ANALIZA MODALNA PĘKAJĄCEJ ŁOPATKI SPRĘŻARKI

Transkrypt

1 ANALIZA MODALNA PĘKAJĄCEJ ŁOPATKI SPRĘŻARKI Mirosław WITOŚ Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych Albert OSTROWSKI Wojskowe Zakłady Lotnicze nr 3. WSTĘP Umiejętność wiarygodnego rozpoznania i prognozowania stanu technicznego silnie wytężonych elementów maszyny stanowi wyzwanie na etapie konstrukcji, produkcji, użytkowania i remontu. Poziom trudności diagnostycznej zwiększa się, gdy obowiązujące technologie nie gwarantują powtarzalności modalnej. W takim przypadku jednakowe elementy danej maszyny pracują w różnych warunkach obciążeń, a w eksploatacji populacji maszyn obserwuje się pojedyncze przypadki zmęczeniowego pękania elementów. Taki problem diagnostyczny obserwowano w latach na turbinowych silnikach odrzutowych typu SO-3 (samolot TS- ISKRA), kiedy to zmęczeniowemu urwaniu uległo 27 łopatek I stopnia wirnika sprężarki w 0 silnikach. Analiza tych zdarzeń, wykonana w ITWL, 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, braku wiarygodnej informacji o rzeczywistych warunkach pracy łopatek oraz niewystarczającej wiedzy o mechanizmach i wczesnych symptomach zmęczenia materiału łopatki. Dla zapewnienia bezpiecznej eksploatacji silników SO-3 opracowano w ITWL metodę bezdotykowego diagnozowania stanu technicznego łopatek I stopnia sprężarki [, 2], wdrożoną do eksploatacji w 993 r., oraz podjęto prace badawcze nad identyfikacją wczesnych symptomów zmęczenia łopatek wykonanych ze stali, stopów tytanu i stopów żarowytrzymałych [3, 4]. 2. METODA BADAŃ Identyfikację wczesnych symptomów zmęczenia i pękania krótkich łopatek (pióro: wysokość/cięciwy h/c = 2.65, zmodyfikowany profil NACA-65, emaliowane; zamek trapezowy) wykonanych ze stali 8H2N4WA (R 0.2 = 800 MPa, R m = 00 MPa) przeprowadzono na wzbudniku elektrodynamicznym 4802T firmy B&K, używanym w WZL-3 podczas remontu silników typu SO-3. Stanowisko doposażono w:

2 - laserowy układ pomiaru odległości MicroTrack TM II z głowicę pomiarową LTC firmy MTI Instrument [5]; - moduł VR-8500 zawierający trzy 24-bitowe przetworniki A/C oraz programowo sterowany generator sygnału wymuszającego i oprogramowanie VibrationView firmy Vibration Research Corporation [6]. Ideą optycznej metody pomiaru drgań łopatki jest proporcjonalne odwzorowanie amplitudy przemieszczeń powierzchni pióra, podświetlanej laserem, na matrycy CMOS głowicy pomiarowej. Na wyjściu analogowego układu pomiarowego otrzymywany jest sygnał napięciowy, którego pasmo częstotliwości ograniczono filtrem dolnopasmowym do 20 khz. Czułość toru pomiarowego wynosi 00 mv/mm. Szczegółowa analiza zarejestrowanych danych (plików ASCII) była realizowana z wykorzystaniem programu EXCEL. Podczas identyfikacji właściwości modalnych łopatki bazowano na transmitancji operatorowej Y ( ω) mm G( ω ) = X ( ω) mm () gdzie X(ω) amplituda wymuszeń sinusoidalnych głowicy wzbudnika; Y(ω) amplituda drgań łopatki w zadanej odległości od zamka i krawędzi. 3. WYNIKI BADAŃ Badania zrealizowano w trzech etapach, podczas których: - zweryfikowano metodę pomiarową; - zidentyfikowano symptomy pęknięcia stalowej łopatki na krzywej rezonansowej; - zidentyfikowano wczesne symptomy zmęczenia materiału łopatki. 3.. Wpływ warunków pomiaru na charakterystykę rezonansową łopatki Analizie poddano podstawowe czynniki metrologiczne, których nie można było zaniedbać przy dokładnym badaniu charakterystyki rezonansowej danego modu łopatki. Ich wpływ na analizowane parametry zestawiono w tabeli. Tabela. Wpływ czynników metrologicznych na charakterystykę rezonansową łopatki. Parametr Czynnik metrologiczny charakterystyki rezonansowej Kształt krzywej rezonansowej Szybkość zmian częstotliwości wymuszającej Poziom wymuszeń Wzmocnienie w rezonansie Położenie punktu pomiarowego na powierzchni pióra Poziom wymuszeń Wzajemne ustawienie głowicy pomiarowej i łopatki Częstotliwość rezonansowa Szybkość zmian częstotliwości wymuszającej Poziom wymuszeń Warunki mocowania łopatki w głowicy wzbudnika 2

3 Stwierdzono, że zastosowana metoda badań gwarantuje wiarygodne wyniki pomiaru amplitudy, częstotliwości i fazy drgań łopatki przy amplitudzie przemieszczeń pióra powyżej 2 µm. Wiarygodne odwzorowanie kształtu krzywej rezonansowej uzyskano przy szybkości zmian częstotliwości wymuszającej do: 2.5 Hz/min dla I modu (giętego, Q s >350) i.0 Hz/min dla III modu (skrętnego, Q s > 000) Dotychczasowe symptomy pękniętej łopatki W produkcji i remoncie silnika SO-3 stan techniczny wszystkich łopatek I stopnia sprężarki oceniany jest na podstawie pomiaru częstotliwości drgań własnych I modu i wyników defektoskopii magnetycznej. Podejrzane o pęknięcie łopatki weryfikowane są metodą defektoskopii fluoroscencyjnej. Trzy łopatki, losowo wybrane z badanej populacji (każdego silnika/serii produkcyjnej), poddawane są próbie zmęczeniowej na częstotliwości I modu (σ = 490 MPa, 2x0 6 cykli) [7]. Symptomem diagnostycznym pęknięcia pióra i wybrakowania badanej populacji łopatek jest zmniejszenie częstotliwości drgań o więcej niż 3 Hz. Wiarygodność wyników próby zmęczeniowej, odniesiona do badanej populacji łopatek, maleje podczas kolejnych remontów silnika. Obowiązujący warunek zmiany częstotliwości o 3 Hz odwzorowuje rozwinięte pęknięcie pióra o długości 2 0 mm (wartość zależna od położenia ogniska pęknięcia). Podczas pracy silnika SO-3 (w remoncie i eksploatacji) oceniane są rzeczywiste warunki pracy łopatek i bieżący ich stan techniczny. Symptomem diagnostycznym wczesnej fazy pęknięcia obciążonego pióra łopatki jest zmniejszenie częstotliwości drgań I modu na zakresie startowym rys., przy braku: - zmian częstotliwości drgań własnych łopatki po zatrzymaniu silnika (bez obciążenia); - symptomów otwartego pęknięcia identyfikowanego dotychczasowymi metodami badań nieniszczących. rpm f 2x a) b) Rys.. Zobrazowanie symptomu inicjacji pęknięcia pióra łopatki [2]: a) w wynikach bezdotykowego pomiaru drgań; b) na wykresie Campbella. Powyższy symptom jest czuły na wystąpienie poza obliczeniowych warunków pracy silnika rezonansu synchronicznego wywołanego zaleganiem lodu lub ptaka we wlocie (błąd fabryczny odstrojenia łopatek [8]), podczas którego obserwuje się niebezpieczny wzrost amplitudy drgań łopatek (pracy w zakresie LCF) i obniżenie częstotliwości drgań I modu. 3

4 Jak wykazały dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne, tak zdefiniowany symptom diagnostyczny gwarantuje bezpieczny horyzont stawianej prognozy - ponad 50 godz. pracy łopatek w normalnych warunkach obciążenia (ponad 9.0 x0 7 cykli HCF i 00 cykli LCF) Nowe symptomy diagnostyczne pękniętej łopatki Analizując kształt unormowanej krzywej rezonansowej dobrej, naciętej i pękniętej łopatki dostrzega się kolejne symptomy diagnostyczne. Dla pękniętego pióra obserwuje się wyraźną asymetrię charakterystyki rezonansowej (zmniejszenie tłumienia dla częstotliwości poniżej rezonansu i zwiększenie tłumienia dla częstotliwości powyżej rezonansu), której towarzyszy zmniejszenie wartości amplitudy drgań (transmitancji operatorowej) rys G(ω) dobra łopatka pęknięte pióro ω/ω rez Rys. 2. Wpływ pęknięcia pióra na kształt charakterystyki rezonansowej I modu. Pojawienie się asymetrii krzywej rezonansowej jest niezależne od położenia pęknięcia i materiału konstrukcyjnego, z którego wykonana jest łopatka. Symptom był obserwowany zarówno przy ognisku położonym na powierzchni grzbietu jak i na krawędzi pióra. Nie zależy on również od rozrzutu technologicznego wykonania łopatek. Asymetrii nie stwierdzono dla naciętego pióra, stanowiącego uproszczony model pęknięcia z pominięciem tarcia na szczelinie [9]. Asymetria odwzorowuje zmianę modelu modalnego opisującego daną postać drgań łopatki z układu SDOF (materiału jednorodnego pióra) na 2DOF, z nieznacznym wzrostem nieliniowości obiektu, identyfikowanej poza programem VibrationView. Pominięcie tarcia na szczelinie pęknięcia jest źródłem dodatkowych różnic w właściwościach modalnych uszkodzonej łopatki tabela 2. Tabela 2. Uszkodzenia pióra łopatki o długości mm od krawędzi spływu, położonego 20 mm od zamka. Łopatka Zmiana częstotliwości [Hz] I mod II mod III mod Pęknięta Nacięta (szczelina bez tarcia)

