เทคโนโลยีการตรวจจับและการซ่อมแซมความล้มเหลวของใบพัดเครื่องยนต์อากาศยาน

ใบพัดเทอร์ไบน์เป็นส่วนสำคัญของเครื่องยนต์อากาศยาน ซึ่งมีอุณหภูมิสูง ภาระหนัก และโครงสร้างซับซ้อน คุณภาพของการตรวจสอบและการบำรุงรักษาเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับความทนทานและความยาวของอายุการใช้งานงานวิจัยนี้ศึกษาการตรวจสอบและการบำรุงรักษาของใบพัดเครื่องยนต์อากาศยาน วิเคราะห์ลักษณะการเสียหายของใบพัดเครื่องยนต์อากาศยาน และสรุปเทคโนโลยีการตรวจจับความเสียหายและการบำรุงรักษาของใบพัดเครื่องยนต์อากาศยาน

ในการออกแบบใบพัดเทอร์ไบน์ มักใช้วัสดุใหม่ที่มีคุณภาพสูงกว่า และลดขอบเขตการทำงานโดยการปรับปรุงโครงสร้างและเทคโนโลยีการแปรรูป เพื่อเพิ่มอัตราส่วนแรงดันต่อความหนักของเครื่องยนต์ ใบพัดเทอร์ไบน์เป็นโปรไฟล์อากาศพลศาสตร์ที่สามารถทำงานได้อย่างสม่ำเสมอตลอดความยาวของใบพัด ซึ่งช่วยให้มุมหมุนของกระแสอากาศระหว่างฐานและปลายใบพัดคงที่ โดยมุมหมุนที่ปลายใบพัดจะมากกว่าที่ฐาน การติดตั้งใบพัดโรเตอร์เทอร์ไบน์บนจานเทอร์ไบน์มีความสำคัญอย่างยิ่ง "ข้อต่อรูปทรงต้นไม้" เป็นโรเตอร์ของกังหันแก๊สสมัยใหม่ ซึ่งได้รับการออกแบบและแปรรูปอย่างแม่นยำเพื่อให้แน่ใจว่าฟลังก์ทั้งหมดสามารถแบกรับน้ำหนักได้อย่างสม่ำเสมอ เมื่อกังหันหยุดนิ่ง ใบพัดจะเคลื่อนที่ในแนวเส้นรอบวงที่ร่องฟัน และเมื่อกังหันหมุน ฐานใบพัดจะถูกดึงเข้าหาแผ่นดิสก์เนื่องจากผลกระทบของแรงเหวี่ยง วัสดุของใบพัดเป็นปัจจัยสำคัญในการรับประกันประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของเทอร์ไบน์ ในอดีตใช้โลหะทนความร้อนที่ผ่านการหล่อขึ้นรูป และผลิตโดยการขึ้นรูปด้วยความร้อน ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของการออกแบบเครื่องยนต์และการหล่อแบบแม่นยำ ใบพัดเทอร์ไบน์ได้เปลี่ยนจากการใช้โลหะผสมที่ผ่านการหล่อขึ้นรูปไปสู่การใช้แบบกลวง จากโพลีคริสตัลไปสู่โมโนคริสตัล และความสามารถในการทนความร้อนของใบพัดได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก โลหะผสมโครเมียมเดี่ยวที่มีฐานนิกเกิลถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตชิ้นส่วนปลายร้อนของเครื่องยนต์การบิน เนื่องจากมีคุณสมบัติการคลานที่อุณหภูมิสูงยอดเยี่ยม ดังนั้น การศึกษาอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับการตรวจสอบและการบำรุงรักษาใบพัดเทอร์ไบน์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มความปลอดภัยของการทำงานของเครื่องยนต์และการประเมินรูปแบบความเสียหายและความรุนแรงของความเสียหายของใบพัดอย่างแม่นยำ

