Laboratoř rotační laserové vibrometrie

Oddělení:   Oddělení D 3 – Dynamika a vibrace
Vedoucí:   Ing. Pavel Procházka, CSc.

Výzkum a vývoj zařízení a metod pro bezkontaktní měření vibrací rotujících lopatek strojů vychází z potřeby energetického a leteckého průmyslu předcházet haváriím na nákladných zařízeních - turbínách energetických strojů, velkých ventilátorech, kompresorech a leteckých motorech. Lopatky těchto strojů jsou vystaveny extrémnímu namáhání v důsledku odstředivých sil a aditivní nízkocyklové a vysokocyklové únavové cykly vyvolané vibracemi mohou způsobit únavové poškození lopatek s jejich následným odlomením. Zařízení pro monitorování stavu a vibrací lopatek vyvinutá v Laboratoři našla uplatnění na elektrárnách Temelín, Prunéřov, Počerady. Zájem o jejich využití přichází i ze světa, jednání probíhají s firmami z Velké Británie, Vietnamu, Finska, Jihoafrické republiky. Jedno ze zařízení bylo provozováno na Martiniku (Francie).


Ing. Pavel Procházka, CSc., vědecký pracovník, vedoucí Laboratoře. Koncepční práce, výzkum magnetorezistivních senzorů průchodu lopatek, výzkum inteligentních bezkontaktních senzorů, vývoj vibrodiagnostických systémů.

Ing. Dušan Maturkanič, Ph.D., vědecký asistent. Výzkum měřicích technik a metod zpracování dat, výzkum neurčitostí časových metod měření vibrací, optimalizace matematických procesů.

Dr. Mohammed Lamine Mekhalfia, odborný pracovník. Návrhy a pevnostní výpočty mechanických částí, výpočty frekvenčních charakteristik prvků měřicích systémů, konstrukce elektromechanických zařízení.

Ing. Evgenyia Voronova, odborný pracovník. Experimentální výzkum rotujících prvků, měření a sběr dat, zpracování naměřených hodnot.

Robert Hodboď, odborný pracovník. Konstrukce mechanických a elektrických zařízení, vývoj a konstrukce bezkontaktních senzorů, měření a sběr dat.

Laboratoř byla založena v roce 2015 za podpory projektu EU „Laboratoř rotační laserové vibrometrie“ č. CZ.2.16 / 3.1.00 / 21359 Operačního programu Praha Konkurenceschopnost. Účelem laboratoře je výzkum a vývoj bezkontaktních vibračních diagnostických systémů rotujících lopatek vysokovýkonných turbosoustrojí, kompresorů a ventilátorů. Laboratoř je vybavena zkušebním zařízením s modelovým turbínovým kolem a skenovacím laserovým dopplerovským vibrometrem s derotátorem. Důležitou výhodou měření vibrací lopatek v této konfiguraci je použití dvou různých měřících a analytických metod: Blade Tip Timing a Laser Doppler Vibrometry. Tyto metody umožňují prakticky nezávislé vyhodnocení dat z různých měřících systémů. Kromě toho jsou dvě protilehlé lopatky vybaveny tenzometry, které poskytují další informace o namáhání lopatek za rotace. Maximální rychlost kola je 7 000 ot / min. Laboratoř je v Evropě jedinečná. Její vlastnosti předurčují využití výsledků výzkumu Laboratoře v energetice a strojírenství.

V letech 2015 - 2020 řešila skupina vědců a výzkumníků laboratoře projekt Vibrodiagnostika rotujících lopatek rotačních strojů v energetice; program VP03 - Efektivní přeměna a skladování energie, Strategie Akademie věd AV21. Cílem projektu bylo propojení vědeckých oborů elektrotechniky, mechatroniky, mechaniky a matematické statistiky pro vývoj vibrodiagnostických systémů rotujících lopatek rotačních strojů v energetice s počátečním zaměřením na spolehlivost a účinnost nízkotlakých stupňů parních turbín. V tomto projektu byl vyvinut matematický model pro optimalizaci snímání vibrací a stacionárních výchylek rotujících lopatek turbíny. Byly vyvinuty metody pro statistické vyhodnocení alternativních tvarů vibrací lopatek určených z experimentálních dat a výběr modelu s nejvyšší pravděpodobností. Jsou řešeny teoretické otázky měření a vyhodnocení vibrací turbosoustrojí za rotace. Pro tento účel byly vyvinuty speciální magnetorezistivní senzory. Cílem bylo zvýšit citlivost, přesnost, rozlišení a frekvenční rozsah těchto bezkontaktních senzorů vibrací. V tomto ohledu bylo dosaženo řady špičkových výsledků. Tyto senzory jsou například schopné detekovat výchylky rotujících lopatek 10 μm při obvodové rychlosti 700 m / s. Unikátní je také frekvenční šířka pásma, která sahá nejen do vysokých frekvencí nad 300 kHz, ale také pokrývá pásmo nízkých frekvencí od 0 Hz. Senzory tak mohou být použity staticky k měření řady významných statických charakteristik turbíny. Mnoho z těchto principů bylo proto chráněno jako užitné vzory nebo patenty.

V letech 2019 - 2020 se stala Laboratoř součástí konsorcia řešícího projekt „Národní centrum kompetence - Kybernetika a umělé inteligence“, ID TN01000024 Technologické agentury České republiky. Řešený dílčí projekt „Robotické operace v rizikovém prostředí a inteligentní údržba“ je realizován ve spolupráci s dalšími společnostmi formou kolaborativního výzkumu. V tomto projektu vědci laboratoře zkoumají metody měření a inteligentní senzory pro snímání vibrací lopatek rotujících strojů na vzdálených místech. Společnosti ve Vietnamu a Jižní Africe již projevily zájem o tyto senzory.

