Tecnologia de detecção de falhas e reparo de pás de motor aeronáutico

As pás de turbina são uma parte importante dos motores de aeronaves, com alta temperatura, carga pesada e estrutura complexa. A qualidade da inspeção e manutenção está diretamente relacionada à durabilidade e vida útil do trabalho. Este artigo estuda a inspeção e manutenção das pás dos motores de aeronaves, analisa o modo de falha das pás dos motores de aeronaves e resume as tecnologias de detecção de falhas e manutenção das pás dos motores de aeronaves.

No design de pás de turbina, novos materiais com maior qualidade são frequentemente utilizados, e a margem de trabalho é reduzida ao melhorar a estrutura e a tecnologia de processamento, a fim de aumentar a razão empuxo-peso do motor. A pá da turbina é um perfil aerodinâmico que pode realizar trabalho equivalente ao longo de toda a extensão da lâmina, garantindo assim que o fluxo de ar tenha um ângulo de rotação entre a raiz e a ponta da lâmina, sendo que o ângulo de rotação na ponta da lâmina é maior do que na raiz. É muito importante instalar a lâmina do rotor da turbina no disco da turbina. O têndão em forma de "árvore de Natal" é o rotor das turbinas a gás modernas. Ele foi precisamente processado e projetado para garantir que todas as flanges suportem a carga uniformemente. Quando a turbina está parada, a lâmina tem um movimento tangencial na ranhura dos dentes, e quando a turbina gira, a raiz da lâmina é apertada contra o disco devido ao efeito centrífugo. O material da roda é um fator importante para garantir o desempenho e a confiabilidade da turbina. No início, ligas resistentes a altas temperaturas deformadas eram usadas e fabricadas por forjamento. Com o avanço contínuo do design do motor e da tecnologia de fundição precisa, as pás das turbinas evoluíram de ligas deformadas para ocos, policristalinas para monocristalinas, e a resistência ao calor das lâminas foi amplamente melhorada. As superligas monocristalinas à base de níquel são amplamente utilizadas na produção de peças quentes dos motores aeronáuticos devido às suas excelentes propriedades de fluência em alta temperatura. Portanto, pesquisas aprofundadas sobre a inspeção e manutenção das pás de turbina têm grande importância para melhorar a segurança da operação do motor e avaliar corretamente a morfologia e o grau de dano das lâminas.

Modos de falha das pás do motor aeronáutico

Falha por fratura de fadiga em ciclo curto da pá

No trabalho real, a fratura por fadiga em ciclo curto das pás do rotor geralmente não ocorre facilmente, mas sob as seguintes três condições, ocorrerá uma fratura por fadiga em ciclo curto. A Figura 1 é um diagrama esquemático da fratura da pá.

(1) Embora o estresse de trabalho na seção perigosa seja menor que a resistência ao escoamento do material, existem grandes defeitos locais na seção perigosa. Nessa área, devido à presença dos defeitos, uma parte maior próxima excede a resistência ao escoamento do material, resultando em uma grande deformação plástica, o que leva à fratura por fadiga em ciclo curto da pá.

(2) Devido a considerações inadequadas no design, o estresse de trabalho da pá na seção perigosa está próximo ou excede a resistência ao escoamento do material. Quando há defeitos adicionais na parte perigosa, a pá sofrerá fratura por fadiga em ciclo curto.

(3) Quando a lâmina apresenta condições anormais, como vibração, ressonância e superaquecimento, o valor total de tensão em sua seção perigosa é maior que sua resistência à tração, resultando no fratura por fadiga de baixo ciclo da lâmina. A fratura por fadiga de baixo ciclo é causada principalmente por razões de design e ocorre na maioria das vezes ao redor da raiz da lâmina. Não há arco de fadiga óbvio na fratura típica de baixo ciclo.

Falha de fratura por fadiga de ressonância torsional da lâmina

Fratura por fadiga de alto ciclo refere-se à fratura que ocorre sob a ressonância torsional da lâmina e possui as seguintes características representativas:

(1) Oca de canto ocorre no nó de ressonância torsional.

(2) Pode-se ver uma curva de fadiga óbvia na fratura de fadiga da lâmina, mas a curva de fadiga é muito fina.

(3) A fratura geralmente começa do lado de trás da lâmina e se estende até a bacia da lâmina, e a zona de fadiga ocupa a maior parte da superfície da fratura.

Há duas razões principais para as rachaduras de fadiga torsional da lâmina: uma é a ressonância torsional, e a outra é a ferrugem extensa na superfície da lâmina ou o impacto de uma força externa.

Falha por fadiga térmica e danos térmicos na lâmina em alta temperatura

As pás do rotor da turbina operam em um ambiente de alta temperatura e estão sujeitas a mudanças de temperatura e tensões alternadas, o que leva ao fenômeno de fluência e dano por fadiga nas lâminas (veja Figura 2). Para a fadiga em alta temperatura das lâminas, devem ser atendidas as seguintes três condições:

(1) A fratura por fadiga da lâmina apresenta principalmente características de fratura intergranular.

(2) A temperatura no local da fratura da lâmina é superior à temperatura limite de fluência do material;

(3) O local de fratura por fadiga da lâmina só pode suportar o esforço centrífugo de tração em forma de onda quadrada, que excede o limite de fluência ou o limite de fadiga a essa temperatura.

Geralmente, a fratura por fadiga de pás de rotor em altas temperaturas é extremamente rara, mas no uso real, a fratura por fadiga causada por danos térmicos ao rotor é relativamente comum. Durante o funcionamento do motor, o superaquecimento ou queima excessiva de componentes devido a condições anormais de trabalho em curto prazo é chamado de dano por superaquecimento. Em altas temperaturas, rachaduras por fadiga tendem a ocorrer nas lâminas. A fratura por fadiga causada por danos em alta temperatura possui as seguintes características principais:

(1) A posição da fratura geralmente está localizada na área de maior temperatura da lâmina, perpendicular ao eixo da lâmina.

(2) A fratura origina-se da borda de entrada da área de origem, e sua seção transversal é escura e apresenta um alto grau de oxidação. A seção transversal da seção de extensão é relativamente plana e a cor não é tão escura quanto na área de origem.

Tecnologia de reparo de falhas de pás de motores aeronáuticos

Inspeção boroscópica a bordo

A inspeção com boroscópio a bordo é uma forma de inspecionar visualmente as pás da turbina por meio de um sonda na caixa da turbina do motor. Essa tecnologia não requer desmontagem do motor e pode ser concluída diretamente na aeronave, o que é conveniente e rápido. A inspeção com boroscópio pode detectar melhor queima, corrosão e descolamento das pás da turbina, o que pode ajudar a entender e dominar a tecnologia e a saúde da turbina, permitindo realizar uma inspeção abrangente das pás da turbina e garantir o funcionamento normal do motor. A Figura 3 mostra a inspeção com boroscópio.

Tratamento de pré-limpeza antes da inspeção no oficina de reparo

A superfície das pás da turbina fica coberta com depósitos após a combustão, revestimentos e camadas de corrosão térmica formadas por oxidação a alta temperatura. A deposição de carbono aumentará a espessura das pás, causando alterações no trajeto original do fluxo de ar, reduzindo assim a eficiência da turbina; a corrosão térmica reduzirá as propriedades mecânicas das pás; e devido à presença dos depósitos de carbono, os danos na superfície das pás ficam ocultos, tornando a detecção difícil. Portanto, antes de monitorar e reparar as pás, os depósitos de carbono devem ser limpos.

Teste de integridade das pás

No passado, instrumentos de medição "rígidos", como réguas angulares e paquímetros, eram usados para detectar o diâmetro da pás dos motores de aeronaves. Este método é simples, mas é facilmente afetado por interferência humana e possui defeitos como baixa precisão e velocidade de detecção lenta. Posteriormente, com base na máquina de medição por coordenadas, foi escrita uma aplicação para controle automático por microcomputador e desenvolvido um sistema de medição para as dimensões geométricas da pá. Ao detectar automaticamente a pá e compará-la com a forma padrão da pá, os resultados do teste de erro são fornecidos automaticamente para determinar a viabilidade da pá e o método de manutenção necessário. Embora os instrumentos de medição por coordenadas de diferentes fabricantes tenham diferenças em tecnologias específicas, eles têm as seguintes similaridades: alto nível de automação, detecção rápida, geralmente uma pá pode ser detectada em 1 minuto, e possuem boas capacidades de expansão. Ao modificar um banco de dados de formas padrão de pás, vários tipos de pás podem ser detectados. A Figura 4 mostra o teste de integridade.

Manutenção de pás de motores aeronáuticos

Tecnologia de spray térmico

A tecnologia de spray térmico consiste em queimar fibras ou materiais em pó até o estado líquido, atomizá-los ainda mais e, em seguida, depositá-los nas peças ou substratos a serem revestidos.

(1) Revestimentos resistentes ao desgaste

Revestimentos resistentes ao desgaste, como os baseados em cobalto, níquel e carbeto de tungstênio, são amplamente utilizados em peças de motores aeronáuticos para reduzir o atrito causado por vibração, deslizamento, colisão, fricção e outros tipos de atrito durante a operação dos motores aeronáuticos, melhorando assim o desempenho e a vida útil.

