BADANIA DIAGNOSTYCZNE W EKSPLOATACJI OKRĘ TOWYCH TURBINOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH

ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK XLVI NR 2 (161) 2005 Zbigniew Korczewski BADANIA DIAGNOSTYCZNE W EKSPLOATACJI OKRĘ TOWYCH TURBINOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH STRESZCZENIE W artykule scharakteryzowano zakres badań naukowych podejmowanych w Instytucie Konstrukcji i Eksploatacji Okrętów Akademii Marynarki Wojennej, które tradycyjnie były ukierunkowane na szeroko rozumianą eksploatację maszyn i urządzeń okrętowych, między innymi na rozwijanie metod oceny stanu technicznego silników okrętowych, i nie tylko, w warunkach ich eksploatacji na okręcie. Zaprezentowano zagadnienia naukowe dotyczące diagnostyki eksploatacyjnej okrętowych turbinowych silników spalinowych, które są realizowane w IKiEO w chwili obecnej. WSTĘP Zwiększenie trwałości i niezawodności turbinowych silników spalinowych napędzających współczesne okręty wojenne to priorytetowy cel służb nadzoru eksploatacyjnego we wszystkich liczących się flotach świata. Zagadnienie to nic nie straciło na aktualności od czasu pierwszych aplikacji tego typu napędu, kiedy w 1947 roku silnik Gatric produkcji British Associated Electrical Industries Ltd., oznaczony symbolem G1 (1840 kw), wykorzystano jako silnik mocy szczytowej do napędu kutra torpedowego Royal Navy o numerze taktycznym M.G.B.2009 [8]. Stanowił on morską adaptację silnika odrzutowego Metropolitan-Vickers, do którego dostawiono oddzielną (swobodną) turbinę napędową. Pierwsze próby okrętu w morzu kompletnie zaskoczyły konstruktorów silną wrażliwością silnika na zanieczyszczenia osadami soli kanałów międzyłopatkowych sprężarki. Po około 20 godzinach pracy spadek osiągów okrętu był tak duży, że przerwano dalsze testy. Zaobserwowaną niedoskonałość udało się rozwiązać tylko częściowo, poprzez wtrysk wody destylowanej do powietrza na wlocie do sprężarki. 67

Zbigniew Korczewski Inny problem eksploatacyjny stanowiły drgania (i w ich rezultacie pękanie łopatek sprężarki) zidentyfikowane podczas realizacji procesu deceleracji silnika. Stanowiły one konsekwencję nieznanego wówczas zjawiska powstawania lokalnych stref wirującego oderwania strugi (rotating stall cells ) wskutek intensywnego wzrostu składowej osiowej prędkości przepływu strumienia powietrza na ostatnich stopniach hamującej sprężarki. Konieczne stało się wprowadzenie zmian konstrukcyjnych kanałów przepływowych na pierwszych palisadach łopatkowych [9]. Przytoczone zdarzenie dowodzi, że już od pierwszych nieśmiałych prób zastosowania turbinowego silnika spalinowego na okręcie zaistniał problem konieczności posiadania skutecznych narzędzi oceny stanu technicznego części przepływowej. Naglącym zagadnieniem badawczym stało się również wyjaśnienie przyczyn deformacji przepływu powietrza w sprężarce w stanach nieustalonej pracy silnika. Zapotrzebowanie na informacje dotyczące występowania zakłóceń przebiegu procesów gazodynamicznych mogących doprowadzić do pompażu i pękania łopatek w sprężarkach jest w dalszym ciągu bardzo wysokie. Wynika to z ciągłego wzrostu stopnia złożoności formy konstrukcyjnej współcześnie produkowanych silników okrętowych zazwyczaj z wykorzystaniem zespołów wytwornic spalin ze wszechstronnie przebadanych turbinowych silników odrzutowych stosowanych w lotnictwie pasażerskim, lecz pracujących tam w znacznie korzystniejszych warunkach niż w okrętownictwie wojennym. DIAGNOSTYKA OKRĘTOWYCH TURBINOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH RYS HISTORYCZNY Od 1986 roku w ówczesnym Instytucie Konstrukcji i Napędów Okrętowych (zespół prof. A. Charchalisa), a obecnie Instytucie Konstrukcji i Eksploatacji Okrętów (zespół autora niniejszego opracowania) Akademii Marynarki Wojennej zrealizowanych zostało wiele prac naukowo-badawczych dotyczących diagnozowania okrętowych turbinowych silników spalinowych [16]. Podejmowana tematyka inspirowała działania zmierzające do opracowania skutecznych metod diagnostycznych możliwych do zastosowania w warunkach eksploatacji silników na okręcie. Celem strategicznym było przejście do eksploatacji silników według ich stanu technicznego. Zaowocowało to opracowaniem i wdrożeniem do systemu eksploatacji okrętów Marynarki Wojennej RP bazowego systemu diagnostycznego, którego koncepcja i wykonanie było wynikiem: 68 Zeszyty Naukowe AMW

Badania diagnostyczne w eksploatacji okrętowych turbinowych silników spalinowych projektu celowego nr 148-23/S-SO/93 pt. Diagnostyka okrętowych turbinowych silników spalinowych; projektu badawczego nr 9 T12D 008 11 pt. Ocena stanu technicznego okrętowych turbinowych silników spalinowych w oparciu o badania ich cech dynamicznych; projektu badawczego nr 0 T00A 009 16 pt. Metodyka oceny współosiowości elementów transmisji momentu obrotowego w okrętowych układach napędowych; projektu badawczego nr 0 T00A 062 19 pt. Opracowanie systemu diagnostycznego okrętowych turbinowych silników spalinowych fregat wdrażanych w Marynarce Wojennej RP oraz kilkudziesięciu prac badawczo-rozwojowych i badawczo-usługowych finansowanych przez Komitet Badań Naukowych oraz Marynarkę Wojenną RP realizowanych pod kierownictwem prof. dr. hab. inż. Adama Charchalisa, jak również innych specjalistów zespołu diagnostycznego (dr. hab. inż. Z. Korczewskiego, dr. inż. A. Grządzielę). W skład systemu, który jest wciąż rozwijany i unowocześniany, wchodzi szereg stanowisk diagnostycznych umożliwiających dokonanie kompleksowej oceny stanu technicznego okrętowego turbinowego silnika spalinowego (o dowolnej konfiguracji) oraz wypracowanie prognozy jego dalszej eksploatacji. Pod względem technicznym system wyposażony jest w specjalistyczną aparaturę kontrolno- -pomiarową i analityczną umożliwiającą przeprowadzenie testów diagnostycznych silników na postoju oraz podczas prób ruchowych okrętu w morzu [4, 5, 11]. Rys. 1. Profesor A. Charchalis z zespołem diagnostycznym podczas prób silnika laboratoryjnego 2 (161) 2005 69

