Las cuchillas de la turbina son una parte importante de los motores de aviones, con alta temperatura, carga pesada y estructura compleja. La calidad de la inspección y el mantenimiento está estrechamente relacionada con la durabilidad y la vida útil del trabajo. Este artículo estudia la inspección y el mantenimiento de las cuchillas del motor de la aeronave, analiza el modo de falla de las palas del motor de la aeronave y resume la tecnología de detección de fallas y la tecnología de mantenimiento de las cuchillas del motor de la aeronave.
En el diseño de cuchillas de turbina, a menudo se usan nuevos materiales con mayor calidad, y el margen de trabajo se reduce al mejorar la estructura y la tecnología de procesamiento, a fin de mejorar la relación empuje / peso del motor. La cuchilla de la turbina es una superficie aerodinámica que puede lograr un trabajo equivalente sobre toda la longitud de la cuchilla, asegurando así que el flujo de aire tenga un ángulo de rotación entre la raíz de la cuchilla y la punta de la cuchilla, y el ángulo de rotación en la punta de la cuchilla es mayor que el de la raíz de la cuchilla. Es muy importante instalar la cuchilla del rotor de la turbina en el disco de la turbina. El espiga "en forma de abeto" es el rotor de la turbina de gas moderna. Se ha procesado y diseñado con precisión para garantizar que todas las bridas puedan soportar la carga de manera uniforme. Cuando la turbina está estacionaria, la cuchilla tiene un movimiento tangencial en la ranura del diente, y cuando la turbina gira, la raíz de la cuchilla se aprieta al disco debido al efecto centrífugo. El material del impulsor es un factor importante para garantizar el rendimiento y la confiabilidad de la turbina. En los primeros días, las aleaciones de alta temperatura deformadas se usaron y fabricaron por falsificación. Con el avance continuo del diseño del motor y la tecnología de fundición de precisión, las cuchillas de la turbina han cambiado de aleaciones deformadas a huecos, policristalinos a cristal único, y la resistencia al calor de las cuchillas ha mejorado considerablemente. Las superalloys de cristal único a base de níquel se utilizan ampliamente en la producción de partes de los motores de aviación en el extremo caliente debido a sus excelentes propiedades de fluencia a alta temperatura. Por lo tanto, la investigación en profundidad sobre la inspección y el mantenimiento de las cuchillas de la turbina es de gran importancia para mejorar la seguridad del funcionamiento del motor y evaluar con precisión la morfología de daños y el grado de daño de las cuchillas.
Modos de falla de las palas del motor de la aeronave
Falla de fractura por fatiga de ciclo bajo de cuchilla
En el trabajo real, la fractura por fatiga del ciclo bajo de las cuchillas del rotor generalmente no es fácil de ocurrir, pero en las siguientes tres condiciones, se producirá una fractura por fatiga del ciclo bajo. La Figura 1 es un diagrama esquemático de fractura de cuchilla.
(1) Aunque el estrés de trabajo en la sección peligrosa es menor que la resistencia de rendimiento del material, hay grandes defectos locales en la sección peligrosa. En esta área, debido a la existencia de defectos, el área más grande cercana excede la resistencia al rendimiento del material, lo que resulta en una gran cantidad de deformación plástica, lo que conduce a la fractura por fatiga de ciclo bajo de la cuchilla.
(2) Debido a las malas consideraciones de diseño, el estrés de trabajo de la cuchilla en la sección peligrosa está cerca o excede la resistencia de rendimiento del material. Cuando hay defectos adicionales en la parte peligrosa, la cuchilla sufrirá una fractura por fatiga de ciclo bajo.
(3) Cuando la cuchilla tiene condiciones anormales como el aleteo, la resonancia y el sobrecalentamiento, el valor de estrés total de su sección peligrosa es mayor que su resistencia al rendimiento, lo que resulta en una fractura por fatiga de ciclo bajo de la cuchilla. La fractura por fatiga del ciclo bajo se causa principalmente por razones de diseño, y la mayor parte ocurre alrededor de la raíz de la cuchilla. No hay un arco de fatiga obvio en la fractura típica de bajo ciclo.
Falla de fractura por fatiga de resonancia torsional de cuchilla
La fractura por fatiga de alto ciclo se refiere a la fractura que ocurre bajo la resonancia torsional de la cuchilla, y tiene las siguientes características representativas:
(1) La caída de la esquina ocurre en el nodo de resonancia torsional.
(2) Se puede ver una curva de fatiga obvia en la fractura por fatiga de la cuchilla, pero la curva de fatiga es muy delgada.
(3) La fractura generalmente comienza desde la parte posterior de la cuchilla y se extiende hasta la cuenca de la cuchilla, y la zona de fatiga ocupa el área principal de la superficie de la fractura.
Hay dos razones principales para las grietas de fatiga torsional de la cuchilla: una es la resonancia torsional, y la otra es la extensa óxido en la superficie de la cuchilla o el impacto de la fuerza externa.
Falla de fractura por fatiga de la fatiga de la altura temperatura de alta temperatura
Las cuchillas del rotor de turbina funcionan en un entorno de alta temperatura y están sujetas a cambios de temperatura y tensiones alternativas, lo que conduce al daño de fluencia y fatiga de las cuchillas (ver Figura 2). Para la fractura por fatiga de alta temperatura de las cuchillas, se deben cumplir las siguientes tres condiciones:
(1) La fractura por fatiga de la cuchilla muestra principalmente las características de la fractura intergranular.
(2) la temperatura en el sitio de fractura de la cuchilla es más alta que la temperatura de fluencia límite del material;
(3) El sitio de fractura por fatiga de la cuchilla solo puede resistir el estrés de tracción centrífuga de la forma de onda cuadrada, que excede el límite de fluencia o el límite de fatiga a esta temperatura.
En general, la fractura por fatiga de las palas del rotor a altas temperaturas es extremadamente rara, pero en el uso real, la fractura por fatiga causada por el daño térmico al rotor es relativamente común. Durante la operación del motor, el sobrecalentamiento o la quema de componentes debido a la sobretemperatura a corto plazo en condiciones de trabajo anormales se denomina daños por sobrecalentamiento. A altas temperaturas, las grietas de fatiga son propensas a ocurrir en cuchillas. La fractura por fatiga causada por el daño de alta temperatura tiene las siguientes características principales:
(1) La posición de fractura generalmente se encuentra en el área de temperatura más alta de la cuchilla, perpendicular al eje de la cuchilla.
(2) La fractura se origina en el borde de entrada del área de origen, y su sección transversal es oscura y tiene un alto grado de oxidación. La sección transversal de la sección de extensión es relativamente plana y el color no es tan oscuro como el área fuente.
Tecnología de reparación de fallas de las cuchillas del motor de la aeronave
Inspección a bordo de boroscopio
La inspección a bordo de Borescope es inspeccionar visualmente las palas de la turbina a través de una sonda en la caja de turbina del motor. Esta tecnología no requiere desmontaje del motor y se puede completar directamente en la aeronave, lo cual es conveniente y rápido. La inspección de boroscope puede detectar mejor la quema, la corrosión y la desunión de las palas de la turbina, lo que puede ayudar a comprender y dominar la tecnología y la salud de la turbina, para llevar a cabo una inspección integral de las cuchillas de la turbina y garantizar el funcionamiento normal del motor. La Figura 3 muestra la inspección de boroscopio.
Tratamiento previo a la limpieza antes de la inspección en el taller de reparación
La superficie de las cuchillas de la turbina está cubierta de depósitos después de la combustión, recubrimientos y capas de corrosión térmica formadas por la corrosión de oxidación de alta temperatura. La deposición de carbono aumentará el grosor de la pared de las cuchillas, causando cambios en la ruta del flujo de aire original, reduciendo así la eficiencia de la turbina; La corrosión térmica reducirá las propiedades mecánicas de las cuchillas; y debido a la presencia de depósitos de carbono, el daño a la superficie de la cuchilla se oscurece, lo que dificulta la detección. Por lo tanto, antes de monitorear y reparar las cuchillas, los depósitos de carbono deben limpiarse.
Prueba de integridad de la cuchilla
En el pasado, se usaron instrumentos de medición "duros", como medidores de ángulo y pinzas, para detectar el diámetro de la cuchilla de los motores de aeronaves. Este método es simple, pero se ve fácilmente afectado por la interferencia humana y tiene defectos como la baja precisión y la velocidad de detección lenta. Posteriormente, según la máquina de medición de coordenadas, se escribió una aplicación para el control automático de microcomputador y se desarrolló un sistema de medición para las dimensiones geométricas de la cuchilla. Al detectar automáticamente la cuchilla y compararla con la forma estándar de la cuchilla, los resultados de la prueba de error se dan automáticamente para determinar la disponibilidad de la cuchilla y el método de mantenimiento requerido. Aunque los instrumentos de medición de coordenadas de diferentes fabricantes tienen diferencias en tecnologías específicas, tienen los siguientes puntos en común: alto nivel de automatización, detección rápida, generalmente una cuchilla se puede detectar en 1 minuto y tener buenas capacidades de expansión. Al modificar una base de datos de forma de cuchilla estándar, se pueden detectar varios tipos de cuchillas. La Figura 4 muestra la prueba de integridad.
Mantenimiento de la cuchilla del motor de la aeronave
Tecnología de pulverización térmica
La tecnología de pulverización térmica es quemar fibras o materiales en polvo en un estado fundido, atomizarlos aún más y luego depositarlas en las piezas o sustratos que se rociarán.
(1) recubrimientos resistentes al desgaste
Los recubrimientos resistentes al desgaste, como los recubrimientos a base de cobalto, a base de níquel y el carburo de tungsteno, se utilizan ampliamente en las piezas del motor de aeronaves para reducir la fricción causada por la vibración, el deslizamiento, la colisión, la fricción y otras fricciones durante la operación de los motores de aviones, mejorando así la vida en el rendimiento y el servicio.
(2) recubrimientos resistentes al calor
Para aumentar el empuje, los motores de aeronaves modernos deben aumentar la temperatura antes de la turbina al máximo. De esta manera, la temperatura de funcionamiento de las cuchillas de la turbina aumentará en consecuencia. Aunque se utilizan materiales resistentes al calor, todavía es difícil cumplir con los requisitos de uso. Los resultados de la prueba muestran que la aplicación de recubrimientos resistentes al calor en la superficie de las palas de la turbina puede mejorar la resistencia al calor de las piezas y evitar la deformación y el agrietamiento de las piezas.
(3) recubrimientos acumulables
En los motores modernos de aviones, la turbina está compuesta por una carcasa compuesta de múltiples cuchillas del estator horizontal y una cuchilla del rotor fijada en un disco. Para mejorar la eficiencia del motor, la distancia entre los dos componentes del estator y el rotor debe reducirse tanto como sea posible. Esta brecha incluye el "espacio de punta" entre la punta del rotor y el anillo externo fijo, y el "espacio de etapa" entre cada etapa del rotor y la carcasa. Para reducir la fuga de aire causada por la brecha excesiva, las brechas se requieren teóricamente para ser cero tanto como sea posible, porque el error real y el error de instalación de las piezas de producción son difíciles de lograr; Además, a alta temperatura y alta velocidad, la rueda también se moverá longitudinalmente, lo que hace que las cuchillas "crecieran" radialmente. Debido a la deformación de flexión, la expansión térmica y la contracción de la pieza de trabajo, se usan recubrimientos de desgaste de pulverización para que tenga el espacio consciente más pequeño, es decir, rociando varios revestimientos en la superficie cerca de la parte superior de la cuchilla; Cuando las piezas giratorias se frotan contra él, el recubrimiento producirá desgaste de sacrificio, reduciendo así la brecha al mínimo. La Figura 5 muestra la tecnología de pulverización térmica.
Disparó a Peening
Shot Peening Technology utiliza proyectiles de alta velocidad para impactar la superficie de la pieza de trabajo, generando tensión de compresión residual en la superficie de la pieza de trabajo y formando un material de fortalecimiento en cierta medida para mejorar la resistencia de la fatiga del producto y reducir el rendimiento de la corrosión por estrés del material. La Figura 6 muestra la cuchilla después de disparar.
(1) Peening de tiro seco
La tecnología de peening de disparo seco utiliza fuerza centrífuga para formar una capa de fortalecimiento de la superficie con un cierto grosor en la superficie de la pieza de trabajo. Aunque la tecnología de peening de disparos secos tiene equipos simples y alta eficiencia, todavía tiene problemas como la contaminación del polvo, el alto ruido y el alto consumo de disparos durante la producción en masa.
(2) Peening de disparos de agua
El peening de agua de agua tiene el mismo mecanismo de fortalecimiento que el peinamiento de disparos secos. La diferencia es que utiliza partículas líquidas de movimiento rápido en lugar de disparos, reduciendo así el impacto del polvo en el medio ambiente durante el peening seco de disparos, mejorando así el entorno de trabajo.
(3) Fortalecimiento de la placa rotativa
La compañía estadounidense 3M ha desarrollado un nuevo tipo de proceso de fortalecimiento de peening de disparos. Su método de fortalecimiento es usar una placa giratoria con disparos para atacar continuamente la superficie del metal a alta velocidad para formar una capa de fortalecimiento de la superficie. En comparación con el peening de disparos, tiene las ventajas de equipos simples, uso fácil, alta eficiencia, economía y durabilidad. El fortalecimiento de la placa rotativa significa que cuando un disparo de alta velocidad golpea la cuchilla, la superficie de la cuchilla se expandirá rápidamente, lo que hace que se someta a la deformación plástica a cierta profundidad. El grosor de la capa de deformación está relacionado con la resistencia de impacto del proyectil y las propiedades mecánicas del material de la pieza de trabajo, y generalmente puede alcanzar 0. 12 a 0. 75 mm. Al ajustar el proceso de peinamiento de disparos, se puede obtener el grosor apropiado de la capa de deformación. Bajo la acción del peening de disparos, cuando se produce la deformación plástica en la superficie de la cuchilla, el subsuelo adyacente también se deformará. Sin embargo, en comparación con la superficie, la deformación del subsuelo es menor. Sin alcanzar el punto de rendimiento, todavía está en la etapa de deformación elástica, por lo que la plastificación no uniforme entre la superficie y la capa inferior es desigual, lo que puede causar cambios de estrés residual en el material después de la pulverización. Los resultados de la prueba muestran que hay tensión de compresión residual en la superficie después del peinamiento de disparos, y a cierta profundidad, aparece el estrés por tracción en el subsuelo. La tensión de compresión residual en la superficie es varias veces la del subsuelo. Esta distribución de estrés residual es muy beneficiosa para mejorar la resistencia a la fatiga y la resistencia a la corrosión. Por lo tanto, SHOT Peening Technology juega un papel muy importante en la extensión de la vida útil de los productos y la mejora de la calidad del producto.
Reparación de recubrimiento
En motores de aeronaves, muchas cuchillas de turbina avanzadas utilizan tecnología de recubrimiento para mejorar sus propiedades antioxidantes, anticorrosiones y resistentes al desgaste; Sin embargo, dado que las cuchillas estarán dañadas a diversos grados durante el uso, deben repararse durante el mantenimiento de la cuchilla, generalmente eliminando el recubrimiento original y luego aplicando una nueva capa de recubrimiento.
