Article citation info:
Warczek, J., Juzuń, M.
Application of visual test methods loaded elements of rotating machinery flow
to assess their condition. Scientific
Journal of Silesian University of Technology. Series Transport. 2016, 90,
195-208. ISSN: 0209-3324. DOI: 10.20858/sjsutst.2016.90.17.
Jan WARCZEK[1],
Mateusz JUZUŃ[2]
APPLICATION
OF VISUAL TEST METHODS LOADED ELEMENTS OF ROTATING MACHINERY FLOW TO
ASSESS THEIR CONDITION
Summary. The article presents the aims and
objectives of the process of
non-destructive testing of turbine aircraft engines using visual methods
indirect use of endoscopy. Presents brief characteristics of the construction
of engines tested, analyzed the diagnostic procedures used in non-destructive
testing methods are shown diagnostic equipment used in research. The paper
presents examples of the results of diagnostic checks obtained for the test
aircraft engine.
Keywords: non-destructive tests, aircraft engine
diagnostic, condition of aircraft engine assess
ZASTOSOWANIE
WIZYJNYCH METOD BADAŃ OBCIĄŻONYCH ELEMENTÓW WIRNIKOWYCH MASZYN PRZEPŁYWOWYCH DO
OCENY ICH STANU TECHNICZNEGO
Streszczenie. W artykule przedstawiono cele i
założenia procesu
badań nieniszczących lotniczych silników turbinowych
przy użyciu metod wizualnych pośrednich, z wykorzystaniem endoskopii. Przedstawiono
krótkie charakterystyki budowy badanych silników, przeanalizowano procedury
diagnostyczne, wykorzystywane w metodach badań nieniszczących, przedstawiono
sprzęt diagnostyczny wykorzystany w badaniach. W artykule przedstawiono
przykładowe wyniki sprawdzeń diagnostycznych, uzyskane dla badanego silnika
lotniczego.
Słowa kluczowe: badania nieniszczące, diagnostyka
silników lotniczych, oszacowanie stanu technicznego silnika lotniczego
Lotnicze silniki turbinowe, w
całym okresie eksploatacji, poddane są bardzo dużym obciążeniom mechanicznym i
cieplnym, które zmieniają się w funkcji czasu. Wynika stąd konieczność ciągłego
monitorowania stanu technicznego jednostki napędowej, co pozwala na wczesne
wykrycie niesprawności oraz prognozowanie stanu technicznego na kolejne godziny
pracy.
Ze względu na budowę elementów
składowych oraz sposób wykorzystania energii paliwa silniki wirnikowe
przepływowe można podzielić na:
- turboodrzutowe
(jednoprzepływowe, dwuprzepływowe, wentylatorowe),
- turbowałowe (np. turbośmigłowe).
Podstawowe elementy
konstrukcyjne takich maszyn, podlegające największym obcią-żeniom termicznym i
mechanicznym przedstawia rys. 1.
W turbinie gazowej powietrze
zostaje sprężone za pomocą jednego z dwóch typów sprężarek, w zależności od
konstrukcji jednostki napędowej. Moment obrotowy niezbędny do sprężenia
powietrza doprowadzany jest do sprężarki z turbiny za pomocą wału. W przypadku
sprężarki o konstrukcji odśrodkowej, ruch powietrza powoduje wzrost ciśnienia
oraz powstanie energii kinetycznej. W celu przemiany tej energii na ciśnienie,
konieczne jest zastosowanie układu dyfuzora i spirali. Powietrze do sprężarki
zasysane jest centralnie, następnie przepływa przez sprężarkę odśrodkową na
zewnątrz, pod kątem 90° w stosunku do kierunku lotu, a następnie jest skierowane
w stronę komory spalania [1, 2].
Rys. 1. Silnik turboodrzutowy wyposażony
w dwustopniową sprężarkę odśrodkową [1]
Sprężarki osiowe natomiast zbudowane
są z naprzemiennie umieszczonych wirników łopatek, które mają za zadanie
przyspieszyć przepływ powietrza oraz łopatek nieruchomych (kierownic), które
hamując przepływ powietrza zwiększają jego ciśnienie.