รูปแบบการล้มเหลวของใบพัดเครื่องยนต์อากาศยาน

การแตกจากการ-fatigue รอบช่วงต่ำของใบพัด

ในงานจริง การ-fatigue รอบช่วงต่ำจนแตกของใบจักรมักจะไม่เกิดขึ้นง่าย แต่ภายใต้สามเงื่อนไขนี้ การ-fatigue รอบช่วงต่ำจนแตกจะเกิดขึ้น ภาพที่ 1 เป็นแผนผังแสดงการแตกของใบพัด

(1) แม้ว่าความเครียดในการทำงานที่ส่วนอันตรายจะน้อยกว่าความแข็งแรงในการยืดของวัสดุ แต่มีข้อบกพร่องในท้องถิ่นขนาดใหญ่อยู่ที่ส่วนอันตรายนั้น ในบริเวณนี้ เนื่องจากมีข้อบกพร่อง พื้นที่ใกล้เคียงขนาดใหญ่เกินความแข็งแรงในการยืดของวัสดุ ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนรูประยะมาก ซึ่งนำไปสู่การ-fatigue รอบช่วงต่ำจนแตกของใบพัด

(2) เนื่องจากคำนึงถึงการออกแบบไม่เพียงพอ ความเครียดในการทำงานของใบพัดที่ส่วนอันตรายนั้นเข้าใกล้หรือเกินความแข็งแรงในการยืดของวัสดุ เมื่อมีข้อบกพร่องเพิ่มเติมในส่วนอันตรายนั้น ใบพัดจะเกิดการ-fatigue รอบช่วงต่ำจนแตก

(3) เมื่อใบพัดมีสภาพผิดปกติ เช่น การสั่นสะเทือน การเกิดเสียงก้อง และการร้อนเกินไป ค่าความเครียดรวมของส่วนที่เป็นอันตรายจะมากกว่าความแข็งแรงในการยืดของมัน ส่งผลให้เกิดการแตกจากความเหนื่อยล้าในรอบต่ำของใบพัด การแตกจากความเหนื่อยล้าในรอบต่ำส่วนใหญ่เกิดจากสาเหตุด้านการออกแบบ และมักเกิดขึ้นบริเวณโคนใบพัด โดยไม่มีร่องรอยของเส้นโค้งความเหนื่อยล้าที่ชัดเจนในกรณีของการแตกแบบความเหนื่อยล้าในรอบต่ำ

ความล้มเหลวจากการแตกของความเหนื่อยล้าจากการก้องของแรงบิดของใบพัด

ความแตกจากความเหนื่อยล้าในรอบสูงหมายถึงการแตกที่เกิดขึ้นภายใต้การก้องของแรงบิดของใบพัด และมีลักษณะสำคัญดังนี้:

(1) มีการลดระดับมุมที่จุดโหนดของการก้องของแรงบิด

(2) สามารถเห็นเส้นโค้งความเหนื่อยล้าได้อย่างชัดเจนที่บริเวณการแตกของความเหนื่อยล้าของใบพัด แต่เส้นโค้งความเหนื่อยล้าจะบางมาก

(3) การแตกมักเริ่มจากด้านหลังของใบพัดและขยายไปยังกระเบื้องใบพัด โดยพื้นที่ของเขตความเหนื่อยล้าครอบคลุมพื้นที่หลักของพื้นผิวที่แตก

มีเหตุผลหลักสองประการสำหรับรอยร้าวจากการ-fatigue แบบบิดของใบพัด: หนึ่งคือ การสั่นสะเทือนแบบบิด และอีกประการคือ การเกิดสนิมมากบนผิวใบพัดหรือผลกระทบจากแรงภายนอก

ความล้มเหลวของการแตกหักจาก fatigue และความเสียหายจากความร้อนของใบพัด

ใบพัดของโรเตอร์กังหันทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและถูกกระทำด้วยการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความเครียดสลับซึ่งนำไปสู่การคลานและการเสื่อมสภาพจาก fatigue ของใบพัด (ดูภาพที่ 2) สำหรับการแตกหักจาก high temperature fatigue ของใบพัด ต้องมีเงื่อนไขสามข้อดังนี้:

