie suchého shot peening využívá centrifugální síly k tvorbě posilující vrstvy určité tloušťky na povrchu součásti. I když má technologie suchého shot peening jednoduché zařízení a vysokou efektivitu, přesto vznikají během hromadné výroby problémy jako prachové znečištění, vysoký hluk a vysoká spotřeba střepin.

(2) Vodní shot peening

Vodní stříkačka má stejný posilující mechanismus jako suchá stříkačka. Rozdíl je v tom, že používá rychle se pohybující kapky tekutiny namísto ocelových koulí, čímž snižuje vliv prachu na životní prostředí během suchého šlichtování a zlepšuje tak pracovní prostředí.

(3) Rotující deska pro posilování

Americká společnost 3M vyvinula nový typ procesu posilování střílením koulí. Tento způsob posilování spočívá v použití rotující desky s koulí, která neustále útočí na povrch kovu vysokou rychlostí a tím vytváří vrstvu povrchového posilování. Ve srovnání se střílením koulí má výhody jednoduchého zařízení, snadného použití, vysoké účinnosti, ekonomickosti a trvanlivosti. Rotující deskové posilování znamená, že když vysokorychlostní kulka narazí na čepel, její povrch se bude rychle rozšiřovat, což způsobí plastickou deformaci ve stanovené hloubce. Hustota deformační vrstvy je propojena s impaktní silou projektily a mechanickými vlastnostmi materiálu součástky a obvykle může dosáhnout 0,12 až 0,75 mm. Za pomoci regulace procesu střílení lze získat vhodnou tloušťku deformační vrstvy. Během střílení dojde k plastické deformaci na povrchu čepele, přičemž sousední subsurface (podvrstva) se také deformuje. Nicméně ve srovnání s povrchem je deformace podvrstvy menší. Pokud není dosaženo bodu prasknutí, nachází se stále v fázi elastické deformace, takže nesoustavná plastifikace mezi povrchem a subsurface je nerovnoměrná, což může způsobit změny reziduálních napětí v materiálu po střílení. Výsledky testů ukazují, že po střílení dochází k reziduálním kompresním napětím na povrchu a v určité hloubce se objeví tahová napětí v subsurface. Reziduální kompresní napětí na povrchu je několikrát vyšší než v subsurface. Toto rozložení reziduálních napětí je velmi prospěšné pro zlepšení odolnosti proti unavení a korozní odolnosti. Proto hraje technologie střílení klíčovou roli při prodlužování životnosti produktů a zlepšování kvality produktů.

Oprava nánosu

V letadlových motorech mnoho pokročilých vrtulek používá technologii nánosů pro zlepšení jejich odolnosti proti oxidaci, korozi a přemáhání; nicméně, protože se během provozu vrtulky poškodí v různé míře, musí být během údržby opraveny, obvykle tím, že se odstraní původní nános a poté se aplikuje nová vrstva nánosu.