Do największych zalet sprężarek
osiowych należy ich wysoka sprawność przy nomi-nalnych obrotach, i korzystne
parametry pracy, przy dużych prędkościach.
Rys. 1. Silnik turboodrzutowy
wyposażony w wielostopniową sprężarkę osiową [1]
Kolejnym
zasadniczym elementem konstrukcji silnika turbinowego jest komora spalania. Do
zadań komory spalania należy przekształcenie energii chemicznej paliwa na
ciepło i energię mechaniczną gazów spalinowych, które stanowią składnik
czynnika roboczego, zasilającego turbinę [1, 5, 9]. Zadaniem komory spalania
jest spalenie paliwa, podawanego przez wtryskiwacze w obecności powietrza
dostarczanego w dużych ilościach przez sprężarkę. Otrzymane ciepło wpływa na
gwałtowne rozszerzenie strumienia gazu, który w wyniku otrzymanego
przyspieszenia zwiększa prędkość i w postaci jednorodnego stru-mienia trafia na
łopatki turbiny. Jednocześnie, strumień tłoczonego powietrza nie może spowodować
zgaszenia płomienia, który w każdym cyklu pracy musi być stabilny. W tym celu
stosowane są dodatkowe elementy konstrukcyjne, takie jak rury ogniowe, zawiro-wywacze
powietrza i stateczniki płomienia [9].
Zadaniem turbiny w silniku jest
przechwycenie energii gorących gazów wydostających się z komory spalania. Upraszczając,
przeważnie turbiny podzielone są na 2 stopnie. Pierwszy z nich, nazwany
turbiną wysokiego ciśnienia, połączony jest wspólnym wałem ze sprężarką,
natomiast drugi stopień, zwany turbiną niskiego ciśnienia, napędza wał
napędowy, który przekazuje napęd na osprzęt silnika (w silnikach turbowałowych
również na napęd śmigła). [11]
W przypadku silników odrzutowych nie występuje napęd wału z turbiny (wyjątkiem
jest napęd agregatów), natomiast energia gazów spalinowych, które minęły
turbinę, uchodzi przez dyszę silnika i tworząc zjawisko odrzutu, napędza statek
powietrzny.
2. METODY
DIAGNOSTYKI
W ostatnich latach opracowano i rozwinięto
różne metody badań nieniszczących, które nie wymagają demontażu silnika w
celu oceny stanu technicznego jego istotnych podzes-połów. Szczególne miejsce w
grupie metod badań nieniszczących zajmują metody wizyjne, które ze względu na
rodzaj stosowanych układów można podzielić na:
-
metody
boroskopowe,
-
metody
fiberoskopowe,
-
metody
z wykorzystaniem mikrokamery (wideoendoskop).
W metodzie boroskopowej, której
schemat został przedstawiony na rys. 3, transmisja zimnego strumienia światła
do okna sondy w pobliżu obiektywu boroskopu jest realizowana za pośrednictwem
oddzielnego światłowodu z zewnętrznego oświetlacza, który wyposażony jest w
żarówkę halogenową lub ksenonową. Wadą tej metody jest sztywna sekcja wzier-nikowa,
która w wielu praktycznych zastosowaniach utrudnia przeprowadzenie inspekcji
wizyjnej.
Rys. 3. Konstrukcja boroskopu [3]
W miarę rozwoju technologii światłowodowej,
możliwe stało się skonstruowanie urzą-dzenia zwanego fiberoskopem, czyli
elastycznego wziernika, który składa się z wiązki kilkudziesięciu tysięcy
cienkich włókien szklanych transmitujących optyczny obraz badanego obiektu do
obserwatora oraz przewodzących zimny strumień świetlny badanego obiektu od
zewnętrznego źródła światła. Ponieważ każde z włókien szklanych transmituje
obraz obiektu o innej barwie i jasności, więc ma on tyle punktów, ile
pojedynczych włókien szklanych zawiera kompletna wiązka światłowodowa. Rozdzielczość
obserwowanego obrazu odpo-wiada więc liczbie włókien w wiązce [4, 5, 8].
