Doc. Ing. Eduard Janeček, CSc., Ing. Jindřich Liška, Ph.D.
V letošním roce vstupuje do rozhodující fáze evropský program podporující soudržnost regionů (ERDF) "Výzkum, vývoj a inovace", který má rozpočet v řádech desítek miliard Kč. Nově vzniklá centra výzkumu, vývoje a inovací představují na české poměry velké kapacity jak infrastrukturní, tak personální a to především v Brně, Ostravě, Plzni a Liberci, jejichž relevantní části jsou orientovány na technické disciplíny využitelné pro inovace v českém průmyslu. Toto představuje příležitost pro český průmysl formou zvýšené nabídky "outsourcování" výzkumně-vývojových, zkušebních i technicko-experimentálních prací. Na druhé straně program VaVpI představuje také určitou hrozbu pro český průmysl, kterou bude nedostatek volných kvalitních absolventů technických oborů, kteří budou v následujících letech do značné míry absorbování nově vzniklými centry výzkumu.
Aby program VaVpI byl dlouhodobě užitečný pro český průmysl, je zapotřebí aktivně přistupovat jak ze strany nových center výzkumu, tak ze strany průmyslu, k překonání určité "propasti" mezi nimi. Ta je dána do značné míry procedurou komunikace mezi těmito dvěma světy. Cílem tohoto článku je ilustrovat jednu z formalizací komunikace mezi těmito stranami.
Dále uváděné schéma je do určité míry používáno na pracovišti autorů článku a vedlo k řešení řady úspěšných projektům spolupráce s průmyslovými partnery a k řešení zakázek smluvního výzkumu.
Zahájení spolupráce mezi VaV institucí (v tomto případě centrum excelence NTIS financované z VaVpI projektu při Západočeské univerzitě v Plzni) a průmyslovým subjektem se snažíme podřídit vždy následujícími schématu, které je charakterizováno dvěma klíčovými aspekty:
1) Lze formulovat předmětnou problematiku spolupráce do podoby otázky (nebo řady otázek) na které má řešení odpovídat?
2) Jaké zdroje datové, znalostní a finanční jsou pro řešení problematiky (pro získávání odpovědí na otázky) k dispozici?
Pokud se podaří naplnit toto základní a relativně jednoduché schéma během specifikace problematiky, je v podstatě připraven základ pro následující fázi spolupráce a řešení projektu.
V řadě případů komunikace mezi oběma stranami, tedy sférou VaV a průmyslem, se setkáváme s tím, že obě strany jsou schopné problém pojmenovat, vytvořit pro něj jakousi nálepku, ale specifikovat to, co má být vyřešeno a jakým způsobem, je následně vždy velmi složité, především zpočátku.
Ukázalo se, že formulace otázek týkajících se cílů řešení VaV problematiky nutí obě strany k přemýšlení především nad smyslem spolupráce, nad její formou a v řadě případů se daří touto formou sjednotit i společný pohled na potřebnost a aktuálnost řešení předmětné problematiky.
V následujících odstavcích bude výše uvedené schéma ilustrováno na několika konkrétních příkladech úspěšného řešení projektů v kooperaci s průmyslem. Abychom nezmiňovali pouze tuzemským průmyslem, proveďme porovnání úspěšného využití schématu i ve spolupráci se zahraničními společnostmi.
Spolupráce ve VaV v oblasti diagnostiky energetických zařízení
především v oblasti jaderné energetiky (průmyslový subjekt: Areva GmbH, Erlangen, Německo)
Spolupráce se společností Areva GmbH trvá již více než patnáct let, přičemž po dobu posledních 7 let formou rámcové smlouvy o výzkumně-vývojových zakázkách. Společná cesta spolupráce nebyla ve všech dobách vždy nejsnadnější, nicméně důsledné dodržování výše uvedeného schématu vedlo vždy k úspěšnému řešení VaV úloh.
Jednou z úloh společné spolupráce byl návrh a následná implementace metody pro diagnostiku spalovacích komor plynových turbín. Konkrétně se jednalo o detekci poškození (odpadnutí) keramického obkladu, který chrání vnitřní povrch spalovací komory vysoko výkonových řad plynových turbín některých výrobců. Jev odlomení keramického obkladu není příliš častý, o to nákladnější jsou ovšem jeho důsledky v případě, že nedojde k včasnému zareagování obsluhy turbíny. Následné ekonomické ztráty způsobené odstávkou turbíny a náklady spojené s opravou průtočné části turbíny jsou značné.
Otázka: Došlo ve sledovaném čase k uvolnění a pádu keramického obkladu ve spalovací komoře při provozu turbíny (tj. detekce pádu keramického obkladu)?
K dispozici byly signály akcelerometrů měřící absolutní vibrace na vnějším povrchu spalovací komory. Bohužel již nebyly k dispozici data, která by zaznamenala případ odlomení keramického obkladu. Proto byl realizován experiment, který umožnil umělé rozlomení jednoho kachle tvořícího keramický obklad vnitřního povrchu spalovací komory během provozu turbíny v období před její plánovanou odstávkou a opravou. Signály získané z tohoto experimentu umožnily navrhnout speciální metodu zpracování signálů z instalovaných snímačů, která umožňuje automaticky detekovat, zda došlo k pádu keramického obkladu. Metoda byla při instalaci prototypu diagnostického systému úspěšně ověřena a v současnosti je systém úspěšně instalován již ve více než 40 kusech v turbínách po celém světě.
Plynová turbína s ukázkou záznamu nárazu keramického obkladu před použitím vyvinuté metody a veličina získaná nově vyvinutou metodou (amplitudová špička detekující náraz je více než zřetelná)
Velmi blízkou problematikou, která stejně tak ilustruje použití výše zmiňovaného schématu komunikace mezi VaV sférou a průmyslem v rámci specifikace problému je i následující úloha.
Otázky: Vyskytuje se v chladicím okruhu JE nějaká uvolněná či volně se pohybující část. Došlo ve sledovaném čase ke kontaktu této uvolněné části s některým povrchem komponent chladicího okruhu? V jakém místě reaktoru a jak velká je hmotnost uvolněné části?
V tomto případě byly zdrojem informace o přítomnosti volné části signály akcelerometrů, které jsou umístěny na povrchu reaktorové nádoby a na dalších součástech chladicího okruhu (parogenerátory, cirkulační čerpadla atd.).
Přítomnost volně se pohybujících části by mohla mít z hlediska životnosti nežádoucí vliv na stav chladicího okruhu nebo by mohla vést k poškozením v tlakové nádobě reaktoru. Volné části vznikají nejčastěji uvolněním namáhaných součástí chladicího okruhu jako jsou různé matice, části šroubů, části zajišťující laminaritu proudění chladiva atd.
Přímé metody detekce u jaderných zařízení téměř nepřipadají v úvahu - hlavně kvůli vysoké radioaktivitě a teplotě sledovaného zařízení. Pro diagnostiku volných částí je proto využívána nepřímá metoda - detekce šíření napěťových vln z místa nárazu uvolněné části na povrchu komponent chladicího okruhu. Napěťová vlna se šíří materiálem a je snímána v různých vzdálenostech od nárazu velmi odolnými piezo-akcelerometry, které jsou pomocí ocelových pásů, silných magnetů nebo šroubů připevněny z vnější strany ke kovovým stěnám sledovaných částí okruhu.
Pro potřeby detekce a především následné lokalizace a určení hmotnosti volné části byla v rámci VaV spolupráce vyvinuta specializovaná metoda pracující v časo-frekvenční oblasti, která je schopna identifikovat přítomnost nárazů volné části a následně precizně lokalizovat místo s přesností v řádu centimetrů - což je o několik řádů přesnější určení místa než u předchozích používaných postupů. Tím se podařilo významně vylepšit výsledky monitoringu a přidaná hodnota, kterou tímto monitorovací systém společnosti Areva získal, je konkurenční výhodou na trhu diagnostických a monitorovacích systémů nejen v oblasti jaderné energetiky.
Pokud se podíváme zpět na spolupráci s průmyslem v České republice, mohli bychom jmenovat řadu úspěšných projektů, kde byl aplikován výše uvedený princip nalézání společné komunikace při specifikaci a řešení úloh VaV.
Spolupráce ve VaV v oblasti monitorování rotačních strojů (průmyslový subjekt: Doosan Škoda Power, s.r.o., Plzeň, Česká republika)
Pracoviště autorů spolupracovalo s útvarem Rozvoje společnosti Doosan Škoda Power, s.r.o., jak na projektech TIP Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky, tak na projektech programu Alfa Technologické agentury ČR. V rámci projektu TIP byla řešena i problematika nově se vyskytující u parních turbín, kdy v souvislosti s požadavky na zvyšování účinnosti turbín dochází ke zmenšování vůle mezi rotujícími a statorovými částmi a výrazně tím narůstá nebezpečí vzniku kontaktu (zadírání) mezi rotorem a statorem turbíny. Pro tento jev se v odborných kruzích vžilo označení rubbingu (z angl. rub - dřít, zadírat se).
Otázky: Došlo ve sledovaném čase ke vzniku nežádoucího kontaktu mezi rotorem a statorem (detekce)? V jakém místě turbíny ke kontaktu došlo (axiální a tangenciální lokalizace kontaktu)?
Při nalézání odpovědí na tyto otázky se podařilo využít stávajícího snímačového vybavení turbín, tedy není nutné dodatečně instalovat další senzory. Vyvinutý systém je schopen ze stávajících signálů monitorovacích a zabezpečovacích systémů chvění a posuvů parních turbín detekovat kontakt mezi rotorem a statorem (rubbing) a tento kontakt pak následně lokalizovat. Tento systém tak umožňuje odhalit rizikové či nebezpečné provozní stavy parních turbín a částečně odhalit i příčiny těchto stavů. Vyvinuté zařízení je celosvětově unikátní. V současných vibrodiagnostických systémech používaných na turbosoustrojích v České republice i ve světě je včasná a automatická detekce a lokalizace rubbingu v rozsahu, který vyvinutý systém umožňuje, dosud nedostupná. Zavedení, instalace a využití této diagnostiky je přitom v současné době velmi aktuální a důležité v souvislosti s výstavbou nových výrobních bloků a s modernizací bloků stávajících.
RAMS - systém pro automatickou detekci a lokalizaci rubbingu na parních turbínách
Výzkumný a vývojový tým Evropského centra excelence NTIS (projektu VaVpI) a společnosti Doosan Škoda Power úspěšně otestoval prototyp uvedeného systému již na šesti různých turbosoustrojích, kde se podařilo jednak detekovat rubbing, a dále byla pro jednotlivé události kontaktu provedena lokalizace místa vzniku kontaktu. Výsledky projektu představili jeho autoři na několika světových konferencích, například v Londýně či Washingtonu. Vyvinuté metody a prototyp diagnostického systému ocenili špičkoví zahraniční odborníci z průmyslu i univerzit. O testování a případnou licenci projevily zájem např. společnosti Emerson, Siemens a Areva.
Při plánování tohoto projektu se v odborné veřejnosti považovalo za úspěch, kdyby se podařilo určit u vícetělesové parní turbíny, ve kterém tělese k rubbingu dochází. Výsledná metodika lokalizace umožňuje lokalizovat místo kontaktu uvnitř tělesa v axiálním i tangenciálním směru, což umožňuje významně zkrátit dobu odstávky, neboť je předem známo, ve kterém tělese turbíny byl rubbing přítomen. Současně lze v předstihu plánovat průběh opravy, neboť výsledek lokalizace kontaktu určuje konkrétní místo a komponenty v turbíně, které byly kontaktu účastny. Včasná detekce kontaktu v parních turbínách pak může zamezit jeho eskalaci a vznik tzv. rubbingu s protiběžnou precesí. Tento jev má za následek nekontrolovatelný nárůst vibrací stroje následovaný jeho havárií. V takovém případě jsou příslušné materiální škody astronomické.
Předávání cen v rámci soutěže Nejlepší spolupráce roku 2013
Tímto způsobem bychom mohli dále pokračovat ve výčtu projektů, kde aplikace výše uvedených klíčových aspektů komunikace mezi VaV sférou na jedné straně a průmyslem na straně druhé vedla k úspěchu řešení. Nicméně pro pochopení byl princip již zřejmě dostatečně ilustrován.
Přínosy programu VaVpI pro rozvoj VaV nejsou však pouze v aplikační oblasti, ale otázky přicházející z průmyslové sféry s sebou neoddělitelně přináší i výzvy z oblasti základního výzkumu, který by v těchto úvahách určitě neměl být opomíjen.
Nechť tento článek současně přispěje k pochopení možných forem spolupráce obou "světů" tak, aby prostředky vynaložené v programu VaVpI byly budoucností zhodnoceny a přinesly České republice výhody v podobě výrobků, služeb i pracovních příležitostí charakteristických vysokou přidanou hodnotou.
Závěrem lze již jen popřát vzájemné spolupráci mezi VaV sektorem a průmyslem stále více dobře a konkrétně formulovaných otázek, na něž budou nalézány precizní odpovědi v podobě nových postupů a metod na špičkové úrovni.
Celý článek ke stažení zde: