Uutta tietoa huipputeknologiasta ja sen hyödyntämisestä, tietoa tulevaisuuden ratkaisuista ja palveluista päätöksenteon tueksi ja liiketoiminnan kehittämiseen. Kohdistettu VTT:n kumppaneille, asiakkaille sekä huipputeknologiasta ja sen sovelluksista kiinnostuneille.
Julkaisu tieteestä, teknologiasta ja liiketoiminnasta

​​​

Turbiinisiivillä miljoonien säästöihin

Paula Bergqvist | 17.5.2016

​Huoltovälillä on väliä, kun on kyse arvokkaasta Hornet-hävittäjäkalustosta. Suomen ilmavoimille sen 62 F/A-18 Hornet -hävittäjää ovat tärkein ase. Moottorien korkeapaineturbiinin siipien tutkimus auttoi pidentämään huoltoväliä, ja näin saadaan noin 2,7 miljoonan euron säästöt koneiden käyttöiän aikana.

Patrian GE-moottorin pääasiantuntija Timo Nurmi kertoo kämmenelle mahtuvasta metallinkappaleesta.

– Tämä on suositellun elinikänsä eli 2 800 tuntia ylittänyt Hornet-hävittäjälentokoneen korkeapaineturbiinin siipi. Siipi, joita on kaikkiaan 64 kappaletta kussakin moottorissa, on käynyt 3 162 tuntia eliniän pidentämisen ansiosta, kertoo Nurmi.

Siipi on edelleen hyväkuntoinen, vaikka siihen on syntynyt mekaanisen kuormituksen ja lämpösyklien takia säröjä. Metalli kuumenee lennon aikana lentotilanteesta riippuen lähelle tuhatta astetta. Säröt voisivat liian pitkälle kasvaessaan katkaista turbiinisiiven ja aiheuttaa vakavan moottorivaurion.

Moottorinvalmistaja General Electric (GE) on määrittänyt kaikille moottorin pääkomponenteille, kuten siiville ja kiekoille eliniät, jotka perustuivat alkujaan pääosin Yhdysvaltojen laivaston kokemukseen. Elinikiä ja huoltovälisuosituksia tarkennetaan kansallisten käyttökokemusten karttuessa kunkin maan olosuhteita vastaaviksi.  

IMP_1_16_HN_lisäkuva1_a.jpg

Kp-Turbiini.

Miten säröt kehittyvät?

Ilmavoimien lentämisen edellytyksistä eli lentokonekaluston elinkaarisuunnittelusta, kunnostuksesta ja käytettävyydestä vastaava Puolustusvoimien logistiikkalaitoksen Järjestelmäkeskus ja sille huoltoja ja korjauksia tekevä strateginen kumppani Patria päättivät yhdessä selvittää, voidaanko siipien elinikää nostaa samanpituiseksi kiekkojen eliniän kanssa. Tavoitteena oli käyttää siivet aina kiekkojen elinikärajaan asti, ja siten saavuttaa säästöjä varaosahankinnoissa.

– Meille on parinkymmenen vuoden aikana karttunut paljon tietoa, miten pohjoiset olosuhteemme ja lentotapamme vaikuttavat moottoreiden osien kuntoon, kertoo Hornetin moottoreista vastaava järjestelmäpäällikkö, insinöörimajuri Jukka Taattola Puolustusvoimien logistiikkalaitokselta.

– Suomalaiset lentävät pääasiassa hyvin erilaisissa olosuhteissa kuin vaikkapa aavikolla lentävät amerikkalaiset. Amerikkalaisten moottoreiden kokema lämmin ja toisinaan hiekkaa sisältävä ilma rasittaa turbiinipään osia enemmän kuin Suomen kylmä ja puhdas ilma. Harjoitusalueen etäisyyskin vaikuttaa moottorin rasittumiseen. Meillä on kentältä harjoitusalueelle viiden minuutin lento – Yhdysvalloissa siirtymäajat ovat pitkiä. Suomessa suhteellisen lyhyeen ja tehokkaasti käytettyyn lentoaikaan nähden pitkät, maassa tapahtuvat moottoreiden käyttöajat syövät turbiinin siiville tuntiperusteisesti määritettyä elinikärajaa. Maassa tapahtuva tasainen, pienellä työntövoima-asetuksella tapahtuva käyttö ei kuitenkaan rasita moottoreita kuten itse lentäminen, joten tarve turbiinin siipien elinikärajan kasvattamiselle on ymmärrettävää, kertoo Taattola.

Oli siis selvitettävä, miten säröt kehittyvät, jotta siipien käyttöikä voidaan määrittää uudelleen.

Tampereen teknillinen yliopisto kartoitti satojen mikrometrien luokkaa olevat säröt. VTT tutki metallin mikrorakenteet ja selvisi, että säröjen eteneminen joko pysähtyy tai hidastuu voimakkaasti. Lämpötilojen ja keskipakoisvoiman aiheuttamat jännitykset analysoitiin. VTT tutki myös materiaalin mikrorakenteen pehmenemistä. Siivet osoittautuivat hyväkuntoisiksi lukuun ottamatta muutamissa siivissä esiintyneitä ylikuumentuneita alueita jättöreunan läheisyydessä.

VTT puolsi siipien käyttöiän pidentämistä ­
2 800 tunnista 3 100 tuntiin – samanpituiseksi kuin kiekkojen. Tutkimustulokset toimitettiin myös valmistajatehtaalle (GE), joka päätyi samaan lopputulokseen ja lisäsi siipien elinikäsuositusta kymmenellä prosentilla. Huoltoväliä voitiin pidentää. Samalla vältyttiin kaikkiin moottoreihin tarvittavan siipisarjan hankinnalta.

Pidentämispäätöksellä saavutetaan lentokoneiden käytön aikana noin 2,7 miljoonan euron säästöt. 

– Kaiken kaikkiaan moottoreiden elinkaarenaikaisiksi säästöiksi voidaan jo nyt tehtyjen erilaisten kehitystoimenpiteiden ansiosta arvioida kertyvän noin 60 miljoonan euron edestä, kertoo Timo Nurmi Patriasta. 


Jukka Taattolalla (vasemmalla) kädessään vaurioitunut korkeapaineturbiinin siipi, Timo Nurmella seuraava tutkimuskohde eli matalapaineturbiinin siipi ja Juhani Rantalalla korkeapaineturbiinin siipi, joka on lentänyt
3 162 tuntia.

Kriisissä osaamisverkoston merkitys korostuu

– Yhdistimme Puolustusvoimien toimeksiannossa erilaista VTT:n osaamista: lujuustekniikkaa, materiaalitekniikkaa, mikroskopiaa, pinnoiteosaamista. Tiedot siipien eliniästä välitettiin Patrialle, jossa korjauskehitysten parissa työskentelevä diplomi-insinööri Jani Simelius arvioi niitä, kertoo erikoistutkija Juhani Rantala VTT:stä.

VTT on ollut Ilmavoimien kumppani noin 15 vuotta. Ensimmäiset VTT:lle annetut tehtävät liittyivät Hawk-hävittäjien moottorin turbiinien kunnonmäärittämiseen.

– Siitä työt jatkuivat Hornetin korkeapaineturbiinisiipien analysointiin vuonna 2009. Siipien lisäksi olemme tutkineet muun muassa polttokammion vaippamateriaalia, muistelee Rantala.

– Olemme saaneet Juhanin mainitseman polttokammion säröytymisen analysoinnista arvokasta tietoa, jota voimme hyödyntää boroskooppitarkastuksissamme ja siten harkitusti antaa lisää lentoaikaa koneille, jatkaa Timo Nurmi.

Kotimaisten yhteistyökumppanien lisäksi Puolustusvoimat hyödyntää muiden Hornet-käyttäjien kokemuksia eri maissa. Suomessa tutkimusyhteistyöverkostoon kuuluu Patrian ja VTT:n lisäksi Aalto-yliopisto, Tampereen teknillinen yliopisto, Finflo, Milldyne ja Emmecon.

Taustalla on Ilmavoimien 90-luvun alussa tekemä päätös rakentaa, investoida ja rahoittaa kansallista osaamisverkostoa lentokoneiden elinkaaren hallinnan tarpeisiin.

– Hornet-hävittäjäkaluston on oltava kaiken aikaa käyttökunnossa. Myös mahdolliseen kriisitilanteeseen on varauduttava ennalta. On tärkeää, että meillä on luotuna toimiva osaamisverkosto, jonka avulla pärjäämme tarvittaessa mahdollisimman pitkälle kotimaisin voimin. Yhteistyössä on siis kyse myös Suomen kriisinajan huoltovarmuuden kehittämisestä, kertoo Jukka Taattola.


Sulanutta tuhkaa jäähdytysreikien läheisyydessä harjoituslennon jälkeen. Reiät eivät saa tukkeutua, koska silloin siiven jäähdytysilma ei pääse läpi.

Korjaukset hallitusti ja järkevästi

Puolustusvoimien logistiikkalaitos tilaa tehdas­huoltotasoiset huolto- ja korjauspalvelut pääasiassa Patrialta. Kaikki vähänkään merkittävämmät huoltotoimenpiteet edellyttävät moottorin irrottamisen, ja osoite on silloin Patrian moottorikorjaamo Nokian Linnavuoressa, jossa aikoinaan myös Mig 21- ja Draken-hävittäjien moottorit huollettiin. Koneiden käyttö- ja määräaikaishuollot Ilmavoimat tekee itse.

– Kun Patrialla huomaamme ongelman, reagoimme saman tien. Täällä uuden korjausmenettelyn kehittäminen on usein paljon nopeampaa kuin eri maiden yhteistyökokouksissa, kertoo Nurmi.

– Suomalaisia arvostetaan Hornetin moottoripiireissä innovatiivisina, osaavina ja tarvittaessa nopeastikin uusia ratkaisuja löytävinä sekä toteuttavina ammattilaisina, toteaa Taattola.

Hornetin suunnittelu alkoi 60-luvulla, ja ensilennot tehtiin Yhdysvalloissa vuonna 1978. Operatiiviseen käyttöön ne pääsivät 80-luvulla. Kaikki Ilmavoimien 1-paikkaisten koneiden moottorit ja varamoottorit koottiin Linnavuoressa vuosina 1995−2000. Kokoonpanotyöstä saatiin arvokasta kokemusta ja omaa osaamista moottoreiden huoltoon.

Koneilla on lennetty Suomessa jo 20 vuotta, mutta vielä on paljon lentovuosia edessä, vaikkakin uusien hävittäjien hankinnasta jo keskustellaan. 



Eyjafjallajökull pysäytti Euroopan lennot

Lentoliikenne Pohjois-Euroopassa pysähtyi huhtikuussa 2010 Eyjafjallajökull-tulivuoren purkautuessa Islannissa. Heräsi kysymys: Mikä on turvallinen tuhkapitoisuus ilmailulle? 

Lapin lennoston Hornet-harjoituslennolla koneet altistuivat tuhkapilveen ja lennon jälkeen niiden moottoreissa havaittiin tuhkapölyä. Näin Suomen Ilmavoimat päätyi ilmailualan ykkösuutiseksi. 

Ilmavoimat, Patria ja VTT tutkivat nopeasti, miten tukossa moottorit olivat.  Tuhkasta huolimatta lentokoneet todettiin tutkimusten perusteella lentokuntoisiksi.

Myöhemmin VTT sai Puolustusvoimilta tehtäväksi selvittää, aiheuttaako tulivuoren tuhka turbiinisiipiin korroosiota.

– Tilasin Islannista pussillisen hienojakoista, mantereelta kerättyä tulivuoren tuhkaa. Sulaa tuhkaa ruiskutettiin korkeapaineturbiinisiipien pintaan ja siipiä hehkutettiin uunissa. Korroosiovaikutusta emme löytäneet. Tätä ei aiemmin tiedetty, vaikka tulivuorenpurkaukset eivät ole erityisen harvinaisia, muistelee Juhani Rantala VTT:stä.


 

 

Impulssihttp://www.vtt.fi/ImpulssiImpulssi
Impulssi 2/2017http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-2-2017.aspxImpulssi 2/2017
Ledikalvot taipuvat kansanlampusta lentokoneisiinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Ledikalvot-taipuvat-kansanlampusta-lentokoneisiin.aspxLedikalvot taipuvat kansanlampusta lentokoneisiin
Intohimo siivittää tutkimustahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/intohimo-siivittaa-tutkimusta.aspxIntohimo siivittää tutkimusta
Automaatio antaa paketille siivethttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Automaatio-antaa-paketille-siivet.aspxAutomaatio antaa paketille siivet
Tulevaisuuden sensorihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-sensori.aspxTulevaisuuden sensori
Puolustusvoimat hakee etumatkaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puolustusvoimat-hakee-etumatkaa.aspxPuolustusvoimat hakee etumatkaa
Painettu teknologia kutsuu muotoilijoitahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Painettu-teknologia-kutsuu-muotoilijoita.aspxPainettu teknologia kutsuu muotoilijoita
Uusia ratkaisuja kaupunkitulvien ehkäisyynhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Uusia-ratkaisuja-kaupunkitulvien-ehkaisyyn.aspxUusia ratkaisuja kaupunkitulvien ehkäisyyn
VTT:n spinno GrainSense tuo laboratorion maanviljelijän kouraanhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/VTTn_spinno_GrainSense_tuo_laboratorion-maanviljelijan-kouraan.aspxVTT:n spinno GrainSense tuo laboratorion maanviljelijän kouraan
Energiavarastojen kysyntä kasvaa vauhdillahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Energiavarastojen-kysynta-kasvaa-vauhdilla.aspxEnergiavarastojen kysyntä kasvaa vauhdilla
Voiko ympäristöväittämiin luottaa?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Voiko-ymparistovaittamiin-luottaa.aspxVoiko ympäristöväittämiin luottaa?
Teollinen 3D-tulostus nousukiidossahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Teollinen-3D-tulostus-nousukiidossa.aspxTeollinen 3D-tulostus nousukiidossa
Ketterä ja nopea Ponssehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kettera-ja-nopea-Ponsse.aspxKetterä ja nopea Ponsse
Wärtsilän Jaakko Eskola: Menestymme vain innovoinnilla ja uusiutumisellahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Wärtsilän-Jaakko-Eskolaä-Menestymme-vain-innovoinnilla-ja-uusiutumisella.aspxWärtsilän Jaakko Eskola: Menestymme vain innovoinnilla ja uusiutumisella
Laivateollisuuden digitalisoituminen edellyttää huippututkimustahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Laivateollisuuden-digitalisoituminen-edellyttää-huippututkimusta.aspxLaivateollisuuden digitalisoituminen edellyttää huippututkimusta
Elinkeinoministeri Olli Rehn: uudistumisen kautta nousuunhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Elinkeinoministeri-Olli-Rehn-uudistumisen-kautta-nousuun.aspxElinkeinoministeri Olli Rehn: uudistumisen kautta nousuun
Puhtaampaa kaupunkiliikennettä puupohjaisella dieselillähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puhtaampaa-kaupunkiliikennetta-puupohjaisella-dieselilla.aspxPuhtaampaa kaupunkiliikennettä puupohjaisella dieselillä
Suomalaispyörät pyörivät myös tulevaisuudessahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomalaispyörät-pyörivät-myös-tulevaisuudessa.aspxSuomalaispyörät pyörivät myös tulevaisuudessa
Joustavan energiatuotannon kärkimaaksihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Joustavan-energian-karkimaaksi.aspxJoustavan energiatuotannon kärkimaaksi
Kovaakin kovempi vientituotehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kovaakin-kovempi-vientituote.aspxKovaakin kovempi vientituote
VTT hyödyntää Fabry-Perot interferometriteknologiaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Fabry-Perot-interferometriteknologia.aspxVTT hyödyntää Fabry-Perot interferometriteknologiaa
Vanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteillahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/FiR-1-tutkimusreaktori-poistetaan-kaytosta.aspxVanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteilla
Tuottoa sijoituksillehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tuottoa-sijoituksille.aspxTuottoa sijoituksille
Salofa tuo pikatestit terveyden ja ympäristön seurantaanhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Salofa-tuo-pikatestit-terveyden-ja-ympariston-seurantaan.aspxSalofa tuo pikatestit terveyden ja ympäristön seurantaan
Matti Apunen: Meillä ei ole varaa olla ilman robottejahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Meilla-ei-ole-varaa-olla-ilman-robotteja.aspxMatti Apunen: Meillä ei ole varaa olla ilman robotteja
Onko tulevaisuudessa jätevettä?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Onko-tulevaisuudessa-jatevetta.aspxOnko tulevaisuudessa jätevettä?
Puun voimalla biotalouteenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puun-voimalla-biotalouteen.aspxPuun voimalla biotalouteen
Tulevaisuuden arkkitehdit asiallahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-arkkitehdit-asialla.aspxTulevaisuuden arkkitehdit asialla
Digikärjellä kaivokseenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Digikärjella-kaivokseen.aspxDigikärjellä kaivokseen
Suomi on pidettävä houkuttelevanahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomi-on-pidettava-houkuttelevana.aspxSuomi on pidettävä houkuttelevana
Suomi on hyvä investointihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomi-on-hyva-investointi.aspxSuomi on hyvä investointi
Tuotteita jätteestä – muovipitoinen orgaaninen jäte otetaan käyttöönhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tuotteita-jätteestä.aspxTuotteita jätteestä – muovipitoinen orgaaninen jäte otetaan käyttöön
Asuinmukavuus ja energiatehokkuus mahtuvat samaan kotiinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Asuinmukavuus-ja-energiatehokkuus-mahtuvat-samaan-kotiin.aspxAsuinmukavuus ja energiatehokkuus mahtuvat samaan kotiin
Kyberturvallisuus vaatii muutakin kuin teknologiaosaamistahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kyberturvallisuus-vaatii-muutakin-kuin-teknologiaosaamista.aspxKyberturvallisuus vaatii muutakin kuin teknologiaosaamista
Infinited Fiber tuo muutoksen tekstiiliteollisuuteenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Infinited-Fiber-tuo-muutoksen-tekstiiliteollisuuteen.aspxInfinited Fiber tuo muutoksen tekstiiliteollisuuteen
Kaura on kysyttyä tavaraa maailmallahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kaura-on-kysyttya-tavaraa-maailmalla.aspxKaura on kysyttyä tavaraa maailmalla
Turbiinisiivillä miljoonien säästöihinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Turbiinisiivet-saastavat-miljoonia.aspxTurbiinisiivillä miljoonien säästöihin
Mitä kuuluu Australiaan?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Mita-kuuluu-Australiaan.aspxMitä kuuluu Australiaan?
Selluloosakuitu herättää vanhan puuvillatekstiilin uuteen eloonhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Selluloosakuitu-herattaa-kaytetyn-puuvillatekstiilin-uuteen-eloon.aspxSelluloosakuitu herättää vanhan puuvillatekstiilin uuteen eloon
Tulevaisuuden 5G-verkko etenee koekäyttöön Oulussahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-5G-verkko-etenee-koekayttoon-oulussa.aspxTulevaisuuden 5G-verkko etenee koekäyttöön Oulussa
Puukuitu haastaa muovin kauppakasseissahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puukuitu-haastaa-muovin-kauppakasseissa.aspxPuukuitu haastaa muovin kauppakasseissa
Idean jyvistä isoihin innovaatioihinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Idean-jyvista-isoihin-innovaatioihin.aspxIdean jyvistä isoihin innovaatioihin
Optinen isotooppispektroskopia: Yhä tarkempia tietoja tutkimuskohteestahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Optinen-isotooppispektroskopia-kehittynyt-merkittavasti.aspxOptinen isotooppispektroskopia: Yhä tarkempia tietoja tutkimuskohteesta
Sopiiko elinkaariarviointi poliittisen päätöksenteon tueksi?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Sopiiko-elinkaariarviointi-poliittisen-päätöksenteon-tueksi.aspxSopiiko elinkaariarviointi poliittisen päätöksenteon tueksi?
Yrittäjien velvollisuus on etsiä kasvuahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Yrittajien-velvollisuus-on-etsia-kasvua.aspxYrittäjien velvollisuus on etsiä kasvua
Pilottitehtaat jauhavat ideoista liiketoimintaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Pilottitehtaat-jauhavat-ideoista-liiketoimintaa.aspxPilottitehtaat jauhavat ideoista liiketoimintaa
Hienokemia tarvitsee biopohjaisia aromaattejahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Hienokemia-tarvitsee-biopohjaisia-aromaatteja.aspxHienokemia tarvitsee biopohjaisia aromaatteja
Uusi agenda tehostaa tutkimusinfran käyttöähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Uusi-agenda-tehostaa-tutkimusinfran-käyttöä.aspxUusi agenda tehostaa tutkimusinfran käyttöä
Impulssi 1/2014http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-1-2014.aspxImpulssi 1/2014