Pomiar uszkodzeń
Stanowisko do obserwacji i dokumentowania rozwoju pęknięć w łopatkach sprężarki.
Stanowisko pozwala precyzyjnie określić kształt uszkodzenia. Możliwe jest wykonanie pomiarów geometrii uszkodzenia oraz obliczenie pola powierzchni. Pomiary można wykonać jedynie w jednej płaszczyźnie. Program do analizy obrazu w pierwszej fazie będzie również wykonywał analizę na zdjęcia dwuwymiarowym. Parametry pracy mikroskopu stereoskopowego:
- Binokularowa głowica mikroskopu,
- Zoom (krotność) 0,8,
- Powiększenie okularu (krotność) - 10x,
- Powiększenie obiektywu (krotność) - 1x,
- Manualne sterowanie statywem,
- Halogenowe oświetlenie.
Stanowisko pomiarowe
Uchwyt hydrauliczny do prób zmęczeniowych
W celu zapewnienia powtarzalności otrzymanych wyników z wysokocyklowych prób zmęczeniowych łopatki sprężarki silnika turbinowego zaprojektowano zestaw szczęk zapewniających powtarzalne pod względem orientacji zamocowanie łopatki w zamku. Dla szczęk zaprojektowano i wykonano uchwyt zapewniający trwałe zamocowanie do stołu wibracyjnego z możliwością zastosowania bezstopniowego obciążenia.
W celu uzyskania bezstopniowego obciążenia zastosowano siłownik hydrauliczny. Dzięki zastosowaniu pompy zasilającej siłownik możliwa jest bezstopniowa regulacja żądanego wymuszenia. Dla zapewnienia pewności zadania i utrzymania wartości wymuszenia zastosowano manometr oraz zawór zwrotny blokujący nastawioną wartość wymuszenia.
Zapewnienie powtarzalności montażu próbki w uchwycie i zapewnienie stałego, powtarzalnego obciążenia podczas prób badawczych przyczynia się do uzyskania dokładniejszych wyników z prób zmęczeniowych.
Zarówno w fazie projektowania jak i wykonania uchwytu koncentrowano się na tym, aby uchwyt był uniwersalny, dzięki czemu mógłby być wykorzystywany do badań w szerokim zakresie częstotliwości.
Uniwersalizm uchwytu to możliwość wymiany szczęk przy zachowaniu reszty konstrukcji i sposobu wymuszenia.
Badanie geometrii uszkodzeń...
Analiza geometrji oraz dokumentacji zdjęciowej uszkodzeń.
Stanowisko badawcze do obserwacji oraz dokumentowania uszkodzeń łopatek sprężarki składa się z następujących komponentów:
- ★ Mikroskop cyfrowy – Dino-Lite Edge AM7515MZT,
- ★ Statyw pomiarowy z płynną regulacją wysokości,
- ★ Statyw magnetyczny NOGA MG 61030,
- ★ Stacja robocza – laptop,
- ★ Software – DinoCapture 2.0
Mikroskop Dino-Lite Edge AM7515MZT wyposażony jest w cyfrowy system archiwizacji obrazów. Sterowanie mikroskopem jest wykonywane przy użyciu programu DinoCapture 2.0. Mikroskop posiada głowicę płynnej zmiany powiększenia – zoom 20x do 220x. Dokumentowane zdjęcia mają rozdzielczość 5 Megapikseli (2592x1944 pikseli). Mikroskop posiada elastyczne sterowanie diodami LED, co umożliwia odpowiednią regulację oświetlenia badanej łopatki.
Badania zmęczeniowe...
Stanowisko badawcze do badań zmęczeniowych
Stanowisko badawcze do prowadzenia badań zmęczeniowych składa się z następujących komponentów:
- ★ Wzbudnik elektrodynamiczny,
- ★ Komora klimatyczna,
- ★ Wzmacniacz mocy,
- ★ Komputerowy system sterowania próbą.
System sterowania próbą zmęczeniową opracowano z zastosowaniem kart kontrolno-pomiarowych firmy National Instruments oraz środowiska programistycznego Labview. Program komputerowy steruje pracą wzbudnika elektrodynamicznego i zapewnia uzyskanie wymaganej wartości amplitudy i częstotliwości drgań jego głowicy. Umożliwia wprowadzenie badanej próbki w drgania rezonansowe. Stała wartość amplitudy drgań pióra łopatki jest warunkiem jej stałego obciążenia dynamicznego w czasie próby zmęczeniowej.
Krzywa zmęczeniowa...
Metoda wyznaczania krzywej zmęczeniowej przy wykorzystaniu łopatek I stopnia sprężarki silnika lotniczego.
Średnią trwałą wytrzymałość zmęczeniową w temperaturze pokojowej określono z zastosowaniem metody do pęknięcia.
Próbki w postaci łopatki sprężarki silnika lotniczego zamocowana w uchwycie na wzbudniku drgań poddane zostały cylkicznemu zginaniu z określoną wartością naprężenia sigma1 przy określonej bazowej liczbie cykli n. W przypadku braku pęknięcia w czasie badania przy założonej liczbie cykli n, próbka poddana została badaniu przy wartości naprżenia sigma2=sigma1+deltasigma. Wartość naprężenia zwiększano do momentu pęknięcia próbki.
System wizyjny...
System wizyjny do analizy wielkości uszkodzeń łopatek sprężarki silnika lotniczego.
Uczestnicy projektu ComprEva wzięli udział w XVII warsztatach projektowania mechatronicznego organizowanego przez katedrę Robotyki i Mechatroniki Akademii Górniczo-Hutniczej, która odbyła się 1-2 czerwca 2017 w Krakowie.
Zaprezentowano system wizyjny do analizy uszkodzeń łopatek sprężarki silnika lotniczego. Algorytm powstały w ramach zadania badawczego wykorzystuje techniki przetwarzania i analizy obrazów do detekcji, lokalizacji oraz oceny wielkości uszkodzenia łopatek. Wprowadzenie obrazu odchylenia standardowego otoczenia pikseli liczonego z obrazu wejściowego pozoliło na detekcję uszkodzenia również w przyadku złych warunków oświetleniowych prowadzących do powstania refleksów świetlnych. Zastosowane wymiaru fraktalnego do analizy krawędzi łopatki umożliwiło automatyczną detekcję położenia uszkodzenia. Ekstrakcja uszkodzenia w celu pomiaru jego geometrii odbywa się z wykorzystaniem dopełnienia obrazu binarnego do powłoki wypukłej. Opracowaną metodę porównano z innymi metodami analizy obrazów. Przedstawiono również możliwość zastosowania rzutowania modelu na obraz w celu wyznaczenia skali i lokalizacji uszkodzenia. Zastosowaniem opracowanego narzędzia pomiarowego jest wspomaganie diagnostyki silników lotniczych z wykorzystaniem kamer endoskopowych.
Kamienie milowe...
1. Określenie typu uszkodzeń łopatek wybranego stopnia sprężania
Wykonano szczegółową charakterystykę uszkodzeń łopatki w celu ustalenia kryteriów ich klasyfikacji do oceny przydatności po zderzeniu z ciałem obcym.
Zdefiniowano typy uszkodzeń jakie występują na łopatkach, które sklasyfikowano w następujący sposób:U - ubytek
materiału na krawędzi łopatki z charakterystycznym zaokrąglonym wgłębieniem, V - ubytek materiału na krawędzi łopatki,
charakterystycznym ostrym kątem lub pęknięciem z małym promieniem wierzchołka, D - ubytki materiału na powierzchni pióra
łopatki (otwory w piórze łopatki), G - zmiana cech geometrycznych pióra łopatki – kształt, skręcenie, wygięcie itp. bez ubytku
materiału, E - erozyjne uszkodzenie warstwy powierzchniowej pióra łopatki - usunięcie warstwy wierzchniej, zwiększenie
chropowatości powierzchni.
2. Opracowanie modeli matematycznych łopatek sprężarki
Do wykonania modelu dyskretnego wykorzystano elementy skończone czworościenne
o kwadratowej funkcji kształtu „TET”. Elementy tego typu pozwalają na uzyskanie dokładności otrzymanych wyników analizy numerycznej porównywalne z elementami sześciościennymi z kwadratową funkcją kształtu „HEX” (zaletą elementów typu „HEX” jest możliwość zastosowania mniejszej ilości elementów dla danej geometrii).
Model dyskretny wykonano w module Meshing programu ANSYS.
3. Określenie wytrzymałości zmęczeniowej łopatek bez uszkodzeń
Próby zmęczeniowe w warunkach dużej liczby cykli prowadzono dla 16-tu łopatek 3-go stopnia sprężarki silnika lotniczego. Łopatki badano w celu wyznaczenia ich wytrzymałości zmęczeniowej wysokocyklowej. Określono krzywą Wohlera oraz wykonano badania polegające na weryfikacji modeli MES. Zastosowano dwie metody: wzbudzenie łopatki na stole wibracyjnym do jej pierwszej postać drgań własnych oraz sprawdzenie odpowiedzi łopatki na wymuszenie skokowe wykonane młotkiem modalnym. 
4. Opracowanie algorytmu umożliwiającego klasyfikację defektów
Opracowano 7 automatycznych algorytmów analizy obrazu uszkodzeń łopatek sprężarki oraz 1 algorytm przetwarzania manualnego. Wszystkie algorytmy zostały przetestowane na łopatkach badanych do końca 2016 roku tj. na 105
łopatkach. Łopatki były uszkadzane we wszystkich strefach a uszkodzenia miały różne kształty.
Każda łopatka przed wykonaniem fotografii została uszkodzona w określonym miejscu a uszkodzenie miało odpowiedni zaplanowany kształt. Dodatkowo na łopatkach naklejono wzorzec geometryczny w postaci szachownicy. Dzięki temu funkcje do automatycznej analizy obrazu mają możliwość przeliczenia pikseli w obrazie na jednostki metryczne. Wszystkie opisane algorytmy wymagają skalowania wielkości uszkodzenia, czyli przeliczenia danych uzyskanych w pikselach na jednostki metryczne. 
Wskaźniki produktu...
1. Metodyka pomiaru amplitudy drgań pióra łopatki podczas prób zmęczeniowych
Weryfikacja zastosowanych czujników do pomiaru naprężenia na powierzchni pióra łopatki oraz będzie analiza skuteczności przyjętych metod pomiaru przemieszczenia wierzchołka pióra drgającej łopatki
2. Baza Informacji o wytrzymałości zmęczeniowej badanej grupy łopatek łopatki sprężarki
Utworzono bazę danych zawierającą informacje charakteryzujące wszystkie łopatki przebadane w trakcie badań zmęczeniowych. Informacje zebrano w postaci pliku bazy danych oraz umieszczono na serwerze.
3. Algorytm wspomagający analizę obrazów uszkodzeń łopatek sprężarki
Opracowano 8 algorytmów wspomagających analizę obrazu uszkodzeń łopatek sprężąrki. Programy przetestowano na obrazach łopatki zawierających trzy wybrane rodzaje uszkodzeń. Omówiono ograniczenia przyjętych rozwiązań oraz propozycje udoskonalenia algorytmów.
4. Baza informacji n/t typów uszkodzeń łopatek sprężarki powstałych w eksploatacji
Opracowano bazę informacji na temat typów uszkodzeń łoaptek sprężarki powstałych w eksploatecji. Opisano w niej m. in. liczbę uszkodzeń, typy uszkodzeń, miejsca uszkodzeń oraz ich wielkość.
ComprEva - informacje prasowe...
LIDER 5
Dofinansowanie otrzymały m.in. następujące projekty: nowy system automatycznego szacowania ekwiwalentu wodnego śniegu z zastosowaniem bezzałogowego statku powietrznego, opracowanie nieinwazyjnej metody doboru i optymalizacji protez wewnątrznaczyniowych, nowatorskie konstrukcje wnęki rezonansowej kwantowego lasera kaskadowego oraz analiza obrazu w klasyfikacji uszkodzeń łopatek sprężarki silników lotniczych i prognozowanie ich żywotności.
Obliczenia numeryczne...
Wyznaczanie naprężeń uszkodzonych łopatek Metodą Elementów Skończonych...
W celu określenia planu wykonywania testów wytrzymałości zmęczeniowej uszkodzonych łopatek - wyznaczenie minimalnej niezbędnej ilości łopatek - wykonano analizy numeryczne. Analizy numeryczne wykonano dla modeli matematycznych uwzględniających różnego rodzaju uszkodzenia (typu "V" oraz "I") na różnych wysokościach krawędzi natarcia pióra łopatki oraz dla 5 różnych głębokości uszkodzenia. Wykonano również analizy z uwzględnieniem wielu uszkodzeń występujących jednocześnie. Wyniki analiz w postaci określonych częstości drgań własnych oraz rozkłady naprężeń zredukowanych w znaczącym stopniu ułatwiły proces planowania testów.
Pomiary geometryczne
Wypracowanie właściwej metody badania powierzchni krzywoliniowej pióra łopatki zostało przeanalizowanych kilka rodzajów pomiarów uszkodzonych łopatek.
Do realizacji projektu wybrano metodę badania z użyciem cyfrowego mikroskopu Dino-Lite Edge AM7515MZT. Uzyskany obraz umożliwia obserwację całego pióra łopatki. Wyniki tych pomiarów mogą być korelowane z wynikami uzyskanymi w czasie analizy obrazu.
Będą również stanowiły walidację metodyki z wykorzystaniem analizy obrazu. Błąd pomiarowy rzędu 0,35% spełnia założenia projektowe. Przygotowane stanowisko pozwala precyzyjnie określić kształt uszkodzenia. Możliwe jest wykonanie pomiarów geometrii uszkodzenia oraz obliczenie pola powierzchni. Specjalny uchwyt zachowuje powtarzalność pomiarów. Pomiary geometrii uszkodzenia będą przekazywane w postaci zdjęć i umieszczane na serwerze.
Baza danych
Opracowanie kodu bazy danych w postaci pliku komputerowego.
Badania dokumentowane są przy użyciu opracowanej elektronicznej kartoteki zgodnie ze schematem umieszczania plików na serwerze. Po wykonaniu wszystkich wymaganych badań na próbce uzupełniany jest rekord podsumowujący badania do zbiorczej bazy danych wyników badań.
Po wykonaniu badań materiałowych, baza wyników badań umożliwia wykonanie analiz inżynierskich, które pozwalają na sklasyfikowanie wpływu uszkodzenia na właściwości mechaniczne łopatki. Wyniki tej analizy wykorzystywane są do implementacji w aplikacji wykonującej analizę obrazu.
Badania wytrzymałości zmęczeniowej / Analizy numeryczne uszkodzonych łopatek...
Uczestnicy projektu ComprEva wzięli udział w XLV Szkoły Inżynierii Materiałowej organizowanej przez Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hutniczej przy współpracy z Polskim Towarzystwem Stereologicznym, która odbyła się 26-29 września 2017 w Rytrze.
Zaprezentowano dwa tematy:
1. Badania wytrzymałości zmęczeniowiej uszkodzonych łopatek sprężarki silnika lotniczego.
- - Wprowadzenie - opis zjawiska FOD oraz następstw z nim związanych
- - Metodyka symulacji uszkodzeń łopatek
- - Pomiar geometrii uszkodzeń
- - Badania zmęczeniowe
- - Wyniki badań
- - Podsumowanie i plan dalszych prac
2. Analizy numeryczne uszkodzonych łopatek sprężarki silnika lotniczego.
- - Wprowadzenie - opis zjawiska FOD oraz następstw z nim związanych
- - Etapy obliczeń numerycznych
- - Model geometryczny CAD
- - Model Elementów Skończonych MES, model materiałowy
- - Typy analiz, warunki brzegowe/początkowe
- - Analiza wyników oraz podsumowanie
Prognozowanie żywotności łopatek sprężarki silników lotniczych z zastosowaniem próby zmęczeniowej i numerycznej analizy obrazów ich uszkodzeń
Zainteresowania naukowo-badawcze mgr inż. Wojciecha Obrockiego dotyczą nowoczesnych metod diagnostyki łopatek sprężarek silników lotniczych ze szczególnym uwzględnieniem inicjacji pęknięć zmęczeniowych oraz prędkości ich propagacji. Zajmuje się oceną uszkodzeń łopatek od ciał obcych wprowadzanych do kanału powietrznego silnika. Oddziaływanie tych uszkodzeń na zarodkowanie pęknięć i ich rozwój podczas eksploatacji, także prognozowaniem trwałości łopatek. Stosuje do oceny tych uszkodzeń analizę numeryczną obrazu.
Dnia 18.10.2017 w Katedrze Nauki o Materiałach Politechniki Rzeszowskiej odbyło się seminarium pt. Prognozowanie żywotności łopatek sprężarki silników lotniczych z zastosowaniem próby zmęczeniowej i numerycznej analizy ich obrazów uszkodzeń. W trakcie seminarium Pan mgr inż. Wojciech Obrocki wygłosił dotychczasowe wyniki swoich badań. W trakcie dyskusji po prezentacji padło szereg ważnych pytań i cennych uwag które zostały wzięte pod uwagę do przez Autora w dalszych postępach swojej pracy.
