孔探技术在飞机发动机上的应用.doc
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1、毕业设计(论文)孔探技术在飞机发动机上的应用学 院:专 业:姓 名:指导老师:航空学院飞行器制造工程李振熙学 号:职 称:163701101386孙伟副教授中国珠海二二年五月北京理工大学珠海学院毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺:我所呈交的毕业设计孔探技术在飞机发动机上的应用是在指导老师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计(论文)使用的数据真实可靠。承诺人签名 日期: 年 月 日北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计(论文)孔探技术在飞机发动机上的应用摘 要飞机动力装置是飞机能够起飞的基础,所以飞机发动机的安全是飞机安全的关键。随着技
2、术的发展,飞机发动机检查工具设备及方法变得多样化。目前航空行业都选择用孔探技术来检验发动机损伤,这项技术显著提高发动机检验工作的工作效率和便携性。孔探技术可以在不拆解发动机的情况下,检测出发动机内部损伤,避免对结构复杂精细、价格高昂的飞机发动机造成不必要的损伤。本文可分为八章。第一章主要阐述论文的背景意义,了解孔探技术的原理、发展历程;第二章主要阐述了民用涡轮风扇发动机的基本工作原理和结构特点;第三、四、五章,主要是以第二章为基础,分析了发动机核心结构的常见损伤,了解孔探技术如何应用在飞机发动机的核心结构,并以中国南方航空较常用机型的孔探工作为例子分析如何通过孔探技术检测出飞机发动机内部损伤;
3、第六章讲述孔探工作前后不可缺少的步骤-孔探堵头的拆装,第七章主要阐述孔探设备的不足和未来发展方向,第八章对全文进行总结。关键词:孔探技术 飞机发动机 核心结构 内部损伤Application of borescope technology in aircraft enginesABSTRACTAircraft power plant is the foundation of aircraft to take off, so the safety of aircraft engines is the key to aircraft safety. With the development of
4、technology, aircraft engine inspection tools and equipment and methods become diversified. At present, the aviation industry has chosen to use borehole technology to detect engine damage, which significantly improves the efficiency and portability of engine inspection. The technology can detect the
5、internal damage of the starting motor without disassembling the engine, so as to avoid unnecessary damage to the complicated and expensive aircraft engines.This paper can be divided into eight chapters. The first chapter mainly expounds the background and significance of the paper, and understands t
6、he principle and development course of the technique. The second chapter mainly expounds the working principle and structural characteristics of civil TURBOFAN Engine. The third chapter, four, five, mainly based on the second chapter, analyzes the common engine core structure damage, understand how
7、to apply in aircraft engine borescope technology at the core of the structure, and with China southern airlines commonly used models of the borescope work for example analysis how the borescope technology to detect the aircraft engine internal damage; The sixth chapter describes the indispensable st
