Расчетно-экспериментальное обоснование конструкции экологичных поворотно-лопастных гидротурбин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.13, кандидат наук Демьянов, Владимир Александрович

• Демьянов, Владимир Александрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Демьянов, Владимир Александрович

Оглавление

Введение

1. Состояние проблемы и решаемые задачи

1.1 Объем установленных поворотно-лопастных гидротурбин и перспективы установки новых и реконструированных поворотно-лопастных гидротурбин в мире и России

1.2 Потери масла в поворотно-лопастной гидротурбине (опыт эксплуатации)

1.3 Направления решения проблемы протечек масла в поворотно-лопастных гидротурбинах

1.4 Реализация технических решений и опыт эксплуатации экологичных рабочих колес

2. Новые технические решения и материалы для подшипниковых узлов экологичных рабочих колес

2.1. Структура и исследование металлокомпозитных материалов

2.2 Структура и исследование синтетических композитных материалов

2.3 Стенд для испытания антифрикционных втулок

3. Концепция конструкции и механизма поворота лопастей экологичных рабочих колес с втулками из бронзофторопласта и углестеклоэпоксидной композиции

3.1 Конструкция экологичного рабочего колеса с втулками из бронзофторопласта для ГЭС Утанен (Финляндия)

3.2 Конструкция рабочих колёс с втулками из бронзофторопласта для реконструкции

гидротурбин Волжской и Майнской ГЭС

3.3 Конструкция экологичного рабочего колеса с втулками из углестеклоэпоксидной композиции для гидротурбин Рыбинской ГЭС

3.4 Конструкция втулок подшипниковых узлов

3.4.1. Подшипник с вкладышем из стеклоэпоксидной композиции

3.4.2 Подшипник с вкладышем из бронзофторопласта

3.4.3. Подшипник с вкладышем из углестеклоэпоксидной композиции

4. Опыт эксплуатации и исследования новых конструкций с втулками из бронзофторопласта и углеэпоксидной композиции

4.1 Анализ причин увеличения перестановочных усилий и разрушения втулок из бронзофторопласта

4.2 Анализ напряженно-деформированного состояния механизма поворота лопастей

4.2.1 Расчетная схема механизма поворота лопастей рабочего колеса

4.2.2 Результаты расчета деформаций сборки деталей механизма поворота от затяжки болтов

4.3 Обобщение данных эксплуатации рабочих колес с антифрикционными втулками из углестеклоэпоксидной композиции

5. Методология проектирования экологичных поворотно-лопастных гидротурбин

5.1 Параметрическое проектирование механизма поворота

5.1.1 Основные положения параметрического проектирования

5.1.2 Параметризация элементов механизма поворота лопастей

5.1.3 Расчет потребных давлений в сервомоторе рабочего колеса

5.2 Нормы на проектирование и расчета на прочность (надежность) подшипниковых узлов и деталей механизма поворота лопастей

5.2.1 Общие положения

5.2.2 Нормы допускаемых напряжений

5.2.3 Коррозионно-усталостная прочность деталей механизма поворота

5.2.4 Нормы на надежность подшипниковых узлов

6. Заключение

7. Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетно-экспериментальное обоснование конструкции экологичных поворотно-лопастных гидротурбин»

Введение

Актуальность темы: Современная электроэнергетика характеризуется устойчивыми темпами роста 2-3% в год. Гидроэнергетика составляет 16.3% общей установленной мощности, благодаря своей маневренности, является основным фактором, обеспечивающим устойчивость электросети и эффективность энергоустановок.

В настоящее время гидроэнергетика имеет в своем составе гидроэлектростанции (ГЭС) и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) установленной мощностью 915585МВт.

Механизмы гидротурбин имеют контакт с протекающей рабочей средой (водой рек или водоемов) и могут загрязнять ее продуктами смазки подшипниковых узлов.

Особенно большой вред экологии реки могут нанести поворотно-лопастные гидротурбины (ПЛ ГТ), в случае нарушений в работе уплотнений лопастей. Турбины этого типа могут содержать во втулке рабочего колеса (РК) несколько тонн масла. Количество поворотно-лопастных гидротурбин составляет только в России 300 штук, а в общем объеме установленного гидротурбинного оборудования - не менее 15%. Поэтому создание конструкции рабочего колеса ПЛ ГТ, полностью исключающей попадание масла в реку является актуальной темой, затребованной Заказчиком гидротурбинного оборудования, службами экологического надзора и общественностью.

Цель и задачи работы. Целью работы является защита экологической среды ГЭС от попадания масла, используемого для привода механизмов или смазки подшипниковых узлов поворотно-лопастной гидротурбины, в реку.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

- анализ существующих конструкций ПЛ ГТ, материалов подшипниковых узлов и уплотнений, направленных на улучшение экологических качеств рабочих колес;

- анализ отечественного и мирового опыта эксплуатации рабочих колес ПЛ ГТ с улучшенными экологическими свойствами;

- разработка и исследование новых композитных материалов для подшипниковых узлов механизма поворота лопастей рабочего колеса ПЛ ГТ;

- разработка методологии параметрического проектирования ПЛ ГТ на базе ЗО твердотельного моделирования;

- разработка новых конструкций РК экологичных ПЛ ГТ с использованием рекомендованных материалов на базе углестеклоэпоксидной композиции (УСЭК) и бронзофторопласта (БФ);

- анализ опыта эксплуатации и исследование новых конструкций ПЛ ГТ с антифрикционными втулками из материала УСЭК и БФ;

- разработка рекомендаций по проектированию конструкции и применению новых материалов для втулок подшипниковых узлов ГШ ГТ.

