Công nghệ phát hiện và sửa chữa sự cố của cánh động cơ máy bay

Lưỡi tua-bin là một phần quan trọng của động cơ máy bay, với nhiệt độ cao, tải nặng và cấu trúc phức tạp. Chất lượng kiểm tra và bảo trì có liên quan mật thiết đến độ bền và tuổi thọ của công việc. Bài báo này nghiên cứu việc kiểm tra và bảo trì lưỡi cánh động cơ máy bay, phân tích chế độ hư hỏng của lưỡi cánh động cơ máy bay, và tổng kết công nghệ phát hiện hư hỏng và công nghệ bảo trì của lưỡi cánh động cơ máy bay.

Trong thiết kế của các cánh tuabin, thường sử dụng các vật liệu mới có chất lượng cao hơn và giảm biên độ làm việc bằng cách cải tiến cấu trúc và công nghệ chế tạo, nhằm nâng cao tỷ số đẩy-trọng lượng của động cơ. Cánh tuabin là một profile khí động học có thể thực hiện công việc tương đương dọc theo toàn bộ chiều dài của cánh, từ đó đảm bảo rằng luồng khí có góc xoay giữa gốc cánh và đầu cánh, và góc xoay ở đầu cánh lớn hơn so với ở gốc cánh. Việc lắp đặt lưỡi cánh rotor tuabin lên đĩa tuabin rất quan trọng. 'Răng cưa hình cây thông' là thanh gài của rotor tuabin khí hiện đại. Nó đã được chế tạo và thiết kế chính xác để đảm bảo rằng tất cả các mặt bích chịu tải đều nhau. Khi tuabin đứng yên, cánh có chuyển động tiếp tuyến trong rãnh răng, và khi tuabin quay, do hiệu ứng ly tâm, gốc cánh được siết chặt vào đĩa. Vật liệu của bánh công tác là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của tuabin. Ở những ngày đầu, người ta sử dụng hợp kim nhiệt độ cao dạng biến dạng và sản xuất bằng phương pháp rèn. Với sự tiến bộ không ngừng của thiết kế động cơ và công nghệ đúc chính xác, các cánh tuabin đã thay đổi từ hợp kim dạng biến dạng sang dạng rỗng, từ đa tinh thể sang đơn tinh thể, và khả năng chịu nhiệt của cánh đã được cải thiện đáng kể. Hợp kim đơn tinh thể dựa trên niken được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất các chi tiết phần nóng của động cơ hàng không nhờ vào đặc tính chống bò tốt ở nhiệt độ cao. Do đó, nghiên cứu sâu về kiểm tra và bảo dưỡng cánh tuabin có ý nghĩa lớn đối với việc nâng cao độ an toàn trong vận hành động cơ và đánh giá chính xác hình thái hư hỏng cũng như mức độ hư hỏng của các cánh.

Các chế độ hỏng hóc của cánh động cơ máy bay

Hỏng hóc do mệt mỏi chu kỳ thấp của cánh

Trong thực tế, hỏng hóc do mệt mỏi chu kỳ thấp của cánh rotor thường không dễ xảy ra, nhưng dưới ba điều kiện sau đây, mệt mỏi chu kỳ thấp sẽ xảy ra. Hình 1 là sơ đồ minh họa về sự gãy cánh.

(1) Mặc dù ứng suất làm việc tại phần nguy hiểm nhỏ hơn độ bền chịu uốn của vật liệu, nhưng có các khuyết tật cục bộ lớn tại phần nguy hiểm. Trong khu vực này, do sự tồn tại của khuyết tật, diện tích lớn gần đó vượt quá độ bền chịu uốn của vật liệu, dẫn đến biến dạng dẻo lớn, gây ra hỏng hóc do mệt mỏi chu kỳ thấp của cánh.

(2) Do xem xét thiết kế chưa tốt, ứng suất làm việc của cánh tại phần nguy hiểm gần bằng hoặc vượt quá độ bền chịu uốn của vật liệu. Khi có thêm khuyết tật ở phần nguy hiểm, cánh sẽ gặp hỏng hóc do mệt mỏi chu kỳ thấp.

(3) Khi lưỡi dao có các điều kiện bất thường như rung động, cộng hưởng và quá nhiệt, giá trị ứng suất tổng của phần nguy hiểm của nó lớn hơn độ bền chịu uốn, dẫn đến gãy mệt mỏi chu kỳ thấp của lưỡi dao. Gãy mệt mỏi chu kỳ thấp chủ yếu là do nguyên nhân thiết kế, và phần lớn xảy ra xung quanh gốc lưỡi dao. Không có dấu hiệu rõ ràng của đường cong mệt mỏi tại điểm gãy mệt mỏi chu kỳ thấp.

Sự cố gãy mệt mỏi cộng hưởng xoắn của lưỡi dao

Gãy mệt mỏi chu kỳ cao đề cập đến sự gãy dưới trạng thái cộng hưởng xoắn của lưỡi dao, và có những đặc điểm đại diện sau đây:

(1) Hiện tượng giảm góc xảy ra tại nút cộng hưởng xoắn.

(2) Có thể thấy rõ một đường cong mệt mỏi trên bề mặt gãy của lưỡi dao, nhưng đường cong mệt mỏi rất mỏng.

(3) Mặt gãy thường bắt đầu từ phía sau của lưỡi dao và lan rộng đến bồn lưỡi dao, và khu vực mệt mỏi chiếm phần lớn diện tích của mặt gãy.

Có hai nguyên nhân chính dẫn đến vết nứt mệt mỏi xoắn của lưỡi dao: một là cộng hưởng xoắn, và hai là sự gỉ sét rộng rãi trên bề mặt lưỡi dao hoặc tác động của lực bên ngoài.

Sự cố hỏng hóc do mệt mỏi nhiệt và hư hại nhiệt ở nhiệt độ cao của lưỡi dao

Lưỡi dao của rô-to tua-bin làm việc trong môi trường nhiệt độ cao và chịu sự thay đổi nhiệt độ cùng với các ứng suất luân phiên, điều này dẫn đến hiện tượng dãn và mệt mỏi của lưỡi dao (xem Hình 2). Đối với hiện tượng mệt mỏi nhiệt độ cao gây đứt gãy lưỡi dao, cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau:

(1) Sự đứt gãy mệt mỏi của lưỡi dao chủ yếu thể hiện đặc điểm của sự đứt gãy liên kẽ.

(2) Nhiệt độ tại vị trí đứt gãy của lưỡi dao cao hơn nhiệt độ giới hạn dãn của vật liệu;

(3) Vị trí đứt gãy mệt mỏi của lưỡi dao chỉ có thể chịu được ứng suất kéo ly tâm dạng sóng vuông, vượt quá giới hạn dãn hoặc giới hạn mệt mỏi ở nhiệt độ đó.

Thông thường, hiện tượng gãy do mệt mỏi của cánh quạt ở nhiệt độ cao là cực kỳ hiếm gặp, nhưng trong thực tế sử dụng, gãy do mệt mỏi gây ra bởi tổn thương nhiệt cho rotor lại khá phổ biến. Trong quá trình hoạt động của động cơ, tình trạng quá nhiệt hoặc cháy các bộ phận do nhiệt độ bất thường trong thời gian ngắn dưới điều kiện làm việc không bình thường được gọi là tổn thương quá nhiệt. Ở nhiệt độ cao, các vết nứt do mệt mỏi dễ xuất hiện trên lưỡi dao. Gãy do mệt mỏi gây ra bởi tổn thương nhiệt có những đặc điểm chính sau:

(1) Vị trí gãy thường nằm ở khu vực nhiệt độ cao nhất của lưỡi dao, vuông góc với trục của lưỡi dao.

(2) Vết gãy bắt nguồn từ mép vào của khu vực nguồn, và mặt cắt ngang của nó tối màu và có mức độ oxi hóa cao. Mặt cắt ngang của phần mở rộng tương đối phẳng và màu sắc không tối như khu vực nguồn.

Công nghệ sửa chữa hư hỏng của các lá động cơ máy bay

Kiểm tra borescope trên tàu bay

Kiểm tra borescope trên máy bay là phương pháp kiểm tra thị giác các cánh tuabin thông qua một đầu dò trong hộp turbin động cơ. Công nghệ này không yêu cầu tháo rời động cơ và có thể hoàn thành trực tiếp trên máy bay, rất tiện lợi và nhanh chóng. Kiểm tra borescope có thể phát hiện tốt hơn sự cháy, ăn mòn và bong tróc của các cánh tuabin, giúp hiểu rõ và nắm bắt công nghệ cũng như tình trạng sức khỏe của tuabin, từ đó tiến hành kiểm tra toàn diện các cánh tuabin và đảm bảo hoạt động bình thường của động cơ. Hình 3 cho thấy quá trình kiểm tra borescope.