8、eps before and after the work of borehole exploration - the dismantling of the plug, the seventh chapter mainly describes the shortcomings of the borehole exploration equipment and the future development direction, the eighth chapter summarizes the full text.Key words: Borescope inspection Aircraft
9、engine Core structure Internal damage目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1 研究背景11.2 研究意义11.3 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题21.4 飞机发动机的发展21.5 孔探技术的发展32 飞机发动机的基本工作特征分析42.1 飞机发动机基本工作原理42.2 飞机发动机的结构特点53 孔探技术在飞机发动机压气机上的应用63.1 孔探诊断、检测低压压气机损伤的分析103.2 孔探诊断、检测高压压气机损伤的分析104 孔探技术在飞机发动机燃烧室上的应用185 孔探技术在飞机发动机涡轮上的应用225.1 孔探诊断、检测高压涡轮损伤的分
10、析225.2 孔探诊断、检测低压涡轮损伤的分析296 孔探堵头的拆装及工具、设备的使用337 孔探设备的缺陷和未来发展的方向358 结 语36参考文献37谢辞38III1 绪论1.1 研究背景飞机的出现给人类带来了巨大的便捷性,出行远方变得简单。与其他运输方式相比,飞机的安全更为重要。在发生事故时,极低的事故拯救率会造成重大的生命和财产损失。此外,从中衍生的政治影响往往伴随着社会影响,因此看出航空安全各方面都异常重要。随着航空业的快速发展,各大航空公司每年会引进大量新的民用航空飞机,维护和保养标准和要求也逐渐提高,以确保飞机的安全,从而有效和准确地执行飞机发动机的维护和检查任务。由于航空运输的
11、特殊性,航空安全是所有国家的最高优先事项。在航空安全方面,飞机的发动机安全至关重要。飞机发动机是在超高速度、负荷和温度等困难条件下也能连续工作的机器。在飞机飞行过程中发生的事故也可能对发动机内部部件造成结构性损害,如裂纹、凹陷和材料丢失等,这些发动机损伤对飞机发动机安全运行构成了严重威胁。由于孔探技术有对发动机内部结构的高清成像能力,能够非常准确地测量和显示各种类型的损坏和缺陷,孔探工作已经成为发动机检验中必不可少的一个部分。当下各航空企业的对发动机维修管理模式也逐步从定期维修转变为航线维修,并按照制造商的建议对在飞、在翼飞机的发动机健康管理进行即时定量评估。各种维护管理方法的改进大大提高了飞
12、机发动机的安全性、可靠性和经济性。1.2 研究意义飞机发动机孔探技术在无损检测中是一项特别详细的目视检查工作,与无损检测另外的涡流检测、超声波检测和x射线检测相比,孔探技术直观、节能、易于操作,在飞机发动机内部结构损坏方面发挥着重要作用。孔探设备可以对发动机内部结构进行目视检查,以便直观地检测发动机内部的情况,无需拆卸发动机从而使发动机在检查过程中不会损坏。孔探仪使用光学手段通过照相机传输发动机内部的环境,然后对光学图像进行评估、检测和计算损坏数据,从而确保是否有损伤出现。其中发动机内部的深热区域如高压压气机、燃烧室和高压涡轮等,维修人员无法进入这些深热区域检测除非将发动机分解,而孔探技术突破
13、了这一限制。由此可见,飞机发动机孔探技术目前已经成为飞机发动机重要的无损检测手段,孔探技术的发展紧紧联系着飞机发动机的安全。1.3 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题1.3.1研究目标用在飞机的燃气涡轮发动机包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮轴发动机和涡轮螺旋桨发动机。其中在有独特优势的涡轮风扇发动机已在在民用航空领域得到广泛的使用。本论文的研究内容是通过在大学学习的专业知识,和参考航空相关专业文献,各大飞机发动机手册资料,南航公司飞机发动机的孔探报告,主要讨论飞机发动机无损检测中-孔探技术在飞机发动机上的应用。本文主要以目前中国南方航空国内干线航空的经典飞行器B737的CFM56-7
14、B和新型飞行器A321neo的PW1100型号发动机作为研究依据以及模型。并详细阐述孔探技术如何应用在飞机发动机核心结构压气机、涡轮、燃烧室当中,并熟悉各种孔探设备和各种机型的孔探堵头的使用方法。通过大四的实习,知道了解各大公司的飞机发动机的运行性能、工作特点和孔探技术的应用,可以帮助自身在发动机维修和检查过程中发现故障。介绍涡轮风扇基本工作原理及相关技术理论,对飞机发动机进行一个综述,然后通过查阅相关文献、查找民航发动机相关信息和综合自己的知识,分析孔探技术在飞机上的应用。1.3.2研究内容(1)分析飞机发动机的基本工作特征。(2)分析飞机发动机的结构特点和各个核心结构的结构特点。(3)孔探
15、技术如何应用于飞机发动机核心结构。(4)分析孔探技术对飞机发动机故障的检测和诊断方法。(5)分析目前的孔探设备有哪些不足之处。1.3.3拟解决问题(1)孔探人员是如何使用设备检查发动机内部情况。(2)孔探人员是如何使用设备诊断发动机内部损伤。(3)如何对发动机核心结构的内部损伤进行归纳分类和解析。(4)如何安全、正确拆装孔探堵头。(5)对孔探工作中人为因素失误的改进措施。1.4 飞机发动机的发展民用航空发动机的发展,从活塞发动机到目前主导民用航空发动机的燃气涡轮发动机,分两个阶段进行:活塞发动机阶段和燃气涡轮发动机阶段。建造第一台活塞发动机后,活塞发动机进入了快速发展阶段。发动机性能在两次世界