Методы исследования. Поставленные задачи решаются на основе:

- экспериментальных исследований трибомеханических свойств материалов на специализированных экспериментальных установках по апробированным и уникальным методикам;

- ЗБ твердотельного параметрического моделирования при конструировании и проверке работоспособности механизмов;

- ЗБ расчетов напряженного-деформированного состояния механизма поворота лопастей РК при обосновании прочности;

- натурных испытаний действующих конструкций при оценке надежности и ресурса материалов и конструкции.

Научная новизна. Концепция проектирования конструкции механизма поворота лопастей рабочего колеса на основе параметрического твердотельного моделирования основных элементов.

Геометрические соотношения и методика параметризации элементов конструкции механизма поворота лопастей рабочего колеса ПЛ ГТ. Расчетная схема определения деформации механизма поворота лопастей и контактных напряжений в критических узлах трения.

Уточненная методика обоснования прочности и надежности подшипниковых узлов безмасляных втулок рабочего колеса с учетом деформационного состояния механизма поворота лопастей, зазоров и контактных напряжений.

Учёт деформационного состояния механизма (влияние масштабного эффекта) при конструировании пар трения крупных машин (диаметр антифрикционных втулок 800-1600 мм).

Методики экспериментальных исследований на специализированных стендах и в натурных условиях эксплуатации по определению трибомеханических свойств антифрикционных материалов для узлов трения гидротурбин.

Результаты исследования деградации триботехнических свойств антифрикционных втулок из бронзофторопласта в условиях эксплуатации реальных конструкций гидротурбин.

Результаты применения в реальных конструкциях оптимальной структуры углестеклоэпоксидной композиции.

Теоретическая значимость работы. Обобщены геометрические соотношения и разработана методика параметризации элементов конструкции механизма поворота лопастей рабочего колеса. Разработана расчетная схема определения деформации механизма поворота лопастей и контактных напряжений в критических узлах трения. Разработана уточненная

методика обоснования прочности и надежности подшипниковых узлов безмасляных втулок рабочего колеса с учетом деформационного состояния механизма поворота лопастей, зазоров и контактных напряжений.

Практическая значимость работы. На основании выполненных расчетно-исследовательских работ в ОАО "Силовые машины" - Ленинградский металлический завод при личном участии и под руководством автора разработаны конструкции экологичных гидротурбин, обеспечивающих полное отсутствие протечек масла в водную среду. Экологичные поворотно-лопастные гидротурбины установлены на ряде крупнейших ГЭС России: на Волжской, Жигулевской ГЭС (мощность 1Чтах=145МВт, Б1=9,3м), Чебоксарской (1^тах=80,5МВт, 01=10,Ом), Рыбинской (МтаХ=70МВт, Б 1=9,Ом) и др. ГЭС, а также за границей (ГЭС Утанен, Финляндия, Ытах= 23,62.МВт, 01=4,65м).

Рекомендации по использованию. Результаты работы могут использоваться при разработке новых и реконструируемых гидротурбин поворотно-лопастного типа, предтурбинных затворов, а также в аналогичных конструкциях судовых винтов, систем рулевого управления и других крупномасштабных высоконагруженных бессмазочных подшипниковых узлах машин и механизмов.

Достоверность результатов. Достоверность экспериментальных результатов по определению трибомеханических свойств рекомендуемых композиционных материалов подтверждается аналогичными испытаниями на стендах других организаций (НПО ЦКТИ, ИПМЕХ РАН), а также опытом эксплуатации подшипниковых узлов на действующих гидротурбинах. Достоверность результатов расчетно-исследовательских работ подтверждается применением базовых физических закономерностей и законов моделирования при выборе расчетных схем силового взаимодействия. Достоверность обоснования прочности и надежности конструкции подтверждается адекватностью расчетных схем определения напряжений и деформации, данными сертифицированных испытаний механических свойств конструкционных материалов и выбором нормативных запасов, апробированных в надежно-работающих конструкциях гидротурбин.

Личный вклад соискателя. Материал и публикации диссертации содержат следующие основные результаты работы, выполненные автором:

- анализ отечественного и мирового опыта эксплуатации рабочих колес ПЛ ГТ с улучшенными экологическими свойствами;

- выявление причин деградации триботехнических свойств композитного материала БФ в условиях работы реальных конструкций;

постановка расчетно-экспериментальных сравнительных исследований антифрикционных втулок из композитных материалов БФ и УСЭК;

- анализ напряженно-деформированного состояния механизма поворота лопастей рабочего колеса в условиях реальных нагрузок и геометрических размеров; определение причин недостаточной надежности конструкции подшипников с БФ-втулками подшипников для РК диаметром больше 6м;

- разработка концепции проектирования конструкции механизма поворота лопастей с подшипниковыми втулками из композитного материала УСЭК;

- разработка методологии параметрического проектирования механизма поворота лопастей ПЛ ГТ на базе 3D твердотельного моделирования;

- разработка уточненной методики обоснования прочности и надежности механизма поворота лопастей экологичных гидротурбин.

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на Ш (2005г.), IV (2006г.), VI (2010г.) Международных научно-технических конференциях "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика", СПб, СПб ГПУ; на международной конференции HYDROPOWER-2004, Ичан, Китай; на Международной конференции HYDRO-2009, Лион, Франция (2009г.), на Международной конференции Russia Power 2010, Москва, Россия (2010г.), на международной конференции HYDRO-2013, Иннсбрук, Австрия (2013г).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ (в том числе 2 работы в журналах рекомендованных ВАК).

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка литературы из 89 наименований. Работа изложена на 151 стр., содержит 138 рисунков и 33 таблицы.

