Loading...
Studies

Funktionsweise von Ölleckagen in der Kabinenluftversorgung und gesetzgeberische Auswirkungen

Mechanisms of oil leakage into the Cabin Air Supply and regulatory implications by Dr. Susan Michaelis and Mr. John Morton, Chairman European Seals Association

Alle dynamischen Dichtungen sind so entworfen, dass sie lecken. Die Häufigkeit der auftretenden Leckagen, hängt von unterschiedlichen Faktoren und hydrodynamischen Effekten ab, u.a. von der Betriebsumgebung (also Geschwindigkeit, Temperatur, Druck) und von dem Zustands des Bauteils (Lebensdauer und Abnutzung).

Labyrinth Dichtungen

Eine große Rolle im Triebwerk spielen sogenannte Labyrinth Dichtungen, die kontaktlos sind und mit geringem Abstand arbeiten. Die Labyrinth Dichtungen kontrollieren den Luft- und Flüssigkeitsfluß und regulieren über Eingrenzungen den Druck auf die Dichtung. Flüssigkeiten können in beide Richtungen fließen, abhängig von Druck, Momentum und Design. Die Performance der Dichtung nimmt naturgemäß mit der Zeit ab und äußert sich in veränderten Betriebszustand. Abnutzung kann den Abstand vergrößern und sich sofort nachteilig als Leckage äußern. Die Labyrinth Dichtung hat trotzdem viele Vorteile, wie z.B. einen niedrigen Anschaffungspreis.

Gleitringdichtungen aus Carbon

Die sogenannten Carbon-Dichtungen weisen typischerweise eine Mikrooberflächentrennung von 10 bis 40 micro-inches (0,25-1,0 µm) aus, was automatisch zu einer ständigen, sehr geringen Leckage führt. Verformungen durch Druck und Temperatur können die Parallelität der Dichtungsoberflächen so beeinflussen, dass die Leckagen reduziert oder verstärkt werden. Diese Art von Dichtungen weisen eine zuverlässige Performance auf, da sie seltener durch die Betriebsbedingungen beeinflußt werden und das Design die Abnutzung kompensieren kann. Das Material kann sich von gelegentlichen Reibungskontakt erholen, allerdings nicht von wiederholtem „dry running“. Carbon-Dichtungen sind komplex und teuer.

Alle dynamischen Dichtungen werden undicht

Allgemeine Schlussfolgerungen nach, bleibt durch den relativ höheren Druck in der Kraftstoffleitung als im Lagergehäuse, das Öl im Lagergehäuse. Dichtungen lecken nur, wenn ein Fehler oder ein positives Druckgefälle auftritt. Leider ist das nicht richtig, denn trotzdem kann bei beiden Dichtungen Öl mit oder gegen das Druckgefälle fließen. Positive Druckgefälle sind bei Umgebungsdruck im Lagergehäuse nur schwer zu erreichen. Der Gegendruck auf die Labyrinth- als auch Carbon-Dichtungen, erlaubt einen Ölfluß in beide Richtungen, bei Labyrinth Dichtungen durch die Abstände, bei Gleitringdichtungen durch Oberflächenöffnungen.

Technische Recherchen fanden also Leckagen, inneren wie äußeren Ursprungs, die die sogenannte „Core und Bleed Air“ betreffen. Öl kann die Dichtungen passieren, da das Design der Dichtungen dies erlaubt- Dichtungen (Labyrinth als auch Carbon) lecken!

Die Gründe sind:

  • Design (Konstruktion)
  • Druckunterschiede
  • Thermische und mechanische Veränderungen in der Triebwerkstruktur
  • Geschwindigkeit und Schub
  • Abnutzung

Öl kann Dichtungen passieren weil:

  • Das Design der Dichtungen dies erlaubt
  • Dichtungen abnutzen, falsch installiert oder schlecht gewartet sind

Aber auch die Flugphasen beeinflussen Leckagen, insbesondere die ständigen Änderungen der Triebwerksperformance hinsichtlich Druckunterschieden, aber auch die mechanischen Unterschiede in der Bauweise ebenso wie mögliche „low power“ Einstellungen.

