Praca silników TU154M PLF101 w fazie końcowej

Samolot TU154M PLF101 lecący do Smoleńska był wyposażony w trzy silniki D-30KU-154 (Д-30КУ-154). Siniki te w dokumentacji są oznaczane jako S1(od lewej), S2 (na środku) i S3 (po prawej). Schematycznie budowę silników przedstawiono na rysunku 1. Rysunek jest bardzo mocno uproszczony i pokazano na nim tylko te elementy, które mają związek z parametrami rejestrowanymi przez system MSRP-64, w tym ATM-QAR. Należy zwrócić uwagę, na to że pomiary wibracji układów: turbina-sprężarka N1 i N2, rejestrowane były tylko przez rejestrator ATM-QAR.

Rysunek 1. Schematyczna budowa silnika

Zasada pracy silnika sprowadza się do tego, że powietrze wlatujące od strony przedniej najpierw jest sprężane w sprężarce niskiego a potem wysokiego ciśnienia, po czym mieszane jest z paliwem w komorze spalania. Spalanie mieszanki w komorze powoduje powstanie gazów wyrzucanych z tyłu silnika. Po drodze wyrzucane gazy poruszają dwie turbiny, dające napęd do sprężarek: wysokiego i niskiego ciśnienia. Turbiny obracają się z różnymi prędkościami. Część powietrza ze sprężarki niskiego ciśnienia przemieszcza się po zewnętrznej stronie obudowy komory spalania. To powoduje częściowe schłodzenie komory, podobnie jak i turbiny napędowej dla sprężarki niskiego ciśnienia. Dokładniejsze informacje można znaleźć w dokumencie [1].

Opis pracy silników i stanu, w jakim znajdowały się silniki po katastrofie można znaleźć w dokumencie [2]. Najbardziej interesujące jest jednak zachowanie się silników po zejściu przez samolot do wysokości, na której zaczęły się zderzenia z przeszkodami na ziemi.

Zasadnicze parametry pracy silników od momentu odłączenia automatu ciągu o godzinie 8:40:56.5 (nie mylić z odłączeniem sterowania kanału podłużnego przez ABSU około 8:40:55) wynikają z ustawienia manetek gazu przez pilotów. Jeden zestaw manetek mają w zasięgu piloci: pierwszy i drugi, osobny zestaw manetek ma też mechanik pokładowy. Jak można zobaczyć na rysunku 2, piloci kontrolowali w pełni położenie manetek do momentu zderzenia z brzozą. Od tego momentu, gdy samolot zaczął się przechylać, manetki wycofują się z poprzedniej stabilnej pozycji, prawdopodobnie w wyniku pozostawienia ich bez kontroli.

Rysunek 2. Zmiany położenia manetek gazu

Rezultatem ruchów manetek gazu były zmiany obrotów silników, pokazane na rysunku 3. Zwraca uwagę to, że w ostatniej sekundzie lotu spadają obroty silnika S1, mimo tego, że jego manetka gazu ma pozycję podobną jak w przypadku S2 i S3. Jak widać na wykresie 4, dzieje się to równocześnie ze wzrostem temperatury gazów, w stopniu większym niż w przypadku S2 i S3. Można z tego wnioskować, że pojawiło jakieś zaburzenie pracy silnika S1, prawdopodobnie w wyniku trafienia do niego ściętych odłamków gałęzi i uszkodzenia sprężarki niskiego ciśnienia dostarczającej strumienia powietrza do komory spalania i strumienia chłodzącego elementy silnika. W rezultacie ograniczenia dopływu powietrza do komory spalania nastąpiło zmniejszenie ciśnienia gazów i co za tym idzie zmniejszenie obrotów turbiny napędzającej sprężarkę. Natomiast wzrost temperatury gazów za turbiną jest rezultatem ograniczenia dopływu powietrza chłodzącego z tej samej sprężarki.

Rysunek 3. Zmiany obrotów silników

Rysunek 4. Zmiany temperatury gazów

Zmiany wibracji niektórych elementów składowych silników można prześledzić na rysunkach 5, 6 i 7. Pokazują one kolejno wibracje turbiny napędzającej sprężarkę niskiego ciśnienia (WxN1), wysokiego ciśnienia (WxN2) i tylnych podpór silników (WIBRx). Dwa pierwsze pomiary zapisywane były tylko przez rejestrator ATM-QAR, który ze względu na swoją konstrukcję nie mógł już zapisać pomiarów z ostatniej 1.5 sekundy lotu.

Rysunek 5. Wibracje zespołu sprężarki niskiego ciśnienia

Rysunek 6. Wibracje zespołu sprężarki wysokiego ciśnienia

Rysunek 7. Wibracje tylnych podpór silników

Jak widać, pierwszy wzrost wibracji pojawił się w silniku S3 około godziny 8:40:58.5. Daje się to skojarzyć z kolizją lewego skrzydła i kadłuba samolotu z gałęziami drzew w odległości około 930 od progu pasa. Można ten punkt zlokalizować na rysunku 1 i 2 w notce:

http://gwant.salon24.pl/785465,katastrofa-w-smolensku-polozenie-zdarzenia-taws-38-w-poziomie

Prawdopodobnie jest to rezultat tego, że w momencie kolizji gałęzie (i ewentualnie oderwane fragmenty poszycia samolotu) zostały chaotyczne rozrzucone w różnych kierunkach i przypadkowo jeden z odłamków trafił do nadlatującego silnika S3 po prawej stronie. Nie można jednak wykluczyć tego, że do silnika dostał się jakiś przypadkowy przedmiot poderwany z ziemi w wyniku ruchu powietrza, spowodowanego przelotem prawego skrzydła samolotu.

Drugi wzrost wibracji turbiny sprężarek niskiego ciśnienia S1 i S2 pojawił się około 8:41:01.4, kiedy samolot potrącił kolejne drzewa. W tym czasie można zaobserwować także wzrost wibracji układów turbina-sprężarka wysokiego ciśnienia we wszystkich silnikach. Nie wydaje się jednak, aby był to wynik jakiegoś zakłócenia pracy silników – raczej jest to rezultat wzrostu obrotów turbin. Decydują o tym bezwzględne wartości tych wibracji, które są dwa razy mniejsze niż wibracje turbin niskiego ciśnienia. Nic nie wskazuje na to, aby do wnętrza któregoś z silników dostały się obce elementy, co musiałoby spowodować znaczny wzrost wibracji sprężarki i turbiny wysokiego ciśnienia.

W chwilę po czasie 8:41:01.4 zakończyły się dostępne zapisy parametrów przez rejestrator ATM-QAR i dlatego nie ma informacji o wibracjach turbin w momencie, gdy samolot znalazł się wśród kępy drzew. Z wykresu 6 wynika jednak, że silnik S1 wpadł w większe wibracje w ostatniej sekundzie lotu, co daje się skojarzyć z omawianymi wyżej efektami uszkodzenia sprężarki niskiego ciśnienia.

Należy zdawać sobie sprawę z tego, że omawiane tu zaburzenia pracy silników prawie do końca były bardzo nieznaczne. Zmierzone i zarejestrowane wartości parametrów mieściły się w dopuszczalnych zakresach, wyznaczonych przez stosowne normy. Sygnalizacje alarmowe wskazujące podwyższone wibracje i niesprawność silnika S1 pojawiły się dopiero w ostatniej sekundzie lotu, gdy samolot leciał bardzo blisko ziemi i w przechyleniu przekraczającym 90 stopni, co razem skutkowało kolizjami silnika z kolejnymi wpadającymi do niego gałęziami i być może innymi przedmiotami.

Bibliografia

[1] ДВИГАТЕЛЬ Д-ЗОКУ-154 2-й серии РУКОВОДСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

59-00-800РЭ http://www.avsim.ru/files.phtml?fileid=13301