Turbineblätter sind ein wichtiger Bestandteil von Flugzeugtriebwerken, mit hohen Temperaturen, schweren Belastungen und komplexer Struktur. Die Qualität der Inspektion und Wartung ist eng mit der Haltbarkeit und dem Lebenszyklus der Komponenten verknüpft. Dieser Artikel untersucht die Inspektion und Wartung von Flugzeugtriebwerkblättern, analysiert das Versagensverhalten der Triebwerkblätter und fasst die Fehlersuchtechnologien und Wartungstechnologien für Flugzeugtriebwerkblätter zusammen.
Beim Design von Turbinenschaufeln werden oft neue Materialien mit höherer Qualität eingesetzt, und durch die Verbesserung der Struktur und der Fertigungstechnologie wird der Sicherheitspuffer reduziert, um das Schub-Gewichts-Verhältnis des Motors zu verbessern. Die Turbinenschaufel ist ein aerodynamischer Profilkörper, der über die gesamte Länge der Schaufel gleichwertige Arbeit leisten kann, wodurch sichergestellt wird, dass die Luftströmung zwischen dem Schaftfuß und der Schaftpitze einen Drehwinkel aufweist, wobei der Drehwinkel an der Schaftpitze größer ist als am Schaftfuß. Es ist sehr wichtig, die Turbinenrotorschaufel auf dem Turbinenscheibenrad zu montieren. Das 'Fichtenkernförmige' Zapfenprofil ist der Rotor der modernen Gasturbine. Es wurde präzise verarbeitet und entwickelt, um sicherzustellen, dass alle Flansche gleichmäßig belastet sind. Wenn die Turbine stillsteht, hat die Schaufel eine tangentialbewegte Bewegung im Zahngroßbereich, und wenn die Turbine rotiert, wird der Schaftfuß durch den Zentrifugaleffekt fest an das Rad gedrückt. Das Impeller-Material ist ein wichtiger Faktor für die Sicherstellung der Leistung und Zuverlässigkeit der Turbine. Früher wurden verzogene Hochtemperaturlegierungen verwendet und durch Schmieden hergestellt. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt in der Motorenentwicklung und Präzisionsgießtechnologie haben sich Turbinenschaufeln von verzogenen Legierungen zu hohlen, polykristallinen zu einkristalligen Profilen entwickelt, wodurch die Wärmebeständigkeit der Schaufeln erheblich verbessert wurde. Nickelbasis-Einkristall-Superallegierungen werden aufgrund ihrer ausgezeichneten Hochtemperatur-Kriechfestigkeit weitgehend bei der Herstellung von Heißteilkomponenten von Flugtriebwerken eingesetzt. Daher hat eine vertiefte Forschung zur Inspektion und Wartung von Turbinenschaufeln große Bedeutung für die Verbesserung der Sicherheit des Motorbetriebs und die genaue Bewertung der Schadensmorphologie und des Ausmaßes der Schäden an den Schaufeln.
In der Praxis tritt ein Niederzyklusermüdungsbruch der Rotorblätter normalerweise nicht leicht auf, aber unter den folgenden drei Bedingungen kann es zu einem Niederzyklusermüdungsbruch kommen. Abbildung 1 zeigt ein Schemadiagramm des Blattbruchs.
(1) Obwohl der Beanspruchungsgrad im kritischen Bereich kleiner ist als die Fliessgrenze des Materials, gibt es große lokale Defekte im kritischen Bereich. In diesem Bereich führen die vorhandenen Defekte dazu, dass in der umliegenden größeren Fläche die Fliessgrenze des Materials überschritten wird, was zu einer erheblichen plastischen Deformation und somit zu einem Niederzyklusermüdungsbruch des Blatts führt.
(2) Aufgrund mangelhafter Designüberlegungen liegt die Beanspruchung des Blatts im kritischen Bereich nahe an oder über der Fliessgrenze des Materials. Wenn es in dem kritischen Bereich zusätzliche Defekte gibt, erleidet das Blatt einen Niederzyklusermüdungsbruch.
(3) Wenn das Blatt unter abnormalen Bedingungen wie Flattern, Resonanz und Überhitzung steht, ist der Gesamtspannungswert seines kritischen Abschnitts größer als seine Fliessgrenze, was zu einem Niederzyklusermüdungsbruch des Blatts führt. Der Niederzyklusermüdungsbruch wird hauptsächlich durch Designgründe verursacht und tritt meistens um den Blattfuß herum auf. Bei einem typischen Niederzyklusbruch ist keine deutliche Ermüdungsbogen sichtbar.
Hochzyklusermüdungsbruch bezieht sich auf den Bruch, der bei der Torsionsresonanz des Blatts auftritt, und weist die folgenden repräsentativen Merkmale auf:
(1) Eine Eckenabnutzung tritt am Knotenpunkt der Torsionsresonanz auf.
(2) An der Ermüdungsbruchstelle des Blatts kann eine deutliche Ermüdungskurve gesehen werden, aber die Ermüdungskurve ist sehr dünn.
(3) Der Bruch beginnt normalerweise an der Rückseite des Blatts und erstreckt sich zur Blattrinne, wobei die Ermüdungszone den Hauptbereich der Bruchfläche ausmacht.
Es gibt zwei Hauptgründe für die Torsionsermüdungsrisse der Schaufel: einer ist die Torsionsresonanz, und der andere ist die starke Rostbildung auf der Schaufeloberfläche oder der Einfluss äußerer Kräfte.
Turborotorblätter arbeiten in einer Hochtemperaturumgebung und sind Temperaturenänderungen und Wechselbelastungen ausgesetzt, was zu Kriech- und Ermüdungsschäden der Blätter führt (siehe Abbildung 2). Für den Hochtemperaturbruch der Blätter müssen folgende drei Bedingungen erfüllt sein:
(1) Der Ermüdungsbruch des Blattes zeigt hauptsächlich die Merkmale eines kristallinen Bruchs.
(2) Die Temperatur am Bruchort des Blattes ist höher als das kriechgrenzbezogene Temperaturlimit des Materials;
(3) Der Ermüdungsbruchbereich des Blattes kann nur die Zentrifugalspannung im Rechteckwellenmuster aushalten, die das Kriechlimit oder Ermüdungslimit bei dieser Temperatur überschreitet.
Im Allgemeinen ist eine Ermüdungsbruch von Rotorblättern bei hohen Temperaturen äußerst selten, aber in der praktischen Anwendung kommt es relativ häufig zu Ermüdungsbrüchen, die durch thermischen Schaden am Rotor verursacht werden. Während des Motorbetriebs wird das Überhitzen oder Überbrennen von Komponenten aufgrund kurzfristiger Temperaturüberschreitungen unter abnormalen Betriebsbedingungen als Überhitzungsschaden bezeichnet. Bei hohen Temperaturen treten Ermüdungsrisse leichter in den Blättern auf. Ein durch Hochtemperaturschäden verursachter Ermüdungsbruch hat die folgenden Hauptmerkmale:
(1) Die Bruchposition befindet sich normalerweise im höchsten Temperaturbereich des Blades und steht senkrecht zur Achse des Blades.
(2) Der Bruch beginnt am Einlassrand des Quellgebiets, und seine Querschnittsfläche ist dunkel und stark oxidiert. Der Querschnitt des Ausdehnungsabschnitts ist relativ glatt, und die Farbe ist nicht so dunkel wie im Quellgebiet.
Die Bordboreskopuntersuchung dient zur visuellen Inspektion der Turbinenschaufeln mittels eines Sensors in der Turbinenhülle des Motors. Diese Technologie erfordert keine Zerlegung des Motors und kann direkt am Flugzeug durchgeführt werden, was bequem und schnell ist. Die Boreskopuntersuchung kann Verbrennungen, Korrosion und Löschungen an den Turbinenschaufeln besser erkennen, was hilfreich ist, um die Technik und den Zustand der Turbine zu verstehen und zu beherrschen, um so eine umfassende Inspektion der Turbinenschaufeln durchzuführen und den normalen Betrieb des Motors sicherzustellen. Abbildung 3 zeigt die Boreskopuntersuchung.
Die Oberfläche der Turbinenschaufeln ist nach dem Verbrennungsprozess mit Verätzungen, Beschichtungen und durch Hochtemperatur-Oxidationskorrosion gebildeten thermischen Korrosionsschichten bedeckt. Kohlenstoffablagerungen erhöhen die Wanddicke der Schaufeln, was zu Änderungen im ursprünglichen Luftstrom führt und dadurch die Turbinenwirkung verringert; thermische Korrosion reduziert die mechanischen Eigenschaften der Schaufeln; und aufgrund der Kohlenstoffablagerungen wird die Beschädigung der Schaufeloberfläche verdeckt, was eine Erkennung erschwert. Daher müssen die Kohlenstoffablagerungen vor der Überwachung und Reparatur der Schaufeln entfernt werden.
