视频内窥设备辅助下的航空发动机压气机转子叶片原位修复技术研究

摘要：压气机转子叶片是航空发动机的关键零部件之一,对发动机的整体性能特别是安全性和可靠性影响重大。压气机转子叶片数量多、工作条件恶劣,尤其高速旋转时所承受的离心负荷大、叶尖速度高因此常常会被外来物打伤,造成卷边、开裂、掉块等故障。本文针对某型航空发动机,利用视频内窥叶片磨削设备和对设备改装,完成了该型发动机所有级压气机叶片原位损伤修复技术,有效的降低了发动机维修效率和维修成本,保障了装备完好率,提高了发动机的外场可维护性。

关键词：压气机叶片 外来物打伤 原位修复技术 视频内窥技术 损伤的容限设计

当飞机起飞、降落和低空飞行时,由于发动机进气产生的巨大吸引力,环境中沙尘、石块、飞鸟、金属碎片、冰块等很容易被吸入发动机气流通道,打伤发动机风扇/压气机叶片。由外来物体对发动机风扇和压气机叶片造成的损伤,均被称为“外来物损伤”(Foreign object damage,以下简称FOD)。

可以说自喷气式发动机投入使用以来, FOD问题给发动机和飞机飞行安全巨大的危害,严重的FOD事件,叶片可能被直接打断,或被打伤后因承载能力严重下降,叶片在很短的时间内即发生断裂失效。脱落的叶片碎片可能会打在其他叶片或发动机机匣上,造成一连串的打伤甚至叶片非包容事故,造成严重的等级飞行事故。

对于众多的FOD事件,大多数都是不太严重的,如图1所示的小缺口,只有毫米级,虽然短时间内不会造成严重事故,但如果对这类FOD问题不进行处理,或者检查时没有及时发现,FOD缺口可能会在载荷作用下发生裂纹萌生和扩展,导致叶片的断裂失效,最终也可能会酿成严重的飞行事故。

为此,FOD的叶片及时发现和修复对于发动机意义重大。严重FOD必须进行更换叶片,修复时间较长,成本也较高,为了降低整个发动机使用寿命周期的成本、缩短发动机的维修时间,对于容许损伤范围内的FOD,外场原位（发动机装机状态）修复是十分必要的。

1、叶片损伤容许技术

90年代初, 美国MIL-E-5007D(1973)中的对FOD的容限设计提出要求,即等效为应力集中系数Kt≤3的缺口容限设计。

英国国防部2006年1月了其新版的发动机设计规范DEF STAN 00-970 PART 11ENGINES也对FOD的容限设计提出类似的要求。

FOD概率容限设计准则的提出和发展,基于真实FOD对叶片裂纹扩展极限的影响,符合外场FOD事件的强烈随机性特征,另一方面,为发展这一准则所产生的大量真实FOD及其对叶片强度影响的试验和分析数据,对制定更为科学、合理的外场FOD事件的判废标准和维修规范。

国内现行的航空发动机设计规范GJB241-87和GJB242-87对FOD容限设计的要求采用了美国MIL-E-5007D中的要求。目前,随着多型号发动机的研制和正式列装,国内FOD容限得到了发展。

2、发动机叶片损伤原位检测技术

所谓原位,即不必拆卸发动机,发动机处于装机状态。外场应用工业视频内窥设备可以对叶片损伤进行原位检查和测量。将工业视频内窥镜设备（图1）的柔性光纤通过发动机机匣上的观察窗口,沿气流通道几何型面多次弯曲穿越,最终到达指定位置进行检查和测量。

目前,国际上多家厂商提供的视频内窥镜设备都可操纵镜头进入发动机内部。如从静子机匣发动机观察窗进入,使用侧视镜头对转子叶片检查和测量,每次可以检查1片叶片,转动发动机完成该级所有转子叶片的损伤检查和确定损伤尺寸。精确测量主要有以下几种方法。

图1 工业视频内窥镜设备

2.1 激光测量法

激光测量不需要更换视频内窥镜设备的镜头、不需要分屏、不需要复杂的瞄准操作。激光测量的灵敏度精度0.1mm以上,能够满足航空发动机技术使用规范对压气机转子叶片的损伤测量精度的要求。

2.2 阴影测量法

阴影测量法,原理是利用阴影投射及三角几何原理的阴影投射探头测量技术。测量精度与放大倍数相关。在放大5以上倍数时,精度可以达到0.1mm以上,测量时需要更换设备的镜头。

