ANALIZA MODALNA PĘKAJĄCEJ ŁOPATKI SPRĘŻARKI

Transkrypt

1 Mirosław WITOŚ Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych PRACE NAUKOWE ITWL Zeszyt 3, s. 5 0, 008 r. ANALIZA MODALNA PĘKAJĄCEJ ŁOPATKI SPRĘŻARKI W artykule przedstawiono problematykę wiarygodnego rozpoznawania i prognozowania stanu technicznego stalowych łopatek sprężarki. Omówiono symptomy pęknięcia pióra łopatki i metody jego identyfikacji, stosowane w eksploatacji i remoncie turbinowego silnika odrzutowego typu SO-3. Przedstawiono optyczną metodę laserowego pomiaru drgań pióra łopatki na wzbudniku, wdrażaną w Wojskowych Zakładach Lotniczych nr 3 (WZL-3). Omówiono spostrzeżenia z jej weryfikacji. Wskazano na nowe możliwości badawcze wdrażanej metody, a w tym identyfikowanie wczesnych symptomów zmęczenia materiału (fazy umocnienia i osłabienia) i inicjacji pęknięcia. Omawianą tematykę zobrazowano przykładami z pomiarów właściwości modalnych dobrych i uszkodzonych łopatek oraz prób zmęczeniowych, prowadzonych wg profili LCF i HCF. Wykazano, że analiza kształtu charakterystyki rezonansowej danego modu umożliwia wiarygodne różnicowanie zmęczenia od pęknięcia materiału. Słowa kluczowe: umocnienie/osłabienie materiału, LCF, HCF, diagnozowanie. 1. Wprowadzenie W artykule przedstawiono wyniki badań stoiskowych opisujących właściwości modalne zdatnej (dobrej) i pękniętej stalowej łopatki sprężarki osiowej. Wyniki umożliwiają weryfikację i doskonalenie istniejących modeli matematycznych pęknięcia (wpływu tarcia w szczelinie) [, 5] oraz dynamicznych metod diagnozowania łopatek [1, 4, 7], stosowanych podczas remontu i eksploatacji turbinowych silników i turbin gazowych.. Charakterystyka problemu Brak pełnej wiedzy o niekorzystnych zjawiskach dynamicznych utrudnia prognozowanie żywotności łopatek. Przede wszystkim jednak skutkuje różnicowaniem rzeczywistych warunków wytężenia ich materiału. W efekcie w eksploatacji pojawiają się pojedyncze przypadki pęknięcia lub urwania pióra fot. 1.

2 6 Mirosław WITOŚ Nadmierne niekontrolowane zmęczenie materiału łopatki: stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa eksploatacji, ogranicza żywotność maszyny wirnikowej, podnosi koszty eksploatacji. Stanowi również poważne wyzwanie dla diagnosty, który oprócz rozpoznania bieżącego stanu technicznego (metodami badań nieniszczących) poszukuje przyczyny zmęczeniowego uszkodzenia łopatki (odbiornika energii). Identyfikacja przyczyny wymaga umiejętności odpowiedzi na pytania o: źródło gdzie są generowane niebezpieczne wymuszenia? ścieżkę jak energia jest przekazywana od źródła do odbiornika? odbiornik jaki poziom i widmo złożonych obciążeń są dopuszczalne? Jest to możliwe tylko poprzez rozpoznanie rzeczywistych warunków pracy łopatki. W tym celu stosowane są dwie metody: analiza sygnałowa i analiza systemowa. a) b) c) Fot. 1. Typowe uszkodzenia zmęczeniowe łopatek sprężarki osiowej inicjowane przez drgania: a) giętne, b) giętno-skrętne, c) skrętne

3 Analiza modalna pękającej łopatki sprężarki 7 Analiza sygnałowa jest badaniem odpowiedzi systemu na nieznane z założenia wymuszenia, ze zobrazowaniem wyników analizy w postaci łatwej do interpretacji. Taką analizą jest obserwacja warunków pracy wirujących łopatek metodą tip timing [4, 5, 7]. Analiza systemowa to rozpoznanie właściwości modalnych systemu poprzez równoczesny pomiar wymuszeń i odpowiedzi, ze zobrazowaniem wyników w postaci funkcji przejścia. Taką analizą jest badanie właściwości rezonansowych łopatek na wzbudniku. 3. Analiza systemowa stalowej łopatki Właściwości modalne wyznaczono dla łopatek I stopnia sprężarki silnika SO-3 (pióro: emaliowane, zmodyfikowany profil NACA-65, h/c =,65; zamek trapezowy), wykonanych ze stali 18HN4WA (R 0, = 800 MPa, R m = 1100 MPa). Modelem matematycznym drgań łopatki jest jednostronnie utwierdzona płyta. Badane łopatki są klasycznym przykładem potrzeby kontrolowania zmęczenia ich materiału w warunkach eksploatacji w latach w 10 silnikach urwało się 7 łopatek. Analiza tych zdarzeń wykazała bardzo małą skuteczność defektoskopii wiroprądowej stosowanej w eksploatacji. W tamtym okresie nie wykryto żadnego przypadku pęknięcia łopatki przed awarią silnika. Stwierdzono, że powyższy stan wynikał z: utrudnionego dostępu do badanych piór (wpływ wlotowego wieńca kierownic), braku wiarygodnej informacji o rzeczywistych warunkach pracy łopatek (wpływ nieskorygowanego błędu konstrukcyjnego łopatek i nadmiernego rozrzutu właściwości modalnych), występowania zjawiska zaciskania szczeliny po wyłączeniu silnika zmniejszenie symptomów pęknięcia o ponad 50% obserwowano już po 1 godzinach postoju silnika, niewystarczającej wiedzy o mechanizmach i wczesnych symptomach zmęczenia materiału łopatki. Dla zapewnienia bezpiecznej eksploatacji silników SO-3 w ITWL opracowano system diagnostyczny SNDŁ-1b/SPŁ-b [5], bazujący na metodzie tip timing. System wdrożono do eksploatacji w 1993 r., natomiast do technologii remontu silnika w 1997 r. Podjęto również prace badawcze nad identyfikacją wczesnych symptomów zmęczenia łopatek wykonanych ze stali, stopów tytanu i stopów żarowytrzymałych [6].

4 8 Mirosław WITOŚ 3.1. Metoda badań Identyfikację właściwości modalnych łopatek przeprowadzono na wzbudniku elektrodynamicznym 480T firmy B&K, używanym w WZL-3 podczas remontu silników typu SO-3. Stanowisko zostało doposażone w: laserowy układ pomiaru odległości MicroTrack TM II z głowicą pomiarową LTC firmy MTI Instrument, moduł VR-8500 zawierający trzy 4-bitowe przetworniki A/D oraz programowo sterowany generator sygnału wymuszającego i oprogramowanie VibrationView firmy Vibration Research Corporation. Łopatki poddawane były wymuszeniom sinusoidalnym (cyklicznemu zginaniu dla I i II modu i skręcaniu dla III modu). Na tym etapie badań został pominięty wpływ siły odśrodkowej głównego quasi-statycznego obciążenia łopatki podczas pracy silnika oraz sprzężenia drgań pióra z obciążeniami aerodynamicznymi. Ideą zastosowanej metody pomiaru drgań łopatki jest proporcjonalne odwzorowanie amplitudy przemieszczeń powierzchni pióra, podświetlanej laserem, na matrycy CMOS głowicy pomiarowej rys. 1. Na wyjściu analogowego układu pomiarowego otrzymywany jest sygnał napięciowy, którego pasmo częstotliwości ograniczono filtrem dolnopasmowym do 0 khz (częstotliwość próbkowania 44 khz). Czułość toru pomiarowego wynosi 100 mv/mm. B Rys. 1. Optyczny pomiar drgań łopatki [6]

5 Analiza modalna pękającej łopatki sprężarki 9 Szczegółowa analiza zarejestrowanych danych (plików ASCII) była realizowana z wykorzystaniem programu Excel. Podczas identyfikacji właściwości modalnych łopatki bazowano na transmitancji operatorowej G(ω) Y( ω) mm G ( ω) = ( ω) (1) X mm gdzie: X(ω) amplituda wymuszeń sinusoidalnych głowicy wzbudnika; Y(ω) amplituda drgań łopatki w zadanej odległości od zamka i krawędzi pióra. 3.. Wyniki badań Zastosowana metoda badań gwarantuje wiarygodne wyniki pomiaru amplitudy, częstotliwości i fazy drgań przy amplitudzie przemieszczeń pióra powyżej µm (klasa dokładności 0,3). Wiarygodne odwzorowanie kształtu krzywej rezonansowej uzyskano przy szybkości zmian częstotliwości wymuszającej do:,5 Hz/min dla I modu (giętnego, Q s >350) i 1,0 Hz/min dla III modu (skrętnego, Q s > 1000) Wpływ warunków pomiaru na charakterystykę rezonansową łopatki Analizie poddano podstawowe czynniki metrologiczne, których nie można było zaniedbać przy dokładnym badaniu charakterystyki rezonansowej. Ich wpływ na analizowane parametry zestawiono w tabeli 1. Tabela 1 Wpływ czynników metrologicznych na charakterystykę rezonansową łopatki Parametr charakterystyki rezonansowej Kształt krzywej rezonansowej Wzmocnienie w rezonansie Częstotliwość rezonansowa Czynnik metrologiczny Szybkość zmian częstotliwości wymuszającej Poziom wymuszeń Położenie punktu pomiarowego na powierzchni pióra Poziom wymuszeń Wzajemne ustawienie głowicy pomiarowej i łopatki Szybkość zmian częstotliwości wymuszającej Poziom wymuszeń Warunki mocowania łopatki w głowicy wzbudnika

6 10 Mirosław WITOŚ Wpływ szybkości wobulacji wymuszeń (zmian częstotliwości) zobrazowano na rys.. Wraz ze wzrostem szybkości wobulacji obserwuje się pogorszenie dobroci układu rezonansowego i zmniejszenie współczynnika wzmocnienia. Obserwuje się również przesunięcie częstotliwości rezonansowej. Zjawisko to jest głównym źródłem histerezy częstotliwości rezonansowej łopatki, wyznaczanej podczas stanów przejściowych. Podczas pracy silnika SO-3 osiągane są szybkości wobulacji: Hz/min (deceleracja) i 1800 Hz/min (akceleracja) G 1F (f) 100 Hz/min 10 Hz/min 1 Hz/min f [Hz] 359 Rys.. Wpływ prędkości wobulacji wymuszeń na charakterystykę rezonansową I modu łopatki [6] Wpływ warunków mocowania łopatki zobrazowano na rys. 3. Wraz ze zmniejszaniem siły zacisku (ciśnienia p z na tłoku uchwytu hydraulicznego) obserwuje się nieznaczne zmniejszanie częstotliwości rezonansowej i współczynnika wzmocnienia w rezonansie. Zmiany te są mniejsze niż dla łopatek tytanowych z zamkiem trapezowym (silnik TW3-117) i łopatek turbiny z zamkiem jodełkowym (silnik SO-3). Wyznaczony parametr jest istotny dla pomiarów metodą tip timing i obliczeń metodą elementów skończonych (FEM): Tylko dla technologii BLISK łopatka jest sztywno mocowana w tarczy podczas postoju silnika. W pozostałych przypadkach obserwowany jest dodatkowy wpływ warunków mocowania łopatki na zmianę jej częstotliwości wraz ze zmianą prędkości obrotowej. Zjawisko jest obserwowane szczególnie podczas rozruchu/wybiegu silnika. W tych zakresach pracy silnika ograniczone jest zastosowanie uproszczonego wzoru na częstotliwość drgań wymuszonych f B danego modu:

7 Analiza modalna pękającej łopatki sprężarki 11 fb ( n) fb (0) + B fr = () Rozpraszanie energii drgań przez zamek zależy od jego typu, geometrii i materiału łopatki. Symptomy diagnostyczne pękającej tarczy, brane pod uwagę w analizie danych tip timing, uwarunkowane są typem zamka łopatki używanej jako znacznik fazy obrotu wirnika. Powyższe spostrzeżenie jest istotne również podczas pomiarów drgań własnych łopatki pobudzanej impulsowo podczas postoju silnika. W celu ograniczenia ryzyka błędnej diagnozy wymagane jest równoczesne analizowanie częstotliwości drgań i dekrementu tłumienia f B (p z )/f B 1F Mode p z [MPa] Rys. 3. Wpływ siły zacisku zamka na częstotliwość i modu drgań łopatki [6] Poziom wymuszeń jest kolejnym parametrem mającym wpływ na charakterystykę rezonansową stalowej łopatki rys. 4. Wraz ze wzrostem amplitudy wymuszeń obserwuje się wyraźne zmniejszanie wzmocnienia i nieznaczne zmniejszenie częstotliwości rezonansowej. W szerokim zakresie poziomu wymuszeń charakterystyka rezonansowa jest symetryczna (w paśmie 3 db) Właściwości modalne dobrej łopatki Stalowa łopatka sprężarki może być rozpatrywana jako wąskopasmowy mechaniczny filtr. Łopatka jest podatna na drgania tylko w pobliżu częstotliwości modalnych. Parametry modalne łopatki zobrazowano w tabeli.

8 1 Mirosław WITOŚ G 1F (f) 1.0 g.5 g 5.0 g f [Hz] 360 Rys. 4. Wpływ poziomu wymuszeń na charakterystykę rezonansową I modu drgań łopatki [6] Właściwości modalne łopatki Tabela Mod Dane pomiarowe f o [Hz] 3dB f 3dB [Hz] Współczynnik tłumienia krytycznego ζ Współczynnik tłumienia σ [s -1 ] f db ζ = 3 σ = π f db f 3 o Stała czasowa τ [s] 1 τ = σ 1F 355,1 0,85 0,001,70 0,370 F 1394,7,5 0,0009 7,934 0,16 1T 1938,3 0,83 0,000,600 0,385 Wysoka dobroć układu rezonansowego dla I modu drgań giętnych i skrętnych łopatki: a) Wymaga używania małej szybkości wobulacji wymuszeń podczas precyzyjnego wyznaczania charakterystyk rezonansowych łopatki na wzbudniku. b) Jest parametrem określającym szerokość stref synchronizacji (ok. ±100 obr/min) oraz dominujące częstotliwości i postacie drgań łopatki podczas pracy silnika. Drgania łopatki są słabo tłumione. Kolejne ich pobudzenie przez wymuszenia aerodynamiczne (obwodowe kluczowanie przepływu wywołane przez łopatki kierownic) i masowe (niewyważenie, niewspółosiowość) następuje przed zanikiem skutków poprzedniego pobudzenia. Sytuacja taka sprzyja zjawisku synchronizacji na częstotliwościach Cantora.

9 Analiza modalna pękającej łopatki sprężarki 13 c) Umożliwia analizę kolejnych modów drgań łopatki metodą tip timing [4], pomimo powielenia widma i występowania zjawiska aliasingu. Dla dobrej łopatki uzyskano charakterystyki rezonansowe poszczególnych modów, które dobrze opisuje model układu liniowego o jednym stopniu swobody (SDOF) masy m zawieszonej na sprężynie o sztywności K i tłumieniu wiskotycznym C. d y( t) dy( t) m + C + Ky( t) = F( t) dt dt F( t) = A( ω)sin( ω t) y( t) = B( ω)sin [ ω t + ϕ( ω) ] (3) Charakterystyki kolejnych modów są ciągłe w otoczeniu rezonansu i wykazują dużą symetryczność wokół częstotliwości rezonansowej (w paśmie do 3 db). Przemieszczenie pióra łopatki w punkcie pomiarowym opisane jest przez: amplitudę drgań y st B( ω ) = (4) ω 1 δ ω + ωo π ωo kąt fazy drgań δ ω π ω ( ) o ϕ ω = arctan (5) ω 1 ωo gdzie: ω o częstość drgań własnych; δ logarytmiczny dekrement tłumienia Właściwości modalne pękniętej łopatki Wpływ naturalnego pęknięcia pióra łopatki na jej właściwości modalne przebadano dla ogniska pęknięcia położonego na grzbiecie i krawędzi spływu pióra. W obu przypadkach stwierdzono wyraźną zmianę jakościową rys. 5.

10 14 Mirosław WITOŚ 1 Y max/ Y ra s nb 0 ϕ [ o ] S g S r s na -150 S n f/f rφ S r f/f rφ 1.03 Rys. 5. Charakterystyka rezonansowa pękniętej stalowej łopatki dla I modu giętnego (a = g) W pobliżu rezonansu I modu giętnego zobrazowanie wskazuje na miękką charakterystykę układu nieliniowego krzywa rezonansowa jest pochylona w kierunku mniejszych częstotliwości. Analiza tłumienia drgań możliwa jest tylko na podstawie wzajemnego położenia częstotliwości rezonansowej amplitudy i fazy. Metoda połowy mocy (odnoszenia szerokości krzywej rezonansowej dla amplitudy -3dB do częstotliwości rezonansu amplitudy) i wyniki analizy FFT wykazują pozorne zwiększenie tłumienia. Metoda odpowiedzi na wymuszenie impulsowe wykazuje uśrednioną wartość tłumienia (wpływ malejącej amplitudy drgań na tłumienie) i częstotliwości drgań własnych. Pomiędzy częstotliwościami f sna i f snb układ posiada dwa stabilne rozwiązania T-periodyczne (atraktory T-periodyczne) oznaczone linią ciągłą: S r atraktor rezonansowy, który odwzorowuje drgania łopatki podczas zmniejszania częstotliwości wymuszającej; S n atraktor nierezonansowy, który odwzorowuje drgania łopatki podczas zwiększania częstotliwości wymuszającej. Atraktory znikają w punktach bifurkacji siodłowo-węzłowych s na i s nb, gdzie następuje skokowa zmiana warunków pracy łopatki (amplitudy i fazy) przeskok zaznaczono strzałkami. Różnica częstotliwości przeskoków (histereza częstotliwości) i amplitudy w punktach bifurkacji jest uzależniona od wielkości pęknięcia pióra i poziomu wymuszeń. Linią przerywaną S g zaznaczono niestabilne rozwiązanie układu. Częstotliwości rezonansowe pękniętej łopatki: fazy (różnica fazy pomiędzy odpowiedzią i wymuszeniem -90 o ) i amplitudy (maksymalnego wzmocnienia amplitudy), znajdujące się na krzywej S r, zależą od poziomu wymuszeń i amplitudy drgań łopatki.

11 Analiza modalna pękającej łopatki sprężarki 15 Na podstawie teorii chaosu należy oczekiwać wystąpienia nowych nieregularnych zjawisk przy wierzchołku krzywej rezonansowej. Wraz ze zwiększaniem siły wymuszającej może zaniknąć bifurkacja siodłowo-węzłowa s nb, a zamiast niej pojawić się kaskada bifurkacji podwojenia okresu i pas chaosu oscylacyjnego. Nieciągłość warunków pracy łopatki i nieregularne zjawiska w pobliżu częstotliwości rezonansowej są dodatkowymi czynnikami mającymi wpływ na szybkość propagacji pęknięcia i sprzęganie drgań łopatki podczas pracy silnika. Czynnikiem nasilającym intensywność zjawiska skokowej zmiany amplitudy są wahania prędkości obrotowej silnika SO-3 (na stanach ustalonych) wnoszone przez układ regulacji. Analiza kształtu krzywej rezonansowej stalowych łopatek: dobrej, naciętej i pękniętej pokazuje podstawowe różnice (symptomy diagnostyczne pęknięcia) rys. 6 i 7: obniżenie częstotliwości I modu, nieciągłość charakterystyki rezonansowej, wygięcie charakterystyki w kierunku niższych częstotliwości, nieznaczne obniżenie dobroci układu (maksymalnej amplitudy), większa wrażliwość częstotliwości rezonansowej na poziom wymuszeń. 400 G dobra łopatka pęknięta - Sn pęknięta - Sr f/f ra 1.03 Rys. 6. Wpływ pęknięcia pióra stalowej łopatki na kształt charakterystyki rezonansowej I modu (a = 1g, pęknięcie od krawędzi spływu, w zobrazowaniu pominięto rozwiązanie niestabilne)

12 16 Mirosław WITOŚ f/f rez Dobra łopatka Propagacja pęknięcia S n a [m/s ] Rys. 7. Wpływ poziomu wymuszenia na częstotliwość drgań i modu łopatki (pęknięcie od krawędzi spływu o długości 8 mm, położone 0 mm od zamka) S r Dla pękniętej łopatki istotne jest właściwe rozpoznanie typu atraktora charakterystyki rezonansowej. Bazując tylko na różnicy kąta fazy (pomiędzy sygnałem odpowiedzi i wymuszenia drgań łopatki) można nieświadomie popełnić błąd. Na rys. 7 linie S n i S r odwzorowują tak wyznaczoną częstotliwość rezonansową. Dla zastanego pęknięcia błąd częstotliwości rezonansowej może przekroczyć 1% bieżącej wartości częstotliwości drgań własnych łopatki. Dla łopatek i stopnia sprężarki SO-3 jest to ponad 3,5 Hz. Umiejętność wskazania odpowiedniego atraktora ma również wpływ na właściwą interpretację wyników z bezdotykowego diagnozowania wirujących łopatek. Niewłaściwa interpretacja częstotliwości rezonansowej łopatki z hodografu generowanego przez wymuszenia II harmoniczną prędkości obrotowej silnika skutkuje nawet 10-procentowym błędem aproksymacji częstotliwości drgań własnych. Identyfikacja pęknięcia pióra na podstawie kształtu charakterystyki rezonansowej możliwa jest dla bezpiecznego poziomu amplitudy drgań łopatki, podczas szybkiej jednokierunkowej wobulacji wymuszeń. Większą czułość detekcji (skok amplitudy) uzyskuje się podczas zmniejszania częstotliwości wymuszającej. Dynamika zmian obciążenia pióra podczas przeskoku z atraktora rezonansowego na nierezonansowy ma wpływ na szybkość propagacji i warunki urywania. Potwierdzają to wyniki badań stoiskowych. Podczas dotychczasowych badań nadzorowanej propagacji pękania łopatek zauważono, że większość przypadków urwania pióra następowała podczas zmniejszania prędkości obrotowej silnika. Pojawienie się asymetrii krzywej rezonansowej jest niezależne od położenia pęknięcia i materiału konstrukcyjnego łopatki. Przy czym, dla łopatek wykonanych ze stopów tytanu charakterystyka wygięta jest w kierunku wyższych częstotliwości (układ z twardą charakterystyką ). Symptom nie zależy od rozrzutu technologicznego wykonania łopatek.

