Исследование и применение адаптивной технологии обработки для ремонта повреждений наконечников турбинных лопаток авиадвигателя

Ремонт поврежденных турбинных лопаток имеет большое значение для обслуживания и продления срока службы авиадвигателей. В данной статье рассматриваются достижения в области технологии ремонта определенной никелевой литейной высокотемпературной сплавовой турбинной рабочей лопатки, с акцентом на методе ремонта адаптивной обработки на кончике лопасти, подробно объясняется экспериментальный процесс обработки и результаты проверки, а также даются перспективы развития технологии ремонта турбинных лопаток.

Двигатель самолета является энергетическим ядром летательного аппарата. Среди различных компонентов авиадвигателя функциональное назначение и рабочие характеристики турбинных лопаток определяют их как одну из вращающихся деталей с худшими напряжениями и наибольшей нагрузкой в авиадвигателе, что также вызывает распространенные неисправности и повреждения турбинных лопаток. Среди них, трещинообразование представляет собой наиболее вероятную и опасную неисправность, в основном вызванную усталостными трещинами от центробежной силы, наложенной на изгибающее напряжение, аэроупругими усталостными трещинами, вызванными вибрационной средой, и высокотемпературными усталостными трещинами, вызванными коррозийным повреждением от воздействия окружающей среды. На данном этапе для снижения стоимости эксплуатации двигателя переработка и ремонт поврежденных турбинных лопаток имеют большое значение.

Среди ключевых технологий для ремонта лопаток турбины адаптивная технология обработки привлекла внимание многих исследователей как эффективное средство достижения плавного наложения поврежденных границ и высокоточной формовки отремонтированных областей. Компания TTL из Великобритании получает информацию о линиях поперечного сечения лопасти через контактные методы измерения и использует профиль измеренного поперечного сечения для восстановления модели области износа кончика путем смещения вдоль направления Z, а затем генерирует обрабатывающие коды для удаления наплавленного слоя. Британская компания Delcam предложила метод восстановления модели для ремонта кончиков турбинных лопаток с помощью измерений на станке, что снизило проблему накопления ошибок позиционирования благодаря измерениям на станке; два поперечных сечения около наплавленного слоя были получены контактным измерением, и был рассчитан геометрический модель подлежащего ремонту изношенного кончика прямозернистой лопатки для завершения всего процесса ремонта шлифованием. На основе теории серых систем Динг Хуапэнг предсказал дуговую линию и толщину профиля лопасти в поврежденной области, а затем восстановил полную модель лопасти, после чего получил модель дефекта ремонта через булево вычитание, тем самым достигнув определенного эффекта ремонта. Ху Ф. и др. предложили адаптивный метод ремонта корпуса лопасти, включающий моделирование поверхности наплавления и оптимизационное моделирование цели ремонта, и в конце концов использовали симуляцию для доказательства эффективности метода ремонта. Чжан С. и др. предложили автоматизированную схему ремонта поврежденных областей лопастей двигателя, которая формируется напрямую за счет наплавления материала. По сравнению с традиционными методами ремонта, это является инновационным до некоторой степени, но сложно применять для ремонта турбинных лопаток со сложными поверхностями.

Вышеуказанное исследование показывает, что ремонт лопаток авиадвигателя является актуальной темой в авиационной отрасли как внутри страны, так и за её пределами. В области ремонтного машиностроения основное внимание уделяется достижению плавного перехода между ремонтируемой областью и неповреждённой областью, а также высокоточному формообразованию после ремонта. Таким образом, на основе вышеупомянутых исследований по ремонту, данная статья берёт повреждённую турбинную рабочую лопатку в качестве примера для проведения прикладных исследований адаптивной технологии обработки при ремонте повреждений кончика лопатки, обеспечивая плавный переход между обрабатываемой областью и необработанной областью отремонтированной лопатки, а общая поверхность ремонта соответствует окончательным требованиям точности к отремонтированной лопатке.

