книги из ГПНТБ / Стеклов, М. Л. Горизонтальные гидравлические турбины. Конструкция и расчет
.pdfТеория такого расчета для случая симметричных фланцев ва лов турбины и генератора достаточно подробно изложена в ра ботах [7] и [24 .
Ниже изложена методика расчета фланневых соединений го ризонтальных гидроагрегатов, разработанная на ЛМЗ, в которой учитывается влияние величины усилий предварительного затяга болтов на напряженное состояние наиболее нагруженных сече ний валов (0—0), фланцев и болтов.
Определение максимальных напряжений в болтах фланцевого
соединения валов производится |
по следующей |
формуле: |
|
|
Рос (К + %) |
+ |
4,257 (а, + ^ - ) |
Мп |
(V.85) |
nF6 |
|
|
|
|
где Рос — осевое гидравлическое усилие, действующее на флан цевое соединение; п — количество болтов; Fб — площадь сечения болта; d x — диаметр болта в ослабленном сечении; х — коэффи циент затяга болтов фланцевого соединения; %— коэффициент основной нагрузки;
|
|
X = |
Тп |
_ |
FjF2 +_F3Fn_ |
(V.86) |
|||
|
|
|
РПС |
Fib1 + F ,F 5 |
* |
|
|||
где Т — усилие |
затяга; |
|
|
|
|
|
|
|
|
Fi |
2яR<ср |
( l - A ) ; |
|
F 2 = |
Rq— Р ср —+(1 — X); |
|
|||
|
|
р |
_ |
^бУ. |
, |
|
|
(V.87) |
|
|
|
3 - |
E6F6n ■ |
|
|
||||
|
£ф/г11п |
E6d6na\bi |
|
F $F фп |
|
||||
|
|
R, |
^ср'б |
|
/=■* |
|
|||
|
12 ср |
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь /б — расчетная длина болта (в пределах одного фланца); |
|||||||||
— модуль упругости фланца; Еб — модуль упругости |
болтов; |
||||||||
|
|
+ — R — R6— 0,5^; |
|
(V.88) |
|||||
|
|
*! = /? — /?б — 0,333л:!. |
|
||||||
|
|
|
|
||||||
и |
A j — коэффициенты: |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Л = J |
I |
M i |
, 3+ tg« . |
|
|||
|
|
Pi= |
1 , 2 8 5 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
J/Ч р ftcp |
|
(V.89) |
|||
|
|
1+ |
М |
|
|
3 + tg а |
|
||
|
|
|
|
+ |
|
||||
|
|
2 |
|
|
hn |
|
|||
|
|
0 , 2 3 8 |
2кЬв In |
-j- + 3n d\a\bi |
|
||||
|
Э^ср^б cos а |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(угол |
а см. рис. |
V.28); |
|
|
|
|
|
|
|
1 5 0
М 0— изгибающий момент, приходящийся на единицу длины
средней окружности |
переходного сечения 0—0\ |
|
|
М |
0,135Рос [k — 1 — Ь(х -)- х — 1)] |
(V.90) |
|
М° ~ |
Л |
||
|
где
Ь\ Рср
Полное усилие в болте
Р6= ~ ( * + г)-'гРл, |
(V.91) |
где
0,5________ .
х =
4хг (D — Xj) — ndg ’
1
Рд — добавочное усилие в болте, возникающее вследствие изгиба меридионального сечения фланца,
Рд = 3,34 dllaiMo, |
(V.92) |
||
где dc — диаметр стержня болта. |
|
||
Напряжение в болтах от усилия затяга |
|
||
ст3 |
Р о с |
(V.93) |
|
ПРб |
|||
|
|
||
Для приближенной оценки величин коэффициентов |
я и А г |
||
на рис. 29, а—г приведены графики, позволяющие определить указанные коэффициенты в зависимости от отношений радиуса окружности расположения болтов к среднему радиусу сечения 0— 0 Rcp и высоты фланца к г к средней толщине конической обо лочки пср.
Момент трения |
по плоскости разъема |
|
м тр= |
/ [(X + X - 1)^00 + Рлп] (Рб+ h). |
(V.94) |
По формуле (V.85) определяются максимальные напряжения растяжения в резьбе болтов и в их припасованной части, в кото рой кроме напряжений растяжения будут напряжения среза от крутящего момента.
