WITOŚ Mirosław 1 Komputerowy system wsparcia bezpieczeństwa eksploatacji samolotów TS-11 Iskra i remontu silników typu SO-3 WSTĘP Do 1993 r. piloci samolotów szkolno-bojowych TS-11 Iskra byli narażeni na zwiększone zagrożenie wypadkowe z przyczyn technicznych, pomimo realizowania przez personel naziemny kosztownych obsług technicznych, prowadzenia analiz statystycznych zagrożenia wypadkowego i podejmowania działań profilaktycznych. W eksploatacji występowały różne nierozwiązane problemy techniczne, m.in. zmęczeniowe pękanie i urywanie łopatek sprężarki. W latach 1975 1991urwało się 25 stalowych łopatek I stopnia sprężarki w 10 silnikach typu SO-3, co było przyczyną aż 10% wypadków lotniczych samolotów TS-11 Iskra, w tym dwóch katastrof lotniczych [6]. Do tych zdarzeń dochodziło pomimo częstego badania łopatek przy pomocy klasycznych metod badań nieniszczących (metody wizualnej i defektoskopii ultradźwiękowej, kontrola co 50 godz. pracy silnika). Sytuacja uległa radykalnej zmianie dopiero po wdrożeniu systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b w Lotnictwie Sił Zbrojnych RP (LSZ RP). System diagnostyczny SNDŁ-1b/SPŁ-2bzostał opracowany w ITWL po katastrofie samolotu TS-11 Iskra zaistniałej w 1991 r., której przyczyną było urwanie łopatki I stopnia sprężarki. System bazuje na bezdotykowym pomiarze drgań wirujących łopatek (TTM, ang. Tip Timing Method) i doradczo-eksperckim oprogramowaniu opracowanym przez autora. Przy jego pomocy od ponad 20 lat jest realizowany indywidualny nadzór i optymalizacja warunków pracy każdego silnika typu SO-3. Cztery lata później metoda TTM została wdrożona do remontu silników typu SO-3 jako system czasu rzeczywistego CTM-PER/SPŁ-2b, wspierany przez dodatkowe oprogramowanie opracowane przez autora. Przy jego pomocy weryfikowane są silniki podczas próby kontrolnej i zdawczej. W artykule przybliżono metodę TTMi jej oprogramowanie, które przez ponad 20 lat eksploatacji m.in.: podwyższyło kulturę techniczną remontu i obsług technicznych silników typu SO- 3,wyeliminowało problem zmęczeniowy łopatek I stopnia sprężarki i niestatecznej pracy silnika oraz wspomagało użytkownika i komisje badania wypadków lotniczych w identyfikowaniu przyczyn problemów technicznych silnika typu SO-3, zobrazowanych na rysunku 1.Opisywanatematyka jest przykładem nieliniowych zagadnień odwrotnych klasy MIMO (ang. Multi Input Multi Output) dla układu antropotechnicznego, które są możliwe do rozwiązania tylko przy efektywnym wsparciu technikami komputerowymi i informatycznymi na etapie pomiaru, analizy danych i wnioskowania. Omawiane zagadnienia zobrazowano przykładami. 1 PROBLEM BADAWCZY Zwiększenie bezpieczeństwa eksploatacji samolotów TS-11 Iskra i jakości remontu silników typu SO-3 wymagało: opracowania koncepcji aktywnego sterowania zmęczeniem materiału przez użytkownika [4, 7]; opracowania metody i toru pomiarowego do bezdotykowego pomiaru drgań wirujących łopatek, z uwzględnieniem dynamiki stanów przejściowych silnika; identyfikacji wiarygodnych symptomów diagnostycznych pękania pióra łopatki, obserwowanych podczas pracy silnika(prób dowodowych w ramach eksperymentu czynnego); 1 Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Zakład Informatycznego Wsparcia Logistyki, ul. Ks. Bolesława 6, 01-494 Warszawa, Tel. +4822 6851353, Fax: +4822 6851612, E-mail: witosm@itwl.pl 11223
