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

Тепловой расчет сегментного подшипника на масляной смазке

Тепловой расчет подшипника с баббитовым вкладышем на жидкой масляной смазке характеризуется следующими особенностями:

1)смазывающей жидкостью является масло, которое цирку­ лирует по замкнутому контуру (смазывающему);

2)охлаждающей жидкостью является вода, которая проте­

кает по незамкнутому контуру (охлаждающему);

3)температура масляного слоя в подшипнике не должна пре­ вышать 55—60°;

4)в подшипнике имеет место гидродинамическое трение, поэтому характеристика режима работы подшипника должна

отбирается охлаждающей водой. Отвод тепла в окружающую среду не учитывается, что идет в запас теплового расчета.

Радиальное усилие, действующее на подшипнике, находим из расчета изгибной линии вала ротора агрегата — реакции под­ шипника Р. В соответствии с вышеизложенным принимаем, что в работе участвуют только нижние сегменты: четыре в двухряд­ ном сегментном подшипнике, два — в однорядном. Расчет ведем для двухрядного подшипника.

р

(V.57)

4 cos а ’

где Рх — усилие на один сегмент; а — угол расположения сегмен­ тов относительно вертикальной оси.

Опыт показывает, что температура масла в подшипнике обычно не превышает 45—50° С. Поэтому, принимая температуру масла 50° С, находим вязкость масла заданной марки при этой темпера­ туре. Сопротивление трению F определяется по (V.56), а коэф­ фициенты Фр и Ф/ — по кривым (рис. V.19) при а : b == 1. Коэф­ фициент трения / подсчитываем по формуле (V.55).

Количество тепла, выделяемое в подшипнике,

/ — коэффициент трения; 427 — механический эквивалент тепла.

Определение расхода и перепада температуры входа. Процесс смазки подшипника и перекачки использованного масла из ниж­ него бака в верхний происходит согласно схеме, представленной на рис. V.20. Из нее видно, что если в подшипнике принята тем­

масла в верхнем баке и температурой масла в нижнем баке. Из

130

этого следует, что при входе в маслоохладитель температура масла

Поскольку тепло передается от среды более нагретой к менее нагретой, тепловой расчет следует начинать с определения сред­ ней температуры воды как среды с более низкой температурой. Для этого определяем расход охлаждающей воды.

Составим уравнение Бернулли для жидкости в охлаждающей системе [13]

где Zj и —----- отметка и напор места забора воды в охлаждающей

(V.62) Рис. V.20. К тепловому расчету подшип­ ника

где Я,- — коэффициент сопротивления трению единицы относи­ тельной (отнесенной к диаметру) длины участка трубопровода; d(, vt — длины, диаметры и средние скорости воды по участкам;

£г- — коэффициент сопротивления на г-м участке.

Скорости течения воды на каждом из участков системы можно

Отсюда имеем в общем виде формулу расхода воды, охлаждаю­ щей масло,

(V.64)

Ниже приводятся коэффициенты сопротивления некоторых участков системы, подводящей воду к маслоохладителю и отводя­ щей воду из него [22],

Первоначально Я,- принимается равным 0,03 (для гладких труб). После определения расхода значение %i уточняется по формулам

(V.66) или (V.67).

В случае, если полученное значение Яг разойдется с первона­ чальным значением 0,03 более, чем на 5—6%, необходимо про­ извести перерасчет, пользуясь новым значением Яг.

Перепад температуры воды на входе в охлаждающую систему и на выходе из нее

132

где tBi — температура воды на входе в маслоохладитель; /в2— температура воды на выходе из маслоохладителя; </в— расход воды, м3/с; у = 1000 — удельный вес воды, кг/м3; С = 1 — теп­ лоемкость воды, ккал/(кг • °С).

Средняя температура воды

Определение перепада температуры масла. В горизонтальных гидротурбинах подшипники с масляной смазкой, как правило, конструируются таким образом, чтобы в них создавалась масля­ ная ванна. Расход масла в подшипнике можно определить из усло­ вия постоянного истечения масла из этой ванны в сливной бак. На этом пути масла гидравлическое сопротивление складывается из сопротивлений колен различной кривизны, сопротивлений трения по длине трубопровода и противодавления в сливном баке.

Расход масла можно было бы найти, зная диаметр сливного трубопровода, разность отметок уровней масла в ванне и в сливном баке, сопротивление колен и их количество, по уравнению анало­ гичному (V.63) и (V.641. Однако из рассмотрения схемы (рис. V.20) видно, что в этом нет необходимости. Если масло перекачивается из нижнего бака в верхний винтовым насосом, то его производи­ тельность и есть расход масла. Если же насос центробежный, то, рассмотрев характеристику насоса, и учитывая отметку верхнего напорного бака, находим расход масла. И в том, и другом случае расход масла считаем известным и равным qM, м3/с.

Перепад температуры масла равен

АД ‘'Ml ‘ ЯмУм^рм (V.70)

где /м2 — температура масла при входе в маслоохладитель; /м1 — температура масла при выходе из маслоохладителя; ум — удель­ ный вес масла при принятой средней температуре масла Д ср, кг/м3; Срм — удельная теплоемкость при принятой средней температуре масла, ккал/(кг °С).

Желательно, чтобы перепад А/„ не превосходил 10°, в против­ ном случае следует увеличить расход масла.

Определяем среднюю температуру масла. Для этого восполь­

где S = X lndHz — поверхность охлаждения маслоохладителя, м2;

— длина трубок маслоохладителя, м; dH— наружный диа­ метр трубки маслоохладителя, м; z — число трубок маслоохла­ дителя; k — коэффициент теплопередачи от масла к воде,

133

= 0,7-н2500, что обычно имеет место в трубках маслоохладителей;

Рг = -j- критерий Прандтля,

где а — коэффициент температуропроводности воды, м2/с; v —• коэффициент кинематической вязкости воды, м2/с.

134

Т а б л и ц a V.5

Физические параметры турбинного масла марки 30 в зависимости от температуры

135

19. УПЛОТНЕНИЕ ТУРБИНЫ

Уплотнение турбины служит для предотвращения попадания воды из проточного тракта внутрь капсулы. Ниже дается описание двух уплотнений горизонтального капсульного агрегата с вы­ ходным статором Саратовской ГЭС.

Уплотнение турбины предусмотрено в зонах переднего и заднего подшипников. Конструкция переднего уплотнения, включающего в себя и аварийное, позволяет производить замену резиновых уплотняющих колец в случае их износа или разрушения без опо­ рожнения проточного тракта турбины. Для замены резиновых колец в заднем уплотнении проточный тракт требуется опо­ рожнить.

Переднее уплотнение (рис. V.21) предназначено для защиты турбины от воды, проникающей в зазор между вращающимся рабочим колесом и неподвижным кожухом, являющимся оконча­ нием опорного конуса турбины, где расположен подшипник. Вблизи фланца вала, крепящегося к корпусу рабочего колеса, в кожухе предусмотрен широкий кольцевой фланец. На внутрен­ нем крае фланца вертикально и параллельно установлены на шпильках два резиновых кольца на расстоянии друг от друга, равном толщине промежуточного металлического кольца. Рези­ новые кольца изготавливаются толщиной 4—5 мм из маслостой­ кого прессованного материала средней твердости.

На периферийный край фланца надеты два металлических кольца, закрепленных шпильками так, что внешние плоскости неподвижных резиновых колец обращены к внутренним плоскостям вращающихся металлических.

В пространство между резиновыми кольцами из двух точек подается вода под давлением, превышающим давление воды в про­ точном тракте. Под воздействием давления подаваемой воды рези­ новые кольца раздвигаются и прижимаются к металлическим, останавливая протечки воды из рабочего потока через уплотнение.

Расстояние между металлическими кольцами, т. е. зазоры между резиновыми кольцами и металлическими, регулируется прокладочными кольцами. Правильная установка этих зазоров играет большую роль в работе уплотнения, поэтому следует учи­ тывать перемещение ротора агрегата, а следовательно, и фланца вала вдоль оси турбины в зависимости от увеличения или умень­ шения нагрузки турбины. Величина указанных зазоров имеет особое значение в случае, если вода в уплотнение не подается. Тогда в работе участвует лишь одно резиновое кольцо, то, кото­ рое расположено со стороны верхнего бьефа. Вода из рабочего потока, проникнув в пространство между резиновыми кольцами, прижимает указанное выше кольцо к вращающемуся металли­ ческому, осуществляя уплотнение. Поэтому зазор с этой стороны не должен превышать 3,5—4,5 мм при максимальной нагрузке турбины.

136

Смазка трущихся поверхностей резины и металла осуще­ ствляется за счет неизбежных протечек воды. Для повышения износостойкости металлических колец их трущиеся поверхности

облицовываются листами нержавеющей стали и обрабатываются по 8 классу чистоты.

Зона уплотнения отделяется от остальной турбинной части капсулы выгородкой, которая снимается при ремонтах уплотнеция и замене резиновых колец.

137

На этот случай предусмотрено аварийное уплотнение, дей­ ствующее после полной остановки турбины. Импульс на остановку дается поплавковым реле, установленным в зоне уплотнения и срабатывающим при повышении уровня воды, если с протечками не справляется дренажная труба.

В восьми отверстиях на периферийном крае фланца кожуха установлены восемь гидравлических домкратов, объединенных одной трубой-коллектором, к которой подводится масло из си­ стемы регулирования под давлением 40 кгс/см2. Каждый домкрат представляет собой цилиндр с фланцем, которым он закрепляется на фланце кожуха, и поршень со штоком, составляющий одну деталь. Поршень направляется по цилиндру во втулке из нержа­ веющей стали, а шток в бронзовой втулке. В конце штока распо­ ложено манжетное уплотнение, недопускающее протечки масла из домкрата по штоку. Вокруг штока установлена пружина, ко­ торая упирается в выточку в корпусе цилиндра, с одной стороны и в поршень, с другой; она всегда оттягивает поршень в сторону верхнего бьефа. На выступающие из корпусов домкратов концы штоков надето и закреплено кольцо коробчатой формы с двумя концентричными пазами, в которые вставлены резиновые шнуры. На корпусе рабочего колеса и фланце кожуха крепятся кольца таким образом, чтобы образовавшийся между ними кольцевой зазор мог быть заперт двумя концентричными шнурами.

Во время нормальной работы турбины и уплотнения поршни домкратов и, следовательно, кольцо со шнурами отжаты пружи­ нами в сторону верхнего бьефа. Если работа уплотнения нару­ шается и протечки не успевают удаляться через дренажную трубу, уровень воды поднимается, поплавковое реле дает импульс на остановку турбины и через реле времени — импульс на открытие клапана, соединяющего цилиндры домкратов с давлением в масля­ ном трубопроводе. Поршни, преодолевая усилие пружин, пере­ мещаются в сторону нижнего бьефа и прижимают резиновые шнуры по обе стороны зазора между кольцами, не пропуская воду в уплотнение. Чтобы домкраты не находились под давлением во время ремонта, предусмотрены тяги, с помощью которых за­ пирают кольцо вручную, и давление с домкратов снимается.

После окончания ремонта тяги необходимо вернуть также вручную в исходное положение. Чтобы пуск турбины после ре­ монта не произошел при прижатом тягами или домкратами кольце, предусмотрен датчик положения, включенный в систему автома­ тики и не разрешающий пуск при запертом уплотнении.

Заднее уплотнение показано на рис. V.22, оно крепится к не­ подвижному кожуху, установленному на опорном цилиндре заднего подшипника и на опорной цапфе ротора, и по своей кон­ струкции аналогично описанному выше переднему уплотнению. Здесь вода стремится проникнуть через зазор между рабочим ко­ лесом и облицовкой кожуха. При подаче воды по трубе с давле­ нием, превышающим давление за рабочим колесом, резиновые

138

кольца разжимаются и препятствуют проникновению воды сна­ чала в кольцевое пространство между кольцами, а затем в зону заднего подшипника. При установке зазоров между резиновыми и металлическими кольцами здесь также следует учитывать пере­ мещение ротора в зависимости от нагрузки турбины. Очевидно, что решающее значение этот зазор будет иметь для пары колец

Рис. V.22. Заднее уплотнение турбины:

1 — облицовка кожуха; 2 — резиновые кольца; 3 — непод­ вижный кожух; 4 — опорный цилиндр; 5 — кольцевой бурт;

(резинового и металлического), установленных со стороны нижнего бьефа.

Конструкцией уплотнения предусматривается аварийная за­ щита на случай разрушения резиновых колец. Для этого в боко­ вой крышке подшипника со стороны верхнего бьефа предусмо­ трены кольцевые цилиндр и поршень. Между ними устанавли­ ваются пружины сжатия, которые при нормальной работе уплотне­ ния прижимают поршень баббитовой поверхностью к кольцевому

139