Vývoj a výroba prototypu
parní kogenerační jednotky
pro kolísavé průtoky páry
s výkonem 100 až 300 kWel

Základními body projektu jsou konstrukce výroba a zkoušky zařízení. Bližší popis jednotlivých důležitých oblastí a vlastní problematiky viz. níže.

  • 1. oblast - Konstrukce

  • Vysíťovaná část MKP modelu. Zpracovalo Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka
    Jeden z 3D modelů jedné koncepce parního stroje. Model konstrukčně zpracovala vývojová konstrukce firmy PolyComp
    Konstrukční práce byly doménou naší firmy. Myšlenky našich konstruktérů usměrňoval spoluřešitel ČVUT a ostatní spolupracující výpočtové firmy, což je ostatně vidět i ve schématu postupu řešení. Parní kogenerační jednotka vycházela ze staršího modelu parního motoru, jehož principy a konstrukce jsou patentově chráněny. Pomocí moderních technologií 3D simulací a analýz jsme mohli předejít mnohým konstrukčním nedokonalostem, které by se projevily při provozu zařízení.

    Zpětná vazba na konstrukci po externích analýzách a následná úpravy jsou vidět ve schématu postupu řešení projektu. Tento krok byl velice důležitý především pro určení maximálních tlaků admisní páry a maximální teploty admisní páry.

    Část simulací a výpočtů, jenž neměla možnost úprav se týkala sériově vyráběného bloku motoru včetně klikového hřídele, u kterého se určovaly maximální parametry atypického provozování tohoto polomotoru. U kogenerační jednotek našeho typu může docházet k zatížení klikového hřídele od admisní páry na všech šesti zalomeních, což má za následek přetížení klikového hřídele, na kterou není takováto sériově vyráběná součást konstruována.



    Schématická definice entit pro stanovení teplot. Zpracoval Odbor tepelných a jaderných energetických zařízení
    6 cylinder Masses from polycomp, bearing dimensions roughly estimatedRozložení mechanických ztrát jedné varianty stroje při daných parametrech. Zpracovalo Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka

    Silové a kinematické veličiny působící na ojnici, významné body zatížení mechanismu pro MKP výpočet. Zpracovalo Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka

    Kontury hmotnostního podílu vodní fáze (cca 900°). Zpracoval Odbor tepelných a jaderných energetických zařízení
    Rychlostní profil v inkriminované oblasti. Zpracoval Odbor tepelných a jaderných energetických zařízení

    Reziduum Časový krok
    3,704.10-5 s (0,1°)
    rovnice kontinuity 2.10-1 – 6.10-3
    x-ová složka rychlosti 5.10-1 - 5.10-2
    y-ová složka rychlosti 8.10-1 - 1.10-1
    rovnice energie 1.10-1 - 3.10-3
    hmotnostní podíl vodní fáze ( β ) 3.10-4 - 2.10-3
    počet kapiček v objemu ( η ) < 10-3
    Turbulentní kinetická energie k < 10-3
    disipace turbulentní kinetické energie ε      < 10-3

    Dosažená konvergenční kritéria simulací - velikosti poměrných reziduí. Zpracoval Odbor tepelných a jaderných energetických zařízení.

  • 2. oblast - Výroba

  • Na základě již upravených a schválených 3D modelů parní kogenerační jednotky byla vytvořena výkresová dokumentace, která v mnoha případech narazila možnosti výroby v daném časovém harmonogramu. Byli jsme si vědomi, že varianta která byla označena jako nejvhodnější přenese větší objem výroby do externích firem. Současně nastala problematika plnění termínů a dosažení požadované jakosti součástí. Toto se později stalo jedním z největších problémů v oblasti výroby. Velké přesné obrobky vyžadující velké přesné obráběcí stroje a velmi zkušenou obsluhu a ty byly schopny bez větších problémů vyrobit pouze jedna firma, u které jsme se reálným způsobem přesvědčili o jejich know-how. Bohužel takováto firma je jediná v širokém okolí a většina jejich produkce se situje do sériové výroby. Bylo nutné hledat obdobné kooperanty pro složité díly PKJ, což se prokázalo jako nadlidský úkol. Součásti, které jsme nebyli schopni obrobit, byly zadány do vybraných firem, u kterých jsme počítali se spoluprácí do budoucna.
    V konečné fázi jsme dospěli k naprosto negativnímu hodnocení oblasti kooperační činnosti. Až na jednu již zmíněnou firmu není v naší oblasti žádná firma, která by dokázala vyrobit velké části PKJ v požadovaných přesnostech a jakosti a především dodat obrobky i s měřícím protokolem. Nedodržení předepsaných rozměrů na obrobku dosahovalo až 54% a dodací lhůta nebyla dodržena až čtyřnásobně především na základě reklamací a následným opravám daných součástí po dodání měřících protokolů od nezávislé firmy. Navíc většina firem není vybavena kontrolou a měřením natolik, aby pokryla své výrobní možnosti.

  • 3. oblast – Testy zařízení

  • Po ukončení výroby součástí nastala montáž funkčních celků motoru a následně i kompletní montáž. Při montáži zařízení došlo k menším úpravám ve výkresové dokumentaci a k úpravám montážních přípravků pro zvýšení efektivity montáže. Následně byla provedena zkouška chodem naprázdno (ruční pohon) a poté i funkční testy zařízení na naší zkušebně, ve které jsme testovali i dílčí celky PKJ na zkušebních stolicích před vyrobením parní kogenerační jednotky. Získávání reálných hodnot a informací chování nejen zmíněných částí, ale kompletního zařízení velkou mírou přispěla firma Kistler, která nám zapůjčila kompletní zařízení pro měření tlakových pulzních toků v komorách, v pracovním válci a následně i čidla vibrací nebo kameru pro snímání teplotního pole a další.

    V současné době také stále probíhají testy životnosti kritických dílů PKJ, které jsou stěžejním problémem PKJ. Jako konečné řešení pro prototyp PKJ jsme zatím zvolili variantu dražších těsnících uzlů, které by měly mít násobně delší životnosti oproti ostatním běžně používaným těsněním, avšak na úkor pořizovacích nákladů. Zda toto rozhodnutí bude mít negativní, či pozitivní vliv na výslednou ekonomiku, ukáže až čas. Těsnění byla pořízena variantně od dražších i levnějších dodavatelů. Jednotlivé typy nám byly navrženy od techniků dodavatelských firem přímo na míru PKJ. V každém případě jsme neopustili od testování a zkoušení ostatních druhů těsnění, jelikož by používání tohoto typu těsnění zlevnilo zařízení až o statisíce, což by mělo obrovský vliv na komerční využití již zmíněného zařízení.

    Příklady dílčích výsledků pří různých provozních stavech, měřené na zkušebních stolicích i kompletní zařízení viz. níže.

    Hystereze vlny jednoho tlakového pulzu ve vstupní tlakové komoře PKJ vztažené na 1 minutu chodu zkušební stolice
    Tvar cyklického P-V diagramu 6. pracovního válce pro vyšší parametrickou hladinu páry s dočasně upraveným vstupním kanálem pro zvýšení tlakové ztráty.
    Vibrační maxima zařízení při najíždění.

    Tlakové pulsní pole výstupní komory (výstupy 4,5,6) se spline – hysterezí v kombinaci s rozvinutýmP-V diagramem pracovního válce č.4
    Tlakové pulzní pole vstupní komory PKJ odfiltrované od spline - hysterezí cyklického zapisovače v závislosti na 1 ppm (pole je vztaženo na rozvody páry č.1,2,3 – rozvody č. 4,5,6 jsou zrcadlově symetrické). Křivka fialové barvy znázorňuje rozvinutý P-V diagram pro plnění 21%

    Teplotní pole ložiskového domečku při průchodu 8 barové syté vodní páry PKJ. Domeček byl upraven pro zjištění teploty na břitovém těsnění PKJ
    Teplotní pole pracovního válce měřené na chlazené straně. Levá část je vstupní strana páry, pravá je výstupní strana páry. Průběh teplotního pole koresponduje s simulacemi ve výzkumných zprávách.