Zbigniew Korczewski W niniejszym artykule przedstawiono krótką charakterystykę eksperymentalnych technik badawczych stosowanych do oceny stanu technicznego silników aktualnie objętych systemem diagnostycznym: General Electric LM-2500 i Zoria DR76 i DR77 [6]. Przybliżono niektóre aspekty metrologiczne i organizacyjne realizacji niezbędnych testów diagnostycznych oraz pomiarów parametrów kontrolnych turbinowego silnika spalinowego w stanach pracy ustalonej i w stanach nieustalonych (rozruch, akceleracja i deceleracja). Oceniono przydatność poszczególnych metod diagnostycznych pod względem skuteczności identyfikacji stanów niezdatności eksploatacyjnej silnika. Obecnie realizowane badania umożliwiają prowadzenie eksploatacji według stanu technicznego wszystkich silników turbinowych eksploatowanych w Marynarce Wojennej RP. Rocznie dokonywanych jest średnio 14 16 ekspertyz stanu technicznego, przy czym badania diagnostyczne obejmują główne układy funkcjonalne silników wraz z ich sterowaniem i zabezpieczeniem [16]. DIAGNOSTYKA ENDOSKOPOWA CZĘŚCI PRZEPŁYWOWEJ Bezpośredni ogląd zewnętrzny części jest najstarszym sposobem wykrycia uszkodzeń i oceny zużycia, wymaga to jednak dostępu wzrokowego, co nie jest możliwe w odniesieniu do części znajdujących się w kanale przepływowym silnika turbinowego bez jego demontażu. Początkowe stosowanie systemu peryskopowego (jeszcze na przełomie lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych) szybko zastąpiono systemami światłowodowymi. Do badań endoskopowych turbinowych silników spalinowych w MW RP wykorzystuje się fiberoskop IF8D4-15 oraz komplet boroskopów firmy OLYMPUS i STORZ różniących się między sobą długością optyki, średnicą i kątem obserwacji diagnozowanego elementu: 90 cm/8 mm/90, 55 cm/8 mm/90, 45 cm/8 mm/90, 50 cm/6 mm/90, 30 cm/4 mm/0, 30 cm/10 mm/120. Aparatura ta umożliwia ogląd i wykonywanie dokumentacji fotograficznej wewnętrznych elementów części przepływowej silnika poprzez otwory wziernikowe o średnicy > 5 mm. Do przeprowadzania analizy wymiarowej uszkodzeń wewnętrznych elementów silnika, ich wizualizacji oraz dokumentowania w bazie danych stosuje się aparat cyfrowy Camedia C-2500L firmy OLYMPUS. Przy wykorzystaniu specjalnych łączników (adapterów) aparat ten jest sprzęgnięty z boroskopem lub fiberoskopem. 70 Zeszyty Naukowe AMW

Badania diagnostyczne w eksploatacji okrętowych turbinowych silników spalinowych Endoskopowy zestaw diagnostyczny stosowany w bazowym systemie diagnostycznym Instytutu Konstrukcji i Eksploatacji Okrętów AMW przedstawia rysunek 2. Długość elastycznego światłowodu fiberoskopu, którego sterowana końcówka umożliwia prowadzenie obserwacji w dowolnym kierunku, wynosi 1500 mm. Ma on wymienne końcówki umożliwiające obserwację w sektorach czołowych oraz bocznych. Dzięki temu znacznie zwiększone są manualne możliwości obserwacji podczas inspekcji wewnętrznych przestrzeni części przepływowej silnika turbinowego. Boroskopy o zróżnicowanej długości sztywnego układu soczewkowego umożliwiają prowadzenie obserwacji w sektorach bocznych i czołowym, w szerokim zakresie zmienności kąta widzenia. Boroskopy są bardzo wygodne do stosowania podczas oglądu krawędzi łopatek kierowniczych oraz wirnikowych. W celu prowadzenia przeglądu wszystkich łopatek wieńców wirnikowych ogląd należy prowadzić z jednoczesnym ręcznym obracaniem wirnika. Badania endoskopowe silników okrętowych wykonuje się w czasie realizacji przeglądów profilaktycznych co najmniej raz w roku przy bieżącej ocenie stanu technicznego silnika, a w razie konieczności w czasie przedłużenia okresu międzyremontowego oraz w przypadku podwyższonego poziomu wibracji, pojawienia się opiłków metalu w oleju, skokowych odchyleń linii trendu zmian wartości temperatury spalin, nadmiernego dymienia, sprawdzenia efektywności mycia części przepływowej itp. w celu skontrolowania parametrów nośników informacji diagnostycznej. Rys. 2. Endoskopowy zestaw diagnostyczny firmy OLYMPUS i STORZ: 1 zestaw boroskopów; 2 fiberoskop; 3 zestaw źródeł światła; 4 cyfrowy aparat fotograficzny; 5 drukarka do zdjęć 2 (161) 2005 71