Напряжения среза в припасованной части болта |
|
|||
МКр |
4Л1кр |
(V.95) |
||
ЕбпРпр |
R6nndlp |
|||
|
||||
Приведенные напряжения |
в |
болтах |
|
|
стпР = |
V о2 + 4т2. |
(V.96) |
||
151
Напряжение в месте примыкания вала к фланцу— сечение 0— О Напряжение растяжения
° Р = |
4-Рос |
(V.97) |
|
(по2 - 4 ) |
|||
|
■ |
||
Напряжение кручения |
|
|
|
М к |
16 M KpD 0 |
||
|
л ( D q — |
(V.98) |
|
|
d l) ' |
||
Напряжение изгиба |
Шо |
|
|
■'и! |
(V.99) |
||
*0 |
|||
|
|
||
152
Приведенные напряжения в сечении 0—О |
|
°пр = V{Op + ая1 + аи2)2 + 4т2. |
(V.101) |
Динамический расчет вала. При совпадении частот собствен ных поперечных или крутильных колебаний вала с частотой внешней возмущающей силы наблюдается явление резонанса, приводящее к значительным вибрациям ротора агрегата, при ко торых эксплуатация его недопустима. Возмущающая сила может быть вызвана нарушением симметрии как магнитного поля гидро генератора, так и подвода воды к рабочему колесу. Она может быть также вызвана неудовлетворительной механической балан сировкой ротора агрегата. Во всех этих случаях частоту возму щающей силы можно считать равной скорости вращения ротора.
Критической скоростью вращения называется скорость, при которой наблюдаются резонансные явления, численно равные частоте собственных поперечных или крутильных колебаний ротора.
Частота собственных колебаний ротора зависит от диаметра и длины вала, веса ротора генератора и рабочего колеса, рас стояния между опорами и их жесткости, от величины консоли рабочего колеса и в значительной степени зависит от момента инерции.
Расчет критических скоростей ротора горизонтального агре гата не отличается от расчета вертикального и может произво диться любым из известных методов [17], [25].
Для того чтобы при пусках и остановках не проходить через критическую скорость вращения, в гидротурбинах применяются только жесткие валы, у которых эта скорость выше нормальной и даже разгонной скорости. Расчет сводится к определению коэф фициента запаса, показывающего, насколько критическая ско рость выше, чем нормальная и разгонная скорости вращения агре гата.
Г Л А В A vl
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГИДРОТУРБИН
22. МАСЛОПРИЕМНИКИ
Маслоприемник служит для подвода и отвода масла, поступаю щего под давлением от золотника рабочего колеса к его сервомо тору. Через маслоприемник отводятся также протечки из полостей сервомотора в сливной бак МНУ. В конструкции маслоприемника наряду со штангами для подвода масла предусматриваются также детали обратной связи от штанг к золотнику. На маслоприемнике обычно располагают указатель угла поворота лопастей. Между маслоприемником и МНУ устанавливается главный распредели тельный золотник, который в зависимости от режима работы турбины соединяет полости сервомотора рабочего колеса с зонами напора или слива маслоприемника. Для обеспечения комбинатор ной зависимости между углами поворота лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата в маслоприемнике распола гается механизм, связанный с помощью тросовой передачи с ку лачком или клином комбинатора, управляющего перемещением главного распределительного золотника. Маслоприемник соеди няется с полостями сервомотора рабочего колеса штангами, со стоящими из двух соосных труб. Штанги располагаются в цен тральном отверстии вала агрегата и направляются бронзовыми втулками.
Масло попадает в полости сервомотора по внутренней и наруж ной штангам, которые перемещаются поступательно вместе с порш нем сервомотора.
В горизонтальных агрегатах применяются несколько различ ных конструкций маслоприемника в зависимости от компоновки агрегата и способа охлаждения генератора. Наиболее часто при меняется маслоприемник, установленный у свободного торца генераторного вала. В капсульных агрегатах при водяном охлаж дении генератора, когда свободный торец генераторного вала занят водоприемником, а также в агрегатах с мультипликатором, маслоприемник располагается на валу турбины. Конструкция такого маслоприемника значительно отличается от обычного.
При наличии в установке второго выходного статора более целесообразна установка маслоприемника во внутреннем поясе
154
этого статора. В этом случае специальных штанг не требуется, так как маслоприемник с полостями сервомотора рабочего колеса соединяется почти непосредственно.
В горизонтальных капсульных агрегатах с водяным охлажде нием генератора применяется совмещенное устройство — масловодоприемник, через который одновременно подводятся масло в сервомотор рабочего колеса и вода для охлаждения ротора гене ратора. Конструкция масловодоприемника разработана на ЛМЗ.
3 4 5 6 7
1 — ролик; 2 — букса; 3 — корпус маслоприемника; 4 — основание; 5 — сальник;
6 — штанга наружная; 7 — штанга внутренняя; |
8 — шариковый подшипник; 9 — тяга; |
10 — стрелка—указатель угла разворота лопастей |
|
Маслоприемник на торце вала |
генератора. Маслоприемник |
обычно крепится к кожуху возбудителя или к крышке ванны под пятника. В отдельных случаях он может устанавливаться без такого крепления, независимо и соединяться с капсулой непосред ственно с помощью специальных лап.
Маслоприемник такой конструкции, разработанный на ЛМЗ, показан на рис. VI. 1.
Выполненное из чугунного литья основание вместе с наружной штангой и сальником служит защитой от попадания масла в гене ратор. В основании маслоприемника предусмотрены специальные окна, через которые возможна регулировка положения сальника. Протечки масла через сальник собираются в нижней полости
155
основания, откуда они отводятся в сливной бак или в сливную
систему ГЭС.
К основанию крепится литой стальной или сварной из сталь ного листа корпус маслоприемника. Буксы и штанги распола гаются в корпусе маслоприемника таким образом, что образуют три полости Л, б и С. В наружную полость А поступают протечки масла из рабочего колеса, которые далее отводятся через патрубок в сливной бак МНУ.
Две внутренние полости В и С соединяются с одной стороны
трубами с главным распределительным |
золотником |
регулятора, |
с другой — посредством штанг с двумя |
полостями |
сервомотора |
рабочего колеса. Полость В служит для подачи масла на закрытие лопастей рабочего колеса, другая полость С — на открытие. Центральная штанга маслоприемника направляется буксой, ко торая одновременно разделяет внутренние полости корпуса.
В маслоприемнике расположен механизм, с помощью которого осуществляется связь поршня сервомотора рабочего колеса с выключающей системой комбинатора. Этот механизм состоит из тяги, шарикоподшипника, двух указательных стрелок, сколь зящих в прорезях шкал и ролика, установленного на кронштейне. Шкалы градуированы на углы разворота лопастей рабочего ко леса. Тяга имеет только возвратно-поступательное перемещение, благодаря которому тросом перемещается выключающая система комбинатора.
Маслоприемники на валу турбины
На рис. VI.2 показан маслоприемник конструкции ЛМЗ, выполненный для первой очереди горизонтальных капсульных турбин Череповецкой ГЭС. Он установлен у фланцевого соедине ния валов турбины и генератора. Преимуществами такого распо ложения маслоприемника являются: некоторое уменьшение длины агрегата; уменьшение длины трубопроводов и передач; упроще ние конструкции и значительное уменьшение длины штанг. К не достаткам такого расположения маслоприемника следует отнести: сложность конструкции обратной связи и увеличение протечек масла, ухудшающих режим работы масляных насосов.
Маслоприемник состоит из корпуса, уплотнительных колец и механизма, передающего движение поршня сервомотора рабочего колеса выключающей системе комбинатора. Все кольцевые детали маслоприемника разъемные и состоят из двух частей, за исключе нием уплотнительных колец, выполненных из четырех частей.
Корпус — литой чугунный, имеет два кольцевых канала. К торцам корпуса примыкают крышки, в которых установлены уплотнительные кольца. Внутренние поверхности корпуса и уплотнительных колец, соприкасающиеся с валом, залиты баб битом. Для уменьшения износа баббитовой заливки маслоприемник крепится к корпусу подшипника с помощью упругого кожуха.
156
обеспечивающего свободные радиальные перемещения маслоприемника вместе с валом. У крышки для сбора протечек масла через уплотнительное кольцо установлен маслосборник. Во избе жание повреждения баббита вихревыми токами маслоприемник изолирован специальными изоляционными прокладками.
Движение от штанг к выключающей системе комбинатора пе редается специальным механизмом, выполненным по следующей схеме.
