Fejlregistrering og reparationsteknologi for flymotorblader

Turbinblader er en vigtig del af flymotorer, med høj temperatur, tung belastning og kompleks struktur. Kvaliteten på inspektion og vedligeholdelse er tæt forbundet med holdbarheden og serviceperioden. Denne artikel undersøger inspektion og vedligeholdelse af flymotorblader, analyserer fejlmekanismen i flymotorblader og summerer op over fejlregistreringsteknologien og vedligeholdelsesmetoderne for flymotorblader.

Ved design af turbineblader bruges ofte nye materialer med højere kvalitet, og den sikkerhedsreserve reduceres ved forbedring af strukturen og bearbejdnings teknologien, hvilket sker for at forbedre motorens stød-vægt-forhold. Turbinebladet er et aerodynamisk profil, der kan opnå ekvivalent arbejde over hele bladets længde, hvilket sikrer, at luftstrømmen har en rotationsvinkel mellem bladets rod og spids, hvor rotationsvinklen ved spidsen er større end ved roden. Det er meget vigtigt korrekt at montere turbine rotorbladet på turbinens skive. Den "firkantet-formede" tønde er rotoren i den moderne gas turbine. Den er nøjagtigt bearbejdet og designet for at sikre, at alle fløjder kan bære lasten jævnt. Når turbinen er stillestående, har bladet en tangentiel bevægelse i tandsproget, og når turbinen drejer, presser centrifugalkraften bladets rod mod skiven. Hjulmaterialet er en vigtig faktor for at sikre ydeevne og pålidelighed af turbinen. Tidligere blev deformerede højtemperaturskifter brugt og fremstillet ved forgning. Med den kontinuerlige udvikling af motor design og præcisionsformering har turbinebladene skiftet fra deformerede alloyer til hule, polykristalline til enkeltkristaller, hvilket har forbedret varmebestandigheden betydeligt. Nickelbaserede enkeltkristal superalloyer anvendes bredt i produktionen af varme ende komponenter i flymotorer på grund af deres fremragende højtemperatur kravle egenskaber. Derfor er dybdegående forskning inden for inspektion og vedligeholdelse af turbineblader af stor betydning for at forbedre sikkerheden ved drift af motoren og nøjagtigt evaluere skadesmorphologi og graden af skade på bladene.

Fejltilstande ved flymotorblader

Blade lav cyklus skades ved trækning

I virkeligheden er lav-cyklus trækning af rotorblader normalt ikke let at forekomme, men under følgende tre forhold vil der opstå lav-cyklus trækning. Figur 1 er et skitsediagram over bladetrækning.

(1) Selvom arbejdsstressen på den farlige sektion er mindre end materialets givningsgrænse, findes der store lokale defekter på den farlige sektion. I dette område fører defektens tilstedeværelse til, at det nærliggende større område overstiger materialets givningsgrænse, hvilket resulterer i en stor plastisk deformation, hvilket fører til lav-cyklus trækning af bladet.

(2) På grund af utilstrækkelig designovervejelse nærmer arbejdsstressen på bladets farlige sektion sig eller overstiger materialets givningsgrænse. Når der er ekstra defekter i den farlige del, vil bladet opleve lav-cyklus trækning.

(3) Når bladen har anormale forhold som f.eks. flak, resonance og overhitting, er den totale spændingsværdi af dens farlige sektion større end dens cederværdi, hvilket resulterer i lav-cyklus træthedsskridt af bladet. Lav-cyklus træthedsskridt skyldes hovedsagelig designårsager, og det opstår flest gange omkring bladets rod. Der findes ingen tydelig træthedsbue ved et typisk lav-cyklus skridt.

Blad torsionsresonance træthedsskridt fejl

Høj-cyklus træthedsskridt henviser til skridtet, der opstår under bladets torsionsresonance, og har følgende repræsentative karakteristika:

(1) Hjørnedrop opstår ved torsionsresonancenode.

(2) En tydelig træthedskurve kan ses på bladets træthedsskridt, men træthedskurven er meget tynd.

(3) Skridtet starter normalt fra bladets bagdel og udvides til bladbeckenet, og træthedsområdet besætter hovedområdet af skridtfladen.

Der er to hovedsaglige årsager til vridningsmæssige udmattelsesklover i bladet: den ene er vridningsresonance, og den anden er omfattende rust på bladoverfladen eller indvirkning af ekstern kraft.

Bladehøjtemperaturs udmattelse og termisk skade udmattelsesbrud

Turbine rotorblader arbejder i en højtemperaturmiljø og udsættes for temperaturændringer og alternativt spænding, hvilket fører til creep og udmattelsesskade ved bladene (se figur 2). For højtemperatur udmattelsesbrud af bladene skal følgende tre betingelser være opfyldt:

(1) Bladets udmattelsesbrud viser primært egenskaber af mellemkornbrud.

(2) Temperaturen ved brudsstedet på bladet er højere end materialets grænsecreep-temperatur;

(3) Udmattelsesstedet på bladet kan kun udholde centrifugalkraftspændingerne med kvadratbølgeform, som overstiger creep-grænsen eller udmattelsesgrænsen ved denne temperatur.

Generelt set er fatiguebrud af rotorblader ved høj temperatur yderst sjældent, men i praksis er fatiguebrud forårsaget af termisk skade på rotoren relativt almindeligt. Under motor drift indebærer overheding eller forbrænding af komponenter på grund af kortsiget overtemperatur under anomal drift overhejdningsskade. Ved høj temperatur er fatiguecracks i bladene nogenlunde at forvente. Fatiguebrud forårsaget af højtemperaturskade har følgende primære karakteristika:

(1) Brudspositionen ligger normalt i bladets højeste temperaturområde, vinkelret på bladaksen.

(2) Bruddet udgår fra inlet-kanten af kildeområdet, og dens tværsnit er mørkt og har en høj grad af oxidation. Tværsnittet af udstrækningen er relativt fladt, og farven er ikke så mørk som i kildeområdet.

Fejlreparations teknologi for flymotorblad

Ombord boreskopinspektion

Ombord borescopic-inspektion er en visuel inspektion af turbinebladene ved hjælp af en sonde i motorens turbineboks. Denne teknologi kræver ikke demontering af motoren og kan udføres direkte på flyet, hvilket er praktisk og hurtigt. Borescopic-inspektion kan bedre opdage forbrænding, korrosion og løslagning af turbinebladene, hvilket kan hjælpe med at forstå og beherske technologien og helbredet af turbinen, således at der kan foretages en omfattende inspektion af turbinebladene og sikre den normale drift af motoren. Figur 3 viser borescopic-inspektionen.

Forrengningsbehandling før inspektion i repareringsværkstedet

Overfladen af turbinebladene er dækket med aflejringer efter forbrænding, coatings og termisk korrosionslag, der dannes af højtemperaturs oxidation korrosion. Kulstofaflejring vil øge bladernes vægtykkelse, hvilket forårsager ændringer i den oprindelige luftstrømningssti, derefter reducerer turbineeffektiviteten; termisk korrosion vil reducere de mekaniske egenskaber af bladene; og på grund af tilstedeværelsen af kulstofaflejringer, bliver skader på bladoverfladen dækket over, hvilket gør det vanskeligt at opdage dem. Derfor skal kulstofaflejringerne rengøres før overvågning og reparation af bladene.

Test af bladeintegritet

I fortiden blev "hårde" måleinstrumenter såsom vinkelmåler og kalkiper brugt til at opdage bladets diameter i flymotorer. Denne metode er simpel, men den påvirkes let af menneskelig interference og har fejl som lav nøjagtighed og langsom målefart. Efterfølgende blev der skrevet en applikation til mikrocomputer automatisk kontrol baseret på koordinatmålemaskine, og et målesystem for geometriske dimensioner af blad udviklet. Ved automatisk at måle bladet og sammenligne det med standardbladformen, gives fejltestresultaterne automatisk for at afgøre bladets anvendelighed og den påkrævede vedligeholdelsesmetode. Selvom koordinatmåleinstrumenterne fra forskellige producenter har forskelle i specifikke teknologier, har de følgende fælleskarakteristika: høj automatiseringsniveau, hurtig detektion, normalt kan ét blad måles på 1 minut, og de har gode udvidelsesmuligheder. Ved at ændre en database over standardbladformer kan forskellige typer af blad måles. Figur 4 viser integritetstesten.

Vedligeholdelse af flymotorblader

Termisk sprøjteknologi

Termisk sprøjteknologi indebærer at forbrænde fibrer eller pulverformede materialer til en smeltet tilstand, atomisere dem yderligere og derefter aflede dem på de komponenter eller substrater, der skal sprøjtes.

(1) Slipbestandige coatings

Slipbestandige coatings såsom kobberbaserede, nikelbaserede og tungstencarbidebaserede coatings bruges bredt i flymotorkomponenter for at reducere friktion forårsaget af vibration, gliding, kollision, friktion og andre former for friktion under drift af flymotorer, hvilket forbedrer ydeevne og service liv.

(2) Hedebestandige coatings

For at øge trækraften skal moderne flymotorer øge temperaturen før turbine til maksimum. På denne måde vil turbinebladenes driftstemperatur også stige tilsvarende. Selv om hedebestandige materialer bruges, er det stadig svært at opfylde brugets krav. Testresultater viser, at anvendelse af hedebestandige coatings på overfladen af turbinebladerne kan forbedre varmebeständigheden af komponenterne og undgå forforming og sprække af dele.

