Тема 8. Робочі колеса радіально-осьових гідротуобін

8.1. Конструкції і виготовлення робочих коліс

Конструктивні форми радіально-осьових робочих коліс мають значні відмінності. З мірою збільшення швидкохідності збільшується довжина лопатей, збільшується їх нахил у меридіанній площині, розширюється обід і прохідний переріз робочого колеса. Іноді лопатям надають нахил за гвинтовими лініями.

Зменшення висоти лопатей і звуження обода на виході призводять до зменшення швидкохідності, і досягається потрібна при високих напорах жорсткість і міцність робочого колеса. Гідродинамічні якості, жорсткість і міцність радіально-осьового робочого колеса значною мірою залежать від конфігурації його основних елементів: ступиці, лопатей і обода показаних на рис. 8. 1.

Рис. 8.1. Елементи радіально-осьового робочого колеса

Ступиця 5 (рис. 8.1, а) є несучою конструкцією робочого колеса, вона жорстко пов'язана за допомогою болтів 7 з валом 9 і служить основою для лопатей 3. Товщину її зазвичай приймають δ_ступ≈0,03·D₁. Знаходять застосування як ступиці конічної форми, що мають велику жорсткість, так і пологіші, що дозволяють розширити проточний переріз колеса і збільшити його швидкохідність, що необхідно при відносно малих напорах і допустимо за умовами міцності. Лопаті 3 робочі колеса мають визначне значення для його міцності. Збільшення числа лопатей, товщини профілю, його кривизни, а також розташування кореневих перерізів під великим кутом до радіального напряму сприяють досягненню найбільшої жорсткості і міцності. Проте збільшення товщини лопатей призводить до стиснення потоку, зменшення пропускної здатності і швидкохідності, та до підвищення σ. Обід робочого колеса 1 зв'язує кінці лопатей і збільшує їх жорсткість. Товщину обода приймають δ_об≈0,015·D₁. За наявності обода власна частота коливань лопатей значно підвищується. За відсутності обода ця частота може стати близькою до частот вимушених коливань, що загрожує виникненням неприпустимих вібрацій в усій турбіні і резонансних коливань.

У ступиці виконують розвантажувальні отвори 6, розташовані за вихідними кромками лопатей. Вони сполучають порожнину над робочим колесом із зоною відсмоктувальної труби, і знижують тиск на верхній поверхні ступиці і, як наслідок, осьову силу, що діє на колесо. У оборотних гідромашинах усіх систем, де розвантажувальні отвори недопустимі за умовами роботи у насосному і перехідних режимах, а також у діагональних турбінах замість них використовують розвантажувальні труби, що сполучають порожнину над ступицею з нижнім б'єфом. У високонапірних радіально-осьових турбінах, де розвантаження через отвори буває недостатнє, іноді застосовують отвори у поєднанні із розвантажувальними трубами.

До нижньої поверхні кріпиться обтічник 15, що забезпечує плавний вихід потоку за лопатями. Його виконують зварним з увігнутими твірними, іноді -і з двох усічених конусів по аналогії з осьовими турбінами. Обтічники, як показує практика, при нерозрахункових режимах сприймають великі навантаження, тому і їх кріплення (рис. 8.1, б) за допомогою болтів 18, надійно захищених проти самовідгвинчування, має бути досить міцним. Навантаження, що виникають при коливаннях вихрового джгута у потоці за робочим колесом, важко визначити, тому діаметр болтів приймають досить великим, орієнтовно рівним d_б≈(0,005÷0,01)·D₁. Відповідно вибирають і товщину фланців. Іноді обтічник кріплять (рис. 8.1, в) до штиря 14 гайкою 16. Зворотний клапан 10 (рис. 8.1, а), що закриває центральний отвір валу, встановлюють у тих випадках, коли вода при високих рівнях нижнього б'єфу або зворотному гідравлічному ударі може проникнути через вал і виплеснутися на генератор.

З'єднання валу з робочим колесом за допомогою болтів 7, установлених у фланцях (рис. 8.1, а), є найбільш поширеним. Затягують болти гайками 8. Прилаштований поясок болта розташовується на стику фланців, завдяки чому болт разом із осьовою силою сприймає створювану обертовим моментом перерізаючу силу. Посадка болта А/Д забезпечує легке складання і рівномірний розподіл перерізаючої сили між болтами. До ступиці і обода кріплять кільця 4 і 2 щілинних ущільнень. Центрується робоче колесо із валом за допомогою виточки і буртика із посадкою А/С. Застосовуються з'єднання робочого колеса із валом конічною посадкою (рис. 8.1, г), у якій обертовий момент передається тангенційними шпонками 19. Осьова сила передається заставним кільцем 21, а у дрібніших турбінах - гайкою 20.

Робочі колеса високонапірних гідротурбін відрізняються великою жорсткістю і міцністю, завдяки розвиненим ободу і ступиці, і малій висоті лопатей. Кріплення колеса до валу (див. рис. 8.1, б і в) здійснюється болтами 11, установленими з проміжком, що дозволяє замінити колесо без подальшої спільної обробки отворів. Обертовий момент сприймається встановленими по посадці А/С радіальними циліндричними шпонками 12. Сверління і розгортку отворів під ці шпонки виконують при спареному із валом робочому колесі. Від випадання під дією відцентрової сили, шпонка утримується штифтом 13. Гайки 8 болтів установлені знизу, і після знімання обтічника можуть бути відгвинчені, а колесо опущене на спеціальній укріпленій у ньому гвинтовій тязі у відсмоктувальну трубу. Гайки болтів, що кріплять колесо в усіх варіантах, захищаються від самовідгвинчування сухарями 17, установленими впритул до грані, і привареними до поверхні деталі.

Спосіб формування радіально-осьових робочих коліс, лопаті яких мають дуже складні контури, має велике значення для виробництва і конструювання. Існує декілька таких способів. Найбільш широке застосування знайшли литі колеса радіально-осьових турбін. Відливання великих коліс виконують у кесонах. Форму виконують шаблоном, і потім набирають із стержнів, що утворюють міжлопатеві канали і внутрішній простір. Використовують нержавіючі сталі 25Х14НЛ, 0Х12НДЛ або 10Х18Н3Г3Д3Л.

Роз'ємні робочі колеса (рис. 8.2) застосовуються у виняткових, випадках, для великих гідротурбін, коли доставка цілого колеса на місце монтажу неможлива. Найбільші труднощі при їх конструюванні представляє забезпечення міцного і надійного з'єднання частин коліс. Здійснюють роз'єм на дві, рідше на три частини. Зазвичай для спрощення обробки, стики розташовують у меридіанних площинах. Площина роз'єму нередко перетинає лопать, яку в цих випадках не ріжуть, а залишають виступаючою в сусідню частину колеса (рис. 8.2). Найбільш широке застосування отримали дві конструкції з'єднань.

З'єднання за допомогою бандажних кілець є найбільш старою конструкцією. Міцність і жорсткість з'єднання досягається у цьому випадку насадкою кільця 1 на ступицю і кільця 2 на обід в гарячому стані із достатнім натягом, що забезпечує нерозкриття стиків при усіх режимах роботи турбіни. Недоліком конструкції є негабаритність самих бандажних кілець, а також необхідність застосовувати високоміцні сталі із-за наявності великого натягу і, отже, великої напруги у бандажах.

Рис. 8.2. З’єднання ступиці роз’ємного радіально-осьового колеса з допомогою болтів,

і обода – електрозварюванням

У сучасних колесах найбільше застосування знайшло з'єднання ступиці за допомогою болтів 3, установлених в її фланцях, і з'єднання частин обода за допомогою зварного шва 4 (рис. 8.2). Для зняття напруги зварювання виконується відпустка за допомогою переносних індукторних нагрівачів.