航空機エンジンブレードの故障検出および修理技術

タービンブレードは、高温、重負荷、複雑な構造を持つ航空機エンジンの重要な部品です。点検とメンテナンスの質は、作業の耐久性和寿命に密接に関係しています。本論文では、航空機エンジンブレードの点検とメンテナンスを研究し、航空機エンジンブレードの故障モードを分析し、その故障検出技術とメンテナンス技術をまとめます。

タービンブレードの設計では、しばしば新しい高品質素材が使用され、構造と加工技術の改善により余裕を減らし、エンジンの推力重量比を向上させます。タービンブレードは、全長にわたって同等の作業を達成できる空力形状の翼であり、これによりブレードルートからブレードチップまでの気流に回転角度が保たれ、ブレードチップでの回転角度はルートよりも大きくなります。タービンディスクにタービンローターブレードを取り付けることは非常に重要です。「榧（かや）の木形」のトゥネオンは現代のガスタービンローターであり、精密に加工および設計されており、すべてのフランジが均等に負荷を支えることを保証します。タービンが停止している場合、ブレードは歯溝で接線方向に動き、タービンが回転すると、遠心効果によりブレードルートがディスクに締め付けられます。インペラ材料は、タービンの性能と信頼性を確保するための重要な要素です。初期には変形高温合金が鍛造によって使用されていましたが、エンジン設計と精密鋳造技術の継続的な進歩により、タービンブレードは変形合金から中空化、多結晶から単結晶へと変わり、ブレードの耐熱性が大幅に向上しました。ニッケルベースの単結晶超合金は、優れた高温クリープ特性を持つため、航空機エンジンの高温部品の製造に広く使用されています。したがって、タービンブレードの検査とメンテナンスに関する詳細な研究は、エンジン運転の安全性を向上させ、ブレードの損傷形態と損傷度を正確に評価するために大きな意義を持っています。

航空機エンジンブレードの故障モード

ブレードの低サイクル疲労破断故障

実際の作業中、ローターブレードの低サイクル疲労破断は通常起こりにくいが、次の3つの条件の下では低サイクル疲労破断が発生する。図1はブレード破断の模式図である。

（1）危険断面での作動応力が材料の降伏強度より小さい場合でも、危険断面に大きな局所的な欠陥があると、その領域では欠陥の存在により周辺の広い範囲で材料の降伏強度を超え、大きな塑性変形が発生し、ブレードの低サイクル疲労破断を引き起こす。

（2）設計上の考慮が不十分なため、危険断面でのブレードの作動応力が材料の降伏強度に近づき、またはそれを超える場合、危険部分に追加の欠陥があると、ブレードは低サイクル疲労破断を起こす。

(3) ブレードに振動、共鳴、過熱などの異常が発生し、その危険な断面の総応力値が屈服強度を超えると、ブレードは低サイクル疲労破断を引き起こします。低サイクル疲労破断は主に設計上の理由で発生し、大半はブレードの根元付近で発生します。典型的な低サイクル破断では明確な疲労弧はありません。

ブレードのねじれ共鳴疲労破断故障

高サイクル疲労破断とは、ブレードのねじれ共鳴による破断を指し、以下の代表的な特徴があります：

(1) ねじれ共鳴節点でコーナードロップが発生する。

(2) ブレードの疲労破断部には明らかな疲労曲線が見られますが、その曲線は非常に細いです。

(3) 破断は通常、ブレードの背面から始まり、ブレードの谷部へと延びていき、疲労領域が破断面の主要な部分を占めます。

ブレードのねじり疲労ひび割れの主な原因は二つあります。一つはねじり共鳴、もう一つはブレード表面の広範な錆または外部力の影響です。

ブレードの高温疲労および熱損傷による疲労破断故障

タービンローターブレードは高温環境で動作し、温度変化と交代応力を受けます。これによりブレードのせん断変形や疲労損傷が発生します（図2参照）。ブレードの高温疲労破断には次の三つの条件を満たす必要があります：