Xử lý làm sạch trước khi kiểm tra tại xưởng sửa chữa

Bề mặt của các cánh tuabin bị bao phủ bởi các lớp cặn sau quá trình đốt cháy, lớp phủ và các lớp ăn mòn nhiệt hình thành do sự ăn mòn oxi hóa ở nhiệt độ cao. Sự lắng đọng carbon sẽ làm tăng độ dày của các cánh, gây ra thay đổi trong đường đi của dòng khí ban đầu, từ đó làm giảm hiệu suất của tuabin; ăn mòn nhiệt sẽ làm giảm các đặc tính cơ học của các cánh; và do sự hiện diện của các lớp cặn carbon, thiệt hại trên bề mặt cánh bị che khuất, khiến việc phát hiện trở nên khó khăn. Do đó, trước khi giám sát và sửa chữa các cánh, các lớp cặn carbon phải được làm sạch.

Kiểm tra độ nguyên vẹn của cánh

Trong quá khứ, các dụng cụ đo lường "cứng" như thước góc và kẹp đo được sử dụng để phát hiện đường kính lưỡi của động cơ máy bay. Phương pháp này đơn giản, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi yếu tố con người và có nhược điểm như độ chính xác thấp và tốc độ đo lường chậm. Sau đó, dựa trên máy đo tọa độ, một ứng dụng điều khiển tự động bằng vi tính đã được viết và hệ thống đo lường kích thước hình học của lưỡi cánh đã được phát triển. Bằng cách tự động đo lường lưỡi cánh và so sánh với hình dạng lưỡi chuẩn, kết quả kiểm tra lỗi được tự động đưa ra để xác định khả năng sử dụng của lưỡi và phương pháp bảo trì cần thiết. Mặc dù các máy đo tọa độ của các nhà sản xuất khác nhau có sự khác biệt về công nghệ cụ thể, chúng có những điểm chung sau: mức độ tự động hóa cao, tốc độ đo nhanh, thông thường một lưỡi cánh có thể được đo trong 1 phút và có khả năng mở rộng tốt. Bằng cách sửa đổi cơ sở dữ liệu hình dạng lưỡi chuẩn, nhiều loại lưỡi cánh khác nhau có thể được đo. Hình 4 cho thấy bài kiểm tra toàn vẹn.

Bảo dưỡng lưỡi động cơ máy bay

Công nghệ phun nhiệt

Công nghệ phun nhiệt là làm nóng các sợi hoặc vật liệu dạng bột đến trạng thái tan chảy, sau đó làm chúng mịn hơn và phủ chúng lên các bộ phận hoặc bề mặt cần phun.

(1) Lớp phủ chống mài mòn

Các lớp phủ chống mài mòn như dựa trên coban, niken và cacbua tungsten được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận động cơ máy bay để giảm ma sát gây ra bởi rung động, trượt, va chạm, ma sát và các loại ma sát khác trong quá trình vận hành của động cơ máy bay, từ đó cải thiện hiệu suất và tuổi thọ.

(2) Lớp phủ chịu nhiệt

Để tăng lực đẩy, động cơ máy bay hiện đại cần tăng nhiệt độ trước tua-bin lên mức tối đa. Theo cách này, nhiệt độ hoạt động của các cánh tua-bin sẽ tăng tương ứng. Mặc dù sử dụng vật liệu chịu nhiệt, vẫn khó đáp ứng được yêu cầu sử dụng. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng lớp phủ chịu nhiệt trên bề mặt các cánh tua-bin có thể cải thiện khả năng chịu nhiệt của các bộ phận và tránh biến dạng và nứt vỡ của chúng.

(3) Lớp phủ mài mòn

Trong động cơ máy bay hiện đại, turbin bao gồm một vỏ bọc được tạo thành từ nhiều lưỡi stator ngang và một lưỡi rotor được cố định trên một đĩa. Để cải thiện hiệu suất của động cơ, khoảng cách giữa hai thành phần stator và rotor cần được giảm thiểu càng nhiều càng tốt. Khoảng cách này bao gồm "khoảng cách đầu" giữa đầu rotor và vành ngoài cố định, và "khoảng cách giai đoạn" giữa mỗi giai đoạn của rotor và vỏ bọc. Để giảm thiểu sự rò rỉ khí do khoảng cách quá lớn, các khoảng cách lý thuyết yêu cầu phải gần bằng không, nhưng do lỗi thực tế và lỗi lắp đặt của các bộ phận sản xuất nên rất khó đạt được; hơn nữa, dưới nhiệt độ cao và tốc độ cao, bánh xe cũng sẽ dịch chuyển theo chiều dọc, khiến các cánh quạt "phát triển" theo hướng bán kính. Do biến dạng uốn cong, giãn nở và co rút nhiệt của chi tiết, người ta sử dụng kỹ thuật phun mài để tạo ra khoảng cách nhỏ nhất có ý thức, tức là phun các loại lớp phủ khác nhau lên bề mặt gần đầu cánh quạt; khi các bộ phận quay cọ xát vào nó, lớp phủ sẽ bị mài mòn hy sinh, từ đó giảm thiểu khoảng cách xuống mức thấp nhất. Hình 5 cho thấy công nghệ phun nhiệt.