Dem Auslaufen von Öl sollte mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden

Die fehlende Wahrnehmung dieser Problematik seitens der Behörden ist schwierig, insbesondere hinsichtlich veröffentlichter Grenzwerte für Ölkontaminationen. Solange die Ölkontaminationen unter einem zulässigen Grenzwert sind, werden keine Maßnahmen ergriffen, obwohl Öl aus den vorhergesehenen Bereichen austritt und eventuelle Emissionen verursacht, die über dem zulässigen Grenzwert sind. Und das obwohl Lösungen für dieses Problem existieren. Außerdem werden Vorfälle regelmäßig nicht eingetragen und gemeldet, so dass das Nicht-melden zur Tagesordnung geworden ist.

Behördliche Recherchen ergaben, dass die Triebwerke und die APU unter bestimmten Voraussetzungen zugelassen wurden. Es gibt keine weiteren behördlichen Überprüfungen im Laufe des Betriebs, wie z.B. den TÜV bei einem Auto. Es gibt zwar immer wieder Rundschreiben, z.B. der FAA in USA, die allerdings nur informativen Charakter haben und keine gesetzgeberische Rolle spielen, wie Z.B. CS-E510/FAR 33.75, CS E 690, CS APU320.

Auch hinsichtlich der Stoffe in der Kabinenluft, die überprüft wurden, gab es immer wieder keine hinreichenden Mengen, um z.B. einen Piloten handlungsunfähig zu machen.

Im Zulassungsverfahren für Flugzeuge CS/FAR 25.831 bleibt die Kabinenluftqualität größtenteils unbeachtet. Es muss lediglich genügend Frischluft vorhanden sein, um Fatigue und Unbehagen zu vermeiden (FAA). Es werden nur Werte hinsichtlich CO, CO2 und O3 genannt. Die Quellen die im Zulassungsprozess (FAA) beachtet wurden sind aktuell NRC, ASHRAE, AECMA-STAN (gestrichen), NIOSH, CDC, Harvard public health usw.

Kabinenluft die unterregulierte Gefahr für die Flugsicherheit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass regulatorische Maßnahmen und Standards sowie Lehrmaterial hinsichtlich Kabinenluftqualität existieren. Das theoretische Verständnis der Industrie besteht darin, dass das Austreten von Öl selten und innerhalb der Grenzwerte vorkommt. Spezialisten aus der Luftfahrt sowie Experten für Dichtungen wissen, dass die üblicherweise verwendeten Dichtungen in Flugzeugen eine Ölkontamination im Niedrigdosisbereich während des normalen Flugbetriebs erlauben.

Die Schlussfolgerung muss daher sein, dass die Zulassungsanforderungen ungenügend sind, was Recherchen der Wissenschaft ergaben und durch vorhandene Literatur begründet ist. Leckagen kommen öfter vor, als bisher angenommen (< 10-5 – 10-9). Das macht Beeinträchtigungen sehr wahrscheinlich (>=10-5) und resultiert in einer erheblichen Gefahr für die Flugsicherheit!

Somit wurde die Kabinenluft bei der Zulassung inadäquat bewertet. Es gibt kein Erkennungssystem um die Luft im Flugbetrieb zu monitoren und die Anforderungen an die Kabinenluft sind nicht spezifisch genug, um sicherzustellen, dass die Insassen vor ungünstigen Beeinträchtigungen geschützt bleiben. Auch wurden präventiv die Niedrigdosisexpositionen nicht berüchsichtigt.

Da es sich um eine hochspezialisierte Branche handelt, fand bisher eine inadäquate Kommunikation statt, um die Flugtüchtigkeit sicherzustellen.

Damit adäquate Maßnahmen ergriffen werden können, müssen zukünftig die Standards und das vorhandene Lehrmaterial berücksichtigt werden. Es müssen Präventivmaßnahmen für die „normal und abnormal  Operation“ festgesetzt werden, sowie das Bewußtsein dafür geschärft werden, dass Ölleckagen regelmäßig auftreten und nicht nur mit Wartungsfehlern zusammenhängen, sondern dass die Häufigkeit durch einen Designfaktor erklärt werden kann. Es muss nachträglich eine Zertifizierung für die Kabinenluftqualität durchgeführt und Warnsysteme eingeführt werden. Alle zukünftigen Flugzeuge sollten mit „Bleed-free“ Designs ausgestattet werden. Die Überwachung der Kabinenluftqualität durch die Behörden sollte zukünftig größere Priorität haben und auch die Niedrigdosisemissionen berücksichtigen.

 

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *