Mikroturbina – czyli maxi wyzwanie

Zmień rozmiar tekstu

Miniaturyzacja stawia naukowcom wielkie wyzwania. Jednym z nich było opracowanie łożyska do wysokoobrotowej mikroturbiny. Jak sobie z tym poradzili? Użyli foli metalowych, nieznacznie grubszych od włosa.

Kto smaruje ten jedzie – mówi stare porzekadło nie tylko kierowców. A kto jeździ ten wie, że łożyska muszą być nasmarowane, aby się nie zatarły. Bardziej zaawansowani w technice wiedzą, że do smarowania łożysk używa się nie tylko smarów, ale nawet wody i powietrza. Ale czym smarować łożyska, np. w mikroturbinach energetycznych, które już w niedalekiej przyszłości będą wytwarzać prąd w domach jednorodzinnych? Te turbiny, chociaż małe, wirują z prędkością od 30 tys. do ponad 100 tys. obrotów na minutę. Ich łożyska muszą, zatem być bardzo dokładnie wykonane, aby nie miały żadnych tzw. bić bocznych i aby się nie grzały. Ale to nie wszystkie problemy, które stawiają mikroturbiny. Do ich napędu może być zastosowana para substancji wrzącej w niskiej temperaturze. Jest nią np. alkohol izopropylowy wrzący już w temp. 82,6 st. C lub inny czynnik niskowrzący. Niestety są one najczęściej doskonałymi rozpuszczalnikami i nie ma takich uszczelek i zabezpieczeń, których nie pokonają. Czynnik przecieka także do łożysk mikroturbiny i skutecznie wypłukuje z nich wszelkie smarowidła.

Zadanie, jak uporać się z problemami technicznymi stawianymi przez mikroturbiny postawiło sobie konsorcjum naukowe, które powstało w 2008 r. w Olsztynie. Tworzą je: Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku, Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie, Instytut Technologii Eksploatacji w Radomiu i Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie.  Liderem jest UWM. Konsorcjum to otrzymało grant z Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka na projekt pn. „Wykorzystanie materiałów i konstrukcji inteligentnych do opracowania koncepcji i wykonania innowacyjnego systemu łożyskowania wirników mikro turbin energetycznych”. Grant wynosił ok 7,39 mln zł z tego dla UWM przypadło niecałe 3 mln zł.

Każdy z uczestników konsorcjum otrzymał inne zadanie: AGH – opracowanie systemu zmniejszającego straty energii; ITME musiał dobrać materiały na elementy łożysk i wałów; ITE – badał współpracę tych materiałów, czyli tarcie i zużycie; IMP zbudował modele numeryczne łożysk i zrobił wstępne obliczenia konstrukcyjne; UWM sprawdzał działanie całości, czyli budował i testował prototypy. Opracował również technologię produkcji elementów łożysk i systemów łożyskowania maszyn szybkoobrotowych.

- Pierwsze prace związane z realizacją projektu zaczęliśmy w 2010 r. Postanowiliśmy do naszych potrzeb wykorzystać łożyska foliowe, o których zrobiło się głośno pod koniec XX wieku – mówi dr inż. Wojciech Miąskowski z Katedry Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn na Wydziale Nauk Technicznych UWM, kierownik projektu.

Dlaczego foliowe?

- Bo w tych łożyskach nie ma rolek, ani kulek. Zastępują je metalowe folie, którymi wyścieła się bieżnię panwi łożyska, która bezpośrednio współpracuje z czopem wału. Taka folia jest bardzo cienka. Jej grubość dochodzi najwyżej do 0,1 mm. Musieliśmy znaleźć takie stopy materiałów, które wskutek współpracy nie będą się przepalać – tłumaczy dr Miąskowski.

Prace nad znalezieniem takiego materiału zajęły naukowcom z ITME 3 lata. Wykonali 300 próbek, chociaż nie działali w ciemno i korzystali ze światowej wiedzy na temat stopów i badań prowadzonych przez ITE z Radomia i UWM. Metodą żmudnych poszukiwań opracowali technologię wytwarzania materiałów na poszczególne elementy łożysk foliowych tj. folię ślizgową i folię falistą. Folie powstałe z tych związków dają się dobrze dopasować do krzywizn w łożyskach, nie przepalają się i nie odkształcają. Łożyska pracując nawet na najwyższych obrotach są stabilne i wirnik mikroturbiny nie drga. Nie drga, dlatego, że naukowcy działający w konsorcjum stwierdzili, iż jedna z powłok foliowych musi być nie płaska, lecz falista. W ten sposób wirnik łożyska nie ma bicia, bo fale mu na to nie pozwalają.

W trakcie prób naukowcy potwierdzili, że dla trwałości łożysk ślizgowych wcale nie najważniejsza jest liczba obrotów na minutę, lecz liczba rozruchów i zatrzymań maszyny. Łożysko nie jest wtedy należycie smarowane i folia użyta do jego wyścielenia szybciej się zużywa. Tę trudność też uczeni pokonali. Przy okazji opracowali również system odzysku ciepła z czynnika napędzającego turbinę i smarującego łożysko, co jeszcze podniosło wydajność całego urządzenia.

Obecnie stosowane łożyska w mikroturbinach energetycznych lub innych maszynach szybkoobrotowych mają kilka mankamentów: nie są w stanie pracować stabilnie przy obrotach sięgających 100 tys. na minutę. Przy tych ograniczeniach jedno łożysko może kosztować nawet 3 tys. zł.

- Nasze łożysko jest trwalsze. Wytrzymuje kilkanaście tysięcy startów i zatrzymań i może się kręcić szybciej i pracować stabilniej. Do rozwiązania jednak pozostaje jeden problem. Łożysko foliowe na razie trzeba wytwarzać indywidualnie, dla każdej maszyny szybkoobrotowej np. mikroturbiny. Dlatego trudno jest w tej chwili oszacować czy to rozwiązanie jest tańsze – mówi dr Miąskowski.

Projekt skończył się w tym roku. Oprócz konstrukcji łożysk, technologii ich wytwarzania, stanowisk i narzędzi badawczych, materiałów jego efektem jest 7 zgłoszeń patentowych i kolejne 2 (z UWM) w opracowaniu oraz 25 publikacji naukowych.

- Kończymy projekt, ale nie kończymy współpracy - orzekli konsorcjanci. Możemy, więc spodziewać się foliowego łożyska nowej generacji, wolnego od mankamentów pierworodnego. A może to będzie coś zupełnie nowego?

Lech Kryszałowicz

 

 

w kategorii