Zdjęcie 072 października 2013 był ciepłym, a jak tą porę roku, dniem. Słońca co prawda w większości skryte było za chmurami, ale powietrze było przejrzyste i nie zapowiadało się na deszcz. A to bardzo istotne. Ponieważ tego właśnie dnia, w miejscowości Zielonka pod Warszawą, w miejscu położonym w linii prostej pomiędzy Rembertowem a Sulejówkiem, miało miejsce wydarzenie, ważne dla nie tylko dla polskiego przemysłu lotniczego, ale także i dla polskiej nauki. A jego skutki będą z pewnością dalekosiężne i bardzo pozytywne...

 

 

Tego bowiem dnia, przy udziale prasy, przedstawicieli rządu RP oraz sejmu przebiegła ceremonia wbudowania kamienia węgielnego pod Laboratorium Aerodynamiki Przepływów Turbinowych (Cold Flow Facility - CFF). W czasie uroczystości polski rząd reprezentowała Minister Rozwoju Regionalnego – Elżbieta Bieńkowska. Natomiast samorząd lokalny reprezentował Burmistrz Miasta Zielonka – Grzegorz Dudzik.   
Z kolei polską naukę reprezentował profesor Mariusz Figustki, Prorektor Wojskowej Akademii Technicznej oraz Krzysztof Kurzydłowski, Dyrektor Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, natomiast polski przemysł lotniczy Jan Piotrowski, Prezes Zarządu Wojskowych Zakładów Lotniczych S.A.  Stronę włoską oficjalnie reprezentował Giacomo Vessia - Prezes Zarządu Laboratorium Badań Napędów Lotniczych „Polonia Aero” Sp. z o.o. oraz Georgio Abrate – Leader of Avio Aero Engineering.
Budowę jakiego typu laboratorium inaugurowano, co się będzie w nim badać i jaką technologią – o tym za chwilę. Na początek parę słów o rozwoju całej idei.

 

Zdjęcie 01

Akt erekcyjny podpisuje Minister Rozwoju Regionalnego lżbieta Bieńkowska - fot. Maciej Ługowski


Idea i początki CFF w Polsce

Inicjatorem i liderem całego projektu jest włoski koncern Avio Aero, którego siedziba główna zlokalizowana jest we Włoszech w Turynie, a zakłady produkcyjne posiada w trzech włoskich miastach: Turyn, Pomigliano d’Arco (Naples) oraz Brindisi. W Polsce posiada swój oddział AvioPolska z siedzibą w Warszawie. Avio Aero to znany w branży koncern konstruujący i produkujący elementy silników lotniczych, głównie turbin niskiego ciśnienia oraz ich składowych (w tym łopatek turbinowych). Koncern ma wieloletnie doświadczenie zarówno konstrukcyjne, jak i producenckie. Avio Aero zdecydowało się utworzyć w Polsce jedno ze swoich najnowocześniejszych centrów badawczych. Dla tak innowacyjnego, kosztochłonnego przedsięwzięcia koncern musiał znaleźć w naszym kraju partnerów. I to był m.in. powód, dla którego spośród krajów europejskich, Avio Aero postanowiło wybrać właśnie na Polskę, jako kraj, w którym taki projekt realizuje. Stwierdziło bowiem, że znajdzie u nas odpowiednich, o bogatym doświadczeniu w branży, partnerów oraz fachową kadrę na wszystkich poziomach (a więc inżynierów, konstruktorów i techników z branży lotniczej i pokrewnych). Oszacowano więc, że realizacja tak dużego i nowoczesnego projektu w Polsce obarczona jest najmniejszym ryzykiem. Zresztą nie tylko Avio Aero doszło (i dochodzi) do takich wniosków.
Wkrótce koncern znalazł partnerów w Polsce. Zostały nimi z jednej strony instytucje naukowe – Politechnika Warszawska, Wojskowa Akademia Techniczna, a z drugiej partner przemysłowy – Wojskowe Zakłady Lotnicze nr 4 S.A. w Warszawie. Te cztery podmioty utworzyły w 2008 roku konsorcjum naukowo-przemysłowe pod nazwą: Laboratorium Badań Napędów Lotniczych „Polonia Aero” Sp. z o.o.. I to był początek przedsięwzięcia.
Celem powstałego konsorcjum od samego początku nie było wybudowanie tylko jednego laboratorium, choć to w Zielone będzie największym i najnowocześniejszym, stanowiąc bazę-centrum procesów badawczych. Opierając się na znanym efekcie synergii, dodatkowo powstaną laboratoria, prowadzące zaawansowane badania z dziedziny aerodynamiki przepływów turbinowych. Stworzą one, razem z laboratorium centralnym sieć, za pomocą której będą się one wymieniać informacjami. Tym samym każde z laboratoriów będzie miało do dyspozycji dla wsparcia swoich badań wszystkie jednostki badawcze będące  w sieci, same będąc jednocześnie wsparciem dla pozostałych. Budując w ten sposób wzmacniającą się poprzez efekt synergii sieć placówek, można prowadzić najbardziej skomplikowane projekty badawcze, zarówno minimalizując ich koszty jak i maksymalnie skracając czas badań. Przy czym każde laboratorium zachowuje funkcjonalną niezależność prowadząc własne projekty badawcze, lub projekty zlecone, korzystając jednocześnie, w razie konieczności, ze wsparcia placówek będących w sieci. Tym sposobem można także prowadzić wiele skomplikowanych projektów równolegle.

