Tecnologia di rilevamento e riparazione dei guasti delle pale dei motori aeronautici

Le pale delle turbine sono una parte importante dei motori aeronautici, caratterizzate da temperature elevate, carichi pesanti e struttura complessa. La qualità dell'ispezione e della manutenzione è strettamente legata alla durata e alla vita operativa del componente. Questo articolo studia l'ispezione e la manutenzione delle pale dei motori aerei, analizzando i modi di fallimento delle pale dei motori aerei e riassumendo le tecnologie di rilevamento dei difetti e di manutenzione delle pale dei motori aerei.

Nel progetto delle pale del turbine, vengono spesso utilizzati nuovi materiali di qualità superiore e si riduce il margine di funzionamento migliorando la struttura e la tecnologia di lavorazione, al fine di aumentare il rapporto spinta-peso del motore. La pala del turbine è un profilo aerodinamico in grado di svolgere un lavoro equivalente lungo l'intera lunghezza della pala, garantendo così che il flusso d'aria abbia un angolo di rotazione tra la radice e la punta della pala, con un angolo di rotazione maggiore alla punta rispetto alla radice. È molto importante installare la pala del rotore del turbine sul disco del turbine. Il "tendone a forma di albero" è il rotore dei moderni turbocompressori a gas. È stato precisamente lavorato e progettato per garantire che tutte le linguette possano sopportare il carico in modo uniforme. Quando il turbine è fermo, la pala ha un movimento tangenziale nella scanalatura dentata, mentre quando il turbine ruota, la radice della pala viene fissata al disco a causa dell'effetto centrifugo. Il materiale della ruota è un fattore importante per garantire le prestazioni e la affidabilità del turbine. In passato, si utilizzavano leghe ad alta temperatura deformabili e prodotte tramite forgiatura. Con il costante progresso nel design dei motori e nella tecnologia di fusione precisa, le pale del turbine sono passate dalle leghe deformabili a quelle cavo, da policristalline a monocrystalliche, migliorando notevolmente la resistenza termica delle pale. Le leghe monocrystalliche a base di nichel vengono ampiamente utilizzate nella produzione delle parti calde dei motori aerei grazie alle loro eccellenti proprietà di creep ad alta temperatura. Pertanto, una ricerca approfondita sull'ispezione e sulla manutenzione delle pale del turbine riveste un grande significato per migliorare la sicurezza del funzionamento del motore e valutare accuratamente la morfologia e l'entità dei danni delle pale.

Modalità di guasto delle pale dei motori aerei

Guasto per frattura da fatica a ciclo breve della pala

Nel lavoro reale, la frattura da fatica a ciclo breve delle pale del rotore non si verifica facilmente, ma sotto le seguenti tre condizioni avviene una frattura da fatica a ciclo breve. La figura 1 è uno schema della frattura della pala.

(1) Sebbene lo stress di lavoro nella sezione pericolosa sia inferiore alla resistenza al limite elastico del materiale, ci sono grandi difetti locali nella sezione pericolosa. In questa area, a causa della presenza di difetti, una parte più ampia vicina supera la resistenza al limite elastico del materiale, causando una grande quantità di deformazione plastica, che porta alla frattura da fatica a ciclo breve della pala.

(2) A causa di una scarsa considerazione progettuale, lo stress di lavoro della pala nella sezione pericolosa è vicino o supera la resistenza al limite elastico del materiale. Quando ci sono difetti extra nella parte pericolosa, la pala subirà una frattura da fatica a ciclo breve.

(3) Quando la lama presenta condizioni anormali come vibrazione, risonanza e surriscaldamento, il valore totale di stress della sua sezione pericolosa è superiore alla sua resistenza al flusso, causando una frattura per fatica a basso ciclo della lama. La frattura per fatica a basso ciclo è principalmente causata da ragioni legate al progetto ed ha luogo principalmente intorno alla radice della lama. Non c'è un chiaro arco di fatica in una tipica frattura a basso ciclo.

Frammentazione per fatica dovuta a risonanza torsionale della lama

La frattura per fatica ad alto ciclo si riferisce alla frattura che si verifica sotto la risonanza torsionale della lama e presenta le seguenti caratteristiche rappresentative:

(1) Si verifica una caduta dell'angolo nel nodo di risonanza torsionale.

(2) Si può osservare una chiara curva di fatica nella frattura per fatica della lama, ma la curva di fatica è molto sottile.

(3) La frattura inizia generalmente dal retro della lama e si estende verso la cavità della lama, e la zona di fatica occupa la parte principale della superficie di frattura.

Ci sono due motivi principali per le crepe di fatica torsionale della lama: uno è la risonanza torsionale, e l'altro è la diffusa ruggine sulla superficie della lama o l'impatto di una forza esterna.

Falla per fatica termica e danni termici alla lama

Le pale del rotore turbine lavorano in un ambiente ad alta temperatura e sono sottoposte a variazioni di temperatura e sollecitazioni alternative, il che porta a crepacapo e danni per fatica delle pale (vedi Figura 2). Per la rottura per fatica ad alta temperatura delle pale, devono essere soddisfatte le seguenti tre condizioni:

(1) La rottura per fatica della lama mostra principalmente caratteristiche di rottura intergranulare.

(2) La temperatura nel punto di rottura della lama è superiore alla temperatura limite di creep del materiale;

(3) Il sito di rottura per fatica della lama può solo sopportare lo stress centrifugo tensile a forma quadrata, che supera il limite di creep o il limite di fatica a tale temperatura.

In generale, la frattura per fatica dei rotori a temperature elevate è estremamente rara, ma nell'uso effettivo, le fratture per fatica causate da danni termici ai rotor sono relativamente comuni. Durante il funzionamento del motore, il surriscaldamento o la combustione eccessiva dei componenti a causa di temperature anormali a breve termine è chiamato danno da surriscaldamento. A temperature elevate, si verificano facilmente crepe di fatica nelle pale. La frattura per fatica causata dai danni ad alta temperatura ha le seguenti caratteristiche principali:

(1) La posizione della frattura è generalmente situata nell'area di maggiore temperatura della pala, perpendicolare all'asse della pala.

(2) La frattura ha origine dal bordo di entrata dell'area sorgente, e la sua sezione trasversale è scura e presenta un alto grado di ossidazione. La sezione trasversale della parte estesa è relativamente piatta e non è così scura come l'area sorgente.

Tecnologia di riparazione dei guasti delle pale dei motori aerei

Ispezione endoscopica a bordo

L'ispezione con endoscopio a bordo consiste nell'esaminare visivamente le pale della turbina attraverso un sonda nella cassa della turbina del motore. Questa tecnologia non richiede la smontaggio del motore e può essere eseguita direttamente sull'aeromobile, il che è comodo e rapido. L'ispezione endoscopica può rilevare meglio bruciature, corrosione e staccamenti delle pale della turbina, il che aiuta a comprendere e monitorare la tecnologia e la salute della turbina, permettendo così di effettuare un controllo completo delle pale della turbina e garantire il corretto funzionamento del motore. La figura 3 mostra l'ispezione endoscopica.

Trattamento di pre-pulizia prima dell'ispezione nel laboratorio di riparazione

La superficie delle pale della turbina è coperta da depositi dopo la combustione, rivestimenti e strati di corrosione termica formati da ossidazione a alta temperatura. La deposizione di carbonio aumenterà lo spessore delle pale, causando cambiamenti nel percorso originale dell'aria, riducendo così l'efficienza della turbina; la corrosione termica diminuirà le proprietà meccaniche delle pale; e a causa della presenza dei depositi di carbonio, i danni alla superficie delle pale sono nascosti, rendendo difficoltosa la loro individuazione. Pertanto, prima di monitorare e riparare le pale, è necessario pulire i depositi di carbonio.

Test di integrità delle pale

In passato, si utilizzavano strumenti di misura 'rigidi' come squadre angolari e calibri per rilevare il diametro della lama dei motori aeronautici. Questo metodo è semplice, ma è facilmente influenzato dall'intervento umano e presenta difetti come bassa precisione e velocità di rilevamento lenta. Successivamente, basandosi sulla macchina di misura a coordinate, è stata scritta un'applicazione per il controllo automatico con microcomputer e sviluppato un sistema di misura delle dimensioni geometriche della lama. Rilevando automaticamente la lama e confrontandola con la forma standard della lama, i risultati del test di errore vengono forniti automaticamente per determinare l'idoneità della lama e il metodo di manutenzione richiesto. Sebbene gli strumenti di misura a coordinate di diversi produttori abbiano differenze nelle tecnologie specifiche, presentano le seguenti caratteristiche comuni: alto livello di automazione, rilevamento rapido, generalmente una lama può essere rilevata in 1 minuto, e hanno buone capacità di espansione. Modificando un database di forme standard delle lame, possono essere rilevate varie tipologie di lame. La figura 4 mostra il test di integrità.

Manutenzione delle pale dei motori aerei

Tecnologia di spruzzatura termica

La tecnologia di spruzzatura termica consiste nel bruciare fibre o materiali in polvere fino a portarli in uno stato fuso, ulteriormente atomizzarli e poi depositarli sulle parti o i substrati da spruzzare.

(1) Rivestimenti antiusura

I rivestimenti antiusura, come quelli a base di cobalto, nichelio e carburo di tungsteno, vengono ampiamente utilizzati nelle componenti dei motori aerei per ridurre l'attrito causato dalle vibrazioni, scorrimento, collisioni, sfregamento e altri tipi di attrito durante l'operazione dei motori aerei, migliorando così le prestazioni e la durata di vita.

(2) Rivestimenti resistenti al calore

Per aumentare la spinta, i motori aerei moderni devono aumentare la temperatura prima della turbina al massimo. In questo modo, la temperatura di funzionamento delle pale della turbina aumenterà di conseguenza. Anche se vengono utilizzati materiali resistenti al calore, è comunque difficile soddisfare i requisiti d'uso. I risultati dei test mostrano che l'applicazione di rivestimenti resistenti al calore sulla superficie delle pale della turbina può migliorare la resistenza termica delle parti e evitare la deformazione e lo spaccatura delle componenti.

(3) Rivestimenti abrasivi

Nelle moderne turbine aeronautiche, la turbina è composta da un involucro formato da più lame stator orizzontali fisse e da una lama rotore fissata su un disco. Per migliorare l'efficienza del motore, la distanza tra i due componenti, lo stator e il rotore, deve essere ridotta al minimo. Questo spazio include il "gap di punta" tra la punta del rotore e l'anello esterno fisso, e il "gap di stadio" tra ogni stadio del rotore e l'involucro. Per ridurre le perdite d'aria causate da gap eccessivi, idealmente si richiede che gli spazi siano zero, ma a causa degli errori effettivi e delle imprecisioni di installazione dei componenti prodotti, ciò risulta difficile da realizzare; inoltre, a temperature elevate e alta velocità, la ruota può muoversi longitudinalmente, causando un'allungamento radiale delle pale. A causa della deformazione per flessione, espansione termica e contrazione del materiale, si utilizzano rivestimenti antiusura spray per mantenere il più piccolo spazio possibile, ovvero si applicano vari tipi di rivestimenti sulla superficie vicino alla sommità delle pale; quando le parti rotanti entrano in contatto con esse, il rivestimento subisce un usura sacrificale, riducendo così lo spazio al minimo. La figura 5 mostra la tecnologia di termospruzzatura.

Shot Peening

La tecnologia del shot peening utilizza proiettili ad alta velocità per impattare sulla superficie del pezzo lavorato, generando uno stress residuo compressivo sulla superficie del pezzo e formando un materiale rafforzato fino a un certo punto per migliorare la resistenza alla fatica del prodotto e ridurre le prestazioni di corrosione dello stress del materiale. La figura 6 mostra il profilo dopo il trattamento con shot peening.

(1) Shot peening secco

La tecnologia del shot peening secco utilizza la forza centrifuga per formare una layer di rafforzamento superficiale con una certa spessore sulla superficie del pezzo lavorato. Sebbene il shot peening secco abbia attrezzature semplici ed alta efficienza, durante la produzione in massa presenta ancora problemi come inquinamento da polvere, rumore elevato e alto consumo di proiettili.

(2) Shot peening con acqua

Il trattamento con getto d'acqua ha lo stesso meccanismo di rinforzo del getto secco. La differenza è che utilizza particelle liquide in movimento rapido invece di proiettili, riducendo così l'impatto della polvere sull'ambiente durante il trattamento a getto secco e migliorando le condizioni di lavoro.

(3) Rinforzo con piatto rotante

La società americana 3M ha sviluppato un nuovo tipo di processo di rafforzamento con proiettili. Il suo metodo di rafforzamento consiste nell'utilizzare una piastra rotante con proiettili per colpire continuamente la superficie metallica ad alta velocità, formando così un strato di rafforzamento superficiale. Rispetto al trattamento con proiettili tradizionale, offre i vantaggi di un equipaggiamento semplice, facile utilizzo, alta efficienza, economia e durata. Il rafforzamento con la piastra rotante significa che quando un proiettile ad alta velocità colpisce la lamina, la sua superficie si espanderà rapidamente, causando una deformazione plastica a una certa profondità. Lo spessore dello strato deformato è correlato all'intensità dell'impatto del proiettile e alle proprietà meccaniche del materiale della lavorazione, e può generalmente raggiungere da 0,12 a 0,75 mm. Regolando il processo di trattamento con proiettili, è possibile ottenere lo spessore appropriato dello strato deformato. Sotto l'azione del trattamento con proiettili, quando si verifica una deformazione plastica sulla superficie della lamina, anche la zona sottostante adiacente si deformerà. Tuttavia, rispetto alla superficie, la deformazione della zona sottostante è minore. Senza raggiungere il punto di cedimento, essa rimane nella fase di deformazione elastica, quindi la plastificazione non uniforme tra la superficie e la parte inferiore è irregolare, il che può causare variazioni di sollecitazioni residue nel materiale dopo lo spruzzamento. I risultati dei test mostrano che esiste una sollecitazione residua compressiva sulla superficie dopo il trattamento con proiettili, e ad una certa profondità appare una sollecitazione tensile nella zona sottostante. La sollecitazione residua compressiva sulla superficie è diverse volte superiore a quella della zona sottostante. Questa distribuzione delle sollecitazioni residue è molto vantaggiosa per migliorare la resistenza alla fatica e la resistenza alla corrosione. Pertanto, la tecnologia del trattamento con proiettili riveste un ruolo fondamentale per prolungare la vita utile dei prodotti e migliorarne la qualità.

Riparazione del rivestimento

Nelle turbine degli aerei, molte pale avanzate utilizzano la tecnologia di rivestimento per migliorare le loro proprietà antiossidanti, anticorrosive e resistenti all'usura; tuttavia, poiché le pale subiscono danni in gradi vari durante l'uso, devono essere riparate durante la manutenzione delle pale, generalmente rimuovendo il rivestimento originale e applicando quindi un nuovo strato di rivestimento.