Výzkumná infastruktura

VELKÁ VÝZKUMNÁ INFRASTRUKTURA - ADVANCED AEROSPACE TECHNOLOGIES

• ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Centrum leteckého a kosmického výzkumu​
• Vysoké učení technické Brno – Letecký ústav
• Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s.

►NAŠE LABORATOŘE

Experimenty na leteckých zkušebnách Fakulty strojní ČVUT v Praze

Fakulta strojní ČVUT v Praze plně využívá svých leteckých zkušeben jako hlavní část naplňování svého záměru posílit výzkumné a výukové kapacity v leteckých a kosmických technologiích. Jde o dynamometrickou a jádrovou zkušebnu umístěnou v Praze - Letňanech, dvě vrtulové zkušebny umístěné v Hradci Králové a létající zkušebnu představovanou experimentálním letadlem přestavovaným dodavatelem v Berlíně. Všechny čtyři zkušebny jsou již v plném provozu a probíhají na nich rozsáhlé experimenty. Pro tyto zkušebny byly postupně pořízeny experimentální turbovrtulové motory. Experimentální motory jsou vybaveny několika sty až tisícem sensorů teplot, tlaků, průtoků, otáček, zrychlení, napětí, zatímco produkční motor je opatřen do čtyřiceti sensorů. Pro uskutečnění tohoto záměru byly zajištěny prostředky z programu OP VVV. Uskutečňování výzkumného projektu s názvem Centrum pokročilých leteckých technologií (v anglické zkratce CAAT) vedlo na FS ČVUT k založení Centra leteckého a kosmického výzkumu (CLKV/ CASR). V jeho rámci se řeší nejen projekty OP VVV, ale i další projekty, např. Národní centrum letectví a kosmonautiky.

Jaké experimenty na těchto zkušebnách mohou probíhat a probíhají?   

Na všech těchto zkušebnách je spuštěn zkoušený motor a jeho výkon/tah je různým způsobem kompenzován/zastaven. Dynamometrická zkušebna krouticí moment motoru brzdí vodním dynamometrem. Jádrová zkušebna tah horkých plynů zastavuje protitlakem z kompresorů. Na vrtulové zkušebně je motor brzděn odporem vzduchu vůči pohybu vrtule. Všechny tyto zkušebny jsou obecně schopné zkoušený motor přivést do různých pracovních režimů a stavů, které ani během reálného provozu nemají nastat. Každá ze zkušeben je vhodná pro jistou oblast vyšetřovaných stavů. Přitom různé veličiny chování motoru jsou měřeny na různých zkušebnách s různou přesností.

Jak probíhá experiment?

Zkouška motoru probíhá tak, že motor je ustaven na lože motoru v konkrétní zkušebně a jeho senzory jsou napojeny na vstupní kanály a zesilovače měřícího systému zkušebny. Ten je datovým systémem naprogramován do řídicího systému zkušebny. Měření je provozováno v nízkofrekvenčním a vysokofrekvenčním režimu (vzorkování až 200 kHz). Proces zapojování senzorů vzhledem k jejich počtu trvá i tři týdny. Motor je pak spuštěn a podle plánu experimentu přiváděn do požadovaných stavů. To vše je prováděno asi pětičlenným týmem ve velínu zkušebny. Dále celá zkouška je sledována řadou tří až pětičlenných týmů sledujících různé části fungování motoru z konferenční místnosti vybavené počítači napojenými na měřicí systém zkušebny. Tyto týmy analyzují celkový výkon motoru, proudění v motoru, vibrace motoru, palivový systém a spalování, řízení motoru – to je zvláště důležité pro celkové digitální řízení motoru a vrtule.

Probíhající výzkum

Na motorech probíhají jednak experimenty pro řešení výzkumu v projektu OP VVV a jednak experimenty podle Kolaborativní smlouvy o výzkumu s GE Aviation Czech. Dosud většina experimentů byla použitelná pro oba účely. Experimenty především slouží pro excelentní výzkum v projektu OP VVV spočívající ve měření vlastností motoru s jeho opotřebením, aby tato znalost byla vložena do jeho simulačního modelu. Simulační model je parametrizován podle vlastností odpovídajících opotřebení motoru během jeho celoživotního cyklu. Tím vznikne digitální dvojče motoru, o němž budou shromažďována „big data“ v „cloudu“ pomocí internetu věcí (IoT). Tak dojde k vytvoření individuálního celoživotního monitorovacího systému funkčnosti a životnosti turbovrtulových motorů s prediktivní údržbou, s užitím konceptů Průmyslu 4.0. Vlastnosti motoru jsou individuálně sledovány a jeho historie užívání určuje nastavení vlastností jeho simulačního modelu. Ten je porovnáván s měřenými vlastnostmi motoru a není-li mezi nimi podstatný rozdíl, lze motor dále užívat, je-li rozdíl významný, je nutný servisní zásah.

Zpracování dat (Big Data)

Experimenty produkují obrovské množství dat, přibližně po ročním provozu experimentů na dynamometrické a vrtulové zkušebně je to asi 60 TB dat. Takové množství dat je nutné roztřídit podle typu experimentu, zpracovat a užít pro výzkum monitorovacího systému. Získaná data jsou užívána pro různé výzkumné úlohy. Jedna je například porovnání simulačního modelu motoru NPSS jak pro různé režimy fungování motoru, tak pro změnu vlastností a parametrů modelu s opotřebením motoru. Jiná je učení neuronové sítě pro predikci rozložení teploty v motoru měřených velkým množstvím senzorů na základě měření jen omezeného množství teplotních čidel jako na normálním motoru. Vývoj teplotního pole věrně odráží míru opotřebení motoru, spočívající například ve změně profilů lopatek abrazí, oxidací, creepem. Další oblastí je vibrodiagnostika, kde ze změny charakteristik vibrací lze usuzovat na stav nebo i poškození motoru.

Všechny tyto aktivity jsou součástí velkého ekosystému mezi Fakultou strojní ČVUT v Praze a GE Aviation Czech se sdílením, přenosem a akumulací znalostí a jejich zprostředkováním studentům.

Kontakt

Prof. Ing. Michael Valášek, DrSc.
e-mail: Michael.Valasek@fs.cvut.cz 
Tel.: +420 224 357 361