MATERIÁLY A TEORIE STROJNÍCH ČÁSTÍ LOPATKOVÝCH STROJŮ

Úvod

Na základě vstupních požadavků musí konstruktéři lopatkových strojů provést termodynamický i konstrukční návrh stroje. Tyto dvě základní oblasti návrhu se ovlivňují a provádí se takřka současně s využitím více výpočtových metod a při využití co největšího množství unifikovaných částí. Rozvoj elektronické výpočetní techniky v současnosti již dovoluje simultánní ověření jak proudění tak i pevnosti konstrukce stroje na základě navržené geometrie a parametrů pracovní tekutiny. To umožňuje ověření a zrychlení optimalizace parametrů stroje a i technologického celku ještě před samotnou výstavbou a spuštěním a vyšší míru jistoty při garanci požadovaných parametrů díla.

O proudění a transformaci energie v lopatkovém stroji je pojednáno v tématu Teorie lopatkových strojů. Při návrhu strojních částí lopatkových strojů jako jsou hřídele, ložiska, šroubové spoje, spojky, převodovky a jiné strojní mechanismy se vychází z obecných teorií užívaných ve strojnictví, které lze využít i při navrzích uchycení lopatek či skříní. Jedná se tedy o nesmírně obsáhlou a širokou oblast poznání, kterou zde samozřejmě nemohu celou zachytit. V tomto článku chci pouze uvést některé teorie související s návrhem strojních částí lopatkových strojů pro potřeby základních výpočtů, o které se lze orientačně opírat při výše zmíněném procesu základního návrhu lopatkového stroje, například za účelem poptávky konkrétních strojních součástí – nenavrhujte něco co pro jiné je rutina a nevyrábějte něco co jiní vyrábí a levněji kvalitněji, pouze jim poskytněte kvalitní podklady.

Při návrhu konstrukce stroje musí být přihlédnuto k účelu a způsobu použití stroje a jeho servisu (díly trvanlivější, nebo méně trvanlivé, ale snadno vyměnitelné apod.). Lopatkové stroje bývají vybaveny také hydraulickými a elektrickými zařízeními sloužící regulaci, měření a diagnostice turbíny.

Materiály lopatkových strojů

Lopatkové stroje obvykle obsahují více druhů materiálů (malé lopatkové stroje mohou být složeny z jednoho druhu plastu či kovu). Při výběru vhodného materiálu pro konkrétní část lopatkového stroje musí konstruktér přihlížet nejen k pevnostnímu namáhání dané součásti, ale musí si ověřit zda neexistují nějaké další požadavky, které výběr materiálu ovlivňují jako například: požadavek na výslednou hmotnost stroje, požadavek na vysokoteplotní odolnost součásti nebo naopak požadavek plnit funkci při extrémně nízký teplotách (kryogenní teploty).

Výběr vhodného materiálu závisí také na typu a stavu pracovní látky v dané části stroje (v průběhu pracovního procesu ve stroji se může měnit skupenství i fyzikální vlastnosti, u hydraulických strojů může dojít ke kavitaci a následné kavitační erozi a korozi), požadavky na odolnost proti otěru či korozi. Do výběru materiálu zasahuje i technolog svými požadavky na obrobitelnost, svařitelnost a druhy polotovarů (například jestli je požadován polotovar ve formě odlitku, potom musí mít i dobré licí vlastnosti). A samozřejmě je třeba přihlížet k ceně stroje. Materiál pro lopatkový stroj vyhledáváme podle požadavků z katalogů a materiálových listů jednotlivých výrobců nebo strojnických tabulek.

● Oceli, litiny a další železné kovy

Železné kovy jsou široce dostupné materiály (pokud nehovoříme o slitinách s vyšším obsahem drahých přísad). Jedná se o materiál s použitím v širokém teplotním rozsahu. Nevýhodou je vysoká hustota, což znamená vysoké hmotnosti a vyšší namáhání od hmotnostních sil (např. odstředivá). Většina železných kovů podléhá korozi a nejsou odolné kyselinám.

V, W, Co, Ti, Al. Jak jednotlivé příměsi mění vlastnosti oceli je uvedeno například v [18, s. 166]. Některé ocelové slitiny lze dobře tepelně, chemicky i mechanicky zušlechťovat. Nevýhodou použití legujících příměsí v oceli je, že sice zlepšují primární požadovanou vlastnost ale jinou zhoršují, proto je někdy výhodnější materiály kombinovat například i formou povlaků či návarků z jiných materiálů, než je základní materiál ke snížení tření, zvýšení korozivzdornost nebo odolnosti vůči otěru, viz Obrázek 1014 a 782.

Speciálním druhem slitin jsou slitiny určené pro tepelné stroje, které často pracují s extrémními teplotami (u spalovacích turbín dosahuje teplota spalin 1300 °C, u kryogenních kompresorů se teplota pracovního plynu blíží k absolutní nule). Velké zatížení lopatek od odstředivých sil při takových extrémních teplotách klade velmi vysoké nároky na materiál, povrchovou úpravu a konstrukci lopatek. Při vysokých teplotách se především zvyšuje citlivost nejen na korozi, ale snižuje se pevnost oceli a její modul pružnosti [12, Příloha 27], viz Obrázek 3.

malé (minimální tloušťka stěny 4-5 mm) i několika několika tunové odlitky. Použití litiny na lopatkových strojích pro jejich dobrou otěruschopnost se už nevyužívá, protože jako kluzné plochy jsou používany plasty, neželezné kovy nebo materiály na bázi uhlíku. Velkou výhodou šedé litiny je její relativně nízká cena v porovnání s dalšími kovovými materiály. Z litiny se vyrábí ventilové skříně, oběžná kola čerpadel (pokud nehrozí kavitace), skříně turbín i čerpadel, výstupní i vstupní hrdla, ložiskové stojany, spirální skříně čerpadel a menších vodních turbín apod.

● Hliník, měď a další neželezné kovy

Hliník, měď a další neželezné kovy jsou kovové slitiny s žádným nebo jen velmi malý podílem železa, které obvykle obsahují vysoký podíl hliníku Al nebo mědi Cu.