（1）ブレードの疲労破断は主に粒界破断の特徴を示します。

（2）ブレードの破断部の温度は材料の限界せん断温度より高いです；

（3）ブレードの疲労破断部は方形波の遠心引張応力しか耐えられず、この温度でのせん断限界または疲労限界を超えています。

一般的に、高温でのローターブレードの疲労破断は非常に稀ですが、実際の使用ではローターの熱ダメージによる疲労破断が比較的よく見られます。エンジン運転中、異常な作動条件下で短期間の過温度により部品が過熱または焼損することを過熱ダメージと呼びます。高温では、ブレードに疲労ひび割れが発生しやすくなります。高温ダメージによる疲労破断には次の主な特徴があります：

（1）破断位置は通常、ブレードの最高温度領域にあり、ブレード軸に垂直です。

（2）破断はソース領域の入口エッジから始まり、その断面は暗く、酸化度が高いです。延長部分の断面は比較的平らで、色はソース領域ほど暗くありません。

航空機エンジンブレードの故障修理技術

機上ボーレスコープ検査

オンボードのボレースコープ検査は、エンジンタービンケース内のプローブを通じてタービンブレードを視覚的に検査することです。この技術はエンジンの分解を必要とせず、航空機に直接取り組むことができ、便利で速いです。ボレースコープ検査は、タービンブレードの焼損、腐食、剥離をよりよく検出でき、タービンの技術状態や健康状態を理解し掌握するのに役立ちます。これにより、タービンブレードの包括的な検査を行い、エンジンの正常な動作を確保できます。図3はボレースコープ検査を示しています。

修理作業場での検査前の前処理

タービンブレードの表面は、燃焼後の堆積物、コーティング、および高温酸化腐食によって形成される熱腐食層で覆われています。炭素堆積物はブレードの壁厚を増加させ、元の気流パスを変化させ、その結果タービン効率が低下します。また、熱腐食はブレードの機械的特性を低下させます。さらに、炭素堆積物の存在により、ブレード表面の損傷が隠され、検出が困難になります。したがって、ブレードを監視および修理する前に、炭素堆積物を除去する必要があります。

ブレードの健全性試験

過去には、航空機エンジンのブレード直径を検出するために、角度ゲージやカーペンターズカッパーなどの「硬い」測定器具が使用されていました。この方法は単純ですが、人為的な影響を受けやすく、精度が低く、検出速度が遅いという欠点があります。その後、座標測定機を基にし、マイクロコンピュータ自動制御用のアプリケーションが作成され、ブレードの幾何寸法を測定するシステムが開発されました。標準ブレード形状と比較してブレードを自動的に検出し、エラーテスト結果を自動で出力し、ブレードの可用性と必要なメンテナンス方法を判断します。異なるメーカーの座標測定器は具体的な技術に違いがありますが、以下の共通点があります：高い自動化レベル、速い検出速度、一般的に1枚のブレードを1分で検出でき、優れた拡張機能を持っています。標準ブレード形状データベースを修正することで、さまざまな種類のブレードを検出できます。図4は完全性テストを示しています。

航空機エンジンブレードのメンテナンス

熱喷涂技術

熱喷涂技術とは、繊維または粉末状の材料を溶融状態に焼き、さらに微細化してから噴霧対象の部品や基板に堆積させる技術です。

(1) 耐摩耗性コーティング

コバルト系、ニッケル系、タングステンカーバイド系などの耐摩耗性コーティングは、航空機エンジンの運転中に発生する振動、滑動、衝突、摩擦などの摩耗を低減するために広く使用され、性能と耐用年数を向上させます。

(2) 耐熱性コーティング

推力を向上させるために、現代の航空機エンジンはタービン前の温度を最大限に高める必要があります。この方法により、タービンブレードの動作温度もそれに応じて上昇します。耐熱材料を使用しても、使用条件を満たすのは依然として困難です。試験結果によると、タービンブレードの表面に耐熱コーティングを施すことで、部品の耐熱性が向上し、部品の変形や亀裂を回避できることが示されています。

(3) モールド可能なコーティング

現代の航空機エンジンでは、タービンは複数の水平スターターブレードで構成されたカスィングと、ディスクに固定されたローターブレードで構成されています。エンジンの効率を向上させるためには、スタターブレードとローターブレードの2つの部品間の距離をできるだけ短くする必要があります。このギャップには、ローターの先端と固定された外側リングの間の「チップギャップ」と、ローターの各段階とカスィングの間の「ステージギャップ」が含まれます。過剰なギャップによる空気漏れを減らすために、理論的にはギャップをゼロにすることが望ましいですが、製造部品の実際の誤差や取り付け誤差により達成するのは困難です。さらに、高温と高速回転の下では、ホイールが縦方向に移動し、ブレードが「放射状に伸びる」ことがあります。これは作業物の曲げ変形、熱膨張収縮によるものです。そのため、最小限の意図的なギャップを持つようにするために、耐摩耗コーティングを噴霧します。つまり、ブレードの先端近くの表面に様々なコーティングを噴霧し、回転部分が接触した際にコーティングが犠牲的に摩耗することで、ギャップを最小限に抑えることができます。図5は熱スプレー技術を示しています。

ショットピーニング

ショットピーニング技術は、高速の射出物を用いて作業部品の表面に衝撃を与え、作業部品の表面に残留圧縮応力を生成し、強化材料を一定程度形成することで、製品の疲労強度を向上させ、材料の応力腐食性能を低下させます。図6はショットピーニング後のブレードを示しています。

（1）ドライショットピーニング

ドライショットピーニング技術は、遠心力を利用して作業部品の表面に一定の厚さの表面強化層を形成します。ドライショットピーニング技術には設備がシンプルで効率が高いという利点がありますが、大量生産時には粉塵汚染、騒音が高い、ショットの消費量が多いなどの問題もあります。

（2）ウォーターショットピーニング

ウォーターショットピーニングは、ドライショットピーニングと同じ強化機構を持っています。違いは、ショットの代わりに高速移動する液体粒子を使用することにより、ドライショットピーニング中の粉塵の環境への影響を低減し、作業環境を改善することです。

（3）回転板強化

アメリカの3M社は、新しい種類のショットピーニング強化プロセスを開発しました。その強化方法は、ショットを装填した回転プレートを使用して金属表面を高速で連続的に打撃し、表面強化層を形成するものです。ショットピーニングと比較すると、設備がシンプルで使いやすく、効率的かつ経済的で耐久性があります。回転プレートによる強化とは、高速で飛来するショットがブレードに衝突すると、その表面が急速に膨張し、一定の深さで塑性変形を起こす現象です。変形層の厚さは、射出物の衝撃強度や作業材料の機械的特性に関連しており、通常0.12mmから0.75mmまで達します。ショットピーニングプロセスを調整することで、適切な変形層の厚さを得ることができます。ショットピーニングの作用により、ブレード表面で塑性変形が発生すると、隣接するサブサーフェスも変形します。しかし、表面と比べてサブサーフェスの変形は小さいです。降伏点に達しない場合、それはまだ弾性変形段階にあり、表面と下層の間の非均一な塑性変形は不均一であるため、噴霧後の材料に残留応力の変化を引き起こす可能性があります。試験結果によると、ショットピーニング後には表面に残留圧縮応力が発生し、一定の深さではサブサーフェスに引張応力が現れます。表面の残留圧縮応力は、サブサーフェスの数倍に達します。この残留応力分布は、疲労強度や耐食性を向上させるのに非常に有益です。したがって、ショットピーニング技術は製品寿命の延長や品質向上において非常に重要な役割を果たします。

コーティング修復

航空機エンジンでは、多くの先進的なタービンブレードがコーティング技術を使用して、その抗酸化、防腐食、および耐磨耗性を向上させています。しかし、使用中にブレードはさまざまな程度で損傷するため、ブレードのメンテナンス時に修復する必要があります。通常、元のコーティングを剥離してから新しいコーティング層を適用します。