W Ogólnopolskim Konkursie SIMP na najlepsze prace dyplomowe o profilu mechanicznym dwa wyróżnienia trafiły do absolwentek PWr. Doceniono Anetę Nycz, absolwentkę Wydziału Mechaniczno-Energetycznego i Karolinę Dąbrowską, absolwentkę Wydziału Mechanicznego.

Konkurs Stowarzyszenia Inżynierów i Techników Mechaników Polskich (SIMP) ma zachęcać młodych inżynierów do podejmowania ambitnych prac dyplomowych oraz zainteresować ich tematyką przydatną dla gospodarki kraju.

W tegorocznej edycji – na szczeblu ogólnopolskim – wyróżniono dwie absolwentki Politechniki Wrocławskiej.

Aneta Nycz jest absolwentką mechaniki i budowy maszyn (obecnie mechaniki i budowy maszyn energetycznych) na specjalności maszyny i urządzenia energetyczne na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym, a aktualnie doktorantką Szkoły Doktorskiej PWr.

Karoliną Zofia Dąbrowska jest natomiast absolwentką mechaniki i budowy maszyn na specjalności inżynieria materiałów konstrukcyjnych na Wydziale Mechanicznym, a obecnie studiuje chemię i inżynierię materiałów na Wydziale Chemicznym.

Turbina Francisa

Aneta Nycz zajęła się tematem związanym z jednym z typów turbin wodnych, czyli maszyn wykorzystywanych do pozyskiwania energii mechanicznej  z energii wody. Konkretnie turbiną Francisa, czyli  typem silnika wodnego, powszechnie stosowanym w hydroelektrowniach. W Polsce jest to jedna z  najczęściej stosowanych  konstrukcji turbin w elektrowni wodnych w terenach górskich.

Nasza studentka za cel postawiła sobie identyfikację wpływu pozaoptymalnej pracy tej turbiny na zjawiska przepływowe w rurze ssącej. Pracę pisała pod opieką dr. inż. Przemysława Szulca z Katedry Inżynierii Konwersji Energii na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym.

Jak podkreśla autorka, pojawiające się zaburzenia przepływu w rurze ssącej turbiny Francisa są przyczyną obniżenia  sprawności tej maszyny i zmniejszenia jej żywotności. Dlatego zapewnienie stabilności pracy turbiny przy jej częściowym obciążeniu jest tak ważną kwestią, szczególnie ze względu na zmienny charakter przepływu w rzekach.

Studentka wykonała przegląd literaturowy, na podstawie którego określiła potencjalne przyczyny występowania zaburzeń w rurze ssącej i sposoby ich redukcji lub eliminacji, a następnie przeprowadziła szczegółowe badania i symulacje numeryczne.

Jednym z jej ustaleń jest wskazanie, że główną przyczyną zakłóceń pracy turbin jest kawitacyjny wir sznurowy. Do jego powstania dochodzi w pozaoptymalnym stanie działania maszyny, a bezpośrednią przyczyną występowania jest skorelowanie znacznej wartości głębokości regulacji z kształtem części przepływowej maszyny.

– Zjawisko kawitacji przestrzennej jest trudne do przewidzenia zarówno na etapie projektowania układu hydraulicznego, jak i w czasie badań modelowych – jego wychwycenie bez przygotowania  przezroczystych komponentów przepływowych (rura ssąca) jest praktycznie niemożliwe – podkreśla autorka pracy. – Potencjalne rozwiązanie problemu powinno stanowić całościowe wyeliminowanie przyczyny występowania kawitacyjnego wiru sznurowego, a nie tylko łagodzenie objawów w postaci drgań i fluktuacji ciśnienia. Powinno również uwzględniać odpowiednie miejsce kontroli pierścienia wodnego granicznego z uwagi na rozkład  przepływu, np. wlot do rury ssącej, właściwe miejsce redukcji lub eliminacji wiru, np. obszar występowania najniższego ciśnienia, a przy tym musi być metodą niezawodną, ekonomiczną w eksploatacji i budowie, o najmniejszym  oddziaływaniu na sprawność turbiny.

Rozwiązanie dla dłuższego działania zastawek serca

Z kolei Karolina Zofia Dąbrowska zajęła się kwestiami związanymi ze sztucznymi zastawkami serca. Swoją pracę pisała pod opieką dr inż. Magdaleny Kobielarz z Katedry Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej.

Jak podkreśla studentka, najczęstszą przyczyną zgonów w Polsce u mężczyzn w wieku powyżej 45. roku życia oraz u kobiet powyżej 70. roku życia jest choroba sercowo-naczyniowa. Niewydolność serca może być konsekwencją nadciśnienia tętniczego, zawału czy nabytych wad zastawek serca, występujących w ciężkiej postaci u 300 tys. osób na świecie.

W zależności od stanu pacjenta uszkodzone zastawki serca naprawia się lub wymienia, aby uniknąć niewydolności serca i postępowania choroby niedokrwiennej. Wśród sztucznych zastawek serca wyróżnia się zastawki mechaniczne i biologiczne. Te drugie stosowane są coraz częściej ze względu na łatwość pozyskiwania materiałów odzwierzęcych i mniej inwazyjny zabieg implantacji. Wykorzystuje się w nich osierdzie zwierzęce – wołowe i wieprzowe – jako biomateriał tworzący płatki zastawek.

– Przed implantacją osierdzie jest poddawane wielu procesom, w wyniku których wzrasta jego podatność na biodegradację – opowiada autorka pracy. – By tego uniknąć, biomateriał poddaje się sieciowaniu, czyli tworzeniu dodatkowych wiązań stabilizujących strukturę białek fibrylarnych tkanki. Dzięki temu wzrasta odporność tkanki na niszczenie, a także poprawia się jej wytrzymałość mechaniczna. Jako odczynnik sieciujący komercyjnie wykorzystuje się aldehyd glutarowy. Niestety nie jest to rozwiązanie pozbawione wad. Jedną z najważniejszych jest wzmaganie tendencji do kalcyfikacji, czyli zwapnienia. W efekcie trwałość zastawki biologicznej szacuje się na zaledwie 15 lat. Dlatego trwają poszukiwania nowych odczynników sieciujących i modyfikacje parametrów procesu sieciowania.

Jednym z rozwiązań branych pod uwagę jest zastosowanie naturalnej substancji sieciującej – kwasu taninowego, wykorzystywanego w bioinżynierii do tworzenia skafoldów polimerowych. Może on być stosowany samodzielnie lub dodawany do aldehydu glutarowego.

– Doniesienia literaturowe dotyczące utrwalania osierdzia tym odczynnikiem są niejednoznaczne, a tym samym niewystarczające do oceny jego skuteczności jako odczynnika sieciującego – podkreśla studentka. – Stąd tematem mojej pracy stały się badania z wykorzystaniem zarówno aldehydu glutarowego, jak i kwasu taninowego, aby porównać wpływ obu substancji na właściwości mechaniczne i strukturalne tkanki. Uwzględniłam także ukierunkowanie włókien białek fibrylarnych w osierdziu, żeby zbadać wpływ sieciowania na anizotropię tkanki osierdzia.

Autorka pracy wykazała m.in., że uwzględnianie ułożenia włókien w tkance osierdzia podczas projektowania sztucznych zastawek mogłoby pozytywnie wpłynąć na ich trwałość. Pokazała także korzystny wpływ kwasu taninowego na właściwości mechaniczne sieciowanego osierdzia wieprzowego, dzięki czemu mógłby stanowić alternatywę dla aldehydu glutarowego. Rozwiązaniem mogłoby być także jednoczesne zastosowanie obu substancji, zapewniające poprawę integralności tkanki. Dalsze badania mogłyby natomiast pozwolić na zaprojektowanie procedury sieciowania tymi substancjami, z uwzględnieniem kolejności stosowania odczynników. Mogłoby to pozwolić na wykorzystanie zalet obu substancji i wydłużenie żywotności implantu.

lucy