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07 Out 2010


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 ENSAIO FINAL 

(A 26ª de 30 importantes etapas)

O Ensaio Final do motor constitui a prova real de que as acções de manutenção foram bem sucedidas

 

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Durante os ensaios de motores todos os cuidados são poucos.

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O ensaio de motores aeronáuticos requer instalações de elevada tecnologia onde os motores são instalados como se se tratasse duma aeronave e postos a funcionar, para cumprir uma sequência de operações, verificando-se se todos os parâmetros correspondem aos valores esperados e definidos pelo fabricante. Os bancos de ensaio são tão sofisticados consoante se trate de bancos de ensaio de protótipos e de desenvolvimento ou apenas para ensaios após as acções de manutenção. É evidente que os primeiros estão configurados para a colecta e leitura de centenas de parâmetros dado o seu carácter vocacionado para a investigação e experimentação.  

Banco de ensaios da IHI (no Japão) para o motor V2500

De cada vez que se realiza um investimento para instalação de capacidade de intervenção num motor novo, a construção dum novo banco de ensaios ou a adaptação de um banco de ensaios existente, constitui a maior parcela desse investimento, podendo atingir cerca de 5,000,000 Euros (1,000,000 de contos) para uma nova instalação ou cerca de 2,000,000 Euros (400,000 contos) para a adaptação de infra-estrutura já existente, dependendo do volume de adaptações a efectuar.

A preparação do ensaio de um motor começa pela instalação de diversos dispositivos específicos de modo a permitir a medição de parâmetros fundamentais do seu desempenho. Para além dum berço-adaptador especialmente concebido para realizar a interface entre o motor e a infra-estrutura do banco de ensaios e fixá-lo à estrutura existente, é necessário instalar dois dispositivos a montante e a juzante do motor, para permitir condicionar o escoamento do ar nas respectivas secções de passagem, denominadas entrada de ar (na linguagem anglo-saxónica designada "bellmouth") e uma tubeira de escape. Dado que o motor não possui essa capacidade, esses dispositivos permitem medir a temperatura e pressão, total e estática, nas respectivas secções de passagem do escoamento e, nalguns casos, permite ainda medir o caudal de ar que atravessa o motor, através da leitura duma depressão de ar medida entre dois pontos referenciados duma zona de "venturi" existente na entrada de ar, para além de homogeneizar e regularizar a entrada e saída do escoamento.

Em alguns bancos de ensaio, dependendo das suas dimensões e da área de acesso do ar absorvido pelo motor, torna-se necessário instalar dispositivos orientadores do escoamento e que, simultaneamente, permitam a sua laminagem, por forma a eliminar quaisquer turbilhões e turbulência que se gerem quer à entrada no motor quer noutro ponto qualquer do interior do banco de ensaios. Esta última condição é essencial já que a constância da temperatura e pressão estática no interior da sala de ensaios é imprescindível para se conhecerem os restantes parâmetros, uma vez que são referenciados a estes. Normalmente, estes dispositivos são simples e constituídos por grelhas que obrigam o escoamento a subdividir-se em "fatias" de ar, permitindo a sua aspiração de forma suave para o interior do motor.

Ensaio do motor CFM56 na IHI (Japão)O banco de ensaios é basicamente constituído pela infra-estrutura de ensaios e pela sala de comando e controlo. A infra-estrutura de ensaios subdivide-se em três áreas principais: a área de ensaios, a área de admissão do ar e a área de escape. A sala de comando e controlo alberga todos os sistemas de comando e controlo do motor e sistemas do banco de ensaios acessórios bem como todo o conjunto de sensores e processadores de sinal necessários para a recolha de parâmetros e sua leitura. Nos bancos de ensaios mais antigos esta sala de comando está separada da sala de ensaios por uma enorme janela de vidro através da qual se observa o motor em funcionamento. Os bancos mais modernos prescindem desta janela e, em sua substituição, utilizam um jogo de camaras de video, estrategicamente posicionadas no interior da sala, tirando partido das potencialidades da capaciade de "zoom".

Nos bancos de ensaio em que existe janela de observação, houve sempre o cuidado de desviar o plano de rotação das turbinas do plano em que está instalada a janela de observação, por forma a reduzir a probabilidade de esta ser atingida por estilhaços, na hipótese de falência da turbina com projecção de partículas metálicas (designada na linguagem anglo-saxónica por "uncontained failure"). De igual modo a espessura das várias placas de vidro podem atingir cerca de 50mm, de modo a absorverem a energia de impacte e evitar que o pessoal no interior da sala de comando e controlo possa ser atingido.

A forma clássica da infra-estrutura de um banco de ensaios é em "U", significando que a área de admissão é um túnel vertical por onde o ar entra dirigido de cima para baixo; a sala de ensaios é um túnel horizontal (onde se instala o motor) e a área de escape é outro túnel vertical por onde os gases de escapes fluiem de baixo para cima. Existem outras variantes em que as áreas de admissão e de escape podem ser túneis horizontais com entrada e saída frontal ou lateral. Nestas circunstâncias a forma do banco de ensaios pode designar-se em "L" (área de admissão ou de escape sob a forma de túnel vertical) ou simplesmente túnel horizontal (ambas as áreas de admissão e de escape são túneis horizontais). Ensaio do motor ALF 502 na Sigma (Reino Unido)

Típicamente, num banco de ensaios em "U" o escoamento sofre duas mudanças de direcção. Primeiro passa de vertical a horizontal (passagem da zona de admissão para a sala de ensaios) e depois de horizontal a vertical (passagem da sala de ensaios para a área de escape). Estas zonas de transição são as mais críticas pois são mais susceptíveis de originar descontinuidade no escoamento e causar perturbação na leitura de parâmetros, que se pretende estável.

No interior da sala de ensaios o escoamento horizontal é dividido em dois escoamentos: principal e secundário. O escoamento principal é aquele que vai ser aspirado pelo motor, acelerado por este e expelido para a sala dos gases de escape a enorme velocidade e com produção associada de muito ruído (essencialmente devido à velocidade com que é escoado). O escoamento secundário flui, normalmente, sobre a sala de ensaios, a uma velocidade relativamente baixa, condicionada pela sucção do escoamento principal e através de uma conduta própria.

A função deste escoamento secundário é a de se misturar com o escoamento principal, na zona de escape, a fim de lhe reduzir a temperatura e a velocidade antes da sua expulsão para a atmosfera. Com a redução da velocidade consegue-se a redução do ruído.

No caso de bancos de ensaios de motores militares, sobretudo de motores equipados com a capacidade de "pós-combustão" (capacidade de dupla injecção de combustível junto com os gases de escape, aproveitando a elevada temperatura destes, para a combustão adicional de combustível e a produção de maior empuxo), o arrefecimento dos gases de escape é conseguido com a injecção controlada de água, na zona de escape.

As secções de entrada na zona de admissão do ar e se saída, na zona de escape, estão equipadas com dispositivos atenuadores de ruído para minimizarem o seu efeito no meio circundante. Em muitas empresas reparadoras, sobretudo naquelas que se situam proximo de zonas habitacionais, para se minimizar o efeito do ruído produzido pelos motores em ensaio, os bancos de ensaio são construídos longe destes centros, ou, caso a empresa se localize isoladamente, os bancos são construídos nas zonas mais afastadas do perímetro da empresa. Há exemplos de bancos de ensaios construídos em vales, aproveitando o relevo circundante para reduzir o nível de ruído produzido.

As modernas técnicas de construção de bancos de ensaios, no que diz respeito à redução de ruído são bastante eficazes, existindo bancos a operar em edifícios contíguos a escritórios, sem que os seus habitantes se sintam perturbados por isso.

Em Portugal, os bancos de ensaio instalados na OGMA, SA, situam-se numa área adjacente à oficina de motores e produzem um ruído considerável. Na TAP, Air Portugal, os bancos estão localizados em zonas contíguas a outras oficinas, sendo o nível de ruído bastante inferior ao produzido pelos bancos da OGMA. Um facto bastante importante para a atenuação do ruído é a própria construção dos motores, que já incluem dispositivos de atenuação de ruído nas suas condutas de "fan". É por esse motivo que na TAP, Air Portugal o ruído ambiente é inferior, uma vez que nesta indústria se reparam essencialmente motores "turbofan", muito mais silenciosos que os motores militares (o que ocorre na OGMA, SA).

A configuração dos bancos de ensaio depende do tipo de motor que se pretende ensaiar, dificilmente sendo possível a polivalência para motores tipo "turbofan" e motores tipo "turbopropulsores" ou motores alternativos.

Os "turbofan" desenvolvem uma força que é necessário ser medida e que se exerce no mesmo plano do motor e segundo o eixo deste no sentido da zona de escape para a zona de admissão. Os turbopropulsores e os alternativos desenvolvem um binário, num plano perpendicular ao seu eixo e que é necessário medir.

A força (tecnicamente designada em português por "empuxo", muitas vezes referida por "impulso" de forma errada já que esta designação corresponde a uma grandeza física diferente, embora, relacionada, e corresponde à designação na linguagem anglo-saxónica de "thrust") é medida por intermédio duma célula de carga linear através dum efeito piezo-eléctrico ou através da deformação dum circuito eléctrico do tipo "ponte de Wheatstone" em que a uma microdeformação induzida na célula corresponde uma microcorrente ou variação duma tensão a que é possível estabelecer uma correspondência com uma grandeza real através dum processo de calibração. Este processo pressupõe um grau de liberdade na direcção do microdeslocamento.

O binário é medido por intermédio dum equipamento denominado dinamómetro. Este equipamento tem como característica principal a sua oposição ao movimento (embora se efectue normalmente) através duma fricção com um volume controlável de água ou através de correntes induzidas no rotor do equipamento que se encontra rigidamente ligado ao veio de saída de potência do motor. Esta oposição ao movimento é transmitida a uma célula de carga, através dum braço ligado ao equipamento e através da qual é possível medir o binário produzido. Conhecendo a velocidade de rotação, obtém-se, por cálculo directo, o valor da potência.

Nos motores alternativos, para além desta técnica, usa-se com alguma frequência, não a leitura directa do binário desenvolvido, mas um hélice de passo fixo (calibrado) ou variável (dentro duma gama calibrada) o qual impõe um binário resistente máximo, que determina o número máximo de rotações do motor.

Os parâmetros clássicos a medir são: pressões, temperaturas e caudais de óleo, combustível e ar (em número que pode atingir 20 parâmetros diferentes), empuxo ou binário (consoante o tipo de motor), rotações, corrente e tensões eléctricas (normalmente para verificação dos alternadores ou geradores e dos arrancadores eléctricos), vibrações em vários pontos do motor (normalmente nas zonas do compressor, turbina e caixa de engrenagens) e posição. Para além destes parâmetros (oriundos do motor) há necessidade de medir muitos outros oriundos dos sistemas de comando e controlo, gerados pela própria infra-estrutura de ensaios.

A infra-estrutura de ensaios tem que possuír tanques e sistemas de fornecimento e filtragem primária de combustível em baixa pressão (a alta presão é gerada pelo bomba de combustível do próprio motor), corrente eléctrica contínua para as tensões de funcionamento de equipamentos aeronáuticos e ar comprimido para funcionamento dos motores de arranque pneumáticos e, em alguns casos, para o arrefecimento dos sensores instalados na zona quente, como, por exemplo, os sensores de vibrações (os motores de arranque podem ser eléctricos ou pneumáticos) e, ainda, para alguns motores, sistemas de armazenamento e filtragem de óleo, quando estes são exteriores aos motores.

Para os motores de concepção mais recente o número de parâmetros a medir é cada vez maior e de natureza mais sofisticada. Com a introdução dos sistemas de gestão automática e inteligente dos motores (FADEC, DEC, DECU e DEEC) a leitura e controlo de mensagens e instruções lógicas de funcionamento destas unidades e todos os parâmetros que processam, obrigam à elaboração de rotinas de programação para comando e verificação dos mesmos. Este tipo de exigências contempla, por exemplo, a leitura do número de descargas de cada vela de ignição (normalmente cada motor possui 2 velas de ignição), a verificação de entupimento de um filtro e todo o circuito de monitorização de parâmetros que o motor possui. Actualmente, os motores estão munidos de um conjunto de sensores (transdutores) que permitem a leitura em voo e a sua transmissão para a cabina de pilotagem e para terra (através de telemetria) de um considerável número de parâmetros fundamentais de segurança e de desempenho representativos de cada motor.

O tipo de ensaio a que cada motor é submetido depende do tipo de intervenção a que foi sujeito. Se se trata de um ensaio de confirmação de anomalia podem apenas simular-se as condições descritas de ocorrência da mesma e confirmá-la ou não. Se a anomalia não é descrita com suficiente detalhe ter-se-á que realizar um ensaio completo.

Em muitas situações apenas se realiza um ensaio funcional cujo objectivo é a verificação funcional dos principais acessórios e sistemas de apoio do motor. Com este ensaio apenas se verifica a funcionalidade dos sistemas não se confirmando o seu desempenho. Noutras circunstâncias realiza-se um ensaio de "performance" que, para além de verificar funcionalmente o motor, verifica, igualmente, a sua "performance". A boa "performance" de um motor é transmitida pelo empuxo ou binário que o motor é capaz de desenvolver, já que se trata dos parâmetros fundamentais de propulsão para o qual o motor foi desenvolvido e da sua margem de temperatura à entrada ou saída da turbina (que define o limite termodinâmico do motor).

A realização de uma grande intervenção no motor, sobretudo, se se destinar à recuperação de "performance" (esta recuperação passa inevitavelmente por uma recuperação do empuxo ou binário, ou da margem de temperatura à entrada ou saída da turbina), implica a reparação da secção da turbina e/ou do compressor. O empuxo ou o binário desenvovido pelo motor são grandezas físicas que o motor fornece ao exterior, no entanto, no seu interior outras grandezas físicas desenvolvem-se de modo a proporcionar o mais elevado empuxo ou binário. Particularizando para os motores de turbina, o empuxo ou o binário são tanto maiores quanto maior fôr a energia com que os gases (mistura de ar e combustível) atingirem a turbina (sobretudo o primeiro andar de turbina, para o caso da esmagadora maioria de motores que é constituído por vários andares de turbina, assim como de compressores). A este grande nível de energia corresponde a maior pressão (gerada no compressor) e a mais eficiente combustão (gerada na camâra de combustão e responsável pelo elevado aumento da temperatura do escoamento).

Assim, a grande eficiência do compressor (a que corresponde a maior razão de compressão entre as pressões de entrada e saída deste) depende da quantidade de ar que o atravessa sem ser comprimido até à pressão para o qual foi projectado, na razão inversa deste. A esta quantidade de ar não eficientemente comprimida denomina-se fuga do compressor. Esta fuga é tanto maior quanto maior fôr a folga entre as partes estáticas e rotativas do compressor ou quanto menos eficiente fôr o escoamento em torno de cada pá daquele. Assim, o estado das pás (desgaste, alteração das dimensões fundanentais, sujidade, erosão, danos, identações ou a existência de gorduras) é fundamental para a boa "performamce" do motor.

De igual modo, também a eficiência da turbina é afectada pelo mesmo tipo de parâmetros, com a agravante do efeito da temperatura que danifica mais rapidamente as pás desta, também a sua baixa eficiência provoca uma baixa "performance" do motor. A baixa eficiência da turbina tem maior contribuição para a baixa "performance" do motor, relativamente ao compressor.

Por este motivo, durante as acções de manutenção aqueles componentes são alvo de reparação, redunzindo-se, ao mínimo funcional as folgas existentes entre as partes móveis e fixas a fim de reduzir as eventuais fugas. Estas folgas são necessárias uma vez que durante o funcionamento normal do motor e na presença das elevadas temperaturas na turbina, por acção da força centrífuga e do fenómeno de fluência, as pás do compressor e da turbina alongam-se e se a folga existente não fôr suficiente poderá ocorrer o colapso do motor por "gripagem" (fusão das partes móveis com as fixas por acção localizada de um grande desenvolvimento de temperatura). Este fenómeno é mais crítico com as pás da turbina devido à presença da temperatura naquela zona.

Para prevenção deste efeito, as modernas pás de turbina (sobretudo aquelas que estão instaladas nos primeiros andares, mais próximas da zona de combustão) são fabricadas, incluindo peças postiças para desgaste intencional, constituídas por materiais mais dúcteis e cujo desgaste não provoque danos colateriais no motor. Em alternativa, as partes fixas, constituídas por envolventes circulares montadas em "carteres" são fabricadas de materiais idênticos, a fim de minimizar os riscos de fricção que se desenvolvem, sobretudo nas primeiras horas que se seguem á reparação. Estes componentes são designados sacrificiais.