Zbigniew Korczewski Na podstawie wieloletnich badań endoskopowych silników okrętowych opracowano metodyki oceny ich stanu technicznego w warunkach eksploatacji. Ujmują one niezbędny zakres i chronologię prowadzenia przeglądów przestrzeni wewnętrznych umożliwiających wykrycie defektów poszczególnych elementów konstrukcyjnych części przepływowej silnika. Dla każdego typu silnika eksploatowanego w Marynarce Wojennej RP opracowano szczegółowe instrukcje realizacji badań diagnostycznych z wykorzystaniem fiberoskopu (elastyczny światłowód) i boroskopu (sztywny układ soczewkowy). Na rysunkach 3. i 4. przedstawiono przykładowe miejsca wprowadzania końcówek endoskopów do części przepływowej silników turbinowych objętych nadzorem diagnostycznym. DOSTĘP DO ELEMENTÓW CZĘŚCI PRZEPŁYWOWEJ SNC SWC KS+TWC TNC TN TN Rys. 3. Badania endoskopowe silnika turbinowego typu DR 76 i DR 77: dostęp do części przepływowej Rys. 4. Badania endoskopowe silnika turbinowego LM-2500: dostęp do części przepływowej 72 Zeszyty Naukowe AMW

Badania diagnostyczne w eksploatacji okrętowych turbinowych silników spalinowych Wybrane defekty silników okrętowych zidentyfikowane podczas eksploatacyjnych badań endoskopowych prezentuje rysunek 5. Są one systematycznie publikowane w periodykach naukowych, m.in. w pracach [4, 5, 10, 11, 12]. Z praktyki eksploatacyjnej wynika, że systematyczne badania endoskopowe przeprowadzane w ramach okresowych obsług profilaktycznych wykazują dużą skuteczność metody, przy relatywnie łatwej obsłudze stosowanej aparatury badawczej. Oszczędza się w ten sposób czas realizacji przeglądów i obniża związane z tym koszty nawet o 25 30% [16]. Dodatkowo w wyniku badań endoskopowych zidentyfikowano cały szereg uszkodzeń, które w przypadku dalszego rozwoju mogłyby stanowić istotne zagrożenie dla niezawodności silnika. I st. turbiny wytwornicy spalin silnika LM-2500: ślady erozji na powierzchni łopatki wirnikowej VI st. turbiny napędowej silnika LM-2500: ślady nagaru na powierzchni łopatek wirnika I st. sprężarki NC silnika DR77: osady zanieczyszczeń na powierzchniach łopatek XVI st. sprężarki silnika LM-2500: wgniecenie na krawędzi natarcia łopatki wirnikowej 2 (161) 2005 73

Zbigniew Korczewski I st. turbiny wysokiego ciśnienia silnika DR76: ubytek materiału w półce łopatkowej IX st. sprężarki silnika LM-2500: wgniecenie z pęknięciem na krawędzi natarcia łopatki wirnika Rys. 5. Defekty silników okrętowych zidentyfikowane podczas badań endoskopowych DIAGNOSTYKA PARAMETRYCZNA CZĘŚCI PRZEPŁYWOWEJ Z danych statystycznych producentów silników okrętowych oraz analizy niezawodnościowej bazującej na ponad dwudziestoletnich doświadczeniach eksploatacyjnych silników zainstalowanych na okrętach Marynarki Wojennej RP wynika, że część przepływowa stanowi najbardziej newralgiczny układ funkcjonalny silnika turbinowego, przy czym dominującym stanem niezdatności eksploatacyjnej są różnego rodzaju i formy zanieczyszczenia kanałów międzyłopatkowych sprężarek i turbin [4, 5, 9]. W procesie eksploatacji silników okrętowych przeprowadza się systematyczną ocenę ich stanu technicznego według analizy trendów zmian charakterystyki energetycznej jego części przepływowej [12]. Stanowi ona rozkład strumienia entalpii czynnika roboczego wzdłuż kanału przepływowego & HX X = f ( L) sporządzony dla ustalonego zakresu obciążenia, najczęściej dla 1.0 P nom (rys. 6.). Określany w wyniku pomiarów parametrów termogazodynamicznych czynnika roboczego tzw. stopień rozwarstwienia charakterystyki energetycznej w poszczególnych przekrojach kontrolnych części przepływowej silnika x x wyznacza miarę uogólnionego parametru diagnostycznego obliczanego z zależności: Δ & H H& H& =. (1) X X X X( pom) X X( o) 74 Zeszyty Naukowe AMW

Badania diagnostyczne w eksploatacji okrętowych turbinowych silników spalinowych Inna metoda oceny stanu technicznego części przepływowej silnika polega na analizie zmian jego cech dynamicznych. W wyniku degradacji stanu technicznego kanałów międzyłopatkowych sprężarek i turbin zmieniają się inercyjności nieustalonych procesów cieplno-przepływowych w silniku oraz charakter wzajemnego gazodynamicznego oddziaływania na siebie jego zespołów wirnikowych. Przeprowadzone badania dowodzą, że kluczowym zagadnieniem diagnostycznym jest eksperymentalne określanie zmieniającej się zdolności silnika do kumulowania oraz rozpraszania energii i substancji w układzie mechanicznym i przepływowym [11]. 1.0 Pn o m Rys. 6. Rozkład strumienia entalpii czynnika roboczego w charakterystycznych przekrojach kontrolnych części przepływowej silnika sporządzony dla obciążenia 1.0 P nom w trzech różnych stanach czystości i zużycia części w kanale: RKW regulowana kierownica wlotowa; SNC, SWC odpowiednio sprężarka niskiego i wysokiego ciśnienia; TNC, TWC, TN odpowiednio turbina niskiego i wysokiego ciśnienia oraz turbina napędowa 2 (161) 2005 75

Zbigniew Korczewski Owocem dotychczasowych prac zespołu badawczego nad tym zagadnieniem jest monografia habilitacyjna autora opracowania poświęcona diagnostycznemu wykorzystaniu badania procesów akceleracji i deceleracji silników wielowałowych, jak również wypromowanie (przez prof. Adama Charchalisa) dwóch doktorów wyspecjalizowanych w diagnostycznych badaniach procesu rozruchu silników okrętowych: dr. inż. Jarosława Włocha oraz dr. inż. Bogdana Pojawy [11, 15, 17]. Aktualnie w Instytucie prowadzone są badania zmierzające do opracowania metody analitycznego wyznaczania charakterystyki energetycznej kanału przepływowego silnika w układzie przestrzennym z czasem i kątem obrotu regulowanych kierownic pierwszych stopni sprężarki jako zmiennych niezależnych realizowanych procesów nieustalonych H& X X = f ( L, τ, α). Tak skonstruowaną charakterystykę wykorzystuje się do oceny zmian cech dynamicznych silnika dla potrzeb diagnostyki. Istotną trudność stanowi w tym przypadku pomiar niezbędnej liczby parametrów kontrolnych, bez opóźnień i z wymaganą dokładnością, oraz konieczność zamodelowania charakterystyki sprężarki o zmiennej geometrii przepływu, np. regulowanymi kierownicami pierwszych stopni rysunek 7. Rys. 7. Zmiana zakresu pracy na charakterystyce sprężarki wywołana oddziaływaniem regulowanej kierownicy wlotowej [11]: regulowana kierownica wlotowa w położeniu α KW = 10 ; regulowana kierownica wlotowa w położeniu α KW = 0 ; regulowana kierownica wlotowa w położeniu α KW = +10 ; ABB B punkty współpracy sprężarki z siecią w stanach ustalonych; ACC B punkty współpracy sprężarki z siecią w czasie akceleracji silnika; B D DA punkty współpracy sprężarki z siecią w czasie deceleracji silnika 76 Zeszyty Naukowe AMW

Badania diagnostyczne w eksploatacji okrętowych turbinowych silników spalinowych Pomiar i rejestrację parametrów termogazodynamicznych przeprowadza się z wykorzystaniem specjalistycznych analizatorów własnego projektu i wykonania [14]. Zagadnienie badań modelowych procesów energetycznych realizowanych w sprężarkach osiowych silników turbinowych o zmiennej geometrii kanałów przepływowych stanowi przedmiot rozważań naukowych w opracowywanej rozprawie doktorskiej mgr. inż. Pawła Wirkowskiego [16]. Złożone aspekty metrologiczne, związane przede wszystkim z zamontowaniem znacznej liczby sond pomiarowych ciśnienia i temperatury przepływającego czynnika roboczego (natężenie przepływu nawet do 90 kg/s), istotnie ograniczają możliwe aplikacje metody w procesie eksploatacji silnika na okręcie. Dla objętych nadzorem diagnostycznym silników dostępne miejsca montażu dodatkowych czujników pomiarowych o małej inercyjności są znacznie ograniczone. Z tego względu dalsze prace nad tym zagadnieniem prowadzone będą na stanowisku laboratoryjnym silnika lotniczego typu GTD350. Uzyskane dotychczas wyniki zachęcają do prowadzenia badań eksperymentalnych w zakresie wpływu regulacji układu zasilania i rozruchowego silnika oraz wpływu zmian w strukturze konstrukcyjnej sprężarki (symulowane będą zanieczyszczenia kanałów międzyłopatkowych oraz zmiany położenia kątowego kierownic) na zdefiniowane miary diagnostyczne w dynamice silnika. BADANIA DRGAŃ Drgania silnika turbinowego są skutkiem utraty stabilności jego układu mechanicznego, co oznacza pojawienie się zjawiska rezonansu w sensie: globalnym, gdy cały silnik drga, i jest to wtedy zagadnienie konstruktorskie; lokalnym, gdy jedna z częstotliwości drgań własnych podukładu silnika f 0 zbliży się do częstotliwości okresowo zmiennych siły wymuszających drgania f wym. Maksymalna amplituda drgań w rezonansie zależy od sztywności i intensywności tłumienia w podporach zespołów wirnikowych silnika. Im wyższe są wartości współczynników tłumienia, tym mniejsza amplituda drgań rezonansowych. Utrata stabilności układu mechanicznego jest powodowana powstaniem i rozwijaniem się w silniku następujących niekorzystnych zjawisk: powolnym pogarszaniem się stanu wyważenia zespołów wirnikowych spowodowanym nierównomiernie rozłożonymi osadami zanieczyszczeń, erozją i korozją w kanałach międzyłopatkowych, a także odkształceniem wałów; 2 (161) 2005 77

Zbigniew Korczewski gwałtownym zwiększeniem niewyważenia zespołów wirnikowych wywołanym odłamaniem części wirującego elementu, np. łopatki; przekroczeniem dopuszczalnego zużycia łożysk; przycieraniem wirników o elementy kadłuba silnika w uszczelnieniach labiryntowych; pojawieniem się drgań samowzbudnych wskutek pulsacyjnego przepływu czynnika roboczego (nierównomierny rozkład temperatury i prędkości przepływu na obwodzie kanału przepływowego); pojawieniem się zdwojonej (w stosunku do wymuszeń wynikających z prędkości obrotowych wirników) częstotliwości drgań świadczących o dużym zużyciu łożysk grożącym awarią. Zjawisko rezonansu ma bardzo istotny wpływ na niezawodność i trwałość silnika, gdyż powoduje zmęczenie materiału i w konsekwencji pękanie elementów jego struktury konstrukcyjnej. Istnieją dwa sposoby prowadzące do eliminacji drgań rezonansowych: przeprowadzenie usprawnień konstrukcyjnych mających na celu zmianę częstotliwości drgań własnych lub wymuszających (zmiana stosunku sztywności do masy elementów wirujących); wyłączenie z zakresu pracy silnika tych prędkości obrotowych, przy których występuje rezonans. W eksploatacji silników okrętowych podstawową metodą eliminacji drgań jest systematyczne oczyszczanie (mycie) części przepływowej oraz regulacja pola temperatury spalin w przekroju kontrolnym za komorą spalania (najczęściej za turbinami wytwornicy spalin). Na rysunku 8. przedstawiono przykładowe wyniki pomiaru drgań poprzecznych silnika turbinowego typu DR76 oraz analizę harmoniczną odniesioną do wymuszeń związanych z wirnikami silnika. Badania drgań silników turbinowych stanowią przedmiot rozważań naukowych dr. A. Grządzieli, który rozszerza spektrum swoich zainteresowań o drgania generowane przez dowolny węzeł konstrukcyjny okrętowego układu napędowego dowolnej konfiguracji, w tym również układów napędzanych tłokowymi silnikami spalinowymi. Istotą biernych badań eksperymentalnych nad tym zagadnieniem, realizowanych nieprzerwanie od 1997 roku, jest ciągłe doskonalenie metod diagnostycznego wykorzystania sygnału wibroakustycznego dla oceny stanu współosiowania silników z pozostałymi elementami okrętowego układu napędowego i odbiornikiem mocy [7]. 78 Zeszyty Naukowe AMW