1. Состояние проблемы и решаемые задачи

1.1 Объем установленных поворотно-лопастных гидротурбин и перспективы установки новых и реконструированных поворотно-лопастных гидротурбин в мире и России^

В настоящее время электроэнергетика развивается устойчивыми темпами роста, примерно, 2-3 % в год. Гидроэнергетика, благодаря своим свойствам быстро реагировать на изменения в электросети, является необходимым компонентом электроэнергетики. В условиях развития атомной энергетики и возобновляемых источников энергии (ветроэнергетические установки, солнечные, приливные электростанции и др.) значение гидроэнергетики, как стабилизирующего фактора возрастает. В соответствии с прогнозами доля гидроэнергетических установок в общем объеме электроэнергетики сохранится и в двадцатилетней перспективе. [43]

По данным International Energy Agency «Key World Energy Statistic 2012» гидроэнергетика обеспечивает до 16,3 % всей электроэнергии в мире. При этом в некоторых странах, например

Норвегии, гидроэлектростанциями вырабатывается до 94,7% всей электроэнергии страны, в России этот показатель сопоставим с мировым (16,2% всей электроэнергии).

Гидроэнергетика, в сравнении с другими источниками энергии - наиболее экологичный источник электроэнергии: отсутствуют выбросы в атмосферу, вода сохраняет агрегатные свойства в процессе преобразования энергии, отсутствуют значительные перепады температур и др. Однако, при контакте с водной средой узлов и механизмов гидротурбин, использующих смазку для обеспечения работоспособности, возможно попадание смазочных материалов в реку вследствие невозможности достигнуть абсолютной герметичности уплотнений или их аварийного износа.

В промышленной гидроэнергетике в зависимости от напора ГЭС используются различные типы гидротурбин (Рисунок 1.1): ковшовые (турбины Пельтона) на напор до 2000 м, радиально-осевые (турбины Френсиса) на напор до 600 м, поворотно-лопастные (турбины Каплана) на напор до 80 м. [7, 60]

Рисунок 1.1 Применение гидротурбин на различные напоры.

По данным анализа, выполненного ОАО «Силовые машины», на начало 2013г. установленная мощность гидротурбин в мире - 915585 МВт. Первое место на данный момент занимает Китай (167147 МВт, или 18,26 % от общей мощности). Установленная мощность гидротурбин в России - 45590 МВт или 4,98% от общей мощности. На начало 2013г. объем установленных в мире поворотно-лопастных гидротурбин составляет 10,99% или 100 584 МВт; в России этот показатель выше и составляет 26,60% от общей мощности гидростанций России.

В таблице 1.1 приведены данные по объему установленной мощности поворотно-лопастных гидротурбин и перспективы установки новых и реконструированных гидротурбин до 2023г. в мире и России.

Таблица 1.1 Установленная мощность поворотно-лопастных гидротурбин и перспективы роста до 2023г.

Объем установленных поворотно-лопастных гидротурбин

МВт %

Установленная мощность в мире 100584 100

Установленная мощность в России 12127 12,06

Перспективы установки новых и реконструированных поворотно-лопастных гидротурбин до 2023г.

МВт %

Перспективы установки в мире 101113 100

Перспективы установки в России 2987 2,95

Из таблицы следует, что поворотно-лопастные гидротурбины (ГШ ГТ) благодаря своим эксплуатационным преимуществам, занимают значительную долю в установленной мощности гидротурбин и существует перспектива их развития в будущем.

Поворотно-лопастная гидротурбина, изобретенная в 1943 году В.Капланом (V. Kaplan) была в дальнейшем усовершенствована усилиями многих отечественных и зарубежных предприятий и научных организаций.

В России большой вклад в исследование рабочего процесса поворотно-лопастных гидротурбин внесли ученые Ленинградского политехнического института: И.Н.Вознесенский, А.Ф.Лесохин, И.Н.Смирнов [9,40,60]; в исследование гидравлических процессов в гидротурбинных блоках ГЭС и постановку фундаментальных проблем экологии гидроэнергетики Ю.С.Васильев и М.П.Федоров [67].

Значительные работы по проблемам эффективности, надежности и безопасности блоков ГЭС выполнены учеными ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева под руководством М.Ф.Складнева, Е.Н.Беллиндера и др.

Современные конструкции крупнейших поворотно-лопастных гидротурбин были разработаны на Ленинградском металлическом заводе и Харьковском турбинном заводе под руководством Н.Н.Ковалева, Г.С.Щеголева, О.С.Бабанова, И.С.Веремеенко и др [34,69,5,66]. Значительные исследования рабочего процесса осевых и диагональных ПЛ ГТ выполнены в Московском энергетическом институте В.С.Квятковским [33].

Совершенствованию конструкции ПЛ ГТ способствовало их широкомасштабное применение для многоагрегатных ГЭС Волжского каскада и высоконапорных ГЭС для Севера и

Дальнего востока, спроектированных специалистами института «Гидропроект» под руководством А.В.Михайлова, Б.Н.Юркевича и др. [12,65].

При этом следует отметить работу специалистов ОАО «РусГидро» под руководством Б.Б.Богуша и Р.М.Хазиахметова и др. по мониторингу и анализу надежности гидротурбинного оборудования с целью совершенствования ПЛ ГТ совместно с заводами-изготовителями.

Поворотно-лопастная гидротурбина - это гидротурбина двойного регулирования расхода, осуществляющая одновременный и согласованный поворот лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса [7,60].

Благодаря двойному регулированию поворотно-лопастные гидротурбины имеют более высокий средний эксплуатационный КПД при колебаниях напоров и нагрузок. Кроме того они могут развивать номинальную мощность в более широком диапазоне напоров и большую мощность при напорах ниже среднего [60,71]. Для поворотно-лопастных гидротурбин всегда имеется возможность разъема рабочего колеса на составные части (отсоединение лопастей), что позволяет применять колеса больших размеров и уменьшать транспортные расходы.

Конструкции гидротурбин с поворотными лопастями более сложны, чем радиально-осевые гидротурбины, так как в них имеются устройства для поворота лопастей [34,36]. Также в связи с двойным регулированием лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса усложняется система регулирования гидротурбины. В ней появляется дополнительное золотниковое устройство для регулирования подачи масла в сервомотор рабочего колеса и комбинаторное устройство для осуществления согласованного открытия лопаток направляющего аппарата и лопастей рабочего колеса. Также высоконапорные вертикальные поворотно-лопастные гидротурбины имеют более низкие кавитационные качества чем радиально-осевые гидротурбины, что ограничивает их применение на эти напоры.

Одним из недостатков поворотно-лопастных гидротурбин являются возможность утечки масла из корпуса рабочего колеса, содержащего несколько тонн масла, через уплотнения лопастей в проточный тракт гидротурбины и реку (Рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 Рабочее колесо поворотно-лопастной гидротурбины:

1- втулка штока; 2- втулка цапфы наружная; 3- уплотнение лопасти; 4- втулка цапфы внутренняя; 5- масло; 6- втулка серьги; 7- втулка днища

Для уменьшения риска попадания масла в реку в мире используется несколько технических решений:

• Разработка и применение надежных уплотнений цапф лопастей рабочего колеса;

• Разработка и применения в системе регулирования гидротурбины масла безопасного для окружающей среды;

• Разработка подшипников цапф лопастей не требующих смазки и разработка конструкций рабочих колес без масла во втулке рабочего колеса.

1.2 Потери масла в поворотно-лопастной гидротурбине (опыт эксплуатации)

Как отмечено, одним из недостатков ПЛ ГТ является возможность протечек масла в реку.

Масло, находящееся в корпусе рабочего колеса, обеспечивает поворот лопастей на заданный угол и смазку подшипников механизма поворота. Уплотнения, устанавливаемые на фланце лопасти, препятствуют протечкам масла.

Однако износ уплотнений лопастей и трущихся поверхностей лопасти в процессе эксплуатации приводит к увеличению зазоров, через которые возможны протечки масла в реку.

Учитывая большие размеры рабочих колес и диаметры уплотняемых фланцев лопастей, достигающих 1500-1800мм, возможные протечки масла могут достигать значительных величин.

Специальные обследования более 40 гидротурбин отечественных ГЭС, на которых установлены отечественные и импортные гидротурбины диаметром от 9,3 до 3,6 м, показали,

что в зависимости от объема масла, находящегося в системе регулирования, потери изменяются от 1 т/год до 9 т/год [49].

Согласно действующим на период обследований Техническим условиям допустимые протечки масла на одну лопасть при цеховых испытаниях не должны превышать 0,15...0,2 л/сутки, что для шестилопастных колес с диаметром от 3 до 10м составляет 0,32...0,43 т/год.

Различия в протечках при цеховых испытаниях и при эксплуатации объясняются качеством изготовления и монтажа уплотнений, дополнительными деформациями при эксплуатационном нагружении и режимами регулирования (частотой изменения угла установки лопасти).

На основании обобщения опытных данных по протечкам масла было установлено, что потери масла в среднем за год могут составлять до 13% от общего объема масла в системе регулирования.

В условиях современных требований к экологии такие протечки масла в реку недопустимы.

В настоящее время, несмотря на прогресс в конструкции уплотнений лопастей, риск протечек масла в реку остается, из-за принципиальной возможности соединения масляной и водяной сред, разделяемых негерметичными уплотнениями. Решением этой проблемы является создание конструкции рабочего колеса, в котором уплотнения лопастей не контактируют с маслом системы регулирования.

Приведенные данные показывают, что в мире и в России существует устойчивая потребность в поставке гидротурбинного оборудования поворотно-лопастного типа для реконструируемых и новых ГЭС.

По своей эффективности поворотно-лопастные гидротурбины существенно превосходят радиально-осевые гидротурбины для условий работы при существенном изменении напоров, регулирования мощности и частоты, требуемых современной электрической системой.

В целях улучшения экологических характеристик поворотно-лопастной гидротурбины актуальна проблема создания новой конструкции механизма поворота лопастей рабочего колеса, полностью исключающей попадание протечек масла в реку.

1.3 Направления решения проблемы протечек масла в поворотно-лопастных

гидротурбинах

Совершенствование уплотнений лопастей

Как отмечено выше (п.1.1.), традиционным решением, препятствующим протечкам масла из втулки ПЛ рабочих колес, было уплотнение фланцев лопастей. Известно множество конструкций уплотнений, разработанных специализированными фирмами и изготовителями

гидротурбинного оборудования. В первых конструкциях в качестве уплотняющего материала использовалась качественная кожа; в дальнейшем - резина или резина, упрочненная различными кордами [10,16,26,61]. Одна из последних конструкций показана на рисунке 1.3. Манжеты изготавливались из высококачественной маслостойкой резины методом формовки или шприцовки профильного шнура и склеивания его в кольцо. Для надежной работы манжет поверхности паза под них должны иметь шероховатость Яа 0,8. Такое уплотнение лопастей рабочего колеса не сложно по конструкции и состоит из небольшого количества деталей по сравнению с ранее применяемыми уплотнениями с использованием кожи и может заменяться без демонтажа лопасти.

Как показал опыт эксплуатации, наиболее надежным уплотнением, применяемым в настоящее время, является уплотнение, изготовленное из хлопкового волокна и нитрильного эластомера, американской фирмы Оаг1ок, (рисунок 1.4) [77]. Однако уплотнения лопастей имеют существенный недостаток. По мере износа зазоры в уплотнительных элементах увеличиваются, что приводит к недопустимому росту протечек и периодическому контролю их состояния. Эта операция требует остановки гидроагрегата и приводит к потере выработки электроэнергии.

Рисунок 1.3 Уплотнение фланцев лопастей, применяемое ранее для маслонаполненных рабочих колес 1 - корпус; 2- лопасть; 3- шнур профильный; 4 - кольцо промежуточное; 5- кольцо нижнее; 6-пружина; 7 - кольцо нажимное; 8- облицовка

13 7 2 4 5

Рисунок 1.4 Современная конструкция уплотнений фланцев лопастей

1 - корпус; 2- лопасть; 3- комплект уплотнений; 4 - кольцо нажимное; 5- облицовка;

6- нержавеющая облицовка; 7 - кольцо компенсирующее

Применение безопасных масел для механизма привода лопастей рабочего колеса

Одним из направлений проектирования экологичных поворотно-лопастных гидротурбин является замена минерального масла в механизме поворота лопастей рабочего колеса на биологически разлагаемые масла (Таблица 1.2), которые не наносят вреда окружающей среде при случайном попадании его в водоток реки [78,80,81,87].

Положительной стороной такого решения являются отсутствие необходимости изменения конструкции рабочего колеса и отсутствие загрязнения водотока реки, в случае попадания масла в водоток.

Недостатками такого решения являются: значительная стоимость биологически разлагаемого масла (цена в Санкт-Петербурге на биоразлагаемое масло 150...250 тыс. рублей за тонну, 2012г); уменьшенные интервалы смены масла, которые в зависимости от условий эксплуатации могут достигать 10000 рабочих часов; необходимость соблюдать ряд специальных условий при переводе гидравлических установок с минерального масла на биологически разлагаемый материал, в частности:

- определять пригодность гидравлической установки для эксплуатации с использованием биологических масел: необходимо установить совместимость искусственных материалов (уплотнителей, шлангов, лаков, фильтров) с биологическим маслом;

- подбор биологического масла осуществлять с учетом конкретной области применения. Важен диапазон температур, в котором функционирует установка. Например, масла типа HETG, HEES можно применять в диапазоне от -20°С до +70°С;

- биологическое и минеральное масла не должны смешиваться. Поставщик масла должен указывать максимально допустимый остаток минерального масла. В стандарте Союза немецких производителей машин и агрегатов VDMA 24569 (аналог DIN 51524-2) допускается остаток минерального масла не более 2%. При превышении указанного значения возможно сильное пенообразование, износ насоса, коррозионные повреждения и потеря гарантии. При высоком содержании минерального масла биоразлагаемость ухудшается. Поэтому при переводе оборудования с минерального масла на биологически быстроразлагаемый продукт гидравлическую установку необходимо основательно опорожнить и промыть;

- учитывать, что биологическое и минеральное масло обладают различной растворяющей способностью. Биологическое масло в течение нескольких дней растворяет отложения, которые образовались за годы применения минерального масла. Растворенные отложения могут привести к засорению клапанов распределителей и трубок.

Биологически быстро разлагаемые масла классифицируются следующим образом:

• триглицериды HETG (растительные, нерастворимые в воде продукты)

• сложные синтетические эфиры HEES (растворимые в воде продукты)

• полиэтиленгликоли HEPG (растворимые в воде продукты)

Описание масел приведено в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Биологически разлагаемые масла

Описание

HETG НЕ TG = TriGlyzeride = триглицериды • природные рабочие жидкости на растительной основе. Они хорошо смешиваются с гидравлическими жидкостями на минеральной основе, что важно при переходе с минерального масла на природную жидкость, однако с увеличением доли минерального масла заметно ухудшается биоразлагаемость продукта. • жидкости HETG соответствуют классу «nicht wassergefährdend» (безопасные для воды продукты), который введен в действие в 1999 году • жидкости HETG применяются от -20°С до 70°С

HEES ES = Ester, synthetisch = сложные синтетические эфиры • рабочие жидкости с более или менее высоким содержанием сложных эфиров. Сложные эфиры имеют, как правило, растительное или животное происхождение. Их можно также получить из минеральных масел, содержащих ароматические углеводороды. Сложные эфиры минерального и растительного/животного происхождения смешиваются друг с другом. Независимо от исходного материала (минеральная или растительная/животная база) проблем с утилизацией отработанных сложноэфирных продуктов нет, так как они относятся к классу 1, что не требует отдельного сбора (как в случае HETG).

• скорость биоразложения HEES зависит от содержания сложных эфиров растительного происхождения (чем больше растительных эфиров, тем быстрее разлагается продукт). • масла HEES являются термостойкими рабочими жидкостями

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Демьянов, Владимир Александрович, 2013 год

7. Список литературы

1. Абозин И.Ю., Бахарева В.Е., Блышко И.В., Николаев Г.И., Соков Е.В. Свойства антифрикционных углепластиков // Вопросы материаловедения. - 2001 - 2 - С.54-61.

2. Алыпиц И.Я., Семенова JI.M. Вопросы оценки работоспособности полимерных материалов // Методы испытания и оценки служебных свойств для подшипников скольжения. М., «Наука». 1972, - С. 140.

3. Анисимов A.B., Бахарева В.Е., Черниговский A.A. Стендовые триботехнические испытания антифрикционных модифицированных углепластиков для узлов трения гидротурбин // Вопросы материаловедения. - 2002 - №3 - С.78-83.

4. Антонов Д. Осмос - враг стеклопластика // Катера и яхты. - 1986 - №2 - С.51

5. Бабанов О.С., Аронсон А.Я., Бабаченко В.Е. Повышение усталостной прочности новых конструкций рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин // Энергомашиностроение, -1982, №2 - С. 16-17.

6. Бабанов О.С., Пономарев В.Я., Пылаев Н.И. Антифрикционные полимерные материалы в тяжелонагруженных узлах трения. - JL: ЛДНТП, 1981

7. Барлит В.В. Гидравлические турбины. - Киев.: издательство Вища школа. 1977. - 360 с.

8. Бахарева В.Е., Абозин И.Ю., Рыбин В.В. Разработка физико-химических основ и создание антифрикционных высокопрочных полимерных композитов // Вопросы материаловедения, - 2001 - 2 - С. 9-21.

9. Вознесенский И.Н. Избранные труды в области гидромашиностроения. - Машгиз. 1952, -354 с.

Ю.Веремеенко И.С., Вапник Б.К., Точилин И.Л., Линецкий Н.Г. Исследование пакетных уплотнений лопастей рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин // Тяжелое машиностроение, - 1990, №12 - С.4-7.

П.Виноградов С.Е., Рыбин В.В., Шекалов В.И. Влияние фуллероидных наномодификаторов на структуру поверхности трения и особенности изнашивания бронзофторопластовых антифрикционных материалов // Вопросы материаловедения, 2006 - №2 -С.173-180.

12.Волжская ГЭС имени XXII съезда КПСС том I / Под ред. Михайлова A.B. М.-Л.: Издательство «Энергия», 1965, - 648с.

1 З.Волков А.Ф. Новые конструкции узлов гидротурбин // Энергомашиностроение, - 1986, №5 -С. 14-15.

14.Горячева И.Г., Добычин М.Н. Контактные задачи в трибологии. - М.: Машиностроение, 1988,-256с.

15.Горячева И.Г., Курбаткин И.И., Буше H.A. Моделирование процессов образования пленки вторичных структур и исследование ее свойств // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2008 - т.74, №4. С.51-58.

16.Дегтярев Я.С. Новые уплотнения рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин // Гидротурбостроение. Сборник статей, М.-Л., Машгиз, 1955, вып.1 - С.257-263.

17.Демьянов В.А., Иванов С.В, Пылев И.М. Технические проблемы реконструкции гидротурбинного оборудования // Гидротехническое строительство - 2007, №11 - С2-7.

18.Демьянов В.А., Кондратьев В. Н. Состояние и перспективы развития гидротурбостроения // Тяжёлое машиностроение - 2007, №11 - С.2-7.

19.Демьянов В.А., Кондратьев Ю.С., Бабаченко Ю.В. Современные тенденции в технологии проектирования гидромашин: от модели до станка с ЧПУ // Гидравлические машины, гидроприводы, гидропневмоавтоматика: Труды IV Международной научно-технической конференции. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2006 - С.7-11.

20.Демьянов В.А., Пеклер К.В., Левин М.А. Проект гидротурбинной установки для ОАО «Волжская ГЭС» и ОАО «Жигулевская ГЭС». Вторая модернизация // Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика: Труды III Международной научно-технической конференции. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2005 - С.161-171.

21.Демьянов В.А., Пылев И.М. Опыт и проблемы создания высокоэффективных гидротурбин большой мощности // Гидравлические машины, гидроприводы, гидропневмоавтоматика: Сборник научных трудов 6-й международной научно-технической конференции - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2010 - С.47-57.

22.Демьянов В.А., Пылев И.М. Опыт и проблемы создания и реконструкции гидротурбинного оборудования // Гидротехника XXI век, - 2011, №2(5) - С. 12 - 21.

23.Демьянов В.А., Сотников A.A. Гидротурбостроение: состояние и перспективы развития // Энергомашиностроение, Тр. СПбГПУ №491, - 2004 - С. 105-111.

24.Дорошук А.П. Экспериментальное исследование металлофторопласта как антифрикционного материала для тяжелонагруженных узлов трения // Надежность и долговечность металлургического оборудования. Вып. 10 Тр.НИИПТМАШ, Краматорск, 1970. С.65-69.

25.Зайцев Г.В., Аронсон А.Я. Усталостная прочность деталей гидротурбин - М.: Машиностроение 1975. -158 с.

26.Зубков И.А. Уплотнения в гидротурбинах. - М.: Машиностроение, 1972 - 104 с.

27. Интегрированная Система Прочностного Анализа (ИСПА): Отчет о НИР (руководство пользователя)/ Мухин А.Н. -Москва: ООО «Алексофт», 2000 - С.125.

28.Использование водной энергии / Под ред. Васильева Ю.С. М.: Энергоатомиздат, 1995 -608 с.

29. Испытания антифрикционных свойств и грузоподъемности подшипников из металофторопласта для гидротурбин: Отчет о НИР / Щеголев Г.С. - Ленинград: Ленинградский металлический завод, СКБ «ГТМ» - 2193, 1974.

30. Исследование влияния модификаторов и наполнителей фторопласта на основные триботехнические характеристики бронзофторопластовых подшипников/ Герцык М. Л., Никитин В. А., Петров В. М., Пономарев А. Н., Черниговский А. А., Чулкин С. Г.// Вопросы материаловедения, 2001 - №2 - С.148-157.

31. Исследование распределения давлений в контактных поверхностях сборки рабочего колеса гидротурбины: Отчет о НИР / Курков C.B.- Санкт-Петербург: ООО «НПО «ДИП», 2007. С.44.

32.Каширин М.М., Будников С.Ф. Новое в конструкциях и перспективы развития поворотно-лопастных гидротурбин // Флагман советского турбостроения. Сб.статей. -Л: Машиностроение, 1984 - С. 128-139.

33.Квятковский B.C. рабочий процесс осевой гидротурбины. Труды ВИГМ, Ч. I и II.-Машгиз, 1951, - 155с.

34.Ковалев H.H. Гидротурбины. - Л.: Машиностроение, 1971. - 583с.

35. Колесников A.A., Сапроненко Ю.В. Реконструкция гидротурбин Рыбинской ГЭС.// Доклады международной конференции Hydro Vision Russia - 2013., Москва, Россия, март 2013, сессия 1 : реконструкция.

36.Конструкция и расчет гидротурбин/ С.А. Грановский, В.М. Малышев, В.М. Орго, Л.Г. Смоляров, - Л., «Машиностроение», 1974. - 480с.

37.Крыжановский В.К., Бурлов В.В., Паниматченко А.Д., Крыжановская Ю.В. Технические свойства полимерных материалов - Учебно-справочное пособие. - СПб.: Профессия, 2003. - 240с.

38.Кузнецов И.Л., Брилов Е.П., Моркин О.В., Степура К.В. Исследование специальных материалов для гидротурбостроения // Доклады международной конференции Hydro Vision Russia - 2013., Москва, Россия, март 2013, сессия 7: Турбины.

39. Курков C.B. Метод конечных элементов в задачах динамики механизмов и приводов -СПб.: «Политехника», 1992. - 224с.

40. Лесохин А.Ф., Симонов Л.А. Расчет колеса типа Каплана по выбранному распределению вихрей. - Оборонгиз, 1939.

41 .Модельные исследования гидротурбин / Под ред. В.М. Малышева. Л.: Машиностроение, 1977-С.288.

42.Метод расчета ресурса деталей гидромашин: Отчет о НИР -2828 / Балашов А.П. -СПб: Ленинградский металлический завод, СКБ «ГТМ», 1992 - С. 15.

43.Непорожний П.С., Обрезков В.И. Гидроэлектроэнергетика. - М.: Энергоиздат, 1982.-304с.

44. Обобщение опыта эксплуатации и испытаний механизма поворота лопастей экологически-чистых гидротурбин и разработка рекомендаций по проектированию: отчет о НИР/Колесников A.A. - Санкт-Петербург: «Силовые машины» ЛМЗ, СКБ «ГТМ»-1606, 2010.

45. Определение коэффициента трения самосмазывающегося бронзографитового материала ф. «Deva» при сухом реверсивном трении: отчет о НИР / Сотников A.A. - Ленинград: Ленинградский металлический завод, СКБ «ГТМ» - 1421, 1993.

46. Определение оставшегося технического ресурса основных узлов гидротурбины ГЭС Джердап-1: Отчет о НИР-2975/ Сотников A.A. - СПб: Ленинградский металлический завод, СКБ «ГТМ» - 2001 С.114.

47. Отработка технологического процесса изготовления и составление рекомендаций по установке в рабочее колесо деталей и узлов трения механизма поворота лопастей: отчет о НИР - ЦНТУ-Д 151/90 / Бабанов О.С. -Ленинград: Ленинградский металлический завод, СКБ «ГТМ», -1990.

48.Пеклер К.В., Панфилов H.A., Абозин И.Ю., Бахарева В.Е. Применение антифрикционных углепластиков в гидротурбинах // Вопросы материаловедения, -2002-№3-С.83-88.

49.Потери масла в поворотно-лопастных гидротурбинах: отчет о НИР / Ковалев Н.Н.Ленинград: Ленинградский металлический завод, бюро водяных турбин, 1958. -16с.

50. Программно-вычислительные комплексы по расчетному исследованию и проектированию гидротурбин / Бабаченко Ю.В., Кондратьев Ю.С., Пылев И.М., Черный С.Г. // Тяжелое машиностроение. -2007, №11 -С.7-11.

51.Пылаев Н.И., Пономарев В.Я. Самосмазывающийся полимерный материал для тяжелонагруженных узлов трения. - Л.: ЛДНТП, 1968.

52. Разработка, исследование и внедрение антифрикционных самосмазывающихся материалов для узлов трения и уплотнения экологически-чистых гидротурбин: отчет о НИР/ Сотников A.A. -Ленинград: Ленинградский металлический завод, СКБ «ГТМ» -1406, 1992.

53.Разработка методики расчета напряженного состояния и надежности подшипниковых узлов механизма поворота лопастей рабочих колес экологически-чистых гидротурбин: Отчет о НИР 511/8/ Карев В.И. - Москва: Институт проблем механики РАН, 2008. - с.98.

54.Расчет на прочность деталей гидротурбин / Аронсон А.Я., Бугов А.У., Малышев В.М., Скрылев И.А., Франк-Каменецкий Г.Х. -М.-Л.: Машиностроение, 1965-392с.

55.Рубин Н.Б., Бахарева В.Е. Подшипники в судовой технике: Справочник. - Л.: Судостроение, 1987, -344с.

56.Савинский Ю.Э. Применение металлофторопластовых подшипников в тяжелонагруженных узлах трения // «Машиноведение», -1971, №1, С.95.

57. Самосмазывающейся антифрикционный бронзофторопластовый материал / Г. А. Меерсон, В.Г. Тимофеев, С.С. Кипарисов, Б.А. Журавлев, П.А. Солонникова, С.Х. Ким, М.П. Шебенко // «Извести Вузов СССР. Цветная металлургия». - 1969 - №1 -С. 132-137.

58. Семенов А.П., Матвеевский P.M., Поздняков В.В. Технология изготовления и свойства содержащих фторопласт антифрикционных материалов. -М., Изд-во АН СССР, 1963 -64с.

59. Семенов А.П., Савинский Ю.Э. Металлофторопластовые подшипники - М.: Машиностроение, 1976. -192с.

60. Смирнов И.Н. Гидравлические турбины и насосы. - М.: «Высшая школа». 1969. -400с.

61. Справочник по гидротурбинам: справочник / Под ред. H.H. Ковалев. Л.: Машиностроение, 1984. - 496с.

62. Современные машиностроительные материалы. Неметаллические материалы: справочник / Под общей редакцией И.В. Горынина, О.С. Орыщенко. Санкт-Петербург: НПО «Профессионал», 2012. 916с.

