Создание рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины с изолированной зоной сервомотора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Бабанов, О.С.

• Бабанов, О.С.
• 1983

Оглавление диссертации Бабанов, О.С.

Предисловие g

Введение jj

ГЛАВА I Общий обзор и анализ конструктивных особенностей рабочих колес, действующих поворотно-лопастных гидротурбин в СССР и за рубежом 13 1# Рассмотрение и анализ существующих конструкций

2, Выводы

ГЛАВА П Обобщение опыта эксплуатации поворотнолопастных гидротурбин

1. Вводная часть

2. Рассмотрение и оценка надежности отдельных узлов —

3. Анализ эксплуатационной надежности уплотнений фланцев лопастей рабочих колес

4. Вйводы

ГЛАВА Ш Экспериментальные работы в лабораторных и натурных условиях по созданию нового антифрикционного материала втулок, не требующих смазки для работы в воде

I. Полимерные антифрикционные материалы в тяжелонагруженных узлах трения —

2. Конструктивные и эксплуатационные особенности узлов трения направляющих аппаратов и рабочих колес гидротурбин

3. Требования к втулочным материалам

4. Анализ существующих антифрикционных материалов

5. Разработка полимерного стеклоэпоксидного антифрикционного материала

6. Стендовые испытания антифрикционных свойств и грузоподъемности втулочных материалов.

7# .Динамические исследования

8. Проверка стеклоэпоксидофторопластового материала в натурных условиях и внедрение его в производство

9. Выводы

ГЛАВА 1У. Задачи, связанные с повышением прочностной надежности конструкций рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин

1. Современное состояние вопроса надежности рабочих колес

2. Напряженное состояние корпуса рабочего колеса и пути создания его оптимальной конструкции

3. Пути повышения надежности механизма поворота лопастей рабочего колеса Ю

4. Выводы 12х

ГЛАВА У. Разработка усовершенствованной конструкции поворотно-лопастного рабочего колеса, исключающей загрязнение потока протечками масла

1. Конструктивные особенности турбины Чебоксарской ГЭС ~

2. Конструктивно-технологические особенности рабочего колеса турбины Майнской

3. Научная новизна работы и основные выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины с изолированной зоной сервомотора»

Советский Союз, имея территорию 22,4 млн.кв.км. обладает громадными гидроэнергетическими ресурйами. По уточненным данным водные ресурсы рек СССР оцениваются в размере 4688 км3 среднегодового стока.

Теоретический потенциал энергии речного стока страны исчислен в размере 3942 млрд.кВт.ч. в год по среднемноголетнему стоку. Это равно круглогодовой мощности 450 млн.кВт.

Технический потенциал гидроэнергоресурсов СССР определяется среднегодовой выработкой в 2106 млрд.кВт.ч. Экономический потенциал гидроресурсов страны, использование которых в современных условиях является оправданным, составляет 1095 млрд.кВт.ч, и стоит на первом месте в мире, далее идут: США - 685 млрд.кВт.ч, Бразилия - 657 млрд.кВт.ч., Канада - 218 млрд,кВт.ч. [20, 31, 75] .

В дореволюционной России общая мощность гидросиловых установок составляла, примерно, 500 тыс.кВт, причем большинство из них приходилось на водяные колеса различных типов. Что касается турбинных установок, то общая их мощность к 1917 году составляла всего 16 тыс.кВт, а суммарная выработка 37 млн.кВт.ч.

По использованию водной энергии дореволюционная Россия находилась ва одном из последних мест, а по выработке электроэнергии на 15 месте в мире.

С первых лет советской власти В.И.Ленин, уделяя большое внимание созданию в нашей стране надежной электроэнергетики, дает указания о составлении единого плана развития народного хозяйства на основе электрификации - плана Г0ЭЛР0, который был утвержден в декабре 1920 года на Ж Всероссийском съезде Советов |30,3l] .

План ГОЭЛРО намечал сооружение 30 районных электростанций общей мощностью 1750 тыс.кВт, в том числе, 10 гидроэлектростанций суммарной мощностью - 640 тыс.кВт.

Конечный срок выполнения плана ГОЭЛРО был принят 1935 год. Фактически к этому сроку было построено 40 электростанций общей мощностью 4,0 млн.кВт, в том числе, гидростанций суммарной мощностью около 1,0 млн.кВт.

Среди этих гидростанций были введены Волховская, Нижне-Свир-екая и Днепровская. Первенец советского гидростроительства Волховская ГЭС была пущена в 1926 году. На ней установлены восемь РО турбин диаметром 4,5 м, мощностью по 7000 кВт. Свирская ГЭС пущена в 1933 году. На ней установлены четыре ПЛ турбины диаметром 7,42 м, мощностью по 27600 кВт. Турбины обеих станций поставки шведской фирмы "Веркстаден Кристиненгам" /Одна турбина Нижне-Свирской ГЭС была изготовлена на ЛМЗ по шведским чертежам/

На Днепрогэс были установлены девять РО гидротурбин мощностью по 67000 кВт диаметром 5,5 м. В те годы ДнепроГЭС общей мощностью 600 тыс.кВт была величайшей электростанцией в Европе. Турбины были изготовлены в США фирмой "Ньюпорт Ныос". В 1935 году Советский Союз по производству электроэнергии занял третье место в мире, после СМ и Германии. В СССР в 1935 году было выработано более 30 млрд.квт.ч. электроэнергии, из них на гидростанциях около 4 млрд.кВт.ч.

В 1980 году общая установленная мощность электростанций в Советском Союзе составляла 270 млн.кВт, в том числе мощность всех гидростанций - 53 млн.кВт или около 20%. Шработка электроэнергии в Советском Союзе в 1980 году составила 1295 млрд.квтч., из них на гидростанциях выработано 180 млрд.квтч или около 14%,

По установленной мощности электростанций, а также по общей выработке электроэнергии СССР занимает второе место в мире [Ю, 30, 3l| .

В 1985 году намечено по плану довести выработку электроэнергии до 1550-1600 млрд.киловатт-часов, в т.ч. на гидроэлектростанциях до 230-235 млрд.кВт.ч.

Исходя из приведенных цифр можно отметить, что доля гидроэнергии в общей выработке электроэнергии в СССР.в 11-й пятилетке, останется примерно на прежнем уровне - 14,0 - 14,5%. Использование гидроэнергетических ресурсов, по отношению к располагаемым в СССР экономически выгодному потенциалу составит к 1985 году всего 24%, что значительно ниже, чем в ряде развитых стран. Например, в США около 50%, Канаде, Италии, Франции более 70% |l0, 3l] .

Объединение "Ленинградский металлический завод" - один из ведущих мировых центров гидротурбостроения, флагман советского турбостроения, располагающий крупнейшей современной производственной базой, специализированными лабораториями, высококвалифицированными кадрами. Завод начал выпускать гидротурбины собственной конструкции в 1924 году. По плану Г0ЭЛР0 завод изготовил около 40 гидротурбин мощностью от 55 кВт до 15 тыс.кВт общей мощностью 250 тыс.кВт. За последующие годы на ЛМЗ был создан ряд уникальных гидротурбин для крупнейших ГЭС Советского Союза и на экспорт [l0, 25] :

ПЛ турбины - для Волжских ГЭС имени Ленина и имени ХХП съезда КПСС мощностью 126 тыс.кВт, диаметром 9,3 м, для ГЭС Джердап-Железные Ворота /Югославия-Румыния/ мощностью 194 тыс. кВт, диаметром 9,5 м, для Нижнекамской ГЭС мощностью 80 тыс. кВт, диаметром 10,0 м, для Зейской ГЭС диагональные мощностью

220 тыс.кВт, диаметром 6,0 м, для Саратовской ГЭС горизонтальные капсульные мощностью 47f5 тыс.кВт, диаметром 7,5 м;

РО турбины - для ГЭС Сайт I /Канада/, мощностью 180 тыс. кВт, диаметром 8,0 м, для Братской ГЭС мощностью 250 тыс.кВт, диаметром 5,5 м, для ГЭС Майка /Канада/ мощностью 494 тыс.кВт, диаметром 6,6 м, для Красноярской ГЭС мощностью 508 тыс.кВт, диаметром 7,5 м, для Саяно-Шушенекой ГЭС мощностью 735 тыс.кВт, диаметром 6,77 м; в разработке крупнейшие турбины единичной мощностью 1,0 - 1,3 млн.кВт диаметром I0-II м для Туруханской ГЭС.

Всего за период 1924-1980 г.г. на JIM3 изготовлено 522 гидротурбины общей мощностью 47,5 млн.кВт, из них на экспорт 90 гидротурбин общей мощностью 11,5 млн.кВт.

Харьковский турбинный завод начал выпускать гидротурбины в 1954 году. За прошедшие годы заводом создан ряд уникальных гидротурбин для крупных отечественных ГЭС и на экспорт:

ПЛ турбины - для Саратовской ГЭС мощностью 60 тыс.кВт, диаметром 10,3 м, для Кегумской ГЭС мощностью 76 тыс.кВт, диаметром 9,3 м, для ДнепроГЭС П мощностью 115 тыс.кВт, диаметром 6,8 м, для ГЭС Сальто-Гранде /Аргентина/ мощностью 142 тыс.кВт, диаметром 8,5 м;

- высоконапорные РО турбины - для Чиркейской ГЭС мощностью 290 тыс.кВт, диаметром 4,5 м, для Ингурской ГЭС мощностью 306 тыс.кВт, диаметром 4,5 м, для Нурекской ГЭС мощностью 345 тыс. кВт, диаметром 4,75 м, в разработке крупнейшая турбина оригинальной конструкции с встроенным кольцевым затвором, мощностью 650 тыс.кВт, диаметром 6,0 м для Рогунской ГЭС.

Всего за период I954-1980 г.г. на ХТЗ изготовлено 273 гидротурбины общей мощностью 17,7 млн.кВт, из них на экспорт 59 гидротурбин общей мощностью 3,2 млн.кВт.

На Сызранском турбостроительном заводе за период 19541980 г.г. изготовлено 55 гидротурбин общей мощностью 2,3 млн.кВт

Всего заводами Минэнергомаша на 01.01.81г. выпущено 850 гидротурбин суммарной мощностью 67,5 млн.кВт, из них 420 гидротурбин поворотно-лопастного типа.

В перспективе до 2000 года по данным Гидропроекта прогнозная потребность в гидротурбинах различных систем для строящихся и проектируемых ГЭС составляет порядка 500 единиц, из них 250-260 поворотно-лопастного типа. Охватывая большой диапазон напоров и являясь незаменимыми при работе в переменных режимах, рабочие колеса действующих ПЛ турбин загрязняют поток протечками масла через уплотнения, нарушая экологию водной среды.

Проведенный анализ конструкций и изучение опыта эксплуатации позволили создать усовершенствованную конструкцию рабочего колеса, исключающую протечки масла, что и явилось содержанием диссертации.

ВВЕДЕНИЕ

В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-85 г.г. и на период до 1990 г., утвержденных на ХХУ1 съезде КПСС, отмечено как важное направление - дальнейшее вовлечение в энергетический баланс страны гидроресурсов с учетом необходимости их комплексного использования для решения ряда народнохозяйственных задач.

Исходя из этих предпосылок, при возведении крупного гидроузла, основной задачей которого является выработка дешевой электроэнергии, необходимой для организации энергоемких производств, одновременно должны решаться вопросы судоходства, орошения, водоснабжения, предотвращения наводнений, а также рыбоводства и охраны окружающей среды, тесно связанных с вопросами чистоты рек и водоемов.

Вода - один из необходимейших народному хозяйству и каждому человеку природных ресурсов. Беречь чистоту воды, усилить внимание к предотвращению загрязнения водоемов - дело всенародное". (Передовая газеты "Правда" от 09.03.83г. "Беречь чистоту воды").

Изучение опыта эксплуатации поворотно-лопастных (ПЛ) гидро турбин показывает, что существующие конструкции их рабочих колес, имея заполненную маслом внутреннюю полость корпуса, требуют специальных уплотнений фланцев лопастей от протечек масла в поток. Однако все варианты применяемых уплотнений не обеспечивают отсутствие протечек, что приводит к неизбежной весьма значительной потере масла из системы регулирования турбины и одной из серьезных причин загрязнения водных, бассейнов, пагубной для их обитателей.

Из решаемых разнообразных дадач при проектировании и исследовании гидротурбин нами была выбрана проблема создания усовершенствованной .конструкции рабочего колесд, исключающей протечки Масла в водные бассейны рек.

Решение задачи исключения протечек масла потребовало выполнить в диссертации следующие исследования:

- разработать новую конструкцию рабочего колеса, при которой не будет необходимости заполнять внутреннюю полость -корпуса маслом для смазки элементов механизма поворота'лопастей; t

- разработать конструкцию надежной герметизации внутренней полости корпуса рабочего колеса от проникновения масла из цилиндра сервомотора;

- провести специальные исследования в лабораторных и натурных условиях по созданию антифрикционного втулочного материала не требующего смазки, для работы в воде при высоких удельных давлениях, а также разработать технологию изготовления этих втулок;

- создать расчеты и провести исследовательские работы по прочностному обоснованию корпуса рабочего колеса в зависимости от фактических зазоров в соединении "цапфа лопасти - втулка корпуса" и дать расчетные формулы по выбору оптимального зазора;

- обосновать выбор применяемых материалов деталей механизма поворота лопастей рабочего колеса и разработать конструктивно-технологические мероприятия, обеспечивающие, достаточные запасы их коррозионно-усталостной прочности.

На основе выполненных работ разработана новая конструкция рабочего крлеса, которая реализована на гидротурбинах Чебоксарской и Майнс'кой гидростанций.

ГЛДВА 1.0БШИЙ ОБЗОР И АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОЧИХ КОЛЕС ДЕЙСТВУЮЩИХ ПОВОРОТНО-ЛОПАСТНЫХ ГИДРОТУРБИН В СССР И ЗА РУБЕЖОМ

I. Рассмотрение и анализ существующих конетрукций

В настоящее время на крупных гидроэлектростанциях в эксплуатации у нас и за рубежом находится большое количество различных конструктивных исполнений рабочих колес и их модификаций, имеющих между собой следующие основные отличия: а) по типу ПЛ турбины - осевые, горизонтальные, диагональные ; б) по типу механизма поворота лопастей - крестовинный, бескрестовинный; в) по типу передачи механизма поворота лопастей - кулисный, кривошипный, с двойной рычажной передачей; г) по типу корпуса колеса - с разделительной диафрагмой, без разделительной диафрагмы; д) по расположению распределительного золотника - в корпусе колеса, в колонке регулятора; е) по типу сервомотора - прямоосный, крыльчатый, спареннйй, с дифференциальным поршнем, с пюдвижным цилиндром; ж) по расположению сервомотора - во фланцевом соединении валов, в корпусе колеса; з) по типу подшипников цапф лопастей - трения скольжения, трения качения; и) по типу уплотнений фланцев лопастей - несъемные, съемные, плоские, манжетные, воротниковые, сплошные шнуровые, смешанные.

Существует еще ряд отличий - по втулочному отношению, по очертанию корпуса, по типу лопастей, по количеству лопастей и некоторые другие.

Рассмотрим особенности наиболее распространенных конструкций поворотно-лопастных рабочих колес отечественных заводов и зарубежных фирм.

Рабочее колесо с кулисной передачей поворота лопастей [2з1

Традиционной конструкцией ПЛ рабочих колес, применяемой старейшей гидротурбостроительной шведской фирмой КМВСранее ВК ) по настоящее время, являются колеса с кулисным приводом поворота лопастей. В зависимости от действующего напора применяются кулисные направляющие пазы в крестовине - горизонтальные /прямые/ или наклонные /косые/. Последние применяют при высоких напорах для получения больших усилий в механизме привода, при том же втулочном отношении, за счет увеличения передаточного числа. ,

Для гидротурбин единичной мощностью 27,6 тыс.кВт при напоре Им, диаметром 7,42 м этой фирмой были поставлены рабочие колеса с кулисным механизмом поворота лопастей, имеющим горизонтальные пазы в крестовине (см.рис.1.1).

Рабочее колесо состоит из массивной ступицы наружным диаметром 2,94 м, отлитой из качественной углеродистой стали, имеющей четыре окна для установки лопастей. В центре каждого окна находится мощная цапфа, прилитая к телу ступицы и ее верхнему и нижнему фланцам, на которую надевается кривошипное кольцо, отлитое вместе с пальцем из высокопрочной хромоникеле-вой стали. В выточках окон ступицы крепятся на болтах упорные кольца, откованные из легированной стали, а к кривошипным кольцам крепятся лопасти, отлитые из высокохромистой нержавеющей стали.

К верхнему фланцу ступицы крепится литой из углеродистой стали цилиндр сервомотора,крышка которого соединена припасованными болтами с валом чурбины. Чугунный поршень сервомотора, насаженный не толстостенную кованую центральную штангу, перемещаясь под давлением масла передает движение укрепленной на этой штанге крестовине, имеющей пазы, в которые вставлены бронзовые кулисные камни с отверстиями для пальцев кривошипного кольца. При движении крестовины камни, перемещаясь в пазах, воздействуют через пальцы кривошипного кольца на лопасти, поворачивая их на нужный угол установки. Все узлы трения механизма привода лопастей снабжены бронзовыми втулками,-смазываемыми за счет протечек из зон сервомотора, заполняющих всю полость ступицы маслом.

