Zakres tematyczny prac Zakładu obejmuje:
- modelowanie oddziaływań dynamicznych złożonych układów wirnik - łożyska - fundament metodą analizy nieliniowej
- modelowanie wymiany ciepła w węzłach łożyskowych - modele 3 - D
- badania eksperymentalne w laboratorium wibrodiagnostyki IMP PAN
- analiza dynamiczna konstrukcji bryłowych metodą MES (np. w oparciu o system ABAQUS)
- diagnostyka według modelu dużych obiektów energetycznych
- tworzenie baz danych dla systemów eksperckich metodą analizy komputerowej
1. Modelowanie oddziaływań dynamicznych złożonych układów wirnik - łożyska - fundament metodą analizy nieliniowej
Maszyna wirnikowa jest złożonym układem mechanicznym na który składają się trzy główne podukłady:
- konstrukcja podpierająca
- hydordynamiczne łożyska ślizgowe
- linia wirników
W efekcie wielu lat pracy zespołu zaproponowany został nowy i jednolity opis w postaci środowiska komputerowego „MESWIR”. Opis ten jest właściwy zarówno dla klasy małych maszyn wirnikowych, powszechnie stosowanych w budowie maszyn, jak i klasy dużych maszyn np.: energetycznych. System „MESWIR” umożliwia ocenę stanu dynamicznego maszyny wirnikowej w całym zakresie prędkości obrotowych, również po przekroczeniu granicy stabilności. Jego istotę stanowi nieliniowy opis zjawisk tu zachodzących. Możliwy zatem jest zarówno opis transformacji jakościowej obrazu drgań po przekroczeniu granicy stabilności jak i emisja nieeliptycznych trajektorii przemieszczeń i złożonych widm drgań w stabilnym zakresie pracy za pomocą jednego narzędzia badawczego. Opisuje to poglądowo rys. 1.
Rys.1: Idea opisu nieliniowego zastosowana w systemie komputerowym „MESWIR”
Rys.2: Przykład modelu MES linii wirników turbozespołu 13K215
szczegółowy opis środowiska MESWIR: http://www.dynamika-wirnikow.imp.gda.pl/r3.htm
2. Modelowanie wymiany ciepła w węzłach łożyskowych - modele 3 - D
Głównym celem naukowym tego kierunku prac jest doskonalenie algorytmu modelowania i jego implementacja techniczna złożonych układów wirnik-hydrodynamiczne łożyska ślizgowe – konstrukcja podpierająca z uwzględnieniem wzajemnych oddziaływań przepływu i struktury.
Wzrost temperatury czynnika smarnego powoduje termiczne odkształcenia elementów łożyska i zmianę geometrii szczeliny smarnej. Zmieniona geometria szczeliny smarnej zmienia w sposób często jakościowy warunki przepływu a więc pole ciśnień i temperatur w łożysku. Nowe wartości pola ciśnienia i temperatury powodują inne odkształcenia sprężyste i termiczne elementów łożyska. Aby dokładnie modelować rzeczywiste zjawiska zachodzące w szczelinie smarnej łożyska koniecznym zatem jest uwzględnianie wzajemnych oddziaływań czynnika smarnego i elementów konstrukcyjnych łożyska – w szczególności panwi.
W ramach prac badawczych opracowano nowy model wielopodporowej maszyny wirnikowej z uwzględnieniem deformacji termosprężystych panwi oraz różnych konfiguracji utwierdzeń zewnętrznych panwi i ich wpływu na charakterystyki łożyska oraz całego układu wirnik-łożyska-fundament. Implementacja techniczna polega na włączeniu wyników symulacji uzyskanych utworzonymi narzędziami do rozproszonej bazy wiedzy istniejącego systemu doradczego.
Rys.3: Model cieplny łożyska z przykładową konfiguracjąutwierdzenia zewnętrznego panwi
Rys.4: Przykładowy wykres rozkładu ciśnienia w łożysku
Rys.5: Przykładowy wykres deformacji termosprężystych w łożysku
Rys.6: Przykładowy wykres temperatury w łożysku
3. Badania eksperymentalne w laboratorium wibrodiagnostyki IMP PAN
Stanowisko Badawcze Dynamiki Wirników i Łożysk zostało zbudowane jako obiekt doświadczalny i prace badawcze nie wymagają wykluczania go z eksploatacji. W praktyce umożliwia to prowadzenie dowolnych eksperymentów, zarówno biernych jak i czynnych
Wyniki badań doświadczalnych są wykorzystywane do pozyskiwania wiedzy o własnościach dynamicznych obiektu jak i dostrajania tych programów komputerowych „MESWIR” Jedną z metod pozyskiwania danych dotyczących własności dynamicznych wirnika laboratoryjnego oraz konstrukcji podpierającej jest metoda eksperymentalnej analizy modalnej.
Stanowisko badawcze dynamiki wirników i łożysk ślizgowych przedstawiono na rys 7.
Rys.7: Wielkogabarytowe stanowisko badawcze do badania układów wirnik - łożyska - podpory (największe w swej klasie w kraju)
4. Analiza dynamiczna konstrukcji bryłowych metodą MES (np. w oparciu o system ABAQUS)
Modele numeryczne znajdują szerokie zastosowanie w diagnostyce turbin dużej mocy. Modele te są dostrajane w oparciu o wyniki badań doświadczalnych i pomiarów prowadzonych zarówno na obiektach rzeczywistych jak i stanowiskach laboratoryjnych. Celem dostrojenia modelu numerycznego jest dokładniejsze odwzorowanie obiektu rzeczywistego. W pracach prowadzonych w Zakładzie Dynamiki Wirników i Łożysk Ślizgowych wykorzytywane są modele numeryczne symulujące stany dynamiczne maszyn wirnikowych. Dostrajanie tych modeli odbywa się między innymi w oparciu o wyniki badań doświadczalnych prowadzonych na wielkogabarytowym stanowisku laboratoryjnym wirnika trójpodporowego ułożyskowanego ślizgowo.
Rys.8: Model dyskretny MES wirnika wraz z łożyskami i konstrukcją podpierającą.
5. Diagnostyka według modelu dużych obiektów energetycznych
Zakład obecnie uczestniczy w pracach prowadzonych na potrzeby realizacji dużego interdyscyplinarnego projektu „DIADYN” Zintegrowany Dynamiczny System Oceny Ryzyka, Diagnostyki Oraz Sterowania Dla Obiektów I Procesów Technicznych.
Głównym efektem końcowym tego projektu będzie metodologia opracowywania „inteligentnych” systemów zarządzania dla tzw. fabryk przyszłości, w tym prototyp hybrydowego, dynamicznego systemu eksperckiego nowej generacji łączącego w sobie elementy oceny ryzyka, kontroli bezpieczeństwa pracy, diagnostyki dynamicznej, przepływowo-cieplnej oraz materiałowej. Oryginalnym pomysłem jest tu próba połączenia możliwości sterowania charakterystykami materiałowymi obiektów z tradycyjnymi metodami opisu ich stanu, przez co realizowana jest zasada modelowania wszystkich istotnych sprzężeń występujących w układach mechanicznych. Istotną nowością projektu są nowe laboratoria takie jak laboratorium „wirtualna elektrownia” umożliwiające transmisję danych pomiędzy bazami rozproszonymi przez internet i wstępną weryfikację opracowanego systemu oraz laboratorium składające się z zespołu stanowisk badawczych dla weryfikacji opracowanych aktywnych metod sterowania układów wirnik-łożyska z panwiami z materiałów wielofunkcyjnych.
Część prac prowadzonych w ramach projektu dotyczy opracowania nowych metod analizy dla turbozespołów energetycznych nowej generacji, a więc dotyczy stworzenia podstaw dla energetyki bezpiecznej, ekologicznej i wysokosprawnej. Wykorzystanie opracowanych narzędzi w postaci nowych hybrydowych systemów eksperckich w energetyce wydaje się szczególnie perspektywiczne z uwagi na fakt, iż duże maszyny energetyczne są maszynami krytycznymi tzn maszynami, których awaria powoduje szczególnie grożne skutki dla bezpieczeństwa pracy.
6. Tworzenie baz danych dla systemów eksperckich metodą analizy komputerowej
Zakład współuczestniczył wraz z Politechniką Śląską, Politechniką Częstochowską, Politechniką Poznańską i Instytutem Energetyki w dużym przedsięwzięciu badawczym w postaci projektu badawczego zamawianego PBZ 038-06 (Opracowanie nowoczesnych systemów diagnostycznych turbozespołów krajowych bloków energetycznych dużej mocy), którego współrealizatorami byli Kierownik Zakładu prof. Jan Kiciński i prof. W. Cholewa z Politechniki Śląskiej. Efektem tego projektu było zainstalowanie i wdrożenie w elektrowni Kozienice na bloku nr 7 pierwszego krajowego systemu diagnostycznego turbozespołów energetycznych wykorzystującego tzw. „sztuczną inteligencję”. Informacje na temat tego systemu są dostępne w internecie pod adresem:http://kpkm.mt.polsl.gliwice.pl/projekty/
