Technologia wykrywania uszkodzeń i naprawy łopatek silników lotniczych

Łopatki turbin są ważnym elementem silników lotniczych, charakteryzującymi się wysoką temperaturą, dużym obciążeniem i złożoną konstrukcją. Jakość inspekcji i konserwacji jest ściśle związana z trwałością i czasem użytkowania. W niniejszym artykule badane są inspekcje i konserwacja łopatek silników lotniczych, analizowane są tryby awarii łopatek silników lotniczych oraz podsumowywane technologie wykrywania uszkodzeń i konserwacji tych łopatek.

W projektowaniu łopatek turbin często stosuje się nowe materiały o wyższej jakości, a poprzez doskonalenie konstrukcji i technologii obróbki zmniejsza się margines bezpieczeństwa, aby poprawić współczynnik ciągu do masy silnika. Łopatka turbiny to profil aerodynamiczny, który może realizować równomierną pracę wzdłuż całej długości łopatki, co gwarantuje, że przepływ powietrza ma kąt obrotu między korzeniem a końcem łopatki, przy czym kąt obrotu na końcu jest większy niż przy korzeniu. Bardzo ważne jest zamocowanie łopatki wirnika turbinowego na dysku turbinowego. "Drzewiasta" szpona jest wirnikiem nowoczesnej turbiny gazowej. Została precyzyjnie przetworzona i zaprojektowana tak, aby wszystkie flangi mogły równomiernie przenosić obciążenia. Gdy turbina jest nieruchoma, łopatka wykonuje ruch styczny w zębie, a podczas obrotu turbiny korzeń łopatki jest napinany do dysku przez siłę odśrodkową. Materiał wirnika jest istotnym czynnikiem dla zapewnienia wydajności i niezawodności turbiny. Wczesne rozwiązania wykorzystywały odkształcalne stopy wysokotemperaturowe produkowane metodą kuźnictwa. Dzięki ciągłemu postępowi w projektowaniu silników i technologii precyzyjnego lejania, łopatki turbin przeszły od stopów odkształcalnych do pustych, wielokrystalicznych aż po jednokrystaliczne, co znacząco poprawiło ich odporność na temperatury. Stopy jednokrystaliczne niklowe są szeroko stosowane w produkcji elementów cieplnych silników lotniczych ze względu na swoje wybitne właściwości pełzania przy wysokich temperaturach. Dlatego głębokie badania dotyczące inspekcji i konserwacji łopatek turbin mają ogromne znaczenie dla poprawy bezpieczeństwa eksploatacji silników oraz dokładnej oceny morfologii i stopnia uszkodzeń łopatek.

Tryby awarii łopatek silników lotniczych

Awaryjne pękanie łopatek z powodu niskocyklowej wytrzymałości na zmęczenie

W praktyce, pękanie niskocyklowe łopatek wirnika zwykle nie występuje łatwo, ale w trzech następujących warunkach może dojść do pękania niskocyklowego. Rysunek 1 przedstawia schematyczny rysunek pęknięcia łopatki.

(1) Choć naprężenie robocze w przekroju krytycznym jest mniejsze niż granica plastyczności materiału, istnieją duże lokalne defekty w tym przekroju. W tej strefie, ze względu na obecność defektów, większa część sąsiedniego obszaru przekracza granicę plastyczności materiału, co prowadzi do dużych deformacji plastycznych i spowodowuje pękanie łopatki z powodu niskocyklowej wytrzymałości na zmęczenie.

(2) Ze względu na niedostateczne rozważania projektowe, naprężenie robocze łopatki w przekroju krytycznym jest bliskie lub przekracza granicę plastyczności materiału. Gdy występują dodatkowe defekty w części krytycznej, łopatka ulega pękaniu niskocyklowemu.

(3) Gdy ostrze ma nieprawidłowe zjawiska, takie jak drżenie, rezonans i przegrzanie, całkowita wartość naprężenia w jego niebezpiecznej sekcji jest większa niż graniczna wytrzymałość na plastyczne odkształcenia, co prowadzi do pękania z powodu niskocyklowej zmęczeniowej. Pękanie z powodu niskocyklowej zmęczeniowej jest głównie spowodowane przyczynami projektowymi i większość występuje wokół korzenia ostrza. W typowym pęknięciu niskocyklowym nie widać wyraźnej krzywej zmęczeniowej.