(1) การแตกหักจาก fatigue ของใบพัดแสดงลักษณะของการแตกหักระหว่างเม็ดystalเป็นหลัก

(2) อุณหภูมิที่จุดแตกหักของใบพัดสูงกว่าอุณหภูมิการคลานขั้นจำกัดของวัสดุ;

(3) จุดที่เกิดการแตกหักจาก fatigue ของใบพัดสามารถทนต่อแรงดึง centrifugal ในรูปแบบคลื่นสี่เหลี่ยมได้เท่านั้น ซึ่งเกินกว่าขีดจำกัดของการคลานหรือขีดจำกัด fatigue ที่อุณหภูมินั้น

ทั่วไปแล้ว การแตกจากการเหนื่อยล้าของใบพัดโรเตอร์ที่อุณหภูมิสูงเป็นเรื่องที่พบได้น้อยมาก แต่ในทางปฏิบัติ การแตกจากการเหนื่อยล้าที่เกิดจากความเสียหายด้านความร้อนของโรเตอร์ค่อนข้างพบได้บ่อย ในระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์ การเกินอุณหภูมิชั่วคราวภายใต้สภาพการทำงานที่ผิดปกติซึ่งทำให้เกิดการร้อนเกินหรือไหม้ของชิ้นส่วน เรียกว่าความเสียหายจากการร้อนเกินที่อุณหภูมิสูง รอยร้าวจากการเหนื่อยล้ามักจะเกิดขึ้นในใบพัด ความเสียหายจากการเหนื่อยล้าที่เกิดจากอุณหภูมิสูงมีลักษณะสำคัญดังนี้:

(1) ตำแหน่งของการแตกมักจะอยู่ในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงที่สุดของใบพัด โดยตั้งฉากกับแกนของใบพัด

(2) การแตกเริ่มต้นจากขอบเข้าของแหล่งที่มา และพื้นผิวหน้าตัดมีสีหม่นและมีการออกซิเดชันสูง พื้นผิวหน้าตัดของส่วนที่ขยายออกไปค่อนข้างเรียบและมีสีไม่เข้มเท่ากับแหล่งที่มา

เทคโนโลยีการซ่อมแซมความล้มเหลวของใบพัดเครื่องยนต์อากาศยาน

การตรวจสอบภายในโดยกล้องแบบพกพาบนเครื่องบิน

การตรวจสอบด้วยกล้องโบร์สโคปบนเครื่องบินเป็นการตรวจตราใบพัดเทอร์ไบน์โดยใช้โพรบในช่องเทอร์ไบน์ของเครื่องยนต์ เทคโนโลยีนี้ไม่จำเป็นต้องถอดแยกชิ้นส่วนของเครื่องยนต์และสามารถทำได้โดยตรงบนเครื่องบิน ซึ่งสะดวกและรวดเร็ว การตรวจสอบด้วยกล้องโบร์สโคปสามารถตรวจจับการไหม้ การกัดกร่อน และการหลุดลอกของใบพัดเทอร์ไบน์ได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งจะช่วยให้เข้าใจและควบคุมเทคโนโลยีและความสมบูรณ์ของเทอร์ไบน์ได้ เพื่อทำการตรวจสอบแบบครอบคลุมสำหรับใบพัดเทอร์ไบน์และรับรองการทำงานปกติของเครื่องยนต์ รูปที่ 3 แสดงการตรวจสอบด้วยกล้องโบร์สโคป

