V loňském roce vypsal Ústav termomechaniky AV ČR výběrové řízení na dodavatele technologie nově budovaného výzkumného pracoviště, Laboratoře rotační laserové vibrometrie. Cílem projektu bylo vytvořit komplexní experimentální bázi pro základní výzkum dynamických charakteristik rotačních částí strojů, základní výzkum měřicích a snímacích metod a prvků bezkontaktních vibrodiagnostických systémů. Základní vlastnost spočívá v možnosti budit vlastní kmity lopatek elektromagnetickým systémem při rotujícím kole a výsledky sledovat jak vibrodiagnostickými systémy, tak i opticky, laserovým interferometrem. Jedním z výstupů může být určování zbytkové životnosti lopatek turbín a možnost preventivní výměny lopatek při plánované odstávce. Výsledky činnosti laboratoře jsou určeny pro aplikovaný a průmyslový výzkum a budou sloužit k urychlení přenosu výsledků základního výzkumu do praxe. Technologii laboratoře tvoří vlastní rotační systém, kterým je modelové oběžné kolo s lopatkami, přenosem síly od motoru a nosná, resp. upínací část, nesoucí elektromagnetický budicí systém a měřicí senzory. Vzhledem k požadavkům na vysokou obvodovou rychlost systému (při 7000 ot/min a průměru kola 1 m se blíží rychlosti zvuku) je důležitou součástí pohonný systém a především vřeteno, přenášející sílu motoru na kolo. Na systém jsou kladeny značně protichůdné požadavky. Vysoké otáčky vyžadují speciální ložiska a chlazení systému vřetena, z důvodu měření je ale třeba při vysokých otáčkách prostor oběžného kola uzavřít a vyčerpat z něj vzduch, což odvod tepla výrazně zhoršuje. Vakuování rovněž vyžaduje speciálně provedené těsnění pohonného systému, zároveň se musejí z vakuovaného prostoru, z rotující části stroje, vyvést elektrické signály z měření. Proto byly nutné úpravy mechanické rotační části i měřicího systému. Především šlo o vyvedení kabeláže dutým středem vřetene a prvky přenosu z rotující části. Protichůdné požadavky se projevily i zde. Mechanický přenos komplikuje provoz ve vysokých otáčkách, extrémní časové požadavky však vylučují možnost použití bezdrátového přenosu. Vzhledem k extrémním požadavkům na vlastnosti vřetena bylo nutné je pro daný účel navrhnout a vyrobit. Těžkým oříškem byl i systém těsnění vnitřní části stroje ve vřetenu. S ohledem na vysoké otáčky nebylo možné používat běžné ucpávky, ale bylo nutné zkonstruovat labyrintové těsnění v kombinaci se speciálním mazacím tukem. Pro vybuzení kmitů lopatek se navrhl systém 8 radiálních a 8 axiálních magnetů, buzených elektronickým systémem s proudem až 30 A, v impulsech délky kolem 100 μs, synchronizovaných s přesností menší než 10 μs. Pro dosažení síly min. 10 N na každém elektromagnetu bylo zapotřebí budicí napětí až 700 V. Cílem systému je vybudit rotující magnetické pole synchronizované tenzometrickým signálem z průhybu lopatky tak, aby docházelo k maximální budicí síle. Složitou byla také otázka synchronizace celého systému. Vzhledem k požadavku buzení stejnosměrným, harmonickým i impulsním signálem, musí být pro každý magnet připravena ovládací úloha a jednotlivé magnety navzájem synchronizovány s odezvou menší než 10 μs. Přes počáteční optimismus s možnou aplikací běžně dostupných simulačních systémů, se nakonec ukázalo nutné navrhnout speciální multiprocesorový systém, zajišťující samostatné ovládání každého z magnetů procesorovou jednotkou s externí synchronizací hlavním řídicím procesorem. Systém je propojen počítačovou sítí s ostatními měřicími a záznamovými zařízeními. Relativně nejméně problematickou částí bylo řešení vibrodiagnostického systému. Zde bylo možné navázat na předchozí práce v Ústavu termomechaniky. Systém je jedinečný především svým rozlišením, umožňujícím sledovat impulzní signály vzniklé při průchodu lopatky oběžného kola kolem bezkontaktních senzorů. Relativní časové hodnoty jsou převedeny na výchylky lopatek v obvodovém směru a následně na ohybové výchylky lopatek. Za použití algoritmu diskrétní Fourierovy transformace (DFT) je provedena spektrální analýza vibrací všech lopatek a jsou stanoveny amplitudy i frekvence jednotlivých složek amplitudové spektrální funkce. Důležitou součástí celého systému je laserový interferometr s optickým derotátorem, ten umožňuje sledovat pohyb lopatek na běžícím stroji. Vzhledem ke své mobilní konstrukci lze laserový interferometr použít i mimo laboratoř. Hlavním přínosem společnosti AURA a. s. při řešení projektu bylo propojení řady výrobců a odborných pracovišť se zkušenostmi s jednotlivými specifickými částmi stroje. Sešli se tak specialisté na oběžná kola turbín, vysokootáčková vřetena, elektromagnety, konstrukci a výrobu rotačních strojů, vysokootáčkové pohony, měření na turbíně a další. Důležitou roli sehrály zkušenosti pracovníků AURA a. s. s organizací komplexních dodávek, vlastnostmi točivých strojů a vývojem i výrobou měřicí elektroniky. To se projevilo zejména tam, kde se při pečlivém konstrukčním prověření běžně dostupných výrobků ukázalo, že nevyhovují požadavkům a nakonec nezbylo, než zajistit zařízení odpovídajících vlastností urychleným vlastním vývojem. S navrženou koncepcí řešení AURA a. s. zvítězila a byla vybrána jako generální dodavatel technologie. V průběhu rekordních 6 měsíců se podařilo projekt úspěšně zrealizovat. Po důkladném seznámení s možnostmi dodaných zařízení bude zanedlouho k dispozici výzkumné pracoviště, které bude jistě přitahovat pozornost firem, vyrábějících turbíny, kompresory a další typy točivých strojů.