wykonania badań wdrożeniowych w warunkach polowych, w ramach których oceniano poprawność pracy toru pomiarowego i oprogramowania (eksperyment bierny); identyfikacji wpływu rozrzutu własności modalnych łopatek na symptomy diagnostyczne (eksperyment bierny realizowany na pełnej populacji silników typu SO-3 eksploatowanych w LSZ RP); ciągłej ewaluacji wdrożonej metody diagnostycznej i jej komponentów, podejmowania działań korygujących w miarę zdobywania nowej wiedzy o negatywnych zjawiskach dynamicznych, które nie zostały rozpoznane na etapie badań laboratoryjnych i prób wdrożeniowych, m.in.: przyczyn remontowych zjawisk 9500 obr/min, deceleracja i 12300 obr/min, akceleracja ; aspektów ekonomicznych i logistycznych producenta, zakładu remontowego i użytkownika; wpływu czynników ludzkich w rozproszonym systemie eksploatacji samolotów TS-11 Iskra, źródła błędów produkcyjnych, remontowym i eksploatacyjnych. Rys. 1. Problemy zmęczeniowe silników typu SO-3: urywanie łopatek I stopnia sprężarki, ukręcenie czopa tarczy VII stopnia sprężarki pod bieżnią łożyska środkowej podpory, urywanie łopatek turbiny, uszkodzenia łożyska środkowej podpory i pękanie elementów komory spalania [7]. 1.1 Koncepcja aktywnego sterowania procesem zmęczenia łopatek Aktywne diagnozowanie i sterowania zmęczeniem materiału łopatek, którego ideę przedstawiono na rysunku 2, zostało wymuszona przez: a) Bardzo małą skuteczność klasycznych metod badań nieniszczących (NDT, ang. Non-Destructive Testing) używanych w eksploatacji samolotu TS-11 Iskra i remoncie silnika typu SO-3 do detekcji pęknięcia łopatek sprężarki przez ponad 40 lat (do chwili obecnej) w eksploatacji nie wykryto pęknięcia pióra łopatki sprężarki przy pomocy klasycznych metod NDT. W remoncie łopatki są najczęściej brakowane ze względu na: nadmierne uszkodzenie krawędzi natarcia pióra, przekroczenie parametrów geometrycznych pióra (wysokości i/lub grubości profilu) lub negatywny wynik próby niszczącej losowo wybranych 3 łopatek z danej palisady. b) Błąd konstrukcyjny łopatek I stopnia sprężarki za małe odstrojenie częstotliwości I modu drgań łopatek od wymuszeń drugą harmoniczną częstotliwości obrotowej na zakresie startowym. Błąd stwarza wysokieryzykoinicjacji pęknięcia i urwania łopatek I stopnia sprężarki w czasie krótszym od jednego wylotu samolotu tylko podczas pracy silnika SO-3 w niekorzystnych warunkach(nadmiernego cieniowania wlotu). Częstotliwość drgań danego modu łopatki f Ł (n) przy prędkości obrotowej nopisują dwie zmienne: częstotliwość drgań własnych danego moduf Ł (n=0) (wynikająca z geometrii pióra i historii wytężenia materiału) i współczynnik przyrostu dynamicznegob (odwzorowujący geometrię pióra i rozkład masy wzdłuż jej 11224
wysokości). Podczas remontu wykonywana jest kontrola częstotliwości drgań własnych I modu łopatek, która nie gwarantuje wyeliminowania łopatek z niewłaściwym rozkładem masy wzdłuż pióra, pracujących w rezonansie na zakresie startowym (nawet po zawężeniu warunków technicznych). c) Aspekty ekonomiczne producenta silnika skorygowanie rozpoznanego błędu konstrukcyjnego łopatek wymagałoby kosztownych działań, obejmujących: opracowanie nowego typu łopatki, wykonania badań fabrycznych, produkcji ok. 10000 łopatek, wymiany istniejących łopatek I stopnia sprężarki na nowy typ w ponad 400 silnikach typu SO-3 (czynność możliwa tylko do wykonania w warunkach zakładu remontowego lub zakładu produkcyjnego), wykonanie prób silników (kontrolnych i zdawczych) po wcześniejszym demontażu silnika na podzespoły i elementy, a następnie ich montażu. d) Aspekty ekonomiczno-organizacyjne użytkownika wykonywanie częstszej kontroli stanu technicznego łopatek przy pomocy klasycznych metod NDT (np. co 25 lub 12.5 godz. pracy silnika) nadmiernie zakłócałoby proces szkolenia pilotów i narażałoby użytkownika na dodatkowe koszty związane z: demontażem silnika z płatowca w celu uzyskania dostępu do łopatek sprężarki, montażem silnika na płatowiec po zakończeniu badań NDT i oblotu technicznego wymaganego po montażu silnika. Rys. 2. Idea aktywnego sterowania procesem zmęczenia materiału stosowana od 20 lat w LSZ RP, która m.in. wyeliminowała problem zmęczeniowy łopatek I stopnia sprężarki silników typu SO-3, przedłużając teoretyczny czas oczekiwany między pęknięciami łopatek o ponad 15 razy! [7] Lotnictwo Sił Zbrojnych RP (polski użytkownik samolotów TS-11 Iskra )przyjął nowatorskie rozwiązanie zaproponowane przez ITWL i sfinansowane przez MON, przy jednoczesnym wsparciu działalności naukowej autora przez MNiSW. Działania profilaktyczne realizowane po katastrofie samolotu TS-11 Iskra z 1991 r. zostały ukierunkowane na poszukiwanie pierwotnych przyczyn przyśpieszonego zmęczenia łopatek sprężarki z wykorzystaniem metody TTM ( Obserwatora stanu na rysunku 2), a nie skutku pęknięcia pióra łopatki. Przyczyn, które: a) nie zawsze są odwzorowane w postaci: niekorzystnych zmian widma drgań i uśrednionych parametrów pracy zespołu napędowego, rejestrowanych m.in. przez mierniki drgań (przenośne lub stoiskowe), wskaźniki pokładowe i stoiskowe oraz pokładowy rejestratora danych samolotu TS-11 Iskra ; niepokojących wyników badań NDT oceny bieżącego stanu technicznego krytycznych elementów silnika typu SO-3. b) mogą być skorygowane przez producenta, zakład remontowy i użytkownika przy bardzo niskim nakładzie środków finansowych (na rysunku 2 oznaczonych jako Ingerencja użytkownika ). Za nowatorskim podejściem przemówiły również dodatkowe przesłanki. Wykrycie pęknięcia łopatki w eksploatacji jest zawsze źródłem dodatkowych strat finansowych użytkownika i uświadomieniem o istniejącym i nierozwiązanym problemie zmęczeniowym łopatek. 11225
Uświadomieniem zagrożenia, który może zakończyć się awarią lub katastrofą, na które użytkownik ma bardzo mały wpływ nawet wtedy, gdy kontrole łopatek są wykonywane klasycznymi metodami NDT co 50 godz. pracy silnika (co ok. 3 tygodnie podczas intensywnego szkolenia pilotów w okresie letnim). 2 DOBÓR OBSERWATORA STANU Podczas eksperymentów czynnych prowadzonych w ITWL stwierdzono, że głównymi przyczynami małej skuteczności klasycznych metod NDT w diagnozowaniu pęknięcia łopatek sprężarki są: brak informacji o rzeczywistych warunkach pracy łopatek isilna wrażliwość symptomów diagnostycznych metody ultradźwiękowej na zamykanie szczeliny pęknięcia pod wpływem ściskających naprężeń własnych, obecnych w materiale łopatki po zatrzymaniu silnika i zaniku naprężeń eksploatacyjnych. Już po trzech dniach postoju silnika SO-3 prawdopodobieństwo wykrycia pęknięcia łopatki o długości 15 mm metodą ultradźwiękową maleje do zera, pomimo że dla tej metody NDT deklaruje się możliwość wykrywania nieciągłości materiału o rozmiarach 0,2 mm! Długotrwały efekt zamykania szczeliny nie występuje podczas pracy silnika, dlatego do monitorowania łopatek I stopnia sprężarki silnika typu SO-3 zastosowano metodę TTM [1].Bezdotykową techniką identyfikacji ryzyka przedwczesnego zmęczenia materiału wirujących łopatek (ich stanu technicznego i energetycznego), stosowaną w lotnictwie i energetyce od ponad 90 lat na etapie badań: a) fabrycznych (świat) metoda TTM zastępuje kłopotliwą metodę tensometryczną, ale wymaga silnego wsparcia metodą elementów skończonych i rozwiniętej analizy numerycznej danych pomiarowych pochodzących z kilku czujników rozmieszczonych nierównomiernie po obwodzie palisady [1-3,10, 12]; b) diagnostycznych (Polska, świat) wykonywanych w produkcji, remoncie i eksploatacji obiektów typu czarna skrzynka (ang. black box), np. silników lotniczych, o nieznanych właściwościach modalnych łopatek i wewnętrznych sprzężeń: drgań łopatek zdrganiamiwirnika, jakością pracy układ zasilania oraz właściwościami modalnymi i parametrami procesu spalania [2, 3, 5-8]. Główną zaletą metody TTM jest prosty tor pomiarowy orazbrak konieczności demontażu silnika z płatowca, jego powtórnego montażu w płatowcu i oblotu technicznego (dodatkowych czynności wymaganych dla badań łopatek przy pomocy klasycznych metod NDT). Słabą stroną metody TTM jest nierównomierne, rzadkie próbkowanie sygnału (raz na obrót wirnika/czujnik) i złożoność analityczna przetwarzania danych pomiarowych. 2.1 Podstawy teoretyczne metody TTM Metoda TTM jest pośrednią metodą pomiaru drgań łopatek, w której rozwiązuje się nieliniowe zagadnienie odwrotne na podstawie pomiaru i analizy czasu przyjścia TOA (ang. Time Of Arrival) elastycznych i drgających znaczników fazy (wirujących łopatek). Identyfikacji podlegają: chwilowa prędkość obrotowa silnika (zakres pracy silnika); rzeczywiste właściwości modalne łopatek monitorowanej palisady (28 łopatek dla I stopnia sprężarki silnika typu SO-3); stan energetyczny łopatek (widmo drgań i poziom wytężenia materiału) i ich stan techniczny (poziom zmęczenia i degradacji struktury); zjawiska dynamiczne generujące wymuszenia. Mierzona wielkość dyskretny czas TOA(k), zawiera trzy składowe [7]: a) aperiodyczną (A), która odwzorowuje chwilową prędkość kątową idealnego sztywnego wirnika (bez błędów osiowania i drgań); b) periodyczną (P), która wywołana jest przez składowe oscylacyjne wnoszone m.in. przez drgania i błędy osiowania rzeczywistego wirnika, drgania kadłuba, drgania znacznika, quasi-stałe błędy podziałki znacznika fazy (zmieniające się pod wpływem prędkości obrotowej); c) szum losowy i zakłócenia (I), które odwzorowują słabe składowe oscylacyjne (np. wyższe postacie drgań łopatki) oraz zjawiska nałożone na mierzony sygnał pomiarowy. 11226
TOA k Ak Pk Ik (1) Wszystkie trzy składowe TOAsą wykorzystane w metodzie TTM do kompleksowego diagnozowania obiektu, co zobrazowano na rysunku 4. Są one wydzielane i analizowane ilościowo przy pomocy różnych metod analizy numerycznej. Tym metoda TTM różni się od klasycznej metody pomiaru chwilowej prędkości obrotowej, w której składowe P i I są uważane za zbędną informację (szum pomiarowy) i podlegają odfiltrowaniu. Rys. 4. Struktura blokowa metody TTMz układem pomiarowym stosującym metodę częstotliwościową pomiaru czasu TOA [7]. 2.2 Tor pomiarowy Na potrzeby użytkownika samolotów TS-11 Iskra (jednostek lotniczych i grupy startowej zakładu remontowego) opracowano w ITWL system diagnostyczny SNDŁ-1b/SPŁ-2b zawierający: Sygnalizator nadmiernych drgań łopatek SNDŁ-1b: urządzenie pokładowe przeznaczone do monitorowania poziomu drgań łopatek I stopnia sprężarki w zakresie prędkości obrotowej silnika n >12000 obr/min (podczas prób na ziemi i w locie) i ostrzegania użytkownika o wystąpieniu niebezpiecznego zjawiska drganiowego (sygnał świetlny w kabinie oraz zliczanie czasu pracy silnika z niebezpieczną amplitudą drgań łopatek sprężarki). Sygnalizator pęknięć łopatek SPŁ-2b: urządzenie naziemne przeznaczone do okresowej rejestracji widma drgań łopatek (czasówtoa) na przenośnym nośniku pamięci i diagnozowania stanu technicznego sygnalizatora SNDŁ-1b bez konieczności jego demontażu z płatowca. Oprogramowanie doradczo-eksperckie, przy pomocy którego dane z SPŁ-2b są kopiowane do komputera i analizowane numerycznie. Jeden lub dwa czujniki reluktancyjne mocowane w kadłubie sprężarki, dodatkowe wiązki (okablowanie) zamontowane w samolocie i dodatkowe wyposażenia kabin (lampki i licznik). Na potrzeby prób kontrolnych i zdawczych silników typu SO-3, wykonywanych w hamowni zakładu remontowego,autor opracował system czasu rzeczywistego (ang. on-line), który bazuje na: jednym czujniku reluktancyjnym systemu SNDŁ-1b/SPŁ-2b, karcie licznikowej CTM-PER firmy Keithley MetraByte i oprogramowaniu rozszerzającym możliwości funkcjonalne oprogramowania sygnalizatora SPŁ-2b. 3 OPROGRAMOWANIE Oprogramowanie jest sercem każdego systemu diagnostycznego.bez niego jest niemożliwa precyzyjna analiza jakościowa i ilościowa danych pomiarowych. W systemie SNDŁ-1b/SPŁ-2b i CTM-PER/SPŁ-2b używane jest doradczo-eksperckie oprogramowanie [9], które zawiera: jądro 11227
systemu z graficznym interfejsem, pięć baz danych tabela 1, oraz kodowany dziennik pracy systemu, któryrejestrujeaktywność oprogramowania, wyniki obiektywnej diagnozy i działania użytkownika oprogramowania najsłabszego ogniwa systemu antropotechnicznego. Oprogramowanie zostało zoptymalizowane na 32-bitowe procesory rodziny x86 serii 386 i wykrywanie nadmiernych drgań łopatek I stopnia sprężarki w zakresie roboczym pracy silnika typu SO-3. Tab. 1. Podział wiedzy i zadań na bazy danych w oprogramowaniu TTM. Baza danych Opis Tekstowa Zawiera: informacje o zasadach eksploatacji silnika SO-3, karty technologiczne systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b i CTM-PER/SPŁ-2b, oraz dane konfigurujące do pomiaru innych typów silników lotniczych (m.in. AŁ-21F3, RD-33, M-601T) przy pomocy toru on-line. Danych Zawiera opisane dane binarne z okresowej rejestracji widma drgań łopatek (pomiaru czasu TOA), pomiarowych wykonywanej wg profilu pracy silnika określonego w biuletynach eksploatacyjnych. Procedur i Zbiór procedur i podprogramów do: obsługi transferu danych nośnika pamięci sygnalizatora SPŁ-2b podprogramów i karty CTM-PER, wstępnego przetwarzania danych TTM, analizy składowych sygnału TTM (łopatek, układu paliwowego i ułożyskowania wirnika), wydruku wyników graficznych, kompresji i archiwizacji. Reguł Zbiór reguł wnioskowania doradczo-eksperckiego na bazie sygnału TOA, opracowanych na diagnostycznych Wzorców podstawie danych z eksperymentów biernych i czynnych. Dane o początkowym widmie drgań łopatek każdego silnika (uzyskane podczas pierwszej rejestracji) oraz przykładygraficzne zweryfikowanych wzorcowych portretów fazowych: drgań łopatek, prędkości obrotowej silnika idrgań wirnika, wraz z opisem symptomów odstępstwa od WT (ukrytych defektów, błędów produkcyjnych, remontowych i eksploatacyjnych) wiedza dydaktyczna udostępniona użytkownikowi oprogramowania, używana m.in. do szkolenia personelu użytkownika (pilotów i personelu technicznego). 3.1 Wstępne przetwarzanie danych TTM Zarejestrowane dane pomiarowe TTM mają okresową strukturę, która wynika z cech nadajnika enkodera liczby łopatek N B i ich rzeczywistego położenia w palisadzie (błędów podziałki). Dane pomiarowe można przedstawić w postaci wektora S(2) lub macierzy S m (3), przyjmując T = TOA. T 1 T2... TK gdzie K, Z S (2) T11 T12... T1 N B............ S m gdzie M, N Z B (3)............ TM1 TM 2... TMNB W danych TTM mogą wystąpić pojedyncze błędy, które mają poważny wpływ na wiarygodność stawianej diagnozy [7]. Ich źródłem mogą być: a) enkoder: 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; b) tor pomiarowy ciąg dodatkowych blisko położonych impulsów 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, podłączonych galwanicznie do toru pomiarowego, np. zakłócenia podczas przełączania zakresu obrotomierzy wielozakresowych używanych na stoisku hamowni zakładu remontowego; błędy wyzwalania i zamykania cyklu pomiarowego; błędy zapamiętywania wyniku w buforze licznika lub linii opóźniającej, przekroczenie zakresu pomiarowego licznika przy małej prędkości obrotowej silnika. 11228
Ww. błędy generują błędną strukturę rejestrowanych danych TTM. W celu zmniejszenia ryzyka błędnej diagnozy, zarejestrowane dane podlegają programowej weryfikacji i automatycznej korekcie przed ich przypisaniem do wektora S i macierzy S m. Wyniki weryfikacji danych pomiarowych są źródłem dodatkowej informacji diagnostycznej. Numeryczna korekcja błędów rozszerza również zakres możliwej obserwacji zjawisk na pomiary wykonywane przy małej prędkości obrotowej silnika. Podczas fazy rozruchu i dobiegu, w których występuje przekraczanie prędkości krytycznej wirnika, sterowanie wydatkiem paliwa przez automatykę rozruchową oraz zmiany oporów tarcia ułożyskowania wirnika zagadnienia niediagnozowalne w zakresie roboczym silnika typu SO-3. 