Mirosław Witoś, Albert Ostrowski

ANALIZA MODALNA PĘKAJĄCEJ ŁOPATKI SPRĘŻARKI
Mirosław WITOŚ
Albert OSTROWSKI
Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych
Wojskowe Zakłady Lotnicze nr 3
1. WSTĘP
Umiejętność wiarygodnego rozpoznania i prognozowania stanu technicznego silnie
wytężonych elementów maszyny stanowi wyzwanie na etapie konstrukcji, produkcji,
użytkowania i remontu. Poziom trudności diagnostycznej zwiększa się, gdy obowiązujące
technologie nie gwarantują powtarzalności modalnej. W takim przypadku „jednakowe”
elementy danej maszyny pracują w różnych warunkach obciążeń, a w eksploatacji populacji
maszyn obserwuje się pojedyncze przypadki zmęczeniowego pękania elementów.
Taki problem diagnostyczny obserwowano w latach 1979 ÷ 1991 na turbinowych
silnikach odrzutowych typu SO-3 (samolot TS-11 ISKRA), kiedy to zmęczeniowemu
urwaniu uległo 27 łopatek I stopnia wirnika sprężarki w 10 silnikach. Analiza tych zdarzeń,
wykonana w ITWL, wykazała bardzo małą skuteczność defektoskopii wiroprądowej stosowanej w eksploatacji. W tamtym okresie nie wykryto żadnego przypadku pęknięcia łopatki
przed awarią silnika. Stwierdzono, że powyższy stan wynikał z utrudnionego dostępu do
badanych piór, braku wiarygodnej informacji o rzeczywistych warunkach pracy łopatek oraz
niewystarczającej wiedzy o mechanizmach i wczesnych symptomach zmęczenia materiału
łopatki.
Dla zapewnienia bezpiecznej eksploatacji silników SO-3 opracowano w ITWL metodę
bezdotykowego diagnozowania stanu technicznego łopatek I stopnia sprężarki [1, 2],
wdrożoną do eksploatacji w 1993 r., oraz podjęto prace badawcze nad identyfikacją
wczesnych symptomów zmęczenia łopatek wykonanych ze stali, stopów tytanu i stopów
żarowytrzymałych [3, 4].
2. METODA BADAŃ
Identyfikację wczesnych symptomów zmęczenia i pękania krótkich łopatek (pióro:
wysokość/cięciwy h/c = 2.65, zmodyfikowany profil NACA-65, emaliowane; zamek
trapezowy) wykonanych ze stali 18H2N4WA (R0.2= 800 MPa, Rm= 1100 MPa)
przeprowadzono na wzbudniku elektrodynamicznym 4802T firmy B&K, używanym
w WZL-3 podczas remontu silników typu SO-3. Stanowisko doposażono w:
1
- laserowy układ pomiaru odległości MicroTrackTMII z głowicę pomiarową LTC-120-40
firmy MTI Instrument [5];
- moduł VR-8500 zawierający trzy 24-bitowe przetworniki A/C oraz programowo sterowany
generator sygnału wymuszającego i oprogramowanie VibrationView firmy Vibration
Research Corporation [6].
Ideą optycznej metody pomiaru drgań łopatki jest proporcjonalne odwzorowanie
amplitudy przemieszczeń powierzchni pióra, podświetlanej laserem, na matrycy CMOS
głowicy pomiarowej. Na wyjściu analogowego układu pomiarowego otrzymywany jest
sygnał napięciowy, którego pasmo częstotliwości ograniczono filtrem dolnopasmowym do
20 kHz. Czułość toru pomiarowego wynosi 100 mV/mm.
Szczegółowa analiza zarejestrowanych danych (plików ASCII) była realizowana
z wykorzystaniem programu EXCEL. Podczas identyfikacji właściwości modalnych łopatki
bazowano na transmitancji operatorowej
G (ω ) =
Y (ω )
X (ω )
⎡ mm ⎤
⎢⎣ mm ⎥⎦
(1)
gdzie X(ω) – amplituda wymuszeń sinusoidalnych głowicy wzbudnika;
Y(ω) – amplituda drgań łopatki w zadanej odległości od zamka i krawędzi.