Shot Peening

Công nghệ shot peening sử dụng các projectile tốc độ cao để va chạm vào bề mặt chi tiết, tạo ra ứng suất nén dư trên bề mặt chi tiết và hình thành một vật liệu tăng cường đến một mức độ nhất định nhằm cải thiện độ bền mệt mỏi của sản phẩm và giảm hiệu suất ăn mòn do ứng suất của vật liệu. Hình 6 cho thấy lưỡi dao sau khi shot peening.

(1) Shot peening khô

Công nghệ shot peening khô sử dụng lực ly tâm để tạo ra một lớp tăng cường bề mặt có độ dày nhất định trên bề mặt chi tiết. Mặc dù công nghệ shot peening khô có thiết bị đơn giản và hiệu quả cao, nhưng trong quá trình sản xuất hàng loạt vẫn còn tồn tại các vấn đề như ô nhiễm bụi, tiếng ồn lớn và tiêu thụ nhiều projectile.

(2) Shot peening nước

Phun cát bằng nước có cùng cơ chế tăng cường như phương pháp phun cát khô. Sự khác biệt là nó sử dụng các hạt lỏng di chuyển nhanh thay vì dùng bi, từ đó giảm tác động của bụi đối với môi trường trong quá trình phun cát khô, nhờ đó cải thiện môi trường làm việc.

(3) Tăng cường đĩa quay

Công ty 3M của Mỹ đã phát triển một loại quy trình tăng cường shot peening mới. Phương pháp tăng cường của họ là sử dụng một đĩa quay có chứa bi để liên tục đánh vào bề mặt kim loại với tốc độ cao để tạo ra một lớp tăng cường bề mặt. So với shot peening, nó có những ưu điểm như thiết bị đơn giản, dễ sử dụng, hiệu quả cao, kinh tế và bền bỉ. Tăng cường bằng đĩa quay nghĩa là khi một viên bi tốc độ cao va chạm vào lưỡi cánh, bề mặt của lưỡi cánh sẽ giãn nở nhanh chóng, khiến nó bị biến dạng dẻo ở một độ sâu nhất định. Độ dày của lớp biến dạng phụ thuộc vào cường độ va chạm của projectile và các đặc tính cơ học của vật liệu công件, thông thường có thể đạt từ 0,12 đến 0,75 mm. Bằng cách điều chỉnh quy trình shot peening, độ dày thích hợp của lớp biến dạng có thể được đạt được. Dưới tác động của shot peening, khi biến dạng dẻo xảy ra trên bề mặt lưỡi cánh, vùng cận bề mặt lân cận cũng sẽ bị biến dạng. Tuy nhiên, so với bề mặt, mức độ biến dạng của vùng cận bề mặt nhỏ hơn. Nếu chưa đạt đến giới hạn chảy, nó vẫn đang trong giai đoạn biến dạng đàn hồi, do đó sự không đồng đều về plastic hóa giữa bề mặt và tầng dưới là không đều, điều này có thể gây ra thay đổi ứng suất dư trong vật liệu sau khi phun. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng có ứng suất nén dư trên bề mặt sau shot peening, và ở một độ sâu nhất định, ứng suất kéo xuất hiện ở vùng cận bề mặt. Ứng suất nén dư trên bề mặt lớn gấp nhiều lần so với vùng cận bề mặt. Phân bố ứng suất dư này rất có lợi để cải thiện độ bền mệt mỏi và khả năng chống ăn mòn. Do đó, công nghệ shot peening đóng vai trò rất quan trọng trong việc kéo dài tuổi thọ sản phẩm và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Sửa chữa lớp phủ

Trong động cơ máy bay, nhiều tua-bin tiên tiến sử dụng công nghệ lớp phủ để cải thiện khả năng chống oxy hóa, chống ăn mòn và chống mài mòn của chúng; tuy nhiên, do lưỡi cánh sẽ bị hư hại ở các mức độ khác nhau trong quá trình sử dụng, chúng phải được sửa chữa trong quá trình bảo dưỡng lưỡi cánh, thường là bằng cách loại bỏ lớp phủ ban đầu và sau đó áp dụng một lớp phủ mới.