Obecnie, coraz częściej system
przenoszenia obrazu z obiektywu do odbiorcy jest realizowany za pomocą
elektrycznego sygnału, którego źródłem jest mikrokamera umiesz-czona w głowicy
pomiarowej. Takie rozwiązanie pozwala na łatwe przetwarzanie uzyskanych obrazów
i praktycznie nieograniczony zasięg przewodu pomiarowego. Dodatkową zaletą jest
trwałość połączona z niezawodnością urządzenia.
Rys. 4. Konstrukcja fiberoskopu [3]
3. METODY OCENY WYNIKÓW BADAŃ ENDOSKOPOWYCH
Podczas obserwacji wewnętrznych
powierzchni maszyny powstaje problem polegający na braku odniesienia do
wzorców, które umożliwiłoby określenie wymiarów napotkanych defektów. Rozmiar
obserwowanego obiektu jest nie tylko uzależniony od rzeczywistego rozmiaru, lecz
również zależy od odległości obiektywu sondy wziernikowej od badanej
powierzchni. Rozpoznanie rozmiaru defektu jest kluczowe z punktu widzenia
prawidłowo przeprowadzonego badania diagnostycznego, ponieważ każdy producent
określa dopusz-czalne rozmiary defektów, które mogą wystąpić w urządzeniu. W
tradycyjnym, optycznym podejściu do tego zagadnienia zastosowanie znajduje
metoda porównawcza, w której wyko-rzystuje się kalibrowane kształty
pomiarowe nakładane na końcówkę sondy wziernikowej.
W endoskopii cyfrowej
wykorzystuje się analizatory obrazu, współpracujące z głowicami pomiarowymi, wykorzystujące
metody stereo, cienia lub laserową do określenia odległości obiektywu sondy
wziernikowej od obserwowanej powierzchni i dalej rozmiarów wykry-wanych
defektów powierzchniowych.
Głowice pomiarowe tych urządzeń
umożliwiają zwymiarowanie widzianych obrazów w taki sposób, aby dawały
wrażenie poziomej trójwymiarowości z ich
głębią, bryłowatością i wzajemnym rozmieszczeniem [5].
Obecnie najczęściej stosowane
metody oceny zmian powierzchni części przepływowych maszyn wirnikowych to metody laserowe. Występują ich dwie odmiany:
-
znacznikowa,
-
skaningowa.
W metodzie znacznikowej wykorzystuje
się zasadę pomiaru wielopunktowego, polega-jącego na określeniu odległości
głowicy wziernikowej urządzenia wideoskopowego od obserwowanej powierzchni, na
podstawie powierzchni bazowej. Powierzchnia bazowa jest definiowana za pomocą co
najmniej trzech, najbardziej dopasowanych z 49 punktów laserowych matrycy
znaczników, które są wyświetlane na obserwowanym elemencie z rozpraszającego
układu optycznego sondy (rys. 5).
Rys. 5. Widok łopatki turbinowej po
nałożeniu siatki laserowej matrycy [6]
Im większa jest odległość od
badanej powierzchni, tym mniejsze jest przemieszczenie znaczników w lewą stronę
ekranu. Kolejny etap realizacji pomiaru, rejestrowany jest jako obraz
powierzchni, a następnie przy użyciu metody triangulacji, wyznaczane są
rozmiary wykrytego defektu [5].
Drugą metodą wykorzystania
laserowych promieni do pomiarów rozmiaru defektów jest metoda skaningowa. Układ optyczny skanera laserowego dokonuje
rozproszenia wiązki promienia laserowego w układzie wirujących zwierciadeł.
Wiązka laserowa, która została rozproszona, pada na badaną powierzchnię i ulega
odbiciu, które to kierowane jest na soczewkę skupiającą i detektor pomiarowy.
Ilość światła laserowego, które zostanie odbite, uzależnione jest od stanu
powierzchni. W przypadku gdy promień laserowy przesunie się nad defektem
powierzchniowym, nastąpi pochłonięcie, wynikające z ograniczonej ilości
odbitego światła. Skutkiem tego natężenie światła odbitego jest niższe niż w
przypadku powierzchni, która jest wolna od uszkodzeń. Dokonanie oceny wymiaru
defektów następuje na podstawie analizy spektralnej wiązki lasera przez wbudowany
układ mikroprocesorowy. Opisana metoda jest często stosowana do oceny uszkodzeń
trudno dostępnych miejsc kadłubów statków powietrznych [5].
4. ZNACZENIE
BADAŃ ENDOSKOPOWYCH W DIAGNOSTYCE SILNIKÓW
Podstawowe rodzaje uszkodzeń
części przepływowej silników turbinowych, które można wykryć metodami
endoskopowymi zamieszczono w tabeli 1.
Uszkodzenia
elementów części przepływowej [5]
|
ELEMENT |
USZKODZENIE |
|
Łopatki sprężarki: |
a) zanieczyszczenia: nalot,
sadza b) uszkodzenia mechaniczne:
rysy, wgniecenia, ślady zakleszczenia w kadłubie silnika c) ubytki wyrwy i pęknięcia |
|
Łopatki turbiny |
a)zanieczyszczenia produktami
spalania powierzchni łopatek b)wypryski powierzchniowe
(pęcherze) c)powiększony luz promieniowy
turbiny ze śladami zakleszczenia d)nadpalenia z wykruszeniem
łopatek na krawędziach e)ubytki powłoki ochronnej |
|
Komora spalania |
a)warstwa nagaru na łopatkach
zawirowywacza b)przepalenia, pęknięcia rur
ogniowych c)warstwa nagaru na
powierzchni kołpaka wtryskiwacza |
5.
OBIEKT
I METODA BADAŃ
Badanie wizualne powierzchni,
które tworzą przestrzenie wewnętrzne maszyn przepły-wowych umożliwia wykrycie,
rozpoznanie i ocenę ewentualnych defektów pod kątem ilościowym. W rezultacie
wynikiem badania jest ocena stopnia zużycia bądź zanieczyszczenia badanej
powierzchni, a w konsekwencji całego elementu konstrukcyjnego. Można stwierdzić,
że metodami endoskopowymi wykrywa się obecnie ok. 60% wszystkich uszkodzeń przepływowych
silników spalinowych.
Obiektem przeprowadzonych badań
był turbowałowy silnik M601T wytwarzany przez Walter Aircraft Engines, używany
w wielu europejskich konstrukcjach lotniczych. Występuje w wielu wersjach
konstrukcyjnych, przystosowanych do pracy w samolotach biznesowych,
agroturystycznych i treningowych o zastosowaniu militarnym. W Polsce silnik M601
T jest stosowany w samolocie turbośmigłowym PZL-130 Orlik, w wersji
przystosowanej do pracy w warunkach akrobacyjnych (m.in. lot odwrócony).
Specyfikacja konstrukcji:
-
kompresor
2-stopniowy osiowy oraz 1-stopniowa sprężarka promieniowa,
-
turbina
– 1-stopniowa turbina wysokiego ciśnienia i 1 turbina napędowa,
-
komora
spalania – pierścieniowa,
2 1 3
Rys. 6. Widok ogólny silnika M601T
(1 − osłona
siatkowa zasysanego powietrza, 2 − wylot spalin z dostępem
do turbiny niskiego ciśnienia, 3 − sekcja komór
spalania)
Badania tego silnika wykonane
zostały za pomocą wideoskopu wyposażonego w wy-świetlacz LCD i rozbudowany
układ sterowania kamerą wziernikową.
Najważniejsze parametry
techniczne wideoskopu:
-
średnica
sondy pomiarowej 4,9 mm,
-
długość
końcówki pomiarowej 1 m,
-
wyświetlacz
LCD 3,5”;
-
układ
umożliwiający podgląd obrazu pod kątem 90° względem osi głowicy,
-
oświetlenie
zawierające 3 diody LED.
Po wstępnych oględzinach silnika
i zapoznaniu się z jego budową wybrano dogodne miejsca do wprowadzenia głowicy
pomiarowej. Demontaż rozpoczęto od odkręcenia siatko-wych osłon sekcji
sprężarek. W otrzymany otwór wprowadzono głowicę pomiarową, dzięki czemu
możliwy był dostęp do sekcji sprężarek badanego silnika. W ten sposób uzyskano dokumentację
zdjęciową łopatek wirnika sprężarki pierwszego stopnia (rys. 8).
Obserwując zdjęcie łopatek
przedstawione na rys. 9 zauważyć można istotną korzyść, jaką daje zastosowanie
regulowanego natężenia światła w aparaturze badawczej. Zbyt duże natężenie
sprawia, że światło odbija się od powierzchni łopatki i sprawia, że obraz staje
się nieczytelny. W badanej sprężarce
nie stwierdzono żadnych nieprawidłowości.
Rys. 7. Wideoskop wykorzystany do
przeprowadzenia badań [7]
Rys. 8. Łopatki
I stopnia sprężarki silnika m601t
Rys. 9. Zależność
czytelności uzyskanego obrazu od intensywności oświetlenia
W
celu kontroli wizualnej turbiny badanego silnika, wprowadzono głowicę pomiarową
w miejsce nr 2 na rys. 6. W czasie analizy uzyskanych obrazów zauważono
pewne zmiany eksploatacyjne w postaci białego nalotu na powierzchni łopatek
(rys. 10) oraz przebarwienia u nasady łopatek, spowodowane działaniem
wysokiej temperatury.
Rys. 10. Łopatki turbiny niskiego
ciśnienia – zaznaczono zauważony nalot
Rys. 11.
Łopatki turbiny niskiego ciśnienia – widoczne przebarwienia u nasady łopatek
Rozmiar tych zmian nie stanowi
przesłanki do demontażu silnika, świadczy jedynie o jakości procesu
spalania w komorze. Celowe jest indeksowanie takich zmian wyglądu na
powierzchniach silnie obciążonych elementów części przepływowej silnika oraz
ich okresowa kontrola, aby porównać rozmiar zmian.
6.
PODSUMOWANIE
Metody wizyjne stosowane w
badaniach maszyn przepływowych pozwalają na pro-wadzenie diagnostyki
eksploatacyjnej bez konieczności wymontowania (rozmontowania) badanego obiektu.
Wpływa to znacząco na możliwość ograniczenia występowania zagrożeń,
wynikających ze zużycia silnie obciążonych elementów turbinowych silników
lotniczych. Zasadniczym problemem badań za pomocą endoskopu jest konieczność
skomplikowanego manewrowania głowicą pomiarową, co w przypadku silników
niedużych rozmiarów może stanowić dużą niedogodność.
References
1. Rolls-Royce plc. 1996. The jet engine. Derby: The Technical Publications
Department. ISBN 0902121-235.
2. Dzierżanowski Paweł, Walerian Kordziński,
Mieczysław Łyżwiński and others. 1983. Turbinowe
silniki odrzutowe. [In Polish: Turbine
jet engines]. Warszawa: WKiŁ. ISBN 83-206-0362-5.
3. Collective work. 2005. Industrial endoscopy system guide version 2: Olympus industrial.
4. Breen J., Stellingwerff M.
1995. “Application of optical and digital endoscopy”. Vienna: Proceedings 2nd EAEA Conference.
5. Korczewski
Zbigniew. 2008. Endoskopia silników
okrętowych. [In Polish: Endoscopy
marine engines]. Gdynia: AMW. ISBN 978-83-60278-20-8.
6. KARL
STORZ Endoscope. 2006. Techno pack with
multipoint measuring system. Industrial Group.
7.
Specjalistyczne narzędzia
warsztatowe “KS Tools Videoskop”. [In Polish: Specialist
workshop tools “KS Tools Videoscope”]. Available at:
http://www.majsterkownia.pl/product-pol-1166-Videoskop-Ultimate-Vision-sonda-0-90-4-9mm-KS-Tools.html.
8. Hlebowicz J. 2000. Endoskopia przemysłowa. [In Polish: Industrial endoscopy]. Warszawa: Biuro GAMMA. ISBN 83-87848-23-9.
9. Utkin Marek. 2004. „Silnik turbinowy”. [In
Polish: „Turbine engine”]. Młody technik 07:
26-29. ISSN 0462-9760.
10. Balicki W. 2009. „Potrzeby i sposoby
diagnozowania lotniczych silników turbinowych”. [In Polish: „Needs and methods for diagnosing aircraft
turbine engines”]. Prace Instytutu
Lotnictwa 4 (199): 109-116. ISSN 0509-6669.
Received 20.08.2015; accepted in revised form 21.12.2015
Scientific Journal of Silesian
University of Technology. Series Transport is licensed under a Creative
Commons Attribution 4.0 International License