3. WYNIKI BADAŃ
Badania zrealizowano w trzech etapach, podczas których:
- zweryfikowano metodę pomiarową;
- zidentyfikowano symptomy pęknięcia stalowej łopatki na krzywej rezonansowej;
- zidentyfikowano wczesne symptomy zmęczenia materiału łopatki.
3.1. Wpływ warunków pomiaru na charakterystykę rezonansową łopatki
Analizie poddano podstawowe czynniki metrologiczne, których nie można było zaniedbać przy dokładnym badaniu charakterystyki rezonansowej danego modu łopatki. Ich wpływ
na analizowane parametry zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Wpływ czynników metrologicznych na charakterystykę rezonansową łopatki.
Parametr
Czynnik metrologiczny
charakterystyki rezonansowej
Kształt krzywej rezonansowej
Szybkość zmian częstotliwości wymuszającej
Poziom wymuszeń
Wzmocnienie w rezonansie
Położenie punktu pomiarowego na powierzchni pióra
Poziom wymuszeń
Wzajemne ustawienie głowicy pomiarowej i łopatki
Częstotliwość rezonansowa
Szybkość zmian częstotliwości wymuszającej
Poziom wymuszeń
Warunki mocowania łopatki w głowicy wzbudnika
2
Stwierdzono, że zastosowana metoda badań gwarantuje wiarygodne wyniki pomiaru
amplitudy, częstotliwości i fazy drgań łopatki przy amplitudzie przemieszczeń pióra powyżej
2 µm. Wiarygodne odwzorowanie kształtu krzywej rezonansowej uzyskano przy szybkości
zmian częstotliwości wymuszającej do: 2.5 Hz/min – dla I modu (giętego, Qs >350)
i 1.0 Hz/min – dla III modu (skrętnego, Qs > 1000).
3.2. Dotychczasowe symptomy pękniętej łopatki
W produkcji i remoncie silnika SO-3 stan techniczny wszystkich łopatek I stopnia
sprężarki oceniany jest na podstawie pomiaru częstotliwości drgań własnych I modu
i wyników defektoskopii magnetycznej. Podejrzane o pęknięcie łopatki weryfikowane są
metodą defektoskopii fluoroscencyjnej. Trzy łopatki, losowo wybrane z badanej populacji
(każdego silnika/serii produkcyjnej), poddawane są próbie zmęczeniowej na częstotliwości
I modu (σ = 490 MPa, 2x106 cykli) [7]. Symptomem diagnostycznym pęknięcia pióra
i wybrakowania badanej populacji łopatek jest zmniejszenie częstotliwości drgań o więcej niż
3 Hz. Wiarygodność wyników próby zmęczeniowej, odniesiona do badanej populacji
łopatek, maleje podczas kolejnych remontów silnika. Obowiązujący warunek zmiany
częstotliwości o 3 Hz odwzorowuje rozwinięte pęknięcie pióra o długości 2 ÷ 10 mm
(wartość zależna od położenia ogniska pęknięcia).
Podczas pracy silnika SO-3 (w remoncie i eksploatacji) oceniane są rzeczywiste warunki
pracy łopatek i bieżący ich stan techniczny. Symptomem diagnostycznym wczesnej fazy
pęknięcia obciążonego pióra łopatki jest zmniejszenie częstotliwości drgań I modu na
zakresie startowym – rys. 1, przy braku:
- zmian częstotliwości drgań własnych łopatki po zatrzymaniu silnika (bez obciążenia);
- symptomów otwartego pęknięcia identyfikowanego dotychczasowymi metodami badań
nieniszczących.
∆f
rpm
2x
a)
b)
Rys. 1. Zobrazowanie symptomu inicjacji pęknięcia pióra łopatki [2]:
a) w wynikach bezdotykowego pomiaru drgań; b) na wykresie Campbella.
