Technologie de détection et de réparation des pannes des pales de moteur d'avion

Les pales de turbine sont une partie importante des moteurs d'avion, avec une température élevée, une charge lourde et une structure complexe. La qualité de l'inspection et de la maintenance est étroitement liée à la durabilité et à la durée de vie du travail. Cet article étudie l'inspection et la maintenance des pales de moteur d'avion, analyse le mode de défaillance des pales de moteur d'avion et résume les technologies de détection de défaillance et de maintenance des pales de moteur d'avion.

Dans la conception des pales de turbine, de nouveaux matériaux de meilleure qualité sont souvent utilisés, et la marge de fonctionnement est réduite en améliorant la structure et la technologie de traitement, afin d'améliorer le rapport poussée-poids du moteur. La pale de turbine est un profil aérodynamique qui peut accomplir un travail équivalent sur toute la longueur de la pale, garantissant ainsi que le flux d'air ait un angle de rotation entre la base et l'extrémité de la pale, avec un angle de rotation plus grand à l'extrémité qu'à la base. Il est très important d'installer la pale rotor de la turbine sur le disque de turbine. Le « tenon en forme d'arbre de Noël » est le rotor des turbines à gaz modernes. Il a été précisément usiné et conçu pour s'assurer que toutes les brides supportent uniformément la charge. Lorsque la turbine est au repos, la pale effectue un mouvement tangentiel dans l'encombrement dentelé, et lorsque la turbine tourne, la base de la pale est serrée contre le disque en raison de l'effet centrifuge. Le matériau de l'impeller est un facteur important pour assurer les performances et la fiabilité de la turbine. Autrefois, des alliages à haute température déformables étaient utilisés et fabriqués par forgeage. Avec les progrès continus de la conception des moteurs et de la technologie de fonderie précise, les pales de turbine sont passées des alliages déformables à des structures creuses, des polycristallins aux monocristallins, ce qui a considérablement amélioré la résistance à la chaleur des pales. Les superalliages monocristallins à base de nickel sont largement utilisés dans la production des pièces chaudes des moteurs aéronautiques grâce à leurs excellentes propriétés de fluage à haute température. Par conséquent, une recherche approfondie sur l'inspection et l'entretien des pales de turbine revêt une grande importance pour améliorer la sécurité du fonctionnement du moteur et évaluer précisément la morphologie et le degré de dommage des pales.

Modes de défaillance des pales de moteurs d'avion

Défaillance par fracture de fatigue à faible cycle de la pale

Dans la pratique, la fracture de fatigue à faible cycle des pales rotor n'est généralement pas facile à survenir, mais sous les trois conditions suivantes, une fracture de fatigue à faible cycle peut se produire. La figure 1 est un schéma de la fracture de la pale.

(1) Bien que la contrainte de travail dans la section critique soit plus petite que la limite d'élasticité du matériau, il existe de grands défauts locaux dans cette section. Dans cette région, en raison de l'existence de ces défauts, une grande partie de la zone avoisinante dépasse la limite d'élasticité du matériau, entraînant une grande quantité de déformation plastique, ce qui provoque une fracture de fatigue à faible cycle de la pale.

(2) En raison d'une conception imparfaite, la contrainte de travail de la pale dans la section critique est proche de ou dépasse la limite d'élasticité du matériau. Lorsqu'il y a des défauts supplémentaires dans la partie critique, la pale subit une fracture de fatigue à faible cycle.

(3) Lorsque la lame présente des conditions anormales telles que le battement, la résonance et le surchauffage, la valeur de contrainte totale de sa section dangereuse est supérieure à sa résistance à l'écoulement, entraînant une rupture par fatigue à faible cycle de la lame. La rupture par fatigue à faible cycle est principalement due à des raisons de conception et se produit généralement autour de la base de la lame. Il n'y a pas d'arc de fatigue évident à la fracture typique à faible cycle.

Échec de rupture par fatigue de résonance torsionnelle de la lame

La rupture par fatigue à haut cycle fait référence à la rupture qui se produit sous l'effet de la résonance torsionnelle de la lame et présente les caractéristiques représentatives suivantes :

(1) Une chute d'angle se produit au nœud de résonance torsionnelle.

(2) On peut observer une courbe de fatigue évidente à la fracture par fatigue de la lame, mais la courbe de fatigue est très fine.

(3) La rupture commence généralement du dos de la lame et s'étend vers le bassin de la lame, et la zone de fatigue occupe la principale partie de la surface de fracture.

Il y a deux raisons principales pour les fissures de fatigue torsionnelles de la pale : l'une est la résonance torsionnelle, et l'autre est la rouille importante sur la surface de la pale ou l'impact d'une force externe.

Échec par rupture de fatigue à haute température et endommagement thermique de la pale

Les pales du rotor de turbine travaillent dans un environnement à haute température et sont soumises à des variations de température et des contraintes alternées, ce qui entraîne le fluage et les dommages par fatigue des pales (voir figure 2). Pour une rupture de fatigue à haute température des pales, les trois conditions suivantes doivent être remplies :

(1) La rupture de fatigue de la pale présente principalement les caractéristiques d'une rupture intergranulaire.

(2) La température au site de rupture de la pale est supérieure à la température limite de fluage du matériau;

(3) Le site de rupture par fatigue de la pale ne peut supporter que la contrainte centrifuge de traction en forme de carré, qui dépasse la limite de fluage ou la limite de fatigue à cette température.

Généralement, la rupture par fatigue des pales de rotor à haute température est extrêmement rare, mais dans l'utilisation réelle, la rupture par fatigue causée par des dommages thermiques au rotor est relativement courante. Lors du fonctionnement du moteur, le surchauffage ou la surcombustion des composants en raison d'une surtempérature à court terme dans des conditions de fonctionnement anormales est appelé dommage par surchauffe. À haute température, des fissures de fatigue sont susceptibles de se produire dans les pales. La rupture par fatigue causée par les dommages à haute température présente les caractéristiques principales suivantes :

(1) La position de rupture est généralement située dans la zone de plus haute température de la pale, perpendiculairement à l'axe de la pale.

(2) La rupture provient du bord d'entrée de la zone source, et sa section transversale est sombre avec un haut degré d'oxydation. La section transversale de la zone d'extension est relativement plate et moins foncée que la zone source.

Technologie de réparation des pales de moteur aérien après échec

Inspection endoscopique à bord

L'inspection à l'aide d'un boroscope embarqué consiste à examiner visuellement les pales de la turbine à travers un sonde dans la boîte de turbine du moteur. Cette technologie ne nécessite pas de démontage du moteur et peut être réalisée directement sur l'avion, ce qui est pratique et rapide. L'inspection au boroscope permet de détecter de manière plus efficace la combustion, la corrosion et le décollement des pales de turbine, ce qui aide à comprendre et maîtriser la technologie et l'état de santé de la turbine, afin de réaliser une inspection complète des pales de turbine et de garantir le bon fonctionnement du moteur. La figure 3 montre l'inspection au boroscope.

Traitement de pré-nettoyage avant l'inspection dans l'atelier de réparation

La surface des pales de la turbine est recouverte de dépôts après combustion, revêtements et couches de corrosion thermique formées par l'oxydation à haute température. Le dépôt de carbone augmentera l'épaisseur des pales, provoquant des modifications du chemin d'écoulement d'air original, réduisant ainsi l'efficacité de la turbine ; la corrosion thermique diminuera les propriétés mécaniques des pales ; et en raison de la présence des dépôts de carbone, les dommages à la surface des pales sont masqués, rendant leur détection difficile. Par conséquent, avant de surveiller et de réparer les pales, il est nécessaire de nettoyer les dépôts de carbone.

Test d'intégrité des pales

Dans le passé, des instruments de mesure "durs" tels que des équerres et des pieds à coulisse étaient utilisés pour détecter le diamètre de la pale des moteurs d'avion. Cette méthode est simple, mais elle est facilement influencée par l'interférence humaine et présente des défauts tels qu'une faible précision et une vitesse de détection lente. Par la suite, sur la base de la machine de mesure par coordonnées, une application pour le contrôle automatique par microordinateur a été écrite, et un système de mesure des dimensions géométriques de la pale a été développé. En détectant automatiquement la pale et en la comparant à la forme standard de la pale, les résultats des tests d'erreur sont automatiquement fournis pour déterminer la disponibilité de la pale et la méthode de maintenance requise. Bien que les instruments de mesure par coordonnées de différents fabricants aient des différences dans les technologies spécifiques, ils partagent les points communs suivants : un niveau élevé d'automatisation, une détection rapide, généralement une pale peut être détectée en 1 minute, et ils ont de bonnes capacités d'extension. En modifiant une base de données de formes standard de pales, divers types de pales peuvent être détectés. La figure 4 montre le test d'intégrité.

Entretien des pales de moteur d'avion

Technologie de projection thermique

La technologie de projection thermique consiste à brûler des fibres ou des matériaux en poudre jusqu'à un état fondu, à les atomiser davantage, puis à les déposer sur les pièces ou substrats à projeter.

(1) Revêtements anti-usure

Les revêtements anti-usure, tels que ceux à base de cobalt, de nickel et de carbure de tungstène, sont largement utilisés dans les pièces des moteurs d'avions pour réduire les frottements causés par les vibrations, le glissement, les chocs, le frottement et autres types de friction lors du fonctionnement des moteurs d'avions, améliorant ainsi les performances et la durée de vie.

(2) Revêtements résistants à la chaleur

Pour augmenter la poussée, les moteurs d'avions modernes doivent augmenter la température avant le turbine au maximum. De cette manière, la température de fonctionnement des pales de turbine augmentera en conséquence. Bien que des matériaux résistants à la chaleur soient utilisés, il est toujours difficile de répondre aux exigences d'utilisation. Les résultats des tests montrent qu'appliquer des revêtements résistants à la chaleur sur la surface des pales de turbine peut améliorer la résistance à la chaleur des pièces et éviter la déformation et les fissures des pièces.

(3) Revêtements abradables

Dans les moteurs d'avions modernes, la turbine est composée d'un carter contenant plusieurs lames de stator horizontales et d'une lame de rotor fixée sur un disque. Pour améliorer l'efficacité du moteur, la distance entre les deux composants, le stator et le rotor, doit être réduite au maximum. Ce vide inclut le "gap de pointe" entre l'extrémité du rotor et l'anneau extérieur fixe, ainsi que le "gap d'étage" entre chaque étage du rotor et le carter. Afin de minimiser les fuites d'air causées par des vides excessifs, ces derniers doivent théoriquement être aussi proches de zéro que possible ; cependant, en raison des erreurs réelles et des écarts d'installation des pièces produites, cela est difficile à réaliser. De plus, sous haute température et grande vitesse, la roue subit également un déplacement longitudinal, ce qui fait que les pales "grandissent" radialement. En raison des déformations par flexion, des dilatations et contractions thermiques de la pièce, on utilise des revêtements portés par projection thermique pour créer le plus petit écart conscient possible, c'est-à-dire en appliquant divers revêtements sur la surface près du sommet de la pale ; lorsque les parties tournantes entrent en contact avec elle, le revêtement subit une usure sacrificielle, réduisant ainsi l'écart au minimum. La figure 5 montre la technologie de projection thermique.

Shot Peening

La technologie du shot peening utilise des projectiles à haute vitesse pour impacter la surface de la pièce, générant un stress compressif résiduel sur la surface de la pièce et formant un matériau renforcé dans une certaine mesure afin d'améliorer la résistance à la fatigue du produit et de réduire la performance de corrosion sous contrainte du matériau. La figure 6 montre la lame après le shot peening.

(1) Shot peening sec

La technologie du shot peening sec utilise la force centrifuge pour former une couche de renforcement superficiel avec une certaine épaisseur sur la surface de la pièce. Bien que le shot peening sec ait un équipement simple et une efficacité élevée, il présente encore des problèmes tels que la pollution par la poussière, un bruit élevé et une consommation élevée de projectiles lors de la production en masse.

(2) Shot peening à l'eau

Le sablage par eau a le même mécanisme d'endurcissement que le sablage sec. La différence réside dans le fait qu'il utilise des particules liquides en mouvement rapide au lieu de billes, réduisant ainsi l'impact de la poussière sur l'environnement lors du sablage sec et améliorant ainsi l'environnement de travail.

(3) Renforcement par plateau rotatif

La société américaine 3M a développé un nouveau type de procédé d'augmentation par projection de billes. Sa méthode consiste à utiliser une plaque rotative avec des billes pour frapper continuellement la surface métallique à haute vitesse afin de former une couche de renforcement en surface. Comparée à la projection de billes traditionnelle, elle présente les avantages d'un équipement simple, d'une utilisation facile, d'une efficacité élevée, d'une économie et d'une durabilité accrue. Le renforcement par plaque rotative signifie qu'à l'impact d'une bille à haute vitesse sur la lame, la surface de celle-ci s'étendra rapidement, provoquant une déformation plastique à une certaine profondeur. L'épaisseur de la couche déformée est liée à la force d'impact du projectile et aux propriétés mécaniques du matériau de l'ouvrage, et peut généralement atteindre entre 0,12 et 0,75 mm. En ajustant le processus de projection de billes, on peut obtenir l'épaisseur appropriée de la couche déformée. Sous l'action de la projection de billes, lorsque la déformation plastique se produit sur la surface de la lame, la couche sous-jacente adjacente se déforme également. Cependant, comparée à la surface, la déformation de la couche sous-jacente est plus faible. Sans atteindre le point de fluage, elle reste dans la phase de déformation élastique, ce qui rend la plasticité non uniforme entre la surface et la couche inférieure inégale, pouvant ainsi entraîner des changements de contraintes résiduelles dans le matériau après pulvérisation. Les résultats des tests montrent qu'il existe une contrainte résiduelle compressive à la surface après projection de billes, et à une certaine profondeur, des contraintes de traction apparaissent dans la couche sous-jacente. La contrainte résiduelle compressive à la surface est plusieurs fois supérieure à celle de la couche sous-jacente. Cette distribution de contraintes résiduelles est très avantageuse pour améliorer la résistance à la fatigue et la résistance à la corrosion. Par conséquent, la technologie de projection de billes joue un rôle très important dans l'allongement de la durée de vie des produits et l'amélioration de la qualité des produits.

Réparation du revêtement

Dans les moteurs d'avion, de nombreuses pales de turbine avancées utilisent une technologie de revêtement pour améliorer leurs propriétés anti-oxydation, anti-corrosion et résistantes à l'usure ; cependant, comme les pales subissent des dommages variés lors de leur utilisation, elles doivent être réparées lors de l'entretien des pales, généralement en enlevant le revêtement d'origine puis en appliquant une nouvelle couche de revêtement.