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文|焉子看世界

编辑|焉子看世界

前言

航空发动机燃气轮机的可靠性和运行安全性对其运行极其重要，在运行过程中，这些涡轮机经受复杂的热、机械、空气动力学和化学废气载荷。

由于这种负载，特别是作用在转子叶片上的负载，它们会受到各种损坏，因此，维护过程不断努力改进诊断方法，以提高损伤识别的灵敏度和可靠性。基本的诊断方法是视觉方法，由光电设备支持。它只能确定损坏的事实，如机械、热或化学损坏。

在发动机运行过程中，很难无损地评估涡轮叶片材料的劣化程度。到目前为止，还没有开发出能够评估叶片合金结构变化的客观且无损的诊断方法。

飞机涡轮发动机在什么情况下会有反应？燃气轮机运行过程都会出现哪些问题？

飞机涡轮发动机

在存在化学废气冲击的情况下，飞机发动机中的燃气轮机受到高热、机械和空气动力载荷的作用。

这迫使应用越来越先进的材料和技术处理，旨在实现更高的效率，同时降低油耗，燃气轮机的功率决定了发动机的性能，提高其效率需要增加推力(功率)和降低发动机的单位燃料消耗。

然而，提高关键涡轮部件的工作温度是有限的，例如由镍超合金制成的叶片。高温合金的抗蠕变性和耐热性在高废气温度下降低。

大多数涡轮机损坏是操作性的，飞机涡轮发动机损坏的原因见图1。

由于以下基本过程，燃气轮机叶片会出现运行损坏：爬行、过热和熔化、腐蚀和疲劳开裂、晶间腐蚀和热腐蚀、低周和高周疲劳:热疲劳和热机械疲劳、侵蚀、烧穿。

在涡轮发动机在其标称范围内运行的过程中，涡轮叶片在其叶片长度的40%的区域上暴露于废气温度的最高值。

前缘尤其受到热负荷的影响，它们经历废气停滞(总)温度，该温度取决于流率值和具有特定热力学性质的废气流静态温度。这导致该区域的高温合金微观结构严重恶化，从而经常导致其过热。

涡轮叶片由镍或镍钴合金制成，这些合金可以在一定的平均温度值下工作，在此温度值之后，它们的性能会下降。

应用各种设计解决方案和处理，以使叶片能够在同时、显著的热和机械负载下以及在侵蚀性工作流内运行，这些包括内部冷却系统或具有良好的高温耐腐蚀性、低热导率和高结构稳定性的涂层热障的应用。

应该提到的是，飞机发动机燃料的特性也对涡轮叶片的技术状况产生重大影响，燃料的质量及其与化学成分相关的特性，包括硫和水的存在，会影响燃料的正确雾化及其完全燃烧，从而影响涡轮机上游的温度稳定性。

废气和运行环境中的化合物(例如分散在燃料中的水)的相互作用会导致危险的叶片失效，表现为叶片表面的高温腐蚀，从而导致表面凹坑的形成，进而导致叶片开裂。

废气温度的过度升高，尤其是持续升高，会导致叶片超合金过热，过热可能导致超级合金的严重微观结构退化。这有助于形成具有局部劣化机械性能的劣化微结构区域——降低的合金耐热性和抗蠕变性。

相对于额定工作温度过高的温度以及旋转时存在的拉伸应力会导致超合金蠕变现象。这一过程导致叶片伸长，这有助于减少叶片表面和涡轮机壳体之间的间隙，在极端情况下，中和该间隙会导致叶片表面摩擦外壳。

叶片表面的颜色是主要的诊断症状，表明作为加热温度函数的叶片技术状况的变化，对于多个涡轮发动机，可以使用单个光电设备来确定该症状。

作为比较，使用叶尖定时(BTT)方法，要求为每台发动机配备一套测量探头，无论是永久性的还是在测试期间。在第一种情况下，它与高成本相关联，在第二种情况下，研究的劳动强度增加。

研究对象的特征

它们是由一种叫做EI-867WD的传统镍钴超级合金制成的，由于铬含量较低，它对降解环境作用的抵抗力较差，尤其是在硫和钠存在的情况下，而且在工作条件下经常会发生灾难性腐蚀(所谓的热腐蚀),这就是为什么要使用保护涂层——铝化物涂层。

为了提高叶片的耐热性，除了铝化物耐热保护涂层，在叶片本身和发动机的结构中没有使用其他处理。

燃气轮机叶片是由单一熔体通过复杂的工艺连续制造的，在该过程的初始阶段，使用超声波方法测试EI-867WD合金棒形式的材料。

然后，它们被切割成特定的尺寸，另一个阶段是根据锻造图纸，预锻和终锻至特定尺寸，接下来，将锻件放在马弗炉中过饱和。加热在大约100℃的恒温下进行。

1473 K，在氩气氛中，持续4-6小时，而空气冷却是在马弗炉中，在低至1073 K的氩流中，在低于该温度的开放空气中进行的，锻件经历一个完整的时效过程，即加热60分钟，达到1123 K的温度，并且该温度通常保持120-135分钟。

经过这些处理后，锻件要进行热处理和化学处理，包括铝的扩散饱和(保护涂层应用)，退火粉末形式的混合物(98–99%重量)和氯化铵(1–2%重量)应用在叶片上。将叶片放在马弗炉中，并放入温度为623 K的熔炉中。

接下来，将其加热至1123 K，并加热2-2.5小时，在露天冷却至373 K。施加的保护涂层的厚度为0.03毫米至0.06毫米，在此操作之后，叶片表面应为亮灰色并带有粉红色(带有绿色回火的地方是不可接受的，因为这证明涂层被氧化)。

EI–867 WD合金的结构是镍超合金的典型结构，由γ相和γ’强化相以及碳化物和硼化物组成。

γ’相是镍中铬、钴、铝、钼和钨的固溶体，γ′相(Ni3Al)是立方形的。标准合金热处理后γ′相的相对体积为31–34%。热处理包括过饱和和失效，过饱和状态下的空气冷却已经导致了γ′相微粒的沉淀，其相对体积约为。

20%.老化导致γ′相中颗粒的进一步沉淀和先前沉淀颗粒的膨胀，合金中碳化物的相对体积不超过2%，碳化物M23C6主导。它在热处理过程中形成或在操作过程中沉淀，通常在933K–1253K的温度范围内的晶界处6碳化物出现在晶粒内部。

航空煤油废气中的叶片加热

该参数与温度一起影响γ’相粒子的凝结和生长动力学，以及叶片保护涂层厚度的变化，为此，作者进行了一项实验，将叶片加热到高于T的温度4最大值(涡轮下游的最高温度)，即2小时和3小时的1323 K。

根据安装了SO-3W发动机的Ts-11 Iskra飞机上的S2-3ai记录仪的记录分析结果，考虑到与其训练目的相关的已执行飞行的概况和400小时维修之间的发动机使用寿命，确定此类加热时间。

第二个和第三个加热小时之间的间隔被认为是与发动机工作范围变化及其用户调整相关的高温影响的总时间。

使用其中一个刀片制备样品，从该刀片上切下三个叶片碎片，命名为L的刀片碎片1= 7 mm用于确定初级叶片结构，相对于此，L2刀片碎片(加热2小时)和L3评估在1323 K下加热3小时叶片碎片。

使用电火花线切割机切割样品，加热在充满连续产生的航空煤油废气的FCF 60室炉中进行，叶片在炉中冷却，1323 K下加热2小时和3小时后，叶片样品的一般表面图像如所示图4 。

γ相沉淀形态测试结果——在1323 K下加热(a) 2小时和(b) 3小时——如所示图5，得出的结论是，试验持续时间不会显著影响γ’增强相形态的变化，而且基本上也不会导致铝化物保护涂层厚度的增加。

通过实验确定足够的加热时间为2小时，并在炉中冷却。

由于实验确定的加热时间为2小时，以下加热温度参数适用于单个叶片:

5号，T = 1123K；

1号，T = 1223K；

2号，T = 1323K；

3号，T = 1423K；

4号，T = 1523 K。

编号为5、1、2、3和4的单个样品在航空煤油废气气氛中在FCF 60室炉中加热，将叶片放在由从涡轮盘上切下的碎片制成的支架中，以防止样品与炉衬材料接触。

在特定温度下连续加热叶片2小时。它们在炉中冷却，直到达到环境温度，由于存在损坏炉子加热元件的风险，不可能模拟更大强度的冷却，就像关闭涡轮发动机后的情况一样，此时燃烧过程停止，压缩机仍在向发动机泵送空气。所产生的条件使得样品比在涡轮发动机中冷却的时间稍长。

受热叶片状况变化的第一个可见症状是它们不同的颜色——叶片表面的铝化物涂层和无涂层叶片部分(图7)。

基于表面图像数字处理的燃气轮机叶片状态评估模型

被光源照亮的测试涡轮叶片表面，由于从其表面反射的二次光源，被光敏检测器(具有光学系统的CCD传感器)识别，这使得能够通过处理和分析以数字图像形式获得的数据来间接诊断被测对象。

CCD传感器计数入射光子(入射到单个像素的入射光束的能量)，由三种基本颜色，即红、绿和蓝(RGB模式)组成的滤色器位于传感器的上游。

该模型基于三色视觉理论，该理论假设任何颜色都可以通过仅混合适当选择的光谱宽度和适当比例的三种选择的光束来实现，RGB模型是一种加色模型，其中每种颜色都是通过组合三原色(将光与原色相加)而获得的，并且该颜色通过三个分量来识别。

数字图像处理包括分析它们的直方图，直方图是连续像素值出现的图形，直方图显示了亮度等级范围的信息lk以及这些级别的数量。假设第一个直方图元素编号为0，最后一个等于图像亮度级的数量：

直方图被表示为一个向量，其长度对应于图像亮度等级的数量，可以表示如下：

其中:h()—带a的点数灰度或彩色水平，以及：

为了使直方图中包含的值与图像大小无关，使用相对于图像中像素总数的标准化直方图：

图8显示所有图像成分的直方图—颜色(R、G、B)和灰度(Sz)。

在MATLAB环境下开发的专有计算机软件[25,26]被用于分析目的，记录的表面图像的诊断特征以各个颜色分量(R、G、B)和灰度Sz的亮度分布直方图的形式呈现。

直方图参数：计算测试图像片段的最大幅度位置(RGB颜色的饱和度值)、平均图像值和最大幅度值。

R0饱和度值(平均和最大振幅位置)足以描述采集图像中的颜色变化，记录方法和获得的结果都证明这种方法是正确的，图9, 图10和图11显示叶片表面图像及其直方图的示例。

作为叶片加热温度的函数，RGB分量(R、G、B)、灰度Sz和Sum = (R + G + B)/3的直方图的平均值如所示图12。

图13, 图14, 图15和图16显示整个叶片表面直方图的R0平均饱和度结果的比较。

三次多项式近似R0平均饱和度的变化，作为测试涡轮叶片加热温度的函数。

结论

燃气轮机运行过程涉及各种形式的损坏，如过热、变形、蠕变、烧坏和材料的热疲劳，向进行视觉测试的诊断医生发出失败信号的症状是它们表面颜色的变化。

叶片加热温度的升高会导致其表面图像的单个RGB颜色和灰度(Sz)发生显著变化，由于被加热叶片的表面颜色在每个加热温度下都会发生变化，因此它可以用作证明微观结构变化的诊断信号。

参考文献：

一种燃气涡轮叶片气热性能实验台 白波; 董雨轩; 李志刚; 李军 工程热物理学报 2023

涡轴发动机燃气涡轮叶片动应力分析 龙伦; 李建华; 袁巍; 张如刚; 曹鹏 燃气涡轮试验与研究 2022

燃气涡轮叶片内冷结构设计及性能研究 康臻 西安石油大学 2020