Powyższy symptom jest czuły na wystąpienie poza obliczeniowych warunków pracy silnika
– rezonansu synchronicznego wywołanego zaleganiem lodu lub ptaka we wlocie (błąd
fabryczny odstrojenia łopatek [8]), podczas którego obserwuje się niebezpieczny wzrost
amplitudy drgań łopatek (pracy w zakresie LCF) i obniżenie częstotliwości drgań I modu.
3
Jak wykazały dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne, tak zdefiniowany symptom
diagnostyczny gwarantuje bezpieczny horyzont stawianej prognozy - ponad 50 godz. pracy
łopatek w „normalnych” warunkach obciążenia (ponad 9.0 x107 cykli HCF i 100 cykli LCF).
3.3. Nowe symptomy diagnostyczne pękniętej łopatki
Analizując kształt unormowanej krzywej rezonansowej dobrej, naciętej i pękniętej
łopatki dostrzega się kolejne symptomy diagnostyczne. Dla pękniętego pióra obserwuje się
wyraźną asymetrię charakterystyki rezonansowej (zmniejszenie tłumienia dla częstotliwości
poniżej rezonansu i zwiększenie tłumienia dla częstotliwości powyżej rezonansu), której
towarzyszy zmniejszenie wartości amplitudy drgań (transmitancji operatorowej) – rys. 2.
400
dobra łopatka
G(ω)
pęknięte pióro
300
200
100
0
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
ω/ωrez
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
Rys. 2. Wpływ pęknięcia pióra na kształt charakterystyki rezonansowej I modu.
Pojawienie się asymetrii krzywej rezonansowej jest niezależne od położenia pęknięcia i
materiału konstrukcyjnego, z którego wykonana jest łopatka. Symptom był obserwowany
zarówno przy ognisku położonym na powierzchni grzbietu jak i na krawędzi pióra. Nie
zależy on również od rozrzutu technologicznego wykonania łopatek. Asymetrii nie
stwierdzono dla naciętego pióra, stanowiącego uproszczony model pęknięcia z pominięciem
tarcia na szczelinie [9].
Asymetria odwzorowuje zmianę modelu modalnego opisującego daną postać drgań
łopatki z układu SDOF (materiału jednorodnego pióra) na 2DOF, z nieznacznym wzrostem
nieliniowości obiektu, identyfikowanej poza programem VibrationView.
Pominięcie tarcia na szczelinie pęknięcia jest źródłem dodatkowych różnic w właściwościach modalnych uszkodzonej łopatki – tabela 2.
Tabela 2. Uszkodzenia pióra łopatki o długości 11 mm od krawędzi spływu,
położonego 20 mm od zamka.
Łopatka
Pęknięta
Nacięta
(szczelina bez tarcia)
Zmiana częstotliwości [Hz]
I mod
II mod
III mod
-12
+7
-27
-13
-5
4
-80
Pęknięta łopatka cechuje się również większą wrażliwością częstotliwości rezonansowej
danego modu na poziom przyłożonego obciążenia – rys. 3.
1.005
dobra łopatka
f/frez
pęknięte pióro
1
0.995
Propagacja
pęknięcia
0.99
0.985
a [m/s2]
0.98
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Rys. 3. Wpływ poziomu wymuszenia na częstotliwość drgań I modu łopatki
(pęknięcie od krawędzi spływu o długości 8 mm, położone 20 mm od zamka).
3.4. Identyfikacja wczesnej fazy zmęczenia materiału łopatki
Analiza danych z testów LCF i HCF wykazała, że parametry modalne łopatki mogą być
wykorzystane do obserwowania fazy umocnienia materiału. Symptomem diagnostycznym
jest przyrost częstotliwości rezonansowej I modu o 0.5 ÷ 1 Hz, przy początkowym wzroście
dobroci układu rezonansowego – rys. 4. Podczas tej fazy prób zmęczeniowych i dalszej
degradacji struktury materiału łopatki obserwowano również ciągłe zmiany wzajemnego
położenia rezonansu wg amplitudy i fazy (logarytmicznego dekrementu tłumienia).
