Алан Гриффит: Материалдардың сыну теориясы мен турбина құрылымы
Alan Arnold Griffith
Алан Гриффит – британдық инженер, материалдардың беріктігін зерттеген. Микроскопиялық жарықтардың әсерін ашты, бұл беріктіктің төмендеуіне себеп болады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Британдық инженер (1893–1963)
British engineer (1893–1963)
Алан Арнольд Гриффит. Бұл кезде материалдың беріктігі E/10 деп есептелген, мұнда E – сол материалдың Янг модулі. Дегенмен, осы материалдар көбінесе болжамдаған мәннің мыңнан бір бөлігіне жетпей-ақ сынғандығы белгілі болды. Гриффит әрбір материалда көптеген микроскопиялық жарықтар бар екенін анықтады және осы жарықтар материалдың жалпы беріктігін төмендетеді деген гипотеза ұсынды. Себебі қатты денедегі кез келген қуыс немесе бетіндегі сызат кернеуді шоғырландырады, бұл факт сол кездегі машина жасаушыларға жақсы мәлім болған. Бұл шоғырлану кернеудің жарықтың ұшында материалдың толық көлеміне қарағанда әлдеқайда ертерек E/10-ға жете алуына мүмкіндік берді. Осы жұмыстың нәтижесінде Гриффит серпімді деформация энергиясы тұжырымдамаларын пайдалана отырып, өзінің хруптты сыну теориясын жасады. Оның теориясы энергияны ескере отырып, эллипстік сипаттағы жарықтардың таралуын сипаттады. Гриффит жарық таралуын жүйедегі ішкі энергияға және жарық ұзындығының өсуіне қатысты сипаттады, бұл қатынас мынадай теңдеумен берілген:
Alan Arnold Griffith At the time it was generally taken that the strength of a material was E/10, where E was the Young's modulus for that material. However, it was well known that those materials would often fail at just a thousandth of this predicted value. Griffith discovered that there were many microscopic cracks in every material, and hypothesized that these cracks lowered the overall strength of the material. This was because any void in a solid, or scratch on the surface, concentrates stress, a fact already well known to machinists at the time. This concentration would allow the stress to reach E/10 at the tip of the crack long before it would seem to for the material as a whole. From this work Griffith formulated his own theory of brittle fracture, using elastic strain energy concepts. His theory described the behaviour of crack propagation of an elliptical nature by considering the energy involved. Griffith described crack propagation in terms of the internal energy of the system in relation to the increase in the crack length described by the equation
мұнда Ue – материалдың серпімді энергиясын, Us – жарықтың бетін, W – үлгіге қолданған жұмысты және dc – жарық ұзындығының өсуін білдіреді. Бұл қатынас Гриффиттің критерийін белгілеу үшін қолданылды, ол жарық материалды сыну үшін жеткілікті тарағанда, беттік энергияның ұлғаюы деформация энергиясының жоғалуына тең болады десті, және бұл хруптты сынуды сипаттаудың негізгі теңдеуі саналады. Деформациялық энергияның шығарылуы жарық ұзындығының квадратына тікелей пропорционалды болғандықтан, жарық салыстырмалы түрде қысқа болғанда ғана оның таралуы үшін қажетті энергия оған қол жетімді деформациялық энергиядан асып түседі. Гриффиттің сынған жарығының ұзындығынан асқанда, жарық қауіпті болады. 1920 жылы жарық көрген бұл еңбек ("Қатты денелердегі жарылу және ағын құбылысы") көптеген салаларда жаңа түсініктерге әкелді. Материалдардың "қаттынуы" суықтай домалату сияқты процестерге байланысты құпиясы ашылды. Ұшақ конструкторлары өз жобаларының неге сәтсіз аяқталғанын, олар сол кезде қажет деп есептелгеннен әлдеқайда берік болғанмен, жақсырақ түсіне алды және жарықтарды жою үшін металдарды жылтыратуға көшті. Бұл жұмысты кейіннен 1950 жылдары Г. Р. Ирвин, Р. С. Ривлин және А. Г. Томас кеңейтіп, оны тек хруптты емес, барлық материалдарға қолданды.
where Ue represents the elastic energy of the material, Us represents the surface area of the crack, W represents the work applied to the sample and dc represents the increase in crack length. This relation was used to establish Griffith's criterion, which states that when a crack is able to propagate enough to fracture a material, that the gain in the surface energy is equal to the loss of strain energy, and is considered to be the primary equation to describe brittle fracture. Because the strain energy released is directly proportional to the square of the crack length, it is only when the crack is relatively short that its energy requirement for propagation exceeds the strain energy available to it. Beyond the critical Griffith crack length, the crack becomes dangerous. The work, published in 1920 ("The phenomenon of rupture and flow in solids"), resulted in a new awareness in many industries. The "hardening" of materials due to processes such as cold rolling was no longer mysterious. Aircraft designers were better able to understand why their designs had failed even though they were built much stronger than was thought necessary at the time, and soon turned to polishing their metals to remove cracks. This work was later generalised by G. R. Irwin and by R. S. Rivlin and A. G. Thomas, in the 1950s, applying it to almost all materials, not just brittle ones.
Турбиналы қозғалтқыштар
1926 жылы Гриффит «Турбиналарды жобалаудың аэродинамикалық теориясы» атты мақаласын жариялады. Ол қазіргі турбиналардың нашар жұмыс істеуіне олардың конструкциясындағы кемшілік себеп екенін көрсетті, яғни қанаттар «тоқтап қалу» күйінде жұмыс істегенін, және олардың жұмысын күрт жақсартатын қанаттар үшін қазіргі заманғы аэродинамикалық пішінді ұсынды. Мақалада осілік компрессор және екі сатылы турбинаны қолданатын қозғалтқыш сипатталған, бірінші саты компрессорды, екіншісі – винтті қозғалтатын қуат алатын білікті қозғалтады. Бұл ертедегі конструкция турбовинтті қозғалтқыштың алғабасы болды. Мақаланың нәтижесінде Аэронавтикалық зерттеу комитеті бір сатылы осілік компрессор және бір сатылы осілік турбинамен кішкентай масштабтағы экспериментке қолдау көрсетті. 1928 жылы жұмыс аяқталды, сынақтан өткен жұмыс істейтін конструкция дайын болды, және осыдан кейін әртүрлі тұжырымдамаларды сынау үшін бірқатар жобалар жасалды. Осы кезде Франк Уиттл турбиналық қозғалтқыштар туралы диссертация жазды, онда центробектік компрессор және бір сатылы турбина қолданылды, ал шығарылымдағы қалған қуат ұшақты итеру үшін пайдаланылды. 1930 жылы Уиттл өзінің мақаласын Әуе министрлігіне жіберді, ол оны Гриффитке пікір білдіру үшін берді. Уитлдің есептеулеріндегі қателікті көрсеткеннен кейін, ол компрессордың үлкен алдыңғы бөлігінің ұшақтарда пайдалану үшін ыңғайсыз екенін және шығарылымның өзі аз итерме беретінін айтты. Әуе министрлігі Уиттлге олардың жобаға қызығушылығы жоқ екенін жауап берді. Уиттл көңілі қалып қойды, бірақ RAF-тағы достары оны идеяны іске асыруға көндірді. Уиттл 1930 жылы өзінің жобасын патенттеді және оны дамыту үшін 1935 жылы Power Jets компаниясын құрды. Гриффит Оңтүстік Кенсингтондағы жаңа Әуе министрлігі зертханасының бас ғылыми қызметкері болды. Онда ол кері ағынды газ турбинасын ойлап тапты, ол компрессор/турбина дискілерін қарама-қарсы бағытта кезектесіп айналдырады. Әрбір айналатын дискі арасында стационарлық қанаттардың қажеті болмады. Қанаттарды дұрыс айналу үшін жобалау қиын болды және компрессор ағынынан турбина ағынына өтуді герметтеу қиын болды. 1931 жылы ол RAE-ге қайтып, қозғалтқыш зерттеулерін басқарды, бірақ 1938 жылға дейін, ол қозғалтқыш бөлімінің басшысы болған кезде ғана, осілік ағынды қозғалтқышты дамыту жұмыстары басталды. Хайн Констант Гриффиттің бастапқы кері ағымсыз жобасы бойынша жұмыс бастаған қозғалтқыш бөліміне қосылды, бу турбиналарын өндіруші Metropolitan Vickers (Metrovick) компаниясымен жұмыс істеді. Ұзақ уақыт өткен соң, Уитлдің Power Jets-тегі жұмысы үлкен прогреске ие болды және Гриффит ұшқышты тікелей итергіш ретінде пайдалану туралы ұстанымын қайта қарауға мәжбүр болды. 1940 жылдың басындағы жылдам қайта жобалау нәтижесінде Metrovick F.2 пайда болды, ол сол жылдың соңында алғаш рет сынақтан өтті. F.2 1943 жылы ұшу сынақтарына дайын болды, 2,150 фунт күшпен, және қарашада Gloster Meteor ұшағында, F.2/40 ретінде ауыстыру қозғалтқыштары ретінде ұшты. Кішірек қозғалтқыш Me 262 ұшағына ұқсайтын және өнімділігін жақсартатын конструкцияға әкелді. Дегенмен, қозғалтқыш тым күрделі деп есептелді және өндіріске енгізілген жоқ. Гриффит 1939 жылы Rolls Royce компаниясына қосылды, ол 1960 жылға дейін жұмыс істеді, содан кейін ол компанияның бас ғалымы лауазымынан зейнеткерлікке шықты. Ол AJ.65 деп аталатын және компанияның алғашқы осілік турбореактивті қозғалтқышының атауы Avon деп өзгертілген қарапайым турбореактивті қозғалтқыштың құрылымын ұсынды. Ол сондай-ақ бірнеше айналма схемаларын ұсынды, олардың кейбіреулері механикалық жағынан өте күрделі болды, бірақ бірі сериялы түрде 2 компрессорды қолданды, кейіннен Conway ұшағында қолданылған. Гриффит тік ұшып-қону (VTOL) технологиясын, мысалы, әуе ағымдарын пайдалану арқылы көтерілуді басқаруды зерттеді. Ол ұшақты көлденең күйде көтеру үшін шағын, қарапайым, жеңіл турбореактивті қозғалтқыштардың батареясын пайдалануды ұсынды, «жазық көтеріліс». Көтерілудегі басқару Rolls Royce Thrust Measuring Rig-ті қолдана отырып, бірақ бұрылысты итермелі әдеттегі қозғалтқыштармен зерттелді. Short SC.1 ұшағында төрт көтергіш қозғалтқыштың батареясы қолданылды.
In 1926, Griffith published the seminal paper An Aerodynamic Theory of Turbine Design. He demonstrated that the woeful performance of existing turbines was due to a flaw in their design which meant the blades were "flying stalled", and proposed a modern airfoil shape for the blades that would dramatically improve their performance. The paper went on to describe an engine using an axial compressor and two stage turbine, the first stage driving the compressor, the second a power take off shaft that would power a propeller. This early design was a forerunner of the turboprop engine. As a result of the paper, the Aeronautical Research Committee supported a small scale experiment with a single stage axial compressor and single stage axial turbine. Work was completed in 1928 with a working tested design, and from this a series of designs was built to test various concepts. At about this time, Frank Whittle wrote his thesis on turbine engines, using a centrifugal compressor and single stage turbine, the leftover power in the exhaust being used to push the aircraft along. Whittle sent his paper to the Air Ministry in 1930, who passed it on to Griffith for comment. After pointing out an error in Whittle's calculations, he stated that the large frontal size of the compressor would make it impractical for aircraft use, and that the exhaust itself would provide little thrust. The Air Ministry replied to Whittle saying they were not interested in the design. Whittle was crestfallen, but was convinced by friends in the RAF to pursue the idea anyway. Whittle patented his design in 1930 and was able to start Power Jets in 1935 to develop it. Griffith went on to become the principal scientific officer in charge of the new Air Ministry Laboratory in South Kensington. It was here that he invented the contraflow gas turbine, which used compressor/turbine discs alternately rotating in opposite directions. No stationary stator was required in between each spinning disc. It was difficult to design the blades for the correct amount of swirl and difficult to seal the compressor flow passage from the turbine flow passage. In 1931 he returned to the RAE to take charge of engine research, but it was not until 1938, when he became head of the Engine Department, that work on developing an axial flow engine actually started. Hayne Constant joined the Engine Department, which started work on Griffith's original non contraflow design, working with steam turbine manufacturer Metropolitan Vickers (Metrovick). After a short period, Whittle's work at Power Jets started to make major progress and Griffith was forced to re evaluate his stance on using the jet directly for propulsion. A quick redesign in early 1940 resulted in the Metrovick F.2, which ran for the first time later that year. The F.2 was ready for flight tests in 1943 with a thrust of 2,150 lbf, and flew as replacement engines on a Gloster Meteor, the F.2/40 in November. The smaller engine resulted in a design that looked considerably more like the Me 262, and had improved performance. Nevertheless, the engine was considered too complex, and not put into production. Griffith joined Rolls Royce in 1939, working there until 1960, when he retired from his post as the company's Chief Scientist. He proposed an arrangement for a simple turbojet engine, which used an axial compressor and single stage turbine, called the AJ.65 and renamed Avon, the company's first production axial turbojet. He also proposed various bypass schemes, some too complex mechanically but including one which used 2 compressors in series, the arrangement subsequently used in the Conway. Griffith carried out pioneering studies into vertical take off and landing (VTOL) technology, such as controlling in the hover using air jets. He proposed using batteries of small, simple, lightweight turbojets for lifting the aircraft in a horizontal attitude, a 'flat riser'. Control in the hover was investigated using the Rolls Royce Thrust Measuring Rig but using conventional engines with deflected thrust. A battery of four lift engines was used in the Short SC.1.
Мұра
Гриффит Материалдар, минералдар және тау-кен институтының материал ғылымдары саласына қосқан үлесі үшін жыл сайын табыс етілетін А. А. Гриффит медалі және сыйлығы арқылы еске алынады. 2021 жылы бұл сыйлық тоқтатылды.
Griffith is commemorated in the annual A. A. Griffith Medal and Prize awarded by the Institute of Materials, Minerals and Mining for contributions to materials science. The award has been discontinued in 2021.