Hliník Al a jeho slitiny je asi nejpoužívanější neželezný kov v lopatkových strojích. Z hliníku se velmi dobře odlévají i tenké a přesné odlitky. Jsou méně pevné než slitiny oceli, ale mají menší hustotu, což snižuje napětí od hmotnostních sil (například odstředivé) i celkovou hmotnost součásti. Ve vnějším prostředí je čistý hliník odolný korozi (zoxidovaný povrch se neodlupuje jako u ocelí), to platí i pro jeho slitiny pokud neobsahují měď (např. dural). Je dobře elektricky vodivý, což na druhou stranu může způsobovat galvanickou korozi při styku s jinými kovy [23, s. 199]. Špatně snáší prostředí s vysokým nebo nízkým pH a prostředí s obsahem chloridů. V lopatkových strojích se vyskytují nejčastěji slitiny hliníku pro odlitky s pevností do 250 MPa [23, s. 203], ale používá se i výrobky z plechů (Obrázek 1015, Obrázek 917). Ze slitiny hliníku se odlévají oběžná složitá kola turbokompresorů a dmychadel (Obrázek 891), lopatky pro ventilátory pro venkovní použití, hliníkové skříně ventilátorů, výstupní a vstupní hrdla apod. Z plechů hliníkových slitin se vyrábí například jednoduché lopatky či skříně ventilátorů. Používají se také tam kde je požadavek na lehkou konstrukci tj. letecký průmysl a přenosná zařízení jako přenosná čerpadla.

slitinou mědi bronz (slitina Cu a Sn), který je velmi odolný vodě obsahující chloridy jako například mořská voda, proto se z ní vyrábí lodní šrouby či oběžná kola čerpadel na mořskou vodu apod.

● Teflon a další plasty

Teflon a další plasty se jako konstrukční materiály prosazují díky svými nízkými pořizovacími i zpracovatelskými náklady. Teflon a další plasty mají velmi různorodé vlastnosti, které závisí na složení a pracovní teplotě. Dosažitelné vlastnosti těchto materiálů jsou: vysoká pružnost, přilnavost, bezmaznost a zároveň kluznost či odolnost vůči povětrnostním vlivů nebo kyselinám, dobrá obrobitelnost i licí a vstřikovací vlastnosti. Obvykle je nalezneme jako těsnící plochy ventilů, hřídelí (ucpávky i prachovky), posuvných tyčí a dosedací plochy ventilů. Jsou i pracovní hmotou 3D tiskáren na tisk prototypů oběžných kol do ventilátorů a čerpadel (Obrázek 835). Jsou častým materiálem u  ministrojů, které mohou být vyrobeny celé z plastu včetně ložisek, kovová část je jen hřídel a pohon (například chladící ventilátory elektroniky a malá cirkulační čerpadla). Většina plastů je špatným elektrickým vodičem.

Plasty se používají i k ochraně povrchu kovových částí lopatkových strojů například před působením kyselin. Naopak plastové díly jsou velmi náchylné na otěr, a proto nevhodná do abrasivního prostředí.

Některé druhy plastů, umělých hmot a pryží, které můžete nalézt na lopatkových strojích:

TEFLON (Polytetrafluoroethylene) má vynikající kluzné vlastnosti i při teplotách kolem 200 °C (hranice je kolem 200 °C), používá se u kluzných ložisek jako antikorozní povlaky – špatně se nanáší ve větších vrstvách, má dobrou obrobitelnost, Obrázek 1013. Čistý teflon se používá málo a spíše obsahuje nějaké příměsi jako sklo (zvyšuje odolnost proti otěru, chemickou odolnost vyjma zásad či hydrogenfluoridu), grafit (snižuje velmi součinitel tření, zvyšuje pevnost v tlaku, zvyšuje odolnost proti otěru), uhlík (zvyšuje tepelnou vodivost a odlnost proti deformaci), molymbdendisulfid (snižuje přilnavost, snižuje součinitel tření při rozběhu, zvyšuje odolnost proti deformaci), bronz (zvyšuje pevnost v tlaku, odolnost proti otěru, zvyšuje tepelnou vodivost) [5].

PPS (Polyfenylsulfid) tvrdý plast použitelný až do 200 °C, může se používat pro výrobu oběžných kol cirkulačních čerpadel (Obrázek 888) určené pro čerpání horké vody.

Keramika nebo kamenivo se používá jako výstelka přívodních kanálů čerpadel a kompresorů, především tam, kde se používá agresivních pracovních látek jako jsou kyseliny (Obrázek 1016). Povlak se vytváří přilepením, nátěrem, nástřikem a teplotním zpracováním (například PTFE vrstvy) nebo elektrochemickým způsobem (Pokud konstruktér je nucen kombinovat dva nebo více materiálů, musí brát v úvahu rozdílnou délkovou roztažnost hlavně při velkých změnách teplot mezi klidem stroje a provozní teplotou). Možné je i chemicko-tepelné zpracování povrchu základních materiálu za podobnými účely. Keramické povrchy s vysokým tepelným odporem se používají i ke zvýšení teplotní odolnosti lopatek. Pro zvýšení vysokoteplotní odolnosti lopatek se také používají kompozitní materiály s keramickou matricí (CMC ceramic matrix composite) založené na iontových vazbách [43, s. 147], proto jsou tyto součástky většinou monokristalické. Tento materiál má také relativně nízkou hustotu, což snižuje napětí v lopatce od odstředivých sil [32, s. 55].

Rotory

Kvalita a konstrukce rotoru (hřídele) výrazně ovlivňují vlastnosti celého stroje. Velikost rotoru ovlivňuje rychlost startu a odstavení stroje, zejména u tepelných strojů, kdy rotor mění svou teplotu. Konstrukce rotoru má také vliv na vibrace stroje. Jedná se obvykle o velmi přesný a velký výrobek s vysokými nároky na přepravu a montáž.

Jako materiál rotorů lopatkových strojů se používají prakticky jen oceli. Jedná se o oceli uhlíkové až při větších namáhání se používají oceli s příměsí niklu případně dalších příměsi. Podle pracovní tekutiny se provádí i úprava jejich povrchu nejčastěji formou tepelné úpravy.

● Obecný popis konstrukce rotorů a jejich havarijní otáčky

Polotovarem rotoru bývá výkovek, u větších průměrů zpravidla svarek vytvořený z více výkovků, viz Obrázek 638. Tento polotovar se obrábí do požadovaného tvaru. Rotory mimo drážek pro připevnění lopatek obsahují také disk pro uchycení axiálního ložiska, plochy pro radiální ložiska, spojkový disk a plochy upravené pro dotykové nebo bezdotykové ucpávky. Návrh rotoru se provádí podle požadavků na jeho tuhost a pevnost [34], [35] – především je nutno dbát na správné zaoblení hran. Pro zvýšení pevnosti a odstranění pnutí při kování se odvrtává střed rotoru, což také zamezuje šíření trhlin od nečistot ve výkovku [42].

Pevnost rotorů se počítá na tzv. havarijní otáčky, což jsou otáčky stroje při přetočení stroje od okamžiku havarijního výpadku zatížení rotoru po úplné zavření přívodu pracovní tekutiny. Tyto havarijní otáčky bývají přibližně o 10 % až 30 % vyšší než maximální provozní podle typu stroje, rychlosti zavírání havarijního ventilu a momentu setrvačnosti rotorové soustavy [37, s. 236] a místních normem platných pro konkrétní typ stroje [47].

navlečeny s přesahem na centrální hřídeli a zajištěny perem. U malých turbín může být disk s lopatkami vyroben z jednoho kusu jak ukazuje příklad Lavalovy turbíny.

Konstrukční výhoda diskové koncepce je v malém průměru hřídele a tedy i malé obvodové rychlosti (to je důležité při konstrukci ložisek) a plochy v místě ucpávek hřídele . Nevýhodou je nutnost velmi malého stupeň reakce u paty lopatky jinak by na disky působila velká axiální síla od přetlaku mezi přední a zadní stranou disků. Diskové rotory mnohem nižší vlastní frekvence než bubnové rotory.

O výběru typu rotoru rozhoduje technologická základna výrobce, ale jsou i výrobci, kteří dokáží vyrobit oba typy rotorů a to dokonce i jejich kombinace. Kombinovat bubnový a diskový typ rotoru se vyplatí například v případech, kdy poslední stupně mají výrazně větší průměr než stupně první. Kombinované rotory se také objevují u spalovacích turbín, kdy kompresorová část je bubnový typ a turbínová diskový typ.

● Plynová suchoběžná ucpávka a ostatní bezdotykové ucpávky

V současné době bezdotykovým ucpávkám dominují dva typy a to labyritnové ucpávky a suchoběžné plynové ucpávky. Princip a konstrukce labyrintové ucpávky jsou uvedeny v kapitole Využití efektu škrcení v labyrintových ucpávkách, v tomto článku je proto blíže popsána pouze funkce a konstrukce suchoběžné plynové ucpávky. Mimo zméněných dvou typů bezdotykových upcávek ještě existují tzv. voštinové, které mají stejný provcip jako labyrintové, ale komůrky jsou ve tvaru šestiúhelníků.

Základním principem suchoběžné plynové ucpávky je vytvoření velmi malé axiální mezery (v řádech mikrometrů) mezi dvěma kroužky ucpávky, přičemž jeden se otáčí společně s rotorem a druhý je spojen se skříní (Obrázek 236). Mezera mezi kroužky je zahlcena ucpávkovým plynem. Při klidu stroje je statorový kroužek přitlačován na čelo rotorového kroužku přítlačnými pružinami. Mezera mezi kroužky se vytvoří až po rozběhu stroje, strháváním plynu rotujícím kroužkem díky viskozitě zahlcovacího plynu, proto jsou na čelech kroužků velmi mělké drážky v řádu mikrometrů (Obrázek 1204), ze kterých je plyn do mezery vtláčen. Nutno počítat, že jisté malé množství plynu uniká do pracovního prostoru (má o něco vyšší tlak než v pracovním prostoru) a taky do vnějšího (ventilačního prostoru). Ucpávkový plyn musí být extrémně čistý od prachu (vyžaduje desetimikronový nebo jemněší filtr [48]) obvykle se jedná o vzduch, pracovní plyn nebo o inertní plyn. Suchoběžné plynové ucpávky se vyznačují malým třením a nízkou ztrátou ucpávkového plynu.

Lopatky

Tato kapitola se zabývá konstrukčním provedením lopatek. O jejich tvarech pojednávají články Návrh axiálních stupňů lopatkových strojů Návrh radiálních a diagonálních stupňů lopatkových strojů.

Lopatky se vyrábí z tažených polotovarů, obrobením výkovku, frézováním z hutních polotovarů a především oběžná kola radiálních stupňů tlakovým litím nebo z plastu. V kusové výrobě se objevují lopatky vyrobené 3D tiskem – tzv. aditivní výroba (například při renovacích spalovacích turbín [46]). Občas lopatky duté přímé vyrobené ohýbáním plechu, případně z dvou plachů svařených na nátokové a odtokové hraně lopatky. Lopatky na bázi keramiky jsou monokristalické. Kvůli změnám vlstností povrchů lopatek se uplatňuje navřování (to i při renovaci), navřování laserem či jiné druhy tepelné nebo chamické povrchové úpravy apod.

Lopatky se vyrábí v sériích pro jednotlivý typ. Protože objednání materiálu s požadovaným složením je časově náročné, vyrábí se v jednotlivé sérii vždy o něco více lopatek, než je potřeba, aby byly lopatky navíc v případě chyb při výrobě, montáži, převozu apod.

● Závěsy lopatek

Závěs lopatky (Obrázek 953) fixuje lopatku v rotoru a zachycuje síly, které na ni působí od odstředivého zrychlení a proudu tekutiny (největší zatížení snese rozvidlený závěs, Obrázek 953(d)).

Závěs musí mít i dobrou tlumící funkci. Menší vlastní frekvence mají závěsy, do kterých je integrován i mezerník, nebo dokonce na jednom velkém závěsu je integrováno několik lopatek (vyrobeno z jednoho kusu nebo je několik lopatek i se závěsy k sobě svařeno apod.) [12].

