Jak vyrobit pevnější lopatku

5.11.2019

ROZHOVOR - Bez turbín se energetika neobejde. Aby byly výkonnější a spolehlivější, o to se stará (mimo jiné) i Ústav fyziky materiálů v Brně a jeho šéf Ludvík Kunz. 

Zoom galleryNejsou turbíny trochu obnošená vesta? Dnes se pořád mluví o „nové energetice“...

Energetika se bez nich neobejde – ani dnes, ani v budoucnosti. Elektřinu potřebovat budeme, a pokud dojde k nástupu elektromobilů, tak ji budeme potřebovat podstatně více než dnes. Určitě se jim bude věnovat hodně pozornosti a určitě se budou dál vyvíjet. 

Kam? Jaký je dnes hlavní trend?

Dlouhodobě je dnes tendence u turbín, zejména u těch v energetice, zvyšovat výkony efektivity. A to znamená, že se zvyšuje provozní teplota a životnost. To má i další ekologický přínos, protože vyšší provozní teplota vede ke snížení množství zplodin, a tedy nižší míře znečištění. Zároveň s sebou ovšem vyšší provozní teploty nesou vyšší namáhání materiálu.

Výrobci turbín se tedy snaží pracovat s materiály, které umožní dosáhnout co nejvyšší pracovní teploty – a které ji samozřejmě mechanicky vydrží. Lopatky turbín jsou silně namáhány. Přitom jim musí odolat velmi dlouho, řádově jde o tisíce hodin, během kterých musí být stále bezpečné. 

Jaké materiály se tedy používají? 

Obvykle se používají takzvané superslitiny. To jsou materiály s velmi komplikovanou strukturou, jejichž složení je ve většině případů dáno. Ale jsou tam malé odchylky, které mohou jejich vlastnosti ovlivnit. Ale změny vlastností nemusíte dosáhnout pouze změnou složení materiálu, velkou roli hraje technologie výroby. I tou můžete dosáhnout změny struktury materiálu, a tím pádem můžete posouvat jeho vlastnosti. Materiál není homogenní, není všude stejný. V kořeni lopatky může být struktura jiná než v jejích koncích, záleží na tepelném zpracování. Materiál stejného složení může mít tedy v jednom případě horší či lepší vlastnosti v závislosti na použitých technologiích. 

A které vlastnosti přesně zkoumáte? Které jsou v tomto případě nejdůležitější? 

Ústav fyziky materiálů se zabývá výzkumem vlastností materiálů za vysokých teplot při mechanickém namáhání, a to nejen turbín. Zkoumáme třeba takzvané vlastnosti „creepové“ (česky se používá také někdy výraz „tečení“ či „tečení za studena“ a označuje se jím pohyb či deformace materiálu v důsledku dlouhodobého namáhání, pozn. red.). V podstatě to znamená, že se materiál za vysokých teplot namáhá a mění tvar. Musí však musí zůstat v daných tolerancích a nesmí se porušit lomem. 

Umíme dělat výzkum, ale zároveň musíme mít představu, k čemu je to vlastně dobré - a tu poskytuje praxe. 

Další vlastností, kterou jsem chtěl zmínit, je únavové poškození. Každý z vlastní zkušenosti ví, že přetrhnout drát není nic jednoduchého, a jde to pouze velkou silou. Ale pokud ho předtím stokrát ohnete, půjde vám to podstatně lépe. Budete potřebovat výrazně menší sílu, aby došlo k poškození materiálu. Nyní si to představte v turbíně: její lopatky vibrují při pohybu vysokou frekvencí a ona je tak značně namáhaná. Například na ohyb v kořeni lopatky. Tam se může pomalu vytvořit únavová trhlina, která se od jisté chvíle bude šířit dál. Nakonec se může rozšířit přes půlku lopatky, ta se utrhne, což samozřejmě způsobí ohromné škody – to se nemůže stát. Naším úkolem tedy je posoudit vlastnosti daných materiálů pro turbíny z hlediska těchto dvou vlastností. 

Co to přináší v průmyslu? 

Možná to zní jednoduše, ale taková úloha má k jednoduchosti daleko. Vlastnosti materiálu je zapotřebí rozebrat obojí z hlediska teoretického, tedy na základě znalostí, které o těch materiálech máme, také je zapotřebí provádět testování. Což je náročné jak finančně, tak časově. Creepové zkoušky trvají často dva tři měsíce – a také máme v laboratoři zkoušky, které běží rok. Únavové zkoušky jsou podobně náročné. 