การบำบัดทำความสะอาดล่วงหน้าก่อนการตรวจสอบในห้องปฏิบัติการซ่อมแซม

พื้นผิวของใบกังหันถูกปกคลุมด้วยตะกอนหลังจากการเผาไหม้ เคลือบผิว และชั้นการกัดกร่อนทางความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง การสะสมของคาร์บอนจะเพิ่มความหนาของผนังใบกังหัน ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในเส้นทางของกระแสอากาศเดิม ทำให้ประสิทธิภาพของกังหันลดลง การกัดกร่อนทางความร้อนจะลดคุณสมบัติกลของใบกังหัน และเนื่องจากมีการสะสมของคาร์บอน ความเสียหายบนผิวใบกังหันจึงถูกปิดบัง ทำให้การตรวจจับยากขึ้น ดังนั้น ก่อนการตรวจสอบและซ่อมแซมใบกังหัน ตะกอนคาร์บอนจำเป็นต้องถูกทำความสะอาด

การทดสอบความสมบูรณ์ของใบกังหัน

ในอดีต เครื่องมือวัดแบบ "แข็ง" เช่น มุมวัดและไม้ก๊อปเปอร์ถูกใช้เพื่อตรวจจับเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดในเครื่องยนต์อากาศยาน วิธีนี้เรียบง่าย แต่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยมนุษย์ได้ง่าย และมีข้อบกพร่อง เช่น ความแม่นยำต่ำและช้าในการตรวจจับ ในเวลาต่อมา บนพื้นฐานของเครื่องวัดพิกัด โปรแกรมควบคุมอัตโนมัติด้วยไมโครคอมพิวเตอร์ได้ถูกเขียนขึ้น และระบบวัดขนาดทางเรขาคณิตของใบพัดได้ถูกพัฒนา โดยการตรวจจับใบพัดอัตโนมัติและเปรียบเทียบกับรูปร่างมาตรฐานของใบพัด ผลลัพธ์ของการทดสอบความคลาดเคลื่อนจะถูกให้โดยอัตโนมัติเพื่อกำหนดความพร้อมใช้งานของใบพัดและการบำรุงรักษาที่จำเป็น แม้ว่าเครื่องมือวัดพิกัดของผู้ผลิตต่าง ๆ จะมีความแตกต่างในเทคโนโลยีเฉพาะ แต่พวกมันมีลักษณะร่วมกันดังนี้: ระดับการอัตโนมัติสูง การตรวจจับรวดเร็ว ทั่วไปแล้วสามารถตรวจจับใบพัดหนึ่งใบได้ภายใน 1 นาที และมีความสามารถในการขยายตัวที่ดี เมื่อแก้ไขฐานข้อมูลรูปร่างมาตรฐานของใบพัด สามารถตรวจจับใบพัดหลากหลายประเภทได้ รูปที่ 4 แสดงการทดสอบความสมบูรณ์

การบำรุงรักษาใบพัดเครื่องยนต์อากาศยาน

เทคโนโลยีการพ่นความร้อน

เทคโนโลยีการพ่นความร้อนคือการเผาไหม้วัสดุใยหรือผงให้อยู่ในสถานะหลอมเหลว ทำให้เกิดการกระจายตัวมากขึ้น จากนั้นจึงทำการเคลือบลงบนชิ้นส่วนหรือฐานที่จะพ่น

(1) เคลือบป้องกันการสึกหรอ

การเคลือบป้องกันการสึกหรอ เช่น เคลือบที่มีฐานโคบอลต์ นิกเกิล และคาร์ไบด์ของ텅สเตน มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในชิ้นส่วนของเครื่องยนต์อากาศยาน เพื่อลดแรงเสียดทานที่เกิดจากแรงสั่นสะเทือน การเลื่อน การชน การเสียดสี และแรงเสียดทานอื่นๆ ระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์อากาศยาน ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความทนทาน

(2) เคลือบป้องกันความร้อน

เพื่อเพิ่มแรงดัน การขับเคลื่อนของเครื่องยนต์อากาศยานสมัยใหม่จำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิก่อนถึงเทอร์ไบน์ให้สูงที่สุด ในลักษณะนี้ อุณหภูมิการทำงานของใบพัดเทอร์ไบน์จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย แม้ว่าจะใช้วัสดุทนความร้อน แต่ก็ยังคงยากที่จะตอบสนองต่อความต้องการในการใช้งาน ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าการใช้ชั้นเคลือบที่ทนความร้อนบนผิวของใบพัดเทอร์ไบน์สามารถปรับปรุงความสามารถในการทนความร้อนของชิ้นส่วน และหลีกเลี่ยงการเสียรูปและการแตกของชิ้นส่วนได้