 

Zdjęcie 02

Goście na tle namiotu gdzie odbywało się podpisywanie aktu erekcyjnego - fot. Maciej Ługowski


Główne laboratorium zlokalizowane będzie w Zielone, ale pozostałe ośrodki badawcze będą się znajdować przy uczelniach, biorących udział w projekcie. Projekt laboratorium głównego wykonał dział badawczo-rozwojowy koncernu Avio Aero wspólnie z amerykańską firmą ASE.  
Tak więc inwestycja ta jest interesująca i ciekawa nie tylko ze względów naukowych i badawczych. Niesie ze sobą ogromne możliwości rozwoju nowych technologii w zakresie napędów lotniczych w Polsce. Wnosi również ogromną wiedzę w zakresie organizacji, logistyki oraz ergonomii prac badawczych.      
      

 

Zdjęcie 03

„Kamień węgielny” pod Laboratorium Aerodynamiki Przepływów Turbinowych już został złożony - fot. Maciej Ługowski

 

Cel naukowy i biznesowy CFF

Głównym założeniem powstałego konsorcjum Polonia Aero, a w konsekwencji Laboratorium Aerodynamiki Przepływów Turbinowych, jest stworzenie jednego z najnowocześniejszych i największych tego typu ośrodków na świecie. Laboratorium, którego ukończenie i rozpoczęcie działalności planowane jest na koniec 2014 roku, ma dwa podstawowe cele. Pierwszym  z nich, na co obecnie w branży silników turbinowych (turbośmigłowych, turbowałowych i turboodrzutowych) kładzie się szczególny nacisk, jest prowadzenie badań nad turbinami, oraz ich modułami i głównymi elementami konstrukcyjnymi. Szczególny nacisk położony będzie na zoptymalizowanie profilu łopatek turbinowych, a co za tym idzie zwiększenia wydajności całego silnika, przy jednoczesnym obniżeniu zużycia paliwa oraz obniżenia poziomu hałasu. Wyposażenie laboratorium pozwalać będzie na testowanie turbin niskiego ciśnienia w skali 1:1 (lub mniejszej) stosowanych w silnikach lotniczych nowej generacji. Testom będą mogły podlegać zarówno prototypy turbin, jak i ich demonstratory technologii do wykorzystania w silnikach lotniczych. Zarówno konstrukcja laboratorium jak i jego wyposażenie pozwoli na stworzenia takich warunków testowania turbin, jakie występują w czasie lotu, oraz zastosowania w nim technologii badawczej „Cold Flow” ( o czym za chwilę).   
Drugim celem, a raczej możliwością jest bezpośrednia dostępność laboratorium w centrum Polski. Tak więc laboratorium w Zielonce pozwoli na realną możliwość nabycia młodym inżynierom specjalistycznej wiedzy i umiejętności praktycznych, czasie ich udziału w przeprowadzanych licznych doświadczeniach w jednym z najbardziej innowacyjnych ośrodków badawczo-rozwojowych na świecie.

 

Zdjęcie 04

Wmurowanie „Kamienia węgielnego” - fot. Maciej Ługowski


Całkowity koszt inwestycji wynosi 188.8 milionów złotych ( z czego 160.4 miliony złotych pochodzi z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, a 28.3 miliony złotych to środki z budżetu państwa). Pozostałe dodatkowe koszty, związane m.in. z doposażeniem laboratorium zabezpiecza włoski koncern Avio Aero. Jest on również autorem know-how całego projektu. Jaki powiedział Giacomo Vessia, dyrektor zarządzający “Polonia Aero”:
Jesteśmy bardzo dumni z tego, że rozpoczęcie budowy najnowocześniejszego na świecie laboratorium testującego technologię dla lotniczych turbin niskiego ciśnienia stało się faktem. Wierzymy, że inwestycja  ta w przyszłości nie tylko przyczyni się do rozwoju światowej myśli technologicznej,  ale jednocześnie da szansę młodym inżynierom na dalsze kształcenie ze względu na swoją “otwartą formułę”. Każda uczelnia czy też instytut będzie mógł zwrócić się o wykonanie w laboratorium swych badań, a ich wyniki pozostaną własnością danej jednostki naukowej bądź prywatnej firmy. Dzięki nowemu laboratorium, przemysł lotniczy zyska innowacyjny sposób produkcji kolejnych generacji silników, które będą wykorzystywane podczas lotów w przyszłości.  


Potencjał polskiego CFF

Laboratorium Aerodynamiki Przepływów Turbinowych, wyposażone będzie w sprzęt umożliwiający przeprowadzanie najbardziej skomplikowanych doświadczeń, jak i całych projektów, łącznie w testami prototypów i demonstratorów technologii. Tak więc będzie mogło przeprowadzać całościowy, zamknięty proces badawczo-przemysłowy. A to bardzo istotne. Tak więc bezpośrednim  efektem inwestycji będzie możliwość przeprowadzenia specjalistycznych badań na turbinach niskiego ciśnienia na najwyższym międzynarodowym poziomie, dla celów naukowych oraz biznesowych. I to nie tylko na rzecz własnych projektów, ale także na zlecenie zewnętrznych jednostek lotniczych. Jest to tzw. „formuła otwarta” laboratorium, co jak dotąd nie było praktykowane w tego typu jednostkach badawczych. To w Zielonce będzie pierwsze i, jak na razie, jedyne. „Formuła otwarta” oznacz więc, że laboratorium  będzie otwarte zarówno dla uczelni i instytutów jak i dla podmiotów gospodarczych. Każdy prywatny podmiot gospodarczy będzie miał dostęp do tej nowoczesnej  infrastruktury badawczej i będzie mógł przeprowadzać  w niej testy silników oraz ich prototypów. W konsekwencji umożliwi to stworzenie, tak bardzo potrzebnego, efektu synergii w rozwoju przemysłu lotniczego nie tylko w Polsce, ale także na arenie międzynarodowej.
Bezpośrednio w laboratorium planuje się stworzenie ok. 25 nowych miejsc pracy dla inżynierów i pracowników naukowych. Tak więc członkowie konsorcjum dysponować będą, w końcowym efekcie, odpowiednimi zasobami, a w szczególności dostępem do wysoko wykwalifikowanej kadry, nowoczesnego sprzętu  oraz infrastruktury, co umożliwia realizację projektu na najwyższym, eksperckim poziomie.

 

Zdjęcie 05

Teraz budowa laboratorium może już ruszyć - fot. Maciej Ługowski


„Ta prestiżowa jednostka badawczo-rozwojowa, to dla naszego kraju ogromna szansa na promocję polskiej nauki i przemysłu lotniczego. Laboratorium w Zielonce finansowane w dużej mierze ze środków programu Innowacyjna Gospodarka należy do grupy projektów o wysokim potencjale badawczym, co jest równoznaczne z jego ogromnym wkładem w polską myśl technologiczną. Think-Tank stworzony przez Politechnikę Warszawską, Wojskową Akademię Techniczną, Wojskowe Zakłady Lotnicze nr 4 i firmę Avio Aero pozwala połączyć ze sobą świat nauki ze światem globalnego biznesu w celu osiągnięcia wspólnych, dalekosiężnych korzyści. Bardzo cieszy mnie fakt, że laboratorium „Polonia Aero” będzie funkcjonowało w tzw. „formule otwartej”. Dzięki temu, na bazie przeprowadzanych tu specjalistycznych badań, polscy inżynierowie i studenci uczelni technicznych będą mieli szansę na uzyskanie praktycznej wiedzy z dziedziny lotnictwa. Nowy obiekt to również nowe, cenne miejsca pracy dla inżynierów i pracowników naukowych, którzy dzięki nowoczesnej infrastrukturze badawczej będą mieli szansę na uwolnienie tkwiącego w nich potencjału. Cieszę się, że rozpoczęcie prac budowlanych nad Laboratorium Aerodynamiki Przepływów Turbinowych stało się faktem i trzymam mocno kciuki za dalsze etapy tej inwestycji – powiedziała w Zielonce, w czasie aktu erekcyjnego laboratorium, Minister Rozwoju Regionalnego Elżbieta Bieńkowska.

 


Mechanizm procesu badawczego w polskim Laboratorium Aerodynamiki Przepływów Turbinowych

Obecnie, podobnie jak w czasie kryzysu paliwowego z początku lat 70. intensywnie  pracuje się nad zmniejszeniem zużycia paliwa przez silniki turbinowe (a szczególnie turboodrzutowe). Jest jednak zasadnicza różnica: obecnie samoloty pasażerskie są coraz większe i cięższe, pokonują coraz większe dystanse, więc zapotrzebowanie na moc napędzających je silników systematycznie rośnie. Prace muszą więc iść w tym kierunku, aby kosztem zmniejszenia zużycia paliwa, nie zmniejszać mocy silników, a wręcz przeciwnie – moc ta powinna rosnąć. Wydaje się, że konstruktorzy starają się pogodzić dwie przeciwności. Dodatkowo rosną wymagania jakości pracy silników lotniczych (zwłaszcza cywilnych), normy generowanych zanieczyszczeń i hałasu są coraz ostrzejsze. Podsumowując – silniki muszą być coraz ekonomiczniejsze, emitować mniej zanieczyszczeń i być cichsze oraz coraz lżejsze i trwalsze. Dlatego też konstruktorzy, inżynierowie pracują coraz usilniej nad tym, aby te, na pierwszy rzut oka wykluczające się wzajemnie, wymagania spełnić. Między innymi w takich laboratoriach, jak to, które powstaje w Zielonce pod Warszawą.  
Metodą poprawy opisywanych parametrów silników turbinowych jest poprawa sprawności zespołu turbin, który jest jedną z podstawowych modułów konstrukcyjnych każdego silnika turbinowego. Ma to szczególne znaczenie w przypadku silników turboodrzutowych, stosowanych do napędu dużych pasażerskich odrzutowców liniowych, które królują w transporcie cywilnym. Zastosowanie mają w nich silniki turbowentylatorowe, będące odmianą turboodrzutowych silników dwuprzepływowych. W konstrukcji tych silników, ich sprawności oraz innych  parametrów jedną z kluczowych ról odgrywają turbiny niskiego ciśnienia. Nad konstrukcją takich turbin, np. doskonaleniem profilu ich łopatek, pracować się w polskim laboratorium CFF.  
Metoda badawcza CF, Cold Flow czyli zimny przepływ, wymaga odpowiedniego wyposażenia, oprzyrządowania oraz oprogramowania. Najprościej rzecz ujmując, metoda polega na symulacji takich warunków dla pracującej turbiny, aby były ona prawie identyczne, jak występujące w czasie kursowego lotu, lecz w niższych temperaturach otoczenia. Ale to nie wszystko. W czasie symulacji pobierane z otoczenia powietrze zostaje termodynamicznie sprężone, a jego temperatura jest kontrolowana tak, aby osiągnęła 375oC. Następnie zostaje wepchnięte na turbinę z prędkością ok. 800 km/h i natężeniem przepływu (tzw. air flow) 80 kg/sek. Jest to wartość dla średniej mocy silnika turboodrzutowego, dwuprzepływowego (turbowentylatorowego). Dla przykładu silnik turbowentylatorowego SNECMA M53-P2, napędzający samolot Mirage-2000, ma wartość natężenia przepływu 94 kg/sek. Z kolei duże silniki turbowentylatorowe, napędzające takie samoloty pasażerskie, jak Boeing Dreamliner, czy Airbus A380 mają natężenie przepływu liczone w setkach kilogramów (air flow silnika Rolls-Royce Trent 1000 w samolocie Airbus 380 wynosi 1204 kg/sek).

 

Zdjęcie 06

 

Opis i schemat procesu badawczego, który będzie się odbywać w Laboratorium Aerodynamiki Przepływów Turbinowych w Zielonce

 


Ale nawet badając sprężarki niskiego ciśnienia średniej wielkości silników turbowentylatorowych, można metodą ekstrapolacji, opracowywać coraz wydajniejsze turbiny, a więc i coraz lepsze silniki. Przepływ powietrza w turbinie jest ściśle kontrolowany, podobnie jak założone parametry otoczenia i napływającego powietrza. Umożliwia to tym samym obserwacje zachować turbiny i uzyskanie wyników, które pozwolą ją ulepszyć. Dysponując danymi z przeprowadzonych testów będzie możliwe przeprowadzenie modyfikacji komponentów zgodnie z uzyskanymi wynikami: optymalizacji przepływu, zmiany profilu łopatek lub ich liczby w turbinach.
Takie badania i testy wykonywać się będzie w nowopowstającym laboratorium Aerodynamiki Przepływów Turbinowych. A to znaczący, i co istotny polski, wkład w opracowanie nowych silników lotniczych. Służąc lotnictwu teraz i w przyszłości i to na całym świecie.

 

Maciej Ługowski