книги из ГПНТБ / Стеклов, М. Л. Горизонтальные гидравлические турбины. Конструкция и расчет

няются к сферическим поверхностям наружного и внутреннего колец с минимальными зазорами.

Каждая лопатка имеет по две цапфы, расположенные в под­ шипниках, установленных на наружном и внутреннем кольцах направляющего аппарата. В подшипники запрессованы втулки из древпластика, смазываемые водой непосредственно из потока. В случаях, если вода в реке грязная, применяется густая масля­ ная смазка (солидол). Цапфы в месте насадки рычага выполняются удлиненными. При наружном регулировании удлиненной выпол­ няется наружная цапфа, при внутреннем регулировании — вну­ тренняя. На удлиненных цапфах устанавливается резиновое манжетное уплотнение.

В связи с трудностью демонтажа конического направляющего аппарата предусматривается возможность выема лопаток, в слу­ чае их ремонта или замены — по одной или по две лопатки. Такая возможность обеспечивается конструкцией наружного кольца— (ЛМЗ), и конструкцией внутреннего кольца— (ХТЗ).

Конический направляющий аппарат с наружным регулирова­ нием. Направляющий аппарат с наружным регулированием (рис. V.2, ЛМЗ) состоит из наружного и внутреннего колец, ком­ плекта лопаток, системы рычагов и серег и регулирующего кольца, связанного с двумя сервомоторами, с помощью которых он упра­ вляется .

Наружное кольцо — сварное, состоит из частей, количество которых выбирается в два раза меньше числа лопаток из условия монтажа. Своими фланцами наружное кольцо крепится с одной стороны к наружному кольцу статора турбины, с другой — к ка­ мере турбины. Внутреннее кольцо — литое, выполняемое в зави­ симости от габаритов из двух или четырех частей, своими флан­ цами крепится с одной стороны к внутреннему поясу статора турбины, с другой — к опорному конусу подшипника турбины.

Лопатки устанавливаются в подшипниках, расположенных в наружном и внутреннем кольцах с углом наклона 60° или 65°. На наружные цапфы лопаток надеты рычаги, связанные с регули­ рующим кольцом серьгой, двумя накладками и срезным пальцем. Серьги соединяются с рычагом и регулирующим кольцом так же, как и в осевом направляющем аппарате, сферическими шарни­ рами, допускающими пространственное перемещение серьги.

Регулирующее кольцо расположено на специальной опоре, выполненной на промежуточном поясе камеры турбины. Опорные планки регулирующего кольца и все втулки сферических шарни­ ров выполняются из капрона, не требующего смазки. Регулирую­ щее кольцо с помощью двух пальцев соединено с тягами двух сервомоторов, вертикально расположенных в шахте турбины на двух бетонных тумбах.

Во избежание самозахлопывания лопаток при срезе пальцев и для ограничения возможности их большого разворота устано­ влены упоры: на всех рычагах и у каждой лопатки на внутреннем

100

кольце направляющего аппарата. На внутренних цапфах лопа­ ток устанавливаются подшипники, закрывающиеся крышками наглухо и не допускающие протечки воды внутрь капсулы. На наружных цапфах лопаток для предотвращения протечек уста­ навливаются манжетные резиновые уплотнения.

!

Рис. V.2. Конический направляющий аппарат с наружным регулированием:

/ — наружное кольцо; 2 — подшипник наружной цапфы; 3 — меха­ низм поворота лопаток; 4 — опора регулирующего кольца; 5 — ло­ патка; 6 — внутреннее кольцо; 7 — подшипник внутренней цапфы

Для удобства монтг. жа и демонтажа в месте соединения напра­ вляющего аппарата с коническим поясом камеры турбины пло­ скости фланцев выполняются коническими или между ними устанавливается специальный компенсатор.

Конический направляющий аппарат с внутренним регулирова­ нием. Направляющий аппарат (рис. V.3, ЛМЗ) состоит из наруж­

101

ного и внутреннего колец, комплекта лопаток, системы рычагов и серег и регулирующего кольца, связанного с двумя прямоос­ ными сервомоторами.

Конструкция наружного и внутреннего колец не отличается от направляющего аппарата с наружным регулированием. Также

аналогичны конструкция и установка лопаток. Вся система упра­ вления лопатками расположена во внутреннем поясе статора и в турбинной части капсулы. Управление лопатками осуще­ ствляется двумя прямоосными сервомоторами, установленными вертикально, во внутреннем поясе статора турбины. Усилие и перемещение поршней сервомоторов передаются через пальцы регулирующему кольцу. Последнее при помощи механизма пово­

102

ном кольце, стыки внутреннего кольца надежно уплотняются установкой на одном из фланцев каждого стыка уплотнительных резиновых профильных шнуров. На внутреннем и наружном кольцах так же выполнены отверстия для установки подшипников цапф лопаток. Места, ослабленные отверстиями, усилены прили­ вами и ребрами. В направляющем аппарате с внутренним регу­ лированием приливы более развиты, так как в этом случае в них устанавливаются подшипники со сквозными отверстиями боль­

шего диаметра.

В турбинах конструкции ХТЗ возможность раздельного демон­ тажа лопаток предусматривается конструкцией внутреннего

Рис. V.4. Конструкция внутреннего кольца направ­ ляющего аппарата, разработанная ХТЗ:

1 — внутреннее кольцо с поперечным разъемом; 2 —

подшипник внутренней цапфы лопатки

кольца (рис. V.4). Оно состоит из двух отдельных колец, отлитых из стали. Одно из них, цилиндрическое, расположено внутри и является опорой подшипника турбины, другое, выполненное по контуру проточной части, является опорой лопаток направляю­ щего аппарата. Разъемы на последнем выполнены по конической поверхности расположения осей лопаток, что допускает их раз­ дельный демонтаж.

Для удобства монтажа направляющего аппарата в собранном

Направляющие лопатки. Конструкция лопатки конического направляющего аппарата значительно отличается от конструкции цилиндрического. Лопатка состоит из пера асимметричного про­ филя и двух цапф, наружной и внутренней (рис. V.5). Профиль тела лопатки переменный. Размеры сечения увеличиваются по всей длине лопатки от внутреннего до наружного торца. Для

104

обеспечения прилегания кромок лопаток друг к другу перо ло­ патки закручивается, вследствие чего оно имеет пространственную винтообразную форму. Толщины профилей пера лопатки сравни­ тельно невелики и поэтому во избежание значительной концен­

цилиндрическом направляющего аппарата из условий прочности и допустимого удельного давления на вкладыши подшипников.

Если вода в реке содержит значительное количество частиц с абразивными свойствами, то вкладыши изготавливаются из бронзы. В этом случае направляющий аппарат снабжается центра­ лизованной густой смазкой (от автоматической смазочной стан­ ции) и уплотнением на каждой лопатке, защищающим цапфу от попадания воды. В отечественных горизонтальных гидротурбинах вкладыши подшипников направляющих аппаратов выполнялись из древпластика, смазываемого водой потока. Опыт эксплуатации показывает, однако, что цапфы из углеродистой стали ржавеют,

105

а ржавчина увеличивает трение в подшипнике; к тому же древпластик с течением времени разбухает и деформируется, теряя цилиндрическую форму. Поэтому сейчас ведутся исследования по выбору материала, не требующего постоянной смазки (под­ шипник заполняется смазкой только при монтаже). Таким мате­ риалом является, например, пластик— композиция на основе эпоксидной смолы. Этот материал не нашел еще широкого приме­ нения, однако испытания на турбинах некоторых ГЭС дали обнадеживающие результаты. Чтобы исключить ржавление цапф,

Рис. V.6. Механизм поворота лопатки с внутренним регулирова­ нием:

теперь применяют облицовку их тонкими листами из нержавею­ щей стали.

Точность установки лопаток обеспечивается соосностью под­ шипников, устанавливаемых в расточках наружного и внутрен­ него колец направляющего аппарата. Такая соосность лучше всего достигается совместной расточкой отверстий в кольцах для подшипников. В случае раздельной расточки отверстий в коль­ цах направляющего аппарата соосность подшипников дости­ гается свободной посадкой стакана одного из подшипников — обычно подшипника наружной цапфы. В этом случае окончатель­ ная установка этого подшипника и фиксация его осуществляется при сборке в цехе или при монтаже. Механизм поворота лопатки показан на рис. V.6.

При конструировании направляющего аппарата большое вни­ мание обращается на рациональный выбор длин рычагов и серег и углов установки. Это позволяет значительно снизить требуемое

106

усилие для поворота лопаток и принять диаметр сервомотора направляющего аппарата минимальной величины.

Выбор наиболее рациональных углов установки рычагов и серег достигается рассмотрением нескольких вариантов кинема­ тики по чертежу построения направляющего аппарата. В радиаль­ ных и конических направляющих аппаратах более точные резуль­ таты при определении углов установки рычагов и серег дости­ гаются расчетом. В последнее время такие расчеты выполняются на ЭВМ, где может быть рассмотрено любое число вариантов.

В направляющем аппарате капсульной гидротурбины Сара­ товской ГЭС, например, угол ф равен 79° 30', а |3 равен 5° 24' (рис. V.10).

Регулирующее кольцо (рис. V.6). Кольцо обеспечивает син­ хронность поворота всех лопаток направляющего аппарата и преобразование поступательного движения поршней сервомо­ торов во вращательное перемещение лопаток.

Регулирующее кольцо выполняется стальным литым или сварным из проката швеллерного или коробчатого сечения. В зависимости от условий транспортировки его можно выполнить неразъемным или с разъемом. Оно воспринимает силы от двух сервомоторов и все усилия серег.

Выбор сечения регулирующего кольца производится в зависи­ мости от действующих на него усилий. Стенки кольца ужесто­ чаются ребрами. Перемещение регулирующего кольца напра­ вляется одной или двумя цилиндрическими и двумя торцовыми опорами, на которых располагаются опорные планки из антифрик­ ционных материалов (см. механизм поворота).

Расчет направляющего аппарата

Рассмотрим конструкцию направляющего аппарата, в котором механизм управления расположен внутри капсулы.

Силы, действующие на лопатку. От давления воды на лопатку действует гидравлическая распределенная нагрузка, вызываю­ щая в лопатке значительные напряжения. Для удобства расчета гидравлическая распределенная нагрузка р заменяется приве­ денной ее равнодействующей — суммарной гидравлической си­ лой Рг, которая вызывает изгиб и создает гидравлический крутя­ щий момент М г относительно оси лопатки. Принимаем, что гидра­ влический момент положительный, если он действует на закрытие.

Усилие Рг и момент М тназывают силовыми характеристиками направляющей лопатки, величина которых зависит от напора, формы профиля лопатки, положения оси поворота лопатки отно­ сительно профиля и величины открытия (угла поворота) ло­ патки а 0.

Для управления поворотом лопатки (изменения величины открытия направляющего аппарата) к ее цапфе приложена часть усилия сервомотора. Вместе с усилием Рг приведенное к оси

107

Лопатки усилие сервомотора вызывает в ней изгибные напряже­ ния, а усилие сервомотора, приложенное к рычагу вместе с М т, вызывает в лопатке напряжения кручения.

При закрытом положении направляющего аппарата гидравли­ ческое усилие и гидравлический момент могут быть определены довольно просто. В этом случае суммарное гидрав­ лическое усилие на ло­

патку

где Н — напор с учетом повышения давления; у —■ удельный вес воды.

Гидравлический момент

М т= Ргв — FлНуе, (V.2)

где Гл — площадь коль­ цевого сектора лопатки

(рис. V.7, а); е — вели­ чина эксцентриситета ло­ патки;

Для определения гидравлических усилий и моментов, дей­ ствующих на лопатку при разных открытиях, пользуются данными экспериментальных исследований модели установки (рис. V.8, а, б).

108

аIМ,кгс-м

Ю 20 30 W 50 60 70а,грид

Рис. V.9. Зависимость коэффициентов Ср и Ст от угла открытия направляющего аппарата

109