Bandaže nejen snižují ztráty netěsnostmi stupně, ale také mají na flastní frekvence podobný vliv jako tlumící drát. Na druhou stranu bandáž lze instalovat pouze na lopatky dostatečné tloušťky profilu u špice, tak aby úchyt bandáže měl dostatečný průřez schopný pevnostně obstát při působení odstředivých sil, viz Obrázek 786 a Obrázek 350. Do bandáží lze také integorvat i vnitřní ucpávky stupně.

otáčkám jako při dimenzování rotorů. Prosté napětí v tahu u paty lopatky lze přibližně stanvoit podle Vzorce 139. Toto napětí lze snížit použitím materiálu s nižší hustotou lopatky, například použitím titanových slitin či lopatky CMC materiálů apod. – samozřejmě to smysl jen tehdy pokud dovolené napětí v tahu nového materiálu je stejné nebo vyšší než u původního materiálu. V případě větších sérií se pevnost několika lopatek obvykle testuje na trhacím stroji [42, s. 39]. Při vyšších napětí je nutné brát v úvahu i prodloužení lopatky vlivem průžné deformace deformace.

Jednotlivé průřezy profilu loptek jsou součástí jeho dokumentace. K orientačnímu výpočtu průřezu profilu lopatky můžete použít hodnoty měrných průřezů (plocha proflu v mm², jestliže délka jeho tětivy by byla 1 mm ) typických profilů uvedených na Obrázku 1210.

Při pevnostním výpočtu lopatky také kontrola odolnosti na otlačení stykových ploch v závěsech. V oblasti závěsu bývá často i větší napětí než v samotné lopatce a velikost potřebná velikost závěsů často určuje jak bude lopatková řada široká. U má-li závěs vícenasobné stykové plochy (například stromečkový, vícenásobný závěs typu T...) nelze očekávat, že by bez zatížení byly všechny plochy namáhané stejně – musí nejdříve dojít k zatížení závěsů a průžné deformaci. Podrobnější pevnostní výpočet lopatky včetně zahrnutí vlivů sil do proudu pracovní tekutiny je proveden v [17].

přetlakové i sací straně vháněn do mezní vrstvy kolem lopatky apod. Jako chladící médium se používá vzduch (spalovací turbíny) nebo v případě parních turbín voda [53, s. 931].

Některé zajímavé koncepty chlazení lopatek z ranných dob vývoje spalovacích turbín, které se ovšem neosvědčily jsou uvedeny v [43, s. 221].

Obrázek 449. Tyto typy tření se mohou vyskytovat v kombinacích, jako například valivé a smykové v ozubeném soukolí apod. nebo se kombinuje tření suché a tekutinové při nedostatku maziva v mezeře (na kombinované tření jsou citlivější maziva s vysokou přilnavostí k materiálu stykových ploch, tedy maziva obsahující molekuly s výraznou polaritou chemické vazby).

Při suchém smykovém tření vzniká třecí síla, která může mít dvě příčiny. Ta první je způsobena drsností povrchu (výčnělky), které zaklesávají do prohlubní v protilehlé stykové ploše Obrázek 449(a). Druhou příčinou vzniku tření je působení volných molekulárních sil. Ty mají vliv zhruba do vzdálenosti nejvýše několika 10tek nm [2, s. 18] – tento vliv převažuje se zvyšující se hladkostí stykových ploch. Pokud při tření se stykové plochy přiblíží na tyto malé vzdálenosti, pak volné mezimolekulové síly vytváří silové můstky, které způsobují vznik studených svarů a velmi vysoké opotřebení třecích ploch. Poměr celé stykové plochy ku skutečné ploše při styku protilehlých ploch se nazývá nosný podíl.

Při valivém suchém tření vznikají také oba mechanismy vzniku třecích sil jako u tření suchém smykovém, ale na daleko menší ploše a jen po velmi krátkou dobu.

Při dokonalém tekutinovém tření, jsou obě stykové plochy od sebe odděleny mazací tekutinou, ve které vzniká tření. Obvykle od mazací tekutiny očekáváme dobrou smáčivost stykových ploch, nesmí je mechanicky ani chemicky poškozovat, musí mít malé vnitřní tření (viskozitu), jistou únosnost, mechanickou a chemickou stálost a zároveň i pro danou aplikaci musí být ekonomicky dostupná.

Třecí síla F_t se stanoví ze síly působící kolmo na třecí plochu a součinitele tření stykové plochy podle empirických Vzorců 987, které sestavil Newton.

Součinitele tření μ je funkcí druhu tření, drsnosti povrchu, materiálu povrchu a druhu tekutiny a její teploty. Velikost součinitele tření se určuje pro většinu případů experimentálně pomocí tribometru. Ve strojírenství je běžná hodnota součinitele pro suché tření 0,2 až 0,5 (pro stykové plochy vyplněné plyny, párami, kysličníky kovů apod.) jinak i vyšší [2, s. 21] (pro běžné povrchy je tabelizována např. v [1]). U valivého tření se pohybuje μ v rozmezí 0,001 až 0,01, což platí pro suché tření, ale dodatečné mazání příliš tyto hodnoty neovlivňuje. Pro tekutinové tření je součinitel tření závislý na vnitřním tření v mazací tekutině, a jeho hodnoty se pohybují v rozmezí 0,000 1 až 0,05 a pro některé případy, kdy pracovní tekutina je Newtnovská tekutina lze stanovit třecí výkon výpočtem, pomocí definice viskozity a Navier-Stokesovy rovnice, protože víme, že v takovém případě je deformace tekutiny v mezeře lineární, viz Vzorce 991(a, b, c).

Vzorce 991(c), tak přesnější vzorec pro výpočet ventilace disku lopatkových strojů je uveden například v [41, s. 301].

Třecí teplo musí být v množství v jakém se vytváří z třecích ploch odváděno při vhodném teplotním gradientu, při kterém ještě nedojde k poškození součástí, kterých se tření týká, např. zvětšení vůlí v ložiscích, degradace maziva apod. V případě mazacích okruhů se třecí teplo odvádí pomocí maziva, které cirkuluje mezi třecími plochami a mazacím systém s chladiči. V případě, že mazivo necirkuluje, ale je stále uzavřeno v mazací mezeře nebo se jedná o suché tření je nutné třecí teplo odvádět přes součásti mimo exponované místo.

