dlapilota.pl
O skutkach oddziaływania pyłu wulkanicznego na silniki lotnicze, opowiada dr inż. Włodzimierz Balicki
Z dr inż. Włodzimierzem Balickim, specjalistą w Zakładzie Napędów Instytutu Lotnictwa w Warszawie rozmawia Marcin Ziółek.
Marcin Ziółek: Jakie niebezpieczeństwa dla silników odrzutowych niesie ze sobą pył wulkaniczny?
Włodzimierz Balicki: W komorze spalania, gdzie płomień osiąga temperaturę ponad 2000 stopni Celsiusza, są małe otworki, wykorzystywane do przepuszczania tzw. „powietrza wtórnego”. Wygląda to tak, że pomiędzy płomieniem, który znajduje się w środku komory, a ścianką jest warstewka powietrza chłodzącego. W przypadku gdy dostanie się tam pył istnieje niebezpieczeństwo, że może on zmniejszyć przekrój tych otworów zakłócając tym samym przepływ powietrza chłodzącego. W dłuższym okresie, może to skutkować nieprawidłowym chłodzeniem komory i jej uszkodzeniem (zdeformowaniem, czy nawet przepaleniem ścianki). Podobnie jest z profilami łopatek sprężarek czy turbin, gdzie pyły osadzają się na części korytkowej i to prowadzi do zniekształcenia profili i spadku sprawności, jest osadzanie się żużlu na elementach komory spalania i turbiny.
MZ: Co się dzieje z zapylonym powietrzem, w silniku odrzutowym?
WB: Przez silniki turbinowe przepływa bardzo duża ilość powietrza. W przypadku silnika odrzutowego SO-3 stosowanego w samolotach Iskra jest to wartość 18 kg/s, a w silnikach typu GE CF-6 montowanych w B767 lub B747, prawie 1000 kg/s. Żeby się zabezpieczyć przed negatywnymi skutkami zanieczyszczonego powietrza, silniki są tak skonstruowane, aby większość powietrza przepływała przez tzw. kanał zewnętrzny, nie przechodząc przez delikatne i wrażliwe części komory spalania. Prawie 80% powietrza, przelatuje przez kanał zewnętrzny, który jest odporniejszy na zanieczyszczenia niż część wewnętrzna.
MZ: Jakiego rodzaju uszkodzenia może wyrządzić pył?
WB: Pyły mogą zawierać różne składniki, np. kwarc, który powoduje „piaskowanie” elementów silnika. Na uszkodzenia, najbardziej narażone są pierwsze stopnie sprężarki, gdyż ziarna pyłu, poruszające się z prędkością względną kilkuset metrów na sekundę mogą „wyrywać” cząstki materiału łopatek powodując zniekształcenie profili. Należy podkreślić, że takie zniekształcenie profili nie następuje natychmiastowo. Kilkugodzinny lot w takiej atmosferze, może spowodować stopniowe uszkodzenia, raczej nie powodując gwałtownych awarii, jak np. urwanie łopatki czy pęknięcie wału. Ogólnie spadek sprawności jest rozciągnięty w stosunkowo długim czasie (wiele godzin).
MZ: Czy producenci silników przeprowadzają testy pracy silników w warunkach zapylenia?
WB: W naszym zakładzie nie prowadziliśmy takich testów. W odpowiednich przepisach są wymagane np. próby zderzenia z ptakiem i takie testy się wykonuje, natomiast badania wpływu zanieczyszczonego powietrza nie są chyba unormowane. Pamiętam sytuację gdy na hamowni Instytutu Lotnictwa przeprowadzano 150 godzinne testy silnika K-15 (napędzającego samoloty I-22 Iryda). Obok budynku prowadzona była wtedy budowa, na której robotnicy używali dużych ilości cementu pobieranego z silosa i zanieczyszczali tym samym powietrze. Po wykonanych testach i demontażu jednostki napędowej, okazało się, że zdeformowane zostały profile pierwszych stopni sprężarki - wtedy jeszcze stalowych.
MZ: Czy istnieje jakakolwiek forma ochrony przed pyłem wulkanicznym?
WB: Formy ochrony są zbliżone do stosowanych przy zabezpieczaniu silników przed piaskiem. Pyły unoszące się np. podczas lądowania śmigłowca są bardziej skondensowane i gęściejsze, niż te które dolatują do nas w wyniku erupcji wulkanów. We wlotach silników śmigłowcowych montowane są integralne odpylacze, które zawirowują powietrze i odrzucają cięższe cząstki na zewnątrz. Do silnika dopływa powietrze pozbawione ponad 90 procent zanieczyszczeń. W czasie wojny w Wietnamie, Amerykanie eksperymentowali stosując różne rozwiązania, na przykład włókniny, które były rozpinane na konstrukcji żebrowej przed wlotem. Wadą tego rozwiązania było to, iż tłumienie przepływu powietrza zmniejszało moc silnika. Skuteczność odpylaczy bada się w laboratoriach porównując ilość piasku, którą „przepuścił” układ oczyszczający z ilością, która została zassana do wlotu. Pył, przy użyciu którego wykonuje się te testy ma znaną granulację – jest przesiewany na sitach o odpowiednich wymiarach oczek.
MZ: Czy istnieją kalkulacje czasu, w jakim silnik mógłby pracować w warunkach zapylenia?
WB: Taka wartość jest indywidualną cechą każdego silnika – wynika między innymi z rodzaju materiałów stosowanych na łopatki sprężarek, czy wentylatorów, a także od twardości i koncentracji pyłu w powietrzu. Wiele też zależy od konstrukcji komór spalania, jakie są wymiary otworów powietrza chłodzacego, czy trakt przepływowy silnika jest prosty, czy zakręcony, jak np. w silniku śmigłowcowym GTD-350. Odpowiedź na to pytanie dałyby tzw. próby długotrwałe, a to jest proces dość kosztowny.
MZ: Jakie są krótko- i długofalowe skutki uszkodzenia silników spowodowane pyłem?
WB: Moim zdaniem krótkotrwałych nie ma. Wpadając w chmurę pyłu nie należy się spodziewać natychmiastowych objawów, chyba, że się wleci bezpośrednio nad wulkan, co może skutkować przerwaniem pracy silnika. Z doświadczenia mogę powiedzieć, iż fakt zadławienia się silnika nie jest powodowany tylko pyłem, ale może być też zależny od innych czynników. Jeśli na „dużej” wysokości lotu, gdzie temperatura wynosi około - 50 stopni Celsjusza, samolot wpadnie w chmurę o temperaturze np.+10 stopni, w sprężarce i komorze spalania może nastąpić tzw. niestateczna praca skutkująca np. zgaśnięciem płomienia.
MZ: Jaki negatywny wpływ mogą mieć pyły wulkaniczne na silniki tłokowe?
WB: Kwestia oddziaływania pyłu na silniki tłokowe samolotów lotnictwa ogólnego jest złożonym zagadnieniem. Tu raczej nie stosuje się filtrów papierowych, lecz siatkowe o dość dużych oczkach, dlatego pył może się przedostać przez układ dolotowy i zawór ssący do cylindra. Istotną kwestią jest granulacja tego pyłu i jego twardość. Jeżeli ziarna są bardzo małe to są zmywane przez olej, ale w przypadku, gdy mają średnicę zbliżoną do wartości luzu pomiędzy tłokiem, a cylindrem istnieje niebezpieczeństwo, że mogą rysować gładź silnika. Samochodowe filtry papierowe, posiadają w tym względzie dużo większą skuteczność filtrowania.
MZ: Dziękuję za rozmowę
WB: Dziękuję
Włodzimierz Balicki: W komorze spalania, gdzie płomień osiąga temperaturę ponad 2000 stopni Celsiusza, są małe otworki, wykorzystywane do przepuszczania tzw. „powietrza wtórnego”. Wygląda to tak, że pomiędzy płomieniem, który znajduje się w środku komory, a ścianką jest warstewka powietrza chłodzącego. W przypadku gdy dostanie się tam pył istnieje niebezpieczeństwo, że może on zmniejszyć przekrój tych otworów zakłócając tym samym przepływ powietrza chłodzącego. W dłuższym okresie, może to skutkować nieprawidłowym chłodzeniem komory i jej uszkodzeniem (zdeformowaniem, czy nawet przepaleniem ścianki). Podobnie jest z profilami łopatek sprężarek czy turbin, gdzie pyły osadzają się na części korytkowej i to prowadzi do zniekształcenia profili i spadku sprawności, jest osadzanie się żużlu na elementach komory spalania i turbiny.
MZ: Co się dzieje z zapylonym powietrzem, w silniku odrzutowym?
WB: Przez silniki turbinowe przepływa bardzo duża ilość powietrza. W przypadku silnika odrzutowego SO-3 stosowanego w samolotach Iskra jest to wartość 18 kg/s, a w silnikach typu GE CF-6 montowanych w B767 lub B747, prawie 1000 kg/s. Żeby się zabezpieczyć przed negatywnymi skutkami zanieczyszczonego powietrza, silniki są tak skonstruowane, aby większość powietrza przepływała przez tzw. kanał zewnętrzny, nie przechodząc przez delikatne i wrażliwe części komory spalania. Prawie 80% powietrza, przelatuje przez kanał zewnętrzny, który jest odporniejszy na zanieczyszczenia niż część wewnętrzna.
MZ: Jakiego rodzaju uszkodzenia może wyrządzić pył?
WB: Pyły mogą zawierać różne składniki, np. kwarc, który powoduje „piaskowanie” elementów silnika. Na uszkodzenia, najbardziej narażone są pierwsze stopnie sprężarki, gdyż ziarna pyłu, poruszające się z prędkością względną kilkuset metrów na sekundę mogą „wyrywać” cząstki materiału łopatek powodując zniekształcenie profili. Należy podkreślić, że takie zniekształcenie profili nie następuje natychmiastowo. Kilkugodzinny lot w takiej atmosferze, może spowodować stopniowe uszkodzenia, raczej nie powodując gwałtownych awarii, jak np. urwanie łopatki czy pęknięcie wału. Ogólnie spadek sprawności jest rozciągnięty w stosunkowo długim czasie (wiele godzin).
MZ: Czy producenci silników przeprowadzają testy pracy silników w warunkach zapylenia?
WB: W naszym zakładzie nie prowadziliśmy takich testów. W odpowiednich przepisach są wymagane np. próby zderzenia z ptakiem i takie testy się wykonuje, natomiast badania wpływu zanieczyszczonego powietrza nie są chyba unormowane. Pamiętam sytuację gdy na hamowni Instytutu Lotnictwa przeprowadzano 150 godzinne testy silnika K-15 (napędzającego samoloty I-22 Iryda). Obok budynku prowadzona była wtedy budowa, na której robotnicy używali dużych ilości cementu pobieranego z silosa i zanieczyszczali tym samym powietrze. Po wykonanych testach i demontażu jednostki napędowej, okazało się, że zdeformowane zostały profile pierwszych stopni sprężarki - wtedy jeszcze stalowych.
MZ: Czy istnieje jakakolwiek forma ochrony przed pyłem wulkanicznym?
WB: Formy ochrony są zbliżone do stosowanych przy zabezpieczaniu silników przed piaskiem. Pyły unoszące się np. podczas lądowania śmigłowca są bardziej skondensowane i gęściejsze, niż te które dolatują do nas w wyniku erupcji wulkanów. We wlotach silników śmigłowcowych montowane są integralne odpylacze, które zawirowują powietrze i odrzucają cięższe cząstki na zewnątrz. Do silnika dopływa powietrze pozbawione ponad 90 procent zanieczyszczeń. W czasie wojny w Wietnamie, Amerykanie eksperymentowali stosując różne rozwiązania, na przykład włókniny, które były rozpinane na konstrukcji żebrowej przed wlotem. Wadą tego rozwiązania było to, iż tłumienie przepływu powietrza zmniejszało moc silnika. Skuteczność odpylaczy bada się w laboratoriach porównując ilość piasku, którą „przepuścił” układ oczyszczający z ilością, która została zassana do wlotu. Pył, przy użyciu którego wykonuje się te testy ma znaną granulację – jest przesiewany na sitach o odpowiednich wymiarach oczek.
MZ: Czy istnieją kalkulacje czasu, w jakim silnik mógłby pracować w warunkach zapylenia?
WB: Taka wartość jest indywidualną cechą każdego silnika – wynika między innymi z rodzaju materiałów stosowanych na łopatki sprężarek, czy wentylatorów, a także od twardości i koncentracji pyłu w powietrzu. Wiele też zależy od konstrukcji komór spalania, jakie są wymiary otworów powietrza chłodzacego, czy trakt przepływowy silnika jest prosty, czy zakręcony, jak np. w silniku śmigłowcowym GTD-350. Odpowiedź na to pytanie dałyby tzw. próby długotrwałe, a to jest proces dość kosztowny.
MZ: Jakie są krótko- i długofalowe skutki uszkodzenia silników spowodowane pyłem?
WB: Moim zdaniem krótkotrwałych nie ma. Wpadając w chmurę pyłu nie należy się spodziewać natychmiastowych objawów, chyba, że się wleci bezpośrednio nad wulkan, co może skutkować przerwaniem pracy silnika. Z doświadczenia mogę powiedzieć, iż fakt zadławienia się silnika nie jest powodowany tylko pyłem, ale może być też zależny od innych czynników. Jeśli na „dużej” wysokości lotu, gdzie temperatura wynosi około - 50 stopni Celsjusza, samolot wpadnie w chmurę o temperaturze np.+10 stopni, w sprężarce i komorze spalania może nastąpić tzw. niestateczna praca skutkująca np. zgaśnięciem płomienia.
MZ: Jaki negatywny wpływ mogą mieć pyły wulkaniczne na silniki tłokowe?
WB: Kwestia oddziaływania pyłu na silniki tłokowe samolotów lotnictwa ogólnego jest złożonym zagadnieniem. Tu raczej nie stosuje się filtrów papierowych, lecz siatkowe o dość dużych oczkach, dlatego pył może się przedostać przez układ dolotowy i zawór ssący do cylindra. Istotną kwestią jest granulacja tego pyłu i jego twardość. Jeżeli ziarna są bardzo małe to są zmywane przez olej, ale w przypadku, gdy mają średnicę zbliżoną do wartości luzu pomiędzy tłokiem, a cylindrem istnieje niebezpieczeństwo, że mogą rysować gładź silnika. Samochodowe filtry papierowe, posiadają w tym względzie dużo większą skuteczność filtrowania.
MZ: Dziękuję za rozmowę
WB: Dziękuję
Źródło artykułu
Komentarze