Boeing 787-8 2012r.-2013r.

Kraków 15.11.2013r.

320a Rozdział 15.11.2013r.

Boeing Boeing-787 Dreamliner

USA - Polska

PLL LOT

 

Samolot pasażerski transportowy.

Konstrukcja

Historia pierwszego roku eksploatacji w PLL LOT

15.11.2012r.-15.11.2013r.

 

Problemy z akumulatorami.

W tym rozdziale przedstawiam głośną sprawę problemów z zasilaniem samolotów B 787, którą przez kilka miesięcy żyły media, chociaż nie potrafiły wskazać sedna sprawy i karmiły się sensacją.

 

Tradycyjny samolot pasażerski charakteryzuje się posiadaniem dwóch podstawowych układów; elektryczny i pneumatyczny. Wszystko zaczyna się od silników turbowentylatorowych (zwykle dwóch), z których wyrzut spalin i powierza nadaje maszynie ruch postępowy. Jednak, aby inne układy samolotu mogły funkcjonować potrzebują energii. Ta energia jest uzyskiwana z silników turbowentylatorowych na dwa sposoby;

  1. Zamontowany na silniku generator wytwarza energie elektryczną.
  2. Ze sprężarki silnika pobiera się część sprężonego powietrza i jego energia zasila inne układy, np. hydraulikę.

Nowoczesne silniki turbowentylatorowe są bardzo wydajne, ale odebranie części sprężonego powietrza ograbia je z części energii. Pneumatyczny system oznacza, że silniki produkują mniej ciągu, więc muszą być większe, ciężej pracować i zużywają więcej paliwa. Cały samolot jest cięższy z powodu ciężkich przewodów i urządzeń potrzebnych do zarządzania gorącym powietrzem. Również układy hydrauliczne są ciężkie z powodu ciężkich przewodów i siłowników. Muszę także wspomnieć o APU, czyli o pomocniczej turbinie, która stała się stałym elementem wszystkich samolotów komercyjnych, z uwagi na swoje zalety. Po gruntownej analizie stwierdzono, iż możliwe jest zlikwidowanie układu pneumatycznego, a zastąpienie go zwiększoną ilością energii elektrycznej. Rzecz szła zaledwie o kilka procent oszczędności. Jednak w globalnym rachunku przyniosłaby ogromne oszczędności finansowe. Dla B 787 w połączeniu z kompozytowym kadłubem oszczędności przekroczyły 20 %.

Różnice w układach klasycznego samolotu, a B 787. 2013r. Zdjęcie The Wall Street Journal

 

Firma Boeing w B 787 postawiła na energie elektryczną, zamiast układu pneumatyki. System elektryczny zasila takie układy jak; zredukowaną hydraulikę, uruchamianie silników, systemy przeciwoblodzeniowe i inne. Z nowym systemem elektrycznym udało się osiągnąć; bardziej efektywne jej wytwarzanie, dystrybucję i wykorzystanie. Przy czym zmniejszono okablowanie w porównaniu do B 767 o około 20 mil (32 km). Uzyskano większą wydajność energetyczną z paliwa lotniczego. Niższe koszty utrzymania i konserwacji.

Ponieważ B 787 potrzebuje około 1 MW energii elektrycznej, musiano go wyposażyć w 6 generatorów, a nie jak klasyczny samolot w 3 generatory. Na każdym silniku umieszczono po dwa generatory, oraz dwa generatory na APU (w ogonie samolotu).

B 787 na ziemi nie wymaga podłączenia do lotniskowych źródeł energii elektrycznej, choć taka możliwość istnieje. Akumulator uruchamia APU. APU uruchamia generatory elektryczne, a te z kolei uruchamiają silniki turbowentylatorowe. W locie cztery generatory na silnikach są podstawowym źródłem energii elektrycznej. Generatory na APU są pomocnicze. Generatory produkują prąd zmienny do rozdzielni (buses), gdzie jest albo przekazanych do wykorzystania, jako (235 V AC) lub zamieniony na inny dla innych systemów.

Oprócz generatorów dla B 787 ważne są akumulatory. Umieszczone w przedzie i tyle kadłuba. Tylny uruchamia APU. Akumulatory są wykorzystywane głównie do krótkich operacji naziemnych. Hamulec postojowy jest także elektryczny. W locie akumulatory mogą być użyte, jako zasilanie awaryjne w mało prawdopodobnym przypadku awarii zasilania. Podczas testów firma Boeing wykazała, że B 787 może latać ponad 330 minut na jednym silniku i z jednym pracującym generatorem i bezpiecznie wylądować. Firma Boeing udowodniła, że B 787 spełnia wszystkie federalne przepisy bezpieczeństwa, a nawet niektóre ze znacznym naddatkiem. Projekt B 787 ma wykluczyć awarię i dać pewność, że system ten nie zawiedzie. Zakładając, że jednak awaria nastąpi to są odpowiednie dalsze zabezpieczenia. Boeing projektuje tak, aby pojedyncza awaria nie spowodowała wypadku, na przykład poprzez wyłączenie istotnych systemów. Zastosowano oddzielenie systemów w przestrzeni i funkcji - tak, że utrata jednego nie powoduje utraty drugiego. Układ elektryczny B 787 przeszedł 5 000 godzin testów laboratoryjnych i 5 000 godzin testów w locie. Ponieważ samolot należy do nowej kategorii, US FAA przeprowadziła certyfikacje wyjątkowo solidnie. Instalacja B 787 otrzymała certyfikat elektryczny wraz z certyfikatem samego samolotu w dniu 26.08.2011r..

 

Instalacja elektyczna B 787

B 787 wykorzystuje układ elektryczny, w którm jest system napięć hybrydowy. Składa się z następujących rodzajów napięć; 235 V prądu zmiennego (AC), 115 V AC , 28 V prądu stałego (DC) i ± 270 VDC. W układach 115 VAC i 28 VDC to są napięcia tradycyjnie stosowane w lotnictwie. Natomiast 235 V AC i ± 270 V DC są konsekwencją rozszerzona systemu zasilania elektrycznego, którego samolot potrzebuje, co najmniej dwa razy tyle jak poprzednie modele samolotów Boeinga. System składa się z sześciu generatorów - po dwa na silnik i dwa na APU - praca w 235 V AC. Pozostawiono tradycyjne gniazdo dla podłączenia zasilania lotniskowego. Wówczas można nie używać APU i nie czerpie się energii z akumulatorów.

Generatory są bezpośrednio podłączone do przekładni silnika, a zatem działają przy zmiennej częstotliwości (360 do 800 Hz), proporcjonalnie do prędkości silnika. Ten typ generatora jest najprostszym i najbardziej efektywnym sposobem wytwarzania energii elektrycznej, ponieważ nie zawiera układu regulacji stałej prędkości obrotowej, co jest kluczowym elementem zintegrowanego generatora napędzającego (IDG). Zastosowane generatory są prostsze, tańsze i mniej zawodne. 

Układ elektryczny wyposażony jest w dwa akumulatory, jeden z przodu i jeden w tyle. Są także jednostki dystrybucji zasilania (RPDU). Ich rozmieszczanie jest takie, że zmniejsza masę okablowania, poprzez zmniejszenie odległości. W RPDU praca w dużej mierze opiera się na stałym sterowniku mocy (SSPC), zamiast tradycyjnych wyłącznikach i przekaźnikach. Większość urządzeń elektrycznych samolotu pracuje na prądzie 115 V AC lub 28 V DC. System ± 270 V DC zasilany jest czterema auto-transformatoro -prostowników , które przekształcają 235 V AC na ± 270 V DC. System  ± 270 V DC obsługuje kilka dużych silników o regulowanej prędkości znamionowej, które służą do poruszania klimatyzacji, wentylacji, generatora azotu dla opróżnianych zbiorników paliwa i silniki hydrauliczne pomp.

 

Układ hydrauliczny

Warto parę słów napisać, o zredukowanym układzie hydraulicznym B 787, chociaż ogólnie przypomina te tradycyjne. Istnieją trzy niezależne systemy - lewy, środkowy i prawy - które wspólnie obsługują główne siłowniki sterowania lotem, kierowanie podwoziem, odwracacze ciągu, przednie i tylne klapy. System zasilany jest pompami zamontowanymi bezpośrednio na silnikach poprzez przekładnie. Dodatkowo system zasilany jest silnikami elektrycznymi, w szczytowym okresie zapotrzebowania podczas operacji naziemnych.

Kluczową różnicą między tradycyjnym i B 787 układem hydraulicznym jest źródło zasilania systemu centralnego. W tradycyjnej architekturze, system centralny jest zasilany przez dwie duże powietrzne turbiny napędzające pompy hydrauliczne, które pompują około 50 litrów oleju na minutę (GP) przy ciśnieniu 3000 funtów na cal kwadratowy (psi).

W B 787 nie ma poboru powietrza z silników. Energia w układzie hydraulicznym jest z dwóch elektryczno- mechanicznych pomp hydraulicznych. Jedna pracuje cały czas. Druga pompa pracuje tylko podczas startu i lądowania. W B 787 jest także wyższe ciśnienie, 5000 psi, co pozwoliło zmniejszyć przekroje przewodów, a przez to ich wagę i ilość zajmowanego miejsca.

 

Problemy z akumulatorami.

W dniu 7.01.2013r. B 787 przewoźnika JAL stojący na lotnisku w Bostonie uległ awarii. W tyle kadłuba pojawił się dym. Dzięki uwadze obsługi samolotu podjęto skuteczne działania, które zażegnały niebezpieczeństwo. Nie zidentyfikowano przyczyny tlenia się akumulatora. W tym czasie systemy samolotu pobierały znikome ilości energii elektrycznej. Pożar zaczął się po 12 godzinach od przybycia samolotu do Bostonu, po locie z Tokio. Maszyna nie była podłączona do naziemnego źródła prądu. Wokół akumulatora w promieniu 20 cali wszystko było nadtopione. Sam akumulator we wnętrzu był częściowo wytopiony. Zapłon nastąpił w celach 5, 6 i 7. Podstawowym zadaniem tego akumulatora jest rozruch APU, a ten wówczas nie był uruchamiany i był w postoju. Samolot dostarczono linii JAL zaledwie w grudniu 2012r.. Wiadomym się stało, że jest problem. I był to problem podobny do tego, z którym zetknęli się już konstruktorzy elektrycznych samochodów wyposażonych w akumulatory litowo-jonowe.

W dniu 14.01.2013r. samolot B 787 linii ANA w Japonii ląduje awaryjnie z powodu pożaru. Wszystkie 137 osób na pokładzie opuszcza samolot trapami ratunkowymi. Tym razem pożar nastąpił w przednim przedziale, za kabiną załogi. Cały przedział akumulatora był osmolony. Ten akumulator to podstawowe źródło energii dla całego samolotu podczas postoju, gdy nie pracują generatory prądu. Chociaż samolot miał już rok, to jego akumulator był wymieniony pod koniec października 2012r.. To postawiło Boeinga w miejscu bardzo trudnym. Późniejsze badania wykazały, że temperatura w jednej celi akumulatora doszła do ponad 300 stopni Celsjusza. Przez pół godziny pękła jej obudowa i doszło do uwolnienia gazów, które dostały samozapłonu. Pożar powodował uszkodzenia kolejnych cel (ich przegrzanie) i rozgorzenie pożaru.