1 Анализ технологичности ремонта повреждений кончика лопатки

Рисунок 1 показывает типичный дефект трещины на конце лопасти турбины. На основе этого предложена методика восстановления и ремонта поврежденного кончика лопасти турбинного лопаточного аппарата авиадвигателя. Разработано решение по восстановлению и ремонту, включающее удаление поврежденной части наконечника лопасти — плавление с последующей наплавкой припоя (как показано на рисунке 2) — получение облака точек лопасти — воссоздание цифровой модели лопасти — адаптивная обработка лопасти для достижения адаптивного ремонта геометрической точности размеров и восстановления характеристик лопасти. Качество и характеристики отремонтированной лопасти соответствуют проектным требованиям и могут использоваться для оперативного ремонта на месте, предоставляя эффективное решение для реализации пакетной обработки поврежденных компонентов авиадвигателей.

1.1 Анализ трудностей процесса

Вследствие проблемы точности литья существуют индивидуальные различия между готовым лезвием и теоретической моделью проектирования. Размеры контура лезвия формируются в новом состоянии, и после рабочего цикла оно будет подвергаться различным степеням деформации и дефектов. Из-за специфики обрабатываемого объекта, если его ремонтируют и обрабатывают согласно теоретическим размерам чертежа, то форма точности исходного лезвия будет нарушена. Если для каждой обработки необходимо регенерировать набор обрабатывающих кодов согласно модели CAD, это значительно повлияет на весь цикл обработки детали.

Концевая часть лопасти имеет сложную структуру, с боссой и покровной пластиной на 2–3 мм ниже кончика лопасти, а минимальная ширина заднего края шва составляет всего 0,5 мм. Лопасть представляет собой внутреннюю полость, на поверхности корпуса которой имеется множество отверстий воздушной пленки. Стружка легко попадает во внутреннюю полость и отверстия воздушной пленки, что затрудняет очистку.

1.2 Основные технические требования

(1) После ремонта кончика контуры внутренней и внешней поверхностей соответствуют чертежу проектирования и гладко соединяются с оригинальной формой основания лопасти.

(2) Минимальная толщина стенки вдоль формы лопасти на заднем крае кончика составляет 0,41 мм, а минимальная толщина стенки вдоль формы лопасти в других частях — 0,51 мм (как показано на рисунке 3).

(3) Гарантируется размер высоты лопасти.

(4) Шероховатость не должна превышать Ra0,8 мкм.

(5) Внутренняя полость и отверстия воздушной пленки не должны содержать стружки или других посторонних примесей.

(6) Отремонтированная область проверяется флуоресцентным методом для обеспечения отсутствия трещин, посторонних включений и т.д., а проверка проводится в соответствии с нормами и критериями приемки флуоресцентного контроля.

2 Адаптивная технология обработки для ремонта повреждений кончиков лопастей

Учитывая трудности в процессе ремонта кончика лопасти рабочей лопатки турбины, а именно: деформация каждой отремонтированной лопасти неоднородна, положение и угол зажима различны, и точность первоначального литья под давлением вызывает проблемы. Такие практические проблемы могут быть быстро выявлены онлайн через адаптивную технологию обработки для каждой детали или детали, подлежащей обработке, и можно понять реальную форму и распределение позиций. Затем система воссоздает целевую цифровую модель, согласованную с проектом, через измеренные данные, генерирует уникальную индивидуальную траекторию пути для удовлетворения требований производства, и в конце концов соответствует проекту и фактическому объекту. Схема маршрута адаптивной обработки представлена на рисунке 4.

2.2 Технология регистрации данных CAD-модели

В связи с индивидуальными характеристиками заготовки обрабатываемого объекта, восстановленная CAD-модель не имеет стандартной плоскости отсчета для определения своей системы координат, и необходимо использовать технологию регистрации для выравнивания ее системы координат. Два множества точек в пространстве — это теоретическая модель X{xi} и измерительная информация P{pi} обрабатываемого объекта. Множество точек P поворачивается и перемещается для минимизации расстояния до множества точек X, устанавливая пространственное преобразование между измерительной информацией P{pi} и теоретической моделью X{xi}. Пространственное преобразование включает матрицу вращения R и матрицу перемещения T. Затем используется метод парного нахождения ближайших точек для поиска точки в X, которая ближе всего к каждой точке в P, формируя новое множество точек X', как показано на рисунке 5.

