Probleme der Maschinenelemente Systeme und Betriebsstoffe ... · Probleme der Maschinenelemente Koksbildung in einer Ölleitung Ölverkokung ist ein häufiges und gravierendes Problem,

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Systeme und Betriebsstoffe:Ölverkokung

Probleme der Maschinenelemente

Koksbildung in einer Ölleitung

Ölverkokung ist ein häufiges und gravierendes Problem, das sich mit dem Trend zu Leistungs-konzentration und Wirkungsgradsteigerung verschärft. Gewöhnlich ist die Hauptursache einezu hohe örtliche Temperatur im Ölsystem. Typische Stellen sind Durchführungen von Rücköl-und Entlüftungsleitungen in heißgasumströmten Lagerstreben (Bild 7.1.2-5 und Bild 7.1.2-7).Hier kann sich Ölkoks bis zum Blockieren des Strömungsquerschnitts aufbauen. Wände derheißteilseitigen Lagerkammern können sowohl im Betrieb als auch im Stillstand Koks aufbauen.Das ist der Fall, wenn die notwendige Wärmeisolation örtlich auslegungsbedingt nicht ausreichtoder beschädigt ist. Örtliche Koksablagerungen in Lagergehäusen können auch ein Indiz fürzeitweise, begrenzte Ölfeuer (Bild 7.1.4-6) sein.

Ölkoks entsteht nicht nur im Betrieb. Gerade nach dem Abschalten, wenn kein kühlender Durch-fluss vorhanden ist, können Wärmestrahlung und Wärmeleitung Überhitzungen mit Koksbildungauslösen. In diesem Fall sind auch Frischölleitungen betroffen. Ein weiteres Problem ist die Koks-bildung im Stillstand an Labyrinthen und Hauptlagern. Hier gelangt die Wärme aus den relativmassiven heißen Turbinenrädern über die Welle zum Lager (Heat Soaking, Bild 7.1.2-6.2).

Eine weitere Gefahr geht von abgelöstem Koks aus (Bild 7.1.2-7). Es kann sich sowohl um feinePartikel als auch um flächige größere Plättchen handeln. Sie setzen Durchflussquerschnitte wieÖldüsen oder Siebe zu. Entsteht so merklicher Ölmangel in den Lagern, wird die Gefahr einesumfangreichen Schadens akut. Gerät Koks auf Laufflächen von Wälzlagern, ist mit einer Abnah-me der Lagerlebensdauer infolge Ermüdungsgrübchen (Bild 6.3.1.1-4, Bild 6.3.1.1-5.1, Bild6.3.1.1-9 und Bild 7.1.2-4.1) zu rechnen.

Baut sich Koks in Labyrinthspalten oder zwischen konzentrischen Wellen auf, kann das An-streifvorgänge mit Überhitzung der benachbarten Bauteile, besonders der Wellen auslösen (Bild7.1.2-4.2). Ein Wellenbruch lässt das Durchgehen und Bersten eines Turbinenrads befürchten.

Es ist zu erwarten, dass die Neigung zur Ölkohlebildung mit der Betriebszeit durch Alterungs-prozesse und chemische Reaktionen mit Metallen des Ölsystems zunimmt.

7.1.2 Ölverkokung

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Bild 7.1.2-1 (Lit. 7.1.2-3, Lit. 7.1.2-4 und Lit.7.1.2-12): Viele Einflüsse beruhen auf der Bil-dung von Ablagerungen bzw. Ölkoks. Sie kön-nen in komplexer Weise zusammenwirken. DasVerständnis der Entstehungsmechanismenund der Abscheidung in Abhängigkeit von denBetriebsbedingungen ist eine Voraussetzungfür gezielte Abhilfen. So lässt sich gegebe-nenfalls aus einem Lagenaufbau auf die Ab-scheidungsgeschwindigkeit und damit auf denEntstehungsvorgang schließen (Bild 7.1.2-3.2). Auch die Härte der Ablagerungen kannhilfreich sein. Diese Befunde zusammen mitdem Aussehen (Bild 7.1.2-2.1 und Bild 7.1.2-3.1) ermöglichen bereits einigermaßen fundier-te Rückschlüsse auf wichtige Entstehungs-parameter. Dies lässt sich mit mikroskopischenStrukturuntersuchungen absichern (Bild7.1.2-2, Lit. 7.1.2-3). Im Folgenden werden sol-che Effekte genauer betrachtet.Diagramm A: Bereits bei normaler Tempera-tur verändert Öl über typische Betriebszeitenin Triebwerken seine Eigenschaften. Es entste-hen Säuren (Kenngröße: Total Acidity Number= TAN), verdampfen flüchtige Bestandteileund Moleküle werden in leichter flüchtige Be-standteile gespalten oder polymerisieren (ver-binden sich) zu größeren Molekülen. Dabeisteigt die Dichte und Viskosität. Äußeres An-zeichen für solche Veränderungen des Öls isteine dunkle Verfärbung. Sie wird in Kontaktmit einer deutlich über 200 °C heißen Ober-fläche merklich beschleunigt. Unterstützendwirkt der Kontakt mit Luft (Oxidation). Staub-partikel aus der Ansaugluft, besonders zusam-men mit angelagertem Salz (Meeres-atmosphäre) unterstützen den Vorgang zusätz-lich. Sie gelangen über Leckluft der Labyrinth-dichtungen (z.B. an den Lagerkammern) in dasÖl. Dort wirken sie wie Kondensationskeimeauf die Koksbildung im Öl. Diese Veränderun-gen begünstigen wiederum die Neigung des Ölszur Bildung von Ablagerungen. Ist Öl alsobereits „gealtert“, neigt es noch mehr zurKoksbildung. So vermindert die Häufigkeitvon Ölwechseln oder das Nachfüllen dieKoksbildung.

Diagramm B: Oberhalb von 200 °C kommt eszu einer sprunghaften Viskositätsveränderungals Schädigungsmerkmal des Öls. Betriebszu-stände wie Startfrequenz und Manöver, die sichauf die Leistungsabgabe und damit auf dasTemperaturniveau im Triebwerk auswirken,spielen deshalb eine überproportionale Rolle.Wird der Öldurchfluss, z.B. bei besonderenFluglagen im militärischen Betrieb (z.B. Rü-ckenflug) verringert (Lit. 7.1.2-2), fördert dieseinen Temperaturanstieg.Diagramm C: Nicht nur die Oberflächen-temperatur der ölbenetzten Fläche, auch dieArt wie das Öl aufgebracht wird und der Zeit-ablauf spielen eine wichtige Rolle für die Koks-bildung. In erster Linie unterscheidet man denKontakt mit einer Ölschicht (Bild 7.1.2-2, sta-tische Bedingungen) von aufgesprühtenTröpfchen oder schnell wechselnderBenetzung (dynamische Bedingungen). Wiezu erkennen, ist die Ablagerungsmenge tempe-raturabhängig sehr unterschiedlich. Unter sta-tischen Bedingungen ergibt sich ein ausgepräg-tes Maximum im Bereich hoher Betriebs-temperaturen. Bei extremen Temperaturen sinktdie Ablagerungsrate aber wieder. Unter dyna-mischen Bedingungen steigt sie dagegen ex-ponentiell an.Diagramm D: Gegenüber dem temperatur-abhängigen Koksaufbau („C“) kehrt sich dasVerhalten in Abhängigkeit vom Luftstromgeradezu um. Je stärker dieser ist, umso grö-ßer ist die Ablagerungsmenge unter dynami-schen, und umso kleiner bei statischen Bedin-gungen (siehe Erklärung in Bild 7.1.2-2).Diagramm E und F: Erstaunlicherweise nimmtunter dynamischen Bedingungen mit steigen-der Sprührate (Menge des aufgesprühten Ölsin der Zeit) die Abscheidungsmenge ab (sieheErklärung in Bild 7.1.2-2). Das Gegenteil istunter statischen Bedingungen der Fall.Diagramm G: Betrachtet man die Zeit-abhängigkeit der Ölkoksbildung, nimmt diesein allen Fällen anfangs linear stark zu, um dannwieder abzunehmen. Die Härte der Ablagerun-

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Zeit [h]

Menge derAblagerungen

Härte derAblagerung

0 6 12

1

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0,50

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Einfluss der aufgebrachten Ölmenge auf die Ablagerungsrate

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dynamischeBedingungen

relative Ölsprührate[%]0 50 100

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Flugtriebwerksöl MIL-23699

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statische Bedingungen

relative Ölmenge pro Fläche[%]0 50 100

Flugtriebwerksöl MIL-23699

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relativer Luftstrom [%]Temperatur [°C]250 300 350 400

100

50

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Einfluss des Luftstroms auf die Ablagerungsrate

Einfluss der Oberflächentemperaturauf die Ablagerungsrate



0 150 200 250V

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Luftfahrtöl Typ 2

Temperatur [°C]Betriebszeit [h]

Nur wenige °C entscheiden über Probleme im Betrieb, z.B. in Rohr-leitungen im Heißteilbereich.

0

0 100

1

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°C

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°C

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/cm

3]

Lichtdurchlässigkeit

Säurezahl

Dichte

Viskosität

Veränderung kennzeichnender Ölparameter inAbhängigkeit von der Betriebszeit für einLangstreckentransportflugzeug (nur Tendenzen!)

0 300 600 900 1200

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[%]

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N)

Einflüsse auf die Bildung von ("Koks") Ablagerungenin heißen Ölsystemen.

Diese Diagramme entstandenaus Ergebnissen von Labor-versuchen mit unterschiedlichenVersuchsaufbauten und bestimmtenÖlen. Sie können deshalb nur die Tendenz der Einfl üsse aufzeigenund sind als Absolutwertnur begrenzt aussagefähig.

Einfluss der Zeit auf die Mengeund Konsistenz der Ablagerungen

AB

CD

EF

G

Bild 7.1.2-1

gen steigt ebenfalls mit der Zeit linear deut-lich an. Die Kurve verflacht jedoch ab einembestimmten Zeitpunkt.

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Einflüsse welche die Bildung von "Koks"-Ablagerungen im Ölsystem begünstigen, sind sowohlvon den Betriebsbedingungen als auch von der Konstruktion abhängig :

- Hohe Oberflächentemperaturen - Langsamer Ölfluss oder geringer Ölaustausch an heißen Oberflächen - Hohe Öltemperatur - Hohe Lufttemperaturen und große Luftvolumina - Feine Verteilung (Versprühung) von Öltröpfchen auf Oberflächen und in der Luft - Partikel im Öl - Öl und Kunstharzschichten auf vorhandenen Partikeln

"A" Öldampfgefülltes Gefäß mit heißer Probe. Benetzungmit Öldampf.

"B" Sprühen vonÖltröpfchen auf eine heiße Wand(dynamischer Test).Benetzung in flüssiger Phase.

ca. 10 m

"E" Von einemÖlfeuer bzw.dessen Gasenbeaufschlagte Oberfläche.

"D" Einmaligölbenetzte heißeWand (statischerTest). Benetzung in flüssiger Phase.

"C" Wiederholt ölbenetzte heißeWand (dynamischerTest). Benetzung in flüssiger Phase.

Der Fachmann kann aus Struktur, Dicke und Homogenität einer "Koks"-Ablagerung auf die Entstehungsbedingungen schließen.

Erscheinungsformen ölbedingter Ablagerungen ("Ölkoks")

Gleichmäßige glatte dünne Schicht, lackartig. Zuerst braun und klebrig, dann hart,spröd und glasartig. Nach längerer Zeit matt und rissig. Splittert ab.

Matte, rußartige Schicht unterschiedlicher Dicke

Körnige dichte Schichten. Häufig mitKügelchenstruktur. Oft auf einer glatten homogenenUnterschicht.

Matte oder glänzende Krusten unregelmäßiger DickeLagenaufbau

A B C D E

?

Bild 7.1.2-2.1 (Lit. 7.1.2-1, Lit. 7.1.2-4 undLit. 7.1.2-12): Koksablagerungen können eingroßes Gefahrenpotenzial darstellen. Um die-sem gezielt zu begegnen, ist es erforderlich, dieEntstehungsursachen bzw. -bedingungenmöglichst genau zu identifizieren. Dabei hilftdie Beobachtung, dass offenbar bestimmte Pa-rameter (Bild 7.1.2-1) im Zusammenhang mit

Bild 7.1.2-2.1

charakteristischen Ablagerungsmerkmalen(Bild 7.1.2-3.1) stehen. Wie es dazu kommt, las-sen spezifische Verkokungsversuche (mittlereSkizzen) erkennen.

„A“: Von Öldampf beaufschlagte heiße Wand(Schichtstruktur siehe „III“ in Bild 7.1.2-3.1).Diese Bedingungen herrschen beispielsweise

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ca. 10 cm

Plastisch verformte Hohlwelle nach einem Zwischenwellen-feuer.

Bereich ohneKoksbelag mit Anzeichen extremer Überhitzung

kältere Zonen mit rauer Ölkoksschicht

im Leckluftstrom aus einer turbinenseitigenLagerkammer zwischen Wellen mit Wandtem-peraturen um 300 °C . Im Stillstand können bei„Heat Soaking“ in Lagerkammern oder Rohr-leitungen ähnliche Bedingungen auftreten. Dasist in Entlüftungsleitungen/Ventlines währenddes Betriebs zu erwarten. Verlaufen diese senk-recht, unterstützt das Ablaufen des Ölfilms denVorgang

„B“: In einem Triebwerk gibt es durchaus Be-reiche wie Wände von Lagerkammern oderLagerkäfige, wo Öltröpfchen auf eine heißeWand sprühen (Schichtstruktur siehe „II“ inBild 7.1.2-3.1). Sie können von Öldüsen-strahlen und deren Rückspritzern stammen.Auch beim Abschleudern aus rotierenden Tei-len wie Käfigen entstehen entsprechendeÖltröpfchen.

„C“: Ähnliche Ablagerungen wie bei einemÖlnebel (Schichtstruktur siehe „II“ in Bild7.1.2-3.1) erzeugt eine wiederkehrende Benet-zung mit einem nicht konstanten Ölstrom. Einesolche Situation dürfte beispielsweise inRückölleitungen zu finden sein.Mit einer geeigneten Probenpräparation be-steht die Chance aus der Schichtstruktur (Bild7.1.2-3.2) Rückschlüsse auf Häufigkeit, undZeitabstände der Schichtbildung zu ziehen. Da-mit lassen sich Betriebsbedingungen und ur-sächliche Einflüsse (z.B. zeitweise Leckagen)identifizieren.

Bild 7.1.2-2.2 (Lit 7.1.2-2): Schaden an einerTurbinenwelle nach einem Ölfeuer. DieseWelle eines Mehrwellentriebwerks läuft mit en-gem Abstand in einer äußeren Welle. Die ex-trem hohe Temperatur im Bereich des Ölfeuershat Koksablagerungen verbrannt und die Wellebis zur plastischen Verformung erweicht. Diedicken Koksschichten auf beiden Seiten derÜberhitzungszone dürften vor dem Feuer vonhäufigen öldampfführenden Leckgasen aus ei-ner turbinenseitigen Lagerkammer erzeugtworden sein (Bild 7.1.4-7 und Bild 7.1.4-8).

Bild 7.1.2-2.2

„D“: Solche Bedingungen können beispiels-weise im Ölsumpf eines Hauptlagers auftre-ten (Schichtstruktur siehe „I“ in Bild 7.1.2-3.1).Bilden sich hier Ölpfützen, sind diesebesonders von Koksbildung betroffen (PuddleCoking).

„E“: Im Bereich brennenden Öls werden be-nachbarte Flächen sehr schnell (Bruchteile vonMinuten) auf Temperaturen über 700°C auf-geheizt. Dabei kommt es zum Verbrennen vor-handener Koksablagerungen. Diese Flächensind dann belagsfrei und weisen Überhitzungs-merkmale wie plastische Verformungen undOxidation auf. In Richtung niedrigerer Tem-peraturen befinden sich meist bereits nicht ver-brannte, oft sehr raue und dicke Koksab-lagerungen aus Öldampf (Bild 7.1.2-2.2). Eshandelt sich um ein Zeichen, für häufig auftre-tenden Öldampf. Besonders interessant ist diesin unerwarteten Bereichen. Sie sind ein Zei-chen für, zumindest zeitweise, Leckagen. Oftgibt es eine Verbindung zu Labyrinthen, dieölführende Bereiche wie Lagerkammern ab-dichten. Situationen mit Öldampfaustritt ent-stehen z.B. bei militärischen Triebwerken wäh-rend besonderer Manöver und hohenFluggeschwindigkeiten in Bodennähe (Bild7.1.4-3, und Bild 7.1.5-7, Lit 7.1.2-2).

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Wiederkehrende oder einmalige Benetzung heißer Metallflächen durch Öl bzw.einen Ölfilm bei kleinem Ölvolumenim Verh ältnis zur Metalloberfläche.

Kurze Verweilzeit für die Verkokung

Ablagerungen mit Lagen dieden Betriebszyklen zuordenbar sind

Glänzende glatte Oberfläche. Bei einwirkendem Fliehkraftfeld bilden sich "Stacheln" aus.

Belag kann abplatzen oder aufrollen

Erscheinungsformen von Ölkoks weisen aufEntstehungsbedingungen hin.

Metalloberfläche

"Stacheln"

Metalloberfläche

Auftreffen feiner Öltröpfchenauf eine heiße Metallfläche.

Entsteht bei größeren Ölmengen proFläche

Lange Verweilzeit für die Verkokung

Unterschiedliches Oberflächen-aussehen von matt bis glänzend

Ablagerungen in dicken Schichtenund Klumpen

Erzeugt Klumpen oder größere Partikel.Hinterläßt saubere Metalloberflächen

Kontakt von Öldampfmit einer heißenMetallfläche

Entsteht durch einen ungenügendenWascheffekt bzw. Kühleffekt

Kurze Verweilzeit f ür die Verkokung

Matte Oberfläche

Kann Partikel unterschiedlicherGröße erzeugen

Metalloberfläche

I

II

III

Bild 7.1.2-3.1 (Lit. 7.1.2-3 und Lit. 7.1.2-4):Ablagerungen können sich aus Partikeln diebereits im Öl entstanden sind aufbauen. DiesePartikel sind Folge einer Art Kondensation umwinzige Fremdpartikel. Typisch ist metalli-scher Abrieb von Lagerlaufflächen, Käfigen,Zahnflanken und Vielkeilkupplungen. Auch die

Bild 7.1.2-3.1

angesaugte Luft bringt Partikel als Staub ein.An sie können sich in Meeresatmosphäre Sal-ze anlagern. Diese Teilchen gelangen bei-spielsweise mit Leckluft über Labyrinthe derLagergehäuse in das Öl. Solche ‘Hybrid-partikel’ können sehr unterschiedliche Anteiledes verharzten Öls (Harz) enthalten. Dieser Ef-

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Schnitt durch eine Koksablagerung mit Schichtbildung

plastisch deformierteSchicht

spröde Risse im bereits harten Belag.

offenbar zuletztgebildeter weicherporöser Schichtbereich.

gefüllterporöser Bereich

vom Innendruckdeformierte Zone

fekt lässt zwischen Reinölablagerungen (pureoil deposits) und Partikelablagerungen(Particle deposits) unterscheiden. Das ist miteiner chemischen Analyse auf einfache Weisemöglich.

„I“: Glatte, lackartige Schichten sind anfangsklebrig, mit leicht brauner Farbe, die mit derBetriebszeit dunkler wird. Dabei werden dieSchichten hart und glasspröd, mit steigenderTemperatur trüb und rissig. Einflüsse auf dasSchichtdickenwachstum sind den Diagrammen„C“ und „D“ des Bilds 7.1.2-1 zu entnehmen.Mit der Schichtdicke ändert sich auch die che-mische Zusammensetzung. Dazu gehört derWasserstoffanteil. Er wird bei der Polymeri-sation (Verharzung) frei.Unter statischen Bedingungen entsteht aus demÖlfilm eine harzartige Schicht. Diese härtetähnlich wie ein klarer Kunstharzlack aus. Beisteigender Substrattemperatur steigt mit derbenetzenden Ölmenge auch die Ablagerungs-menge. Wird die Temperatur jedoch sehr hoch,kommt es zum Verdampfen der leichteren Ver-bindungen. Damit nimmt das Ablagerungs-gewicht (nicht unbedingt die Dicke!) ab. DerBelag wird trüb und rissig. Einen ähnlichenEffekt erzeugt ein starker Luftstrom, der dieVerdampfung der Ölbestandteile beschleunigt.Denkbar ist, dass der Belag wegen der schritt-weisen Bildung eine bewertbare Schicht-struktur (Bild 7.1.2-3.2) aufweist. Sie ermög-

licht Rückschlüsse auf die Häufigkeit desBenetzungsereignisses.

„II“: Raue Schichten entstehen durch aufge-sprühteTröpfchen (dynamische Bedingungen).Auf der heißen Substratoberfläche entstehendabei Harzpartikel, die kleinste Öltröpfcheneinschließen. Sie können zu einem glatten Be-lag verschmelzen. Verdampfen die im Harz ge-fangenen Ölreste, entsteht eine raue und po-röse Struktur.Sinkt mit der Schichtdicke die Temperatur aufGrund von deren Isolationswirkung, können dieeinzelnen Harzpartikel der nachfolgendenSchicht nicht mehr verschmelzen. Unter derOberflächenspannung bilden die weichenTröpfchen Kügelchen. Diese haften zwar anein-ander, bilden jedoch keine glatte Schicht.Inwieweit dieser Mechanismus überwiegt istunklar. Tröpfchen können auch bereits imheißen Luftstrom zur Kugelform aushärten undso ein Pulver bilden. Steigt die Sprühmenge(dynamische Bedingungen), verkürzt das dieZeit für eine Aushärtung und verhindert aufdiese Weise Ablagerungen (Diagramm „E“inBild 7.1.2-1).Mit der Ölmenge erhöht sich die Menge derAblagerungen in Abhängigkeit von der Poly-merisationsgeschwindigkeit (Diagramm„F“in Bild 7.1.2-1). Der Grund ist, dass diePartikel nicht mehr fortgeschwemmt werden.

„III“: Die Ablagerungen aus der Dampf-phase werden von Temperatur und Zeit be-stimmt. Makroskopisch sind sie matt und kön-nen über längere Zeiten eine Kruste bilden. Üb-licherweise sind diese eher hart und dünn. Mi-kroskopisch liegt eine charakteristische „ku-gelige“ Struktur vor.

Bild 7.1.2-3.2

Bild 7.1.2-3.2 (Lit. 7.1.2-3): Das Bild zeigt diemikroskopische Aufnahme eines Schliffs durcheine Ölkoksablagerung. Deutlich ist eineSchichtenstruktur zu erkennen. Neben der

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bewertbaren Schichtzahl und -dicke sind wei-tere wichtige Merkmale erkennbar. Die bogen-förmigen Risse lassen auf einen plastischverformbaren, weichen Anfangszustand schlie-ßen. Dieser dürfte mit der Betriebszeit ausge-härtet und versprödet sein (Bild 7.1.2-1). Daszeigen von den gebogenen Rissen ausgehende,quer verlaufende Sprödrisse. Die Ummante-lung des gesamten Partikels mit einer porösenweichen Struktur (graue Umhüllung) lässtRückschlüsse auf die zuletzt herrschendenAbscheidungsbedingungen zu (Bild 7.1.2-2.1und Bild 7.1.2-3.1).

Bild 7.1.2-4.1 (Lit. 7.1.2-4 und Lit. 7.1.2-5):Ölverkokung kann sich auf sehr unterschiedli-che Weise auf Triebwerkskomponenten schä-digend auswirken. Das gilt nicht nur für dasÖlsystem selbst, sondern auch für Bauteileaußerhalb. Ein direkter Zusammenhang mussdabei nicht sofort erkennbar sein.

„A“: Das wohl häufigste Problem ist das gan-ze oder teilweise Zusetzen von Ölrohren. Ge-wöhnlich handelt es sich um Rückölleitungen(scavenge) die das heiße Öl mit Luft vermengt(Schaum) abtransportieren. Sie werden nichtwie eine Frischölleitung kühlend von Drucköldurchströmt. In der Frischölzufuhr sindÖldüsen gefährdet. Deren kleiner Austritts-querschnitt verstopft mit vom Öl transportier-ten Partikeln. In einer Frischölleitung und denÖldüsen selbst, kann auch Koksbildung auf-treten (Lit. 7.2.1-15). Dies ist der Fall, wennim Stillstand aus den umliegenden Heißteilendurch Wärmeleitung, Konvektion oder Strah-lung die leere oder nur teilweise gefüllte Lei-tung zu Temperaturen über 250 °C aufgeheiztwird (Heat Soaking). Diese Gefahr bestehtbesonders in Rohrzonen (Bild 7.1.2-5 und Bild7.1.2-7) die durch von Heißgas umströmte Stre-ben in turbinenseitigen Lagerträgern (HotStruts) geführt sind. Ein verminderter Öl-durchfluss ist für Lager und Zahnräderbesonders gefährlich (Überhitzung, Ver-schleiß). Gefährdet sind auch Entlüftungs-leitungen (Ventleitungen) die nur ein Gemischaus Öldampf und Luft mitführen, das zur Koks-bildung neigt (Bild 7.1.2-3.1 „III“)

„B“: Abblätternder Ölkoks wird vom Öl mit-geführt und kann die durchströmten Kompo-nenten schädigen. Dazu gehört das Zusetzenvon Filtern, Sieben und Wärmetauschern(Skizze „G“). Wie ein verminderter Öldurch-fluss ist auch eine Veränderung und/oder Ab-lenkung des Sprühkegels gefährlich für La-ger und Zahnräder.

Fortsetzung auf Seite 7.1.2-10

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Schädigende Wirkungen einer Ölverkokung

Beeinträchtigung des Wärmeaustauschs durch die isolierende Wirkung im RohrinnerenFolgen: zu heißes Öl, schnelle Alterung zu kalter Kraftstoff, Vereisungsgefahr

Verlegen durch ausbrechende Partikel von Filtern und Sieben Öldüsen Wärmetauschern/KühlernFolgen: Lagerschäden, Funktionsausfall

Erhöhte Leckraten in Öl- oder Luftströmungen durch die Beeinträchtigung von DichtungenFolgen: Gleitring-, Labyrinthschäden Lagerschäden, Ölfeuer mit Überhitzung von Rotorteilen

Verengung oder Blockierung von Frisch- und Rückölleitungen Entlüftungsrohren Entlüftern (Breathern)Folgen: Funktionsausfall, Ölmangel, Lagerschaden

Schädigung von Wellen durch Anstreifen an aufgebauten dickeren AblagerungenFolgen: Unwuchten Kerben Wellenbruch, Bersten von Scheiben

Schädigung von Ölpumpen (Zahnradpumpen) Verschlei ß Blockieren Ermüdung der ZahnflankenFolgen: Pumpenschaden mit Spänebildung Lagerschaden

Schädigung und Lebensdauerverkürzung von Wälzlagern beim Überrollen harter Partikel direkt abgelagert eingeschwemmtFolgen: Lagerschäden

Durchfluss vermindert, blockiert

Durchfluss vermindert,Sprühkegel abgelenkt

Überbrückung des Spaltsbei konzentrischen Wellen

Einschwemmen vonAblagerungspartikelnin Dichtspalte undGleitlager.

Ablagerung und/oder Eindringen von Partikelnzwischen die dichtenden Gleitflächen

Eingeschwemmte Ablagerungen in Sieben undFiltern

Überwalzung von Partikeln undAblagerungen

Kraftstoff

Kraftstoff

Öl Öl

Schlechte Wirkung einesÖl/Kraftstoff-Wärmetauschers

AA

B

C

D

E

F

GG

F

E

D

C

BB

Bild 7.1.2-4.1

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Welle derLeistungs-turbine

Gaserzeuger- welle

Koksbildung führtzum Anstreifen,Überhitzen undBruch der Gas-erzeugerwelle

In ca 0.02 Sekundennach dem Wellenbruchbeschleunigt der Gaserzeuger auf Bruchdreh-zahl der Turbinenr äder.

„C“: Werden Gleitring- oder Labyrinthdich-tungen durch Partikel im Leckstrom verschlis-sen, steigt die Menge austretenden Lecköls. Soverstärkt sich der Vorgang selbst. Das kann zurÖlkohlebildung außerhalb des Ölsystems füh-ren. Damit entsteht die Gefahr von gefährli-chen Anstreifvorgängen (Bild 7.1.2-4.2 und Lit.7.1.2-16) und im Extremfall ein Ölfeuer(Kapitel 7.1.4). Verkokt in Labyrinthspalten imStillstand Öl, kann dies eine Schwergängigkeitbis zum Festsitzen des Rotors bewirken. Diepotenziellen Folgen sind Startprobleme bis zurGefahr einer Überhitzung der Turbine. Ähnli-che Probleme sind auch bei Bürsten-dichtungen (Kapitel 6.10.3.2) nicht auszu-schließen. Hier ist eine Zusetzung der Bürstemit Versteifung und Beeinträchtigung derFunktion (elastische Nachgiebigkeit) zu erwar-ten.

„D“: Wälzlager sind in erster Linie indirektdurch Einschwemmung von Kokspartikeln mitdem Schmieröl gefährdet. Damit ist Laufbahn-und Käfigverschleiß (Bild 6.3.1.1-20) sowieeine merkliche Verkürzung der Ermüdungs-lebensdauer der Laufflächen verbunden. ImStillstand besteht besonders bei turbinen-seitigen Lagern Heat Soaking-Gefahr. Die Fol-ge ist Verkokung des Lagers und seiner Um-gebung mit beträchtlich schädigender Wirkung(Bild 7.1.2-6.1, Bild 7.1.2-6.2 und Bild 7.1.2-7).

„E“: Zahnradpumpen (Bild 6.4.1-19, Lit.7.1.2-17) werden im Ölsystem als Frischöl- undRückölpumpen eingesetzt. Eingeschwemmteharte Ölkokspartikel können die Zahnflankenverschleißen und zur Ermüdung beitragen(Bild 6.4.1-3). Dieser metallische Abrieb kannweitere Folgeschäden, beispielsweise in La-gern, verursachen. Gefährlich ist auch, wennvom Quetschöl abrasive Partikel in die seitli-chen Dichtspalte geraten und Verschleiß ver-ursachen. Damit fällt der Wirkungsgrad, d.h.die Fördermenge ab.

„G“: Ölkoks wirkt wärmeisolierend. Das be-einträchtigt die Kühlung des Öls in den Rück-ölrohren. So kann das Temperaturniveau desÖls ansteigen, was die Alterung weiter be-schleunigt bzw. die Öllebensdauer verkürzt.Das begünstigt die Koksbildung in heißeren Be-reichen des Ölsystems.Wärmetauscher (Bild 7.1.3.2.2-1.2) dienen derVorwärmung des Kraftstoffs, um bei Wasser-gehalt Vereisung zu vermeiden (Lit.7.1.2-17).Gleichzeitig wird die Öltemperatur abgesenkt.Werden Kokspartikel eingeschwemmt, könnensich diese ablagern. Das verschlechtert denWärmedurchgang und beeinträchtigt dessenFunktion.

Fortsetzung von Seite 7.1.2-8

Bild 7.1.2-4.2

„F“: Zu dickeren Lagen aufgebaute Ölkohlekann gefährliche selbstverstärkende Anstreif-schäden auslösen. Ein Beispiel ist die Ölkohle-bildung zwischen konzentrischen Wellen (Bild7.1.2-4.2, Beschreibung Bild 7.1.2-6.2). DerAnstreifvorgang führte über Aufheizung undVerschleiß zum Wellenbruch. In diesem Fallführt das Durchgehen der Turbine zum Bers-ten eines Rades.

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Heißgas Heißgas

Heißgas Heißgas

Wärmestrahlung

Wärmestrahlung

Wärmestrahlung

Wärmestrahlung

Lagergehäuse:Hotspot mitKoksbildung und Ölfeuer

Rückölleitung:Koksbildung mit VerstopfungRissbildung mitÖlfeuer und Leckagen

Entlüftungsleitung:- Koksbildung mit Verstopfung- Rissbildung mit- Ölfeuer und Leckagen- Verstopfen des Entlüfters (breather)

Rissbildung in der Lagerkammer mitHeißgaseinbruchund Ölaustritt

Kokspartikel könnendie Rückölpumpebeschädigen

Verstopfen von Filternund Sieben

Frischölleitungen:Verstopfung der Ölzufuhr,insbesondere der Öldüsedurch mitgeführte Koks-partikel oder Verkokung

Lagerschaden durchKokspartikel (Laufbahn-ermüdung), Schmier-mittelmangel und Überhitzung.Folge: Rotorversatzund Wellenbruch.

ÖlzufuhrEntlüftung

Rücköl

Typische Probleme von Lagerkammern im Hei ßteil-bereich im Zusammenhang mit der Bildung von Ölkoks.

Schädenan Dichtungen(Gleitring, Labyrinth)mit Ölaustrittund Ölfeuer

Wellenschäden nachDichtungsschadenoder durch Anstreifenan Ölablagerungen

Leitungen im Bereich einer Heißteillagerkammer sind von Ölkoksbildung bedroht:- Frischölleitung- Rückölleitung- EntlüftungDieses Problem ist vonvielen, sehr unterschiedlichenTriebwerkstypen bekannt undhat schon zu umfangreichenSchäden geführt.

Bild 7.1.2-5

Bild 7.1.2-5 (Lit. 7.1.2- 2, Lit. 7.1.2-8 und Lit.7.1.2-9): Das in der oberen Skizze dargestellteHubschraubertriebwerk hatte nach seiner Ein-führung in den 80er-Jahren große Probleme.Sie waren auf Verkokung von Leitungen imÖlsystem zurückzuführen (Beispiel 7.1.2-1).

Auch von einer Vielzahl anderer großer (Bild7.1.2-7) und kleiner Triebwerkstypen (Bild7.1.2-6.1) sind Probleme und Schäden im Zu-sammenhang mit Ölverkokung bekannt gewor-den. Überwiegend handelt es sich um den Be-reich der turbinenseitigen Lager bzw. Lager-

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kammern. Deshalb wurde das Beispiel einertypischen turbinenseitigen Lagerkammer (Rah-men unten) mit der zugehörigen Peripherie ge-wählt. So lassen sich die mit Verkokung zusam-menhängenden Probleme aufzeigen.

Frischölleitung und Öldüse (Bild 7.1.2-7):Eine anhaftende Verkokung in der Leitung istim Ölstrom offenbar weniger wahrscheinlich.Die Bedingungen, dass sich ein Koksbelagbildet, erscheinen nach dem Abschalten desTriebwerks sehr viel wahrscheinlicher (Bild7.1.2-3.1 „I“). Diese Beläge können ensprech-end Bild 7.1.2-4.1 „A“ und „B“ Schäden ver-ursachen.

Lagerschäden können von Ölmangel oder ein-geschwemmten Kokspartikeln aus Öldüse oderKäfig ausgelöst werden (Bild 7.1.2-4.1 „D“).

Dichtungen der Lagerkammer gewährleisteneinen Druck in der Lagerkammer, der einÖlleck verhindert. Meist handelt es sich um La-byrinthe. Auch Gleitringdichtungen (Bild6.10.2.2-1) und in letzter Zeit Bürsten-dichtungen (Kapitel 6.10.3.2) kommen zumEinsatz. Versagende Dichtungen können jenach Druckgefälle Heißgaseinbruch oderÖlaustritt ermöglichen. Im Extremfall ist indiesen Fällen die Zündung eines Ölfeuers (Ka-pitel 7.1.4) außerhalb oder innerhalb derLagerkammer möglich. Weitere Schäden wiegefährliche Anstreifvorgänge beschreibt Bild7.1.2-4.1 „C“.

Lagergehäuse: Dazu gehören auch die abstüt-zenden Streben. Kommt es zur Rissbildung, z.B.durch Vibrationen oder Thermoermüdung, be-steht die Gefahr eines Heißgaseinbruchs (Bild7.1.4-9) mit Ölfeuer.

Entlüftungsleitungen (Ventleitungen): Diedurchtretenden Dämpfe und Gase gewährleis-ten lediglich eine wenig effektive Kühlung.Damit können sich die Rohre, insbesondere imBereich heißer Streben, stark aufheizen (Bild

7.1.2-7). Öldampf und großes Luftangebot be-günstigen Koks (Bild 7.1.2-3.1 „III“). Eineweitere Gefahr besteht in Ermüdungsrissen alsFolge von Wärmespannungen zwischen Rohrund Turbinengehäuse (Bild 6.11.1.2.1-4). Ein-brechendes Heißgas kann über die leicht-entzündlichen Dämpfe ein Feuer auslösen. Dasist in der Lage, sich auch über längere Leitun-gen auszubreiten. Ein Entlüfter (Breezer) trenntdas Öl von der Gasphase und bringt es in denKreislauf zurück. Er kann von abblätternderÖlkohle verstopft werden.

Rückölleitungen (Scavenge-Leitungen): Indiesen ist der Ölfluss so gering, dass sichbereits im Betrieb Ölkohle ablagern kann (Bild7.1.2-3.1 „I“ und „II“). Dies wird von hohenRücköltemperaturen unterstützt. Die Auf-heizung im Betrieb und nach dem Abstellenkann die Temperatur der Rohrwandungen ge-fährlich ansteigen lassen. Lagern sich zusätz-lich eingeschwemmte Partikel aus der Lager-kammer ab, kann das die Bildung von Koks un-terstützen (Bild 7.1.2.2-1).

Ölsystemkomponenten wie ZahnradpumpenBild 7.1.2-4.1 „D“ und Wärmetauscher/Ölkühler Bild 7.1.2-4.1 „G“ sind von Parti-keln die aus der Lagerkammer eingeschwemmtwurden gefährdet.

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verfahren möglich. Diese ist deutlich aussage-fähiger als die bisher angewandte spektrome-trische Analyse (SOAP, Bild 7.2-1 und Bild7.2-2.1) von Ölproben, deren Säuregehalt(TAN) gemessen wird. Zusätzlich werden dieAnzeigen der Chip-Detektoren genau ver-folgt.Gleichzeitig wurde ein weniger verkokungs-empfindliches Schmieröl eingeführt. Diesesentspricht MIL-PRF-23699 HTS-Spezifikati-on (Bild 7.1.1-1) und ist für ca. 40 °C höhereÖltemperaturen geeignet.Darüber hinaus wurde eine Vorrichtung ange-bracht, die im Fall eines Lagerschadens einenaxialen Versatz der Welle begrenzt. Diese Vor-richtung schaltet bei Wellenbruch das Trieb-werk ab. So wird über die Kraftstoffzufuhr einDurchgehen der Maschine und die Gefahr ei-nes Turbinenradbruchs mit katastrophalen Fol-gen verhindert (Lit. 7.1.2-18).Zur Demonstration der Funktion wurde beimOEM in einem Versuch das Öl für 20 Minutenabgeschaltet. Zwar bewegte sich nach dem soerzwungenen Lagerschaden die Turbinenwellenach hinten, katastrophale Folgen blieben aberaus.

Kommentar: Diese Schäden gehen auf die80er-Jahre zurück. Es handelt sich hier um eineRekonstruktion aus einer Vielzahl vonLiteraturstellen. Deshalb sind Abweichungenin Details möglich. Beispielsweise ist nichtklar, inwieweit es zu Wellenbrüchen kam.Dabei besteht die Gefahr von Überdrehzahlenund Turbinenradbruch. Offenbar lösten aberauch Lagerschäden Unwuchten und gefährli-che Folgeschäden aus.

Beispiel 7.1.2-1 (Bild 7.1.2-5, Lit. 7.1.2-8 undLit. 7.1.2-9):Für ein Hubschraubertriebwerk wurden meh-rere ADs (Lufttüchtigkeitsanweisungen) her-ausgegeben die ein Verkokungsproblem inder Leistungsturbine behandelten. In denEntlüftungsleitungen (vent) innerhalb derGehäusestreben zur Turbinenlagerkammerbildete sich Koks. Leckendes Heißgas derDichtungen heizt diese Rohre stark auf. We-gen der Verkokung entstand Ölmangel undführte zu Hauptlagerschäden. Die Folge wardas Versagen von Rotorkomponenten mitBruchstückaustritt.Der betroffene Triebwerkstyp hatte wegenFertigungsproblemen und Leckagen ein sehrhohes Temperaturniveau.Offenbar wurde das Problem der Lagerschädendurch das von den Vorschriften abweichendeVerhalten des Wartungspersonals begünstigt.So zeigt die Ölanalyse in einem Fall sehr star-ken Metallabrieb. Dieser wurde jedoch nichtvon der Warnlampe im Cockpit angezeigt. DieKabel zum Chip Detektor waren bei der War-tung getrennt worden. In einem anderen Fallleuchtete zwar die Warnlampe mehrfach auf,der Pilot beachtete sie jedoch nicht.Erschwerend war wohl, dass der OEM nur sehrschwer an befriedigende Informationen derBetreiber gelangte. Diese beschränkten sichoft auf anfragende Telephongespräche.Der OEM entwickelte neue Dichtungen undführte einen 0,003mm-Ölfilter ein, der Koks-partikel zurückhält. Damit ist eine Ölanalyseder Filterrückstände nach dem Ferrografie-

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"Heat Soaking" bestimmt die Abstellprozedur einerMaschine. Abweichungen von den Betriebsvor-schriften beeinflussen Sicherheit und Kosten.

Die Triebwerke eines Verkehrsflugzeugs haben für eine Abkühlung der um das Ölsystem liegenden Bauteile während der Anfahrt zum Passagierausstieg ausreichend Zeit.Die Verkokungsgefahr ist relativ gering.

Die Triebwerke eines Hubschrauberssind gerade im Schwebeflug bis zum Aufsetzen hoch belastet. Sie müssen nach dem Landenbei Leerlauf abkühlen, um die Verkokungsgefahr zu minimieren.

Bild 7.1.2-6.1 und Bild 7.1.2-6.2 (Lit. 7.1.2-10 und Lit. 7.1.2-11): Triebwerke haben leis-tungsbezogen bzw. im Umsatz thermischerEnergie gegenüber Kolbenmotoren eine gerin-ge Ölmenge. Sie liegt je nach Triebwerksgrößezwischen 2 und 40 Liter (Bild 7.1-2). Von ihrwird sowohl die Schmierung als auch die Küh-lung der Lager und Zahnräder übernommen.Andererseits speichern Triebwerksteile(besonders Turbinenscheiben) mit hoherBetriebstemperatur und großen Massen erheb-liche Wärmemengen. Diese fließen im Still-stand ab und können ölgekühlte Nachbarbe-reiche so hoch aufheizen, dass es zur Verko-kung des Öls kommt (‘heat soaking’).Bei Verkehrsflugzeugen laufen die Triebwer-ke im Landeanflug und noch einige Zeit nachder Landung (Rollen) bei niedriger Leistungbzw. im Leerlauf. Das ermöglicht eine Abkühl-zeit des Triebwerks. Im Gegensatz dazu bietetdas übliche Einsatzprofil der Hubschrauberdies nicht. Es gibt keine Anflugphase mit nied-riger Triebwerksleistung und einem anschlie-ßenden Rollen bis zum Ausstieg. Ganz im Ge-

Bild 7.1.2-6.1

genteil, der Schwebeflug beim Landen des Hub-schraubers fordert eine hohe Triebwerks-leistung.Das dargestellte kleine Triebwerk hat das Pro-blem des „Heat Soaking“ (Bild 7.1.2-4.1 „A“).Dabei wird das Turbinenlager und der umge-bende Bereich der Lagerkammer nach dem Ab-schalten vom heißen Turbinenrad über dieWelle aufgeheizt. Die eingeleitete Wärme wirdwegen des im Stillstand fehlenden Kühlluft-und Frischölstroms ungenügend abgeführt.Das begünstigt besonders bei älterenTriebwerkstypen die Verkokung des Öls in derturbinenseitigen Lagerkammer.Aus diesem Grund wird das Triebwerk nichteinfach aus dem Betrieb abgestellt. Stattdes-sen schreibt der OEM den zeitlichen Ablaufbeim Abstellvorgang vor (Lit. 7.1.2-17).Im dargestellten Fall wird das Triebwerk vordem Abstellen einige Zeit (ca. 2 Minuten) imLeerlauf gehalten. Dabei sinkt die Abgas-temperatur von ca. 700°C auf ca. 400°C. Nachdem Abstellen hat die Luft im Abgasbereichnoch ca. 150°C. Sie erhitzt sich aber durch

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Die Verweilzeit im Leerlauf beim Abschalten einesMaschine ist unbedingt einzuhalten, sonst drohtVerkokungsgefahr.

123

4

1 Öldüse2 Labyrinth/Dichtungen3 Lager4 Lagerkammer und Ölrückleitung

ca. 5 cm

Bild 7.1.2-6.2

Heat Soaking wieder auf ca. 320°C. Diese Tem-peraturen zeigt im Cockpit das Instrument fürdie Abgastemperatur an.Neuere Triebwerkstypen mit digitaler elektro-nischer Regelung (Full Authority DigitalEngine Control = FADEC) müssen gewöhn-lich keine derartigen Abstellprozeduren einhal-ten. Ein Grund ist, dass verkokungsgefährdetesÖl abgepumpt wird und Ventile ein Nachlau-fen von Öl verhindern.

Bild 7.1.2-7 (Lit. 7.1.2-1): Dieses Beispielzeigt, wie langwierig und schwierigVerkokungsprobleme in den Griff zu bekom-men sind. Die Situation ist besonders an-spruchsvoll, wenn es sich um viele Triebwerkeeiner Flotte von Verkehrsflugzeugen handelt.Hier muss die Verfügbarkeit im Betriebaufrechterhalten werden. ETOPS-Betrieb (Lit.7.1.2-18) verschärfte das Problem.Das Lager im Turbinenaustrittsgehäuse zeig-te in mehreren Fällen Schäden, die sich auf Öl-Verkokungsprobleme in der Frischölzufuhr(!) zurückführen ließen. Aber auch Rücköl-leitungen zeigten starke Verkokung. Die Pro-bleme waren einem speziellen Öltyp nicht zu-ordenbar. Offenbar wurde Öl entsprechend derU.S.-Spec DOD-L-85734 AS (Bild 7.1.1.1-1)verwendet.Eine Untersuchung des OEM ergab, dass dieÖldüse des Lagers durch eine abgeplatzteKoksschicht aus der Frischölleitung verlegtwurde.Leider geht aus der vorliegenden Literaturnicht hervor, ob sich der Ölkoks im Stillstand

Merksatz: Die OEMs als Konstruktions-verantwortliche des Triebwerks müssen allekonstruktiven Möglichkeiten ausschöpfen, umpotenziell schädigende Koksentstehung zuverhindern.

Merksatz: Die Vorgehensweise einer Öl-umstellung und/oder -mischung ist detailliertfestzuschreiben und dafür zu sorgen, dass dasWartungspersonal sich genau daran hält.

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Ölverkokung kann die Hauptlager gefährden und ist damit sicherheitsrelevant.

Über dieGehäusestreben mit HeißgasbelüfteterRingraum

Frischölleitung zumLager

Koksbildung in aufgeheiztem Rohr, besonders auch nach dem Abschaltendes Triebwerks ("Heat Soak")

Verstopfung derÖldüse durchabgelösten Koksaus dem Ölrohrführt zum Lager-schaden.

Koksbildung inRohrkrümmung

Koksbildung in einer Ölleitung

Aufheizung der Ölleitung durch Strahlung undheiße Belüftungs-strömung

Bild 7.1.2-7

kurz nach dem Abschalten (heat soaking) oderwährend des Betriebs bildete. Der von denKoksablagerungen verringerte Ölfluss ver-minderte die Kühlung. Das beschleunigte dieVerkokung in der Frischöl- und Rückölleitungbis zur vollständigen Verstopfung.Offenbar war die Frischölzufuhr durch dieGehäusestreben bereits konstruktionsbedingtempfindlich für Verkokung (Rahmen unten).

Auf diese Erkenntnis reagierte der OEM miteiner Reinigungsvorschrift für die Werkstatt(shop). Es handelte sich um eine thermischeBehandlung mit dem Verbrennen (?) der Ab-lagerungen in den Ölleitungen (bakingmethod). So ließen sich die Schäden anschei-nend begrenzen.Nachdem jedoch weitere schwere Verkokungs-fälle auftraten, wurde die Ölsorte geändert. Die

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prüften Triebwerke bestanden den Test nicht.Nun wurde es offenbar hektisch. Mit einem ver-einfachten, vom Betreiber entwickelten Durch-blastest der potenziell betroffenen Leitungenwurden alle Triebwerke in wenigen Tagen über-prüft. Auf diese Weise konnten wahrscheinlichin etlichen Fällen Lagerschäden verhindertwerden.Die Durchflussprüfungen werden im monatli-chen Abstand wiederholt (beim A-check desFlugzeugs).Es erfolgte eine Umstellung der Prozedur desÖlwechsels von Ablassen und Auffüllen (drainand flush) auf Nachgießen (top-up method).Zusätzlich wurden die betroffenen Ölleitungendemontierbar gestaltet. Das erleichterte dieWartungsarbeiten in kritischen Bereichen.Untersuchungen des OEM ließen mit einerÜberwachung des Öldrucks (monitoring) zu-sätzliche Sicherheit erwarten.

gesamte Flotte des betroffenen Betreibers gingauf ein Öl nach U.S. Spec MIL-L-23699 TypeII (Bild 7.1.1-1) über. Dieses Öl hatte sich beianderen Betreibern bewährt. Man entschiedsich für einen Ölwechsel bei der gesamten Flot-te, um ein unkontrolliertes Mischen mit Ölender Triebwerkstypen anderer Flugzeuge desBetreibers zu verhindern. Für den Ölwechselschrieb der OEM ein Ablassen und Nachfül-len (drain and flush) des Ölsystem vor. MitWarnaufklebern wurde das Wartungspersonalvor einem Vermischen der Öle gewarnt.Leider wurde das Verkokungsproblem nach derÖlumstellung erst richtig ernst. Bereits einVierteljahr später, kam es zu einem Lager-schaden mit heftigen Vibrationen. GleicheSymptome traten kurz darauf an einem anderenTriebwerk auf. Ähnliche Erfahrungen machteein anderer Betreiber. Weitere Fälle mit Lager-verkokung folgten. Die Triebwerke hatten zwi-schen 500 und 1000 Start-Abstellzyklen nachder letzten Ölsumpfreinigung.Ein ungünstiger Einfluss ging offenbar von derReinigung der Rohre durch „Ausbrennen“aus. So nahm die Haftfestiggkeit verbliebenerKoksschichten ab. Nun konnten sie sich leich-ter im Betrieb lösen und den Ölfluss behindern.Das veranlasste den OEM zu einer Umstellungauf eine alkalische Spülung (flushing method).Weil jede Methode ihre spezifischen Vorteilehat, wendete der Betreiber nun vorsichtshalberbeide Methoden in Folge an.Es zeigte sich, dass die Art des Ölwechsels fürdas Abplatzen bereits vorhandener Koksab-lagerungen in der Frischölleitung entschei-dend ist. Verantwortlich war die hohe Additiv-konzentration im frischen Öl. Diese unterstütztein Ablösen des Koksbelags. Eine Verstärkungder Koksbildung als Folge vermischter alterund neuer Ölsorte ließ sich jedoch nicht aus-schließen.Eine Durchflussmessung an den Triebwerkenam Flügel war die einzige vorbeugende Prü-fung auf eine Blockierung der Öldüsen. Dieseerforderte eine spezielle Vorrichtung, die derOEM bereitstellte. Bereits die ersten so über-

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Detail vereinfacht, weicht möglicherweise etwas von derRealität ab.

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Mitteldruckturbine

"1" Scheibe"2" Welle"3" Hauptlager"4" Entlüftung (Vent) der Lagerkammer"5" Isolation der Entlüftung

Beim Steigflug in ca 7500 m Höhegab es eine Feuerwarnung am linken Triebwerk. Das Löschsystem wurde erfolgreich betätigt und das Flugzeug kehrte zum Ausgangs-flughafen zurück.Dort zeigte sich ein Schaden mit Bruchstückaustritt. Flügel und Schub-umkehrer waren beschädigt. Das Gehäuse der Mitteldruckturbine des Dreiwellentriebwerks war am gesamten Umfang gerissen und alle Schaufeln abgeschleudert.Der 1-stufige Mitteldruckturbinen-rotor war von der Welle getrennt.

Ölkoks in Entlüfungs- und Rückölleitung des Lagergehäuseswar die Ursache für diesen schweren Triebwerksschaden.

Bild 7.1.2-8

Bild 7.1.2-8 (Lit. 7.1.2-13 und Lit. 7.1.2-14):Der betroffene Flugzeugtyp ist für ETOPS 180zugelassen. Die Untersuchung des Schadens-triebwerks durch Behörden und OEM ergab:

Das Turbinengehäuse der Mitteldruckturbine(IPT) war am gesamten Umfang aufgerissen.Die Welle der IPT („2“) war im Bereich derhinteren Verschraubung zur Scheibe (‘drivearm’) im Bereich der Kühlbohrungen abge-

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wurden offenbar nur nach 3000 Stunden undeinem bestimmten Öl (ASTO 560) beobachtet.Dieses nahm der OEM aus der Liste anerkann-ter Öle. Seither wurden auch bis über 10 000Betriebsstunden keine nennenswerten Koksab-lagerungen festgestellt. Darauf brach man dieInspektionen ab. Deshalb war das erst späterzum Einsatz gekommene Schadenstriebwerkund dessen Paralleltriebwerk mit ca. 15 000Betriebsstunden bei ca. 2300 Zyklen seit Neunie überprüft worden.Weiteres Vorgehen:Nach dem Schaden wurden alle Triebwerke desbetroffenen Typs, unabhängig vom verwende-ten Öl, am Flügel überprüft. Dabei war eslediglich möglich, in den EntlüftungsleitungenAnzeichen für eine Verstopfung zu erkennen.Beschädigungen der Leitungen oder der Iso-lation waren so nicht zu finden. Etwa 180 Trieb-werke mit langen Laufzeiten zeigten Koksab-lagerungen, aber weniger als im akuten Fall.In drei Fällen waren jedoch 75% des Leitungs-querschnitts verlegt.Dann wurden bei Überholungen an 70 Trieb-werken die Rohrleitungen mit dem Wärme-schutz äußerlich inspiziert. In jedem zweitenFall war die Wärmeisolation in der kritischenZone (Nähe zur Lagerkammer) als auch im äu-ßeren Bereich (Nähe des Turbinengehäuses)gerissen, aufgeplatzt oder fehlte.Wahrscheinlicher Schadensablauf:- Beschädigte Wärmeisolation führt zu erhöh-ter Wandtemperatur.- Koksaufbau in der Entlüftungsleitung.- Selbstentzündung des Öls.- Überhitzung der Leitung und Lagerkammer.- Ölaustritt mit Ölfeuer.- Überhitzung der IPT-Welle bis Bruch.- Durchgehen der IPT.- Schwächung des Turbinengehäuses (An-streifen?) und Abschleudern der Beschau-felung mit Bruchstückaustritt.

trennt. Eine Werkstoffuntersuchung ließ aufBauteiltemperaturen über 1000°C schließen.Offenbar führte die folgende Überdrehzahl derfreien Turbinenscheibe („1“) zum Abschleu-dern aller Schaufeln. Die zugehörige Haupt-lagerkammer wies zwei Brandlöcher mitDurchmessern im Zentimeterbereich auf.Vom oberen Teil der Enlüftungsleitung (venttube, „4“) war lediglich noch ein kleines, amTurbinengehäuse befestigtes Reststück mit An-zeichen extremer Überhitzung vorhanden. DasLeitungsstück in der Lagerkammer fehlte bisauf ein kleines Stück. Die Wärmeisolation(„5“) war nicht mehr vorhanden.Eine Untersuchung des Paralleltriebwerks er-gab:Weiche, körnige Koksablagerungen in derEntlüftungsleitung im Bereich der Lager-kammerwand. Die Leitung wurde nicht voll-kommen blockiert. Diese Ablagerungen habenim Vergleich zum üblichen Koks in Entlüf-tungsleitungen eine ungewöhnliche Struktur.Sie unterstützt Selbstzündung (engl. auto-ignition, Lit. 7.1.2-13) und wirkt als Flamm-halter. Das beschleunigt den Koksaufbau. DieEntlüftungs- und Rückölleitung zeigte starkenaber entsprechend dem OEM nicht ungewöhn-lichen Frettingverschleiß. Die Wärmeisolation(„5“) um die Rohre fehlte.Zusätzliche Erkenntnisse:Der betroffene Betreiber war der Einzige derbei diesem Triebwerkstyp ein bestimmtes Öl(HJO 291) verwendet. Ein Verkokungstest er-gab jedoch keine Abweichungen von den Vor-schriften. Im Rahmen der Untersuchungenwurde festgestellt, dass die Ölzulassung offen-bar nicht ausreichend die Forderungen in denmodernen Fantriebwerken berücksichtigt.Frühere Vorkommnisse: Bereits ca. 10 Jahrevor dem Schaden wurden bei zwei Triebwer-ken an gleicher Stelle Verkokungen gefunden.Der OEM reagierte mit einem Service Bulle-tin. Es sah regelmäßige Boroskopinspektionen(alle 1500 Betriebsstunden) am Flügel vor.Gegebenenfalls hatte eine Reinigung des Rohrszu erfolgen. Bedenkliche Koksablagerungen

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7.1.2.1 Alterung von Ölen und Flüssigkeiten durchKavitation und elektrische Entladungen.

Bei Ölen und Flüssigkeiten für Hydrauliken aber auch in Ölschmierungssystemen kann maneine ungewöhnlich schnelle Dunkelfärbung beobachten (Lit. 7.1.2-19 und Lit. 7.1.2-20). Bei-spiele in der Literatur sind Servosysteme von Wasserturbinen, numerisch gesteuerte Werkzeugma-schinen, Extrusionspressen sowie die Druckölschmierung in Gasturbinen. Es ist eine Tendenz mitder Leistungskonzentration von Hydrauliken erkennbar. Betroffen sind nicht nur mineralischeÖle sondern auch unbrennbare Öle auf Phosphatbasis. Die Dunkelfärbung lässt sich nicht auf zuerwartende und ‘normale’, unbedenkliche, häufig über längere Zeit entstehende Verände-rung von Ölzusätzen (Bild 7.1.1-6) zurückführen. Auch ist die Flüssigkeitstemperatur im Ver-gleich zu Schmierölsystemen mit temperaturbedingten Verkokungen niedrig. So sind keine heißenBereiche wie hochtourige Wälzlager (Bild 7.1.2-6.2) mit ungenügender Wärmeabfuhr oderÖlleitungen mit hohen Temperaturen vorhanden. Solche Betriebsbedingungen sind eher für Gas-turbinen typisch (Bild 7.1.2-7 und Bild 7.1.2-8). In der Literatur werden dafür zwei ursächlicheEffekte verantwortlich gemacht bzw. vermutet.

- Kavitation in Form des Makro- und Mikro-Dieseleffekts (Band 1 Bild 5.5.1.3-12, Lit. 7.1.2-20 und Lit. 7.1.2-22). Erkennungsmerkmale und deren Kombination:- Deutlich zischendes bis zu einem prasselnden Geräusch.- Bei optischer Zugänglichkeit wahrnehmbare feinste Lichtblitze.- Ungewöhnlich schnelle Dunkelfärbung des Öls auf Grund von Überhitzungsprodukten (‘Ruß- partikel’ (< 1 ).Eine Unterscheidung von unbedenklichen Verfärbungsursachen im Zusammenhang mit den Ad-

ditiven dürfte mit den heutigen Analysenverfahren und Mikroskopen (REM) möglich sein. VorMaßnahmen in Richtung Kavitationsvermeidung sollte eine solche Klärung erfolgen.

- Schnelle Bildung von dunklem Schlamm und dunklen lackartigen Belägen.- Kavitationsmerkmale (Band 1 Kapitel 5.5.1.3) an strömungsführenden Wänden.- Elektrische Entladung als Folge des Flüssigkeitsstroms (Lit. 7.1.2-20 und Lit. 7.1.2-22). Ursache

ist Triboelektrische Aufladung (Band 1 Kapitel 5.1.2) Diese entsteht in Systemen mit strömenden Fluiden, insbesondree Hydrauliken. Kommt es zur Entladung mit

Empfohlene Maßnahmen gegenpotenziell gefährliches Ölverkokenin Schmierölsystemen:

Konstruktionsmerkmale:- Möglichst starker Öldurchfluss- Möglichst niedrige Öltemperatur- Möglichst niedrige Temperatur ölbenetzter

Wände (Isolation, Kühlung)- Keine scharfen Rohrbiegungen- Keine strömungshemmenden Querschnitte

Wartung:- Geeignete Reinigung der Komponenten des

Ölsystems- Überwachung der Ölparameter im Betrieb- Durchflussmessungen am Flügel.- Festgelegte Methoden des Wechsels und

Mischens von Schmieröl.

Öl:- Auswahl optimal betriebsspezifisch geeigneten Öls mit möglichst hoher thermischer Stabilität.

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Bild 7.1.2.1-1 (Lit. 7.1.2-19 bis Lit. 7.1.2-23):Maßnahmen können erforderlich werden wenneine unerwartet schnelle Alterung, insbeson-dere Dunkelfärbung durch ‘Rußpartikel’ (<1 ) auftritt. Dies gilt nicht für viele Schmier-systeme (z.B. hochtourige Lager, heiße Lager-kammern in Turbomaschinen , Kolbenmotoren)bei denen verkokende Öltemperaturen zu er-warten sind. Dagegen sind Anlagen mit eherniedrigen Betriebstemperaturen wie Hydrau-liksysteme verdächtig.Als Hauptursache für ‘Dieseleffekte’ (Band 1Bild 5.5.1.3-12) wird Kavitation verantwort-lich gemacht. Eine Implosion der Bläschenführt zu einer adiabatischen Erhitzung mit ho-hen Temperaturen (Diagramm unten links).Das kann offenbar bis zur Zündung des Öl-Luftgemischs in der Luftblase führen. Es sindFolgen einer Blasenbildung aus gelöster Luftim Öl/Fluid. Sie ist nicht zuletzt von dessenEntlüftungszeit bestimmt (Diagramm untenrechts). Es gilt deshalb bereits die Luftaufnah-me in der Flüssigkeit zu verhindern. Hier bie-ten sich als Maßnahmen an:- Pumpen die mit fester Drehzahl laufen unddabei einen konstanten Förderstrom erzeugen(z.B. Zahnradpumpen) sind ungünstig. Sie re-geln die Fördermenge mit einem Ölrücklauf,was zu mehr Turbulenzen führt. Das begünstigtdie Aufnahme von Luft. Dagegen wird zu Pum-pen mit dem Betriebszustand mit angepasstem

Funken bzw. Mikrolichtbögen können sowohl das Fluid/Öl als auch Komponenten (z.B. Filter, Lit. 7.1.2-22) schädigen. Solche Entladungen können sich auf verschiedene Weise be- merkbar machen:- Klick- und Knallgeräusche,- Optisch wahrnehmbare Effekte wie Blitze in Strömungsrichtung, Spitzenentladungen (Koronaentladung, ‘Elmsfeuer’ an metallischen Gehäusen (z.B. Filter)). Tritt auch als Büschelentladung auf, wenn man sich der Gehäuseoberfläche oder einem zu- gänglichen Austrittsstrahl mit einer geerdeten Sonde nähert. Flammeneffekt bei Einschalten der Anlage zwischen Ölstrahl und dem Filteraustritt (Gehäu- se) der deutlich oberhalb (Zentimeter) des Ölspiegels liegt.- Messung von Spannungsimpulsen- Schädigungen wie Brandspuren (z.B. an Filtern, Lit. 7.1.2-24) oder kleine Anschmelzungen an metallischen Rohrleitungen (Lit. 7.1.2-22).

Fördervolumen geraten. Hierzu gehörenKolbenpumpen (Skizzen oben).- Optimierung der Öltemperatur. Sie bestimmtdie Löslichkeit der Luft im Öl. Das lässt sichnutzen die Luftaufnahme zu minimieren und diekontrollierte Abscheidung zu maximieren (Di-agramm unten rechts).- Der Öldruck, insbesondere die Anstiegs-geschwindigkeit (Diagramm unten links) in derPumpe beeinflusst die Luftaufnahme der Flüs-sigkeit. Diese ist von der Auflösung der Luft-blasen durch Lösung in die Flüssigkeit be-stimmt.- Der Tank spielt in mehrfacher Hinsicht einewichtige Rolle (Rahmen). Je größer das Tankvolumen, umso länger hat die Flüssigkeit Zeit für die Entlüftung. Ansaugstutzen der Pumpe (Ansaughöhe) und Anordnung eines möglichst turbulenz- armen Rücköleintritts ohne Verspritzen. D.h. nicht oberhalb des Flüssigkeits- spiegels.- Luftabscheider und Siebe nutzen.

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Komponenten und Bedingungen die eine Fluidalterung durch Dieseleffekte beeinflussen.

Pumpen mit konstantemVolumenstrom vermeiden.Beispiel Zahnradpumpe.

Pumpen mit variablem Volumenbevorzugen. Beispiel Kolbenpumpe.

Kleine Füllmenge im Tank ungünstig:- Kurze Verweilzeit : Luft kann sich nicht abscheiden.,- großer Tank/Ölvolumen besser.

Die Öltemperaturbestimmt die Menge im Öl gelöster Luft.

Die Ansaughöhe bestimmt dieVerwirbelung der Strömung unddamit die Luftaufnahme.

RücklaufLuftaufnahme wird begünstigt durch- Eintritt über dem Spiegel,- Teilweise Füllung,- turbulente Strömung,- große Leitungslänge.- Möglichst großer Abstand zur Absaugung.

Tank

Luftabscheidung:- Siebe,- Abscheider,

Merkmale eines Ölsystems mitEinfluss auf die Luftaufnahme

frei nach Angaben von W.D.Phillips

Luftb

lase

nvol

umen

[mm

3 ]

500

400

300

200

100

00

100 200 300

Zündung

Druck imspeicher

Zündung von Luftblasen in Öl bei Dieseleffekt

Druckänderung [103 bar/s]

Tendenzen der Luftabgabe von Ölen

Temperatur [°C]

Ent

lüftu

ngsz

eit [

min

]

0 10020 40 60 800

50

40

30

20

10

Mineral-Turbinenöle

Hydrauliköleauf Phosphatbasis

übliche Angaben bei 50 °C. Geringe Streuung!

Bild 7.1.2.1-1

Seite 7.1.2-23



Literatur zu Kapitel 7.1.2

7.1.2-1 D.Santamaria, „Engine oil coking and its effect on performance“, Zeitschrift „AircraftTechnology & Maintenance - Engine Yearbook“, 1999, Seite 48 - 53.

7.1..2-2 J.Schmidt, W.K.Hank, A.Klein, K.Maier, „The Oil/Air System of a Modern FighterAircraft Engine“, MTU-München GmbH, Seite 1-20.

7.1.2-3 D.G.Dowse, E.Jantzen, K.Maier, „Deposition in Gas Turbine Oil Systems - Part 1:Analysis and Classification“, SAE-Publication SP-633 „Aviation Gas Turbine Lubricants-Military and Civil Aspects“, „Aviation Fuel and Lubricants - Performance Testing“,October 1985, Seite 115-131.

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