Komputerowy system wsparcia bezpieczeństwa eksploatacji samolotów TS-11 Iskra i remontu silników typu SO-3

Transkrypt

1 Komputerowy system wsparcia bezpieczeństwa eksploatacji samolotów TS-11 Iskra i remontu silników typu SO-3 Motywacja Problem badawczy Koncepcja aktywnego sterowania procesem zmęczenia łopatek Dobór obserwatora stanu Podstawy teoretyczne metody TTM Tor pomiarowy Oprogramowanie doradczo-eksperckie Doświadczenia eksploatacyjne Wnioski WLOT Mirosław WITOŚ XVIII MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWA Komputerowe Systemy Wspomagania Nauki, Przemysłu i Transportu TransComp 2014 Zakopane,

2 Motywacja Jak można zwiększyć bezpieczeństwo eksploatacji samolotu TS-11 Iskra?

3 Problem LCF/HCF łopatek I stopnia sprężarki silnika SO-3 stal 18H2N4WA, h/c =2.65, pióro umacniane kulowaniem i emaliowane 1000 s n [MPa] II harm. 800 Normal level R m High level (bird) III harm. Błąd konstrukcyjny: niewłaściwe odstrojenie I modu od wymuszeń 2xf obr R p n [rpm] Jak diagnozować zagrożenie zmęczeniowe wirujących łopatek? T p > 30 godz T p < 30 min

4 Błędne odstrojenie łopatki (wpływ tolerancji wymiarowej pióra) f [Hz] Bieg jałow y Podgrzew anie chłodzenie silnika Zakres startow y 500 Rozruch/dobieg 450 Blędne odstrojenie łopatki I mod 300 4EO 3EO 2EO n [rpm] Kontrola częstotliwości drgań własnych łopatki wykonywana podczas produkcji i remontu nie zapewnia właściwego odstrojenia łopatek od rezonansu na zakresie startowym

5 Klasyczne metody NDT W okresie w eksploatacji samolotów TS-11 Iskra : nie wykryto żadnej pękniętej łopatki przed urwaniem pióra, urwało się aż 25 łopatek! Łopatka sprężarki (n max =15600 obr/min) VT: Rysa czy pęknięcie? 15 mm Metoda NDT: defektoskopia ultradźwiękowa (UT) Założona prognoza: 50 godzin lotu Wynik badania: Bezpośrednio po zatrzymaniu silnika: 15 mm 16 godzin po zatrzymaniu: 5 mm 76 godzin po zatrzymaniu: brak wskazań! Przyczyna zmian wskazań: Wpływ zamykania szczeliny pęknięcia pod wpływem naprężeń własnych.

6 Pomiar drgań wirnika/kadłuba a Jakość wyważenia i osiowania Parametry przepływu Wymuszenia masowe Widmo drgań na kadłubie Pasmo obrotowe ( Hz wg norm) Wymuszenia aerodynamiczne F(t) = ma(t) F(t) = mr(t) 2 F(t) = p(, r) A p Drgania łopatek (nie normowane, m Łopatek /m Wirnika ) Wirnik sprężarki i turbiny Pasmo procesu spalania (nie normowane ) Drgania wirnika Drgania łopatek Kadłub Drgania kadłuba x ω, t = A ω sin ω t v ω, t = dx dt = A ω ω cos ω t a ω, t = dv dt = A ω ω2 sin ω t Pasmo przepływowe (nie normowane ) N Ł 2N Ł N Ł -1 N Ł +1 2N Ł -1 2N Ł +1 f/f obr [-]

7 Pomiar drgań na kadłubie silnika WLOT Brak wiarygodnych symptomów drgań łopatek w widmie drgań silnika SO-3! a Ł ω, t = N łop M mod j=1 i=1 B i ω sin ω i t + φ j 0 Drgania wirujących łopatek są źródłem niewyważenia wirnika tylko: w wąskich zakresach rezonansu danego modu drgań łopatek danej palisady, podczas wymuszeń samowzbudnych. Statyczne ugięcie i skręcenie pióra łopatki wywołane przez masowe i aerodynamiczne wymuszenia quasi-statyczne zmieniają wyważenie wirnika.

8 Bezdotykowy pomiar drgań wirujących łopatek (ang. blade tip timing method, TTM) Jakość wyważenia i osiowania Parametry przepływu Wymuszenia masowe Wymuszenia aerodynamiczne Wirnik sprężarki i turbiny Drgania wirnika Drgania łopatek Obserwator TTM Czas TOA TOA czas przybycia pióra wirującej i drgającej łopatki do czujnika mocowanego w kadłubie. Model sygnału TOA S = A + P + I gdzie: A składowa aperiodyczna P składowa periodyczna I szum pomiarowy i zakłócenia

9 Czas TOA i jego składowe Zmierzony dyskretny czas gdzie: 1 L ( k) TOA( k) TOAT ( k) 1 ( k) Możliwe jest kompleksowe diagnozowanie silnika na bazie pojedynczego toru pomiarowego i rozwiniętej analizy numerycznej danych! TOA T (k) teoretyczny czas przyjścia sztywnego znacznika fazy idealnego sztywnego wirnika (bez błędów podziałki, drgań i osadzenia wirnika w podporach). L (k) jitter łopatkowy (modulacja AM sygnału TOA T (k)) wnoszony przez: błędy podziałki P (N B zmiennych); drgania łopatek biorących udał w cyklu pomiarowym o częstotliwości zależnej od prędkości obrotowej Ł,k, (kn B zmiennych, gdzie k liczba analizowanych modów); drgania kadłuba K ; efekty i zjawiska wykorzystywane w czujniku, np. efekty magnetomechaniczne dla czujnika indukcyjnego ZD w (k) jitter wirnikowy (modulacja FM sygnału TOA T (k)) wnoszony przez: wahania prędkości obrotowej (niskoczęstotliwościowa ingerencja układu paliwowego) UP ; drgania poprzeczne i skrętne wirnika odpowiednio WP i WS ; błędy osiowania rzeczywistego wirnika R i P L P Ł, k UP WP K WS ZD O P

10 Wstępne przetwarzanie danych pomiarowych Surowe dane - wektor S w dziedzinie próbkowania, który odwzorowuje wartości czasu TOA i przyjścia kolejnych wirujących łopatek pod nieruchomy czujnik. Wartość wyrażona w postaci liczby impulsów zegarowych CODE i (dane nieskalowane) lub czasu TOA i (dane skalowane przez częstotliwość wzorcową). S T 1 T2... TK gdzie K, Z Surowe dane pomiarowe mogą zawierać błędy, które muszą podlegać detekcji i korekcji metodami numerycznymi przed utworzeniem macierzy S m. Macierz S m - zbiór zweryfikowanych danych pomiarowych w dziedzinie próbkowania, uporządkowana w tablicę dwuwymiarową. M - liczba pełnych obrotów wirnika. N B - liczbie łopatek badanej palisady, S m T TM 1 T T M T T 1N MN B B gdzie M, N B Z Krótkie kody zakłócenia, przytarcia, podwójne wyzwolenie przez tą samą łopatkę Długie kody brak impulsu od danej łopatki/grupy łopatek (uszkodzenie łożyska, mała prędkość obrotowa

11 Dekompozycja sygnału na składowe DETREND N B = 49 Analiza poziomu modulacji AM Drgania łopatki w TTM Pomiar tensometryczny

12 Specyfika metody TTM Obiekt badań typu czarna skrzynka (ang. black box) Nierównomierne próbkowanie (1x/obrót wirnika) Rzadkie próbkowanie sygnału periodycznego (f łopatki > f obr ) Zależność metodyki i algorytmu analizy sygnału periodycznego (wybielania) od obiektu badań 1000 G(f) 1F mod 20 [mm] 16 1T mod 20 [mm] ODS 1F = ODS 1T f1 F f1 T 0-4 f [Hz] TT Observer TT Observer Compressor Combustion chamber R 1 R 7 T 1 T u r b i n e 80 [%] Blade 1F mode Jet pipe Shaft vibration Disk vibration Rotor vibration 20 0 R1 R7 T1

13 System diagnostyczny SNDŁ-1b/SPŁ-2b (samoloty TS-11 Iskra w LSZ RP, wdrożenie 1993) Sygnalizator nadmiernych drgań łopatek SNDŁ-1b (urządzenie pokładowe) Układ wejściowy Analogowy detektor fazy Df PLL n A/D mp Sygnalizator pęknięć łopatek SPŁ-2b: urządzenie naziemne przeznaczone do okresowej rejestracji widma drgań łopatek (czasów TOA, pomiar metodą częstotliwościową z wykorzystaniem 1 czujnika) oraz oceny stanu technicznego sygnalizatora SNDŁ-1b Oprogramowanie doradczo-eksperckie sygnalizatora SPŁ-2b: jądro systemu baza danych opisowych (tekstowa) baza danych pomiarowych baza procedur i podprogramów baza modeli i reguł diagnostycznych baza wzorców - funkcja dydaktyki kodowany dziennik pracy

14 Oprogramowanie doradczo-eksperckie 1 L ( k) TOA( k) TOAT ( k) 1 ( k) Analiza widma drgań i stanu technicznego łopatek n j n j j const TOA j j Bj Sj Analiza dynamiki wirnika i stanu technicznego ułożyskowania wirnika Ekspert układu paliwowego silnika (jakości regulacji eksploatacyjnej i fabycznej oraz stanu technicznego) Pracochłonność pomiaru i analizy danych 0.5 RBG (komputer PC 486DX2)

15 System diagnostyczny CTM-PER/SPŁ-2b (zakład remontowy stoisko prób silników typu SO-3 i grupa startowa, wdrożenie 1997) Tor pomiarowy CTM-PER: system czasu rzeczywistego na bazie karty licznikowej CTM-PER firmy Keithley MetraByte (f zeg = 10 MHz) i dodatkowe oprogramowanie. Format danych pomiarowych jest zgodny z danymi sygnalizatora SPŁ-2b. Komputerowe stanowisko prób zmęczeniowych (2006) B G/G ra Mode Measured data f o [Hz] 3dB Df 3dB [Hz] Critical damping coefficient Df 3dB 2 f o Damping coefficient s [s -1 ] s Df 3 db Time constant [s] 1 s 1F F T S r 0.2 S n f/f rj

16 Symptom pęknięcia pióra stal 18H2N4WA 400 G [mm/mm] F(t) M 1 Y 1 (t) 300 K 1 C 1 l M F(t) Y(t) M 2 K 2 C 2 Y 2 (t) 100 K C 0 f/f ra Nieliniowy układ 2DOF (wpływ tarcia na szczelinie) Nieciągłość i asymetria krzywej rezonansowej Pozorny współczynnik tłumienia (wzmocnienia w rezonansie) zależny od amplitudy drgań

17 Aktywne sterowanie zmęczeniem materiału Wymuszenie biały szum Właściwości modalne zjawisk dynamicznych Ingerencja użytkownika Warunki otoczenia Właściwości modalne obiektu Wytężenie materiału Zmęczenie materiału: - Zmiany fazowe - Umocnienie cykliczne - Wzrost anizotropii - Osłabienie cykliczne - Pęknięcie Obserwator stanu

18 Drgania łopatek I stopnia sprężarki silnika SO-3 Widmo wzorcowe Kontrola CzDW 2x Rezonans synchroniczny Rezonans asynchroniczny 3x

19 Diagnozowanie pękania łopatki f 2 2 B ( n) f B (0) B( n) f R 2x f B 3x I etap 2x 3x II etap 2x Odwzorowanie fazowe LPF 3x f R Diagram Campbella Horyzont prognozy: 50 godz. pracy silnika (ponad 9x10 7 cykli HCF i 100 cykli LCF)

20 Wpływ jakości regulacji układu paliwowego Głęboki pompaż Płytki pompaż Drgania wirnika Drgania łopatek 1F: 2.5xf R po pompażu WSO przed pompażem Pompaż wywołany obcym ciałem Identyfikacja granicy pompażu (odłączony sygnał p 3 od APS-3 ) Drgania łopatek zależą również od właściwości modalnych wirnika i procesu spalania

21 Diagnostyka układu paliwowego 2 d n dn a( n) DISPLAY b( n) n OF f WF, WA 2 dt dt ENGINE DYNAMICS dn TT TS TF const dt I

22 Problemy eksploatacyjne układu paliwowego Błąd regulacji (pompaż) Brak powtarzalności (indywidualna regulacja) Ukryty defekt ASS Zjawisko Apply jelly

23 Kompleksowa analiza silnika SO-3 Faza akceleracji Drgania obwodowe wirnika n 23

24 Kompleksowa analiza silnika SO-3 Faza deceleracji Drgania promieniowe wirnika T H Pierścień zewnętrzny łożyska 24

25 Kompleksowa analiza silnika SO-3 Detekcja uszkodzenia łożyska środkowej podpory Widmo wyjściowe Drgania obwodowe wirnika n Zniszczone łożysko 25

26 Analiza post-factum (katastrofa 2005) WLOT Współczynnik bezpieczeństwa K=10 Zniszczenie węzła łożyskowego było skorelowane z zjawiskiem 9500 rpm

27 Wsparcie badań wypadków lotniczych Zjawisko 9500 rpm? Współczynnik bezpieczeństwa K= A dec [mm] n [rpm]

28 20 lat doświadczeń eksploatacyjnych systemu SNDŁ-1/SPŁ-2b/CTM-PER Doradczo-eksperckie oprogramowanie systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b/CTM-PER skutecznie wspierało producenta silników typu SO-3, zakład remontowy, użytkownika samolotów TS-11 Iskra i komisję badania wypadków lotniczych w: identyfikowaniu i usuwaniu błędów stanowiących przesłanki przyśpieszonego zużycia zmęczeniowego krytycznych elementów silników typu SO-3; precyzyjnym identyfikowaniu przyczyn usterek technicznych, awarii i katastrof lotniczych zaistniałych na samolotach TS-11 Iskra po 1993 r.; działalności logistycznej, istotnej szczególnie po zaprzestaniu produkcji części zamiennych; podnoszeniu kultury technicznej personelu zakładu remontowego i użytkownika. Obiektywne wskaźniki efektywności: wycofano na przełopatkowanie 5 silników z powodu nadmiernych błędów ukształtowania łopatek (groźba pękania od krawędzi natarcia); wyeliminowano pękanie zmęczeniowe łopatek I stopnia sprężarki - przedłużono średni statystyczny czas między pęknięciami o ponad 15 razy; wyeliminowano pompaże wywołane błędami regulacji; zidentyfikowano grupę silników o zwiększonym poziomie ryzyka uszkodzenia zmęczeniowego środkowej podpory. zdiagnozowano błędy wyszkolenia powracające po 18-latach (błędy regulacji)

29 Wnioski 1. Na podstawie ponad 20-letnich doświadczeń eksploatacyjnych metody TTM w Lotnictwie Sił Zbrojnych RP i remoncie silników lotniczych wykazano, że komputerowe wsparcie procesu eksploatacji i remontu silników lotniczych poprawiło bezpieczeństwa lotów. Pęknięcia zmęczeniowe były, są i będą w lotnictwie, ale użytkownik ma na nie wpływ! 2. Zwiększenie zakresu komputeryzacji badań nieniszczących i monitorowania konstrukcji zmniejszyło zagrożonie nie tylko diagnozowanego obiektu (np. łopatek), ale również całej struktury antropotechnicznej (systemu eksploatacji, remontu i produkcji). 3. Komputeryzacja jest niezbędnym działaniem użytkownika umożliwiającym rozwiązanie najtrudniejszych problemów: diagnostycznych podejmowania decyzji obciążonych ewentualną odpowiedzialnością karną ( kk), przy jednoczesnej presji przełożonych i oddziaływaniu czynników ekonomicznych; logistycznych zarządzania starzejącą się flotą z zapewnieniem terminowej realizacji zaplanowanych zadań; organizacyjnych identyfikacji i minimalizacji niekorzystnych czynników ludzkich.