5 Pęknięta łopatka cechuje się również większą wrażliwością częstotliwości rezonansowej danego modu na poziom przyłożonego obciążenia rys f/f rez dobra łopatka pęknięte pióro Propagacja pęknięcia a [m/s 2 ] Rys. 3. Wpływ poziomu wymuszenia na częstotliwość drgań I modu łopatki (pęknięcie od krawędzi spływu o długości 8 mm, położone 20 mm od zamka) Identyfikacja wczesnej fazy zmęczenia materiału łopatki 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 Hz, przy początkowym wzroście dobroci układu rezonansowego rys. 4. 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). 0.9 G/G rez 0 cykli cykli.4.2. w zmocnienie w rezonansie położenie rezonansu amplitudy f/f rez.004 cykle [x0 3 ] Rys. 4. Zmiany parametrów modalnych stalowej łopatki podczas testu HCF (a HCF = m/s 2, a kontroli = m/s2). 5

6 Narastająca asymetria krzywej rezonansowej łopatek obserwowana była dopiero w końcowej fazie zmęczenia materiału i poprzedzała zmniejszenie częstotliwości drgań I modu łopatki. Szybkość jej rozwoju uwarunkowana była dotychczasową historią obciążenia łopatki. 4. PODSUMOWANIE Badania krzywej rezonansowej stalowej łopatki umożliwiły wydzielenie wiarygodnych symptomów diagnostycznych, odwzorowujących wczesną fazę zmęczenia materiału i inicjacji pęknięcia pióra. Opisywane symptomu znajdują odbicie w odwzorowaniu fazowym drgających łopatek metodzie zastosowanej w bezdotykowym diagnozowaniu stanu technicznego wirujących łopatek I stopnia sprężarki silników typu SO-3. Uzyskane wyniki badań wskazują na celowość korelowania dotychczasowej wiedzy z mechaniki pękania [0], metod badań nieniszczących [] i diagnostyki oraz wdrażania wyników badań do technologii remontu i eksploatacji maszyn. Badania właściwości modalnych łopatek zostały dofinansowane ze środków projektu badawczego nr 4 T2C LITERATURA. M. Witoś: Diagnozowanie stanu technicznego łopatek sprężarki turbinowego silnika spalinowego metodą bezdotykowego pomiaru drgań. Rozprawa doktorska, ITWL Warszawa, M. Witoś, R. Szczepanik: Turbine Engine Health/Maintenance Status Monitoring with Use of Phase-Discrete Method of Blade Vibration Monitoring, RTO Meeting Proceedings: MP-AVT-2, paper no 2, NATO, R. Sabak: Ocena uszkodzeń łopatek wirnikowych silników turbinowych na podstawie zmian ich częstotliwości drgań własnych. Rozprawa doktorska, ITWL Warszawa, M. Witoś: Identyfikacja właściwości modalnych łopatek wirnikowych sprężarki silnika SO-3, Sprawozdanie nr 26/34/2006, ITWL Warszawa, Microtrack TM II. High Speed Laser Displacement Sensor. MTI Instruments, VibrationView. Operators Guide. Vibration Research Corporation, Technologia pomiaru częstotliwości drgań własnych i prób zmęczeniowych łopatek silnika SO-3, SO-3W, TW3-7, WZL-3 Dęblin, A.J. Meyer, H.F. Calvert, C.R. Morse: Effect of Obstructions in Compressor Inlet on Blade Vibration in 0-stage Arial-flow Compressor, Research memorandum, NACA Wahsington, R. Kolhe, C.Y. Hui, A.T. Zehnder: Effect of finite notch witch on the fracture of chevron-notched specimens, Int. J. of Fracture, Vol. 94, pp (998) 0. Yi-Ren Wang, Steng-Hwa-Tsao: A Study of Crack Growth on the Rotating Metallic Blade, Tamkang Journal of Science and Engineering, Vo. 4, No 3, pp (200). Nonlinear Acoustic Techniques for Micro-Scale Damage Diagnostics (NATEMIS), ESF, 200, 6