(3) Abrasions coatings

I moderne flymotorer består turbinen af en huse, som er sammensat af flere horisontale statorblader og en rotorblade, der er festgjort på et disc. For at forbedre motorens effektivitet bør afstanden mellem de to komponenter, nemlig stator og rotor, reduceres så meget som muligt. Denne afstand omfatter "tip-gap" mellem rotorspidsen og den feste yderste ring samt "stage-gap" mellem hver rotorstadium og huse. For at reducere luftudslippet, der skyldes for store afstande, er det teoretisk set ønskeligt at få disse afstande så tæt på nul som muligt, men på grund af faktiske fejl og monteringsfejl i produktionsdelen er det vanskeligt at opnå; desuden vil hjulet under høj temperatur og høj hastighed også bevæge sig longitudinelt, hvilket fører til, at bladene "vokser" radialt. På grund af bøjningsspændinger, varmepansion og -kontraktion på arbejdsstykket anvendes sprøjtebarier for at give den mindste bevidste afstand, dvs. forskellige coatings sprøjtes på overfladen nær blade-toppen; når de rotrende dele rører dem, vil coatinget udføre ofringsforbrug, hvilket reducerer afstanden til minimum. Figur 5 viser termisk sprøjte teknologi.

Shot Peening

Shot peening teknologi bruger højhastighedsprojektiler til at ramme overfladen af arbejdsstykket, hvilket genererer resterende kompressionsstress på overfladen af arbejdsstykket og danner en forstærkende materiale i visning grad for at forbedre produktets udstændighed mod træthed og reducere materialets stresskorrosionsydeevne. Figur 6 viser bladet efter shot peening.

(1) Tør shot peening

Tør shot peening teknologi bruger centrifugalkraft til at danne en overfladeforstærkningslag med en bestemt tykkelse på overfladen af arbejdsstykket. Selvom tørr shot peening teknologi har simpelt udstyr og høj effektivitet, har den stadig problemer som støvforurening, høj støj og høj projektilforbrug under masseproduktion.

(2) Vand shot peening

Vandbaseret peening har samme forstærkningsmekanisme som tør peening. Forskellen er, at det bruger hurtig bevægende væskedeleminer i stedet for kugler, hvilket reducerer støvets indvirkning på miljøet under tør peening og dermed forbedrer arbejdsmiljøet.

(3) Rotationspladeforstærkning

Det amerikanske firma 3M har udviklet en ny type af stålsfyret forstærkningsproces. Dens forstærkningsmetode består i at bruge en rotationsplade med projektiler til at slå kontinuerligt på metallarket over høj hastighed for at danne en overflade-forstærkningslag. I forhold til stålsfyring har det fordele som enkel udstyr, nemt at bruge, høj effektivitet, økonomisk og holdbar. Rotationsplade-forstærkning betyder, at når et højhastighedsprojektil rammer bladet, vil bladets overflade udvide sig hurtigt, hvilket forårsager plastisk deformation på en bestemt dybde. Tykkelsen af deformationslaget er forbundet med slagstyrken af projektilerne og de mekaniske egenskaber af arbejdsstykkets materiale og kan normalt nå 0,12 til 0,75 mm. Ved at justere stålsfyreprocessen kan den passende tykkelse af deformationslaget opnås. Under virkningen af stålsfyring, når der sker plastisk deformation på bladets overflade, vil også den nærliggende underliggende lag deformere. Men i forhold til overfladen er deformationen af underliggende lag mindre. Uden at nå givningspunktet er det stadig i elastisk deformationsfase, så den ulige plastificering mellem overfladen og det underliggende lag er ulige, hvilket kan forårsage ændringer i reststress i materialet efter sprøjting. Testresultater viser, at der er restkompressionsstress på overfladen efter stålsfyring, og på en bestemt dybde dukker der op trækstress i underliggende lag. Restkompressionsstress på overfladen er flere gange større end i underliggende lag. Denne reststressfordeling er meget fordelagtig for at forbedre metallets modstandsdygtighed mod træthed og korrosion. Derfor spiller stålsfyreteknologien en meget vigtig rolle i forlængelse af produktets levetid og forbedring af produktkvaliteten.

Reparation af overfladebehandling

I flymotorer bruger mange avancerede turbineblader coatings-teknologi for at forbedre deres modstandsdygtighed mod oxidation, korrosion og skade; imidlertid, da bladene vil blive skadede i forskellige grad under brug, skal de reparereres under vedligeholdelse af bladet, normalt ved at fjerne den oprindelige coating og derefter anvende en ny coating-lag.