2.3 双物镜测量法

双物镜测量法,视频内窥镜设备可以延长人眼的视距,改变视线的方向,方便地观测航空发动机内部的情况,但是为了在有限的孔径内获得大的观察范围,视频内窥镜设备不得不采用大视场的广角物镜,使内窥图像存在明显的光学畸变（桶形畸变）。因此,需要视频内窥镜操作人员具备发动机专业的知识,对所观测的叶片形状有清晰的了解。精度可以达到0.1mm以上,测量时需要更换设备的镜头。

2.4 三维立体相位扫描测量法

三维立体相位扫描测量技术,基于相移进行检测区域的相位扫描,建立被测物的三维立体模型,是目视检测领域一个里程碑性质的新技术,但瞄准操作不容易控制。（如图2）精度可以达到0.1mm以上,测量时不需要更换设备的镜头。

图2 三维立体相位扫描测量法

以上几种测量方法精度可以达到0.1mm以上,整个系统测量误差可以控制在5%以内,均可以完成发动机叶片损伤的精确测量,按照对叶片损伤容限判定叶片的修理模式。

3、损伤容限内的压气机叶片原位修复

3.1 工具的选择

对于可达的风扇一级转子,可以选择手动、电动锉修。而对于手工作业不可达的其余各级叶片,必须选择合适的工具。

正如现代医学的微创手术一样,发动机压气机叶片原位修复技术是针对航空发动机的微创手术。在发动机装机的条件下,将内窥叶片修理工具的磨头沿叶片观察窗口进入发动机气流通道,在内窥镜监测下发动机叶片上的微小损伤或裂纹进行修复（如图3）。

图3 叶片原位修理过程

内窥叶片修理工具（如图4）的结构类似于传统的光学内窥镜,它的轴穿过标准内窥镜通道,磨头向前延伸,将磨头调节到垂直90度,可以迅速接触待修磨的物体。马达驱动磨头的转速达每分钟数千转（0～5000RPM连续可调）。整个打磨过程可通过WOLF高分辨率的光学系统监测观察也通过内窥镜视频系统观察。

图4 内窥叶片原位修复仪器基本结构

1打磨头 2专用转接座 3外套 4机匣 5变速旋钮

6角度调节旋钮 7锁定项圈 8开关 9紧定螺钉

10手柄（内置电机） 11紧定滑轨 12光导接头

13目镜调焦旋钮 14电源线A 探杆B目镜

3.2 修理过程中的注意事项

(1)由于内窥叶片修理工具为刚性设计,操作者可以直接施力于被损伤的叶片,可以“亲身感受”打磨得过程。磨头以安全的方式固定,不会掉落到发动机内部。并能选择不同长度的磨头。如:圆锥型头部的磨削头、半球型头部的磨削头、及其他各种异形磨削头、圆锥型头部的抛光头、球型抛光头及其他各种异形磨削头（图5）。

图5 各类磨头

(2)外场实际应用中,叶片损伤处磨修深度不能超过最大允许损伤深度+0.6mm,沿叶片边缘往上下两方向的磨修尺寸,应比损伤深度大3～6倍。由于压气机叶片对微小裂纹的敏感性,在用磨削头磨削叶片损伤处后,至少应留出0.6mm深度用抛光头处理。

(3)在叶片进气边或排气边的叶尖部位如图6左。由于航空发动机叶片与机匣间隙较小,对于叶尖有损伤的叶片,为了防止磨头损伤机匣,必须采取带圆锥型头部的打磨头。在叶片进气边或排气边的其他部位可采用带有半球型头部的磨头。在叶片确定叶片可以原位修复后,需要选定更细磨头进行抛光处理。

(4)对于宽弦的叶片（如二级风扇）长磨头也无法达到,需要改装加长磨头,并需要控制磨削转速,并采用8毫米以上探杆,降低加长磨头引起的跳动。

4、结语

外场应用工业视频内窥设备可以完成叶片损伤原位检查和测量,并依据发动机叶片容许损伤技术确定修复方式,针对叶片损伤程度制定可靠的修理工艺流程,最后利用内窥叶片修理设备完成压气机叶片原位修复。保证FOD发动机在外场原位的快速修复,保障装备的完好率,提高了发动机的外场可维护性,同时也有效的降低了发动机维修效率和维修成本。

参考文献

[1]叶片外物损伤容限设计的本质特点及设计准则的发展.南京航空航天大学能源与动力学院.《航空动力学报》,2008年第12期.

[2] 孙慧贤,罗飞路,张玉华.内窥镜图像非线性畸变数字校正方法.国防科技大学.