DIAGNOZOWANIE LOTNICZEGO TURBINOWEGO SILNIKA ŚMIGŁOWEGO NA PODSTAWIE ANALIZ OLEJU SMAROWEGO

Transkrypt

1 mgr inż. Maciej DELIŚ *, dr inż. Marek ZBOIŃSKI *, dr inż. Jarosław SPYCHAŁA *, prof. nadzw. dr hab. inż. Sylwester KŁYSZ *,** * Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych ** Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Maciej.Delis@itwl.pl DIAGNOZOWANIE LOTNICZEGO TURBINOWEGO SILNIKA ŚMIGŁOWEGO NA PODSTAWIE ANALIZ OLEJU SMAROWEGO 1. WSTĘP Analiza oleju smarowego jako nośnika informacji o stanie technicznym układu pozwala na poznanie procesów zachodzących w diagnozowanych obiektach. Obok metody wibroakustycznej, endoskopowej i funkcjonalnej metoda tribologiczna jest rutynową w procesie oceny stanu technicznego układów łożyskowania i przekładni lotniczych zespołów napędowych. Szczególnie ważną rolę w tego typu badaniach odgrywa powtarzalny, regularny sposób prawidłowego pobierania próbek. Wynika to z faktu, iż wnioskowanie diagnostyczne oparte jest o obserwację zmiany trendów poszczególnych sygnałów uzyskanych na postawie badań próbek oleju pobieranych zgodnie z wyznaczonym czasem t [3]. Obecnie ocenę stanu technicznego układów łożyskowania, przekładni i innych połączeń kinematycznych silników lotniczych opiera się głównie na dwóch metodach badawczych charakteryzujących cząstki zużycia zawarte w oleju [10,11]: - metodach spektrometrycznych; - metodach ferrograficznych. Metody badań tribologicznych wykorzystywane są z powodzeniem od kilkudziesięciu lat w diagnozowaniu układów tribologicznych silników lotniczych prowadzonym w Laboratorium Diagnostyki Systemów Tribologicznych Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych [9]. Obiektami badań są silniki lotnicze różnych typów. Artykuł przedstawia metodologię badań prowadzonych podczas eksploatacji turbinowego silnika śmigłowego typu M601T. Przedstawiono zakres badań podczas sprawdzeń stanu technicznego zgodnie z zaplanowanym interwałem poboru próbek oraz postępowanie po wykryciu w wyniku realizacji badań anormalnego zużywania w układzie przedmiotowego silnika.

2 2. OBIEKT BADAŃ Obiektem badań jest silnik M-601T zbudowany z następujących podzespołów: sprężarki mieszanej, posiadającej dwa stopnie osiowe i jeden odśrodkowy oraz jednostopniowej turbiny wysokiego ciśnienia i jednostopniowej wolnej turbiny napędowej schemat silnika przedstawiono na Rys. 1. Rys. 1. Schemat silnika M-601T z widocznymi zasadniczymi elementami jego budowy[6] gdzie: przednia (napędowa) część silnika: 1. wał śmigła 2. wał przedni 3. wał łączący reduktora 4. wirnik wolnej turbiny tylna (turbosprężarkowa) część silnika: 5. wirnik turbosprężarki 6. wał napędowy skrzynki przekładniowej 7. główne koło, przekazujące napęd do skrzynki napędów Silniki typu M601T posiadają wspólny układ służący do olejenia łożysk, przekładni, reduktora i skrzynki napędów. Wyciągnięcie wniosków na temat stanu technicznego silnika wymaga gruntownej wiedzy eksperckiej i znajomości budowy obiektu badań. Informacja diagnostyczna w postaci produktów zużywania pochodzi od wszystkich elementów z którymi styka się olej w trakcie obiegu. Olej przenosi produkty zużywania z wielu elementów jednocześnie, w szczególności z: - łożysk podpór, - w przekładni: kół zębatych, łożysk wałków kół zębatych, - w reduktorze: łożysk wału śmigła, kół zębatych, łożysk wałków kół zębatych, - w skrzynce napędów: kół zębatych, łożysk wałków kół zębatych.

3 gdzie: 1 regulator śmigła 2 zawór grawitacyjny 3 wskaźnik poziomu oleju 4 zawór bocznikowy 5 pompa tłocząca 6 zawór redukcyjny 7 odśrodkowy oddzielacz oleju 8 czujnik momentu obrotowego 9 czujnik ciśnienia oleju Rys. 2. Schemat układu olejowego silnika M-601T [8] 10 sygnalizator minimalnego ciśnienia oleju 11 sygnalizator spadku ciśnienia na filtrze oleju 12 chłodnica paliwowoolejowa 13 czujnik temperatury oleju 14 chłodnica oleju 15 pompa odsysająca 16 pompa odśrodkowa 17 zbiornik oleju 18 pompa układu pomiaru momentu obrotowego 19 pomocnicza pompa odsysająca 20 przetwornik hydrauliczny momentu obrot. 21 korek magnetyczny z sygnalizatorem elektrycznym w skrzynce napędów 24 wlew oleju 25 korek magnetyczny 3. METODYKA BADAŃ Próbki oleju pobierane są w trakcie eksploatacji silnika lotniczego. Ustalono stały interwał poboru próbek t. Pobieranie odbywa się wg określonej metodyki pobierania przez przeszkolony personel techniczny. Próbki pobierane są w wyznaczonym czasie od wyłączenia silnika po locie, w celu zapewnienia jednorodności próbek i wyeliminowania błędu spowodowanego sedymentacją produktów zużycia. Pobrane próbki poddawane są badaniom metodami optycznej spektrometrii emisyjnej, ferrografii z bezpośrednim odczytem oraz ferrografii analitycznej. Optyczna spektrometria emisyjna Optyczna spektrometria emisyjna jest podstawową metodą stosowaną w ocenie stanu technicznego układów tribologicznych lotniczych zespołów napędowych na podstawie badania produktów zużywania zgromadzonych w oleju smarującym w czołowych ośrodkach naukowo-badawczych na świecie [4]. W metodzie tej ocena ilościowa i jakościowa składu chemicznego oparta jest na analizie linii spektralnych

4 uzyskanych dla badanego oleju oraz produktów zużycia w nim zawartych w wyniku pobudzenia za pomocą łuku elektrycznego. Emitowane promieniowanie po rozszczepieniu na pryzmacie, pada na płytkę przepuszczające promieniowanie odpowiadające długościom fal charakterystycznych dla badanych pierwiastków chemicznych. Pomiar wykonywany jest na optycznym spektrometrze emisyjnym jednocześnie dla wszystkich pierwiastków metalicznych (liczba analizowanych pierwiastków w zależności od typu spektrometru mieści się w przedziale od 15 do 19). Zakres stosowania tej metody w analizie produktów zużycia ograniczony jest ich wielkością. Przyjmuje się, że jest ona skuteczna w analizie składu chemicznego produktów, których wielkość nie przekracza 8-10 μm. Nowoczesne optyczne spektrometry emisyjne umożliwiają jednoczesny pomiar 19 pierwiastków: aluminium, baru, boru, wapnia, chromu, miedzi, żelaza, ołowiu, magnezu, molibdenu, niklu, fosforu, krzemu, srebra, sodu, cyny, tytanu, wanadu i cynku. Ich zaletami jest dolna granica wykrywalności na poziomie ppm (particie per milion), krótki czas pomiaru 30 sekund, oraz używanie do analiz olejów bez konieczności skomplikowanego przygotowania próbek. Schemat spektrometru przedstawia rysunek 3. W przyrządzie wykorzystywana jest metoda wzbudzenia typu obrotowej elektrody. Polega ona na zainicjowaniu łuku elektrycznego pomiędzy elektrodami grafitowymi: nieruchomą w postaci pręta i obrotową okrągłą, częściowo zanurzoną w badanej cieczy. Ruch obrotowy elektrody powoduje wprowadzenie cieczy w obszar wzbudzenia. Rys. 3. Schemat optycznego spektrometru emisyjnego [7].