Pro výpočet pokročilých vibračních charakteristik lopatek z experimentálních dat byly vyvinuty metody a funkce programové funkcionality: frekvenční analýza okamžitého vibračního stavu lopatek, statistické přehledy dynamických a statických charakteristik, analýza zbytkové životnosti, grafické znázornění dat a výsledků výpočtů. Prototyp vibrodiagnostického zařízení byl realizován a ověřen na modelu zkušebního kola laboratoře, ve zkušebním zařízení Doosan Škoda a také na skutečných parních turbínách. Systém vyvinutý v laboratoři byl použit ve spolupráci s Doosan Škoda a Západočeskou univerzitou v paroplynové elektrárně Počerady na turbíně 280 MW pro monitorování vibrací lopatek 1220 mm. Měření bylo dokončeno po třech letech bezchybného provozu. Pro měření vibrací na kondenzační parní turbíně o výkonu 35 MW na Martiniku, kde byl v provozu dva roky, byl použit systém Blade Tip Timing nové koncepce vyvinutý v laboratoři.

V současné době (2019–2021) jsou vědci Laboratoře zapojeni do řešení projektu EU H2020 „Batista - Blade Tip Timing System Validator“, ID 862034, Call Clean Sky 2. Konsorcium zřízené pro tento projekt má jako další členy EMTD (koordinátor - GB) a University of Manchester (GB). SAB (Safran Aero Boosters - BE) je zapojena do projektu jako supervizor. Cílem projektu je teoretický a experimentální výzkum pro validaci systémů založených na metodě Blade Tip Timing.

Mezinárodní spolupráce:

Kromě domácích firem a institucí má laboratoř širokou mezinárodní spolupráci s výzkumnými a vzdělávacími institucemi v zahraničí. Nyní se jedná především o výše uvedené instituce EMTD (GB), University of Manchester (GB) a SAB (BE), se kterými probíhá velice aktivní spolupráce na projektu H2020. Velmi intenzivní spolupráci má Laboratoř také s italskými univerzitami, zejména s Polytecnico di Torino, University of Perugia, University of Ancona a University of Roma (vše IT). Aktivní spolupráce také probíhá s ITWL (Technologický institut leteckých sil - PL). Navštěvujeme jeden druhého a vyměňujeme si vědecké informace. V roce 2019 byl vypracován a na začátku roku 2020 podán návrh na další projekt EU H2020, společně s Politecnico di Torino (IT), University of Perugia (IT), ITWL (PL), University of Twente (NL), KU Leuven (BU) a partrnery jako ČVUT (CZ), Siemens (BE), Safran Helicopter Engices (FR), Safran Aircraft Engices (FR), Rolls Royce (GB) a další. Tento projekt H2020 „Thrust - Tip Timing Enhancing the Robustness and Training for Safety in Turbomachinery“ spadá pod výzvu Clean Sky 2. Tento projekt je zaměřen na práci v interdisciplinárních oborech: konstrukce senzorů, zpracování signálu a strukturální analýza lopatkových kotoučů leteckých motorů. Cílem je také vyškolit novou generaci 11 výzkumných pracovníků v rané fázi v řízení sofistikovaných měřících technik jako je Blade Tip Timing. Projekt obdržel dobré ohodnocení, ale nebyl přijat k financování v roce 2020. Bude proto opakováno podání v roce 2021.

Publikace:

  • 6 článků v mezinárodních časopisech s impaktním faktorem, 5 z nich v IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement (imp. faktor = 3 067).
  • 1 část monografie knihy: Vibrodiagnostika lopatek parní turbíny.
  • 7 prezentací na mezinárodních konferencích:
    I2MTC 2015 Pisa (IT), AIVELA 2016 Ancona (IT), ICEM 2016 Rhodos (GR), I2MTC 2017 Torino (IT), ENBIS 2017 Neapol (IT), I2MTC 2018 Houston (USA), ICEEE 2019 Paříž (FR).
  • 6 prezentací na národních konferencích.
  • 4 udělené patenty, 1 udělený užitný vzor, 2 patenty čekající na vyřízení.

Vybavení laboratoře obsahuje:

  • rotační model turbínového lopatkového kola s elektrickým pohonem a regulací
  • vakuovou komoru rotujícího kola eliminující aerodynamické síly a zahřívání třením
  • elektromagnetický vibrační budicí systém se softwarovým ovládáním
  • bezkontaktní měřicí systém časování špiček obvodových posunů lopatek
  • kalibrovaný tenzometrický systém s převodem s posuvným kroužkem
  • laserový skenovací vibrometr Polytec PSV-500 s derotátorem
  • referenční Vibrometer Polytec OFV-5000

Měřicí systém je vybaven osmi páry elektromagnetů pro počítačově řízené buzení vibrací v axiálním a radiálním směru. Budicí funkce může být stejnosměrná, harmonická nebo impulzní. Celé modelové kolo, včetně senzorů a elektromagnetů, je uzavřeno čelní stěnou ze skla odolného vůči tlaku. Dvě vakuová čerpadla snižují tlak vzduchu v této komoře až na 5 mbar, takže mohou být vytvořeny podmínky blízké vakuu.