In der Vergangenheit wurden "harte" Messinstrumente wie Winkelmesser und Schieblehren verwendet, um den Durchmesser der Turbinenschaufeln von Flugzeugmotoren zu messen. Diese Methode ist einfach, aber sie ist leicht durch menschliche Einflüsse beeinflussbar und hat Nachteile wie geringe Genauigkeit und langsamer Messgeschwindigkeit. Anschließend wurde auf Basis der Koordinatenmessmaschine eine Anwendung für die automatische Mikrocomputersteuerung geschrieben und ein Messsystem für die geometrischen Abmessungen der Schaufel entwickelt. Durch automatisches Erfassen der Schaufel und Vergleich mit der Standard-Schaufelgeometrie werden die Fehler-Testergebnisse automatisch ausgegeben, um die Verwendbarkeit der Schaufel und die erforderliche Wartungsmethode zu bestimmen. Obwohl die Koordinatenmessgeräte verschiedener Hersteller Unterschiede in spezifischen Technologien aufweisen, haben sie folgende Gemeinsamkeiten: hoher Automatisierungsgrad, schnelle Messung, normalerweise kann innerhalb einer Minute eine Schaufel gemessen werden, und sie bieten gute Erweiterungsmöglichkeiten. Durch Änderung einer Standard-Schaufel-Datenbank können verschiedene Arten von Schaufeln überprüft werden. Abbildung 4 zeigt den Integritätstest.
Das thermische Spritzverfahren besteht darin, fasrige oder pulverförmige Materialien in einen geschmolzenen Zustand zu bringen, sie weiter zu vernebeln und anschließend auf die zu beschichtenden Teile oder Substrate aufzutragen.
(1) Verschleißbeständige Beschichtungen
Verschleißbeständige Beschichtungen, wie kobaltbasierte, nickelbasierte und wolframkarbidbasierte Beschichtungen, werden weitgehend in Flugtriebwerksteilen eingesetzt, um Reibung durch Vibration, Gleiten, Kollision, Reibung und andere Formen der Reibung während des Betriebs von Flugtriebwerken zu reduzieren und so Leistung und Lebensdauer zu verbessern.
(2) Hitzebeständige Beschichtungen
Um die Schubkraft zu erhöhen, müssen moderne Flugzeugtriebwerke die Temperatur vor der Turbine auf das Maximum anheben. Auf diese Weise wird die Betriebstemperatur der Turbinenschaufeln entsprechend erhöht. Obwohl wärmefestige Materialien verwendet werden, ist es immer noch schwierig, den Einsatzanforderungen gerecht zu werden. Testergebnisse zeigen, dass das Anbringen wärmefester Beschichtungen auf der Oberfläche der Turbinenschaufeln die Wärmebeständigkeit der Teile verbessern und Verformungen sowie Risse verhindern kann.
(3) Abraidbare Beschichtungen
In modernen Flugzeugtriebwerken besteht die Turbine aus einem Gehäuse, das aus mehreren horizontalen Statorblättern und einem auf einer Scheibe befestigten Rotorblatt zusammengesetzt ist. Um die Effizienz des Motors zu verbessern, sollte der Abstand zwischen den beiden Komponenten Stator und Rotor so weit wie möglich reduziert werden. Dieser Spalt umfasst den "Tip Gap" zwischen dem Rotorspitzen und dem festen äußeren Ring sowie den "Stage Gap" zwischen jeder Stufe des Rotors und dem Gehäuse. Um die durch zu große Lücken verursachte Luftausflussminderung zu reduzieren, sollten diese Lücken theoretisch so weit wie möglich null sein, da es aufgrund der tatsächlichen Fertigungsgenauigkeit und Installationsfehlern schwer ist, dies zu erreichen; außerdem bewegt sich die Rotorwelle unter hohen Temperaturen und Geschwindigkeiten auch axial, was dazu führt, dass die Blätter radial "wachsen". Aufgrund der Biegeverformung, thermischen Ausdehnung und Kontraktion der Werkstücke werden Spritzträger verwendet, um den kleinstmöglichen bewussten Spalt zu schaffen, das heißt, verschiedene Beschichtungen werden nahe der Spitze der Blätter aufgesprüht; wenn sich die rotierenden Teile daran reiben, erzeugt die Beschichtung opfernde Verschleiß, wodurch der Spalt auf ein Minimum reduziert wird. Abbildung 5 zeigt die Thermalspritztechnologie.