Badania diagnostyczne w eksploatacji okrętowych turbinowych silników spalinowych Y SNC II harm SNC Y TN Y SWC I harm SWC Rys. 8. Przebieg liniowy i analiza harmoniczna sygnału drganiowego BADANIA UKŁADÓW ŁOŻYSKOWANIA Warunki smarowania węzłów łożyskowych turbinowego silnika spalinowego decydują o jego niezawodności i trwałości. Z doświadczeń eksploatacyjnych silników lotniczych wynika, że najgroźniejsze katastrofy samolotów spowodowane były pierwotnymi, niewykrytymi w porę defektami podtrzymujących je wałów i łożysk tocznych. Zwłaszcza konstrukcje wielowałowe o skomplikowanym układzie kinematycznym wykazywały dużą zawodność łożyskowania wynikającą z niedostatecznej wytrzymałości zmęczeniowej. W czasie intensywnego falowania morza wskutek destrukcyjnego oddziaływania obciążeń cyklicznych (uderzeń i wstrząsów) łożyska toczne okrętowych turbinowych silników spalinowych są szczególnie narażone na uszkodzenia. Z dostępnej literatury w tym względzie wynika, że większość z zaistniałych defektów zawsze poprzedzało przyspieszone zużycie najbardziej obciążonych elementów skojarzeń trących: bieżni pierścieni zewnętrznych i wewnętrznych, elementów tocznych w postaci kulek i wałeczków ujętych w prowadzące je koszyczki oraz pierścieni dystansowych i tulei uszczelnień labiryntowych. Objawia się ono wzrostem temperatury elementów struktury konstrukcyjnej łożyska, nadmierną hałaśli- 2 (161) 2005 79

Zbigniew Korczewski wością podczas pracy, wzrostem amplitud drgań silnika, zmianą właściwości fizykochemicznych oleju smarowego oraz pojawieniem się w oleju wtrąceń metalicznych [13]. Tak więc, parametry oleju smarowego są nośnikiem informacji diagnostycznej o stanie technicznym elementów trących w turbinowym silniku spalinowym, które omywane są olejem. Niezbędne informacje uzyskuje się na podstawie wyników pomiarów: 1. Temperatury i ciś n i e n i a w instalacji smarowania (natężenie przepływu oleju smarowego) informacje o przegrzaniu węzłów łożyskowych. 2. Zuż ycia oleju smarowego zwiększone zużycie oleju smarowego świadczy o uszkodzeniach uszczelnień labiryntowych węzłów łożyskowych w silniku spowodowanych zużyciem lub utratą sprężystości pierścieni uszczelniających, inną przyczyną zwiększonego zużycia oleju mogą być nieszczelności w połączeniach rurociągów instalacji olejowej, ewentualnie (bardzo rzadkie przypadki) wycieki z kadłubów pomp zasilających. 3. W ł a ś ciwoś ci fizykochemicznych oleju smarowego (lepkość, temperatura zapłonu, liczba kwasowa, liczba zasadowa, zawartość wody): 1) Temperatura zapł o n u. Wzrost lub spadek jej wartości w procesie eksploatacji może być spowodowany przez zanieczyszczenia, jednakże mieści się on przeważnie w granicach ±20 K. Natomiast spadki temperatury zapłonu, szczególnie rzędu 40 50 K wskazują na przecieki paliwa (spada równocześnie lepkość oleju). Jest to jeden z ważniejszych symptomów diagnostycznych dla oceny stanu technicznego wtryskiwaczy silników tłokowych, mniej przydatny w diagnostyce silników turbinowych. 2) Lepkość. W eksploatacji silnika turbinowego najbardziej złożonym wpływom podlega lepkość oleju. Wskutek starzenia się oleju oraz w rezultacie wymuszeń termicznych (procesu utleniania) tworzą się produkty o coraz większym stopniu kondensacji i coraz większej lepkości. Zbyt duży wzrost lepkości jest niekorzystny dla silnika, utrudniony staje się obieg oleju w układzie smarowania oraz zmniejsza się jego sprawność energetyczna. Zgodnie z normami większości producentów dopuszczalny wzrost lepkości kinematycznej w procesie eksploatacji silnika turbinowego nie powinien przekraczać 5 20%. W eksploatacji silników tłokowych można zaobserwować sytuację odwrotną, tzn. powolne obniżanie się lepkości wywołane bądź przez ścinanie się wiskozytorów, tj. dodatków lepkościowych, bądź przez równomierne przenikanie paliwa do oleju. Zbytnie obniżenie 80 Zeszyty Naukowe AMW

Badania diagnostyczne w eksploatacji okrętowych turbinowych silników spalinowych lepkości może stwarzać niebezpieczeństwo przerwania filmu olejowego i wywołać zatarcie współpracujących części. Obniżenie lepkości ma również wpływ na zwiększenie zużycia oleju i elementów trących silnika. 3) L i c z b a k w a s o w a. Oleje smarowe w zależności od pochodzenia zawierają zwykle nieduże ilości kwasów organicznych, rozpuszczalnych lub nierozpuszczalnych w wodzie. Pewna ilość kwasów organicznych ma dodatni wpływ na zwiększenie przyczepności oleju do powierzchni metalu i na polepszenie jego smarności, jednak nadmierna ilość kwasów może być powodem korozyjnego oddziaływania oleju na elementy silnika. Oprócz tego w wyniku reakcji kwasów z metalami tworzą się sole, które powodują spadek odporności oleju na utlenianie oraz obniżenie wytrzymałości dielektrycznej i podwyższenie skłonności do tworzenia emulsji z wodą. W olejach turbinowych liczba kwasowa wyrażona w mgkoh/g oznacza ilość miligramów wodorotlenku potasu potrzebną do zneutralizowania kwasów znajdujących się w 1 g oleju smarnego. W eksploatacji silników turbinowych nie powinna być większa niż 0.05 mgkoh/g. 4) Liczba zasadowa. Wyrażona jest również w mgkoh/g, rozumiana jako ilość miligramów wodorotlenku potasu równoważna pod względem neutralizacji kwasów dodatkowi alkalicznemu znajdującemu się w 1 g oleju smarnego. Określa ona bowiem tzw. rezerwę alkaliczną, której zadaniem jest neutralizowanie silnych kwasów nieorganicznych powstających w czasie użytkowania silnika. 5) Zawartość w o d y. Przekroczenie dopuszczalnej granicy zawartości wody świadczy o przeciekach w instalacji chłodzenia oleju smarowego silnika (woda zaburtowa). Jest to stan niepożądany, gdyż sprzyja rozwojowi korozji, przyspiesza proces starzenia oleju, sprzyja wytrącaniu dodatków, zmniejsza smarność oleju i może być przyczyną jego zemuglowania, a w skrajnym przypadku zatarcia współpracujących części silnika, co jest szczególnie groźne dla silników tłokowych. 4. Koncentracji zanieczyszczeń m e t a l i c z n y c h badania pozwalają na kontrolę procesu zużycia w określonym węźle tarcia i zlokalizowanie poprzez analizę ilościową i jakościową elementu podatnego na ścieranie (bieżnie łożysk tocznych, tuleje uszczelnień labiryntowych, tuleje dystansowe przestrzeni węzłów łożyskowych) w eksploatacji silników turbinowych. Wykorzystywane są następujące środki i metody diagnostycznego działania: 2 (161) 2005 81

Zbigniew Korczewski 1) Korki magnetyczne i elektroniczne sygnalizatory opiłków zamontowane na rurociągach transportowych instalacji oleju odprowadzanego z silnika detekcja dużych cząstek ferromagnetycznych do 1000 μm. 2) Metoda fluorescencji radioizotopowej skład chemiczny zanieczyszczeń metalicznych (małe cząstki do 30 μm) analizuje się dzięki wzbudzeniu i pomiarowi intensywności charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego badanej próbki. Czołowi światowi producenci silników turbinowych stosując specyficzne oznaczenie kodowe, pokrywają newralgiczne elementy konstrukcyjne cienką warstwą metali szlachetnych, co wybitnie zwiększa podatność kontrolną silnika w eksploatacji, wskazując miejsce narastającego zużycia. 3) Metody optyczne mikroskopy optyczne i elektronowe. Ocena jakościowa: 160-krotne (i więcej) powiększenie próbki (sączka). Detekcja obecności wody i zanieczyszczeń niemetalicznych o wymiarach 2,5 30 μm. 3.5 3 X[ppm] WO WO 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Fe Cu t[godz.] 0 100 200 300 400 500 600 700 Rys. 9. Przebiegi zmian zanieczyszczeń oleju smarowego pierwiastkami Fe i Cu jako funkcji czasu pracy silnika LM-2500;WO wymiana oleju [16] Badania zanieczyszczeń mechanicznych (oprócz metalicznych również grafitowych) w oleju smarowym silników i przekładni okrętowych przeprowadza się w pracowni diagnostycznej Instytutu Konstrukcji i Eksploatacji Okrętów AMW od 1992 roku. Przykładowe wyniki badań koncentracji żelaza i miedzi w oleju smarowym w zależności od czasu pracy silnika LM-2500 w bieżącej eksploatacji przedstawiono na rysunku 9. Na podstawie wieloletnich badań własnych i producenta tego typu silników oraz doświadczeń z lotnictwa ustalono granice eksploatacyjnego 82 Zeszyty Naukowe AMW

Badania diagnostyczne w eksploatacji okrętowych turbinowych silników spalinowych pola tolerancji dla koncentracji żelaza 6,0 ppm oraz miedzi 9,0 ppm. Opracowano również funkcje trendu pozwalające prognozować intensywność przebiegu procesu zużycia ściernego w silnikach i przekładniach, by na tej podstawie planować wymiany oleju i terminy obsług profilaktycznych. Wynikiem dotychczasowych badań zespołu diagnostycznego jest metodyka testów diagnostycznych układów łożyskowania ujmująca wszystkie typy silników i przekładni redukcyjnych okrętowych układów napędowych eksploatowanych w MW RP, stanowiąca kluczowe osiągnięcie doktoratu dr. inż. W. Mironiuka [13]. BADANIA WTRYSKIWACZY PALIWA Podstawowym zadaniem instalacji paliwowej okrętowego turbinowego silnika spalinowego jest zapewnienie, we wszystkich możliwych zakresach obciążenia, odpowiedniego (w sensie ilościowym i jakościowym) strumienia paliwa podawanego do komory spalania. Ze względów niezawodnościowych szczególne miejsce w instalacji, niezależnie od zastosowanego rozwiązania konstrukcyjnego silnika, zajmują wtryskiwacze paliwa. Zapewniają one wysoką sprawność procesu spalania paliwa, po uprzednim jego rozpyleniu na dostatecznie drobne krople i równomiernym ilościowo rozkładzie przestrzennym [16]. W rzeczywistości utworzony zostaje aerozol paliwowy składający się z kropelek o średnicach rzędu 10 20 μm [2]. Takie rozdrobnienie paliwa umożliwia całkowite odparowanie aerozolu i skuteczne jego spalanie podczas przepływu przez komorę spalania silnika. Im większa jest dyspersja kropel, tym krótszy czas niezbędny na odparowanie i wytworzenie jednolitej mieszanki paliwowo-powietrznej, determinujący inercyjność procesu spalania. W procesie eksploatacji silnika w warunkach okrętowych mogą wystąpić pewne zakłócenia poprawnej pracy poszczególnych wtryskiwaczy. Wynikają one z ciągłego procesu zanieczyszczenia i zużycia ich kanałów przepływowych, a także deformacji charakterystyk starzejących się elementów regulacyjnych [6, 16]. W konsekwencji zmienia się natężenie przepływu, jakość rozdrobnienia i geometria wypływu paliwa z wtryskiwacza. Następują niekorzystne deformacje rozkładu pola temperatury strumienia spalin za komorą spalania, mogące doprowadzić do lokalnego przegrzania elementów jej struktury konstrukcyjnej i wymuszenia drgań łopatek. Narażone na uszkodzenia są również podzespoły turbin, a w szczególności ich kierownice, poddane silnym obciążeniom termogazodynamicznym pulsacyjnego przepływu czynnika roboczego. 2 (161) 2005 83

Zbigniew Korczewski Aby zapobiec ewentualnym uszkodzeniom silnika i pogorszeniu efektywności pracy wtryskiwaczy, należy okresowo kontrolować ich stan techniczny. Największą popularność zyskują metody kontroli bezdemontażowej, na podstawie pomiarów wytypowanych parametrów obiegu cieplnego silnika, możliwych do przeprowadzenia w warunkach okrętowych. Pomiary natężenia przepływu paliwa, obok pomiarów wybranych parametrów termogazodynamicznych charakteryzujących obciążenie silnika, stanowić mogą cenne źródło informacji diagnostycznej o stanie technicznym jego wtryskiwaczy [2]. W okrętowych turbinowych silnikach spalinowych powszechnie stosuje się dwukanałowe wtryskiwacze wirowe (rys. 10.). Zapewniają one wysoką sprawność rozpylania paliwa w całym zakresie obciążeń silnika. Najczęściej stosowanym sposobem opisu matematycznego pracy wtryskiwacza turbinowego silnika spalinowego w stanach ustalonych jest formuła wyznaczająca masowe natężenie dopływu paliwa do komory spalania silnika [2]: m& = 2ρ Δ p [ ( μ A ) ], (2) pal ( T ) w wyp wyp k k = 1 n gdzie: k liczba wtryskiwaczy; Δp = p 1 p 2 spadek ciśnienia na wtryskiwaczach; μ wyp współczynnik wypływu paliwa; A wyp pole powierzchni przekroju poprzecznego dyszy rozpylacza w płaszczyźnie wypływu paliwa. b drenaż a 2 d c rura ogniowa KS 1 z pompy Rys. 10. Schemat przepływu paliwa w dwukanałowym wtryskiwaczu wirowym [2]: a rozdzielacz paliwa; b sprężyna; c I kanał wtryskiwacza; d II kanał wtryskiwacza; 1, 2 przekroje kontrolne 84 Zeszyty Naukowe AMW

Badania diagnostyczne w eksploatacji okrętowych turbinowych silników spalinowych Istotną trudnością w procesie oceny (obliczeń) natężenia dopływu paliwa do komory spalania silnika podczas eksploatacji jest określenie współczynnika wypływu μ wyp dla poszczególnych wtryskiwaczy. Jest on funkcją charakteru przepływu zdefiniowanego liczbą Reynoldsa oraz kształtu i wymiarów dyszy rozpylacza [16]. Z tego względu wyznaczany jest on na podstawie wyników badań eksperymentalnych. Dla analizowanego typu wtryskiwacza producent podaje wartość μ wyp = 0.92±0.02, uzyskiwaną na stanowisku laboratoryjnym w zimnej komorze spalania [6]. Wartość tę należy traktować jedynie w kategoriach wstępnego oszacowania. W rzeczywistych warunkach pracy wtryskiwacza zamontowanego na silniku jego elementy, poddane bezpośredniemu oddziaływaniu strefy spalania paliwa, nagrzewają się do wysokich temperatur (rzędu 500 600K). Kanały przepływowe ulegają deformacjom, kształtując nową, rzeczywistą wartość współczynnika wypływu paliwa. Innym problemem eksploatacyjnym, a także produkcyjnym, jest konieczność kompletowania wtryskiwaczy dla każdego egzemplarza silnika, według zbliżonych wartości masowego natężenia przepływu dla pierwszego i drugiego kanału. Niepowtarzalność produkcyjna jest powodem znacznego rozrzutu natężenia przepływu, nawet do 5 7% w jednym komplecie silnikowym [6]. Badania diagnostyczne wtryskiwaczy silników okrętowych mają na celu wyznaczenie uśrednionej wartości współczynnika wypływu paliwa dla kompletu wtryskiwaczy na podstawie pomiarów parametrów gazodynamicznych czynnika roboczego oraz zużycia paliwa. Opracowane w ten sposób charakterystyki obciążeniowe przedstawiają zależność natężenia przepływu i uśrednionego współczynnika wypływu paliwa od zmian obciążenia silnika ustalonego według prędkości obrotowej zespołu wirnikowego wytwornicy spalin sprzężonego mechanicznie z pompą paliwową. 0,70 0,60 mi [-], mpalzr 0,50 0,40 0,30 mi mpalzr 0,20 0,10 0,00 n WCzr [min -1 ] 17800 18300 18800 19300 19800 Rys. 11. Zmiany wartości masowego natężenia przepływu i uśrednionego współczynnika wypływu paliwa jako funkcji prędkości obrotowej wirnika wysokiego ciśnienia silnika DR76 [2] 2 (161) 2005 85

Zbigniew Korczewski Analiza porównawcza tak opracowanych charakterystyk odniesionych do wartości wzorcowych zarejestrowanych w początkowym okresie użytkowania daje możliwość sformułowania diagnozy o stanie technicznym kanałów przepływowych kompletu wtryskiwaczy silnika będącego w bieżącej eksploatacji. WNIOSKI Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Okrętów Akademii Marynarki Wojennej prowadzi badania diagnostyczne wszystkich silników turbinowych zastosowanych na okrętach Marynarki Wojennej RP. Umożliwiają one prowadzenie eksploatacji według stanu technicznego 16 silników o sumarycznej mocy 180 MW. Stanowiska badawcze, baza danych oraz programy diagnostyczne są sukcesywnie uaktualniane i rozszerzane ze względu na remonty fabryczne, a w związku z tym zmiany charakterystyk silników wprowadzanych do eksploatacji. Dotychczas wykonano blisko 90 ekspertyz okrętowych układów napędowych z turbinowymi silnikami spalinowymi. Aktualnie prowadzone badania ukierunkowane są na rozbudowę i modernizację bazowego systemu diagnostycznego w zakresie umożliwiającym prowadzenie nadzoru diagnostycznego nad okrętowymi turbinowymi silnikami spalinowymi General Electric typu LM-2500 amerykańskich fregat wdrożonych w ostatnich latach w skład sił morskich naszej Marynarki Wojennej. BIBLIOGRAFIA [1] Balicki W., Szczeciński S., Diagnozowanie lotniczych silników turbinowych, Instytut Lotnictwa, Warszawa 2001. [2] Białomyzy A., Korczewski Z., Metoda eksperymentalnego wyznaczania współczynnika wypływu paliwa dla kompletu wtryskiwaczy okrętowego turbinowego silnika spalinowego, XII Sympozjum Paliw Płynnych i Produktów Smarowych w gospodarce Morskiej, Ministerstwo Transportu i Gospodarki Morskiej, Szczyrk, 6 8.05.1997, s. 49 56. [3] Boliński B., Stelmaszczyk Z., Napędy lotnicze. Eksploatacja silników turbinowych, WKiŁ, Warszawa 1981. 86 Zeszyty Naukowe AMW

Badania diagnostyczne w eksploatacji okrętowych turbinowych silników spalinowych [4] Charchalis A., Korczewski Z., Metody diagnozowania okrętowych turbinowych silników spalinowych, Przegląd Mechaniczny, 1997, nr 3 4, Warszawa 1997. [5] Charchalis A., Diagnozowanie okrętowych turbinowych silników spalinowych, Wydawnictwo AMW, Gdynia 1991. [6] Dokumentacja techniczna i eksploatacyjna okrętowych turbinowych silników spalinowych typu LM2500, DR76 i DR77. [7] Grządziela A., Metoda kontroli współosiowości elementów okrętowych układów napędowych z turbinowymi silnikami spalinowymi, rozprawa doktorska, AMW, Gdynia 1998. [8] Hemingway B. E., A new British naval gas turbine, The Oil Engine and Gas Turbine, October, England 1959. [9] Hemingway B. E., Surge and its implications in gas turbines, The Oil Engine and Gas Turbine, October, England 1961. [10] Korczewski Z., Pojawa B., Diagnostyka endoskopowa silników okrętowych, Zeszyty Naukowe AMW, 2004, nr 3, Gdynia 2004. [11] Korczewski Z., Identyfikacja procesów gazodynamicznych w zespole sprężarkowym okrętowego turbinowego silnika spalinowego dla potrzeb diagnostyki, monografia habilitacyjna, Zeszyty Naukowe AMW, 1999, nr 138A, Gdynia 1999. [12] Korczewski Z., Metoda diagnozowania części przepływowej okrętowego turbinowego silnika spalinowego w eksploatacji, rozprawa doktorska, AMW, Gdynia 1992. [13] Mironiuk W., Ocena stanów awaryjnych układów łożyskowych okrętowego turbinowego silnika spalinowego, rozprawa doktorska, AMW, Gdynia 1995. [14] Opara T., Metodologiczne aspekty badania zjawisk zachodzących w stożku rozpylania wtryskiwaczy paliwa lotniczych silników turbinowych, dodatek do biuletynu WAT (rozprawa habilitacyjna), Warszawa 1996. [15] Pojawa B., Metoda diagnozowania układu rozruchowego okrętowego turbinowego silnika spalinowego, rozprawa doktorska, AMW, Gdynia 2002. [16] Sprawozdania z prac badawczo-rozwojowych i badawczo-usługowych dotyczących diagnostyki turbinowych silników spalinowych eksploatowanych na okrętach MW RP, prace badawcze AMW, Gdynia 1986 2004. [17] Włoch J., Diagnozowanie okrętowych turbinowych silników spalinowych na podstawie wielkości charakteryzujących przebieg rozruchu i zatrzymania, rozprawa doktorska, AMW, Gdynia 1995. 2 (161) 2005 87

Zbigniew Korczewski ABSTRACT The paper characterizes research work undertaken in the Technical Institute of Shipbuilding and Maintenance at the Polish Naval University. It has traditionally been focused on the operation of broadly understood marine machinery, among others, on further development of diagnostic methods applicable to marine engines, but not exclusively, during their operation on board. It also presents some research issues concerning marine gas turbine engines diagnostics being dealt with at present at the TIS&M. Recenzent prof. dr hab. inż. Stefan Szczeciński 88 Zeszyty Naukowe AMW