Awaria zmęczeniowego pękania obrotowego rezonansu ostrza

Zmęczeniowe pękanie wysokocyklowe odnosi się do pękania, które występuje podczas obrotowego rezonansu ostrza i ma następujące reprezentatywne cechy:

(1) Obniżenie kąta występuje w węźle obrotowego rezonansu.

(2) Widoczna jest wyraźna krzywa zmęczeniowa na pęknięciu zmęczeniowym ostrza, ale krzywa zmęczeniowa jest bardzo cienka.

(3) Pęknięcie zazwyczaj zaczyna się od tyłu ostrza i rozprzestrzenia się na zbiornik ostrza, a strefa zmęczeniowa zajmuje główne miejsce na powierzchni pęknięcia.

Istnieją dwie główne przyczyny obrotowych pęknięć zmęczeniowych ostrza: jedna to rezonans obrotowy, a druga to rozległe rdzewienie na powierzchni ostrza lub wpływ siły zewnętrznej.

Uszkodzenia i awarie spowodowane wysokotemperaturowym zmęczeniem i termicznym uszkodzeniem ostrza

Ostrza wirnika turbiny pracują w środowisku o wysokiej temperaturze i są narażone na zmiany temperatury oraz naprężenia zmienne, co prowadzi do odkształceń pełzania i zmęczenia ostrzy (patrz rysunek 2). Dla wysokotemperaturowego zmęczenia i pękania ostrzy muszą zostać spełnione następujące trzy warunki:

(1) Pęknięcie zmęczeniowe ostrza głównie wykazuje cechy pękania międmiędzyziarniowego.

(2) Temperatura w miejscu pęknięcia ostrza jest wyższa niż graniczna temperatura pełzania materiału;

(3) Miejsce pęknięcia zmęczeniowego ostrza może tylko wytrzymać odśrodkowe naprężenie rozciągające o charakterze fal prostokątnych, które przekracza granicę pełzania lub zmęczenia przy tej temperaturze.

Ogólnie rzecz biorąc, pęknięcia z powodu zmęczenia łopatek wirnika przy wysokich temperaturach są ekstremalnie rzadkie, ale w rzeczywistym użytkow użyciu pęknięcia spowodowane uszkodzeniami termicznymi wirnika występują stosunkowo często. Podczas pracy silnika przegrzanie lub przepalenie elementów spowodowane krótkotrwałym przekroczeniem temperatury w warunkach nieprawidłowej pracy nazywa się uszkodzeniem spowodowanym przegrzaniem. W wysokich temperaturach pęknięcia zmęczeniowe mogą łatwo wystąpić w łopatkach. Pęknięcia zmęczeniowe spowodowane uszkodzeniami termicznymi mają następujące główne cechy:

(1) Położenie pęknięcia znajduje się ogólne w obszarze najwyższej temperatury łopatki, prostopadle do osi łopatki.

(2) Pęknięcie pochodzi od krawędzi wejściowej strefy źródłowej, a jej przekrój jest ciemny i ma wysoki stopień utlenienia. Przekrój sekcji rozciągającej się jest względnie płaski, a jego kolor nie jest tak ciemny jak w strefie źródłowej.

Technologia naprawy uszkodzeń łopatek silników lotniczych

Badania endoskopowe na pokładzie

Inspekcja endoskopowa na pokładzie służy do wizualnego badania łopatek turbiny za pomocą sondy w zbiorniku turbinowym silnika. Ta technologia nie wymaga demontażu silnika i może być wykonana bezpośrednio na samolocie, co jest wygodne i szybkie. Inspekcja endoskopowa umożliwia lepsze wykrywanie spalania, korozyji i odlepienia się łopatek turbinowych, co może pomóc w zrozumieniu i opanowaniu technologii oraz stanu zdrowia turbiny, aby przeprowadzić kompleksowe badanie łopatek turbinowych i zapewnić prawidłowe działanie silnika. Rysunek 3 przedstawia inspekcję endoskopową.

