Foutdetectie en reparatietechnologie van vliegtuigmotorbladen

Turbinebladen zijn een belangrijk onderdeel van vliegtuigmotoren, met hoge temperaturen, zware belasting en een complexe structuur. De kwaliteit van inspectie en onderhoud is nauw verbonden met de duurzaamheid en dienstleven ervan. Dit artikel bestudeert de inspectie en onderhoud van vliegtuigmotorbladen, analyseert de falingsmodi van vliegtuigmotorbladen en samenvat de detectietechnologie en onderhoudstechnologie van vliegtuigmotorbladen.

Bij de ontwerping van turbinebladen worden vaak nieuwe materialen met hogere kwaliteit gebruikt, en wordt de werkmargin verkleind door de structuur en bewerkings technologie te verbeteren, zodat de vermogensgewichtsverhouding van de motor wordt verbeterd. Het turbineblad is een aerodynamische vleugelvorm die over de hele lengte van het blad equivalent werk kan leveren, waardoor wordt gegarandeerd dat de luchtstroom een rotatiehoek heeft tussen de bladwortel en de bladtop, en de rotatiehoek bij de bladtop groter is dan bij de bladwortel. Het is zeer belangrijk om het turbine rotorblad op de turbineschijf te monteren. De "kerstboompje-vormige" tenon is de rotor van de moderne gasturbine. Deze is nauwkeurig bewerkt en ontworpen om te waarborgen dat alle flappen de belasting gelijkmatig dragen. Wanneer de turbine stil staat, heeft het blad een tangentiële beweging in de tandgroef, en wanneer de turbine roteert, wordt de bladwortel door het centrifugale effect tegen de schijf gedrukt. Het impelmateriaal is een belangrijke factor voor het waarborgen van de prestaties en betrouwbaarheid van de turbine. In de vroege dagen werden vervormde hoogtemperatuurallega's gebruikt en vervaardigd door smeden. Met de voortdurende vooruitgang in motortoetsontwerp en precisiegiettechnologie zijn turbinebladen veranderd van vervormde allianties naar holle structuren, van polykristallijn naar enkelkristallijn, en is de hittebestendigheid van de bladen aanzienlijk verbeterd. Nickelgebaseerde enkelkristallijn superallega's worden breed gebruikt in de productie van hete onderdelen van vliegtuigmotoren vanwege hun uitstekende hoogtemperatuurcreep-eigenschappen. Daarom heeft diepgaand onderzoek naar inspectie en onderhoud van turbinebladen grote betekenis voor het verbeteren van de veiligheid van motortransport en het nauwkeurig evalueren van de schademorfologie en mate van schade van de bladen.

Mislukkingsmodi van vliegtuigmotorbladen

Blad laagcyclusmoeheid fractuur mislukking

In de praktijk komt laagcyclusmoeheid fractuur van rotorbladen meestal niet vaak voor, maar onder de volgende drie omstandigheden kan een laagcyclusmoeheid fractuur optreden. Figuur 1 is een schema van bladfractuur.

(1) Hoewel de werkspanning in het kritieke gebied kleiner is dan de buigsterkte van het materiaal, zijn er grote lokale tekortkomingen in het kritieke gebied. In dit gebied leidt het bestaan van tekortkomingen tot een grotere omliggende oppervlakte die de buigsterkte van het materiaal overschrijdt, wat resulteert in veel plastische vervorming en daarmee tot laagcyclusmoeheid fractuur van het blad.

(2) Door ontoereikende ontweroverwegingen komt de werkspanning van het blad in het kritieke gebied dicht bij of overschrijdt de buigsterkte van het materiaal. Wanneer er extra tekortkomingen in het kritieke gedeelte aanwezig zijn, ondergaat het blad een laagcyclusmoeheid fractuur.

(3) Wanneer de blade abnormale condities heeft zoals trilling, resonantie en oververhitting, is de totale spanning van zijn gevaarlijke sectie groter dan zijn opgavesterkte, wat resulteert in een laagcyclische vermoeidheidsfractuur van de blade. Een laagcyclische vermoeidheidsfractuur wordt voornamelijk veroorzaakt door ontwerprenen, en komt meestal voor rond de wortel van de blade. Er is geen duidelijke vermoeidheidsboog bij een typische laagcyclische fractuur.

Bladvermoeidheidsfractuur door torsieresonantie

Een hoogcyclische vermoeidheidsfractuur verwijst naar de fractuur die optreedt onder invloed van torsieresonantie van de blade, en heeft de volgende representatieve kenmerken:

(1) Hoekafname treedt op bij het knooppunt van de torsieresonantie.

(2) Een duidelijke vermoeidheidscurve kan worden waargenomen bij de vermoeidheidsfractuur van de blade, maar de vermoeidheidscurve is erg dun.

(3) De fractuur begint gewoonlijk aan de achterkant van de blade en breidt zich uit naar de bladvorm, en het vermoeide gebied neemt het grootste deel van het fracturoppervlak in.

Er zijn twee hoofdoorzaaken voor de torsionele vermoeidheidsbarsten van de bladen: de ene is torsionele resonantie, en de andere is uitgebreide roest op het bladoppervlak of de invloed van een externe kracht.

Blade hoge temperatuur vermoeidheid en thermische schade vermoeidheidsbreuk falen

Turbine rotorbladen werken in een hoge temperatuur omgeving en ondergaan temperatuurwisselingen en wisselende spanningen, wat leidt tot kruip- en vermoeidheidschade van de bladen (zie figuur 2). Voor hoge temperatuur vermoeidheidsbreuken van de bladen moeten de volgende drie voorwaarden worden vervuld:

(1) De vermoeidheidsbreuk van het blad toont voornamelijk de kenmerken van kristalgrens breuk.

(2) De temperatuur op de breukplaats van het blad is hoger dan de limietkruiptemperatuur van het materiaal;

(3) De vermoeidheidsbreukplaats van het blad kan alleen de centrifugale trekspanning van een vierkantsgolf dragen, die de kruiplimiet of vermoeidheidslimiet bij deze temperatuur overschrijdt.

In het algemeen is vermoeidheidsbreuk van rotorbladen bij hoge temperaturen uiterst zeldzaam, maar in de praktijk komt vermoeidheidsbreuk door thermische schade aan de rotor relatief vaak voor. Tijdens de motorbewerking wordt het oververhitten of oversmelten van onderdelen door korte termijn temperatuuroverschrijdingen onder abnormale werkomstandigheden oververhittingsschade genoemd. Bij hoge temperaturen ontstaan vermoeidheidsbarsten gemakkelijk in bladen. Vermoeidheidsbreuk veroorzaakt door hoge temperatuurschade heeft de volgende belangrijke kenmerken:

(1) De breukpositie bevindt zich meestal in het gebied met de hoogste temperatuur van het blad, loodrecht op de as van het blad.

(2) De breuk ontspringt aan de inlaatrand van het brongebied, en zijn doorsnede is donker en heeft een hoge mate van oxidatie. De doorsnede van het uitgebreide gedeelte is relatief vlak en niet zo donker als het brongebied.

Reparatietechnologie voor vliegtuigmotorbladen bij falen

Borescoopinspectie aan boord

Een boordborescoopinspectie is een visuele inspectie van de turbinebladen via een sonde in de turbinekast van de motor. Deze technologie vereist geen demontage van de motor en kan rechtstreeks op het vliegtuig worden uitgevoerd, wat praktisch en snel is. Met een borescoopinspectie kunnen brandplekken, corrosie en loskomst van turbinebladen beter worden gedetecteerd, wat helpt bij het begrijpen en beheersen van de techniek en de gezondheid van de turbine, zodat er een volledige inspectie van de turbinebladen kan plaatsvinden en de normale werking van de motor wordt gegarandeerd. Figuur 3 toont de borescoopinspectie.

Voorafgaande reinigingsbehandeling voor inspectie in de reparatiewerkplaats

De oppervlakte van de turbinebladen is bedekt met afzettingen na verbranding, coatings en thermische corrosielagen die zijn gevormd door hoge-temperatuur oxidatiecorrosie. Koolstofafzettingen zullen de wanddikte van de bladen vergroten, wat leidt tot veranderingen in de oorspronkelijke luchtvloeiweg, waardoor de efficiëntie van de turbine afneemt; thermische corrosie zal de mechanische eigenschappen van de bladen verminderen; en door de aanwezigheid van koolstofafzettingen wordt de schade aan de bladoppervlakte verborgen, waardoor detectie moeilijker wordt. Daarom moeten de koolstofafzettingen worden schoongemaakt voordat er controle en reparatie van de bladen plaatsvindt.

Integriteitstesten van bladen

In het verleden werden "harde" meetinstrumenten zoals hoeknormen en schuifmaat gebruikt om de diameter van de rotorbladen van vliegtuigmotoren te meten. Deze methode is eenvoudig, maar wordt gemakkelijk beïnvloed door menselijke factoren en heeft tekortkomingen zoals lage nauwkeurigheid en een trage detectiesnelheid. Vervolgens werd er op basis van de coördinatenmeetmachine een toepassing geschreven voor microcomputer automatische controle, en werd er een meet systeem ontwikkeld voor de geometrische afmetingen van de rotorbladen. Door de rotorbladen automatisch te detecteren en ze te vergelijken met de standaard bladvorm, worden de foutetestresultaten automatisch weergegeven om de bruikbaarheid van de rotorblad en het vereiste onderhoudsproces te bepalen. Hoewel de coördinatenmeetapparaten van verschillende fabrikanten verschil kunnen vertonen in specifieke technieken, hebben ze de volgende gemeenschappelijkheden: hoge mate van automatisering, snelle detectie, meestal kan één rotorblad binnen 1 minuut worden gedetecteerd, en ze hebben goede uitbreidingsmogelijkheden. Door een standaard rotorbladvormdatabase aan te passen, kunnen verschillende soorten rotorbladen worden gedetecteerd. Figuur 4 toont de integriteitstest.

Onderhoud van vliegtuigmotorbladen

Thermische spuittechnologie

Thermische spuittechnologie bestaat erin vezels of poedervormige materialen te verbranden tot een gesmolten toestand, ze verder te atomiseren en ze vervolgens af te zetten op de onderdelen of dragers die gespoten moeten worden.

(1) Slijtstofbestendige coatings

Slijtstofbestendige coatings zoals kobaltgebaseerd, nikkelgebaseerd en wolframmenkarbidegebaseerd worden breed toegepast in vliegtuigmotonderdelen om wrijving te verminderen die wordt veroorzaakt door trilling, glijden, botsing, wrijving en andere vormen van wrijving tijdens de bedrijfsfase van vliegtuigmotoren, waardoor de prestaties en dienstleven verbeteren.

(2) Hittebestendige coatings

Om de stuwkracht te vergroten, moeten moderne vliegtuigmotoren de temperatuur voor de turbine maximaliseren. Op deze manier neemt ook de werktemperatuur van de turbinebladen toe. Hoewel hittebestendige materialen worden gebruikt, is het nog steeds moeilijk om aan de gebruikseisen te voldoen. Testresultaten tonen aan dat het toepassen van hittebestendige coatings op het oppervlak van turbinebladen de hittebestendigheid van onderdelen kan verbeteren en veranderingen en scheuren in onderdelen kan voorkomen.

(3) Slijfbaar coatings

In moderne vliegtuigmotoren bestaat de turbine uit een behuizing die is samengesteld uit meerdere horizontale statorbladen en een rotorblad dat vastzit op een schijf. Om de efficiëntie van de motor te verbeteren, moet de afstand tussen de twee componenten, de stator en de rotor, zo veel mogelijk worden verkleind. Deze kloof omvat de 'tip-kloof' tussen het rotoruiteinde en de vaste buitenring, en de 'stadium-kloof' tussen elk stadium van de rotor en de behuizing. Om luchtuitstroom als gevolg van te grote kloven te voorkomen, zijn de kloven theoretisch zo veel mogelijk nul vereist, omdat de werkelijke fouten en montagefouten van productiedelen moeilijk te bereiken zijn; daarnaast beweegt de wiel onder hoge temperaturen en snelheden ook longitudinaal, waardoor de bladen 'radiaal groeien'. Vanwege buigdeformaties, thermische expansie en samentrekking van de werkstukken wordt er gebruikgemaakt van het spuiten van slijtagecoating om de kleinste bewuste kloof te creëren, dat wil zeggen het spuiten van verschillende coatings op de oppervlakte nabij de top van het blad; wanneer de draaiende delen eroverheen wrijven, zal de coating offerlijke slijting veroorzaken, waardoor de kloof tot een minimum wordt gereduceerd. Figuur 5 toont de thermische spuittechnologie.

Shot Peening

Shot peening-technologie gebruikt hoge snelheid projectielen om de oppervlakte van het werkstuk te beïnvloeden, waardoor residuele compressieve spanningen op de oppervlakte van het werkstuk ontstaan en er een versterkend materiaal tot stand komt dat de vermoeidheidsterkte van het product verbetert en de stresscorrosieprestaties van het materiaal vermindert. Figuur 6 toont de vleugel na shot peening.

(1) Droge shot peening

Droge shot peening-technologie gebruikt centrifugale kracht om een versterkende laag met een bepaalde dikte op de oppervlakte van het werkstuk te vormen. Hoewel droge shot peening-technologie eenvoudige apparatuur en hoge efficiëntie heeft, zijn er tijdens massa-productie nog problemen zoals stofvervuiling, hoge geluidsniveaus en hoge kogelverbruik.

(2) Water shot peening

Water shot peening heeft dezelfde versterkingsmechanisme als droge shot peening. Het verschil is dat het snel bewegende vloeistofdeeltjes gebruikt in plaats van shot, waardoor het stofgevaar tijdens droge shot peening op het milieu wordt verminderd, waardoor de werkomgeving wordt verbeterd.

(3) Rotatieplaat versterking

Het Amerikaanse bedrijf 3M heeft een nieuwe soort shot peening-versterkingsproces ontwikkeld. Hun versterkingsmethode bestaat erin om met behulp van een rotatieplaat met shot de metalen oppervlakte voortdurend op hoge snelheid te laten inslaan, waardoor een versterkingslaag aan de oppervlakte wordt gevormd. In vergelijking met traditionele shot peening heeft dit de voordelen van eenvoudig materiaal, gemakkelijk gebruik, hoge efficiëntie, economie en duurzaamheid. Bij rotatieplaatversterking betekent het dat wanneer een high-speed shot de blad raakt, de oppervlakte van het blad snel zal uitdijen, wat leidt tot plastische deformatie op een bepaalde diepte. De dikte van de deformatielaag is gerelateerd aan de impactsterkte van het projectiel en de mechanische eigenschappen van het werkstukmateriaal, en kan doorgaans variëren tussen 0,12 en 0,75 mm. Door de shot peening-procesparameters aan te passen, kan de geschikte dikte van de deformatielaag worden verkregen. Onder invloed van shot peening treedt er plastische deformatie op aan de oppervlakte van het blad, en ook zal de aangrenzende suboppervlakte vervormen. In vergelijking met de oppervlakte is de deformatie van de suboppervlakte echter kleiner. Zonder de opleverpunt te bereiken blijft deze in de elastische deformatiestage, zodat de ongelijke plasticering tussen de oppervlakte en de onderliggende laag onevenredig is, wat kan resulteren in residuële spanningen in het materiaal na spuiten. Testresultaten tonen aan dat er residuele compressiestress aanwezig is op de oppervlakte na shot peening, en op een bepaalde diepte verschijnt trekspanning in de suboppervlakte. De residuele compressiestress op de oppervlakte is enkele malen groter dan die in de suboppervlakte. Deze distributie van residuele spanningen is zeer gunstig voor het verbeteren van vermoeidheidssterkte en corrosiebestendigheid. Daarom speelt shot peening-technologie een zeer belangrijke rol bij het verlengen van de dienstleven van producten en het verbeteren van productkwaliteit.

Coating reparatie

In vliegtuigmotoren gebruiken veel geavanceerde turbinebladen coating-technologie om hun tegenstand tot oxidatie, corrosie en slijtage te verbeteren; echter, omdat de bladen tijdens gebruik in verschillende mate beschadigd raken, moeten ze gedurende de onderhoud van de bladen gerepareerd worden, doorgaans door het originele coating af te stripen en vervolgens een nieuwe coating-laag aan te brengen.