Gigant z lasu

W olbrzymim laboratorium badawczym Polonia Aero rozpoczęto testy na turbinie największego na świecie komercyjnego silnika odrzutowego. 

grudzień 2017

Niespełna 4 lata temu w Zielonce, położonej 20 km na wschód od Warszawy, był tylko las – iglasty, przypominający syberyjski krajobraz, kiedy zimą spadnie śnieg – oraz pobliskie zakłady wojskowe. By zbudować największy zakład testowania turbin metodą Cold Flow na starym kontynencie potrzeba było zainwestowania 55 milionów euro oraz wielkiego zaangażowania zespołu inżynierów pod kierownictwem Roberta Borocha. "Polonia Aero została oficjalnie uruchomiona na początku 2016 roku i jest najnowocześniejszym tego typu obiektem na świecie. Z dumą zaczynamy pierwszy test na potrzeby nowego silnika GE9X, który będzie wykorzystany jako napęd do Boeinga 777-X ".

Boroch i jego zespół, z którym pracował dniami i nocami, by zainstalować i zweryfikować, potwierdzić właściwości oraz funkcjonalność tego gigantycznego stanowiska badawczego, zaczynali od prób turbiny GEnx. Obecnie badają szczegółowo jeden z komponentów, LPT (turbinę niskiego ciśnienia), w przypadku, którego Avio Aero było odpowiedzialne nie tylko za projekt i produkcję wielu części, ale jest także module owner’em odpowiedzialnym za jej montaż i dostawę do firmy macierzystej. Turbina niskiego ciśnienia jest podstawowym komponentem lotniczego silnika turbinowego, dzięki któremu odbyło się i nadal odbywa wiele transatlantyckich i międzykontynentalnych lotów, a także kontynuuje globalny rekord swojego poprzednika, modelu GE90.

Dla wielu może nie być jasne, czym jest Laboratorium Testowe typu Cold Flow, ale najprościej mówiąc jest to zakład symulujący rzeczywiste warunki pracy występujące w trakcie startu, na wysokości przelotowej oraz podczas lądowania samolotu w celu przetestowania turbiny niskiego ciśnienia wykonanej rozmiarze rzeczywistym lub w skali. Ten ostatni przypadek dotyczy też turbiny niskiego ciśnienia silnika GE9X, której maksymalna średnica w skali 1:1 wynosi ok. 2 m.

Jak wyjaśnia Maciej Konopa, Aerodynamic Engineer przy teście GE9X, "Głównym zadaniem turbiny niskiego ciśnienia jest napędzanie wentylatora - a tym samym sprawienie, aby silnik działał. Powietrze przechodzi przez turbinę niskiego ciśnienia i to generuje ciąg. Nazywamy to "zimnym przepływem", ponieważ nie zachodzi proces spalania. Jednakże temperatury powietrza, które tu osiągamy, nie są wcale niskie: mówimy o 650 ° K (około 377 ° C Ed.).  

Dlatego właśnie w celu przetestowania tego komponentu konieczne było zbudowanie gigantycznego "stanowiska badawczego" zainstalowanego w obiekcie o powierzchni 35 tys. m2 zasilanym energią o mocy 45 MW. Aby dać wyobrażenie o wielkości: słynna turbina gazowa GE LM2500 + G4, ważąca prawie 7 ton, która napędza na przykład statki o długości ponad 140 m, wytwarza maksymalnie 35 MW. Cold Flow symuluje aerodynamikę (na każdej części turbiny) i dynamikę płynów (w odniesieniu do przepływu powietrza) w celu odizolowania turbiny i przetestowania jej wydajności oraz osiągów.

"Przeprowadzamy testy mające na celu ustalenie wpływu hałasu generowanego przez turbinę na środowisko oraz sprawdzenie, czy technologie opracowane dla turbiny odpowiadają korzyściom, które chcemy zaoferować naszym klientom" - wyjaśnia Maciej. Rodzaj testów przeprowadzonych na 9X w Zielonce zwany jest Aero Design. Są to testy, które dotyczą fazy lotu na wysokości przelotowej. "Oczywiście silnik generuje dużą moc podczas startu, ale prawdą jest również, że w rzeczywistości większość czasu pracuje na ponad 11 tysiącach metrów. Gdy silnik wykonuje najbardziej wymagające zadanie, turbina musi być tak wydajna, jak to tylko możliwe, przy najniższym możliwym zużyciu paliwa. "To trochę tak, jak kupujesz nowy samochód" - podsumowuje Maciej. "Starasz się jeździć tak efektywnie, jak to tylko możliwe, potem próbujesz jeździć agresywniej lub spokojniej w zależności od warunków na drodze... trochę to próbujemy symulować tutaj z przepływem powietrza ".

Wydaje się to bardzo proste, ale to kwestia interpretacji znacznej ilości danych dotyczących ciśnienia powietrza, sposobu, w jaki wpływa to na każdy element turbiny niskiego ciśnienia, badania fizycznych reakcji poszczególnych elementów samej turbiny (łopatek rotora, statora wszystkich stopni) na konkretne warunki atmosferyczne, ciśnienie powietrza i temperatury symulowane na stanowisku badawczym.

Na turbinie znajdującej się pośrodku pomieszczenia testowego, pośród potężnych rurociągów powietrznych, są widoczne wysoce oprzyrządowane, potężne metalowe pierścienie. Jest to tzw. system trawersujący: specjalne pierścienie z wieloma serwomechanizmami, które umożliwiają automatyczne pozycjonowanie i poruszanie w różnych kierunkach niektórymi z ponad tysiąca czujników turbiny. System ten służy do pomiaru parametrów przepływającego powietrza w pięciu różnych przekrojach, na wlocie oraz wylocie z testowanej turbiny.

Czujniki parametrów powietrza w pięciu sekcjach, rejestrujące dane z częstotliwości próbkowania do 500 kHz przesyłają je do komputerów znajdujących się w pomieszczeniu sterowniczym. Może to generować od 2 do 3 terabajtów danych, które są następnie przekazywane do analizy przez inżynierów w GE Aviation. "Zaprojektowaliśmy system zdolny do precyzyjnego pozycjonowania czujników, który można kontrolować i monitorować z poziomu sterowni, z której inżynier ds. testów zarządza całym stanowiskiem badawczym", wyjaśnia Alessandro De Grassi, kierownik techniczny z włoskiej firmy Loccioni, lidera w projektowaniu i produkcji automatycznych systemów pomiaru i kontroli jakości.

Wraz z Avio Aero Loccioni zaprojektował i zbudował wysoce zaawansowane stanowiska badawcze, które są specjalnie przystosowane do testowania komponentów i modułów silników lotniczych, takich jak na przykład TP400 lub Advanced TurboProp. "Gwiezdne wrota”, jak lubimy nazywać pierścienie systemu trawersującego mogą być dostosowywane do różnych średnic turbin i przewodów powietrznych, chociaż te w Zielonce są rekordowe pod względem wielkości".

3

Siły i przepływy powietrza są gwałtowne; powodują tarcie i wiry przy zmieniających się warunkach lotu. Zimno, wiry, prądy i wszystko, co może wystąpić na dużych wysokościach, wyższych niż Mount Everest lub K2, przy prędkości ponad 900 km / h. Są to warunki, na które wystawiony jest przeskalowany model turbiny niskiego ciśnienia GE9X - działają na niego ogromne siły, które w Zielonce są przenoszone przez kolosalny system orurowania o wysokości 5 metrów, którego poszczególne elementy są ze sobą połączone ogromnymi śrubami. Tuż obok pomieszczenia testowego znajduje się pomieszczenie sprężarek, największe tego typu w Europie, zdolne do wytworzenia przepływu powietrza 80 kg na sekundę.

Model testowy GE9X to turbina niskiego ciśnienia zbudowana w skali 1: 2 przez różne zespoły projektowe zlokalizowane w Rivalcie, Bielsku-Białej, Brindisi i Zielonce. Jest to projekt wymagający bardzo precyzyjnej współpracy między wszystkimi zaangażowanymi inżynierami. Model testowy został ostatecznie złożony w Brindisi. Luca Morciano - członek zespołu Brindisi - wyjaśnia: "Oprócz zaprojektowania i wyboru najbardziej odpowiednich materiałów, musimy precyzyjnie zainstalować szereg czujników i kabli na obwodzie turbiny, ponieważ będą one kluczowe dla reprezentatywności danych w odniesieniu do ostatecznego projektu i rzeczywistej turbiny".

Magdalena Sowińska, Design Engineer mówi: "Jednakże tutaj w Zielonce zajmujemy się nie tylko testami. Pracują tu również projektanci CAD i inżynierowie zajmujący się analizami wytrzymałości, którzy opracowują i projektują moduły turbin, a nawet przekładnie mechaniczne dla nowych produktów GE Aviation i klientów zewnętrznych".

Silna chęć rozwoju jest wyraźnie dostrzegalna w rozmowach z inżynierami, a w szczególności, gdy słuchamy Roberta Boroch: "W celu poszerzenia naszych kompetencji i zakresu usług, które możemy zaoferować, chcielibyśmy sprowadzić do naszego zakładu do testów turbiny gazowe do przemysłu energetycznego i innych zastosowań." Gigant z lasu jest gotowy na wiele nowych wyzwań.

4

AUTOR

Monika Soltys & Yari Bovalino