63.Создание макромодифицированных фторопластом углепластиков для подшипников скольжения рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин / Бахарева В.Е., Анисимов A.B., Савелов A.C., Пеклер К.В., Ильин С.Я., Моркин О.В. // Вопросы материаловедения, -2009 - №1-С 17-25.

64. Стендовые триботехнические испытания антифрикционного макромодифицированного фторопластом углепластика УГЭТ-МФ для узлов трения гидротурбин/ Бахарева В.Е., Анисимов A.B., Ильин С.Я., Моркин О.В., Пеклер К.В.// Вопросы материаловедения, -2012-№4 - С.93-97.

65.Стоцкий А.Д., Юркевич Ю.Н. Технологическое оборудование гидроэлектростанций // Гидротехническое строительство, - 1997, №8 - С.33-35.

66.Угольников В.В., Веремеенко И.С. Создание крупных гидротурбин и обратимых гидромашин в ПО «Турбоатом»//Энергомашиностроение. - 1986, №1- с.35-39.

67. Федоров М.П., Шилин М.Б., Ролле H.H. Экология для гидротехников. СПб: ВНИИГб СПбГПУб 1992-80с.

68. Черниговский A.A. Применение современных композиционных материалов в гидротурбинах ОАО ЛМЗ // Труды МНТК Современные состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке. - СПб: Изд-во СПбГПУ, 2003, С.210-211.

69.Щеголев Г.С., Гаркави Ю.Е. Гидротурбины и их регулирование. - JI: Машгиз, 1957, -351с.

70. Экспериментальное определение нагрузок, действующих на упорно-опорные втулки механизма поворота лопастей рабочего колеса на стенде: Отчет о НИР / Судаков А.В. -Санкт-Петербург: ОАО «НПО ЦКТИ», 2009, С. 19.

71.Этинберг И.Э. Теория и расчет проточной части поворотно-лопастных гидротурбин. -M.-JL, «Машиностроение», 1965. - 350с.

72.Buchi С., Meynet М. Good practice in the use of self lubricated bushes// Proceedings international conference Hydro-2010, Lisbon, September 2010, session 06.08.

73.Canton S., Laurier P. Rehabilitation experience of an oil-free Kaplan runner in Kembs, France-diagnosis, analysis and therapy of a failure on a modern runner design // Proceedings international conference Hydro-2010, Dubrovnic, Lisbon, Portugal, September 2010, session 02.03.

74.Demianov V., Ivanov S, Ilyin S. Problems of reliability of composite materials for ecologically clean Kaplan turbines // Proceedings international conference HYDRO-2009, Lyon, France, October 2009, session 7.04.

75.Demianov V., Pylev I., Ilyin S., Morkin O., Chernin A. Investigating friction materials for the adjustable blade journal bearings of the ecologically clean runner of the Kaplan turbines // Proceedings international conference HYDRO-2103, Innsbruck, Austria, Oktober 2013, Session 4c.

76.Demianov V., Sotnikov A., Malychev A. Problems and trends in refurbinshments of hydroturbine eguipment in Russia // Proceedings international conference of Hydropower 2004. Yichang. China. May 2004. vol. III.

77.Garlock Hydraulic Components [Электронный ресурс] - Режим доступа: htt://www.garlock-inc.com.

78.Glavatskih S.B. Performance of environmentally friendly oils in hydropower application. // Proceedings international conference Hydro-2006, Porto Caras, Greece, September 2006, session 10.11.

79.Jones J.J., Palylyk. Greaselesse bushings for hydro applications: rating the bearings.// Hydro Power and Dams -2002, Issue 5 - P. 114-116.

80.Laemmle P. Biodegradable lubricants for hydro machinery// Proceedings international conference Hydro-2003, Dubrovnic, Croatia, November 2003, session 6.03

81.Laemmle P. Time to put policy into practice: Enviromental protection is important to all of us // Proceedings international conference Hydro-2005, Villach, Austria, October 2005 session 4.08.

82.Pekler K.V., Sapronenko Y.V., Chernigovsky A.A. Experience gained in development of environmentally - friendly hydraulic turbines and their operation. // Proceedings international conference Hydro-2004, Yichang, China, may 2004, vol III.

83.Pereira P., Schmitt P., Riahir K., Muller-Brodman M. Application of self-lubricating bearings in Kaplan runner hubs.// Hydro Power and Dams -2009, Issue 6.

84.Pylev I.M. Modernization of hydroturbines. New approach to effectiveness, reliability, environment // Proceedings international conference Waterpower 91, Denver, USA, July, 1991, vol.3.

85.Ribalta J.L. Infanzon J.R., Recondo E.S., Martinez R.T. Successful implantation of Oil Free technologies in a vertical Kaplan refurbishment with minimum outage// Procedings international conference Hydro-2012, Bilbao, Spain, October 2012, session 04b.08.

86.Refurbishement of hydraulic turbines installed at the Volga cascade of hydropower plants. / Levin M., Pekler K., Afanasyev A. and all // Proceedings international conference Hydro-2011, Pragua, Chech Republic, October 2011, session 32.04.

87.Steinhilber A., Harvard D., Garcia J. -M. Selection criteria for biodegradable oil in hydro power plants. // Proceedings international conference Hydro-2010, Lisbon, Portugal, September 2010, session 12.02.

88.Varlind K.-E., Leonsson S., Videhult S. Environmentally adapted technology for Kaplan runners. // Proceedings international conference Hydro-2003, Dubrovnic, Croatia, November 2003, session 6.02.

89.Zhagrin B.M., Chernigovsky A.A. Composite materials show promise for clean Kaplan runners. // Proceedings international conference Waterpower 91, Denver, USA, July, 1991, vol.3.