5 Ferrografia Metody ferrograficzne wykorzystują zjawisko separacji w silnym polu magnetycznym magnetycznych produktów zużycia przenoszonych przez olej smarowy. Badania prowadzone są za pomocą zestawu dwóch technik pomiarowych tj. ferrografii z bezpośrednim odczytem oraz ferrografii analitycznej. Obie techniki, mimo iż wykorzystują to samo zjawisko fizyczne są jakby odrębnymi metodami. Ferrografia z bezpośrednim odczytem (Direct Reading Ferrography) służy do uzyskiwania liczbowych wskaźników zużywania, natomiast ferrografia analityczna (Analytical Ferrography) pozwala ocenić charakter cząstek zużycia typ zużywania, rozmiar i kształt cząstek, morfologię powierzchni [2]. Na podstawie tych danych określane są parametry diagnostyczne pomocne w opisie stanu technicznego badanych obiektów. Zestaw do ferrografii analitycznej składa się z ferromakera służącego do przygotowania specjalnych szkiełek mikroskopowych zwanych ferrogramami oraz z ferrografu mikroskopu optycznego do pracy w świetle przechodzącym i odbitym. Ferromaker zasysa próbkę oleju pobraną z diagnozowanego układu do rurki, a następnie przez specjalnie wytrawione szkiełko mikroskopowe, umieszczone pod małym kątem ułatwiającym przepływ cieczy (Rys. 4). Rys. 4. Schemat ferrogramu [1]. Magnes umieszczony pod szkiełkiem wytwarza silne pole magnetyczne, które zatrzymuje cząstki magnetyczne, rozmieszczając je w charakterystyczne linie ułożone zgodnie z liniami pola magnetycznego. Cząstki niemagnetyczne i słabo magnetyczne rozkładają się na całej długości spływu oleju w przypadkowy sposób. Największe cząstki zatrzymywane są na początku spływu oleju tj. około 55 mm od krawędzi

6 szkiełka w obszarze wejściowym. Cząstki submikronowe zatrzymywane są w obszarze wyjściowym szkiełka. Przygotowane ferrogramy są następnie oceniane za pomocą ferroskopu. Do oceny osadzonych cząstek wykorzystywane są kolorowe filtry światła przechodzącego i odbitego oraz filtr polaryzacyjny. Dodatkowo szkiełka poddawane są wygrzewaniu w temperaturach pozwalających ocenić skład znalezionych cząstek zużycia poprzez ich zmiany koloru w temperaturach progowych oraz rozróżnić zanieczyszczenia organiczne od nieorganicznych. Do oceny wykorzystywane są powiększenia do 800x. Niekiedy wykorzystuje się skaningowy mikroskop elektronowy do uzyskania większych powiększeń i większej głębi ostrości. Charakterystyczne fragmenty ferrogramów są dokumentowane na dysku twardym komputera. Dzięki obserwacji ferrogramów możemy dowiedzieć się o charakterze zużycia, jego zaawansowaniu, poznać morfologię produktów wydzielonych na ferrogramie. Ferrografia z bezpośrednim odczytem oparta jest na przesączaniu oleju pobranego z diagnozowanego obiektu w silnym polu magnetycznym. Olej z próbki jest przesączany przez rurkę, poniżej której znajduje się magnes (Rys. 5). Pole magnetyczne, w którym przepływa olej powoduje układanie się magnetycznych cząstek zużycia w zależności od wielkości. Cząstki niemagnetyczne oraz zanieczyszczenia przenoszone są z olejem. Cząstki większe osadzają się w pierwszej kolejności następnie mniejsze w dolnej części rurki. Dwie wiązki świetlne przechodzące przez rurkę pomiarową padają na fotodetektory. Pierwszy z nich umieszczony jest blisko początku rurki pomiarowej, gdzie osadzają się większe cząstki (>5 m), drugi umieszczony w dalszej części, gdzie osadzają się cząstki mniejsze (1-2 m). Stopień zaciemnienia detektorów przetwarzany jest na odczyt współczynników DL cząstki większe, DS cząstki mniejsze. Współczynniki te są miarą zawartości cząstek magnetycznych w przepływającym oleju i stanowią cenną informację o procesach i trendach zużywania w diagnozowanym obiekcie.

7 Rys. 5. Schemat ferrografu z bezpośrednim odczytem[5]. Na podstawie pomiaru wartości D L i D S obliczane są pochodne współczynniki zużywania: współczynnik intensywności zużywania IZ (niemianowany): IZ D D (1) 2 2 L S koncentracja produktów zużywania KPZ (w jednostkach względnych): KPZ D D (2) L S procentowy udział nadwyżki cząstek dużych w produktach zużywania D: ( DL DS) D 100[%] ( D D ) L S (3) Zakres stosowania tej metody jest bardzo szeroki. Wykorzystując ferrograf z bezpośrednim odczytem, uzyskiwane wartości współczynników zużywania pokrywają praktycznie cały zakres wymiarowy produktów zużycia. Obserwacja trendów zmian współczynników zużywania pozwala wyciągać wnioski na temat zużywania się elementów układu.

8 4. ANALIZA WYNIKÓW Wyniki badań próbek pobieranych rutynowo nie wykazywały znacznych zmian trendów narastania koncentracji pierwiastków oraz współczynników zużywania do czasu wypracowania przez silnik 584 godzin (Rys. 6). Rys. 6. Wyniki badań koncentracji wybranych pierwiastków rutynowych próbek pobieranych ze zbiornika olejowego Po wypracowaniu przez silnik 584 godzin badania kolejnej próbki wykazały gwałtowny wzrost koncentracji żelaza (Rys. 7), przekraczając ponad dwukrotnie średnią wartość koncentracji powiększoną o odchylenie standardowe: + = 1,51 jedn. + 2,77 jedn. = 4,28 jedn. Uzyskany wynik wykraczał również znacznie poza uzyskany na podstawie dotychczasowych wyników badan liniowy trend narastania. Rys. 7. Wyniki badań koncentracji żelaza rutynowych próbek pobieranych ze zbiornika olejowego

9 Potwierdzeniem uzyskanych wyników koncentracji żelaza były również badania ferrograficzne. Współczynniki koncentracji produktów zużywania dla próbki przy nalocie 584 godz. wzrosły o 180 jednostek (Rys. 8). Jednocześnie uzyskany wynik współczynników KPZ znacznie wykraczał poza uzyskaną na podstawie dotychczasowych wyników badań linię trendu. Rys. 8. Sumaryczny wykres współczynników KPZ rutynowych próbek pobieranych ze zbiornika olejowego Również porównując ferrogramy próbek przed i po wykryciu anormalnego zużywania (Rys. 9) można stwierdzić gromadzenie się w układzie olejenia znacznych ilości produktów awaryjnego zużywania. Rys. 9. Zdjęcia obszaru wejściowego ferrogramów próbek przed (lewe) i po wykryciu (prawe) anormalnego zużywania pow. 100x.

10 Silnik wstrzymano od eksploatacji w powietrzu i poddano próbom naziemnym. Próbki każdorazowo pobierano z trzech punktów: zbiornika olejowego, reduktora oraz skrzynki napędu agregatów. Ze względu na wspólny układ olejenia wyniki koncentracji żelaza oraz współczynników koncentracji produktów zużywania były zbliżone do siebie niezależnie od miejsca poboru próbki (Rys. 10). Rys. 10. Wyniki badań próbek pobieranych po stwierdzeniu anormalnego zużywania W celu próby weryfikacji przyczyn generowania licznych cząstek zużycia przeprowadzono serię prób naziemnych silnika, a wyniki analiz przedstawiono na rysunkach 10 oraz 11. Próbka nr 1 reprezentuje wyniki pierwszej próbki oleju przy której stwierdzono anormalne zużywanie. Po wstrzymaniu silnika od eksploatacji w powietrzu wykonano płukanie instalacji olejowej i przeprowadzono dwie próby naziemne silnika w szerokim zakresie pracy silnika. Po każdej z prób silnika pobrano próbki oleju oznaczone odpowiednio nr 2 i 3. Stwierdzono dalszy wzrost koncentracji żelaza i współczynników KPZ. Wymieniono podzespoły silnika, po czym ponownie wykonano płukanie instalacji i przeprowadzono krótką kilkuminutową próbę silnika, po której pobrano próbkę oleju nr 4, w celu ustalenia poziomu odniesienia uzyskiwanych sygnałów diagnostycznych, następnie przeprowadzono długotrwałą próbę silnika i pobrano próbkę nr 5. Założono, iż wymiana uszkodzonego podzespołu silnika, który generuje cząstki awaryjnego zużywania zostanie odzwierciedlona w uzyskiwanych wynikach. Ponownie zaobserwowano wzrost koncentracji żelaza i współczynników KPZ. Przeprowadzono dwie kolejne próby identyfikacji uszkodzonych podzespołów serie próbek oleju pobranych po wymianie podzespołów, płukaniu instalacji i pobranych po krótkotrwałej i długotrwałej próbie silnika odpowiednio próbki nr 6 i 7