1 2 |
3 |
k |
5 Б 7 |
8 |
9 |
|
Рис. VI.2. Маслоприемник на валу турбины: |
/ |
— маслосборник; 2 — передняя крышка; 3 — корпус; 4 — задняя’ крышка; |
5 |
— толкатель обратной связи; 6 — кожух; 7 — передвижное кольцо; 8 — ради |
|
альный толкатель; 9 — конус |
На штанге укреплен конус, к которому прижимаются три толкателя, направляемые бронзовыми втулками, установленными в сквозных отверстиях вала радиально. Одним концом толкатели упираются в конус штанги, другим — в клинья, расположенные на подвижном кольце. Для облегчения перемещения толкателей на их концах установлены ролики. Подвижное кольцо вращается вместе с валом и может перемещаться по валу поступательно. На подвижном кольце закреплен кольцевой погон повышенной твердости, в который упираются три тяги. В месте контакта кольца с погоном на тягах установлены шарикоподшипники. Две короткие нижние тяги прижимаются к погону пружинами. Верхняя тяга — более длинная, при помощи тросса связана с выключающей систе мой комбинатора. Ее прижим к кольцевому погону осуществляется грузом, расположенным в колонке регулятора.
При движении поршня сервмомотора рабочего колеса на закры тие конус штанги выжимает три толкателя, которые, нажимая
157
на три клина подвижного кольца, перемещают последнее, преодо левая усилия пружин и груза. При движении поршня сервомотора рабочего колеса на открытие конус штанги освобождает толкатели и последние под действием пружин и груза перемещаются внутрь, освобождая клинья подвижного кольца. Под действием усилий пружины и груза это кольцо переместится по валу в обратную сторону. Для облегчения перемещения кольца по валу на нем с двух сторон закреплены по шесть шарикоподшипников.
Маслоприемник, расположенный в выходном статоре. Масло-
приемник, расположенный во внутреннем поясе выходного статора со стороны нижнего бьефа, показан на рис. VI.3.
Конструкция его разработана на ЛМЗ и является типовой для компоновок агрегата с выходным статором. Комплектуется маслоприемник с опорным подшипником, закрепленным на фланце внутреннего пояса выходного статора. Крепление маслоприемника осуществлено на опорном подшипнике и двух лапах.
Маслоприемник состоит из корпуса, буксы и штанг. В зави симости от величины давления масла в системе регулирования корпус маслоприемника выполняется литым из чугуна или стали. В последних конструкциях маслоприемников корпус сварной из стального проката. В корпусе сверху выполнены два патрубка, к которым присоединяются трубы, связанные с главным распре
158
делительным золотником рабочего колеса. Две камеры А и В, образованные корпусом, буксой и штангами, соединяются с двумя полостями сервомотора рабочего колеса. Третья камера маслоприемника, куда отводятся протечки масла из рабочего колеса, соединяется с помощью трубопровода непосредственно со слив ным баком МНУ. Диаметр этого трубопровода принимается зна чительно меньшим по сравнению с диаметром основного трубо провода.
Штанги маслоприемника состоят из двух концентрично рас положенных труб. Они соединяются со штоком рабочего колеса, в котором выполнены кольцевые каналы и отверстия, соединяющие полости сервомотора с соответствующими камерами маслоприем ника. Перемещение штанг направляется в бронзовых втулках, запрессованных в корпусе маслоприемника и буксе. Штанги вра щаются вместе со штоком рабочего колеса, а в процессе регулиро вания одновременно перемещаются поступательно. Поступатель ное движение штанг с помощью обратной связи используется для возврата главного распределительного золотника в среднее поло жение по окончании процесса регулирования. Для этого конец внутренней штанги соединяется с тягой через сферический двух рядный шариковый подшипник. На выходе тяги из маслоприем ника установлен направляющий штифт и предусмотрено уплот нение. Поступательное перемещение тяги с помощью закреплен ного на ее конце троса передается выключающей системе комби натора.
Для слива остатков масла после опорожнения рабочего колеса в случаях ревизии или ремонта во всех камерах маслоприемника предусмотрены сливные трубы, объединенные в одну общую трубу, через которую масло поступает в сливной бак лекажного аг регата.
На основании маслоприемника у торца цапфы рабочего ко леса установлено кольцевое уплотнение — кольцо с баббитовой заливкой, которое под действием пружин прижимается к торцу опорной цапфы рабочего колеса.
Масловодоприемники
Масловодоприемник служит для одновременного подвода масла в сервомотор рабочего колеса и дистиллированной воды для форсированного охлаждения ротора генератора, а также для размещения механизма привода обратной связи. В масловодоприемнике совмещаются функции маслоприемника, водоприемника и механизма обратной связи к выключающей системе комбинатора.
Конструкция масловодоприемника, выполненная для гори зонтального капсульного агрегата Саратовской ГЭС с консольно расположенным рабочим колесом, показана на рис. VI.4. Он со стоит из следующих основных деталей: распределительной штанги из двух частей, соединенных фланцами, корпуса водоприемника,
159