Wstępną czystkę przed inspekcją w warsztacie naprawczym

Powierzchnia łopatek turbiny jest pokryta osadami powstałymi w wyniku spalania, warstwami nawierzchniowymi oraz warstwami związków powstałych w wyniku wysokotemperaturowej korozji tlenowej. Depozyt węglowy zwiększa grubość ścianek łopatek, powodując zmiany w pierwotnej ścieżce przepływu powietrza, co obniża wydajność turbiny; korozja termiczna obniża właściwości mechaniczne łopatek; a ze względu na obecność węglowych osadów, uszkodzenia powierzchni łopatek mogą być ukryte, co utrudnia ich wykrycie. Dlatego przed monitorowaniem i naprawą łopatek należy usunąć węglowe osady.

Testowanie integralności łopatek

W przeszłości do wykrywania średnicy ostrza silników lotniczych używano "twardych" narzędzi pomiarowych, takich jak kątometry i szynki. Ta metoda jest prosta, ale łatwo podlega wpływowi czynnika ludzkiego i ma wady, takie jak niska dokładność i wolna prędkość detekcji. Następnie, na podstawie maszyny koordynatowej, napisano aplikację do automatycznego sterowania mikrokomputerowego i opracowano system pomiarowy dla wymiarów geometrycznych ostrza. Poprzez automatyczne wykrywanie ostrza i porównanie go z standardową formą ostrza, wyniki testu błędów są automatycznie prezentowane, aby określić przydatność ostrza oraz niezbędną metodę konserwacji. Choć urządzenia pomiarowe koordynatowe różnych producentów różnią się w konkretnej technologii, mają one następujące wspólne cechy: wysoki poziom automatyzacji, szybki pomiar, ogólnie jedno ostrze można wykryć w ciągu 1 minuty, a także mają dobrą zdolność rozszerzania. Poprzez modyfikację bazy danych standardowej formy ostrza można wykonywać pomiary różnych typów ostrzy. Rysunek 4 przedstawia test integralności.

Konserwacja łopatek silników lotniczych

Technologia termosprysku

Technologia termosprysku polega na spalaniu włókien lub materiałów w postaci proszkowej do stanu topionego, dalszym ich atomizowaniu, a następnie ich nanoszeniu na części lub podłoża do sprysku.

(1) Odpornych na zużycie warstw

Odporne na zużycie warstwy, takie jak oparte na kobalcie, niklu i karbide wolframu, są szeroko stosowane w elementach silników lotniczych, aby zmniejszyć tarcie powodowane drganiami, poślizgiem, zderzeniami, tarciem oraz innymi rodzajami tarcia podczas pracy silników lotniczych, co poprawia wydajność i długość użytkowania.

(2) Warstwy odporności na wysoką temperaturę

Aby zwiększyć ciągu, nowoczesne silniki samolotowe muszą podnieść temperaturę przed turbiną do maksymalnego poziomu. W ten sposób temperatura pracy łopatek turbiny wzrośnie odpowiednio. Mimo użycia materiałów odpornych na wysokie temperatury, nadal trudno jest spełnić wymagania użytkowe. Wyniki testów wskazują, że stosowanie oparowych warstw ochronnych na powierzchni łopatek turbiny może poprawić odporność na wysoką temperaturę części i uniknąć ich deformacji oraz pęknięcia.

(3) Warstwy tarciowe

W nowoczesnych silnikach lotniczych turbinę stanowi obudowa złożona z wielu poziomych łopatek statywowych oraz łopatki wirnika zamocowanej na dysku. Aby poprawić wydajność silnika, należy jak najbardziej zmniejszyć odległość między dwoma elementami, czyli statywem i wirnikiem. Ten przestrzeń obejmuje "przerwę końcówkową" między końcem wirnika a nieruchomym pierścieniem zewnętrznym oraz "przerwę etapową" między każdym etapem wirnika a obudową. Aby zmniejszyć utraty spowodowane zbyt dużą przerwą, te odstępy powinny być w teorii tak bliskie zeru, jak to możliwe, ponieważ rzeczywiste błędy i błędy montażowe części produkcyjnych są trudne do osiągnięcia; ponadto, w warunkach wysokich temperatur i prędkości, koło porusza się również osiowo, co powoduje "rośnięcie" łopatek radialnie. Ze względu na deformację gięciową, rozszerzanie termiczne i kurczenie się elementów stosuje się nanoszenie warstw antyerosyjnych, aby uzyskać minimalny kontrolowany odstęp, czyli nanoszenie różnych pokryć na powierzchnię blisko końca łopatki; gdy części obrotowe tarają się o nią, warstwa wytraca się w sposób ofiarny, co pozwala zmniejszyć odstęp do minimum. Rysunek 5 przedstawia technologię nanoszenia warstw termicznych.

Shot Peening

Technologia shot peening wykorzystuje pociski poruszające się z wysoką prędkością, aby uderzać w powierzchnię elementu roboczego, generując resztowe naprężenia ściskające na powierzchni elementu i tworząc materiał wzmacniający do pewnego stopnia, co poprawia wytrzymałość na zmęczenie produktu oraz zmniejsza odporność materiału na korozyjne stresy. Rysunek 6 przedstawia łopatkę po shot peening.

(1) Suchy shot peening

Technologia suchego shot peening wykorzystuje siłę odśrodkową, aby utworzyć warstwę wzmacniającą o określonej grubości na powierzchni elementu roboczego. Pomimo że technologia suchego shot peening ma proste urządzenie i jest wysoce efektywna, podczas masowego produkcji nadal występują problemy takie jak zanieczyszczenia pyłowe, wysoki poziom hałasu i duża zużycie pocisków.

(2) Shot peening wodny

Wodny strzelniczy peening ma ten sam mechanizm wzmacniania co suchy peening. Różnica polega na tym, że używa szybko poruszających się cząstek ciekłych zamiast ołowiu, co zmniejsza wpływ pyłu na środowisko podczas suchego peeningu, poprawiając warunki pracy.

(3) Wzmacnianie tarczą obrotową

Amerykańska firma 3M opracowała nowy rodzaj procesu wzmacniania metodą strzelniczą. Metoda ta polega na użyciu wirującego dysku z kulkami, który ciągle uderza w powierzchnię metalową z wysoką prędkością, tworząc warstwę wzmacniającą na powierzchni. W porównaniu do tradycyjnej metody strzelniczej, ma zalety prostego wyposażenia, łatwego użytkowania, wysokiej wydajności, ekonomiczności i trwałości. Wzmacnianie za pomocą wirującego dysku oznacza, że gdy wysokoprędkościowa kulka uderza w łopatkę, jej powierzchnia rozszerza się szybko, co powoduje plastyczną deformację w określonej głębokości. Grubość warstwy deformacji zależy od siły uderzenia pocisku oraz właściwości mechanicznych materiału elementu roboczego, a zwykle może osiągnąć od 0,12 do 0,75 mm. Poprzez dostosowanie procesu strzelniczego można uzyskać odpowiednią grubość warstwy deformacji. Pod wpływem strzelniczego oddziaływania, gdy dochodzi do plastycznej deformacji na powierzchni łopatki, sąsiednia podpowierzchniowa część również się deformuje. Jednakże, w porównaniu z powierzchnią, deformacja podpowierzchniowa jest mniejsza. Bez osiągnięcia punktu plastycznego, pozostaje ona w fazie sprężystej, więc nierównomierna plastyczność między powierzchnią a warstwą niższą prowadzi do zmian naprężeń resztowych po procesie. Wyniki badań pokazują, że po strzelniczym wzmacnianiu występuje resztowe napięcie ściskające na powierzchni, a w pewnej głębokości pojawiają się napięcia rozciągające w warstwie podpowierzchniowej. Resztowe napięcia ściskające na powierzchni są kilkukrotnie większe niż w warstwie podpowierzchniowej. To rozkład naprężeń resztowych jest bardzo korzystny dla poprawy wytrzymałości na zmęczenie i odporności na korozyję. Dlatego technologia strzelniczego wzmacniania odgrywa kluczową rolę w przedłużaniu żywotności produktów i poprawie ich jakości.

Naprawa pokrycia

W silnikach lotniczych wiele zaawansowanych łopatek turbinowych wykorzystuje technologię pokrycia, aby poprawić ich odporność na utlenianie, korozyjność oraz właściwości oporowe na zużycie; jednak ponieważ łopatki podczas użytkowania ulegają różnym stopniom uszkodzeń, podczas konserwacji muszą zostać naprawione, zazwyczaj przez usunięcie pierwotnego pokrycia, a następnie naniesienie nowej warstwy pokrycia.