Tekutina v mezeře může navíc proudit v důsledku rozdílu tlaku mezi okraji mezer. Například v případě rotujícího hřídele prostupující skříní tekutina nekoná v mezeře mezi skříní a hřídelí pouze pohyb tangenciální, ale také proudí ve směru axiálním [45, s. 180]. Toto proudění vzniká v důsledku rozdílu tlaku uvnitř skříně a okolí. V tomto případě tedy i vnitřní tření v tekutině, který je vyvolán změnou tlaku. Celkově se tedy tekutina ohřívá o třecí výkon od pohybu ploch a ztrátového výkonu od vnitřního tření, viz Úloha 1024.

Obecné konstrukční požadavky na smyková vedení a kluzná ložiska

Plochy suchých i kluzných vedení musí být hladké a veškeré hrany musí být vyhlazené. Velikost stykových plochy musí být taková, aby stykový tlak odpovídal požadavkům na správný chod daného vedení.

● Suchá vedení

Takové vedení je většinou kombinací tvrdého a měkkého povrchu. Tvrdý povrch musí být velmi hladký s drsností obvykle pod 0,4 Ra. Tvrdosti povrchu se obvykle dosahuje jeho chemicko tepelnou úpravou. Měkká část uložení je nejčastěji kombinace plastu či velmi měkkého neželezného kovu (přehled nejdůležitějších kluzných kovových i nekovových materiálů je uveden v [3, Příloha 2,3]). Pohyblivá část bývá součást s tvrdším povrchem. Měkká část je obvykle konstruována jako vložka nebo jako povlak na tvrdším kovu, viz Obrázek 119. Kluzná vedení s velmi malou rychlostí a frekvencí pohybu – vznikající například v důsledku teplotních dilatací (třeba při spouštění a odstavování tepelných strojů, ke kterému dochází pouze několikrát za rok) – se nemusí konstruovat kombinací tvrdého a měkkého materiálu, mohou po sobě klouzat dva tvrdé povrchu ocel/ocel, litina litina apod, bez výrazných dopadů na životnost stroje nebo třecí výkon (příklad Obrázek 550, s. 23).

Jako kluzná vrstva podle Obrázku 119(b) se dnes nejmasověji používá plastů. Způsoby nanášení vrstev je mechanicko-teplotní a chemický. Při mechanicko-teplotním se provádí velmi tenký nástřik (cca do 40 μm) kluzného povrchu, který ohřevem na přesně určenou teplotu přilne k základnímu materiálu a k sobě navzájem.

● Kluzná vedení

Primárním problémem tekutinových vedení není dosažení co nejmenšího třecí výkonu, ale oddělit obě stykové plochy od sebe, tak aby při jejich vzájemném pohybu nedocházelo k jejich opotřebení a tyto plochy měly vysokou životnost (i když to s třecím výkonem souvisí). Při konstruování třecích vedeních se ptáme na jejich únosnost vedení, respektive ložiska tj. jaký tlak snese bez poškození. Tento tlak musí mít i případná mazací tekutina v mezeře, potom je vyloučena poruchovost kluzného vedení a jeho opotřebení [2, s. 18]. Soudržnost mazací tekutiny lze podpořit zvětšením stykových ploch nebo vytvořením mazacích drážek a kapes (Obrázek 672), pomocí kterých se stykové plochy budou moci smáčet v oleji.

Dovolený stykový tlak u tohoto "volného mazání" bývá 0,2-0,3 MPa (litiny), až 0,5 MPa (plastické hmoty, měkké kovy), u teflonových povrchů mazaných až 1 MPa. Volná mazací vrstva se využívá i při mazání pístů, pístních tyčí a pod. více například v [2], [7].

Jestliže jsou síly působící na maznou vrstvu tak velké, že soudržnost kapaliny není schopna tuto sílu unést, pak je nutné potřebný tlak v mazací tekutině vyvolat, buď vytvořením hydrostatické mazací vrstvy nebo vytvořením hydrodynamické mazací vrstvy, Obrázek 672.

rotující hřídel v díře s přesně definovanou vůlí zaplněné mazivem tzv. kluzné hydrodynamické ložisko Obrázek 672(c) (rychlost uděluje mazivu otáčející se hřídel). Nevýhodou je vysoké tření a opotřebení při nízkých rychlostech pohybu, např. nižších otáčkách než jmenovitých nebo při rozběhu a doběhu (mezní rychlosti se pohybují pod 0,2 až 0,5 m·s^-1 při vysokých styčných tlacích klidně i 2 m·s^-1).

Mazané kluzné vedení je nutné provozovat tak, aby mazivo nekontaminovalo okolí, pokud je to podmínkou (například výtok maziva podél hřídele lopatkového stroje až do skříně).

ztráty třením v mazivu [2, s. 117] a také velké změnu vůlí při změně otáček a vlastností maziva.

Délka ložiskové pánve je omezena ohybem ložiskového čepu. Čím je čep delší, tím více se prohýbá, což vede na nerovnoměrné rozložení tlaku podél čepu. Obvyklý poměr l·d^-1₁= 0,3 až 1 [2, s. 120].

Ve většině případů je kluzné ložisko schopné hydrodynamický klín vytvořit, problém je dostat do klínu dostatečné množství oleje. Při větší spotřebě je nutné do ložiska olej přivádět čerpadlem pod tlakem (a nestačí ani udržovat ložisko v olejové lázni, protože nestačí olej přitékat do míst, kde klín nasává olej). Z toho důvodu je výpočet spotřeby oleje m asi nejnáročnější úkon na výpočtu.

Mezní obvodové rychlosti radiálního ložiska se pohybují přibližně od 0,2 až 0,5 m·s^-1. Při vyšších rychlostech se zvyšuje ložisková vůle, chvění čepu a tření. Pro zamezení těchto negativ se rychlootáčkové hřídele ukládají do víceplochých ložisek. Principem těchto ložisek je vytvořit po obvodu čepu několik lokálních mazacích klínů (maximálních tlaků), tím dojde k rozložení zatížení, snížení vůle i ke stabilizaci chodu ložiska, Obrázek 1063.

používají i pro velmi vysoké obvodové rychlosti, kdy mazivem může být i plyn, čímž se snižuje vnitřní tření v mazivu. Velkým omezením plynového vzduchového ložiska je ale přetlak, který může být kolem 0,05 až 0,2 MPa (čím vyšší otáčky, tím nižší tlak, např. při 100 000 min^-1 je přetlak 0,05 MPa). V některých aplikací (například potravinářských) se místo oleje v hydrostatickém ložisku voda [2, s. 136].

Hydrostatická a hydrodynamická ložiska se i kombinují. Například u strojů s velkou hmotností rotorů se při startu a doběhu spouští hydrostatické ložisko, přičemž během provozu na jmenovitých otáčkách převezme zatížení hydrodynamický klín a vysokotlaký okruh ložiska je vypnut. Jestliže základní olejový okruh pro hydrodynamické mazání mývají tlaky oleje kolem 0,5 MPa, tlak oleje v hydrostatické části mívájí tlak i o dva řády vyšší kolem 15 až 17 MPa (v případě vzduchu pouze do 0,7 MPa), podle hmotnosti rotoru – tlak hydrostatickém ložisku musí být takový, aby rotor dokázal "zvednout".

Ložiskové pánve kluzných radiálních ložisek jsou vloženy do kulisy ložiska, které obsahuje obvykle ještě připojení pro olejový okruh a čidla posunu skříně a vibročidla. Kulisa ložiska je v ložiskovékm stojanu, ve kterém je i sběrač oleje, odkud je olej z ložiska odváděn. Ložiskový stojan musí být dostatečně tuhý, aby neovlivňoval funkci ložiska a v případě rotorů s velkou dilatací během provozu se musí být smykově uložen, aby se mohl posouvat, viz Obrázek 550.

lze dosahovat tlaků v klínu až 5 MPa [2, s. 137] – důležité je rovnoměrné zatížení a stálá střední obvodovou rychlost v oblasti klínu, která se nemění, viz Obrázek 498(a). Zaručenou tloušťku mazivu v blízkosti středu otáčení axiálního ložiska lze zaručit jen hydrostatickým principem, Obrázek 498(b).

I u axiálních kluzných ložisek lze použít segmentové konstrukce, které jsou vhodnější pro větší konstrukce a lépe snáší změny obvodových rychlostí. Segmenty jsou tvořeny naklápěcími nebo pevnými skosenými destičkami připevněnými v několika kusech na určitém poloměru ložiska, Obrázek 1072. Příklady provedení jsou uvedeny také v [2 s. 139-140].

Valivá ložiska

Valivá ložiska se vyrábí nejen čistě ve verzích pro zachytávání buď radiálních nebo axiálních sil, ale také ve verzích konstruované pro zachycení sil působících současně v radiálním i axiálním směru tzv. radiálně-axiální ložiska, viz Obrázek 395. Většina konstrukcí valivých ložisek, ale snese jisté zatížení i mimo hlavní směry tj. radiální ložisko snese i malé zatížení v axiálním směru a obráceně.

Konstruují se i naklápěcí valivá ložiska vhodná pro hřídele, které kmitají nebo jsou nesouose uložena nebo mají velký průhyb. Speciální typy radiálních ložisek umožňují vůli v axiálním směru způsobené dilatací hřídele nebo umožňují i větší axiální pohyb související s funkcí stroje, tím nemohou přenášet velké axiální zatížení.

rozměrů některých částí ložiska při chodu. Takže je nutné znát provozní teplotu ložiska a vědět jak odvést teplo a případně vyřešit teplotní dilatace mezi klidem a chodem stroje.

U valivých ložisek je nutné počítat s vyšší hlučností oproti kluzným ložiskům a i nižší životností. Lze je použít pro relativně vysoké otáčky, při kterých není překročena provozní teplota ložiska a mazivo neztrácí své vlastnosti [9, s. 23-24].

Valivá ložiska lze na hřídel a do díry připevnit různými způsoby. Nejčastěji se jedná o přesné rozebíratelné uložení, které bývá zajištěno například pojistnými kroužky, rozpěrnými kroužky, upínacího a stahovacího pouzdra, víkem ložiskového pouzdra apod. Několik způsobů upevnění valivých ložisek je nakresleno v [9, s. 48-67] – zde jsou také uvedeny postupy montáže, demontáže a údržby valivých ložisek.

● Katalogové údaje valivého ložiska

Mimo rozměrů je nejdůležitějším parametrem ložiska jeho únosnost (definice viz podkapitola Kluzná vedení, s. 20). Dalším katalogovým údajem ložiska jsou jeho mezní či limitní otáčky n_r [min], což jsou takové otáčky, při kterých se v důsledku tření v ložisku zvýší jeho teplota nad určitou povolenou mez (obvykle o 50 °C nad okolní teplotu). Mezní otáčky se mění podle toho, jaká metoda mazání je použita, protože ta má největší vliv na zvyšování teploty ložiska.

Při výběru valivého ložiska je nutné přihlédnout ve větší míře i k přídavnému dynamickému zatížení ložiska, protože se jedná o velmi přesnout součást. Přídavné dynamické zatížení se vyvolávají například okolní vibrace, síly od sekundárních strojů a konstrukcí apod. Obvykle se při jejím stanovení vychází z různých součinitelů vyčíslených na základě zkušeností a statistického sběru dat z podobných instalací ložiska. V případě, že má ložisko navíc zvládat velké rozdíly teplot, je nutné použít speciální konstrukce ložisek, které prošly tepelnou úpravou – jistá forma stabilizace tvaru ložiska, které se při zahřátí nedeformuje. Tato úprava, ale obvykle snižuje základní únosnost ložiska.

Mazací soustavy a olejové hospodářství

Mazací soustava je souborem zařízení zajišťující aplikaci maziva do mazaného místa případně jeho odvod, chlazení, filtrování, kontrolu jakosti a v širší souvislosti i hospodářství s mazivem.

Mazací soustava musí být bezpečná (nebezpečí požáru, nebezpečí kontaminace) a zajišťovat požadovanou funkci, tj. dodávku potřebného množství maziva (u drahých strojů s klíčovou funkcí pro nějaký proces musí mazací soustava zajišťovat přísun maziva i při výpadcích hlavních systémů a zdroje elektřiny, například u parních turbín je olejové čerpadlo přímo spojeno s rotorem, tak je zajištěna jeho funkce i v případě výpadku el. energie při havarijním odstavení parní turbíny). Zvláštní kapitolou je přemazávání, které nejen zvyšují náklady na mazivo, ale také může vyvolávat jiné komplikace a náklady, jako častější čistění strojů od maziva, zanášení strojů mazivem a pod. [2, s 15]. Mazací soustava musí mít optimální nároky na obsluhu.