3.2 Dekompozycja sygnału TTM Dane z S i S m podlegają numerycznej dekompozycji na składowe A, P i I.W oprogramowaniu SPŁ-2b/CTM-PER zastosowano uproszczoną metodę dekompozycji sygnału TOA(k) na składowe, bazującą na średniej geometrycznej i arytmetycznej TOA wyznaczanej dla przyjętego okna. 3.3 Analiza ilościowa danych TTM W metodzie TTM mierzoną wielkością dyskretną jest czas TOA(k), którego odchyłki od wartości oczekiwanej TOA T (k) modulowane są przez jitter ζ(k) [7]. Precyzyjnie zmierzony czas TOA(k)zawieratrzy grupy zmiennych dyskretnych w czasie Są nimi: ζ L (k) 1 L ( k) TOA( k) 1 ( k) TOAT ( k) TOAT ( k) (4) 1 ( k) jitter łopatkowy wnoszony przez: 1) błędy podziałki ζ P (N B zmiennych); 2) drgania łopatek biorących udał w cyklu pomiarowym o częstotliwości zależnej od prędkości obrotowej ζ Ł,k, (kn B zmiennych, gdzie k liczba analizowanych modów); 3) drgania kadłuba ζ K ; 4) efekty i zjawiska wykorzystywane w czujniku, m.in. stan namagnesowania pióra łopatki przez efekty magnetomechaniczne ζ ZD ;, (5) L P Ł k K ζ (k) jitter wirnikowy wnoszony przez: 1) wahania prędkości obrotowej (niskoczęstotliwościowa ingerencja układu paliwowego) ζ UP ;2) drgania poprzeczne i skrętne wirnika odpowiednio ζ WP i ζ WS ; 3) błędy osiowania rzeczywistego wirnikaζ R i ζ P ; UP WP WS ZD (6) (k) teoretyczny czas przyjścia łopatki idealnego wirnika (bez błędów podziałki, drgań i osadzenia wirnika w podporach). Równania (4) (6) ujawniają złożoność analityczną metody TTM iprzyczynę, dlaczego od ponad 90 lat metoda bezdotykowego pomiaru drgań wirujących łopatek została opanowana tylko przez nieliczne ośrodki na świecie, skupione w EVI-GTI (ang. European Virtual Institute for Gas Turbine Instrumentation) [11] i PIWG (ang. the Propulsion Instrumentation Working Group) [13], pomimo prostoty pomiarowej tor licznikowy jest obecnie dostępnyw większości kart pomiarowych. Procentowy udział poszczególnych składowych jitteru ζ zmienia się w zależności od [7]: położenia obserwatora stanu (na różnych stopniach sprężarki danego typu silnika), obiektu badań (dla różnych typów silnikówlotniczychczy turbinenergetycznych). O jakości wydzielenia składowej łopatkowej decyduje kolejność wybielania sygnału jitteru (7), posiadającego złożone widmo amplitudowo-częstotliwościowe. 1 P Ł, k 1 UP WP Na rysunku 5 przedstawiono przykładowe wyniki analizy danych TTM uzyskiwane przy pomocy oprogramowania systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b i CTM-PER/SPŁ-2b. WS K O O ZD P P 1 (7) 11229
2x 3x b) c) d) Rys. 5. Analiza ilościowa sygnału TOA z wykorzystaniem portretów fazowych: a) diagnozowanie propagacji pęknięcia pióra łopatki podczas pracy silnika (eksperyment czynny, LPF filtracja dolnopasmowa, 2x i 3x wymuszenie drgań drugą i trzecią harmoniczną częstotliwości obrotowej wirnika) [6]; b) wpływ zalegania obcego ciała we wlocie silnika na widmo drgań łopatek [6]; c) diagnozowanie drgań wirnika i stanu technicznego środkowej podpory[9]; d) analiza jakości regulacji i stanu technicznego układu paliwowego [9] 4 DOŚWIADCZENIA EKSPLOATACYJNE Przez ponad 20 lat eksploatacji systemów diagnostycznych SNDŁ-1b/SPŁ-2b i CTM-PER/SPŁ-2b wykazano bardzo wysoką efektywność metody TTM i jej oprogramowania w diagnozowaniu istniejących problemów technicznych samolotów TS-11 Iskra i silników typu SO-3. Doradczoeksperckie oprogramowanie skutecznie wspierało producenta, zakład remontowy, użytkownika i komisję badania wypadków lotniczych w: identyfikowaniu i usuwaniu błędów stanowiących przesłanki przyśpieszonego zużycia zmęczeniowego łopatek sprężarki i silników typu SO-3 oraz zagrożenia bezpieczeństwa lotów; identyfikowaniu przyczyn usterek technicznych, awarii i katastrof lotniczych zaistniałych na samolotach TS-11 Iskra po 1993 r.; działalności logistycznej, istotnej szczególnie po zaprzestaniu produkcji części zamiennych; podnoszeniu kultury technicznej personelu zakładu remontowego i użytkownika. 11230
W początkowym okresie eksploatacji systemu diagnostycznego wycofano na przedwczesny remont pięć silników z nadmiernymi błędami kształtu łopatek (niewłaściwym osadzeniem pióra względem stopy). Dostrzeżony błąd produkcyjny stwarzał ryzyko pękania pióra od krawędzi natarcia. Komputerowa analiza jakości regulacji układu paliwowego zminimalizowała błędy regulacji eksploatacyjnej i fabrycznej układu zasilania silnika oraz skutecznie wykryła ukryte defekty agregatów. Wyeliminowana przypadki niestatecznej pracy silnika z eksploatacji samolotów TS-11 Iskra (do 2013 r.), chociaż to zjawisko istnieje i wynika z właściwości sprężarki osiowej oraz jej współpracy z kanałem gazodynamicznym silnika. Czułym wskaźnikiem pracy silnika na pograniczu niestatecznej pracy sprężarki sprzężonych z drganiami wirnika są monitorowane łopatki I stopnia sprężarki oraz symptom zjawisko 12300 obr/min, akceleracja. Sprzężenie trzech źródeł informacji: drgań łopatek, drgań wirnika i jakości regulacji układu paliwowego, jest podstawą do praktycznego realizowania koncepcji aktywnego diagnozowania i sterowania zmęczeniem materiału łopatek sprężarki i innych podzespołów silnika. Poprzez optymalizację jakości regulacji układu paliwowego uzyskano zmniejszenie o ponad 40% amplitudę drgań łopatek w zakresie 12000 12500 obr/min. W 2013 r. zaobserwowano nasilenie błędów regulacji silnika (wpływ zmiany pokoleniowej). Na podstawie analizy widma drgań łopatek I stopnia sprężarki i symptomu zjawisko 9500 obr/min deceleracja zidentyfikowano grupę silników o zwiększonym poziomie ryzyka uszkodzenia zmęcze-niowego środkowej podpory. Stwierdzono, że symptom diagnostyczny odwzorowuje sprzężenie właściwości modalnych procesu spalania i drgań rezonansowych wirnika z rezonansem asynchronicznym łopatek I stopnia sprężarki, na które wpływ mająjakość produkcji i remontu silnika (nierównomierność pola temperatur przed turbiną i poziom niewspółosiowości wirnika sprężarki względem osi wału turbiny).wśród wytypowanych silników był również silnik z samolotu, na którym doszło do katastrofy lotniczej w 2005 r. z przyczyn silnikowych. Wyniki aktywnego sterowania zmęczeniem łopatek zburzyły 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. Nawet w przypadku istnienia poważnych błędów konstrukcyjnych możliwa jest bezpieczna eksploatacji silnika. Poprzez uświadomienie rzeczywistych przyczyn, które generują zagrożenie bezpieczeństwa lotów samolotów TS-11 Iskra oraz wskazanie tanich działań korygujących związanych z czynnikiem ludzkim (najczęściej z nieświadomymi błędami pozornie nie związanymi z trwałością łopatek): a) wyeliminowano: zmęczeniowe pękanie łopatek I stopnia sprężarki - ostatni przypadek urwania łopatki I stopnia sprężarki zanotowano w eksploatacji w 1991 (przyczyna katastrofy lotniczej).przy pomocy metody TTM wydłużono średni statystyczny czas między pęknięciami o ponad 15 razy! błędy regulacji układu paliwowego i ukryte defekty agregatów (błędy regulacji fabrycznej), zjawisko niestatecznej pracy sprężarki w eksploatacji; b) podwyższono kulturę techniczną produkcji, remontu i eksploatacji silnika typu SO-3. WNIOSKI Na przykładzie doświadczeń eksploatacyjnych metody TTMwykazano, że poprzez komputerowe wsparcie procesu eksploatacji i remontu silników lotniczych można uzyskać wyraźną długookresową poprawę bezpieczeństwa lotów. Zwiększenie zakresu komputeryzacji badań nieniszczących i monitorowania nie tylko zagrożonego obiektu (np. łopatek), ale również całej struktury antropotechnicznej (systemu eksploatacji, remontu i produkcji) jest niezbędnym działaniem umożliwiającymrozwiązanie najtrudniejszych problemów: a) diagnostycznych podejmowania decyzji obciążonych ewentualną odpowiedzialnością karną ( 173-179 kk), przy jednoczesnej presji przełożonych i oddziaływaniu czynników ekonomicznych; b) logistycznych zarządzania starzejącą się flotą z zapewnieniem terminowej realizacji zaplanowanych zadań; 11231
