Технологія виявлення несправностей та ремонту лопаток двигунів літаків

Лопатки турбін є важливою частиною літаківих двигунів, вони працюють при високих температурах, великій навантаженні та мають складну структуру. Якість перевірки та технічного обслуговування напряму пов'язана з тривалістю та терміном служби цих деталей. У цій роботі досліджуються методи перевірки та обслуговування лопаток літакового двигуна, аналізуються режими викидів у лопатках літакового двигуна, а також підсумково описуються технології виявлення викидів та обслуговування лопаток літакового двигуна.

При проектуванні лопаток турбіни часто використовуються нові матеріали вищої якості, а за рахунок покращення конструкції та технології обробки зменшується запас міцності, щоб підвищити відношення тяги до ваги двигуна. Лопатка турбіни - це аеродинамічний профіль, який може виконувати еквівалентну роботу на всьому протязі лопатки, забезпечуючи при цьому кут обертання потоку між коренем і вершиною лопатки, причому кут обертання у вершині більший, ніж у корені. Дуже важливо правильно встановити лопатку турбінного ротора на диску турбіни. "Дубовидний" шип - це ротор сучасної газової турбіни. Він був точно оброблений та проектований для того, щоб всі фланці могли рівномірно нести навантаження. Коли турбіна знаходиться у спочі, лопатка має дотичне руху у зубчастій щелі, а коли турбіна обертається, корінь лопатки стискано до диска через центрифугальний ефект. Матеріал імпелера є важливим фактором для забезпечення продуктивності та надійності турбіни. У ранні часи використовували деформовані високотемпературні сплави, які виготовлялися методом ковки. З постійним удосконаленням дизайну двигуна та технології точкового ливарства лопатки турбіни перейшли від деформованих сплавів до порожніх, полікристалічних до однокристалічних, що значно підвищило теплостійкість лопаток. Нікелеві однокристалічні суперсплави широко використовуються для виготовлення горячих частин авіаційних двигунів завдяки своїм відмінним властивостям високотемпературного пліщення. Тому глибоке дослідження перевірки та технічного обслуговування лопаток турбіни має велике значення для підвищення безпеки роботи двигуна та точного оцінювання морфології та ступеня пошкодження лопаток.

Режими виходу з ладу лопаток aviаційних двигунів

Злам внаслідок низькочастотної вигнічної втомленості лопатки

У реальній роботі, низькочастотний вигнічний злам роторних лопаток зазвичай не відбувається легко, але при наступних трьох умовах відбувається низькочастотний вигнічний злам. Рисунок 1 - схема злому лопатки.

(1) Навіть якщо напруження на небезпечному перерізі менше за межу текучості матеріалу, існують великі локальні дефекти на небезпечному перерізі. У цій області через наявність дефектів, більша сусідня область перевищує межу текучості матеріалу, що призводить до великої пластичної деформації, що спричиняє низькочастотний вигнічний злам лопатки.

(2) Завдяки недостатньої проробленості проекту, напруження на небезпечному перерізі лопатки наближається або перевищує межу текучості матеріалу. Коли у небезпечній частині є додаткові дефекти, лопатка піддається низькочастотній вигнічній втомленості.

(3) Коли лопатка має аномальні умови, такі як коливання, резонанс і перегрівання, загальне значення напруження її небезпечного розділу більше за її межу пружності, що призводить до низькочастотної вигинної зламаності лопатки. Низькочастотна вигинна зламаність головним чином спричиняється дизайнерськими причинами, і більша частина їх трапляється навколо кореня лопатки. Відсутні явні вигинні дуги на типовому низькочастотному зламі.

Злам внаслідок кручальної резонансної вигинної зламаності

Високочастотна вигинна зламаність посилається на злам, що відбувається під час кручального резонансу лопатки, і має наступні представні характеристики:

(1) Спад в куті відбувається у вузлі кручального резонансу.

(2) На зламі внаслідок вигину видно явну вигинну криву, але вона дуже тонка.

(3) Злам зазвичай починається ззаду лопатки і розповсюджується до басейну лопатки, і зона вигину займає головну частину поверхні зламу.

Є дві головні причини кручальних виснових тріщин лопатки: одна з них - кручальний резонанс, інша - широка ржавчина на поверхні лопатки або вплив зовнішньої сили.

Виснова термічна та термічна повреждена втома лопатки

Лопатки турбінного ротора працюють у високотемпературному середовищі і піддаються змінам температури та чергувальним напруженням, що призводить до ползучості та втоми лопаток (див. Рисунок 2). Для виснової втоми лопаток на високих температурах необхідно виконання наступних трьох умов:

(1) Виснова втома лопатки головним чином проявляє ознаки міжкристалічної втоми.

