Tehnologia de detectare a eșecurilor și reparație a lopatelor motorului de avion

Lamele de turbină sunt o parte importantă a motorilor de avioane, cu temperaturi ridicate, sarcini grele și structură complexă. Calitatea inspectării și a întreținerii este strâns legată de durabilitatea și perioada de funcționare a acesteia. Această lucrare studiază inspectarea și întreținerea lamelor de motor de avion, analizează modul de eșec al lamelor de motor de avion și rezumă tehnologia de detectare a eșecurilor și tehnologia de întreținere a lamelor de motor de avion.

În proiectarea palelor de turbină, se folosesc adesea materiale noi cu o calitate mai ridicată, iar margele de lucru sunt reduse prin îmbunătățirea structurii și a tehnologiei de prelucrare, astfel încât să se îmbunătățească raportul forță greutate al motorului. Pala de turbină este un profil aerodynamic care poate realiza o lucrare echivalentă pe întreaga lungime a palei, asigurând astfel ca curgerea de aer să aibă un unghi de rotație între baza palei și vârful acesteia, fiind mai mare la vârf decât la bază. Este foarte important să se monteze pala rotorului turbinei pe discul turbinei. Tenonul "în formă de copac" este rotorul turbinelor moderne de gaz. Acesta a fost procesat și proiectat cu precizie pentru a se asigura că toate flenzierele pot suporta sarcina în mod egal. Când turbina este în stare de repaus, pala efectuează o mișcare tangențială în groapa dinților, iar atunci când turbina se rotește, baza palei este strânsă spre disc datorită efectului centrifug. Materialul rotoarei este un factor important pentru a asigura performanța și fiabilitatea turbinei. În trecut, s-au folosit aleiere termoase deformabile fabricate prin forjare. Cu evoluția continuă a designului motorului și a tehnologiei de fundire precisă, palele de turbină au trecut de la aleiere deformabile la aleiere goale, policrostale la monocrostal, iar rezistența la căldură a palelor s-a îmbunătățit considerabil. Aleierele monocristaline bazate pe nicleu sunt utilizate în mod larg în producerea componentelor de capăt cald al motorilor aerieni din cauza proprietăților lor excelente de cedare la înaltă temperatură. Prin urmare, cercetarea profundă privind inspectarea și menținerea palelor de turbină are o importanță deosebită pentru îmbunătățirea siguranței funcționării motorului și evaluarea corectă a morfologiei și gradului de deteriorare al palelor.

Moduri de eșec ale palelor motoarelor aeronautice

Eșec prin fractură a fatiguei ciclice a palei

În munca reală, fractura cauzată de fatiga ciclică a palelor rotorului nu este ușor să apară, dar sub următoarele trei condiții va avea loc o fractură datorită fatiguei ciclice. Figura 1 este un diagramă schematică a fracturii palei.

(1) Deși stresul de lucru la secțiunea periculoasă este mai mic decât rezistența la cedare a materialului, există defecțiuni locale mari la această secțiune. În această zonă, din cauza defecțiunilor, suprafața mai mare din apropiere depășește rezistența la cedare a materialului, ceea ce duce la o deformare plastică semnificativă și ulterior la o fractură cauzată de fatiga ciclică a palei.

(2) Datorită unei considerații defectuoase în proiectare, stresul de lucru al palei la secțiunea periculoasă este apropiat sau depășește rezistența la cedare a materialului. Când există defecțiuni suplimentare în partea periculoasă, pala va suferi o fractură cauzată de fatiga ciclică.

(3) Când lama prezintă condiții anormale, cum ar fi vibrații, rezonanță și supraîncălzire, valoarea totală a stresului din secțiunea sa periculoasă este mai mare decât rezistența sa la cedare, ceea ce duce la ruptura prin obosit low-cycle a lamei. Ruptura prin obosit low-cycle este în principal cauzată de motive de design, iar majoritatea acesteia se întâmplă în jurul bazei lamei. Nu există un arc de obosit vizibil la fractura tipică de low-cycle.

Eșec prin ruptură de obosit a rezonanței torsionale a lamei

Ruptura de obosit high-cycle se referă la ruptura care are loc sub efectul rezonanței torsionale a lamei, având următoarele caracteristici reprezentative:

(1) Scăderea colțului are loc la nodul de rezonanță torsională.

(2) Se poate vedea o curbă de obosit clară la fractura de obosit a lamei, dar curba de obosit este foarte subțire.

(3) Fractura începe de obicei din spatele lamei și se extinde spre bazinul lamei, iar zona de obosit ocupa principala parte a suprafeței de fractură.

Există două cauze principale ale crăpăturilor de obosit torsional al lamei: una este rezonanța torsională, iar cealaltă este oxidațiunea extensivă pe suprafața lamei sau impactul unei forțe externe.

Eșecul prin ruptură a obosirii și a daunelor termice la lamă

Lamele rotorului turbină funcționează într-un mediu cu temperaturi ridicate și sunt supuse schimbărilor de temperatură și stresurilor alternative, ceea ce duce la obosire și daune prin creep ale lamelor (vezi Figura 2). Pentru ruptura prin obosire la temperaturi ridicate a lamei, trebuie să fie îndeplinite următoarele trei condiții:

(1) Ruptura prin obosire a lamei prezintă în principal caracteristici ale rupturii intercrystaline.

(2) Temperatura la locul rupturii lamei este mai mare decât temperatura maximă de creep a materialului;

(3) Locul rupturii prin obosire al lamei poate suporta doar stresul centrigfug de tracțiune al formei undei pătrate, care depășește limita de creep sau limita de obosire la această temperatură.

În general, fractura de obosiune a palelor de rotor la temperaturi ridicate este extrem de rară, dar în utilizare efectivă, fracturile de obosiune cauzate de dăunarea termică a rotorului sunt relativ frecvente. În timpul funcționării motorului, supraîncălzirea sau arderea componentelor din cauza unei temperaturi excessive pe scurt termen în condiții de muncă anormale se numește dăunare prin supraîncălzire. La temperaturi ridicate, cramele de obosiune apar ușor în pale. Fractura de obosiune cauzată de dăunarea la temperaturi ridicate are următoarele caracteristici principale:

(1) Poziția de fracture se află, în general, în zona cu cea mai mare temperatură a palei, perpendiculară axei palei.

(2) Fractura pornește de la marginea de intrare a zonei sursă, iar secțiunea sa transversală este întunecată și prezintă un grad ridicat de oxidare. Secțiunea transversală a secțiunii de extensie este relativ plată și nu este atât de întunecată ca zona sursă.

Tehnologia de reparare a palelor motoarelor aeronautice

Inspeție boroscopice pe bord

Inspeția cu borescop pe bord este o metodă de inspectare vizuală a lamelor turbine prin intermediul unui sonda în cutia turbinei motorului. Această tehnologie nu necesită demontarea motorului și poate fi finalizată direct pe aeronavă, ceea ce este convenabil și rapid. Inspeția cu borescop poate detecta mai bine arderea, coroziunea și desprinderea lamelor turbine, ceea ce poate să ajute la înțelegerea și dominarea stării de sănătate a turbinei, astfel încât să se efectueze o inspecție comprehensivă a lamelor turbine și să se asigure funcționarea normală a motorului. Figura 3 ilustrează inspecția cu borescop.

Tratament de precurățuire înainte de inspecție în atelierul de reparații

Suprafața lamelor turbinei este acoperită cu depozite după combustie, straturi de protecție și straturi de coroziune termică formate prin coroziune oxidativă la înaltă temperatură. Depunerea de carbon va crește grosimea peretelui lamelor, provocând modificări în calea originală a curgerii aerului, reducând astfel eficiența turbinei; coroziunea termică va diminua proprietățile mecanice ale lamelor; iar din cauza prezenței depozitelor de carbon, daunele la suprafața lamei sunt ascunse, îndoiind detectarea. Prin urmare, înainte de monitorizare și reparare a lamelor, depozitele de carbon trebuie curățate.

Testare integritate lame

În trecut, s-au folosit instrumente de măsurare "dure" precum gauge-urile unghiulare și caliperele pentru a detecta diametrul palei motorului avionului. Această metodă este simplă, dar este ușor afectată de interferența umană și are deficiențe precum o precizie scăzută și o viteză de detecție lentă. Ulterior, pe baza mașinii de măsurat coordonate, s-a scris o aplicație pentru control automat cu microcalculator și s-a dezvoltat un sistem de măsurare al dimensiunilor geometrice ale palei. Prin detectarea automată a palei și compararea acesteia cu forma standard a palei, rezultatele testelor de eroare sunt date automat pentru a determina disponibilitatea palei și metoda de întreținere necesară. Deși instrumentele de măsurat coordonate ale diferitelor producători au diferențe în tehnologii specifice, acestea au următoarele caracteristici comune: un nivel ridicat de automatizare, o viteză rapidă de detecție, de regulă o pală poate fi detectată în 1 minut, și au capacități de extindere bune. Prin modificarea unei baze de date cu forme standard ale palei, pot fi detectate diverse tipuri de pale. Figura 4 arată testul de integritate.

Mentenanța lamei motorului aeronavei

Tehnologia pulverizării termice

Tehnologia pulverizării termice este de a arde fibrele sau materialele pulverizate până la o stare topită, de a le atomiză în continuare și apoi de a le depune pe piesele sau substratele care urmează să fie pulverizate.

(1) Învelișuri rezistente la uzură

Încărcările rezistente la uzură, cum ar fi cele pe bază de cobalt, nichel și carbur de tungsten, sunt utilizate pe scară largă în piesele motorului aeronavei pentru a reduce frecarea cauzată de vibrații, alunecări, coliziuni, frecare și alte frecții în timpul func

(2) Învelișuri rezistente la căldură

Pentru a crește tracțiunea, motoarele de avioane moderne trebuie să crească temperatura înainte de turbină la maxim. În acest fel, temperatura de funcționare a pâlpilor de turbină va crește corespunzător. Deși sunt folosite materiale rezistente la căldură, este încă dificil să se îndeplinească cerințele de utilizare. Rezultatele testelor arată că aplicarea unor straturi rezistente la căldură pe suprafața pâlpilor de turbină poate îmbunătăți rezistența la căldură a pieselor și să evite deformarea și crăpăturile pieselor.

(3) Straturi abrazive

În motorurile de avioane moderne, turbină este compusă dintr-o cutie formată din mai multe lame stator orizontale și o lamă rotor fixată pe un disc. Pentru a îmbunătăți eficiența motorului, distanța dintre cele două componente ale statorului și rotorului ar trebui să fie redusă cât mai mult posibil. Această intervale include „gapa de capăt” între vârful rotorului și inelul exterior fix, precum și „gapa de etapă” între fiecare etapă a rotorului și cutia. Pentru a reduce scurgerile de aer cauzate de intervale prea mari, aceste intervale ar trebui să fie teoretic cât mai apropiate de zero, dar din cauza erorilor reale și a erorilor de montare ale pieselor de producție, este dificil să se atingă acest lucru; în plus, la temperaturi ridicate și viteze mari, roata se va deplasa longitudinal, ceea ce provoacă o „creștere” radială a lopajelor. Datorită deformării prin flectare, dilatației termice și contractării materialelor, se folosesc revărsuri de strat pentru a crea cele mai mici intervale conștient posibile, adică aplicarea diferitelor stratificări pe suprafața deasupra vârfului lamei; atunci când părțile rotitoare străbat această suprafață, stratul va produce o uzură sacrificabilă, reducând astfel intervalul la minim. Figura 5 prezintă tehnologia de revărsare termică.

Shot Peening

Tehnologia shot peening folosește proiectile la viteză ridicată pentru a impacta suprafața piesei de lucru, generând o stres residual compresiv pe suprafața piesei și formând un material consolidat până la un anumit nivel, ceea ce îmbunătățește rezistența la obosirea produsului și reducerea performanței de coroziune a materialului. Figura 6 arată lama după shot peening.

(1) Shot peening uscat

Tehnologia shot peening uscat folosește forța centrifugă pentru a forma o strat de consolidare superficială cu o anumită grosime pe suprafața piesei de lucru. Deși tehnologia shot peening uscat are echipamente simple și este eficientă, există totuși probleme precum poluarea printr-o praf, zgomot ridicat și consum ridicat de proiectile în timpul producției în masă.

(2) Shot peening cu apă

Procesul de bombardament cu apă are același mecanism de consolidare ca și bombardamentul sec. Diferența constă în faptul că acesta utilizează particule lichide în mișcare rapidă în loc de proiectile, reducând astfel impactul prafurilor asupra mediului înconjurător în cazul bombardamentului sec, ceea ce îmbunătățește condițiile de muncă.

(3) Consolidarea prin placă rotativă

Compania americană 3M a dezvoltat un nou tip de proces de consolidare prin bombardează cu proiectile. Metoda lor de consolidare constă în utilizarea unei plăci rotative cu proiectile care lovesc continuu suprafața metalică la o viteză ridicată pentru a forma o strat de consolidare superficială. Comparativ cu bombardează cu proiectile, aceasta are avantajele de echipamente simple, ușor de folosit, eficientă, economică și durabilă. Consolidarea prin placă rotativă înseamnă că atunci când un proiectil la viteză ridicată lovită lama, suprafața lamei se va extinde rapid, provocând-o să subgăsească o deformare plastică la o anumită adâncime. Grosimea stratului de deformare este legată de puterea de impact a proiectilului și de proprietățile mecanice ale materialelor din piesa lucrată, putând să ajungă în general între 0,12 și 0,75 mm. Prin ajustarea procesului de bombardează cu proiectile, se poate obține grosimea corespunzătoare a stratului de deformare. Sub acțiunea bombardează cu proiectile, când apare deformare plastică pe suprafața lamei, suprafața adiacentă de sub suprafață se va deforma, de asemenea. Cu toate acestea, comparativ cu suprafață, deformarea de sub suprafață este mai mică. Fără a ajunge la punctul de cedare, aceasta se află încă în stadiul de deformare elastică, astfel că neuniformitatea plastică dintre suprafață și stratul inferior este neregulată, ceea ce poate provoca modificări ale stresurilor reziduale în material după bombardează cu proiectile. Rezultatele testelor arată că există stresuri reziduale de compresiune pe suprafață după bombardează cu proiectile, iar la o anumită adâncime, apar stresuri de tracțiune la nivelul stratului sub-superficial. Stresurile reziduale de compresiune de pe suprafață sunt de câteva ori mai mari decât cele de sub suprafață. Această distribuție a stresurilor reziduale este foarte avantajoasă pentru îmbunătățirea rezistenței la obosi și a rezistenței la coroziune. Prin urmare, tehnologia de bombardează cu proiectile joacă un rol foarte important în prelungirea vieții de serviciu a produselor și îmbunătățirea calității acestora.

Reparare strat

În motorurile de avioane, multe turbine avansate folosesc tehnologia de stratificare pentru a îmbunătăți proprietățile lor anti-oxidante, anti-corozive și rezistente la uzură; cu toate acestea, deoarece lamele se vor strica în diverse grade în timpul utilizării, acestea trebuie reparate în timpul întreținerii lamei, de obicei prin eliminarea stratului original și apoi aplicarea unui nou strat de acoperire.