Gaz türbini motorlarının (GTM) test standında ve yer çalıştırmasında diagnostik amaçlı izlenmesi ve değerlendirilmesi


Thesis Type: Doctorate

Institution Of The Thesis: Marmara Üniversitesi, Turkey

Approval Date: 2002

Thesis Language: Turkish

Student: Mehmet Ayaz

Supervisor: MUSTAFA KURT

Abstract:

Kara, deniz ve hava araçları ile çeşitli endüstriyel güç santrallarında kullanılan gaz türbini sistemleri yüksek kaliteli malzeme, imalat hassasiyeti ve nitelikli işçilik isteyen pahalı-değerli içten yanmalı makinelerdir. Bunların işletme ve bakım faaliyetleri, bugünkü terimle Kondisyon Gözleme ( Condition Monitoring) ve Toplam Kalite Yönetimi (Total Quality Management) şeklinde yapılmaktadır.Kondisyon gözlemeden amaç, motorun servis süresini arttırmak, keza hizmet dışı kalma süresini kısaltmaktır. Bir gaz türbininin kondisyon gözlemi, sıcaklık ve basınç, yol, hız, ivme, titreşim, gürültü, egzoz gaz bileşimi gibi bazı ölçülebilen parametrelerin izlenmesiyle gerçekleşebilir. Bazı komponentlerde bu parametreler ve/veya yağ, yakıt, sıkıştırılmış hava ve egzoz gazları gibi işletme maddelerinin özelikleri gözlenmekte ve kaydedilmektedir. Bu çalışmada yardımcı güç birimlerinden (Auxiliary Power Unit-APU) GTCP 85-129H modeli, gaz türbini olarak seçilmiştir. Genel bakıma alınmış (yenilenmiş) ve kullanımda olan (serviste bulunan) GTCP 85-129H model yardımcı güç birimlerinin titreşimleri belirli zaman aralıklarında ölçülmüş, kaydedilmiş ve gözlenmiş, ve bunlara ait bir veri tabanı oluşturulmuştur. Veri tabanında titreşimsel davranışdan başka, test edilen APU'nun tanıtıcı numarası, yapılan deneyin numarası, yük durumu, işletme koşulları ve çalışma saatleri gibi parametreler dikkate alınmıştır. Uçak üzerindeki Yardımcı Güç Birimlerine ait egzoz gaz sıcaklığı, faydalı hava basıncı ve devir gibi parametreler eskiden beri ölçülmekte ve gözlenmektedir. Yardımcı Güç birimlerinin devirlerinin 41700 1/min gibi yüksek olması dolayısıyla, titreşim davranışları ile ilgili veriler ölçme ve gözleme parametrelerine ilave edilmiş ve bu konuda yoğunlaşılmıştır. Yüksek devirli motorlarda, titreşim karakteristiklerinde oluşabilecek bir bozulma kısa zamanda büyümekte ve ikincil arızalara sebep olmaktadır. Normal titreşim karakteristiklerinden oluşan sapma ve değişimlerin erken teşhisi , arızanın kısa zamanda ve en düşük maliyetle giderilmesi anlamına gelmektedir. Deneysel çalışmalar esnasında bir yardımcı güç biriminde döner parçalarda ve yataklarda oluşan hataların uçak üzerinde tamirinin gerçekleşemediği gözlenmiştir. Bu yüzden yardımcı güç biriminin uçaktan sökülmesi ve tamir için revizyon atölyesine gönderilmesi gerekmektedir. Dönen parçalardaki ve yataklardaki bu arızaların maliyetleri döner elemanı olmayan komponentlerinkinden daha pahalıdır. Bu çalışma esnasındaki yardımcı güç birimi test odasındaki ölçümler altı farklı yük şartlarında gerçekleştirilmiştir. 1. Yüksüz durum 2. Sadece elektrik yükü 3. Buzlanma giderici faydalı hava yükü 4. Kabin iklimlendirmesi ve basınçlandırması faydalı hava yükü, tek kademe şartında 5. Kabin iklimlendirmesi ve basınçlandırması faydalı hava yükü, iki kademe şartında 6. Ana motorları çalıştırma faydalı hava yükü Ancak uçak üzerinde buzlanma giderici faydalı hava ve ana motorları çalıştırma faydalı hava yük değerleri, apron emniyeti nedeniyle alınamamıştır. Ölçümler yenileştirilmiş (yeni) ve belirli bir ömre sahip kullanılmış (eski) motorlardan alınmıştır. Ölçümler, sabah, öğleden sonra, akşam ve gece gibi farklı zamanlarda alınmıştır. Ölçümler bilhassa motorların sıcak hava şartlarından dolayı çok yüklendiği yaz mevsiminde yapılmıştır. Mevsim farklılıklarını ortaya çıkarmak için zaman yetmemiştir. Benzer şekilde soğuk hava ve kış şartları bu çalışmaya eklenememiştir. Bu çalışmanın amacı, kullanımda olan yardımcı güç birimleri için belirli bir veri tabanının tasarımı, kurulması ve geliştirilmesidir. Böylece arızalı