Akumulatory dla B 787 są produkowane przez koncern Thales, a dokładnie jego spółkę japońską GS Yuasa Corporation, której wyroby wybrano dla B 787. GS Yuasa Corporation to japońska firma, założona w 1917r. i produkująca baterie i akumulatory. Yuasa utworzyło spółkę joint-venture z General Corporation w 1976r. i zaczęła produkować na terenie USA od 1979r. 12 V akumulatory. Yuasa w 1980r. opracowała pierwszy bezobsługowy akumulator. Do 2004r. nastąpiło kilka zmian własnościowych. W 2004r. Yuasa Battery Inc w USA połączyła się z Yuasa Japan Storage Battery tworząc GS Yuasa Corporation. Firma jest potentatem w produkcji akumulatorów dla samochodów sportowych w Ameryce Północnej. Produkuje akumulatory do wózków widłowych i innych maszyn w krajach takich jak Chiny i Tajlandia. Firma GS Yuasa wygrał przetarg w sierpniu 2012r. na dostawę ogniw litowo-jonowych baterii do międzynarodowej stacji kosmicznej. Firma kontrakt  na akumulatory dla B 787 dostała w 2005r., i był on dla nich wybawieniem po stratach poniesionych w produkcji akumulatorów dla przemysłu motoryzacyjnego. Akumulatory dla B 787 są budowane w Kioto. Instalacja elektryczna, którą bateria jest osadzona, jest produkowana przez Thales, największy w Europie koncern elektroniki wojskowej.

 

Tak wygląda akumulator litowo-jonowy stosowany w B 787 do stycznia 2013r. Zdjęcie Boeing

Spalony akumulator z B 787. 21.01.2013r. Zdjęcie ANA

Fragment spalonego akumulatora z B 787. 21.01.2013r. Zdjęcie ANA

Spalony akumulator z B 787. 24.01.2013r. Zdjęcie Boeing

 

Akumulatory litowo-jonowe są specyficzne i jak się okazało, nie do końca poznane. Dysponują wielkim potencjałem i pojemnością. Zbyt duże ilości prądu płynące z lub do akumulatora, nawet jeśli jego napięcie jest w normie, może spowodować jego przegrzanie. Akumulator jest jak wielka gąbka, która może pobierać wodę kroplami lub całym przekrojem węża ogrodowego. Do czasu, kiedy się nie zniszczy.

W pierwszych dniach po uziemieniu B 787 stwierdzano, że akumulatory są jednak wadliwe. Wskazywano, iż przez ponad rok eksploatacji kilka z nich wymieniono. Skupiono się na procesie ich produkcji. Lecz kontrola nie wykazała żadnych uchybień.

Oczywiście główną rolę w całej sprawie pełniło NTSB. Jego przedstawiciele stwierdzili, w dniu 24.01.2013r., że uziemienie samolotów potowa znacznie dłużej. Nie udało się ustalić przyczyny wysokiej temperatury, przegrzania i stopienia akumulatorów. Nie udało się ustalić łańcucha przyczynowo-skutkowego. Trzeba zrozumieć, co się stało? Stwierdzono, że sprawa to nie kwestia tygodni, ale nawet miesięcy. Prace trwały wielotorowo. Boeing skupił się na lepszym monitorowaniu stanu akumulatorów i zabezpieczeniu ich w razie pożaru. Przeprowadzono audyt procedur technicznych wokół samolotu. Do pracy przystąpił nie tylko producent akumulatorów, ale również Institute of Technology w Massachusetts i inne instytucje na całym świecie.

 

Już w lutym 2013r. Boeing opracował technologie zabezpieczenia akumulatorów przed zapaleniem. Odkryto, że tylny akumulator powinien być w inny sposób połączony z jednostką APU. Okablowanie zostało zmienione. Zmianą było przekonstruowanie samych akumulatorów, które posiadają 8 cel. Zrobiono większe odstępy między poszczególnymi celami. Ceramiczne przegrody są teraz znacznie grubsze. Zmieniono same pudełko akumulatora, w którym zastosowano dodatkową wykładzinę ognioodporną. Akumulator jest teraz większy.

 

15.03.2013r. Japonia

W dniu 15.03.2013r. w Japonii na żywo, z transmisją na cały świat, odbyła się prezentacja trwałego rozwiązania kwestii baterii B 787. Uczyniono to w Japonii dlatego, że linie lotnicze tego kraju poniosły największe straty finansowe i nadszarpnięty został ich wizerunek. To rozwiązanie było wynikiem szczegółowej i rygorystycznej pracy z udziałem ludzi z całego świata. Jego twórcy byli przekonani, że jest to rozwiązanie właściwe. Zaproponowane zmiany zostały pozytywnie zweryfikowane przez niezależną grupę ekspertów akumulatorów litowo-jonowych z wielu branż, uniwersytetów i laboratoriów.

Zmiany objęły sześć podstawowych zagadnień;

  • Przeprojektowano konstrukcje cel i budowy całej baterii.
  • Zmieniono system produkcji i kontroli zarówno cel, całej baterii jak i jej kontroli w Japonii.
  • Zmieniono zakresy napięć pracy.
  • Zmieniono obudowę baterii.
  • Zmieniono prostownik odpowiedzialny za ładowanie baterii.
  • Baterię umieszczono w dodatkowej osłonie (kontenerze).


Prezentacja zmian 15.03.2013r. Zdjęcie Boeing

Nowy akumulator 15.03.2013r. Zdjęcie Boeing

Akumulator w dodatkowej obudowie (kontenerze). Zdjęcie Boeing

Osłona dodatkowej obudowy (kontenera) akumulatora. Zdjęcie Boeing

Poprawiony prostownik. Zdjęcie Boeing

Szczegóły akumulatora. Zdjęcie Boeing

Szczegóły obudowy (kontenera), która jest połączona tytanowa rurą z upustem poza samolot. Zdjęcie Boeing

 

Firma Boeing, Talesa i GS Yuasa opracowały znacznie zmodyfikowany akumulator. Przebudowie podano poszczególne cele, jak i cały akumulator. Opracowano i wdrożono nowe normy produkcyjne, jak również testy na poszczególnych etapach produkcji. Wzmocniono kontrolę procesów produkcji i obsługi. Zaostrzono obowiązujące normy. Akumulator w procesie produkcji jest poddawany 10 różnym testom. I to każdy akumulator budowany w Japonii. Każda cela przechodzi 14-dniowy specjalny test, z którego dane są rejestrowane, co jedną godzinę. Zmieniono zakres maksymalnego i minimalnego naładowania. Obniżono najwyższy poziom, a podniesiono najniższy. Czyli deficyt jest mniejszy. Ładowanie akumulatora jest teraz mniej agresywne. Zmniejszono amperarz ładowania i wprowadzono jego łagodniejsze sterowanie. Dzięki temu bateria przechodzi mniejszy stres podczas ładowania. Zwiększono przerwy między poszególnymi celami, wprowadzając grubsze przegrody ceramiczne. Dodatkowo każda cela otrzymała dodatkową izolację przeciwzwarciową. Nawet w przypadku awarii nie powinno nastąpić zwarcie sąsiednich cel. Izolacja termiczna jest teraz znacznie bardziej wydajna. Zarówno między celami, jako i od spodu. Ciepło poszczególnej celi powinno zostać utrzymane w celi bez emitowania na zewnątrz.

W akumulatorze zastosowano nowe grubsze i bardziej odporne na podwyższoną temperaturę przewody między celami. Połączenia uszczelniono. Cel nadal jest osiem. Zadbano także o drenaż wilgoci z akumulatora poprzez niewielkie otwory. Baterie umieszczono w nowej obudowie (kontenerze) ze stali nierdzewnej. Dodatkowo cały akumulator jest włożony do dodatkowej obudowy wykonanej także ze stali nierdzewnej. Zaopatrzono ją w gniazda elektryczne, których wcześniej nie było. Utrudnia to wydostanie się ewentualnego ognia z akumulatora. Obudowa posiada bezpośredni upust par z baterii na zewnątrz samolotu, poprzez tytanowa rurkę. Mają nią uchodzić gazy, a głównie tlen, który podtrzymuje procesy utlenienia, czyli palenie się. Nowe oprawy tytanowe są instalowane w gniazdach elektrycznych. Graniczną temperaturą dla nowego akumulatora jest temperatura 150 stopni Celsjusza. Jej przekroczenie powoduje odłączenie akumulatora od instalacji. Boeing spędził nad modernizacją 200 000 godzin i kolejne 100 000 godzin na testach.

Kolejne miesiące i lata potwierdzą, czy przeprowadzone modyfikacje okazały się skuteczne.

B 787-8 2012r. Zdjęcie Boeing

 

Opracował Karol Placha Hetman