(3) เคลือบผิวแบบสึกหรอได้

ในเครื่องยนต์อากาศยานรุ่นใหม่ เทอร์ไบน์ประกอบด้วยโครงสร้างที่มีใบพัดสเตเตอร์แนวนอนหลายชิ้นและใบพัดโรเตอร์ที่ติดอยู่บนจาน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ ระยะห่างระหว่างสองส่วนคือสเตเตอร์และโรเตอร์ควรลดลงให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ช่องว่างนี้รวมถึง "ช่องว่างปลาย" ระหว่างปลายโรเตอร์และแหวนนอกที่ตรึงอยู่ และ "ช่องว่างขั้นตอน" ระหว่างแต่ละขั้นของโรเตอร์กับโครงสร้าง ในทางทฤษฎีช่องว่างเหล่านี้ควรถูกปรับให้เป็นศูนย์มากที่สุดเพื่อลดการรั่วไหลของอากาศ แต่เนื่องจากความคลาดเคลื่อนจริงและความคลาดเคลื่อนจากการติดตั้งของชิ้นส่วนการผลิต ทำให้ยากต่อการบรรลุเป้าหมาย นอกจากนี้ภายใต้อุณหภูมิสูงและความเร็วสูง ล้อจะเคลื่อนที่ตามแนวแกนทำให้ใบพัด "ขยาย" ออกตามแนวรัศมี เนื่องจากความเสียรูปจากการโค้งงอ การขยายตัวและหดตัวจากความร้อน จึงใช้วิธีพ่นสารเคลือบที่ทนทานเพื่อให้มีช่องว่างที่เล็กที่สุด โดยการพ่นสารเคลือบชนิดต่างๆ บนผิวใกล้ปลายใบพัด เมื่อส่วนหมุนเสียดสีกับสารเคลือบ สารเคลือบจะเกิดการสึกหรอแบบเสียสละ ซึ่งช่วยลดช่องว่างให้เล็กลงมากที่สุด รูปที่ 5 แสดงเทคโนโลยีการพ่นความร้อน

Shot Peening

เทคโนโลยี Shot peening ใช้ลูกกระสุนความเร็วสูงเพื่อกระทบผิวชิ้นงาน สร้างแรงดึงกลับในเชิงบวกบนผิวชิ้นงานและก่อให้เกิดวัสดุที่เสริมความแข็งแรงในระดับหนึ่ง เพื่อปรับปรุงความแข็งแรงต้านแรงเหนื่อยของผลิตภัณฑ์และลดสมรรถนะการกัดกร่อนจากแรงดึงของวัสดุ รูปที่ 6 แสดงใบพัดหลังจากการ Shot peening

(1) Shot peening แบบแห้ง

เทคโนโลยี Shot peening แบบแห้งใช้แรงเหวี่ยงในการสร้างชั้นเสริมความแข็งแรงบนผิวชิ้นงานที่มีความหนาแน่นในระดับหนึ่ง แม้ว่าเทคโนโลยี Shot peening แบบแห้งจะมีเครื่องจักรที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพสูง แต่ยังคงมีปัญหา เช่น การปนเปื้อนของฝุ่น เสียงดัง และการใช้ลูกกระสุนมากเกินไปในระหว่างการผลิตจำนวนมาก

(2) Shot peening แบบน้ำ

การเพิ่มความแข็งแรงด้วยน้ำแบบ shot peening มีกลไกการเสริมความแข็งแรงเหมือนกับ dry shot peening ความแตกต่างคือมันใช้อนุภาคของเหลวที่เคลื่อนที่เร็วแทนที่จะใช้ shot ซึ่งช่วยลดผลกระทบของฝุ่นต่อสิ่งแวดล้อมในระหว่างกระบวนการ dry shot peening และปรับปรุงสภาพแวดล้อมในการทำงาน

