Badania i zastosowanie technologii adaptacyjnego obrabiania do naprawy uszkodzeń w końcach łopatek turbin silników lotniczych

Naprawa uszkodzonych łopatek turbin ma wielkie znaczenie dla konserwacji i przedłużania życia silników lotniczych. W artykule przeprowadzono przegląd postępów w dziedzinie technologii naprawy określonej niklowej łopatki turbinowej z wysokotemperaturowej stopu, skupiając się na metodzie naprawy za pomocą adaptacyjnego obróbki mechanicznej na końcu łopatki, oraz szczegółowo wyjaśnia proces eksperymentalnego obrabiania i wyniki weryfikacji, a także wskazano perspektywy rozwoju technologii naprawy łopatek turbinowych.

Silnik lotniczy jest rdzeniem energetycznym samolotu. Spośród różnych elementów silnika lotniczego, misja funkcyjna i cechy pracy łopatek turbiny określają, że są to jedne z obracających się części o najgorszym stresie i największym obciążeniu w silniku lotniczym, co również powoduje częste awarie i uszkodzenia łopatek turbiny. Najczęstszym z nich jest uszczelnianie pęknięć, które ma najwyższe prawdopodobieństwo wystąpienia i największy szkodliwość, głównie pęknięcia zmęczeniowe spowodowane siłą odśrodkową nałożoną na stresgi zginania, pęknięcia zmęczeniowe drgań spowodowane środowiskiem drganiowym oraz pęknięcia zmęczeniowe na ciepło spowodowane uszkodzeniami korozyjnymi wywołanymi przez środowiska otaczające. W tym etapie, aby zmniejszyć koszty użytkowania silnika, remanufaktura i naprawa uszkodzonych łopatek turbiny ma ogromne znaczenie.

Pomiędzy kluczowymi technologiami naprawy łopatek turbin, adaptacyjna technologia przetwarzania zwróciła uwagę wielu badaczy jako skuteczny sposób osiągnięcia gładkiego nałożenia uszkodzonych granic oraz precyzyjnego formowania naprawionych obszarów. Brytyjska firma TTL uzyskuje informacje o linii przekroju łopatki za pomocą metod pomiarowych kontaktowych i używa zmierzonej informacji o profilu przekroju do ukończenia rekonstrukcji modelu obszaru zużycia wierzchołka poprzez przesunięcie wzdłuż kierunku Z, generując kod przetwarzania do usunięcia warstwy nawleczanej. Brytyjska firma Delcam zaproponowała metodę rekonstrukcji modelu dla naprawy wierzchołka łopatki turbinowej za pomocą pomiarów maszynowych, co zmniejszyło problem akumulacji błędów pozycjonowania za pomocą tych pomiarów; dwie bliskie dane sekcji krzyżowych w pobliżu warstwy nawleczanej zostały uzyskane za pomocą pomiarów kontaktowych, a geometryczny model do naprawienia zużytego wierzchołka łopatki o strukturze prostoliniowej został obliczony, aby ukończyć cały proces naprawy przez szlifowanie. Na podstawie teorii systemów szarych, Ding Huapeng przewidział linię łukową i grubość profilu łopatki w strefie uszkodzenia, a następnie przeprowadził pełną rekonstrukcję modelu łopatki, po czym uzyskał model defektu naprawy za pomocą różnicy boolowskiej, co umożliwiło osiągnięcie pewnego efektu naprawy. Hou F i inni zaproponowali adaptacyjną metodę naprawy ciała łopatki, w tym modelowanie powierzchni spawania i optymalizację modelowania docelowej powierzchni naprawy, a w końcu użyli symulacji, aby udowodnić skuteczność metody naprawy. Zhang X i inni zaproponowali automatyczny schemat naprawy uszkodzonych obszarów łopatek silnikowych, który jest bezpośrednio formowany przez nawleczanie materiału. W porównaniu z tradycyjnymi metodami naprawy, jest to w pewnym stopniu innowacyjne, ale trudno jest naprawić łopatki turbinowe o złożonych powierzchniach.

Wyżej wymienione badania pokazują, że naprawa łopatek silników lotniczych jest popularnym tematem w branży lotniczej zarówno w kraju, jak i za granicą. W dziedzinie naprawczego obróbki materiału nacisk kładziony jest na osiągnięcie gładkiego połączenia między obszarem naprawy a obszarem nietkniętym uszkodzeniami oraz na precyzyjne formowanie po naprawie. Dlatego też, opierając się na powyższych badaniach dotyczących naprawy, niniejszy artykuł przyjmuje uszkodzoną łopatkę turbinową jako przykład do badań zastosowania technologii adaptacyjnego obrabiania dla naprawy uszkodzeń końcówki łopatki, co zapewnia gładkie przejście pomiędzy obszarem obróbkowym a obszarem nieużywanym podczas naprawy oraz to, że cała powierzchnia naprawiona spełnia końcowe wymagania dotyczące dopuszczonego odchylenia dla naprawionej łopatki.

1 Analiza wykonalności naprawy uszkodzeń końcówki łopatki

Rysunek 1 przedstawia typowy przykład defektu w postaci szczeliny na końcu łopatki turbinowej. Na tej podstawie zaproponowano metodę regeneracji i naprawy uszkodzonego końca łopatki turbinowej silnika lotniczego. Stworzono rozwiązanie regeneracyjne i naprawcze, które obejmuje usuwanie uszkodzonej części końcówki łopatki - topniejące spawanie i nanoszenie solderu (jak pokazano na rysunku 2) - pozyskiwanie chmury punktów łopatki - odtwarzanie cyfrowego modelu łopatki - przetwarzanie adaptacyjne łopatki w celu osiągnięcia naprawy adaptacyjnej dokładności geometrycznej rozmiaru łopatki i odzyskania wydajności. Jakość i wydajność naprawionej łopatki spełniają wymagania projektowe i mogą być stosowane do naprawy w czasie rzeczywistym na miejscu naprawczym, oferując skuteczne rozwiązanie umożliwiające realizację wsadowego przetwarzania naprawczego uszkodzonych elementów silników lotniczych.

1.1 Analiza trudności procesu

Ze względu na problem dokładności odlewu, występują różnice indywidualne między gotowym ostrzem a teoretycznym modelem projektowym. Rozmiar zarysu ostrza jest kształtowany w stanie nowym, a po jednym cyklu pracy spowoduje to różnego stopnia deformację i uszkodzenia. Ze względu na indywidualność przetwarzanego obiektu, jeśli naprawa i przetwórstwo będą wykonywane według teoretycznych wymiarów z rysunku projektowego, zniszczona zostanie dokładność kształtu oryginalnego ostrza. Jeśli dla każdego przetwarzanego elementu trzeba będzie ponownie wygenerować zestaw kodów przetwarzania na podstawie modelu CAD, znacznie wpłynie to na całą długość cyklu przetwarzania części.

Konstrukcja końcówki ostrza jest złożona, z wałkiem i pokrywą umieszczoną 2 do 3 mm poniżej końcówki ostrza, a najwęższa szerokość szwu tylnego krawędzią wynosi zaledwie 0,5 mm. Ostrze ma strukturę przestrzenną wewnętrznej jaskini, a na powierzchni ciała ostrza znajduje się wiele otworów filmu powietrznego. Świory łatwo przenikają do wnętrza i otworów filmu powietrznego, co utrudnia czyszczenie.

1.2 Główne wymagania techniczne

(1) Po naprawieniu końcówki, kontury powierzchni wypukłej i wklęsłej odpowiadają rysunkowi projektowemu i są gładko połączone z oryginalnym kształtem podstawowego ostrza.

(2) Minimalna grubość ścianki wzdłuż kształtu ostrza przy tylnym kraju końcówki wynosi 0,41 mm, a minimalna grubość ścianki wzdłuż kształtu ostrza w innych częściach wynosi 0,51 mm (jak pokazano na rysunku 3).

(3) Wymiary wysokości ostrza są zapewnione.

(4) Roughness nie przekracza Ra0,8 μm.

(5) Nie wolno pozostawiać świórów ani innych obcych substancji wewnątrz jaskini i otworów filmu powietrznego.

(6) Naprawiona część jest badana fluorescencją, aby upewnić się, że nie ma pęknięć, inkluzji itp., a badanie przeprowadzane jest zgodnie ze standardami inspekcji fluorescencyjnej i kryteriami akceptacji.

2 Technologia adaptacyjnego obróbki mechanicznej do naprawy uszkodzeń na porzebku łopatki

W związku z trudnościami w procesie naprawy końca łopatki roboczej turbiny, mianowicie: deformacja każdej naprawianej łopatki jest niezgodna, pozycja i kąt zacisku różnią się, a dokładność pierwotnego odlewu jest problematyczna. Takie praktyczne problemy mogą być szybko wykrywane online za pomocą technologii adaptacyjnej dla każdego elementu lub części do obróbki, co pozwala zrozumieć rzeczywisty kształt i rozkład położenia. Następnie system odtwarza docelową model cyfrową zgodną z projektem na podstawie danych pomiarowych, generując unikalną personalizowaną trajektorię ruchu, aby spełnić wymagania produkcyjne, a ostatecznie zgodzić się z projektem i rzeczywistym obiektem. Schemat technologii adaptacyjnej przedstawiono na Rysunku 4.

2.2 Technologia rejestracji danych modeli CAD

Ze względu na indywidualne charakterystyki pustaka obiektu przetwarzanego, odbudowany model CAD nie ma regularnej płaszczyzny odniesienia do znalezienia swojego układu współrzędnych, a konieczne jest użycie technologii rejestracji do wyrównania jego układu współrzędnych. Dwa zbiory punktów w przestrzeni to teoretyczny model X{xi} i informacja pomiarowa P{pi} obiektu przetwarzanego. Zbiór punktów P jest obracany i przesuwany, aby zminimalizować odległość względem zbioru punktów X, a następnie nawiązano relację transformacji przestrzennej między informacją pomiarową P{pi} a informacją teoretyczną modelu X{xi}. Relacja przestrzenna obejmuje macierz obrotu R i macierz translacji T. Następnie metoda parowania najbliższych punktów znajduje punkt w X najbliżej każdego punktu w P, tworząc nowy zbiór punktów X', jak pokazano na rysunku 5.

3 Weryfikacja technologii adaptacyjnego obrabiania do naprawy uszkodzeń na końcówkach łopatek

System obróbki adaptacyjnej obejmuje oprogramowanie i sprzęt do obróbki adaptacyjnej, takie jak maszyny do obróbki i narzędzia cięcia. Integracja tych dwóch elementów jest kluczowa do osiągnięcia w pełni obróbki adaptacyjnej. W pracy naprawczej pewnego rodzaju łopaty turbinowej wysokiego ciśnienia zastosowano system obróbki adaptacyjnej do wykonania naprawy łopat, a także ukończono naprawę i weryfikację aplikacji wielu łopatek silnikowych.

3.1 Krok testowy

Krok 1: Po napełnieniu uszkodzonego obszaru końcówki łopaty do naprawy za pomocą nakładania i spawania powierzchniowego, uzyskuje się informacje pomiarowe z obszaru bliskiego uszkodzonej końcówce łopaty poprzez pomiary w-maszynowe.

Krok 2: Uzyskanie informacji o teoretycznym modelu przed naprawą końcówki łopaty.

Krok 3: Użyj rejestracji danych, aby ustalić relację przekształcenia przestrzennego między informacjami pomiarowymi a informacjami z modelu teoretycznego (relacja przekształcenia przestrzennego obejmuje obrotę i translację) oraz uzyskaj korektę obrotu i translacji, czyli ilość obrotu i translacji po najlepszym dopasowaniu.

Krok 4: Wygeneruj plik CLSF ścieżki lokalizacji narzędzia do obróbki według informacji z modelu teoretycznego i wygeneruj poprawioną lokalizację narzędzia oraz wektor osi narzędzia w pliku CLSF na podstawie korekty uzyskanej w kroku 3 w kierunkach XYZ.

Krok 5: Wypoleruj i odbuduj uszkodzony obszar końcówki łopatki turbinowej za pomocą zmodyfikowanej ścieżki narzędzi, aby osiągnąć pełną restaurację precyzyjnej końcówki łopatki.

Jak pokazano na rysunku 6, do pomiarów online wykorzystuje się sonda RMP40 i kulę styłową o średnicy φ6 mm. Otrzymano dwanaście punktów pomiarowych poprzez optymalizację dwóch sekcji w pobliżu końca ostrza. Wygenerowane pliki danych pomiarowych mogą być przekazywane z powrotem do systemu oprogramowania komputerowego, a na podstawie danych pomiarowych może być automatycznie generowany model obróbki w środowisku UG.

Testy przeprowadzono na trójosiowym centrum frezarskim, a ostrze zostało poziomo umieszczone na stole roboczym za pomocą palety narzędzi szybkiej wymiany, co ułatwia dokładność wielokrotnej kontrolnej klamrowej operacji podczas obróbki oraz obróbkę cech w kolejnym procesie, jak pokazano na rysunku 7.

Wygenerowany plik trajektorii narzędzia do obróbki CLSF jest przedstawiony na rysunku 8.

3.2 Ochrona wnętrza kadłuba i otworów filmu powietrznego

Podczas testu spełniono wymaganie techniczne, że w jamie wewnętrznej i otworach filmu powietrznego nie wolno pozostawać żadnych odchylek ani innych nieczystości. W trakcie testu procesowego zabezpieczono jamę wewnętrzną i wiele otworów filmu powietrznego na ostrzu. Ta studia techniczna używa funkcjonalnego kleju do zaklejenia jamy wewnętrznej i otworów filmu powietrznego, co pozwala na ochronę tych otworów. Wiadomo, że podczas naprawy takich ostrzy za granicą stosuje się ciekły "wielofunkcyjny klej maslowy epoksydowy" do ochrony jamy i otworów filmu powietrznego. Po ochłodzeniu staje się on twardejszy, osiągając efekt ochronny. Gdy podgrzeje się go do ponad 100°C, topnieje i zmienia się w "popiół", który można wydmuchać lub usunąć za pomocą czyszczenia ultradźwiękowego. W małych otworach nie pozostaje żaden reszt. W późniejszych zastosowaniach inżynierskich w partii należy szczególnie zwrócić uwagę na ochronę i czyszczenie jam oraz małych otworów, a także kontynuować poszukiwania bardziej odpowiednich sposobów zapobiegania wprowadzaniu odchylek i nieczystości.

3.3 Wyniki testów

Poprzez pomiar profilu końcówki naprawionego łopata turbiny, jak pokazano na rysunku 9, kształt spełnia wymagania technologiczne procesu. Na podstawie wizualnej inspekcji można zauważyć, że obszar naprawy łopatki i pierwotny profil są gładko połączone po adaptacyjnym polerowaniu, jak pokazano na rysunku 10. Grubość ścianek wewnętrznych i zewnętrznych jam jest zgodna z wymaganiami, roughness powierzchni jest poniżej Ra0.8 μm, a inne wskaźniki techniczne spełniają wymagania procesowe. Dzięki fluorescencyjnemu badaniu procesowi mechanicznemu nie zostały spowodowane nowe szczeliny ani inne defekty.

Skontaktuj się z nami

Dziękujemy za zainteresowanie naszą firmą! Jako profesjonalny producent części turbin gazowych będziemy dalej angażować się w innowacje technologiczne i poprawę usług, aby oferować jeszcze więcej wysokiej jakości rozwiązań dla klientów na całym świecie. Jeśli masz jakiekolwiek pytania, sugestie lub zamiary współpracy, z przyjemnością Ci pomожemy. Skontaktuj się z nami w następujący sposób:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201
E-mail: [email protected]