Světová unikátnost testování leteckých motorů v ČR

V nových zkušebnách FS ČVUT v Praze probíhá excelentní výzkum pro projekt OP VVV spočívající především v měření vlastností motoru s jeho opotřebením, aby tato znalost mohla být vložena do jeho simulačního modelu. To ČVUT pomáhá v řešení výzkumu metodiky pro vytvoření individuálního celoživotního monitorovacího systému funkčnosti a životnosti turbovrtulových motorů s prediktivní údržbou. Tím vznikne digitální dvojče motoru, o němž budou shromažďována big data v cloudu pomocí internetu věcí. 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, v opačném případě je nutný servisní zásah. 

Souběžně s tímto výzkumem probíhá kolaborativní výzkum FS ČVUT s GEAC řadou experimentů, zkoumajících vlastnosti motorů zajímavých jak pro vývoj nového turbovrtulového motoru GEAC ATP Catalyst, tak pro výzkum FS ČVUT. Testování nového turbovrtulového motoru GE Catalyst (dříve nazývaný ATP, viz obr. 1), který bude pohánět nové letadlo  Cessna Denali  a pro který v rámci výzkumu  fakulty probíhá vývoj monitorovacího systému, vychází z výzkumu vlastností v USA. Ten dosáhl již 1000 testovacích  hodin a jde do další zkušební fáze. V květnu  letošního roku GE Aviation úspěšně dokončila testy v kanadské zkušebně pro simulaci nadmořské výšky, kde motor prokázal výkonové parametry až do výšky 12 500 metrů. Zprovozněním zkušebny v Hradci Králové  tak GE dokončil přesun klíčových rolí výzkumného programu GE Catalyst do turbovrtulové centrály v Praze a tím posílil kompetence v jeho  řízení. “Program vývoje motoru GE Catalyst běží dle našich očekávání a výkon dosud postavených prototypů je vynikající. Nyní máme v Čechách kompletní tým vrcholového vedení nově vzniklé globální centrály GE Aviation Turboprops, který naše aktivity posune do další fáze”, uvádí  Milan Šlapák, generální ředitel GE Aviation Czech.

Inovace nového turbovrtulového motoru GE  spočívají  ve vlastních a původních technologiích GE Aviation, ověřených  na velkých  a vojenských motorech,   s nimiž GE vyhrálo soutěž na nový motor pro Cessnu Denali, a jehož testování přesunulo právě do ČR. Veškeré know-how se tak poprvé v historii americké velkofirmy prostřednictví spolupráce s FS ČVUT Praha  dostává mimo území USA, což je pro Českou republiku významné ocenění.  

Zkušebna v Hradci Králové je součástí souboru čtyř pozemních zkušeben leteckých motorů, které ČVUT buduje pro posílení výzkumné a výukové infrastruktury v naší republice.  První dynamometrickou zkušebnu ČVUT uvedlo do provozu v roce 2018 v pražských Letňanech, a v Hradci Králové nyní uvádí do provozu první vrtulovou zkušebnu, viz obr. 2. Zbývající dvě zkušebny (druhou vrtulovou v Hradci Králové a jádrovou v Letňanech)  uvede ČVUT do provozu v průběhu léta 2019. Vedle uvedených zkušeben bude testování probíhat také v experimentálním letadle jako „létající zkušebně“ a  v mnoha dalších zařízeních. Vedle toho FS ČVUT aktualizuje studijní program, aby mohla vychovávat odborníky pro centrum excelence turbovrtulových motorů – ekosystém spolupráce. 

Unikátnost a světovost zkušebny v Hradci Králové jsou dány především tím, že horizontálním prouděním vzduchu lze  simulovat reálné proudění vzduchu na křídle letadla. Nejmodernější měřicí a řídicí systémy umožňují odečítat v reálném čase ohromné množství dat z tisíců senzorů umístěných na testovaných motorech. Zkušebna je vybavena účinnými tlumiči hluku, aby svým hlukem neobtěžovala okolní vesnice. Vrtulová zkušebna je nyní připravena k „ostrému“ testování a následně ji lze  využívat i pro vývoj a zkoušení jiných druhů leteckých motorů.

 

Nový testovaný motor pro Cessnu Denali, by měl   mít o 10 % vyšší tah, o 20 % menší spotřebu paliva a o 30 % delší meziservisní dobu. Hlavní  a nejdůležitější přínos nového motoru však  ocení zejména  piloti v plně  digitálním  řízení a  v jeho komfortním ovládání jednou pákou, jak tomu je  u proudových tryskových motorů. Tradiční turbovrtulový motor má totiž 2-3 ovládací páky: na hnací části (regulující množství paliva), na hnané části (ovlivňování nastavení turbíny) a na vrtuli (nastavení lopatek vrtule). Proudový motor má jen jednu páku určující výsledný tah motoru. To lze u turbovrtulového motoru dosáhnout spojeným digitálním řízením motoru a vrtule systémem FADEC. Jednoduchostí ovládání motoru je možno snížit počet pilotů ze dvou na jednoho.

Tyto inovace motoru jsou dosaženy šesti novými technologiemi: čtyřstupňovým kompresorem s kompresí 16:1, dvoustupňovou naklápěcí lopatkou statoru, dvoustupňovou vysokotlakou turbínou s chlazenými lopatkami, třístupňovou nízkotlakou turbínou, komponentami vyráběnými 3D tiskem, který umožnil nahradit 800 komponent pouze 14, a úplným digitálním řízením FADEC. Vícestupňový kompresor, vícestupňové turbíny a chlazené lopatky zvyšují výkon motoru a jeho výškový dosah, naklápěcí lopatky umožňují účinnost provozu za různých podmínek, 3D tisk zvyšuje spolehlivost a snižuje výrobní náklady, digitální řízení přináší vedle jednoduchosti ovládání  také spolehlivost a bezpečnost.

K zajímavostem jistě patří i skutečnost,  že při otevření zkušebny se účastníci mohli jako první seznámit s novou konstrukcí vrtule, vyvinuté na bázi moderních polykarbonátů firmou McCauley, speciálně pro novou Cessnu Denali a která byla dosud utajená.

 

Velkorysou a v akademickém světě ojedinělou dohodou s GE Aviation Czech  získá FS ČVUT přístup k přísně střeženým datům a znalostem. Výsledkem společného projektu je v rámci nového Centra pokročilého leteckého a kosmického výzkumu při FS ČVUT v Praze vyšší úroveň bádání a rozvoje výzkumu a inovací. Na strojní fakultě ČVUT v Praze je mj. i díky společnému projektu inovován nový magisterský studijní program „Letectví a kosmonautika“, pro 40 absolventů ročně. Počet studentů v zaměření letecké motory se z 0-1 studenta zvýšil na 50 % studijního programu. 

Při uvedení zkušebny do provozu zdůraznil  Michael Valášek, děkan FS ČVUT Praha, že „je přesvědčen, že testování a rozvoj leteckých motorů přispěje k transformaci české ekonomiky na ekonomiku s vysokým podílem přidané hodnoty.“ Při tom vyzdvihl podíl dodavatelů a partnerů projektu z GE Aviation Czech, CEL, Pragy Avia a dalších, díky nimž se v rekordním čase podařilo zprovoznění již druhé zkušebny. K tomu dodal Milan Šlapák, generální ředitel GE Aviation Czech, že se v případě zkušebny se „jedná o nejmodernější vývojové zařízení tohoto typu na světě. V laboratoři se bude testovat turbovrtulový motor pro letadla Cessna Denali, se kterým chce továrna GEAC prorazit na světovém trhu“.  Uvedená spolupráce tak dává vzniknout Centru excelence pro vývoj turbovrtulových motorů GE v ČR,  jako základu ekosystému výuka-výzkum-vývoj-výroba mezi FS ČVUT a GEAC.

 

Autor: Milan Kašík 

(s využitím informací z článku autora v Technickém týdeníku)

Foto:  archív FS ČVUT a GE Aviation Czech