Invent

Ledová výzva

Motor Catalyst prošel kampaní námrazových testů i uprostřed ledových teplot, a to díky týmu zkušených inženýrů a jejich meteorologickým a dokonce konkurenčním dovednostem.

Mar 2021

Zkušenosti z plavby mezi ostrovy Neapolského zálivu nebo velkolepých Kykladů v Egejském moři se ukázaly jako cenné v prostředí, které je „polárním“ opakem. Například testovací kampaň v Kanadě probíhala v extrémně chladných podmínkách, kterým nový motor Catalyst čelil, aby prokázal své provozní schopnosti a výkon

„Celkově nám to trvalo čtyři a půl roku, vezmete-li v úvahu přípravu, plánování, definování a konečné provedení testů. Poprvé v roce 2017 jsme dorazili do zařízení pro výzkum plynových turbín při Národní radě pro výzkum (National Research Council – NRC) v Ottawě, kde se nachází testovací zařízení.“

Paolo Vanacore je hlavní inženýr se specializací na nepříznivé povětrnostní vlivy ve společnosti GE Aviation v Mnichově a je také zkušeným námořníkem: „během mého prvního pracovního pohovoru v Rolls-Royce, na začátku mé kariéry v letectví, se mě ptali na meteorologii a já jsem odpověděl podle dovedností námořníka... tak mně přiřadili sekci nepříznivých povětrnostních vlivů (klíčová část v oblasti leteckého inženýrství atd.).“

Po prvních osmi letech v Anglii, kde se zabýval motory pro letadla středního a dlouhého doletu, Vanacore –  Neapolitánec, který absolvoval jako strojní inženýr Neapolskou univerzitu Federico II a získal doktorát na Von Karmánově ústavu – se připojil k GE v roce 2015, aby se zabýval těmito disciplínami v rámci programu LEAP. Krátce nato – když se zrodil nový turbovrtulový pohon společnosti GE z čistého listu po téměř 50 letech od vstupu nového motoru stejného typu na trh – se začal věnovat testování ledu pro program Catalyst.

The GE Catalyst installed inside the "icing" test cell at National Research Council (NRC) in Ottawa, Canada.

„Catalyst jsme testovali v Ottawě dvě po sobě jdoucí zimy, v letech 2019 a 2020. Byla to dvouměsíční práce na plný úvazek, obvykle během chladnějších měsíců ledna a února,“ vysvětluje Vanacore, který se spoléhal na odborné znalosti svého německého týmu Inclement Weather Strategy & Leadership and Certification Compliance a na evropské týmy jako Avio Aero, GE Aviation Czech a Engineering Design Center (EDC) ve Varšavě, které od začátku sledovaly katalyzátor ve všech aspektech designu a výroby. Vzhledem k významu kampaně se také spoléhal na analyticko-numerickou podporu týmů v mexickém GEIQ  a centru GE Engineering Centre v Bangalore, jakož i na dohled inženýrského týmu GE z ústředí GE Aviation v USA.

„Během dvou let před začátkem námrazového testu jsme připravili a definovali rozsáhlý protokol CPA (Icing Critical Point Analysis) a také pracovali na dalších testech nepříznivých povětrnostních vlivů a analýzách: deště, krupobití, sněhu, ledových krystalů a smíšených podmínek, jako je mrazivý déšť, mrholení a ingesce ledových desek.“ Vanacore říká, s odvoláním na dokument od leteckých úřadů, FAA a EASA, který poskytuje pokyny a parametry pro testování motoru při libovolných otáčkách (od minimálního volnoběžného letu při sestupu po maximální nepřetržitý a maximální výkon při vzletu, jakož i všechny úrovně cestovního výkonu a pozemní operace).

Byly to svým způsobem bezprecedentní testy pro turbovrtulový pohon. Protokol CPA nebyl používán na motorech vyvíjených pro všeobecné letectví několik desetiletí. Po této úplně první cestě do Kanady v roce 2017 –- kdy Vanacore s evropskými kolegy připravili a zkontrolovali testovací prostory a nastavili systémy pro zachycení milionů datových bodů shromažďovaných během testů – se Vanacore v lednu 2020 ocitl v NRC v Ottawě, kde byl katalyzátor nainstalován na testovací stolici.

Paolo Vanacore is Senior Engineer Inclement Weather at GE Aviation Advanced Technology in Munich, Germany.

Během přípravy jsme pracovali na několika testech a analýzách nepříznivého počasí: déšť, krupobití, sníh, ledové krystaly a smíšené podmínky, jako je mrznoucí déšť, mrznoucí mrholení a požití ledové desky

Ale s vypuknutím pandemie se tým musel počátkem března vrátit do Evropy a inženýři museli reorganizovat svou práci uprostřed bezprecedentní globální krize. „Neztratili jsme srdce. I když jsme se nemohli dostat do Kanady, veškeré činnosti jsme koordinovali s týmem NRC. Také jsme těžili z podpory dvou zkušebních inženýrů v Evendale (kteří byli mnohem blíž),“ říká Vanacore.

