Invent

Żeglarstwo... lodowe

Dzięki zespołowi doświadczonych inżynierów i ich umiejętnościom meteorologicznym, a nawet zawodniczym, silnik Catalyst pomyślnie przeszedł również test oblodzenia w lodowatych temperaturach.

Mar 2021

Doświadczenia z żeglugi pomiędzy wyspami Zatoki Neapolitańskiej czy spektakularnymi Cykladami na Morzu Egejskim okazały się cenne w środowisku, które jest „biegunowym” przeciwieństwem. Na przykład w Kanadzie, podczas kampanii testowej prowadzonej w ekstremalnie zimnych warunkach, z którymi musiał zmierzyć się nowy silnik Catalystw celu udowodnienia jego możliwości operacyjnych i osiągów

„W sumie zajęło nam to cztery i pół roku, jeśli wziąć pod uwagę przygotowania, planowanie, zdefiniowanie i ostateczne przeprowadzenie testów. Po raz pierwszy w 2017 roku dotarliśmy do ośrodka Gas Turbine Research przy National Research Council (NRC) w Ottawie, gdzie znajduje się obiekt testowy.”

Paolo Vanacore to Senior Engineer Inclement Weather w GE Aviation w Monachiumi jest również ekspertem w żeglarstwie: „podczas mojej pierwszej rozmowy kwalifikacyjnej w Rolls-Royce, na początku mojej kariery w lotnictwie, zapytali mnie o meteorologię, a ja odpowiedziałem zgodnie z moimi umiejętnościami żeglarskimi... więc przydzielili mnie do pracy w niesprzyjającej pogodzie (kluczowy dział w inżynierii lotniczej, red.)”.

Po pierwszych ośmiu latach spędzonych w Anglii, zmagając się z silnikami do samolotów średniego i dalekiego zasięgu, Vanacore - neapolitańczyk, który ukończył studia jako inżynier mechanik na Uniwersytecie w Neapolu Federico II i ma doktorat z Instytutu von Karmana - dołączył do GE w 2015 roku, aby zajmować się tymi dyscyplinami w ramach Programu LEAP. Wkrótce potem - kiedy nowy turbośmigłowy silnik GE dopiero powstawał, po prawie 50 latach od wejścia na rynek nowego silnika tego samego typu - poświęcił się próbom lodowym w ramach programu Catalyst.

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

„Testowaliśmy Catalyst w Ottawie przez dwie kolejne zimy, w 2019 i 2020 roku. Trwało to około dwóch miesięcy w pełnym wymiarze godzin, zazwyczaj w zimniejszych miesiącach (w styczniu i w lutym)”, wyjaśnia Vanacore, który polegał na wiedzy swojego niemieckiego zespołu w Inclement Weather Strategy & Leadership oraz Certification Compliance, a także na zespołach europejskich, takich jak Avio Aero, GE Aviation Czech i  Engineering Design Center (EDC) w Warszawie, które od początku śledziły silnik Catalyst w każdym aspekcie procesu projektowania i produkcji od samego początku. Biorąc pod uwagę znaczenie kampanii, liczył również na analityczno-numeryczne wsparcie zespołów w GEIQ Meksyki Centrum Inżynieryjnym GE w Bengaluru, a także na nadzór zespołu inżynierów GE z siedziby głównej GE Aviation w Stanach Zjednoczonych.

„W ciągu dwóch lat poprzedzających rozpoczęcie testu oblodzenia, przygotowaliśmy i zdefiniowaliśmy obszerny protokół zwany CPA (analiza punktu krytycznego oblodzenia), a także pracowaliśmy nad innymi testami i analizami związanymi z niesprzyjającą pogodą: deszczem, gradem, śniegiem, kryształkami lodu i warunkami mieszanymi, takimi jak marznący deszcz, marznąca mżawka i połknięcie płyty lodowej”. Mówi Vanacore, powołując się na dokument władz lotniczych, FAA i EASA, który zawiera wytyczne i parametry do testowania silnika przy każdej prędkości (od minimalnych obrotów jałowych w locie zniżającym, do maksymalnej mocy ciągłej i maksymalnej mocy startowej, a także wszystkich poziomów mocy przelotowej i operacji naziemnych).

Były to, w pewnym sensie, bezprecedensowe testy dla turbośmigłowca. CPA nie był używany w lotnictwie ogólnym od kilkudziesięciu lat. Po tej pierwszej podróży do Kanady w 2017 roku - kiedy Vanacore i jego europejscy koledzy przygotowali i sprawdzili pomieszczenie testowe oraz skonfigurowali systemy do przechwytywania milionów punktów danych, które byłyby zbierane podczas testów - Vanacore znalazł się z powrotem w NRC w Ottawie w styczniu 2020 roku, kiedy Catalyst został zainstalowany na stanowisku testowym.

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

Podczas przygotowań pracowaliśmy nad kilkoma testami i analizami przy niesprzyjającej pogodzie: deszcz, gradobicie, śnieg, kryształki lodu i warunki mieszane, takie jak marznący deszcz, marznąca mżawka i połknięcie kostek lodu.

Jednak w związku z wybuchem pandemii zespół musiał wrócić do Europy na początku marca, a inżynierowie musieli zreorganizować swoją pracę w obliczu bezprecedensowego globalnego kryzysu. „Nie traciliśmy ducha. Chociaż nie mogliśmy dotrzeć do Kanady, koordynowaliśmy nasze działania z tamtejszym zespołem NRC. Korzystaliśmy również ze wsparcia dwóch inżynierów testowych w Evendale (którzy byli znacznie bliżej)” - mówi Vanacore.

„Druga faza testów została wznowiona w styczniu ubiegłego roku, częściowo dzięki naszemu Steve'owi Erickson z Pragi i Kwadwo Owusu z centrum testowego GE w Winnipeg, którzy dołączyli do lokalnych zespołów, aby kontynuować i zakończyć kampanię na początku marca. Byliśmy nawet w stanie śledzić działania w czasie rzeczywistym dzięki kamerom umieszczonym zarówno na zewnątrz, jak i wewnątrz silnika. Osiem nieinwazyjnych mikrokamer monitorowało elementy silnika, aby osiągnąć główny cel testów, którym było sprawdzenie, czy akumulacja, a nawet zrzucanie lodu nie uszkodziło mechaniki ani nie zagroziło działaniu i osiągom. Taka jasna, bezpośrednia komunikacja była kluczowa również dla delegowanego inżyniera Organization Designation Authorization, który był w stanie zdalnie śledzić i nadzorować zgodność w imieniu FAA”.

Badanie oblodzenia ma na celu potwierdzenie, że silnik działa prawidłowo zgodnie z parametrami i poziomami, które weryfikują integralność każdej pojedynczej części stałej lub obrotowej, prędkość obrotową, moc, ciśnienie i temperaturę. Czujniki i instrumenty detekcyjne zainstalowane wokół i wewnątrz silnika, za pomocą wideo, umożliwiają monitorowanie stanu i reakcji silnika w każdym momencie przeprowadzania testu.

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

Pomieszczenie testowe w Ottawie w NRC jest połączone ze środowiskiem zewnętrznym poprzez tunel aerodynamiczny o długości około 10 metrów. Stąd zasysane jest mroźne powietrze kanadyjskiej zimy, które miesza się z superschłodzonymi kroplami cieczy rozpylanymi w całym tunelu. W ten sposób warunki atmosferyczne i temperatury w locie są generowane i przekazywane do silnika w postaci chmur składających się z małych kropel o temperaturze poniżej zera.

„Kropelki w tych jednolitych chmurach mają wielkość od około 15 mikronów do kilku milimetrów, a temperatury wahają się od -20 do 0 stopni Celsjusza, symulując zmienność wysokości, od poziomu gruntu do około 30 tysięcy stóp (9 kilometrów)” - wyjaśnia Vanacore. „Kiedy spadają one poniżej -20 °C, osiągając na przykład -40 °C, w chmurach zaczynają tworzyć się kryształki lodu. Szczególnie na dużych wysokościach, przy pewnych prędkościach, stają się one jak kamienie. Przeprowadziliśmy testy, w wyniku których chmury te spływały na silnik po wydłużonych trajektoriach pionowych lub poziomych, symulując manewry lotnicze o zmiennej gęstości i konsystencji w zależności od temperatur, ale także od prędkości lub kąta uderzenia”.

To środowisko może wydawać się zniechęcające, ale taka jest rzeczywistość tego, co się dzieje, gdy jesteśmy w powietrzu. Dobra wiadomość jest taka, że pasażerowie często nie zauważają tych trudnych elementów dzięki tak solidnym testom silnika i płatowca. „Unoszące się w powietrzu kropelki mogą pozostać w stanie ciekłym. Ale gdy tylko samolot przelatuje przez chmurę, natychmiast zamarzają one w zetknięciu z zimnymi metalowymi powierzchniami, takimi jak kadłub, łopaty śmigła, elementy wlotu sprężarki silnika - chyba że części te są wystarczająco odporne na lód” - kontynuował Vanacore.

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

Reakcje silnika przekroczyły oczekiwania, podobnie jak jego system przeciwoblodzeniowy, wykazując wysoki poziom niezawodności, nawet w tak ekstremalnych warunkach pogodowych, w których rzadko spotyka się samolot w służbie.

Podczas setek godzin testów, dane są analizowane i przechowywane, co pomaga udowodnić i zoptymalizować możliwości i niezawodność materiałów, jak również konstrukcji. Ostatecznie wszystkie testy przyczyniają się do zwiększenia bezpieczeństwa. „Wyniki były doskonałe” - mówi Vanacore. „Przeprowadziliśmy nawet symulację ponownego uruchomienia po długim okresie bezczynności w temperaturach polarnych. Reakcje silnika przekroczyły oczekiwania, podobnie jak jego system przeciwoblodzeniowy (zaprojektowany w celu maksymalizacji zdolności przeciwoblodzeniowej przy minimalnym poborze energii z silnika) wykazujący wysoki poziom niezawodności, nawet w tak ekstremalnych warunkach pogodowych, w których rzadko spotyka się samolot w eksploatacji”.

Według Vanacore, to doświadczenie jest najlepszą praktyką ze względu na multidyscyplinarny charakter analiz i testów. I to było wyzwaniem w ramach wyzwania klimatycznego. Aby odnieść sukces, konieczne było planowanie (i dostosowanie) zgodnie z lokalnymi warunkami pogodowymi, co pozwoliło na dostarczenie do tunelu odpowiedniej ilości i temperatury powietrza dla każdego konkretnego testu.

„To było trochę jak szukanie wiatru podczas żeglowania na morzu z załogą... No cóż, tutaj zespół 20 profesjonalistów z branży lotniczej szukał oczywiście zimna i lodu. Jednak poziom rywalizacji, a przede wszystkim spójność, podczas tego długiego i zimnego wyścigu wynagrodziła nas wielkim sukcesem!”

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