Ghostscript wrapper for D:\BBB-ARCH\MTS64\MTS64_t2z2\mts64_t2_z2.pdf M EC H AN IKA TEORETYCZNA I  STOSOWANA 2,  2  (1964) Z  BADAŃ  FOTOSPRĘ Ż YSTYCH  WIRNIKA  GENERATORA  DUŻ EJ  MOCY R.  S.  D O R O S Z K I E W I C Z ,  J.  L I E T Z  (WARSZAWA) 1.  Wstę p Dają cy  się   obecnie  wyraź nie  zanotować  postę p  w  konstrukcji  turbogenerato- rów  duż ej  mocy,  zmierzają cy  do  zwię kszenia  mocy  i  sprawnoś ci  maszyny  pro- wadzi  do budowy  coraz wię kszych  jednostek,  w których obcią ż enia mechaniczne i  termiczne  wirników  stają   się   coraz  wyż sze.  N a obwodowej  czę ś ci  wirnika  (rys.  1),  gdzie  w  wyfrezo- wanych  ż ł obkach  uł oż one  są   uzwojenia  U, zamknię te przy  pomocy  klinów  K,  wystę pują   w  ruchu  obroto- wym  poważ ne  obcią ż enia  sił ami  bezwł adnoś ci. Kształ ty  «zę bów»  wirnika,  podyktowane  warun- kami konstrukcyjnymi,  wydają   się   z  punktu  widzenia wytrzymał oś ciowego  niezbyt  korzystne.  W  rzeczywi- stoś ci  naprę ż enia  w  zę bach  wirnika  w  miejscach  kon- centracji  mogą   osią gać  granicę   plastycznoś ci,  zwł a- szcza  w  czasie  próbnego  przecią ż ania  przy  podwyż- szonych obrotach. T en  stan  rzeczy  jest  w  zasadzie  dopuszczalny, tym  niemniej  znajomość  rozkł adu  naprę ż eń  w  za- kresie  odkształ ceń  liniowo- sprę ż ystych  jest  cennym materiał em  dla  konstruktorów  maszyn  elektrycznych —  zwł aszcza,  że  mechaniczna  awaria  wirnika  turbo- generatora pocią ga  za  sobą   katastrofalne  nastę pstwa. Zagadnienie wyznaczania  rozkł adu naprę ż eń  w  wi- rują cym  modelu  wirnika  na  drodze  fotosprę ż ystoś ci został o  podję te  {przez  autorów  niniejszego  artykuł u. Przedstawiono  tu  metodę   i  technikę   badań  tego zagadnienia  zastosowaną   w  Pracowni  Analizy  N a- prę ż eń  I P P T  P AN . Rys.  1.  F ragment  przekro- ju  poprzecznego  wirnika generatora 2.  Badania 2.1.  Ogólne  zał oż enia  1 przyję ta  metoda.  P on ieważ  zarówn o  przekrój  «beczki» wirn ika,  jak  i  obcią ż en ie  n ie  zm ien ia  się   n a  dość  zn aczn ej  dł ugoś ci,  spro - R O M AN   STE F AN   D O P O SZ K I E WI C Z  I  JE R Z Y  LI E TZ wadzono  problem  do  zagadnienia  pł askiego.  P oddano  badaniu  model  pł aski bę dą cy  odwzorowaniem  przekroju  wirnika  pł aszczyzną   prostopadł ą   do  jego osi.  Taki  model  wykonany  z  materiał u  fotosprę ż ystego  należ ało  obcią ż yć sił ami,  jakie  powstają   przy  wirowaniu: a)  sił ami  masowymi  dział ają cymi  na  materiał   modelu  wskutek  jego  wiro- wania, b)  sił am i' bezwł adnoś ci,  jakie  dział ają   na  kliny  i  uzwojenia  wypeł niają ce ż ł obki;  sił y  te  przenoszone  są   na  zę by  wirnika  poprzez  zaklinowanie  i  mają charakter  sił   zewnę trznych. Przy  modelowym  badaniu  stanu  naprę ż enia,  jaki  wystę puje  w  elementach wirują cych,  korzystać  moż na  z  nastę pują cych  m etod: A.  