1
1.14
0 cykli
G/Grez
910000 cykli
1.12
0.9
1.1
0.8
w zmocnienie w rezonansie
położenie rezonansu amplitudy
1.08
1.06
0.7
1.04
0.6
1.02
0.996
cykle [x103]
1
0.5
1
f/frez
1.004
0
300
600
Rys. 4. Zmiany parametrów modalnych stalowej łopatki podczas testu HCF
(aHCF = 39.24 m/s2, akontroli = 29.43 m/s2).
5
900
Narastająca asymetria krzywej rezonansowej łopatek obserwowana była dopiero
w końcowej fazie zmęczenia materiału i poprzedzała zmniejszenie częstotliwości drgań
I modu łopatki. Szybkość jej rozwoju uwarunkowana była dotychczasową historią
obciążenia łopatki.
4. PODSUMOWANIE
Badania krzywej rezonansowej stalowej łopatki umożliwiły wydzielenie wiarygodnych
symptomów diagnostycznych, odwzorowujących wczesną fazę zmęczenia materiału i inicjacji pęknięcia pióra. Opisywane symptomu znajdują odbicie w odwzorowaniu fazowym
drgających łopatek – metodzie zastosowanej w bezdotykowym diagnozowaniu stanu technicznego wirujących łopatek I stopnia sprężarki silników typu SO-3.
Uzyskane wyniki badań wskazują na celowość korelowania dotychczasowej wiedzy
z mechaniki pękania [10], metod badań nieniszczących [11] i diagnostyki oraz wdrażania
wyników badań do technologii remontu i eksploatacji maszyn.
Badania właściwości modalnych łopatek zostały dofinansowane ze środków projektu
badawczego nr 4 T12C 00929.
LITERATURA
1. M. Witoś: Diagnozowanie stanu technicznego łopatek sprężarki turbinowego silnika
spalinowego metodą bezdotykowego pomiaru drgań. Rozprawa doktorska, ITWL
Warszawa, 1994
2. M. Witoś, R. Szczepanik: Turbine Engine Health/Maintenance Status Monitoring
with Use of Phase-Discrete Method of Blade Vibration Monitoring, RTO Meeting
Proceedings: MP-AVT-121, paper no 2, NATO, 2005
3. R. Sabak: Ocena uszkodzeń łopatek wirnikowych silników turbinowych na podstawie
zmian ich częstotliwości drgań własnych. Rozprawa doktorska, ITWL Warszawa, 2002
4. M. Witoś: Identyfikacja właściwości modalnych łopatek wirnikowych sprężarki
silnika SO-3, Sprawozdanie nr 26/34/2006, ITWL Warszawa, 2006
5. MicrotrackTM II. High Speed Laser Displacement Sensor. MTI Instruments, 2006.
6. VibrationView. Operators Guide. Vibration Research Corporation, 2001
7. Technologia pomiaru częstotliwości drgań własnych i prób zmęczeniowych łopatek
silnika SO-3, SO-3W, TW3-117, WZL-3 Dęblin, 2003
8. A.J. Meyer, H.F. Calvert, C.R. Morse: Effect of Obstructions in Compressor Inlet on
Blade Vibration in 10-stage Arial-flow Compressor, Research memorandum, NACA
Wahsington, 1950
9. R. Kolhe, C.Y. Hui, A.T. Zehnder: Effect of finite notch witch on the fracture of
chevron-notched specimens, Int. J. of Fracture, Vol. 94, pp. 189-198 (1998)
10. Yi-Ren Wang, Steng-Hwa-Tsao: A Study of Crack Growth on the Rotating Metallic
Blade, Tamkang Journal of Science and Engineering, Vo. 4, No 3, pp. 173-182 (2001)
11. Nonlinear Acoustic Techniques for Micro-Scale Damage Diagnostics (NATEMIS), ESF,
2001, http://www.esf.org/natemis; http://www.polito.it/research/natemis
6