Таким образом, упорные и кривошипные кольца воспринимают все действующие на механизм привода и лопасти силы и моменты - от давления воды, усилий сервомотора, центробежных сил и различных перекосов и прогибов, - передавая их в конечном счете на цапфы ступицы и корпус колеса в целом.

Перемещением поршня сервомотора управляет распределительный золотник, размещенный в ступице колеса в центральном отверстии ведущей штанги. В верхней ее части запрессована рубашка золотника, имеющая ряд отверстий, связанных с полостями цилиндра сервомотора. Игла золотника, закрепленная на проходящей внутри вала, заполненной маслом под давлением, регулировочной штанге комбинатора, получая через нее импульсы регулятора, направляет масло в зоны сервомотора, соответственно перемещая его поршень.

Поскольку ступица постоянно заполнена маслом под некоторым давлением, необходимо принятие конструктивных мер для предотвращения вытекания его наружу и попадания воды и взвешенных твердых частиц в систему регулирования турбины. На рис. показана конструкция примененного здесь уплотнения. Закрепленное

КОНСТРУКЦИЯ кмв

Рис. 1.1

M4:i

ЛопасТь

7 .!•

Рис, Ы 1 на упорном кольце ступицы бронзовое кольцо несет на себе кольцевое, плоское, кожаное несъемное уплотнение, поджимаемое двумя кольцевыми пружинами к торцу фланца лопасти. Пружины изготовляются из специальной прокатной фосфористой бронзы, с приданием им определенного профиля и напряженности путем наклепа.

Основными недостатками данного рабочего колеса являются сложность конструкции, ее высокая общая трудоемкость с большой затратой ручного труда, ненадежность - вследствие применения консольной опоры лопасти и внутреннего золотника, а также наличие заполненной маслом полости ступицы, что всегда служит причиной протечек масла наружу в поток. При разборке колеса после нескольких лет эксплуатации выявился большой односторонний износ опорных и упорных поверхностей трения ввиду провисания лопасти и нарушение, вследствие этого, работы уплотнений.

Рабочее колесо с кривошипно-шатунной передачей поворота лопастей

35].

Наибольшее распространение у нас и за рубежом получила крестовинная конструкция рабочего колеса с кривошипно-шатунной передачей механизма поворота лопастей. Эта конструкция применяется для ПЛ турбин многих отечественных ГЭС, а также для ино-поставок. Ряд известных зарубежных фирм - Фойт, Аллис Чалмерс, Эшер-Висс и другиб-применяют для крупных турбин аналогичную конструкцию с некоторыми отличиями, касающимися месторасположения сервомотора и типа уплотнений рабочего колеса.

Рассмотрим, выполненную автором, конструкцию рабочего колеса крупнейшей поворотно-лопастной турбины диаметром 9,3м, мощностью 126,0 тыс.кВт при максимальном напоре 30,0 м, выпущенной ЛМЗ большой серией, послужившей образцом для дальнейшего развития ПЛ турбин (см.рис.1.3).

КОНСТРУКЦИЯ лмз

Ply»*- Т-*

Рабочее колесо ввиду высокого напора выполнено шести-лопастным. Корпус колеса сферичесний, втулочным отношением 0,5, отлитый из качественной углеродистой стали, имеет внутреннюю центральную опору для цапф лопастей, прилитую к верхнему фланцу. Литые лопасти из 13% хромистой нержавеющей стали, скреплены болтами с двухрпорными коваными стальными цапфами и, насаженными на них кривошипными рычагами, откованными за одно целое с эксцентричными пальцами. Цапфы имеют наружную опору в расточках сферической части корпуса и внутреннюю -в расточках центральной части корпуса, рычаг имеет упор в буртик наружной расточки.

К верхнему фланцу корпуса крепится на болтах стальной литой цилиндр сервомотора, закрытый стальной литой крышкой, крепящейся болтами с цилиндром сервомотора и с фланцем вала турбины. Чугунный поршень сервомотора насажен на центральный шток, в нижней части которого прочно закреплена на выточке закладным кольцом стальная литая крестовина, имеющая шесть проушин с отверстиями для установки пальцев соединения с серьгами, связанными с эксцентричными пальцами рычагов. Поршень, движением которого через крестовину, серьги и рычаги происходит поворот лопастей, управляется золотником регулятора, подающим масло под давлением в маслоприемник, штанги и через сверления штока в соответствующие полости сервомотора.

Все узлы трения механизма поворота лопастей снабжены бронзовыми втулками, смазываемыми маслом, поступающим из сервомотора и полностью заполняющим нижнюю полость корпуса колеса.

Силы и моменты, действующие на систему лопасть-рычаг-цапфы лопастей - от усилий сервомотора, давления воды и центробежных сил воспринимаются указанными втулками и пфедают их на корпус. и.

В данной конструкции вытекание масла из корпуса наружу и попадание воды и взвешенных частиц внутрь корпуса предотвращается съемными уплотнениями, не требующими для своего ремонта разборки рабочего колеса.Уплотнение (см.рис.1.4) состоит из укрепленного болтами в торце фланцфопасти основания, в котором посажено прижимное кольцо с нержавеющей наплавкой, поджимаемой спиральными пружинами к плоскому резиновому уплотняющему кольцу, привулканизированному к металлу и поставленному на болтах в корпусе колеса. Зазор между пружинным кольцом и основанием уплотнен резиновой мембраной.

Крестовинная конструкция рабочего колеса является прогрессивной, благодаря большей определенности и надежности работы всех звеньев механизма поворота лопастей. Компактность конструкции позволяет применять ее при повышенных напорах. Однако протечки масла из нижней полости корпуса колеса послужили причиной необходимости проведения ремонтных работ по наладке уплотнений, причем полностью устранить протечки не удавалось. Следует отметить, что разборка колеса подобной конструкции на Верхне-Туломской ГЭС выявила значительный износ бронзовых втулок цапф лопастей, что отрицательно сказалось на работе уплотнений.

Рабочее колесо крестовинной конструкции с применением опор качения Си].

Отечественными заводами и инофирмами СФойт, Нохаб и др) применяются в механизме поворота лопастей крупногабаритные роликовые подшипники индивидуального изготовления, которые снижая потребное усилие сервомотора, позволяют уменьшить его диаметр или давление масла в нем, снизить объем МНУ, уменьшить втулочное отношение.

2 2.

M f'2 j Рис, M

Ha JIM3 такая конструкция, в качестве опытной, была выполнена, при участии автора, для ПЛ турбины единичной мощностью 132,0 тыс.кВт, диаметром 9,3 м, находящейся в эксплуатации уже длительное время (см.рис.]>5).

Принципиальная схема механизма поворота лопастей опытной конструкции не отличается от схемы штатных рабочих колес этой же ГЭС (Рис.1.3), но в связи с значительно уменьшенным усилием сервомотора,облегчена и изменена конструкция всех деталей механизма - штока, крестовины, серьги, рычага, цапфы лопастей -кроме того, изменена и облегчена|конструкция лопастей. Шток выполнен двухопорным, крестовина сварной из листовой стали, серьги сварные, рычаг из поковки легированной стали, цапфы пустотелые - внутренняя выполнена на роликовых радиальных подшипниках, наружная - на радиально-упорных роликовых подшипниках, изготовленных по индивидуальному заказу. Лопасти сварно-литые -фланец отлит из низколегированной углеродистой стали, перо сварное пустотелое из штампованных листов хромоникелевой стали, облицованными нержавеющей сталью с распорными ребрами жесткости внутри. За счет этих изменений общий вес рабочего колеса снижен по сравнению с колесами штатных турбин с 417,6 т до 229,4 т., втулочное отношение по сферической части корпуса с 0,5 до 0,45 и по цилиндрической части с 0,45 до 0,4.

Направляющие втулки штока и втулки серег выполнены из бронзы на масляной смазке, ввиду чего нижняя полость корпуса залита маслом. Уплотнения фланца лопасти здесь применены новой конструкции, - съемные, манжетного типа, двусторонние (Рис.1.6). В них два набора резиновых манжет, разделенных промежуточным; разгрузочным кольцом, прижимаются спиральными пружинами через поджимающее кольцо к наружному упорному кольцу. Две наружные манжеты препятствуют проникновению воды и взвешенных частиц в и.

КОНСТРУКЦИЯ лмз

Рис. 1-5

MU7

Р ис. К корпус, три внутренние - противодействуют вытеканию масла наружу.

Длительная эксплуатация опытной турбины выявила ряд недостатков конструкции рабочего колеса: работа крестовины на консоли в эксплуатации ненадежна - необходима еще одна опора штока, радиально-упорный роликовый подшипник имеет повышенный люфт, что создает неравномерное открытие и недопустимую просадку лопастей и, как следствие, дополнительные напряжения штока, нарушение работы уплотнений и загрязнение потока протечками масла. Сварно-литые лопасти данной конструкции крайне нетехнологичны, изготовление их является весьма трудоемким, кроме того, при эксплуатации они требовали неоднократных ремонтно-наладоч-ных работ.

Рабочее колесо крестовинной конструкции с двойной рычажной передачей привода лопастей [ 23, 35].

Фирма Фойт (и другие инофирмы) для ПЛ турбин, работающих при повышенных напорах, применяет оригинальную конструкцию привода лопастей рабочего колеса (см.рис.1.7). Особенностью этой конструкции является включение в схему передачи от крестовины к рычагу цапфы лопасти двуплечего промежуточного рычага, посредством которого имеется возможность редуцировать усилие, действующее на палец рычага лопасти. Такое решение явилось вынужденным поскольку сервомотор, размещенный фирмой во фланцевом соединении валов турбины и генератора ограничен в размерах, поэтому был найден конструктивный выход при заданном втулочном отношении - снизить усилие сервомотора при сохранении его работоспособности за счет соответствующего подбора плеч углового рычага. Таким образом, поршень сервомотора передает через шток усилие на крестовину, и далее через ее серьги на двуплечий угловой рычаг, другое плечо которого передает через свои серьги

КОНСТРУКЦИЯ „ФОЙТ"

Рис. 14 редуцированное усилие (увеличенное) на эксцентричный палец рычага лопасти.

В данном рабочем колесе все узлы трения снабжены бронзовыми втулками на масляной смазке, поэтому корпус колеса заполнен маслом, что требует применения уплотнений фланца лопасти для предотвращения утечек. Для этой цели на цилиндрической поверхности фланца установлено манжетное уплотнение аналогичное, показанному на рис.1.6, на одностороннее - только для снижения протечек наружу.

Приведенная конструкция рабочего колеса нецелесообразна, т.к. излишне усложняется механизм поворота лопастей за счет применения двойной передачи, длинного штока сервомотора и развитого фланцевого соединения, нагруженного высоким давлением масла. По нашему мнению, можно достичь тех же результатов, применив, например, обычную крестовинную конструкцию.

Остается в силе замечание о том, что наличие масла в полости корпуса неизбежно приводит к загрязнению потока протечками, что не исключено, как показывает опыт, и при данной конструкции уплотнений.

Рабочее колесо с кривошипно-шатунной передачей и подвижным цилиндром сервомотора [ей .

Некоторыми инофирмами (Эшер-Висс, Доминион Инжиниринг и др) применяется конструкция рабочего колеса, в которой цилиндр сервомотора, размещенный в конусе обтекателя, совмещает функции крестовины (Рис.1.8).

Как явствует из рисунка, шток неподвижно укреплен на болтах к центральному приливу корпуса колеса, являющимся одновременно внутренней опорой цапф лопастей. Поршень сервомотора насажен на шток, а цилиндр под давлением масла, подводимому

КОНСТРУКЦИЯ „ЭШЕВ-ВИСС" i

Рис. 12 \ через шток, является подвижным и, будучи снабжен прилитыми проушинами для соединения с серьгами, выполняет одновременно роль крестовины. Серьги передают движение цилиндра - крестовины на эксцентричные пальцы рычагов цапф лопастей, осуществляя их поворот. Внутренние и наружные опоры цапф лопастей и направляющие опоры цилиндра сервомотора снабжены бронзовыми втулками на масляной смазке, вследствие чего корпус вместе с обтекателем полностью заполнены маслом под некоторым давлением.

В целях снижения размеров сервомотора аналогичные конструкции рабочих колес снабжаются, иногда, указанными инофирмами, радиально-упорными роликовыми подшипниками для наружных цапф лопастей.

Уплотнения фланцев лопастей применяются из сплошных резиновых колец круглого или квадратного сечения (Рис.1.9)

К недостаткам этой конструкции следует отнести то, что ввиду ограниченности размеров обтекателя, в котором размещен сервомотор, она может быть применена только для' турбин с малым напором. Что касается уплотнения из сплошных резиновых колец, то по имеющимся данным оно быстро выходит из строя, т.к. со временем дает существенные протечки.

Рабочее колесо с дифференциальным поршнем сервомотора, объединенным с крестовиной Г 25].

Харьковским турбинным заводом создана новая оригинальная конструкция рабочего колеса без силового штока и крестовины с дифференциальным поршнем сервомотора, имеющем различие рабочих площадей при ходе на открытие и ходе на закрытие (рис.1.10). R

Dt

Лшт Рис. i-9 ж

Pvtcj'lb;

Сервомотор имеет две напорные камеры, при подаче давления в камеру большего цилиндра, поршень движется вверх на открытие, преодолевая гидравлический момент, при подаче давления в полость меньшего цилиндра, поршень движется вниз на закрытие, причем гидравлический момент, действующий на лопасти, помогает усилию сервомотора. Ось поворота лопастей в этих целях выбирается так,чтобы гидравлический момент всегда действовал на закрытие - смещается к выходной кромке на величину, зависящую от характера распределения давления воды на поверхности лопасти.

Здесь крестовина конструктивно объединена с большим /подвижным/ поршнем сервомотора, к нему прилиты проушины, в которых на шарнирах установлены серьги, связывающие поршень -крестовину с пальцами рычагов, насаженных на цапфы лопастей.

Цилиндр сервомотора, в котором движется большой поршень, приболчен к нижнему фланцу корпуса. Цилиндром для малого поршня, укрепленного на болтах к центральной части корпуса, служит внутренний прилив большого поршня.

Внутренние и наружные опоры цапф лопастей снабженн бронзовыми втулками со смазкой маслом, которым под некоторым давлением заполнена полость корпуса колеса. В конструкции предусмотрены съемные уплотнения фланцев лопастей двустороннего действия, состоящие из двух резиновых манжет, поджимаемых изнутри стальными кольцами круглого сечения. Из них одна манжета противодействует вытеканию масла наружу, другая - попаданию воды внутрь корпуса (Рис.1.II).

Недостатком конструкции механизма поворота лопастей с дифференциальным поршнем является то, что выдержать принцип на котором он основан,а, именно, создать односторонне действующий гидравлический момент практически не всегда достижимо.

М с ! (

-i I

М1М

I. .i I I

34.

А0ГГ2СТ6 корпус RK, ■

Следует учесть, что для этой цели необходима сдвижка оси поворота лопастей к выходной кромке, а это зачастую может весьма отрицательно отразиться на прочности примыкания пера лопасти к фланцу.

Как и В; ранее рассмотренных конструкциях применяемые здесь уплотнения ф@^,нцев лопастей, по имеющемуся опыту, не обеспечивают отсутствие вытекания масла наружу.

Рабочее колесо бескрестовинной конструкции без разделительной диафрагмы в корпусе С 251

Значительное количество крупных гидротурбин выпущено ХТЗ с рабочими колесами бескрестовинной конструкции, выполненными без разделительной диафрагмы между цилиндром сервомотора и нижней полостью корпуса колеса, являющейся, таким образом, напорной камерой сервомотора (Рис.1.12).

В этой камере размещен механизм поворота лопастей, состоящий из проушин, хвостовики которых закреплены непосредственно в поршне; кривошипных рычагов, насаженных на цапфы лопастей; серег, связывающих проушины с пальцами рычагов и отъемных лопастей. Все узлы трения выполнены на бронзовых втулках со смазкой маслом. Уплотнения фланцев лопастей, выполнены манжетного типа, аналогично показанным на рис. 1.6.

Конструкция этого колеса (авторское свидетельство № X3889I от 29.04.61) имеет некоторые преимущества перед другими, т.к. позволяет несколько уменьшить втулочное отношение, что способствует повышению КПД турбины.

Вместе с тем, эта конструкция имеет большой недостаток, заключающийся в том, что наличие полного давления масла в корпусе создает тяжелые условия работы уплотнений фланцев лопастей, вследствие чего уплотнения быстро выходят из строя,а

Рис. Г-12

37. i ' протечки масла значительно увеличиваются. Следует отметить, что предусмотренная проектом разгрузка уплотнений не оправдала себя и от нее пришлось отказаться.

Рабочее колесо бескрестовинной конструкции с разделительной диафрагмой в корпусе L Ю J.

ЛМЗ является инициатором создания (авт.свид.Р 208566, приоритет завода от 14.03.51 Н.Н.Ковалев и др.) и полностью освоил бескрестовинную конструкцию рабочего .колеса с разделитель' ной диафрагмой, и за последние годы поставляет их для ПЛ турбин на многие ГЭС, в т.ч. на экспорт.

На рис.1.13 представлено это рабочее колесо, где между цилиндром сервомотора и нижней полостью корпуса имеется диафрагма с отверстиями, в которых перемещаются серьги вместе со стаканами, снижающими протечки масла, предохраняя тем самым повышение давления в корпусе. Серьги передают усилие сервомотора на рычаги цапф лопастей, устанавливая их на нужный угол.

Таким образом, в этой конструкции сохраняется вышеуказанное преимущество - снижение тзтулочного отношения и, кроме того, устранено чрезмерное повышение давления, масла в корпусе колеса. Уплотнение фланцев лопастей здесь выполнено новой конструкции (рис.1.14). Оно состоит из двух угловых манжет с разгрузкой, одна манжета противодействует вытеканию масла, другая - попаданию воды в корпус. Однако поскольку корпус заполнен маслом, протечки наружу все же имеют место.

Рис. Мз

МЫ

ЯОПЖсТй i ри сЛ>ц : • ' , ■ ■ г

Ао

Выше рассмотрены рабочие колеса осевых ПЛ турбин, конструкции которых применяются также на горизонтальных капсульных турбинах. Рабочие колеса диагонального типа, вследствие более значительных гидравлических моментов, действующих на лппасти, несколько отличаются. В них применяются: спаренные или крыль-чатые сервомоторы сложной конструкции; в узлах трения механизма поворота лопастей шаровые втулки (на масляной смазке); уплотнения фланцев лопастей манжетного типа, как известно, не исключающие протечек масла наружу.

2, Выводы.

Рассмотренные нами наиболее распространенные конструкции механизмов поворота лопастей, находящихся в эксплуатации ПЛ рабочих колес, выполняемые передовыми фирмами и заводами, имеют свои особенности и положительные стороны, огражденные большей частью патентами и авторскими свидетельствами.

Каждая конструкция применяется отдельными предприятиями, накапливающими опыт производства и эксплуатации, совершенствующие их, улучшая технологию изготовления, материалы, надежность и ремонтопригодность.

В ряде рабочих колес отмечены некоторые,указанные в тексте, конструктивные недостатки. Один из этих недостатков является общим для всех конструктивных исполнений, заключающийся в том, что корпус колеса заполнен маслом под давлением, иногда полным, что неизбежно влечет за собой протечки масла в поток, загрязняя реки и водоемы, нанося существенный урон экологии водной среды.

ГЛАВА П. ОБОБЩЕНИЕ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ РАБОЧИХ КОЛЕС И ДРУГИХ УЗЛОВ ПОВОРОТНО-ЛОПАСТНЫХ ГИДРОТУРБИН.

I. Вводная часть

Основным показателем, характеризующим эффективность работы энергетического оборудования является коэффициент готовности к несению нагрузки, который существенно зависит от надежности в эксплуатации рабочего колеса и других узлов гидротурбин и их ремонтопригодности.

В диссертации уделено большое внимание изучению и обобщению опыта эксплуатации рабочих колес ПЛ турбин на действующих гидростанциях с целью получения надежной и рациональной конструкции рабочего колеса, наиболее полно учитывающей как удачные и прогрессивные исполнения их отдельных элементов, так и выявленные недостатки.

При этом, имея в виду, что надежная эксплуатация рабочего колеса взаимно связана с надежностью в работе всего гидротурбинного оборудования, нами проведен также анализ опыта эксплуатации ряда основных узлов оборудования: камеры рабочего колеса, направляющего аппарата, направляющего подшипника и др.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Бабанов, О.С.

4, ВЫВОДЫ

1. Показано, что напряженное состояние корпуса рабочего колеса должно определяться с учетом зазоров между цапфой и втулками корпуса. Необходимо также учитывать податливости наружной и внутренней опор.

2. Принятые в настоящее время допуски на механическую обработку цапф и втулок могут привести к защемлению цапфы в наружной опоре и увеличению в связи с этим напряжений в перемычке втулки и нижнем кольце. Определены рациональные величины зазоров, обеспечивающих минимальные напряжения в элементах корпуса рабочего колеса.

3. Рациональное задание допусков на изготовление и, следовательно, зазоров, позволяет повысить надежность корпуса рабочего колеса и снизить его металлоемкость.

4. Разработаны технологические мероприятия, которые обеспечивают необходимые запасы коррозионно-усталостной прочности всех элементов механизма поворота лопастей рабочего колеса новой конструкции, работающих в воде: цапфа лопасти - накаткг роликом, нанесение стеклоэпоксидной композиции, мехобработка, ■ насадка нержавеющей втулки; шток сервомотора - мероприятия аналогичные предыдущим; палец крестовины - поковка из нержавеющей стали; серьга - нанесение слоя стеклоэпоксидной композиции непосредственно на внутренние поверхности обоих отверстий серьги; крестовина - усиление конструкции и нанесение на всю поверхность ее специальных покрытий; рычаг - выполнить литым из низколегированной углеродистой стали с наплавкой пальца рычага аустенитным электродом и обкаткой его поверхности роликом.

ГЛАВА У. РАЗРАБОТКА УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ ПОВОРОТНО-ЛОПАСТНОГО РАБОЧЕГО КОЛЕСА, ИСКЛЮЧАЮЩЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОТОКА ПРОТЕЧКАМИ МАСЛА

I. Конструктивные особенности турбины Чебоксарской ГЭС.

На основе опыта проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации поворотно-лопастных гидротурбин под руководством автора разработана крупнейная ПЛ турбина диаметром 10,0 м для Чебоксарской ГЭС единичной мощностью 80500 кВт при напоре 12,5 м. Главной задачей проекта, отвечающей теме диссертации, явилось создание новой конструкции рабочего колеса, однако, необходимо было также усовершенствовать и некоторые другие узлы турбины, имея в виду, что надежная работа всех узлов взаимосвязана (Рис.У.1).

Конструкция камеры рабочего колеса отличается тем, что с целью ликвидации сварочных напряжений в сопрягающем поясе, камеру устанавливают независимо от опорного кольца с зазором, уплотняемым кольцевым сварочным швом после приварки сопрягающего пояса к камере. Применение этого способа монтажа (см.приложение Р 2 - авторское свидетельство № 264243) исключило имевшие место многократные случаи отрыва сопрягающего пояса, требующего для своего ремонта длительной остановки агрегата. Камера состоит из четырех поясов. Первый пояс, сваренный из листового проката механически обработан, соединяется на монтаже болтами и устанавливается на опорном кольце с зазором. Остальные три пояса, отштампованные из биметаллических листов с нержавеющими слоем толщиной 4 мм механически не обрабатываются, собираются на монтаже из 8 частей и свариваются

АИЪ.

Рис. Н

-j I в кольца и между собой. К верхнему кольцу камера крепится на болтах. Выемной сектор не предусматривается. Конструкция камеры податливая, что позволяет в процессе монтажа с помощью специальных приспособлений смонтировать ее с большой точностью, с минимально допустимым зазором "камера-лопасть". Нижняя часть камеры - фундаментное кольцо устанавливается на клиньях на зали* тые в осноеной бетон балки и сваривается с сопрягающим поясом конуса отсасывающей трубы.

Направляющий аппарат. Верхнее и нижнее кольца, крышка турбины, регулирующее кольцо и опора подпятника выполнены сварными из листового проката. Направляющие лопатки также сварные из листового проката с коваными цапфами, облицованными в местах установки подшипников приваркой листов нержавеющей стали. Подшипники лопаток выполнены с нанесенными на рабочую поверхность антифрикционным слоем стеклоэпоксидной композиции, не требующим смазки. От попадания абразивных частиц подшипники защищены манжетными уплотнениями. Для снижения протечек через закрытый направляющий аппарат поверхности касания смежных лопаток и торцы их уплотняются резиновыми шнурами. Поворот лопаток осуществляется четырьмя прямоосными сервомоторами,установленными на крышке турбины. Втулки механизма поворота лопаток также выполнены с антифрикционным слоем стеклоэпоксидной композиции.

Для фиксации лопаток направляющего аппарата в закрытом положении на крышке турбины установлены два стопора, действующие на упор, приваренный к регулирующему кольцу. Поскольку статор турбины не имеет обработанных посадочных площадок под установку верхнего кольца направляющего аппарата применена новая конструкция крепления его к статору. Во фланец верхнего кольца поставлены на резьбе специальные Етулки, регулировка

US. которых позволяет правильно установить верхнее кольцо на статоре на требуемой отметке и зафиксировать в этом положении натяжными гайками. В целях предотвращения проникновения воды в шахту турбины на внутренней стороне фланца статора смонтировано резиновое уплотнение, а с наружной его стороны - металлическая выгородка, меаду которой и фланцем заливается эпоксидный состав, чем создается полная герметичность соединения.

Направляющий подшипник - выполнен сегментного типа на водяной смазке. Корпус подшипника служит одновременно ванной, через которую циркулирует вода, смазывающая и охлаждающая ^ трущиеся поверхности сегментов и облицовки вала. В крышке подшипника и в нижней части ванны установлены уплотнения воротникового типа, препятствующие утечке воды из ванны, а также попаданию грязной воды и взвешенных частиц из камеры рабочего колеса. Сегменты выполнены массивными прочной конструкции, установлены вокруг вала с конструктивным кольцевым зазором и жестко закреплены в корпусе. Регулировка зазора между валом и сегментами при монтаже и в процессе эксплуатации производится специальными болтами большого диаметра, укрепленными в корпусе против каждого сегмента.

Вал турбины сварной трубчатого сечения состоит из трех частей - верхнего фланца стального кованого, соединяемого с втулкой ротора генератора, средней трубы кованой и нижнего развитого стального литого фланца, соединяемого с корпусом рабочего колеса. Части вала соединены между собой электрошлаковой сваркой, в месте расположения направдяющего подшипника поверхность Еала защищена наплавкой нержавеющими электродами с последующей накаткой и шлифовкой.

Рабочее колесо (рис.У.2). Основной идеей, положенной в создание конструкции нового рабочего колеса является, в соответствии с авторским свидетельством Р 931936 (см.приложение Р 2), безусловное исключение протечек масла из корпуса наружу в поток.

Механизм поворота лопастей выполнен крестовинного типа, корпус колеса имеет разделительную диафрагму. Во всех прежних конструкциях рабочих колес (см.гл.1) масло, протекающее под давлением из цилиндра сервомотора попадает в нижнюю часть корпуса и далее через уплотнения фланцев лопастей происходит утечка масла в нижний бьеф. Это приносит существенный ущерб окружающей среде и, кроме того, требует значительного пополнения маслом системы регулирования турбины.

В новой конструкции рабочего колеса нижняя зона корпуса, где расположен механизм поворота лопастей, надежно отделена уплотнением по штоку от полости сервомотора, чем обеспечивается герметизация нижней полости корпуса от масляной системы и, тем самым, отсутствие утечки масла из рабочего колеса. Уплотнение штока осуществляется несколькими рядами кольцевых резиновых манжет (рис.У.З), препятствующих попаданию масла из сервомотора в корпус и попаданию воды, находящейся в нижней зоне корпуса в цилиндр сервомотора. В штоке между рядами манжет, предусмотрены разгрузочные отверстия, через которые возможные протечки масла направляются в конус рабочего колеса, откуда производится их откачка через специальные сверления в валу турбины. Уплотнение фланцев лопастей (рис.У.4) значительно упрощено, оно состоит из одной угловой манжеты; функцией уплотнения является не допускать попадание в корпус абразивных . и других взвешенных частиц, находящихся в потоке. 'л/1 !

•л ,•■>• .-v., '■ цт rrn.

Ы с-'.; v.f

С)!?-' >.':) i: i1-! a.'.;.!;:;

••rt; i: .

Г. i } • i

- 5 ; i; ■у*. ■ y. j,<

Л-V --or h; j V;:: -Г;:; ^ :

••••• 1 ivb -' . ыф : - т. Г

•:• • h.- ■ а ч,. .

•. >-■•. :i ; lUCf f , i., -.•;-I. - - -

• . . и ,. >• r -- i- i:-.-■ . • Ц i iliffi

1Я8. корпус AK

ULTOK I

Рис, v»5

Рис. Ы

Б конструкции рабочего колеса предусмотрен ряд мероприятий, предохраняющих от коррозионного воздействия детали, и,особенно, узлы трения, механизма поворота лопастей, работающие в воде. Втулки узлов трения имеют., нанесенный на рабочую поверхность; антифрикционный слой из стеклоэпоксидофторо-пластового материала; трущиеся поверхности цапф, рычагов, штока и крестовины облицованы нержавеющей сталью; внутренняя поверхность корпуса, рычаги, серьги и крестовина защищены стойкими антикоррозионными лакокрасочными покрытиями; лопасти выполнены из литой,хорошо сваривающейся нержавеющей стали 7,9,59 .

Поскольку турбины Чебоксарской ГЭС не яеляются регулирующими в системе и детали рабочего колеса не подвергаются воздействию переменных нагрузок, то расчет их на усталостную прочность не производится (см.глДУ).

В настоящее время на Чебоксарской ГЭС Работают 10 турбин, Отзывы о работе их положительные, протечки масла отсутствуют.

2. Конструктивно-технологические особенности рабочего колеса ПЛ турбины Майнской ГЭС.

Дальнейшее развитие конструкций рабочих колес подучило осуществление в проекте ПЛ турбин диаметром 10,0 м, мощностью НО тыс.кВт.час Майнской ГЭС. В основу проекта, который был создан при непосредственном участии и под руководством автора, была положена конструкция рабочих колес турбин Чебоксарской

ГЭС (а.с. № 931936). В их конструкцию был внесен при работе * над диссертацией ряд изменений в связи с тем, что агрегаты Майнской ГЭС будут работать при переменных нагрузках, как регулирующие в системе.

С учетом этого нами были разработаны конструктивно-технологические мероприятия, обеспечивающие необходимые коэффициенты запаса: коррозионно-усталостной прочности деталей механизма поворота лопастей, работающих в воде в условиях переменных режимов эксплуатации. В этом рабочем колесе был также внедрен новый расчет корпуса, учитывающий влияние величины зазоров в соединении "Лопасть - втулка".

На рис.У.5 и У.6 показаны - разрез по рабочему колесу турбины Майнской ГЭС и детали механизма поворота лопастей.

Ниже приводятся принятые в проекте мероприятия по повыше:-нию коррозионно-усталостной прочности деталей рабочего колеса: шток сервомотора - изменена технология .,напрессовки нержавеющих облицовок, работающих в паре с стеклоэпоксидными втулками, установленными в корпусе рабочего колеса. В целях нейтрализации разупрочняющего влияния напрессовки облицовок, шток проходит силовую накатку роликом, создающую в его поверхностном слое остаточные напряжения сжатия; цапфы лопастей - на внутренние цапфы производится насадка нержавеющих облицовок, работающих в паре с стекло-эпоксидными втулками, запрессованными в расточках центральной опоры корпуса колеса. Перед насадкой облицовок на цапфы наклеивают в несколько слоев стеклоэпоксидную ткань, предохраняющую цапфы от концентрации напряжений и фреттинг-корро-зии; фланец лопасти - наружная (нержавеющая) поверхность фланца, на которую опирается лопасть, работает в паре с эпоксидной втулкой, вклеенной(с помощью специального приспособления) в расточку корпуса рабочего колеса|

ЧШ, колесо турбины шшмешсш^ гй1й i - ■ • . v ~ - «---г——?~г:чг серьги-втулки серег, выполненные из стеклоэпоксидной композиции посажены (вклеены) в отверстия серег - работают в паре с нержавеющими пальцами крестовины и пальцами рычагов, имеющих нержавеющую рабочую поверхность; рычаг - выполнен литой в кокиль из низколегированной торшмящйт стали. Палец рычага выполняется с наплавкой на цилиндрическую поверхность нержавеющей стали с последующей силовой накаткой роликом на большую глубину с целью создания значительных остаточных напряжений сжатия, обеспечивающих высокую надежность его работы; крестовина - выполнена усиленной конструкции с целью получения низкого уровня статических напряжений за счет чего достигается необходимый коэффициент коррозионно-усталостной прочности; лопасти - выполнены литыми из хорошосваривающейся высокопрочной нержавеющей стали; корпус рабочего колеса - выполнен с учетом нового прочностного обоснования с наиболее приемлемыми зазорами в соединении "цапфа лопасти - втулка корпуса"; конус рабочего колеса - конструкция его упрощена, так как сборник протечек масла изъят ввиду надежной работы уплотнений штока и отсутствия протечек, что следует из опыта работы турбин Чебоксарской ГЭС.

3. Научная новизна работы и основные выводы. Создана новая конструкция рабочего колеса ГШ турбины, в которой герметично отделена полость сервомотора от зоны размещения механизма поворота лопастей, что надежно исключает протечки масла из системы регулирования в проточную часть турбины, предотвращает загрязнения рек и водоемов, охраняя природу. Это решение признано изобретением, на него выдано авторское свидетельство (№ 931936) и проводится патентование в ряде зарубежных стран.

Создан новый полимерный стеклоэпонсидофторопластовый втулочный материал, способный работать без масляной смазки, а также в воде, предназначенный для замены бронзовых втулок в механизме поворота лопастей нового рабочего колеса. Проведен большой комплекс лабораторных и натурных исследований этого материала в статических и динамических условиях, показавший его высокие антифрикционные и прочностные свойства и большую грузоподъемность. Внедрение новых стеклоэпоксидных втулок не только сокращает расход цветных металлов до 10,0 т на одно рабочее колесо, но и значительно увеличивает надежность и долговечность работы узлов трения.

Разработана технология изготовления крупногабаритных втулок из стеклоэпоксидофторопластового материала для натурных турбин.

Создана новая конструкция уплотнений (с разгрузкой), размещенных на штоке сервомотора рабочего колеса, предохраняющих от попадания масла в нижнюю зону корпуса, в которой находится механизм поворота лопастей, работающий в воде.

Впервые разработана система конструктивных и технологических решений, обеспечивающих необходимый уровень прочностной надежности механизма поворота лопастей и других деталей рабочего колеса, работающих в условиях переменных нагрузок в водной среде и их антикоррозионную защиту.

Разработан новый вопрос - влияние зазора между цапфой лопасти и втулкой на напряженное состояние корпуса рабочего колеса. Полученные расчетные формулы позволяют произвести оптимальный выбор величины указанного зазора.

Обобщен опыт эксплуатации гидротурбинного оборудования, особенно рабочих колес поворотно-лопастных турбин. Проведен анализ элементов конструкции, их качества и недостатки, надежность, долговечность и ремонтопригодность в процессе эксплуатации, на основе чего определено направление дальнейших исследовательских и конструкторских работ для получения более перспективных конструкций и внедрение их в производство.

Выявлено, что одним из основных недоотаткоЕ конструкции рабочих колес поворотно-лопастных турбин являются имеющие место значительные протечки масла через уплотнения фланцев лопастей, которые, попадая в проточную часть турбины приводят к загрязнению водных бассейнов рек, что серьезно угрожает экологии окружающей среды и сохранению рыбных запасов.

По материалам выполненной работы созданы поворотно-лопаст ные турбины для Чебоксарской и Майнской гидростанций, оснащенные рабочими колесами новой конструкции, в которой внедрены разработанные нами усовершенствования, полностью исключающие загрязнение водных бассейнов рек протечками масла из системы регулирования турбин, что является задачей данной диссертации. iV.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленный в работе анализ конструкций рабочих колес, находящихся в эксплуатации поворотно-лопастных турбин, отечественных и зарубежных, еыявил отдельные недостатки различных модификаций колес, однако, их общим, основным конструктивным недостатком является наличие, в зоне размещения механизма поворота лопастей, масла, необходимого для смазки бронзовых втулок узлоЕ трения. Как правило, имеют место протечки масла через уплотнения фланцев лопастей, которые загрязняют водные бассейны рек, нарушая экологию окружающей среды.

В соответствии с темой диссертации нами разработан проект рабочего колеса, согласно авторскому свидетельству № 931936, в котором зона размещения механизма поворота лопастей изолирована от масляной системы и заполнена водой, что исключает возможность попадания протечек масла в поток.

Осуществление этого проекта потребовало проведения исследований по созданию антифрикционного бессмазочного полимерного материала большой грузоподъемности для замены бронзовых втулок, создания малогабаритных надежных уплотнений, герметически отделяющих зону сервомотора рабочего колеса от полости корпуса, в которой находится механизм поворота лопастей, проведения исследований и разработки мероприятий по обеспечению прочностной надежности элементов рабочего колеса.

На основании проведенных нами исследований и разработок и полученных положительных результатов создана новая усовер шенствованная конструкция рабочего колеса для крупнейших турбин Чебоксарской ГЭС, которая после накопления опыта работы, осуществлена, с некоторыми дополнениями, в рабочих колесах турбин Майнской ГЭС. В настоящее время на Чебоксарской ГЭС из общего количества 18 турбин, введены в эксплуатацию и надежно работают 10 турбин. Протечки масла отсутствуют. Турбины Майнской ГЭС - в производстве.

Таким образом, сочетание в данной целенаправленной работе - изучения и обобщения существующих конструкций рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин, их особенностей и опыта эксплуатации, проведение комплекса конструкторско-технологи-ческих разработок, исследований и расчетов дало возможность создать и внедрить в производство усовершенствованную конструкцию рабочего колеса, исключающей загрязнение еодных бассейнов рек, что является новым, прогрессивным направлением в развитии поворотно-лопастных турбин, имеющим научную и практическую ценность.

Народнохозяйственный эффект данной работы от внедрения на турбинах Чебоксарской ГЭС достигает 1,0 млн.руб. в год. Все ПЛ турбины ЛМЗ выполняются с учетом этого новшества. В настоящее время внедряются в проектах уникальных турбин единичной мощностью 450-500 тыс .кВт для многоагрегатных ГЭС -. Средне-Енисейской и Осиновской.

С каждым годом по мере введения в строй новых поворотно-лопастных турбин будет возрастать экономический эффект проведенной работы. Она будет иметь также немалое значение в деле сохранения и умножения рыбных запасов нашей страны и улучшения экологии окружающей среды, которым придается большое государственное значение.

Список литературы диссертационного исследования Бабанов, О.С., 1983 год

1. А.Я.Аронсон, О.С.Бабанов и др. Влияние зазоров в опорах цапф лопастей рабочего колеса поворотно-лопастной турбины на напряженное состояние корпуса. М.,"Энергомашиностроение",1. Р 1983.

2. А.Я.Аронсон, А.У.Бугов, В.М.Малышев и др., Расчет на прочность деталей гидротурбин. Л.,"Машиностроение, 1965.

3. В.А.Астафьев, Н.К.Барков. Гидротурбины и их обслуживание. М.-Л., "Энергия", 1965.

4. И.Я.Алыпиц, Н.Ф.Анисимов и др. Проектирование деталей из пластмасс. М.^Машиностроение", 1969.

5. Б.К.Андриенко. Определение сил, действующих на подшипники гидротурбин. Гидротурбостроение Р 12, Л., "Машиностроение", 1969.

6. О.С.Бабанов, А.П.Огурцов. Опыт создания, эксплуатациии перспективы развития гидротурбинного обррудования. Л,,"Энергомашиностроение" , Р 9, 1980.

7. О.С.Бабанов, В.Я.Пономарев, Н.И.Пылаев, Антифрикционные полимерные материалы в тяжелонагруженных узлах трения. Л., ДПНП, 1981.

8. О.С.Бабанов. Обеспечение качества гидротурбинного оборудования на стадиях проектирования и исследования. М.,"Энергомашиностроение" , № 2, 1981.

9. О.С.Бабанов, А.Я.Аронсон, В.Е.Бабаченко. Повышение усталостной прочности новых конструкций рабочих колес поворотно-лопастных турбин. М.,"Энергомашиностроение", Р 2, 1982.

10. О.С.Бабанов. Состояние и перспективы развития гидротурбостроения на ЛМЗ. М.,"Гидротехническое строительство",PI0, 1982

11. К.Н.Бабин. Маслонапорные установки. М-Л., "Энергия",1962.

12. ЦК.Барков. Автоматизация мощных гидротурбин. Л.-М., "Машиностроение", 1964.

13. Н.§.Верхов. Расчет лопасти поворотно-лопастной гидротурбины методом конечных элементов. Л."Энергомашиностроение", № 7, 1978.

14. Г.А.Броновский, А.И.Гольдфарб, Р.К.Фасулати. Технология гидротурбостроения. Л.,"Машиностроение", 1978.

15. А.У.Бугов. Фланцевые соединения. Л.,"Машиностроение",1975.

16. Б.Л.Бабурин. Экономическое обоснование гидроэнергостро-ительства. М., "Энергия", 1975.

17. А.Е.Вайнерман, М.Х.Шоршоров и др. Плазменная наплавка металлов. Л.,"Машиностроение", 1969.

18. Г.А.Вильнер, Ю.М.Казаков, В.Е.Бабаченко. Расчет усталостной прочности деталей привода лопастей гидротурбин. Л., "Энергомашиностроение", Р 2, 1973.

19. Д.П.Вольфберг и др. Обзор энергетики мира. Гидроэнергетика, "Энергохозяйство за рубежом", № I и Р 2, М.,Энергоиздат, 1981.

20. Гидроэнергетические ресурсы СССР. Руководитель авторского коллектива проф.А.Н.Вознесенский. М., "Наука", 1967.

21. М.Й.Гальперин, Е.П.Штерн. Конструктивные и эксплуатационные особенности гидротурбинного оборудования Волжских ГЭС им. Ленина и им.ХХП съезда КПСС. М./Энергия", 1968.

22. М.И.Гальперин, И.И.Шриро. Монтаж и эксплуатация поворотно-лопастных гидротурбин. М.,"Энергия", 1979.

23. С.А.Грановский, В,М.0рго, Л.Г.Смоляров. Конструкции гидротурбин и расчет их деталей. М.-Л., Машгиз, 1953.

24. С.А.Грановский, В.М.Малышев, В.М.Орго, Л;Г.Смоляров. Конструкции и расчет гидротурбин. Л.,"Машиностроение", 1974.

25. Гидравлические турбины. Каталог. НЙИЭЩФОРМЭНЕРГОМАШ. , 1980.

26. Л.А.Гликман. Коррозионно-механическая прочность металлов Л.,Машигз, 1955.

27. А.И.Глайберман, В.А.Каменев. Упрочнение поверхности гребных валов обкаткой роликами. Л.,"Технология судостроения", Р 7, 1972.

28. А.С.Гельман, Г.З.Зайцев и др. Усталостная прочность двухслойной стаж, облицованной с использованием сварки взрывом. М.,"Сварочное производство", Р 10, 1966.

29. Гидроэнергетика СССР. Статистический обзор. М.,"Информэнерго", 1974.

30. Т.П.Доценко. Гидроэнергетика страны от плана ГОЭЛРО до наших дней. Электрические станции Р 12, И.,"Энергия", 1980.

31. Д.Г.Жимерин. Энергетика: настоящее и будущее. М.,"Знание", 1978.

32. И.А.Зубков. Уплотнения в гидротурбинах. Л.,"Машиностроение", 1972.

33. Г.З.Зайцев, А.Я.Аронсон. Усталостная прочность деталей гидротурбин. М., "Машиностроение", 1975.

34. Н.Н.Ковалев и др. Гидротурбостроение в СССР. М., "НЙЙИнформтяжмаш", 1970.

35. Н.Н.Ковалев. Гидротурбины. Л., "Машиностроение", 1971

36. Н.Н.Ковалев. Проектирование гидротурбин. Л.,"Машиностроение", 1974.

37. Н.Н.Ковалев, Й.Э.Этинберг. Достижения в развитии теории гидромашин и решения научных проблем создания крупнейших в мире отечественных гидротурбин. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт Р 5, 1967.

38. Г.Й.Кривченко. Гидравлические^машины. М.,"Энергия",1978.

39. И.Р.Крянин. Металлы для гидротурбин. М./Машиностроение",1969.

40. Б.Я.Кантор, А.П.Филиппов^ Расчет изгиба секториальной пластины, защемленной но, части дугового края, на быстродействующей счетной машине. Известия АНСССР, ОТН № I, 1962.

41. Г.В.Карпенко. Прочность стали в коррозионной среде. М-Л.,Машгиз, 1963.

42. М.М.Кобрин. Прочность прессовых соединений при повторно-переменной нагрузке. М.-Л., Машпиз, 1954.

43. И.В.Кудрявцев. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении. М.,Машгиз, 1951.

44. Куйбышевский авиационный институт. Эластичные опоры скольжения. Куйбышев, 1975.

45. В.С.Квятковский. Диагональные щурбины. М.,"Машиностроение", 1971.

46. М.Ф.Красильников, Г.А.Шацкий. Прогрессивные решения в области гидроэнергетического оборудования ГЭС и ГАЭС.

47. М.,Труды Гидропроекта, Выпуск 70, 1980.

48. Л.С.ЛейЗензон. Теория упругости. М.,Известия АН СССР,1951.

49. В.М.Малышев. Инженерные расчеты в гидротурбостроении. Л.,"Энергомашиностроение", Р 2, 1975.

50. Минэнерго СССР. Требования к проектируемым и модернизируемым гидравлическим турбинам для снижения трудоемкости ремонта. М.,0ргрэс, 1977.

51. Натурные испытания потерь масла в поворотно-лопастных гидротурбинах. Дру^ЛМЗ. Сообщение JIBT, 12, 1958*

52. П.С.Непорожний. Гидроэнергетика Сибири и Дальнего Востока. М.,"Энергия", 1979.

53. Л.С.Непорожний? Гидроэлейтроэнергетика.М.,Энергоиздат,1982.

54. В.М.Орго. Основы конструирования ^расчеты на прочность гидротурбин. Л.^Машиностроение", 1978.

55. Отраслевой стандарт. Валы гребные судовых валопроводов. 0СТ5.9049-78.

56. Отраслевой стандарт. Покрытия защитные из стеклопластика гребных и дейдвудных валов. ОСТ 5.9558-74.

57. Прочностные испытания рабочего колеса диагональной турбины № 5 Зейской ГЭС при напоре 73,2 м. Труды ЛМЗ. Сообщение W 1089, 1982.

58. В.А.Пивоваров. Проектирование и расчет регулирования гидротурбин. Л.,"Машиностроение", 1973.

59. Повышение эффективности эксплуатации шдросталций-ГЭС-8; Всесоюзное совещание, в г.Нуреке. Тезисы докладов. Л.,ВНИИГ, 1981.

60. Н.И.Пылаев, В.Я.Пономарев. Самосмазывающийся полимерный материал для тяжелонагруженных узлов трения. Л.ДЦНП, 1968.

61. В.А.Постков. Численные методы расчета судовых конструкций. Л., "Судостроение", 1977.

62. Й.Раабе. Гидравлические машины и установки /перевод с немецкого/ М.,"Энергия", 1974.

63. Расчет напряженного состояния корпуса рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины на ЭШ "EC-I022". Отчет № 2533 ЛМЗ, 1981.

64. С.А.Рочицкий. Новый метод раотета на прочность и устойчивость. М.,-Л., Машгиз, I960.

65. Л.А.Розин. Расчет гидротехнических сооружений на ЭЦВМ. Метод конечных элементов. М.-Л., "Энергия", 1971.

66. Руководящий технический материал (НПО ЦКТИ).

67. Методика оценки уровня качества гидротурбин. РТМ 108.020.106, 1976.

68. А.П.Семенов, Ю.Э.Савинский. Металлофтрропластовые подшипники. М./Машиностроение", 1976.

69. В.Н.Семоков. Исследование прочности и напряженного состояния моделей корпуса рабочего колеса шестилопастной ПЛ гидротурбины. Отчет № 5126/522 ЛЛИ имени Калинина, Л.,1968.

70. И.Н.Смирнов. Гидравлические турбины и насосы. М., "Высшая школа", 1969.

71. М.Л.Стеклов. Горизонтальные гидравлические турбины.1. Л./Машиностроение", 1974.

72. В.Ю.Стеклов. Развитие электроэнергетического хозяйства СССР. М., "Энергия", 1979.

73. Справочник машиностроителя. т.Ш, М., Машгиз, 1962.

74. Справочник конструктора гидротурбин. Под редакцией чл-корр.АН СССР Н.Н.Ковалева. Л./Машиностроение", 1971.

75. Г.Стренг, Д.Фикс. Теория метода конечных элементов. М., "Мир", 1977.

76. Л.Г.Смоляров. Диагональные турбины Бухтарминской ГЭС. Л./Машиностроение", 1969.

77. И.Л.Терман. Гидроэнергетические ресурсы. М., Труды Гидропроекта, Выпуск 70, 1980.

78. Н.М.Филиппова. Применение древпластиков в узлах трения гидротурбин. М.-Л., Машгиз, 1955 (сб.ЛМЗ т.1)7.7. Д.Хоргер. Усталость больших валов от контактной коррозии. Сборник: Усталость металлов. М., "Иностранная литература", 1961.

79. Г.С.Щеголев, О.С.Бабанов и др. Сверхмощные турбины для Сибири и Дальнего Востока. Л., "Машиностроение", 1980.

80. И.Э.Этинберг. Теория и расчеты проточной части поворотно-лопастных гидротурбин. М.-Л., "Машиностроение", 1965.

81. Энергетика и энергетическое строительство США. Под редакцией д.т.н., проф.П.С.Непорожнего.1. М.-Л., "Энергия", 1966.

82. G.S.Stchegolev, R.Basarich, M.I.Galperin. Construction and operation of the Jerdap-Iron Gates hydro. "Water Power & Dam Construction", No. 8, 1977.44L

83. G.Borciani. Le macchine indauliche per impianti idroelettrici nel 1980. Hydroart S.p.A., Milano "L'Elettro-tecnica", vol. LXVIII, H 11, Hovember, 1981.

84. J.F.Meyers. Three hydroturbines of 1,000 ООО-hp for Grand-Coulee. "Allis-Chalmers Engineering Review", 1974»

85. Iamada Hadsima. Pelton turbines. "Journal of the ASME", volume 70, Ho. 578, 1967.

86. S.E.Pfafflin. USA firms experience of pump-turbines projection and manufacturing. "Allis Chalmers Engineering Review", 1973.

87. S.A.Chacour, R.G.Grubb. Conceptual design of pump-turbines for Bath County. "Water Power & Dam Construction", Ho. 1, 1981.

88. P.Canger. Large hydroturbines construction and production of Dominion Engineering Works Limited."Dominion Engineer", 1975.

89. Straight flow horizontal hydroturbine "STRAFLO" type. "Water power and Dam Construction", So. 1, 1977.

90. New turbines for an old power plant. "Water Power and Dam Construction", Mo. 1, 1982.

91. Turbines for Itaipu. "Water Power and Dam Construction", Ho. 12, 1981 and Ho. 1, 1982.