ve sağlıklı motorların frekans ve genlik farklılıklarına göre yeni başlayan arızaların erken teşhisi gerçekleşebilecek ve daha kısa zamanda onarılabilecektir. Gas turbine engines used at land, sea, air vehicles, and industrial power plants requiring are expensive and valuable internal combustion engines requiring high technology materials, precision machining and quality workmanship. Their operation and maintenance activities have been performed, with current terms, by means of "Condition Monitoring" and "Total Quality Management". The aim of condition monitoring is to increase the engine's service time, and also to decrease out of service time. The condition monitoring of a gas turbine can be realized by observing some measurable parameters such as temperature, pressure, displacement, velocity, acceleration, vibration, noise, exhaust gas composition, etc. These parameters at some components and/or the properties of working substances such as oil, fuel, compressed air and exhaust gases are monitored and recorded within certain intervals. In this study a model of auxiliary power units (APUs), which was GTCP 85-129H, has been selected as a gas turbine engine. The vibrations of the overhauled (renewed) and used (in service) APUs of model GTCP 85-129H have been measured, recorded and monitored within certain time intervals, and a database has been generated. Besides the vibrational behaviour in the database, the ID number of the APU tested, number of the experiment performed, loading state, operational conditions, working (service) hours, etc. have been considered. Parameters, like exhaust gas temperature, bleed air pressure etc. of the APU on wing or in the APU test cell have been usually measured and monitored. Since the rotational speed of the APU was rather high, such as 41700 1/min, the data related to the vibration behavior have been added to the measured and observed other parameters, and the study has been focused on this subject. A variation in vibration characteristics in high-speed engines usually causes increase in vibration amplitude, which results a secondary damage in a short time. Early diagnoses of the deviations from normal vibration characteristics decrease the maintenance cost and downtime. During experimental studies it has been observed that repairs of the defects in rotating parts and bearings of an APU could not be realized on wing. Therefore, the APU should be removed from the aircraft and sent to revision shop for repair. Also the costs of those defects in rotating parts and bearings were more expensive than that in components without rotating parts. During this study the measurements in the APU test cell are accomplished under six different load conditions. 1. No load condition 2. Electrical load condition 3. Anti-ice system load condition 4. Cabin climatization and cabin pressurization, one pack is on load condition 5. Cabin climatization and cabin pressurization, two packs are on (both) load condition 6. Main Engine Start load condition (MES) But, the data under the anti-ice and main engine start load conditions on the wing couldn't be measured because of the apron safety. Also measurements have been taken on the overhauled (new) engines and used (old) engines that have certain life. Measurements have been performed different time period like morning, afternoon, evening and night. Measurements have been taken especially in summer season that engines are much loaded in hot weather condition. The time did not sufficient to distinguish season differences. So cold weather and winter conditions couldn't be included in this study. The aim of this study is to design, establish and progress certain database for the APU in use. Thus, according to the frequency and amplitude differences between faulty and healthy engines early identification of the incipient faults will be realized and repaired in a shorter time.