13 Analiza modalna pękającej łopatki sprężarki 17 Asymetrii nie stwierdzono dla naciętego pióra łopatki, stanowiącego uproszczony model pęknięcia. Pominięcie tarcia na szczelinie pęknięcia jest źródłem dodatkowych różnic we właściwościach modalnych uszkodzonej łopatki tabela 3. Tabela 3 Uszkodzenia pióra łopatki w odległości 11 mm od ogniska pęknięcia na krawędzi spływu, 0 mm od zamka Łopatka Zmiana częstotliwości [Hz] I mod II mod III mod Pęknięta Nacięta (szczelina bez tarcia) Uzyskanych charakterystyk pękniętego pióra łopatki nie można opisać liniowym modelem SDOF. Pęknięcie pióra tworzy nieliniowy układ o dwóch stopniach swobody (DOF) dla każdej postaci drgań łopatki. Ekwiwalentne równanie liniowe spełniające z dokładnością ε równanie nieliniowe ma postać: d y dt dy + h ε ( b) + α ε ( b) y = ε p cos( ω t ) (6) dt gdzie: ε mały parametr; p amplituda siły wymuszającej; b amplituda drgań ustalonych; α ε (b) ekwiwalentna częstość własna; h ε (b) ekwiwalentny jednostkowy współczynnik tłumienia. Mierzone i analizowane parametry pióra opisują relacje: amplituda drgań częstość rezonansowa ε p b( ω) = (7) [ αε ( b) ω ] + 4hε ( b) ω ω = [ α b) hε ( b) ] ± 4hε ( b) [ hε ( b) αε ( b) ] ε p ε ( + (8) b

14 18 Mirosław WITOŚ kąt fazy drgań h ε ( b) ω ϕ( ω) = arctan αε ( b) ω (9) Wpływ zmęczenia materiału łopatki na właściwości modalne Pęknięcie zmęczeniowe stalowej łopatki poprzedzone jest fazą umocnienia i osłabienia materiału [1]. Analiza danych z testów LCF i HCF wykazała, że parametry modalne łopatki mogą być wykorzystane do obserwowania fazy umocnienia materiału. Symptomem diagnostycznym jest przyrost częstotliwości rezonansowej I modu o 0,5 1 Hz, przy początkowym wzroście dobroci układu rezonansowego. Podczas tej fazy prób zmęczeniowych i dalszej degradacji struktury materiału łopatki obserwowano również ciągłe zmiany wzajemnego położenia rezonansu wg amplitudy i fazy (logarytmicznego dekrementu tłumienia). Narastająca asymetria krzywej rezonansowej łopatek obserwowana była w końcowej fazie zmęczenia materiału i poprzedzała zmniejszenie częstotliwości drgań i modu łopatki końcową fazę osłabienia materiału. Szybkość rozwoju asymetrii uwarunkowana była dotychczasową historią obciążenia łopatki. 4. Analiza sygnałowa łopatki Duża podatność parametrów modalnych łopatki na zmęczenie materiału i propagację pęknięcia jest podstawą układów bezdotykowego, dynamicznego diagnozowania. Podczas pracy silnika SO-3 oceniane są rzeczywiste warunki pracy łopatek i bieżący ich stan techniczny z wykorzystaniem systemu SNDŁ- 1b/SPŁ-b [5, 7]. Symptomem diagnostycznym wczesnej fazy pęknięcia obciążonego pióra łopatki jest zmniejszenie częstotliwości drgań i modu w zakresie startowym przy braku: zmian częstotliwości drgań własnych łopatki po zatrzymaniu silnika (bez obciążenia), objawów otwartego pęknięcia identyfikowanego dotychczasowymi metodami badań nieniszczących. Powyższy symptom diagnostyczny odwzorowuje końcową fazę zmęczeniowego osłabienia materiału. Zmienia się on jednak wraz z pojawieniem się pozaobliczeniowych warunków pracy silnika rezonansu synchronicznego

