On Wing Vibration Analyzer for JT8D Engines

Author(s):
A. Pozzi - WINTEK
F. Fulloni - ALITALIA
M. Scipioni - ALITALIA SERVIZI
G. Laratro - ALITALIA SERVIZI

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
PXI/CompactPCI, LabVIEW, Dynamic Signal Analyzers

The Challenge:
Alitalia Servizi Engineering and Maintenance ha sostituito gli obsoleti sistemi di misura Vibrometer VM3/X dedicati alla misura dei livelli di vibrazione per i motori Pratt & Whitney “JT8D” installati sui propri velivoli Boeing MD-80 con un nuovo sistema di analisi che ha avuto il duplice compito di permettere l’uso di trasduttori a tecnologia IEPE per migliorare l’affidabilità della misura in condizioni operative e soprattutto di diminuire drasticamente il tempo di test.

The Solution:
L’uso della tecnologia PXI, delle schede della famiglia DSA ed in particolare di LabVIEW, ha consentito lo sviluppo di un sistema multicanale ad elevata dinamica tale da consentire facilmente di acquisire segnali di vibrazione e tachimetrici da cockpit, disponendo inoltre della potenza di calcolo sufficiente per gestire autonomamente un processo di misura particolarmente complesso così da semplificare ed automatizzare l’esecuzione delle procedure di test.

Le procedure di misura dei livelli di vibrazione motore di tipo “On Wing” richiedono una serie di attività che possono essere molto onerose per il servizio MRO (Maintenance Repair and Overhaul) quale Alitalia Servizi Engineering and Maintenance, e ciò è dovuto sia al consumo di carburante che all’elevato stress del motore.
Per questo motivo Alitalia Servizi E & M in cooperazione con Wintek ha sviluppato un nuovo sistema di test che ha traguardato i seguenti benefici:
1. Riduzione della durata del test;
2. Operatività garantita direttamente da cockpit con l’ausilio di un solo tecnico;
3. Utilizzo di trasduttori accelerometrici a tecnologia IEPE e cablaggio standard;
4. Acquisizione, monitoraggio ed analisi in real-time e post-processing con redazione di test report conformi agli standard Boeing;
5. Registrazione dei segnali di test con possibilità di analisi approfondita, tramite specifici software di post-processing, da parte del personale specializzato del reparto di engineering motori.
Il nuovo analizzatore di vibrazioni Wintek “NVA7” è così in grado di eseguire una “vibration check procedure” in circa dieci minuti con l’ausilio di un solo operatore, riducendo di circa 35 minuti il tempo richiesto con l’uso della vecchia tecnologia di misura. Considerato in questi termini un risparmio di circa duecento chilogrammi di carburante per test, Alitalia Servizi E & M può arrivare a risparmiare fino a quattromila chilogrammi di carburante per ogni mese di attività.

Articolo
Le procedure di test dei livelli di vibrazione di motori aeronautici di tipo “On Wing” richiedono l’uso di strumentazione multifunzionale che consenta di effettuare sia il monitoring delle misure in real-time, per evitare danneggiamenti o situazioni di pericolo, sia di elaborare con procedure complesse i dati misurati così da produrre test report conformi alle specifiche del produttore del motore.

In particolare le procedure richieste da Boeing e Pratt & Whitney per il test dei motori JT8D richiedono la misura di livelli di spostamento in alcuni punti significativi e fissi del motore (Inlet e Rear) al variare del regime di rotazione, partendo dallo stato di “ground idle” fino alla spinta di “take off” e viceversa, garantendo inoltre un gradiente di salita/discesa del regime ben determinato. Durante tale procedura, per ogni trasduttore impiegato, è necessario misurare senza soluzione di continuità, in funzione del regime di rotazione di entrambi i gruppi rotorici, i seguenti parametri:
1. Livelli overall di spostamento espressi in mils picco-picco e calcolati in bande predeterminate, ognuna delle quali identifica una possibile usura di un componente motore;
2. Spettri delle ampiezze di spostamento espressi in mils picco-picco e calcolati in prossimità di picchi identificati in base all’andamento del livello di overall a banda piena in funzione del tempo;
3. Estrazione delle frequenze in corrispondenza dei livelli di spostamento massimi raggiunti per ogni spettro calcolato;
4. Identificazione del tipo di fenomeno (sincrono o rotor-related oppure asincrono o non-rotor-related) in corrispondenza di ogni frequenza estratta tramite analisi d’ordine da eseguire a velocità di rotazione prossime a quella durante la quale si è manifestato il picco di spostamento.
Oltre a ciò, durante l’esecuzione del test, alcune di queste misure (livelli di overall ed ordini motore) devono essere costantemente monitorate per valutare il superamento di alcune soglie di allarme sia in termini di valore assoluto superato che in termini di durata del superamento avvenuto.

Da quanto sopra esposto è immediato comprendere che un processo di misura così complesso, se gestito esclusivamente in modalità manuale e con strumentazione di tipo tradizionale, comporta il più delle volte la ripetizione della procedura di “run-up” e “coast-down”, così da poter valutare con certezza tutti i parametri di test richiesti. Altresì le misure necessarie per la ricerca del tipo di fenomeni individuati (rotor o non-rotor related) richiedono di volta in volta di eseguire procedure di salita/discesa del regime motore in corrispondenza di ogni picco di overall identificato e per ogni frequenza significativa trovata (il cui livello è superiore ad una soglia predeterminata).
Si evince così che, in funzione delle condizioni operative di ciascun motore, una prova può essere di semplice e rapida esecuzione ma, nel peggiore dei casi, può presentare decine e decine di frequenze caratteristiche da valutare mediante procedure di order tracking, comportando così un aumento drastico della durata del test. Ciò ovviamente a svantaggio dell’efficienza del processo sia in termini di consumo di carburante che in termini di prolungato stress del motore.

Gli obiettivi che Alitalia Servizi E & M si è posta nella realizzazione di un nuovo strumento di test hanno pertanto riguardato essenzialmente i seguenti punti:
1. Riduzione della durata del test;
2. Operatività garantita direttamente da cockpit con l’ausilio di un solo tecnico;
3. Utilizzo di trasduttori accelerometrici a tecnologia IEPE e cablaggio standard;
4. Acquisizione, monitoraggio ed analisi in real-time e post-processing con redazione di test report conformi agli standard Boeing;
5. Registrazione dei segnali di test con possibilità di analisi approfondita tramite specifici software di post-processing da parte del personale specializzato del reparto di engineering motori.

Per raggiungere obiettivi così ambiziosi, il fulcro della tecnologia adottata è stato LabVIEW. Infatti in simbiosi con l’adozione di strumenti di acquisizione espressamente progettati per analisi di segnali dinamici basati su tecnologia di tipo PXI ed adottando unità di calcolo PXI embedded, i progettisti hanno avuto a disposizione tre elementi fondamentali per la riuscita del progetto:
1. LabVIEW: ha permesso di realizzare un software applicativo – cuore del sistema - dal carattere estremamente eclettico: infatti l’utente dispone, a sua scelta, di una procedura di test completamente automatica per l’esecuzione delle “vibration check procedure” e contemporaneamente di una serie di classiche routine di analisi di fenomeni vibratori per macchine rotanti. E’ interessante sottolineare come l’uso di LabVIEW abbia permesso di progettare ed implementare algoritmi di analisi specifici per il raggiungimento degli obiettivi, sia in termini di gestione del processo (analisi d’ordine automatica) sia intermini di estrazione dei parametri caratteristici di misura (integrazione e filtraggio dei segnali accelerometrici) così da garantire l’allineamento dei risultati di misura con i sistemi fino ad oggi in uso, indipendentemente dalla tecnologia di acquisizione adottata.
2. Le schede di acquisizione per segnali dinamici multicanale della serie National Instruments PXI-447x hanno consentito di disporre di tecnologie all’avanguardia per misure di tipo vibroacustico con caratteristiche di spicco fra cui convertitori AD a 24 bit delta-sigma a campionamento simultaneo con dinamica fino a 120 dB, filtri anti alias programmabili con elevata reiezione d’immagine e possibilità di alimentazione diretta di trasduttori di tipo IEPE. L’uso di accelerometri di tipo ad alimentazione a corrente costante (IEPE) ha consentito di realizzare cablaggi semplici, robusti e particolarmente “silenziosi” a garanzia di una buona affidabilità di misura. Infine un semplice condizionatore di segnale per l’isolamento dei segnali tachimetrici dal sistema di acquisizione ha permesso di prelevare i suddetti segnali direttamente dall’avionica di bordo.
3. L’unità di calcolo, della famiglia National Instruments PXI-8186, integrata nel cestello ha permesso di poter disporre della necessaria potenza di calcolo per effettuare l’acquisizione, l’elaborazione dei segnali in real-time, la gestione dell’interfaccia utente e la registrazione dei segnali di prova grazie alla presenza di un hard-disk di discrete dimensioni. Tutto ciò basato su un sistema operativo standard quale Windows XPPro che ha consentito di minimizzare i costi di progettazione e manutenzione dello strumento di misura.

Per concludere, il nuovo analizzatore di vibrazioni Wintek “NVA7” è così in grado di eseguire una “vibration check procedure” in circa dieci minuti con l’ausilio di un solo operatore, riducendo di circa 35 minuti il tempo richiesto con l’uso della vecchia tecnologia di misura. Considerato in questi termini un risparmio di circa duecento chilogrammi di carburante per test, Alitalia Servizi E & M può arrivare così a risparmiare fino a quattromila chilogrammi di carburante per ogni mese di attività.
Ancora una volta l’uso delle tecnologie adeguate, in presenza di obiettivi di progetto ben definiti, ha permesso di realizzare uno strumento che ha comportato benefici immediatamente raggiungibili sia di tipo diretto che indiretto.

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A. Pozzi
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