Las palas de la turbina son una parte importante de los motores de avión, con alta temperatura, carga pesada y estructura compleja. La calidad de la inspección y el mantenimiento está estrechamente relacionada con la durabilidad y la vida útil del trabajo. Este artículo estudia la inspección y el mantenimiento de las palas de los motores de avión, analiza el modo de fallo de las palas de los motores de avión y resume la tecnología de detección de fallos y la tecnología de mantenimiento de las palas de los motores de avión.
En el diseño de las palas de la turbina, a menudo se utilizan nuevos materiales de mayor calidad y se reduce el margen de trabajo mejorando la estructura y la tecnología de procesamiento, con el fin de mejorar la relación empuje-peso del motor. La pala de la turbina es un perfil aerodinámico que puede realizar un trabajo equivalente a lo largo de toda la longitud de la pala, asegurando así que el flujo de aire tenga un ángulo de rotación entre la raíz y la punta de la pala, siendo el ángulo de rotación en la punta mayor que en la raíz. Es muy importante instalar la pala del rotor de la turbina en el disco de la turbina. El tajón de forma "de árbol de navidad" es el rotor de la turbina de gas moderna. Ha sido procesado y diseñado con precisión para asegurar que todas las juntas soporten la carga de manera uniforme. Cuando la turbina está en reposo, la pala tiene un movimiento tangencial en la ranura dentada, y cuando la turbina gira, la raíz de la pala se ajusta al disco debido al efecto centrífugo. El material de la rueda es un factor importante para garantizar el rendimiento y la fiabilidad de la turbina. En sus inicios, se utilizaron aleaciones deformadas de alta temperatura fabricadas por forja. Con el avance continuo del diseño del motor y la tecnología de fundición precisa, las palas de la turbina han pasado de las aleaciones deformadas a huecas, de policristalinas a monocristalinas, mejorando considerablemente la resistencia al calor de las palas. Los superaleaciones monocristalinas de níquel son ampliamente utilizadas en la producción de componentes de alta temperatura de los motores aeronáuticos debido a sus excelentes propiedades de fluencia a alta temperatura. Por lo tanto, una investigación profunda sobre la inspección y mantenimiento de las palas de la turbina es de gran importancia para mejorar la seguridad de la operación del motor y evaluar con precisión la morfología y el grado de daño de las palas.
En el trabajo real, la fractura por fatiga de ciclo bajo de las palas del rotor no suele ocurrir fácilmente, pero bajo las siguientes tres condiciones, se producirá una fractura por fatiga de ciclo bajo. La figura 1 es un diagrama esquemático de la fractura de la pala.
(1) Aunque el estrés de trabajo en la sección peligrosa es menor que la resistencia al flujo del material, existen grandes defectos locales en la sección peligrosa. En esta zona, debido a la presencia de defectos, una mayor área cercana supera la resistencia al flujo del material, lo que provoca una gran deformación plástica y lleva a una fractura por fatiga de ciclo bajo de la pala.
(2) Debido a consideraciones de diseño deficientes, el estrés de trabajo de la pala en la sección peligrosa está cerca o supera la resistencia al flujo del material. Cuando hay defectos adicionales en la parte peligrosa, la pala sufrirá una fractura por fatiga de ciclo bajo.
(3) Cuando la hoja presenta condiciones anormales como vibración, resonancia y sobrecalentamiento, el valor total de esfuerzo de su sección peligrosa es mayor que su resistencia a la fluencia, lo que provoca una fractura por fatiga de baja ciclabilidad de la hoja. La fractura por fatiga de baja ciclabilidad generalmente se debe a razones de diseño y ocurre principalmente alrededor de la base de la hoja. No hay un arco de fatiga obvio en la fractura típica de baja ciclabilidad.
La fractura por fatiga de alta ciclabilidad se refiere a la fractura que ocurre bajo la resonancia torsional de la hoja, y tiene las siguientes características representativas:
(1) Se produce una caída de esquinas en el nodo de resonancia torsional.
(2) Se puede observar una curva de fatiga obvia en la fractura por fatiga de la hoja, pero la curva de fatiga es muy delgada.
(3) La fractura generalmente comienza desde la parte posterior de la hoja y se extiende hacia la cuenca de la hoja, y la zona de fatiga ocupa el área principal de la superficie de fractura.
Hay dos razones principales para las grietas de fatiga torsional de la hoja: una es la resonancia torsional, y la otra es la extensa oxida en la superficie de la hoja o el impacto de una fuerza externa.
Las palas del rotor de la turbina trabajan en un entorno de alta temperatura y están sujetas a cambios de temperatura y esfuerzos alternantes, lo que provoca la deformación por fluencia y el daño por fatiga de las palas (ver Figura 2). Para la fractura por fatiga a alta temperatura de las palas, deben cumplirse las siguientes tres condiciones:
(1) La fractura por fatiga de la pala muestra principalmente características de fractura intergranular.