(2) Температура на місці перериву лопатки вища за граничну температуру ползучості матеріалу;

(3) Місце виснової втоми лопатки може витримувати лише центрувальну розтягуючу силу хвильового типу, яка перевищує граничну ползучість або втому при цій температурі.

Загалом, злам від фатиги лопаток ротора при високих температурах є екстремально рідкісним явищем, але в реальному використанні досить поширеними є злами від фатиги, спричиненими термічними пошкодженнями ротора. Під час роботи двигуна перегрів або перепал компонентів через короткостроковий перевищений температурний режим у ненормальних умовах роботи називається перегрівним пошкодженням. При високих температурах тріщини від фатиги з'являються в лопатках. Злам від фатиги, спричинений пошкодженням високою температурою, має такі головні характеристики:

(1) Місце зламу зазвичай знаходиться у найгарячішій зоні лопатки, перпендикулярно до її осі.

(2) Злам починається з входящого краю джерела, його переріз тьмяний і має високий ступінь окислення. Переріз розширення менш плоский, і колір не такий темний, як у джерелі.

Технологія ремонту лопаток aviаційного двигуна

Бортова бороскопічна перевірка

Перевірка бороскопом на борту призначенна для візуальної перевірки лопаток турбіни через зонд у коробці турбіни двигуна. Ця технологія не потребує розбирання двигуна і може бути виконана напряму на літаку, що є зручною і швидкою. Перевірка бороскопом краще виявляє спалення, корозію та відшарування лопаток турбіни, що допомагає зрозуміти та володіти технологією та станом здоров'я турбіни, а також провести повну перевірку лопаток турбіни та забезпечити нормальне функціонування двигуна. Рисунок 3 показує перевірку бороскопом.

Попередня очищаюча обробка перед перевіркою у ремонтній майстерні

Поверхня лопаток турбіни покривається насаджами після згоряння, покриттями та шарами термічної корозії, що утворюються завдяки високотемпературній оксидній корозії. Насадження вуглецю збільшуватиме товщину стінок лопаток, що призведе до змін оригінального шляху повітряного потоку, зменшуючи таким чином ефективність турбіни; термічна корозія зменшуватиме механічні властивості лопаток; а через наявність насаджень вуглецю пошкодження поверхні лопатки буде приховане, що складно виявити. Тому перед моніторингом та ремонтом лопаток необхідно очистити насадження вуглецю.

Перевірка цілісності лопаток

У минулому для визначення діаметра лопатки aviаційних двигунів використовувалися "тверді" вимірювальні інструменти, такі як кутові шаблони та щупи. Цей метод простий, але легко піддається впливу людського фактору і має недоліки, такі як низька точність та повільна швидкість вимірювання. Потім, на основі координатної вимірювальної машини, було написано програмне забезпечення для автоматичного керування мікрокомп'ютером, і розроблено систему вимірювання геометричних розмірів лопатки. Автоматично виявляючи лопатку і порівнюючи її зі стандартною формою лопатки, автоматично надаються результати тестування помилок для визначення придатності лопатки та необхідного методу технічного обслуговування. Нехай у вимірювальних приладах різних виробників є різниці в конкретних технологіях, вони мають наступні спільні характеристики: висока ступінь автоматизації, швидке вимірювання, зазвичай одна лопатка може бути перевірена за 1 хвилину, і мають хороші можливості розширення. Змінюючи базу даних стандартної форми лопатки, можна перевіряти різні типи лопаток. Рисунок 4 показує тест цілісності.

Технічне обслуговування лопаток двигуна літака

Термічна спрayersка технологія

Термічна спрейова технологія полягає у згорянні волокон або порошкових матеріалів до розплавленого стану, подальшому їх атомізації та наслідку депонування на деталі або підложки для опрыскування.

(1) Ізносостійкі покриття

Ізносостійкі покриття, такі як кобальтові, нікелеві та покриття на основі карбіду вольфраму, широко використовуються в деталях двигуна літака для зменшення тертя, що виникає через вibrацію, зсuv, зіткнення, тертя та інше тертя під час експлуатації двигуна літака, щоб покращити його characteristics та строк служби.

(2) Термостійкі покриття

Щоб збільшити тягу, сучасним літакам необхідно підвищувати температуру перед турбиною до максимального рівня. Таким чином, експлуатаційна температура лопаток турбіни також зростає відповідно. Навіть застосовуючи жаростійкі матеріали, все ще важко відповісти вимогам експлуатації. Результати тестувань показують, що нанесення жаростійких покриттів на поверхню лопаток турбіни може поліпшити жаростійкість деталей і уникнути деформації та тріщин у деталей.

(3) Жаростійкі покриття

У сучасних літакопроводних двигунах турбіна складається з оболонки, що складається з багатьох горизонтальних статичних лопаток і роторної лопатки, закріпленої на диску. Щоб покращити ефективність двигуна, відстань між двома компонентами статора і ротора слід зменшувати якомога більше. Цей проміжок включає "проміжок на краю" між верхнім краєм ротора і фіксованим зовнішнім кільцем, а також "проміжок етапу" між кожним етапом ротора і оболонкою. Щоб зменшити повітряну протікання, спричинену занадто великим проміжком, проміжки теоретично мають бути нульовими якомога частіше, оскільки практична похибка і похибка монтажу деталей важко досягти; крім того, при високих температурах і швидкостях колесо також буде переміщатися поздовжньо, що призводить до радіального "зростання" лопаток. Завдяки гнучкій деформації, тепловому розширенню і стисканню деталей, використовуються термічні напищені витривальні покриття, щоб зробити найменший свідомий проміжок, тобто написувати різні покриття на поверхні поблизу верхнього краю лопатки; коли обертаюча частина тереться про неї, покриття виробляє жертвенний знос, що зменшує проміжок до мінімуму. Рисунок 5 показує технологію термічного написування.

Shot Peening

Технологія shot peening використовує високшвидкісні снаряди для удару по поверхні деталі, створюючи залишковий компресивний стрес на поверхні деталі та утворюючи певну міру зміцнення матеріалу, що покращує виготовлення продукту й зменшує стресову корозійну стійкість матеріалу. Рисунок 6 показує лопатку після shot peening.

(1) Сухе shot peening

Технологія сухого shot peening використовує центрувальну силу для формування поверхневого зміцненого шару певної товщини на поверхні деталі. Незважаючи на простоту обладнання і високу ефективність сухого shot peening, при масовому виробництві виникають проблеми, такі як забруднення пилом, висока шумність і велике споживання снарядів.

(2) Водяне shot peening

Гідрообробка стрічкою має такий самий механізм підвищення міцності, як і суха обробка стрічкою. Різниця полягає в тому, що вона використовує швидкорухомі рідинні частинки замість стрічки, зменшуючи таким чином вплив пилу на середовище під час сухої обробки стрічкою, що поліпшує умови праці.

(3) Закреплення обертальною пластинкою

Американська компанія 3M розробила новий тип процесу усилення за допомогою шарування. Їхній метод усилення полягає в тому, щоб використовувати обертальну пластину з шарами для неперервного удару по металевій поверхні на високій швидкості, щоб утворити слой усилення на поверхні. У порівнянні з шаруванням, цей метод має переваги простого обладнання, легкого використання, високої ефективності, економічності та тривалості. Обертальне пластинне усилення означає, що коли високшвидкісний снаряд потрапляє на лопатку, поверхня лопатки буде швидко розширятися, спричинуючи її пластичну деформацію на певній глибині. Товщина деформаційного шару пов'язана з імпактною міцністю снаряду та механічними властивостями матеріалу деталі, і може досягати загалом 0,12 до 0,75 мм. За допомогою регулювання процесу шарування можна отримати відповідну товщину деформаційного шару. Під дією шарування, коли відбувається пластична деформація на поверхні лопатки, сусідні нижчі шари також будуть деформуватися. Проте, у порівнянні з поверхнею, деформація нижчих шарів менша. Без досягнення точки текучості, вона все ще знаходиться на етапі еластичних деформацій, тому неоднакова пластикація між поверхнею та нижчими шарами нерівномірна, що може призвести до зміни залишкових напружень у матеріалі після опрыскивання. Результати тестувань показують, що після шарування на поверхні залишаються залишкові стискні напруження, а на певній глибині у нижчому шарі з'являються розтягнені напруження. Залишкові стискні напруження на поверхні кілька разів більші, ніж у нижньому шарі. Ця дистрибуція залишкових напружень дуже корисна для покращення виснажувальної міцності та корозійної стійкості. Отже, технологія шарування грає дуже важливу роль у продовженні терміну служби продукту та покращенні якості продукту.

Ремонт покриття

У літакових двигунах багато сучасних турбінних лопаток використовують технологію покриття для покращення їхньої антиоксидантної, протизарозної та износостійкої властивостей; однак, оскільки лопатки під час експлуатації пошкоджуються у різних ступенях, їх необхідно ремонтувати під час технічного обслуговування, зазвичай віддаляючи оригінальне покриття, а потім наносячи новий шар покриття.