Teknologi pengesanan dan perbaikan kegagalan bilah enjin kapal terbang

Bilah turbin adalah sebahagian penting enjin kapal terbang, dengan suhu tinggi, beban berat, dan struktur yang kompleks. Kualiti pemeriksaan dan penyelenggaraan berkait rapat dengan keawetan dan tempoh perkhidmatan kerja. Makalah ini mengkaji pemeriksaan dan penyelenggaraan bilah enjin kapal terbang, menganalisis mod kegagalan bilah enjin kapal terbang, dan merangkumi teknologi pengesanan kegagalan serta teknologi penyelenggaraan bilah enjin kapal terbang.

Dalam reka bentuk bilah turbin, bahan baru dengan kualiti lebih tinggi kerap digunakan, dan margin kerja dikurangkan dengan membaiki struktur dan teknologi pemprosesan, untuk meningkatkan nisbah dorongan-ke-bobot enjin. Bilah turbin adalah profil aerodinamik yang boleh mencapai kerja setara di sepanjang panjang bilah, dengan itu memastikan bahawa aliran udara mempunyai sudut putaran di antara pangkal bilah dan hujung bilah, dan sudut putaran pada hujung bilah lebih besar daripada pada pangkal bilah. Ia sangat penting untuk memasang bilah rotor turbin pada cakera turbin. 'Pengait berbentuk pokok cemara' adalah rotor turbin gas moden. Ia telah diproses dan direka dengan tepat untuk memastikan semua fleng dapat menanggung beban secara merata. Apabila turbin berhenti, bilah mempunyai pergerakan tangensial di lorong gigi, dan apabila turbin berputar, pangkal bilah diperketat kepada cakera akibat kesan sentrifugal. Bahan roda gilir adalah faktor penting dalam memastikan prestasi dan kebolehpercayaan turbin. Pada awalnya, kawalan suhu tinggi digunakan dan dihasilkan melalui penepukan. Dengan kemajuan terus dalam rekabentuk enjin dan teknologi pengecoran tepat, bilah turbin telah berubah dari kawalan suhu kepada kosong, polikristal kepada kristal tunggal, dan ketahanan terhadap haba bilah telah ditingkatkan secara ketara. Superaloi kristal tunggal berdasarkan nikel digunakan secara meluas dalam pengeluaran komponen hujung panas enjin penerbangan disebabkan oleh sifat kriep suhu tinggi yang cemerlang. Oleh itu, penyelidikan mendalam tentang pemeriksaan dan pemeliharaan bilah turbin adalah sangat penting untuk meningkatkan keselamatan operasi enjin dan menilai dengan tepat morfologi kerosakan dan tahap kerosakan bilah.

Mod kegagalan bilah enjin pesawat

Kegagalan patah lelah kitaran rendah bilah

Dalam operasi sebenar, patahan lelah kitaran rendah pada bilah rotor jarang berlaku, tetapi di bawah tiga keadaan berikut, patahan lelah kitaran rendah akan berlaku. Rajah 1 adalah gambar rajah patahan bilah.

(1) Walaupun tekanan kerja pada bahagian berbahaya lebih kecil daripada kekuatan leleh material, terdapat kecacatan tempatan besar pada bahagian berbahaya. Dalam kawasan ini, disebabkan oleh kehadiran kecacatan, kawasan yang lebih besar berhampiran melebihi kekuatan leleh material, menyebabkan pelengkung plastik yang besar, yang mengakibatkan patahan lelah kitaran rendah pada bilah.

(2) Disebabkan pertimbangan reka bentuk yang buruk, tekanan kerja bilah pada bahagian berbahaya hampir atau melampau kekuatan leleh material. Apabila terdapat kecacatan tambahan pada bahagian berbahaya, bilah akan mengalami patahan lelah kitaran rendah.

(3) Apabila bilah mengalami keadaan abnormal seperti goncangan, resonans, dan pemanasan berlebihan, nilai tekanan total pada bahagian berbahayanya adalah lebih besar daripada kekuatan lelehannya, menyebabkan pecah lelah siklus rendah pada bilah. Pecah lelah siklus rendah terutamanya disebabkan oleh sebab-sebab reka bentuk, dan kebanyakannya berlaku di sekitar pangkal bilah. Tidak terdapat lengkung lelah yang jelas pada pecahan lelah siklus rendah yang tipikal.

Kegagalan patah lelah resonans torsi bilah

Patah lelah siklus tinggi merujuk kepada patah yang berlaku akibat resonans torsi bilah, dan mempunyai ciri-ciri perwakilan berikut:

(1) Penurunan sudut berlaku pada nod resonans torsi.

(2) Lengkung lelah yang jelas boleh dilihat pada patahan lelah bilah, tetapi lengkung lelah itu sangat nipis.

(3) Patahan biasanya bermula dari belakang bilah dan merebak ke dasar bilah, dan kawasan lelah menduduki kawasan utama permukaan patahan.

Terdapat dua sebab utama kepada pecah lelah torsional pada bilah: satu ialah resonan torsional, dan yang lainnya ialah karat yang meluas di permukaan bilah atau kesan daya luaran.

Kegagalan patah lelah kecederaan panas dan kelelahan suhu tinggi pada bilah

Bilah rotor turbin bekerja dalam situasi suhu tinggi dan terdedah kepada perubahan suhu dan tegasan bergantian, yang menyebabkan kerosakan lelah dan merayap pada bilah (lihat Rajah 2). Untuk patah lelah suhu tinggi pada bilah, tiga syarat berikut mesti dipenuhi:

(1) Patah lelah bilah secara utama menunjukkan ciri-ciri patah antara bijih.

(2) Suhu pada tempat patah bilah adalah lebih tinggi daripada suhu merayap had material;

(3) Tempat patah lelah bilah hanya boleh memikul tegasan tarikan sentrifugal bentuk gelombang segi empat, yang melebihi had merayap atau had lelah pada suhu tersebut.

Secara amnya, pecah lelah pemutaran daun rotor pada suhu tinggi adalah sangat jarang, tetapi dalam penggunaan sebenar, pecah lelah yang disebabkan oleh kerosakan terma kepada rotor adalah agak biasa. Semasa operasi enjin, pemanasan berlebihan atau pembakaran komponen akibat suhu tidak normal dalam tempoh masa pendek dikenali sebagai kerosakan pemanasan berlebihan. Pada suhu tinggi, retak lelah cenderung berlaku pada daun. Pecah lemah yang disebabkan oleh kerosakan suhu tinggi mempunyai ciri-ciri utama berikut:

(1) Kedudukan patahan biasanya terletak di kawasan suhu tertinggi daun, berserenjang dengan paksi daun.

(2) Patahan bermula dari tepi masukan kawasan sumber, dan keratan rentasnya kelam dengan tahap oksidasi yang tinggi. Keratan rentas kawasan perluasan adalah lebih rata dan warnanya tidak sekelam kawasan sumber.

Teknologi pembaikan kegagalan bilah enjin kapal terbang

Pemeriksaan boroskop onboard

Pemeriksaan boroskop di atas kapal adalah untuk memeriksa secara visual bilah turbin melalui sonda dalam kotak turbin enjin. Teknologi ini tidak memerlukan penguraian enjin dan boleh selesai terus pada pesawat, yang mana memudahkan dan cepat. Pemeriksaan boroskop dapat mengesan dengan lebih baik pembakaran, kerosakan dan perekat bilah turbin, yang dapat membantu memahami dan menguasai teknologi serta kesihatan turbin, supaya pemeriksaan menyeluruh tentang bilah turbin dapat dilakukan dan memastikan operasi normal enjin. Rajah 3 menunjukkan pemeriksaan boroskop.

Pembasmian prasebelum pemeriksaan di bengkel perbaikan

Permukaan bilah turbin dilapisi dengan endapan selepas pembakaran, pelapisan, dan lapisan kerosakan terma yang terbentuk oleh kerosakan oksidasi suhu tinggi. Penumpukan karbon akan meningkatkan ketebalan dinding bilah, menyebabkan perubahan dalam laluan aliran udara asal, sehingga mengurangkan kecekapan turbin; kerosakan terma akan mengurangkan sifat mekanik bilah; dan disebabkan oleh penumpukan karbon, kerosakan pada permukaan bilah tertutupi, membuatkan pengesanan menjadi sukar. Oleh itu, sebelum memantau dan membaiki bilah, endapan karbon mesti dibersihkan.

Ujian integriti bilah

Dalam masa lalu, alat ukur "keras" seperti jangka sudut dan kalis digunakan untuk mengesan diameter bilah enjin kapal terbang. Kaedah ini mudah, tetapi ia mudah dipengaruhi oleh campur tangan manusia dan mempunyai kelemahan seperti ketepatan rendah dan kelajuan pengesanan perlahan. Kemudian, berdasarkan mesin pengukur koordinat, satu aplikasi untuk kawalan automatik mikrokomputer telah ditulis, dan sistem pengukuran untuk dimensi geometri bilah telah dibangunkan. Dengan mengesan bilah secara automatik dan membandingkannya dengan bentuk bilah piawai, hasil ujian ralat diberikan secara automatik untuk menentukan ketersediaan bilah dan kaedah pemeliharaan yang diperlukan. Walaupun alat-alat pengukur koordinat daripada pembuat yang berbeza ada perbezaan dalam teknologi spesifik, mereka mempunyai perkongsian berikut: tahap automatik tinggi, pengesanan pantas, biasanya satu bilah boleh diuji dalam 1 minit, dan mempunyai kemampuan peluasan yang baik. Dengan mengubah suai pangkalan data bentuk bilah piawai, pelbagai jenis bilah boleh diuji. Rajah 4 menunjukkan ujian integriti.

Pemeliharaan bilah enjin kapal terbang

Teknologi semburan terma

Teknologi semburan terma adalah untuk membakar serat atau bahan serbuk kepada keadaan leburan, kemudian mengatomiskannya lagi, dan seterusnya menyetemnya pada komponen atau substrat yang akan disemprot.

(1) Lapisan tahan aus

Lapisan tahan aus seperti lapisan berbasis kobalt, nikel, dan karbida tungsten digunakan secara meluas dalam komponen enjin kapal terbang untuk mengurangkan gesekan yang disebabkan oleh getaran, luncutan, tabrakan, gesekan, dan gesekan lain semasa operasi enjin kapal terbang, dengan itu meningkatkan prestasi dan jangka hayat.

(2) Lapisan tahan panas

Untuk meningkatkan dorongan, enjin kapal terbang moden perlu meningkatkan suhu sebelum turbin kepada maksimum. Dengan cara ini, suhu operasi bagi bilah turbin akan meningkatkan secara berkoresponden. Walaupun bahan tahan panas digunakan, masih sukar untuk memenuhi keperluan penggunaan. Keputusan ujian menunjukkan bahawa menerapkan pelapisan tahan panas pada permukaan bilah turbin boleh meningkatkan ketahanan panas komponen dan mengelakkan deformasi dan retakan pada komponen.

(3) Pelapisan Abradable

Dalam enjin kapal terbang moden, turbin terdiri daripada sebuah kasing yang terdiri daripada bilah stator mengufuk berbilang dan sebuah bilah rotor yang tetap pada satu cakera. Untuk meningkatkan kecekapan enjin, jarak di antara dua komponen stator dan rotor harus dikurangkan sebanyak mungkin. Jarak ini termasuk "jarak ujung" di antara hujung rotor dan cincin luar yang tetap, serta "jarak peringkat" di antara setiap peringkat rotor dan kasing. Untuk mengurangkan kebocoran udara yang disebabkan oleh jarak yang terlalu besar, jarak-jarak ini secara teori diperlukan untuk menjadi sifar sebanyak mungkin, kerana ralat sebenar dan ralat pemasangan bagi bahagian pengeluaran sukar untuk dicapai; selain itu, di bawah suhu tinggi dan kelajuan tinggi, roda juga akan bergerak secara longitudinal, menyebabkan bilah-bilah itu 'tumbuh' secara radial. Akibat pembezaan bentuk, pengejang panas dan kontraksi bahan kerja, pelapisan sembur digunakan untuk menjadikannya mempunyai jarak sedarhana terkecil, iaitu dengan menyemprotkan pelbagai jenis pelapisan di permukaan hampir di hujung bilah; apabila bahagian yang berputar bergesekan dengannya, pelapisan itu akan mengalami aus korban, dengan itu mengurangkan jarak kepada minimum. Rajah 5 menunjukkan teknologi penyemutan terma.

Shot Peening

Teknologi shot peening menggunakan peluru berkelajuan tinggi untuk menjejakkan permukaan bahan kerja, menghasilkan stres kompresif sisa pada permukaan bahan kerja dan membentuk bahan penguat hingga tahap tertentu untuk meningkatkan kekuatan lelah produk dan mengurangi prestasi kerosakan stres bahan. Rajah 6 menunjukkan bilah selepas shot peening.

(1) Shot peening kering

Teknologi shot peening kering menggunakan daya sentrifugal untuk membentuk lapisan penguatan permukaan dengan ketebalan tertentu pada permukaan bahan kerja. Walaupun teknologi shot peening kering mempunyai peralatan yang mudah dan cekap, ia masih mempunyai masalah seperti pencemaran debu, bunyi tinggi, dan penggunaan peluru tinggi semasa pengeluaran besar-besaran.

(2) Shot peening air

Penembusan air bekerja dengan mekanisme penguatan yang sama seperti penembusan butiran kering. Perbezaannya adalah ia menggunakan zarah cecair bergerak laju sebagai gantian kepada butiran, dengan itu mengurangkan kesan debu ke atas alam sekitar semasa penembusan butiran kering, dengan itu membaiki alam kerja.

(3) Penguatan pelat putaran

Syarikat Amerika 3M telah membangunkan proses penguatan shot peening jenis baru. Kaedah penguatannya adalah dengan menggunakan pelatakan putaran bersama-sama dengan butiran untuk memukul permukaan logam secara berterusan pada kelajuan tinggi untuk membentuk lapisan penguatan permukaan. Berbanding dengan shot peening, ia mempunyai kelebihan peralatan ringkas, mudah digunakan, cekap, ekonomi dan tahan lama. Penguatan pelatakan putaran bermaksud apabila butiran berkelajuan tinggi memukul bilah, permukaan bilah itu akan mengembang dengan pantas, menyebabkannya mengalami deformasi plastik pada kedalaman tertentu. Ketebalan lapisan deformasi berkaitan dengan kekuatan impak projektil dan sifat mekanikal bahan kerja, dan biasanya boleh mencapai 0.12 hingga 0.75 mm. Dengan menyesuaikan proses shot peening, ketebalan lapisan deformasi yang sesuai boleh diperolehi. Di bawah tindakan shot peening, apabila deformasi plastik berlaku pada permukaan bilah, permukaan subpermukaan yang bersebelahan juga akan berdeformasi. Walau bagaimanapun, berbanding dengan permukaan, deformasi subpermukaan lebih kecil. Tanpa mencapai titik leleh, ia masih berada dalam peringkat deformasi elastik, jadi deformasi plastik tidak seragam antara permukaan dan lapisan bawah adalah tidak seragam, yang boleh menyebabkan perubahan tekanan sisa dalam bahan selepas penyemprotan. Keputusan ujian menunjukkan bahawa terdapat tekanan mampat sisa pada permukaan selepas shot peening, dan pada kedalaman tertentu, tekanan regangan muncul pada subpermukaan. Tekanan mampat sisa pada permukaan adalah beberapa kali ganda tekanan subpermukaan. Taburan tekanan sisa ini sangat menguntungkan untuk meningkatkan kekuatan lelah dan ketahanan kerosakan. Oleh itu, teknologi shot peening memainkan peranan yang sangat penting dalam memperpanjang umur perkhidmatan produk dan meningkatkan kualiti produk.

Perbaikan pelapisan

Dalam enjin kapal terbang, banyak bilah turbin canggih menggunakan teknologi pelapisan untuk meningkatkan sifat anti-oksidasi, anti-korosi, dan tahan aus; namun, kerana bilah-bilah tersebut akan rosak kepada tahap yang berbeza semasa penggunaan, mereka mesti diperbaiki semasa penyelenggaraan bilah, biasanya dengan mengeluarkan pelapis asal dan kemudian memohon satu lapisan pelapis baru.