(3) การเสริมความแข็งแรงด้วยจานหมุน

บริษัท 3M จากอเมริกาได้พัฒนากระบวนการเสริมความแข็งแรงด้วยการยิงลูกปืนแบบใหม่ วิธีการเสริมความแข็งแรงนี้คือการใช้จานหมุนที่มีลูกปืนเพื่อยิงพื้นผิวโลหะอย่างต่อเนื่องด้วยความเร็วสูง เพื่อสร้างชั้นเสริมความแข็งแรงบนพื้นผิว เมื่อเปรียบเทียบกับการยิงลูกปืนแล้ว มันมีข้อดีในเรื่องของอุปกรณ์ที่เรียบง่าย การใช้งานที่สะดวก ประสิทธิภาพสูง เศรษฐกิจ และคงทน ในการเสริมความแข็งแรงด้วยจานหมุน เมื่อลูกปืนความเร็วสูงชนใบมีด พื้นผิวของใบมีดจะขยายตัวอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนรูปร่างทางพลาสติกที่ระดับความลึกหนึ่ง ความหนาของชั้นที่เกิดการเปลี่ยนรูปนั้นขึ้นอยู่กับความแข็งแรงของการชนของลูกปืนและคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุชิ้นงาน โดยทั่วไปสามารถถึง 0.12 ถึง 0.75 มม. ได้ โดยการปรับกระบวนการยิงลูกปืน สามารถได้รับความหนาของชั้นที่เกิดการเปลี่ยนรูปที่เหมาะสม เมื่อเกิดการเปลี่ยนรูปร่างทางพลาสติกบนพื้นผิวของใบมีด พื้นที่ใต้ผิวที่ใกล้เคียงก็จะเกิดการเปลี่ยนรูปเช่นกัน แต่เมื่อเปรียบเทียบกับพื้นผิว การเปลี่ยนรูปของพื้นที่ใต้ผิวนั้นน้อยกว่า หากไม่ถึงจุดยีลด์ จะยังคงอยู่ในระยะของการเปลี่ยนรูปร่างทางยืดหยุ่น ดังนั้น การเปลี่ยนรูปร่างทางพลาสติกที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างพื้นผิวกับชั้นล่างสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความเครียดตกค้างในวัสดุหลังจากการยิงลูกปืน ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่ามีความเครียดกดตกค้างบนพื้นผิวหลังจากการยิงลูกปืน และที่ความลึกบางระดับ จะเกิดความเครียดดึงที่พื้นที่ใต้ผิว ความเครียดกดตกค้างบนพื้นผิวนั้นมีมากกว่าหลายเท่าเมื่อเปรียบเทียบกับพื้นที่ใต้ผิว การกระจายของความเครียดตกค้างนี้มีประโยชน์อย่างมากต่อการเพิ่มความแข็งแรงต่อการ-fatigue และการต้านทานการกัดกร่อน ดังนั้น เทคโนโลยีการยิงลูกปืนจึงมีบทบาทสำคัญในการยืดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์และการปรับปรุงคุณภาพของผลิตภัณฑ์

การซ่อมแซมชั้นเคลือบ

ในเครื่องยนต์อากาศยาน มีหลายใบพัดเทอร์ไบน์ขั้นสูงที่ใช้เทคโนโลยีการเคลือบเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติในการต้านออกซิเดชัน ต้านการกัดกร่อน และทนต่อการสึกหรอ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากใบพัดจะได้รับความเสียหายในระดับต่างๆ กันระหว่างการใช้งาน จึงจำเป็นต้องซ่อมแซมใบพัด โดยปกติจะทำการลอกชั้นเคลือบเดิมออก จากนั้นจึงเคลือบชั้นใหม่