Технология обнаружения неисправностей и ремонта лопаток авиадвигателей

Лопатки турбины являются важной частью авиадвигателей, с высокой температурой, большим нагрузками и сложной конструкцией. Качество проверки и обслуживания тесно связано с долговечностью и сроком службы работы. В данной статье изучаются проверка и обслуживание лопаток авиадвигателей, анализируются режимы отказа лопаток авиадвигателей и подводятся итоги технологий обнаружения неисправностей и обслуживания лопаток авиадвигателей.

При проектировании лопаток турбины часто используются новые материалы с более высоким качеством, а рабочий запас прочности уменьшается за счет улучшения конструкции и технологии обработки, что позволяет повысить удельную тягу двигателя. Турбинная лопатка представляет собой аэродинамический профиль, который может выполнять равнозначную работу на всей длине лопатки, обеспечивая изменение угла вращения воздушного потока между корнем и концом лопатки, причем угол вращения на конце больше, чем у корня. Очень важно правильно установить лопатку ротора турбины на турбинный диск. "Елочное" соединение является ротором современной газовой турбины. Оно было точно обработано и спроектировано для того, чтобы все фланцы могли равномерно распределять нагрузку. Когда турбина неподвижна, лопатка совершает касательное движение в пазе зуба, а при вращении турбины корень лопатки стягивается к диску из-за центробежного эффекта. Материал колеса является важным фактором для обеспечения характеристик и надежности турбины. Раньше использовались деформируемые жаростойкие сплавы, которые производились методом ковки. С постоянным развитием конструкции двигателей и технологий точной литьевой обработки лопатки турбины перешли от деформируемых сплавов к полым, много kristallinym к одно kristallinym, что значительно повысило теплостойкость лопаток. Никелевые одно кристаллические сверхсплавы широко применяются в производстве горячих частей авиадвигателей благодаря своим отличным свойствам высокотемпературной ползучести. Поэтому глубокое исследование осмотра и обслуживания турбинных лопаток имеет большое значение для повышения безопасности работы двигателя и точной оценки морфологии повреждений и степени повреждения лопаток.

Режимы отказа лопастей авиадвигателя

Отказ лопасти из-за низкочастотного усталостного перелома

В реальной работе низкочастотный усталостный перелом роторных лопастей обычно не происходит, но при следующих трех условиях может возникнуть низкочастотный усталостный перелом. Рисунок 1 — это схематический чертеж перелома лопасти.

(1) Хотя рабочее напряжение на опасном участке меньше предела текучести материала, на опасном участке есть большие локальные дефекты. В этой области, из-за наличия дефектов, большая площадь рядом превышает предел текучести материала, что вызывает значительную пластическую деформацию и приводит к низкочастотному усталостному перелому лопасти.

(2) Из-за недостаточно продуманного проектирования, рабочее напряжение лопасти на опасном участке близко к или превышает предел текучести материала. Когда в опасной части есть дополнительные дефекты, лопасть подвергается низкочастотному усталостному перелому.

(3) Когда лопасть имеет аномальные условия, такие как вибрация, резонанс и перегрев, общее значение напряжения в её опасном сечении превышает предел текучести, что приводит к низкочастотному усталостному разрушению лопасти. Низкочастотное усталостное разрушение в основном вызвано дизайнерскими причинами и большей частью происходит около корня лопасти. На типичном низкочастотном разрушении нет явных усталостных дуг.

Усталостное разрушение лопасти от крутильного резонанса

Высокочастотное усталостное разрушение относится к разрушению, происходящему при крутильном резонансе лопасти, и имеет следующие характерные особенности:

(1) Падение углов происходит в узле крутильного резонанса.

(2) На усталостном разрушении лопасти можно увидеть явную усталостную кривую, но эта кривая очень тонкая.

(3) Разрушение обычно начинается с тыльной стороны лопасти и распространяется на лопастной бассейн, причём усталостная зона занимает основную часть поверхности разрушения.

Существует две основные причины возникновения крутильных усталостных трещин на лопасти: одна из них - это крутильный резонанс, а другая - обширная ржавчина на поверхности лопасти или воздействие внешней силы.

Повреждение и разрушение лопасти из-за высокотемпературной усталости и теплового повреждения

Лопасти турбинного ротора работают в условиях высоких температур и подвергаются изменениям температуры и циклическим напряжениям, что приводит к ползучести и усталостному повреждению лопастей (см. рисунок 2). Для высокотемпературного усталостного разрушения лопастей необходимо выполнение следующих трех условий:

(1) Усталостное разрушение лопасти в основном проявляет характер межкристаллитного разрушения.

(2) Температура на месте разрушения лопасти выше предельной температуры ползучести материала;

(3) Место усталостного разрушения лопасти может выдерживать только центробежное растягивающее напряжение прямоугольной формы, которое превышает предел ползучести или усталости при данной температуре.

Обычно, разрушение роторных лопаток от усталости при высоких температурах крайне редко встречается, но на практике разрушение от усталости, вызванной тепловым повреждением ротора, относительно распространено. Во время работы двигателя перегрев или чрезмерное нагревание компонентов из-за кратковременного превышения температуры в аномальных условиях работы называется повреждением от перегрева. При высоких температурах трещины усталости часто возникают в лопастях. Разрушение от усталости, вызванное повреждением при высокой температуре, имеет следующие основные характеристики:

(1) Позиция разрыва обычно находится в самой горячей области лопасти, перпендикулярно оси лопасти.

(2) Разрыв начинается с входного края источника, и его поперечное сечение тёмное с высоким уровнем окисления. Поперечное сечение расширяющейся части более плоское, и цвет не такой тёмный, как в области источника.

Технология ремонта повреждений лопастей авиадвигателя

Бортовая эндоскопическая проверка

Визуальный контроль с использованием бороскопа на борту осуществляется для осмотра лопастей турбины через зонд в блоке турбины двигателя. Данная технология не требует разборки двигателя и может быть выполнена непосредственно на самолёте, что удобно и быстро. Проверка с помощью бороскопа позволяет лучше обнаруживать горение, коррозию и отслоение лопастей турбины, что помогает понять和技术альное состояние турбины, чтобы провести всесторонний осмотр лопастей турбины и обеспечить нормальную работу двигателя. Рисунок 3 показывает проверку с использованием бороскопа.

Предварительная очистка перед осмотром в ремонтной мастерской

Поверхность лопастей турбины покрывается отложениями после сгорания, покрытиями и слоями термической коррозии, образующимися в результате высокотемпературной окислительной коррозии. Отложение углерода увеличивает толщину стенок лопастей, вызывая изменения в первоначальном пути воздушного потока, что приводит к снижению эффективности турбины; термическая коррозия уменьшает механические свойства лопастей; а из-за наличия углеродных отложений повреждения поверхности лопасти скрыты, что затрудняет обнаружение. Поэтому перед мониторингом и ремонтом лопастей необходимо очистить углеродные отложения.

Тестирование целостности лопасти

В прошлом для измерения диаметра лопасти авиадвигателя использовались "жесткие" измерительные инструменты, такие как угольники и штангенциркули. Этот метод простой, но легко подвержен человеческому вмешательству и имеет недостатки, такие как низкая точность и медленная скорость измерения. Позже, на основе координатно-измерительной машины, была написана программа для автоматического управления микрокомпьютером, и разработана система измерения геометрических размеров лопасти. Автоматическое обнаружение лопасти и сравнение с эталонной формой лопасти дают автоматические результаты тестирования ошибок для определения пригодности лопасти и необходимого метода обслуживания. Несмотря на то что у измерительных машин разных производителей есть различия в конкретных технологиях, у них есть следующие общие черты: высокий уровень автоматизации, быстрое измерение, обычно одна лопасть может быть измерена за 1 минуту, и хорошие возможности расширения. Изменяя базу данных стандартной формы лопасти, можно измерять различные типы лопастей. Рисунок 4 показывает тест целостности.

Техническое обслуживание лопастей авиадвигателя

Технология термической напыления

Технология термического напыления заключается в том, чтобы сжигать волокна или порошкообразные материалы до их плавления, далее атомизировать их и затем наносить на детали или подложки для напыления.

(1) Износостойкие покрытия

Износостойкие покрытия, такие как на основе кобальта, никеля и карбида вольфрама, широко применяются в компонентах авиадвигателей для снижения трения, вызванного вибрацией, скольжением, столкновениями, трением и другими видами трения во время работы авиадвигателя, что повышает производительность и срок службы.

(2) Термоустойчивые покрытия

Чтобы увеличить тягу, современным авиадвигателям необходимо повышать температуру перед турбиной до максимума. Таким образом, рабочая температура лопастей турбины также возрастает. Несмотря на использование жаростойких материалов, все еще сложно соответствовать требованиям эксплуатации. Результаты испытаний показывают, что нанесение жаростойких покрытий на поверхность лопастей турбины может повысить теплостойкость деталей и предотвратить их деформацию и растрескивание.

(3) Изнашивающиеся покрытия

В современных авиадвигателях турбина состоит из корпуса, составленного из нескольких горизонтальных статорных лопаток и роторной лопатки,固定的 на диске. Для повышения эффективности двигателя расстояние между двумя компонентами — статором и ротором — должно быть уменьшено до минимума. Этот зазор включает "концевой зазор" между концом ротора и фиксированным внешним кольцом, а также "ступенчатый зазор" между каждой ступенью ротора и корпусом. Чтобы свести к минимуму утечку воздуха, вызванную чрезмерным зазором, теоретически требуется сделать зазоры как можно ближе к нулю, так как фактические погрешности и ошибки при установке деталей производства трудно преодолеть; кроме того, при высокой температуре и высокой скорости колесо также движется продольно, что вызывает "рост" лопастей радиально. Из-за изгибной деформации, теплового расширения и сжатия заготовки используется метод термического напыления износостойких покрытий для создания минимально возможного зазора, то есть напыление различных покрытий на поверхность около вершины лопасти; когда вращающиеся части трения о нее, покрытие создает жертвенное истирание, что позволяет уменьшить зазор до минимума. Рисунок 5 показывает технологию термического напыления.

Дробеструйная обработка

Технология дробеструйной обработки использует высокоскоростные снаряды для ударов по поверхности заготовки, создавая остаточное сжимающее напряжение на поверхности заготовки и формируя упрочняющий материал до определенной степени, что повышает усталостную прочность продукта и снижает стрессовое коррозионное разрушение материала. Рисунок 6 показывает лопасть после дробеструйной обработки.

(1) Сухая дробеструйная обработка

Сухая дробеструйная технология использует центробежную силу для создания укрепляющего слоя определенной толщины на поверхности заготовки. Несмотря на то, что оборудование для сухой дробеструйной обработки простое и высокоэффективное, при массовом производстве все еще возникают проблемы, такие как пылевое загрязнение, высокий уровень шума и большой расход дроби.

(2) Водная дробеструйная обработка

Водяная дробеструйная обработка имеет тот же механизм упрочнения, что и сухая дробеструйная обработка. Разница заключается в том, что она использует быстро движущиеся жидкие частицы вместо дроби, что снижает воздействие пыли на окружающую среду во время сухой дробеструйной обработки, тем самым улучшая условия труда.

(3) Упрочнение вращающейся пластиной

Американская компания 3M разработала новый тип процесса упрочнения методом дробеструйной обработки. Их метод упрочнения заключается в использовании вращающейся пластиной с дробью для непрерывного удара по металлической поверхности на высокой скорости, чтобы образовать упрочняющий слой на поверхности. По сравнению с дробеструйной обработкой, этот метод имеет преимущества простого оборудования, легкого использования, высокой эффективности, экономичности и долговечности. При упрочнении вращающейся пластиной, когда высокоскоростная дробь ударяет по лопасти, поверхность лопасти быстро расширяется, вызывая пластическую деформацию на определенной глубине. Толщина деформационного слоя связана с ударной силой дробины и механическими свойствами материала изделия, и обычно может достигать 0,12–0,75 мм. Настройка процесса дробеструйной обработки позволяет получить подходящую толщину деформационного слоя. Под действием дробеструйной обработки, когда происходит пластическая деформация на поверхности лопасти, соседние подповерхностные области также деформируются. Однако, по сравнению с поверхностью, деформация подповерхности меньше. Без достижения предела текучести материал остается в стадии упругой деформации, поэтому неоднородная пластификация между поверхностью и нижним слоем неравномерна, что может вызвать изменения остаточных напряжений в материале после обработки. Результаты испытаний показывают, что после дробеструйной обработки на поверхности возникают остаточные сжимающие напряжения, а на определенной глубине растягивающие напряжения появляются в подповерхностном слое. Остаточные сжимающие напряжения на поверхности в несколько раз больше, чем в подповерхностном слое. Такое распределение остаточных напряжений очень полезно для повышения усталостной прочности и коррозионной стойкости. Таким образом, технология дробеструйной обработки играет важную роль в продлении срока службы изделий и повышении их качества.

Ремонт покрытия

В авиадвигателях многие современные турбинные лопатки используют технологию покрытия для повышения их антиоксидантных, противокоррозионных и износостойких свойств; однако, так как лопатки во время эксплуатации повреждаются в varying степени, их необходимо ремонтировать во время техобслуживания лопаток, обычно снимая оригинальное покрытие, а затем нанося новый слой покрытия.