Metoda  statyczna,  w  zał oż eniu  swoim  nieś cisł a,  nadaje  się   jedyn ie  do badania  naprę ż eń  w  niektórych  miejscach  modelu  n p .  w  przekroju,  gdzie wystę pują   spię trzenia  naprę ż eń.  Polega  ona  na  tym,  że  obcią ż amy  model  sta- tycznie  sił ami  równoważ nymi  sił om  bezwł adnoś ci,  pochodzą cymi  od  mas znajdują cych  się   po jednej  stronie  badanego  przekroju  i  przył oż onymi  moż liwie z  dala  od  niego.  Wymaga  to  każ dorazowo  oszacowania  bł ę du,  jaki  wynika z  przyję tego  uproszczenia.  Sposób  ten  stosował   W.  SZCZEPIŃ SKI  [1]. B.  Zamraż anie  naprę ż eń  w  wirują cym modelu.  M etoda  ta  jest  zastosowaniem ogólnie  znanej  w  fotosprę ż ystoś ci  metody  «zamraż ania  naprę ż eń»  do  naszego przypadku.  M odel  zostaje  umieszczony  na wale  specjalnej  wirówki  o  moż liwie stał ej  szybkoś ci  obrotowej  i  wiruje  w  pojemniku  term ostatu,  w  którym  tem - peraturę   podnosi  się   do  tem peratury  ((zamraż ania»  (80- 150°C  w  zależ noś ci od  materiał u  modelu)  i  nastę pnie  powoli  obniża  do  tem peratury  pokojowej. Efekt  optyczny  wywoł any  naprę ż eniami  wystę pują cymi  przy  wirowaniu  zo- staje  w  ten  sposób  utrwalony  i  ł atwo  go  po  wyję ciu  modelu  z  wirówki  sfoto- grafować  w  ś wietle  spolaryzowanym.  Szybkość  potrzebn a  do  wirowania  m o- delu  jest  stosunkowo  niewielka  ze  wzglę du  n a  znaczną   czuł ość  optyczną materiał u  w  podwyż szonej  tem peraturze.  Kł opoty  sprawia  tu  jedn ak  bardzo niska  w  wysokiej  tem peraturze  wytrzymał ość  materiał u  fotosprę ż ystego  n a dł ugotrwał e  naprę ż enia  rozcią gają ce,  jakie  zwykle  wystę pują   w  elementach wirują cych. C.  Metoda  polegają ca  na  wirowaniu  modelu  z  duż ą  szybkoś cią  w  temperaturze pokojowej  i  dokonywaniu  zdją ć  w  polaryskopie  przy  pomocy  bł yskowego  ź ródł a ś wiatł a.  T a  metoda  opisana  w  dalszym  cią gu  bardziej  szczegół owo  stanowi pun kt  wyjś cia  dla  przeprowadzonych  badań  z  tym ,  że  autorzy  nie  rezygnują z  metod  A  i  B  traktują c  je  jako  uzupeł niają ce.  Podobną   m etodę   polegają cą   n a wykorzystaniu  lampy  stroboskopowej  do  zdję ć  stosowali  M .  M ILBAU ER  i  M . PERLĄ   [2]. 2.2.  Opis  badań.  D la  przeprowadzenia  badań  sporzą dzono  dwa  m odele: a)  model  cał ego  poprzecznego  przekroju  wirnika  (rys.  2), b)  model  pojedynczego  typowego  zę ba  (rys.  3). M ateriał em  był y  pł yty  o  gruboś ci  10  mm  odlane  z  ż ywicy.  epoksydowej Araldit  D   utwardzanej  na  zimno.  -   , Z  BADAŃ   FOTOSPRĘ Ż YSTYCH  WIRN IKA  GENERATORA  DUŻ EJ  MOCY 29 M odel  wirnika  a) zaprojektowano  w ten sposób, że na okoł o  1/4 jego  obwodu (wirnik  posiada  2  prostopadł e osie  symetrii)  odwzorowano  dna  poszczególnych ż ł obków.  