● Způsoby mazání

Budeme-li chápat způsob mazaní jako cestu maziva ke stykovým plochám, pak tuto cestu lze rozdělit ruční a strojní (automatizovanou, kdy jeden stroj uajišťuje mazání i několika kluzných uložení), přitom u ručního se jedná vždy jen periodické mazání a u strojního podle toho jaký využívá dávkovací princip a jeho nastavení lze dosáhnout i kontinuálního se schopností přizpůsobovat dodávku maziva aktuálnímu zatížení stykových ploch.

Ruční způsoby mazání (ať už olejničkou, mazacím lisem apod., viz Obrázek 1053) trpí nerovnoměrností dodávky maziva tzv. přemazáváním a nedomazáváním. Hrozí i nebezpečí záměny maziva obsluhou apod. Ruční mazaní obvykle vyžaduje použití maziv s vysokou přilnavostí k povrchu stykových ploch.

Speciální mazací stroje zajišťující dodávku oleje vytváří uzavřený okruh (Obrázek 492), které obsahuje mazací systémy s filtry, chladiči, čerpadly, nádržemi, ventily, potrubím, tryskami, předehřevem oleje, a další výstrojí (teploměry, tlakoměry..), více v navazující podkapitole. Mazací stroje pro plastická maziva dávakují mazivo pod vysokým tlakem (tlak v rozvodech až 30 MPa).

Ke kontinuálnímu mazání není potřeba vždy specializovaných strojů, ale zejména při volném mazání lze využít pohybu samotné součásti k nanášení maziva u stykových ploch, viz Obrázek 1057, nebo dokonce kluzné vedení (ložisko) částečně ponořit do olejové lázně, to ale hrozí přemazání nebo naopak nedomazávání kvůli velké odstředivé síle (u val. ložisek cca do 10 m·s^-1 obvodové rychlosti).

Pokud je součást uzavřené v těsné skříni a nějaká pohyblivá součást uvnitř se pohybuje v olejové lázni, pak dochází k rostřiku oleje ve skříni, což lze využít při tzv. rozstřikovém mazání (Obrázek 399), které je typické pro převodovky a klikové mechanismi.

Při výběru vhodné mazací soustavy mazání lze vycházet z doporučení uvedených v [2, s. 73-74]

práci, ale také zvyšuje únosnost mazací vrstvy tím, že klade větší odpor k vytlačení maziva z mazací mezery. Kromě viskozity se u mazacích olejů uvádí ještě viskozitní index, což je poměrné číslo, které vyjadřuje jak je daný olej svou závislostí viskozity na teplotě blízko závislostem dvou porovnávacích olejů. Jeden z porovnávacích olejů má závislost strmou (index 0 – vysoká závislost), druhý má závislost plochou (index 100 – nízká závislost). Protože porovnávací oleje byly vybrány před mnoha lety vyskytují se dnes vyvinuté oleje s viskozitním indexem větším jak 100 nebo menším jak 0. Viskozita olejů se mění i s tlakem (stoupá). To je důležité u hydrostatických ložisek, hydraulických soustav a ve stykových plochách ozubeného soukolí, ale pro běžné mazání tyto změny nemají vliv.

Hustota je důležitá tam, kde se sleduje hmotnost zařízení (většinou v dopravě). Vyskytuje se i ve vzorcích pro výpočet ložisek. Hustota olejů se s teplotou docela výrazně mění a tedy je nutné počítat s rozpínavosti oleje. Například minerální oleje sníží svou hustotu cca o 7-8 % při zvýšení teploty o 100 °C, viz vztah pro výpočet změny hustoty oleje s teplotou v [2, s. 43].

Pevnost mazacího filmu neboli maznost je schopnost oleje zmenšit tření a zabránit opotřebení součásti pracujících v oblasti mezního tření. Měří se na porovnávacích normovaných strojích [6] jedná se o porovnávací veličinu, nejčastěji se používá stupnice HTHS viskozity (High Temperature High Shear).

Stárnutí maziva je dána jeho chemickou stálostí reprezentovanou změnou kyselosti (tzv. neutralizační číslo oleje), která roste při rozpadu (stárnutí) oleje. Během stárnutí maziva se mění jeho viskozita, chemické složení maziva – mohou se objevovat pevné částečky, produkty chemických reakcí v mazivu poškozující součásti apod. Starnutí podporují i způsoby mazání, při kterých je olej ve velkém kontaktu se vzduchem, například pěnivost oleje u roztřiku a brodění, mazání mlhou při kterém hrozí, že se do oleje dostane i vzdušná vlhkost – vzduch je hnacím plynem, proto musí být před použitím vysušen.

v provozu, kde je více maziv, kde se může stát, že předepsané mazivo dojde a obsluha ho nahradí, byť jen dočasně, nevhodným mazivem, který obsahuje například vodu (např. olej do hydrauliky).

Obecný návod pro výběr maziva naleznete v [2, s. 147].

Nejčastějšími kapalnými mazivy jsou minerální oleje (pochází z ropy) [2, s. 34], syntetické oleje (uměle vyrobené, dražší, ale chemicky odolnější, nižší citlivost změny viskozity na teplotu a nižší bod tuhnutí) [2, s. 37], voda případně další látky.

V případě plastických maziv je potřeba myslet na to, že neodvádí třecí teplo a proto je lze použít maximálně do 2 m·s^-1 obvodové rychlosti. Více o výrobě, složení a vlastnostech plastických maziv např. v [2, s. 54]. Plastické mazivo vybíráme nejčastěji podle bodu skápnutí (laboratorní údaj z měření teploty, při kterém se plastické mazivo stává tekutým), odolnost proti vodě, zda je lze dobře protlačit delšími mazacími kanály apod. Nositelem mazacích vlastností je olej další složky plastického maziva slouží ke zvýšení plasticity a změnu konzistence(souvisí s odporem maziva kladeného při protlačení otvorem rozsah je 00-polotekutá, 0-velmi měkká, 1-měkká až 7-tuhá, mění se s teplotou a tlakem).

Pevná maziva používáme pro jejich vysokou únosnost (částečky maziva vyrovnají nerovnosti na povrchu kluzných ploch a tím snižují styčný tlak) a schopnost vydržet vysoké teploty (další vlastnosti jsou spíše horší). Nejčastějším pevným mazivem je grafit, sirník molybdeničitý apod. [2, s. 33].

tak z odstávky tohoto zařízení. V některých případech dochází k řízenému opotřebení součásti, kdy například při rozběhu či doběhu stroje by bylo těžké technicky zabezpečit mazání s tím, že tyto stavy nebudou časté.

Poškozování povrchů může dojít vlivem působení meziatomových sil molekul na protějších površích (tzv. adheze); oddělením částeček materiálu stykových ploch jejich fyzickým dotekem (tzv. abraze); fyzickým dotekem stykových povrchů s pevnými částicemi proudící v okolní kapalině či mazivu (tzv. eroze); chemickým působením okolního prostředí na stykové plochy (tzv. chemická koroze); prudkou změnou tlaků a teplot tekutin u povrchů součástí (tzv. kavitace nebo její opak impakt vodních kapiček viz kapitola 17. Ztráty vlhkostí páry); při porušení podpovrchové prostou únavou materiálu způsobené jeho zatěžováním (tzv. únavové opotřebení) a nakonec přímé poškození povrchové vrstvy materiálu drobnými oscilacemi a posuvy při zatížení (tzv. vibrační opotřebení), více v [2, s. 24], [3, s. 157, 291].

Obecná opatření proti uvedeným druhům opotřebení jsou tato:

Adhézní a i abrazivní otěr lze omezit výběrem vhodné dvojice materiálu tvrdý/měkký, co nejnižší drsnost stykových ploch a zajistit mazání čistým mazivem.

Na únavové opotřebení jsou citlivější materiály s malou schopností plastické deformace (některé litiny, tvrdé povlaky, sklo, keramické materiály...).

Při výskytu vibračního opotřebení pomáhá těsnější lícování ploch zvětšení drsnosti povrchů, zušlechtění povrchů kalením, nitridováním, chrómováním, fostizací, mazáním třecích plocha grafitem ap. [2, s. 25].

Erozní opotřebení je opotřebení extrémů tj. obvykle se vyskytuje v případech vysokých tlaků i velkých rychlostí mazací tekutiny, velkých změn zatížení, teploty a chemické aktivity tekutiny. Erozní opotřebení se vyznačuje nerovnoměrnosti opotřebení v důsledku víření a lokální únavy materiálu, který se začne odlupovat a odnášet tekutinou. Předpokladem k zamezení je použití tvrdých materiálů, velmi hladkých povrchů a dobrá filtrace maziva.

tření je někdy doplňováno kapalným pro rovnoměrnější rozložení stykových tlaků. Valivé tření má navíc tu výhodu, že nezávisí tolik na rychlosti pohybu jako kluzný tekutinový styk. Ale i přesto při tekutinovém tření dosahujeme nejvyšších životností součásti. Předpokladem je, ale vhodná konstrukce, vhodné mazivo a relativně malé rychlosti pohybu. Při nutnosti vyšších rychlostí je vhodnější použít valivé uložení.

Predikce opotřebení repsektive otěru součásti lze provést pomocí veličiny zvané intenzita opotřebení či v případě plastů se používá i veličina stupeň opotřebení, viz Vzorec 120.

K výpočtu veličiny intenzity opotřebení lze použít výpočetní postupy založené na molekulárně mechanické teorii nebo energetické metody. Molekulárně mechanických teorií je několik a jsou popsány např. v [3, s 159], [4, s. 68] ve stejné literatuře je uvedena i energetická metoda. Výpočetní postupy jsou velmi citlivé na přesnost vstupních dat jinak jsou jejich výsledky daleko od skutečnosti. Tedy pokud konstruktér není schopen predikovat například přesně síly působící na součást, bude výsledek opotřebení velmi nejistý. Veličina rychlost opotřebení Δh je empirická či poloempirická a lze ji vyčíst z materiálových listů.

Čistě opotřebení součásti není po celou dobu životnosti stejné, ale jeho intenzita se mění tak, jak se postupně mění drsnost stykových ploch. Grafické vyjádření závislosti opotřebení na celkové kluzné dráze životnosti součásti se nazývá křivka opotřebení, na které jsou výrazné tři oblasti jak ukazuje Obrázek 1052.

vlivy [10, s. 630]. Životnost ložiska je menší než trvanlivost ložiska τ<L.

V případě, že na ložisko působí síly z více směrů a všechny síly jsou stálé, je výpočet ekvivalentního zatížení ložiska relativně snadný. Je nutné vypočítat výslednou sílu ve směru radiálním F_r [N] a axiálním F_a [N], ze kterých lze následně pomocí vztahů vybraných podle typu ložiska vypočítat zatížení P. Tyto vztahy jsou uvedeny například v [9, s. 16-17], [10, s. 619] nebo je udávají výrobci konkrétních ložisek ve svých kalozích a směrnicích pro výběr ložiska.

V případě, že na ložisko působí proměnlivé síly je situace složitější. S dostatečnou rezervou lze vycházet z maxim zatížení v jednotlivých směrech (F_r,max, F_a,max [N]) a ekvivalentní dynamické zatížení vypočítat jako v případě síly stálé. Problém je v tom, že trvanlivost ložiska výjde nízká, takže ve výsledku to povede na zbytečně předimenzované ložisko. Proto je přesnější vycházet ze středního zatížení v jednotlivých směrech, viz Rovnice 397.

Dalšími speciální případy jako zatěžování ložisek ozubených soukolí a řemenových pohonů je popsáno v [9, s. 20-21].

● Predikce stavu ložiska pomocí softwarových nástrojů a diagnostiky

Především u velkých soustrojí jako jsou například větrné turbíny se stav ložiska sleduje průběžně pomocí několika senzorů viz Obrázek 845, s. 25. Na základě tohoto měření a výsledků z měření etalonových ložisek v laboratoři a příslušeného softwaru jsou výrobci schopni v reálném čase informovat o případných problémech v těchto uzlích a případně navrhnout změnu provozu tak, aby se nebezpečí snížení trvanlivosti ložiska zamezilo [52].