Tańsze testy silników lotniczych

W Polsce będą testowane krytyczne elementy silników lotniczych. Dotąd nasze firmy musiały przeprowadzać próby zagranicą i płacić za każdą kilka milionów dolarów. Teraz na Politechnice Rzeszowskiej tworzone są stoiska badawcze. Tu znacznie taniej będzie sprawdzana jakość i wytrzymałość tych części samolotu, których uszkodzenie mogłoby spowodować katastrofę lotniczą.

W przemyśle lotniczym konstrukcje płatowców i napędów lotniczych muszą być certyfikowane, tzn. zatwierdzone przez Europejską Agencję Bezpieczeństwa Lotniczego (EASA). Mieści się ona w Kolonii i wydaje świadectwa dopuszczające do eksploatacji – na silnik i napęd oraz na statek powietrzny – samolot lub śmigłowiec. Każda zmiana, jaką wytwórca wprowadza do silnika lub płatowca, wymaga zatwierdzenia i zgody EASA.

Najbardziej restrykcyjny jest proces certyfikacyjny części krytycznych, czyli takich, których uszkodzenie powoduje katastrofę lotniczą. Są to m.in. dyski, układy smarujące, łopatki turbiny. Tutaj zatwierdzenia wymaga każda innowacja, a nawet zmiana parametrów produkcyjnych. Podczas kosztownej próby na stoisku hamowni silnik musi pracować w warunkach zbliżonych do rzeczywistych.

W Laboratorium Badań dla Przemysłu Lotniczego Politechniki Rzeszowskiej pod kierunkiem prof. Jana Sieniawskiego powstają stoiska badawcze, które mają obniżyć koszty testów. Jest to jedyne laboratorium w Polsce posiadające uznany w lotnictwie certyfikat NADCAP-u (National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program). Nie istnieją gotowe projekty stoisk do testowania części lotniczych i zawsze jest to indywidualna konstrukcja. Trzeba je zaprojektować, uwzględniając to, jakiej wielkości są produkty, jakie nowe technologie chce się rozwijać.

Z nowej aparatury będą mogły korzystać firmy z Doliny Lotniczej oraz przedsiębiorstwa zagraniczne. Pierwszeństwo w dostępie do stoisk będzie miało WSK „PZL-Rzeszów”, które na ich budowę wyłożyło ok. 8 mln złotych. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju na realizację trzyletniego projektu przyznało ok. 17 mln złotych dofinansowania.

Na czterech rodzajach stoisk testowane będą różne elementy i technologie lotnicze. Pierwsza grupa to uszczelnienia grafitowe, druga - dyski, czyli elementy wirujące, trzecia - łopatki turbin i czwarta – przyjazne dla środowiska materiały i pokrycia antykorozyjne.

Grafit zapobiegnie wyciekom oleju

Jak wyjaśnia dr inż. Tadeusz Gancarczyk, kierownik projektu w WSK Rzeszów, uszczelnienia grafitowe stosowane są przy częściach wirujących silnika. Większość elementów musi być chłodzona i smarowana olejem. Żeby olej nie wyciekał niezbędna są uszczelnienia, które ze względu na wysoka temperaturę pracy wykonywane są z materiałów na bazie grafitu. Ich wytrzymałość można testować poza silnikiem, pod warunkiem, że zbuduje się do tego specjalne stoisko potrafiące odtworzyć warunki zbliżone do rzeczywistych – panujących w pracującym silniku. Jak przebiegają takie próby?

„Mamy nowy pomysł, chcemy go wdrożyć, ale nie wiemy, czy nam to wyjdzie. Wykonujemy zatem mniejszą część silnika: wał, uszczelnienie, część obudowy, a następnie zakładamy na stoisko badawcze. Tu wprowadzamy warunki zbliżone do tych, które panują w silniku, czyli temperaturę pracy, ciśnienie, obroty, doprowadzamy olej. Koszt takiej próby jest przynajmniej kilkanaście razy niższy niż próby silnikowej” – szacuje kierownik projektu.

Dyski, czyli elementy wirujące

W silniku znajdują się dyski sprężarki i dyski turbiny. Ich uszkodzenie w każdym przypadku oznacza uszkodzenie silnika mogące spowodować katastrofę samolotu. Dysk ze względu na wysokie obroty, w przypadku uszkodzenia wypada z silnika i jak pocisk przecina wszystko, co napotka po drodze. Dlatego te części są bardzo restrykcyjnie kontrolowane w procesie produkcji i dopuszczane do eksploatacji. Każda zmiana parametrów technologicznych czy materiału wymaga prób dowodowych.

„Na budowanym przez nas stoisku będą sprawdzane nowe technologie obróbki, wytwarzania i rozwiązania konstrukcyjne. Próba polega na tym, że się dysk odwirowuje się do momentu uszkodzeniu. Innymi słowy, ma się kręcić tak długo, aż poznamy warunki, w których ulega zniszczeniu” – wyjaśnia dr inż. Gancarczyk.

Koszty testów na silnikach są tak wysokie, że firmy próbują ograniczyć częstotliwość wprowadzania zmian. Mimo to, średnio co parę lat każdy odbiorca silnika zmienia swoje wymagania, wtedy trzeba przystosować do nich technologię, zmodyfikować ją lub opracować od początku. Pojawiają się też nowe materiały, zmieniają się wymagania narzucane przez przepisy bezpieczeństwa lotniczego oraz opracowywane są nowe bardziej wydajne technologie. Mając na miejscu stoisko testowe, WSK może częściej i taniej wprowadzać innowacje zwiększające bezpieczeństwo wytwarzanych części, a tym samym lotów.

Precyzyjne odlewanie łopatek turbin

W tej chwili w WSK PZL Rzeszów odlewa się ponad 350 tys. łopatek rocznie. W trakcie pracy na silniku muszą one być chłodzone powietrzem poprzez wewnętrzne kanały. Żeby odtworzyć kanały chłodzące w łopatce potrzebny jest rdzeń ceramiczny. Prawidłowe ustawienie rdzenia a tym samym kształt kanału chłodzącego w odlewie decyduje o jakości łopatki i jej dopuszczeniu do eksploatacji. W ramach projektu planuje się stoisko do sprawdzania ustawiania rdzeni ceramicznych. Testy są skomplikowane, bo i samo wykonywanie tych elementów jest bardzo złożonym procesem.

Stopy niklu mogą pracować w temperaturze powyżej 900 stopni Celsjusza. Im wyższa temperatura pracy, tym większa konieczność chłodzenia łopatki. Każde przestawienie rdzenia ceramicznego w modelu woskowym lub formie wpływa na kształt i jakość kanału chłodzącego. Ceramika wysokotemperaturowa jest odporna na temperaturę, ale bardzo krucha.

Nowopowstające stoisko ma pozwolić na szybkie opracowanie odpowiedniej technologii, co pozwoli na otrzymanie łopatki o wymaganej grubość ścianki, zapobiegnie uszkodzeniom rdzenia, a tym samym zapewni odpowiedni przepływ gazu chłodzącego w łopatce.

Technologia i ekologia

Ostatnia grupa procesów, jakie będzie można przeprowadzać na rzeszowskich stoiskach badawczych, to tzw. twarde anodowanie. Jest to technologia wykorzystywana w zabezpieczaniu elementów przekładni i silnika wykonanych ze stopów aluminium i magnezu. Dzięki tym materiałom konstrukcja jest lżejsza. Zabezpiecza się je przed korozją. Większość stosowanych obecnie pokryć antykorozyjnych powstaje z użyciem pierwiastków szkodliwych dla środowiska naturalnego, czyli chromu, kadmu, bizmutu.

„Za parę lat wchodzi w życie dyrektywa REACH, która wprost zakazuje ich używania w procesach technologicznych. Dlatego już teraz szukamy nowych, ekologicznych materiałów o właściwościach wymaganych przez przemysł lotniczy. Chcemy opracować metody zabezpieczania stopów aluminium i magnezu, która nie będą gorsze od obecnych, ale przyjazne środowisku” – mówi kierownik projektu, którego zakończenie planowane jest na 2016 rok.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Olszewska

kol/ mki/