Letecký proudový motor PBS TJ80 z První brněnské strojírny Velká Bíteš. Jeho jádrem je samozřejmě elegantní a účinná turbínaZoom gallery
Letecký proudový motor PBS TJ80 z První brněnské strojírny Velká Bíteš. Jeho jádrem je samozřejmě elegantní a účinná turbína
Ale to jsme stále na půdě ústavu. Platí totéž i ve výrobě? 

Je samozřejmě otázka, zda materiál, který se skutečně použije v dané turbíně, má stejnou strukturu, kterou jsme zkoumali my. To závisí na detailech struktury v daném místě, protože materiál samozřejmě není homogenní. Tím se dostáváme i k přínosu pro průmysl – takovou úlohu je totiž možné nejlépe řešit právě v situaci, kdy máme na jedné straně výzkumný ústav s jejím vědeckým know-how a na druhé straně firmu s technologií výroby. Příkladem by mohl být náš nedávný projekt s První brněnskou strojírnou Velká Bíteš, který ocenila Technologická agentura ČR. My umíme dělat výzkum, ale zároveň musíme mít představu, k čemu je to vlastně dobré – a tu poskytuje praxe. Jedině pak lze dosáhnout skutečného, praktického pokroku. Bez spolupráce s průmyslem to nemá smysl. 

O jak velkých zlepšeních se konkrétně bavíme? 

Posuny nemohou být revoluční. Není možné posunout pracovní teplotu o tisíc stupňů, to v žádném případě. Ovšem i malý posun v teplotě znamená poměrně velký ekonomický přínos. Abych to řekl ještě trochu konkrétně, mluvíme tu o posunech v řádu desítek stupňů Celsia, tedy zvýšení pracovních teplot o desítky stupňů. I to má znatelný ekonomický dopad. 

Takže by se dal váš výzkum označit za přímo aplikovaný?

Já dělení na aplikovaný a základní výzkum nemám rád. Při řešení konkrétních problémů můžu přijít s řešením, či nápadem, který bude mít široký dopad. Obě tyto oblasti jsou podle mého názoru velmi úzce spojeny, zvláště na úrovni materiálové, které se věnuji. Praxe poskytuje podněty, kam se vydat dále, jak materiál vylepšit, přizpůsobit a tak dále. 

A opačně řečeno, nový základní výzkum může zásadně změnit i praxi, že? Vidíte vy v oboru materiálů něco takového na obzoru? 

Možná. Vezmu to poněkud zeširoka – když zkoumáte nové materiály, máte v principu k dispozici dvě možnosti. Buď můžete vytvořit velký počet vzorků s různým složením, různým opracováním a tak podobně, a pak pracně zkoušet jejich vlastnosti. Anebo se můžete pokusit navrhnout materiál úplně od základu, v našem případě by to tedy znamenalo navrhnout ho od jednotlivých atomů. Tedy doslova spočítat vlastnosti jednoho atomu, dvou atomů, pak větších systémů, ideálně až do objektů o velikosti řádově desítek centimetrů, tedy podobných jako lopatky turbíny. 

To ale dnes není možné, ne? 

Ale jedna z cest by to v budoucnu mohla být. V současné době se můžeme s naší výpočetní technikou dostat v modelování na úroveň řekněme deseti tisíc atomů, ale kdybychom se posunuli o dva tři řády dál, tak bychom vlastnosti takových modelů mohli předpovědět jen na základě počítačového modelu. Zatím jsme ovšem na samém začátku. Uvědomme si, že atomové rozměry jsou v řádech nanometrů či desítek nanometrů, a lopatka má 20 centimetrů. Obrazně řečeno tedy mezi našimi dnešními modely a samotnou lopatkou je pořád velký prostor, který nejsme schopni pokrýt. Máme na ústavu skupinku, která se vývoji takových postupů věnuje, ale ta se soustředí zatím spíše na přípravu teoretických nástrojů, které někdy můžeme použít. 

Jak to přesně myslíte? 

My musíme doslova napsat rovnice tak, abychom dokázali dobře popsat to, co potřebujeme. Protože i když bude k dispozici vhodný hardware, musí k němu vzniknout i správný software – to je naše práce. Abychom byli připraveni na nástup další generace výpočetní techniky, možná třeba silnějších kvantových počítačů. Samozřejmě, není jisté, že to tak bude, že se naše odhady naplní. Ale úkolem vědy je vydat se tím směrem, zkusit to.

Děkujeme za rozhovor! 

(spe)

Ludvík KunzZoom gallery
Ludvík Kunz
Ludvík Kunz - vystudoval Masarykovu univerzitu v Brně a hned po dokončení studia v roce 1970 nastoupil do Ústavu fyziky materiálů v Brně. Tam vystřídal několik pozic, až se v roce 2012 stal jeho ředitelem. Jeho odbornou specializací jsou únava kovových materiálů a fyzikální aspekty mechanických vlastností materiálů.

Svět plný energie > Rozhovory > Jak vyrobit pevnější lopatku

Aktuality
7.11.2019 Lomonosov na místě

AKTUALITY - První ruská plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov dorazila na svou trvalou základnu blízko izolovaného ruského města Pevek na Čukotce, a stala se tak nejseverněji položenou jadernou elektrárnou. Rosatom má za cíl uvést elektrárnu do provozu do konce letošního roku. Společnost chce své malé plovoucí elektrárny s reaktory odvozenými od pohonných jednotek jaderných ledoborců nabízet do odlehlých oblastí, zatím ale žádné zahraniční zákazníky nemá. Mohou fungovat bez přestávky a potřeby doplnit palivo tři až pět let, elektrický výkon reaktorů je 70 MW.  celý článek

15.10.2019 Stát elektromobilů ve tmě

AKTUALITY - Zhruba milion domácností, firem, veřejných institucí a dalších odběratelů v americkém státě Kalifornie se v týdnu od 7. října ocitlo bez dodávky elektřiny. Tamní energetická společnost Pacific Gas and Electric Company (PG&E) je v několika postupných vlnách odstavovala kvůli snížení rizika vzniku lesních požárů.  celý článek

16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

12.6.2019 177 GW obnovitelných zdrojů do provozu v roce 2018

AKTUALITY Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) celkový instalovaný výkon obnovitelných zdrojů uvedených v roce 2018 do provozu činil 177 GW. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ a BARIDA Agency

Redakce:
Josef Janků, Jan Gregor a další ...

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt:

Aktuality
7.11.2019 Lomonosov na místě

AKTUALITY - První ruská plovoucí jaderná elektrárna Akademik Lomonosov dorazila na svou trvalou základnu blízko izolovaného ruského města Pevek na Čukotce, a stala se tak nejseverněji položenou jadernou elektrárnou. Rosatom má za cíl uvést elektrárnu do provozu do konce letošního roku. Společnost chce své malé plovoucí elektrárny s reaktory odvozenými od pohonných jednotek jaderných ledoborců nabízet do odlehlých oblastí, zatím ale žádné zahraniční zákazníky nemá. Mohou fungovat bez přestávky a potřeby doplnit palivo tři až pět let, elektrický výkon reaktorů je 70 MW.  celý článek

15.10.2019 Stát elektromobilů ve tmě

AKTUALITY - Zhruba milion domácností, firem, veřejných institucí a dalších odběratelů v americkém státě Kalifornie se v týdnu od 7. října ocitlo bez dodávky elektřiny. Tamní energetická společnost Pacific Gas and Electric Company (PG&E) je v několika postupných vlnách odstavovala kvůli snížení rizika vzniku lesních požárů.  celý článek

16.7.2019 Emisních povolenek znovu ubude

AKTUALITY - Přebytek emisních povolenek na trhu je podle dat Evropské komise pro 2019 stejný jako v loňském roce. celý článek

12.6.2019 177 GW obnovitelných zdrojů do provozu v roce 2018

AKTUALITY Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) celkový instalovaný výkon obnovitelných zdrojů uvedených v roce 2018 do provozu činil 177 GW. celý článek

13.5.2019 Uranová kostka z válečného Německa

AKTUALITY - Fyziky z univerzity v Marylandu překvapila nečekaná anonymní zásilka, ze které se vyklubala palivová kostka z nacistického jaderného reaktoru. celý článek

  

Chcete dostávat své osobní vydání tištěného magazínu Svět plný energie?

Ano, chci

Podporujeme:

SVĚT PLNÝ ENERGIE

Webový magazín a tištěný
čtvrtletník přináší témata,
zajímavosti, rozhovory
a důležité informace nejen
ze světa plného energie.

Pro Lumius, spol. s r.o.
vydává Business Media CZ a BARIDA Agency

Redakce:
Josef Janků, Jan Gregor a další ...

Grafické zpracování:
Michael Ehrlich

Texty:
neoznačené materiály jsou redakční

Foto:
archiv firem a autorů, redakce,
Thinkstock

Kontakt: