ANALIZA MODALNA PĘKAJĄCEJ ŁOPATKI SPRĘŻARKI

Transkrypt

1 ANALIZA MODALNA PĘKAJĄCEJ ŁOPATKI SPRĘŻARKI Mirosław WITOŚ Wprowadzenie Charakterystyka problemu i obiektu badań Dotychczasowe symptomy diagnostyczne pęknięcia łopatki Laserowy pomiar właściwości modalnych łopatki Omówienie wyników badań: - Nowe symptomy diagnostyczne pękającej łopatki - Symptomy zmęczenia materiału (testy LCF i HCF) Podsumowanie XI KRAJOWA KONFERENCJA Naukowo - Szkoleniowa MECHANIKI PĘKANIA Kielce/Cedzyna, 9.IX.7

2 Wprowadzenie Ograniczenia metod NDT: - brak oceny wytężenia materiału - brak prognozowania stanu technicznego Eksploatacja i remont silników lotniczych Oprogramowanie SPŁ-b ITWL Warszawa, 993 Prognoza: 5 godz. pracy silnika (/8 TBO)

3 Problem HCF łopatek I stopnia sprężarki silnika SO-3 stal 8HN4WA, h/c =.65, pióro umacniane kulowaniem i emaliowane 8 s n [MPa] Normal level Yield point II harm. 6 High level (bird) Elastic limit 4 III harm n [rpm] T p > 3 godz T p < 3 min

4 Elementy krytyczne Niekontrolowane zmęczenie materiału (LCF i HCF) wpływa na poziom bezpieczeństwa lotów

5 Dlaczego??? Dwie drogi do analizy struktury Analiza sygnałowa Analiza systemowa F(t) ŁOPATKA y(t) F(t) ŁOPATKA y(t) Black box Obserwator Tip Timing Obserwator modalny Analiza sygnałowa proces identyfikacji odpowiedzi obiektu na NIEZNANE wymuszenia (w tym sterowanie ręczne przez operatora) i przedstawienie wyników w postaci łatwej do interpretacji. Analiza systemowa rozpoznanie właściwości dynamicznych obiektu. Może być realizowana poprzez EKSPERYMENT CZYNNY z pomiarem sygnałów wymuszeń (np. sił) i odpowiedzi badanego obiektu.

6 Bezdotykowy obserwator drgań łopatek (Analiza sygnałowa) Analog SNDŁ-b INPUT UNIT PHASE DETECTOR Df Blades ODS(k) w PLL n A/D mp Digital SPŁ-b INPUT UNIT t i Code t i ( w ) t clock COUNTER Code mp w OSCILLATOR t clock

7 Odwzorowanie fazowe drgań wirujących łopatek WIDMO WZORCOWE I stopień sprężarki silnika SO-3-8 łopatek (stal 8HN4WA) - Częstotliwości modalne: Hz (giętna), Q() = Hz (giętna), Q() = 3 89 Hz (skrętna), Q() > Częstotliwość próbkowania f s = 6 Hz REZONANS SYNCHRONICZNY REZONANS ASYNCHRONICZNY Pracochłonność analizy: min/silnik (PC-486DX)

8 Symptomy pękania łopatki ( ) f B ( n) f B () B( n) f R x f B 3x I etap x 3x II etap x Odwzorowanie fazowe LPF 3x CAMPBELL DIAGRAM Horyzont prognozy I etapu: 5 godz. pracy silnika (ponad 9x 7 cykli HCF i cykli LCF) f R

9 Capability Symptomy pękania pióra łopatki f ( t) f () Krawędź natarcia - Zmiana częstotliwości I modu - Zmiana częstotliwości wyższych modów Grzbiet Nasycenie gęstości dyslokacji / PSB Formowanie mikropęknięć Lokalne nagrzewanie Formowanie makropęknięć A p ( t) A() Otwarte pęknięcia Zmiana częstotliwości drgań Wymagania misji Cycles / Time Starzenie i degradacja Zmiana parametrów pracy (ITWL SPŁ-b)

10 Problem remontowy kz Ryzyko grupowego pękania łopatek 6s ( n) E( n) A( n), Ryzyko pojedynczego pęknięcia łopatki E ( n) A max ( n) A( n) 3s ( n) Czy możliwe jest diagnozowanie STANU ZMĘCZENIA MATERIAŁU łopatki i wiarygodnie prognozowanie > godz. pracy silnika SO-3?

11 ANALIZA MODALNA PĘKAJĄCEJ ŁOPATKI SPRĘŻARKI Mirosław WITOŚ Wprowadzenie Charakterystyka problemu i obiektu badań Dotychczasowe symptomy diagnostyczne pęknięcia łopatki Laserowy pomiar właściwości modalnych łopatki Omówienie wyników badań: - Nowe symptomy diagnostyczne pękającej łopatki - Symptomy zmęczenia materiału (testy LCF i HCF) Podsumowanie XI KRAJOWA KONFERENCJA Naukowo - Szkoleniowa MECHANIKI PĘKANIA Kielce/Cedzyna, 9.IX.7

12 Struktura toru pomiarowego (WZL-3 Dęblin) U y =Bsin(wt + f) K= mv/mm Moduł Microtrack TM II Głowica LTC--4 Przedwzmacniacz Tensometr Program VibrationView U x =Asin(wt) Akcelerometr X(w) Y(w) Komputer Program EXCEL Moduł VR-85 U m (t) U g =A g sin(wt) Wzmacniacz mocy Wzbudnik 48 B&K G( w) Y X ( w) ( w) const Bsin( wt f) Asin( wt) mm mm

13 Laserowy pomiar charakterystyk rezonansowych Układ Microtrack TM II z głowicą laserową LTC--4 Sygnał wyjściowy: - analogowy: ±4V, 4-mA - cyfrowy: RS-485 Moduł VR-85 4 bitowy A/C (db) Laser: klasa II i IIIA ( 5 mw), 67 nm, q = o Odległość pomiaru: mm Zakres pomiarowy: ± mm Rozdzielczość: mm (zależna od filtra) Rozmiar plamki: 5 mm w odległości mm Stabilność temperaturowa:.5% pełnej skali/ o C Liniowość:.5% FSR Częstotliwość próbkowania: 4 khz Komputer (karta sieciowa) Wzmacniacz Wzbudnik 4 bitowy C/A

14 Łopatka I st. sprężarki Silnik SO-3 35 G (f) 75. g.5 g 5. g G(f) f [Hz] 36 f [Hz] f(p z )/f wt Mod I 36 - f [ o ] f [Hz] Pęknięcie od kraw ędzi spływ u Inicjacja LCF. g HCF: a =39.4 m/s.5 g 5. g p z [MPa] cykle 33-9.E+ 35.E+5 35.E E E+5 5.E f [Hz] 6.E+5 36

15 Analiza modalna F(t) Przetwornik Analiza Analiza Dziedzina fizyczna Czas częstotliwości Częstotliwość modalna Mody x(t) t X(w) w = = = = + [Y ]=q q (t) + e -s t t Q (w) w s + w s + G w o q + q (t) [Y ]=q e -s t t Q (w) + w s w s Kolejne mody G w o q

16 Model SDOF Model analityczny Jest abstrakcyjnym systemem zawierającym punktową masę (m), nieważką sprężynę o sztywności (k) i liniowy tłumik wiskotyczny (c). Masa przemieszcza się tylko w jednym kierunku (x) układ o jednym stopniu swobody (a Single-Degree-Of-Freedom) Model matematyczny F(t) Jest opisem matematycznym modelu analitycznego. d x dx( t) m c kx( t) F( t) dt dt K M C x(t) Analizowane parametry: - częstotliwość drgań własnych w o k m - częstotliwość drgań tłumionych - Kształt krzywej rezonansowej w d k m c m w o

17 Właściwości modalne stalowej łopatki B Mode Measured data f o [Hz] 3dB Df 3dB [Hz] Critical damping coefficient Df 3dB f o Damping coefficient s [s - ] s Df 3 db Time constant [s] F F T s

18 4 G [mm/mm] Symptomy pęknięcia pióra Materiał łopatki: 8HN4WA F(t) M Y (t) 3 K C l M F(t) Y(t) M K C Y (t) K C Nieciągłość i niesymetryczność krzywej rezonansowej Nieznaczne pogorszenie dobroci układu rezonansowego f/f ra

19 t p y b dt dy b h dt y d w cos ) ( ) ( ) ( 4 ) ( ) ( w w w b h b p b ) ( ) ( ) ( 4 ) ( ) ( b p b b h b h b h b w ) ( 4 ) ( ) ( w w w b h b p gdzie: mały parametr; p amplituda siły wymuszającej; b amplituda drgań ustalonych; (b) ekwiwalentna częstość własna; h (b) ekwiwalentny jednostkowy współczynnik tłumienia. Ekwiwalentne równanie liniowe (spełniające z dokładnością równanie nieliniowe) Model numeryczny pękniętej łopatki WIELKOŚCI MIERZONE i ANALIZOWANE Amplituda drgań Kąt fazy drgań Częstość rezonansowa

20 Symptomy pęknięcia pióra.5 f/f rez Dobra łopatka Propagacja pęknięcia S n S r.965 a [m/s ] Czułość detekcji pęknięcia zwiększa się wraz ze wzrostem obciążenia pióra (zmiana częstotliwości rezonansowej i asymetrii krzywej rezonansowej)

21 Łopatka stalowa Y max /Y ra s nb Łopatka tytanowa Y max /Y ra s nb.8.8 S g.6.6 S g.4 S r.4 S r. s na. s na S n S n f/f rf f/f r Jakie będą symptomy diagnostyczne dla łopatek kompozytowych? [ o ] [ o ] S r S r f/f rf f/f rf

22 G(f) Nacięcie Symulacja pęknięcia pióra (szczelina bez tarcia) G (f) Nacięcie. g.5 g. g.75 g.5 g 3Wzrost wzmocnienia 5.5 g f [Hz] Brak nieciągłości i asymetrii f [Hz] 344 Program ANSYS Łopatka Zmiana częstotliwości [Hz] I mod II mod III mod Pęknięta Nacięta (szczelina bez tarcia) Słaba zgodność

23 Wpływ nieciągłości krzywej rezonansowej (łopatki ze stopu tytanu WT-8M) Test LCF 4 Test HCF - stała częstotliwość wymuszeń G [mm/mm] Rezonans amplitudy a = 8 g f w = Hz 58 f [Hz] Propagacja pęknięcia i synchronizacja drgań łopatki do częstotliwości wymuszającej (na atraktorze rezonansowym ) Przeskok na atraktor nierezonansowy Zatrzymanie propagacji pęknięcia (na atraktorze nierezonansowym ) t [min] 3 G [mm/mm].5.5 t [min] df r [Hz] df 5 dn LCF df dn HCF f [Hz] Cykl 5 df dn LCF df dn HCF

24 Testy LCF Przyśpieszona propagacja pęknięcia (stop tytanu) G [mm/mm] 5 G 8 [mm/mm] 6 4 Brak przeskoków f [Hz] t [min] da dn mm cykl 8 G [mm/mm] f [Hz] 549 Przyśpieszona propagacja pękania występuje tylko podczas przeskoków DK MPa mm

25 Testy HCF G(f)/G(f rez) cykli 9 cykli.9 35 G(f) 3 5 WTR "pęknięta" po x^6 cykli, 49 MPa +x^6cykli, 6 MPa +x^6 cykli, 6 MPa +4.5x^3 cykli, 65 MPa stan wyjściowy WTR "pęknięta" przed próbą zmęcz. f [Hz] Umocnienie materiału: wzrost częstotliwości zmniejszenie tłumienia Osłabienie materiału: Zmniejszenie częstotliwości Niesymetryczność krzywej rezonansowej f/f rez położenie rezonansu amplitudy w zmocninie w rezonansie cykle [x 3 ] 3 6 9

26 N Łop 3x 7 Metoda M-TOA (silnik SO-3, 7) mm pęknięcie od KN Asymetria hodografu symptom tarcia na szczelinie mm pęknięcie na grzbiecie 3 n [rpm]

27 Podsumowanie. Laserowy pomiar drgań i analiza modalna krzywej rezonansowej łopatki umożliwia w warunkach remontowych wydzielenie wiarygodnych symptomów diagnostycznych, odwzorowujących wczesną fazę zmęczenia materiału i inicjacji pęknięcia G/G ra.4.4 L P f, Q s.4 S r. S n f/f r Umocnienie Osłabienie Pękanie t

28 Podsumowanie Laserowy pomiar drgań & analiza modalna ITWL Warszawa, WZL-3 Dęblin, 6 Prognoza: > godz. pracy silnika Oprogramowanie SPŁ-b ITWL Warszawa, 993 Prognoza: 5 godz. pracy silnika. Laserowy pomiar drgań łopatek została wdrożona do technologii remontu silników typu SO-3 i TW3-7 w 6 r. 3. Analiza kształtu krzywej rezonansowej jest na etapie wdrażania. Pracochłonność weryfikacji pojedynczej łopatki nie przekracza 5 minut.

29 3. Test LCF dla I modu a = 8g, Df=5 Hz/min Faza II Propagacja do krawędzi spływu. Po przeciążeniach HCF III mod: a=45 g/ min II mod: a=5 g/5 min I mod: a=8 g/5 min Pęknięcie na wskrość Propagacja na grzbiecie 5 mm do krawędzi spływu Faza I Propagacja do krawędzi natarcia a. Wpływ poziomu wymuszeń (I mod). Identyfikacja właściwości modalnych i testy HCF Dołom.7 mm Pęknięcie na silniku Ognisko zmęczenia Grzbiet:.5 mm Sprzęgnięcie laserowego pomiaru drgań łopatki z metodą analizy modalnej (brak wad powierzchniowych) umożliwia obserwację zjawisk dynamicznych występujących podczas inicjacji i propagacji pękania.