Die Shot-Peening-Technologie verwendet hochgeschwindige Projektilen, um die Oberfläche des Werkstücks zu bearbeiten. Dabei entsteht eine residuelle Druckspannung auf der Oberfläche des Werkstücks und wird ein verstärkendes Material in gewissem Maße gebildet, was die Ermüdungsstärke des Produkts verbessert und die Spannungskorrosionswiderstandsfähigkeit des Materials reduziert. Abbildung 6 zeigt das Blatt nach dem Shot Peening.
(1) Trockenes Shot Peening
Die trockene Shot-Peening-Technologie nutzt die Zentrifugalkraft, um eine verstärkende Schicht mit einer bestimmten Dicke auf der Oberfläche des Werkstücks zu erzeugen. Obwohl die trockene Shot-Peening-Technologie einfaches Equipment und hohe Effizienz bietet, gibt es bei Massenproduktion immer noch Probleme wie Staubbelastung, hoher Lärmpegel und hoher Verbrauch an Shot-Materialien.
(2) Wasserbasiertes Shot Peening
Wasser-Schusspeenning hat dasselbe Verfestigungsprinzip wie trockenes Schusspeenning. Der Unterschied besteht darin, dass es schnell bewegte Flüssigkeitsteilchen anstelle von Schuss verwendet, wodurch der Staubeinfluss auf die Umwelt während des trockenen Schusspeennings reduziert wird und somit die Arbeitsumgebung verbessert wird.
(3) Rotierende Scheibenverfestigung
Das amerikanische Unternehmen 3M hat einen neuen Schusspeenverstärkungsprozess entwickelt. Seine Verstärkungsmethode besteht darin, eine mit Schuss beladene Drehplatte zu verwenden, die die Metalloberfläche kontinuierlich mit hoher Geschwindigkeit trifft, um eine Verstärkungsschicht auf der Oberfläche zu bilden. Im Vergleich zur Schusspeenung bietet sie die Vorteile einfacherer Geräte, einfacheren Handhabens, hoher Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Langlebigkeit. Bei der Drehplattenverstärkung wird die Oberfläche der Klinge durch den hohen Geschwindigkeitsaufprall des Schusses schnell expandieren, was dazu führt, dass sie in einer bestimmten Tiefe plastisch deformiert wird. Die Dicke der Deformationschicht hängt von der Aufprallstärke des Projektils und den mechanischen Eigenschaften des Werkstoffmaterials ab und erreicht normalerweise 0,12 bis 0,75 mm. Durch Anpassen des Schusspeenungsprozesses kann die geeignete Dicke der Deformationschicht erhalten werden. Unter dem Einfluss der Schusspeenung tritt bei der plastischen Deformation der Klingeoberfläche auch eine Deformation im benachbarten Substrat ein. Im Vergleich zur Oberfläche ist jedoch die Deformation des Substrats geringer. Ohne den Nachgiebepunkt zu erreichen, befindet es sich noch in der elastischen Deformationsphase, so dass die ungleichmäßige Plastifizierung zwischen Oberfläche und tieferem Bereich ungleichmäßig ist, was nach dem Spritzen zu Veränderungen des Restspannungszustands im Material führen kann. Die Testergebnisse zeigen, dass nach der Schusspeenung Restdruckspannungen an der Oberfläche auftreten und in einer bestimmten Tiefe Zugspannungen im Substrat auftreten. Die Restdruckspannungen an der Oberfläche sind mehrere Male höher als im Substrat. Diese Restspannungsverteilung ist sehr vorteilhaft für die Verbesserung der Müdungsfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Daher spielt die Schusspeenungstechnologie eine sehr wichtige Rolle bei der Verlängerung der Lebensdauer von Produkten und der Verbesserung der Produktqualität.
In Flugzeugtriebwerken verwenden viele fortschrittliche Turbinenschaufeln Beschichtungstechnologien, um ihre Eigenschaften gegen Oxidation, Korrosion und Verschleiß zu verbessern; da die Schaufeln jedoch im Gebrauch in unterschiedlichem Maße beschädigt werden, müssen sie während der Wartung repariert werden, normalerweise indem die ursprüngliche Beschichtung entfernt und eine neue Beschichtungsschicht aufgetragen wird.
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