Mirosław WITOŚ Zwiększenie żywotności silników turbinowych poprzez aktywne diagnozowanie i sterowanie

Transkrypt

1 Mirosław WITOŚ Zwiększenie żywotności silników turbinowych poprzez aktywne diagnozowanie i sterowanie /Manuscript/ Warszawa, 2010

2 Recenzenci/Reviewers: dr hab. inż. Henryk MADEJ, prof. nadzw. PŚl (Politechnika Śląska, Katowice) dr hab. inż. Tomasz BARSZCZ (AGH, Kraków) Wydanie publikacji dofinansowane przez MNiSW w ramach projektu badawczego O N Copyright 2010 Mirosław Witoś This is an open access monograph distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Citation: Witoś M., Zwiększenie żywotności silników turbinowych poprzez aktywne diagnozowanie i sterowanie. Prace Naukowe ITWL, zeszyt 29, 2011, s , ISSN or Witos M., Increasing the durability of turbine engines through active diagnostics and control. Research Works of Air Force Institute of Technology, Issue 29, 2011, p , (pol.) ISSN Correspondence address: Air Force Institute of Technology, Ks. Boleslawa 6, Warszawa, Poland, witosm@itwl.pl Oddano do druku w grudniu 2010 r. 2

3 Spis treści Spis ważniejszych oznaczeń... 7 Podziękowanie Streszczenie Summary WSTĘP Charakterystyka zagadnień opisanych w monografii (cel i zakres badań) CHARAKTERYSTYKA PROBLEMU BADAWCZEGO Zasady eksploatacji techniki lotniczej Eksploatacja silnika według resursu Spostrzeżenia z eksploatacji silników według resursu Wpływ eksploatacji silnika według resursu na symptomy diagnostyczne łopatek sprężarki Eksploatacja silnika według stanu technicznego Spostrzeżenia z eksploatacji silników według stanu Identyfikacja problemu diagnostycznego ZMĘCZENIE MATERIAŁU ŁOPATKI SPRĘŻARKI Wytężenie materiału Źródło wymuszeń Łopatka obiekt badań Trwałość zmęczeniowa łopatki w ujęciu klasycznym Trwałość zmęczeniowa łopatki opis współczesny Krzywa zmęczeniowa materiału polikrystalicznego Zmęczenie stopów na osnowie żelaza i tytanu Materiał polikrystaliczny - spostrzeżenia diagnostyczne ZADANIE BADAWCZE Cel badań Zadania badawcze Wstępna identyfikacja zagrożenia zmęczeniowego (zadanie I) Detekcja wczesnej fazy zmęczenia łopatek w remoncie (zadanie II) Sterowanie zmęczeniem łopatek w eksploatacji (zadanie III) Proces diagnozowania Błędy statystyczne Wymogi procesu diagnozowania CHARATERYSTYKA OBIEKTU BADAŃ Palisada wirnika sprężarki Łopatka wirnikowa sprężarki Wpływ skręcenia profilu pióra na zjawisko sprzęgania drgań i obciążeń Źródło obciążeń pióra łopatki Ocena ryzyka zmęczeniowego łopatki Krzywa życia łopatki Aktywne sterowanie zjawiskami dynamicznymi Aktywne sterowanie pulsacją w komorze spalania Aktywne sterowanie linią stanów ustalonych silnika KONCEPCJA STEROWANIA ZMĘCZENIEM MATERIAŁU Podstawy filozoficzne medycyny Dalekiego Wschodu Akupunktura a nauka Holistyczne spojrzenie na problemy zmęczeniowe łopatek sprężarki Rozpoznanie możliwości diagnostycznych Zmęczenie łopatek sprężarki wynikające z pracy wlotu i komory spalania Zagrożenia od strony wlotu Zaburzenia przepływu na wlocie Zasysanie drobnych ciał obcych Zasysanie substancji agresywnych Zagrożenia od strony komory spalania

4 Właściwości modalne komory spalania Dynamika procesu spalania Obszar roboczy silnika Wirujące strefy oderwań Pompaż - niestabilna praca sprężarki Flatter drgania samowzbudne łopatek Zmęczenie łopatek wynikające z transportu energii mechanicznej Wyważenie wirnika Osiowanie wirnika Drgania wirnika Nierównomierność pola temperatur Nierównomierność luzu wierzchołkowego Napęd agregatów Klasyczne podejście do problemu diagnozowania łopatek i silnika Badania nieniszczące Rozwinięta analiza parametrów gazodynamicznych metoda GPA Szerokopasmowa analiza drgań silnika Wybór łopatki sprężarki na obserwatora stanu METODY BADAWCZE Metoda magnetycznej pamięci metalu Magnetyzm Metody laboratoryjne obserwacji pola magnetycznego Podstawy fizyczne MPM Magnetostrykcja a MPM Naprężeniowe magnesowanie ferromagnetyka Symptomy MPM MPM spostrzeżenia metrologiczne i diagnostyczne Eksperymentalna analiza modalna Analiza modalna Podstawy teoretyczne analizy modalnej Podejście analityczne Podejście numeryczne Podejście eksperymentalne Wady i zalety EMA Diagnozowanie łopatek sprężarki z wykorzystaniem EMA Metoda wirującego obserwatora stanu Rozwój metody TTM Aspekty metody TTM Wybrane aspekty metrologiczne TTM Przetwornik położenia kątowego (enkoder) Układ wejściowy toru pomiarowego TTM Układ pomiaru czasu Aspekty analizy numerycznej sygnału dyskretnego TTM Wstępne przetwarzanie danych TTM Opis matematyczny sygnału TTM Dekompozycja sygnału na składową aperiodyczną i jitter Diagnozowanie łopatek Podziałka rzeczywista palisady Drgania łopatek Wpływ drgań kadłuba Wpływ zjawisk fizycznych wykorzystywanych w czujniku Wpływ metody analizy drgań łopatek na jakość informacji diagnostycznej Spostrzeżenia diagnostyczne BADANIA EKSPERYMENTALNE Identyfikacja wzorca statystycznego Wstępna identyfikacja zagrożenia zmęczeniowego metodą MPM (zadanie I) Weryfikacja symptomów MPM dla badań nieniszczących Identyfikacja zastanego stanu namagnesowania sprężarki Pomiary MPM łopatek sprężarki podczas pracy silnika

5 Wnioski z badań MPM Detekcja wczesnej fazy zmęczenia łopatek w remoncie metodą EMA (zadanie II) Stan wyjściowy Kontrola częstotliwości drgań własnych łopatek Próby zmęczeniowe Częstotliwości modalne i postacie drgań łopatek Podstawy teoretyczne uproszczonego eksperymentu modalnego Idea diagnozowania wczesnej fazy zmęczenia materiału Eksperyment czynny Identyfikacja możliwości metrologicznych punktowego pomiaru drgań Identyfikacja właściwości modalnych łopatek Identyfikacja linii węzłowych i postaci drgań Identyfikacja symptomów zmęczenia materiału Identyfikacja symptomów pęknięcia pióra Dynamika propagacji pęknięcia pióra Zjawisko JCF Eksperyment bierny Wnioski z badań EMA Sterowanie zmęczeniem materiału w eksploatacji metodą TTM (zadanie III) Aspekty teoretyczne operacyjnej analizy modalnej wirującej łopatki Detekcja składowych periodycznych w sygnale analogowym TTM Identyfikacja typu silnika i synchronizacja pomiarów Diagnozowanie stanu energetycznego łopatek sprężarki Identyfikacja częstotliwości I modu drgań łopatki i współczynnika przyrostu dynamicznego Identyfikacja pasma analizy TTM Detekcja pęknięcia zmęczeniowego pióra łopatki Składowa aperiodyczna TOA Diagnozowanie układu paliwowego turbinowego silnika lotniczego Kompleksowe diagnozowanie silnika na bazie TTM Wnioski z badań TTM Synergia aktywnego diagnozowania i sterowania zmęczeniem materiału Identyfikacja właściwości modalnych procesu spalania Spostrzeżenia eksploatacyjne PODSUMOWANIE LITERATURA

6 6

7 Spis ważniejszych oznaczeń A(k) Code(k) E G I(k) K z P(k) R e R f R L R Ł R ŁP R m RP R u t Bi TOA T R T T t zeg WR Z S E R W CDM CFD CzDW DARPA ECNDT ECU EMA ET EVI-GTI FADEC FEM GPA HCF - dyskretna w czasie składowa aperiodyczna sygnału pomiarowego - nieskalowany dyskretny czas przyjścia łopatki (liczba impulsów zegarowych pomiędzy impulsami bramkującymi) - moduł Younga - moduł odkształcenia postaciowego Kirchhoffa - dyskretny w czasie szum losowy i zakłócenia sygnału pomiarowego - bieżąca żywotność elementu (krzywa życia) - dyskretna w czasie składowa periodyczna sygnału pomiarowego - granica plastyczności metalu w temperaturze pokojowej - wytrzymałość rozdzielcza metalu (rzeczywiste naprężenie rozrywające w temperaturze zerowej plastyczności) - wytrzymałość zmęczeniowa trwała - strumień zużycia zmęczeniowego łopatek w eksploatacji - strumień zużycia zmęczeniowego łopatek w badanej palisadzie sprężarki - wytrzymałość (doraźna) na rozciąganie - proces zmęczenia palisady sprężarki - naprężenia rzeczywiste rozrywające próbkę - czas pomiędzy impulsami bramkującymi (wirującymi łopatkami) - czas przyjścia łopatki - resurs międzyremontowy silnika - resurs techniczny silnika - czas pomiędzy impulsami zegarowymi w metodzie częstotliwościowej - wskaźnik randomizacji procesu zmęczenia łopatek danej palisady - wydłużenie względne próbki rozciąganej w chwili rozerwania - średni współczynnik magnetostrykcji materiału - podatność magnetyczna - naprężenia eksploatacyjne - naprężenia własne - naprężenia inicjujące zmęczenia VHCF - mechanika uszkadzania ośrodka ciągłego (ang. Continuum Damage Mechanics) - obliczenia dynamiki przepływu (ang. Computational Fluid Dynamics) - częstotliwość drgań własnych łopatki - Agencja Zaawansowanych Obronnych Projektów Badawczych w USA (ang. Defense Advanced Research Projects Agency) - Europejska Konferencja Badań Nieniszczących (ang. (ang. European Conference on Non-Destructive Testing) - komputer pokładowy silnika (ang. Engine Computer Unit) - eksperymentalna analiza modalna (ang. Experimental Modal Analysis) - badania nieniszczące metodą prądów wirowych - Europejski Wirtualny Instytut Wsparcia Oprzyrządowania Turbin Gazowych (ang. European Virtual Institute for Gas Turbine Instrumentation) - w pełni autoryzowany blok cyfrowego sterowania silnika (ang. Full Authorization Digital Engine Control) - metoda elementów skończonych (ang. Finite Element Method) - diagnozowani silnika turbinowego na podstawie obliczeń parametrów termodynamicznych (ang. Gas Path Analysis) - zmęczenie wysokocyklowe materiału (ang. High Cycle Fatigue) 7

8 IMAC - Międzynarodowa Konferencja Analizy Modalnej (ang. International Modal Analysis Conference) IMP PAN - Instytut Maszyn Przepływowych Polskiej Akademii Nauk w Gdańsku IOMAC - Międzynarodowa Konferencja Operacyjnej Analizy Modalne (ang. International Operating Modal Analysis Conference) ITWL - Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych w Warszawie JCF - zmęczenie cykliczne materiału wywołane skokowymi zmianami wytężenia materiału na nieciągłości charakterystyki rezonansowej (ang. Jump Cycle Fatigue) KBWL LP - Komisja Badania Wypadków Lotniczych Lotnictwa Państwowego KBWL MON - Komisji Badania Wypadków Lotniczych Ministra Obrony Narodowej (w 2004 r. przekształcona w Komisję Badania Wypadków Lotniczych Lotnictwa Państwowego, KBWL LP) LCF - zmęczenie niskocyklowe materiału (ang. Low Cycle Fatigue) MPM - metoda magnetycznej pamięci metalu MURI - Międzydyscyplinarne Uniwersyteckie Inicjatywy Badań (ang. Multidisciplinary University Research Initiative) - w monografii dotyczy projektów z obszaru NDT NDT - badania nieniszczące materiału (ang. Non-Destructive Testing) NIMS - Narodowy Instytut Nauk Materiałowych w Japoni (ang. National Institute for Materials Science) NRM - naturalne magnesowanie ferromagnetyka w ziemskim polu magnetycznym (ang. Natural Remanent Magnetisation) NTSB - Narodowe Biuro Bezpieczeństwa Transportu w USA (ang. National Transportation Safety Board) OMA - operacyjna analiza modalna (ang. Operational Modal Analysis) OMAX - operacyjna analiza modalna z kontrolowanym częściowo wymuszeniem (ang. Operational Modal Analysis with exogeneons excitation) PIWG - Grupa Robocza Oprzyrządowania Turbin i Silników w USA (ang. Power Instrumentation Work Group) PHM - zarządzanie prognozowaniem i stanem technicznym konstrukcji (ang. Prognostics and Health Management) PMFT - kontrola jakości struktury materiału metodą wieloczęstotliwościowych prądów wirowych (ang. Prevental MultiFrequency Testing) PROGNOSIS - program badawczy finansowany przez DARPA RPM - prędkość obrotowa na minutę (obr/min) RT - badania nieniszczące metodą radiograficzną RTO NATO - Organizacja Badania Techniki Paktu Północnoatlantyckiego (ang. The NATO Research & Technology Organisation) SHM - monitorowanie stanu technicznego konstrukcji (ang. Structural Health Monitoring) SIL - Służba Inżynieryjno-Lotnicza (użytkownik statków powietrznych) TCF - zmęczenie materiału przez cykle obciążeń cieplnych (ang. Thermal Cycle Fatigue) TCM - metoda monitorowania luzu wierzchołkowego wirujących łopatek sprężarki i turbiny (ang. Tip Clearence Method) TDC - precyzyjny przetwornik czasu na bazie linii opóźniającej (ang. Time to Digital Converter) TTM - metoda monitorowanie maszyny przepływowej na bazie wirującego obserwatora stanu - sygnału z wirujących łopatek sprężarki lub turbiny 8

9 UT VHCF VKI VT WCNDT WMPR WZL-3 (ang. Tip Timing Method) - badania nieniszczące metodą ultradźwiękową - gigacyklowe zmęczenie materiału (ang. Very High Cycle Fatigue) - von Karman Institute for Fluid Dynamics, Belgia - badania nieniszczące metodą wizualną - Międzynarodowa Konferencja Badań Nieniszczących (ang. World Conference on Non-Destructive Testing) - własne magnetyczne pole rozproszenia - Wojskowe Zakłady Lotnicze nr 3 w Dęblinie 9

10 Podziękowanie W tym miejscu składam podziękowanie wszystkim, którzy przez ponad 15 lat pomagali rozwijać ideę aktywnego sterowania zmęczeniem materiału w eksploatacji techniki lotniczej. W szczególności: personelowi Służby Inżynieryjno-Lotniczej jednostek Ministerstwa Obrony Narodowej, Komisji Badania Wypadków Lotniczych MON oraz Dyrekcji i pracownikom Wojskowych Zakładów Lotniczych nr 3 za inspirację tematu i pomoc w przeprowadzaniu eksperymentów biernych; Dyrekcji Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych (ITWL), kolegom i koleżankom z Zakładu Silników Lotniczych ITWL i Instytutu Maszyn Przepływowych PAN za pomoc w realizacji eksperymentów czynnych; firmom Energodiagnostyka sp. z o.o. (Warszawa), BUG Gazobudowa sp z o.o. (Zabrze), CDiDGP sp. z o.o. (Lędziny) i TurboCare sp. z o.o. (Wrocław) za pomoc w badaniach MPM i bezpłatne udostępnienie danych z badań obiektów przemysłowych; partnerom z PIWG i EVI-GTI, w szczególności firmom: Hood Technology (USA), Agilis Measurement System (USA), QinetiQ (Wielka Brytania), MTU Aero Engines (Niemcy) i Rolls-Royce (Wielka Brytania) za forum wymiany doświadczeń metody TTM. Szczególne podziękowania składam prof. Jerzemu Lewitowiczowi z ITWL za osobisty przykład i ciągłe mobilizowanie mnie do rozwoju naukowego; prof. Wiesławowi Ostachowiczowi z IMP PAN w Gdańsku za inspiracje wykorzystania współczesnych możliwości pomiarowych w rozwiązywanym zagadnieniu; prof. Aleksandrowi Schwarzenberg-Czernemu z Centrum Astronomicznego PAN w Warszawie za pomoc w rozwiązywaniu zagadnień nierównomiernego próbkowania; prof. Andrzejowi Szaniawskiemu z Narodowego Centrum Bezpieczeństwa Lotów Transportu Lotniczego w Moskwie za bezpłatne udostępnienie swoich monografii opisujących problemy zmęczeniowe w lotnictwie Rosji oraz współczesną wiedzę z mechaniki zmęczenia i mechaniki pękania materiałów lotniczych. Niniejsza monografia nie powstałaby jednak w tej formie, gdyby nie miłość, cierpliwość i wyrozumiałość mojej żony Magdaleny. Autor 10

11 Mirosław WITOŚ Zwiększenie żywotności silników turbinowych poprzez aktywne diagnozowanie i sterowanie Streszczenie Diagnozowanie stanu technicznego turbinowych silników lotniczych jest jedną z form działalności profilaktycznej, której celem jest m.in. wczesne wykrywanie zagrożenia bezpieczeństwa eksploatacji statków powietrznych. W literaturze spotyka się opisy różnorodnych metod i technik prowadzenia badań diagnostycznych, w tym algorytmów analizy sygnału pomiarowego i zautomatyzowanego wnioskowania diagnostycznego. Tylko część z nich została jednak wdrożona do eksploatacji, wykazując wystarczającą czułość detekcji symptomów diagnostycznych w rzeczywistych warunkach pracy obiektu oraz odporność na rozrzut własności konstrukcyjnych badanych elementów i wpływ błędów ludzkich. Powyższe aspekty pomijane są często w rozważaniach teoretycznych. Większość wdrożonych metod diagnostycznych ukierunkowana jest na detekcję wąskiego problemu, dotyczącego najczęściej oceny bieżącego stanu technicznego krytycznych elementów. Działanie takie, typowe dla metod badań nieniszczących, jest biernym oczekiwaniem użytkownika na skutki monitorowanego procesu zmęczenia, bez rozpoznania rzeczywistych przyczyn. Takie podejście diagnostyczne zmniejsza ryzyko wypadku lotniczego, ale zwiększa również koszty ponoszone przez użytkownika. W celu równoczesnego zmniejszenia ryzyka zmęczenia materiału i kosztów badań profilaktycznych autor zaproponował nowe podejście diagnostyczne. Jego istotą jest detekcja przyczyn przyśpieszonego zmęczenia i aktywne sterowanie zmęczeniem materiału przez użytkownika silnika lotniczego. Autor wykazał, że zmęczenie materiału jest procesem antropotechnicznym, dzięki czemu możliwa jest czynna ingerencja w intensywność niekorzystnych zjawisk dynamicznych na etapie zmian odwracalnych. Nowatorską koncepcję sterowania zmęczeniem materiału autor przedstawił na przykładzie stalowych i tytanowych łopatek sprężarki silników typu SO-3 i TW3-117, bazując m.in. na doświadczeniu zdobytym z ponad 15-letniej współpracy z wojskowym użytkownikiem silników lotniczych i zakładami remontowymi. W analizie problemu badawczego autor uwzględnił obowiązujące systemy eksploatacji silników lotniczych oraz przedstawił typowe przypadki zmęczeniowe, obserwowane w lotnictwie wojskowym i komunikacyjnym. W rozważaniach teoretycznych uwzględnił bimodalny opis krzywej zmęczenia i zjawisko gigacyklowego zmęczenia materiału (VHCF). Opisał ideę nowatorskiego podejścia do problemu zmęczeniowego, przeprowadził rozpoznanie potrzeb badawczych i zdefiniował trzy zadania badawcze, które obejmują wczesną detekcję zagrożenia zmęczeniowego łopatek sprężarki w eksploatacji i remoncie silników oraz kompleksowe diagnozowania silnika na bazie pojedynczego obserwatora stanu. Do realizacji zadań autor dobrał i zweryfikował trzy metody badawcze: magnetyczną pamięć metalu (MPM), eksperymentalną analizę modalną (EMA) i monitorowanie silnika na bazie wirujących łopatek (TTM), do których przedstawił opis teoretyczny i wykorzystywane zjawiska fizyczne. Na podstawie licznych eksperymentów biernych i czynnych przeprowadzonych na statystycznie wiarygodnej populacji silników autor wykazał praktyczną możliwość realizacji koncepcji aktywnego sterowania zmęczeniem. Metody EMA i TTM zostały wdrożone w Polsce do technologii remontu i eksploatacji silników lotniczych. 11

12 Mirosław WITOŚ Increasing the durability of turbine engines through active diagnostics and control Summary Diagnosing the health of turbine aircraft engines is a form of preventive activity which is aimed at, among others, for the early detection of safety hazards in aircraft operation. The subject literature presents several methods and techniques of performing diagnostic research, including measurement signal analysis algorithms and automated diagnostic reasoning. Only some of these methods have been implemented into operation, demonstrating a sufficient detection sensitivity of diagnostic symptoms encountered in actual service conditions, as well as demonstrating a sufficient resistance to the scatter of structural properties, and also to the influence of human error. These aspects are frequently neglected in theoretical considerations. Most of the implemented diagnostic methods are focused only on the detection of a problem narrow in scope, most often related to the actual technical condition of critical components. Such manner of action, typical for the Non Destructive Inspection methods, is a form of passive anticipation of the effects of the monitored fatigue process, without recognizing its underlying causes. Such a diagnostic approach reduces the risk of an air accident, but also increases the costs borne by the operator. In order to simultaneously reduce the risk of material fatigue, as well as the costs of preventive testing and research, author has proposed a new diagnostic approach. Its essence is the detection of causes of accelerated fatigue, as well as the active control of material fatigue. Author has shown that material fatigue is an anthropotechnical process, therefore it is possible to control the intensity of adverse dynamic phenomena - still at the stage of reversible changes. The novel concept of fatigue control has been presented and based on the example of steel and titanium compressor blades of the SO-3 and TW3-117 engines and utilizing the author s over 15 year-long experience gained in cooperating with the military operator of aircraft engines and with the repair facilities. In analyzing the problem, the author took into account the existing aircraft engine maintenance systems, and has showcased typical fatigue cases, observed in military as well as civil aviation. In his theoretical considerations the author included the bimodal description of the fatigue curve, as well as the phenomenon of giga-cycle fatigue (Very High Cycle Fatigue VHCF). In the paper, author described the idea of an innovative approach to the problem of fatigue, identified the research requirements, and also defined three research tasks, which include early detection of fatigue risks in compressor blades during operation and overhaul, as well as a complex engine diagnostics system based on a single state observer. Author has selected and verified three research methods needed for carrying out these tasks: Metal Magnetic Memory (MPM), Experimental Modal Analysis (EMA) and rotating blades-based engine monitoring (TTM), for which methods he provided a theoretical description, and also presented the accompanying physical phenomena. Based on a number of passive and active experiments performed on statistically reliable population of engines, the author has presented a practical ability of implementing the concept of active fatigue control. The EMA and TTM methods have been introduced in Poland for the overhaul and maintenance technology of aircraft engines. 12

13 1. WSTĘP Wraz z zakończeniem zimnej wojny i zmniejszeniem budżetów na zbrojenie coraz większy problem w lotnictwie wojskowym na świecie stwarzają aspekty bezpiecznej eksploatacji starzejącej się techniki [ ,235,237,238]. Dotyczą one m.in. wiarygodnego diagnozowania narastającego zmęczenia materiału turbinowych silników lotniczych. Istotną rolę w bezpiecznej i ekonomicznie uzasadnionej eksploatacji starzejącej się techniki lotniczej odgrywają nowe metody badawcze [1], które udostępniają wiarygodną wiedzę o rzeczywistym stanie obiektu, nawet w przypadku nieznanej historii jego eksploatacji (wytężenia) i małej powtarzalności cech konstrukcyjnych w populacji. Metody diagnozowania wczesnej fazy zmęczenia materiału są rozwijane w państwach NATO i byłego Układu Warszawskiego. Uzyskane doświadczenia i nowe możliwości bezpiecznej eksploatacji starzejącej się techniki znajdują coraz szersze zastosowanie również w lotnictwie cywilnym i różnych gałęziach gospodarki narodowej. Podczas eksploatacji silników lotniczych zachodzi ciągły proces zużywania zmęczeniowego materiału podzespołów i elementów, który ujawnia się m.in. w postaci pęknięcia lub urwania pióra łopatki sprężarki głównego obiektu badań niniejszej rozprawy. Zdarzenia takie stwarzają poważne zagrożenie bezpieczeństwa eksploatacji statku powietrznego, dlatego odpowiedzialny użytkownik próbuje wcześnie identyfikować ten problem. W tym celu podejmuje działania profilaktyczne przy pomocy klasycznych metod badań nieniszczących (NDT) i specjalizowanych systemów diagnostycznych. Podstawową wadą badań NDT jest skupienie uwagi badacza tylko na skutkach zmęczenia symptomach świadczących o trwałych zmianach w materiale, które obserwuje się w chwili wykonywania badania, np. detekcja otwartego pęknięcia. Badania NDT nie są wykonywane w celu identyfikacji i zrozumienia nieznanego problemu zmęczeniowego, m.in. oceny rzeczywistych warunków wytężenia pióra łopatki. W efekcie, diagnoza z badań NDT (często kosztownych) nie umożliwia wiarygodnego prognozowania stanu technicznego badanego elementu. Uzupełnieniem metod NDT są systemy monitorowania parametrów pracy, na podstawie których przeprowadzane jest wnioskowanie diagnostyczne o stanie technicznym i energetycznym silnika. W klasycznych rozwiązaniach, np. w rejestratorach pokładowych i metodzie diagnozowania silnika na bazie parametrów termodynamicznych (GPA) [9,109,182,183,234, 239,332,338] stosowane są wielokanałowe tory pomiarowe i algorytmy analizy sygnału. Wnioskowanie diagnostyczne danych z rejestratora pokładowego bazuje najczęściej na porównaniu zmierzonej wartości danego parametru z prostymi kryteriami oceny. Stosowane kryteria zaniedbują wzajemne zależności istniejące pomiędzy parametrami, w efekcie czego część zarejestrowanej informacji diagnostycznej jest świadomie tracona [355]. Tylko w GPA nadmiarowa informacja z wielu kanałów pomiarowych (redundancja) wykorzystywana jest do diagnozowania toru pomiarowego i zwiększenia wiarygodności diagnozy. Nieliczne systemy monitorujące są przeznaczone do jednoczesnego diagnozowania warunków pracy silnika i narastającego zmęczenia materiału wybranych elementów krytycznych. Przykładem są rozwiązania rozwijane w USA w ramach programu PROGNOSIS [156,203,248,328] czy system diagnostyczny SNDŁ-1b/SPŁ-2b [306], opracowany w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych (ITWL) dla silnika typu SO-3 z samolotu TS-11 Iskra, którego ideę opisano w dalszej części monografii. Równoległa obserwacja warunków wytężenia materiału (przyczyny zmęczenia) i symptomów narastającego zmęczenia (skutków) umożliwia podjęcie kompleksowych działań profilaktycznych, zaproponowanych przez autora w niniejszej rozprawie, mających na celu aktywne sterowanie zmęczeniem materiału. Koncepcja autora jest przeniesieniem doświadczeń z obszaru automatyki (sterowanie zjawiskami dynamicznymi) do diagnostyki [59,131,233,236,244,274], z uwzględnieniem współczesnych możliwości pomiarowych 13

14 i doświadczeń z obszaru analizy sygnałów, wytrzymałości materiałów, CDM i mechaniki pękania [45,204,267,285,286,291,389]. Zainteresowania autora tematyką aktywnego sterowania zmęczeniem materiału sięgają początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku. Autor jako młody naukowiec i członek Komisji Badania Wypadków Lotniczych MON (KBWL MON) wielokrotnie spotykał się z przypadkami zmęczeniowego uszkodzenia krytycznych elementów samolotu, w tym łopatek sprężarki turbinowych silników lotniczych. Każde takie zdarzenie nurtowało autora, wywołując pytanie: Czy musiało zaistnieć zmęczeniowe pęknięcie lub urwanie? W celu uzyskania odpowiedzi na powyższe pytanie autor podjął szeroko zakrojone prace badawcze, obejmujące trzy metody diagnozowania wczesnej fazy zmęczenia materiału. Pierwsze prace autora dotyczyły doboru metody obserwacji narastającego zmęczenia materiału na rzeczywistym obiekcie badań w eksploatacji. Autor zastosował metodę wirującego obserwatora stanu (TTM) [240,388], która jest specjalizowaną aplikacją operacyjnej analizy modalnej (OMA) i operacyjnej analizy modalnej z kontrolowanym częściowo wymuszeniem (OMAX) [167]. Eksperymentalna analiza modalna stanowi podstawową technikę identyfikacji parametrów modalnych nieznanego obiektu badań (obiektu typu czarna skrzynka ), w tym: - wartości częstotliwości drgań własnych, - wartości współczynników tłumienia, - postaci drgań własnych z lokalizacją linii węzłowych (rejonów zwiększonego zagrożenia zmęczeniowego). Analiza modalna jako część teorii drgań oraz identyfikacji układów jest opisywana w wielu klasycznych podręcznikach [133,220]. Badania naukowe związane z eksperymentalną analizą modalną obejmują tematykę: eksperymentu modalnego, przetwarzania sygnałów pomiarowych, estymacji parametrów oraz zastosowania jej w monitoringu i diagnostyce maszyn do detekcji uszkodzeń, sterowania drganiami, modelowania drgań nieliniowych [90,119,241,243,289,326]. Wyniki badań modalnych są używane również do oceny modeli sformułowanych za pomocą metody elementów skończonych [91,128,168,330]. Od wielu lat w kraju i zagranicą istnieją warunki do wymiany doświadczeń z obszaru analizy modalnej. Od 1976 r. w Leuven w Belgii odbywa się Międzynarodowe Seminarium Analizy Modalnej (ISMA) [437], organizowane przez Wydział PMA Katolickiego Uniwersytetu w Leuven. Obecnie konferencja odbywa się co dwa lata (w latach parzystych), natomiast co roku organizowany jest kurs eksperymentalnej analizy modalnej. Od 1982 r. Society of Experimental Mechanics [453] organizuje Międzynarodową Konferencję Analizy Modalnej (IMAC), która zazwyczaj odbywa się w Stanach Zjednoczonych. Wydawnictwo Elsevier wydaje czasopismo Mechanical Systems and Signal Processing, które jest najbardziej znanym periodykiem z tematyki eksperymentalnej analizy modalnej. W 1998 r. NATO Advanced Study Institute zorganizował kurs Modal Analysis and Testing, którego celem było umożliwienie dyskusji ekspertom i młodym naukowcom [289]. W roku 2005 rozpoczął się cykl Międzynarodowych Konferencji Operacyjnej Analizy Modalnej (IOMAC), zainicjowany przez duński uniwersytet w Aalborgu i firmę SVS [456]. Tematyka analizy modalnej jest jednym z głównych zagadnień European Workshop on Structural Health Monitoring, którego czwarta edycja odbyła się w Krakowie w 2008 r. W Internecie dostępne są również bezpłatne e-seminaria i kursy przybliżające podstawy eksperymentalnej analizy modalnej, organizowane przez czołowych producentów aparatury diagnostycznej, m.in. firmę Brüel&Kjær [423]. Krajowym forum wymiany doświadczeń jest coroczna Szkoła Analizy Modalnej organizowana od 1995 r. przez Katedrę Robotyki i Mechatroniki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie [241,243]. Wszystkie wyższe uczelnie techniczne i jednostki 14

15 badawczo-rozwojowe w Polsce posiadają wysoko wykwalifikowanych specjalistów stosujących analizę modalną w swoich pracach naukowych i badawczych. Analiza modalna jest stosowana również w przemyśle. Metoda wirującego obserwatora stanu jest używana podczas badań fabrycznych oraz eksploatacji silników lotniczych i turbin energetycznych. Bezdotykowemu diagnozowaniu podlegają wirujące łopatki sprężarki lub turbiny [417,425,435,440,452]. Metoda jest rozwijana m.in. przez partnerów Propulsion Instrumentation Work Group (PIWG) [448] i European Virtual Institute for Gas Turbine Instrumentation (EVI-GTI) [429], z zachowaniem zasad komercjalizacji know-how, co ogranicza dostępność do szczegółów stosowanych algorytmów analizy sygnału. Ograniczonym forum wymiany doświadczeń TTM są m.in. konferencje monotematyczne organizowane przez PIWG i EVI-GTI, konferencje RTO NATO oraz liczne publikacje w zagranicznych czasopismach, m.in. [14,71,77,93,114, 116,120,127,139,272,273,342,406]. W 2007 r. EVI-GTI i von Karman Institute for Fluid Dynamics zorganizowały kurs Tip Timing and Tip Clearance Measurements in Turbomachines [240]. W Polsce metoda TTM rozwijana jest od ponad 30 lat tylko w ITWL [87,151,228,251,313,316,317,350,388]. Podstawowe badania eksperymentalne przy pomocy TTM autor ukierunkował na pozyskanie wiedzy o rzeczywistych właściwościach modalnych wirujących łopatek I stopnia sprężarki silnika SO-3 i warunkach ich pracy; wiedzy niezbędnej do wiarygodnego diagnozowania stanu energetycznego i technicznego łopatek na rzeczywistym obiekcie badań oraz prognozowania ich trwałości eksploatacyjnej z uwzględnieniem rozrzutu właściwości modalnych wywołanych tolerancją wykonania. W tym celu autor napisał oprogramowanie do urządzenia SAD-2 [301] oraz brał udział w licznych eksperymentach czynnych i biernych. Efektem tych prac badawczych była identyfikacji wiarygodnych symptomów diagnostycznych, w tym symptomów pękającej łopatki; współudział w opracowaniu koncepcji systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b; opracowanie algorytmów i oprogramowania doradczoeksperckiego [411] oraz udział we wdrożeniu ww. systemu diagnostycznego do eksploatacji samolotów TS-11 Iskra. Podsumowaniem tego okresu prac była rozprawa doktorska [350]. Po wdrożeniu systemu diagnostycznego autor przez ponad 15 lat rozwijał i promował metodę TTM w kraju i na świecie, m.in. [66,275,305,309,313,315,352,354,363] oraz wspierał użytkownika samolotów TS-11 Iskra, analizując dane TTM, identyfikując metodami statystycznymi nowe niebezpieczne zjawiska dynamiczne i związki przyczynowo-skutkowe, w tym błędy ludzkie, najłatwiejsze i najtańsze do korekcji [318,321,351]. Na podstawie analizy danych z całorocznej eksploatacji pełnej populacji silników typu SO-3 i bezpośrednich kontaktów z personelem Służby Inżynieryjno-Lotniczej (SIL) autor spojrzał na zagadnienia zmęczeniowe łopatek sprężarki z innej strony. Zauważył, że przyśpieszone zmęczenie materiału wynika z jakości działania całego układu antropotechnicznego (procesu produkcji, eksploatacji, remontu i nadzoru), a nie tylko jakości identyfikacji stanu technicznego łopatki (skuteczności metod badań nieniszczących). Wskazał nową, ekonomicznie uzasadnioną drogę podejścia do problemu możliwość aktywnego sterowania procesem zmęczenia łopatki, a nie oczekiwania na pojawienie się pęknięcia czy urwanie pióra łopatki w okresie międzyremontowym. Uszkodzenie zmęczeniowe łopatki zaistniałe w eksploatacji jest bowiem zawsze stratą finansową dla użytkownika i realnym zagrożeniem dla życia pilota. W 1997 r. autor opracował wersję czasu rzeczywistego TTM na bazie karty pomiarowej CTM-PER firmy Keithley Instruments, wdrożoną w Wojskowych Zakładach Lotniczych nr 3 w Dęblinie (WZL-3) do technologii prób zdawczych i kontrolnych silników typu SO-3. W ten sposób rozszerzono analizowaną strukturę przyczynowo-skutkową zmęczenia stalowych łopatek o aspekty remontu silnika. Obniżenie ryzyka zmęczenia materiału łopatki wymagało holistycznego podejścia do problemu. Autor zaproponował identyfikację związków przyczynowo-skutkowych na 15

16 podstawie sygnału TTM i filozofii medycyny Dalekiego Wschodu [38,102]. Do identyfikacji i eliminacji przyczyn przyśpieszonego zużycia zmęczeniowego materiału, m.in. błędów niewłaściwej regulacji układu paliwowego [147,317], mających bezpośredni wpływ na poziom i widmo drgań łopatek oraz nietypowe obciążenie ułożyskowania wirnika, autor opracował niezbędne oprogramowanie eksperckie [411], uczestniczył w licznych eksperymentach czynnych i szkoleniu personelu technicznego użytkownika. Brał również udział w komisyjnych demontażach uszkodzonych silników typu SO-3, weryfikując symptomy TTM z rzeczywistym stanem technicznym silnika. Weryfikacja nowych reguł eksploatacji silnika typu SO-3 realizowana była również przez autora w ramach prac KBWL MON. Efekt tych działań, odwzorowany m.in. w podwyższeniu kultury technicznej obsług i remontu, wyeliminowaniu zjawiska niestabilnej pracy sprężarki (pompażu) i zmęczeniowego pękania łopatek I stopnia sprężarki z procesu eksploatacji silnika typu SO-3 ma szczególne znaczenie w dorobku autora. Doświadczenia TTM zdobyte na silniku typu SO-3 autor wykorzystał do diagnozowania innych silników. Podczas badań kwalifikacyjnych silnika K-15 wykonał pomiary i analizę właściwości modalnych łopatek I i II stopnia sprężarki - łopatek wykonanych ze stopu tytanu. Zaproponował rozszerzony model diagnozowania układu paliwowego silników jedno- i dwuwałowych przy pomocy składowej aperiodycznej sygnału TTM, który zweryfikował dla silników K-15, AŁ-21F3, RD-33 i M-601T. Wskazał również na możliwość wykorzystania informacji o rozkładzie błędów podziałki i cech portretu fazowego prędkości obrotowej silnika do automatycznej weryfikacji danych pomiarowych uzyskanych w rozproszonych systemach eksploatacji działanie zmniejszające ryzyko błędnej diagnozy z przyczyn ludzkich. Wraz z rozwojem technik pomiarowych i zwiększeniem rozdzielczości pomiaru czasu (z 200 ns dla SAD-2, 100 ns dla SPŁ-2b/karty CTM-PER do 12,5 ns dla karty PCI-6602 firmy National Instrument) autor dostrzegł wpływ niedoskonałości istniejącego modelu matematycznego TTM i stosowanych algorytmów analizy sygnału dyskretnego na jakość rozwiązania zagadnienia odwrotnego identyfikację składowych sygnału TTM. Podjęte przez autora prace badawcze w ramach projektu badawczego MNiSW nr O N ukierunkowane były na poprawę opisu matematycznego metody TTM i numeryczne rozszerzenie jej możliwości funkcjonalnych, z uwzględnieniem potrzeb sterowania zmęczeniem materiału łopatek sprężarki i kompleksowego diagnozowania silnika. Badania uwzględniały wpływ specyfiki metody TTM (nierównomierne próbkowanie) na aspekty doboru metod analizy sygnału dyskretnego oraz informacje o pracach rozwojowych prowadzonych w ITWL i zagranicznych ośrodkach naukowo-badawczych skupionych w EVI-GTI i PIWG. W opracowanym opisie metody TTM autor uwzględnił również nowe możliwości metrologiczne precyzyjnego pomiaru czasu rozdzielczość rzędu 50 ps uzyskiwaną przy pomocy współczesnych układów TDC. Wyniki tych prac zostały opisane w niniejszej monografii. W dorobku autora, zagadnienia dotyczące zastosowania TTM do kompleksowego diagnozowania silnika lotniczego i sterowania zmęczeniem materiału przedstawiają prace [363,369,374,377,388]. Szczególną rangę naukową, potwierdzającą światowy poziom doświadczeń autora w tematyce TTM, miał cykl zamówionych wykładów wygłoszonych w von Karman Institute for Fluid Dynamics (Belgia) na kursie Tip Timing and Tip Clearance Measurements in Turbomachines [ ]. W jednym z wykładów autor wskazał na znaczenie eksperymentalnej analizy modalnej w uwiarygodnieniu symptomów metody TTM. Wiarygodna identyfikacja wczesnej fazy zmęczenia materiału (fazy cyklicznego umocnienia i osłabienia) oraz dynamiki pękania stalowych i tytanowych łopatek nie byłaby możliwa, gdyby nie eksperymentalne badania modalne (EMA) [167]. W latach autor wykonał precyzyjne pomiary modalne łopatek stalowych i tytanowych na 16

17 skomputeryzowanym stanowisku prób zmęczeniowych WZL-3. Wśród uzyskanych wyników badań, wykonanych w paśmie do 4 khz głowicą laserową LTC firmy MTI Instruments [439], szczególne znaczenie w dorobku autora ma: udokumentowanie zmian właściwości modalnych łopatek w kolejnych fazach zmęczenia materiału, rozpoznanie wpływu typu materiału na symptomy pęknięcia, rozpoznanie wpływu nieliniowości struktury wywołanej pęknięciem na dynamikę propagacji pęknięcia (m.in. zjawisko JCF) i analiza statystyczna właściwości modalnych remontowanych łopatek. Wyniki badań, opracowane przez autora w postaci metodyki i oprogramowania własnego, zostały wykorzystane do obiektywnej kontroli stanu technicznego łopatek I stopnia silników typu TW3-117, realizowanej w ramach profilaktyki powypadkowej. W 2008 r. metodyka została wdrożona w WZL-3 do technologii remontu silnika typu TW3-117, rozszerzając analizowaną strukturę przyczynowo-skutkową o zagadnienia zmęczenia łopatek tytanowych. Przy współpracy z Instytutu Maszyn Przepływowych PAN (IMP PAN) autor udokumentował możliwość szerokopasmowej identyfikacji właściwości modalnych łopatek słabo utwierdzonych. Do pobudzenia drgań w paśmie do 20 khz zastosowano przetwornik piezoelektryczny nalepiany na pióro łopatki i sterowany z generatora małej mocy, a obserwację drgań prowadzono za pomocą laserowej głowicy skanującej z efektem Dopplera typu PSV-400 firmy Polytec [450]. Szerokopasmowa identyfikacja częstotliwości rezonansowych i postaci drgań słabo utwierdzonych łopatek sprężarki jest szczególnie istotna podczas identyfikacji przyczyny ich uszkodzenia, która odbywa się na silniku lub po demontażu przy braku uchwytów technologicznych. Jest również niezbędna do analizy wpływu rzeczywistego utwierdzenia łopatki na niekorzystne zjawiska dynamiczne, np. flatter. W dorobku autora, zagadnienia dotyczące zastosowania EMA do identyfikacji i weryfikacji symptomów diagnostycznych wczesnej fazy zmęczenia materiału i pęknięcia, niezbędnych do wiarygodnego i kompleksowego diagnozowania silnika lotniczego oraz aktywnego sterowania zmęczeniem materiału, prezentują prace [368, ]. Zastosowanie nowych symptomów diagnostycznych EMA do lepszej interpretacji wyników TTM autor przedstawił w pracach [ ,388]. Metody TTM i EMA nie wyczerpują możliwości wczesnej identyfikacji zmęczenia materiału łopatek w eksploatacji. Do szybkiej, bezdotykowej lokalizacji podwyższonego ryzyka zmęczenia stalowych łopatek autor zastosował metodę magnetycznej pamięci metalu (MPM) [72,81-83,169,288,337,341], wykonując cykl badań w latach Metoda MPM bazuje na informacjach generowanych przez efekty kwantowo-spinowe, modyfikowane w ferromagnetyku m.in. przez koncentrację dyslokacji i naprężeń własnych oraz przemiany fazowe struktury. Magnetyczna pamięć metalu jest pomocniczą metodą badań nieniszczących stosowaną w przemyśle od ponad 40 lat, znaną w literaturze również pod nazwą Natural Remanent Magnetization (NRM). Forum wymiany wiedzy o możliwościach MPM są światowe i europejskie konferencje badań nieniszczących (WCNDT, ECNDT) oraz monotematyczne konferencje organizowane co dwa lata w Moskwie przez firmę Energodiagnostyka. Na podstawie przeprowadzonych badań, realizowanych przy współpracy z firmą Energodiagnostyka Sp. z o.o. w Warszawie, oraz analizy doświadczeń dotychczasowych użytkowników MPM w kraju i za granicą autor wykazał, że metoda MPM może być również efektywnie wykorzystana w lotnictwie. Metoda umożliwia m.in. szybką bezdotykową identyfikację zagrożonych palisad i łopatek poprzez kadłub sprężarki, detekcję zamkniętych pęknięć oraz badanie związków przyczynowo-skutkowych pomiędzy efektami magnetomechanicznymi a symptomami TTM. Ten etap pracy wpisuje się we współczesne trendy programów badawczych z obszaru mechaniki pękania i doskonalenia metod badań nieniszczących, np. program MURI (finansowany przez Air Force Office of Scientific Research) [199] czy PROGNOSIS [248] (finansowany przez DARPA). Uzyskane wyniki 17

18 badań MPM umożliwiają zwiększenie skuteczności rozpoznania bieżącego stanu technicznego i wiarygodności prognozowania stanu technicznego łopatek sprężarki oraz innych elementów krytycznych silnika wykonanych z materiałów ferromagnetycznych. W dorobku autora, zagadnienia dotyczące zastosowania MPM do identyfikacji i weryfikacji symptomów diagnostycznych wczesnej fazy zmęczenia i pęknięcia, przydatnych do kompleksowego diagnozowania silnika lotniczego i sterowania zmęczeniem materiału zawierają prace [381,383,384]. Doświadczenia autora wskazują na to, że największe zapotrzebowanie na kompleksowe diagnozowanie i aktywne sterowanie zmęczeniem materiału występuje w lotnictwie i technice wojskowej. Problemy bezpiecznej eksploatacji starzejącej się techniki są jednym z aktualnych tematów wspieranych przez Organizację Badań Techniki (RTO) NATO. Niemniej jednak aspekty ekonomiczne aktywnego sterowania zmęczeniem materiału (niski koszt wdrożenia koncepcji i obniżenie kosztów eksploatacji) sprawiają, że opisywaną tematyką są zainteresowane również podmioty gospodarcze z branży energetycznej i chemicznej. Autor jako kierownik projektu realizował grant badawczy MNiSW O N Diagnozowanie turbinowego silnika lotniczego i aktywne sterowanie procesem zmęczenia materiału na podstawie analizy drgań i właściwości modalnych wirujących łopatek sprężarki. Na przykładzie silnie wytężonych elementów silnika lotniczego łopatek sprężarki autor udokumentował hipotezę i cel pracy, wskazując jednocześnie na możliwość przeniesienia opisywanej koncepcji na inne elementy maszyn i urządzeń. Wyników projektu dotyczą m.in. sprawozdania wewnętrzne ITWL (niepublikowane) [ ,370, ], publikacje [ , ,381,383,384] i niniejsza monografia Charakterystyka zagadnień opisanych w monografii (cel i zakres badań) Doświadczenie autora zdobyte podczas długoletniej pracy badawczej w ITWL i KBWL MON pokazało, że jest możliwa bezpieczna eksploatacja starzejącej się techniki lotniczej, nawet w przypadku istnienia nieskorygowanych błędów konstrukcyjnych. Coraz trudniejsze problemy diagnostyczne są możliwe do rozwiązania przy pomocy coraz lepszych narzędzi pomiarowych i metod analizy numerycznej. Problemy napotykane w czasie realizacji eksperymentów czynnych i biernych oraz dyskusje z personelem SIL, realizującym badania diagnostyczne w rzeczywistych warunkach eksploatacji, wskazały konieczność zwiększenia stosowanego zakresu procedur obiektywnej oceny stanu energetycznego i technicznego łopatek sprężarki i silnika. Podobne spostrzeżenia zgłaszał personel zarządzający i techniczny zakładu remontowego WZL-3. Zwiększenie zakresu algorytmizacji badań jest niezbędne do rozwiązania najtrudniejszych problemów: diagnostycznych podejmowania decyzji obciążonych ewentualną odpowiedzialnością karną ( Kodeksu Karnego, Dz. U nr 88 poz. 553), przy presji przełożonych i oddziaływaniu czynników ekonomicznych; logistycznych zarządzania starzejącą się flotą z zapewnieniem terminowej realizacji zaplanowanych zadań. Optymalny dobór nowych metod diagnostycznych i zwiększenie algorytmizacji procedur daje podstawy do obiektywnego wspomagania podejmowania decyzji, zarówno przez personel techniczny bezpośrednio wykonujący badania diagnostyczne, jak również przez personel zarządzający. Prace dotyczące algorytmizacji procedur diagnostycznych na bazie danych TTM autor prowadził w ramach opracowania, wdrażania i nadzorowania eksploatacji systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b oraz niniejszego projektu. W pracy [350] autor sformułował metodykę oceny stanu energetycznego i technicznego wirujących łopatek I stopnia sprężarki silników typu SO-3 przy pomocy TTM, wyznaczając m.in. symptomy diagnostyczne rezonansu synchronicznego i asynchronicznego łopatek czy pęknięcia pióra. Określił również 18

19 wskaźniki statystyczne wiarygodności diagnozy realizowanej za pomocą TTM, w tym diagnozy pęknięcia pióra łopatki realizowanej na bazie identyfikacji położenia hodografu rezonansu synchronicznego i oszacowania częstotliwości I modu. W pracy [321] autor przedstawił metodykę i wyniki identyfikacji układu paliwowego silnika SO-3 na bazie eksperymentu monoselekcyjnego. Doświadczenia z eksperymentów biernych całorocznej obserwacji pełnej populacji silników SO-3, oraz eksperymentów czynnych prób stoiskowych w ITWL i WZL-3, zostały zaimplementowane przez autora w oprogramowaniu SPŁ-2b w postaci algorytmów eksperckich i doradczych [411]. Opracowane oprogramowanie kontroluje poprawność wprowadzanych danych przez operatora (opis obiektu badań i warunków otoczenia) oraz prowadzi automatyczne wpisy do ukrytych i szyfrowanych dzienników pracy (logów systemu), umożliwiając okresową kontrolę jakości eksploatacji systemu diagnostycznego przez użytkownika (m.in. czy komunikaty o istniejącym zagrożeniu lub błędach zostały skorygowane przez użytkownika?), rozwiązując tym samym podstawowy problem diagnostyczny. Oprogramowanie klasyfikuje stan energetyczny i techniczny łopatek. Przy braku przeciwwskazań do dalszej eksploatacji silnika, np. pęknięcia pióra, oprogramowanie określa horyzont prognozy (5010; 255; 12,52,5 godzin pracy silnika) w zależności od: a) poziomu ryzyka zmęczenia łopatek: LCF: określonego na podstawie poziomu wymuszeń i odstrojenia łopatek od rezonansu synchronicznego na zakresie startowym i przelotowym; HCF: określonego na podstawie poziomu drgań łopatek w zakresie wymuszeń asynchronicznych; b) jakości regulacji i stanu technicznego układu paliwowego; c) natężenia zjawisk dynamicznych, na które narażony jest układ łożyskowania wirnika. W ten sposób oprogramowanie SPŁ-2b wspiera zarządzanie flotą samolotów TS-11 Iskra, służąc jednocześnie użytkownikowi radą, co można zrobić, aby zmniejszyć zagrożenie zmęczeniowe. Wdrożenie i wyniki ponad 15-letniej eksploatacji systemu SNŁ-1b/SPŁ-2b zburzyły dotychczasowy mit, że: Pęknięcia zmęczeniowe były w lotnictwie, są i będą, a użytkownik nie ma na to wpływu. Uświadomiły również, że większość problemów zmęczeniowych wynika z błędów ludzkich i źle rozumianych aspektów ekonomicznych. Doświadczenia z eksploatacji systemu SNDŁ-1b/SPŁ-2b autor uwzględnił w opracowaniu nowych procedur, które m.in. rozszerzają zakres analizy danych na fazę rozruchu i dobiegu silnika oraz analizę drgań łopatek z dowolnego stopnia sprężarki czy turbiny. Prace dotyczące algorytmizacji procedur diagnostycznych na bazie danych EMA autor prowadził w WZL-3 w ramach działalności profilaktycznej silników typu TW Również w tym przypadku okazało się, że jest możliwa algorytmizacja pomiarów i decyzji diagnostycznych. Spostrzeżenia i metodyka obiektywnych badań stanu technicznego tytanowych łopatek I stopnia sprężarki zostały wdrożone do technologii remontu silnika. Niniejsza monografia stanowi podsumowanie dotychczasowych prac badawczych autora, realizowanych w dwóch zakładach naukowo-badawczych ITWL (Zakładzie Silników Lotniczych i Zakładzie Niezawodności i Bezpieczeństwa Eksploatacji Techniki Lotniczej), dotyczących kompleksowego diagnozowania silnika lotniczego na bazie drgań łopatek i aktywnego sterowania zmęczeniem materiału łopatek sprężarki (pośrednio również innych elementów krytycznych silnika). Motywacja podjęcia tematu ma źródło przede wszystkim w problemach eksploatacyjnych i remontowych silników lotniczych, wyrażonych m.in. stratami materialnymi użytkownika (wynikającymi z awaryjnego uszkodzenia silnika i jego przedwczesnego remontu lub kasacji). Motywacja ta została zaszczepiona autorowi przez ponad 12-letnią pracę 19

20 w KBWL MON, podczas której autor wielokrotnie spotykał się z przypadkami zmęczeniowego uszkodzenia elementów krytycznych. Praca w miejscach wypadków lotniczych sprawiła również, że autor chciał choćby w małej części przyczynić się do zmniejszenia liczby katastrof lotniczych, którym towarzyszy śmierć pilotów i ból osób po stracie ojca/kolegi. Drugim źródłem motywacji były dyskusje z technikami i inżynierami bezpośrednio odpowiedzialnymi za eksploatację i remont silników, którzy zgłaszali potrzebę nowych metod i algorytmizacji procedur badawczych. Z ich punktu widzenia użytkownikowi niezbędne są narzędzia do obiektywnej kontroli stanu silnika, umożliwiające m.in. bezpieczną eksploatację starzejącej się techniki, w tym wiarygodne wydłużenie okresu zdatności eksploatacyjnej silnika oraz rozdzielenie odpowiedzialności karnej za ewentualne zaniechania i błędy ludzkie. Trzecim źródłem motywacji jest misja naukowa autora, wynikająca z celu statutowego ITWL (naukowego wsparcia eksploatacji), wyrażona przez doświadczenie zdobyte podczas realizacji prac służbowych i własne przemyślenia. W związku z tym autor postanowił podjąć badania mające na celu opracowanie koncepcji i metodyki aktywnego sterowania zmęczeniem materiału elementów krytycznych oraz wsparcia kompleksowej analizy stanu technicznego silnika lotniczego, w zakresie wykraczającym poza spotykane obecnie rozwiązania. Istotą opracowanej koncepcji jest wczesna identyfikacja zagrożenia zmęczeniowego, aktywne ingerowanie w poziom obciążeń eksploatacyjnych i wspomaganie podejmowania decyzji w trakcie rzeczywistej eksploatacji silnika, na bazie magnetycznej pamięci metalu i analizy modalnej (eksperymentalnej i operacyjnej) oraz filozofii medycyny Dalekiego Wschodu. Punktem wyjścia realizacji sformułowanego celu pracy była analiza obszernej bazy danych eksperymentalnych oraz określenie potrzeb i możliwości badawczych, w tym automatyzacji poszczególnych etapów badań eksperymentalnych. Następnie autor zapoznał się z doświadczeniami innych ośrodków naukowych i autorów w obszarze mechaniki pękania, wytrzymałości materiałów, medycyny, diagnozowania maszyn wirnikowych, technik pomiarowych i analiz numerycznych. Na koniec autor zweryfikował eksperymentalnie możliwości badawcze i hipotezę pracy. Określił również kierunki prac badawczych, których kontynuacja jest uzasadniona, w celu doskonalenia efektów wynikających z hipotezy pracy. Niniejsza praca składa się z dziewięciu rozdziałów, których krótką charakterystykę podano poniżej. W rozdziale drugim przedstawiono zasady eksploatacji techniki lotniczej oraz problemy eksploatacyjne silników lotniczych spotykane zarówno w lotnictwie wojskowym, jak i komunikacyjnym. Uwagę skupiono na zmęczeniu łopatek sprężarki, które stwarza zagrożenie bezpieczeństwa eksploatacji statku powietrznego. Wskazano na rolę zasad eksploatacji silnika w diagnozowaniu łopatek. W rozdziale trzecim przedstawiono podstawy teoretyczne zmęczenia materiału łopatki w ujęciu klasycznym i współczesnym (bimodalnej krzywej zmęczenia). Zwrócono uwagę na aspekty wytężenia i zmęczenia materiałów polikrystalicznych, w tym stopów na osnowie żelaza. Przedstawiono możliwe scenariusze rozwoju zmęczenia w materiale łopatki sprężarki, w tym zmęczenia w zakresie gigacykli (VHCF) inicjowane wewnątrz materiału. Wskazano na potrzeby badawcze, uwzględniając spostrzeżenie, że bezpieczna eksploatacja silnie wytężonych łopatek sprężarki wymaga ingerencji użytkownika w poziom wymuszeń. W rozdziale czwartym zdefiniowano trzy zadania cząstkowe oraz hipotezę pracy. W poszczególnych zadaniach cząstkowych opisano cel proponowanej działalności profilaktycznej, odbiorcę oraz realia realizacji zadania. Omawiając zagadnienia procesu diagnostycznego, wskazano na rolę błędów statystycznych I IV rodzaju w zapewnieniu wiarygodności podejmowanej profilaktyki. Określono wymogi wiarygodnego i kompleksowego diagnozowania łopatek sprężarki i silnika. W rozdziale piątym przybliżono obiekt badań sprężarkę, palisadę i pojedynczą 20

21 łopatkę. Zasygnalizowano wpływ rozrzutu właściwości modalnych łopatek danej palisady na różnicowanie procesu zmęczenia poszczególnych łopatek. Na podstawie rozpoznania literaturowego przedstawiono typowe właściwości modalne łopatek i aspekty dostrajania się danej palisady do nieznanego zjawiska dynamicznego. Wskazano na rolę skręcenia pióra na sprzęganie drgań i obciążeń. Zdefiniowano krzywą życia łopatki i wpływ warunków jej wytężenia (stanu energetycznego) na trwałość zmęczeniową. Wyjaśniono istotę pasywnego, półaktywnego i aktywnego sterowania zjawiskiem dynamicznym. Zagadnienie zobrazowano przykładami z aktywnego sterowania dynamiką spalania i sterowania linią stanów ustalonych silnika odrzutowego. Wskazano, że istnieją naukowe i techniczne przesłanki do realizacji koncepcji autora dla silnika lotniczego obiektu typu czarna skrzynka. W rozdziale szóstym przedstawiono koncepcję aktywnego sterowania zmęczeniem materiału, które jest zagadnieniem antropotechnicznym. Do realizacji koncepcji zaproponowano holistyczne podejście do problemów zmęczeniowych. Wskazano na rolę przybliżonego odwzorowania nieznanego zjawiska dynamicznego w kształcie sygnału (niejawnego modelu obserwowanego zjawiska) oraz na związki przyczynowo-skutkowe narastającego zmęczenia materiału łopatek sprężarki. Ich identyfikacja i korekcja umożliwia zmniejszenie zagrożenia zmęczeniowego również innych elementów silnika, tj. kompleksowe podejście do problemu zmęczeniowego. Przedstawiono również dotychczasowe podejście do diagnozowania wirujących łopatek (badania nieniszczące, GPA, szerokopasmowa analiza drgań silnika). Wskazano na złożoność zadania badawczego, która wynika z cech indywidualnych silników i łopatek, oraz zaproponowano wykorzystanie łopatek danej palisady sprężarki jako wewnętrznego obserwatora stanu nieznanych zjawisk dynamicznych. W rozdziale siódmym przedstawiono trzy metody badawcze, zastosowane przez autora do realizacji zadań cząstkowych. Pierwsza z nich to metoda magnetycznej pamięci metalu, na podstawie której autor zaproponował ocenę wpływu historii wytężenia materiału ferromagnetycznego, lokalizację zagrożonej palisady łopatkowej oraz detekcję pęknięcia pióra. Kolejna metoda eksperymentalna analiza modalna, bazuje na technice bezdotykowego laserowego pomiaru drgań łopatek (punktowego i powierzchniowego). Metoda została wykorzystana do badań w warunkach remontu silnika. Ostatnią metodą badawczą, przy pomocy której przewidziano realizację celu pracy w rzeczywistych warunkach eksploatacji silnika lotniczego, jest metoda wirującego obserwatora stanu. Do każdej metody przedstawiono opis teoretyczny oraz podstawy fizyczne wykorzystywanych efektów i zjawisk fizycznych. Wiedza prezentowana w tym rozdziale jest przygotowaniem teoretycznym niezbędnym do wiarygodnej realizacji badań eksperymentalnych. W rozdziale ósmym przedstawiono wybrane wyniki badań eksperymentalnych, na podstawie których zweryfikowano praktyczne możliwości realizacji zadań cząstkowych i hipotezę pracy. Wykazano, że poprzez dwuetapowe podejście do problemu zmęczeniowego łopatek (wstępną identyfikację symptomów z uwzględnieniem wpływu rozrzutu właściwości modalnych łopatek i zjawisk dynamicznych oraz monitorowanie łopatek i silników z aktywnym sterowaniem poziomu i widma wymuszeń) możliwe jest ingerowanie w proces zmęczenia materiału elementów krytycznych silnika, zarówno przez użytkownika silnika, jak i personel zakładu remontowego. W rozdziale dziewiątym podsumowano pracę, zestawiono wnioski końcowe i przedstawiono kierunki dalszych prac badawczych, których realizacja według autora jest celowa do pełnego wdrożenia koncepcji aktywnego sterowania zmęczeniem materiału i kompleksowego diagnozowania stanu technicznego silnika lotniczego. 21

22 2. CHARAKTERYSTYKA PROBLEMU BADAWCZEGO Obiektem badań diagnostycznych były lotnicze silniki turbinowe. Podlegają one eksploatacji według obowiązujących zasad, wynikających z przyjętej strategii podejścia do bezpieczeństwa eksploatacji statku powietrznego, na podstawie której zdefiniowano m.in. wymagania na minimalne okresy prognozowania stanu technicznego elementów krytycznych Zasady eksploatacji techniki lotniczej Podstawowym zadaniem statków powietrznych jest realizowanie misji lotniczych, podczas których następuje zużycie potencjału eksploatacyjnego poszczególnych układów, zespołów i systemów. Dotyczy to również zespołu napędowego projektowanego według koncepcji [325]: bezpiecznej trwałości stare rozwiązania konstrukcyjne, bezpiecznego i dopuszczalnego uszkodzenia nowe rozwiązania konstrukcyjne. Utrzymanie zdatności pojedynczego egzemplarza silnika lotniczego wymaga wykonywania szeregu prac wynikających z przyjętego systemu eksploatacji. W lotnictwie występują trzy podstawowe systemy eksploatacji rys. 2.1, których zastosowanie uwarunkowane jest od przyjętych zasad konstrukcji statku powietrznego i jego zespołów [325], możliwości finansowych użytkownika i kultury technicznej eksploatującego personelu. Rys Sposoby eksploatacji statków powietrznych Silniki lotnicze są eksploatowane według planowanej profilaktyki lub według stanu technicznego, a problemy zmęczeniowe łopatek sprężarki czy wentylatora są identyfikowane na poziomie: obsług bieżących przegląd wizualny I stopnia sprężarki/wentylatora (tylko niektóre typy silników, np. AŁ-21F3 czy RD-33); obsług lub przeglądów okresowych ocena wizualna sprężarki z wykorzystaniem przyrządów optycznych (boroskopów, endoskopów, wideoskopów); sporadycznie wykonywane są również badania nieniszczące metodą ultradźwiękową lub wiroprądową; remontów (głównych i awaryjnych) weryfikacja stanu technicznego według kryteriów remontu silnika (m.in. kontrola wizualna, badania nieniszczące, kontrola wymiarowa, kontrola częstotliwości drgań własnych). Zasada eksploatacji według planowanej profilaktyki, zwana również eksploatacją według resursu, bazuje na wykonywaniu profilaktycznych prac obsługowych, odnów i remontów prewencyjnych według harmonogramu zdefiniowanego przez producenta. 22

23 W harmonogramie wskazane są miary użytkowania zwanych resursem (po określonej liczbie godzin funkcjonowania, określonym czasie kalendarzowym eksploatacji czy po określonej liczbie cykli pracy), których użytkownik zobowiązany jest rygorystycznie przestrzegać, niezależnie od rzeczywistego stanu technicznego obiektu [161]. Krótkie okresy międzyremontowe sprawiają, że główny ciężar diagnostyczny spoczywa na zakładach remontowych, a w miarę bezpieczna eksploatacja statku powietrznego nie wymaga wysokich kwalifikacji personelu obsługującego. Eksploatacja według stanu technicznego, zwana eksploatacją według stanu, bazuje na umiejętności rozpoznania rzeczywistego stanu technicznego urządzeń, układów czy zespołów, który określa się za pomocą wewnętrznych i zewnętrznych urządzeń diagnostycznych. Wyniki bieżącej oceny i prognozy stanu technicznego poszczególnych zespołów statku powietrznego są podstawą podejmowania decyzji o wykonaniu prac obsługowych, odnów i remontów. Statek powietrzny jest eksploatowany tak długo, jak długo wartości parametrów pracy i ich trendy mieszczą się w dopuszczalnym przedziale. W tym systemie eksploatacji nie określa się resursu dla większości układów i zespołów (modułów). Ograniczenia czasowe dotyczą tylko elementów krytycznych, których resurs techniczny jest rzędu cykli. Dla typowych profili misji lotniczych odpowiada on ponad godzin pracy silnika. Elementy krytyczne wyznaczają resurs międzyremontowy silników eksploatowanych według stanu, chociaż w rzeczywistości wymiana modułu wykonywana jest przez użytkownika. Jego wartość jest prawie dwa rzędy większa niż w starych konstrukcjach silników eksploatowanych według resursu. Elementy strategii eksploatacji według stanu są rozwijane w ramach najnowszych metod diagnostycznych. Szczególną rolę w tym zakresie odgrywa rozwój metod, środków i procedur diagnostycznych związanych z: detekcją symptomów narastającego zmęczenia materiału i uszkodzeń trwałych [199, 248]; koniecznością zapobiegania uszkodzeniom elementów krytycznych, dla których następstwa uszkodzeń są zbyt kosztowne lub niebezpieczne [161,162]; prognozowaniem stanu technicznego elementów krytycznych [95,325]. W systemie eksploatacji według stanu istotą rolę odgrywa przygotowanie specjalistyczne personelu obsługującego są to co najmniej mechanicy w rozumieniu międzynarodowych przepisów lotniczych, znający podstawowe techniki diagnostyczne i metody badawcze stosowane dla danego typu statku powietrznego. Powyższe strategie eksploatacji odnoszą się do zakresu obsługi i odnów realizowanych przez personel techniczny użytkownika i zakresu remontów realizowanych w bazach czy przedsiębiorstwach remontowych [161,163]. Działanie silnika lotniczego opisuje się w kategoriach niezawodnościowych jako stan zdatności i niezdatności. Ze względu na specyfikę eksploatacji statku powietrznego definiuje się również kategorie częściowej (pośredniej) zdatności i niezdatności doraźnej rys [161,325]. Pojęcie zdatny dotyczy sytuacji, w której silnik jest zdolny do wykonania zadań zgodnie z wymaganiami technicznymi. W tym stanie część elementów niekrytycznych silnika może znajdować się w stanie niezdatności lub częściowej zdatności. Pojęcie niezdatny dotyczy sytuacji, w której silnik lub jego elementy krytyczne znajdują się w stanie, w którym niezawodnościowa funkcja efektywności przyjmuje wartość mniejszą od wymaganej. W tym stanie, np. po urwaniu łopatki sprężarki lub rozszczelnieniu instalacji paliwowej, dalsza eksploatacja silnika jest niemożliwa. Kategoria zdatności częściowej (pośredniej) silnika dotyczy sytuacji związanych z procesem obsług technicznych, np. zbyt niski poziom oleju w instalacji olejowej po locie, który podlega uzupełnieniu w ramach obsługi bieżącej. Dotyczy również sytuacji, w której 23

24 silnik ma wypracowany resurs międzyremontowy i dalsza eksploatacja silnika w okresie pokoju wymaga wykonania remontu głównego lub obsług specjalnych rozszerzających dotychczasowe warunki eksploatacji. Kategoria niezdatności doraźnej silnika dotyczy sytuacji, która zaistniała w szczególnych przypadkach lotu, np. podczas oblodzenia sprężarki czy silnego niewyważenia wirnika. Takie sytuacje stwarzają poważne zagrożenie bezpieczeństwa lotu i wymagają czasowego ograniczenia warunków eksploatacji silnika (do chwili usunięcia zagrożenia lub wykonania dodatkowych obsług po wylądowaniu). Rys Kategorie niezawodnościowe silnika w systemie eksploatacji według resursu 2.2. Eksploatacja silnika według resursu W polskim lotnictwie wojskowym większość silników jest eksploatowana według resursu. Z takimi silnikami i systemem eksploatacji autor miał do czynienia przy opracowaniu niniejszej monografii. Podstawowymi założeniem strategii eksploatacji według resursu są: ustalony zakres czynności obsługowych przyporządkowany konkretnej obsłudze, okresowość realizacji ustalonych obsług i napraw, hierarchizacja obsług i napraw. Dla zapewnienia bezpiecznej eksploatacji silnika użytkownik zobowiązany jest wykonywać zdefiniowany przez producenta zakres prac profilaktycznych, natomiast obserwowane problemy zmęczeniowe rozwiązywane są w naprawach lub w remoncie silnika. W tym systemie eksploatacji użytkownik może rozszerzyć istniejący zakres obsług, wprowadzając dodatkowe czynności i metody diagnostyczne. Ze względów organizacyjnych i ekonomicznych badania diagnostyczne powinny być realizowane w ramach dotychczasowego systemu obsług, co oznacza, że nowe metody diagnostyczne powinny umożliwić wiarygodne prognozowanie stanu technicznego silnika. Stan techniczny silnika w chwili t t0, tk można opisać symbolicznie zależnością: 24

25 t f t St wt (2.1) S, 0, 0 gdzie: S(t) stan techniczny silnika w chwili t; S(t 0 ) stan techniczny silnika w chwili t 0 ; w(t) wymuszenie i narażenia środowiskowe oddziaływujące na silnik w przedziale czasu t 0,t ; t k normatywny czas obsług technicznych i odnów lub obsług technicznych i remontu [161]. Powyższa zależność oznacza, że stan techniczny silnika w dowolnej chwili t jest funkcją jego stanu początkowego w chwili t 0 oraz historii oddziaływań zbioru czynników wymuszających w przedziale czasu t t t 0 parametrów, których dokładne wartości są nieznane użytkownikowi, możliwe jedynie do zgrubnego oszacowania na podstawie analizy statystycznej obserwowanego strumienia niesprawności i wyników badań diagnostycznych. Z punktu widzenia diagnosty silnik jest obiektem typu czarna skrzynka. W czasie eksploatacji silnika jego stan S(t) zmienia się w kierunku pogarszania się wartości cech, które wyznaczają kategorię zdatny. W węzłach tribologicznych m.in. łożyskach i kołach zębatych następuje zużywanie cierne części. W zespołach automatyki silnika następują zmiany parametrów regulacyjnych. Czynniki destrukcyjne: wieloosiowe wytężenie materiału, korozja, erozja i mikropęknięcia osłabiają konstrukcję wszystkich elementów silnika. W celu zapewnienia założonego poziomu niezawodności eksploatacji silnika producent wyznacza resurs międzyremontowy T R, liczbę planowanych remontów głównych N i resurs techniczny (całkowity) T T. Parametry spełniają kryterium T N (2.2) T T R Resurs międzyremontowy silnika T R opisuje maksymalny czas jego pracy do chwili czasowego wycofania z eksploatacji w celu wykonania planowanego remontu. Resurs T R uwzględnia zakres planowych prac, w ramach których elementy silnika podlegają weryfikacji, regeneracji i ewentualnej wymianie. Obowiązkowej wymianie podlegają wszystkie elementy jednorazowe oraz elementy o ograniczonym resursie technicznym, np. łożyska wirnika. Resurs techniczny silnika T T opisuje maksymalny czas jego pracy do chwili całkowitego wycofania z eksploatacji, z uwzględnieniem wykonywanych remontów głównych. Wyznaczenie resursu międzyremontowego i technicznego silnika bazuje na: przyjętej koncepcji projektowania według bezpiecznej trwałości, odwzorowanej przez duże wartości współczynników bezpieczeństwa (od 2,5 do 10); ich wartość uwzględnia niepełną wiedzę producenta w zakresie rzeczywistych warunków pracy elementów krytycznych silnika oraz wpływu ewentualnych błędów eksploatacji na trwałość silnika; wynikach badań fabrycznych, w tym identyfikacji właściwości modalnych, prób zmęczeniowych wybranych elementów oraz prób długotrwałych grupy silników; przyjętych założeniach o oczekiwanym przebiegu funkcji intensywności uszkodzeń natychmiastowych n (t), starzeniowych s (t) i zużycia tribologicznego z (t). Uszkodzenia te określają czasy niezawodnej pracy zespołu odpowiednio T n, T s, T z, które są zmiennymi losowymi liczonymi od chwili rozpoczęcia eksploatacji zespołu do chwili osiągnięcia rzeczywistego stanu granicznego poprzedzającego niezdatność do pracy (na ogół zwanego stanem awaryjnym lub katastroficznym) [161] Spostrzeżenia z eksploatacji silników według resursu Zakres prac profilaktycznych realizowanych w systemie eksploatacji według resursu uwzględnia: - dotychczasowe doświadczenie konstruktora i producenta silnika, - założony poziom jakości obsług i remontów, - wskaźniki statystyczne niezawodności populacji silników danego typu. 25

26 Pomimo realizacji kosztownych obsług, użytkownik nie otrzymuje pełnej gwarancji bezpiecznej eksploatacji pojedynczego silnika. Wskaźniki statystyczne: dotyczą populacji silników danego typu, a nie pojedynczego egzemplarza; nie sygnalizują narastającego zagrożenia zmęczeniowego, aż do momentu wystąpienia pierwszego uszkodzenia danego typu rys. 2.3 i 2.4. Zwiększone ryzyko nieoczekiwanej awarii silnika związane jest m.in. z problemami zmęczeniowymi łopatek wirnika sprężarki lub wentylatora głównego obiektu badań diagnostycznych opisanych w niniejszej monografii. Rys Typowe problemy zmęczeniowe obserwowane w silnikach lotniczych na przykładzie silnika typu SO-3 [363] a) b) Rys Uszkodzenia zmęczeniowe [285]: a) tarczy II stopnia turbiny sprężarki w silniku TW3-117; b) korpusu komory spalania silnika D-18T Taki problem wystąpił nagle w Polsce w silnikach typu TW3-117 (w latach 2006 i 2007), które są eksploatowane na śmigłowcach Mi-17 i Mi-24. Po latach niezawodnej pracy silników stwierdzono, że przyczyną awaryjnego lądowania dwóch śmigłowców było 26

27 zmęczeniowe urwanie łopatek I stopnia sprężarki wykonanych ze stopu tytanu WT-8M. Podczas badań awaryjnych silników stwierdzono również pęknięcie zmęczeniowe dwóch innych łopatek z tego stopnia sprężarki. Zaistniałe przypadki były bliźniacze, zarówno co do urwanych, jak i pękniętych łopatek rys Stwierdzono, że przyczyną problemów zmęczeniowych była niewłaściwa jakość importowanych części zamiennych. Wszystkie uszkodzone łopatki pochodziły z jednej serii produkcyjnej (cecha 2BM ) i były zamontowane w silnikach w ramach ostatniego remontu głównego. Podczas profilaktycznej kontroli podejrzanej grupy silników, realizowanej w WZL-3, został wykryty jeszcze jeden przypadek rozwiniętego 12-milimetrowego pęknięcia pióra łopatki. Wszystkie uszkodzenia zmęczeniowe łopatek inicjowane były na powierzchni grzbietu pióra. Rys Problemy zmęczeniowe tytanowych łopatek I stopnia sprężarki silnika typu TW3-117 (ognisko pęknięcia na powierzchni grzbietu) Na podstawie danych literaturowych stwierdzono, że jakość produkcji i remontu łopatek była wielokrotnie przyczyną ich przyśpieszonego zmęczenia w eksploatacji [285,286]. Zaistniałe zdarzenia uświadomiły autorowi potrzebę doskonalenia narzędzi i metod weryfikacji stanu technicznego łopatek sprężarki w remoncie silnika. Nowe metody diagnostyczne powinny być w stanie wykrywać nie tylko pęknięcie pióra (klasyczne zadanie metod NDT), ale również: błędy struktury materiału (wady produkcyjne, drobne defekty podpowierzchniowe struktury), będące źródłem ryzyka przyśpieszonego zmęczenia materiału; symptomy narastającego zmęczenia materiału (zmiany fazowe struktury, mikroi makro- pęknięcia, naprężenia własne). Nowe metody diagnostyczne powinny również wspomagać weryfikatora i diagnostę w oszacowaniu nieznanego czasu pracy łopatek, szczególnie w przypadku części zamiennych pochodzących z niepewnych źródeł (od pośredników, a nie od producenta). Jedną z takich metod obiektywnej kontroli, opracowaną przez autora na bazie eksperymentalnej analizy modalnej i wdrożoną do remontu silników typu TW3-117, opisano w niniejszej monografii. W latach problemy zmęczeniowe obserwowane były na łopatkach I stopnia sprężarki silników typu SO-3, wykonanych ze stali 18H2N4WA. Urwanie 25 łopatek w 10 silnikach było przyczyną aż 10% wypadków lotniczych samolotów TS-11 Iskra, w tym dwóch katastrof lotniczych [350]. Inicjacja pęknięcia zmęczeniowego następowała w rejonie linii węzłowej I modu, a ognisko zmęczenia położone było na powierzchni pióra, na krawędzi 27

28 natarcia (w rejonie karbów mechanicznych, erozji i korozji) lub na grzbiecie pióra (brak uszkodzeń mechanicznych) rys Struktura złomu zmęczeniowego w rejonie ogniska odpowiadała inicjacji pęknięcia przy średnim lub wysokim stanie naprężeń, a udział powierzchni złomu zmęczeniowego do dołomu wskazywał na propagację pęknięcia postępującą przy niskim poziomie naprężeń [410]. Zmęczenie łopatek silnika SO-3 dotyczyło więc zagadnień nisko- i wysokocyklowego zmęczenia (LCF i HCF). a) b) Rys Problemy zmęczeniowe łopatek I stopnia sprężarki silnika SO-3 inicjowane na powierzchni pióra od: a) krawędzi natarcia (silnik nr ); b) grzbietu (silnik nr ) [410] Na podstawie dodatkowych badań wykonanych w WSK PZL Rzeszów S.A. i ITWL oraz podjętej profilaktyki stwierdzono, że przyczyną problemów zmęczeniowych były: nieskorygowany błąd konstrukcyjny łopatek (niewłaściwe odstrojenie łopatek od wymuszeń synchronicznych na zakresie startowym), istniejący do chwili obecnej; duży rozrzut właściwości modalnych łopatek, wynikający z obowiązującej technologii produkcji; nie do końca rozpoznane zjawiska dynamiczne występujące podczas pracy silnika typu SO-3, silnie skorelowane z warunkami otoczenia i osiowaniem wirnika, będące pozaobliczeniowym źródłem wytężenia materiału łopatek; niska jakość eksploatacji silnika (m.in. nadmierne cieniowanie wlotu przez personel techniczny podczas prób silnika, błędy regulacji układu paliwowego skutkujące przekraczaniem ograniczeń eksploatacyjnych i niestabilną pracą sprężarki (pompażami), oblodzenie silnika, długotrwałe zaleganie dużych ciał obcych we wlocie). Istniejący błąd konstrukcyjny wykazał nieskuteczność klasycznych metod badań nieniszczących (NDT) do diagnozowania stanu technicznego wirujących łopatek. Przez ponad 10 lat klasycznymi metodami NDT nie wykryto ani jednego przypadku pęknięcia pióra łopatki przed awarią lub katastrofą lotniczą, pomimo wykonywania badań co 50 godzin pracy silnika. Sytuacja taka wynikała z: dynamiki inicjacji i propagacji pęknięcia w przypadku zalegania obcego ciała we wlocie silnika łopatki pobudzane są synchronicznie do drgań; wpływ tego pobudzenia ujawnia się najsilniej w zakresie startowym w przypadku dostrojenia drgań łopatki do rezonansu synchronicznego; w takim przypadku naprężenia w piórze łopatki w pobliżu linii węzłowej I modu mogą przekraczać wytrzymałość doraźną, a czas inicjacji i propagacji pęknięcia może być krótszy od czasu pojedynczej misji lotniczej; zjawiska zamykania szczeliny pęknięcia podczas postoju zjawisko wpływa na skuteczność badań NDT; podczas eksperymentów czynnych autor wielokrotnie stwierdzał, że już po dwóch dniach postoju silnika szansa wykrycia rozwiniętego 15-milimetrowego pęknięcia pióra łopatki defektoskopią ultradźwiękową (UT) i prądów wirowych (ET) maleje do zera [350,372,384], pomimo deklarowanej czułości ww. metod na poziomie 0,1 0,3 mm [70]. 28

29 Problemy zmęczeniowe łopatek I stopnia sprężarki silników typu SO-3 zostały skutecznie rozwiązane dopiero po 1993 r., gdy do eksploatacji samolotów TS-11 Iskra został wdrożony system diagnostyczny SNDŁ-1/SPŁ-2b. System bazuje na metodzie wirującego obserwatora stanu (TTM) i koncepcji kompleksowego diagnozowania silnika przy pomocy pojedynczego obserwatora stanu. Tę nowatorską metodę obiektywnej i kompleksowej kontroli łopatek i silnika (w której opracowaniu autor brał udział w ITWL i wdrażał do eksploatacji) opisano również w niniejszej monografii. Na przełomie lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych XX wieku obserwowano zmęczeniowe urwanie naroży piór łopatek ostatnich stopni sprężarki silników typu AŁ-21F3 z samolotu Su-22. Ich przyczyną była nadmierna pulsacja przepływu przez komorę spalania na częstotliwościach wyższych modów łopatki. Problem zmęczeniowy sam się rozwiązał po zmianie typu paliwa z lekko frakcyjnego PSM-2 na ciężko frakcyjne F-34. Zmiana typu paliwa ujawniła jednak nowy problem zmęczeniowy przyśpieszone zmęczenie łopatek turbiny. Wprowadzona zmiana typu paliwa wpłynęła na: dynamikę procesu spalania, właściwości modalne komory spalania, zjawisko kluczowania przepływu w sprężarce. Problemy zmęczeniowe stalowych łopatek obserwowane są od wielu lat na III i IV stopniu sprężarki silników GTD-350 ze śmigłowców Mi-2. Ich przyczyną jest nadmierna erozja pióra łopatki (pocienienie profilu i karby mechaniczne sprzyjające inicjowaniu pęknięcia). Problemy zmęczeniowe łopatek sprężarki nie są domeną lotnictwa wojskowego. Występują również w lotnictwie komunikacyjnym, w którym profil obciążeń silnika jest znacznie łagodniejszy niż silnika eksploatowanego w wojskowych statkach powietrznych. Przykładem jest urwanie zmęczeniowe długiej łopatki sprężarki niskiego ciśnienia - rys. 2.7, które zaistniało w samolocie Tu-134 RA w dniu r. [285]. Zmęczenie pióra nastąpiło pod półką tłumiącą i ujawniło się urwaniem pióra podczas fazy zniżania z wysokości do m. Silnik napracował tylko 20 cykli (27 godzin) po ostatnim VII remoncie głównym, a awaryjna łopatka od początku eksploatacji napracowała cykli (2 268 godzin). Badania przełomu wykonane na mikroskopie elektronowym ujawniły przełom quasi-kruchy, charakterystyczny dla wysokiego stanu naprężeń i niskocyklowego zmęczenia materiału. Podobne przypadki zmęczeniowe zanotowano również na trzech innych silnikach D-30KU-154 w przypadku: oblodzenia, zassania ptaka; zassania dużej ilości śniegu lub wody podczas fazy startu lub lądowania. W takich pozaobliczeniowych warunkach eksploatacji silnika D-30KU-14 czas zainicjowania pęknięcia łopatek I stopnia sprężarki niskiego ciśnienia nie przekracza pięciu cykli (startów samolotu) [285]. W tym typie silnika był obserwowany również nietypowy przypadek zmęczeniowego urwania tytanowej łopatki I stopnia sprężarki wysokiego ciśnienia [285]. Ognisko zmęczenia znajdowało się pod powierzchnią pióra rys. 2.8, i było otoczone charakterystyczną strefą, tzw. fish eye, świadczącą o gigacyklowym zmęczeniu materiału, VHCF [196,285,405]. Zmęczenie typ VHCF było obserwowane w Rosji również na łopatkach turbiny silnika M-601E nr Ujemną cechą eksploatacji silnika według resursu jest niewątpliwie zwiększony koszt, spowodowany wykonywaniem często zbędnych prac okresowych oraz niepełne wykorzystanie możliwości technicznych podzespołów. Wykonywanie obsług technicznych może być przyczyną wtórnych uszkodzeń lub zwiększonego zużycia agregatów. Opracowany przed laty normatywny czas pracy silnika nie uwzględnia postępu technicznego i nowych 29

30 możliwości diagnostycznych. Strategia eksploatacji według resursu nie uwzględnia również kosztów awarii ponoszonych przez użytkownika [161]. Rys Uszkodzenie zmęczeniowe łopatek I stopnia sprężarki niskiego ciśnienia silników D-30KU-154: 1) nr MC po zassaniu ciała obcego; b) nr MC z rejsu TAK-368 [285] Rys Pęknięcie zmęczeniowe typu VHCF na łopatce sprężarki wykonanej ze stopu WT3-1 [285] Wpływ eksploatacji silnika według resursu na symptomy diagnostyczne łopatek sprężarki Każdorazowe wycofywanie silnika na planowany lub awaryjny remont jest przyczyną nieciągłości historii eksploatacji łopatek sprężarki. Każda palisada sprężarki zmienia swoje parametry statystyczne po weryfikacji stanu technicznego i wymiarowej łopatek, ich 30

31 regeneracji oraz uzupełnieniu wybrakowanych egzemplarzy. Na miejscu wybrakowanych łopatek montowane są łopatki nowe lub używane wcześniej na innych silnikach. Informacja o tym, co zostało wymienione w silniku, pozostaje w zakładzie remontowym. Taka sytuacja sprawia, że użytkownik nie zna: dokładnego czasu eksploatacji poszczególnych łopatek sprężarki, właściwości modalnych poszczególnych łopatek. Remont z założenia powinien teoretycznie znacząco odtworzyć potencjał eksploatacyjny silnika. Jednak przytoczony przypadek z eksploatacji silników TW3-117 zaistniały w Polsce i dane literaturowe [285,286] uświadamiają, że w praktyce takie założenie może nie być spełnione. Demontaż i powtórny montaż sprężarki zmienia również warunki jej osiowania, wyważenia i właściwości aerodynamiczne. Zmienia się także wyważenie całego wirnika, nastawy układu paliwowego silnika i pole temperatur przed turbiną, co znajduje odwzorowanie w nowym widmie wymuszeń działających na łopatki sprężarki. Równoczesna zmiana właściwości modalnych łopatek i widma wymuszeń zmienia parametry, które opisują proces zużycia potencjału eksploatacyjnego łopatek. Diagnozowanie ich stanu technicznego jest utrudnione i wymaga od użytkownika rozpoznania rzeczywistych właściwości modalnych łopatek i zjawisk dynamicznych metodami eksperymentalnymi. Powyższe czynniki sprawiają, że właściwości statystyczne łopatek danej palisady sprężarki wraz z każdym remontem silnika coraz gorzej opisuje rozkład normalny. Dlatego do diagnozowania łopatek sprężarki autor zaproponował rozkład (proces) R Ł, zawierający trzy składowe opisane rozkładami normalnymi: strumień przyspieszonego zużycia zmęczeniowego łopatek N p ( p, p ); strumień normalnego, obliczeniowego zużycia zmęczeniowego łopatek N n ( n, n ); strumień spowolnionego zużycia zmęczeniowego łopatek N s ( s, s ); R Ł p N, N N,, (2.3) p p n n Dominującą składową R Ł jest strumień obliczeniowego zużycia zmęczeniowego łopatek N n ( n, n ), natomiast problem badawczy, mający wpływ na bezpieczeństwo lotów, odwzorowują parametry przyśpieszonego rozkładu zmęczeniowego łopatek N p ( p, p ). Sporadyczna intensywność zdarzeń zmęczeniowych pozwala przyjąć założenie, że rozkład przyśpieszonego zużycia zmęczeniowego dotyczy mniej niż 1% populacji łopatek danej palisady sprężarki. Procentowy udział podejrzanych łopatek może być jednak większy w pojedynczym egzemplarzu silnika, sygnalizując zagrożenie grupowego pękania łopatek. Powyższe spostrzeżenie umożliwia zastosowanie narzędzi analizy statystycznej na etapie opracowania wzorca diagnostycznego i nowych warunków technicznych kontroli łopatek sprężarki Eksploatacja silnika według stanu technicznego Współczesne duże silniki turbinowe stosowane w lotnictwie komunikacyjnym, np. - CFM56-3C1 firmy GE Aviation w USA [432] i Snecma we Francji [455], stosowany w samolotach Boeing 737 drugiej generacji (300/400/500); - CF6-80C2B4 firmy GE Aviation, stosowany m.in. w samolotach Boeing /400 i /300/400; - PS-90A konstrukcji Pawła Sołowiewa, produkowany w Permskich Zakładach Silnikowych w Rosji [422], stosowany w samolotach Ił , Tu-204 i Tu-214; są fabrycznie przygotowane do eksploatacji według stanu technicznego. Na etapie projektowania przyjęto: koncepcję bezpiecznego uszkodzenia, n s s s 31

32 nowe, wysokowytrzymałe materiały konstrukcyjne, konstrukcję modułową silnika oraz założenie o możliwości wymiany modułów w eksploatacji, zasady monitorowania stanu technicznego układów i zespołów silnika za pomocą integralnych i naziemnych systemów diagnozujących. Z wykorzystaniem nowoczesnych narzędzi obliczeniowych, tj. GPA, FEM i CFD wyznaczono: oczekiwane parametry gazodynamiczne silnika, ograniczenia obszaru roboczego, elementy krytyczne i ich trwałość zmęczeniową, dopuszczalne rozmiary uszkodzeń bezpiecznych. Na etapie badań fabrycznych, m.in. prób zmęczeniowych i długotrwałych prób silnika: wyznaczono rzeczywiste elementy krytyczne, ich właściwości modalne i trwałość zmęczeniową; zweryfikowano dopuszczalne rozmiary uszkodzeń bezpiecznych oraz sposoby ich monitorowania; zweryfikowano liczbę nieodzownych parametrów rejestrowanych w czasie rzeczywistym, które z dużą wiarygodnością informują o stanie technicznym elementów, modułów i zespołów istotnych ze względu na prawidłową eksploatację i bezpieczeństwo lotu statku powietrznego; wyznaczono poziomy diagnostyczne, czyli przestrzenie dopuszczalnych zmian mierzonych parametrów; zdefiniowano częstości próbkowania sygnałów diagnostycznych i algorytmy analizy danych w systemach diagnostycznych; określono graniczną liczbę cykli i metodykę ich liczenia z uwzględnieniem typowych profilów eksploatacji silnika. Dominującą fazą pracy ww. silników jest kilkugodzinny lot po trasie ze stałymi parametrami i małymi przeciążeniami. Eksploatacja według stanu wymaga od użytkownika systematycznej kontroli i sprawdzania parametrów pracy silnika. Celem monitorowania jest śledzenie nie tylko wartości parametrów pracy (ograniczeń od dołu i góry), ale również ich trendu wczesnego symptomu diagnostycznego narastających problemów technicznych. Taki zakres kontroli umożliwia wykrywanie i prognozowanie większości problemów zespołu napędowego, m.in.: układu sterowania silnika niezgodność wydatku paliwa i prędkości obrotowych silnika z sygnałem sterowania i parametrami lotu (rozregulowanie lub defekt układu); układu gazodynamicznego silnika zmiany sprawności sprężarki i turbiny wywołane m.in. erozją łopatek, zabrudzeniem przestrzeni wewnętrznej silnika czy zmianą pola temperatur przed turbiną; zespołu wirników zmiana wyważenia i osiowania wirników, uszkodzenie łożysk. Do bieżącego rozpoznania stanu technicznego silnika służą pokładowe układy monitorowania i analizowania parametrów pracy. Są to np. moduły analizy parametrów gazodynamicznych (GPA), parametrów pracy silnika (ECU) lub monitorowania stanu technicznego struktury (SHM). Rejestrowane i automatycznie analizowane dane mogą być przechowywane na pokładzie do zakończenia misji lotniczej lub przesyłane telemetrycznie do stacji naziemnych, których personel ostrzega pilota o pojawiającym się zagrożeniu i wspomaga podjęcie właściwej decyzji w sytuacjach awaryjnych, niezależnie od sygnałów ostrzegawczych generowanych przez systemy pokładowe. Problemy związane z zasysaniem ciał obcych, erozją i zmęczeniem materiału elemen- 32

33 tów krytycznych są identyfikowane podczas obsług bieżących i okresowych przeglądów silnika. W tym celu oprócz przeglądu wzrokowego nieuzbrojonym okiem stosowane są różne metody badań nieniszczących, m.in. metody optyczne z wykorzystaniem wideoskopów, defektoskopia prądami wirowymi czy ultradźwiękowa. Podczas okresowych przeglądów kontrolowana jest również jakość regulacji i stan techniczny układu paliwowego i olejowego silnika. W systemie eksploatacji według stanu nie ustala się stałych terminów obsług okresowych, napraw i remontów. Wszystkie decyzje o ich realizacji podejmuje użytkownik -decydent na podstawie bieżących informacji diagnostycznych oraz prognoz dotyczących zmian tych stanów w trakcie realizacji przez statek powietrzny wyznaczonych zadań, w wyznaczonym przedziale czasu. Na podstawie przetworzonych informacji diagnostycznych podejmowane są racjonalne działania w celu utrzymania dalszej zdatności silnika i jego zespołów, w tym niezawodności sprężarki. Diagnozowanie łopatek sprężarki staje się teoretycznie łatwiejsze, gdyż w długim okresie eksploatacji nie występuje nieciągłość krzywej życia [350] Spostrzeżenia z eksploatacji silników według stanu W systemie eksploatacji według stanu znaczącemu zmniejszeniu ulegają koszty jednostkowe eksploatacji i remontów, ale odbywa się to poprzez zwiększenie zakresu przeglądów profilaktycznych realizowanych przez użytkownika. W celu zapewnienia wysokich wskaźników bezpieczeństwa lotów wymagane jest zatem rzetelne podejście użytkownika do jakości eksploatacji. Monitorowanie stanu technicznego silników według typowych parametrów pracy nie zabezpiecza użytkownika przed problemami zmęczeniowymi. Tę tezę potwierdzają przypadki zmęczeniowe występujące w silnikach eksploatowanych w lotnictwie cywilnym. Problemy zmęczeniowe dotyczą m.in.: łopatek wentylatora rys. 2.9, łopatek sprężarki wysokiego ciśnienia rys. 2.10, tarczy turbiny [416]. Rys Urwanie zmęczeniowe łopatki wentylatora silnika CFM56-3 przyczyną katastrofy samolotu Boeing G-OMBE w dniu r. w pobliżu Kegworth [416] 33

34 Rys Zmęczeniowe uszkodzenie III - IX stopnia sprężarki wysokiego ciśnienia silnika CF6-80 [254] Na silnikach CFM56-3 zanotowano tylko dwa przypadki urwania zmęczeniowego łopatek wentylatora na ponad 4 mln godzin eksploatacji floty tych silników u różnych użytkowników. Taki wynik jest możliwy do uzyskania dzięki stosowaniu przez konstruktora i producenta długofalowej polityki jakości stosowanej na etapie produkcji i eksploatacji, w tym dokonywania kosztownych korekcji dostrzeżonych błędów konstrukcyjnych. Historia silnika typu CF6-80 jest pouczającym przykładem, że poważne błędy konstrukcyjne występują również w wyrobach opracowanych przez renomowanego producenta silników, który stosuje najnowsze narzędzia analizy numerycznej i badań eksperymentalnych oraz przestrzega zasady polityki jakości w produkcji. W latach stwierdzono trzy przypadki rozerwania tarczy I stopnia turbiny wysokiego ciśnienia silników typu CF6-80 [ ]. Wszystkie zdarzenia zaistniały na tarczach, które przepracowały od 30 do 60% dopuszczalnej liczby cykli. Podczas badania zaistniałych wypadków lotniczych stwierdzono, że przyczyną zmęczeniowego rozerwania tarcz są błędy konstrukcyjne (nadmierne pocienienie tarczy bez uwzględnienia rzeczywistych czynników produkcyjnych i eksploatacyjnych). Działaniem profilaktycznym objęto ponad 600 silników typu CF6-80 eksploatowanych przez różnych przewoźników na całym świecie. Problemy zmęczeniowe z tarczami turbiny nasiliły się również w przypadku silników CF6-45/-50 firmy GE Aviation (cztery przypadki rozerwania tarczy w okresie ). W zaleceniu bezpieczeństwa SB z dnia r. NTSB zaleciła FAA m.in. nakazanie użytkownikom tych silników wykonywania przeglądu tarczy III stopnia turbiny niskiego ciśnienia co 15 lotów (tj. co ok. 1/1000 trwałości eksploatacyjnej) [214]. Nowym problemem diagnostycznym, obserwowanym również na silnikach eksploatowanych według stanu w lotnictwie komunikacyjnym, jest gigacyklowe zmęczenie materiału (VHCF) [18,19]: występujące przy wytężeniu materiału niższym od granicy wytrzymałości długotrwałej; inicjowane pod powierzchnią materiału. Przykładem są problemy silnika PS-90A nr , na którym stwierdzono zmęczeniowe urwanie tytanowych łopatek IX stopnia sprężarki z cechami zmęczenia VHCF [285]. Na tym typie silnika wystąpiły również przypadki pęknięcia zmęczeniowego tarczy XI stopnia sprężarki wysokiego ciśnienia o cechach zmęczenia HCF. Opisane przykładowe problemy zmęczeniowe silników komunikacyjnych uświada- 34

35 miają, że system eksploatacji według stanu znacznie zmniejsza poziom ryzyka awarii lub katastrofy lotniczej z przyczyn zmęczeniowych, ale go nie eliminuje. Użytkownik musi liczyć się przede wszystkim z ryzykiem pękania i urwania elementów krytycznych, wskazanych przez producenta w rozdziale piątym instrukcji eksploatacji silnika. Ryzyko przyśpieszonego zmęczenia materiału dotyczy jednak i innych elementów silnika, w tym łopatek wentylatora czy sprężarki, dla których wskaźniki statystyczne bazujące na dotychczasowych doświadczeniach eksploatacyjnych nie sygnalizują zagrożenia. Opisane powyżej problemy zmęczeniowe dotyczą silników komunikacyjnych, które z założenia są eksploatowane w przewidywalnych warunkach obciążeń i znanych profilach prędkości obrotowej. Narażeniem stochastycznym (trudno przewidywalnym) są jedynie przypadki zderzenia z ptakami, silne oblodzenie silnika czy zasysanie dużych ilości wody lub śniegu podczas startu lub lądowania Identyfikacja problemu diagnostycznego Uwzględniając dane literaturowe, autor przyjął założenie, że wszystkie lotnicze silniki turbinowe są narażone na problemy zmęczeniowe, niezależnie od systemu eksploatacji. Przytoczone przykłady uświadamiają, że problemy zmęczeniowe łopatek sprężarki czy wentylatora mają złożoną etiologię i ujawniają się najczęściej dopiero po dłuższym okresie bezpiecznej eksploatacji silnika. W takim przypadku inicjacja zmęczenia następuje najczęściej w zakresie wysokocyklowego lub gigacyklowego zmęczenia materiału (HCF lub VHCF), w obecności lub braku wpływu erozji, korozji i uszkodzeń mechanicznych pióra. Przypadki zmęczeniowe, które ujawniają się w początkowej fazie eksploatacji (nowego silnika lub bezpośrednio po remoncie) wskazują prawdopodobną przyczynę związaną z błędami konstrukcyjnymi, wadami produkcyjnymi, jakością remontu, uszkodzeniami mechanicznymi lub dynamicznym przeciążeniem wywołanym np. oblodzeniem czy zassaniem ptaka. W tym przypadku inicjacja zmęczenia następuje najczęściej w zakresie niskocyklowego zmęczenia materiału (LCF) lub zmęczenia HCF w pobliżu wad struktury. W przypadku mechanicznego zablokowania łopatki przez ciało obce przyczyną urwania pióra jest zmęczenie statyczne. Pierwsze przypadki uszkodzenia zmęczeniowego danego elementu silnika zaskakują użytkownika, zakład remontowy i producenta silnika. W deficycie czasu poszukiwana jest odpowiedź na pytania: Co było przyczyną zaistniałego zdarzenia? Jaka profilaktyka będzie skuteczna i ekonomicznie uzasadniona? Przyśpieszone zmęczenie materiału związane jest zawsze z dwoma czynnikami: sprawczym (bezpośrednią przyczyną zmęczenia) i sprzyjającym inicjacji zmęczenia. W przypadku wirujących łopatek wentylatora czy sprężarki: czynnikiem sprawczym jest nadmierne wytężenie materiału wywołane przez: - obciążenia eksploatacyjne występujące podczas pracy silnika i lotu samolotu (źródło naprężeń eksploatacyjnych); - naprężenia własne wprowadzone świadomie na etapie produkcji łopatki i efekty kumulacji historii obciążeń (nieobserwowane); czynnikami sprzyjającymi są m.in. zmiany erozyjne powierzchni piór (loty w dużym zapyleniu), uszkodzenia łopatek przez drobne ciała obce (FOD), częste zmiany prędkości obrotowych i przeciążeń, loty na dużych kątach natarcia oraz błędy eksploatacyjne, remontowe i produkcyjne. Działania profilaktyczne są zawsze kompromisem pomiędzy kosztami profilaktyki i bezpieczeństwem lotów [215,430]. Najniższe koszty profilaktyki wyraża znane przysłowie Lepiej zapobiegać, niż leczyć!, które autor wdrożył w niniejszej pracy. Mądrość przysłowia wpisuje się w standard bezpieczeństwa lotniczego wyrażony przez NTSB słowami 35

36 podejmowana profilaktyka nie może mieć horyzontu zbliżonego do znanych przypadków zmęczenia elementu, które w pełni nie odwzorowują istniejącego problemu technicznego [215,446]. Użytkownik silnika i personel zakładu remontowego oczekują od nowej metody badawczej i systemów monitorowania możliwości wiarygodnego diagnozowania i prognozowania stanu technicznego elementów krytycznych, co wymaga od diagnosty umiejętności rozpoznawania symptomów wczesnej fazy zmęczenia materiału, poprzedzających otwarte pęknięcie rys.2.11, oraz oceny rzeczywistego stanu energetycznego elementu (jego wytężenia). Naukowym wsparciem dla diagnosty jest dotychczasowa wiedza z obszaru inżynierii materiałowej, fizyki, mechaniki zmęczenia i pękania metali, metrologii, matematyki i diagnostyki. Rys Zmiany zmęczeniowe w materiale łopatki sprężarki Ocena ryzyka pęknięcia zmęczeniowego i skuteczna profilaktyka łopatek wentylatora czy sprężarki wymaga nie tylko zrozumienia problemu badawczego (należy badać przyczynę, a nie skutek), ale również umiejętności obserwacji nowych subtelnych symptomów diagnostycznych wynikających z budowy materiału w skali makro, mikro i atomowej (jaką metodą prowadzić obserwację zmian zmęczeniowych struktury?). 36

37 3. ZMĘCZENIE MATERIAŁU ŁOPATKI SPRĘŻARKI Czynnikiem sprawczym pękania pióra łopatki jest kumulacja cząstkowych efektów zmęczenia struktury materiału D k ( uszkodzeń ) podczas wieloosiowego obciążenia quasistatycznego i dynamicznego. Kumulacja występuje każdorazowo podczas lokalnego przekraczania dopuszczalnych wartości naprężeń (nadmiernego wytężenia materiału polikrystalicznego). Końcową fazą degradacji struktury materiału jest pęknięcie łopatki (etap III z rys. 2.11), wykrywane metodami badań nieniszczących, lub nieoczekiwane urwanie zmęczeniowe pióra po osiągnięciu granicznej liczby cykli kumulacji D( gr ). Do przybliżonej oceny poziomu degradacji struktury wykorzystuje się najczęściej regułę Palmgrena-Minera, czyli najprostszą hipotezę liniowej kumulacji uszkodzeń [138,141, 176,204,267,299], którą można zapisać w postaci t T0; T E t R t Gr t Dk t Di t t i1 (3.1) gdzie: T 0 czas początkowy; T czas bieżący eksploatacji; D i liczba cykli kumulacji cząstkowych efektów zmęczenia podczas pracy łopatki z przekroczonym kryterium wytrzymałościowym; E naprężenia eksploatacyjne; R naprężenia własne będące efektem kumulacji historii obciążeń eksploatacyjnych oraz wpływu technologii wytwarzania łopatki; Gr dopuszczalny poziom naprężeń dla materiału łopatki bez karbu, przy: stosowanej technologii produkcji (typie i strukturze materiału, powtarzalności procesów technologicznych, naprężeń powierzchniowych wprowadzanych podczas obróbki wykańczającej, chropowatości powierzchni), założonej trwałości eksploatacyjnej elementu (resursie), planowanej charakterystyce misji lotniczych i widmie obciążeń, wyznaczony na bazie oczekiwanych naprężeń normalnych n i stycznych t (składowej statycznej i dynamicznej) oraz przyjętej hipotezy wytężeniowej używanej do wyznaczania wypadkowego naprężenia w materiale [299]. W dokładnych analizach i prognozowaniu zmęczenia łopatek uwzględnia się model nieliniowy [105] i zagadnienia CDM. Bieżący zapas potencjału eksploatacyjnego łopatki (tzw. krzywa życia) K z określa relacja: K z gr t, gr f n, Dk 1 D dn dt t gr gdzie D gr 0 (3.2) Zmienne K z i D są zależne od czasu pracy łopatki oraz prędkości obrotowej silnika i jej pierwszej pochodnej. Tak zdefiniowana krzywa życia K z oznacza zdolność łopatki do przenoszenia obciążeń eksploatacyjnych [350] Wytężenie materiału Poziom wytężenia materiału i kumulacji zmęczenia uwarunkowany przez [43]: a) źródło - widmo wymuszeń eksploatacyjnych generowanych przez różne zjawiska dynamiczne oraz technologię wytwarzania łopatki; b) ścieżkę - sposób transferu niszczącej postaci energii od źródła do obiektu; c) obiekt: właściwości modalne łopatki [376], cechy geometryczne łopatki, w tym współczynniki spiętrzenia naprężeń na lokalnych zmianach przekroju poprzecznego [267], właściwości mechaniczne, wynikające m.in. z typu materiału (stopu) i stosowanych 37

38 technologii: krystalizacji, obróbki cieplnej i mechanicznej, w tym ulepszania warstwy wierzchniej [15,45,46,285,286], historię obciążeń [8,173,285,340]. Dwa pierwsze czynniki opisują otoczenie i warunki pracy łopatki w silniku, co oznacza, że aspekty zmęczeniowe nie są problemem lokalnym łopatki, jak jest to traktowane w badaniach nieniszczących (w NDT uwaga diagnosty skupiona jest tylko na detekcji stanu technicznego badanego elementu). Do wiarygodnej identyfikacji i prognozowania stanu technicznego łopatki niezbędne jest kompleksowe podejście do problemu, uwzględniające: produkcję, remont, eksploatację i nadzór lotniczy, związki przyczynowo-skutkowe. Kompleksowe podejście do problemu diagnozowania silnika umożliwia optymalizację procedur diagnostycznych, m.in. równoczesne rozwiązywanie kilku problemów zmęczeniowych obserwowanych na różnych elementach silnika przy pomocy minimalnej liczby obserwatorów stanu rys Rys Kompleksowe podejście do problemów zmęczeniowych silnika Źródło wymuszeń Na pióro łopatki działają wymuszenia aerodynamiczne i masowe, przyłożone do pióra łopatki i stopy zamka, których źródłem są siły i momenty powstające zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz silnika. Obciążenia zewnętrzne powstają podczas lotu krzywoliniowego (siły bezwładności) oraz przy zmianach prędkości i wysokości lotu (siły aerodynamiczne). Widmo wymuszeń zawiera quasi-statyczne (wolnozmienne) i dynamiczne, niestacjonarne składowe obciążeń. Składowa quasi-statyczna jest wielkością wytężenia dobrze przewidywalną na etapie projektowania silnika. Poważny problem obliczeniowy sprawia natomiast składowa dynamiczna wymuszeń, na co mają wpływ m.in. złożoność i trudność precyzyjnego pomiaru i opisu zjawisk dynamicznych występujących podczas pracy silnika. Składową dynamiczną opisują właściwości modalne nieznanych zjawisk dynamicznych. Uogólnionym modelem zjawisk dynamicznych jest filtr modalny w(t), który kształtuje widmo szumu białego (analitycznego wymuszenia) S WW () do rzeczywistych cech widmowych zjawiska S ff () rys Widmo S ff () zawiera składowe deterministyczne f oraz składową stochastyczną [365]. 38

39 Na etapie identyfikacji źródła wymuszeń poszukiwana jest odpowiedź na pytania: Jakie jest rzeczywiste widmo S ff () wymuszeń działających na łopatkę? Gdzie jest generowana energia składowych sił i momentów działających na łopatkę? Zjawisko dynamiczne Filtr modalny kształtujący widmo Łopatka System strukturalny Rys Związek pomiędzy widmem drgań łopatki S zz a właściwościami modalnymi zjawisk dynamicznych (widmem S ff ) i łopatki [365] Łopatka obiekt badań Pióro łopatki jest ciągłym systemem strukturalnym, który pobudzany jest do drgań poprzez wymuszenie dynamiczne i stochastyczne S ff (). Odpowiedź łopatki na przyłożone wymuszenie zmienne opisuje widmo jej drgań S zz (), które jest splotem właściwości modalnych rys. 3.2: zjawisk dynamicznych, struktury fizycznej łopatki (jej cech geometrycznych, materiałowych i stanu technicznego). W widmie drgań łopatki obecne są składowe deterministyczne rezonansów strukturalnych łopatki z i zjawiska dynamicznego f. Powyższe spostrzeżenie zostało wykorzystane przez autora do kompleksowego diagnozowania stanu technicznego łopatek sprężarki i silnika. Niebezpieczny poziom wytężenia materiału pióra łopatki, sprzyjający przyśpieszonej inicjacji pęknięcia zmęczeniowego, występuje przy: - wysokim poziomie wymuszeń z widmem częstotliwości, które nie pokrywa się z zakresem rezonansów strukturalnych łopatki (modami kolejnych postaci drgań); - średnim lub wysokim poziomie wymuszeń (większym od granicznego) z częstotliwością, która pokrywa się z jedną z częstotliwości rezonansów strukturalnych łopatki lub spełnia kryterium synchronizacji modów łopatki; - oddziaływaniu karbu strukturalnego (np. wady wewnętrznej powstałej w wyniku przemiany fazowej, korozji, naprężeń) lub karbu mechanicznego (powstałego na powierzchni podczas eksploatacji). Wpływ karbu odwzorowuje współczynnik działania karbu k, który modyfikuje dopuszczalną wartość naprężeń granicznych. Gr gr' (3.3) k Po podstawieniu (3.3) do (3.2) krzywą życia łopatki opisuje relacja 39

40 D K k z t D t t t ' t t, gr ' i Dk 1 D t gr t ' T0; T E R gr (3.4) Poziom graniczny wymuszeń dynamicznych (sił i momentów) dla danej postaci drgań pióra uwarunkowany jest zdolnością rozpraszania energii przez materiał łopatki (tłumienia) oraz związkiem opisującym relację pomiędzy przyłożonym wymuszeniem a rozkładem naprężeń w piórze. Podstawową metodą oceny wytężenia materiału są pomiary naprężeń E metodą tensometryczną. Są one wykonywane na losowo wybranych łopatkach palisady (w wybranych punktach pióra) podczas badań fabrycznych rys Pomiary tensometryczne wirujących łopatek wymagają jednak specjalnego przygotowania silnika oraz wielokanałowego układu komutacji lub teletransmisji sygnału. a) b) Rys Poziom składowej normalnej naprężeń dynamicznych pióra łopatki I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 obserwowany w rejonie linii węzłowej I modu drgań w stanach ustalonych i przy wolnych zmianach prędkości obrotowej silnika: a) na powierzchni grzbietu w połowie cięciwy; b) na powierzchni grzbietu przy krawędzi spływu pióra [138] Badania tensometryczne mają ograniczenia, które wpływają na proces zmęczenia łopatek w eksploatacji, m.in. wyniki badań nie uwzględniają: naprężeń własnych; pełnego zakresu zmian warunków otoczenia, w tym ciśnienia i temperatury (ze względu na ograniczone ramy czasowe badań fabrycznych); rozrzutu właściwości modalnych pełnej populacji łopatek (pomiar wykonywany jest na wybranej grupie łopatek), który wynika z przyjętej technologii produkcji rys. 3.4; pozaobliczeniowych warunków pracy silnika rys. 3.5; wpływu tensometru na wyniki badań, m.in. bazy tensometru na uśrednianie wskazań naprężeń oraz masy i lokalnego tłumienia tensometru na amplitudę i częstotliwość drgań rezonansowych, szczególnie wyższych modów [188] Trwałość zmęczeniowa łopatki w ujęciu klasycznym Do oceny trwałości łopatki wymagana jest znajomość poziomu naprężeń granicznych gr - prawej strony kryterium wytrzymałościowego z relacji (3.4). Wartość gr dla danego materiału i technologii produkcji łopatki określają charakterystyki S-N, zwane krzywymi Wöhlera. Przedstawiają one średnią trwałość próbki przy określonym poziomie wymuszeń, z prawdopodobieństwem zniszczenia równym 50%. Krzywa Wöhlera po raz pierwszy została wyznaczona w 1870 r. dla stali niskostopowych [267]. 40

41 Rys Wpływ różnicy właściwości modalnych dwóch łopatek I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 na poziom ich wytężenia podczas niestabilnej pracy sprężarki (pompażu); pomiar tensometryczny na powierzchni grzbietu pióra w rejonie linii węzłowej I postaci drgań, prędkość obrotowa od 0 do obr/min; na osi odciętych obliczona liczba cykli wymuszeń [138] Rys Wpływ zalegania dużego ciała obcego na łopatkach wlotowego wieńca kierownic na składową normalną obciążeń łopatki I stopnia sprężarki silnika typu SO-3; warunki pomiaru jak na rys. 3.4 [138] 41

42 Charakterystyki S-N są wyznaczane na maszynach zmęczeniowych dla unormowanych rozmiarowo próbek materiału (gładkich i z karbem). Trwałość zmęczeniowa łopatki oszacowana na podstawie wykresu Wöhlera (z uwzględnieniem współczynników korekcyjnych: obróbki powierzchniowej, kształtu i wpływu karbów na ogniskach korozyjnych, erozyjnych i mechanicznych uszkodzeń powierzchni) jest weryfikowana eksperymentalnie podczas prób zmęczeniowych (testu na dwustronne zginanie). Próby są realizowane dla statystycznie wiarygodnej grupy łopatek danej palisady [46]. Wytrzymałość zmęczeniowa R z badana jest w warunkach laboratoryjnych przy ustalonej amplitudzie granicznej a oraz naprężeniu średnim m, otrzymując liczbę cykli (nawrotów) N do umownego zniszczenia próbki (tzw. żywotność). Przez umowne zniszczenie rozumie się powstanie pęknięcia o odpowiednio niedużej głębokości. Wytrzymałość zmęczeniowa R z, przy ustalonej liczbie cykli N zależy od współczynnika asymetrii naprężenia. Dla stali miękkich najniższą wartość R z osiąga, gdy m = 0, zaś największą dla a =0. Stąd też badania laboratoryjne prowadzi się najczęściej przy m = 0 [204,267] min max lim min max dla dla max max 0 0 (3.5) gdzie: min minimalna wartość naprężeń w cyklu obciążenia, min m a ; max - maksymalna wartość naprężeń w cyklu obciążenia, max m a ; m średnia wartość naprężeń w cyklu obciążenia a amplituda naprężeń, 0,5 W praktycznym zastosowaniu krzywa Wöhlera jest zobrazowana w układzie współrzędnych półlogarytmicznych R z log(n). Do analizy zmęczenia materiału łopatki sprężarki, który nie jest narażony na zjawisko pełzania, na krzywej Wöhlera wyróżnia się cztery odcinki (klasy zagadnień zmęczeniowych) rys. 3.6: m max min Rys Krzywa Wöhlera miękkiej stali ferrytyczno-perlitycznej w układzie współrzędnych -log(n) [267] Płaski, początkowy fragment krzywej o wartości wytrzymałości na rozrywanie R m. Wytrzymałość zmęczeniowa reprezentowana przez ten fragment krzywej nazywana jest wytrzymałością quasi-statyczną. Ognisko zmęczenia jest wewnątrz materiału. Wypukły, zaczynający się od wytrzymałości statycznej na rozerwanie R m. Wytrzymałość zmęczeniowa reprezentowana przez ten fragment krzywej nazywana jest 42

43 wytrzymałością niskocyklową (LCF). Ognisko zmęczenia jest na powierzchni materiału. Wklęsły, dążący asymptotycznie do wytrzymałości trwałej R L. Wytrzymałość zmęczeniowa reprezentowana przez ten fragment krzywej nazywana jest wytrzymałością wysokocyklową (HCF). Ognisko zmęczenia jest na powierzchni materiału. Płaski, końcowy fragment krzywej o wartości R L, który reprezentuje wytrzymałość trwałą. Teoretycznie przy naprężeniach mniejszych od R L w materiale bez wad nie powinno wystąpić pęknięcie. Cztery charakterystyczne punkty przegięcia krzywej Wöhlera rozdzielają zagadnienia statyczne, quasi-statyczne, LCF, HCF i wytrzymałości trwałej. Występują one odpowiednio przy ¼ cyklu (co odpowiada przyrostowi obciążenia od zera do maksimum, przy czym maksimum jest równe R m ) oraz około 10 2, 10 4 i 10 7 cykli obciążenia dla stali konstrukcyjnych i innych stopów żelaza lub 10 8 cykli dla stopów nieżelaznych [267]. Fragment wykresu Wöhlera obejmujący wytrzymałość wysokocykliczną i trwałą przedstawiany jest najczęściej w układzie logarytmicznym log( log(n), w którym krzywa aproksymowana jest dwoma odcinkami prostej. W bardziej dokładnej aproksymacji, zalecanej w przepisach Eurokodów, ten fragment krzywej Wöhlera jest reprezentowany przez trzy odcinki prostych [267]. Punkty przegięcia występują dla N C = 210 6, N D = i N L = 10 8 cykli. Liczba cykli N C nazywana jest wytrzymałością normatywną, N D wytrzymałością trwałą przy stałej amplitudzie, a N L wytrzymałością trwałą. W przedziale cykli N 10 4 ; 10 8 wytrzymałość zmęczeniową oblicza się na podstawie wzoru: R 510 N 6 1 m D (3.6) gdzie: D - wytrzymałości zmęczeniowa przy stałej amplitudzie i N = cykli; m współczynnik kierunkowy prostej, który dla stali przyjmuje wartości m 3 w przedziale N 10 ; 510 oraz m 5 w przedziale N ; 10. Próby zmęczeniowe łopatek sprężarki prowadzi się przy N = 210 6, a wyznaczona wytrzymałość zmęczeniowa C nazywana jest wytrzymałością zmęczeniową normatywną lub krócej kategorią zmęczeniową. Dla stali miękkich zachodzi relacja D = 0,735 C. Orientacyjna wartość wytrzymałości trwałej dla stali miękkich przyjmuje wartości R L 0,45R m dla = -1,0 (dwustronne zginanie) oraz R L 0,7R m dla = 0 [204,267] Krzywa dąży asymptotycznie do wartości R L tylko dla stali miękkich. Dla stopów tytanu, stali wysokowytrzymałych i aluminium, z których wykonywane są łopatki sprężarki nie istnieje wytrzymałość trwała [17]. Ten problem zmęczeniowy został przedstawiony w dalszej części pracy, przy omawianiu modelu bimodalnego zmęczenia. Zjawisko wytrzymałości quasi-trwałej powyżej 10 8 cykli obciążeń jest pomijane w większości publikacji z wytrzymałości materiałów. Wykres S-N, wyznaczany na maszynach hydromechanicznych, kończy się najczęściej przy cykli. W nowszych publikacjach, np. [204] oraz procedurze FITNET [140], zjawisko quasi-trwałej wytrzymałości zmęczeniowej jest opisywane w postaci uproszczonej. Jest ono zobrazowane na wykresie Wöhlera w zakresie cykli przez prostą pochyloną pod kątem o współczynniku kierunkowym: m 2 = 15 dla naprężeń normalnych, m 2 = 25 dla naprężeń stycznych. Powyżej 10 8 cykli zakłada się istnienie wytrzymałości trwałej, odwzorowanej przez prostą równoległą do osi wartości. 43

44 3.3. Trwałość zmęczeniowa łopatki opis współczesny Klasyczny opis zmęczenia materiału, odwzorowany przez krzywą Wöhlera, nie tłumaczy przypadków zmęczenia VHCF, inicjowanych wewnątrz materiału przy obciążeniu zmiennym niższym od granicy wytrzymałości trwałej. Ten typ zmęczenia obserwowany jest coraz częściej w lotnictwie, energetyce i budownictwie na wysokowytrzymałych elementach metalowych (stali, stopach tytanu) poddanych wieloosiowym obciążeniom zmiennym z liczbą cykli N > Analizując przykładowe dane dotyczące właściwości modalnych łopatek sprężarki [46,372,373], profilów misji lotniczych tabela 3.1, oraz resursów turbinowych silników z lotnictwa wojskowego, można zauważyć, że wirujące łopatki sprężarki w okresie resursu międzyremontowego zliczają co najmniej 10 8 cykli dla I modu giętego i ponad 10 9 dla I modu skrętnego. Podczas całego okresu eksploatacji (resursu technicznego) obciążenie łopatki może przekroczyć cykli. Jeszcze większą liczbę cykli zliczają łopatki sprężarki z silników eksploatowanych według stanu w lotnictwie komunikacyjnym, dla których przekraczany jest nawet próg cykli. Tabela 3.1. Obciążenie łopatek II stopnia sprężarki silnika typu SO-3 naprężeniami normalnymi dla 400-godzinnego resursu międzyremontowego według oczekiwanego profilu eksploatacji samolotu TS-11 Iskra [46] Warunki pracy, prędkość obrotowa silnika Czas trwania etapu Procentowy udział w etapie Liczba cykli I modu Naprężenia statyczne w łopatce Naprężenia dynamiczne w łopatce Współczynnik asymetrii cyklu [obr/min] [min] % [N i 10 6 ] MPa MPa [-] , , , , , , ,373 50, , ,664 63, , ,081 48, , , , , ,997 76, , ,197 68, ,453 Płynne przejścia: Deceleracja Płynne zejście Rozruchy i wolne przejście do podgrzewania silnika z Przyśpieszenia Przyśpieszenia ponawiane ,5 1,243 11, ,454 64,0 0,267 2, ,5 0,323 3, , ,333 12, , ,729 92, , ,5 0,643 6, ,454 21,5 0,089 0, ,738 6,0 0,025 0, ,738 RAZEM , ,3 Na podstawie współczesnej wiedzy z fizyki ciała stałego [17,60,213,285] wiadomo, że analiza trwałości łopatek sprężarki i wentylatora na bazie klasycznego wykresu Wöhlera jest błędem konstrukcyjnym, gdyż wykres S-N bazuje tylko na danych eksperymentalnych wyznaczonych do 10 8 cykli. Symptomem diagnostycznym błędu są przypadki zmęczenio- 44

45 wego pękania typu VHCF, obserwowane głównie w starszych konstrukcjach lotniczych eksploatowanych według stanu. Sporadyczne przypadki zmęczenia VHCF spotyka się również na łopatkach sprężarki i wentylatora eksploatowanych według resursu, pomimo stosowania większego współczynnika bezpieczeństwa przy projektowaniu łopatki. Obserwowane przypadki inicjacji pęknięcia pod powierzchnią materiału przy niskim stanie naprężeń były impulsem do podjęcia szeroko zakrojonych badań zmęczeniowych, realizowanych w różnych zagranicznych ośrodkach naukowo-badawczych, wykonywanych początkowo na hydromechanicznych maszynach zmęczeniowych z częstotliwością od 5 do 500 Hz, a obecnie przy pomocy ultradźwiękowych wzbudników piezoelektrycznych z częstotliwością 20 khz [454]. Zmiana technologii prób zmęczeniowych znacząco skróciła czas i koszty badań. Osiągnięcie cykli obciążenia próbki zajmuje tylko 6 dni, podczas gdy wcześniej taka próba wykonywana z częstotliwością 100 Hz wymagała aż 3 lat! Skrócenie czasu badań i miniaturyzacja stanowiska prób zmęczeniowych umożliwia równoległe prowadzenie badań na statystycznie wiarygodnej liczbie próbek, zwiększając wiarygodność otrzymanych wyników badań [ ]. Zagadnienia VHCF są prezentowane od ponad 20 lat na międzynarodowych konferencjach naukowych dotyczących mechaniki pękania. Były też tematem czterech konferencji monotematycznych w: Paryżu (1998), Wiedniu (2001), Kyoto/Kusatsu (2004) i Michigan (2007). Piąta konferencja monotematyczna VHCF odbędzie się w Berlinie w 2011 r Krzywa zmęczeniowa materiału polikrystalicznego Punktem wyjścia do zbudowania rzeczywistej krzywej zmęczeniowej materiału polikrystalicznego, jakim są m.in. stale, stopy tytanu i stopy aluminium używane na łopatki sprężarki, jest analiza rozkładu prawdopodobieństwa osiągnięcia granicznej liczby cykli przy danym poziomie naprężeń. Badania takie były realizowane m.in. przez zespół Zacharowej od początku lat siedemdziesiątych XX wieku w byłym ZSRR [ ]. Uzyskane wyniki badań zostały zweryfikowane w innych ośrodkach naukowych na świecie, m.in. w National Institute for Material Science (NIMS) w Japonii [444]. Na podstawie obserwacji danych pomiarowych dostrzeżono rys. 3.7, że wiarygodność wyznaczania średniej arytmetycznej granicznej liczby cykli N f na bazie małej liczebności próbek maleje wraz ze zmniejszaniem poziomu obciążeń. Do identyfikacji tego zjawiska przyjęto założenie, że oczekiwane wartości danych pomiarowych opisuje rozkład normalny N(N fśr, Nf ), w którym: wartość średnia granicznej liczby cykli N fśr odwzorowuje reakcję średnich cech materiału na przyłożone obciążenie cykliczne, odchylenie standardowe Nf odwzorowuje wpływ randomizacji właściwości materiału przez nieznane czynniki struktury polikrystalicznej. Analizując związek pomiędzy parametrami rozkładu normalnego, a prawdopodobieństwem wystąpienia zdarzenia dla gładkich próbek stwierdzono, że: w zakresie od do 10 5 cykli obserwuje się liniowe zmiany prawdopodobieństwa wystąpienia uszkodzenia HCF wg zjawiska I, w którym ognisko zmęczenia inicjowane jest na powierzchni materiału (układ otwarty, w którym występuje wymiana energii z otoczeniem). Eksperymentalnie potwierdzono również słuszność przyjętego założenia o rozkładzie normalnym; w zakresie od do cykli występuje strefa bifurkacji, będąca strefą przejścia zjawiska I w zjawisko II ; powyżej cykli dominującą przyczyną zmęczenia materiału jest zjawisko II zmęczenie VHCF, w którym ognisko zmęczenia inicjowane jest pod powierzchnią materiału (układ zamknięty bez wymiany energii z otoczeniem), a po osiągnięciu 45

46 powierzchni propagacja pęknięcia następuje w układzie otwartym; wraz ze zwiększaniem liczby cykli prawdopodobieństwo zjawiska II wzrasta kosztem zmniejszania prawdopodobieństwa zjawiska I. a) b) Rys Dane eksperymentalne z prób zmęczeniowych okrągłych próbek wykonanych ze [285]: a) stopu aluminium 2024-T3, poddanych jednoosiowemu rozciąganiu; b) stopu SUJ2 (1,01% C, 1.45% Cr) poddanych jednoczesnemu zginaniu i skręcaniu z częstotliwością 50 Hz; Oczekiwaną trwałość próbki w zakresie do 10 8 cykli, z uwzględnieniem zjawiska bifurkacji, opisuje funkcja właściwości bimodalnych materiału F N p F log N p F log N log f 1 1 f 2 2 (3.7) Jej interpretację przedstawiono na rys. 3.8, a cechy bimodalne przykładowych materiałów lotniczych zestawiono w tabeli 3.2. W tabeli podano m.in. współczynniki kierunkowe prostych aproksymujących lewą i prawą gałąź krzywej zmęczenia. W dalszych badaniach zastosowano synergetyczne i termodynamiczne podejście do problemu materiał polikrystaliczny uznano za strukturę samoorganizującą się [285]. Wykazano, że dla większości materiałów polikrystalicznych obserwuje się kolejne bifurkacje przy coraz niższych wartościach naprężeń rys Położenie punktów bifurkacji, określone według algorytmu samoorganizacji struktury materiału, opisuje równanie 1 gdzie m 2 p. N 1/ m d N 1 f (3.8) Dla stopów żelaza kolejne punkty bifurkacji określa widmo d : 0,618 0,465 0,380 0,324 0,213 dla p = 1; 2; 3; 4; (stała proporcja 0,618). Zachodzi związek i i1 T T i 1/ 2 gdzie T teoretyczna odporność na ścinanie; T teoretyczna odporność na rozrywanie. (3.9) 46

47 Rys Bimodalne właściwości zmęczeniowe metalu (materiału polikrystalicznego) w zakresie pierwszej bifurkacji wyznaczone przez Zacharową [285] Tabela 3.2. Materiał Stal EI-961 (Cr-Ni-Mo) Stal 35CD4 (Cr-Mo) Stop aluminium W95 Stop aluminium AWT Parametry pierwszej bifurkacji wytrzymałości zmęczeniowej wyznaczone przez Zacharową dla przykładowych materiałów lotniczych [285] Temperatura ( o C) Liczba poziomów naprężeń Liczba próbek Bazowa liczba cykli Współczynnik kierunkowy m f gałęzi krzywej Wöhlera Lewa Prawa ,0 63, ,0 26, ,5 25, ,9 15,9 BrOF ,2 26,2 WT-9 (z karbem) WT-9 (bez karbu) , ,8 16, ,3 30,8 EI-437B ,7 44, Zmęczenie stopów na osnowie żelaza i tytanu Uwzględniając bimodalne właściwości zmęczeniowe materiału, można sklasyfikować zmęczenia stopów na osnowie żelaza. 47

48 a) b) Rys a) Diagram bifurkacyjny zmęczenia stopów żelaza; b) prawdopodobieństwo inicjowania pęknięcia na powierzchni (P in układ otwarty) lub wewnątrz materiału (P so układ zamknięty) [285] Typ I (poziom mikro) bifurkacja w1 związana jest z rozwojem procesu zmęczenia pod powierzchnią materiału. Bifurkacja zachodzi przy poziomie naprężeń w1 / w 0,3. Ognisko zmęczenia związane jest z mikrostrukturą materiału. Pomiędzy w2, w1 krzywa odwzorowuje zmęczenie VHCF inicjowane wewnątrz materiału, głównie na miękkich wtrąceniach (np. tlenkach czy inkluzji) lub błędach struktury. Do opisu zjawiska zmęczenia może być używane kryterium równowagi termodynamicznej (układ jest zamknięty w fazie inicjacji zmęczenia, bez wymiany energii z otoczeniem). Poziom naprężenia, przy którym zainicjowało się zmęczenie VHCF, można oszacować na podstawie cech ogniska zmęczenia według wzoru Murakami w ln N f HV / area 6 (3.10) gdzie: HV mikrotwardość materiału w ognisku zmęczenia (pomiar metodą Vickersa); area pole przekroju ogniska zmęczenia o cechach fish eye. Według badań Sakai, przeprowadzonych dla stali konstrukcyjnych na mikroskopie SEM, TEM i dyfrakcji rentgenowskiej [271], inicjacja zmęczenia VHCF w strefie FGA (ang. Fine Granular Area) przebiega w trzech etapach rys W końcowym etapie inicjacji pęknięcia VHCF właściwości propagacji dążą asymptotycznie do parametrów określonych przez prawo Parisa rys Istnieją również inne modele inicjacji pęknięcia VHCF, np. model podwójnego oddziaływania wodoru w pobliżu inkluzji, zaproponowany przez Murakami [197]. Typ II (poziom mezo I) bifurkacja w2 jest związana z przechodzeniem układu zamkniętego w otwarty. Bifurkacja zachodzi przy w2 / w 0,5. Pojedyncze ognisko zmęczenia znajduje się na powierzchni materiału. W przedziale w3, krzywa w2 odwzorowuje zmęczenie HCF. Typu III (poziom mezo II) bifurkacja w3 związana jest z przechodzeniem otwartego systemu z inicjacji jednoogniskowej w wieloogniskową, dla N f = N p. Bifurkacja zachodzi przy w3 / w 0,8, co jest wartością zbliżoną do proporcji R e /R m. Pomiędzy krzywa odwzorowuje zmęczenie LCF. w4, w3 Typ IV (poziom makro) bifurkacja w4 związana jest z przejściem do quasistatycznego zmęczenia, w którym ogniska zmęczenia są jednocześnie położone na powierzchni i wewnątrz materiału lub dominują ogniska pod powierzchnią. Bifurkacja zachodzi przy N f = 10 3 )/ w 0,9. Przy poziome naprężeń większych od w4 krzywa odwzorowuje zmęczenie quasi-statyczne. 48

49 Rys Inicjacja pęknięcia VHCF według badań Sakai [270] Rys Właściwości propagacji pęknięcia VHCF [296] Podobnie klasyfikuje się zmęczenie stopów na osnowie tytanu. Uogólniony diagram bifurkacyjny dla różnych stopów lotniczych przedstawiono na rys

50 Rys Uogólniony diagram bifurkacyjny zmęczenia dla materiału [285]: 1 poddanego działaniu agresywnej atmosfery; 2, 3 pracującego w normalnych warunków otoczenia; 4 poddanego powierzchniowej obróbce wykańczającej Krzywa 1 przedstawia wytrzymałość zmęczeniową materiału polikrystalicznego narażonego na oddziaływanie agresywnej atmosfery, której skutki są silniejsze niż procesy zmęczenia materiału występujące w normalnej atmosferze. Inicjacja pęknięcia następuje na ogniskach wżerów korozyjnych lub erozyjnych. Krzywe 2 i 3 przedstawiają wytrzymałość zmęczeniową materiału polikrystalicznego podczas pracy w normalnej atmosferze, o cechach zmęczenia: quasi-statycznego, LCF, HCF i VHCF opisanych na przykładzie rys Krzywa 4 przedstawia granicę zmęczenia materiału, który poddano specjalnej obróbce powierzchniowej mającej na celu zmniejszenie chropowatości powierzchni i wprowadzenie naprężeń własnych ściskających. Dla zmodyfikowanej technologicznie warstwy wierzchniej: ognisko zmęczenia materiału i pierwsza faza pęknięcia zmęczeniowego będą rozwijały się pod powierzchnią (przy braku karbu powierzchniowego), podobnie jak dla zniszczenia przy nośności quasi-statycznej rys. 3.13; Rys Wytrzymałość zmęczeniowa materiału w zakresie do 10 3 cykli, z inicjacją pęknięcia pod powierzchnią (quasi-statyczne) lub na powierzchni (LCF) [285] 50

51 lokalizacja ogniska zmęczenia wzdłuż wysokości pióra łopatki zależy głównie od niejednorodności warstwy wierzchniej po obróbce wykańczającej (mikrotwardości) i dystrybucji świadomie wprowadzonych naprężeń własnych Rp rys. 3.14, mniej natomiast od koncentracji naprężeń eksploatacyjnych E w rejonie linii węzłowych drgań [46]. Powyższe spostrzeżenie znajduje odzwierciedlenie w wynikach badań VHCF [202]. Ilościowy wpływ obróbki powierzchniowej na parametry fizyczne łopatki stalowej przedstawiono w tabeli 3.3. a) b) Rys Dystrybucja naprężeń własnych w warstwie wierzchniej łopatki poddanej obróbce wykańczającej [46]: a) szlifowania i polerowania (obróbka podstawowa); b) strumieniowo-ciernej i kulowaniu strumieniowemu kulkami szklanymi Tabela 3.3. Wpływ obróbki powierzchniowej na właściwości mechaniczne materiału 18H2N4WA łopatki II stopnia sprężarki silnika typu SO-3 [46] Wariant obróbki Badana Szlifowanie Obróbka Kulowanie Obróbka cecha i polerowanie strumieniowościerna strumieniowe strumieniowościerna kulkami szklanymi i kulowanie kulkami szklanymi Rodzaj naprężeń własnych rozciągające ściskające ściskające ściskające Maksymalna wartość średnich naprężeń osiowych [MPa] Maksymalna głębokość zalegania naprężeń w warstwie wierzchniej [m] Maksymalny przyrost średniej wartości mezotwardości HK/300 Rodzaj struktury geometrycznej równoległa bezkierunkowa bezkierunkowa bezkierunkowa powierzchni warstwy wierzchniej prostoliniowa Wysokość chropowatości 0,31 1,25 2,50 0,16 0,32 0,32 1,25 powierzchni Ra [m] Średnia wartość wytrzymałości zmęczeniowej łopatek Z -1 [MPa] 548,6 619,3 627,5 657, Materiał polikrystaliczny - spostrzeżenia diagnostyczne Łopatki sprężarki i wentylatora są narażone na przyśpieszone zmęczenie materiału i ryzyko pękania: quasi-statycznego, LCF, HCF i VHCF. Bimodalna interpretacja właściwości zmęczeniowych materiału polikrystalicznego 51

52 łopatki: a) Ujawnia dwie grupy zagadnień diagnostycznych: badanie układu otwartego, dla którego inicjacja i pękanie zmęczeniowe następuje od powierzchni. Są to zagadnienia HCF i LCF oraz niektóre przypadki zmęczenia quasi-statycznego wykrywane klasycznymi metodami NDT, przy zachowaniu staranności badawczej; badanie układu zamkniętego, dla którego inicjacja pęknięcia następuje wewnątrz materiału w sposób skryty dla większości metod NDT stosowanych w eksploatacji i remoncie silników lotniczych. Rozwinięte pęknięcie ujawnia się skokowo po dotarciu zmęczenia do powierzchni. Są to zagadnienia VHCF i quasi-statycznego zmęczenia. Oba mechanizmy pękania zmęczeniowego łopatek (od powierzchni i pod powierzchnią) występują równocześnie, ale poza strefami bifurkacji w danym zakresie obciążeń i cykli dominuje tylko jeden mechanizm ma on większe prawdopodobieństwo ujawnienia się w postaci uszkodzenia zmęczeniowego. b) Uświadamia, że dla wysokowytrzymałych materiałów polikrystalicznych nie istnieje granica wytrzymałości trwałej, która zobrazowana jest dla stali miękkich przez wartość R L na wykresie Wöhlera rys Zmęczenie łopatki może wystąpić również przy niskim poziomie drgań pióra (ognisko na karbie lub VHCF), dlatego niezbędne jest monitorowanie zarówno amplitudy drgań, jak i stanu technicznego. c) Wymaga nowego podejścia do działań profilaktycznych. Skuteczna profilaktyka zmęczeniowa łopatek w eksploatacji wymaga aktywnego diagnozowania ryzyka zmęczeniowego i sterowania poziomem wytężenia ich materiału (optymalizacji warunków pracy z uwzględnieniem nowych kryteriów diagnostycznych). Możliwości takiej ingerencji przedstawiono w dalszej części monografii. Podejmowana profilaktyka musi uwzględnić nieznane działania producenta, które zmierzają do zwiększenia niezawodności łopatki w eksploatacji. Dwie łopatki wykonane z tego samego typu materiału i o wizualnie jednakowych cechach geometrycznych mogą mieć całkowicie różne właściwości mechaniczne, wynikające z jakości i typu obróbki cieplno-mechanicznej lub powierzchniowej. Rozpatrując aspekty wytężeniowe i zmęczeniowe materiału łopatki należy pamiętać o: dyskretnej naturze rzeczywistej materii, którą można obserwować przy coraz to większym powiększeniu w postaci: mikrostruktury, ziaren kryształów, sieci krystalicznej, komórki elementarnej i atomu rys. 3.15; defektach struktury obserwowanych na każdym z tych poziomów tabela 3.4; niejednorodności właściwości mechanicznych faz struktury polikrystalicznej materiału łopatki tabela 3.5 i rys Rys Elementy składowe dyskretnej natury obiektu materialnego [408] 52

53 Tabela 3.4. Defekty w budowie ciał krystalicznych [36] Skala wielkości defektu Charakter defektu Nazwa defektu Makroskopowa Defekty morfologiczne Pęknięcie Inkluzja Rysa Budowa mozaikowa Blok krystaliczny Atomowa Defekty punktowe Wakans Atom lub jon międzywęzłowy Defekty liniowe Dyslokacja krawędziowa Dyslokacja śrubowa Dyslokacja mieszana Defekty płaszczyznowe (powierzchniowe) Granica wąskokątowa Granica szerokokątowa Granica bliźniacza Błąd ułożenia Granica domen antyfrazowych Subatomowa Defekty elektronowe Elektron nadmiarowy Dziura elektronowa Ekscytron Tabela 3.5. Podstawowe właściwości faz obecnych w stalach niestopowych [23,24,36,73] Parametr Fe Ferryt Perlit płytkowy Cementyt (Fe 3 C) Austenit stop. *) R m [MPa] ~750 R e [MPa] ~300 A 10 [%] ~50 HB ~200 Faza stopu roztwór stały węgla w żelazie o strukturze A2 eutektoidalna płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu faza pośrednia, międzymetaliczna, międzywęzłowa złożona Cechy plastyczny twarda, krucha, metastabilna System poślizgów Liczba systemów poślizgu *) **) Kierunki <111> Płaszczyzny **) {110} 6 (po 2 kierunki) {112} 12 {123} (12 w wytrzymałości materiału, {110}) dla stali wysokostopowej, dla której austenit jest trwały w temperaturze pokojowej w zależności od warunków odkształcenia roztwór stały węgla w żelazie o strukturze A1 Kierunki <110> Płaszczyzny {111} 4 (po 3 kierunki) 12 (4 w wytrzymałości materiałów, tylko {111}) Różne mikrostruktury materiału i system poślizgów obecny w komórce elementarnej mają wpływ na wytrzymałość doraźną i zmęczeniową łopatek. Liczba systemów poślizgów w fazach materiału oraz wpływ warunków obróbki cieplno-mechanicznej na strukturę materiału ujawnia złożoność problemu wytrzymałościowego związanego z etapem produkcji łopatek. Pomimo stosowania przez producenta szeregu czynności kontrolnych, tj.: 53

54 sprawdzanie składu chemicznego materiału dostarczonego z huty (półproduktu), kontrola struktury naddatków po obróbce cielno-mechanicznej, kontrola wymiarowa i drgań własnych I modu 100% łopatek, badania zmęczeniowe (niszczące) statystycznych przedstawicieli partii łopatek, produkt finalny obarczony jest rozrzutem właściwości mechanicznych i zmęczeniowych. Wśród nowych łopatek mogą znajdować się również łopatki z mikro- lub makropęknięciami czy poważnymi błędami mikrostruktury. Wadliwe łopatki trafiają do eksploatacji. Rys Fazy i struktura stopu żelaza z węglem (układ Fe-Fe 3 C ograniczony do 2.11%) [408] Związki pomiędzy strukturą krystaliczną metalu i parametrami mechanicznymi można poznać na bazie próby statycznego rozciągania. Najbardziej przekonywujący opis podaje hipoteza Köstera [62], według której w metalach wyróżnia się wpływ sztywności: osnowy szkieletu granic ziarn zawierających bardziej wytrzymałe fazy, np. cementyt III-rzędowy, jak również i zaburzenia w regularnym ułożeniu atomów. Parametry osnowy definują granicę plastyczności materiału polikrystalicznego; wypełniacza miękkich faz, np. ferrytu, odpowiedzialnych za poślizgi w obszarze odkształceń plastycznych i inicjowanie zmęczenia VHCF. Wizualnym symptomem diagnostycznym poślizgu w siatce krystalograficznej jest matowienie powierzchni próbki polerowanej i powstanie tzw. linii Lüdersa-Czernowa [267]. Powstawanie odkształceń trwałych oraz przełomów w materiale może być zbadane jednoznacznie tylko w jednoosiowym stanie naprężeń. W przypadku stanu wieloosiowego powstawanie odkształceń trwałych oraz przełomów zależy nie tylko od wartości składowych stanu naprężeń, ale również od ich stosunków [142,267]. Do obliczeń wytrzymałościowych i budowy kryteriów diagnostycznych używa się uproszczonego stanu mechanicznego [96,195,224,267], np. wykres Pełczyńskiego, wykres Hubera-Galileusza, wykres Hubera de Saint Venata czy wykres Friedmana. 54

55 4. ZADANIE BADAWCZE Nośność elementu z pęknięciem można oszacować za pomocą wzorów z mechaniki pękania (dokładne obliczenia możliwe są tylko dla przypadków prostego obciążenia), natomiast zbliżanie się materiału do stanu kruchości jest zjawiskiem bardzo złożonym i niebezpiecznym (opisywanym przez fizykę zmęczenia). Zarodkujące pęknięcie może od początku osiągnąć wymiar krytyczny i rozrastać się w sposób niestabilny, zaskakując użytkownika [267] Cel badań Analizując przypadki pęknięcia pióra łopatek sprężarki i wentylatora zaistniałe w lotnictwie oraz zasady projektowania silników lotniczych [88], rozpatrywane zagadnienie zmęczeniowe można zawęzić do problemów LCF, HCF i VHCF, z pominięciem wpływu zmęczenia statycznego i naprężeń termicznych (pełzania). Dokładna analiza ww. zjawisk wymaga wykorzystania wszystkich charakterystyk wytrzymałościowych i plastycznych materiału, a nie tylko granicy plastyczności R e i wytrzymałości na rozciągnie R m [267]. Podczas analizy stanu technicznego łopatki, szczególnie dynamiki pękania zmęczeniowego, należy uwzględniać typ i teksturę materiału oraz rolę poszczególnych pierwiastków stopowych i faz w strukturze polikrystalicznej [15]. Dla różnych materiałów konstrukcyjnych stosowanych na łopatki: wentylatora stopów tytanu lub kompozytów; sprężarki stali konstrukcyjnych o podwyższonej wytrzymałości, stopów tytanu, stopów aluminium; dokładna analiza zagadnień zmęczeniowych wymaga indywidualnego podejścia do każdego obiektu badań, przy zachowaniu ogólnej metodyki badawczej. Badania diagnostyczne, prezentowanych w niniejszej monografii, są podejściem przybliżonym do rozwiązania zagadnień zmęczeniowych. Ich wynikiem powinno być uzyskanie diagnozy gwarantującej bezpieczną eksploatację silnika. Nieznane cechy indywidualne obiektu badań są uwzględniane w algorytmach diagnozy i prognozy poprzez współczynniki bezpieczeństwa. Celem badań diagnostycznych, prezentowanych w niniejszej monografii, jest detekcja: a) wczesnej fazy narastającego zmęczenia materiału łopatki wentylatora i sprężarki, m.in. cyklicznego umocnienia i cyklicznego osłabienia, oraz początkowej fazy otwartego pęknięcia pióra. Stanu technicznego łopatki, który jest nieznany diagnoście na etapie podjęcia zadania badawczego, a wynikającego z: rzeczywistego stanu początkowego, właściwości modalnych łopatki i zjawisk dynamicznych, oddziaływania czynników środowiskowych (zapylenia, agresywnej atmosfery), historii wytężenia materiału łopatki, obliczeniowej trwałości zmęczeniowej; b) związków przyczynowo-skutkowych, z wykorzystaniem których jest realizowana idea aktywnego sterowania procesem zmęczenia i kompleksowego diagnozowania silnika Zadania badawcze Prace badawcze opisane w niniejszej monografii dotyczą trzech zadań cząstkowych: wstępnej identyfikacji zagrożenia zmęczeniowego (zadanie I), detekcji wczesnej fazy zmęczenia łopatek w remoncie (zadanie II), sterowania zmęczeniem łopatek w eksploatacji (zadani III). 55

56 Wstępna identyfikacja zagrożenia zmęczeniowego (zadanie I) Przezorny użytkownik floty statków powietrznych, napędzanych przez różne typy silników turbinowych, poszukuje odpowiedzi na pytanie: Na którym typie silnika i stopniu wirnika sprężarki istnieje zwiększone ryzyko zmęczeniowego pękania i urywania łopatek? Tak sformułowane zadanie wymaga zastosowania metody bezdotykowego pomiaru symptomów diagnostycznych poprzez kadłub sprężarki symptomów świadczących o różnicowaniu procesu zmęczenia łopatek danej palisady, wyznaczonych na statystycznie reprezentacyjnej grupie silników danego typu. Mierzoną wielkością mogą być: naprężenia własne w łopatkach R obserwowane podczas postoju lub pozornego rozruchu silnika (bez zapłonu), np. stan namagnesowania ferromagnetycznych łopatek; widmo drgań łopatek obserwowane podczas pracy silnika. Interpretacja wyników badań bazuje na metodach statystycznych, ze względu na całkowity brak wiedzy o badanym obiekcie poszczególne łopatki i palisady są obiektami typu czarna skrzynka. Opracowana diagnoza powinna pomóc użytkownikowi zorganizować ekonomicznie uzasadnione działania profilaktyczne, które zapobiegną wystąpieniu pierwszego przypadku zmęczeniowego danego typu w jego flocie statków powietrznych. Opisem matematycznym zadania jest statystyczne kryterium randomizacji procesu zmęczenia palisady. Zakłada się, że proces zmęczenia palisady opisany jest przez pojedynczy rozkład normalny RP symptomów diagnostycznych. Wskaźnikiem randomizacji procesu zmęczenia palisady łopatek WR jest proporcja Kz / Kz. RP N Kz, Kz Kz WRSKz Kz (4.1) WRSKz GPZ WRSKz WR SKzi ( t t? ) SKzE pe P GPZ gdzie: GPZ umowna kategoria diagnostyczna groźba przyśpieszonego zużycia zmęczeniowego łopatek ; WR max graniczny poziom wskaźnika randomizacji analizowanego procesu; SKz i (t=t? ) identyfikowana wartość krzywej życia i-tej łopatki palisady o nieznanym czasie eksploatacji, odwzorowana w symptomach diagnostycznych stosowanej metody badawczej; SKz E minimalna wartość krzywej życia odwzorowana w symptomach diagnostycznych metody badawczej, na którą godzi się użytkownik w eksploatacji; p E wiarygodność poprawnej diagnozy (prawdopodobieństwo), że umowny stan techniczny łopatki GPZ spełnia kryterium wytrzymałościowe Detekcja wczesnej fazy zmęczenia łopatek w remoncie (zadanie II) Zakład remontowy poszukuje odpowiedzi na pytanie: Czy dana łopatka sprężarki spełnia kryterium wytrzymałościowe remontu, przy poprawności kryteriów wymiarowych i braku symptomów otwartego pęknięcia pióra? W wyniku demontażu silnika istnieje fizyczny dostęp do badanych łopatek, możliwa jest zatem identyfikacja podstawowych cech geometrycznych łopatki i odtworzenie jej kształtu przy pomocy skanera optycznego lub laserowego. Podczas szerokopasmowych badań zmęczeniowych i eksperymentalnej analizy modalnej możliwe jest wyznaczenie m.in. częstotliwości i postaci drgań kolejnych modów, poziomu tłumienia drgań, poziomu liniowości struktury oraz relacji istniejących pomiędzy amplitudą drgań danego modu łopatki a naprężeniami w danym punkcie pióra. Na bazie wybrakowanych łopatek możliwa jest max 56

57 również identyfikacja składu i mikrostruktury materiału oraz korelacja ww. parametrów z własnościami modalnymi. Diagnoza powinna pomóc zorganizować ekonomicznie uzasadnione działania profilaktyczne w remoncie silnika, które wyeliminują z eksploatacji łopatki z mikro- i makropęknięciami oraz o niewłaściwej mikrostrukturze (ukryte błędy produkcyjne). Opisem matematycznym zadania jest: a) transformacja parametrów mechanicznych materiału i geometrycznych łopatki w macierz symptomów diagnostycznych SD; w przypadku zastosowania drgań do diagnozowania stanu technicznego łopatek, macierz SD zawiera wektory parametrów modalnych kolejnych postaci drgań: częstotliwości drgań własnych (f), amplitudy granicznej (A max ), logarytmicznego dekrementu tłumienia (), postaci drgań i położenia linii węzłowych (PD), poziomu liniowości obiektu w paśmie danego modu (LIN) R, R, E,, h, c, d, Profil,, SD f, A, δ, PD, LIN m e gr (4.2) W przypadku zastosowania naprężeń własnych macierz SD będzie zawierała parametry danej metody badań nieniszczących, np. poziom namagnesowania i przenikalność magnetyczną (metody magnetyczne) lub prędkość propagacji fali akustycznej w materiale (metoda ultradźwiękowa), odwzorowane w postaci rozkładu na powierzchni pióra; b) ocena statystyczna poszczególnych symptomów diagnostycznych z uwzględnieniem przyjętych założeń i istniejących zależności. Uwzględniając dotychczasowe kryteria oceny łopatek w remoncie zakłada się, że: - częstotliwość I modu f 1 populacji łopatek opisuje rozkład równomierny w przedziale f min ; f max, gdzie minimalną i maksymalną wartość częstotliwości określają WTR zdefiniowane przez producenta silnika; - proporcje pomiędzy częstotliwościami wyższych postaci drgań f i>1 (niekontrolowanymi w remoncie), a częstotliwością I modu opisuje rozkład normalny; - amplituda drgań I modu A 1 łopatki jest funkcją częstotliwości f 1 i logarytmicznego dekrementu tłumienia 1 ; dla populacji łopatek tłumienie drgań danego modu jest opisane dwuwymiarowym rozkładem normalnym; - amplituda wyższych postaci drgań łopatki (niekontrolowana w remoncie) jest funkcją logarytmicznego dekretu tłumienia i postaci drgań PD; dla populacji łopatek parametr jest określony dwuwymiarowym rozkładem normalnym; - logarytmiczny dekrement tłumienia poszczególnych modów i jest wypadkową cech materiału, kształtu pióra łopatki i warunków mocowania łopatki w gnieździe uchwytu technologicznego; w analizie pomija się wpływ tłumienia aerodynamicznego wnoszonego przez otaczające powietrze, dla populacji łopatek danej palisady parametr jest określony rozkładem normalnym; - wektor postaci drgań PD odwzorowuje przestrzenny (3D) rozkład masy pióra, opisany przez: wysokość pióra h, cięciwę pióra c, maksymalną grubość profilu d(h), typ profilu profil (najczęściej zmodyfikowany profil NACA-65), kąt skręcenia pióra i kąt osadzenia pióra w stopie zamka rys.; - liniowość obiektu LIN uwarunkowana jest od stanu technicznego struktury i warunków mocowania łopatki w uchwycie technologicznym. Kryterium oceny stanu technicznego łopatki wyraża relacja SKzi t t? f f, A, δ, PD, LIN iprł SKzi t t? R SKzR PSKzi ( t t? ) R SKzR pr (4.3) 57

58 gdzie: SKz R minimalna wartość krzywej życia, odwzorowana w symptomach diagnostycznych stosowanej metody badawczej, gwarantująca niezawodność łopatki w okresie R (np. gwarancyjnym lub międzyremontowym); PRŁ populacja remontowanych łopatek z danej palisady typu silnika; p R wiarygodność poprawnej diagnozy postawionej według nowego kryterium wytężeniowego kontroli stanu technicznego łopatki. Prawdopodobieństwo p R uwzględnia ryzyko błędnej diagnozy akceptowane przez zakład remontowy oraz aspekty ekonomiczne remontu silnika. Rys Dane konstrukcyjne łopatki II stopnia wirnika sprężarki silnika typu SO-3 [46] 58

59 Sterowanie zmęczeniem łopatek w eksploatacji (zadanie III) Użytkownik zagrożonego typu silnika poszukuje odpowiedzi na trzy pytania: 1. Czy stan techniczny łopatek podejrzanej palisady gwarantuje bezpieczne wykonanie misji lotniczej? 2. Jaki jest horyzont wiarygodnej prognozy stosowanej metody badawczej? 3. Jakie są związki przyczynowe pomiędzy zagrożeniem zmęczeniowym łopatek sprężarki, a jakością eksploatacji i innymi problemami technicznymi silnika? W tym zadaniu zakłada się, że badane łopatki są obiektem typu czarna skrzynka, ponieważ na etapie podejmowania badań diagnosta nie ma żadnej wiarygodnej informacji o cechach materiałowych i geometrycznych łopatek, ich obciążeniu oraz wpływie dotychczasowej historii eksploatacji. Odpowiedź na pierwsze pytanie ma zagwarantować bezpieczeństwo lotów. Zagadnienie jest odwzorowane przez kryterium minimalnej wartości krzywej życia łopatki i prawdopodobieństwo jego spełnienia ipł E T m SKz i ( t t ) E SKzE PSKzi ( t t? ) E SKzE pe? (4.4) gdzie: SKz E minimalna wartość krzywej życia, odwzorowana w symptomach diagnostycznych stosowanej metody badawczej, gwarantująca niezawodność łopatek zagrożonej palisady w okresie większym od czasu pojedynczej misji lotniczej T m ; PŁ liczba łopatek danej palisady silnika; p E dopuszczalny poziom ryzyka użytkownika, określony przez minimalną wartość prawdopodobieństwa spełnienia kryterium wytrzymałościowego przez wszystkie łopatki danej palisady. Odpowiedź na drugie pytanie ma pomóc użytkownikowi wdrożyć nową metodę badawczą do istniejącego systemu obsług technicznych oraz określić poziom ryzyka błędnej diagnozy: zmęczeniowego urwania łopatki pomiędzy kolejnymi kontrolami, przedwczesnego wycofania silnika z eksploatacji z powodu nadmiernego zmęczenia łopatki. Celem trzeciego pytania jest uzyskanie informacji niezbędnej do podjęcia niskonakładowych działań korygujących, które zlikwidują przyczynę eksploatacyjną przyśpieszonego zmęczenia łopatek. W ten sposób użytkownik będzie aktywnie sterował procesem zmęczenia łopatek. Udzielenie rzetelnej odpowiedzi na to pytanie umożliwia również podjęcie działań mających na celu pełne wykorzystanie informacji diagnostycznej z nowego obserwatora stanu do kompleksowego diagnozowania silnika. Zadanie III może być realizowane z pominięciem: zadania I, gdy na danym typie silnika wystąpił już pierwszy przypadek zmęczeniowego pęknięcia lub urwania łopatki sprężarki (użytkownik zna już lokalizację najbardziej zagrożonej palisady); takim problemem były łopatki I stopnia sprężarki silników typu SO-3 na początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku; zadania II, gdy remont silnika jest realizowany poza granicami kraju i nie jest możliwy fizyczny dostęp do zdemontowanej łopatki i dokumentacji remontowej silnika Proces diagnozowania Proces diagnozowania łopatek i silnika obejmuje etapy: pomiarów, analizy danych pomiarowych (wydzielenie symptomów diagnostycznych), interpretacji danych (postawienie diagnozy) oraz propozycji działań profilaktycznych. Powyższe działania i ich zakres wynikają z zadania badawczego opisanego w pkt 4.2. Tak rozumiany proces diagnostyczny można 59

60 przedstawić w postaci dwóch hipotez zerowych: H1 0 : Na podstawie wybranych metod diagnostycznych i wiedzy eksperymentalnej, pozyskanej na etapie identyfikacji obiektu badań, możliwe jest wiarygodne diagnozowanie i prognozowanie stanu technicznego łopatek sprężarki, nawet przy niepełnej znajomości właściwości mechanicznych jej materiału i cech geometrycznych. H2 0 : Na podstawie właściwego rozpoznania czynników eksploatacyjnych przyśpieszonego zmęczenia łopatek i związków przyczynowo-skutkowych możliwe jest aktywne sterowanie procesem zmęczenia nie tylko badanych łopatek, ale również innych elementów silnika lotniczego. Do ww. hipotez zerowych zdefiniowano hipotezy alternatywne: H1 1 : Nie jest możliwe wiarygodne diagnozowanie i prognozowanie stanu technicznego łopatek sprężarki przy niepełnej znajomości właściwości mechanicznych jej materiału i cech geometrycznych pióra. H2 1 : Nie jest możliwe aktywne sterowanie procesem zmęczenia elementów silnika lotniczego Błędy statystyczne Do weryfikacji przyjętych hipotez zerowych w pracy wykorzystano rzeczywiste dane pomiarowe oraz narzędzia statystyczne. Stosując metody statystyczne, należy kontrolować poziom błędów wynikający z [293,388,459]: metody badawczej są to błędy statystyczne I i II rodzaju; roli czynnika ludzkiego w eksploatacji metody badawczej są to błędy statystyczne III i IV rodzaju, których potrzebę uwzględniania sygnalizują statystycy od drugiej połowy lat czterdziestych XX wieku. Błąd statystyczny I rodzaju dotyczy sytuacji, gdy dobra łopatka, spełniająca kryterium wytrzymałościowe, na podstawie badań diagnostycznych zostanie sklasyfikowana jako niezdatna. Błąd I rodzaju naraża użytkownika metody diagnostycznej (użytkownika floty samolotów lub zakład remontowy) na nieuzasadnione straty finansowe. Błąd statystyczny II rodzaju dotyczy sytuacji, gdy niezdatna łopatka zostanie sklasyfikowana jako dobra, pomimo niespełnienia kryterium wytrzymałościowego. Błąd II rodzaju stwarza realne ryzyko wystąpienia katastrofy lotniczej (śmierci pilota i ewentualnych pasażerów) oraz naraża użytkownika metody na nieuzasadnione koszty zniszczonego sprzętu. Należy również pamiętać, że każdy wypadek lotniczy zaistniały z przyczyn błędu II rodzaju wywołuje poważne straty moralne, zarówno wśród personelu technicznego używającego daną metodę diagnostyczną, jak również pilotów i osób zarządzających flotą statków powietrznych. Ich efektem może być utrata zaufania do nowej metody diagnostycznej. Błąd statystyczny III rodzaju, według Florence Nightingale David (1947), miałby wyrażać się niewłaściwym dobieraniem testu statystycznego, tak aby pasował do istotności próbki. Rok później Frederick Mosteller argumentował, że błąd III rodzaju powinien być używany do opisu sytuacji, gdy prawidłowo odrzucamy hipotezę zerową, ale z niewłaściwych przyczyn. W 1957 r. Allyn Kimball zdefiniował błąd trzeciego rodzaju jako udzielenie właściwej odpowiedzi na niewłaściwe pytanie. W 1968 r. statystyk Howard Raiffa zaproponował wprowadzenie błędu trzeciego rodzaju jako błędu polegającego na prawidłowym i dokładnym rozwiązaniu niewłaściwego problemu, np. przy niewłaściwie sformułowanej hipotezie zerowej. Z punktu działań diagnosty przykładem błędu III rodzaju jest prawidłowe rozwiązanie innego problemu diagnostycznego niż postawione zadanie badawcze. 60

61 Błąd statystyczny IV rodzaju, według Marascuilo i Levina (1970), polega na niewłaściwym zinterpretowaniu właściwie odrzuconej hipotezy, np. po właściwym zdiagnozowaniu stanu łopatki diagnosta lub użytkownik podejmuje niewłaściwe działanie. Przyczyną tego błędu może być np. chwilowe zaćmienie umysłu lub zmęczenie wywołane długotrwałym narażeniem diagnosty na hałas lotniczy czy dekoncentracja wywołana przez inną osobę. Przyczyną błędu są również nielogiczne działania użytkownika, polegające na preferowaniu potrzeby zrealizowania misji lotniczej za wszelką cenę, nawet w tym przypadku, gdy metodami diagnostycznymi rozpoznano zły stan techniczny łopatek. Według Howarda Reiffa (1968), błędem IV rodzaju jest również "rozwiązanie właściwego problemu zbyt późno". Jego odzwierciedleniem są słowa diagnosty wypowiedziane po wypadku lotniczym czułem, że coś jest nie tak, ale, które wskazują na rolę przeczucia i percepcji podprogowej czynników zaniedbywanych w klasycznych badaniach diagnostycznych realizowanych według sztywnych metodyk badawczych, przy niepełnych lub nie do końca zweryfikowanych algorytmach wnioskowania (niepełnej bazie symptomów diagnostycznych). Błędem IV rodzaju jest również nieoptymalny dobór metody badawczej z przyczyn konserwatyzmu lub niewiedzy diagnosty Wymogi procesu diagnozowania W celu wiarygodnego i kompleksowego diagnozowania łopatek sprężarki i silnika lotniczego diagnosta musi: określić koncepcję badania złożonego obiektu technicznego, z uwzględnieniem: - podstawowych zadań silnika lotniczego; - ryzyka wystąpienia uszkodzenia podczas pojedynczej misji lotniczej (czy potrzebny jest system monitorowania czy tylko system okresowej kontroli?); - pracochłonności badań diagnostycznych i interpretacji danych; - możliwości technicznych wykonania badań, z uwzględnieniem również najnowszych metod badawczych; - aspektów finansowych wdrożenia nowej metody badawczej; koncepcja systemu diagnostycznego i metod badawczych powinna uwzględnić podstawową funkcję silnika lotniczego (jest to napęd statku powietrznego, a nie obiekt notorycznych badań diagnostycznych), co oznacza dążenie do maksymalnego: wydłużenia horyzontu wiarygodnej prognozy, ograniczenia liczby obserwatorów stanu, wykorzystania informacji zawartej w sygnale pomiarowym; sprecyzować obiekt badań; wybrać metody i techniki badawcze niezbędne do realizacji zadania; wykonać eksperymentalną identyfikację obiektu badań, z uwzględnieniem rozrzutu technologicznego wykonania populacji łopatek i silników oraz wpływu rozrzutu warunków eksploatacji obiektu badań u różnych użytkowników; wyznaczyć nowe statystyczne warunki oceny stanu technicznego i energetycznego łopatek, w tym horyzont prognozy stawianej diagnozy; zweryfikować nowe statystyczne warunki oceny stanu technicznego i energetycznego łopatek na bazie danych pomiarowych z pełnej populacji. Uzyskane dane eksperymentalne są postawą podjęcia ewentualnych prac nad numerycznym zamodelowaniem problemu technicznego i wsparcia diagnosty narzędziami analitycznymi. 61

62 5. CHARATERYSTYKA OBIEKTU BADAŃ Podstawowym obiektem badań diagnostycznych są stalowe i tytanowe łopatki wirnika sprężarki osiowej z silników lotniczych. Na ich przykładzie przedstawiono koncepcję sterowania zmęczeniem materiału w eksploatacji oraz kompleksowego diagnozowania turbinowego silnika lotniczego na bazie sygnału drgań wirujących łopatek Palisada wirnika sprężarki Każdy stopień sprężarki osiowej (palisada) zawiera od 20 do 120 łopatek o wysokości pióra malejącej na kolejnych stopniach, które podlegają zróżnicowanemu, nieznanemu procesowi zmęczenia w eksploatacji. Duża liczba łopatek, podlegających jednoczesnej ocenie na danym silniku, ujawnia istotę i pracochłonność zadania badawczego. Z drugiej jednak strony preferuje zastosowanie narzędzi statystycznych do analizy danych pomiarowych i opracowania nowych warunków technicznych kontroli łopatek, przy pełnej nieznajomości właściwości mechanicznych ich materiału i cech wymiarowych. Już na pojedynczym silniku spełnione są kryteria statystycznej oceny właściwości łopatki przy pomocy rozkładu T-Studenta. Wyniki pomiarów uzyskane z 2 3 silników spełniają warunki stosowania rozkładu normalnego. Wraz z gromadzeniem kolejnych danych pomiarowych możliwe jest coraz lepsze identyfikowanie trzech składowych procesu R Ł (2.3) zmęczenia populacji łopatek danego stopnia sprężarki i identyfikacja ukrytych zjawisk dynamicznych mających wpływ na przyśpieszone zmęczenie materiału łopatek w eksploatacji. Na trend i randomizację procesu zmęczenia łopatek R ŁP danej palisady (zawierającej N łopatek) rys. 5.1, mają wpływ: różnica widma obciążeń łopatek, wynikająca z ich odległości od źródła wymuszeń oraz przesunięcie fazowe i danego sygnału wymuszającego (zjawiska) działającego na i-tą łopatkę palisady w stanach przejściowych; zakłada się, że wymuszenie zawiera składową: - aperiodyczną (trend), - periodyczną (deterministyczną), - losową (stochastyczną, szum); rozrzut właściwości modalnych łopatek, które objawiają się różnicą: - częstotliwości kolejnych postaci drgań pióra, - częstotliwości wyższych postaci drgań przy jednakowej częstotliwości I modu drgań, - amplitudy drgań giętych i skrętnych pióra przy jednakowym poziomie wymuszeń, - naprężeń normalnych i stycznych w danym punkcie pióra łopatki, przy jednakowym poziomie amplitudy drgań innego punktu pióra; rozrzut właściwości modalnych wynika z tolerancji wymiarowej wykonania łopatek (rzeczywistego kształtu pióra i jego osadzenia względem stopy zamka) oraz bieżących właściwości materiału (jakości produkcji i wpływu historii eksploatacji); składowa stochastyczna wymuszeń, która aktywizuje wszystkie mody drgań łopatki, stwarzając warunki do synchronizacji drgań pióra wzbudzonych przez składowe deterministyczne. Malejąca wysokość pióra łopatki na kolejnych stopniach sprężarki oraz zmiany proporcji wysokości do cięciwy pióra i kąta pochylenia stopy zamka są przyczyną znaczących różnic średnich właściwości modalnych palisad, m.in.: częstotliwości kolejnych modów tabela 5.1 (za wyjątkiem VIII stopnia w opisywanej sprężarce [186] dominuje kolejność modów 1F, 2F, 1T); tłumienia drgań pióra na postoju; różnice maleją podczas pracy silnika, ujawniając wypadkowy wpływ: materiału, kształtu pióra, mocowania łopatki w tarczy 62

63 i tłumienia aerodynamicznego na logarytmiczny dekrement tłumienia łopatki tabele 5.2 i Łopatka 1 H 1 () 1 () Łopatka 1 Kz 1 mikrostruktura N p, p p Wymuszenie 2 N Łopatka 2 H 2 () Łopatka N H N () 2 () N () Łopatka 2 mikrostruktura Łopatka N mikrostruktura Kz 2 Kz N R ŁP N N n s, n, s n s Palisada sprężarki Rys Palisada łopatek sprężarki jako obiekt badań diagnostycznych Tabela 5.1. Częstotliwości drgań własnych łopatek sprężarki osiowej NACA [187] Stopień Mod I Randomizacja Łopatka f 1F [Hz] (zginanie) f 2F [Hz] (zginanie) f 1T [Hz] (skręcanie) f 2F /f 1F I , ,924 II , ,185 III , ,136 IV , ,339 V , ,040 VI , ,039 VII , ,933 VIII , ,053 IX , ,697 X , ,098 Właściwości modalne palisad (odwzorowane w postaci wąskopasmowych filtrów grzebieniowych) wpływają na randomizację procesu zmęczenia wirnika sprężarki. Zjawisko dynamiczne o określonych cechach widmowych pobudza do niebezpiecznego poziomu drgań tylko te łopatki i palisady, które najlepiej spełniają kryteria rezonansu synchronicznego lub asynchronicznego rys W takim przypadku, w piórze łopatki danej palisady może dochodzić do krótkotrwałego lokalnego przekroczenia dopuszczalnych naprężeń i kumulacji efektów zmęczenia materiału. Pojęcie słaby punkt konstrukcji dotyczy zatem warunków pracy elementu krytycznego, na który mają wpływ: cechy konstrukcyjne elementu (kształt, materiał, właściwości modalne), widmo wymuszeń, warunki otoczenia (w ostatnich stopniach sprężarki temperatura powietrza jest ponad 100 K wyższa niż w palisadzie wlotowej) [252]. Podstawowym narzędziem analizy ryzyka zmęczenia łopatek sprężarki danego typu silnika jest zbiorcze zobrazowanie ich właściwości modalnych na diagramie prędkości krytycznych, zwanych diagramem Campbella. 63

64 Tabela 5.2. Wpływ geometrii pióra łopatki na tłumienie drgań [188] Stopień Sprężarki Łopatki bez tensometru n = 0 obr/min Logarytmiczny dekrement tłumienia Łopatki z tensometrami Wpływ n =0 obr/min tensometru [%] Pomiar przy n = obr/min I 0, , ,14 0,080 II 0, , ,14 0,080 III 0, , ,56 0,080 IV 0, , ,56 0,082 V 0, , ,46 0,080 VI 0, , ,27 0,080 VII 0, , ,65 0,080 VIII 0, , ,43 0,080 IX 0, , ,75 0,080 X 0, , ,41 0,080 Uwaga: Dla prędkości obr/min logarytmiczny dekrement tłumienia odwzorowuje właściwości strefy synchronizacji drgań łopatki z wymuszeniem kinematycznymi (dodatkowy wpływ kąta przecięcia krzywej częstotliwości łopatki przez prostą wymuszenia kinematycznego), a nie właściwości tłumiące łopatki. Tabela 5.3. Wpływ sposobu mocowania łopatki w tarczy (typu zamka, wcisku, smarowania) na tłumienia drgań podczas pracy silnika [111] Typ zamka Rzędowość wymuszeń względem częstotliwości obrotowej Sztywne mocowanie w gnieździe zamka Logarytmiczny dekrement tłumienia [%] Luźne mocowanie w gnieździe zamka Luźne mocowanie w gnieździe zamka i smarowanie MoS 2 Mała kula 5 0,9 1,5 9,5 6 2,2 2,4 8,4 7 2,2 4,2 9,2 Duża kula 5 1,3 1,4 7,5 6 1,8 2,1 8,1 7 2,0 3,8 8,3 Podwójna kula 5 11,4 1,9 11,3 2,1 11,7 9, Łopatka wirnikowa sprężarki Łopatka wirnikowa sprężarki może być uważana w pierwszym przybliżeniu za prostą belkę jednostronnie utwierdzoną w tarczy, której reakcję na znane obciążenia można obliczyć metodami numerycznymi (pod warunkiem znajomości jej geometrii i rozkładu obciążeń). Pomiędzy przyłożonym obciążeniem sprężystym, a wartością naprężeń w danym punkcie pióra istnieje w przybliżeniu relacja liniowa opisana prawem Hooke a. 64

65 B / % Zdarzenie 1 Zdarzenie I II III IV V VI VII VIII IX X Stopień sprężarki Rys Wpływ zalegania obcego ciała na wlotowym wieńcu kierownic na przyrost naprężeń normalnych drgań łopatek dziesięciostopniowej sprężarki osiowej NACA (Zdarzenie 1 rząd wymuszenia drgań jest podzielny przez liczbę blokad przepływu; Zdarzenie 2 rząd wymuszeń nie jest całkowitą wielokrotnością liczby blokad przepływu [189] Szerokopasmowe właściwości modalne łopatki można oszacować z dokładnością do 10% na podstawie zależności [88,192]: a) drgania gięte b) drgania skrętne f f EI m o l 2 (5.1) Ao GK m o (5.2) l I o gdzie: m i m współczynniki określone empirycznie dla typowych profili i rozmiarów łopatek sprężarki tabela 5.4; gęstość materiału; I o biegunowy moment bezwładności; G moduł sprężystości postaciowej; K współczynnik kształtu profilu. Tabela 5.4. Wartość współczynników modalnych i proporcji częstotliwości dla drgań giętych i skrętnych łopatek sprężarki (konstrukcje z lat czterdziestych i pięćdziesiątych XX wieku) [192] Mod (i) m (zginanie) m (skręcanie) f if /f 1F (zginanie) f it /f 1T (skręcanie) 1 0,617 0, ,140 0,672 5,09 2,46 3 7,890 1,280 12,8 4,69 Dla łopatki X stopnia sprężarki (tabela 5.1) wartość współczynnika f 2F /f 1F przekracza 10% tolerancję wartości oczekiwanej ze wzorów (5.1) i (5.2) oraz tabeli 5.4, co wskazuje na odstępstwo od modelu belki. Z doświadczeń wiadomo, że krótkie łopatki lepiej opisuje model płyty prostokątnej jednostronnie utwierdzonej [192]. Model uproszczony łopatki jest wystarczający do zgrubnego analizowania jej drgań i oszacowania wymaganego pasma analizy zjawisk dynamicznych. Dla ostatniego stopnia 65

66 sprężarki minimalne pasmo analizy podstawowych trzech modów wynosi 20 khz. Oszacowane pasmo uwidacznia nowy problem badawczy aspekt weryfikacji nowych symptomów diagnostycznych innymi, uznanymi metodami badawczymi. W istniejących pokładowych systemach kontroli stanu technicznego silnika lotniczego używane są dolnopasmowe tory pomiarowe, z częstością próbkowania sygnału do 32 Hz. Najszersze pasmo obserwacji mają tory pomiaru drgań silnika do 1 khz, ale analizie podlegają tylko składowe obrotowe wirnika. Celem pomiaru drgań silnika jest detekcja nadmiernego niewyważenia wirnika, a nie diagnostyka łopatek sprężarki czy zjawisk dynamicznych związanych z przepływem Wpływ skręcenia profilu pióra na zjawisko sprzęgania drgań i obciążeń Rzeczywiste pióro łopatki jest specyficzną belką, gdyż: przekrój poprzeczny pióra opisuje wklęsło-wypukły profil aerodynamiczny o zmiennej grubości wzdłuż cięciwy rys. 4.1; pióro ma płynną zmianę kąta skręcenia i zbieżności wzdłuż wysokości, których wartości wynikają z realizowanego zadania w sprężarce (sprężanie, podziału pracy na stopnie) i optymalizacji wytrzymałościowej łopatki wykonanej przez konstruktora; utwierdzenie pióra do zamka jest pod kątem różnym od zera (wynikającym ze zbieżności kanału sprężarki zależnym od stopnia sprężarki), co wprowadza asymetrię w położeniu linii węzłowych drgań pióra; oś środków ciężkości profilu pióra nie pokrywa się z osią parcia (środków aerodynamicznych); ta cecha różnicuje łopatkę sprężarki od wczesnych rozwiązań łopatek turbiny energetycznej, na podstawie których był wyprowadzony wzór Campbella 2 2 f 0 B f (5.3) fi ( n) i i obr gdzie: f i (n) częstotliwość drgań danego modu łopatki przy prędkości n [obr/min]; f i (0) częstotliwość drgań własnych łopatki przy założonej sile utwierdzenia w zamku; B i współczynnik przyrostu dynamicznego częstotliwości danego modu łopatki odwzorowujący rozkład masy wzdłuż wysokości pióra; f obr częstotliwość obrotowa n wirnika f obr. 60 Autor przyjął założenie, że wzór (5.3) zgrubnie opisuje wpływ prędkości obrotowej silnika na częstotliwość danego modu w zakresie roboczym prędkości obrotowych (w którym łopatka jest sztywno utwierdzona), natomiast w pełnym zakresie pracy silnika (od prędkości zero, gdzie łopatka nie jest w pełni utwierdzona, do zakresu startowego) częstotliwość łopatki opisana jest wielomianem trzeciego stopnia. Wszystkie powyżej wymienione cechy łopatki są określone z tolerancją jej wykonania, co oznacza, że właściwości modalne łopatki są jej cechą indywidualną skupioną wokół wzorca statystycznego. Łopatka sprężarki pomimo pozornej prostoty musi być diagnozowana jako obiekt 3D, gdyż przyłożenie nawet pojedynczego obciążenia, np. siły odśrodkowej, skutkuje przestrzennym przemieszczeniem wszystkich punktów pióra rys Podczas pracy silnika zjawisko jest potęgowane poprzez oddziaływanie przepływu lepkiego. Ta cecha obiektu badań sprawia, że podczas pracy silnika występują złożone zjawiska sprzęgania drgań i odkształceń pióra z wszystkimi składowymi wymuszeń tabela 5.5. Wpływ złożonego obciążenia (momentu gnącego M g, momentu skręcającego M s i siły odśrodkowej F r ) na przemieszczanie się poszczególnych punktów pióra w układzie współrzędnych kartezjańskich 0xyz można opisać układem równań (5.4). Pochodne cząstkowe 66

67 reprezentują podatność pióra na składowe obciążenia. Zjawiska wtórnego sprzęgania obciążeń przez powstałe deformacje pióra i oddziaływanie przepływu lepkiego opisuje układ równań (5.5). x y z M g M g M g x y z x g s r (5.4) M s M s M s x y z F r Fr Fr y z M M F M g M s Fr x x x M g M s Fr g s r (5.5) y y y M g M s Fr z z z M M F x y z Pochodne cząstkowe w (5.5) odwzorowują podatność składowej obciążeń łopatki w przepływie lepkim na powstające deformacje pióra (zmiany położenia pióra względem stanu równowagi). Węzeł 3000 rpm rpm UX [mm] UY [mm] UX [mm] UY [mm] 221-0,0149 0,0187-0,3471 0, ,0063 0,0007 0,1563 0,0184 Rys Wpływ siły odśrodkowej na przestrzenne przemieszczenia punktów pióra łopatki [268] 67

68 Tabela 5.5. Zjawiska sprzęgania przemieszczeń i obciążeń pióra łopatki [365] Pierwotne obciążenie Moment gnący (mod 1F) Moment skręcający (mod 1T) Siła odśrodkowa (oscylacje obrotów od układu paliwowego, niewyważenie, niewspółosiowość drgania poprzeczne i skrętne wirnika) 5.4. Źródło obciążeń pióra łopatki Odpowiedź pióra łopatki zmiana ugięcia pióra (główne odkształcenie) zmiana kąta skręcenia (wpływ sprzężenia odkształceń) wzrost luzu wierzchołkowego (wpływ sprzężenia odkształceń) zmiana kąta skręcenia (główne odkształcenie) zmiana ugięcia pióra (wpływ sprzężenia odkształceń) zmniejszenie luzu wierzchołkowego w pobliżu krawędzi natarcia i spływu (wpływ sprzężenia odkształceń) zmiana ugięcia pióra (główne odkształcenie) zmiana kąta skręcenia (główne odkształcenie) zmiana luzu wierzchołkowego (wpływ sprzężenia odkształceń) Wtórne obciążenie (zmiany objętościowe) Siła odśrodkowa (tłumienie odkształceń) Niewyważenie wirnika Moment skręcający (obciążenia aerodynamiczne) Moment gnący i skręcający (obciążenia aerodynamiczne) Moment gnący (obciążenia aerodynamiczne) Siła odśrodkowa (słabe tłumienie odkształceń) Niewyważenie wirnika Moment zginający i skręcający (obciążenia aerodynamiczne) Moment gnący i skręcający (obciążenia aerodynamiczne) Niewyważenie wirnika Moment gnący i skręcający (obciążenia aerodynamiczne) Moment gnący i skręcający (obciążenia aerodynamiczne) Głównym periodycznym obciążeniem pióra łopatki są wymuszenia aerodynamiczne wynikające z przepływu powietrza przez sprężarkę (opływu profilu pióra) i przemieszczania się pióra względem nieruchomych łopatek kierownic. Są one odwzorowane poprzez moment gnący i moment skręcający. Palisada kierownic przed i za danym stopniem wirnika jest źródłem lokalnych zmian prędkości i ciśnienia przepływu [259]. Ten typ wymuszeń aerodynamicznych nazywany jest w literaturze kluczowaniem przepływu lepkiego. Amplituda wymuszeń periodycznych jest wprost proporcjonalna do liczby Reynoldsa, a częstotliwość wymuszeń wynika z liczby łopatek kierownic [121,222,258]. W przypadku współpracy wirnika z palisadami kierownic o różnej liczbie łopatek (tj. w silniku typu SO-3) wypadkowe widmo wymuszeń aerodynamicznych jest uwarunkowane wzajemnym ustawieniem tarcz kierownic. Widmo wymuszeń aerodynamicznych działających na wirującą łopatkę jest więc cechą indywidualną silnika. Na pióro łopatki działa również wymuszenie masowe siła odśrodkowa oraz wymuszenia od niewspółosiowości i drgań wirnika. Widmo wymuszeń masowych jest również cechą indywidualną silnika Ocena ryzyka zmęczeniowego łopatki Do oceny ryzyka zmęczeniowego łopatki danej palisady opracowuje się rozszerzone diagramy prędkości krytycznych, które zawierają informację o: podstawowych modach drgań łopatki wirnikowej, częstotliwościach wymuszeń obrotowych, częstotliwościach wymuszeń aerodynamicznych (owiewek podpór, łopatek aparatów kierujących, wirujących stref oderwań, flatteru), rezonansów strukturalnych kadłuba, podstawowych modach łopatek kierujących z palisady poprzedzającej i następującej. 68

69 Na ich podstawie określa się oczekiwane zakresy prędkości obrotowej silnika, w których mogą wystąpić niekorzystne warunki pracy łopatek. Wyznaczone zakresy zwiększonego ryzyka zmęczeniowego z założenia powinny być tylko zakresami przejściowymi, w których łopatka będzie pracowała krótkotrwale podczas zmiany prędkości obrotowej silnika. W tych zakresach prędkości obrotowej w pierwszej kolejności poszukuje się przyczyny problemu zmęczeniowego łopatek Krzywa życia łopatki Krzywa życia (żywotność, trwałość eksploatacyjna) łopatki K z rys. 5.4, rozumiana jako parametr określający zdolność łopatki do przeniesienia obciążeń eksploatacyjnych, jest odwzorowaniem bieżących nieznanych właściwości fizycznych łopatki pod rzeczywistym obciążeniem eksploatacyjnym. K z 1 A 1 > A 2 > A 3 0,75 K zmin (A ) Graniczna liczba cykli 0,5 A 1 A 2 A 3 "Pęknięta" 0,25 Urwanie pióra Czas pracy silnika T [godz] Rys Wpływ amplitudy drgań łopatki A i na krzywą życia i kryteria oceny stanu [350] (poniżej poziomu Pęknięta uwzględniono wpływ szczeliny na propagację pęknięcia) Krzywa życia przyjmuje wartość: zero w chwili urwania pióra stan niedopuszczalny w eksploatacji; pęknięta po wystąpieniu krótkiego pęknięcia (etapu III z rys. 2.11); jest to stan dopuszczalny warunkowo w eksploatacji, jeżeli zdarzenie wystąpi w końcowym okresie poprzedzającym kolejną kontrolę łopatek, nie dłużej jednak niż 10% czasu pękania T p ; dla zmęczenia LCF i HCF czas zarodkowania T z i czas pękania pióra można oszacować dla jednorodnych warunków wytężenia (A) na podstawie hipotezy biliniowego sumowania uszkodzeń (5.6) [267], odwzorowanej na rys. 5.5: N N T i 0.6 p 14 N gr dla N gr z N gr N p N i n ki f n i 8 734;110 (5.6) gdzie N gr graniczna liczba cykli danego modu drgań łopatki dla poziomu wytężenia materiału k( i ) i częstotliwości drgań f i (n) zależnej od prędkości obrotowej silnika n; 69

70 T i () czas eksploatacji łopatki do zainicjowania (indeks i = z), propagacji pęknięcia (indeks i = p) lub urwania pióra (indeks i = gr); minimalną graniczna wartość K zmin (A) dopuszczalna przez użytkownika przy przyjętym poziomie ryzyka (współczynniku bezpieczeństwa) uwzględniającym rzeczywiste możliwości metody badawczej i błędy statystyczne I - IV rodzaju; początkową partię łopatek z zerowym nalotem można opisać rozkładem normalnym skorelowanym z parametrami mechanicznymi (R m, R e, E, ) i początkowymi symptomami diagnostycznymi SD (np. parametrami modalnymi odwzorowanymi przez częstotliwość I modu drgań f 1F ) N z /N p R m, Re, E,, SD, Rm, Re, E,,SD (5.7) Kz( t 0) N N gr [cykle] 0,E+00 2,E+07 4,E+07 6,E+07 8,E+07 1,E+08 Rys Wpływ granicznej liczy cykli zmęczenia na udział etapu zarodkowania i propagacji pęknięcia Kryterium zmęczeniowe łopatki (3.2) można wyrazić w postaci (5.8), uwzględniając istniejący związek pomiędzy amplitudą odkształcenia pióra (wyrażoną np. przez linię ugięcia i rozkręcenia profilu) a rozkładem naprężeń w piórze. Zakładając, że w zakresie zmęczenia LCF, HCF i VHCF obowiązuje prawo Hooke a, to dla danej prędkości obrotowej silnika możliwe jest zbudowanie wykresu A max N na podobieństwo wykresu S N. Przy wyznaczaniu wykresu A max N uwzględnia się oczekiwany rozkład naprężeń quasi-statycznych: normalnych (n) i stycznych (n) A max t T K z 0, f T i 1; N D 1 D A gr A k i max t A max i t gdzie D D 0 gr k dn t, n, dt t i1 dn Di t, n, dt max gdzie A i t wektor dopuszczalnych amplitud drgań poszczególnych modów łopatki, będących funkcją czasu pracy łopatki (średniego zużycia nośności), prędkości obrotowej silnika i jej pierwszej pochodnej Aktywne sterowanie zjawiskami dynamicznymi (5.8) Pamiętając o wykładniczej relacji pomiędzy amplitudą drgań a trwałością zmęczeniową łopatki, można podjąć działania profilaktyczne mające na celu zmniejszenia ryzyka pęknięcia pióra. Działania profilaktyczne powinny zmierzać do: obniżenia poziomu amplitudy drgań poszczególnych modów łopatek tj. optymalizacji warunków pracy sprężarki i silnika, 70

71 skrócenia czasu występowania przekroczeń dopuszczalnej amplitudy drgań (detekcji niekorzystnych zjawisk dynamicznych i ich minimalizacji). Proponowane przez autora działania oznaczają potrzebę przełamania dotychczasowych stereotypów myślenia. Użytkownik silnika uważa najczęściej, że: a) działanie profilaktyczne powinno być ukierunkowane tylko na wykrywanie pęknięć i innych uszkodzeń mechanicznych łopatki, tzn. na klasyczne badania NDT; b) optymalizacja warunków pracy elementów silnika nie jest konieczna, o ile nie są przekroczone warunki techniczne zdefiniowane przez konstruktora i producenta (zamieszczone w dokumentacji ruchowej); c) nie można sterować procesem zmęczenia w eksploatacji, co przejawia się sloganem pęknięcia łopatek były, są i będą, tak samo jak wypadki lotnicze. W rzeczywistości istnieją naukowe i techniczne przesłanki do realizacji koncepcji autora, tj.: diagnozowania stanu energetycznego i wczesnej fazy zmęczenia materiału łopatek sprężarki, aktywnego sterowania procesem zmęczenia łopatek, kompleksowego diagnozowania silnika na bazie analizy drgań łopatek sprężarki. W istniejących rozwiązaniach konstrukcyjnych wyróżnia się pasywne, półaktywne i aktywne sterowanie zjawiskami dynamicznymi. Różnice pomiędzy ww. metodami ingerencji można zrozumieć na przykładzie sterowania dynamiką procesu spalania Aktywne sterowanie pulsacją w komorze spalania Problemy zmęczeniowe inicjowane przez zjawiska dynamiczne towarzyszące spalaniu paliwa (zjawiska w paśmie do kilkudziesięciu khz) występowały od początku ery silników turbinowych i rakietowych. Były one inspiracją do podjęcia szeregu prac badawczych i rozwoju teorii analizy zjawisk dynamicznych. Zdobyte doświadczenie zostało wykorzystane w systemach pasywnego i aktywnego tłumienia pulsacji ciśnienia i temperatury, co w sposób pośredni przyczyniło się do zmniejszenia drgań silnika i spowolnienia zużycia zmęczeniowego elementów krytycznych. Systemy pasywnego tłumienia pulsacji bazują na teorii analizy modalnej i automatyki układów dynamicznych bez sprzężenia zwrotnego. Poprzez jednorazową ingerencję w konstrukcję komory spalania można ukształtować jej właściwości modalne, w tym właściwości rezonansowe, tłumienie zjawisk dynamicznych występujących podczas jej pracy oraz położenie linii węzłowych. W ograniczonym zakresie można modyfikować właściwości modalne komory spalania poprzez zmianę parametrów procesu spalania, np. współczynnik nadmiaru powietrza sterowany jest przez przeregulowaną automatykę: zasadniczego układu paliwowego silnika, układu sterowania mechanizacją sprężarki (ruchomymi aparatami kierującymi lub zaworem upustu powietrza) lub dyszy wylotowej (silniki z dyszą naddźwiękową). Parametry modalne komory spalania i zjawisk dynamicznych są bowiem zależne od przestrzennego rozkładu temperatury (właściwości akustycznych). Takie działanie nazywane jest półaktywnym, gdyż nie jest realizowane w czasie rzeczywistym zjawiska dynamicznego. Systemy aktywnego tłumienia pulsacji spalania działają w czasie rzeczywistym zjawiska dynamicznego [58,395]. Są one ukierunkowane najczęściej na pierwsze dwa mody drgań komory, które mogą być niestabilne. Aktywne tłumienie pulsacji spalania wymaga rozwiązania klasycznego zadania z automatyki rys. 5.6, opisanego zależnością P CG F 1 G CQ C G (5.9) F 71

72 Rys Struktura blokowa układu z podwójnym układem sprzężenia zwrotnego (C właściwości dynamiczne procesu spalania paliwa, G właściwości modalne komory spalania, Q sprzężenie zwrotne, m.in. napęd pompy paliwowej i regulacja wydatku paliwa, C F - dodany człon korygujący właściwości dynamiczne spalania) [58] Realizacja systemów aktywnego tłumienia pulsacji spalania w trybie automatycznym polega na ingerencji dodanego układu sprzężenia zwrotnego w wydatek paliwa pojedynczego wtryskiwacza (do 5% wydatku całkowitego) [58]. Modulacja wydatku paliwa jest tak zsynchronizowana z fazą pulsacji ciśnienia, aby uzyskać efekt przeciwnej fazy. W warunkach laboratoryjnych układ zapewnia zmniejszenia amplitudy pulsacji I modu nawet o 20 db Aktywne sterowanie linią stanów ustalonych silnika W lotnictwie wojskowym nowo projektowane silniki posiadają w pełni autoryzowany układ cyfrowego sterowania układu paliwowego (FADEC) i moduł komputera silnikowego. Układy te pełnią również rolę zintegrowanego układu diagnostycznego i aktywnej optymalizacji warunków pracy silnika w czasie rzeczywistym zjawisk dynamicznych rys. 5.7 [157,198,294,433], zmniejszając ryzyko m.in. przyśpieszonego zmęczenia łopatek sprężarki. Silnik ma zwiększone dławienie (spręż sprężarki) i ciąg, gdy na wlocie silnika są małe zaburzenia. F100-PW229 Pomiar ciśnienia we wlocie silnika Komendy organu wykonawczego Kontrola System oceny zaburzeń -ocena poziomu zaburzeń - wrażliwość silnika Komendy wyważeniowe Kierowanie systemem stabilizacji - pokładowa kontrola stabilizacji - prawo sterowania układem stabilizacji Rys Projekt HISTEC [433]: komputerowe układy sterowania wysoką stabilnością silnika F100-PW229 (sterowanie wydatkiem paliwa i linią stanów ustalonych silnika) 72

73 6. KONCEPCJA STEROWANIA ZMĘCZENIEM MATERIAŁU Realizacja koncepcji aktywnego sterowania zmęczeniem materiału wybranych elementów silnika lotniczego, celu głównego niniejszej pracy, wymaga od użytkownika rys. 6.1: 1) monitorowania i identyfikacji fazy zagrożenia zmęczeniowego umiejętności rozpoznania stanu energetycznego badanego elementu na etapie zmian odwracalnych lub wczesnej fazy zmęczenia materiału (etapu I i II z rys. 2.11); 2) wiarygodnej identyfikacji przyczyn odstępstwa od obowiązującego wzorca statystycznego analizy związków przyczynowo-skutkowych, z uwzględnieniem wpływu warunków otoczenia i tolerancji wykonania elementów (cech indywidualnych); 3) poznania zasad efektywnej ingerencji w stan energetyczny badanego elementu, w wyniku której obniżeniu ulegnie poziom wytężenie jego materiału * i zwiększa się liczba cykli obciążenia N * niezbędna do zainicjowania zmian trwałych w strukturze materiału; 4) konsekwentnego przestrzegania nowych zasad eksploatacji maszyny, wynikających z przyjętej koncepcji aktywnego sterowania zmęczeniem materiału. Według powyższej koncepcji użytkownik staje się elementem toru sprzężenia zwrotnego nadzorowanego układu mechanicznego i zjawisk dynamicznych. Aktywne sterowanie zmęczeniem materiału dotyczy więc układu antropotechnicznego, a nie tylko elementu krytycznego silnika [149,315,356,375]. Rys Koncepcja aktywnego sterowania zmęczeniem materiału 73

74 Realizacja zadania 1 wymaga doboru właściwej metody obserwacji (obserwatora stanu) z uwzględnieniem rzeczywistych warunków pracy konstrukcji (silnika lotniczego) i elementu krytycznego (wirującej łopatki). Jest to typowy problem metrologiczny, analizy sygnałowej i badań diagnostycznych obejmujący [63,143,171,175,298]: zdefiniowanie pasma częstotliwości obserwowanych zjawisk dynamicznych, wykonanie wiarygodnych pomiarów wybranych sygnałów (pozyskania nośnika informacji diagnostycznej), detekcję symptomów wczesnej fazy zmęczenia materiału (obiektywnego eksperta), metodyki i procedury postępowania na okoliczność wystąpienia niekorzystnych zjawisk dynamicznych (prawa sterowania zmęczeniem). Zadanie 2 wymaga uporządkowanej i zweryfikowanej wiedzy eksperta (np. doświadczonego personelu technicznego użytkownika, inżyniera-diagnosty wspartego nowoczesnymi narzędziami analizy danych) [52,110,143], opracowanej w postaci algorytmów: identyfikacji przyczyn obserwowanych odstępstw (dlaczego występuje przekroczenie?), oszacowania skutków oddziaływania przekroczenia (kumulacji zmęczenia materiału wg krzywej A max N dla każdego analizowanego modu drgań). Zadanie 2 jest realizowane na podstawie estymat diagnostycznych wydzielonych z danych pomiarowych. Obszar tematyczny zadania dotyczy więc zagadnień diagnostyki, analizy sygnałowej, logiki, wytrzymałości materiałów, fizyki zmęczenia i mechaniki pękania. Najtrudniejsze do zrealizowania jest zadanie 3, które wymaga poznania związków przyczynowych istniejących między stanem energetycznym badanego elementu a stanem technicznym całego obiektu. Trzeba wykazać się praktyczną umiejętnością kojarzenia pozornie nieistotnych lub niezależnych zdarzeń przy pomocy metod statystycznych i logicznego wnioskowania. Realizacja tego zadania wymaga wcześniejszego zdefiniowania nowej, zweryfikowanej eksperymentalnie wiedzy o: rzeczywistych warunkach pracy elementu krytycznego i maszyny, nowych warunków technicznych eksploatacji. Ze względu na skalę trudności (widmo obciążenia danego elementu jest wypadkową wielu nieznanych zjawisk dynamicznych) zadanie 3 jest najczęściej pomijane w klasycznych systemach monitorowania. W tych systemach postawiona diagnoza dotyczy tylko stanu technicznego badanego elementu, rzadziej jego stanu energetycznego. Takie podejście do problemu wynika ze słabego przygotowania diagnostycznego użytkownika i diagnosty, dlatego zadanie 3 powinno być wspierane wiedzą uzyskaną na etapie badań wstępnych (identyfikacji poszczególnych zjawisk i symptomów) i przez oprogramowanie eksperckie. Zadanie 4 to realizacja nowego systemu eksploatacji maszyny i przy właściwym opracowaniu systemu diagnostycznego (struktury, oprzyrządowana pomiarowego, oprogramowania i metodyk ingerencji w stan energetyczny) nie stwarza użytkownikowi większych problemów. Podczas realizacji tego zadania tworzy się: bazę danych opisowych, zawierającą opis obiektu badań, warunki techniczne jego eksploatacji i metodyki badawcze; bazę danych eksperymentalnych, gromadzoną przez użytkownika; bazę symptomów i reguł diagnostycznych, wyznaczonych przez diagnostę na podstawie analizy statystycznej zgromadzonych danych pomiarowych; dziennik pracy systemu diagnostycznego, tworzony automatycznie przez oprogramowanie bez ingerencji użytkownika, na podstawie którego możliwa jest kontrola jakości eksploatacji nowej metody badawczej i poziomu błędów statystycznych I - IV rodzaju, nawet po usunięciu danych pomiarowych przez użytkownika. Zadanie 4 służy nie tylko diagnozowaniu zagrożonego elementu i jego otoczenia w konstrukcji, ale również identyfikacji nowych, rzadko występujących zagrożeń oraz doskonaleniu opisu rozpoznanych symptomów diagnostycznych i istniejących metodyk. Bazuje na wiedzy 74

75 użytkownika i diagnosty zmieniającej się w czasie [110]. Koncepcja aktywnego diagnozowania i sterowania zmęczeniem materiału nawet pojedynczego elementu złożonego obiektu technicznego, np. silnika lotniczego, wymaga holistycznego podejścia do rozwiązywanego problemu. Pojęcie holistyczny wywodzi się etymologicznie od holizmu (ang. holism z gr. hólos - 'cały') i jest rozumiane przez autora jako dotyczący całości, całościowy. Pojęcie wpisuje się w teorię filozoficzną sformułowaną we współczesnej nauce przez Jana Christiaana Smutsa ( ). Głosi ona, że determinującymi czynnikami w naturze są całości, których nie da się sprowadzić do sumy ich części. Całościowe podejście do rozwiązywania złożonego problemu diagnostycznego stosowane jest również od ponad pięciu tysięcy lat w medycynie Dalekiego Wschodu, z której doświadczeń autor skorzystał przy realizacji niniejszej pracy Podstawy filozoficzne medycyny Dalekiego Wschodu Medycyna Dalekiego Wschodu kojarzona jest najczęściej z akupunkturą, która początkowo była sceptycznie przyjęta przez naukę, a obecnie przeżywa swój renesans na całym świecie. Słowo akupunktura pochodzi od łacińskich słów acus igła i punctio ukłucie, w języku chińskim nazwa jej brzmi czen [38]. Pierwsze zapiski o terapii czen pojawiły się kilka wieków przed naszą erą. Najstarszym zachowanym chińskim dziełem medycznym jest księga Huangdi Neijing, zwana Kanonem Medycyny Wewnętrznej, opracowana przez grupę lekarzy w okresie Wojujących Cesarstw ( p.n.e.). Składa się ona z dwóch części: Su wen (tj. zagadnienia bólu) i Ling shu (Kanon Akupunktury) [102]. Przez wieki doskonalona i przekazywana z pokolenia na pokolenie akupunktura dopracowała się teorii oraz specyficznej metodyki diagnozowania i leczenia bazującej na filozofii Dalekiego Wschodu (taoizmie). Szeroki zakres wskazań leczniczych akupunktury, obejmujący praktycznie prawie wszystkie dolegliwości spotykane w medycynie, oraz dziwne, nie do końca zrozumiałe podstawy filozoficzne budziły przez lata sprzeciw lekarzy europejskich i chrześcijan. W oczach laików jednak akupunktura jawiła się jako panaceum. Akupunktura była i jest stymulatorem wielu ciekawych badań. Przyczyniła się m.in. do większego zainteresowania problematyką bólu. Na jej bazie rozwinęły się nowe metody badawcze, m.in. elektropunktura, akupunktura ucha i metoda Ryodoraku (pomiar przewodności elektrycznej). Akupunktura i podstawy medycyny Dalekiego Wschodu zostały wprowadzone do programów specjalizacji lekarzy na uczelniach medycznych. Od lat wydawane są czasopisma naukowe o zasięgu międzynarodowym oraz liczne publikacje książkowe, początkowo popularno-naukowe, potem w postaci podręczników przeznaczonych dla lekarzy. Podręczniki, które zawierają m.in. szczegółowe indeksy punktów, stały się europejską wykładnią metody. W Polsce lekarze praktykujący akupunkturę są zrzeszeni w Polskim Towarzystwie Akupunktury [419], które publikuje periodyk Akupunktura Polska [420]. Ideą akupunktury jest leczenie przyczyny choroby (poprzez uruchamianie procesu samoleczenia człowieka, będącego złożonym obiektem biologicznym o nieznanej strukturze wewnętrznej) a nie symptomów choroby (skutków). Do diagnozowania i leczenie wykorzystuje się [38]: założenie o cyklicznym (dobowym) przepływie energii życia (chi) przez główne organy człowieka, odwzorowane na powierzchni ciała poprzez umowne kanały energetyczne (południki); zasady obserwacji stanu energetycznego poszczególnych organów poprzez zdalnego obserwatora stanu (m.in. diagnostykę pulsu na nadgarstkach); teorię pięciu elementów (przemian), na podstawie której wyjaśniana jest istota choroby i usuwana jest jej przyczyna. Przyczynę choroby jest zaburzenie przepływu energii (nadmiar lub niedobór). Źródło zaburzenia określa reguła matka wnuk, według 75

76 której chory organ odwzorowuje tylko skutki zaburzeń przepływu energii wnoszone przez sąsiednie organy (poprzedzający i następujący w obiegu energii życia). Leczenie choroby polega na przywróceniu równowagi energetycznej poprzez stymulację sąsiednich organów (sterowanie), a nie ingerencję w chory organ. Tym akupunktura różni się od klasycznej medycyny; zasady regulacji przepływu energii życia poprzez stymulację igłami wybranych punktów aktywnych. Z ponad punktów aktywnych, położonych na umownych kanałach energetycznych, do leczenia danej choroby wykorzystuje się tylko od 2 do 10 punktów Akupunktura a nauka Podstawowe zasady medycyny Dalekiego Wschodu mogą budzić opór przeciwników i laików, gdyż dotyczą istoty ludzkiej, mającej swoje poglądy religijne, a nie maszyny. Analizując budowę anatomiczną człowieka i funkcje poszczególnych układów trudno jest wyobrazić sobie przepływ tajemnej energii chi przez poszczególne organy i jej projekcję na wirtualne południki. Jednak badania naukowe potwierdziły dobrą zgodność [102]: lokalizacji południków i punktów akupunkturowych na ciele człowieka (badania metodą Ryodoraku i znacznika izotopowego), miejsc rzutowania bólów narządowych na powierzchnię ciała (chińskich punktów alarmowych ze strefami Heada, używanymi we współczesnej medycynie), miejsc wykonywania blokad nerwów i położenia punktów motorycznych mięśni z punktami akupunkturowymi, cyklu dobowego obserwowanego analitycznie m.in. w zmianach poziomu hormonów. Na podstawie licznych badań histopatologicznych, wykonanych m.in. przez Kellnera i Novotnego, stwierdzono, że w punktach akupunkturowych występują zakończenia nerwowe typu Krauzego, Golgi-Mansona, Meissnera, Ruffiniego i Pater-Pacciniego, które odbierają różnego rodzaju podrażnienia (dotyk, zimno, ciepło, ucisk głęboki i ból). Punkty akupunkturowe wykazują trzy podstawowe właściwości bioelektryczne (obiektywne symptomy diagnostyczne): opór elektryczny jest znacznie niższy od oporu otaczającej skóry - przyjmuje wartości k; pojemność elektryczna jest wyższa aniżeli w bezpośrednim ich sąsiedztwie - przyjmuje wartości rzędu 0,02 0,5 F; różnica potencjału między punktem akupunkturowymi i otoczeniem jest rzędu 2 60 mv. Na podstawie badań magnetograficznych stwierdzono, że w obrębie południków zachodzi zjawisko kondensacji pola elektrostatycznego. Współczesnym wsparciem diagnostyki pulsu są specjalizowane wielopunktowe pulsografy [144]. W mierzonym sygnale, oprócz chwilowej wartości ciśnienia krwi i częstości tętna (typowych parametrów diagnostycznych), analizuje się kształt fali tętna i wzajemne położenie ekstremów ciśnienia krwi oraz proporcja ich wartości niejawny model obserwowanego zjawiska. Kształt fali tętna jest parametrem diagnostycznym, który przez lata był pomijany we współczesnej medycynie. Obecnie medycyna używa tego parametru, bo jak wykazały badania, po kształcie fali tętna można rozpoznać szereg schorzeń układu krążenia. Niektóre wskaźniki charakteryzujące stan układu krążenia można wyznaczyć bez dokładnej znajomości podziałki ciśnienia (wartości) rys Owiana aureolą tajemnicy akupunktura jest w rzeczywistości fizykalnym sposobem oddziaływania na organizm. Każdy rodzaj fizykoterapii działa na sferę cielesną, a poprzez nią na psychikę, ma więc oddziaływanie psychosomatyczne. W przypadku organizmów żywych usunięcie przyczyny (lub czasem poznanie jej) można uważać często za równoznaczne 76

77 z wyleczeniem, bowiem w odróżnieniu od maszyn organizm żywy ma pewne możliwości samoregulacji. Powyższe spostrzeżenie dotyczy również układów antropotechnicznych, np. procesu zmęczenia materiału. Uświadomienie użytkownikowi istniejących błędów eksploatacji i przyczyn problemów technicznych może przynieść pozytywne wyniki w postaci zwiększenia trwałości i niezawodności maszyny. a) b) Rys Przebieg fali tętna p(t) w tętnicy szyjnej przy [344]: a) niedomykalności zastawki aorty; b) podzastawkowym zwężeniu drogi odpływu lewej komory serca 6.2. Holistyczne spojrzenie na problemy zmęczeniowe łopatek sprężarki Wybrane zasady medycyny Dalekiego Wschodu są bardzo ciekawe dla inżynieradiagnosty, gdyż bazują na kompleksowym podejściu do złożonego problemu technicznego, szczególnie w przypadku obiektu typu czarna skrzynka. W technice zanikają bariery religijne tajemnej energii życia (chi). Na bazie wiedzy ogólnej schematu blokowego maszyny, zamieszczanego w dokumentacji ruchowej lub w opisie grupy urządzeń danego typu, można wyróżnić podstawowe podukłady maszyny i ich powiązanie funkcjonalne rys. 6.3, oraz dominującą postać energii, która oddziałuje na elementy krytyczne. Przepływ czy przekształcenie postaci energii opisują modele termodynamiczne i funkcjonalne poszczególnych podzespołów (wiedza zgrubnie posiadana przez diagnostę, ale bardzo dobrze opisana w literaturze). Rys Przekrój silnika typu SO-3 z zaznaczonymi głównymi modułami (układami) [200] Koncepcja pięciu elementów, podobnie jak grafy czy schematy blokowe rys. 6.4, pomaga pominąć nadmiar niepotrzebnej informacji na danym etapie analizy (m.in. szczegóły konstrukcyjne obiektu) i skupić uwagę na przepływie energii między modułami i układami funkcjonalnymi maszyny. W efekcie, ułatwia zrozumieć przyczynę zaistniałego problemu technicznego, odkrywając ukryte związki przyczynowo-skutkowe, oraz dokonać identyfikacji funkcjonalnej obiektu o nieznanej strukturze wewnętrznej. 77

78 Rys Model numeryczny silnika typu SO-3 w oprogramowaniu GSP firmy NLR [434]: 1 (inlet) wlot, 2 (comp) sprężarka, 3 (Fctrl) układ paliwowy, 4 (combu) komora spalania, 5 (turb) turbina, 6 (exh) układ wylotowy W technice łatwiej jest zrozumieć teorię: choroby wywołanej zaburzeniem stanu energetycznego; profilaktyki, która bazuje na ingerencji w stan energetyczny obiektu i likwiduje lub osłabia przyczyny poprzedzające trwałe skutki, tj. zmęczeniowe rozerwanie tarczy sprężarki czy urwanie łopatki [285,458]. Zmniejszenie naprężeń znacznie wydłuża trwałość elementu, co znajduje odzwierciedlenie w wykresie S N. Można przytoczyć szereg przykładów, w których pierwotną przyczyną trwałego uszkodzenia elementów maszyny było naruszenie zasad energetycznych. Podejście energetyczne do zmęczenia materiału opisywane jest m.in. w pracach [172,177,178]. Do diagnozowania zjawisk dynamicznych i stanu technicznego silnika używane są różne metody badawcze, układy pomiarowe i algorytmy analizy danych [103,153,160,162, 245,300,311,407]. Pomiar wielkości fizycznych nie stanowi obecnie większych problemów metrologicznych przy zachowaniu staranności badawczej (problemy stwarzają pomiary wykonywane w wysokich temperaturach). Stosowane techniki badawcze i algorytmy umożliwiają wydzielenie i obiektywne zobrazowanie oczekiwanych symptomów diagnostycznych. Często jednak podejście diagnosty do rozwiązywanego problemu jest intuicyjne i nie zawsze optymalne. Na tym etapie badań koncepcja pięciu elementów pomaga w doborze optymalnej liczby obserwatorów stanu i ich lokalizacji na obiekcie oraz w sprecyzowaniu zadania metrologicznego (mierzonej wielkości fizycznej). Jest to bardzo istotne, gdyż celem badań diagnostycznych nie jest tylko wykonywanie pomiarów, a zakres oprzyrządowania i metodyka badań nie powinny zaburzyć podstawowej funkcji statku powietrznego. Na etapie interpretacji danych pomiarowych koncepcja pięciu elementów pomaga wydzielić symptomy diagnostyczne i podjąć optymalne działania korygujące, w tym działania zmierzające do aktywnego sterowania zmęczeniem materiału. Działania takie są pomijane w klasycznych systemach diagnostycznych, w których diagnoza poprzestaje najczęściej na określeniu stanu technicznego lub energetycznego badanego elementu lub układu, a nie identyfikacji przyczyny obserwowanego odstępstwa. Ingerencja operatora w wybrane punkty regulacji układu paliwowego i olejowego silnika jest odpowiednikiem sterowania przepływem energii chi poprzez stymulację wybranych punktów aktywnych w akupunkturze. Ze zbioru dostępnych punktów regulacji eksploatacyjnej i fabrycznej (realizowanej tylko podczas prób kontrolnych i zdawczych w zakładzie produkcyjnym i remontowym) operator ingeruje tylko w te punkty, które odpowiadają za obserwowane przekroczenie. Działa według sprecyzowanej metodyki opisanej w karcie technologicznej lub instrukcji. Doświadczenie eksploatacyjne uczy, że skorygowanie (usunięcie lub zminimalizowanie) wczesnych symptomów niezgodności eksploatacyjnej układów funkcjonalnych (zmian 78

79 odwracalnych) zapobiega powstaniu poważnych i trwałych usterek maszyny, w tym problemów zmęczeniowych Rozpoznanie możliwości diagnostycznych Pierwsze próby autora dotyczące adaptacji zasad medycyny Dalekiego Wschodu do diagnozowania łopatek sprężarki zostały podjęte w 1995 r. [319]. Inspiracją prac były wyniki obserwacji widma drgań łopatek I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 uzyskane podczas wdrażania systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b do eksploatacji samolotów TS-11 Iskra. Przyjmując założenie o rozkładzie normalnym N(, ) opisującym analizowane zjawiska drganiowe łopatek, stwierdzono, że: Populacja badanych łopatek tego samego typu (ponad łopatek) wykazała znaczny poziom randomizacji warunków zmęczenia materiału, określony na podstawie wskaźnika statystycznego RF gdzie: dn dt RF (6.1) n, odchylenie standardowe amplitudy drgań łopatek w analizowanej fazie pracy silnika i zakresie prędkości obrotowej w przedziale n; wartość średnia amplitudy drgań łopatek w ww. warunkach pracy silnika. dn n, dt Wskaźnik randomizacji RF był słabo skorelowany z czasem eksploatacji silnika i liczbą remontów (badane silniki były przed, po pierwszym lub drugim remoncie głównym). Wskaźnik RF był silnie skorelowany przestrzennie z 22 użytkownikami silnika typu SO-3 na terenie Polski, wskazując na dominujący wpływ czynnika ludzkiego na przyśpieszone zmęczenie materiału łopatki w eksploatacji [351]. Jakość regulacji układu paliwowego miała wyraźny wpływ na widmo drgań łopatek (amplitudę i dominujące częstotliwości). Po doregulowaniu układu paliwowego do optymalnych, indywidualnych warunków pracy uzyskano nawet 40% redukcję amplitudy drgań i zmniejszenie wartości wskaźnika randomizacji populacji łopatek, szczególnie w stanach przejściowych silnika (akceleracji i deceleracji oraz ponawianych przyśpieszeń) [318,320]. Zawężone warunki stanów przejściowych (optymalna ścieżka dla danego silnika) zawierają się w przedziale dotychczasowych warunków technicznych eksploatacji, określonych przez: - prędkość obrotową zakresu biegu jałowego, - prędkość obrotową zakresu startowego, - czas akceleracji z zakresu biegu jałowego, - czas akceleracji ponawianych. Do 1996 r. warunki techniczne silnika typu SO-3 nie precyzowały ścieżki stanów przejściowych (kryteriów odnoszących się do pierwszej pochodnej prędkości obrotowej silnika), co wynikało ze słabego wsparcia metrologicznego i braku możliwości jej obserwacji oprzyrządowaniem istniejącym na etapie projektowania silnika i określania warunków technicznych kontroli (lata sześćdziesiąte i siedemdziesiąte XX wieku). Do wyjaśnienia źródła uzyskanych efektów autor przedstawił układy funkcjonalne silnika turbinowego w postaci struktury pięciu elementów rys. 6.5 i

80 Rys Zmęczeniowe pękanie łopatki sprężarki odwzorowane przez teorię pięciu elementów dla energii obiegu termodynamicznego Rys Zmęczeniowe pękania łopatki sprężarki odwzorowane przez teorię pięciu elementów dla obiegu energii mechaniczno-chemicznej W zobrazowaniach zależności energetycznych uwzględniono wpływ: pobudzenia pióra łopatki do drgań przez wymuszenia aerodynamiczne (siły i momenty sił przyłożone do pióra łopatki); pobudzenia pióra łopatki do drgań przez wymuszenia masowe (siły i momenty sił przyłożone zarówno do pióra, jak i zamka łopatki); lepkości powietrza, która skutkuje bezpośrednim i zwrotnym oddziaływaniem aerodynamicznym przepływu na wirujące pióro łopatki; sprzężeń zwrotnych pomiędzy drganiami łopatek a jakością wyważenia i osiowania wirnika; zmian warunków otoczenia całoroczną obserwację prowadzono dla pełnej populacji silników typu SO-3 eksploatowanych w Polsce w latach

81 6.3. Zmęczenie łopatek sprężarki wynikające z pracy wlotu i komory spalania Umowne zobrazowanie obiegu termodynamicznego turbinowego silnika odrzutowego rys. 6.5, wskazało na dwa podstawowe źródła problemów zmęczeniowych łopatek sprężarki: pracę wlotu i komory spalania Zagrożenia od strony wlotu Z doświadczeń eksploatacyjnych wiadomo, że od strony wlotu pojawiają się zagrożenia związane z: zaburzeniami przepływu na wlocie, zasysaniem drobnych ciał obcych, zasysaniem substancji agresywnych Zaburzenia przepływu na wlocie Zaburzenie (cieniowanie) przepływu występuje podczas lotu samolotu na dużych kątach natarcia, wykonywania figur średniego i wyższego pilotażu, niezamierzonego przysłonięcia wlotu płatowcowego w trakcie próby silnika przez obsługujący personel, oblodzenia gardzieli wlotowych, owiewek przedniej podpory i/lub łopatek wlotowego aparatu kierownic, zalegania dużego obcego ciała na łopatkach wlotowego aparatu kierownic. Zaburzenia przepływu na wlocie skutkują zmianą widma wymuszeń aerodynamicznych działających na łopatki sprężarki [146,252,350] oraz zmianą parametrów pracy silnika: - obserwowalną w kabinie, - nieobserwowalną, odwzorowaną m.in. w zaburzeniu rozkładu pola temperatur przed i za turbiną, przy niezmiennej lub pomijalnie małych zmianach wartości średniej temperatury gazów wylotowych, mierzonej przez instalację silnikową rys Oba typy zmian parametrów pracy silnika stanowią również zagrożenie dla elementów gorącej części silnika, w tym łopatek dyfuzora i wirnika turbiny. Rys Obwodowy rozkład pola temperatury T 4 (nr termopary) za turbiną silnika SO-3W (n = obr/min; dysza technologiczna, średnie zanurzenie termopar) stwierdzony po usunięciu fragmentów zassanego ptaka (temperatura obserwowana w kabinie samolotu T 4 = 751 o C, nieobserwowana dt 4 = 160 o C) Zasysanie drobnych ciał obcych Zasysanie drobnych ciał obcych do silnika, np. kamieni, piasku, lodu, kawałków drutu, nakrętek, skutkuje uszkodzeniem mechanicznym pióra łopatki i lokalnym wzrostem naprężeń [85,246,247]. Uszkodzone miejsca (karb mechaniczny) stanowią potencjalne ognisko 81

82 pęknięcia zmęczeniowego pióra łopatki, szczególnie gdy znajdują się w pobliżu linii węzłowych drgań. Obce ciało przenikające przez silnik może być również przyczyną uszkodzeń elementów komory spalania i łopatek turbiny oraz źródłem zaburzeń pola temperatur przed turbiną Zasysanie substancji agresywnych Podczas pracy silnika wraz ze zasysanym powietrzem do kanału gazodynamicznego przenikają substancje agresywne, tj. skroplona woda, para wodna, kwaśne opary przemysłowe i drobny pył zawieszony, które wywołują erozję i korozję pióra czy oblepianie pióra. Silna erozja powierzchni wierzchołkowej pióra (ubytek masy i lokalna koncentracja naprężeń) zmienia nie tylko sprawność sprężarki i wyważenie momentowe wirnika, ale również właściwości modalne łopatek, stwarzając warunki ich dostrajania się do niekorzystnych zjawisk dynamicznych. Korozja powierzchniowa i objętościowa pióra osłabia strukturę materiału, zmniejszając parametry wytrzymałościowe i modalne pióra (sztywność i tłumienie). Oblepienie pióra obcą substancją zmienia masę pióra, co również wpływa na właściwości modalne łopatki. Wżery erozyjne i korozyjne stanowią potencjalne ognisko pęknięcia zmęczeniowego łopatki, szczególnie gdy znajdują się one w pobliżu linii węzłowych drgań. Ryzyko przyśpieszonego zmęczenia możliwe jest do oszacowania na podstawie przeglądu wizualnego sprężarki. Często niedostrzeganą przyczyną problemów zmęczeniowych łopatek jest eksploatacyjna zmiana ich właściwości modalnych, odwzorowana w dostrojeniu częstotliwości modalnych do niebezpiecznego rezonansu synchronicznego czy asynchronicznego lub wzajemnego dostrojenia częstotliwości kolejnych modów danej łopatki do warunków sprzęgania drgań [216] Zagrożenia od strony komory spalania Z ponad 70-letnich doświadczeń eksploatacyjnych silników rakietowych i turbinowych wiadomo, że spalanie jest głównym źródłem problemów zmęczeniowych. Przyczyną problemów zmęczeniowych są silne wymuszenia periodyczne towarzyszące procesowi spalania paliwa [58,393]. Po wyłączeniu spalania obserwuje się gwałtowne zmniejszenie amplitudy drgań silnika. W innych maszynach przepływowych głównym źródłem drgań są wymuszenia masowe od wirującego wirnika. Na poziom i widmo pulsacji ciśnienia i temperatury, rzędu I a = 5 MW/m 2 /bar dla wymuszeń akustycznych i I t = 500 MW/m 2 /bar dla wymuszeń termicznych [393] mają wpływ: właściwości modalne komory spalania, właściwości modalne i dynamiczne procesu spalania. Poziomy wymuszeń akustycznych i termicznych są wielokrotnie większe od spotykanych obciążeń zadawanych na maszynach zmęczeniowych w warunkach laboratoryjnych, dlatego ciągle rozwijane są różne metody mające na celu zmniejszenie negatywnych skutków spalania [8,22,28,97,98,112,135,145,155,205,277,391,392]. Dotychczasowe spostrzeżenia z prób aktywnego sterowania dynamiką procesu spalania są cenną wiedzą dla diagnosty. Wyniki badań utwierdzają diagnostę w przekonaniu, że jakość regulacji układu paliwowego ma decydujący wpływ na zmęczenie materiału łopatek sprężarki. Wskazują jednocześnie obszar wymaganej identyfikacji zagrożenia i możliwości sterowania zmęczeniem materiału w starych rozwiązaniach konstrukcyjnych silników lotniczych Właściwości modalne komory spalania Właściwości modalne komory spalania odwzorowują złożone niskoczęstotliwościowe zjawiska falowe (wzdłużne, obwodowe i poprzeczne) występujące w objętości ograniczonej 82

83 przez ścianki komory spalania oraz palisadę kierownic wylotowych sprężarki i dyfuzora turbiny rys Rys Właściwości komory spalania: a) dynamiczne; b) modalne [58] Modelem modalnym komory spalania jest zamknięta rura Kundta. Silne wymuszenia deterministyczne na częstotliwościach modalnych komory spalania są zależne od: cech konstrukcyjnych (geometrii i typu komory), na które użytkownik nie ma wpływu; rozkładu pola temperatur w komorze (bieżących warunków pracy), na które użytkownik ma wpływ poprzez regulację układu paliwowego. Ta składowa jest cechą indywidualną silnika Dynamika procesu spalania Dynamika procesu spalania paliwa odwzorowuje złożone wysokoczęstotliwościowe zjawiska dynamiczne wywołane przez lokalną turbulencję przepływu i konwersję energii chemicznej paliwa w entalpię spalin. Jej efektem jest niejednorodność pola temperatur, prędkości i ciśnienia w komorze spalania, która moduluje parametry przepływu na wlocie i wylocie (efekt kluczowania przepływu) [353]. Dynamika procesu spalania jest głównym, oddalonym źródłem wymuszeń aerodynamicznych łopatek sprężarki, szczególnie z ostatnich stopni. Jej widmo jest cechą indywidualną silnika. Dynamika procesu spalania i właściwości modalne komory spalania podlegają weryfikacji i optymalizacji dla danego typu paliwa podczas badań fabrycznych. Użytkownik silnika musi liczyć się jednak z negatywnymi efektami spalania paliwa, gdy: a) W eksploatacji silnika zmianie ulegną: skład frakcyjny paliwa (typ paliwa, np. z PSM-2 na F-34) skutkujący zmianą objętościowego pola temperatur (właściwości modalnych komory) i jakości spalania paliwa w rejonie wtryskiwacza. Przy zwiększeniu udziału ciężkich frakcji, z dłuższymi łańcuchami węglowodorowymi i wyższą temperaturą destylacji, w rejonie wtryskiwacza nie następuje pełne odparowanie i spalenie paliwa. Część 83

84 niespalonego paliwa osadza się na powierzchni roboczej wtryskiwacza w postaci nagaru, a inna część dopala się w turbinie po zmieszaniu z powietrzem wtórnym komory spalania. Proces dopalania paliwa jest niestacjonarny i nie daje wyraźnych symptomów we wskazaniach średniej temperatury gazów w kabinie; dodatki uszlachetniające paliwo (np. zamiana Bikanolu E1 na Bikanol M-2 i dodatek przeciwcierny EDS), które w obecności śladowych ilości wody zawartej w paliwie mogą wchodzić w nieoczekiwane reakcje chemiczne z materiałem instalacji paliwowej (lotniskowej, płatowcowej lub silnika; zarówno z metalami, jak i gumami). Rozpuszczone substancje odkładają się w przestrzeniach wewnętrznych i filtrach dokładnego oczyszczania agregatów silnika w postaci galarety rys. 6.9, zmieniając ich charakterystyki i stwarzając zagrożenie samoczynnego wyłączenia silnika podczas lotu. Zjawisko tworzenia galarety, która zawiera wodę i stężony bikanol oddzielony od reszty paliwa przez napięcie powierzchniowe, nosi nazwę apply jelly [424,457]. Napięcie powierzchniowe galarety uniemożliwia jej przedostanie się przez filtr o oczku 1x1 mm, pomimo że tworzące ją substancje przenikają przez filtr o oczku kilkudziesięciu mikrometrów. Rozpuszczone substancje osadzają się również na powierzchni roboczej wtryskiwaczy (zabrudzenie) i łopatek turbiny, stwarzając dla tych elementów zagrożenie korozją chemiczną lub elektrolityczną; charakterystyka wtryskiwacza, np. w wyniku nadmiernego zabrudzenia (nagarowania) lub rozkalibrowania. W obu przypadkach zmianie ulega kąt i jakość rozpylenia paliwa oraz wydatek paliwa, co skutkuje zmianą objętościowego rozkładu pola temperatur i właściwości akustycznych komory spalania. a) b) Rys Negatywny wpływ dodatków uszlachetniających i wody rozpuszczonej w paliwie: a) produkty korozji na elemencie zaworu ograniczania maksymalnej prędkości obrotowej silnika pompy PNZ-15; b) zjawisko apply jelly obserwowane w zaworze 040 regulatora paliwa ASS-3 b) Na nowym lub remontowanym silniku jest nierównomierne pole temperatur przed turbiną, które wynika z nierównomiernego wydatku paliwa poszczególnych wtryskiwaczy lub nadmiernej asymetrii przepływu, np. niewspółosiowości wirnika. c) Regulacja fabryczna lub eksploatacyjna układu paliwowego silnika jest niezgodna z warunkami technicznymi. Na podstawie założeń konstrukcyjnych, obliczeń gazodynamicznych i wiedzy o niebezpiecznych zjawiskach dynamicznych (tj. niestabilna praca sprężarki i zjawisko flatteru) konstruktor określił bezpieczny obszar roboczy [136,200,317], którego ograniczenia zostały uwzględnione w programie sterowania silnikiem przez układ paliwowy i mechanizację silnika. 84

85 Obszar roboczy silnika Kształt obszaru roboczego rys uwzględnia ograniczenia dla: stanów ustalonych prędkości obrotowej biegu jałowego i zakresu startowego, stanów przejściowych akceleracji i deceleracji prędkości obrotowej. Rys Obszar roboczy turbinowego silnika odrzutowego i jego ograniczenia [136] Położenie zakresu biegu jałowego silnika wynika z: - kryterium dopuszczalnego maksymalnego ciągu resztkowego silnika, - wymogów zapewnienia stabilności sterowania (pracy automatyki układu paliwowego); - minimalnego odstrojenia od prędkości krytycznej wirnika, - maksymalnej temperatury gazów wylotowych przy małym wydatku przepływu powietrza, - odległości linii stanów ustalonych od granicy niestatecznej pracy sprężarki, mającej wpływ na dopuszczaną dynamikę pierwszej fazy akceleracji, - maksymalnego czasu zrywności silnika akceleracji z biegu jałowego wymaganej np. do wykonania manewru przerwanego lądowania. Parametry zakresu startowego wynikają z: - kryterium wytrzymałości łopatek sprężarki i turbiny na obciążenia quasi-statyczne (masowe i aerodynamiczne), - maksymalnej prędkości przepływu na palisadzie pierwszego stopnia sprężarki (sprężarka z palisadą poddźwiękową lub naddźwiękową), - wymaganego ciągu (silniki odrzutowe) lub mocy na wale wolnej turbiny, - maksymalnej temperatury gazów wylotowych przed turbiną, - położenia obszarów niestabilności aeromechanicznych (zjawiska flatteru naddźwiękowego oderwaniowego i nieoderwaniowego). Ograniczenia obszaru roboczego podczas akceleracji wynikają z: granicy maksymalnej temperatury gazów przed turbiną przyrost temperatury względem linii stanów ustalonych wynika z wzbogacenia mieszanki paliwowopowietrznej w komorze spalania po skokowej zmianie wydatku paliwa (mała stała czasowa procesów spalania) i spowolnionej reakcji wirnika (duża stała czasowa wynikająca z momentu bezwładności wirnika) [200,219,223]; zagrożenie zmęczeniowe dotyczy głównie elementów gorącej części silnika (łopatek turbiny i komory spalania); parametrem diagnostycznym jest wartość chwilowa średniej temperatury przed/za 85

86 turbiną obserwowana w kabinie; granicy stabilnej pracy sprężarki (pompażu), którą definiuje charakterystyka teoretycznej sprężarki osiowej i właściwości dynamiczne układu: wlot sprężarka komora spalania, m.in. częstotliwości Helmholtza; przegięcia gałęzi charakterystyki dla danej prędkości obrotowej przy dużych sprężach wywołane jest przez wirujące strefy oderwań (WSO) [4,49,107,194,222], na których intensywność mają również wpływ parametry montażowo-eksploatacyjne, tj. osiowanie wirnika, luz wierzchołkowy; granica pompażu i poziom zaburzeń generowanych przez WSO są indywidualnymi cechami silnika; położenia obszarów niestabilności aeromechanicznych flatteru poddźwiękowego oderwaniowego, wywołanego pracą palisady łopatek na zbyt dużych kątach natarcia; dla zakresu średnich prędkości obrotowych silnika zjawisko poddźwiękowego flatteru oderwaniowego występuje najczęściej wcześniej niż granica niestabilnej pracy sprężarki czy granica wysokich temperatur. Ograniczenie obszaru roboczego podczas deceleracji wynika z: granicy gaśnięcia silnika podczas lotów na pułapie, będącej efektem nadmiernego lub zbyt szybkiego zubożenia mieszanki paliwowo-powietrznej w komorze spalania; objawem diagnostycznym jest samoczynne wyłączenie silnika; położenia obszarów niestabilności aeromechanicznych zjawiska flatteru dławienia, które może wystąpić, gdy w przekroju wylotowym sprężarki zostaną osiągnięte parametry przepływu krytycznego (np. zbyt niska temperatura powietrza względem wydatku masowego powietrza i parametrów geometrycznych sprężarki); dla zakresu średnich prędkości obrotowych silnika zjawisko flatteru dławienia poprzedza najczęściej granicę gaśnięcia silnika. Podsumowując dotychczasowe rozważania należy pamiętać, że zmiana dławienia przepływu przy danej prędkości obrotowej sprężarki zmienia nie tylko quasi-statyczne obciążenie pióra, ale i widmo składowych periodycznych rys Dominująca amplituda i postać drgań łopatki (wytężenie materiału i krzywa życia) jest funkcją prędkości obrotowej silnika oraz jej pierwszej i drugiej pochodnej. a) b) c) Rys Opływ profilu łopatki sprężarki dla różnych wartości pochodnej prędkości obrotowej (dławienia przy stałej wartości obrotów) [76]: a) dn/dt < 0; b) dn/dt = 0; c) dn/dt > 0 86

87 Właściwości modalne komory spalania (m.in. częstotliwość I modu, tłumienie i położenie linii węzłowych drgań) mają decydujący wpływ na widmo zjawisk dynamicznych, na które narażone są wszystkie elementy silnika, w tym wirujące łopatki sprężarki. Możliwe jest zatem wczesne rozpoznanie zagrożenia zmęczeniowego i wytypowanie elementów krytycznych silnika na podstawie analizy właściwości modalnych komory spalania i elementów konstrukcyjnych [216]. Podstawową trudnością takiej działalności profilaktycznej jest jednak całkowity brak wiedzy o właściwościach modalnych procesu spalania i elementów silnika. Ta szczegółowa wiedza, przydatna do diagnozowania, pozostaje u konstruktora, a jej szczątkowe fragmenty zawierają technologie produkcji i remontu silnika, które najczęściej też nie są dostępne dla diagnosty (szczególnie gdy remont silnika wykonywany jest poza granicami kraju). W celu jej pozyskania diagnosta musi wykonać identyfikację właściwości modalnych obiektu i zjawisk dynamicznych, np. poprzez: szerokopasmowe pomiary drgań silnika, wykraczające poza dotychczasowe kryteria oceny drgań i stanu technicznego silnika, analizę numeryczną oczekiwanych parametrów termodynamicznych w komorze spalania Wirujące strefy oderwań Wirujące strefy oderwań są oscylacyjną asymetrią przepływu [64,65,107] i źródłem silnych wymuszeń asynchronicznych rezonansu asynchronicznego łopatek. Częstotliwości podstawowe WSO zawierają się przedziale (0,2 0,8) f obr. Łopatki pobudzane są do drgań przez periodyczne wymuszenie aerodynamiczne będące harmoniczną częstotliwości podstawowych i liczby wirujących stref rys Rys Niestabilność sprężarki na granicy pompażu ( s sprawność sprężarki) [65] Analizując zjawisko WSO wzdłuż linii pompażu (podczas akceleracji) dostrzega się, że: a) w zakresie niskich prędkości obrotowych wirnika, WSO są częściowym przepływem zwrotnym występującym przy powierzchni wierzchołkowej pióra w kilku strefach równo rozłożonych po obwodzie, w pojedynczej lub w dwóch sąsiednich palisadach. Częstotliwość wirowania stref wynosi (0,5 0,8) f obr ; b) wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika maleje liczba WSO, ale jednocześnie 87

88 pogłębia się zjawisko przepływu zwrotnego, które obejmuje już całą wysokość pióra i kilka sąsiednich palisad; c) w pełni rozwiniętej fazie WSO obecna jest pojedyncza strefa, której częstotliwość wirowania wynosi (0,2 0,5) f obr. Dalszy wzrost prędkości obrotowej wzdłuż granicy pompażu prowadzi do rozwoju zaburzeń przepływu w całej objętości sprężarki, którym towarzyszy pełnoobjawowy pompaż. Rozwinięte WSO mogą występować również w stanach ustalonych silnika, narażając łopatki sprężarki na długotrwałe pobudzenie z dużą amplitudą pulsacji ciśnienia i prędkości przepływu. Zagrożenie zmęczeniowe łopatek dotyczy szczególnie wczesnych konstrukcjach silników lotniczych, przy projektowaniu których nie korzystano z oprogramowania CFD. Wirujące strefy oderwań są określane mianem cichego zabójcy łopatek sprężarki w eksploatacji ze względu na brak wyraźnych symptomów diagnostycznych. Stwarzają one problem diagnostyczny dla użytkownika. Zmęczenie materiału rozwija się w efekcie kumulacji krótkotrwałych pozaobliczeniowych przeciążeń pióra. Każdy stan pracy silnika, w którym występuje rozwinięte zjawisko WSO i wysoki poziom amplitudy drgań łopatek, jest cyklem przyśpieszonego zużycia zmęczeniowego danej palisady sprężarki (HCF, rzadziej LCF) Pompaż - niestabilna praca sprężarki Zjawisko pompażu jest symetryczną wzdłużną falą przepływu o najniższym rzędzie [65,107,108], która zawsze jest poprzedzona rozwiniętymi WSO rys Rys Dynamika rozwoju pompażu obserwowana podczas badań stoiskowych pojedynczego stopnia sprężarki osiowej (brak sprzężenia zwrotnego z układem paliwowym) [65] Pompaż jest łatwo obserwowalny, gdyż posiada wyraźne symptomy diagnostyczne (akustyczne i wizualne). Zjawisko to stwarza zagrożenie zmęczeniowe, które dotyczy zarówno wirujących elementów silnika (skokowa zmiana momentu obrotowego oraz wymuszeń aerodynamicznych i masowych) i elementów gorącej części silnika (skokowe, cykliczne wzbogacenie mieszanki, którym towarzyszą wyrzuty płomienia z dyszy wylotowej). Dla silników z dużą objętością komory spalania cyklicznym pulsacjom przepływu może towarzyszyć cofanie płomienia aż do wlotu silnika. Częstotliwość cyklu pompażu nie przekracza 15 Hz i jest tym mniejsza, im większa jest objętość komory spalania [65,107,317]. 88

89 Flatter drgania samowzbudne łopatek Zjawisko flatteru nie daje wyraźnych symptomów diagnostycznych w monitorowanych parametrach pracy silnika zewnętrznym symptomem jest chwilowa zmiana widma hałasu generowanego przez silnik oraz zwiększona wysokoczęstotliwościowa pulsacja przepływu. Obserwacja tego symptomu wymaga szerokopasmowego pomiaru drgań silnika i pulsacji ciśnienia. Zarówno flatter oderwaniowy, jak i flatter dławienia określany jest mianem cichego zabójcy grupy łopatek sprężarki, ponieważ łopatki palisady synchronizują swoje drgania do jednej wypadkowej częstotliwości (rezonansu asynchronicznego), osiągając niebezpieczną amplitudę drgań [51, ,255,290]. W palisadzie pojawia się fala stojąca drgań rys Rys Zjawisko flatteru giętego [136] Każdy stan przejściowy silnika, w którym występuje zjawisko flatteru jest nieobserwowanym cyklem przyśpieszonego zużycia zmęczeniowego łopatek. Zmęczenie materiału rozwija się w efekcie kumulacji krótkotrwałych pozaobliczeniowych przeciążeń pióra. Flatter przez lata sprawiał problem konstruktorom silników lotniczych, gdyż jest zjawiskiem silnie zależnym od warunków otoczenia (liczby Macha i Reynoldsa) i może być przeoczony na etapie badań fabrycznych danego typu silnika. Obecnie konstruktor silnika wspierany jest narzędziami analizy numerycznej [51,276,336]. W starych konstrukcjach silników lotniczych zjawisko flatteru może występować okresowo (przy danych warunkach otoczenia) również w stanach ustalonych prędkości obrotowej silnika Zmęczenie łopatek wynikające z transportu energii mechanicznej Umowne zobrazowanie obiegu mechanicznego silnika rys. 6.6, wskazało na dwa inne jeszcze źródła problemów zmęczeniowych łopatek sprężarki, związane z jakością transmisji mocy z turbiny do sprężarki i agregatów (silnika oraz płatowca poprzez przekładnię silnikową). 89

90 Z doświadczeń eksploatacyjnych wiadomo, że na jakość transmisji mocy mają wpływ cechy indywidualne silnika: wyważenie zespołu wirnikowego, jakość osiowania podpór, obwodowy rozkład luzów wierzchołkowych, drgania poprzeczne wirnika w zakresie prędkości krytycznych wału i rezonansów podatnej podpory, drgania skrętne zespołu wirnikowego (układu mechanicznego sprężarka wał turbina ) wywołane głównie przez zmienne momenty obrotowe sprężarki i turbiny Wyważenie wirnika Zespół wirnikowy w silnikach lotniczych spełnia najczęściej kryteria nadkrytycznego wirnika elastycznego podpartego na podporach, których sztywność jest porównywalna do sztywności wirnika (w przeciwieństwie do stacjonarnych maszyn wirnikowych, w których sztywność kadłuba jest wielokrotnie większa od sztywności wirnika). Wyważenie wielopłaszczyznowe wirnika jest parametrem ustawianym na etapie produkcji i remontu silnika, podczas oddzielnego wyważania wirnika sprężarki i wału z turbiną (w łożyskach technologicznych, przy prędkości obrotowej nieprzekraczającej obr/min). Wypadkowy stan wyważenia wirnika oceniany jest podczas próby kontrolnej i zdawczej. Cechą wirnika elastycznego jest to, że jego wyważenie ulega ciągłym zmianom w krótkim okresie pracy, zarówno podczas prób kontrolnych i zdawczych oraz eksploatacji silnika, co stwarza problemy w interpretacji wyników badań metodą analizy trendów. Siły i momenty działające na wirujący wirnik, przy roboczych prędkościach obrotowych silnika (dla silnika typu SO-3 do obr/min), dążą do: zmniejszenia niewyważenia podczas pracy w stanach ustalonych i lotu samolotu po torze prostoliniowym; siły i momenty dążą do optymalnego ustawienia elementów i zespołów wirnika w granicach luzów montażowych, co wykorzystuje się w próbie kontrolnej; podczas prób silników SO-3 (eksperymentów czynnych i biernych) autor wielokrotnie obserwował zjawisko samoczynnego wyważania wirnika, podczas którego poziom niewyważenia wirnika odwzorowany w poziomie drgań na częstotliwości obrotowej malał nawet o ponad 50%; zwiększenia niewyważenia dynamicznego i zmiany położenia tzw. ciężkiego punktu wirnika podczas dużych przeciążeń normalnych i poprzecznych występujących w locie samolotu po torze krzywoliniowym, w fazie błędnego przyziemienia samolotu oraz podczas dynamicznych stanów przejściowych silnika. Zmiany wyważenia wirnika modyfikują widmo obciążeń masowych (pośrednio i wymuszeń aerodynamicznych) działających na pióro łopatki. Na te zmiany widma wymuszeń narażone są szczególnie długie łopatki I stopnia sprężarki czy wentylatora oraz turbiny, dla których istnieją warunki wystąpienia rezonansu synchronicznego. Poziom ryzyka przyśpieszonego zmęczenia łopatek sprężarki uwarunkowany jest przez sposób łożyskowania wirnika Osiowanie wirnika Jakość osiowania podpór odpowiada za wymuszenia masowe łopatki o rzędowości 0,5 EO i 2,0 EO (odpowiednio skoszenie i równoległe przesunięcie osi) oraz za składową wymuszeń aerodynamicznych związaną z obwodowym rozkładem luzu wierzchołkowego. Na ten typ wymuszeń masowych narażone są szczególnie długie łopatki pierwszych stopni sprężarki czy wentylatora oraz turbiny, dla których istnieją warunki wystąpienia rezonansu synchronicznego. Poziom ryzyka przyśpieszonego zmęczenia łopatek sprężarki uwarunkowany jest przez sposób łożyskowania wirnika sprężarki. Jakość osiowania podpór ulega 90

91 zmianie w eksploatacji Drgania wirnika Zwiększone drgania poprzeczne wirnika występują krótkotrwale przy przekraczaniu prędkości krytycznej, która z założenia powinna być poniżej zakresu biegu jałowego silnika. Wpływ tego wymuszenia masowego występuje teoretycznie tylko podczas rozruchu i dobiegu silnika po wyłączeniu, a ich skutek może być analizowany na podstawie zliczania cykli uruchomień. Jednak jak wykazują doświadczenia eksploatacyjne, nadmierny wzrost niewspółosiowości podpór i niewyważenia wirnika może być przyczyną zwiększenia wartości prędkości krytycznej i jej obecności w zakresie roboczym silnika, w pobliżu zakresu biegu jałowego. Wpływ wymuszeń od drgań poprzecznych na trwałość łopatek sprężarki jest uwarunkowana przez sposób podparcia wirnika. Na ten typ wymuszeń narażone są szczególnie długie łopatki I stopnia sprężarki czy wentylatora, dla których istnieją warunki wystąpienia rezonansu synchronicznego. Drgania skrętne wirnika wywołane są przez oscylacje momentu obrotowego sprężarki i turbiny. Ich źródłem są m.in. drgania łopatek sprężarki i turbiny, wirujące strefy oderwań w sprężarce, niewspółosiowość wirnika, nierównomierne luzy wierzchołkowe łopatek, luzy w układzie transmisji mocy na połączeniach wielowypustowych oraz nierównomierność pola temperatur przed turbiną. Źródłem modulowania momentu obrotowego wirnika jest również chwilowy moment obrotowy wymagany przez przekładnię i podłączone do niej agregaty Nierównomierność pola temperatur Obwodowa nierównomierność pola temperatur (rys.6.7) oprócz wymuszeń termicznych jest również źródłem wymuszeń siłowych. Łopatki turbiny są poddane działaniu okresowych sił i momentów aerodynamicznych wywołanych wpływem zmian gęstości i prędkości spalin wzdłuż promienia łopatki i po obwodzie (kącie obrotu wirnika). Widmo wymuszeń można określić na podstawie wielopunktowego pomiaru pola temperatur przed lub za turbiną rys Rys Widmo pulsacji pola temperatury za turbiną silnika SO-3 dla danych z rys. 6.7 W zobrazowanym widmie dominują nieparzyste harmoniczne częstotliwości obrotowej. W efekcie nierównomiernego obciążenia dysku turbiny składową wzdłużną sił i momentów aerodynamicznych następuje okresowa zmiana dynamicznego niewyważenia pojawiają się niskoczęstotliwościowe drgania wirnika. Te wymuszenia masowe działają na oddaloną 91

92 łopatkę sprężarki wg obiegu energii przedstawionego na rys. 6.6, modulując quasi-statyczną siłę odśrodkową. Są również źródłem modulacji obciążeń aerodynamicznych w obiegu energii według rys Nierównomierność luzu wierzchołkowego Nierównomierność luzu wierzchołkowego łopatek sprężarki i turbiny jest wtórnym źródłem modulacji momentu obrotowego turbiny i sprężarki oraz drgań skrętnych wirnika. Opisane zjawiska nasilają się w stanach przejściowych silnika, gdy na wejściu komory spalania pojawiają się dodatkowe pulsacje przepływu wywołane w sprężarce przez wirujące strefy oderwań, pompaż czy zjawisko flatteru. Nierównomierność luzu wierzchołkowego łopatek może wynikać z: niewspółosiowości wirnika i kadłuba, błędów kołowości kadłuba sprężarki, niewyważenia wirnika (wirowania środka ciężkości wirnika z mimośrodem), błędów kołowości wirnika Napęd agregatów Z teorii konstrukcji silników lotniczych wiadomo, że pobór mocy do napędów agregatów nie przekracza 2% mocy wytwarzanej przez turbinę. Zaburzenia tak małego udziału mocy teoretycznie nie powinny mieć wpływu na wytężenie materiału łopatek sprężarki. Powyższe stwierdzenie jest jednak prawdziwe tylko dla układów liniowych poza zakresami rezonansowymi. W przypadku nieliniowości w układzie transmisji mocy, np. podatnej podpory, jak w silniku typu SO-3, należy liczyć się z efektami sprzęgania różnych form energii mechanicznej i aerodynamicznej oraz z modulacją amplitudy i fazy drgań wirnika zjawiskami, które skutkują m.in. pojawieniem się licznych pozaobliczeniowych prążków wysokoenergetycznych w widmie wymuszeń Klasyczne podejście do problemu diagnozowania łopatek i silnika Podsumowując dotychczasowe rozważania, można stwierdzić, że warunki pracy łopatki sprężarki i jej proces zmęczenia są wypadkową wielu nieznanych zmiennych, które są najczęściej nieobserwowane w procesie eksploatacji silnika. Taki stan nie sprzyja bezpiecznej eksploatacji silnika lotniczego. Świadomy zagrożenia użytkownik próbuje zmniejszyć to ryzyko, stosując nowe metody badań diagnostycznych, które wykraczają poza obowiązujące warunki techniczne eksploatacji narzucone przez producenta. W klasycznym podejściu do problemów zmęczeniowych łopatek sprężarki najczęściej są stosowane trzy metody: badania nieniszczące, rozwinięta analiza parametrów gazodynamicznych metoda GPA, szerokopasmowa analiza drgań silnika Badania nieniszczące Do oceny stanu technicznego łopatek sprężarki w eksploatacji i remoncie silnika używa się trzech podstawowych metod badań nieniszczących: metody wizualnej (VT) z wykorzystaniem nieuzbrojonego oka i uzbrojonego we współczesne techniki optyczne, tj. wideoskop czy endoskop, metody ultradźwiękowej (UT) z pojedynczą głowicą lub głowicą matrycową, metody prądów wirowych (ET). Wyżej wymienione metody są możliwe do zastosowania w eksploatacji tylko w tych miejscach sprężarki, do których jest bezpośredni dostęp, tj. od strony wlotu i poprzez istniejące otwory inspekcyjne. Celem badań jest detekcja uszkodzeń mechanicznych i chemicznych: erozji, zakaleczeń pióra przez drobne ciało obce, korozji powierzchniowej 92

93 i podpowierzchniowej oraz pęknięć zmęczeniowych pióra. Metoda wizualna służy do detekcji symptomów uszkodzenia widocznych na powierzchni pióra. Metody UT i ET umożliwiają: a) obiektywną weryfikację wyników badań wizualnych, b) detekcję uszkodzeń pod powierzchnią materiału, c) pomiar naprężeń własnych obecnych w materiale, tj. pozyskanie informacji przydatnej na etapie prognozowania zmęczenia łopatki. Niestety, większość użytkowników silników lotniczych ogranicza możliwości metod UT i ET do detekcji pęknięć, czyli do pozyskania informacji o bieżącym stanie technicznym łopatek, bez wiarygodnej prognozy ich stanu technicznego. Poprzestanie tylko na identyfikacji bieżącego stanu technicznego łopatek nie gwarantuje bezpiecznej eksploatacji silnika. Przykładem są silniki typu SO-3, dla których metody UT i ET nie wykryły żadnego pęknięcia pióra łopatki przed wystąpieniem wypadku lotniczego. Znane są również przypadki innych użytkowników, gdy kilka godzin po badaniach UT czy ET dochodziło do zmęczeniowego urwania pióra łopatki. Stosując metody UT i ET, należy pamiętać o specyficznych cechach łopatki sprężarki jako obiektu badań. Wirująca łopatka narażona jest na silne wytężenie materiału wnoszone przez siłę odśrodkową podczas pracy silnika. Na postoju w piórze łopatki pojawiają się naprężenia własne ściskające, które są przyczyną zamykania szczeliny i zmniejszenia prawdopodobieństwa detekcji pęknięcia. Metody UT i ET, które z założenia są stosowane do zweryfikowania spostrzeżeń z badań wizualnych, mogą okazać się bezwartościowe po dłuższym postoju silnika. Z doświadczeń autora wynika, że już po dwóch dniach postoju prawdopodobieństwo wykrycia rozwiniętego 15-milimetrowego pęknięcia pióra metodą UT i ET maleje do zera, pomimo że w literaturze deklaruje się czułość ww. metod na poziomie 0,1 0,3 mm. Powyższe ograniczenie możliwości metod UT i ET jest szczególnie istotny dla zakładów produkcyjnych i remontowych. Uzyskany wynik weryfikacji bieżącego stanu technicznego łopatek nie gwarantuje ich niezawodności w okresie międzyremontowym Rozwinięta analiza parametrów gazodynamicznych metoda GPA Do oceny stanu technicznego silnika coraz częściej wykorzystywane są różne metody diagnostyczne bazujące na porównywaniu zmierzonych parametrów pracy z wartościami oczekiwanymi. Informację o oczekiwanych parametrach pracy silnika udostępnia model numeryczny obiegu termodynamicznego. Ta technika diagnozowania silnika nazywana jest w literaturze Gas Path Analysis (GPA) [74,75,165,182,184,217,218,234,249,250,292,295, 333,339,403]. Do zastosowania technologii GPA użytkownik może skorzystać z usług ośrodków akredytowanych przez producenta silnika, przesyłając okresowo podstawowe parametry pracy silnika odczytane w kabinie samolotu podczas lotu poziomego (dane z prób naziemnych silnika są obarczone nadmiernym wpływem temperatury płaszczyzny prób). Może również opracować własny model badanego silnika, wykorzystując istniejące bezpłatne oprogramowania, np. GSP firmy NLR [434,445] czy GasTurb autorstwa J. Kurzke [431]. Powyższe oprogramowania bazują na modelu 1D przepływu i właściwościach gazu półdoskonałego. Oba programy zostały zweryfikowane eksperymentalnie na różnych typach silników lotniczych i są używane przez renomowanych producentów silników lotniczych, uczelnie i laboratoria badawcze. Niewątpliwą zaletą oprogramowania GSP i GasTurb jest możliwość uwzględnienia wilgotności powietrza w obliczeniach oczekiwanych parametrów pracy i odtworzenie podstawowych parametrów układu sterowania (stałych czasowych i wzmocnienia regulatora PID). Program GasTurb umożliwia dodatkowo przeprowadzenie symulacji Monte Carlo i optyma- 93

94 lizacji parametrów pracy silnika. Do opracowania dokładnego modelu badanego typu silnika, przydatnego do jego diagnozowania na podstawie parametrów gazodynamicznych, niezbędne jest zmodyfikowanie uniwersalnych map sprężarki i turbiny. Pomocą służą programy Smooth C i Smooth T autorstwa J. Kurzke [431], które wykrywają również błędy pomiarowe popełnione na etapie eksperymentalnej identyfikacji charakterystyk sprężarki i turbiny. Z analizy literatury wiadomo, że GPA umożliwia detekcję zmian sprawności sprężarki i turbiny. Obserwowane zmiany parametrów silnika informują użytkownika o narastającej degradacji kanału gazodynamicznego w tym zakresie GPA jest metodą polecaną przez producentów silników lotniczych. Metoda GPA nie jest jednak przeznaczona do detekcji narastającego zmęczenia materiału łopatki sprężarki, chociaż już wielokrotnie zapobiegła sytuacjom awaryjnym, w tym problemom zmęczeniowym łopatek sprężarki wywołanych przez nadmierną erozję Szerokopasmowa analiza drgań silnika Do szerokopasmowej identyfikacji modalnej silnika i zjawisk dynamicznych niezbędne jest wykonanie wielokierunkowych pomiarów drgań kadłuba i analizy sygnału w dziedzinie czasu, częstotliwości, rzędowości lub modulacji (z wykorzystaniem np. transformaty DWT, FFT, analizy falkowej, czy algorytmu CORDIC). Do rozdzielenia i identyfikacji źródeł drgań o podobnym widmie wykorzystuje się spostrzeżenie, że: zjawiska dynamiczne mają charakterystyczne częstotliwości, które są najczęściej zależne od warunków otoczenia i zakresu pracy silnika; wirujące palisady sprężarki i turbiny, koła zębate i agregaty oraz łożyska są źródłem wymuszeń o częstotliwości będącej w stałej proporcji do prędkości obrotowej wirnika (rzędowości), możliwym do określenia na podstawie danych zawartych w opisach i instrukcji obsługi danego typu silnika; częstotliwości drgań wirujących łopatek sprężarki zmieniają się wraz z prędkością obrotową silnika, przy czym silniejszy wpływ sił odśrodkowych dotyczy modów giętych; częstotliwość drgań wirujących łopatek turbiny zmienia się wraz z prędkością obrotową silnika i temperaturą przed turbiną; drgania nieruchomych elementów struktury (kadłuba, łopatek aparatów kierujących, owiewek, osprzętu silnika) w danym punkcie obserwacji mają częstotliwości stałe lub nieznacznie zmieniające się z amplitudą wymuszeń; zmiana położenia obserwatora (np. po obwodzie lub wzdłuż kadłuba) pomaga ujawnić lokalną asymetrię sztywności, wywołaną np. podziałem kadłuba sprężarki na dwie części (jak w silniku typu SO-3) lub usztywnieniem wnoszonym przez owiewki lub nadlewy technologiczne. W normalnych warunkach pracy silnika w widmie drgań: dominującą składową są tzw. częstotliwości łopatkowe f Ł f N (6.4) Ł f obr gdzie: N - liczba łopatek danej palisady, f obr częstotliwość obrotowa wirnika; które ujawniają wpływ modulacji średniego ciśnienia działającego na kadłub sprężarki w płaszczyźnie danej palisady wirnika (wzrost ciśnienia w luzie wierzchołkowym wirujących łopatek, zmniejszenie ciśnienia w przestrzeni międzyłopatkowej); nie dostrzega się wyraźnych prążków częstotliwości skorelowanych z drganiami danego modu łopatek sprężarki czy turbiny; bezpośredni wpływ drgań łopatek danej palisady na drgania wirnika ulega skompensowaniu dla typowej liczby łopatek (powyżej 20) i proporcji masy łopatki do wirnika sprężarki; poziom tej składowej drgań najczęściej 94

95 nie przekracza poziomu szumu. Szerokopasmowa analiza drgań silnika nie gwarantuje zatem rozpoznania stanu technicznego łopatki danej palisady sprężarki. Jest to jednak metoda bardzo przydatna do rozpoznania stanu energetycznego silnika (poziomu i widma wymuszeń) oraz oceny poziomu ryzyka zmęczeniowego łopatek o znanych cechach modalnych Wybór łopatki sprężarki na obserwatora stanu W przedstawionej koncepcji aktywnego sterowania zmęczeniem materiału łopatek sprężarki istotną rolę odgrywa użytkownik statku powietrznego, który pełni funkcję członu korekcyjnego w torze sprzężenia zwrotnego pomiędzy systemem diagnostycznym i silnikiem. Struktura systemu diagnostycznego i prawa sterowania (metodyka postępowania) wynikają z oczekiwanej dynamiki zjawiska zmęczenia materiału. Dla łopatek narażonych na zmęczenie LCF, np. łopatek z błędnym odstrojeniem danego modu od rezonansu synchronnicznego, wymagane jest monitorowanie ich stanu energetycznego (amplitudy drgań) podczas każdej misji lotniczej. Członem wykonawczym układu sterowania zmęczeniem łopatek jest pilot, który po uzyskaniu ostrzeżenia o nadmiernych drganiach łopatek powinien zmienić zakres pracy silnika. Sterowanie zmęczeniem HCF i VHCF wymaga okresowej kontroli warunków pracy łopatek. Członem wykonawczym układu sterowania zmęczeniem łopatek jest personel techniczny obsługujący statek powietrzny. Sterowanie zmęczeniem łopatek realizowane jest głównie poprzez doregulowanie układu paliwowego. Podczas okresowej kontroli warunków pracy łopatek ocenie podlegają również skutki kumulacji nieznanej historii obciążeń LCF, HCF i VHCF, które mogą zainicjować pęknięcie pióra łopatki. Na podstawie koncepcji pięciu elementów wykazano związek istniejący pomiędzy procesem zmęczenia materiału wirującej łopatki sprężarki, a indywidualnymi cechami silnika poziomem i widmem zjawisk dynamicznych w wlocie, komorze spalania i układzie transmisji mocy. Cechami wynikającymi m.in. z dynamiki przepływu, nierównomierności pola temperatur przed turbiną i wyważenia wirnika oraz jakości produkcji, remontu i eksploatacji. Cechy indywidualne silnika sprawiają, że teoretyczny obszar roboczy silnika (wartości graniczne dla populacji silników zdefiniowane przez konstruktora) może nie gwarantować bezpiecznej pracy łopatek w stanach ustalonych i przejściowych silnika. Na granicach obszaru roboczego występują niekorzystne zjawiska dynamiczne, których intensywność wpływa na trwałość łopatek sprężarki. Ich wpływ można minimalizować poprzez indywidualną optymalizację jakości regulacji układu paliwowego. Łopatka sprężarki narażona jest na złożone widmo wymuszeń aerodynamicznych i masowych przyłożonych do pióra i zamka. Widmo wymuszeń jest wypadkową obliczeniowych i pozaobliczeniowych warunków pracy sprężarki. Jako obiekt ciągły pióro łopatki odpowiada na wymuszenia aperiodyczne (średnie wartości wymuszeń aerodynamicznych i masowych) quasi-statycznym ugięciem, rozkręceniem i wydłużeniem pióra. Na wymuszenia zmienne w czasie łopatka odpowiada drganiami pióra, których amplituda i postać jest zależna od właściwości modalnych łopatki i widma wymuszeń. W porównaniu z innymi elementami silnika pióro łopatki sprężarki jest elastyczne i spełnia kryterium dobrego wewnętrznego obserwatora stanu. Jest swoistym czułym punktem alarmowym z akupunktury, który można wykorzystać nie tylko do diagnozowania stanu technicznego i energetycznego łopatek danej palisady, ale przede wszystkim do kompleksowego diagnozowania silnika i aktywnego sterowania zmęczeniem materiału. 95

96 7. METODY BADAWCZE Autor zastosował trzy metody badawcze do realizacji celu pracy i zadań cząstkowych zdefiniowanych w rozdziale 4, uwzględniając relacje istniejące pomiędzy parametrami i zjawiskami fizycznymi w materiale rys Są nimi: metoda magnetycznej pamięci metalu, eksperymentalna analiza modalna, metoda wirującego obserwatora stanu. a) b) Rys Diagram Hackmanna [206]: a) liniowe relacje pomiędzy zmiennymi mechanicznymi elektrycznymi i termicznymi, opisane przez klasyczną fizykę kryształów; b) sprzężenie zjawisk magnetycznych z termicznymi, elektrycznymi i mechanicznymi Powyższe metody badawcze stanowią uzupełnienie istniejących technik badawczych i systemów diagnozowania turbinowych silników lotniczych Metoda magnetycznej pamięci metalu Magnetyzm jest zjawiskiem polowym, co oznacza że możliwa jest zdalna obserwacja stanu namagnesowania badanego elementu, zarówno przy bezpośredniej jego widoczności, jak również po zasłonięciu przez materiał para- lub diamagnetyczny. Ta cecha była impulsem zastosowania metody magnetycznej pamięci metalu (MPM) do realizacji zadania I bezdotykowej identyfikacji zagrożonej palisady sprężarki. Ocena poziomu różnicowania wytężenia i zmęczenia łopatek realizowana jest poprzez paramagnetyczny kadłub sprężarki, bez ingerencji w konstrukcję silnika. Uzyskane wyniki badań MPM stanowią również wsparcie do realizacji analizy modalnej łopatek (zadania II) i sterowania zmęczeniem łopatek (zadania III) z wykorzystaniem czujnika indukcyjnego. Metoda magnetycznej pamięci metalu pasywny obserwator anomalii lokalnego pola magnetycznego w pobliżu badanego obiektu jest używana od ponad 40 lat w badaniach nieniszczących jako metoda pomocnicza [69,72,78-80,166,253,261,337]. Termin MPM wprowadzony został przez A.A. Dubova w 1994 r. Metoda umożliwia szybką, bezdotykową lokalizację zagrożenia zmęczeniowego w maszynach i urządzeniach wykonanych z materiałów ferromagnetycznych i paramagnetycznych. W tym celu wykorzystuje się: zjawiska magnetomechaniczne (piezomagnetyzm) związki istniejące pomiędzy stanem namagnesowania elementu a naprężeniami eksploatacyjnymi i własnymi [6,7, 40,56,129,150,404]; możliwość obserwacji naprężeń własnych [2,5,327] przy pomocy MPM przedstawiono na przykładzie badań spoiny rys. 7.2; zgodnie z oczekiwaniem, w strefie przetopu i oddziaływania ciepła obecne są naprężenia własne [11,267], które wykazują zwiększony gradient i lokalne anomalie pola magnetycznego na wadach 96

97 spawalniczych i miejscach chwilowej zmiany prędkości spawania; związki istniejące pomiędzy stanem namagnesowania badanego elementu a jednorodnością i poziomem zmęczeniowej degradacji struktury rys Rys Magnetogram różnicowy spoiny czołowej - sygnatura wady wywołana chwilowym zatrzymaniem przesuwu elektrody (skanowanie prostopadle do spoiny; H 13 składowa styczna gradientu pola magnetycznego; H 24 składowa normalna gradientu pola magnetycznego) a) b) Rys Detekcja pasm martenzytu naprężeniowego (fazy ferromagnetycznej) i lokalnych nieciągłości w stali austenitycznej (materiale paramagnetycznym) przy pomocy metody MPM [349]: a) strefa anomalii magnetycznej (7, prostokąt zakreskowany); b) obraz mikroskopowy w strefie Metoda MPM została unormowana w zakresie badania spoin [ ] pomimo licznych wątpliwości zgłaszanych przez specjalistów klasycznych metod badań nieniszczących, m.in. [10,106]. Efekt pamięci magnetycznej ferromagnetyka znany jest również w NDT, inżynierii materiałowej i geofizyce pod nazwą Natural Remanent Magnetization (NRM) [6,7,40,56,84,287,345,401,483,487] Magnetyzm Efekt magnetycznej pamięci naturalnych ferromagnetyków, tj. zachowanie informacji w postaci lokalnego i globalnego namagnesowania, jest znany i wykorzystywany od starożytności, m.in. w kompasie (zastosowanie w nawigacji). Namagnesowana igła kompasu wskazuje położenie bieguna magnetycznego Ziemi, pod warunkiem że w pobliżu nie znajduje się obiekt stanowiący lokalną anomalię magnetyczną. W takim przypadku obserwuje się 97

98 zmianę wskazania o kąt dewiacji magnetycznej który jest zależny od stosunku natężenia składowej poziomej: anomalii magnetycznej H a i pola magnetycznego Ziemi H xy H tan (7.1) a H xy Relacja (7.1) jest podstawą ilościowych pomiarów przy pomocy magnetometru obrotowego, którego funkcję spełnia m.in. kompas. Przy jego pomocy możliwa jest szybka detekcja lokalnych anomalii magnetycznych (symptomów MPM) w elementach konstrukcyjnych, których źródłem może być np. strefa koncentracji naprężeń własnych czy lokalne odkształcenia plastyczne materiału rys Metoda MPM umożliwia również obserwację kumulacji cyklicznych obciążeń sprężystych rys Powyższe zjawiska są skorelowane z postępującą degradacją zmęczeniową materiału. Zgodnie z teorią mechaniki pękania [31,45,47,125,206,278] inicjacja pęknięć zmęczeniowych oczekiwana jest w obszarach koncentracji dyslokacji (na wtrąceniach lub na granicach ziaren będących inicjatorem lokalnego uplastycznienia materiału), co odpowiada I etapowi zmęczenia materiału (rys. 2.11). Relację pomiędzy gęstością dyslokacji i lokalnymi naprężeniami określa relacja Baileya-Hirscha 0.5 cgb (7.2) gdzie: c stała materiałowa zawierająca się w przedziale 0.1 do 1; G moduł sprężystości poprzecznej; b rozmiar wektora Burgera (parametr siatki krystalograficznej); gęstość dyslokacji. a) b) c) Rys Lokalne strefy plastyczności materiału wywołane kumulacją dyslokacji () na [382,384]: a) wtrąceniach; b) granicach ziaren; c) koncentracji naprężeń własnych (pomiar sondą Halla) Efekt magnetycznej pamięci ferromagnetyka wywołany przez naprężenia mechaniczne i termiczne był obserwowany już w starożytności i został opisany m.in. przez Platona. W 1600 r. efekt opisał W. Gilbert w książce De Magnete. Spostrzeżenia Gilberta z badań 98

99 naturalnego magnesowania skał i rud stały się impulsem do podjęcia systematycznych prac naukowych nad wyjaśnieniem istoty ziemskiego magnetyzmu i cech magnetycznych materiałów. a) b) Rys Wpływ kumulacji wieloosiowych odkształceń sprężystych na stan namagnesowania okucia łopaty wirnika nośnego śmigłowca (ok godz. nalotu; okucie podlega rozmagnesowaniu w produkcji do poziomu H r < 240 A/m) [383]; a) składowa styczna do powierzchni okucia; b) składowa normalna do powierzchni Współczesna wiedza o magnetyzmie (szeroko wykorzystywanym m.in. w technice, medycynie i geofizyce) bazuje głównie na pracach badawczych z XIX i XX wieku [21,41,55,57,130,390]. Z tego okresu pochodzą: obowiązujące nazewnictwo, opisy matematyczne, klasyfikacja materiałów i rozpoznane zjawiska magnetomechaniczne tabela 7.1. Tabela 7.1. Bezpośrednie i odwrotne zjawiska magnetomechaniczne [170] Efekty bezpośrednie Efekt Joule a (1842) magnetostrykcja Efekt E Efekt Wiedemanna (1862) Efekt magnetoobjętościowy Efekt Einsteina de Haasa (1910) Efekt Villariego (1865) Efekt E Efekt Matteuciego Efekt Nagaok-Hondy Efekt Barnetta (1915) Zmiana rozmiarów próbki w kierunku przyłożonego pola magnetycznego Wpływ magnetosprężystości na anizotropię magnetokrystaliczną Skręcanie wywołane przez spiralną anizotropię Zmiana objętości pod wpływem magnesowania (najbardziej widoczna w pobliżu temperatury Curie) Obracanie się ferromagnetyka pod wpływem namagnesowania Efekty odwrotne Zmiana namagnesowania pod wpływem obciążeń Magnetyzm indukuje zmiany w sprężystości Spiralna anizotropia i SEM wprowadzona przez skręcanie Zmiany w stanie namagnesowania przez zmiany objętości Magnesowanie ciała pod wpływem ruchu obrotowego Przewidywanie właściwości magnetycznych materiałów ferromagnetycznych jest ciągłym obszarem badań naukowych, m.in. [50,53,56,123,124,130,154,190,337,409,436]. Zjawiska magnetyczne niosą informację o: 99

100 subtelnym stanie energetycznym materiału (strukturze domenowej) [123], deformacjach sieci krystalicznej (anizotropii strukturalnej i magnetycznej) [124], mikrostrukturze materiału (niejednorodnościach, fazach, pęknięciach) [12,201,324]. Zastany stan namagnesowania badanego elementu pierwotne zjawiska energetyczne na poziomie atomowym jest sprzężony z efektami termicznymi, elektrycznymi i mechanicznymi struktury (komórki elementarnej, polikrystalitu, micro- i makro-struktury) rys Namagnesowanie badanego obiektu ferromagnetycznego w obecności ziemskiego pola magnetycznego ma naturę spinową i kwantową, co wynika ze zjawiska ferromagnetyzmu. Warunkiem ferromagnetyzmu jest: a) istnienie nieskompensowanych spinowych momentów magnetycznych, które mogą wystąpić tylko w atomach z niezapełnionymi całkowicie powłokach elektronowych, np. w atomach żelaza, niklu, kobaltu i ich stopach; orbitalne momenty magnetyczne elektronów nie biorą udziału w magnesowaniu ciał ferromagnetycznych są one tylko przyczynkiem zjawiska samomagnesowania domen magnetycznych; b) oddziaływanie pomiędzy spinowymi momentami magnetycznymi elektronów sąsiednich atomów, które prowadzi do ich wzajemnej orientacji równoległej; oddziaływanie to jest czysto kwantowe (ze względu na budowę atomu) i nie da się w całości wyjaśnić jego natury na gruncie fizyki klasycznej; w niskich temperaturach (poniżej temperatury Curie) to oddziaływanie prowadzi do uporządkowania spinów w domenach magnetycznych; spiny w każdej domenie są jednakowo uporządkowane, lecz zorientowane w innym kierunku niż spiny sąsiednich domen Metody laboratoryjne obserwacji pola magnetycznego W otaczającej przyrodzie wszystkie materiały są magnetycznie czynne, dlatego wiedza o magnetyzmie jest ciągle uzupełniana wraz z rozwojem nowych laboratoryjnych technik badania struktury atomowej i domenowej materiału, tj.: - magnetycznych metod rezonansowych (jądrowego rezonansu magnetycznego NMR, rezonansowego obrazowania MRI, echa spinowego SE, jądrowego rezonansu kwadrupolowego NQR, elektronowego rezonansu paramagnetycznego EPR, rezonansu ferromagnetycznego EFR, rezonansu antyferromagnetycznego AFMR); - mikroskopii sił magnetycznych (MFM); - mikroskopii magnetooptycznego efektu Kerra (MOKE); - skaningowej mikroskopii elektronowej z analizą polaryzacyjną (SEMPA); - mikroskopii emisyjnej fotoelektronów (PEEM); - mikroskopii sił atomowych (AFM). Powyższe kosztowne techniki badań wymagają odpowiedniego przygotowania powierzchni (polerowania chemicznego) i małych rozmiarów badanej próbki, co ogranicza ich zastosowania z punktu widzenia metod badań nieniszczących Podstawy fizyczne MPM Ideą metody MPM jest obserwacja stanu technicznego obiektu z wykorzystaniem własnego magnetycznego pola rozproszenia (WMPR) [69,79,337]. Tak sformułowana idea oznacza, że MPM jest metodą magnetyczną pasywną, która rozwiązuje zagadnienia odwrotne z magnetostatyki, gdy badany obiekt jest nieruchomy, lub magnetostatyki i magnetodynamiki, gdy badany obiekt znajduje się w ruchu. Wspólną cechą MPM i magnetostatycznych aktywnych metod badań nieniszczących (MT i MFL) jest wykorzystanie zjawiska wypływu linii pola magnetycznego nad powierzchnię badanego elementu na lokalnych anomaliach magnetycznych. Od lat trzydziestych XX w. to zjawisko wykorzystywane jest do oceny [390]: położenia ścian domen magnetycznych, ( miękkie magnetycznie ferromagnetyki, dla 100

101 których natężenie pola koercji H c < 10 A/m, wymagają magnesowania), wewnętrznych i powierzchniowych defektów struktury, w tym pęknięć, identyfikacji kierunku namagnesownia kryształów metodą rys. Początkowo do obserwacji struktury domenowej wykorzystywano koloidalne zawiesiny ferromagnetyczne, np. Ferrofluids czy Lignosite FML (rozmiar cząstek 10 nm), uzyskując na chemicznie polerowanych powierzchniach zobrazowanie w postaci figur proszkowych (Akimowa i Bittera). Bardzo szczegółową analizę i interpretację figur proszkowych można znaleźć w pracach doświadczalnych Williamsa, Bozortha, Shockleya, Batesa i Neale a [16,42,346,347]. Współcześnie do wizualizacji rozkładu namagnesowania na gładkiej powierzchni ferromagnetyków w warunkach laboratoryjnych (w skali mikroskopowej) i przemysłowych (w skali makroskopowej, tylko miękkie magnetycznie ferromagnetyki) stosuje się metody optyczne, które bazują na polaryzacji światła w polu magnetycznym rys Zjawisko polaryzacji światła opisuje optyczny efekt Faradaya. Rys Wpływ zewnętrznego pola magnetycznego na strukturę domenową cienkiej warstwy materiału (do szczegółowej analizy wybrano prostokąt 20x10 m, 1 Oe = A/m) [414] Poprzez analizę natężenia spolaryzowanego światła m = f(h) odbieranego na fotodetektorze można wykazać, że [390]: W temperaturach znacznie niższych od temperatury Curie (dla czystego żelaza 1043 K, dla stali temperatura odczytywana z wykresu Fe-Fe 3 C) w materiale ferromagnetycznym istnieją obszary spontanicznego namagnesowania utworzone przez domeny magnetyczne. Na podstawie pomiarów MFM i teorii magnetyzmu wiadomo, że domeny magnetyczne stanowią odwzorowanie energetyczne grupy atomów o tym samym kierunku spinu. Stąd lokalne namagnesowanie domeny jest jednorodne, zarówno ze względu na kierunek (równoległe ułożenie momentów magnetycznych m s w skali mikroskopowej), jak i amplitudę. Namagnesowanie domeny przyjmuje wartość nasycenia I s, zależną od gatunku materiału i tekstury. Wartość I s będzie różna dla ziarna ferrytu, bainitu, perlitu, cementytu czy martenzytu. Sąsiadujące domeny magnetyczne są najczęściej odwrotnie namagnesowane (występuje również układ o prostopadłym ułożeniu domen) i rozdzielone warstwami przejściowymi ściankami energetycznymi Blocha (głównie w strukturach 3D) lub Neéla (głównie w cienkich warstwach). Ścianki rozciągają się na przestrzeni wielu płaszczyzn 101

102 atomowych, gwarantując płynną zmianę kierunku spinów między domenami. Jednorodny obiekt ferromagnetyczny (bez wad, anizotropii i naprężeń), na który nie działa pole magnetyczne, nie posiada żadnego wypadkowego namagnesowania. Przestrzenne ułożenie domen w całej objętości materiału spełnia kryterium minimum energetycznego: I cos 0 (7.3) s i i gdzie: I s namagnesowanie nasycenia domeny; i objętość i-tego obszaru; i kąt między wektorem namagnesowania i-tego obszaru, a dowolnym kierunkiem ustalonym w próbce. Jeżeli badaną jednorodną próbkę (bez defektów, anizotropii strukturalnej i magnetycznej oraz naprężeń) poddamy działaniu zewnętrznego pola magnetycznego H o ustalonym kierunku, to w materiale zaczyna się proces magnesowania. Wzdłuż kierunku H pojawia się różny od zera wypadkowy moment magnetyczny δm H, który składa się z dwóch składowych: δm I cos I cos (7.4) H s i i s Pierwszy wyraz opisuje część momentu δm H pochodzącą od wzrostu objętości obszarów A, których wektory I s są skierowane względem H w sposób energetyczny bardziej korzystny niż inne. Wzrost objętości obszarów A odbywa się kosztem zmniejszania objętości obszarów B, które są namagnesowane w sposób energetycznie mniej korzystny. Proces odbywa się przez przesuwanie ścian domen między obszarami i nazywa się procesem przesuwania. Drugi wyraz równania (7.4) opisuje tę część momentu δm H, która pochodzi od zmiany kierunku wektora I s w obszarze cos i. Procesy te przyjęto nazywać procesami obrotu. Wypadkowy moment magnetyczny δm H próbki zawierającej defekty, anizotropię strukturalną i magnetyczną oraz naprężenia nie pokrywa się z kierunkiem pola magnetycznego H. Wektor δm H wskazuje najbliższy kierunek najłatwiejszego magnesowania, który wynika z budowy krystalicznej materiału (dla Fe są to osie [100], w niklu [111]) rys Wartość namagnesowania nasycenia domeny I s jest wielokrotnie większa niż wartość namagnesowanie nasycenia badanego materiału M. Podatność magnetyczną materiału można przedstawić w przybliżeniu jako sumę podatności ww. procesów: prz ob dm d H prz i dm d H obr i (7.5) Podatność magnetyczna materiałów ferromagnetycznych jest opisana nieliniową funkcją f H. Dla jednorodnych materiałów para- i diamagnetycznych podatność magnetyczna przyjmuje wartość stałą dla danej temperatury. Obserwowane symptomy MPM wynikają z budowy krystalicznej materiału oraz wpływu obciążeń zewnętrznych, naprężeń własnych i defektów na deformację sieci krystalicznej (jej stan energetyczny), co znajduje odzwierciedlenie w magnetycznej anizotropii struktury i zjawisku magnetostrykcji. 102

103 a) b) c) Rys Anizotropia magnetyczna w kryształach ferromagnetycznych [390]: a) Fe ; b) Ni; c) Co Magnetostrykcja a MPM Analizę ilościową podstawowego zjawiska MPM magnetostrykcji przeanalizowano na przykładzie kryształu żelaza Fe [390]. Dla kryształu kubicznego Fe, na którego nie działają żadne zewnętrzne obciążenia, energia swobodna wzajemnego magnetycznego i elastycznego oddziaływania (obliczona z dokładnością do szóstych potęg cosinusów kierunkowych ( i = cos wektora I s oraz 0 drugich potęg tensora naprężeń magnetostrykcyjnych A ik będzie wypadkową trzech składowych: energii swobodnej naturalnej magnetycznej anizotropii kryształu nieodkształconego (bez uwzględnienia efektów magnetostrykcji): k F aniz k0 k1 (7.6) gdzie k 0, k 1, k2 - stałe krystalograficznej anizotropii magnetycznej przy stałej objętości; energii swobodnej naprężeń elastycznych kryształu (bez uwzględnienia efektów magnetostrykcji): 0 F sprez A11 A22 A33 C2 A11 A22 A33 2C3 A12 A C A (7.7) gdzie: C i moduły sprężystości kryształu kubicznego; C 1 = c 12 ; C 2 = 0,5(c 11 c 12 ); C 3 =0,25c 44 (dla Fe współczynniki przyjmują wartości: C 1 = 146,1 GPa, C 2 = 47,4 GPa, C 3 = 27,9 GPa); energii swobodnej naprężeń magnetostrykcyjnych 0 F m. s a 0 2a A11 A22 A33 a1 1 A11 2 A A A A a A A A 2 2 2a a S A 3 3 A A S A A A 3 S 2 1 S A gdzie S 1, a wielkości a i to stałe magnetostrykcji (i = 1, 2, 3, 4, 5) (7.8) 0 Tensor odkształceń magnetostrykcyjnych A ik znajduje się z warunku minimum całkowitej 103

104 energii swobodnej (7.9), przy zachowaniu niezmiennego kierunku spontanicznego namagnesowania ( 1 = const). 0 ik A 0 0 F F F 0 i, k 1, 2, 3 aniz sprez 0 m. s (7.9) 0 0 Podstawiając znalezione składniki tensora A ik do wzoru na całkowitą energię swobodną F aniz, otrzymamy k k 2 0 F aniz k (7.10) gdzie: k 1, k 2, k 3 stałe krystalograficznej anizotropii magnetycznej przy stałym naprężeniu; 2 2 a a 2a 7a a 3a a 3C 2C k k k k 0 1 k a 2C 2 1 2C 2 3a1a C C1 2C2 a 3 23C 2C C a C C 2 a2a C C a 2C C 1 1 2C 2 2 (7.11) 0 Gdy znamy wyrażenie na odkształcenie magnetostrykcyjne A ik, to można otrzymać wzór opisujący wpływ obciążeń zewnętrznych, określonych tensorem ik, na stan namagnesowania. Do kryterium energii swobodnej (7.9) należy dodać wyrażenie F (7.12) ik A ik ik w którym A ik oznacza tensor naprężeń wywołanych zarówno przez magnetostrykcję A ik 0 jak i przez obciążenia zewnętrzne A ik. Wyznaczając wartość A ik dla stanu równowagi i podstawiając ją do wyrażenia na całkowitą energię swobodną, znajdujemy tę część energii, która pochodzi od obciążeń zewnętrznych i która dodaje się do wzoru (7.10). Gdy kryształ jest regularny, a obciążenia są jednorodne to (7.13) ik i k gdzie cosinusy kierunkowe przyłożonego obciążenia względem osi kryształu. Dodatkowa część energii swobodnej, obliczona z dokładnością do wyrazów kwadratowych względem a i wynosi F Współczynniki magnetostrykcji Fe przyjmują wartości 100 = 19, i 111 = -18, stąd a 1 = -2, J/m 3 i a 2 = 1, J/m 3. Przy silnym wytężeniu ( s >> k) lub nieznacznej naturalnej anizotropii magnetycznej energia F ma szczególnie istotne znaczenie. Przy słabej anizotropii magnetostrykcji s wzór (7.14) przybiera prostą postać, stosowaną m.in. w badaniach nieniszczących metodą prądów wirowych czy szumu Barkhausena [34,67,86,132,134,137] 3 2 F s cos 2 gdzie- kątpomiędzy naprężeniem jednorodnym a kierunkiem wektora magnesowania. 104

105 Naprężeniowe magnesowanie ferromagnetyka Zjawisko magnetostrykcji istnieje również w polikrystalicznych stopach ferromagnetycznych, przy czym występuje dodatkowy wpływ mikrostruktury (rozkładu polikrystalitów, pierwiastków stopowych, defektów) i lokalnych naprężeń na stan namagnesowania materiału. Powyższe czynniki są lokalnymi dipolami magnetycznymi, które zaburzają trend rozkładu WMPR wynikający ze średnich właściwości magnetycznych materiału, kształtu badanego elementu i jego położenia względem zewnętrznego pola magnetycznego. Naprężeniowe magnesowanie ferromagnetyka obserwowane jest m.in. podczas cyklicznego rozciągania i ściskania stalowej próbki (efekt Villariego). Stwierdzono, że pełny cykl symetrycznych obciążeń mechanicznych: jest asymetrycznie odwzorowany w zmianach namagnesowania przy tej samej wartości naprężeń silniejsze magnesowanie naprężeniowe i zmiany przenikalności magnetycznej występują w fazie rozciągania; nie zamyka cyklu przemagnesowania próbki namagnesowanie próbki obserwowane po odciążeniu odwzorowuje skutki procesów nieodwracalnych; krzywa magnesowania naprężeniowego różni się zasadniczo od krzywej magnesowania technicznego; podczas magnesowania naprężeniowego stan równowagi uzyskiwany jest po około 10 cyklach obciążeń. W efekcie, po odciążeniu próbka wykazuje zmianę namagnesowania (polaryzację). Magnesowanie materiału poprzez odkształcenie plastyczne (kucie, gięcie) było podstawą wytwarzania magnesów w czasach poprzedzających elektryczność i zostało opisane przez W. Gilberta w De Magnete. Zmiana namagnesowania materiału ferromagnetycznego jako skutek nieznanej historii obciążeń sprężystych została dostrzeżona w XIX wieku przez wielu kapitanów stalowych statków handlowych w postaci niezrozumiałych zmian dewiacji busoli magnetycznej podstawowego przyrządu nawigacji, niezawodnego do tej pory na statkach zbudowanych z drewna. Ze względu na wpływ nieznanego wówczas zjawiska na bezpieczeństwo żeglugi morskiej było ono szeroko badane pod nadzorem Liverpool Compass Commission i zostało opisane w raportach The magnetism of ships and the deviation of the compass. W XX wieku zjawisko było badane m.in. przez Craika i Wooda [56] oraz Dubova [79]. Wyniki badań są uwzględniane m.in. na etapie doboru materiałów do budowy statków i okrętów (sygnatura magnetyczna dla min magnetycznych, stałość dewiacji magnetycznej dla systemu nawigacji) i badań nieniszczących metodą MPM. Zjawisko naprężeniowego magnesowania dla obciążeń niesymetrycznych potwierdzono w badaniach Bomby i Kalety [37]. Stwierdzono, że dla Fe naprężeniowe magnesowanie przebiega wzdłuż krzywej pierwotnego magnesowania [337]. Dla stopów żelaza krzywa naprężeniowego magnesowania uwarunkowana jest przez: składniki stopowe i fazy (ferryt jest fazą magnetycznie miękką, perlit fazą magnetycznie twardszą, natomiast martenzyt fazą magnetycznie twardą) [57,130]; wartości średnich współczynników magnetostrykcji równoległegłej i prostopadłej do działającego obciążenia (stycznych do powierzchni) oraz normalnej do powierzchni badanego elementu n. Jeżeli badany element znajduje się w słabym polu magnetycznym, to w miejscach największej koncentracji defektów i domieszek pojawiają się węzły zamocowania domen, które tworzą lokalną anomalię magnetyczną obserwowaną na powierzchni materiału w postaci zaburzeń WMPR. Poślizg dyslokacji skorelowany jest z koncentracją naprężeń własnych. W miejscu koncentracji naprężeń maleje przenikalność magnetyczna i na powierzchni materiału wykształca się maksymalne pole rozproszenia. Składowa styczna w osi poprzecznej lokalnego dipola magnetycznego ma największą wartość, a składowa normalna zmienia znak i przyjmuje wartość zerową (tylko w pomiarach gradiometrycznych) 105

106 rys Lokalny stan namagnesowania elementu (według równań Maxwella) w pełni opisują (7.16): trzy składowe pola magnetycznego, sześć z dziewięciu pochodnych cząstkowych pola magnetycznego, wyznaczone w układzie współrzędnych badanej powierzchni lub ziemskiego pola magnetycznego. B Bx, By, B Bx x Bx B y Bx z z B y x B y y B y z Bz x Bz y Bz z (7.16) Symptomy MPM Stałe magnetostrykcji zostały wyznaczone tylko dla nielicznych stopów ferromagnetycznych, głównie dla stali krzemowych (używanych w elektrotechnice) i stopów magnetycznie twardych (używanych na magnesy trwałe). W celu wykorzystania zjawiska piezomagnetyzmu do badań łopatek metodą MPM niezbędne okazało się znalezienie relacji pomiędzy lokalnymi parametrami magnetycznymi i elektrycznymi materiału (wyznaczanymi np. metodą prądów wirowych z wykorzystaniem cewki powietrznej lub ramy Epsteina) a parametrami mechanicznymi dostępnymi w poradnikach. W pracach Dubova [79,337] wykazano związek pomiędzy wskaźnikiem granicznego namagnesowania naprężeniowego materiału m gr i współczynnikiem umocnienia materiału w zakresie odkształceń plastycznych h d d rys. 7.8, a parametrami mechanicznymi materiału i odkształceniem. Są one określone przez relacje (7.17) i (7.18) m gr K K h n gr sr R R m e 2 (7.17) gdzie: K gr = K gr (z) graniczne wartość gradientu składowej normalnej pola magnetycznego w pobliżu lokalnej anomalii magnetycznej (prawdopodobnej strefy koncentracji naprężeń), K sr = K sr (z) średnia wartość gradientu składowej normalnej pola magnetycznego w strefie anomalii magnetycznej; n stała wynikająca z typu siatki krystalicznej kryształu (n = 2 dla metalu z siatką A1, np. Fe i fazy ferrytu); z odległość sondy pomiarowej MPM od powierzchni badanego elementu. Gradient składowej normalnej pola magnetycznego w pobliżu lokalnej anomalii magnetycznej K SKN wyznacza się z relacji K H H E SKN SKN (7.18) 2l k gdzie: H E = H E (z) lokalne ekstremum składowej normalnej natężenia pola magnetycznego; H SKN = H SKN (z) wartość składowej normalnej natężenia pola magnetycznego w strefie zmiany trendu składowej stycznej pola; l k = l k (z) odległość pomiędzy lokalnymi ekstremami danej anomalii magnetycznej. 106

107 a) b) Rys Wykres jednoosiowego rozciągania próbki dla czterech gatunków stali [267]: a) krzywa techniczna; b) krzywa rzeczywista z pominięciem fazy dekohezji struktury Uwzględniając uniwersalne związki pomiędzy wytrzymałościami R f, R m i R e a granicznym przewężeniem próbki Z [191,267] oraz średnią wartością magnetostrykcji s = s () i przewodności właściwej =(), wyznaczone dla danego materiału podczas jednoosiowego rozciągania, autor zdefiniował oczekiwane graniczne umocnienie magnetyczne materiału m u i graniczną wartość gradient pola magnetycznego K u w postaci relacji m u K n u f Kλ, (7.19) K sr s R R m Wartość naprężeń rozdzielczych R f poziom naprężeń normalnych, który powoduje rozdzielenie dwóch sąsiadujących płaszczyzn atomowych siatki krystalograficznej wyznaczana jest z końcowej części wykresu z błędem 10%) na podstawie relacji (7.20)gdy po zakończeniu procesu poślizgów następuje proces dekohezji struktury [267]: R R f f Ru 1 2.2Z 2.75Z Rm 2 1 Z 2 (7.20) W ogólnym przypadku obciążeń, obserwowane odkształcenie plastyczne, wskaźnik m gr i graniczne umocnienie d gr d h R m m e gr (7.21) he Re m są uwarunkowane rzeczywistym stosunkiem naprężeń normalnych i ścinających obecnych w strefie koncentracji naprężeń [337]. Zastana wartość i rozkład namagnesowania (z pominięciem lokalnych anomalii magnetycznych) jest parametrem pomocniczym w MPM, który skorelowany jest z historią wytężenia materiału. Bieżące namagnesowanie materiału wpływa na właściwości modalne badanego elementu poprzez efekt E. 107

108 MPM spostrzeżenia metrologiczne i diagnostyczne Istnieją naukowe podstawy do opracowania wykresu m gr ()-N na podobieństwo wykresu S-N i zastosowania łatwo mierzalnej informacji o stanie namagnesowania elementu do diagnozowania stanu zmęczenia jego materiału. W niniejszej monografii autor przyjął założenie, że różnice namagnesowania grupy podobnych elementów (np. łopatek sprężarki) są informacją diagnostyczną o różnicy historii ich wytężenia i stanu technicznego. Autor uznał stan namagnesowania powierzchni: wierzchołkowej pióra łopatek za symptom diagnostyczny umożliwiający realizację zadania I i III; bocznej pióra i stopy łopatki za symptom diagnostyczny umożliwiający zwiększenie wiarygodności weryfikacji stanu technicznego łopatek w remoncie metodami badań nieniszczących oraz poprawę interpretacji wyników pomiaru w zadaniu II. W algorytmach wnioskowania uwzględniono początkowy rozrzut namagnesowania łopatek (namagnesowanie resztkowe H R = 240 A/m), powstający w końcowej fazie produkcji (po rozmagnesowaniu łopatek). Na jakość zobrazowania struktury domenowej wpływa chropowatość powierzchni i stan naprężeń własnych, dlatego próbki badane w warunkach laboratoryjnych podlegają polerowaniu chemicznemu. Niezależnie od stanu naprężeń, w warstwie wierzchniej materiału obecne są poziomo ułożone domeny, które minimalizują wypływ linii pola magnetycznego. Ich położenie wynika z kryterium minimum energii swobodnej w materiale i warunku jednakowej wartości składowej stycznej pola magnetycznego w dwóch ośrodkach o różnej przenikalności magnetycznej [390]. W warunkach badań eksploatacyjnych diagnosta najczęściej nie ingeruje w stan powierzchni badanego elementu jest ona chropowata, porysowana i pokryta tlenkami. W badaniach nieniszczących i MPM uznano, że informacja o położeniu pojedynczych domen magnetycznych oraz stan rzeczywistej powierzchni badanego elementu zmniejszają wiarygodność detekcji lokalnych anomalii magnetycznych (m.in. pęknięć i stref koncentracji naprężeń). W celu poprawy wiarygodności badań MPM należy stosować sondy o znanych charakterystykach przestrzennych. W MPM wykorzystuje się jedno-, dwu- lub trójosiowe czujniki pola magnetycznego (lub ich wielokrotność w układzie różnicowym lub matrycy czujników), które gwarantują pozyskanie pełnej lub niepełnej informacji o stanie namagnesowania badanego elementu. Czujniki współpracują z elektrycznym torem pomiarowo-rejestrującym. Wymaganą rozdzielczość detekcji lokalnych anomalii magnetycznych uzyskano poprzez optymalny dobór: typu czujnika czułości i zakresu detekcji pola magnetycznego i jego charakterystyki przestrzennej; uśrednienie informacji z pola widzenia czujnika jest analogiczne do sygnału natężenia światła obserwowanego na fotodetektorze (rys. 7.6); kroku dyskretyzacji obserwacji powierzchni badanego elementu; pasma i dynamiki toru pomiarowego (filtracja dolnopasmowa sygnału w celu wydzielenia składowej DC pola magnetycznego i poprawy stosunku sygnał/szum SNR, dyskretyzacja sygnału w przetworniku analogowo-cyfrowym A/C); algorytmów przetwarzania zarejestrowanych danych (odszumiania, detekcji symptommów diagnostycznych). W efekcie zwiększenia czułości pomiarowej (względem metody MT) uzyskano możliwość detekcji lokalnych anomalii magnetycznych (m.in. pęknięć, wtrąceń fazowych, inkluzji) nie tylko na powierzchni badanego obiektu, ale również w pewnym oddaleniu od powierzchni i przy zasłonięciu badanego elementu przez materiały para- lub diamagnetyczne. Na element badany metodą MPM działają tylko quasi-statyczne WMPR otaczających elementów, szum elektromagnetyczny i ziemskie pole magnetyczne B(r,t). 108

109 B( r, t) B ( r, t) B ( r) B ( r, t) (7.22) m c d gdzie: B m (r,t) pole magnetyczne jądra Ziemi (pierwotny efekt geodynama, składowa wolnozmienna, ok. 95% B(r,t)); B c (r) pole krustalne wywołane przez substancje ferromagnetyczne położone w skorupie ziemskiej i górnym płaszczu Ziemi (ok. 4% B(r,t)); B d (r,t) pole połączonych zaburzeń magnetycznych wywołane przez prądy elektryczne przepływające w górnych warstwach atmosfery i magnetosferze, które indukują prąd elektryczny w morzach, ocenach i gruncie (wtórny efekt geodynama, widmo składowej jest zmienne w czasie); r = f(,r) położenie punktu obserwacji względem środka Ziemi w układzie współrzędnych geocentrycznych. Dokładne dane referencyjne o wartości składowej wewnętrznej ziemskiego pola magnetycznego (B m i B c ) w miejscu wykonywania badań (znanej lokalizacji w układzie współrzędnych geograficznych) można wyznaczyć na podstawie rozszerzonego modelu magnetyzmu Ziemi (np. EMM-2010 lub EGDC-720) [443] i danych z naziemnych obserwatoriów sieci INTERMAGNET. Na terenie Polski dostępne są całodobowe dane rejestrowane w obserwatoriach Belsk (BEL) i Hel (HLP) [415]. Powyższe dane wzorcowe umożliwiają kontrolę toru pomiarowego, w tym ocenę jego stabilności krótkoi długoterminowej, detekcję lokalnych anomalii magnetycznych w pobliżu obiektu badań oraz identyfikację regularnych i nieregularnych zjawisk składowej B d (r,t) mających wpływ na wyniki badań MPM potencjalnego źródła błędnej diagnozy. Na terenie centralnej Polski wektor ziemskiego pola magnetyczne przyjmuje wartość indukcji B 50 T (natężenie pola H 50 A/m) i jest pochylony względem linii horyzontu pod kątem inklinacji I 67,65 o i odchylony względem bieguna geograficznego o kąt deklinacji D 5,0 o (dane z 2010 r.). Wartość wektora wykazuje wolny trend rosnący, wywołany głównie przez składową pionową i zmianę kierunku (odwzorowaną w trendzie deklinacji). Występują również słabe zmiany dobowe. Metoda MPM, podobnie jak aktywne metody magnetyczne NDT, umożliwia detekcję naprężeń własnych. Brak sztucznego magnesowania materiału ujawnia największą zaletę metody możliwość pasywnego monitorowania kumulacji skutków wytężenia materiału, obecnych zarówno przy odkształceniach plastycznych, jak i sprężystych. Obserwacja nie wymaga oprzyrządowania do sztucznego magnesowania a słabe pole magnetyczne, w rozumieniu m.in. zjawiska Zeemana, nie zaburza informacji o zastanym stanie energetycznym materiału. Metoda MPM ma również ograniczenia, które wynikają z quasi-stałego położenia wektora ziemskiego pola magnetycznego i zmiennego wpływu słabej składowej B d. Ograniczenia ujawniają się m.in. w postaci: nierównomiernej czułości detekcji symptomów diagnostycznych wady liniowe położone wzdłuż linii pola magnetycznego są źródłem słabszych zaburzeń WMPR niż wady liniowe o tych samych rozmiarach leżące prostopadle do linii pola magnetycznego; zmiany wartości gradientu WMPR w zależności od głębokości położenia wady w materiale wartość gradientu WMPR jest mniejsza dla wady położonej głębiej; zależności wyników pomiaru od przestrzennego położenia sondy i badanego elementu relacje pomiędzy naturalnym sygnałem magnesującym, położeniem obiektu badań i składowymi sygnału pomiarowego są opisane w czterech różnych układach współrzędnych: geocentrycznym - ziemskie pole magnetyczne, geograficznym (grawitacyjnym) - obiekt badań, lokalnym biegunowym i kartezjańskim obiekt badań i czujnik pomiarowy; symetryczne obciążenie konstrukcji mechanicznej nie jest symetryczne względem pola magnetycznego; wpływu głównych składowych widma B d (cyklu dobowego i rocznego oraz aktywności 109

110 słonecznej) na wyniki pomiaru; które są szczególnie istotne podczas badania nieruchomych smukłych obiektów, tj. łopatki sprężarki, weryfikacji wyników badań oraz metodyki walidacji metody MPM w różnych ośrodkach badawczych Eksperymentalna analiza modalna Jedną z najczęstszych przyczyn przyśpieszonego zmęczenia materiału są drgania mechaniczne, które powstają w układach mechanicznych w wyniku: - działania zmiennego w czasie obciążenia (wektorów sił i momentów sił) lub - wyprowadzenia układu o własnościach masowo-sprężystych z położenia równowagi. Dotyczy to również pojedynczych elementów łopatek sprężarki, których stan techniczny ma istotny wpływ na bezpieczną eksploatację silnika lotniczego i statku powietrznego. Rozpoznanie rzeczywistych warunków wytężenia materiału łopatek jest więc bardzo istotne dla eksploatacji, dlatego eksperymentalna analiza drgań łopatek sprężarki stanowi podstawę: zadania II detekcji wczesnej fazy zmęczenia materiału, realizowanej w ramach remontu silnika; zadania III sterowania zmęczeniem materiału w eksploatacji; opisywanych w niniejszej monografii. Analiza drgań stanowi istotne zadanie mechaniki zarówno jako dyscypliny naukowej teoretycznej, jak i stosowanej Analiza modalna Analiza modalna jest jedną z technik opisu własności dynamicznych układów mechanicznych. Własności te są zdeterminowane przez przestrzenny rozkład masy poszczególnych elementów układów oraz charakterystyki dynamiczne materiału (sprężyste i tłumiące), z których są wykonane poszczególne elementy. Własności dynamiczne materiałów konstrukcyjnych wynikają z ich mikroskopowej struktury [15,133]. Opis związków między własnościami mikroskopowymi materiałów a własnościami makroskopowymi elementów układów mechanicznych jest niezwykle złożony, dlatego efektywne jego sformułowanie wymaga precyzyjnego określenia założeń, które są spełnione w zadowalającym stopniu w konkretnym przypadku. Budowa takiego opisu jest domeną teorii mechaniki ruchu ośrodków ciągłych. Własności materiałów konstrukcyjnych stosowanych w technice lotniczej wykazują najczęściej cechy izotropowe (stale niestopowe), anizotropowe (stale stopowe, stopy tytanu) lub ortotropowe (stale austenityczne, kompozyty). Stosowane technologie produkcji powodują, że do materiału wprowadzane są kontrolowane rozkłady naprężeń własnych (np. poprzez kulowanie czy zgniot na zimno) lub lokalne anomalie struktury (np. powłoki dyfuzyjne) [46]. Zmieniają one własności dynamiczne elementów i nawet materiały izotropowe wykazują nasilone cechy anizotropii czy ortotropii w pobliżu rezonansów [47,206]. Pomimo to, w opisie własności dynamicznych ośrodków ciągłych uzasadnione jest zastosowanie uproszczenia analitycznego, polegającego na przyjęciu założenia o hipersprężystych, izotropowych własnościach materiałów i małych odkształceniach. W rezultacie prowadzi to do sformułowania modelu dynamicznego ośrodka ciągłego w postaci równania falowego [133], w którym pominięto wpływ: lokalnej mikrostruktury stopu wielofazowego [15,31]; anizotropii strukturalnej sieci krystalicznej, w tym defektów struktury i symptomów narastającego zmęczenia materiału [36]; słabych zjawisk wynikających z budowy atomowej materiału, m.in. zjawiska piezomagnetyzmu używanego w zadaniu I [47,53,56,129,130,337,383]. Ograniczone rozmiary elementów są powodem wykorzystania opisu dynamiki sprężystego ośrodka ciągłego w obszarach ograniczonych. Na etapie budowania modelu dynamicznego 110

111 niezbędne jest sformułowanie zagadnień granicznych [133]. Modelowanie dynamiki sprężystego ośrodka ciągłego obejmuje etapy sformułowania równań i wyznaczenia ich rozwiązań. W ogólnym przypadku analityczne rozwiązanie równań jest bardzo złożone, a często w praktyce niemożliwe. Dlatego w praktyce inżynierskiej stosuje się różne metody uproszczonej analizy, które stanowią istotę analizy drgań układów mechanicznych. Struktura modelu dynamicznego, która opisuje drgania układów mechanicznych, wynika ze struktury równania falowego. Model taki ma postać układu równań różniczkowych cząstkowych. Do rozwiązania tych równań stosuje się metodę rozdzielenia zmiennych (czasowej i przestrzennej), otrzymując w rezultacie układ równań różniczkowych zwyczajnych. Pierwsza część układu równań, w której występuje zmienna przestrzenna, składa się z równań spełnionych dla każdej chwili czasu. Jest ona nazywana problemem (zagadnieniem) brzegowym. Pozostałe równanie sformułowane jest względem zmiennej czasowej i jest spełnione dla każdej wartości zmiennej przestrzennej [133]. W celu umożliwienia efektywnego wyznaczenia rozwiązania sformułowanych równań w analizie drgań przyjmuje się najczęściej założenie o liniowości własności sprężystych i tłumiących materiałów. Przyjęcie tego założenia oznacza m.in., że: rozwiązanie problemu brzegowego nie zależy od uogólnionych sił wymuszających; odpowiedzią układu na jednotonowe pobudzenie harmoniczne, stosowane w badaniach łopatek w remoncie, są drgania tylko na częstotliwości wymuszającej. Wraz z matematyczną własnością układów równań różniczkowych zwyczajnych, polegającą na możliwości rozprzężenia układu równań poprzez wprowadzenie transformacji tego układu do tzw. współrzędnych głównych, przyjęte założenie liniowości stanowi podstawę metody analizy drgań układów mechanicznych, zwanej analizą modalną [126] Podstawy teoretyczne analizy modalnej Podstawowym celem analizy modalnej jest wyznaczenie [167]: częstotliwości drgań własnych f r, współczynników tłumienia i postaci drgań własnych układów mechanicznych r ; przebiegów czasowych i/lub widm parametrów drgań wymuszonych układów mechanicznych. Częstotliwości drgań własnych i postacie drgań własnych są podstawowymi parametrami modelu modalnego. Drgania własne (nazywane często w teorii drgań drganiami głównymi) są z punktu widzenia matematycznego całkami szczególnymi jednorodnego układu równań [133]. Drgania swobodne układów mechanicznych można przedstawić jako złożenie drgań własnych. Parametry modelu modalnego wpływają na przebiegi czasowe i widma parametrów drgań wymuszonych. Do rozwiązania problemu brzegowego w analizie modalnej wykorzystuje się trzy podejścia: 1) analityczne, 2) numeryczne, 3) eksperymentalne. W niniejszej monografii zastosowano podejście eksperymentalne, ukierunkowane na diagnozowanie stanu technicznego łopatki sprężarki (silnie wytężonego elementu silnika lotniczego) oraz prognozowania jej trwałości eksploatacyjnej (żywotności). W badaniach uwzględniono wcześniejsze wyniki z podejścia numerycznego, m.in. [138,269,412] Podejście analityczne Podejście analityczne pozwala na sformułowanie i rozwiązanie równań dynamicznych ruchu. Dla przyjętych założeń daje ono wyniki dokładne, a na błędy wyników największy wpływ ma zwykle stopień adekwatności założonego opisu warunków brzegowych. Istotna jest tu precyzja 111

112 wartości stałych materiałowych, założonych na etapie formułowania modelu. Złożoność równań dynamicznych ruchu stanowiących układy równań różniczkowych cząstkowych powoduje, że podejście analityczne może być zastosowane jedynie dla tzw. technicznych układów ciągłych typu: pręt, belka, płyta, membrana [133,167] Podejście numeryczne Podejście numeryczne pozwala na wyznaczenie rozwiązań przybliżonych zasadniczo dla dowolnego układu mechanicznego. Istotą tego podejścia jest zastąpienie ciągłego rozkładu parametrów strukturalnych (masa, sztywność, tłumienie) rozkładem dyskretnym. W rezultacie tworzony jest model strukturalny układu o parametrach skupionych. Najczęściej wykorzystuje się w tym celu metodę elementów skończonych (FEM) [104]. W FEM objętość układu jest dzielona na elementy o symetrii osiowej, płaskiej lub przestrzennej (tzw. elementy skończone), które łączy się ze sobą w punktach węzłowych (tzw. węzłach sieci elementów skończonych). Własności masowosprężyste każdego elementu są opisywane za pomocą tzw. funkcji kształtu, zależnych od przemieszczeń punktów węzłowych leżących na brzegu elementu. Model strukturalny rozwiązywanego układu jest tworzony za pomocą agregacji modeli elementów z wykorzystaniem: opisu położenia i orientacji elementów w globalnym układzie współrzędnych, warunków zgodności przemieszczeń punktów węzłowych i równowagi sił wewnętrznych, wzajemnego oddziaływania na siebie elementów w punktach węzłowych. Sieć elementów skończonych pozwala na uzyskanie zarówno bardzo precyzyjnego odwzorowania kształtu modelowanego układu (obiektu), jak i opisu bardzo złożonego rozkładu masy oraz sztywności obiektu. Wybór liczby i rodzaju elementów skończonych wpływa na jakość modelowania własności dynamicznych obiektu. Zwykle rząd budowanego modelu dynamicznego jest na tyle wysoki, ze model taki może być efektywnie sformułowany, a następnie wykorzystany tylko przy zastosowaniu komputera i odpowiedniego pakietu oprogramowania. Wyznaczenie wartości parametrów modalnych wymaga rozwiązania układu algebraicznych równań jednorodnych, co określa się jako rozwiązanie problemu własnego. Przykładowe wyniki analizy właściwości modalnych łopatki sprężarki przy pomocy FEM zobrazowano w tabeli 7.2. Modelowanie szczeliny pęknięcia wymaga wprowadzenia elementów z osobliwością pola naprężeń. Taką rolę spełniają zdegenerowane element paraboliczne. W modelowaniu trójwymiarowym są to najczęściej 20-węzłowe elementy z węzłami środkowymi przesuniętymi do ¼ długości boku w kierunku modelowanego wierzchołka szczeliny (tzw. QPE ang. Quarter Point Elements) [412]. Duża liczba elementów w obszarze szczeliny i potrzeba ich dopasowania do pozostałej regularnej siatki podziału sprawiają, że zwiększa się czas obliczeń i wzrastają wymagania mocy obliczeniowej. Tych wad pozbawiona jest technika lokalnego dokładniejszego modelu FEM (ang. submodelling) wykorzystywana w obszarze o dużym gradiencie zmian wielkości opisujących zjawisko [412]. W klasycznej FEM ww. techniki nie uwzględniają I i II fazy zmęczenia materiału (rys. 2.11). Głównymi źródłami błędów FEM w modelowaniu dynamiki układów mechanicznych są [167] przyjęte przybliżone: wartości stałych materiałowych (mikrostrukturę i zmianę właściwości materiałowych w procesie zmęczenia uwzględnia się tylko w CDM w postaci zmiany wartości modułu Younga); odwzorowanie warunków brzegowych w obszarach o dużych krzywiznach; dla łopatki są to krawędzie natarcia i spływu pióra oraz przejście pióra w stopę zamka. Do ich minimalizacji wymagane jest dostrajanie modelu FEM do zweryfikowanych danych pomiarowych. Precyzyjny opis kształtu obiektu z uwzględnieniem właściwości warstwy powierzchniowej wymaga zastosowania dużej liczby elementów skończonych, co powoduje konieczność wykorzystania dużych mocy obliczeniowych i wielkości pamięci operacyjnej komputerów. 112

113 Tabela 7.2. Identyfikacja właściwości modalnych łopatki I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 metodą elementów skończonych (oprogramowanie PATRAN i MARK) Model MES (79442 węzły) Mod Częstotliwość [Hz] Postać 1 346,3 1F ,1 2F ,0 1T , ,2 3F ,1 2T , , , ,0 W modelowaniu przyjęto założenie o jednorodnych izotropowych właściwościach materiału. W rzeczywistej łopatce [46]: - w warstwie powierzchniowej o grubości do 0,15 mm producent wprowadza naprężenia własne (szlifowanie, kulowanie) rzędu 500 MPa, które są źródłem lokalnej anizotropii strukturalnej materiału; - pióro łopatki pokryte jest emalią, która nie tylko chroni powierzchnię przed erozją i korozją, ale również zmienia parametry tłumienia drgań. Opracowanie modelu: Michał Stefaniuk, ITWL Mod 1 346,3 Hz Mod ,1 Hz Mod ,0 Hz Modele strukturalne o parametrach skupionych są tradycyjnie wykorzystywane w analizie drgań układów mechanicznych. Wyróżnia się układy o: jednym wejściu i jednym wyjściu (SISO, ang. Single Input Single Output), 113

114 jednym wejściu i wielu wyjściach (SIMO, ang. Single Input Multiple Output), wielu wejściach i wielu wyjściach (MIMO, ang. Multiple Input Multiple Output), w których sygnałem wejściowym są obciążenia, a wyjściowym przemieszczenia wybranych punktów struktury. Postać modelu SIMO dla układu o n stopniach swobody pobudzanych pojedynczą siłą uogólnioną opisuje zależność [74,126,220]: 2 t t d x dx M C Kx, 2 dt dt t Ft M, C K R (7.23) Przyjęto, że macierze powyższego układu równań są kwadratowe o wymiarach n n, symetryczne i nieujemnie określone. Pierwsze zadanie analizy modalnej to wyznaczenie częstości i postaci drgań własnych. Rozwiązanie tego zadania rozpoczyna się od przyjęcie założenia, że rozwiązaniem układu równań (7.23) są drgania harmoniczne x t t e (7.24) Po podstawieniu (7.24) do równania jednorodnego otrzymanego z (7.23) i usunięciu z niego wektora sił F: 2 C K D 0 M (7.25) Tak zdefiniowane zagadnienie własne ma rozwiązanie, gdy macierz D jest osobliwa. Wyznacznik tej macierzy stanowi tzw. równanie charakterystyczne. Przyjmując założenie, że po zadaniu warunków początkowych rozważany układ mechaniczny wykonuje gasnące oscylacje wokół ustalonego położenia równowagi (wymaga się małych wartości współczynników tłumienia c ij [220]). Rozwiązanie równania charakterystycznego prowadzi do wyznaczenia 2n wartości własnych (n par wartości sprzężonych): r j (7.26) * j r r r Na podstawie znajomości wartości własnych można wyznaczyć: a) częstości drgań własnych r według zależności: 2 r 2 r 2 r (7.27) b) współczynnik tłumienia modalnego r według zależności: r r (7.28) r Współczynnik r odpowiada w modelu układu o jednym stopniu swobody stosunkowi współczynnika tłumienia do współczynnika tłumienia krytycznego [119,220]. Z układu równań (7.25) po podstawieniu r (r =1, 2,, n) wyznaczane są wektory charakterystyczne r, nazywane w analizie modalnej wektorami postaci drgań własnych. Wektory te wyznacza się z układu równań D( r ) = 0 po wykreśleniu jednego z wierszy i arbitralnym przyjęciu wartości jednej współrzędnej wektora r. Z każdą wartością własną r i postacią drgań własnych r jest związana jedna współrzędna główna q r (nazywana również współrzędną modalną). Macierz postaci drgań własnych pozwala wyrazić wektor współrzędnych geometrycznych x w zależności od wektora współrzędnych modalnych q: x t Ψqt (7.29) co umożliwia opisanie drgań swobodnych modelowanego układu mechanicznego jako 114

115 superpozycji drgań głównych: x i t n q r r 1 wektor r zawiera stałe wynikające z warunków początkowych. ri r t (7.30) Analiza modalna umożliwia transformację modelu ze współrzędnych geometrycznych {x i } do współrzędnych modalnych {q r }. Istotą transformacji jest zastąpienie układu n sprzężonych równań dynamicznych układem n niezależnych równań dynamicznych ruchu o postaci (7.31) odpowiadającym modelowi układu o jednym stopniu swobody: M q d 2 q dt t 2 C q t dq dt K q q t Ψ T F t (7.31) W wielu pozycjach literatury, m.in. w [90,330,367] transformacja ta jest zilustrowana jak na rys Rys Transformacja łopatki układu o wielu stopniach swobody do współrzędnych modalnych W zależności (7.31) macierze M q, C q i K q są macierzami diagonalnymi o n wierszach, a macierz jest macierzą złożoną z wektorów modalnych r. Elementy macierzy M q i K q są wyznaczane na podstawie warunków ortogonalizacyjnych [180], które są oparte na niezależności współrzędnych modalnych (a tym samym wektorów modalnych), za pomocą wzorów: T Ψ MΨ M T Ψ KΨ K q q diag diag mrr k r 1, 2,..., n rr (7.32) W przypadku przyjęcia założenia o tzw. proporcjonalnym modelu tłumienia [90,126], w którym: C M K, R (7.33) warunek określający elementy macierzy C q ma postać: Ψ T CΨ C diag diag (7.34) q m rr k rr 115

116 W ogólnym przypadku macierz C q nie musi być diagonalna mimo ortogonalności wektorów modalnych, p r. W takim przypadku układ równań (7.31) jest sprzężony p r poprzez współczynniki tłumienia. W celu uzyskania rozprzężenia równań transformuje się model (7.23) do przestrzeni stanu, przyjmując wektor stanu x s [167,180]: xt x s t dxt (7.35) dt Dodanie do układu równań (7.23) tożsamości [119,167,180]: C A M K B 0 M 0 0 M dxt dxt M M 0 i przyjęcie oznaczeń (7.36) dt dt (7.36) prowadzi do jednorodnego układu 2n równań w postaci: dxs t A Bxs t 0 (7.37) dt Rozwiązanie problemu własnego, przy założeniu tłumienia podkrytycznego i ustalonego położenia równowagi rozważanego układu prowadzi do wyznaczenia n par sprzężonych wartości własnych r i r * (7.26) oraz odpowiadających im n par wektorów własnych r i r * : sr * sr r r * sr * sr r 1, 2,..., n (7.38) Rozprzężony układ równań modelu we współrzędnych modalnych w przestrzeni stanu przyjmuje postać: diag a dq t T o r diag br q t Ψ s (7.39) dt F t Elementy macierzy: diag(a r ) i diag(b r ) są wyznaczane z zależności wynikających z warunków ortogonalizacji wektorów własnych według zależności: diag diag T ar Ψs AΨ s T br Ψs BΨs (7.40) W praktyce analiza modalna w przestrzeni stanu jest przeprowadzana dla numerycznych modeli dynamicznych również ze względu na dostępność efektywnych procedur numerycznych rozwiązujących problem własny sformułowany jako algebraiczny układ równań jednorodnych pierwszego stopnia. Jest to szczególnie ważne w przypadku zastosowań modeli wysokich rzędów, otrzymywanych np. przy zastosowaniu FEM [126]. Współrzędne wektorów postaci drgań własnych są wyznaczane w sposób względny, ponieważ opisują one względne przemieszczenia poszczególnych punktów (węzłów sieci) w odniesieniu do jednego punktu/kierunku. Dlatego mogą one być skalowane na różne sposoby. Jednym z najczęściej wykorzystywanych sposobów skalowania postaci drgań jest skalowanie do masy. Warunki skalowania postaci drgań (7.32) mają w tym przypadku postać [167,180]: 116

117 T Φ MΦ I Φ KΦ diag r 2 r T Φ CΦ diag 2r r 1, 2,.., n (7.41) T Równanie dynamiczne ruchu we współrzędnych głównych (7.31) z uwzględnieniem (7.41) przyjmuje postać: 2 d q I dt t 2 diag dq dt t 2 T 2 diag q t Φ F t (7.42) r r W powyższym układzie równań bezpośrednio występują parametry modelu modalnego. Wyznaczenie układu dynamicznych równań ruchu w postaci rozprzężonej (7.31), (7.39) lub (7.42) pozwala efektywnie zastosować go do diagnozowania obiektów Podejście eksperymentalne Metoda eksperymentalna rozwiązywania problemu brzegowego, zwana eksperymentalną analizą modalną (EMA) jest techniką identyfikacji modelu dynamicznego układów mechanicznych wykorzystującą wyniki przeprowadzonego eksperymentu [167]. Jako procedura identyfikacji modelu dynamicznego, obejmuje ona cztery etapy: modelowanie, eksperyment, estymację wartości parametrów, weryfikację modelu. Podstawą eksperymentu modalnego jest rejestracja wiarygodnych danych pomiarowych w postaci przebiegów czasowych lub uśrednionych estymat widmowych sygnałów zmierzonych w czasie eksperymentu. Zarejestrowane przebiegi są danymi wejściowymi do przeprowadzenia procedury estymacji wartości parametrów modelu modalnego badanego obiektu. Do celów diagnostycznych często wystarczające jest zgrubne oszacowanie właściwości modalnych obiektu, tj. uzyskanie wstępnego niejawnego modelu modalnego, na podstawie którego porównuje się cechy modalne obiektu z wzorcem statystycznym. Klasyczna EMA [90,167] polega na równoczesnej rejestracji i ewentualnym wstępnym przetwarzaniu sygnałów wymuszenia i odpowiedzi na wymuszenie rys a. Ten typ badań określany jest również w literaturze nazwą analizy systemowej [43,44,367,372,374]. W niniejszej monografii klasyczna EMA została zastosowana przez autora do szerokopasmowej identyfikacji właściwości modalnych dobrych i pękniętych łopatek badań zrealizowanych z wykorzystaniem głowicy laserowej do punktowych pomiarów odległości (badania na wzbudniku w WZL-3 Dęblin). Przedstawiono również wyniki badań właściwości modalnych łopatek słabo utwierdzonych uzyskane za pomocą laserowej głowicy skanującej z efektem Dopplera (badania w IMP PAN, pobudzanie łopatki piezoelementem). W ostatnich latach coraz większego znaczenia nabiera eksperyment modalny realizowany w czasie normalnej pracy obiektu. Jest on określany mianem OMA (ang. Operational Modal Analysis) [118,331]. W tym wypadku przebiegi sygnałów wymuszeń nie są rejestrowane ze względu na brak technicznej możliwości przeprowadzenia pomiaru. Rejestrowane są tylko przebiegi sygnałów odpowiedzi na nieznane wymuszenia rys b. Ten typ badań określany jest również nazwą analizy sygnałowej [43,367,374]. r 117

118 a) b) Rys Identyfikacja właściwości modalnych łopatki sprężarki metodą: a) EMA na wzbudniku - zobrazowanie charakterystyki rezonansowej; b) wirującego obserwatora stanu (TTM) - transformata Walsha, faza dobiegu silnika (widoczny ślad powielonej częstotliwości I modu) Najbardziej zaawansowaną techniką prowadzenia eksperymentu modalnego jest OMAX (ang. Operational Modal Analysis with exogeneons excitation) [3,54]. W tej technice wykorzystuje się pomiar sygnałów odpowiedzi zarówno na nieobserwowalne wymuszenia eksploatacyjne, jak i wymuszenie sterowane i rejestrowane. Metoda wirującego obserwatora stanu, opisana w dalszej części monografii, jest przykładem technik OMA i OMAX. Została ona wykorzystana przez autora do identyfikacji właściwości modalnych zjawisk dynamicznych oraz kompleksowego diagnozowania wirujących łopatek sprężarki i silnika lotniczego w eksploatacji [314,366,371,377,388]. Po zastosowaniu przekształcenia Laplace'a, równanie (7.23) może być przedstawione w postaci: F s s M sc K 2 Zs X s (7.43) Funkcja Z(s) jest tzw. sztywnością dynamiczną [167]. Jej odwrotnością jest podatność dynamiczna H(s): 1 X s H s Z s (7.44) Fs Zależność (7.44) stanowi podstawę eksperymentalnej analizy modalnej. Ponieważ układy równań (7.23) i (7.42) są równoważne, to można w sposób jednoznaczny wyrazić prawą stronę zależności (7.44) przez parametry modalne. Z drugiej strony, podatność dynamiczna może być określona eksperymentalnie poprzez równoczesny pomiar przebiegów czasowych siły 118

119 F(t) i odpowiedzi na wymuszenie x(t). Na podstawie tych sygnałów wyznacza się podatność dynamiczną H(s). Do analizy modalnej łopatek sprężarki autor wykonywał bezpośrednie pomiary przemieszczeń pióra przy pomocy głowic laserowych oraz czujnika indukcyjnego. Wyznaczenie z (7.43) wektora sił F(s) i przemnożenie obu stron układu równań przez macierz T prowadzi do zależności: T T Ψ ZsX s Ψ Fs (7.45) Transformacja Laplace'a zależności (7.29) daje: X s ΨQs (7.46) Podstawienie (7.46) do (7.45) pozwala wyznaczyć wektor współrzędnych głównych Q(s): T 1 T Ψ ZsΨ Ψ F s (7.47) Q s Zastosowanie warunków skalujących typu (7.41), wynikających z warunków ortogonalizacyjnych wektorów własnych, pozwala na uzyskanie zależności: * * 1 1 s Ψ P si Λ si Λ diag diag s s T Ψ Z r r (7.48) sr w której p sr jest r-tym współczynnikiem skalującym odpowiadającym r-tej postaci drgań. Podstawienie (7.48) do (7.47), a następnie podstawienie wyniku do (7.46) pozwala zestawić zależność wyrażającą macierz podatności dynamicznej H(s): H s ΨPΨ T ΨL p * * si Λs I Λ si Λs I Λ (7.49) Podstawienie s = j do (7.49) i rozkład na ułamki proste prowadzi do następującej postaci elementu macierzy widmowych funkcji przejścia (WFP) w przypadku pomiaru sygnału odpowiedzi na wymuszenie w N punktach (kierunkach) pomiarowych: H ik n j r1 * * * p r rirk pr ri rk i, k 1, 2, N * j r j..., (7.50) r Jest to postać wyjściowa sformułowania algorytmów estymacji parametrów modalnych w dziedzinie częstotliwości. W dalszym opisie zamiast H(j) przyjęto zapis H(). Algorytmy estymacji parametrów w dziedzinie czasu wykorzystują odpowiednik WFP, nazywany impulsową funkcją przejścia (IFP) [44,116,167,330]: Wyrażenie: h ik t n r1 p r rirke..., * r t * * * r t pr ri rk e i, k 1, 2, N (7.51) R p (7.52) rik r ri rk nazywane jest resztą modalną [330]. Procedura skalowania postaci drgań zmienia równocześnie wartości współczynników p r i elementów wektorów postaci drgań r, natomiast wartości (zespolone) reszt modalnych R rik są niezmienne, bo wynikają z zarejestrowanych przebiegów WFP lub IFP. Efektywne wyznaczenie postaci drgań własnych łopatki na postawie wyników eksperymentu wymaga przeprowadzenia rejestracji sygnałów w odpowiedniej liczbie punktów pomiarowych. Dla zbioru N punktów (kierunków) pomiarowych można określić kwadratową macierz podatności dynamicznej (macierz charakterystyk widmowych): 119

120 H H H H N1 H12... H1N H... H H... H N N... NN (7.53) W praktyce ze względu na złożoność techniczną i koszty eksperymentu wykorzystuje się pojedyncze źródło wymuszenia w punkcie k i pomiar sygnału odpowiedzi na wymuszenie w N punktach obiektu lub pobudzenie impulsowe i pomiar w pojedynczym punkcie konstrukcji. Mierzone i estymowane są bezpośrednio WFP H ik i 1, 2,..., N; k j, natomiast pozostałe niezmierzone WFP H im i, m 1, 2,..., N oraz i, m k mogą być wyznaczone na podstawie znajomości współczynników skalujących postaci drgań własnych {p ri } i parametrów modalnych ω ri,ξri, ψri według zależności (7.50), przy spełnieniu zasady wzajemności Wady i zalety EMA Korzystając z eksperymentalnej analizy modalnej należy pamiętać o przyjętych założeniach, które obejmują [167]: spełnienie zasady superpozycji (liniowość), spełnienie zasady wzajemności, przyjęcie małych wartości współczynników tłumienia, przyjęcie niezmienności wartości parametrów modelu w czasie (stacjonarność), przyjęcie obserwowalności przebiegów sił wymuszających i parametrów drgań. Spełnienie zasady wzajemności jest rozumiane jako równość elementów macierzy charakterystyk widmowych H ij H i, j 1, 2,..., N. ji Małe wartości współczynnika tłumienia odpowiadają wartościom ξ 0, 1. Często wprowadza się w modelu tzw. proporcjonalny model tłumienia [90,126], co pozwala otrzymać normalne postacie drgań (jak dla przypadku bez tłumienia) na podstawie estymacji parametrów - analogia do wykorzystania modelu sformułowanego za pomocą metody elementów skończonych. Rozważając założenia EMA można zauważyć, że jej zastosowanie nie wymaga przyjmowania żadnych założeń dotyczących rozkładu przestrzennego masy i sztywności, co stanowi praktyczną zaletę tej metody analizy. EMA cechuje się dużą prostotą pomiarową i ma stosunkowo niski rząd struktury, co umożliwia jej efektywne zastosowanie w diagnozowaniu łopatek przez inżynierów i przeszkolony personel techniczny. Do wad EMA należy zaliczyć [167]: wpływ planu eksperymentu na możliwość identyfikacji danej postaci opracowanie metodyk badawczych powinna wykonywać doświadczona osoba; wpływ błędów eksperymentu na jakość estymacji parametrów modalnych algorytmy analizy danych powinny kontrolować jakość badań [128] i ewentualne błędy ludzkie; ograniczone możliwości estymacji postaci obrotowych (tylko przy stosowaniu akcelerometrów); ograniczenie pasma analizy przez właściwości rezonansowe wzbudnika i rozdzielczość toru pomiarowego; wpływ masy dużych łopatek na właściwości rezonansowe wzbudnika Diagnozowanie łopatek sprężarki z wykorzystaniem EMA Zastosowanie klasycznej EMA (pomiar przyśpieszenia drgań danego punktu badanego obiektu akcelerometrami) nie jest możliwe w przypadku łopatek sprężarki obiektu o niewielkich rozmiarach i masie. Przykładowo, dla ostatniego stopnia sprężarki silnika typu 120

121 TW3-117 pióro łopatki ma rozmiary: h = 15 mm, c = 11 mm, d < 0,8 mm. Masa nawet miniaturowych akcelerometrów mocowanych na piórze takiej łopatki zniekształca wyniki badań. Ma ona istotny wpływ na bezwładność lokalną, co znacznie utrudnia estymację parametrów modalnych. Dołożenie masy miniaturowego czujnika powoduje znaczne przesunięcie wartości częstotliwości drgań własnych w stosunku do wartości faktycznych [3,180]. Zmieniają się również kształt i położenia linii węzłowych. W mniejszym stopniu problem ten dotyczy dużych łopatek z wlotowych stopni wentylatora i sprężarki. Wyniki badań modalnych małych łopatek w mniejszym stopniu zniekształcają nalepiane tensometry, szczególnie typu FBG. Pomimo wielu zalet technika FBG sporadycznie jest używana do badania łopatek sprężarki na etapie prób fabrycznych. Podstawową jej wadą są wysokie koszty pojedynczego tensometru i oprzyrządowania pomiarowego. Do szerokopasmowej identyfikacji właściwości modalnych łopatek w remoncie i eksploatacji najczęściej stosuje się pomiary bezdotykowe przy pomocy mikrofonu. Taki pomiar zapewnia właściwe wyszukanie podstawowych częstotliwości rezonansowych, ich harmonicznych oraz identyfikację zjawiska intermodulacji rys. 7.11, które odwzorowują m.in. narastającą nieliniowość materiału [269]. Analiza ilościowa amplitudy drgań łopatek wymaga jednak skalowania przy pomocy mikroskopu optycznego lub tensometru. Na związek pomiędzy napięciem wyjściowym z toru pomiarowego a amplitudą drgań pióra mają bowiem wpływ: postać drgań, charakterystyka mikrofonu, odległość mikrofonu od pióra łopatki, kąt ustawienia mikrofonu względem powierzchni pióra, gęstość powietrza (ośrodka sprzęgającego) i wzmocnienie toru pomiarowego. Rys Identyfikacja właściwości modalnych łopatki sprężarki z wypracowanym resursem metodą pobudzenia impulsowego [269] (pomiar drgań łopatki przy pomocy mikrofonu prążki f 1F i f 1T są obcięte na wykresie w celu uwypuklenia słabych harmonicznych i zjawiska intermodulacji) W XX wieku identyfikacja postaci i linii węzłowych drgań pióra łopatki była realizowana najczęściej na wzbudniku metodą uproszczoną przy pomocy drobnego piasku umieszczanego na powierzchni koryta pióra (łopatka w poziomie). Podczas drgań rezonansowych piasek gromadził się w pobliżu linii węzłowych. Współczesną metodą szerokopasmowej analizy modalnej łopatek są bezdotykowe badania optyczne, z wykorzystaniem: metod fazowych (zjawiska interferometrii, holografii [193], efektu Dopplera [450]) rys. 7.12, 121

122 laserowego pomiaru odległości. Metody optyczne zapewniają bardzo wysoką rozdzielczość i dokładność pomiaru oraz pozbawione są wad dotychczasowych metod badawczych [93]. Opisane w monografii pomiary laserowe wykonane przez autora zapewniały rozdzielczość: 20 m - pomiary punktowe przy pomocy głowicy laserowej LTC firmy MTI Instruments [439]; 0,02 m/s - głowicy skanującej PSV-400 firmy Polytec [450]. a) b) Rys Przykładowe zastosowanie technik optycznych w lotnictwie: a) bezdotykowa kontrola wymiarowa łopatek [450]; b) identyfikacja postaci drgań łopatki sprężarki metodą holografii [413] 7.3. Metoda wirującego obserwatora stanu Współczesną bezdotykową techniką identyfikacji ryzyka przedwczesnego zmęczenia wirujących łopatek sprężarki i turbiny (ich stanu technicznego i energetycznego), stosowaną w lotnictwie i energetyce, jest metoda wirującego obserwatora stanu (TTM). Metoda używana jest na etapie badań: - fabrycznych (świat) zastępuje kłopotliwą metodę tensometryczną [417,428,432,435, 440,451,452,455]; - diagnostycznych (Polska, świat) wykonywanych w remoncie i eksploatacji silnika lotniczego czy turbiny energetycznej [92,113,127,312,313,322,342,406]. Autor zastosował metodę TTM do realizacji zadania III sterowania zmęczeniem łopatek sprężarki w eksploatacji z wykorzystaniem pojedynczego kanału pomiarowego. Metoda TTM wykorzystuje: Quasi-liniowy związek pomiędzy przemieszczeniem pióra (linią ugięcia i kątem rozkręcenia pióra) pod obciążeniem eksploatacyjnym a rozkładem naprężeń w piórze. Ugięcie pióra y jest skorelowane z naprężeniami normalnymi, a kąt rozkręcenia profilu pióra z naprężeniami stycznymi m m a a f f y (7.54) Odwzorowanie drgań pióra łopatki w wirującym układzie współrzędnych kartezjańskich, którego punktem obrotu jest oś sztywnego i idealnego wirnika. Drgania 122

123 3D pióra są źródłem modulacji: odległość r = f(x, y, z) i położenia kątowego = f(x, y, z) w płaszczyźnie obrotu 0yz każdego punktu profilu r f y, (7.55) f y, Drgania pióra zmieniają odległość kątową między kolejnymi łopatkami (podziałkę) i czas przyjścia (TOA) danego punktu pióra do oczekiwanej pozycji kątowej p (nieruchomego obserwatora). Bezdotykowy obserwator procesu od jednego do kilku czujników rozmieszczonych na obwodzie badanej palisady sprężarki (mocowanych w nieruchomym kadłubie), które współpracując z wirującymi i drgającymi łopatkami tworzą specyficzny: a) enkoder, w którym elastycznym znacznikiem fazy obrotu wirnika są drgające łopatki obiekt podlegający monitorowaniu; b) układ nierównomiernej dyskretyzacji sygnału ciągłego drgań łopatek każda łopatka jest obserwowana przez dany czujnik tylko raz na obrót wirnika, w chwili gdy znajduje się w polu jego widzenia; w efekcie obserwuje się strobowanie fazy drgań pióra (dyskretyzację sygnału ciągłego); częstotliwość próbkowania sygnału drgań łopatki nie spełnia kryterium Nyquista obowiązującego dla próbkowania równomiernego. Definicję średniej chwilowej prędkości kątowej s wyznaczanej z obrotu wirnika o kąt s (7.56) t Uwzględniając (7.54), (7.55) i (7.56) otrzymuje się relację opisującą ideę TTM TOA f, s y, f (7.57) Metoda TTM jest pośrednią metodą pomiaru drgań łopatek, w której rozwiązuje się zagadnienie odwrotne. Na bazie pomiaru czasu przyjścia TOA identyfikacji podlegają: chwilowa prędkość obrotowa silnika, właściwości modalne łopatek monitorowanej palisady, stan energetyczny (poziom wytężenia) i stan techniczny (zmęczenia) łopatek, zjawiska dynamiczne generujące wymuszenia. Bezdotykowa obserwacja drgań wirujących łopatek stanowi przykład operacyjnej analizy modalnej (OMA, OMAX). Drgania łopatek pobudzane są przez wymuszenia o nieznanym widmie (eksperyment bierny) lub widmie o częściowo znanych cechach (eksperyment czynny). Oprócz nazwy metoda tip timing (stosowanej w literaturze anglosaskiej) [50,77,99,115,158] technika badawcza znana jest również jako metoda dyskretno-fazowa (MDF, w literaturze rosyjskiej i polskiej) [61,148,174,350,369]. Dla szczególnego przypadku, gdy obserwator bazuje tylko na jednym czujniku, autor wprowadził nazwę metoda dyskretno-różnicowa (MDR) [350,484]. Analizują równanie (7.57), dostrzega się, że TTM jest uogólnieniem idei pomiaru chwilowej prędkości kątowej (stosowanej m.in. w: systemach ABS i ogranicznikach maksymalnej prędkości obrotowej maszyny), w którym zrezygnowano z warunku sztywnego położenia znaczników fazy w nadajniku enkodera. Mierzona, dyskretna w czasie wielkość TOA(k) zawiera trzy składowe: aperiodyczną A(k), która odwzorowuje chwilową prędkość kątową idealnego sztywnego wirnika (bez błędów osiowania i drgań); periodyczną P(k), która wywołana jest przez składowe oscylacyjne wnoszone m.in. 123

124 przez drgania i błędy osiowania rzeczywistego wirnika, drgania kadłuba, drgania znacznika, quasi-stałe błędy podziałki znacznika fazy (zmieniające się pod wpływem prędkości obrotowej); szum losowy i zakłócenia I(k), które odwzorowują słabe składowe oscylacyjne (np. wyższe postacie drgań łopatki) oraz zjawiska nałożone na mierzony sygnał pomiarowy. TOA k Ak Pk Ik (7.58) Rozdziela się je na podstawie analizy numerycznej sygnału. Wszystkie trzy składowe są wykorzystane do kompleksowego diagnozowania obiektu. Tym różni się TTM od pomiaru chwilowej prędkości obrotowej, w którym składowe P(k) i I(k) są szumem pomiarowym i podlegają odfiltrowaniu Rozwój metody TTM Korzenie TTM sięgają lat dwudziestych XX wieku, kiedy to Wilfried Campbell zastosował czujniki indukcyjne i analogowy tor pomiarowy do wyznaczenia częstotliwości drgań wirujących łopatek turbin energetycznych [465]. Innowacyjna metoda bezdotykowego badania drgań dużych łopatek turbin energetycznych (swobodnych i wiązanych w pakiety, o rozmiarach pióra około 1 m) wychodziła naprzeciw największemu utrapieniu pomiarów tensometrycznych wielokanałowej komutacji sygnału odkształcenia pióra wirujących łopatek do stacjonarnego toru pomiarowego. Przedstawiony sposób bezdotykowego pomiaru wirujących łopatek na bazie minimum dwóch czujników (pomiarowego i odniesienia) był przez lata doskonalony, wraz z rozwojem technik pomiarowych i nowych możliwości obliczeniowych [14,260, ]. Natomiast zaproponowany sposób opracowania wyników badań eksperymentalnych, w postaci diagramów prędkości krytycznych, i wyznaczone kryteria odstrojenia łopatek od wymuszeń synchronicznych są stosowane niezmiennie do chwili obecnej. Zobrazowanie prędkości krytycznych nazywane jest diagramem Campbella, a zalecane odstrojenie łopatek dla I modu drgań wynosi: 15% dla wymuszeń 2f obr (2 EO, ang. Engine Order), 10% dla wymuszeń 3f obr (3 EO), 5% dla wymuszeń 4f obr (4 EO). Szersze zainteresowanie TTM w obszarze monitorowania stanu energetycznego wirujących łopatek na etapie prób fabrycznych turbin energetycznych i silników lotniczych pojawiło się dopiero w latach sześćdziesiątych, siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku [397,469, ]. Zaproponowane rozwiązania pomiarowe bazowały na analogowym detektorze fazy. Układ pomiarowy wymagał co najmniej dwóch sygnałów: odniesienia i pomiarowego. Quasi-statyczne ugięcie i drgania łopatek (stan energetyczny) były obserwowane na ekranie oscyloskopu, a rejestracja wyników badań polegała głównie na fotografowaniu ekranu lub sygnalizowaniu przekroczenia dopuszczalnego poziomu drgań. Przykładem takiego obserwatora TTM były systemy ELURA, ELIA i CIKL wyprodukowane w byłym ZSSR [396]. System ELURA był używany przez wiele lat w Ośrodku Badawczo- Rozwojowym ZAMECH w Elblągu [174]. Czujnik odniesienia generuje informację o rzeczywistej fazie obrotu wirnika i chwilowej prędkości kątowej, współpracując ze sztywnym znacznikiem fazy, np. punktami odniesienia na wale, tarczy sprężarki czy turbiny (np. z krzywką, kołem zębatym lub otworem) lub z krawędzią mierzonego pióra w pobliżu utwierdzenia łopatki w tarczy. Czujnik pomiarowy mocowany w pobliżu wierzchołka pióra zawiera informację o pozornej fazie obrotu wirnika, uwzględniającej wpływ drgań poszczególnych łopatek elastycznych znaczników fazy. Różnica fazy przyjścia łopatki pod czujnik pomiarowy, względem oczekiwanej fazy 124

125 wynikającej z sygnału czujnika odniesienia, jest pośrednią miarą amplitudy i fazy drgań łopatki. Jakość informacji, jaką uzyskiwano z analogowego toru pomiarowego TTM była wystarczająca do identyfikacji niebezpiecznych zjawisk dynamicznych, tj. rezonansu synchronicznego łopatek f s, ( f k f k Z ), m rezonansu asynchronicznego łopatek f a, ( f a f obr m, n Z ), n flatteru (drgań samowzbudnych) grupy łopatek, fali stojącej w palisadzie, pomimo stosowania uproszczonych metod przetwarzania sygnału pomiarowego. Na przełomie lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych XX wieku pojawiły się pierwsze artykuły i patenty wskazujące na możliwość zastosowania TTM do detekcji pęknięcia wirującej łopatki sprężarki [151,479,480]. Metoda TTM jest rozwijana w Polsce od końca lat osiemdziesiątych XX wieku w obszarze lotnictwa wojskowego, początkowo w WSK PZL Rzeszów i ITWL [478,479], a obecnie tylko w Zakładzie Silników Lotniczych ITWL. W tym czasie prace badawcze w Instytucie realizował zespół kierowany przez Ryszarda Szczepanika. Opracowany w ITWL prototyp wersji lotniczej TTM urządzenie SAD-2 [301] przeznaczony był do badania drgań stalowych łopatek sprężarki turbinowego silnika odrzutowego (maszyny zmienoobrotowej o dynamicznych stanach przejściowych). Urządzenie bazowało na cyfrowym detektorze fazy o częstotliwość zegarowej 5 MHz i było przystosowane do wielokanałowego (do 99 łopatek) zobrazowania drgań łopatek na oscyloskopie i analogowym rejestratorze pętlicowym. Urządzenie zostało wyposażone również w interfejs równoległej transmisji danych do komputera. Na bazie urządzenia SAD-2 przeprowadzono: - stoiskowe próby dowodowe, podczas których wstępnie zidentyfikowano właściwości I modu drgań łopatek silników typu SO-1 i SO-3, zakresy występowania rezonansów (synchronicznych i asynchronicznych) oraz wyznaczono symptomy pękającej łopatki [151,152,304,310,316,350,490]; - rozpoznanie zagrożenia zmęczeniowego łopatek I stopnia sprężarki w statystycznie wiarygodnej populacji silników SO-3 eksploatowanych w polskim lotnictwie wojskowym [302,316]; - identyfikację wymogów do analizy numerycznej bardzo rzadko próbkowanego sygnału dyskretnego TTM [350]. Testowanie prototypu urządzenia oraz monitorowanie stanu energetycznego i technicznego łopatek realizowano na I stopniu sprężarki silnika typu SO-3. Łopatki tej palisady stwarzały poważny problem eksploatacyjny do 1991 r. w eksploatacji samolotów TS-11 Iskra stwierdzono zmęczeniowe pęknięcie 25 łopatek, które w dwóch przypadkach zakończyły się katastrofą lotniczą. Oczekiwane wyniki prac badawczych miały wspomóc w bezpiecznym eksploatowaniu ponad 400 silników typu SO-3 (ponad 11 tys. łopatek). Na podstawie uzyskanych wyników badań wykazano skuteczność cyfrowego obserwatora TTM oraz potrzebę monitorowania drgań łopatek I stopnia sprężarki silników typu SO-3 w procesie eksploatacji lub kosztowną ich modyfikację w całej populacji. Stwierdzono bowiem, że łopatki mają błąd konstrukcyjny niewłaściwe odstrojenie I modu od wymuszeń drugą harmoniczną prędkości obrotowej. Negatywny wpływ błędu konstrukcyjnego łopatek I stopnia sprężarki na trwałość i bezpieczeństwo eksploatacji silnika typu SO-3 dotyczy tylko pozaobliczeniowych warunków pracy, które występują sporadycznie w eksploatacji podczas zalegania obcego ciała we wlocie sprężarki, np. ptaka, oblodzenia kierownic wlotowych, czy rękawicy [316,350]. W takich przypadkach w zakresie rezonansu synchronicznego 2 EO (w zakresie startowym i przelotowym silnika) naprężenia normalne s obr 125

126 mogą przekroczyć granicę plastyczności materiału pióra i zainicjować niskocyklowe zmęczenie materiału (LCF) w rejonie linii węzłowej I modu. Inicjacja i propagacja pęknięcia do urwania pióra łopatki podczas pracy w rezonansie może być krótsza niż czas jednego wylotu! [303,350] Dla tak wymagającego obiektu badań żadna metoda badań nieniszczących nie zapewnia bezpiecznej eksploatacji silnika typu SO-3. Użytkownik samolotu TS-11 Iskra wybrał tańszą wersję profilaktyki powypadkowej. Metoda TTM została wdrożona w polskim lotnictwie wojskowym w 1993 r. W opracowanym systemie diagnostycznym [306,308] przyjęto koncepcję monitorowania zarówno stanu energetycznego, jak i technicznego łopatek I stopnia sprężarki, za pomocą: - sygnalizatora nadmiernych drgań łopatek SNDŁ-1b: urządzenia pokładowego przeznaczonego do monitorowania poziomu drgań łopatek w zakresie prędkości obrotowej silnika powyżej obr/min (podczas prób na ziemi i w locie) i ostrzegania użytkownika o wystąpieniu niebezpiecznego zjawiska drganiowego; urządzenie bazuje na analogowym detektorze fazy i wymaga dwóch czujników mocowanych nad wierzchołkami łopatek w odstępie półtora podziałki; - sygnalizatora pęknięć łopatek SPŁ-2b: urządzenia naziemnego przeznaczonego do okresowej rejestracji drgań łopatek i numerycznej analizy ich widma; urządzenie bazuje na częstotliwościowym pomiarze odcinków czasu z częstotliwością zegarową 10 MHz i wymaga sygnału tylko z jednego czujnika [350]. Autor dołączył do zespołu Szczepanika na początku lat dziewięćdziesiątych i zajmował się opracowaniem, wdrażaniem i rozwojem wersji lotniczej TTM. Osiągnięcia ITWL w obszarze bezdotykowego diagnozowania wirujących łopatek sprężarki w eksploatacji i remoncie silnika typu SO-3, publikowane na krajowych i międzynarodowych konferencjach, uaktywniły prace badawcze w zagranicznych ośrodkach naukowych, m.in. w USA, Niemczech, Wielkiej Brytanii, Francji i Australii (zarówno w obszarze techniki lotniczej, jak i turbin energetycznych) [114,480,481, ,498,499]. We wszystkich ośrodkach dostrzeżono nowe możliwości obserwatora TTM, realizowanego na bazie cyfrowych metod pomiaru czasu i analizy numerycznej sygnału dyskretnego. Prowadzone prace rozwojowe dotyczą doskonalenia techniki pomiarowej i metod analizy danych. Przykładowo w USA zrealizowane prace badawcze dotyczące: weryfikacji efektywności poszczególnych typów czujników (indukcyjnego, optycznego, wiroprądowego, pojemnościowego mikrofalowego) w roli obserwatora TTM [93,114]; opracowania wielokanałowego toru pomiarowego o dużej rozdzielczości (częstotliwość zegarowa powyżej 300 MHz) [14,114,120]; pomiarów drgań łopatek poprzez kadłub sprężarki [94]; algorytmów analizy drgań łopatek na bazie sygnału z wielu czujników rozmieszczonych po obwodzie palisady lub wzdłuż cięciwy pióra - systemy NSMS [14,114,260]. Prace badawcze nad systemami NSMS realizowane są również w Niemczech, Wielkiej Brytanii i Francji. Zastosowanie kilku czujników do obserwacji drgań pióra umożliwia dokładną identyfikację kilku pierwszych modów drgań, przy zastosowaniu klasycznych metod analizy sygnału (FFT, falki, demodulacja). Jakość wielokanałowych wyników TTM jest wystarczająca, aby po sprzęgnięciu danych pomiarowych z metodami numerycznymi (FEM i analizą modalną) rozwiązać zagadnienie odwrotne i zastąpić kłopotliwe pomiary tensometryczne w badaniach fabrycznych rys

127 Rys Bezdotykowy pomiar naprężeń w wirujących łopatkach w systemie NSMS [407] W USA i Australii podjęto próby identyfikacji pęknięcia tarczy sprężarki na podstawie sygnału TTM [343]. Badania zmęczeniowe realizowano w warunkach laboratoryjnych, na wirówkach z komputerowo sterowaną prędkością obrotową. W ww. państwach poddano również weryfikacji różne algorytmy analizy sygnału dyskretnego drgań łopatek [20,100,101, 117,122,279]. Prace rozwojowe nad TTM w lotnictwie i energetyce prowadzone są obecnie głównie przez partnerów Propulsion Instrumentation Work Group (PIWG) [448] i European Virtual Institute for Gas Turbine Instrumentation (EVI-GTI) [429]. Członkami PIWG i EVI-GTI są czołowi producenci turbin energetycznych i silników lotniczych, ośrodki naukowe i zaplecze przemysłowego wsparcia metrologicznego w USA, m.in. [421,441,442,451,460], i w Europie, m.in. [440,452,455]. W 2007 r. ITWL dołączył do EVI-GTI i współpracuje z PIWG, realizując wspólne tematy badawcze. Ich tematyka dotyczy m.in. eksperymentalnej weryfikacji algorytmów, eksperymentalnej identyfikacji wczesnej fazy pękania zmęczeniowego łopatek tytanowych czy wysokotemperaturowych pomiarów drgań łopatek turbiny silnika lotniczego. Poza EVI-GTI i PIWG prace rozwojowe nad TTM prowadzone są również w Rosji [39], Australii [342,343] i w pojedynczych ośrodkach akademickich na świecie. Historię i kierunki rozwoju metody TTM autor przedstawił w [388]. Istnieją dwie drogi rozwoju metody TTM: uproszczona (bazująca na pojedynczym czujniku) - realizowana na potrzeby diagnostyki łopatek i silnika (Polska) [87,164,228,240,378,482,497], rozwinięta (wielokanałowa) realizowana na potrzeby badań fabrycznych (świat). Pojawiły się również liczne aplikacje pozałopatkowe, np. metoda FAM-C (diagnostyka układu kinematycznego na bazie sygnału z prądnic pokładowych) [103], które wykorzystują ideę równania (7.57). Dotychczasowe możliwości TTM wpisują się w obszary badań nieniszczących (NDT), kompleksowego monitorowania struktury (SHM), prognozowania trwałości eksploatacyjnej (PHM) i aktywnego sterowania zmęczeniem (active control). Tematyka badań eksploatacyjnych i fabrycznych przy pomocy metody TTM jest rozwijana m.in. w krajach członkowskich NATO w ramach zagadnień bezpiecznej eksploatacji starzejącej się techniki [199,238,248]. 127

128 Aspekty metody TTM Podczas analizy metody TTM pojawiają się pytania: Co jest interesującego w TTM, że jest ona rozwijana od ponad 80 lat? Co sprawia największe kłopoty w opanowaniu technologii TTM? Odpowiedzią na pierwsze pytanie są kierunki podejmowanych prac badawczych w kraju i na świecie. Metoda TTM ma bardzo duże możliwości wykorzystania w obszarze badań fabrycznych nowych silników i kompleksowej diagnostyki przyczynowo-skutkowej istniejących rozwiązań konstrukcyjnych (m.in. turbin wiatrowych, turbin energetycznych, sprężarek i wentylatorów przemysłowych, silników turbinowych, łożysk), w tym obiektów typu czarna skrzynka. TTM nie wymaga rozbudowanego toru pomiarowego, a synchroniczny sposób dyskretyzacji sygnału (jeden raz na obrót/czujnik) gwarantuje małą objętość danych pomiarowych (50200-krotna kompresja objętości danych względem metody tensometrycznej) i bardzo szybką analizę wyników (z opóźnieniem do 0,1 sekundy) wymaganą przez układy monitorowania elementów krytycznych. Analizując ideę TTM na schemacie blokowym rys. 7.14, dostrzega się cztery główne problemy, które powodują, że metoda TTM została opanowana tylko przez nieliczne ośrodki na świecie. Problemy dotyczą [240,365,388]: związku pomiędzy chwilowym położeniem pióra łopatki (znacznika fazy) względem czujnika - co naprawdę jest mierzone z coraz większą precyzją czasu? złożoności widmowej mierzonego sygnału, nierównomiernej dyskretyzacji sygnału ciągłego i właściwego doboru metod przetwarzania sygnału, wykorzystania wszystkich składowych sygnału dyskretnego w czasie (A(k), P(k), I(k)) w algorytmach diagnostycznych. Rys Zastosowanie TTM w kompleksowym diagnozowaniu silnika (k dyskretny czas, A(k) skladowa aperiodyczna, P(k) składowa periodyczna, I(k) słabe składowe periodyczne, zakłócenia i szum pomiarowy) 128

129 Wybrane aspekty metrologiczne TTM Precyzyjny pomiar czasu nie stanowi obecnie większego problemu metrologicznego. Jest on używany m.in. w: laserowych technikach pomiaru odległości, spektroskopii, technice radarowej i badaniach ultradźwiękowych. Jest to najłatwiej precyzyjnie i dynamicznie mierzalna wielkość fizyczna i dlatego coraz częściej obserwuje się tworzenie aplikacji, w których stosowany jest przetwornik mierzona wielkość częstotliwość. W metodzie TTM precyzyjny pomiar czasu przyjścia łopatki TOA sprawia jednak kłopoty [365,388]. Są one związane z enkoderem, układem wejściowym i układem pomiaru czasu rys Przetwornik położenia kątowego (enkoder) Zadaniem nieruchomego czujnika TTM jest wygenerowanie sygnału bramkującego, którego kształt jest skorelowany z przestrzennym położeniem wirującej i drgającej łopatki. Przyjmuje się, że: a) Kształt sygnału z czujnika zależy od typu czujnika rys a) b) c) Rys Kształt sygnału napięciowego lub prądowego na wyjściu enkodera TTM [240]: a) czujnik indukcyjny; b) czujnik optyczny; c) czujnik wiroprądowy (pomiar przez kadłub) b) Dana łopatka (i) jest widziana przez czujnik tylko w wąskim zakresie położenia kątowego wirnika i. W pozostałej części obrotu wirnika czujnik nie ma informacji o jej drganiach U U i i ( ) f yi, i, hi, i, i i, i i, i 1, 2,...,. N B 0 (7.59) Relacja (7.59) odwzorowuje splot sygnału ciągłego drgań łopatki z jednostkowym przebiegiem prostokątnym (wartością 1), o szerokości impulsu odpowiadającej położeniu kątowemu i ; i i. W pozostałej części obrotu przebieg prostokątny przyjmuje wartość zero. 2 c) Jeżeli charakterystyka przestrzenna czujnika spełnia kryterium i 0.35, to sygnał nie N B jest obciążony wpływem sąsiadujących łopatek palisady, w przeciwnym razie kształt sygnału odwzorowuje wypadkowy wpływ co najmniej dwóch łopatek. d) Wypadkowy sygnał z enkodera jest złożeniem składowych sygnałów wygenerowanych przez poszczególne łopatki podczas kolejnych obrotów wirnika. ( (7.60) U ) i U i Sygnał U(t) ma zdefiniowaną strukturę czasoprzestrzenną i wykazuje cechy quasiokresowości określonej przez liczbę łopatek palisady N B. Okresowość sygnału jest zaburzona przez składowe periodyczne i losowe sygnału oraz zmiany prędkości kątowej 129

130 wirnika. e) Rzeczywisty sygnał z czujnika TTM poza (7.60) zawiera również informację o niepożądanych zjawiskach m.in. szumie, zakłóceniach impulsowych, wpływie przestrzennych charakterystyk czujnika bazującego na zjawiskach polowych, turbulencji przepływu strumienia w rejonie czujnika). r (, t) Ui t (7.61) U, i Składowa ma cechy szumu kolorowego i jej widmo (barwa) zmienia się wraz ze zmianą prędkości obrotowej silnika i warunków otoczenia. Oszacowanie jej widma możliwe jest na podstawie analizy fragmentów sygnału niezawierającego oczekiwanej informacji od łopatek, tj. ;, i 1, 2,..., N. i i i Precyzyjne wykrycie zdarzenia (chwili przejścia pióra łopatki przez oś obserwacji czujnika) i skorelowanie tej chwili z określonym punktem powierzchni pióra nie jest łatwe. Drgania pióra nie odbywają się w płaszczyźnie wirowania palisady i mocowania czujnika tabela 7.2. Przyjmowany charakterystyczny punkt sygnału ciągłego, np.: przejście sygnału przez zero dla czujników prędkości (np. czujnika indukcyjnego) rys a; wartość maksymalna dla czujników położenia (np. czujnika optycznego, prądów wirowych, mikrofalowego czy pojemnościowego) rys b i c; odwzorowuje trajektorię na powierzchni wierzchołkowej pióra zależną od amplitudy, fazy i postaci drgań łopatki, a nie pojedynczy punkt pióra [365,388]. Dla danego typu czujnika należy wyznaczyć jej parametry i uwzględnić na etapie skalowania danych. Pominięcie tej informacji utrudnia ilościową i jakościową analizę wyższych modów drgań. Należy również ocenić wpływ zasady pracy czujnika na możliwość obserwacji wyższych modów drgań. Jest to szczególnie istotne dla czujników bazujących na zjawiskach polowych. Założenia b i c są słuszne tylko dla czujnika optycznego oraz dla czujników różnicowych. Dla pozostałych rozwiązań czujniki wykorzystują zjawiska polowe kształt sygnału jest zależny nie tylko od danego punktu łopatki, ale również od sąsiednich łopatek. Wpływ sąsiednich łopatek jest uwarunkowany od rozmiarów czujnika (średnicy części roboczej) i cech geometrycznych palisady [417]. Powyższy problem został dostrzeżony przez autora w odniesieniu do czujników indukcyjnych, które zastosowano w systemie diagnostycznym SNDŁ-1b/SPŁ-2b. Problem dotyczy również czujnika indukcyjnego z polem poprzecznym, który używany jest w ITWL do badania łopatek wykonanych ze stopów paramagnetycznych (tytanu i stopów żarowytrzymałych). Założenie d i e wskazuje na wymóg dekompozycji sygnału TOA i (k) na N B kanałów odwzorowujących badane łopatki Układ wejściowy toru pomiarowego TTM Do precyzyjnego pomiaru czasu przyjścia łopatki niezbędne jest zastąpienie rzeczywistego sygnału analogowego z czujnika TTM sygnałem unormowanym, wymaganym przez tor precyzyjnego pomiaru czasu. Najczęściej jest to impuls prostokątny TTL lub CMOS o określonej szerokości i dynamice zboczy. W tym celu sygnał z czujnika podlega wzmocnieniu i przetworzeniu w układzie wejściowym. Zadanie układu wejściowego nie jest łatwe. Układ musi uwzględnić dużą dynamikę sygnału wejściowego (zależną od prędkości obrotowej silnika) oraz wpływ modulowania sygnału przez inne składowe oscylacyjne (np. chwilowej prędkości obrotowej, drgań kadłuba, w którym mocowany jest czujnik, zjawisk fizycznych wykorzystywanych w czujniku). Sygnał wejściowy obarczony jest również szumem i zakłóceniami. W przypadku pomiarów wielokanałowych niezbędne jest wyznaczenie opóźnienia B 130

131 wnoszonego przez każdy kanał układu wejściowego. Pominięcie tego parametru może być przyczyną grubych błędów pomiaru quasi-statycznego ugięcia pióra (naprężeń statycznych) w stanach przejściowych silnika. Ich wartość może przekraczać 90% i może być nawet 250 razy większa od teoretycznej rozdzielczości pomiaru amplitudy [365,388] Układ pomiaru czasu Unormowany sygnał bramkujący jest mierzony przez układ pomiaru czasu, np.: analogowy detektor fazy współpracujący z przetwornikiem A/C lub cyfrowy układ pomiaru częstotliwości lub cyfrową linię opóźniającą. Wynik pomiaru TOA(k) jest proporcjonalny do odcinków czasu między kolejnymi impulsami bramkującymi. Rozdzielczość wyników pomiaru w dziedzinie czasu wynika z zastosowanej techniki pomiaru. W aplikacjach TTM zawiera się ona w przedziale od 200 ns do 4 ns (perspektywicznie 10 ps). Wysoka rozdzielczość w dziedzinie czasu gwarantuje tylko teoretyczną rozdzielczość w dziedzinie amplitudy drgań łopatki tabela 7.3. Natomiast rozdzielczość rzeczywista pomiaru amplitudy drgań łopatki i zdolność obserwacji wyższych modów wynika z: umiejętności interpretowania kształtu sygnału wyjściowego enkodera TTM (co mierzymy? gdzie jest łopatka w chwili pojawienia się impulsu bramkującego?); wpływu innych składowych periodycznych w sygnale dyskretnym TTM; przykładowo, przeniesienie obserwatora TTM z I na VII stopień sprężarki silnika typu SO-3 skutkuje zmniejszeniem udziału składowej łopatkowej I modu drgań łopatek z 75% do 18% i zwiększeniem udziału składowej wirnikowej z 22% do 80%. Jeszcze mniejszy udział składowej łopatkowej występuje podczas pomiaru drgań łopatek turbiny; stosowanych metod analizy danych. Tabela 7.3. Wpływ rozdzielczości w dziedzinie czasu na rozdzielczość pomiaru amplitudy drgań łopatek I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 Tor Pomiarowy Producent Metoda pomiaru Częstotliwość zegarowa Rozdzielczość w dziedzinie czasu (1 LSB) Rozdzielczość teoretyczna w dziedzinie amplitudy SAD-2d ITWL częstotliwościowa 5 MHz 200,0 ns 68,0 m SPŁ-2b TCM-PER ITWL Keithley częstotliwościowa 10 MHz 100,0 ns 34,0 m PCI-6602 NI częstotliwościowa 80 MHz 12,5 ns 4,2 m BSSM (Gen 4 NSMS) MTU częstotliwościowa 250 MHz 4,0 ns 1,4 m TDC-GP1 Acam linia opóźniająca 10 GHz *) 120,0 ps 35,0 nm V980VXI (TDC ASIC, 16 kanałów, rozdzielczość 48 bitów) Highland Technology *) częstotliwość ekwiwalentna w metodzie linii opóźniającej linia opóźniająca 20,48 GHz *) 60,0 ps 17,5 nm Do precyzyjnych pomiarów amplitudy drgań pióra łopatki, wymaganych do oceny rozkładu naprężeń i sterowania zmęczeniem materiału, niezbędne jest wzorcowanie składowej łopatkowej sygnału TTM z pomiarami tensometrycznymi lub wsparcie modelem 131

132 numerycznym 3D enkodera. Bazowanie tylko na relacjach geometrycznych (zmianie położenia znacznika fazy o względem kąta podziałki teoretycznej T ) zapewnia uzyskanie rozdzielczości pomiaru amplitudy drgań i ugięcia pióra łopatki na poziomie nie lepszym niż 250 m [365]. Taka rozdzielczość jest wystarczająca tylko dla aplikacji monitorowania nadmiernych drgań łopatek. Zwiększanie tylko rozdzielczości pomiaru czasu nie przynosi oczekiwanej poprawy rozdzielczości pomiaru rzeczywistej amplitudy drgań łopatek. Co więcej, obserwuje się pogorszenia stosunku sygnału do szumu w przypadku analizowania danych zarejestrowanych z większą rozdzielczością czasu przy pomocy dotychczasowych algorytmów. W tym przypadku ujawnia się wpływ oddziaływania słabych składowych periodycznych rzeczywistego sygnału TOA szumu kolorowego, którego wartość średnia nie jest równa zero (jak w przypadku szumu białego spotykanego w licznych publikacjach na temat TTM i analizy sygnałów). Podobny efekt występuje, gdy próbuje się analizować sygnał drgań łopatek bez wcześniejszego wybielenia sygnału [48] z dominujących składowych periodycznych [365,388]. Wymagana minimalna rozdzielczość pomiaru czasu uwarunkowana jest od wysokości pióra badanej łopatki i celu badań. Obowiązują zasady: a) czym krótsze jest pióro łopatki i większa prędkość obrotowa wirnika, tym większe wymagania stawiane są rozdzielczości pomiarowej czasu; b) każdy wyższy mod drgań łopatki ma mniejszą amplitudę graniczną rzeczywista rozdzielczość amplitudy drgań łopatki jest jednym z parametrów ograniczających od góry pasmo obserwacji TTM. Rozdzielczość czasu niezbędna do diagnozowania łopatek sprężarki może być oszacowana na podstawie uproszczonych kryteriów wytrzymałościowych (dla n = 0 obr/min): B m = 5% strzałka ugięcia (poziom wytrzymałości doraźnej R m ), B e = 2,5% strzałka ugięcia (poziom granicy plastyczności R e ), B F = 1,25% strzałka ugięcia (poziom wytrzymałości długotrwałej F ), B V = 1,0% strzałka ugięcia (poziom wytrzymałości VHCF dla cykli), i oczekiwanej rozdzielczości (liczby poziomów) amplitudy I modu drgań tabela 7.4. Tabela 7.4. Wymagana częstotliwość zegarowa toru pomiaru czasu dla rozdzielczości 350 poziomów amplitudy B m drgań I modu łopatki [365] Obiekt Silnik odrzutowy SO-3 (sprężarka I stopień) Silnik odrzutowy SO-3 (sprężarka VII stopień) n max [rpm] R z [mm] h [mm] B m [mm] B e [mm] B F [mm] B V [mm] f zeg [MHz] ,0 2,5 1,25 1, ,0 1,0 0,50 0, Silnik śmigłowcowy ,25 0,13 0, Uwaga: R z promień powierzchni wierzchołkowej łopatki; h wysokość pióra Aspekty analizy numerycznej sygnału dyskretnego TTM W istniejących rozwiązaniach TTM spotyka się dwa sposoby reprezentacji czasu TOA i (k): względny (TOA w ) czas przyjścia łopatki mierzony jest względem poprzedniej łopatki, bezwzględny (TOA B ) czas przyjścia łopatki mierzony jest od początku rejestracji. Oba typy reprezentacji czasu przyjścia łopatki zawierają jednakową informację przy zapewnieniu właściwej staranności pomiarowej, m.in.: 132

133 braku czasu martwego pomiar TOA w i TOA B wymaga zapamiętywania wyniku w buforze, przy ciągłej pracy wzorca częstotliwości zegarowej; stabilności krótko- i długoterminowej częstotliwości wzorcowej (zegarowej) dla pomiarów TOA B. Pomiędzy dwiema formami reprezentacji czasu przyjścia łopatki istnieją związki: TOA k TOA k TOA k 1 k 1, 2,..., N; TOA 0 0 TOA W B k k i1 B TOA W ( i) B W dalszej części monografii czas TOA i (k) we wzorach oznaczany jest przez T. B (7.62) Wstępne przetwarzanie danych TTM Zarejestrowane dane mają okresową strukturę, która wynika z cech nadajnika enkodera TTM liczby łopatek N B i ich rzeczywistego położenia w palisadzie (błędów podziałki). Zarejestrowane dane można przedstawić w postaci wektora S (7.63) lub macierzy S m (7.64). Wektor S zbiór danych w dziedzinie próbkowania, który odwzorowuje kolejność rejestrowanego sygnału dyskretnego i czas TOA wyrażony w postaci liczby impulsów zegarowych (dane nieskalowane) lub czasu (dane skalowane przez częstotliwość zegarową) T 1 T2... TK K Z S (7.63) Macierz S m zbiór danych pomiarowych w dziedzinie próbkowania uporządkowany w tablicę dwuwymiarową. Liczba kolumn jest równa liczbie łopatek N B badanej palisady, a liczba wierszy M odpowiada analizowanej liczbie pełnych obrotów wirnika. T11 T12... T1N B S m M, N Z B (7.64) TM1 TM 2... TMNB Oczekiwana okresowość struktury danych (7.63) i (7.64) jest zachowana tylko w przypadku, gdy dane nie są obarczone błędami wywołanymi przez [388]: zanik lub pojawienie się fałszywych impulsów bramkujących. Ich źródłem mogą być: - utrata informacji o pojedynczej łopatce przy małej prędkości obrotowej, dużych drganiach łopatki lub wirnika; - ciąg dodatkowych blisko położonych impulsów, wywołany np. przycieraniem łopatki o kadłub; - ciąg dodatkowych blisko położonych impulsów bramkujących wywołanych zbyt wolną dynamiką zbocza impulsu prostokątnego na wyjściu z układu wejściowego; - przenikanie zakłóceń impulsowych, np. od pracującego w pobliżu radaru, spawarki elektrycznej lub innego iskrzącego urządzenia elektrycznego; - przenikanie zakłóceń harmonicznych od sieci energetycznej; - negatywne oddziaływanie współpracujących urządzeń elektrycznych, galwanicznie podłączonych do toru pomiarowego, np. obrotomierzy wielozakresowych (faza przełączania zakresu); - błędy wyzwalania i zamykania cyklu pomiarowego; zamazanie danych w buforze w wyniku niewłaściwej obsługi programowej pomiaru. Obie grupy błędów mają wpływ na jakość stawianej diagnozy i dlatego dane pomiarowe muszą być zweryfikowane i skorygowane przed dalszą analizą sygnału. Objawem ww. błędów jest błędna struktura danych cyfrowych (zerwanie synchronizacji i przypisanie 133

134 wyniku pomiaru do innej łopatki) oraz chwilowe przekłamanie wskazań prędkości obrotowej wyznaczanej z określonej długości ciągu danych pomiarowych, np. jednego obrotu (N B łopatek) n obr / min (7.65) T N B obr T i i1 Automatyczna korekcja danych pomiarowych realizowana jest według algorytmu: a) identyfikacja błędu na bazie analizy trendu czasu TOA z uwzględnieniem (7.58), (7.63) i (7.64), tj. trendu prędkości obrotowej silnika oraz amplitudy i fazy drgań wszystkich łopatek palisady; b) identyfikacja typu błędu (komunikat dla użytkownika, wybór procedury korekcyjnej); c) działanie korygujące uwzględniające typ błędu. Korekcja błędów nie tylko zmniejsza ryzyko błędnej diagnozy, ale również znacznie rozszerza zakres wiarygodnych pomiarów, np. o pomiary przy małej prędkości obrotowej silnika, które są wykorzystywane przez autora do diagnozowania stanu technicznego łożysk (na podstawie fazy rozruchu silnika i oporów tarcia na dobiegu). W tym zadaniu korekcja błędów jest szczególnie istotna dla czujników indukcyjnych, których funkcją jest wykrywanie prędkości zmian strumienia pola magnetycznego. Sygnał napięciowy na wyjściu nieobciążonego czujnika indukcyjnego jest proporcjonalny do prędkości kątowej wirnika, co opisuje relacja d d U( t) k (7.66) d dt Powyższy wzór nie uwzględnia wpływu obciążenia czujnika przez układ wejściowy i efektów wtórnych oddziaływania czujnika na znacznik fazy, np. prądów wirowych Opis matematyczny sygnału TTM Jakość numerycznej dekompozycji zweryfikowanych i skorygowanych danych TTM ma decydujący wpływ na możliwości wydzielenia poszczególnych składowych sygnału TOA i ich wiarygodne wykorzystanie w diagnozowaniu łopatek danej palisady i silnika. Do rozdzielenia sygnału TOA(k) na trzy podstawowe składowe (7.58) niezbędne są informacje o: liczbie łopatek N B ; podstawowych parametrach pracy silnika (prędkości obrotowej biegu jałowego i zakresu startowego) i jego właściwościach dynamicznych (minimalnych czasach akceleracji i deceleracji), które ograniczają górne pasmo składowej aperiodycznej sygnału; kryterium poziomu odcięcia składowych periodycznych, na podstawie którego: - określa się górne pasmo obserwowanych modów drgań łopatek, - przypisuje się słabe sygnały periodyczne do składowej szumu; dokładnym opisie matematycznym sygnału i identyfikowanych parametrów, na podstawie którego określa się złożoność zadania analitycznego i dobiera optymalne metody analizy. Uwzględniając, że w TTM mierzoną wielkością jest czas, którego odchyłki od wartości oczekiwanej TOA T są również nośnikiem informacji diagnostycznej, autor zaproponował opis matematyczny sygnału dyskretnego TOA(k) na bazie jitteru (parametru stosowanego w metrologii do analizy ilościowej i jakościowej nierównomierności próbkowania) 134

135 TOA( k) 1 k TOA ( k) LT TOAT ( k) i, i10 ( k) i, i1 T (7.67) gdzie: LT 2 N B - podziałka teoretyczna rozmieszczenia łopatek w palisadzie; i,i+1 (k) średnia chwilowa prędkość kątowa idealnego wirnika pomiędzy i, i+1 łopatką. Precyzyjnie zmierzony czas TOA(k) zawiera trzy grupy zmiennych dyskretnych w czasie 1 L ( k) TOA( k) TOAT ( k) (7.68) 1 ( k) Są nimi: L (k) jitter łopatkowy wnoszony przez: błędy podziałki P (N B zmiennych); drgania łopatek biorących udział w cyklu pomiarowym o częstotliwości zależnej od prędkości obrotowej Ł,k, (kn B zmiennych, gdzie k liczba analizowanych modów łopatki); drgania kadłuba K ; efekty i zjawiska wykorzystywane w czujniku, np. efekty magnetomechaniczne dla czujnika indukcyjnego ZD ; k k, k k k (7.69) L P Ł k K (k) jitter wirnikowy wnoszony przez: wahania prędkości obrotowej (niskoczęstotliwościowa ingerencja układu paliwowego) UP ; drgania poprzeczne i skrętne wirnika odpowiednio WP i WS ; błędy osiowania rzeczywistego wirnika równoległe przesunięcie i przekoszenie osi O i S ; ZD k k k k k k (7.70) UP WP WS (k) teoretyczny czas przyjścia łopatki idealnego wirnika (bez błędów podziałki, drgań i osadzenia wirnika w podporach). Czas TOA T jest składową aperiodyczną A z (7.58), która po podstawieniu do (7.65) i wyznaczeniu chwilowej średniej prędkości obrotowej sprężarki używana jest do diagnozowania układu paliwowego silnika na bazie równania ruchu idealnego sztywnego wirnika z wpływem sterowania [317,482]. a O 2 d n dn 2 a1 a0n M T M s M 2 F (7.71) dt dt gdzie: M T = M T (t) moment obrotowy turbiny; M S = M S (t) moment obrotowy sprężarki; M F = M F (t) moment obrotowy agregatów i tarcia; a 2, a 1, a 0 parametry odwzorowujące cechy charakterystyczne dynamiki wirnika. Składowa aperiodyczna jest opisywana w oknie analizy o długości kilku obrotów wirnika przez wielomian co najmniej trzeciego stopnia (warunek niezerowej wartości drugiej pochodnej prędkości obrotowej w (7.71) po skokowej zmianie wydatku paliwa lub powietrza). Jest to więc zmienna, którą najłatwiej jest wydzielić z danych pomiarowych (7.67) lub (7.68). Poważny problem analityczny nastręcza rozdzielenie jitteru na składowe P i I. Po S 135

136 uwzględnieniu (7.68), (7.69) i (7.70) mierzony jitter opisuje relacja 1 P k Ł, k k K k ZD k k 1 1 k k k k k UP WP WS O S (7.72) Ujawnia ona złożoność analityczną metody TTM i przyczynę, dlaczego tylko nieliczne ośrodki na świecie opanowały technologię bezdotykowego pomiaru drgań łopatek i kompleksowego diagnozowania maszyny wirnikowej, pomimo pozornej prostoty pomiarowej. Precyzyjne wydzielenie składowej łopatkowej jitteru Ł,k z (7.72) na potrzeby bezdotykowego pomiaru amplitudy drgań (naprężeń) i oceny stanu technicznego łopatek wymaga zastosowania specjalistycznych narzędzi analizy danych dyskretnych. Zadanie rozdzielenia zmiennych wymaga dostosowania algorytmu identyfikacji poszczególnych składowych jitteru do danego typu silnika, typu czujnika TTM i rozdzielczości toru pomiarowego. Dla różnych typów silnika udział poszczególnych składowych jitteru jest różny, a o jakości wydzielenia składowej łopatkowej decyduje kolejność wybielania sygnału jitteru ze składowych periodycznych. W celu przekształcenia (7.68) do postaci (7.58) należy uwzględnić nieliniowy wpływ jitteru 1 wirnikowego J W k na mierzoną wielkość czasu TOA(k). 1 ( k) Wpływu J W na mierzony czas TOA zobrazowano na prostym przykładzie jednotonowego harmonicznego jitteru wirnikowego t Asin t [388]. Dla sygnału ciągłego w czasie (ruchomego obserwatora) zachodzi relacja J W t 1 1 Asin t 1 N i1 i J Asin it i (7.73) Na podstawie analizy widmowej wyznacza się liczbę harmonik N i wartości współczynników J i skalujących amplitudę harmonicznej w zależności od poziomu (amplitudy) jitteru tabela 7.5. Tabela 7.5. Wpływ poziomu jednotonowego jitteru wirnikowego na liczbę harmonicznych Jitter [%] Liczba harmonik 0 0,001 0,01 0,1 0,2 0, , Na podstawie przeprowadzonej analizy dostrzega się, że nawet bardzo niewielki jednotonowy jitter wirnikowy ujawnia kilka harmonik, które świadomie lub nieświadomie obserwowane są w TOA (z założenia układ wejściowy toru pomiarowego TTM nie ogranicza pasma jak jest to wymagane w klasycznych torach pomiarowych przez kryterium Nyquista). Uwzględniając wpływ dyskretyzacji sygnału (7.73) i podstawiając do (7.68) uzyskuje się TOA( k) N 1 L ( k) 1 w, i ( k) TOAT ( k) i1 (7.74) Przyjmując oznaczenia: T = TOA(k), L = L (k) i W i = W,i (k) oraz ograniczając rozwinięcie szeregu opisującego wpływ jitteru wirnikowego (7.73) tylko do czterech pierwszych wyrazów otrzymuje się T 1 W W W W L L W L W L W L W TOA k (7.75) T 136

137 Składowe z (7.75) można przyporządkować do składowych równania (7.58) uwzględniając rozdzielczość toru pomiarowego. Dla jednotonowego jitteru wirnikowego uzyskano: a) układy pomiarowe o częstotliwości zegarowej do 10 MHz: Ak TOAT ( k); Pk L W1 TOAT k (7.76) Ik W L W TOA k 2 1 b) układy pomiarowe o częstotliwości zegarowej od 10 do 800 MHz: Ak TOAT ( k); Pk L W1 W2 TOAT k Ik W L W L W TOA k 3 1 c) układy pomiarowe o częstotliwości zegarowej od 800 MHz do 20 GHz: Ak TOAT ( k); Pk L W1 W2 W3 LW1 TOAT k Ik W LW LW TOA k 4 2 T 2 3 T T (7.77) (7.78) Wzory (7.76) i (7.77) odwzorowują zagadnienia występujące przy pomiarach czasu TOA metodą częstotliwościową, natomiast (7.78) przy pomiarach metodą linii opóźniającej (w perspektywicznych aplikacjach). W podobny sposób wyznacza się składowe P i I dla jitteru łopatkowego zawierającego wszystkie składowe z (7.69) i jitteru wirnikowego zawierającego wszystkie składowe z (7.70) Dekompozycja sygnału na składową aperiodyczną i jitter Gdy składowe sygnału TTM zostaną zdefiniowane, możliwa jest ich świadoma dekompozycja na składową aperiodyczną TOA T i jitter z (7.67), a następnie na L i z (7.68), tj. na wielkości odwzorowujące A, P i I z (7.58). Na tym etapie przetwarzania danych spotyka się różne podejścia do zagadnienia dekompozycji, które znacząco wpływają na jakość dalszej analizy danych oraz możliwość diagnozowania łopatek i silnika. Dla maszyn stałoobrotowych stosowana jest najczęściej metoda demodulacji względem częstotliwości nośnej. W tym celu w oknie analizy wyznaczany jest średni czas przyjścia TOA śr (średnia arytmetyczna), który uważany jest za oczekiwany teoretyczny czas przyjścia TOA T. Uwzględniając (7.58), wyznacza się również estymowaną wartość jitteru E i dla każdej łopatki (7.79). Długość okna analizy przyjmowana jest jako N całkowitych obrotów wirnika. Ta metoda dekompozycji sygnału dyskretnego stosowana jest również w metodzie FAM-C [103]. TOA E i śr 1 N N B śr NN i1 TOAi TOA TOA śr B TOA i (7.79) Zastosowanie algorytmu (7.79) do dekompozycji sygnału TOA z maszyny zmiennoobrotowej prowadzi do błędnego wyznaczenia wartości TOA T i jitteru. Błędna estymacja parametrów występuje nawet w przypadku, gdy wyznaczane wartości będą dotyczyły tylko środkowego elementu okna analizy, a nie wszystkich próbek [388] Źródłem błędu estymacji parametrów TOA jest liniowe podejście do hiperbolicznej relacji (7.57), która opisuje związek pomiędzy aperiodyczną prędkością kątową silnika i oczekiwanym czasem przyjścia TOA T. Nawet nieznaczne liniowe zmiany prędkości obrotowej silnika są odwzorowane hiperbo- 137

138 licznie w liczbie zliczanych impulsów zegarowych. Błąd względny estymacji TOA T w stanach przejściowych silnika może dochodzić do 5% [365]. Błędne wyznaczenie TOA T skutkuje błędną wartością estymowania jitteru E, który przenosi się na jitter danej łopatki. Błąd ujawnia się w postaci pozornej zmiany podziałki podczas fazy rozruchu i dobiegu oraz zakresów rezonansowych danego modu łopatki podczas stanów przejściowych silnika. Estymacja TOA T i metodą średniej arytmetycznej dopuszczalna jest tylko w układach monitorowania nadmiernych drgań I modu łopatek. Znaczne zmniejszenie błędu estymacji TOA T i uzyskuje się, gdy algorytm estymacji bazuje na założeniu o liniowych zmianach prędkości kątowej. Uśrednienie realizowane jest po średniej chwilowej prędkości kątowej rzeczywistego wirnika z wpływem składowych periodycznych sygnału TTM 1 TOA E śr 1 N N TOA B 0.5NN B TOA NN i1 TOA śr B 1 TOA śr i (7.80) W tym przypadku na poziom błędu estymacji TOA T i mają wpływ głównie błędy podziałki (nierównomierne rozmieszczenie łopatek po obwodzie badanej palisady) i widmo jitteru. Błąd względny estymacji TOA T nie przekracza 0,2% [365]. Estymacji TOA T i według (7.80) jest wystarczająca do monitorowania I modu drgań łopatek, realizowanej przez tor pomiarowy o małej rozdzielczości czasu (częstotliwości zegarowej do 10 MHz), której składowe opisuje (7.76). Algorytmy (7.79) i (7.80) są realizowane w dziedzinie próbkowania, a nie czasu rejestracji, co oznacza, że są dedykowane dla danych dyskretnych uzyskanych z równomiernego próbkowania. Metoda TTM jest jednak przykładem nierównomiernego próbkowania. Do dekompozycji składowych TOA autor zaproponował nowe podejście procedurę DETREND. Dekompozycja sygnału realizowana jest na bazie analizy trendu składowej aperiodycznej, z uwzględnieniem nierównomiernej reprezentacji danych w dziedzinie czasu. Procedura wykorzystuje zmodyfikowany algorytm najmniejszych kwadratów (NLS), którego pierwotny kod źródłowy został udostępniony autorowi przez prof. Schwarzenberga-Czernego z Centrum Astronomicznego PAN [ ]. W nowym algorytmie dekompozycji sygnału TOA uwzględniono możliwość tłumienia składowych jitteru wirnikowego o rzędowości 0,5 EO, 1,0 EO i 2,0 EO poprzez optymalny dobór długości okna. Efektem dekompozycji NLS jest równoczesna identyfikacji składowej aperiodycznej (liczby impulsów zegarowych Code) i jitteru w każdym punkcie próbkowania rys Błąd względny estymacji TOA T i L z pojedynczego kroku dekompozycji nie przekracza 0,005% [386,387]. Estymacji TOA T i L metodą NLS jest wystarczająca do wiarygodnej identyfikacji wyższych modów drgań łopatek i identyfikacji słabych składowych periodycznych z (7.77) i (7.78) rejestrowanych przez tor pomiarowy o średniej i dużej rozdzielczości czasu (częstotliwości zegarowej od 10 MHz do 20 GHz). Procedura DETREND jest rozwiązaniem numerycznym, które wyprzedza wymagania stawiane przez istniejące oprzyrządowanie pomiarowe TTM stosowane w ITWL i na świecie. Zmienne rozdzielone przez procedurę DETREND można zapisać w postaci macierzy S LS i S MLS, na podobieństwo do (7.63) i (7.64). S LS T 1, L1, W1, I1... T K, LK, WK, I K Ti, K Z (7.81) T, L, W, I... T, L, W, I 1,1 1,1 1,1 1,1 1, NB 1, NB 1, NB 1, NB S MLS M, N B Z (7.82) TM,1, LM,1, WL,1, I M,1... TM, N, LM N, WL N, I B, B, B M, NB 138

139 gdzie: T i i T i,j estymowana wartość TOA T (składowa A); L i i L i,j estymowana wartość jitteru łopatkowego L (składowa P); W i i W ij estymowana wartość jitteru wirnikowego W (składowa P); I i i I i,j estymowana wartość szumu kolorowego (składowa I). Rys Zobrazowanie wyników procedury DETREND uzyskane z danych TTM zarejestrowanych na VII stopniu sprężarki silnika typu SO-3 (49 łopatek w palisadzie) przy pomocy karty PCI-6602 (f zeg = 80 MHz). Dominującą składową jitteru łopatkowego L są błędy podziałki Diagnozowanie łopatek Struktura danych w macierzy S MLS umożliwia m.in. diagnozowanie drgań i stanu technicznego każdej: podziałki (pomiar względny drgań dwóch sąsiadujących łopatek biorących udział w cyklu pomiarowym TOA W ), tj. w systemie diagnostycznym SNDŁ-1/SP-2b; łopatki (pomiar bezwzględny TOA B ), tj. w systemie NSMS; na bazie estymowanej wartości jitteru łopatkowego L i jego struktury (7.69). Lk k, k k k (7.83) P Ł k Informacja o stanie technicznym i energetycznym łopatek zawierają P i Ł,k. K Podziałka rzeczywista palisady Błąd średniego położenia kątowego pióra łopatki (chwilowa wartość podziałki palisady), odwzorowany w jitterze P, zależy od (7.84): a) tolerancji wykonania tarczy i łopatek palisady (wartość stała) P0 cecha indywidualna łopatki, palisady i silnika, która używana jest w oprogramowaniu SPŁ-2b do identyfikacji źródła danych pomiarowych (silnika) oraz programowej synchronizacji danych (umowna pierwsza łopatka z pierwszej rejestracji jest pierwszą łopatką w kolejnych rejestracjach); b) quasi-statycznego ugięcia i rozkręcenia pióra pod wpływem średnich obciążeń masowych i aerodynamicznych PL (w TOA W obserwowana jest różnica ugięcia i rozkręcenia piór dwóch sąsiednich łopatek); ZD 139

140 c) oddziaływania rezonansu synchronicznego na fazę drgań danego modu łopatki PF odwzorowaną w postaci hodografu. P P d dt 0 PL, PF (7.84) Analiza jitteru P umożliwia: ocenę obciążeń statycznych pióra (średniego wytężenia) składowa PL uwarunkowana od zakresu pracy sprężarki; identyfikację rezonansów synchronicznych i drgań synchronicznych łopatek składowa PF ; ocenę stanu technicznego łopatki, w tym wczesnej fazy jej zmęczenia i pękania składowa PF Drgania łopatek Drgania asynchroniczne łopatek są odwzorowane w jitterze Ł,k. Przyjmując założenie, że pióro łopatki jest obiektem liniowym i analizie podlega tylko skończona liczba modów (np. trzy pierwsze mody drgań) to Ł,k opisuje relacja d d d Łk Ł, dt dt dt, 1F,, G Ł,2F,, G Ł, 1T, G (7.85) Amplituda, częstotliwość i przesunięcie fazowe względem fazy wymuszenia (faza) drgań łopatek zmienia się wraz z zakresem pracy sprężarki. Gwałtowna zmiana amplitudy i fazy ujawnia się w zakresach rezonansowych, których właściwości opisuje transmitancja operatorowej G() odwzorowująca właściwości macierzy podatności dynamicznej (7.53). W zakresach rezonansu synchronicznego następuje utrata bezpośredniej informacji o amplitudzie drgań (efekt strobowania tej samej fazy drgań pióra), natomiast jest ona dostępna w składowej aperiodycznej jitteru PF (odwzorowanie hodografu) Wpływ drgań kadłuba Drgania kadłuba zmieniają odległość czujnika od wirujących łopatek. Analizując typowe widmo drgań silnika oraz dopuszczane poziomy składowych widma drgań (obrotowe i aerodynamiczne) [388] zauważa się, że jitter K jest sygnałem dolnopasmowym o wyraźnych składowych deterministycznych. Poziom jitteru jest uwarunkowany od typu silnika i czujnika (podatności sygnału na zmiany odległości pióra i prędkości zmian luzu wierzchołkowego). Dla czujnika indukcyjnego wpływ ww. czynników jest obserwowany tylko w przypadku luźnego mocowania czujnika i występowania pozaobliczeniowych zjawisk dynamicznych, np. rozwiniętych wirujących stref oderwań, pompażu lub nadmiernego niewyważenia wirnika Wpływ zjawisk fizycznych wykorzystywanych w czujniku Tylko w pierwszym przybliżeniu można przyjąć założenie, że jitter ZD jest równy zero. Wpływ tej składowej jitteru musi być wyznaczony dla układów pomiarowych o średniej i dużej rozdzielczości czasu. Powyższy problem był badany przez autora przy okazji realizacji zadania I wstępnej identyfikacji zagrożenia zmęczeniowego łopatek metodą MPM. Autor używał czujnika indukcyjnego w badaniach TTM. Na kształt sygnału wyjściowego (rys a) mają wpływ: stan namagnesowania wirującej łopatki w słabym ziemskim polu magnetycznym (piezomagnetyzm) symptom wykorzystywany w metodzie MPM, modulowany przez efekty magnetomechaniczne towarzyszące drganiom łopatek; efekty magnetosprężyste; obserwowano przypadki przemagnesowania pióra łopatki po 140

141 uderzeniu przez duże ciało obce, np. ptaka [302]; repolaryzacja namagnesowania pióra może być przyczyną niewykrywania łopatki przez proste układy wejściowe TTM i generowania fałszywej diagnozy (sygnału o wystąpieniu nadmiernych drgań); faza drgań pióra zmienia stan namagnesowania powierzchni wierzchołkowej i przypisania przejścia sygnału przez zero do danego punktu powierzchni przekroju; stan przemagnesowania niektórych łopatek na postoju przez silne pole magnetyczne magnesu czujnika indukcyjnego toru pomiarowego TTM; odległość powierzchni wierzchołkowej pióra od czujnika (przy średniej przenikalności magnetycznej materiału łopatki); kąt skręcenia pióra łopatki (czas przebywania w polu widzenia czujnika); chwilowe położenie czujnika wzdłuż cięciwy pióra (przemieszczenia wzdłużne wirnika i łopatki); wpływ sąsiednich łopatek i palisady; efekty wtórne, m.in. prądy wirowe Wpływ metody analizy drgań łopatek na jakość informacji diagnostycznej Wydzielone składowe periodyczne jitteru (w tym Ł,k ) podlegały dyskretyzacji z częstotliwością wielokrotnie niższą od częstotliwości Nyquista dla próbkowania równomiernego. Jest to ostatnia przeszkoda w analizie sygnału TTM. Istnieją trzy metody rozwiązania problemu Nyquista [388]: a) zastosowanie większej liczby czujników do obserwacji drgań łopatek danej palisady i analiza sygnału klasycznymi metodami analizy widmowej rozwiązanie stosowane jest w systemach NSMS; czujniki są nierównomiernie rozmieszczone po obwodzie, a do analizy widmowej stosowana jest najczęściej FFT lub DFT; b) świadome wykorzystanie efektu powielenia widma rozwiązanie stosowane jest przez autora [350,388], m.in. w oprogramowaniu systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b; wpływ powielenia widmowego na wykres Campbella zobrazowano na rys. 7.17; c) zastosowanie specjalizowanych algorytmów, przeznaczonych do analizy nierównomiernie próbkowanego sygnału rozwiązanie stosowane jest w telekomunikacji, astronomii czy technice radarowej, np. technologia DASP (ang. Digital Alias-free Signal Processing) [48,323]; takie rozwiązanie nie jest stosowane dotychczas w metodzie TTM. Autor podjął wstępne prace w tym obszarze [ ] uwzględniając, że: - zjawisko aliasingu związane jest z techniką dyskretyzacji sygnału; próbkowanie równomierne i okresowość funkcji sinus i cosinus sprzyjają wystąpieniu zjawiska aliasingu, natomiast próbkowanie nierównomierne osłabia skutki powielenia widmowego; najsilniejsze osłabienie aliasingu (ponad 100-krotne rozszerzenie pasma określonego przez kryterium Nyquista) występuje podczas próbkowania losowego z niewielkim jitterem rys. 7.18; - możliwe jest automatyczne odtworzenie rzeczywistego widma sygnału powyżej kryterium Nyquista dla danych dyskretnych pochodzących z nierównomiernego próbkowania, pod warunkiem spełnienia kryterium Nyquista-Landaua [48,323]; - złożone widmo jitteru (7.72) jest nośnikiem informacji diagnostycznej możliwej do zastosowania w kompleksowym diagnozowaniu silnika lotniczego, przy stosowaniu minimalnej liczby torów pomiarowych. W metodzie a i b bazuje się na uproszeniu zagadnienia analizy sygnału dyskretnego. W analizowanym fragmencie danych (oknie analizy o długości kilku obrotów) przyjmuje się stały, średni kroku próbkowania t s, któremu odpowiada średnia częstotliwość próbkowania s (średnia częstotliwość obrotowa wirnika). Dokładne wyznaczenie rzędowości sygnału wymaga: 1) wyznaczenia macierzy błędów pominiętego jitteru, 141

142 2) skorygowania rozwiązania przybliżonego. Przykładowym algorytmem analizy widma uwzględniającym oba wymagania jest TVDFT [185,25,26]. Rys Konwersja diagramu Campbella łopatki z dziedziny częstotliwości f(n) do dziedziny rzędowości EO(n) (spełnione kryterium Nyquista) i dziedziny rzędowości pozornej EO R (n) (pojedynczy obserwator TTM) W podejściu dokładnym (metodzie c) uwzględnia się wpływ nierównomiernego próbkowania oraz skutki wynikające z tego faktu, m.in.: funkcje sinus i cosinus, stosowane w analizie widmowej, przestają być ortogonalne (Schwarzenberg-Czerny) [280], pasmo widma bez aliasingu jest zależne od widma jitteru (Bylinskis, Tarczyński) [48,323], widmo sygnału oprócz przybliżonych częstotliwości modów łopatki zawiera również rzędowość jitteru EO R (k). 142

143 Do wyznaczenia widma sygnału stosuje się takie metody jak: periodogram Lomb-Scargla (LS), rozszerzoną dyskretną transformatę Fouriera (EDFT), metody iteracyjne, np. algorytm SECOEX czy DASP [48, ,323]. Rys Wpływ metody dyskretyzacji i analizy widma sygnału zawierającego trzy harmoniki (H 1 : A 1 = 0 db, f 1 = 30 MHz; H 2 : A 2 = -3dB, f 2 = 327 MHz; H 3 : A 3 = -6 db, f 3 = 893 MHz) i szum Gaussa: SNR = 40 db [426] (oś odciętych częstotliwość f [Hz]; oś rzędnych - gęstości widmowej mocy RMS [db]) 7.4. Spostrzeżenia diagnostyczne Przedstawiony opis trzech metod badawczych (MPM, EMA i TTM) stanowi przygotowanie teoretyczne do badań eksperymentalnych oraz efektywnej analizy wyników pomiarów, ukierunkowanych na poszukiwanie nowych symptomów diagnostycznych i kompleksową diagnostykę silnika. Opisane metody badawcze wzajemnie się uzupełniają przy realizacji celu pracy. Metody bazują na dwóch technikach obserwacji zjawisk dynamicznych: bezpośredniej, gdy mierzona wielkość jest jednoznacznie skorelowana z wielkością analizowaną (diagnozowaną), a dyskretyzacja mierzonego sygnału ciągłego jest równomierna w czasie lub w przestrzeni; podejście takie dotyczy metody magnetycznej pamięci metalu i eksperymentalnej analizy modalnej; pośredniej, gdy mierzona wielkość nie odwzorowuje jednoznacznie i wprost diagnozowanego problemu, a wydzielenie żądanej informacji wymaga zastosowania specjalizowanej analizy sygnału dyskretnego w czasie, próbkowanego nierównomiernie oraz rozwiązania zagadnienia odwrotnego; podejście takie dotyczy metody wirującego obserwatora stanu. Na jakość i wiarygodność badań mają wpływ: właściwe rozpoznanie problemu, staranność badawcza pomiarów i stosowane metody analizy danych dyskretnych w czasie. Niewątpliwą zaletą TTM jest złożoność widmowa sygnału TOA dzięki której możliwe jest kompleksowe diagnozowanie silnika przy pomocy pojedynczego czujnika (obserwatora procesu). 143

144 8. BADANIA EKSPERYMENTALNE Omawiane zagadnienia teoretyczne i hipoteza pracy zostały zweryfikowane w licznych badaniach eksperymentalnych, w których obowiązywało założenie, że diagnozowane łopatki sprężarki i turbinowe silniki lotnicze są obiektem typu czarna skrzynka. Na początkowym etapie badań diagnosta nie miał żadnej wiedzy o badanym zjawisku dynamicznym i dysponował tylko wiedzą ogólną o obiekcie badań. Dla postawienia wiarygodnej diagnozy (celu badań diagnostycznych) niezbędne było: a) zdefiniowanie problemu diagnostycznego i koncepcji jego rozwiązania; b) określenie zjawisk dynamicznych możliwych do zastosowania w procesie diagnozowania i dobranie metod badawczych (pomiarowych i analitycznych); c) wykonanie wstępnych badań ukierunkowanych na identyfikację symptomów diagnostycznych związków zachodzących pomiędzy mierzonymi wielkościami, a stanem technicznym i energetycznym obiektu; d) wykonanie badań na statystycznie wiarygodnej populacji obiektów, w celu weryfikacji wyznaczonych relacji diagnostycznych i określenia wpływu rozrzutu technologicznego wykonania; e) opracowanie algorytmów automatyzacji procesu diagnostycznego na potrzeby użytkownika sprzętu. Zagadnienia a i b zostały opisane w rozdziale 6 i 7 niniejszej monografii, natomiast w tym rozdziale przedstawiono wybrane zagadnienia z pkt. c e. Prezentowane wybrane wyniki badań eksperymentalnych są spostrzeżeniami autora i syntezą usystematyzowanej wiedzy empirycznej z obszaru doradczo-eksperckiej diagnostyki lotniczych zespołów napędowych i sterowania zmęczeniem materiału. Są wiedzą zdobywaną przez autora przez ponad 20 lat współpracy z użytkownikiem wojskowej techniki lotniczej i zakładami remontowymi, eksperymentów biernych i czynnych (licznych prób dowodowych przeprowadzonych w ITWL i WZL-3) Identyfikacja wzorca statystycznego Wybrana metoda badawcza (w niniejszej pracy: MPM, EMA i TTM) umożliwia zarejestrowanie sygnału pomiarowego, który zawiera skończony zbiór cech opisujących właściwości mechaniczne, magnetyczne, elektryczne lub termiczne obiektu. Zarejestrowane dane nie są jednak użyteczne bezpośrednio, gdy badany obiekt jest czarną skrzynką, a diagnosta nie zna warunków technicznych interpretacji wyników. Taki problem pojawia się każdorazowo podczas opracowania i wdrażania nowej metody badawczej. To diagnosta musi określić zasady interpretacji wyników badań. Autor stosował podejście statystyczne do oszacowania oczekiwanych wartości wyników pomiarów i wyznaczenia nowych symptomów diagnostycznych. Przyjął założenie, że rejestrowane cechy obiektu w badanej populacji opisuje rozkład normalny jedno-, dwu- lub wielowymiarowy. Rozkłady dwu- i wielowymiarowe są odwzorowane w trendzie wartości średnich jednego parametru względem innego, z uwzględnieniem wpływu randomizacji (odchyleń standardowych) identyfikowanego rozkładu. Możliwe jest zatem zbudowanie modelu statystycznego nieznanego problemu (obiektu badań i zjawisk dynamicznych), na podstawie którego będzie realizowane wnioskowanie diagnostyczne. Przystępując do analizy danych pomiarowych należy pamiętać, że wyniki pomiarów obarczone są szumem i zakłóceniami. Błędy grube, które mogą być obecne w danych pomiarowych, są potencjalnym zagrożeniem zafałszowania modelu statystycznego i wyznaczonych symptomów diagnostycznych. Do ich wykrywania i eliminacji autor stosował algorytm sigma, w którym przyjął założenie, że dane pomiarowe zostały uzyskane z powtarzalnych lub znanych warunków pomiaru (MPM, EMA i określony 144

145 podzakres pracy silnika w metodzie TTM) i są zgrubnie odwzorowane przez jednowymiarowy rozkład normalny N(, ). W kolejnych krokach tego algorytmu: a) obliczana jest wartość średnia i odchylenie standardowe z wszystkich zmierzonych danych; b) tymczasowo odrzucane są dane spoza przedziału < - 2, + 2 > (test 2 sigma); c) obliczana jest skorygowana wartość średniej i odchylenia standardowego d) tymczasowo odrzucane są dane wejściowe, których wartości znajdują się poza przedziałem < - 2, + 2 > (test 2 sigma); e) obliczana jest skorygowana wartość średniej i odchylenia standardowego ; f) przyjmuje się, że badane zjawisko jest zamodelowane przez rozkład normalny N( do wyznaczenia symptomów diagnostycznych uwzględnia się tylko dane wejściowe, które spełniające kryterium < - 3, + 3 > (test 3 sigma - 99,5% oczekiwanej populacji); g) dane, które nie spełniły kryterium 3 sigma są klasyfikowane jako odbiegające od wzorca statystycznego. Są one przechowywane w wydzielonej części bazy danych pomiarowych i podlegają dodatkowej analizie, w celu sklasyfikowania powtarzających się cech symptomów diagnostycznych nieznanego problemu diagnostycznego, rozpoznawanego wraz ze zdobywaniem wiedzy empirycznej. Czynności a g są powtarzane wraz z napływem nowych danych eksperymentalnych i zwiększaniem liczebności populacji wiedzy empirycznej diagnosty zmieniającej się w czasie [110,143]. W ten sposób zostały powiązane ze sobą trzy dynamiczne bazy: danych pomiarowych, niejawnych modeli zjawisk i problemów diagnostycznych, reguł diagnostycznych, tworzonych przez diagnostę na potrzeby automatyzacji procesu diagnostycznego. Na podstawie zobrazowania relacji Par 1 = f(par 2 ) identyfikowany jest ewentualny związek pomiędzy parametrami zgrubna analiza trendu Epar 1 = f(par 2 ). W tym celu autor bazował na aproksymacji metodą najmniejszych kwadratów, realizowanej na wcześniej zweryfikowanych danych pomiarowych. Weryfikowana jest również reszta (residuum) Par i (Par j ) na okoliczność błędów grubych przeoczonych dla jednowymiarowego rozkładu normalnego. Po usunięciu trendu z dwuwymiarowych relacji i wyznaczeniu residuum Par ( Par ) Par ( Par ) Epar ( Par ) i j (8.1) i j i j ponownie zastosowano algorytm sigma. Po zweryfikowaniu danych wyznaczane były trendy i wskaźniki diagnostyczne. W końcowym kroku wstępnej analizy klasyfikowano wszystkie wiarygodne wyniki pomiarów na bazie dotychczas opracowanych statystycznych wskaźników (symptomów diagnostycznych), wyznaczając, m.in.: wskaźnik randomizacji identyfikowanego procesu, który poprzez właściwości rozkładu normalnego skorelowany jest z poziomem ryzyka zmęczeniowego pękania łopatek i j R dla 0 (8.2) wskaźnik zagrożenia zmęczeniowego dla pojedynczej łopatki Max Pari RI Pari Par 3Par i Na potrzeby automatyzacji procesu diagnozowania łopatek i silnika autor zaproponował nową ideę wnioskowania. Bazuje ona na: i (8.3) 145

146 a) Klasyfikacji analizowanego sygnału nie tylko na podstawie jego wartości (klasyczne reguły diagnostyczne), ale również na postawie wartości dwóch pierwszych pochodnych. Pochodne zawierają wczesne symptomy niezgodności, w tym symptomy narastającego zmęczenia lub rozregulowania układu paliwowego (Szczepanowski) [307,317,320]. Zaproponowane podejście wymaga opracowania rozszerzonych nowych warunków technicznych NWT oceny obiektu i przekształcenia wiedzy empirycznej diagnosty (zdobytej na etapie identyfikacji i uporządkowanej w postaci bazy złożonych reguł diagnostycznych) do czytelnej postaci (komunikatów i zaleceń) zrozumiałej przez użytkownika sprzętu. i 1,2,..., m 2 dpar d Par i i HV Par,, NWT Obiekt ZDATNY (8.4) dt 2 dt b) Analizowaniu zjawisk drganiowych z uwzględnieniem zakresu pracy silnika 2 dn d n NWT f n,, 2 (8.5) dt dt 8.2. Wstępna identyfikacja zagrożenia zmęczeniowego metodą MPM (zadanie I) Autor zainteresował się metodą MPM w 2008 r., kiedy wśród ponad 100 współczesnych metod badań nieniszczących [1] poszukiwał metody, która umożliwiłaby wstępną identyfikację zagrożenia zmęczeniowego w rzeczywistych warunkach eksploatacji silnika lotniczego. Uwzględniając aspekty zmęczeniowe materiału, autor przyjął założenie, że nowa metoda badawcza powinna umożliwić bezdotykowe monitorowanie symptomów narastającego zmęczenia, w tym obserwację skutków koncentracji naprężeń własnych w łopatkach sprężarki podczas postoju silnika. Dla stalowych łopatek powyższe wymogi (wg rozpoznania literaturowego) spełniła metoda magnetycznej pamięci metalu. Założenie zadania I wykraczało jednak poza dotychczasowe możliwości MPM (metody pomocniczej badań nieniszczących) o zagadnienia dotyczące monitorowania stanu technicznego struktury (SHM) i prognozowania ryzyka zmęczeniowego (PHM). Dlatego niezbędne było przeprowadzenie badań weryfikujących koncepcję autora. Wykonane badania miały również na celu wykrycie słabych stron metody MPM. Ich identyfikacja jest podstawą podjęcia w przyszłości prac wdrożeniowych i zastosowania metody w lotnictwie. Na podstawie rozpoznania literaturowego i wstępnych badań autora [ ] określono oczekiwane wymagania metrologiczne toru pomiarowego. Wymaganą rozdzielczość detekcji lokalnych anomalii magnetycznych na i w pobliżu powierzchni łopatki uzyskano poprzez optymalny dobór: Typu czujnika - czułości i zakresu detekcji pola magnetycznego oraz charakterystyki przestrzennej. Mierzone natężenie pola magnetycznego wynosiło: ka/m na powierzchni czołowej czujnika indukcyjnego ITWL; - do ±4000 A/m na powierzchni badanego elementu lotniczego; - do ±5 A/m pomiary składowej 1 EO w płaszczyźnie turbiny (łopatki ze stopu paramagnetycznego EI-867), realizowane poprzez stalowy kadłub (H25N2052); - do ±0,3 A/m pomiary składowej 1 EO w płaszczyźnie VII stopnia sprężarki (łopatki ze stali 18H2N4WA) w odległości 0,7 m od silnika. Pomiary realizowane były z rozdzielczością od 0,005 do 1 A/m, w zależności od celu badań i zakresu pomiarowego. W badaniach autor używał czujników [242,329]: o transduktorowych firmy Energodiagnostyka Sp. z o.o. [427], o z efektem magneto-impedancji firmy PNI [449], o z efektem wielkiej magnetoimpedancji firmy Aichi [418], 146

147 o z efektem anizotropowej magnetorezystancji firmy NVE [447], o z efektem Halla firmy MagnaFlux [438]. Kroku dyskretyzacji powierzchni badanego elementu. W badaniach używano enkodera z krokem 1 mm lub trybu obserwacji ciągłej z częstotliwością próbkowania od 10 do 320 Hz. Pasma i dynamiki toru pomiarowego. W pomiarach statycznych i quasi-statycznych pasmo sygnału miało od 0 10 Hz, a dyskretyzacja sygnału ciągłego była realizowana w 8- i 16-bitowych przetwornikach A/C. Algorytmów numerycznego przetwarzania zarejestrowanych danych (odszumiania i detekcji symptomów diagnostycznych). Detekcja anomalii magnetycznych łopatki była wykonywana na jej powierzchni i w pewnym oddaleniu, w tym przy zasłonięciu łopatki przez materiał paramagnetyczny kadłuba sprężarki Weryfikacja symptomów MPM dla badań nieniszczących We wstępnym etapie badań przeprowadzono weryfikację rzeczywistych możliwości MPM w badaniach nieniszczących. Ocenę stanu technicznego drobnych elementów techniki lotniczej wykonano, m.in. na: łopatkach sprężarki, łożyskach tocznych, wałkach napędowych, kołach zębatych i okuciach łopat wirnika nośnego [297,381]. Do weryfikacji symptomów MPM autor korzystał również z wyników badań wykonanych na dużych obiektach przemysłowych, m.in. na wirnikach turbin energetycznych. Pod uwagę były brane tylko wyniki MPM, które zostały zweryfikowane uznanymi metodami badań nieniszczących (VT, UT, ET, RT). Dane zostały udostępnione m.in. przez firmy Energodiagnostyka Sp. z o.o. (Warszawa), CBiDGP Sp. z o.o. (Lędziny), BUG Gazobudowa Sp. z o.o. (Zabrze) i TurboCare Sp. z o.o. (Wrocław). We wszystkich badanych obiektach stwierdzono oczekiwane symptomy MPM, w tym możliwość obserwacji skutków kumulacji historii naprężeniowego lub termicznego magnesowania ferromagnetyka po zaniku zewnętrznego źródła wytężenia materiału. Autor wykonał badania oczekiwanych symptomów diagnostycznych MPM m.in. na łopatkach I stopnia sprężarki zdemontowanych z silnika typu SO-3 (materiał 18H2N4WA), na których wykonywane były wcześniej testy LCF i HCF w paśmie do 4 khz [364,370]. Stwierdzono [ ], że: Namagnesowanie stopy zamka łopatki nieliniowo odwzorowuje historię amplitudy wymuszeń (obciążenie momentem zginającym i skręcającym pióro). Po próbach LCF poziom namagnesowania stopy zamka wynosił ponad 1200 A/m, a po testach HCF nie przekraczał 850 A/m. Położenie wartości zerowych składowej normalnej pola magnetycznego (do powierzchni profilu) jest skorelowane z liniami węzłowymi drgań giętych pióra. W przypadku stosowanych sond transduktorowych nie uzyskano wskazania linii węzłowej drgań skrętnych. Rozkład namagnesowania wzdłuż wysokości pióra łopatki jest statystycznie powtarzalny. Obserwacja stanu namagnesowania powierzchni wierzchołkowej pióra łopatki jest pośrednią miarą różnicowania zmęczenia LCF (wpływu krótkotrwałych przeciążeń pióra) i erozji krawędzi natarcia rys Do oceny zmęczenia HCF niezbędne jest weryfikowanie wyników MPM innymi metodami NDT lub analizowanie trendu z kolejnych pomiarów, gdyż poziom namagnesowania powierzchni wierzchołkowej pióra może nie przekraczać dopuszczalnego namagnesowania resztkowego (H R = 240 A/m). Obserwacja stanu namagnesowania powierzchni wierzchołkowej pióra jest ideą autora zastosowaną do realizacji zadania I. Do detekcji stref przenikania linii węzłowych na małej łopatce sprężarki niezbędne jest używanie miniaturowych sond. Przemysłowe sondy transduktorowe nie zapewniały wystarczającej rozdzielczości przestrzennej, uśredniając wskazania z dwóch blisko 147

148 położonych linii węzłowych wykrywanych jednoosiową punktową sondą Halla. a) b) c) Rys Diagnozowanie łopatek części niskoprężnej turbiny parowej metodą MPM: a) erozja przy krawędzi natarcia widok od strony grzbietu; b) wpływ erozji pióra na zastany stan namagnesowania łopatek; c) wpływ różnicowania zmęczenia materiału przy krawędzi spływu pióra przed wystąpieniem otwartego pęknięcia (wzorzec statystyczny z testu sigma dla 53 łopatek; H Z zobrazowanie różnicowe: dwie sondy dwukanałowe przesunięte o 7 mm wzdłuż cięciwy) Dla łopatki sprężarki z pęknięciem inicjowanym przy niskim stanie naprężeń (od karbu mechanicznego) nie uzyskano wskazań opisywanych w literaturze (H z = 0). Oczekiwane symptomy diagnostyczne (lokalne anomalie magnetyczne) były obserwowane w rejonie pęknięcia przy różnym od zera poziomie składowej normalnej WMPR rys. 8.2.a. Na obserwowane różnice symptomów diagnostycznych miały m.in. wpływ obróbka powierzchniowa pióra [29-33,35,46] i nieliniowa wrażliwość wyników pomiaru na przestrzenne ułożenie łopatki w ziemskim polu magnetycznym (wpływ kształtu łopatki na rozkład pola rozproszenia) [390]. Do diagnozowania małych elementów (w tym łopatek sprężarki) metodą MPM autor zaproponował modyfikacje dotychczasowej metodyki badań (Dubowa), które obejmują: a) analizowanie stanu technicznego łopatki na podstawie pomiaru trzech składowych pola magnetycznego (pełnej reprezentacji wektora namagnesowania); 148

149 b) uwzględnienie średnich powierzchniowych naprężeń własnych poprzez zastąpienie kryterium strefy koncentracji naprężeń H z = 0 warunkiem H z = H od, gdzie H od statystyczny poziom odniesienia w badanej populacji [383]; c) wykonywanie dwóch pomiarów w ortogonalnym ułożeniu badanego elementu (zmiana kierunku działania składowej poziomej ziemskiego pola magnetycznego na badany element) rys. 8.2.b w celu detekcji zamkniętych pęknięć HCF. a) b) Rys Detekcja pęknięcia HCF łopatki I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 metodą MPM (ognisko zmęczenia na krawędzi spływu): a) podejście klasyczne brak symptomu H z = 0 w strefie lokalnej anomalii magnetycznej; b) wynik badań uzyskany wg metodyki autora brak wskazań pęknięcia tylko przy wierzchołku szczeliny Używanie sond mierzących tylko jedną lub dwie składowe pola magnetycznego i brak informacji o ich przestrzennym położeniu są przeszkodami utrudniającymi automatyzację procesu diagnozowania na bazie symptomów MPM. Istnieją możliwości techniczne usunięcia tej przeszkody poprzez zastosowania miniaturowych sond klasy G2G (trójosiowy magnetometr i trójosiowy akcelerometr), wykonanych w technologii MEMS na bazie nanotechnologii [418,447]. Na podstawie analizy przestrzennego rozkładu pola magnetycznego (metody wizualizacji wyników MPM stosowanej m.in. przez Roskosza [ ] i w magnetowizji) wykluczono sztuczne przemagnesowanie badanych elementów, powstałe np. podczas defektoskopii magnetycznej. Powyższe spostrzeżenie nie dotyczy spoin utworzonych podczas spawania elektrycznego, w których występuje dodatkowy wpływ natężenia prądu spawania na 149

150 warunki magnesowania przetopu spoiny podczas krzepnięcia. Stwierdzono również, że metoda MPM może być użyteczna przy badaniu złomów zmęczeniowych. W ten sposób potwierdzono występowanie zjawiska piezomagnetyzmu w słabym ziemskim polu magnetycznym oraz symptomy diagnostyczne MPM używane w badaniach nieniszczących elementów wykonanych ze stali ferromagnetycznych i paramagnetycznych (detekcja fazy martenzytu naprężeniowego). Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że poziom namagnesowania elementów lotniczych z wypracowanym resursem międzyremontowym i technicznym był większy od dopuszczalnego namagnesowania resztkowego występującego w nowo wytworzonym elemencie. W obecności lokalnych odkształceń plastycznych i na powierzchni przełomów zmęczeniowych namagnesowanie było nawet 90 razy większe od natężenia ziemskiego pola magnetycznego. Z dotychczasowych badań autora wynika, że relacja (7.17) jest niepoprawna dla stali stopowych stosowanych w lotnictwie. Dla nieuszkodzonych elementów narażonych na złożony stan naprężeń stwierdzono lokalne gradienty pola magnetycznego, które są większe od K gr. Na podstawie rozpoznania literaturowego, m.in. [56,129] stwierdzono również, że dla niektórych stali stopowych, w tym stali HAZ, graniczne umocnienie magnetyczne m gr może być niższe niż wartość wyznaczona z relacji (7.17). Powyższa sytuacja wynika z pominięcia wpływu własności magnetycznych faz obecnych w stalach stopowych (szczególnie martenzytu), początkowej anizotropii strukturalnej i złożonego stanu naprężeń Identyfikacja zastanego stanu namagnesowania sprężarki W kolejnym etapie badań MPM wykonano pomiary zastanego namagnesowania łopatek wszystkich palisad sprężarki silnika typu SO-3 [348]. Łopatki miały nieznaną historię eksploatacji, a badany silnik miał wypracowany resurs techniczny. Badania quasi-statyczne wykonano przy zdjętej górnej części kadłuba sprężarki. Czujnik MPM był nieruchomy lub przesuwany wolno wzdłuż badanej powierzchni. Stwierdzono, że: Stan namagnesowania pióra łopatki jest zależny od jej lokalizacji w sprężarce rys Średnia wartość namagnesowania danego punktu powierzchni wierzchołkowej łopatek i współczynnik randomizacji wykazują znaczne rozrzuty tabela 8.1. Zastany stan namagnesowania łopatek jest źródłem modulacji sygnału ciągłego TTM (7.61) w zadaniu III (jitterem ZD (7.69), który jest pomijany w dotychczasowych algorytmach analizy sygnału TTM). Tabela 8.1. Natężenie składowej normalnej WMPR powierzchni wierzchołkowej pióra łopatek Stopień sprężarki Liczba Łopatek Środek cięciwy Średnie namagnesowanie [A/m] Współczynnik randomizacji R [-] Uwagi I ,8 0,308 W analizie pominięto trzy łopatki silnie namagnesowane na postoju przez czujnik indukcyjny ITWL II ,4 0,698 III ,3 0,716 IV ,7 0,811 V ,8 0,490 VI ,6 0,576 VII ,9 0,924 Wyraźny wpływ historii wymuszeń z częstotliwością f obr (1 EO) 150

151 Rys Zastane namagnesowanie powierzchni wierzchołkowej łopatek (H z (nr łopatki)) [A/m]) sprężarki silnika typu SO-3 nr 1 Średnie namagnesowanie powierzchni wierzchołkowej pióra i współczynnik randomizacji procesu silnie zmieniają swoje wartości wzdłuż cięciwy. Obserwowane paraboliczne zmiany namagnesowania i randomizacji są źródłem nieliniowej modulacji sygnału TTM, która jest również pomijana w dotychczasowych algorytmach analizy czasu TOA. Rozrzut właściwości magnetycznych łopatek maleje, gdy w analizie uwzględnia się pomiary z co najmniej trzech punktów powierzchni wierzchołkowej pióra, np. z krawędzi natarcia (KN), środka cięciwy (SC) i krawędzi spływu (KS). Wyznaczając dla każdej łopatki współczynnik W(i) według wzoru (8.6) i analizując jego właściwości statystyczne - nowy rozkład normalny N( W, W ), uzyskuje się bardziej wiarygodny opis statystyczny badanego zjawiska dynamicznego i stanu technicznego łopatek 151

152 W i H KN i H SCi (8.6) H i H i KS SC Dla badanych łopatek I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 uzyskano W = 1,404; W / W = 0,11, tj. zmniejszono randomizację procesu i niepewność interpretacji danych MPM o ponad 60% względem pomiaru jednopunktowego. Wartość średnia i współczynnik randomizacji procesu naprężeniowego magnesowania wybranego punktu pióra łopatek w palisadzie zawierają informacje o: a) trendzie aperiodycznym na obwodzie palisady dotyczy III i VI, VII stopnia analizowanej sprężarki silnika typu SO-3; b) pojedynczych łopatkach, których stan namagnesowania znacząco odbiega od pozostałych łopatek w palisadzie dotyczy I, II, V stopnia analizowanej sprężarki. Uwzględniając dotychczasowe doświadczenia diagnostów MPM, można przyjąć, że: Kumulacja historii wytężenia łopatek danej palisady jest podobna, gdy trend ich namagnesowania jest kołowy, a środek wykresu kołowego pokrywa się ze środkiem układu współrzędnych biegunowych (dla 0 ). Łopatki sprężarki były obciążone dominującymi wymuszeniami masowymi (od niewyważenia lub bicia wirnika), gdy trend odwzorowany jest przez elipsę, tj. dla VII stopnia sprężarki SO-3. Parametry niewyważenia można oszacować na podstawie proporcji małej i dużej osi elipsy oraz przesunięcia elipsy względem środka układu współrzędnych biegunowych. Analiza randomizacji zmęczenia łopatek wymaga usunięcia składowej trendu. W silniku SO-3 krótkie łopatki VI i VII palisady sprężarki znajdują się w pobliżu podatnej środkowej podpory i są narażone na największą amplitudę drgań wirnika o rzędowości 1 EO. Na wcześniejszych palisadach amplituda drgań wirnika zmniejsza się, a wysokość pióra łopatki wzrasta. Bezpośredni wpływ wymuszeń masowych maleje, a silniej ujawniają się skutki wymuszeń aerodynamicznych oraz zjawisko sprzęgania wymuszeń masowych z wymuszeniami aerodynamicznymi. Zwiększone ryzyko grupowego zmęczenia łopatek przez nieznane wymuszenia aerodynamiczne występuje, gdy średni poziom namagnesowania łopatek jest wysoki. Zwiększone ryzyko pojedynczego pękania łopatek występuje dla łopatek znacznie odbiegających od trendu palisady i dopuszczalnego namagnesowania resztkowego. Powyższe spostrzeżenia nie dotyczą I stopnia analizowanej sprężarki, gdyż łopatki tej palisady były narażone na oddziaływanie silnego magnesu (H z = 240 ka/m na powierzchni czołowej) czujnika indukcyjnego. Wszystkie łopatki palisady podlegały sztucznemu magnesowaniu podczas pracy silnika, co skutkuje wzrostem średniej wartości namagnesowania i parabolicznym rozkładem namagnesowania wzdłuż cięciwy. Podczas postoju sztucznemu magnesowaniu podlegały trzy łopatki, które były w najmniejszej odległości od czujnika. Łopatki magnesowane na postoju są skorelowane z ciężkim punktem niewyważonego wirnika (po zatrzymaniu ten punkt zawsze znajduje się w dolnym położeniu). Są one jednoznacznym znacznikiem fazy obrotu, który umożliwia detekcję fazy drgań wirnika. Stwierdzono, że narastające naprężeniowe magnesowanie łopatek może być przyczyną nietypowych drgań wirnika sprężarki podczas pracy silnika (łopatki nie podlegają rozmagnesowaniu w remoncie). Zjawisko wzajemnego oddziaływania słabego pola magnetycznego wirujących elementów na drgania maszyny jest opisywane m.in. dla silników elektrycznych [229]. 152

153 Pomiary MPM łopatek sprężarki podczas pracy silnika Badania zastanego namagnesowania łopatek podczas pracy silnika są możliwe poprzez kadłub sprężarki. W przypadku silnika typu SO-3 kadłub ma grubość 6.5 mm i jest wykonany z paramagnetycznego stopu aluminium PA6 (na innych typach silników stosowane są również paramagnetyczne stopy tytanu). Kadłub jest przeźroczysty dla składowej quasi-dc pola magnetycznego łopatek. Przy większej prędkości obrotowej wirnika ujawnia się jednak wpływ prądów wirowych indukowanych w kadłubie przez składową zmienną pola magnetycznego. Badania zrealizowano za pomocą trójosiowej sondy transduktorowej firmy Energodiagnostyka o czułości 0,02 A/m, paśmie do 5 Hz (-3 db) i częstotliwości próbkowania ok. 230 Hz. Zastosowana sonda używana jest do badań MPM obiektów podziemnych, położonych na głębokości do 1,5 m. Badania wykonano tylko w początkowej fazie rozruchu i końcowej fazie dobiegu silnika, co podyktowane było częstotliwością próbkowania sygnału ciągłego przez sondę. Na podstawie badań palisady I stopnia sprężarki silnika nr 2 stwierdzono rys. 8.4, że: również na tym silniku występują łopatki silnie namagnesowane na postoju przez czujnik systemu SNDŁ-1b/SPŁ-2b (natężenie pola na powierzchni wierzchołkowej czujnika H z =120 ka/m); widmo sygnału zarejestrowanego przy prędkości obrotowej wirnika n 125 obr/min zawiera składowe 1 EO, 3 EO i 4 EO. W celu rozstrzygnięcia wątpliwości: 1). Czy rzędowość 1 EO odwzorowuje wpływ przemagnesowania dwóch łopatek na postoju, czy naprężeniowe magnesowanie łopatek palisady wywołane przez drgania wirnika; 2). Czy rzędowość 3 EO i 4 EO odwzorowuje kumulację skutków drgań łopatek w zakresie prędkości obrotowej obr/min, czy może historię pracy i stan techniczny węzła środkowej podpory (tłumika drgań podłużnych i poprzecznych); wykonano badania MPM dla palisady VII stopnia sprężarki. Na tym stopniu sprężarki występuje największa amplituda drgań wirnika oraz najwyższa częstotliwość drgań I modu łopatek. Powyższe parametry umożliwiają jednoznaczne rozdzielenie analizowanych zjawisk dynamicznych. Analiza wyników badań palisady VII stopnia sprężarki wykazała [388], że w widmie sygnału są obecne rzędowości: 1 EO (silna), 2 EO, 3 EO i 4 EO (słabe), które są nośnikiem informacji diagnostycznej o stanie technicznym środkowej podpory silnika. Obserwacja stanu namagnesowania powierzchni wierzchołkowej łopatek może być zatem nośnikiem nowej jakościowo informacji diagnostycznej, która odwzorowuje nie tylko stan wytężenia pióra, ale również źródło dominujących obciążeń. Zastosowanie efektów magnetomechanicznych do monitorowania pracującego silnika wymaga jednak zastosowania szybkiego czujnika pola magnetycznego. Funkcję taką pośrednio realizuje czujnik indukcyjny stosowany w zadaniu III, co oznacza, że w sygnale dyskretnym TOA (7.58) należy oczekiwać również ww. składowych wirnikowych. Na podstawie przeprowadzonych badań wykazano, że czułość i rozdzielczość zastosowanej sondy MPM umożliwiła obserwację zmian pola magnetycznego palisady VII stopnia sprężarki z odległości 0,7 m! W sygnale obserwowano trend aperiodyczny i składową periodyczną o amplitudzie 0,3 A/m i rzędowości 1 EO. Istnieją zatem techniczne przesłanki diagnozowania środkowej podpory silnika typu SO-3 metodą MPM bez zdejmowania osłon silnika. Czujnik MPM może służyć również jako bezdotykowy tachometr w badaniach drgań silnika. Uzyskane wyniki badań MPM potwierdziły stwierdzenie fizyków, że każdy materiał jest magnetycznie czynny. Problem techniczny obserwacji zjawisk magnetycznych (statycznych i dynamicznych) w materiałach para- i diamagnetycznych na silniku sprowadza się do: 153

154 właściwego doboru czułości i zakresu pomiarowego sondy, wiarygodnego wydzielenia nowych symptomów diagnostycznych. Pomiary słabego pola magnetycznego nie stwarzają obecnie większych problemów metrologicznych. Na potrzeby badań medycznych (magnetokardiografii, magnetoencefalografii, pomiarów biopola) i geofizyki wykorzystywane są sygnały o sześć rzędów słabsze od sygnału uzyskanego dla zdalnego pomiaru wirnika sprężarki silnika typu SO-3. Rys Stan namagnesowania łopatek I stopnia sprężarki obserwowany poprzez kadłub przy ręcznym pokręcaniu wirnika (pomiar gradiometryczny, rozstaw sond 0,7 m) wyraźna rzędowość 1EO na składowej H x (wzdłuż osi silnika) Wnioski z badań MPM Uzyskane wyniki badań MPM potwierdziły techniczną możliwość wstępnej identyfikacji zagrożenia zmęczeniowego łopatek sprężarki w rzeczywistych warunkach eksploatacji silnika lotniczego [ ,394,402]. Wyniki badań MPM ujawniły również nowe jakościowo i ilościowe informacje, które opisują sygnał z czujnika indukcyjnego (obserwatora TTM) i są niezbędne do poprawy wiarygodności realizacji zadania III. 154

155 Możliwości badawcze i diagnoza MPM wykracza poza typowe ramy myślenia klasycznego użytkownika floty lotniczej, który podejmuje działania profilaktyczne najczęściej dopiero po zaistniałym zdarzeniu. Wczesna identyfikacja zagrożenia zmęczeniowego (na poziomie zmian gęstości dyslokacji w materiale) postrzegana jest przez takiego użytkownika jako wyszukiwanie nieistniejących problemów. Realizacja zadania I wymaga więc nie tylko wiarygodnej metody badawczej (możliwości zarejestrowania narastającego zagrożenia zmęczeniowego materiału), ale przede wszystkim przekonania użytkownika floty o celowości realizacji takich badań profilaktycznych. Niewątpliwą zaletą zastosowania MPM w systemach monitorowana silnika jest: rejestracja sygnału diagnostycznego skorelowanego z naprężeniami własnymi łopatek oraz lokalnymi właściwościami magnetycznymi i elektrycznymi ich materiału; niskie koszty toru pomiarowego; możliwość wykonywania pomiarów poprzez kadłub sprężarki i turbiny, przy bardzo małej prędkości obrotowej lub zatrzymanym wirniku. W tym zakresie metoda MPM rozszerza możliwości metody TTM, zaproponowanej przez autora do sterowania zmęczeniem łopatek sprężarki w eksploatacji. Niedoskonałości MPM, prezentowane w literaturze, m.in. [10,106], są związane głównie z: nadmiernym uproszczeniem toru pomiarowego (obserwacją rzutu nieznanego wektora na płaszczyznę zagadnienie 2D, lub na oś zagadnienie 1D) i modelu naturalnego źródła magnesowania (pominięciem składowych zmiennych ziemskiego pola magnetycznego oraz wpływu namagnesowania otaczających obiektów i szumu elektromagnetycznego); pominięciem innych niż naprężenia źródeł magnesowania ferromagnetyka w interpretacji lokalnych anomalii magnetycznych; pominięciem różnic właściwości magnetycznych faz mikrostruktury materiału polikrystalicznego; pominięciem doświadczeń aktywnych metod magnetycznych (m.in. prądów wirowych, szumu Barkhausena, MLF, PMFT), efektów magnetosprężystych oraz zasad projektowania przetworników piezomagnetycznych, w których MPM jest zjawiskiem niepożądanym. Sprzężenie magnetomechaniczne (odwracalne i nieodwracalne) polikrystalicznego ferromagnetyka jest uwarunkowane od: współczynnika Reyleigha przenikalności magnetycznej μ,, n, przewodności właściwej ρ,, n i modułu Younga E E, E,, mierzonych w kierunku równoległym i prostopadłym do obciążenia oraz E n normalnej do powierzchni. Parametry,, E są wielkościami zespolonymi, w których część rzeczywista opisuje zjawiska odwracalne, a część urojona - zjawiska nieodwracalne (straty magnetyczne, elektryczne i mechaniczne). Możliwości wykorzystania MPM w systemach monitorowania stanu technicznego techniki lotniczej zostały dostrzeżone w USA przez DARPA w programie PROGNOSIS [68]. Koncepcja monitorowania konstrukcji wielkogabarytowych na bazie metody MPM jest rozwijana w Polsce w ramach projektu badawczego MONIT, finansowanego ze środków Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka Autor uczestniczy w tym projekcie. Uzyskane wyniki badań MPM oraz doświadczenia krajowych i zagranicznych ośrodków naukowo-badawczych są impulsem dla autora do podjęcia prac nad optymalizacją metody na potrzeby monitorowania elementów techniki lotniczej, z uwzględnieniem specyfiki eksploatacji statków powietrznych. 155

156 8.3. Detekcja wczesnej fazy zmęczenia łopatek w remoncie metodą EMA (zadanie II) Do obiektywnej oceny stanu technicznego łopatek i detekcji wczesnej fazy zmęczenia materiału w ramach remontu silnika, autor zastosował eksperymentalną analizę modalną. W badaniach modalnych uwzględniono typowe pęknięcia łopatek spotykane w eksploatacji. W większości przypadków pęknięcie położone jest w pobliżu linii węzłowych drgań giętych lub skrętnych. Spotyka się również pęknięcia położone w innych miejscach pióra, które zostały zainicjowane przez koncentrację naprężeń własnych, np. wady obróbki powierzchniowej lub karby mechaniczne. Badania wykonano z przestrajanym pobudzeniem jednotonowym harmonicznym na łopatkach: I VII stopnia sprężarki silnika typu SO-3 (stal 18H2N4WA); I stopnia sprężarki silnika typu TW3-117 (stop tytanu WT-8M, tj. Ti5.8Al-3.7Mo). Badane łopatki były zdemontowane z silnika lub pochodziły z magazynu i nie miały jednoznacznie określonego czasu eksploatacji. Były obiektami typu czarna skrzynka Stan wyjściowy W eksperymentalnej analizie modalnej łopatka pobudzana jest do drgań przez znane wymuszenie, którego parametry są rejestrowane równocześnie z parametrami drgań pióra Kontrola częstotliwości drgań własnych łopatek Do zgrubnej kontroli właściwości modalnych łopatek w produkcji i remoncie silników lotniczych stosuje się szybki test modalny przestrajane pobudzenie jednotonowe harmoniczne. Za jego pomocą sprawdza się łopatki tylko na zgodność z wymaganą częstotliwością drgań własnych I modu (CzDW). Kontrola dotyczy więc ograniczonej wąskopasmowej analizy właściwości rezonansowych łopatki. Idea badań CzDW bazuje na modelu modalnym układu liniowego o jednym stopniu swobody (SDOF): jednostkowej masie m, sztywności K i tłumieniu wiskotycznym C, które są odwzorowane w badanej łopatce przez częstotliwości drgań własnych I modu. Dla populacji łopatek wykonanych z: jednakowego gatunku materiału, powtarzalną obróbką cieplno-mechaniczną, tolerancją wymiarową pióra (rozkładem masy wzdłuż wysokości i cięciwy), oczekuje się, że K i C są podobne w rozumieniu rozkładu normalnego. Określając ograniczenia na częstotliwość I modu konstruktor silnika zakładał, że spełnione będą również w sposób niejawny kryteria ograniczające tolerancje K i C. Tymczasem są to parametry, które niosą informację diagnostyczną o jakości struktury polikrystalicznej i stanie zmęczenia materiału (m.in. cyklicznym umocnieniu lub cyklicznym osłabieniu struktury) poprzedzającym otwarte pęknięcie [45]. Obserwowana CzDW łopatki ujawnia zmiany wartości K i C w sposób pośredni, przy dużych odstępstwach ich wartości od wartości oczekiwanej, np. przy otwartym pęknięciu zmęczeniowym. Celem szybkiego testu modalnego nie jest jednak ocena stanu technicznego łopatek (wykrywanie pęknięć), a jedynie dopasowanie wartości częstotliwości I modu do obowiązujących warunków technicznych. Dostrojenie łopatki realizowane jest poprzez usuwanie materiału pióra z miejsc technologicznie dopuszczalnych. Efektem ubocznym dostrajania jest zmiana rozkładu masy wzdłuż wysokości pióra, która skutkuje: zmianą wartości współczynnika przyrostu dynamicznego częstotliwości I modu (od sił odśrodkowych podczas pracy silnika); brakiem jednoznacznego odwzorowania właściwości modalnych łopatki na pracującym silniku z częstotliwością drgań własnych; dwie łopatki o: - jednakowej wartości częstotliwości drgań własnych I modu mogą mieć zasadniczo 156

157 różne wartości częstotliwości drgań I modu na zakresie startowym silnika, - różnej wartości częstotliwości drgań własnych I modu mogą mieć jednakowe wartości częstotliwości drgań I modu na zakresie startowym silnika. Dostrajanie częstotliwości I modu łopatki w produkcji i remoncie: a) zwiększa rozrzut właściwości modalnych populacji łopatek, szczególnie dla wyższych modów drgań tabela 8.2, co skutkuje zwiększoną randomizacją procesu zmęczenia materiału łopatek w eksploatacji i ryzykiem urwania pióra; b) umożliwia ukrycie błędów produkcji lub nadmiernej regeneracji łopatki, np. nadmiernego pocienienia profilu pióra. Zasadniczo różne warunki pracy populacji łopatek przy jednakowym widmie ich obciążeń sprawiają, że czas eksploatacji łopatek i profile misji lotniczych nie odwzorowują jednoznacznie postępującego zmęczenia materiału. Dlatego do analizy ryzyka zagrożenia zmęczeniowego autor używa modelu matematycznego uwzględniającego trzy równoległe procesy zmęczeniowe (przyśpieszonego, normalnego i spowolnionego zużycia zmęczeniowego). Tabela 8.2. Częstotliwość drgań własnych łopatek sprężarki I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 Nr Prążka EMA łopatki z wypracowanym resursem, pobudzenie impulsowe pomiar mikrofonem analiza FFT ITWL EMA nowe łopatki, pobudzenie harmoniczne FEM dane z rysunku konstrukcyjnego nr WSK PZL Rzeszów S.A. IMP PAN ITWL COMAN f i [Hz] f i [Hz] f i [Hz] f i [Hz] Uwagi f i [Hz] Liczba łopatek I mod (f 1 ) f f (1:3,863; = 0,113) (1:3,918) (1:3,976) (1:3,933) (1:3,946) II mod (f 2 ) (f 1 : f 2 ) ? (1:5,325; = 0,049) (1:5,369) (1:5,458) (1:5,384) (1:5,414) III mod (f 3 ) (f 1 : f 3 ) ? IV mod (f 4 ) ? V mod (f 5 ) ? VI mod (f 6 ) ? VII mod (f 7 ) VIII mod (f 8 ) Uwaga: 1. W dotychczasowych badaniach EMA, wykonanych za pomocą mikrofonu (pobudzenie impulsowe oraz harmoniczne na wzbudniku), nie wykryto IV modu drgań łopatki, wykazywanego w obliczeniach FEM. 2. W modelu uproszczonym łopatki (IMP PAN rys. 5.8) nie wykryto modu VII drgań. 3. COMAN modelowało łopatkę przy pomocy 716 elementów skończonych 20-węzłowych ( stopni swobody), obliczenia prowadzono do 5 khz. 157

158 Monitorowanie wczesnej fazy zmęczenia materiału łopatek w remoncie wymaga zastosowania czułych metod diagnostycznych. Do takiego zadania diagnostycznego autor zaproponował wykorzystanie nowych możliwości skomputeryzowanego stanowiska prób zmęczeniowych w WZL-3. Opracowana metodyka badań bazuje na rejestracji krzywej rezonansowej I modu drgań i analizie jej cech, które oprócz częstotliwości drgań własnych odwzorowują: poziom liniowości obiektu badań [91,221], rzeczywiste wartości parametrów K i C. W 2008 r. metodyka badań została wdrożona w WZL-3 i jest używana do kontroli łopatek I stopnia sprężarki silnika typu TW3-117, wykonanych ze stopu tytanu WT8-M. Badania wykonywane są przez średni personel techniczny zakładu remontowego w ramach dotychczasowej kontroli CzDW. Czas badania pojedynczej łopatki został wydłużony tylko o 1 minutę i wraz z czynnościami przygotowawczymi nie przekracza 3 minut Próby zmęczeniowe Próba zmęczeniowa jest jednym z etapów kontroli: jakości produkcji partii łopatek ( łopatek w serii), stanu technicznego remontowanej palisady sprężarki danego silnika (badanie wykonywane tylko dla zagrożonych palisad, np. I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 zawierającej 28 łopatek). Próbę zmęczeniową dwustronnego zginania pióra wykonuje się na wzbudniku w celu potwierdzenia wytrzymałości zmęczeniowej normatywnej C badanej populacji łopatek. Badania zmęczeniowe poprzedzone są pomiarami tensometrycznymi, w ramach których wyznacza się związek pomiędzy naprężeniami normalnymi i amplitudą drgań pióra obserwowaną mikroskopem optycznym lub laserową głowicą pomiarową. Próbę zmęczeniową uznaje się za zaliczoną bezwarunkowo, gdy żadna z trzech łopatek nie wykaże symptomów pęknięcia po zakończeniu testu. Próbę danej łopatki przerywa się, gdy wystąpią objawy pęknięcia pióra. Symptomem pęknięcia stalowych łopatek jest obniżenie częstotliwości drgań własnych o więcej niż f (wartość zależy od częstotliwości I modu łopatki). Dla łopatek I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 f = 3 Hz. W przypadku stwierdzenia pęknięcia pióra co najmniej jednej łopatki wykonuje się rozszerzoną próbę zmęczeniową dla kolejnych trzech łopatek. Próbę uznaje się za zaliczoną warunkowo, gdy żadna z badanych łopatek nie wykaże cech pęknięcia pióra podczas testu i po jego zakończeniu. Bezwzględne i warunkowe zaliczenie próby zmęczeniowej jest podstawą dopuszczenia pozostałych łopatek badanej populacji do eksploatacji. Po próbie zmęczeniowej wybrakowaniu podlegają: łopatki używane do próby, wszystkie łopatki z badanej populacji, dla której próba zmęczeniowa była negatywna. Na miejsce wybrakowanych łopatek montowane są łopatki nowe lub eksploatowane na innych silnikach. Analizując kryteria próby zmęczeniowej, dostrzega się, że bazuje ona na założeniu o rozkładzie normalnym, który opisuje statystyczne właściwości zmęczeniowe pełnej populacji łopatek. Założenie takie jest jednak słuszne tylko dla łopatek nowych, tj. dla kontroli jakości produkcji. Populację nowo wyprodukowanych łopatek: wykonano z jednakowego materiału (tej samej partii półproduktu dostarczonego z huty), poddawano podobnym czynnościom technologicznym, narażono na podobny poziom błędów ludzkich (np. przypalenia szlifierskie). 158

159 Przyjęcie założenia o rozkładzie normalnym nie do końca jest poprawne do oceny trwałości zmęczeniowej łopatek z eksploatacji. Wiarygodność statystycznej próby zmęczeniowej łopatek maleje w kolejnych remontach silnika, ze względu na: duży rozrzut właściwości modalnych i indywidualne procesy zmęczeniowe łopatek danej palisady, uzupełnianie palisady innymi łopatkami. W przypadku IV remontu głównego silnika typu SO-3 rozrzut czasu pracy łopatek I stopnia sprężarki może zawierać się od godzin. Dla I modu drgań łopatki ww. czas pracy odpowiada cyklom LCF (uruchomieniom silnika) i cyklom HCF. Z tak niejednorodnej populacji łopatek losuje się trzy łopatki do badań zmęczeniowych. Kosztowna i pracochłonna próba zmęczeniowa łopatek wykonywana w remoncie silnika (ok. 16 rbg dla pierwszych trzech łopatek) jest w rzeczywistości pozornym badaniem, mającym na celu spełnienie wymogów technologii remontowej opracowanej 40 lat temu. Dynamiczny rozwój technik pomiarowych oraz komputeryzacja stanowiska prób zmęczeniowych umożliwia zastosowanie tańszych i skuteczniejszych metod weryfikacji stanu technicznego łopatek. Jedną z nich jest propozycja autora, której ideą jest wykorzystanie symptomów wczesnej fazy zmęczenia materiału łopatek. Symptomów obserwowanych w kształcie krzywej rezonansowej I modu drgań łopatki podczas zmodernizowanej kontroli CzDW łopatek. Zaletami proponowanej metody są: wysoka wiarygodność badań kontrolowane są wszystkie łopatki palisady; obiektywna detekcja fazy narastającego zmęczenia materiału; możliwość wykonywania badań przez przeszkolony średni personel techniczny; możliwość detekcji błędów ludzkich (personelu wykonującego badania, decydentów); niska pracochłonność badań równoczesna analiza CzDW i stanu technicznego; czas badania pojedynczej łopatki do 3 minut; czas badań wszystkich łopatek palisady nie przekracza 10% dotychczasowego czasu badań zmęczeniowych trzech łopatek! niskie koszty badań wybrakowaniu podlegają tylko łopatki, które nie spełniają kryterium wytrzymałościowego; obniżone koszty eksploatacji stanowiska prób zmęczeniowych. Możliwości nowej metody badawczej detekcji wczesnej fazy zmęczenia materiału są badane przez autora od 2006 r. na stalowych i tytanowych łopatkach sprężarki, przy współpracy z WZL-3. Analiza krzywej rezonansowej, a nie wartości częstotliwości drgań własnych została wykorzystana w ramach profilaktyki powypadkowej silników typu TW3-117 (po dwóch przypadkach zmęczeniowego urwania łopatek I stopnia sprężarki). Od 2008 r. metoda analizy krzywej rezonansowej używana jest w remoncie silnika typu TW3-117 do obiektywnego wykrywania: końcowej fazy cyklicznego osłabienia materiału, pęknięcia zmęczeniowego pióra, nadmiernych błędów mikrostruktury i anizotropii strukturalnej, nadmiernego pocienienia pióra Częstotliwości modalne i postacie drgań łopatek Do wiarygodnej oceny ryzyka przyspieszonego zmęczenia sprężarki w zadaniu III wskazana jest znajomość szerokopasmowych właściwości modalnych każdej palisady, z uwzględnieniem wpływu tolerancji wykonania łopatek. Na ich podstawie budowany jest wykres prędkości krytycznych i oceniane są zakresy pracy silnika, w których występują rezonanse synchroniczne. Informacje o częstotliwościach, liniach węzłowych i postaciach drgań jest jednak niedostępna diagnoście. Niewielką pomocą służą technologie remontowe silnika, w których dostępna jest tylko informacja o częstotliwości I modu drgań wybranych stopni sprężarki. 159

160 Od 2006 r. autor realizował badania mające na celu szerokopasmową identyfikację właściwości modalnych łopatek sprężarki z silników typu SO-3 i TW3-117 [ ,364, 370]. W precyzyjnych badaniach właściwości modalnych łopatek używano dwóch technik laserowego pomiaru drgań: pomiarów punktowych głowicą LTC firmy MTI Instruments [439], pomiarów powierzchniowych głowicą skanującą PSV-400 firmy Polytec [450]. W obu technikach stosowano pobudzenie jednotonowe harmoniczne, które było przestrajane w paśmie wykonywanych badań Podstawy teoretyczne uproszczonego eksperymentu modalnego Dla testu jednotonowego harmonicznego drgania pióra łopatki (układu liniowego) opisuje równanie 2 d y( t) dy( t) m C Ky( t) F( t) 2 dt dt F( t) A( )sin( t) y( t) B( )sin t (8.7) Oczekiwana teoretyczna charakterystyka modu jest ciągła w otoczeniu rezonansu i wykazuje dużą symetryczność wokół częstotliwości rezonansowej. Przyjmuje się, że wartość częstotliwości rezonansowej nie zależy od amplitudy drgań pióra. Charakterystycznymi parametrami układu SDOF są: a) wzmocnienie amplitudy B G (8.8) A b) przesunięcie fazy () pomiędzy wymuszeniem harmonicznym, a odpowiedzią układu; c) częstotliwość kołowa 0 (częstotliwość f 0 ) drgań własnych układu bez tłumienia (rezonans amplitudy) k 0 m 0 f0 2 d) częstotliwość kołowa drgań tłumionych (rezonans fazy), wyznaczana na podstawie warunku () = -90 o (8.9) 2 c 2 d 0 1 (8.10) k m 2m e) kształt charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej dla danego punktu pomiarowego i kierunku obserwacji drgań pióra B( ) y st f 1 A 0 y st (8.11) 160

161 f) kształt charakterystyki fazowo-częstotliwościowej dla danego punktu pomiarowego i kierunku obserwacji drgań pióra g) hodograf 0 arctan (8.12) y y cos (8.13) h) logarytmiczny dekrement tłumienia, możliwy do wyznaczenia na podstawie charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej, fazowo-częstotliwościowej lub hodografu. Najczęściej używana relacja wykorzystuje informację o częstotliwości rezonansowej 0 i szerokości krzywej rezonansowej na poziomie 0,707B( 0 ) lub 0,5B( 0 ) 0,707 0, (8.14) Bezpośrednie wyznaczenie parametrów a f możliwe jest tylko w EMA (przy znanym wymuszeniu). Hodograf i logarytmiczny dekrement tłumienia możliwe są do precyzyjnego wyznaczenia zarówno w EMA, jak i OMA, co zostało wykorzystane w zadaniu III Idea diagnozowania wczesnej fazy zmęczenia materiału W przypadku pęknięcia pióra w badanym układzie pojawia się dodatkowy stopień swobody i nieliniowość związana z dodatkowym rozpraszaniem energii na szczelinie pęknięcia i zwiększonej liczbie defektów mikrostruktury (etap II i III z rys. 2.11). Efektem zmian ilościowych i jakościowych układu jest [13,70,91,221,334,335]: zmiana kształtu krzywej rezonansowej i jej nieciągłość, wyraźna podatność częstotliwości rezonansowej na amplitudę wymuszeń, odwzorowaną w pochyleniu krzywej rezonansowej. Różnice właściwości modalnych dobrej i pękniętej łopatki (układu liniowego i nieliniowego) zobrazowano na rys Przechodzenie układu liniowego w nieliniowy odwzorowuje narastające zmiany zmęczeniowe materiału; stany zmęczenia, które poprzedzają otwarte pęknięcie pióra i są możliwe do obserwacji na skomputeryzowanym stanowisku prób zmęczeniowych metodą analizy kształtu krzywej rezonansowej. Zaletą takiej metody oceny stanu technicznego łopatki, zaproponowanej przez autora w 2006 r. i zweryfikowanej w ramach niniejszego projektu badawczego, jest pominięcie mało wiarygodnego parametru diagnostycznego częstotliwości I modu drgań. Zgodnie z teorią układów nieliniowych [13] pęknięta łopatka może mieć twardą lub miękką charakterystykę sztywności, której cechy odwzorowuje kierunek pochylenia krzywej rezonansowej rys Pochylenie krzywej wskazuje również wpływ amplitudy drgań łopatki na zmiany częstotliwości rezonansowej. Zachowanie pękniętej łopatki w pobliżu rezonansu opisują dwie gałęzie: rezonansowa S r i nierezonansowa S n oraz strefy 161

162 przeskoków s na i s nb. Nieciągłość charakterystyki rezonansowej i strefy przeskoków można obserwować podczas dwustronnego testu sinusoidalnego (na zwiększanie i zmniejszanie częstotliwości). Rys Różnice właściwości modalnych dobrej i pękniętej łopatki sprężarki, wykorzystane do diagnozowania wczesnej fazy zmęczenia materiału Eksperyment czynny W celu uzyskania kryteriów diagnostycznych dla nowo zdefiniowanych parametrów wykonano badania modalne łopatek stalowych i tytanowych na skomputeryzowanym stanowisku prób zmęczeniowych w WZL-3 (próby na wzbudniku) i IMP PAN (pobudzanie łopatek przy pomocy piezoelementu). a) b) Rys Krzywa rezonansowa pękniętej łopatki (nieliniowego układu SDOF): a) bez umocnienia na wierzchołku szczeliny (obserwowana na stalowych i tytanowych łopatkach); b) z umocnieniem na wierzchołku szczeliny (obserwowana dotychczas tylko na tytanowych łopatkach) 162

163 Identyfikacja możliwości metrologicznych punktowego pomiaru drgań Ideą punktowego pomiaru drgań łopatki jest proporcjonalne odwzorowanie amplitudy przemieszczeń powierzchni pióra, podświetlanej laserem, na matrycy CMOS głowicy pomiarowej LTC Na wyjściu analogowego układu pomiarowego otrzymywany jest sygnał napięciowy, którego pasmo częstotliwości do 20 khz ogranicza filtr dolnopasmowy. Równomierna dyskretyzacja sygnału analogowego z częstotliwością 44 khz spełnia warunek Nyquista. Z sygnału pomiarowego jest wydzielana składowa periodyczna o częstotliwości zadawanego wymuszenia (dekompozycji sygnału, realizowanej przez fabryczne oprogramowanie toru pomiarowego). W efekcie takiej dekompozycji gubiona jest informacja o poziomie nieliniowości badanego obiektu, która oczekiwana jest w postaci drgań łopatki na wyższych harmonicznych częstotliwości wymuszającej tabela 8.2. Czułość toru pomiarowego wynosi 100 mv/mm, gwarantując rozdzielczość pomiaru amplitudy na poziomie 20 m (sygnał niefiltrowany). Podczas badań wstępnych zweryfikowano rzeczywiste możliwości skomputeryzowanego stanowiska prób zmęczeniowych. Stwierdzono, że zapewnia ono laboratoryjną powtarzalność pomiarów według żądanego profilu próby (szybkości wobulacji, poziomu i zakresu częstotliwości wymuszeń) oraz rejestrację przebiegu próby na komputerze. Pomiary realizowano w paśmie Hz [360,364,370]. Na tym etapie badań zidentyfikowano: Typowe widmo i mody drgań łopatek stalowych i tytanowych. Dla łopatki I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 udokumentowano możliwość obserwacji: - słabego modu drgań obecnego w paśmie Hz, oczekiwanego z obliczeń FEM; - modu drgań w paśmie Hz, niesygnalizowanego przez obliczenia FEM, a obserwowanego podczas EMA z pobudzeniem impulsowym na łopatkach z wypracowanym resursem technicznym tabela 8.2. Wpływ poziomu wymuszeń i warunków utwierdzenia łopatki na właściwości poszczególnych modów. Kontrolowane zmiany warunków utwierdzenia łopatki w uchwycie umożliwiły wyznaczenie symptomów diagnostycznych pęknięcia tarczy dla metody TTM. Możliwości monitorowania zmian częstotliwości danego modu podczas inicjacji i propagacji pęknięcia zmęczeniowego. Stwierdzono, że kryterium łopatka bez pęknięcia, stosowane w technologii remontu sprężarki silnika typu SO-3, może być spełnione również przez łopatkę pękniętą, co dodatkowo obniża wiarygodność niszczącej próby zmęczeniowej Identyfikacja właściwości modalnych łopatek Na podstawie pomiarów jednopunktowych wyznaczono właściwości modalne łopatek, na podstawie których: uzyskano rzeczywiste dane wejściowe do realizacji zadania III sterowania procesem zmęczenia łopatek; dla silnika SO-3 podstawowe dane modalne przedstawia tabela 8.3; można wyróżnić trzy typy reakcji łopatki na wymuszenia periodyczne: G() < 1 pasmo zaporowe, łopatka tłumi drgania; G() <1, 10> pasmo słabej wrażliwości, niebezpieczna amplituda drgania G() > 10 łopatek może wystąpić przy wysokim poziom wymuszeń; zakresy rezonansowe (wzmocnienia zjawiska), niebezpieczne drgania łopatek mogą wystąpić również przy niskim poziomie wymuszeń; zweryfikowano wiarygodność starych źródeł wiedzy eksperymentalnej (wiedzę konstruktora i producenta dostępną w raportach i sprawozdaniach z XX w.). 163

164 Tabela 8.3. Właściwości modalne łopatek I VII stopnia sprężarki silnika typu SO-3 wyznaczone na podstawie pomiarów głowicą laserową LTC Stopień sprężarki Mod 1 Mod 2 Mod 3 f 0 G( 0 ) f populacji f 0 G( 0 ) f populacji f 0 G( 0 ) f populacji [Hz] [m/m] [Hz] [Hz] [m/m] [Hz] [Hz] [m/m] [Hz] I 348, II 444, III IV V VI VII 1930, Uwaga: Oczekiwana częstotliwość populacji łopatek danej palisady została oszacowana na podstawie testów modalnych z pobudzeniem impulsowym Identyfikacja częstotliwości rezonansowych łopatek, obecnych w badanym paśmie wymuszeń, oraz współczynników wzmocnienia w rezonansie każdego modu jest pierwszym krokiem opisania właściwości modalnych sprężarki. Po zweryfikowaniu danych i odrzuceniu ewentualnych rezonansów wzbudnika niezbędne jest wyznaczenie postaci drgań i położenie linii węzłowych (stref koncentracji naprężeń) Identyfikacja linii węzłowych i postaci drgań Wstępną identyfikację podstawowych postaci drgań łopatek z wlotowych stopni sprężarki silników typu SO-3 i TW3-117 autor wykonał na stanowisku prób zmęczeniowych. Identyfikacja była realizowana w paśmie do 4 khz przez serię pomiarów jednopunktowych wykonywanych według planu eksperymentu bazującego na dwuwymiarowej matrycy 25 punktów na powierzchni pióra. Uzyskane wyniki badań były przetwarzane numerycznie przez oprogramowanie własne autora. Wadą ręcznej techniki identyfikacji postaci drgań łopatki jest: duża pracochłonność badań (około 8 rbg na jeden mod) przy stosowaniu testu jednotonowego harmonicznego; rzadka matryca punktów pomiarowych, ograniczająca możliwości wiarygodnej identyfikacji wyższych postaci drgań pióra (wpływ kryterium Nyquista dla dyskretnej reprezentacji punktów pomiarowych); wrażliwość wyników badań modalnych na: - staranność wykonywania pomiarów (dokładność ustawiania współrzędnych punktów pomiarowych, szczególnie istotna podczas identyfikacji wyższych modów drgań); - zmiany warunków otoczenia (temperatury otoczenia, stabilności termicznej aparatury pomiarowej, zmiany poziomu zakłóceń przy wykonywaniu pomiarów na terenie zakładu przemysłowego). Powyższych wad pozbawiona jest technika identyfikacji właściwości modalnych łopatki za pomocą skanującej głowicy laserowej z efektem Dopplera. Rola operatora sprowadza się do wskazania obszaru pomiarowego na piórze łopatki, gęstości siatki pomiarowej (liczby punktów) oraz uruchomienia testu. Pomiar w poszczególnych punktach gęstej matrycy jest realizowany automatycznie przez głowicę skanującą. Zaletą takiego pomiaru jest: automatyzacja i bardzo wysoka wydajność procesu badawczego. Szerokopasmowa 164

165 identyfikacja wszystkich modów łopatki w paśmie do 20 khz nie przekracza 8 rbg, przy matrycy zawierającej ponad 900 punktów pomiarowych; wysoka precyzja pomiaru przemieszczeń (prędkości drgań) powierzchni pióra (o ponad trzy rzędy wyższa niż w głowicy laserowej LTC ); czułość głowicy Dopplerrowskiej umożliwia: - zastosowanie przetwornika piezoelektrycznego (PZT) nalepianego na piórze łopatki jako źródła wymuszeń sterowanych z generatora małej mocy, - szerokopasmową identyfikację właściwości modalnych krótkich łopatek, w tym łopatek słabo utwierdzonych w zamku (pomiary na silniku); możliwość wykonywania precyzyjnego pomiaru drgań pióra z dużej odległości (do kilku metrów, w głowicy LTC tylko do 160 mm); podczas badań łopatek sprężarki pomiary wykonywano z odległości od 40 do 120 cm; możliwość wykorzystania wyników precyzyjnych pomiaru do weryfikacji modeli FEM oraz analizy niekorzystnych zjawisk aerodynamicznych i akustycznych występujących w silniku, np. zjawiska flatteru. Przykładowe wyniki badań zobrazowano na rys. 8.7 i w tabeli 8.4. Stosowanie PZT do pobudzenia drgań łopatki wymaga ustalenia optymalnego położenia przetwornika na powierzchni pióra. Podobnie jak w badaniach młotkiem modalnym położenie przetwornika wpływa na jakość wyników badań. W przypadku prezentowanych wyników badań mocowanie przetwornika PZT nie było optymalne dla łopatki z silnika typu SO-3, co skutkowało wytłumieniem drugiej postaci drgań. Pobudzenie drgań pióra przy pomocy PZT ograniczone jest do łopatek z cienkim profilem. Rys Szerokopasmowa identyfikacja właściwości modalnych łopatki ostatniego stopnia sprężarki silnika TW3-117 za pomocą skanującej głowicy laserowej z efektem Dopplera (906 punktów pomiarowych) Tabela 8.4. Właściwości modalne łopatek zidentyfikowane głowicą PSV-400 Łopatka sprężarki SO-3 TW3-117 Rozmiar pióra h = 98 mm c =35 mm h = 15 mm c = 11 mm Częstotliwość [Hz] Mod 1 Mod 2 Mod 3 Mod 4 Mod 5 Mod 6 Mod 7 Mod 8 Mod

166 Identyfikacja symptomów zmęczenia materiału Identyfikację narastającego zmęczenia materiału łopatek realizowano podczas testów LCF i HCF. Do badań wykorzystywano również łopatki, na których pęknięcie zostało zainicjowane w rzeczywistych warunkach pracy silnika rys Rys Badania zmęczeniowe łopatki I stopnia sprężarki silnika typu TW3-117 Na podstawie analizy trendu parametrów modalnych danej łopatki wykazano możliwość obserwacji fazy cyklicznego umocnienia i cyklicznego osłabienia materiału oraz wyznaczono symptomy narastającego zmęczenia łopatek sprężarki (stalowych i tytanowych) rys Rys Wpływ narastającego zmęczenia materiału na właściwości I modu drgań stalowej łopatki (I stopień wirnika sprężarki silnika typu SO-3) 166

167 Stwierdzono, że symptomem: a) cyklicznego umocnienia materiału jest zwiększenie dobroci liniowego układu rezonansowego (zmniejszenie tłumienia), które skutkuje zwiększeniem wartości: częstotliwości rezonansowej, amplitudy drgań w rezonansie; b) postępującego cyklicznego osłabienia materiału jest narastająca nieliniowość układu (łopatki), która skutkuje: zwiększaniem podatności wartości częstotliwości rezonansowej na amplitudę drgań dla I modu zmiany wynosiły 2,5%, zmianą częstotliwości rezonansowej, przy czym kierunek zmian uwarunkowany jest typem nieliniowej sztywności, zmianą przesunięcia fazowego w pobliżu rezonansu (symptom wykorzystywany w zadaniu III). Wyznaczone symptomy narastającego zmęczenia materiału łopatek potwierdziły możliwość realizacji zadania II w fazie poprzedzającej otwarte pęknięcie pióra oraz poprawiły jakość diagnozy uzyskiwanej metodą TTM w zadaniu III Identyfikacja symptomów pęknięcia pióra W dotychczasowych badaniach wykazano, że pełne cechy układu nieliniowego (dwie gałęzie krzywej rezonansowej i strefy przeskoków) są [373,374]: obiektywnym symptomem diagnostycznym pęknięcia pióra, źródłem możliwych błędów identyfikacji parametrów rezonansu podczas EMA i OMA. Poziom nieliniowości układu dla pękniętej łopatki uwarunkowany jest od amplitudy drgań pióra. Dla bardzo małych amplitud (uzyskiwanych np. podczas pobudzenia przy pomocy PZT) cechy krzywej rezonansowej są charakterystyczne dla układu liniowego (zamkniętej szczeliny i łopatki bez pęknięć). Powyżej poziomu granicznego wymuszeń, zależnego od wielkości pęknięcia, ujawniają się cechy układu nieliniowego. Od tego poziomu wymuszeń krzywa rezonansowa wykazuje pochylenie w kierunku: niższych częstotliwości dla miękkiej charakterystyki sztywności, wyższych częstotliwości dla twardej charakterystyki sztywności zwiększenie poziomu wymuszeń i amplitudy drgań łopatki skutkuje wzrostem jej częstotliwości rezonansowej! [372] Obserwowany wpływ amplitudy drgań łopatki na częstotliwość rezonansową I modu nie przekraczał 5%. Wraz z postępującym pęknięciem pióra zmienia się wartość częstotliwości wszystkich modów (symptomu oczekiwanego z CDM), przy czym poziom zmian parametrów danego modu zależy od wielkości i położenia pęknięcia. Przykładowo dla I modu stwierdzono aperiodyczne zmniejszania częstotliwości do wartości zero w chwili urywania pióra (na wzbudniku). Urwanie pękniętego pióra łopatki podczas złożonego stanu naprężeń (pracy silnika) występuje przy częstotliwości dużo wyższej niż zero. Graniczna wartość częstotliwości danego modu jest zależna od lokalizacji ogniska pęknięcia, poziomu wymuszeń i procentowego udziału pola powierzchni dołom. Wśród piór łopatek urwanych na pracującym silniku dołom obejmował [350, ]: 5 30% pola powierzchni dla ogniska na grzbiecie pióra, 40 60% pola powierzchni dla ogniska przy krawędzi natarcia lub spływu. Trend częstotliwości rezonansowej podczas pękania nie zawsze występuje w kierunku mniejszych wartości. Chwilowa wartość częstotliwości danego modu zawiera również składową periodyczną, która odwzorowuje: zjawiska dynamiczne w materiale (strefy uplastycznienia i umocnienia na wierzchołku 167

168 szczeliny, przemiany fazowe), wpływ zmiennych warunków tarcia w szczelinie. Powyższe zjawiska wpływają również na dobroć układu rezonansowego i wzmocnienie amplitudy drgań w rezonansie G r rys Rys Wpływ pękania pióra stalowej łopatki na wzmocnienie amplitudy drgań I modu w rezonansie i częstotliwość I modu (poziom wymuszeń a = 5,25 g) Wypadkowa wpływu ww. składowych sprawia, że częstotliwość drgań danego modu nie odwzorowuje jednoznacznego związku z rozmiarem pęknięcia (długością i polem przekroju pęknięcia A p ), a pęknięta łopatka może mieć częstotliwość drgań zgodną z warunkami technicznymi rys Takie przypadki autor obserwował na trzech łopatkach tytanowych (z pięciu pękniętych w eksploatacji), na których stwierdzono m.in.: zgodność częstotliwości I modu z warunkami technicznymi remontu, wzrost o ponad 5 Hz (wartość oszacowana) częstotliwości I modu drgań dla łopatki z 12 mm pęknięciem pióra i 25% ubytkiem przekroju czynnego! Rys Wpływ cyklicznego umocnienia i cyklicznego osłabienia materiału na niejednoznaczność odwzorowania rozmiaru pęknięcia w częstotliwości danego modu 168

169 Używając częstotliwości danego modu do diagnozowania pękającej łopatki, należy uwzględnić oczekiwany wpływ składowej periodycznej na niepewność stawianej diagnozy. Do obniżenia ryzyka błędnej diagnozy należy korzystać dodatkowo z innego parametru modalnego, np. logarytmicznego dekrementu tłumienia czy proporcji pomiędzy wartościami częstotliwości kolejnych modów. Powyższe spostrzeżenie jest istotne do realizacji zadania III, pomimo, że autor nie przewiduje świadomej eksploatacji silnika z pękniętą łopatką sprężarki. Symptomu pęknięcia pióra (nieliniowość obiektu) nie stwierdzono w łopatkach, w których pękniecie było symulowane poprzez nacięcie uproszczenie zagadnienia pękania spotykane w literaturze [269]. Stwierdzono również, że wprowadzenie takiego uproszenie do modelu FEM łopatki jest źródłem nadmiernych błędów, odwzorowanych w niezgodności wyników obliczeń i badań eksperymentalnych tabela 8.5. Dla naciętego pióra krzywa rezonansowa danego modu odwzorowuje układ liniowy o dwóch stopniach swobody [376,388]. Obserwowane zmiany częstotliwości są wywołane tylko przez lokalną zmianę pola przekroju pióra łopatki i sztywności (w CDM zmianą modułu Younga). Tabela 8.5. Wpływ uproszczonego modelowania pęknięcia na wiarygodność wyników (symptomów diagnostycznych) Łopatka Zmiana częstotliwości [Hz] I mod II mod III mod Pęknięta Nacięta (szczelina bez tarcia) Błąd uproszczenia modelowania pęknięcia 0,28% 0,86% 2,74% Pęknięta łopatka nieliniowy układ 2 DOF dla danego modu, może być uważana za nieliniowy układ SDOF, w którym parametry krzywej rezonansowej są zależne od amplitudy wymuszeń i kierunku wobulacji częstotliwości wymuszającej [ ,376,379] Dynamika propagacji pęknięcia pióra Nieliniowe właściwości pękniętej łopatki, obserwowane w pobliżu częstotliwości rezonansowych, wywierają silny wpływ na dynamikę propagacji pęknięcia. Miękka charakterystyka sztywności (bez umocnienia wierzchołka szczeliny) rys. 8.6.a), sprzyja: dostrajaniu się łopatki (synchronizacji) do wymuszenia, którego częstotliwość jest równa lub nieznacznie wyższa niż częstotliwość rezonansowa łopatki (w paśmie określonym przez dobroć układu rezonansowego); dłuższej propagacji pęknięcia przy stałej prędkości obrotowej silnika. Podczas propagacji pęknięcia następuje płynne odstrajanie łopatki od częstotliwości wymuszeń po gałęzi rezonansowej. Prędkość propagacji maleje wraz z odstrajaniem się łopatki od częstotliwości wymuszającej i zmniejszaniem amplitudy drgań pióra. Twarda charakterystyka sztywności pękniętej łopatki sprzyja: synchronizacji drgań do wymuszenia, którego częstotliwość jest nieznacznie niższa niż częstotliwość rezonansowa łopatki; szybkiemu zatrzymaniu propagacji przy stałej prędkości obrotowej silnika. Już nieznaczne odstrojenie łopatki od częstotliwości wymuszającej skutkuje przeskokiem na gałąź nierezonansową, czemu towarzyszy skokowe zmniejszenie amplitud drgań łopatki. Propagacja pęknięcia pióra zatrzymuje się, pomimo niezmienionego poziomu wymuszeń rys

170 Rys Wpływ twardej charakterystyki sztywności na propagację pęknięcia pióra łopatki Zjawisko JCF Badając dynamikę pękania pióra stwierdzono, że prędkość propagacji pęknięcia (czas od zainicjowania do urwania pióra) nie osiąga wartości ekstremalnej przy maksymalnej amplitudzie drgań (stałym poziomie wymuszeń i ciągłym dostrajaniu częstotliwości wymuszającej do bieżącej częstotliwości rezonansowej pękającej łopatki). Wielokrotnie większą prędkość pękania uzyskano podczas wobulacji częstotliwości wymuszeń z wielokrotnym przechodzeniem przez rezonans poza strefy przeskoku. Taki profil próby zmęczeniowej odwzorowuje warunki wytężenia pióra, które panują na pracującym silniku przy zmianach zakresu pracy lub stabilizacji prędkości obrotowej. Każdorazowemu przechodzeniu przez rezonans synchroniczny towarzyszy przeskok z gałęzi: rezonansowej na nierezonansową (skokowe zmniejszenie amplitudy drgań) lub nierezonansowej na rezonansową (skokowe zwiększenie amplitudy drgań). W obu przypadkach obserwowano przyśpieszoną propagację pęknięcia wywołaną skokową zmianą amplitudy drgań łopatki przy stałym poziomie wymuszeń, tymczasem w mechanice pękania zakłada się tylko wpływ skokowego zaciążenia elementu. Stwierdzono, że możliwe jest uzyskanie kilku cykli przeskoków między gałęziami krzywej rezonansowej, przy jednym cyklu wobulacji (przejściu przez oczekiwany rezonans), co skutkuje brakiem jednoznacznego odwzorowania profilu misji w liniach przystankowych obserwowanych na powierzchni złomu. Zjawisko takie obserwowano przy wolnych zmianach częstotliwości wymuszającej. Wielokrotny przeskok między gałęziami krzywej rezonansowej skutkuje ukrytym wymuszeniem skokowym wytężenia pióra i prędkością propagacji przekraczającą nawet razy wartość wyznaczoną podczas prób zmęczeniowych ze stałym poziomem wymuszenia (ciągłym dostrajaniem do rezonansu) rys. 8.13, tabela 8.6. Wpływ nieciągłości krzywej rezonansowej na dynamikę pękania autor nazwał zjawiskiem JCF (ang. Jump Cycle Fatiuge) [379]. Szczegółowe aspekty dynamiki pękania i prognozowania trwałości uszkodzonej łopatki wykraczają poza zakres niniejszej monografii. 170

171 a) b) Rys Wpływ nieliniowości układu (pękniętej łopatki) na zjawisko JCF: a) profil zmian częstotliwości wymuszeń; b) grupa przeskoków obserwowana przy pojedynczym cyklu zmian częstotliwości wymuszającej, skutkująca zmianą częstotliwości I modu łopatki o ok. 11 Hz! Tabela 8.6. Zastane warunki propagacji pęknięcia pióra łopatki I stopnia sprężarki silnika typu TW3-117 (inicjacja pęknięcia pióra w eksploatacji podczas złożonych nieznanych obciążeń 3D) Mod Poziom wymuszeń [g] f/dt [Hz/h] Obciążenie inicjujące propagację [g] Uwagi I 8 0,44 4,5 II 20 0,20 18 III 24 0,95 17,4 Powyżej 24 g symptomy umacniania materiału Eksperyment bierny Nowe symptomy diagnostyczne wczesnej fazy zmęczenia materiału, wyznaczone na pojedynczych łopatkach, mogą być zastosowane w produkcji i remoncie silnika lotniczego dopiero po wykazaniu ich odporności na: rozrzut technologiczny wykonania łopatek (rozrzut właściwości modalnych), zmiany właściwości metrologicznych stanowiska badawczego, błędy ludzkie. Podstawą udokumentowania nowej metody badawczej i możliwości realizacji zadania II są badania statystyczne przeprowadzone dla populacji łopatek. Autor wykonał takie badania dla ponad tytanowych łopatek I stopnia sprężarki silnika TW3-117 i ponad 30 łopatek stalowych I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 [360,388]. Na podstawie wyników badań uzyskanych na statystycznie wiarygodnej populacji łopatek wykazano, że: Metodyka sigma umożliwia szybkie wyznaczanie statystycznego wzorca nieznanego problemu diagnostycznego (rozwiązywanie zagadnienia czarna skrzynka ). Symptomy diagnostyczne narastającego zmęczenia materiału, odwzorowane m.in. we współczynniku symetrii kształtu krzywej rezonansowej I modu łopatki, są odporne na rozrzut właściwości modalnych wywołany tolerancją wykonania łopatek. Jednoznaczne wskazania inicjacji pęknięcia pióra łopatek: - silnie utwierdzonych (stalowych, ciśnienie zacisku uchwytu p z = 8,5 MPa); - słabo utwierdzonych (tytanowych, ciśnienie zacisku uchwytu p z = 1,2 MPa); uzyskano już przy poziomie wymuszeń a = 0,3 g. Pogorszenie warunków utwierdzenia łopatki zmniejsza wartość współczynnika symetrii. Do różnicowania symptomu pękniętej łopatki od symptomów słabego utwierdzenia łopatki i błędów operatora niezbędne jest monitorowanie ciśnienia zacisku 171

172 łopatki w uchwycie technologicznym oraz okresowa kontrola parametrów modalnych łopatki wzorcowej. Poziom wymuszeń zastosowany do kontroli łopatek tytanowych (a = 2 g) umożliwia wiarygodne różnicowanie symptomów: - cyklicznego umocnienia, - cyklicznego osłabienia, - pęknięcia pióra, - nadmiernych błędów mikrostruktury, - nadmiernego pocienienia pióra. Algorytm detekcji niezgodności właściwości modalnych łopatki bazuje na kontroli amplitudy drgań (identyfikacja nadmiernego pocienienia i błędów mikrostruktury) i współczynnika symetrii krzywej rezonansowej (stan zmęczenia materiału). Dotychczasowy parametr modalny częstotliwość rezonansowa jest używana tylko do kontroli CzDW. Zdobyta wiedza eksperymentalna i możliwości EMA zostały wykorzystane do: a) oceny mechanizmu niszczenia łopatek w eksploatacji w ramach profilaktyki powypadkowej - cechą charakterystyczną pękania łopatki podczas pracy silnika (przy stałym profilu misji lotniczej) jest ciągła zmiana warunków wieloosiowego wytężenia materiału, wywołana przez zmianę właściwości modalnych łopatki; b) obiektywnej oceny stanu technicznego łopatek sprężarki w profilaktyce powypadkowe i remoncie silnika typu TW3-117; c) oceny wiarygodność diagnozy zadania II, w tym identyfikacji poziomu błędów statystycznych I IV rodzaju. Stwierdzono, że wyniki pomiarów uzyskane przy pomocy głowicy laserowej LTC zapewniają: - powtarzalność wyników badań (wielokrotne pomiary na łopatce wzorcowej); - możliwość identyfikacji zużycia uchwytu technologicznego i zmian warunków utwierdzenia łopatki (ciśnienie zacisku, które nie jest rejestrowane); parametrów mających istotny wpływ na uzyskiwane wyniki badań i ryzyko błędnej diagnozy. Statystyczny rozrzut wartości parametrów modalnych łopatki wzorcowej (1 sigma) nie przekroczył wartości: częstotliwość I modu 0,05% f śr ; amplituda I modu 5,7% A śr ; faza rezonansu amplitudy 1.05% śr ; współczynnika symetrii krzywej rezonansowej 3.2% WS śr ; d) realizacji zadania III, tj. sterowania procesem zmęczenia łopatek w eksploatacji Wnioski z badań EMA Na podstawie przeprowadzonych badań wyznaczono: właściwości modalne stalowych i tytanowych łopatek sprężarki silnika lotniczego, w tym pasma zaporowe, słabej wrażliwości na pobudzenia periodyczne i zakresy rezonansowe; trendy aperiodyczne i odchylenia standardowe pomiędzy analizowanymi parametrami modalnymi, które są skorelowane z cechami geometrycznymi i stanem technicznym badanych łopatek; symptomy narastającego zmęczenia materiału i otwartego pęknięcia pióra; nowe symptomy diagnostyczne, wyznaczane na podstawie kształtu krzywej rezonansowej I modu, zweryfikowano na statystycznie wiarygodnej populacji łopatek tytanowych; badania zrealizowano w ramach weryfikacji ich stanu technicznego podczas profilaktyki powypadkowej i remontu silnika typu TW3-117; dynamikę pękania pióra przy braku wpływu siły ośrodkowej; udokumentowano wpływ nieciągłości charakterystyki rezonansowej pękniętej łopatki na prędkość propagacji 172

173 pęknięcia; obserwowany wpływ stref przeskoków na dynamikę pękania pióra autor nazwał roboczo zjawiskiem JCF. Uzyskane wyniki doświadczeń na dużej statystycznie populacji łopatek tytanowych i mniejszej populacji łopatek stalowych wskazują na poprawność koncepcji analizy krzywej rezonansowej, przyjętej przez autora do realizacji zadania II detekcji wczesnej fazy zmęczenia materiału łopatek w ramach remontu silnika. Analiza krzywej rezonansowej została wdrożona w WZL-3 do remontu silników typu TW3-117 w zakresie detekcji: otwartego pęknięcia i końcowej fazy zmęczenia materiału łopatki (ocena na podstawie współczynnika asymetrii krzywej rezonansowej); nadmiernych błędów mikrostruktury i pocienienia pióra (ocena na podstawie amplitudy drgań w rezonansie). Udokumentowano możliwości wdrożenia nowej metody nieniszczącej oceny wczesnej fazy zmęczenia materiału wszystkich łopatek palisady sprężarki w remoncie silnika, w miejsce dotychczasowej próby niszczącej statystycznie wybranych łopatek. Wdrożenie metody wymaga przeprowadzenia prób dowodowych, które wykraczają poza zakres niniejszej monografii Sterowanie zmęczeniem materiału w eksploatacji metodą TTM (zadanie III) Symptomy narastającego zmęczenia materiału łopatki, wyznaczone przy pomocy MPM i EMA można obserwować podczas pracy silnika. W tym celu autor stosował metodę TTM. Do zobrazowania możliwości TTM w zakresie sterowania zmęczeniem materiału i kompleksowego diagnozowania silnika na podstawie drgań wirujących łopatek autor zebrał ponad 20-letnie doświadczenia własne nabyte podczas eksperymentów czynnych i biernych, realizowanych w ITWL, WZL-3 i jednostkach lotniczych. Korzystał również z doświadczeń zagranicznych ośrodków naukowo-badawczych i użytkowników metody TTM skupionych w EVI-GTI i PIWG. Również w tym zadaniu przyjęto założenie, że badane łopatki są obiektem typu czarna skrzynka, co było prawdą w przypadku łopatek I stopnia sprężarki silnika typu SO-3. Dla tego silnika autor realizował badania w kolejności: zadanie III (TTM), później II (EMA), a na końcu I (MPM) Aspekty teoretyczne operacyjnej analizy modalnej wirującej łopatki Parametry układu SDOF (opisane w rozdz ) z wyjątkiem hodografu nie są bezpośrednio obserwowane w TTM, gdyż: rejestrowana jest tylko odpowiedź łopatki (quasi-statyczne ugięcie i drgania pióra) na nieznane wymuszenie; sygnał dyskretny drgań łopatki nie umożliwia jednoznacznego przekształcenia jednego parametru w drugi; na wartość estymowanych parametrów mają wpływ: rzędowość danego modu drgań pióra, która wynika ze stanu technicznego łopatki; przesunięcie fazowe pomiędzy wymuszeniem harmonicznym i odpowiedzią pióra, które wynika ze stanu technicznego łopatki; początkowa faza drgań i, która wynika z położenia kątowego czujnika TTM. Parametry charakterystyczne układu SDOF wyznaczane na podstawie sygnału dyskretnego TTM różnią się od wyników obserwacji ciągłej w EMA: a) Wzmocnienie amplitudy dla niektórych położeń kątowych czujnika TTM i rzędowości drgań łopatki możliwa jest utrata bezpośredniej informacji o amplitudzie drgań. Zagadnienie dotyczy nie tylko rezonansu synchronicznego, ale również rezonansu asynchronicznego na bardzo stabilnej prędkości obrotowej silnika w punktach osobliwych 173

174 powielonej częstotliwości. b) Kształt charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej dla danej płaszczyzny obserwacji drgań pióra. Obserwowana amplituda drgań łopatki jest zniekształcana nie tylko przez efekt dyskretyzacji sygnału ciągłego, ale również przez oddziaływanie nieznanego przesunięcia fazy stałego błędu systemowego dla danego położenia czujnika TTM i stanu technicznego łopatki. c) Kształt charakterystyki fazowo-częstotliwościowej dla danej płaszczyzny obserwacji drgań pióra. Początkowa faza () jest istotna w analizie sygnału dyskretnego drgań łopatki (jitterze z rozdz. 7.3) w układach NSMS. Początkowe przesunięcie fazy można pominąć w systemach diagnostycznych TTM z pojedynczym obserwatorem stanu, w których do diagnozowania łopatek porównuje się: widma drgań wszystkich łopatek palisady (bieżący wzorzec statystyczny); różnice istniejące względem pierwszej rejestracji (zmiany amplitudy, częstotliwości i przesunięcia fazowego (), a nie fazę ()). Dla nieruchomego czujnika zmiany wartości fazy () są symptomem: zmiany poziomu wymuszeń lub fazy cyklicznego osłabienia materiału (wpływ narastającej nieliniowości układu bez stref przeskoku) lub pęknięcia pióra (dodatkowo obserwuje się zmiany częstotliwości poszczególnych modów drgań). Różnicowanie przyczyny zmian charakterystyki fazowo-częstotliwościowej następuje na podstawie analizy szerokości i amplitudy hodografu (w punktach przegięcia) oraz identyfikacji częstotliwości danego modu łopatki. d) Hodograf początkowa faza drgań jest przyczyną asymetrii hodografu i zmiennego położenia częstotliwości rezonansu amplitudy rys Punkty przegięcia hodografu wyznaczają różnicę fazy = 90 o niezależnie od początkowej fazy drgań. Precyzyjne wyznaczenie wartości częstotliwości rezonansowej na podstawie sygnału dyskretnego hodografu wymaga oszacowania wpływu nieznanego przesunięcia fazowego na jego kształt [406]. Rys Wpływ przesunięcia fazy na kształt hodografu przy stałym poziomie wymuszeń stalowej łopatki Na bazie punktów charakterystycznych hodografu danego rezonansu synchronicznego monitorowana jest wartość logarytmicznego dekrementu tłumienia którego główną składową jest tłumienie materiału C. Możliwe jest zatem monitorowanie narastającego zmęczenia w fazie cyklicznego umocnienia i cyklicznego osłabienia. 174

175 Zmiany częstotliwości danego modu łopatki i poziomu nieliniowości układu SDOF są symptomami pękniętej łopatki, które odwzorowują zmiany sztywności K i z rys Poprzez analizę położenia zakresów rezonansu synchronicznego i kształtu hodografu możliwa jest bezdotykowa detekcja pęknięcia pióra i monitorowanie propagacji pęknięcia w rzeczywistych warunkach pracy silnika. Zmiana widma nieznanych wymuszeń wywołuje zmiany w widmie drgań wszystkich łopatek palisady. Analiza drgań łopatek umożliwia zatem identyfikację niebezpiecznych zjawisk dynamicznych, które mają wpływ na przyśpieszone zmęczenie ich materiału. Możliwe jest zatem bezdotykowe monitorowanie warunków wytężenia materiału łopatek, w tym oddziaływanie złożonego widma wymuszeń (zagadnienie 3D) z uwzględnieniem wpływu sprzęgania drgań giętych i skrętnych przez wymuszenia masowe i aerodynamiczne Detekcja składowych periodycznych w sygnale analogowym TTM Na podstawie badań metodą MPM stwierdzono przemagnesowanie łopatek wirnika sprężarki z rzędowością 1 EO, 2 EO, 3 EO i 4 EO. Łopatki są nadajnikiem enkodera TTM, którego odbiornikiem w silniku typu SO-3 jest czujnik indukcyjny. W celu określenia wpływu nierównomiernego przemagnesowania łopatek na wyniki pomiarów TTM przeprowadzono rejestrację sygnału analogowego czujnika, ekstrakcję punktów charakterystycznych krzywej i analizę widmową ich wartości [386,388]. Dla wszystkich analizowanych punktów krzywej potwierdzono wypadkowy wpływ: położenia łopatek w palisadzie (amplitudy drgań pióra, luzu wierzchołkowego, błędów podziałki); namagnesowania łopatek; niskoczęstotliwościowych zjawisk związanych z dynamiką wirnika i pracą układu paliwowego silnika. Taka sytuacja sprzyja: - modulacji chwili przejścia sygnału przez zero parametru używanego w pomiarach TTM, co skutkuje obecnością dodatkowych składowych periodycznych w sygnale dyskretnym TOA, zarówno gdy poziom sygnału referencyjnego używany do komparacji impulsu bramkującego jest stały lub wyznaczany w oparciu o historię poprzedniego fragmentu sygnału; - obecności wysokoczęstotliwościowego szumu w estymowanym sygnale prędkości obrotowej silnika; głębokość i częstotliwość modulacji obliczanej prędkości obrotowej uzależniona jest m.in. od amplitudy i częstotliwości drgań łopatek (elastycznych znaczników fazy). Sygnał nałożony na jitter drgań łopatek jest nośnikiem informacji diagnostycznej. Dla zdatnego silnika typu SO-3 stwierdzono obecność rzędowości całkowitych 1 EO i 2 EO oraz asynchronicznej rzędowości 1/(2,05 2,25) EO. Okresowość sygnału obserwowana w przefiltrowanych danych punktów charakterytycznych odwzorowuje wypadkowy wpływ indywidualnych cech łopatek oraz precesję i nutację wirnika podpartego na podatnej podporze (cecha silnika SO-3). Wykres kołowy punktu W max (maksymalnej wartości sygnału obserwowanego w chwili zbliżania się łopatki do czujnika) dla łopatek VII stopnia sprężarki rys. 8.15, jest podobny do namagnesowania powierzchni wierzchołkowej tych łopatek obserwowanego metodą MPM po zatrzymaniu silnika. Istniejące różnice w namagnesowaniu łopatek ujawniają wpływ fazy drgań wirnika oraz efektów magnetomechanicznych wywołanych obciążeniami roboczymi pióra i ich ruchu obrotowego. 175

176 Rys Wartość referencyjna amplitudy punktu charakterystycznego W max sygnału (kod A/C=f(nr łopatki)) łopatek VII stopnia sprężarki silnika typu SO-3 (filtracja dolnopasmowa okno prostokątne o długości 12 próbek; n = obr/min) Rzędowości 1/2,25 EO nie stwierdzono w końcowej fazie niszczenia węzła środkowej podpory silnika typu SO-3 (po wytopieniu pierścienia wewnętrznego łożyska) [388]. W tym przypadku dominującą rzędowością była 1 EO, a modulacja sygnału analogowego odwzorowywała ruch osi wirnika po elipsie i przycieranie wirnika (łopatek wirnika o kadłub, bębna wirnika o łopatki kierownic) rys Rys Modulacja sygnału analogowego TTM (A Wmax, A Wmin wartość maksymalna i minimalna sygnału w strefie oddziaływania łopatki) o rzędowości 1 EO obserwowana w końcowej fazie niszczenia łożyska środkowej podpory silnika SO-3 (luz wierzchołkowy 0,7 mm, 49 łopatek w palisadzie) 176

177 Składowe wirnikowe modulują wyniki pomiarów TTM. Sygnały o rzędowości 1 EO i 2 EO mają niewielki wpływ na pomiar drgań łopatek. Ich wpływ ujawnia się tylko w zakresie drgań rezonansowych wirnika, w którym podczas zmiany prędkości obrotowej silnika występuje szybka zmiana fazy drgań wirnika. W tych zakresach obserwuje się pozorne zsynchronizowane drgania wszystkich łopatek. Zmiana fazy drgań wirnika jest źródłem błędu prędkości obrotowej aproksymowanej wielomianem w procedurze DETREND, co wykorzystano do detekcji ww. zjawiska rys W pozostałych zakresach pracy silnika do jitteru danej łopatki dodawana jest aperiodyczna, quasi-stała informacja o amplitudzie i fazie jitteru wirnikowego (błąd systemowy oszacowania podziałki). Na potrzeby diagnozowania silnika z sygnału TTM wydzielane są składowe wirnikowe o rzędowości 0,5 EO, 1 EO i 2 EO. Rys Odwzorowanie składowej wirnikowej jitteru w składowe szumu po dekompozycji sygnału TTM przez procedurę DETREND (VII stopień sprężarki) Identyfikacja typu silnika i synchronizacja pomiarów Na podstawie wielokrotnych rejestracji ponad 400 silników typu SO-3 autor stwierdził, że błąd podziałki P (7.84), odwzorowany w sekwencji N B wartości rzeczywistych z przedziału <0,9; 1,1> (wartość 1,0 dla podziałki teoretycznej), jest indywidualną cechą danego silnika ( linią papilarną ). To spostrzeżenie zostało wykorzystane do automatycznej identyfikacji źródła danych pomiarowych i kontroli poprawności opisu badań wprowadzanych przez operatora systemu diagnostycznego (detekcji błędów ludzkich przy narażeniu operatora na hałas lotniczy i stres). Spostrzeżenie jest używane również w oprogramowaniu sygnalizatora SPŁ-2b do automatycznej synchronizacji danych względem pierwszej rejestracji, co ułatwia wzrokowe porównywanie wyników badań łopatek. Jednoznaczna identyfikacja łopatek palisady realizowana jest na podstawie porównania estymowanych wartości częstotliwości I modu z wynikami kontroli CzDW uzyskanymi podczas remontu silnika. 177

178 Diagnozowanie stanu energetycznego łopatek sprężarki Stan energetyczny łopatek opisują dwie składowe sygnału TTM: - jitter podziałki PF (7.84) (quasi-statyczne ugięcie pióra i hodograf rezonansu synchronicznego), - jitter drgań pióra Łk (7.85). Podstawową formą zobrazowania stanu energetycznego łopatek palisady jest odwzorowanie drgań na płaszczyźnie fazowej. Taka forma zobrazowania wyników pomiaru zawiera wypadkową informację o amplitudzie i fazie drgań łopatek, co umożliwia szybką detekcję niekorzystnych zjawisk dynamicznych, w tym: rezonansu synchronicznego (np. zaleganie obcego ciała we wlocie) rys a; rezonansu asynchronicznego (m.in. wpływ wirujących stref oderwań, flatteru, pompażu, nadmiernych drgań wirnika, niewspółosiowości wirnika) rys b i rys. 8.19; wpływu warunków otoczenia na niekorzystne warunki pracy łopatek (zmiana położenia granicy pompażu, sprzęganie drgań łopatek z drganiami wirnika zjawisko obr/min ); nadmiernego quasi-statycznego ugięcia pióra wywołanego np. błędami osadzenia pióra względem zamka lub nadmierną korozją pióra; pękania pióra łopatki. a) b) Rys Identyfikacja drgań rezonansowych I modu łopatek w odwzorowaniu fazowym: a) rezonans synchroniczny 2 EO i 3 EO podczas zalegania obcego ciała we wlocie silnika; b) dwa rezonanse asynchroniczne (rozwinięte WSO) na granicy pompażu Podstawą oceny widma drgań łopatek jest wzorzec statystyczny portretu fazowego palisady. Miarą różnicowania procesu zmęczenia łopatki są poziomy drgań zidentyfikowanych modów, które są odnoszone do wartości średniej amplitudy i odchylenia standardowego wzorca statystycznego danego modu. Jeżeli znane są dane materiałowe łopatki, to ilościowa ocena jej stanu energetycznego może być realizowana również na podstawie kryterium dopuszczalnej amplitudy drgań, które uwzględnia wpływ siły odśrodkowej rys Na podstawie ponad 15-letniej eksploatacji systemu SNDŁ-1b/SPŁ-2b stwierdzono, że metoda TTM umożliwia wczesną detekcję niebezpiecznych zjawisk dynamicznych. Poprzez ingerencję użytkownika w jakość regulacji układu paliwowego możliwe jest modyfikowanie widma wymuszeń, a tym samym odstrajanie łopatek od niebezpiecznego zjawiska dynamicznego. W ten sposób realizowana jest praktycznie idea zadania III sterowanie zmęczeniem materiału w warunkach eksploatacji silnika lotniczego. 178

179 a) b) Rys Niestabilna praca sprężarki (pompaż) jako skutek błędnej regulacji układu paliwowego: a) rozwinięte WSO w zakresie obr/min jako symptom diagnostyczny pracy silnika na pograniczu pompażu; b) skutki głębokiego pompażu sprzęgnięcie drgań wirnika i I modu łopatek a) b) Rys Kryterium oceny I modu drgań łopatek z uwzględnieniem wpływu: a) obciążeń quasi-statycznych (rozmiarów pióra łopatki i palisady) [188]; b) zjawisk zmęczenia doraźnego, LCF, HCF i VHCF dla łopatek I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 (B max dopuszczalna amplituda drgań wyznaczona na wzbudniku; 100% n = obr/min) Na podstawie analizy statystycznej wykazano, że optymalizacja jakości regulacji układu paliwowego pełnej populacji silników typu SO-3 zmniejszyła ryzyko pękania: pojedynczej łopatki o 26 %, grupy łopatek o 41%. O bardzo wysokiej skuteczności metody TTM i efektywności nowatorskiej koncepcji 179

180 autora (aktywnego sterowania zmęczeniem materiału) przemawiają dane z eksploatacji systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b, m.in.: a) Wyeliminowano zjawisko zmęczeniowego pękania łopatek I stopnia sprężarki silników typu SO-3, pomimo istnienia nieskorygowanego błędu konstrukcyjnego łopatek i ryzyka zmęczenia niskocyklowego w eksploatacji. Od 1991 r. w eksploatacji i w remoncie silnika typu SO-3 nie stwierdzono pęknięcia łopatki sprężarki. Średni statystyczny czas pomiędzy oczekiwanymi pęknięciami pióra (względem danych statystycznych do 1991 r.) wydłużono o ponad: 900% dla danych kalendarzowych; 500% dla danych z nalotu samolotów TS-11 Iskra. Powyższe wartości wskaźników są w rzeczywistości zaniżone, gdyż w analizowanym okresie został wdrożony III i IV remont główny silnika typu SO-3, w wyniku czego o 100% wydłużono średni czas nalotu łopatek. Na podstawie trendu krzywej życia i różnicowania procesu zmęczenia należałoby oczekiwać zwiększonej liczby pękających łopatek (względem stanu do 1991 r.), gdyby nie wdrożono systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b i koncepcji aktywnego sterowania zmęczeniem. b) Wyeliminowano przypadki pompażu w eksploatacji samolotów TS-11 Iskra, chociaż zjawisko pompażu istnieje i wynika z właściwości sprężarki osiowej. Czułym wskaźnikkiem pracy silnika na pograniczu niestatecznej pracy sprężarki, umożliwiającym wczesną ingerencję użytkownika (zapobieganie zjawisku), są monitorowane łopatki I stopnia sprężarki. c) W początkowym okresie eksploatacji systemu diagnostycznego wycofano na przedwczesny remont pięć silników z nadmiernymi błędami kształtu łopatek (niewłaściwego osadzenia pióra względem zamka). Dostrzeżony błąd produkcyjny stwarzał ryzyko pękania pióra od krawędzi natarcia rys d) Wprowadzono metodykę eksploatacji silników typu SO-3 po zassaniu ptaka lub silnym oblodzeniu wlotu. Do chwili jej wprowadzenia każde takie zdarzenie skutkowało wycofaniem silnika do zakładu remontowego na przełopatkowanie I stopnia sprężarki (nieplanowe koszty eksploatacji), co sprzyjało ukrywaniu takich zdarzeń. e) Zidentyfikowano i skorygowano błędy ludzkie w eksploatacji i remoncie silnika typu SO-3, które były czynnikiem sprzyjającym przyśpieszonemu zmęczeniu elementów silnika. f) Zidentyfikowano grupę silników o zwiększonym poziomie ryzyka uszkodzenia zmęczeniowego łożyska NUB-1015 środkowej podpory ( zjawisko obr/min ). g) Zmniejszono liczbę wypadków lotniczych samolotów TS-11 Iskra zaistniałych z przyczyn silnikowych. a) b) Rys Wpływ błędnego osadzenia pióra łopatki w stopie zamka na naprężenia kinematyczne: a) składowa dolnopasmowa jitteru łopatkowego (podziałki); b) analiza FEM wykrytego błędu podziałki [268] 180

181 Identyfikacja częstotliwości I modu drgań łopatki i współczynnika przyrostu dynamicznego Strobowanie fazy drgań łopatek z częstotliwością mniejszą od kryterium Nyquista jest przyczyną niepełnego odtworzenie obwiedni amplitudy drgań w sygnale dyskretnym TOA w stanach przejściowych silnika [388]. Autor wykorzystał to zjawisko do szybkiej identyfikacji częstotliwości I modu drgań łopatki, analizując w stanach przejściowych głębokość modulacji prędkości obrotowej przez jitter łopatkowy. Uzyskany wynik analizy jest nośnikiem informacji o pozornej rzędowości drgań łopatek. Głębokość modulacji n AM osiąga wartości minimalne w zakresach występowania pozornej rzędowości 0 EO, a wartości maksymalne dla rzędowości pozornej 0,5 EO. Lokalne maksima mogą być wywołane również przez zwiększoną amplitudę drgań łopatek z rzędowością pozorną inną niż 0,5 EO, generowane przez silne wymuszenie, np. przez wirujące strefy oderwań lub sprzęganie kilku postaci drgań pióra. Wynikiem ekspresowej analizy jest zbiór punktów reprezentujących identyfikowaną krzywą częstotliwości łopatki, która z założenia jest opisana przez wielomian stopnia drugiego (wg Campbella) lub trzeciego, gdy uwzględnia się wpływ niepełnego utwierdzenia łopatki na postoju. Do odtworzenia informacji o utraconej w TTM liczbie obrotów (części całkowitej rzeczywistej rzędowości drgań łopatki) niezbędne jest zgrubne oszacowanie oczekiwanej częstotliwości drgań. Autor zaimplementował powyższą technikę identyfikacji częstotliwości I modu łopatek m.in. w programie CAMPBELL oprogramowania SPŁ-2b. Zastosowany algorytm identyfikuje zakresy prędkości obrotowej odpowiadające rzędowości pozornej drgań łopatki (0; 0,125; 0,25; 0,375; 0,5) EO, co gwarantuje wystarczającą dokładność estymacji CzDW I modu i współczynnika przyrostu dynamicznego na bazie danych z zakresu roboczego silnika (od biegu jałowego do zakresu startowego) rys Informacja o CzDW I modu f 1F i współczynniku przyrostu dynamicznego B jest nową jakością diagnozowania łopatek sprężarki. Wynik badań TTM I modu drgań umożliwia m.in. ocenę: jakości odstrojenia łopatek od rezonansów synchronicznych, ryzyka przyśpieszonego zmęczenia łopatek, różnicowania właściwości modalnych przez rozkład masy wzdłuż pióra. Z rys b widać, że możliwe jest zdefiniowanie dziewięciu kategorii klasyfikacji stanu technicznego łopatek, w tym dwie kategorie, dla których CzDW jest zgodna z dotychczasowymi warunkami technicznymi producenta ( Hz) czy remontu ( Hz), a współczynnik B przyjmuje wartość: - za małą (B < B min ; przyczyna: nadmierna zbieżność grubości profilu wzdłuż wysokości, pióro pogrubione u podstawy) lub - za dużą (B > B max ; przyczyna: nadmierne pocienienie podstawy pióra). Równoczesna informacja o f 1F i B umożliwia również detekcję łopatek nadmiernie przeszlifowanych po wierzchołku pióra w ramach kolejnego remontu silnika. Dla takich łopatek obserwuje się wyraźny wzrost częstotliwości przy niewielkich zmianach B. Ciągłą analizę częstotliwości drgań łopatki, w postaci śledzenia rzędowości pozornej, zapewnia m.in. algorytm PPZ (zliczanie przejść przez zero) i DWT (dyskretna transformata Walsha w dziedzinie czasu, która używa tylko dodawania i odejmowania) [89,159,298]. 181

182 a) b) Rys Oszacowane częstotliwości drgań własnych łopatek I stopnia sprężarki silnika SO-3: a) zobrazowanie fazowe drgań łopatek; b) wynik procedury CAMPBELL WIEŃCA w oprogramowaniu SPŁ-2b Stwierdzono, że algorytmy PPZ i DWT umożliwiają monitorowanie częstotliwości I modu łopatki w fazie dobiegu do: obr/min dane bez kompresji stratnej zarejestrowane w układzie pomiarowym z częstotliwością zegarową 80 MHz; obr/min dane z kompresją stratną stosowaną w oprogramowaniu SPŁ-2b (próbkowanie drgań łopatek co drugi obrót wirnika, częstotliwość zegarowa 10 MHz). Poniżej ww. prędkości obrotowych silnika ujawnia się nowy problem numeryczny: stosowana długość okna (dane z 32 obrotów wirnika w DWT i 96 obrotów w PPZ) uśrednia częstotliwość pozorną łopatki w stanach przejściowych silnika, skupiając jej wartość wokół rzędowości pozornej 0,2 0,3 EO; zmniejszenie długości okna do 4 obrotów w DWT nieznacznie tylko poprawia wynik, gdyż amplituda drgań łopatki maleje wraz ze zmniejszaniem prędkości obrotowej silnika i zaczyna być wielokrotnie mniejsza od składowej jitteru wirnikowego. Nieznaczne rozszerzenie zakresu monitorowania częstotliwości I modu drgań łopatki w fazie rozruchu/wybiegu silnika uzyskano na bazie banku filtrów Walsha i estymatora rozmytego [385]. Estymator bazuje na informacji ze wszystkich okien (prążków widma), co jest jednocześnie przyczyną błędu oszacowania CzDW w rozszerzonym zakresie prędkości obrotowej. Podczas używania danych z zakresu prędkości obrotowej od obr/min błąd estymowanej częstotliwości I modu łopatki nie przekraczał 2.5% Identyfikacja pasma analizy TTM Na podstawie badań łopatek I i II stopnia sprężarki silnika typu SO-3 stwierdzono, że maksymalna rozdzielczość identyfikacji rzędowości drgań łopatek za pomocą: pojedynczego obserwatora TTM, klasycznych metod numerycznych przeznaczonych do analizy danych dyskretnych z równomiernego próbkowania; nie przekracza 12 EO. Jest to ograniczenie od góry pasma analizy, które wynika z uproszczonego podejścia do analizy sygnału dyskretnego traktowania danych nierównomiernie próbkowanych jako danych pozyskanych z równomiernego próbkowania. Sprzętowe zwiększenie rozdzielczości pomiaru czasu, bez zmiany algorytmów przetwarzania danych, nie rozszerza pasma obserwacji. Obserwacja zjawisk dynamicznych powyżej rzędowości 12 EO wymaga stosowania: kilku czujników rozmieszczonych na obwodzie palisady (tj. w systemach NSMS) lub algorytmów dedykowanych dla danych dyskretnych z nierównomiernego próbkowania, 182

183 np. DFT, SECOEX, Lomb-Scarge periodogram czy DASP. Uwzględniając powyższe spostrzeżenie i wyniki identyfikacji właściwości modalnych stalowych i tytanowych łopatek sprężarki silnika typu SO-3 i TW3-117 [ ], dostrzega się, że pomiary TTM wykonywane przy pomocy jednego czujnika i uproszczonych metod analizy: zabezpieczają właściwą identyfikację I modu drgań łopatek wszystkich stopni sprężarki, przy czym ograniczenie wg rzędowości 12 EO może występować dla łopatek z ostatnich stopni sprężarki w zakresie roboczym silnika; umożliwiają zobrazowanie hodografów wyższych modów drgań łopatki w postaci informacji nałożonej na podziałkę rys Na rozdzielczość zobrazowania hodografów wyższych modów mają wpływ amplituda drgań łopatek z daną postacią i częstotliwość zegarowa toru pomiarowego. Rys Odwzorowanie rezonansów synchronicznych w składowej wolnozmiennej drgań łopatki (i EO rzędowości I modu drgań) Detekcja pęknięcia zmęczeniowego pióra łopatki Użytkownik silnika lotniczego musi liczyć się z ryzykiem wystąpienia pęknięcia zmęczeniowego pióra łopatki sprężarki, nawet wtedy gdy czynnie ingeruje w stan energetyczny łopatek i silnika. Zaletą metody TTM jest możliwość wiarygodnej detekcji pęknięcia w wirującej łopatce, co autor wykazał w [350] rys. 8.24, i wielokrotnie potwierdzono w licznych eksperymentach czynnych w kraju i zagranicą [417,435,440,498]. Na bazie nowych doświadczeń eksploatacyjnych, w tym wyników badań EMA zrealizowanych w ramach niniejszego projektu: Skorygowano interpretację I fazy pękania pióra rys Zmiana częstotliwości łopatki obserwowana tylko na zakresie startowym (w zakresie rezonansu synchronicznego 2 EO) wynika z narastającej nieliniowości materiału łopatki, tj. fazy cyklicznego osłabienia, a nie jej pęknięcia. Potwierdzono możliwość identyfikacji położenia ogniska zmęczenia metodę zaproponowaną przez autora w [350]. Dwa pęknięcia o jednakowym polu przekroju i innym położeniu ogniska zmęczenia zmieniają równocześnie: - sztywność pióra (odwzorowaną w częstotliwości), 183

184 - warunki mocowania górnej części pióra, położonej nad pęknięciem, do części dolnej (odwzorowane w ugięciu i rozkręceniu pióra). Zastosowano nowe symptomy diagnostyczne, m.in. analizę poziomu nieliniowości łopatki w odwzorowaniu hodografu danego rezonansu synchronicznego. Stwierdzono, że podatność częstotliwości danego modu łopatki na amplitudę wymuszeń zwiększa strefy synchronizacji z wymuszeniami kinematycznymi (rezonansem synchronicznym). Wprowadzone poprawki zwiększają wiarygodność diagnozowania pęknięcia pióra przy pomocy metody TTM. a) b) c) Rys Odwzorowanie narastającego zmęczenia łopatki sprężarki silnika SO-3 w danych TTM: a) faza cyklicznego osłabienia (brak otwartego pęknięcia pióra); b) końcowa faza pękania pióra (5 minut do urwania, dane po filtracji dolnopasmowej zobrazowanie jitteru podziałki); c) odwzorowanie symptomów zmęczenia materiału na diagramie Campbella Na podstawie dotychczasowych eksperymentów czynnych (prób niszczących) i doświadczeń eksploatacyjnych stwierdzono, że przyjęty w systemie diagnostycznym SNDŁ-1b/SPŁ-2b horyzont prognozy 50±10, 25±5 lub 12±2,5 godzin pracy silnika (w zależności od wyniku oceny ryzyka LCF i HCF łopatek) zapewnia bezpieczną eksploatację silników typu SO-3. Oszacowany współczynnik bezpieczeństwa wynosi K=2,5. Podstawowy horyzont prognozy odpowiada: 1/8 resursu remontowego, 100 cyklom LCF, cyklom HCF dla I modu drgań i 2,510 8 cyklom HCF dla III modu drgań. 184

185 Składowa aperiodyczna TOA Składowa aperiodyczna zmierzonego sygnału TTM spełnia kryterium Nyquista i nie nastręcza większych problemów analitycznych. Po przeskalowaniu danych pomiarowych jest ona reprezentowana przez prędkość obrotową silnika i dwie pierwsze pochodne (n, dn/dt, d 2 n/dt 2 ). Składowa aperiodyczna używana jest do: automatycznej identyfikacji typu silnika (źródła danych pomiarowych) w rozproszonych systemach pomiarowych, w których enkoder TTM nie generuje bezpośredniej informacji o obiekcie badań [357] rys. 8.25; obiektywnej analizy stanu technicznego i jakości pracy układu paliwowego silnika [147,317,320]; diagnozowania oporów tarcia; identyfikacji obserwowanego zjawiska periodycznego (drgań łopatek czy wirnika) do zakresu pracy silnika, z uwzględnieniem fazy stanów przejściowych. Rys Unormowane portrety fazowe dn/dt = f(n) przykładowych silników lotniczych (K15 turbinowy silnik odrzutowy z samolotu I-22 Iryda; RD-33 dwuprzepływowy silnik odrzutowy z mechanizacją sprężarki i regulowaną dyszą wylotową z samolotu Mig-29 (obroty wirnika wysokiego ciśnienia); AŁ-21F3 turbinowy silnik odrzutowy z mechanizacją sprężarki i regulowaną dyszą wylotową z samolotu Su-22; M-601T turbośmigłowy silnik z samolotu PZL-130 TC-I Orlik (obroty wytwornicy gazów)) Diagnozowanie układu paliwowego turbinowego silnika lotniczego Idea diagnozowania układu paliwowego na bazie składowej aperiodycznej sygnału TOA uwzględnienia związki pomiędzy wydatkiem paliwa (wielkością niemierzoną) a znaną chwilową prędkością kątową (obrotową) wirnika. Z teorii automatyki wiadomo, że można dokonać zamiany obserwatora stanu na wielkość mierzoną rys a) b) Rys Zmiana obserwatora stanu dla układu paliwowego silnika jednowirnikowego sygnałem wyjściowym jest: a) niemierzalny wydatek paliwa (WF); b) parametr pośredni mierzona prędkość obrotowa silnika (n) 185

186 Transmitancję układu podstawowego, w której wydatek paliwa WF jest wielkością wyjściową, opisuje relacja (8.18). Po przeniesieniu obserwatora na wirnik silnika (prędkość obrotową n) ten sam układ dynamiczny opisuje relacja (8.19) G (s) G(s) UP (8.18) 1 G UP (s)q TSO (s) G (s)q (s) G(s) UP TSO (8.19) 1 G UP (s)q TSO (s) Automatyczna identyfikacja stanu technicznego i błędów regulacji układu paliwowego jest możliwa na podstawie statystycznego wzorca portretu fazowego dn/dt=f(n) danego typu silnika optymalnej ścieżki stanów przejściowych (rys.8.27.a), będących niejawnym modelem silnika ze sterowaniem [317]. W tym celu autor uczestniczył w eksperymentalnej identyfikacji układów paliwowych różnych typów silników lotniczych i opracował oprogramowanie eksperckie - rys b. a) b) Rys Diagnozowanie układu paliwowego silnika SO-3 w oprogramowaniu SPŁ-2b: a) portret fazowy dn/dt=f(n) z informacją o optymalnej ścieżce stanów przejściowych (zależnej od warunków otoczenia) i położeniu zagrożeń eksploatacyjnych; b) przykładowa diagnoza Precyzyjne, automatyczne diagnozowanie przyczyny obserwowanego odstępstwa kształtu portretu fazowego prędkości obrotowej od wzorca statystycznego wymagało przeprowadzenia identyfikacji wpływu poszczególnych elementów układu paliwowego na kształt portretu fazowego [317]. Autor wraz ze współpracownikami z Zakładu Silników Lotniczych ITWL dokonał takiej identyfikacji metodą monoselekcyjną. Dla silnika typu SO-3 uwzględniono wpływ wszystkich punktów regulacji eksploatacyjnej i fabrycznej oraz cech konstrukcyjnych poszczególnych agregatów. Uwzględniając nawet najprostszy układ paliwowy (bez współpracy z mechanizacją sprężarki i dyszy), pełnej identyfikacji podlegało ponad 100 zmiennych, których wpływ na dynamikę stanów przejściowych silnika jest uwarunkowany również przez wpływ otoczenia (temperaturę i ciśnienie). 186

187 Na przykładzie silnika typu SO-3 autor wykazał celowość analizowania chwilowej prędkości obrotowej wirnika podczas diagnozowania stanu technicznego i energetycznego elementów silnika oraz sterowania zmęczeniem materiału w eksploatacji. Sygnał analogowy prędkości obrotowej jest dostępny w każdym silniku lotniczym. Nadajnikiem prędkości obrotowej silnika są m.in. czujniki indukcyjne współpracujące z kołem zębatym (sztywnym znacznikiem fazy), prądnice tachometryczne lub prądnice energetyczne. W sygnale wszystkich ww. nadajników występuje jitter, którego źródłem są luzy w układzie kinematycznym, co wykorzystano już do diagnozowania tego układu na bazie sygnału z prądnicy (Gębura, metoda FAM-C) [103]. Autor przeniósł doświadczenia z silnika SO-3 na inne silniki lotnicze, rozszerzając metodykę badań układu paliwowego m.in. na: - silnik jednoprzepływowy z mechanizacją sprężarki typu K-15 z samolotu I-22 Iryda; - silnik jednoprzepływowy z mechanizacją sprężarki i dyszy typu AŁ-21F3 z samolotu Su-22; - silnik dwuprzepływowy z mechanizacją sprężarki i dyszy typu RD-33 z samolotu MiG-29; - silniki turbośmigłowe typu M-601T i PT6A-25C z samolotu PZL-130TC-I i PZL-130TC-II; - silnik turbośmigłowcowy typu RR-250C20B z śmigłowca SW Kompleksowe diagnozowanie silnika na bazie TTM Metoda TTM daje nowe możliwości diagnostyczne, które wynikają z wykorzystania pełnej informacji złożonego sygnału TOA pojedynczego obserwatora stanu. Poprzez analizę numeryczną rzadko próbkowanego sygnału odcinków czasu możliwe jest wydzielenie składowych sygnału, które są skorelowane ze stanem technicznym nie tylko łopatek czy układu paliwowego, ale również innych elementów krytycznych silnika. Przykładem niekonwencjonalnego podejścia do rzeczywistego problemu technicznego jest diagnozowanie łożyska wałeczkowego NUB-1015 środkowej podpory silnika typu SO-3. Łożysko osadzone jest podatnie w gnieździe na nieliniowych tłumikach drgań wzdłużnych i poprzecznych. Podatne osadzenie łożyska sprawia, że sygnał wibroakustyczny mierzony na kadłubie silnika jest trudny do interpretacji. Ingerencja tłumika zmniejsza poziom drgań rejestrowany na kadłubie, maskując zagrożenie zmęczeniowe łożyska. Na trwałość łożyska wałeczkowego wpływa przede wszystkim przekraczanie dopuszczalnego przekoszenia osi pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego podczas drgań wirnika. Zjawisko takie może występować również przy niskim poziomie drgań silnika (pozornym braku zagrożenia) w przypadku błędów montażu. Przekroczenie dopuszczalnej niewspółosiowości pierścieni skutkuje niestabilnością dynamiczną separatora i blokowaniem wałeczków. W wyniku występowania obu zjawisk pojawia się zniszczenie zmęczeniowe separatora i groźba uszkodzeń wtórnych silnika. Dotychczasową metodą oceny stanu technicznego ułożyskowania wirnika w eksploatacji jest pomiar czasu dobiegu silnika przy pomocy stopera. Dla silnika typu SO-3 czas od wyłączenia do zatrzymania wirnika nie powinien być krótszy od 90 sekund (typowo zawiera się w przedziale ) rys a. Metoda TTM, mierząc odcinki czasu między znacznikami fazy, umożliwia obiektywny pomiar czasu dobiegu i zobrazowanie krzywej dobiegu rys b. Krzywa wybiegu udostępnia informacje o dynamice zmian prędkości obrotowej w fazach: oddziaływania skokowej zmiany momentu obrotowego turbiny i zmian momentu bezwładności wirnika wnoszonych przez masę przepływającego powietrza; dynamika hamowania w zakresie n bj 700 obr/min jest zależna od gęstości powietrza; hamowania przy stałej wartości momentu bezwładności wirnika, która występuje w zakresie obr/min; moment bezwładności wirnika uwarunkowany jest przez tolerancję wymiarową elementów mocowanych na wirniku (jego wartość w populacji 187

188 silników opisuje rozkład normalny), dla danego silnika moment bezwładności jest wielkością niezmienną między remontami (pominięto wpływ erozji piór); oddziaływania oporów tarcia, które zaczynają dominować dopiero przy prędkości obrotowej poniżej 200 obr/min. a) b) Rys Wybieg silnika SO-3: a) czas wybiegu obserwowany na silniku typu SO-3 w okresie 6 miesięcy; b) krzywa wybiegu z wydzielonymi trzema etapami hamowania wirnika Czas dobiegu jest parametrem bardzo wrażliwym na błędy eksploatacji. Wyłączenie silnika bez wymaganego chłodzenia wydłuża czas dobiegu, maskując ewentualne symptomy zwiększonych oporów tarcia w końcowej fazie dobiegu. Jest to również parametr, który nie do końca odwzorowuje problemy zmęczeniowe łożyska środkowej podpory. Autor i personel SIL wielokrotnie obserwowali wydłużanie czasu dobiegu na silnikach z uszkodzonym separatorem [351]. Diagnozowanie łożyska wymaga więc zdefiniowania innych symptomów diagnostycznych. Inspiracją do detekcji tego problemu przy pomocy metody TTM były: Doświadczenia personelu obsługującego samoloty TS-11 Iskra, w tym kpt. Wł. Staniszewskiego z 2 OSzL. Do detekcji uszkodzenia łożyska personel wykorzystuje dolnopasmowe właściwości konstrukcji samolotu, które uwypuklają symptomy uszkodzenia. Obserwację niskoczęstotliwościowych symptomów uszkodzenia prowadzi się podczas akceleracji prędkości obrotowej silnika w zakresie obr/min, 188

189 dotykając dłonią końcówkę skrzydła. Niskoczęstotliwościowa natura symptomu diagnostycznego (odczucie biegnącej fali ) utrudnia jego detekcję przez akcelerometry używane do pomiaru drgań silnika. Nietypowe ślady współpracy nieruchomego pierścienia zewnętrznego łożyska z tłumikiem drgań wzdłużnych (trzy przebarwienia co 120 o, w miejscach kontaktu z największą sztywnością tłumika drgań wzdłużnych), świadczące o dużej amplitudzie przemieszczeń poprzecznych wirnika rys a. Ślady współpracy obserwowane były już po kilku godzinach pracy silnika (pomiędzy próbą kontrolną i zdawczą silnika w WZL-3), na długo przed uszkodzeniem separatora. Nietypowe warunki pracy łożyska sprzyjają odrywaniu warstwy galwanicznej srebra ze stalowego separatora rys b. a) b) Rys Wizualne symptomy przyśpieszonego zużycia łożyska NUB-1015 środkowej podpory silnika typu SO-3: a) ślady przegrzań na powierzchni bocznej nieruchomego pierścienia zewnętrznego; b) łuszczenie się srebra z separatora i ślady współpracy separatora z pierścieniem zewnętrznym Autor postawił hipotezę, że na podstawie analizy jitteru wirnikowego (7.70) możliwa jest obserwacja zmian sztywności środkowej podpory parametru modalnego świadczącego o jej stanie technicznym. Możliwe jest również wykrywanie zakresów pracy silnika, w których amplituda bicia wirnika osiąga wartości sprzyjające blokowaniu wałeczków i przyśpieszonemu zmęczeniu separatora. W tym celu autor opracował oprogramowanie eksperckie PĘDNIA i zweryfikował hipotezę podczas eksperymentów czynnych i biernych rys. 8.30, 8.31 i Autor wyznaczył związki istniejące pomiędzy jakością regulacji układu paliwowego silnika typu SO-3 a poziomem drgań wirnika oraz kryteria detekcji uszkodzenia zmęczeniowego łożyska NUB-1015 i tłumików środkowej podpory. W analizie uwzględniono dane statystyczne z całorocznej eksploatacji silników typu SO-3 (eksperymentów biernych). Zaproponowane kryteria oceny zostały zweryfikowane na podstawie danych z zakładu remontowego (oceny stanu technicznego środkowej podpory podczas demontażu silników). Program ekspercki PĘDNIA rozszerzył możliwości sygnalizatora SPŁ-2b i metody TTM. 189

190 a) b) Rys Składowa wirnikowa jitteru obserwowana w zakresie obr/min podczas deceleracji prędkości obrotowej silnika typu SO-3: a) drgania łopatek I stopnia sprężarki; b) amplituda drgań wirnika (z 23 prób silnika) wyznaczona na podstawie jitteru wirnikowego w programie PĘDNIA Rys Odwzorowanie uszkodzenia łożyska NUB-1015 środkowej podpory silnika typu SO-3 w jitterze wirnikowym sygnału TOA (program PĘDNIA) Porównując rys 8.30 i 8.31 z rys i 8.19, można zauważyć, że: a) jakość regulacji układu paliwowego i zapas do granicy pompażu (cecha indywidualna silnika) wpływa na poziom drgań łopatek i wirnika (drgania skrętne i poprzeczne) oraz na pozaobliczeniowe warunki pracy łożyska środkowej podpory; b) jakość osiowania wirnika i właściwości modalne podpory (cecha indywidualna silnika) wpływają na intensywność zjawisk aerodynamicznych, w tym na zakresy występowania i intensywność wirujących stref oderwań, wymagając od użytkownika indywidualnego podejścia podczas regulacji układu paliwowego. 190

191 Rys Kompleksowe diagnozowanie silnika typu SO-3 na bazie wszystkich składowych sygnału TOA (stan techniczny i energetyczny łopatek I stopnia sprężarki oraz środkowej podpory przed wystąpieniem uszkodzenia łożyska NUB-1015 i zastana jakość regulacji układu paliwowego) Dostępność kompleksowej informacji o drganiach łopatek, jakości regulacji układu paliwowego i drgań wirnika w sygnale TTM umożliwiła identyfikację cech indywidualnych każdego silnika typu SO-3 oraz optymalizację warunków jego pracy w aspekcie sterowania zmęczeniem materiału [377] Wnioski z badań TTM Na podstawie eksperymentów biernych i czynnych, kompleksowej analizy sygnału TTM oraz wyznaczonych parametrów wykazano możliwość: identyfikacji stanu energetycznego i stanu technicznego każdej łopatki monitorowanej palisady sprężarki, w tym detekcję wczesnej fazy zmęczenia (od fazy cyklicznego osłabienia etapu II z rys. 2.11) i oceny ryzyka zmęczeniowego w obliczeniowych i pozaobliczeniowych warunkach pracy silnika; identyfikacji związków przyczynowych pomiędzy widmem drgań łopatek a jakością regulacji układu paliwowego i stanu technicznego silnika (praw sterowania zmęczeniem łopatek); na podstawie komputerowej analizy stanów przejściowych silnika wyeliminowano zjawisko pompażu na silnikach typu SO-3 oraz zmniejszono poziom niekorzystnych zjawisk dynamicznych; aktywnego sterowania zmęczeniem materiału elementów krytycznych silnika przez użytkownika; dla silników typu SO-3 wyeliminowano przypadki zmęczeniowego pękania łopatek sprężarki pomimo ciągle obecnego błędu konstrukcyjnego łopatek i wysokiego ryzyka zmęczenia LCF w warunkach pozaobliczeniowych; zastosowana koncepcja aktywnego sterowania zmęczeniem wydłużyła m.in. statystyczny czas między pęknięciami łopatek o ponad 900% (2010 r.); kontroli odstrajania łopatek w eksploatacji [496]. W ten sposób zweryfikowano eksperymentalnie możliwość sterowania zmęczeniem materiału i kompleksowego diagnozowania silnika na bazie sygnału drgań łopatek. Wykazano, że na podstawie sygnału TTM możliwa jest identyfikacja większości niebezpiecznych zjawisk dynamicznych, które mogą wystąpić podczas pracy silnika turbinowego. Efektywna obserwowalność zjawisk dynamicznych wynika z: 191

192 równoczesnej obserwacji drgań wszystkich łopatek danej palisady w paśmie poszczególnych modów łopatek; analizy wszystkich składowych sygnału TOA, w tym jitteru wirnikowego, niosącego informację diagnostyczną w paśmie zaporowym łopatek; w efekcie kompleksowego przetwarzania danych zmniejszono niekorzystny wpływ właściwości modalnych łopatek (układu o słabym tłumieniu i wąskich strefach rezonansowych) na detekcję zjawisk dynamicznych poza pasmami rezonansowymi poszczególnych modów. Określono rzeczywiste możliwości metody TTM dla pojedynczego obserwatora stanu. Stwierdzono, że przy stosowaniu klasycznych algorytmów analizy numerycznej sygnału dyskretnego pasmo obserwacji w stanach przejściowych silnika jest ograniczone od góry do 12 EO. Na podstawie podjętych badań stwierdzono [ ], że możliwe jest rozszerzenie pasma obserwacji poprzez zastosowanie algorytmów przeznaczonych do analizy danych z nierównomiernego próbkowania. Przeniesienie spostrzeżeń i doświadczeń eksploatacyjnych metody TTM na inny typ silnika wymaga uwzględnienia różnic we: właściwościach modalnych łopatek nadajnika enkodera TTM, właściwościach modalnych zjawisk dynamicznych ukształtowanych przez cechy konstrukcyjne silnika i jego układu zasilania Synergia aktywnego diagnozowania i sterowania zmęczeniem materiału Wyniki kompleksowego rozpoznania zjawisk dynamicznych metodami MPM, EMA i TTM są zweryfikowaną wiedzę empiryczną diagnosty o problemach występujących w rzeczywistych obiektach badań diagnostycznych, w których istnieje rozrzut parametrów modalnych i procesów zmęczeniowych elementów krytycznych. Na jej podstawie możliwe jest rozszerzenie efektywnej profilaktyki przyczynowej na inne elementy krytyczne silnika na długo przed pojawieniem się pierwszego uszkodzenia zmęczeniowego. Poprzez aktywne diagnozowanie i sterowanie niekorzystnymi zjawiskami dynamicznymi uzyskano efekty synergii, m.in.: możliwość niskonakładowego przedłużenia żywotności silnika turbinowego w eksploatacji, identyfikację niemierzalnych bezpośrednio wielkości fizycznych, wsparcie innych metod diagnostycznych, wsparcie metod analizy numerycznej (np. dostrajanie modeli FEM, CDM, GPA). Powyższe składowe synergii autor stosował do identyfikacji problemów zmęczeniowych występujących w eksploatacji zespołów napędowych (silników turbinowych, automatyki śmigła) i podczas badań kwalifikacyjnych wdrażanej techniki lotniczej Identyfikacja właściwości modalnych procesu spalania Katastrofa lotnicza samolotu TS-11 Iskra w 2005 r., której przyczyną było zmęczeniowe rozłączenie sprężarki od wału turbiny rys. 8.33, uświadomiła autorowi, że zjawisko sprzęganie drgań rezonansowych wirnika z wymuszeniami generowanymi przez proces spalania paliwa i wirujące strefy oderwań (rys i 8.30) jest niebezpieczne również dla remontowanego czopa tarczy sprężarki, projektowanego z współczynnikiem bezpieczeństwa około 10. Do identyfikacji głównego źródła wymuszeń, autor wyznaczył własności modalne procesu spalania paliwa w silniku typu SO-3 na podstawie równoległych pomiarów drgań łopatek sprężarki metodą TTM i warunków pracy łożyska NUB-1015 z wykorzystaniem efektów magnetomechanicznych rys Zidentyfikował również podzakresy pracy silnika, w których występuje sprzęgania niekorzystnych zjawisk dynamicznych rys d 192

193 i 8.35, niebezpiecznych nie tylko dla diagnozowanych łopatek I stopnia sprężarki, ale również innych elementów silnika. a) b) Rys Uszkodzenie zmęczeniowe układu transmisji mocy w płaszczyźnie środkowej podpory silnika typu SO-3 (katastrofa samolotu TS-11 Iskra nr 3H1101 w dniu r.): a) uszkodzony czop tarczy VIII stopnia sprężarki; b) łożysko NUB-1015 z tuleją osadczą i tłumikiem drgań poprzecznych; a) b) c) Rys Identyfikacja głównych wymuszeń periodycznych w silniku typu SO-3 na bazie sygnału z czujnika magnetomechanicznego: a) sonogram (SFFT) pełnej akceleracji i deceleracji; b) typowe widmo wymuszeń (DFT z f = 0.1 Hz; KS i i-ta częstotliwość charakterystyczna procesu spalania i akustyki komory spalania); c) udział składowych wymuszeń procesu spalania podczas akceleracji widoczny wpływ niestabilności aeromechanicznej (wzrost udziału KS 1 ) w zakresie n = obr/min 193