c) organizacyjnych identyfikacji i minimalizacji niekorzystnych czynników ludzkich. Streszczenie W artykule przedstawiono metodę bezdotykowego monitorowania wirujących łopatek sprężarki (TTM), wdrożoną w Polsce do: eksploatacji samolotów TS-11 Iskra w 1993 r. i technologii remontu silników typu SO-3 w 1997 r. Omówiono zakres badań poprzedzających wdrożenie metody TTM i jej oprogramowania doradczo-eksperckiego. Na podstawie uzyskanych doświadczeń eksploatacyjnych wykazano, że komputerowe wsparcie użytkownika samolotów TS-11 Iskra i silników typu SO-3 umożliwiło aktywnie sterować procesem zmęczenia materiału. W efekcie identyfikacji przyczyn, a nie skutków problemów zmęczeniowych, zwiększono bezpieczeństwo lotów samolotów TS-11 Iskra i wyeliminowano z eksploatacji: problem zmęczeniowy łopatek I stopnia sprężarki i niestatecznej pracy silnika. Zredukowano również błędy ludzkie i podwyższono kulturę techniczną remontu i obsług technicznych silnika typu SO-3. Wiarygodnie rozpoznano przyczyny innych problemów technicznych silnika typu SO-3. Omawiane zagadnienia zobrazowano przykładami. Computer-based system to support operational safety of the TS-11 Iskra aircraft and overhauls of the SO-3 engines Abstract The paper has been intended to introduce the Tip Timing Method (TTM) to monitor rotating blades in an aircraft compressor, that was implemented in Poland: in maintenance of the TS-11 Iskra aircraft in 1993 and in the SO-3 engine overhaul technology in 1997. The scope of research performed before the implementation of TTM and its advisory expert-software have been outlined. On the base of conducted experimental research, it has been confirmed that computer-based system to support operational safety of the TS-11 Iskra aircraft and overhauls of engines SO-3 has enabled to actively control a process of material fatigue. As a result of reason identification of fatigue problems, flight safety of the TS-11 Iskra aircraft was improved and the following problems were eliminated from operational use: a fatigue problem with I stage rotor blades in compressors and instable operation of the SO-3 engines. Unconscious human errors were also eliminated and technical culture of maintenance and overhauls of the SO-3 engines was improved. Reasons for other technical problems with the SO-3 engines were reliably determined. Presented topic has been illustrated by means of many practical examples. BIBLIOGRAFIA 1. Bouckaert J.F. [ed.], Tip timing and tip clearance problem in turbomachines, VKI Lecture Series 2007-03, von Karman Institute for Fluid Dynamics. 2. Campbell W.,Elastic fluid turbine rotor and method of avoiding tangential bucket vibration therein, Patent US 1,502,904 (1924). 3. Kending R.P., Lucheta R.A., McKendree F.S.,Turbine blade fatigue monitor. Westinghouse Electric Corp., Patent US 4,955,269 (1990) 4. Praca zbiorowa,active Control of Engine Dynamics. RTO Lecture notes 20 (RTO-EN-020/AVT- 083), RTO NATO 2002, http://natorto.cbw.pl/uploads/2002/11/en-020-$$all.pdf 5. Szczepankowski A.,Diagnozowanie stanu technicznego silnika turbinowego metodą portretu fazowego prędkości obrotowej. Rozprawa doktorska, ITWL, Warszawa, 1999. 6. Witos M., Diagnozowanie stanu technicznego łopatek sprężarki turbinowego silnika spalinowego metodą bezdotykowego pomiaru drgań. Rozprawa doktorska, ITWL Warszawa, 1994. 7. Witoś M., Zwiększanie żywotności silników turbinowych poprzez aktywne diagnozowanie i sterowanie. Prace Naukowe ITWL, 2011, zeszyt 29, s. 1-324. 8. Witos M., High Sensitive Methods for Health Monitoring of Compressor Blades and Fatigue Detection. The Scientific World Journal, Vol. 2013 (2013), http://dx.doi.org/10.1155/2013/218460 9. Witoś M., Oprogramowanie systemu diagnostycznego SNDŁ-1b/SPŁ-2b, Warszawa 1993. 10. http://www.agilismeasurementsystems.com 11. http://www.evi-gti.com 12. http://www.hoodtech.com 13. http://www.piwg.org 11232