„Druhá fáze testování byla obnovena loni v lednu, částečně díky našemu Steve Erickson z Prahy a Kwadwo Owusu z testovacího centra GE ve Winnipegu, kteří se připojili k místním týmům, aby pokračovali a dokončili kampaň začátkem března. Díky kamerám vně i uvnitř motoru jsme byli schopni sledovat aktivity v reálném čase. Osm nerušivých mikrokamer monitorovalo součásti motoru, aby bylo dosaženo hlavního cíle zkoušek, kterým bylo ověřit, že zvýšení nebo dokonce prolévání ledem nepoškodí mechaniku a neohrozí provoz a výkon. Tato jasná a přímá komunikace byla klíčová také pro inženýra pověřeného v rámci programu Organization Designation Authorization, který mohl na dálku dohlížet na dodržování předpisů jménem FAA.“

Cílem námrazových testů je potvrdit, že motor pracuje správně podle parametrů a úrovní, které ověřují integritu každé jednotlivé pevné nebo rotující části, otáčky, výkon, tlak a teplotu. Snímače a detekční přístroje instalované uvnitř motoru a kolem něj umožňují pomocí videa sledování „zdraví“ a odezvy motoru v každém okamžiku testu.

The test room at the NRC is connected to the outside environment through a wind tunnel.

Ottawské testovací prostory v NRC jsou napojeny na vnější prostředí přes aerodynamický tunel dlouhý asi 10 metrů. Odtud se natahuje mrazivý kanadský zimní vzduch, který se smíchá se superchlazenými tekutými kapkami rozstřikovanými po celém tunelu. Tím se vytvářejí atmosférické podmínky a teploty během letu a dopravují se do motoru ve formě mraků skládajících se z malých kapek při teplotách pod bodem mrazu.

„Velikost kapek v těchto homogenních mracích se pohybuje od asi 15 mikronů do několika milimetrů a teploty se pohybují od -20 do 0 stupňů Celsia, což simuluje variabilitu nadmořské výšky, od úrovně terénu až po 30 tisíc stop (9 km),“ vysvětluje Vanacore. „Když klesnou pod -20 °C, dosahují například -40 °C, začnou se v oblacích tvořit ledové krystaly. Zvláště ve vysokých nadmořských výškách se při určitých rychlostech začínají podobat kamenům. Provedli jsme testy, které zapříčinily proudění těchto mraků proti motoru po prodloužených vertikálních nebo horizontálních trajektoriích, simulujících letové manévry s proměnlivou hustotou a konzistencí v závislosti na teplotách, ale také na rychlosti nebo úhlu nárazu.“

Toto prostředí může znít děsivě, ale je to realita toho, co se stane, když jsme ve vzduchu. Dobrou zprávou je, že cestující si často nevšimnou těchto drsných prvků díky tak robustnímu testování motoru a draků letadel. „Vzdušné kapičky mohou zůstávat v přírodě tekuté formě. Ale jakmile letadlo letí oblakem, okamžitě zmrznou při nárazu na studené kovové povrchy, jako je například trup, lopatky vrtule, vstupní komponenty kompresoru motoru – pokud tyto části nejsou dostatečně odolné proti ledu,“ pokračoval Vanacore.

Ice samples collected post engine icing test were weighed, measured in inches and used for further method validation.

Odezvy motoru překonaly očekávání, stejně jako jeho systém proti zamrzání, což dokazuje vysokou úroveň spolehlivosti, a to i za takových extrémních povětrnostních podmínek, kdy je letadlo v provozu zřídka nalezeno

Během stovek testovacích hodin se data analyzují a ukládají, což pomáhá prokázat a optimalizovat schopnost a spolehlivost materiálů i konstrukce. Nakonec veškeré testování přispívá k vyšší bezpečnosti. „Výsledky byly vynikající,“ říká Vanacore. „Dokonce jsme simulovali restart po dlouhé nečinnosti při polárních teplotách. Reakce motoru předčily očekávání, stejně jako jeho systém ochrany proti námraze (navržen tak, aby maximalizoval schopnost ochrany proti námraze s minimálním odsáváním energie z motoru), což dokazuje vysokou úroveň spolehlivosti, a to i za tak extrémních povětrnostních podmínek, kdy se letadlo v provozu nachází jen zřídka.

Podle Vanacore ho je tato zkušenost osvědčenou praxí vzhledem k multidisciplinární povaze analýz a testů. A byla to výzva v rámci klimatické výzvy. Abychom byli úspěšní, bylo nutné plánovat (a přizpůsobovat se) podle místních povětrnostních podmínek umožňujících dopravení správného množství a teploty vzduchu do tunelu pro každý konkrétní test.

„Bylo to trochu jako hledat vítr při plavbě na moři s posádkou... No, tady tým 20 leteckých profesionálů hledal sam ozřejmě chlad a led. Avšak úroveň soutěživosti, a především soudržnosti během tohoto dlouhého a chladného závodu nás odměnila velkým úspěchem!“

Photos of the test cell in page are courtesy of the National Research Council (NRC) of Ottawa, Canada.