N a  zewnę trznym  obwodzie  zę by  zaopatrzono  w  cię ż arki,  których dział anie  zastę powało  obcią ż enie  rzeczywistego  zę ba  sił ami  bezwł adnoś ci klinów  i  uzwojeń.  Pozostał ą   czę ść  obwodu  modelu  nie  podlegają cą   badaniu wykonano  tak,  aby  zachowana  był a  gł ę bokość  poszczególnych  ż ł obków  i  aby rozł oż enie  mas  w  każ dym  zę bie  był o  statycznie  równoważ ne.  Ten  model po- zwalał   okreś lić  rozkł ad  naprę ż eń  u  podstawy  zę bów  i  w  masywie  wirnika. Rys.  2.  Rysunek  modelu  przekroju  poprzecznego  wirnika Badanie  modelu  pojedynczego  zę ba  daje  naprę ż enia  w jego  trzonie  i  górnej partii.  N ieprawidł owoś ci  w  stanie  naprę ż enia  powstaną   jedynie  u  podstawy modelu.  Podczas  badań  modelu  zę ba  w jego  wierzchoł ku zaczepiono  o  rowki klinowe  bezwł adnoś ciowy  obcią ż nik  duralowy,  który  odwzorowywał   dział anie sił   zewnę trznych  na  zą b. Badanie  modelu  wirnika  przeprowadzono  na  stanowisku,  którego  schemat przedstawia  rys.  4,  ogólny  zaś  widok  rys.  5.  Problem nadania modelowi  prę d- koś ci  obrotowej  okoł o  3500  obr/ min  rozwią zano  w  ten  sposób,  że  wirnik skł a- 30 R O M AN   STE F AN   D OK OSZ K I E WI C Z  I  JE R Z Y  L I E T Z dają cy  się   z  modelu  M  (rys.  4)  umieszczonego  na  piaś cie  mię dzy  dwiema  tar- czami  z  cienkiego  pleksiglasu  (dla  zmniejszenia  oporów  powietrza),  zawieszony swobodnie  na wale silnika  S,  wiruje  w  pł aszczyź nie poziomej.  Ponieważ  zawie- szenie takiego wirnika jako  bą ka na elastycznym  gumowym  wał ku jest dynamicz- nie  niestateczne,  umieszczono  poniż ej  tł umik  olejowy  T ,  który  zapewnia stateczność  ruchu,  tak  iż  wirnik  pracuje  zupeł nie  spokojnie.  Wykorzystano tu repulsyjny  silnik  prą du zmiennego o mocy 0,8 kW  z cią głą   regulacją   obrotów w  szerokim  zakresie.  W  ukł adzie tym  oś  optyczna  polaryskopu  musi  być  oczy- ] A Rys.  3.  Zarys  modelu  zę ba  wirnika z  obcią ż nikiem Rys.  4.  Schemat  stanowiska  do  fotosprę ż ystegO' badania  modelu  wirnika wiś cie  pionowa.  Widzimy  wię c  od  doł u  kolejno  lampę   bł yskową   L b,  matówkę - Mt,  polaryzator  P,  analizator  A,  oraz  kamerę   fotograficzną   K.  Jako  uboczne ź ródło  ś wiatła  zastosowano  lampę   stroboskopową   L s. Bł yski  lampy  stroboskopowej  ś ciś le  zsynchronizowano  z  obrotami  wirnika. U zyskano to w ten sposób, że na brzegu  pleksiglasowej tarczy  wirnika  nał oż ono' czarną  plamkę , która za każ dym obrotem przecina wią zkę   ś wiatł a, jaka z lampki L pada na fotokomórkę   F.  Powstają cy  w ten sposób  impuls  elektryczny  wzmocnio- ny  przez  wzmacniacz  W   steruje  aparaturą   stroboskopową   St  dają c  w  efekcie Z  BADAŃ   FOTOSPRĘ Ż YSTYCH   WIRN IKA  GENERATORA  DUŻ EJ  MOCY 31 moż liwość  wizualnej  obserwacji  nieruchomego dla  oka  obrazu  naprę ż eń.  Prze- suwanie  pola  widzenia  po  obwodzie  modelu  uzyskiwano  w  ł atwy sposób dro- gą   zmiany  poł oż enia  zespoł u  fotokomórki  z  lampką . Zdję ć  fotograficznych  dokonywano  przy  uż yciu  typowej  lampy  bł yskowej, w  której  wył adowanie  iskrowe  kondensatora  2 (iF   przy  napię ciu  6  kV  daje silny  pojedynczy  bł ysk  o czasie trwania  okoł o 2- 2,5  ;xsek, co umoż liwia  uzyskanie Rys.  5.  Ogólny  widok  stanowiska  do fotosprę ż ystego  badania  modelu  wirnika Rys.  6.  Zdję cie  zochrom  ifragmentu  modelu wirnika  wykonane  metodą   błyskową Rys.  7.  Zdję cie  izokliny  fragmentu  modelu  wirnika  wykonane  metodą   bł yskową ostrego  zdję cia  na  filmie  o  czuł oś ci  17/ 10  DIN. Wyzwolenie  bł ysku  pochodzi również  od  impulsu  z  fotokomórki  z  tym,  że  na  drodze  od  wzmacniacza  do lampy  umieszczono  wyzwalacz  bł ysku  W b  sprzę ż ony  z  migawką   aparatu  foto- graficznego.  Wyzwalacz  bł ysku, który  podobnie jak  zespół  fotokomórki i wzmac- 32 R O M AN   STE F AN   D OR OSZ KI E WI C Z  I  JE R Z Y  LI E TZ niacz  jest  urzą dzeniem  wykonanym  w  Pracowni  Analizy  N aprę ż eń,  zawiera dodatkowy  stopień  wzmocnienia  oraz  obwód  tyratronu,  który  może  zapalić się   przenoszą c  pojedynczy  impuls  na  lampę   bł yskową   dopiero  po  nacisnieniu spustu  migawki. N a  rysunku  6  widzimy  jedno  ze  zdję ć  izochrom  uzyskane  przy  pomocy opisanego  wyż ej  urzą dzenia  z  zastosowaniem  monochromatycznego  filtru pomarań czowego.  Rysunek  7  przedstawia  jedno  ze  zdję ć  izoklin. Badanie  modelu  pojedynczego  zę ba  przeprowadzo- no  w  podobny  sposób  jak  modelu  wirnika.  Odmien- na  był a  tylko  czę ść  mechaniczna  urzą dzenia.  M odel przymocowany  na obwodzie  aluminiowej  tarczy i zrów- noważ ony  przeciwwagą   wirował   w  pł aszczyź nie  pio- nowej  na  osi  wirówki  do badań  fotosprę ż ystych  napę - dzanej  silnikiem  asynchronicznym  o  mocy  2,8  kW. Stosowano szybkoś ci  obrotowe  od 1000- 1700 obr/ min. Odległ ość  wierzchoł ka  zę ba  od  osi  obrotu  wynosił a 45  cm.  Oś  optyczna  polaryskopu  był a  w  tym  przy- padku  pozioma,  a  pozostał e  elementy  aparatury  i ich ukł ad  takie  same jak  w stanowisku  opisanym  powyż ej. N a  rysunku  8  widzimy  model  zę ba  zamocowany Rys.  8.  Model  zę ba  zamontowany  w  wirówce  do  badań  fotosprę -   Rys.  9.  Zdję cie  izochrom ż ystych  modelu  zę ba  wykonane me- todą   bł yskową w  wirówce  «bł yskowej»,  a rys.  9  przedstawia  zdję cie  izochrom  tego  samego modelu, jakie  uzyskano  przy  1450  obr/ min. Po  przeprowadzeniu  opisanych  badań  oba  modele  posł uż yły  w  nastę pnej fazie  do  badań  metodą   zamraż ania  naprę ż eń.  M odel  wirnika  zamontowano w  tym  celu  na  osi  wirówki  do  zamraż ania  mię dzy  dwiema  okł adzinami z  blach duralowych  i poddano wirowaniu  w komorze  do wygrzewania  plastyków  z prę d- koś cią   okoł o 400  obr/ min.  Temperaturę  w  komorze  od  110°C  obniż ano  z  prę d- koś cią   okoł o  10°  na  godzinę .  Zdję cie  izochrom  wykonane  w  ś wietle  sodowym przedstawia  rys.  10. Z  BADAŃ   FOTOSPRĘ Ż YSTYCH   WIRN IKA  GENERATORA  DUŻ EJ  MOCY 33 Podobnie potraktowano  model zę ba  zakł adają c  go wraz  z tarczą   i  przeciwwagą na wał  wirówki z tą   róż nicą, że badanie oparto na zasadzie  superpozycji  naprę ż eń od  sił   masowych  i  zewnę trznych.  Zastosowano  tu  metodę   superpozycji  ekspe- rymentalnej,  której  technikę   laboratoryjną   opracował   R.  S.  DOROSZKIEWICZ [3].  W  pierwszej  fazie  uzyskano  przy  pomocy  wirowania  zamroż ony  efekt optyczny  wył ą cznie  od  sił   masowych  (model  był   bez  obcią ż nika).  N astę pnie Rys.  10.  Zdję cie  «zamroż onego»  obrazu  issochrom  w  modelu  wirnika  w  ś wietle  lampy  sodowej ten  sam  model  obcią ż ono  statycznie,  fotografują c  sumaryczny  efekt  od  sił masowych  i  zewnę trznych.  Ominię to w  ten  sposób  trudność  polegają cą   na tym, że  model  wirują cy  w  podwyż szonej  temperaturze  wraz  z  obcią ż nikiem  nie wytrzymywał   skoncentrowanych  naprę ż eń  rozcią gają cych  i  ulegał   zniszczeniu. 3.  Uwagi  koń cowe Podsumowują c  doś wiadczenia  uzyskane  w  toku  przeprowadzenia  opisanych tu  badań  moż na  stwierdzić,  że  metoda  zdję ć  bł yskowych  w  zastosowaniu  do okreś lania  stanu  naprę ż enia w  elementach wirują cych  zdał a pomyś lnie  egzamin. Koszt  wyposaż enia  stanowiska  badawczego  nie  jest  nadmiernie  wysoki. Samo  przeprowadzenie  badania  nie  zajmuje  tak  wiele  czasu,  jak  metoda zamraż ania,  a  w  każ dej  chwili  moż na  widzieć  i  kontrolować  obraz  naprę ż eń. N iekorzystną   stroną   metody  jest  konieczność  stosowania  pewnych  ś rodków ostroż noś ci  i  zabezpieczeń  przy  duż ych  prę dkoś ciach  wirują cych  modeli. Poza  tym,  o  ile  obrazy  izoklin  są   zadowalają ce,  o  tyle  izochromy  wyż szych rzę dów  nie  są   wyraź ne.  Wynika  to  z  tego,  że  lampa  bł yskowa  daje  ś wiatło zbliż one  do biał ego i przy  zastosowaniu  filtrów  jednobarwnych  daje  się   odczytać okoł o  siedmiu  rzę dów  izochrom. Radykalnej  poprawy  tego  stanu  rzeczy  oczekiwać  moż na  przy  zastosowaniu laserowych  ź ródeł   ś wiatł a.  Bardzo  krótki  czas  bł ysku,  stosunkowo  duża  jego energia  i  ś ciś le  monochromatyczne  ś wiatło  stwarza  moż liwoś ci  doskonalenia metod  fotoprę ż ystoś ci  zwł aszcza  w  zakresie  badań  dynamicznych. 3  Mechanika  teoretyczna  1 stosowana 34  ROMAN   STEFAN   DOROSZKIEWICZ  I  JERZY  LI E TZ Literatura  cytowana  w  tekś cie [1]  W.  SZCZEPIŃ SKI,  Badanie kształ tu  rowków  wirników  generatorów  duż ej  mocy metodą   elasto- optycsną , I  Sympozjum  z  zakresu  elastooptyki  P T M T S,  Warszawa  1962. [2]  M .  MILBAUER,  M .  PERLĄ ,  Fotoelasticimetrie  a  priklady  jejiho  pouź itl,  N akladatelstvioto Ceskoslovenske  Akademie  Ved,  Praga  1961,  116- 139. [3]  R.  S.  DOROSZKIEWICZ,  N ew  Photoelastic  Method for  Determining the  State  of  Stress  in Dams,  Symposium  on  Concrete  D am  Models,  October  14- 19  paź dziernik  1963,  Paper  N o .  9, Lizbona. P  e 3  io  M e H CCJIEflOBAH H E  M E TOflOM   < J> O T O yiI P yrO C T H   P OTOP A  TEH EP ATOP A EOJIŁIH Ofł   M OH JH OCTH B  craTŁe  pacciwaTpHBaeTCH   Bon poc  o  tiaxomneH KH   pacnpeflejieiBM   H an pjraren m t  B  poTope TypESoreHepaTopa  c  noMOiqbio  onTunecKoro  MeTofla. ITpHBOflHTCH   oSiUHe  npeflnocbijiKH   SSL Ą SL HH  cBefleimoń  K IMOCKOH : npoSjieiwe. IIpoH 3BefleH   KopoTKnS o63op  onTH îecKHX MeToflOB  npH MeimeMbix  n p a HccjieflOBaHHHx  Bpam a- IOIEIHXCH  fleTajieftj a Taione onncbiBaeTca  npH MeH eH nan aBTopaMH  TexHHKa 3KcnepnMeH Ta3  KOTOP Ł I H COCTOHT  B  (J)OTOrpa$HpOBaHHH   B  nOHHpH30BaHHOM   CBeTe  MOflejlH   BpamaiOmeftcH   C  60JIŁUIOH npH"ieM   HCTOMHHKOM  ocBemeHHH   HBjiHeTCH   KaMna- MOJiHHH.  B  ormcaHHH   H cn brra- cTeHfla  o5pameH O  BHHMaHHe Era rieKOTopBie  e r o  ycoBeprneHCTBOBaHHH3  Kan  cBoSoflH an BpamaiomeH CH   MOflejiH   11a ynpyroM   Bajry  c  MacjlHHfciM   flemntfiepoM   u  CBH3B  jie>Kfly 3aTBOpoM   dpoToannapaia  u  0T03JieMeHTOM   c  jiaMnoił - MOJiHHeił. H a  ocuoBaHHH   npOBeflennbix  HccjieflOBaHHH   flOKa3aH a  n pH roflH ocrt  iweiofla  K  HcnŁrraHHHM TaKoro  THna,  XOTH   (KaK cjie^yeT  H3  flocTynnoii  aBiopoiw  jr a iep a T yp t i)  B flaH H brtt MOMeHT  STOT iimpoKO He S u m m a r y ON   T H E  P H OTO- ELASTIC  I N VE ST I G AT I O N   OF   A  G EN ERATOR  R OTOR The  paper  concerns  the  method  of  determination  of  th e stress  distribution  in  a  turbogenerator rotor by  means  of  photoelastic methods. G eneral formulation  of  the problem  reduced  to the plane case  is  presented. A  short  survey  of  the  photoelastic  methods  is  given  as  applied  to  the  investigation  of  rotating elements, and  the  technique  used  by  the  authors  is  described.  I t  consists  in  making  photoelastic photographs  of  a rapidly  rotating  model  by  using  flash  sources  of  light.  In  describing  the  experi- mental  stand,  attention  is  drawn  t o  certain  improvements,  e.g.  free  suspension  of  th e  rotating model  on an  elastic  shaft  with  oil  damper  and the  coupling  of  the  shutter  of  the  camera with  the photoelastic  cell  and  flash  lamp. On  the basis  of  the performed  experiments  it  was  proved  that  the  method is  applicable  to  this kind  of  investigations,  although  (this  follows  from  the  available  literature)  the  method  has  not been  widely  used. ZAKŁAD   MECHANIKI  OŚ RODKÓW  CIĄ GŁYCH INSTYTUTU   PODSTAWOWYCH   PROBLEMÓW  TECHNIKI  PAN Praca został a  zł oż ona  w  Redakcji  dnia  12  kwietnia  1964  r.