(2) La temperatura en el lugar de fractura de la pala es superior a la temperatura límite de fluencia del material;
(3) El lugar de fractura por fatiga de la pala solo puede soportar la tensión centrífuga de tracción de forma cuadrada, que supera el límite de fluencia o el límite de fatiga a esta temperatura.
Generalmente, la fractura por fatiga de las palas del rotor a altas temperaturas es extremadamente rara, pero en el uso real, la fractura por fatiga causada por daños térmicos en el rotor es relativamente común. Durante el funcionamiento del motor, el sobrecalentamiento o la combustión excesiva de los componentes debido a condiciones anormales a corto plazo se llama daño por sobrecalentamiento. A altas temperaturas, es propenso a la formación de grietas por fatiga en las palas. La fractura por fatiga causada por daños a altas temperaturas tiene las siguientes características principales:
(1) La posición de fractura generalmente se encuentra en la zona de mayor temperatura de la pala, perpendicular al eje de la pala.
(2) La fractura se origina en el borde de entrada de la zona fuente, y su sección transversal es oscura y presenta un alto grado de oxidación. La sección transversal de la zona de extensión es relativamente plana y su color no es tan oscuro como en la zona fuente.
La inspección con boroscopio a bordo consiste en examinar visualmente las palas de la turbina mediante un sonda en la caja de la turbina del motor. Esta tecnología no requiere desmontar el motor y se puede realizar directamente en la aeronave, lo cual es práctico y rápido. La inspección con boroscopio puede detectar mejor el quemado, la corrosión y el despegamiento de las palas de la turbina, lo que ayuda a comprender y dominar la tecnología y el estado de la turbina, para así realizar una inspección integral de las palas de la turbina y garantizar el funcionamiento normal del motor. La figura 3 muestra la inspección con boroscopio.
La superficie de las palas de la turbina queda cubierta con depósitos después de la combustión, recubrimientos y capas de corrosión térmica formadas por la oxidación a alta temperatura. La deposición de carbono aumentará el espesor de las paredes de las palas, causando cambios en la trayectoria original del flujo de aire, lo que reduce la eficiencia de la turbina; la corrosión térmica reducirá las propiedades mecánicas de las palas; y debido a la presencia de depósitos de carbono, los daños en la superficie de la pala quedan ocultos, dificultando su detección. Por lo tanto, antes de monitorear y reparar las palas, es necesario limpiar los depósitos de carbono.
En el pasado, se utilizaban instrumentos de medición "duros" como escuadras y calibradores para detectar el diámetro de la hoja de los motores de aviones. Este método es simple, pero se ve fácilmente afectado por la interferencia humana y tiene defectos como baja precisión y velocidad de detección lenta. Posteriormente, basándose en la máquina de medición por coordenadas, se escribió una aplicación para el control automático por microcomputadora y se desarrolló un sistema de medición para las dimensiones geométricas de la hoja. Al detectar automáticamente la hoja y compararla con la forma estándar de la hoja, se proporcionan automáticamente los resultados de prueba de errores para determinar la viabilidad de la hoja y el método de mantenimiento requerido. Aunque los instrumentos de medición por coordenadas de diferentes fabricantes tienen diferencias en tecnologías específicas, comparten las siguientes características comunes: alto nivel de automatización, detección rápida, generalmente una hoja puede ser detectada en 1 minuto, y tienen buenas capacidades de expansión. Modificando una base de datos de formas estándar de hojas, se pueden detectar varios tipos de hojas. La figura 4 muestra la prueba de integridad.
La tecnología de proyección térmica consiste en quemar fibras o materiales en polvo hasta llevarlos a un estado fundido, atomizarlos aún más y luego depositarlos en las piezas o sustratos a ser recubiertos.
(1) Recubrimientos resistentes al desgaste
Los recubrimientos resistentes al desgaste, como los basados en cobalto, níquel y carburo de tungsteno, se utilizan ampliamente en las piezas de los motores aeronáuticos para reducir el rozamiento causado por vibraciones, deslizamientos, colisiones, fricciones y otros tipos de fricción durante la operación de los motores de aviones, mejorando así el rendimiento y la vida útil.
(2) Recubrimientos resistentes al calor
Para aumentar la empuñadura, los motores de aviones modernos necesitan aumentar la temperatura antes de la turbina al máximo. De esta manera, la temperatura de funcionamiento de las palas de la turbina también aumentará en consecuencia. Aunque se utilizan materiales resistentes al calor, sigue siendo difícil cumplir con los requisitos de uso. Los resultados de las pruebas muestran que aplicar recubrimientos resistentes al calor en la superficie de las palas de la turbina puede mejorar la resistencia al calor de las piezas y evitar la deformación y fisuración de las mismas.
