Spektrometryczna analiza oleju tłokowego silnika lotniczego

14.06.2024

Głównymi cechami wymaganymi od lotniczych silników tłokowych są między innymi lekkość konstrukcji, przystosowanie do ciągłej pracy w zmiennych położeniach oraz różnych wysokościach, niezawodność pracy czy wysoka wydajność napędowa. Z uwagi na taką specyfikę oraz warunki pracy, silniki te narażone są na korozję środowiskową oraz zużywanie się ruchomych (smarowanych) elementów silnika. Są to naturalnie występujące procesy, które mają wpływ na ciągłą zdatność silnika, w tym jego komponentów.

lotniczy silnik tłokowy i jego obciążenia

Niezależnie od tego czy silnik jest użytkowany regularnie, pracuje sporadycznie bądź jest zmagazynowany, funkcje jego elementów i tak ulegają pogorszeniu. Zastosowanie silników w bardziej obciążonych aplikacjach, jak na przykład samoloty przeznaczone do szkolenia podstawowego, skoków spadochronowych czy wyciągania szybowców, może powodować szybsze i zwiększone zużywanie się elementów silnika.

Zarówno jakość części i akcesoriów, z których zbudowany jest silnik, odpowiednie serwisowanie silnika (przeglądy, remonty) zgodne z wytycznymi i zaleceniami zawartymi w dokumentacji technicznej producenta, jak i korzystanie z odpowiednich narzędzi, ma bezpośredni wpływ na żywotność oraz stan i kondycję silnika.

Jednym z dodatkowych „narzędzi” służących między innymi do monitorowania stanu silnika jest wykonanie analizy oleju w badaniu zawartości pierwiastków za pomocą atomowej spektroskopii emisyjnej.

okres międzyremontowy lotniczych silników tłokowych

– nowe wytyczne nr 3 Prezesa Urzędu Lotnictwa Cywilnego

17 stycznia 2023 roku Prezes Urzędu Lotnictwa Cywilnego wydał nowe wytyczne w sprawie okresów międzyremontowych silników tłokowych. W porównaniu do poprzednich wytycznych, bardziej szczegółowo wyróżniono dla jakich statków powietrznych aktualne wytyczne mają zastosowanie oraz m.in. zmieniono interwał analizy oleju (50 FH / 4 m-ce). Poniżej przytoczone są niektóre treści dokumentu.

Nieuwzględnienie okresu międzyremontowego silnika tłokowego

Dla nieuwzględnienia okresu międzyremontowego silnika tłokowego, o którym mowa w instrukcjach technicznych, w zakresie ciągłej zdatności do lotu wytyczne mają zastosowanie między innymi dla:

1. Statków powietrznych podlegającym przepisom Part- ML:

• samolot o maksymalnej masie startowej (MTOM) nie większej niż 2730 kg
• wiropłat o maksymalnej masie startowej (MTOM) nie większej niż 1200 kg, certyfikowany dla maksymalnie 4 osób
• inny statek powietrzny ELA2 (załogowy europejski lekki statek powietrzny)

2. Statków powietrznych kategorii konwencyjnej (K2)

3. Statków powietrznych kategorii specjalnej (K3)

Z dokumentu wynika, że silnik prawidłowo eksploatowany oraz obsługiwany zgodnie z instrukcjami technicznymi w zakresie ciągłej zdatności do lotu wydanymi przez posiadacza certyfikatu typu (TC), może znajdować się w stanie technicznym nadającym się do dalszej eksploatacji, pomimo osiągnięcia rekomendowanego okresu międzyremontowego, w celu dopuszczenia go do eksploatacji przez kolejne 100 godzin lub 12 miesięcy.

Przed wprowadzeniem zmian w programie obsługi technicznej oraz instrukcji obsługi technicznej, polegających na nieuwzględnieniu okresów międzyremontowych silnika tłokowego, przeprowadza się między innymi analizę historii użytkowania silnika celem stwierdzenia czy dany silnik tłokowy może być użytkowany po przekroczeniu rekomendowanego okresu międzyremontowego.

Wprowadzając odstępstwo od zaleceń posiadacza certyfikatu typu (TC) w zakresie okresu międzyremontowego silnika tłokowego, w oparciu o te wytyczne, należy postępować według poniższego schematu.

Jednym z obowiązkowych punktów przeglądu weryfikacyjnego silnika tłokowego, zgodnie z wytycznymi prezesa urzędu lotnictwa cywilnego, jest analiza spektrometryczna oleju, dzięki której możliwe jest wyznaczenie normalnych charakterystyk i tempa zużycia smarowanych elementów silnika. Wykrycie wzrostu poszczególnych pierwiastków metali, w przypadku gdy elementy silnika zużywają się nietypowo, pozwala na odpowiednio szybkie podjęcie działań obsługowych w celu zapobiegnięcia awarii silnika.

Należy podkreślić że analiza spektrometryczna oleju jest tylko jednym z  kilku wymogów i nie zastępuje innych czynności obsługowych, wynikających z instrukcji obsługi technicznej silnika oraz pozostałych wymogów wyszczególnionych w tych wytycznych.

Decydując się na zastosowanie tych wytycznych, a co za tym idzie wykonanie badania oleju, zalecane jest aby pierwsze wykonanie analizy rozpocząć 200 godzin lub 12 miesięcy przed osiągnięciem zalecanego okresu miedzyremontowego silnika tłokowego.

Stosując zalecany olej tego samego producenta, analizę spektometryczną oleju należy przeprowadzać w regularnych interwałach przy każdej wymianie oleju, a wyniki gromadzić i przechowywać (najlepiej w formie stabelaryzowanej oraz wykresów) w celu wyznaczenia trendów zmian.

Pierwsza próbka oleju jest traktowana jako bazowa, kolejne próbki pokazują trend, który pomaga określić odchylenia od wartości bazowych. Poszczególne wyniki próbek mogą się różnić w zależności od kondycji silnika lub danej serii oleju. Dla znaczenia analizy i w celu uzyskania spójnych wyników zaleca się, aby badania były wykonywane przez jedno laboratorium posiadające stosowną akredytację a osoba odpowiedzialna za interpretację wyników analizy powinna posiadać wiedzę z zakresu budowy przedmiotowego silnika tłokowego, wpływu środowiska zewnętrznego i sposobu użytkowania statku powietrznego.

Powyższa grafika to fragment raportu analizy oleju z silnika LYCOMING O-320. Oprócz wyników zawartości pierwiastków, w raporcie znajdują się między innymi informacje dotyczące całkowitego czasu pracy silnika, dat i czasu pracy od wymian oleju, ilość dolewek oleju pomiędzy wymianami. Informacje te powinny być dostarczone przez klienta na druku próbki wraz z próbką oleju.

diagnostyka olejowa lotniczych silników tłokowych

– analiza spektrometryczna oleju met. ICP OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry)

Cel badania lotniczych silników tłokowych

Już w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku badanie olejów w lotniczych silnikach tłokowych stawało się coraz bardziej powszechne na polu lotnictwa ogólnego. Dzięki temu zaistniałe metody, procedury oraz interpretacje jak i coraz bardziej powszechny dostęp do wyników pokazywały jak analiza oleju może być przydatnym narzędziem w obsłudze lotniczych silników tłokowych i pomocnym w utrzymywaniu ciągłej zdatności do lotu samolotów.

Najważniejszym aspektem monitorowania stanu silnika poprzez analizę oleju jest przede wszystkim bezpieczeństwo. Regularne wykonywanie analiz oleju umożliwia wyznaczenie normalnych charakterystyk zużycia silnika. Wczesne wykrycie i oszacowanie tempa wzrostu zawartości poszczególnych pierwiastków metali takich jak żelazo(Fe), chrom (Cr), glin(Al), miedź (Cu), ołów (Pb) z których wytworzona jest większość elementów silnika pozwala na odpowiednio szybkie podjęcie działań obsługowych w przypadku nietypowego zużywania się części mające na celu zapobiegnięcie awarii silnika. Natomiast wykrycie przedostających się zanieczyszczeń m. in. takich jak krzem (Si), sód (Na) czy potas (K) może być przesłanką do kontroli kondycji filtrów, szczelności układu doprowadzania powietrza, układu chłodzenia.

analiza spektrometryczna – opis badania

W badaniu oznaczone zostają cząstki o rozmiarach poniżej 5 mikronów (cząstki „ rozpuszczone” w oleju). Oznaczone pierwiastki prezentowane są jako metale zużyciowe, dodatki uszlachetniające oraz zanieczyszczenia. Wyniki podawane są w jednostce ppm (parts per milion). Koncentracja poszczególnych grup pierwiastków m.in. informuje czy w silniku nie występują zbyt intensywne procesy zużyciowe, procesy degradacji bądź poprawność zastosowanego oleju, oraz czy nie występują nieszczelności w układzie.

W naszym labolatorium (ECOL) badamy zawartości 24 pierwiastków skategoryzowanych w trzech grupach:

Natomiast poniżej, poglądowo, przedstawiono możliwe pochodzenie wykrytych pierwiastków metalicznych, skorelowane z metalurgią elementów silnika tłokowego:

zalety badania spektrometrycznego

Olej, oprócz funkcji m.in. smarujących, chłodzących i ochrony przed korozją, jest także traktowany jako element konstrukcyjny, w niektórych układach przenoszący moc, a także jako nośnik informacji. Stan oleju mówi nam o tym, co dzieje się w środku urządzenia. Na podstawie wyników badań oleju możemy określić, czy dane urządzenie działa prawidłowo oraz oszacować tempo zużywania się elementów układu smarnego.

Postęp intensywności zużycia silnika zazwyczaj następuje stopniowo, cechując się wzrostem koncentracji, rozmiarem i kształtem cząstek zużyciowych. Oprócz wydłużania okresu międzyremontowego, wynikającego z wytycznych Prezesa Urzędu Lotnictwa Cywilnego, badanie zawartości różnego rodzaju cząstek (metalicznych, zanieczyszczeń) w oleju jest bardzo dobrą metodą kontroli stanu silnika oraz wczesnego wykrycia nadmiernego zużycia bądź korozji zachodzących w silniku.

Umożliwia to odpowiednio wczesne podjęcie działań mających na celu uniknięcie poważnej awarii lub trwałego uszkodzenia silnika.