FAKULTA STROJNÍ ČVUT V RÁMCI NAPLŇOVÁNÍ SVÉHO ZÁMĚRU POSÍLENÍ VÝZKUMNÝCH A VÝUKOVÝCH KOMPETENCÍ V LETECKÝCH A KOSMICKÝCH TECHNOLOGIÍCH POPRVÉ PŘEDSTAVILA V LETOŠNÍM ČERVNU SVOU NOVOU UNIKÁTNÍ ZKUŠEBNU PRO TESTOVÁNÍ LETECKÝCH MOTORŮ V HRADCI KRÁLOVÉ.
Na budování zkušebny se svými znalostmi podílela GE Aviation Czech podle kolaborativní smlouvy o společném výzkumu. Ve zkušebně nyní probíhá společný výzkum monitorovacího systému nového turbovrtulového motoru GE ATP Catalyst. FS ČVUT tím přispěla nejen k významnému propojení akademického výzkumu se špičkovým světovým pracovištěm v letectví, ale i ke konkrétnímu naplňování vládního dokumentu „Inovační strategie České republiky 2019–2030“. Letectví a kosmické aktivity v České republice se stávají prioritou průmyslového rozvoje ČR s vysokým odborným, akademickým a ekonomickým potenciálem, kdy se zhodnocuje um a kvalita vědy a výzkumu na ČVUT v Praze.
Tyto skutečnosti zdůraznil jak Michael Valášek, děkan FS ČVUT Praha, tak Milan Šlapák, generální ředitel GE Aviation Czech (dále GEAC). Děkan Valášek, který odpovídá se svým týmem za úspěšnou realizaci jak záměru FS ČVUT, tak excelentního výzkumu projektu OP VVV a společného výzkumu podle kolaborativní smlouvy, mj. zdůraznil, 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, že 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.
ZKUŠEBNY LETECKÝCH MOTORŮ ČVUT A JEJICH SVĚTOVÁ UNIKÁTNOST
Vrtulová zkušebna v Hradci je další etapou konkrétních výsledků v rámci zmiňovaného záměru FS ČVUT a kolaborativní spolupráce s GEAC.
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, s užitím konceptů Průmyslu 4.0 v rámci projetu OP VVV. FS ČVUT také připravuje nové studijní programy týkající se leteckých motorů. 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, vznikne-li rozdíl, je nutný servisní zásah.
Souběžně s tímto výzkumem probíhá kolaborativní výzkum FS ČVUT s GEAC, kde provádí ČVUT s GEAC společně řadu experimentů zkoumajících vlastnosti motorů zajímavých jak pro vývoj nového turbovrtulového motoru GEAC ATP Catalyst, tak pro výzkum 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 FS ČVUT probíhá vývoj monitorovacího systému, vychází z výzkumu vlastností v USA, který dosáhl již 1 000 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 m. 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 k tomu Milan Šlapák.
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 do ČR.
Veškeré know-how se tak poprvé v historii americké velkofirmy prostřednictvím 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 před rokem v pražských Letňanech a v Hradci Králové nyní uvádí do provozu první vrtulovou zkušebnu. Zbývající dvě zkušebny (druhou vrtulovou v Hradci Králové a jádrovou v Letňanech) uvede ČVUT do provozu v průběhu léta 2019. Vedle zmíněných 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. Vláda se rozhodla urychlit uskutečnění záměru ČVUT jeho předf inancováním formou návratné finanční výpomoci.
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 obyvatele. Vrtulová zkušebna je nyní připravena k „ostrému“ testování a následně ji lze využívat i pro vývoj a zkoušení jiných druhů leteckých motorů.
TECHNOLOGICKÉ A UŽIVATELSKÉ INOVACE TESTOVANÉHO MOTORU
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. Toho 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.
Těchto inovací motoru je dosaženo 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.
PŘÍNOS PRO VÝZKUM, STUDIUM A PRAXI
Velkorysou a v akademickém světě ojedinělou dohodou s GE Aviation získá FS ČVUT přístup k přísně střeženým datům a znalostem, jež korporace GE Aviation doposud ještě nikomu neposkytla. 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 Fakultě strojní je mj. i díky 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. V rámci podepsané dohody a rozsahu investic, které GE Aviation do ČR vkládá, se předpokládá u nás do roku 2022 vybudování výrobního provozu spolu s vývojovým centrem s více jak 500 zaměstnanci a prací pro mnoho českých subdodavatelů. A k tomu děkan Valášek dodává: „Kdo mě zná, tak ví, že vedle odpovědnosti za chod fakulty mám rád reálné vize, které přispívají k vyšší konkurenceschopnosti našeho průmyslu a strojařiny jako takové. Proto společnému projektu naší fakulty a GE Aviation nejen věřím a fandím, ale jsem si vědom, že v případě jeho úspěchu nás to posune mezi špičkové technické univerzity světa. A navíc pomůžeme českému průmyslu, jemuž jsme podle mého názoru stále ještě mnoho dlužni.“