15 Analiza modalna pękającej łopatki sprężarki 19 wywołanego zaleganiem lodu we wlocie lub zassaniem ptaka (błąd fabryczny odstrojenia łopatek), podczas którego obserwuje się niebezpieczny wzrost amplitudy drgań łopatek (pracę w zakresie LCF) i obniżenie częstotliwości drgań i modu. Wraz z pojawieniem się otwartego pęknięcia obserwuje się dodatkowo: niesymetryczność hodografu rezonansu łopatki w paśmie wymuszeń drugą harmoniczną częstotliwości obrotowej; w polu sił odśrodkowych występuje również wyraźny wpływ tarcia na szczelinie pęknięcia; quasi-statyczne wyginanie pióra łopatki wraz ze zwiększaniem prędkości obrotowej silnika, które umożliwia zgrubną lokalizację ogniska pęknięcia. Jak wykazały dotychczasowe, ponad 15-letnie doświadczenia eksploatacyjne, tak zdefiniowane symptomy diagnostyczne gwarantują bezpieczny horyzont stawianej prognozy ponad 50 godz. pracy łopatek (1/8 okresu międzyremontowego) w normalnych warunkach obciążenia (ponad cykli HCF i 100 cykli LCF). 5. Podsumowanie Badania krzywej rezonansowej stalowej łopatki umożliwiły wydzielenie wiarygodnych symptomów diagnostycznych, odwzorowujących: wczesną fazę zmęczenia materiału (umocnienia i osłabienia), inicjacji i propagacji pęknięcia pióra. Opisywane symptomy znajdują odbicie w odwzorowaniu fazowym wirujących łopatek metodzie zastosowanej w bezdotykowym diagnozowaniu stanu technicznego łopatek i stopnia sprężarki silników typu SO-3. Uzyskane wyniki badań wskazują na duże możliwości badawcze metody laserowego pomiaru drgań. Należy zauważyć, że rozdzielczość pomiarowa i czułość metody analizy może zostać zwiększona poprzez zastosowanie głowicy laserowej wykorzystującej efekt Dopplera (rozdzielczość pomiaru amplitudy ok. 0, µm). Dotychczasowe wyniki badań wskazują na możliwość zastąpienia w remoncie pracochłonnej, kosztownej i mało wiarygodnej technologii badań statystycznych trzech łopatek z wieńca (obowiązujący warunek zmniejszenia częstotliwości drgań łopatki o 3 Hz odwzorowuje pęknięcie o długości 10 mm, w badanym komplecie są łopatki o różnym czasie pracy i nieznanej historii obciążeń) nieniszczącą metodą badania poziomu zmęczenia materiału i stanu technicznego wszystkich łopatek wieńca. Badania zostały dofinansowane ze środków projektu badawczego nr ON Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, realizowanego w latach

16 0 Mirosław WITOŚ Literatura 1. Buch A.: Zagadnienia wytrzymałości zmęczeniowej. PWN, Warszawa Byrne J., Hall R.F., Ding J.: Combined High Cycle/Low Cycle Fatigue Crack Growth and the Influence of LCF Overloads. Meeting Proceedings of RTO-MP-AVT-11 Evaluation, Control and Prevention of High Cycle Fatigue in Gas Turbine Engines for Land, Sea and Air Vehicles, Granada, NATO 005, CD-ROM, s Littles J. Jr, Morris R., Pierre Ch.: Engine System Prognosis for HCF Risk Mitigation of Fan and Compressor Airfoils. Meeting Proceedings of RTO-MP-AVT-11 Evaluation, Control and Prevention of High Cycle Fatigue in Gas Turbine Engines for Land, Sea and Air Vehicles, Granada, NATO 005, CD-ROM, s Washburn R.: Amplitude and Phase Variations Associated with Low Order Resonance Responses Subjected to Time Varying Excitation Sources. Proceedings of 9 th National Turbine Engine High Cycle Fatigue Conference, 004, proceed.html 5. Witoś M.: Diagnozowanie stanu technicznego łopatek sprężarki turbinowego silnika spalinowego metodą bezdotykowego pomiaru drgań. Rozprawa doktorska, ITWL, Warszawa Witoś M., Olzak B.: Modal Analysis of Compressor Cracking Blade. VKI Lecture Series Tip Timing & Tip Clearance Measurements in Turbomachines, VKI, Rhode-Saint- Genèse Witoś M., Szczepanik R.: Turbine Engine Health/Maintenance Status Monitoring with Use of Phase-Discrete Method of Blade Vibration Monitoring. Meeting Proceedings of RTO-MP-AVT-11 Evaluation, Control and Prevention of High Cycle Fatigue in Gas Turbine Engines for Land, Sea and Air Vehicles, Granada, NATO 005, CD-ROM, s