(2) Revestimentos resistentes ao calor

Para aumentar a empuxo, os motores de aeronaves modernos precisam aumentar a temperatura antes da turbina ao máximo. Desta forma, a temperatura de operação das pás da turbina também aumentará accordingly. Embora materiais resistentes ao calor sejam usados, ainda é difícil atender aos requisitos de uso. Os resultados dos testes mostram que aplicar revestimentos resistentes ao calor na superfície das pás da turbina pode melhorar a resistência ao calor das peças e evitar a deformação e o fissuramento das peças.

(3) Revestimentos abrasivos

Em motores de aeronaves modernos, a turbina é composta por uma carcaça formada por múltiplas pás de estator horizontais e uma pá de rotor fixada em um disco. Para melhorar a eficiência do motor, a distância entre os dois componentes, o estator e o rotor, deve ser reduzida ao máximo. Essa abertura inclui o "espaço da ponta" entre a ponta do rotor e o anel externo fixo, e o "espaço da etapa" entre cada estágio do rotor e a carcaça. A fim de reduzir a vazão de ar causada por espaços excessivos, os espaços devem ser teoricamente zero na medida do possível, já que o erro real e o erro de instalação das peças produzidas dificultam alcançar isso; além disso, sob altas temperaturas e alta velocidade, a roda também se move longitudinalmente, fazendo com que as lâminas "cresçam" radialmente. Devido à deformação por flexão, expansão térmica e contração da peça, são utilizados revestimentos de desgaste por spray para mantê-los com o menor espaço consciente possível, ou seja, aplicando vários revestimentos na superfície próxima à ponta da lâmina; quando as partes rotativas esfregam contra ela, o revestimento sofre desgaste sacrificial, reduzindo assim o espaço ao mínimo. A Figura 5 mostra a tecnologia de termo spray.

Shot Peening

A tecnologia de shot peening utiliza projéteis de alta velocidade para impactar a superfície da peça, gerando um estresse residual compressivo na superfície da peça e formando um material reforçado até certo ponto para melhorar a resistência à fadiga do produto e reduzir o desempenho de corrosão por tensão do material. A Figura 6 mostra a pás após o shot peening.

(1) Shot peening seco

A tecnologia de shot peening seco utiliza força centrífuga para formar uma camada de reforço superficial com uma certa espessura na superfície da peça. Embora a tecnologia de shot peening seco tenha equipamentos simples e alta eficiência, ainda existem problemas como poluição por poeira, alto ruído e alto consumo de projéteis durante a produção em massa.

(2) Shot peening com água

O peening a jato d'água tem o mesmo mecanismo de fortalecimento que o peening a jato seco. A diferença é que ele usa partículas líquidas em movimento rápido em vez de projéteis, reduzindo assim o impacto da poeira no ambiente durante o peening a jato seco e melhorando o ambiente de trabalho.

(3) Fortalecimento com placa rotativa

A empresa americana 3M desenvolveu um novo tipo de processo de reforço por jateamento. Seu método de reforço é usar uma placa rotativa com projéteis para atingir continuamente a superfície metálica em alta velocidade, formando uma camada de reforço superficial. Comparado ao jateamento convencional, ele tem as vantagens de equipamento simples, fácil uso, alta eficiência, economia e durabilidade. O reforço com placa rotativa significa que, quando um projétil de alta velocidade atinge a lâmina, a superfície da lâmina se expande rapidamente, causando sua deformação plástica em uma certa profundidade. A espessura da camada deformada está relacionada à força de impacto do projétil e às propriedades mecânicas do material da peça, podendo geralmente alcançar entre 0,12 e 0,75 mm. Ajustando o processo de jateamento, pode-se obter a espessura adequada da camada deformada. Sob a ação do jateamento, quando ocorre deformação plástica na superfície da lâmina, a subsuperfície adjacente também se deformará. No entanto, comparada à superfície, a deformação da subsuperfície é menor. Sem atingir o ponto de escoamento, ainda está na fase de deformação elástica, portanto, a plastificação não uniforme entre a superfície e a camada inferior pode causar mudanças no estresse residual no material após o jateamento. Os resultados dos testes mostram que há estresse residual compressivo na superfície após o jateamento, e em uma certa profundidade, aparece estresse de tração na subsuperfície. O estresse residual compressivo na superfície é várias vezes maior do que na subsuperfície. Essa distribuição de estresse residual é muito benéfica para melhorar a resistência à fadiga e à corrosão. Portanto, a tecnologia de jateamento desempenha um papel muito importante na extensão da vida útil dos produtos e na melhoria da qualidade do produto.

Reparo de revestimento

Em motores de aeronaves, muitas pás de turbinas avançadas utilizam tecnologia de revestimento para melhorar suas propriedades anti-oxidantes, anti-corrosivas e de resistência ao desgaste; no entanto, como as pás sofrerão danos em diferentes graus durante o uso, elas devem ser reparadas durante a manutenção das pás, geralmente removendo o revestimento original e aplicando uma nova camada de revestimento.