3 Проверка технологии адаптивной обработки для ремонта повреждений кончиков лопастей

Адаптивная система обработки включает в себя программное обеспечение и аппаратные компоненты адаптивной обработки, такие как станки с ЧПУ и режущие инструменты. Интеграция этих двух элементов является ключом к достижению адаптивной обработки. При ремонте определенного типа лопаток высокого давления была использована адаптивная система обработки для восстановления лопаток, и были завершены работы по ремонту и проверке нескольких лопаток двигателя.

3.1 Этапы испытаний

Шаг 1: После заполнения поврежденной области накладыванием и наплавлением, измерительная информация области около поврежденного кончика лопатки получается через внутреннюю машинную диагностику.

Шаг 2: Получение теоретической модели информации до ремонта кончика лопатки.

Шаг 3: Используйте данные регистрации для установления пространственного преобразования между измерительной информацией и теоретической моделью (пространственное преобразование включает вращение и перемещение), и получите коррекцию вращения и перемещения, то есть величины вращения и перемещения после наилучшего соответствия.

Шаг 4: Создайте файл CLSF траектории положения инструмента согласно теоретической модели, и сгенерируйте исправленное положение инструмента и вектор оси инструмента в файле CLSF согласно величинам коррекции по направлениям XYZ, полученным на шаге 3.

Шаг 5: Шлифовка и полировка поврежденной области лопасти турбинного лезвия с использованием модифицированной траектории инструмента для полного восстановления точной формы лезвия.

Как показано на рисунке 6, для онлайн-измерения используется зонд RMP40 и шарик стилуса диаметром φ6 мм. Двенадцать точек измерения получены путем оптимизации двух секций около края лопасти. Сгенерированные файлы данных измерений могут быть переданы обратно в компьютерную программную систему, а обрабатывающая модель может быть автоматически создана в UG на основе измеренных данных.

Испытания проводились на трехосном вертикальном фрезерном станке, при этом лопасть была вертикально закреплена на столе с помощью быстросменного патрона, что обеспечивало высокую точность повторного зажима во время обработки и последующей операции обработки特征, как показано на рисунке 7.

Сгенерированный файл траектории инструмента CLSF представлен на рисунке 8.

3.2 Защита внутренней полости и воздушной пленочной отверстия

Во время испытаний было выполнено техническое требование, согласно которому в внутренней полости и отверстиях воздушной пленки не допускается оставаться стружкам или другим примесям. Во время процесса испытаний внутренняя полость и несколько отверстий воздушной пленки лопасти были защищены. Данное техническое исследование использует функциональный клей для герметизации внутренней полости и отверстий воздушной пленки, тем самым защищая эти отверстия. Известно, что при ремонте таких лопастей за рубежом используется жидкий "мультифункциональный эпоксидный шпатлевочный клей" для защиты полости и отверстий воздушной пленки. После охлаждения он затвердевает, достигая защитного эффекта. При нагревании до температуры выше 100°C он плавится и превращается в "пепел", который можно сдуть или удалить ультразвуковой очисткой. В малых отверстиях не остается осадка. В последующих массовых инженерных применениях защита и очистка полостей и малых отверстий будут особенно важны, и необходимо продолжать искать более подходящие способы предотвращения попадания стружек и примесей.

3.3 Результаты испытаний

Измеряя профиль кончика отремонтированной турбинной лопатки, как показано на рисунке 9, форма соответствует требованиям технологического процесса. По результатам визуального контроля видно, что область ремонта лопатки и оригинальный профиль плавно переходят друг в друга после адаптивной полировки, как показано на рисунке 10. Толщина стенок внутренних и внешних полостей соответствует норме, шероховатость поверхности ниже Ra0.8 μм, и другие технические параметры удовлетворяют технологическим требованиям. С помощью люминесцентного контроля установлено, что процесс обработки не вызвал новых трещин и других дефектов.

Свяжитесь с нами

Благодарим вас за интерес к нашей компании! Будучи профессиональной компанией по производству деталей газовых турбин, мы продолжим уделять внимание технологическому развитию и улучшению сервиса для предоставления более качественных решений нашим клиентам по всему миру. Если у вас есть вопросы, предложения или намерения о сотрудничестве, мы с радостью поможем вам. Пожалуйста, свяжитесь с нами следующими способами:

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