343 (20)

568

2.    Dodatkową okolicznością są naprężenia technologiczne, dochodzące w odkuwkach do 10% R_t, tj. około 20% <r_dop. Sumaryczny błąd w ocenie naprężeń może więc dochodzić do 30%!

3.    Do początku lat 1960 dysponował konstruktor bardzo ograniczonymi środkami służącymi do obliczania naprężeń w elementach maszynowych. Na szczęście wielu utalentowanych konstruktorów dzięki swej intuicji potrafiło znaleźć właściwe rozwiązanie, mimo tych braków.

Ze wzrostem parametrów (moc, ciśnienie, temperatura) wzrasta znaczenie możliwie dokładnego określenia naprężeń, zarówno w warunkach statycznych, jak i nie ustalonych.

Znajomość naprężeń i znajomość zachowania się materiału stanowią podstawę nowoczesnej techniki turbinowej.

Wprowadzenie metody elementów skończonych oznacza olbrzymi postęp w tym względzie. Jednocześnie niewystarczające okazuje się operowanie tradycyjnymi wskaźnikami wytrzymałościowymi, takimi jak granica plastyczności, wytrzymałość zmęczeniowa, wytrzymałość czasowa przy pełzaniu; nie pozwalają one bowiem na pełne określenie stopnia zagrożenia w poszczególnych miejscach krytycznych określonych teoretycznie.

Współcześnie wprowadzono więc dodatkowo metody mechaniki pękania i wytrzymałości niskocyklicznej (Low Cycle Fatiąue), przy małej liczbie zmian obciążeń w warunkach wysokich naprężeń.

Już w 1920 r. Griffith zajmował się teorią pękania, próbując wyjaśnić przyczynę różnicy między teoretyczną a rzeczywistą wytrzymałością szkła.

Z rozważań opartych na międzyatoraowych siłach przyciągania obliczył on, że doświadczalna wytrzymałość szkła jest około 100 razy mniejsza od wytrzymałości teoretycznej. Wskazuje to na istotną różnicę struktury szkła technicznego, mającego pewną liczbę małych rys, w których otoczeniu występuje duża koncentracja naprężeń. One też są powodem inicjującym pękanie przy stosunkowo niskim naprężeniu uśrednionym (pomijającym te koncentracje naprężeń).

Podobne rozważania można przeprowadzić dla metali, poszukując teoretycznej wytrzymałości wynikającej z sił międzyatomowych. Okazuje się, że wytrzymałość teoretyczna jest 100 razy większa od wytrzymałości mierzonej eksperymentalnie w przypadku technicznego materiału. Także i tu przyczyna leży w wadach mikrostruktury.

Teoria sprężystości, ewentualnie teoria wytrzymałości materiałów, opiera się na założeniu ośrodka ciągłego, tj. zakłada, że materiał jest jednorodny. Otóż zasady mechaniki pękania wykazują bardzo wyraziście, że to podstawowe założenie teorii sprężystości nie jest w praktyce spełnione. Przyczyna jest niezwykle złożona. Struktura materiałów technicznych, jakimi dysponujemy (struktura stali), nie odpowiada założeniom mechaniki ośrodków ciągłych. Jest ona ziarnista, przy czym wymiary ziarn są porównywalne z niektórymi wymiarami detali maszynowych, jak np. promienie zaokrągleń, nierówność

obróbki itp. Ponadto każdy materiał techniczny ma pewną ilość mikrodefek-tów struktury.

Jeżeli element jest obciążony prostopadle do rysy istniejącej w materiale, wówczas przy wzroście rysy zmienia się energia elastyczna materiału. Na granicy rysy powstaje pole naprężeń, które możemy obliczyć teoretycznie. Jeżeli energia pękania osiągnie wartość krytyczną, rozpoczyna się pękanie niestabilne. Odpowiednie wskaźniki wytrzymałości zależą od charakterystyki danego materiału. Mogą być one znalezione eksperymentalnie, co jest warunkiem obliczania wytrzymałości na pękanie.

Istota obliczeń polega na określeniu, jak szybko rysa się powiększa pod wpływem zewnętrznego obciążenia i w jakich warunkach osiąga ona wielkość krytyczną, przy której zachodzi pękanie niestabilne.

Metody mechaniki pękania przedstawiają postęp w ocenie żywotności elementów maszyn. Pozwalają na interpretację wyników badań ultradźwiękowych, rentgenowskich lub izotopowych. Wykryte defekty materiałowe mogą być porównane z parametrami krytycznymi rysy, co pozwala na decyzję wybrakowania lub dopuszczenia elementu do montażu.

6. Obracarki

Po zatrzymaniu (odstawieniu) turbiny jej wirnik ochładza się nierównomiernie, z reguły dolna część wirnika ochładza się szybciej niż górna, skutkiem czego oś wirnika wykrzywia się do góry. Po całkowitym ostygnięciu turbiny wirnik ponownie prostuje się. Ale czas stygnięcia jest bardzo długi, wynosi 20-30 godziny i więcej.

Uruchamianie turbiny po krótkim, kilkugodzinnym postoju byłoby niemożliwe, gdyż spaczony wał powodowałby silne wibracje oraz ocieranie wirnika o korpus.

W celu zachowania kołowosymetrycznego rozkładu temperatury wirnika większość turbin wyposaża się w specjalne urządzenie do obracania wirnika w czasie postoju zwane obracarką. Obracarka powoduje wirowanie wirnika z prędkością kilku obrotów na minutę (obracarki wolnobieżne) lub kilkudziesięciu obrotów na minutę (obracarki szybkobieżne) [58]. Obracarki szybkobieżne zużywają większą moc, w zamian powodują wentylację wewnątrz korpusu, zmniejszającą jego paczenie się.

7. Krytyczna prędkość obrotowa

Zagadnienie to omówimy skrótowo i w uproszczeniu. Chociaż przy obróbce wirnika dąży się do najwyższej możliwej dokładności, nie jest jednak osiągalne wykonanie idealne, przy którym oś wirowania wirnika pokrywałaby się ściśle z jego główną osią bezwładności.