Também com o mesmo objectivo de minimizar os referidos efeitos, um ensaio de "performance", quando realizado na sequência deste tipo de reparação, inicia-se por um ensaio de rodagem (designado na lingagem anglo-saxónica por "Seal Break-in" ou simplesmente "Break-in") destinado a provocar uma acção de fricção controlada e moderada, criando a acomodação (trilhos circunferenciais preferênciais) entre as superfícies móveis e as fixas, através de regimes crescentes e controlados de níveis de potência exigida aos motores.

Quando perante dúvidas ou na sequência de incidentes, efectuam-se inspecções endoscópicas (inspecção visual remota) com auxílio de boroscópios, fibroscópios ou videoscópios. Este dispositivo permite a verificação interna dos motores sem que isso implique a sua desmontagem, bastando para tal, a utilização das furações existentes ou daquelas especialmente concebidas para este efeito aquando da concepção do motor. Este tipo de inspecção é muito utilizado no decorrer das acções de manutenção de nível "Linha da Frente" e sempre que se suspeite ou pretenda avaliar o interior dos motores. Através desta verificação é possível olhar-se para dentro dos motores e tomarem-se as decisões adequadas em função dos resultados e da experiência previamente acumulada.

Antes de se proceder ao início de qualquer ensaio, efectua-se uma "Inspecção Positiva" de ferramenta para evitar FOD (ingestão inopinada de objectos), decorrentes dos trabalhos de instalação do motor na infra-estrutura do banco de ensaios.

Os ensaios decorrem segundo uma sequência determinada pelo fabricante e descrita nos respectivos manuais técnicos do motor. A colecta de parâmetros, o momento da sua recolha, os processos de cálculo e de processamento dos mesmos, as características dos sensores preconizados, os limites para esses parâmetros, etc., são sempre definidos pelos fabricantes e eventualmente modificados por sugestão dos reparadores ou utilizadores.

Em todos os bancos de ensaios a leitura dos parâmetros relacionados com as vibrações constituem a maior fonte de problemas. Estes problemas têm várias origens de entre as quais as seguintes.

O sensor de captação do sinal de vibração (porque pode ser oriundo de diferentes fabricantes e não é fabricado exclusivamente para um determinado modelo de motor) requer um adaptador para o ajustar à superfície onde se preconiza a sua instalação. Esta situação cria duas interfaces materiais onde poderão alojar-se sujidades ou as superfícies não serem perfeitamente planas ou não possuirem um grau de acabamento suficientemente polido para permitir uma justaposição perfeita. Desta forma pode-se influenciar o sinal captado.

Por outro lado, os sensores de captação do sinal de vibrações são do tipo capacitivo (produzem cargas eléctricas) ou indutivo (produzindo tensão eléctrica) e produzem sinais extremamente fracos que têm que ser posteriormente amplificados antes de processados. Devido a efeitos de interferência, de acordo com o encaminhamento das cablagens eléctricas, poderão induzir-se sinais parasitas que vão influenciar e alterar o sinal a amplificar.

Finalmente, um sinal de vibração pode ter várias origens no interior do motor. Pode dever-se a um desequilíbrio de um qualquer conjunto rotativo, seja do principal (conjunto compressor-turbina) como de um qualquer acessório animado de movimento circular. Pode dever-se a uma peça deficientemente apertada. Pode dever-se a um rolamento em que existe um pequeno defeito. Nesse rolamento o defeito poderá ser oriundo dos passeios interno ou externo ou, ainda, dos componentes móveis (esferas ou roletes). Pode, ainda, ficar a dever-se a um problema na combustão, devido a turbulências originadas em heterogeneidades no escoamento.

Durante o ensaio efectuam-se vários arranques e paragens do motor, por diferentes motivos (afinações, substituição de órgãos, correcção de fugas, cumprimento de horários de trabalho, etc.). Durante estes eventos é sempre necessário verificarem-se os ruídos à paragem e controlar o tempo de paragem do conjunto rotativo do motor, a fim de despistar qualquer eventual alteração, que será sempre denunciadora de um problema (a diminuição do tempo de paragem dum conjunto rotativo ao longo do ensaio poderá denunciar uma prisão que poderá estar associada a uma proxima falência dum rolamento; de igual modo o aparecimento de ruídos do tipo roçamento ou intermitente poderá decorrer de uma degradação de engrenagens ou até da fricção de uma ou mais pás de compressor ou de turbina com o "carter").