16、大战后迅速提高,活塞发动机达到顶峰。第二次世界大战结束后,由于涡轮反应器的诞生,活塞发动机逐渐退出主要航空器使用行列,目前主要用于低速轻型飞机和轻型飞机航空燃气涡轮发动机取代了活塞发动机,迎来了喷气时代。燃气涡轮发动机可分为涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨和涡轮轴发动机,其核心结构都由压气机、燃烧室和涡轮等组成。涡轮螺旋桨发动机通常用作短距离运输飞机;涡旋轴发动机主要用于直升机;涡轮风扇发动机通常用于对速度要求较高的飞机。目前涡轮风扇发动机被航空业内广泛使用,涡轮发动机技术已经相当成熟,为各类飞机的发展作出了重要贡献。1.5孔探技术的发展孔探技术可以扩大眼睛在某些看不到的地方的视野,视野的方向又
17、可以根据需要更改,可以准确观察物体内部表面的状态。此外,在目标检测过程中进行的目视检查是孔探测的一部分 这些物体不相互接触,不会造成破坏或损害,也不需要对目标物体进行解密或解密。因此,这也是工业非破坏性控制技术的一个重要手段。从1806年起在德国到目前为止,当人类发明医用内窥镜原型时,孔探仪(又称工业内窥镜)经历了三个主要的发展阶段。第一代孔探仪只能解决很简单的问题,人类当时对孔探仪的直接看法类似于望远镜的功能,经常用于直腔的某些近距离探测工作,不能用于复杂的应用。在很大程度上,观测结果取决于观测者的经验和耐心。第二代孔探仪(柔性光纤镜)通过光导技术,大大提高了图像质量。它在临床医学应用得到了
18、广泛的传播。随后在航空、电力、化学和机械等许多领域以及光纤领域开发了各种应用 最大的缺点是纤维容易断裂,图像上便会出现黑点。第三代孔探仪(柔性电子镜)的研制, 它使内窥镜的使用范围空前扩大。它能够很好地照射光线,扩大视野,而不仅仅是检查密闭空间和管道的静态空间等。在飞机发动机这样的机器内部的损坏监测和故障诊断方面取得了重大突破。图1-1 孔探仪(左图为FX3.5,右图为IPLX GX)2 飞机发动机的基本工作特征分析2.1 飞机发动机基本工作原理涡轮风扇发动机是最常用的燃气涡轮发动机之一,也是我们可以了解飞机工作原理、运行情况所依据的飞机发动机。 如图2-1所示,涡轮风扇发动机由进气道、风扇、
19、压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和排气系统组成。进气道、压气机负责增加气体压力,增加燃烧室的燃料,增加气体热量、涡轮吸收热量分别转化给高压涡轮、低压涡轮,从而带动风扇、高低压压气机和各部分附件。其中三个核心机是高压压气机、燃烧室和高压涡轮,将核心机排出的气体中可用的部分能量转移到低压涡轮机驱动风扇,其余能量用于出口管道加速燃气排放。图2-1 发动机概念图2-2为本文介绍模型的PW1100型号发动机,是目前新型使用齿轮传动的涡轮风扇发动机,其特点是在低压涡轮与风扇之间加装了会减速的齿轮系。发动机工作时低压涡轮直接驱动低压压气机,使其在较高的转速下工作,压气机能够较好地发挥其能力。根据美国普惠公
20、司的研究,采用齿轮传动后,可采用更高的涵道比,可进一步降低发动机的燃油消耗、污染排放和噪音水平,但减速齿轮系的传动效率和润滑冷却是关键。图2-2 PW1100(齿轮传动的涡轮风扇发动机)2.2 飞机发动机的结构特点飞机发动机中的各种涡轮风扇发动机结构相似,可分为单转子、双转子或三转子发动机,视其主要轴承和转子支撑结构而定。图2-3 的CFM56-7为双转子涡轮风扇发动机,有五个轴承支撑它的结构。发动机中附件驱动系统的作用是利用高压压气机转子能量带动发动机其它转子和飞机各样零部件运转,辅助发动机的启动。图2-3 CFM56-7发动机3 孔探技术在飞机发动机压气机上的应用3.1 孔探诊断、检测低压
21、压气机损伤的分析低压压气机可分为风扇和增压器模块,由1号轴承支撑、2号轴承支撑模块、3号轴承支撑模块、风扇支架模块和进口机匣组成。模块沿轴向从前往后分别为整流锥、单级的风扇转子和3级轴向分布的增压器,另外,压缩机增压比率也是不同等级增压比率的结果。涡轮增压器装有安装在风扇背面的3层转子。涡轮增压器主轴有一个周向形燕尾榫槽,用于安装转子叶片。叶片的周向形燕尾安装在插槽中安装锁紧螺钉以保持刀片式服务器的位置,并防止刀片式服务器在插槽中旋转。图3-1 轴向与周向燕尾形榫槽轴向燕尾槽与周向燕尾槽相比,压气机前几级一般选取轴向燕尾槽,后几级叶片相对比较小,就会选取周向的燕尾槽。定子的叶片一样有4级,其目
22、的是为了空气正确流向转子。图3-2 PW1100 LPC孔探口分别检查LPC123级低压压气机孔探开始前,会在风扇固定一张红胶布,然后孔探辅助人员转动风扇,风扇的转动会带动里面二级LPC转子,孔探人员便能看到叶片的状况,以红胶布为参考物转动一圈后即完成。图3-3 LPC第2级转子叶片检测在孔探工作进行的时候,要完整观察叶片的完整形态状况,若画面过于模糊通常要分段观察,分开上下两段或更多。要重点关注叶片的叶尖与叶根,这两个地方最容易出现损伤,而且损伤的标准最严格。图3-4 LPC第3、4级转子叶片检测利用S3孔探孔检测3级转子叶片的后缘、3级静子叶片、4级转子叶片的前缘和4级静子叶片。操作方式与
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