11 oraz próbki nr 8 i 9. Po każdej serii z trzech prób silnika obserwowano szybki wzrost koncentracji żelaza oraz utrzymywanie się szybkiego trendu narastania współczynników zużywania KPZ. Rys. 11. Sumaryczny wykres współczynników KPZ próbek pobieranych ze zbiornika olejowego po stwierdzeniu anormalnego zużywania 5. WNIOSKI Prowadzenie badań diagnostycznych turbinowych silników śmigłowych pozwoliło na wczesne wykrycie anormalnego zużywania w układzie. Metoda optycznej spektrometrii emisyjnej wskazała wyraźny wzrost koncentracji żelaza ponad odpowiednio ustalony poziom ostrzegawczy. Metoda ferrograficzna dała natomiast sygnał zwiększając znacznie współczynnik nachylenia linii trendu zużycia oraz ukazując na ferrogramach znaczny wzrost ilości magnetycznych cząstek zużywania. W toku badań próbowano uzyskać odpowiedź, na pytanie który z elementów silnika został uszkodzony. W tym celu pobierano próbki z trzech punktów poboru oraz przeprowadzono serię prób naziemnych silnika. Pozwoliło to na podjęcie decyzji o demontażu i skierowaniu silnika na remont. Podobne postępowanie w przypadku innych silników pozwala na usprawnienie silnika przez użytkownika poprzez wymianę uszkodzonych podzespołów (regulator obrotów śmigła czy śmigło), co pozwala uniknąć kierowania całego silnika na kosztowny remont. Omawiany przypadek przyspieszonego zużycia elementów silnika typu M601T pokazuje złożoność procesu diagnozowania na podstawie analiz oleju smarowego układów o wielu odmiennych zespołach (łożyska, koła zębate) smarowanych w jednym obiegu oleju.

12 Przedstawiona powyżej procedura diagnozowania lotniczych turbinowych silników śmigłowych wdrożona do eksploatacji statków powietrznych znacząco podnosi bezpieczeństwo lotów poprzez wczesne wykrywanie stanów anormalnego zużywania. BIBLIOGRAFIA [1] Advanced Machine Condition Analysis Course, Predict 2008 [2] Deliś M.: Diagnosis of aircraft engines tribological systems with the ferrography method, Journal of KONBiN 1 (17) 2011 [3] Lindstedt P.: Praktyczna diagnostyka maszyn i jej teoretyczne podstawy, Wyd. Naukowe ASKON, Warszawa 2002 [4] Lewitowicz J. i zespół: Podstawy eksploatacji statków powietrznych, tom 4. Badania eksploatacyjne statków powietrznych, Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych, Warszawa 2008 [5] Noria Corporation, Wear analysis, Practicing oil analysis, 9/2002 [6] Opis techniczny samolotu PZL-130 TC-1 ORLIK, Tom II Zespół napędowy [7] Overview and System Description Spectroil M. Spectro INC, 2008 [8] Plansze szkoleniowe Katedry Techniki Lotniczej Wyższej Szkoły Oficerskiej Sił Powietrznych w Dęblinie [9] Zboiński M.: Badania diagnostyczne układów tribologicznych w statkach powietrznych, w: Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej, tom 6, red. J. Lewitowicz, L. Loroch, J. Manerowski, Wyd. ITWL, Warszawa 2006 [10] Zboiński M., Spychała J., Deliś M., Lewitowicz J.: Badania diagnostyczne układów tribologicznych statków powietrznych, TRANSCOMP XIV International Conference Computer Systems Aided Science, Industry And Transport, Zakopane 2010 [11] Deliś M., Kłysz S.: Rotrodowa spektroskopia filtracyjna w analizach zużywania układów tribologicznych. Techniczni wisti (Technical News), Nr 1(33), 2(34), s.94-96, Lwów, 2011