O ensaio de qualquer motor termina com a recolha de uma amostra de óleo (ou mais) utilizado no decurso do ensaio e a sua análise para verificação dos seus contaminantes (por referência a uma amostra de óleo virgem). Esta análise (designada SOAP do inglês "Spectrometric Oil Analysis Program") poderá fornecer importantes informações caso se verifique o aumento do teor original do óleo de um qualquer metal que possa ser oriundo dum componente do motor. Por exemplo, o aumento do teor em ferro ou em estanho poderá denunciar uma degradação num rolamento.

Outro aspecto importante a ter em atenção é o sinal transmitido pelos detectores magnéticos  e eléctricos existentes em posições estratégicas do circuito de lubrificação dos motores. No caso de desprendimento de pequenas partículas metálicas transportadas pelo fluxo de óleo, estas serão atraídas e retidas pelos detectores magnéticos e simultâneamente fecham um circuito eléctrico, sinalizando uma eventual degradação.

Os detectores magnéticos desempenham uma dupla função, sinalizando a produção de partículas metálicas e retendo-as (não as deixando prosseguir no escoamento de óleo). Por sua vez os detectores eléctricos apenas sinalizam a presença de partículas metálicas no óleo sem as reter.

Da análise do óleo é importante atender não só à concentração de determinados contaminantes, mas, também, à velocidade a que esses contaminantes poluem a amostra de óleo obtida, explincado, assim, a necessidade de recolha de várias amostras correspondentes a diferentes fases ao longo do mesmo ensaio.

Assim, a análise SOAP permite identificar partículas de dimensões não superiores a cerca de 0.015 mm; a ferrografia (trata-se duma análise dimensional às partículas existentes numa amostra de óleo e permite medir diferentes concentrações de acordo com diferentes grupos de dimensões) permite identificar partículas com dimensões situadas, aproximadamente entre 0.015 mm e 0.1 mm; os detectores magnéticos e eléctricos permitem identificar partículas de dimensões superiores a 0.1 mm e inferiores a 0.3 mm (embora detectem dimensões superiores, as quais quando libertadas causam de imediato falências, dependendo das zonas que atravessam ou em que se alojam).

Qualquer departamento metrológico está obrigado a um rigoroso programa de calibração dos instrumentos e cadeias de medida que utiliza. Da mesma forma, os bancos de ensaios, porque utilizam uma enorme quantidade de instrumentos e cadeias de medida, estão sujeitos a essa obrigação. Um programa de calibrações consiste na verificação paralela de uma mesma grandeza física por dois instrumentos em simultâneo: o instrumento a calibrar e o de referência. As duas leituras não devem diferir mais do que um valor situado num pequeno intervalo, designado por tolerância. Normalmente, a validade deste procedimento, varia com o tipo de instrumento em causa, com a precisão do mesmo, com o grau de confiança que evidencia e com a precisão do parâmetro a medir. Assim, períodos de validade anual, semestral, trimestral, mensal, semanal, diário e por cada utilização, são frequentes, com estes critérios ou segundo recomendações específicas dos respectivos fabricantes dos instrumentos.

Refira-se que o instrumento de referência (considerado o padrão local) é, por sua vez, calibrado em relação a outro instrumento, também considerado padrão, mas conservado num laboratório de maior fidedignidade e aceite internacionalmente e pela comunidade científica como padrão "absoluto". As calibrações dos padrões locais têm um período de validade superior à dos instrumentos relativamente aos quais é utilizada como padrão.

Se durante qualquer fase do ensaio forem detectadas anomalias, dependendo da sua natureza, poder-se-á tentar a sua resolução com o motor instalado na configuração de ensaio. Caso essas anomalias se mostrem insuperáveis ao nível do banco de ensaios ou se se verificar de imediato tratar-se de uma anomalia maior, o motor é removido do banco de ensaios e reenviado para a área de desmontagem para se proceder a verificações e à resolução das mesmas, retornando ao banco de ensaios depois de superada.

Links para fabricantes de bancos de ensaio de motores aeronáuticos

Industrial Accoustics Company

ATEC

Aero Systems Engineering

Central Engineering Company

Orenda

MDS Aero


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