(3) Recubrimientos abrasables
En los motores de aviones modernos, la turbina está compuesta por un carcasa formada por múltiples hojas estatorias horizontales y una hoja rotor fija en un disco. Para mejorar la eficiencia del motor, la distancia entre los dos componentes, el estator y el rotor, debe reducirse lo más posible. Este espacio incluye el "espacio de punta" entre la punta del rotor y el anillo exterior fijo, y el "espacio de etapa" entre cada etapa del rotor y el casco. Con el fin de reducir las fugas de aire causadas por un espacio excesivo, teóricamente se requiere que los espacios sean cero tanto como sea posible, ya que los errores reales y los errores de instalación de las piezas producidas son difíciles de lograr; además, bajo altas temperaturas y velocidades, la rueda también se moverá longitudinalmente, haciendo que las hojas crezcan radialmente. Debido a la deformación por flexión, expansión y contracción térmica de la pieza, se utilizan recubrimientos de desgaste por proyección térmica para que tengan el menor espacio consciente posible, es decir, se proyectan varios recubrimientos en la superficie cercana a la parte superior de la hoja; cuando las partes en rotación entran en contacto con ella, el recubrimiento sufrirá un desgaste sacrificado, reduciendo así el espacio al mínimo. La figura 5 muestra la tecnología de proyección térmica.
La tecnología de chorro de abrasivo utiliza proyectiles de alta velocidad para impactar la superficie de la pieza, generando un esfuerzo residual de compresión en la superficie de la pieza y formando un material reforzado hasta cierto punto para mejorar la resistencia a la fatiga del producto y reducir el rendimiento de corrosión por estrés del material. La figura 6 muestra la hoja después del tratamiento con chorro de abrasivo.
(1) Chorro de abrasivo seco
La tecnología de chorro de abrasivo seco utiliza la fuerza centrífuga para formar una capa de refuerzo superficial con un grosor determinado en la superficie de la pieza. Aunque la tecnología de chorro de abrasivo seco tiene equipos simples y alta eficiencia, aún presenta problemas como contaminación por polvo, alto ruido y alto consumo de abrasivo durante la producción en masa.
(2) Chorro de abrasivo con agua
El chorro de agua con partículas tiene el mismo mecanismo de refuerzo que el chorro seco. La diferencia es que utiliza partículas líquidas en movimiento rápido en lugar de proyectiles, lo que reduce el impacto del polvo en el medio ambiente durante el chorro seco, mejorando así el entorno de trabajo.
(3) Refuerzo con placa rotativa
La empresa estadounidense 3M ha desarrollado un nuevo tipo de proceso de alisado por chorro de partículas. Su método de fortalecimiento consiste en utilizar una placa giratoria con proyectiles para golpear continuamente la superficie metálica a alta velocidad, formando así una capa de fortalecimiento superficial. En comparación con el alisado por chorro de partículas tradicional, este tiene las ventajas de un equipo simple, fácil uso, alta eficiencia, economía y durabilidad. El fortalecimiento mediante placa giratoria significa que cuando un proyectil de alta velocidad impacta sobre la hoja, la superficie de la hoja se expandirá rápidamente, causando una deformación plástica a cierta profundidad. La espesor de la capa de deformación está relacionado con la intensidad de impacto del proyectil y las propiedades mecánicas del material de la pieza, y generalmente puede alcanzar entre 0,12 y 0,75 mm. Ajustando el proceso de alisado por chorro de partículas, se puede obtener el espesor adecuado de la capa de deformación. Bajo la acción del alisado por chorro de partículas, cuando ocurre una deformación plástica en la superficie de la hoja, la capa subsuperficial adyacente también se deformará. Sin embargo, en comparación con la superficie, la deformación de la capa subsuperficial es menor. Sin llegar al punto de fluencia, sigue en la etapa de deformación elástica, por lo que la plastificación no uniforme entre la superficie y la capa inferior es desigual, lo cual puede causar cambios en el esfuerzo residual en el material después del tratamiento. Los resultados de las pruebas muestran que existe un esfuerzo residual de compresión en la superficie después del alisado por chorro de partículas, y a cierta profundidad aparece un esfuerzo de tracción en la capa subsuperficial. El esfuerzo residual de compresión en la superficie es varias veces mayor que el de la capa subsuperficial. Esta distribución de esfuerzos residuales es muy beneficiosa para mejorar la resistencia a la fatiga y la resistencia a la corrosión. Por lo tanto, la tecnología de alisado por chorro de partículas juega un papel muy importante en la extensión de la vida útil de los productos y en la mejora de la calidad del producto.
En los motores de avión, muchas turbinas avanzadas utilizan tecnología de recubrimiento para mejorar sus propiedades anti-oxidantes, anti-corrosivas y resistentes al desgaste; sin embargo, dado que las palas se dañan en diferentes grados durante el uso, deben repararse durante el mantenimiento de las palas, generalmente eliminando el recubrimiento original y aplicando luego una nueva capa de recubrimiento.
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