Файл: Стеклов, М. Л. Горизонтальные гидравлические турбины. Конструкция и расчет.pdf

Г Л А В А IV

КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТНЫХ ЧАСТЕЙ КАПСУЛЬНЫХ ГИДРОТУРБИН

К фундаментным частям горизонтальной капсульной гидро­ турбины относят обычно статор (входной и выходной), камеру турбины и фундаментное кольцо.

14. СТАТОР ТУРБИНЫ

Статор — основная крупногабаритная несущая конструкция агрегата. Он служит для восприятия всех нагрузок, как в оста­ новленном, так и во вращающемся агрегате, и для передачи их на бетон гидросооружения.

Наружное кольцо (пояс) статора бетонируется полностью или частично в зависимости от компоновки и размеров агрегата. Для большей надежности соединения статора с бетоном ГЭС его иногда связывают с арматурой основного бетона специальными стерж­ нями.

Статор (рис. IV. 1, а) состоит из наружной и внутренней обечаек, расположенных концентрично и соединенных колоннами обтекаемого профиля. Для увеличения жесткости и прочности обечайки снабжаются кольцевыми и поперечными ребрами.

На некоторых турбинах выпуска прошлых лет статор состоял из восьми колонн и выполнялся из восьми частей. Статор гидро­ турбины, изготовленный в 1971 г., выполнен с шестью строго радиальными колоннами и состоит из четырех частей. Чем меньше колонн, тем меньше сопротивления оказывают они потоку, тем лучше энергетические качества проточного тракта; меньшее число частей статора повышает его технологичность и экономичность

(рис. IV. 1, б).

Выполнение статора с наклонными колоннами объясняется стремлением получить более обтекаемую форму проточного тракта, более плавный переход от цилиндрической формы подводящей камеры к конической форме подвода потока к рабочему колесу. Такой статор, однако, труднее в изготовлении и менее удобен при транспортировке. Опыт проектирования и эксплуатации гори­ зонтальных капсульных гидротурбин показал, что более эконо­ мичный статор с колоннами, располагающимися в одной плоскости, характеризуется также достаточно хорошими гидравлическими качествами.

72

При выполнении такого статора фланцы его обечаек жела­ тельно располагать в одной плоскости. Это позволяет упростить установку и обработку статора на станке.

Толщина колонн статора выбирается исходя из прочности кон­ струкции. Две колонны (верхнюю и нижнюю, а иногда только одну верхнюю) проектируют более толстого профиля, чтобы обеспечить проход персонала через колонну внутрь турбинной части капсулы, а также прокладку масляных водяных и других

Рис. IV. 1. Статор гидротурбины: а — с наклонными колоннами;

1 , 3 — наружная и внутренняя обечайки; 2 — проходная колонна; 4 — тонкая колонна; 5 — треугольная колонна;

б —‘С радиальными колоннами

трубопроводов, необходимых для смазки подшипника, подачи воды в уплотнение турбины, дренажа из уплотнения и др.

Относительная толщина расширенных колонн принимается Ы1 ^ 0,425 и всех других

4 - ^ 0 ,1 1 - 0 ,1 5 ,

где I — длина, b —■наибольшая толщина профиля.

Статоры целесообразно изготовлять сварными (сварные обе­ чайки и сварные колонны) или сварнолитыми (сварные обечайки и литые колонны, привариваемые к обечайкам). Изготовляются и цельнолитые статоры, хотя они менее экономичны.

В зависимости от компоновки агрегата статор крепится к фун­ даменту и бетонируется различными способами. Так, например, статор, состоящий из восьми частей, забетонирован таким образом, что верхние две его части остаются свободными от бетона и съем­ ными [26],

73

Такая конструкция позволяет монтировать крупный блок турбины с длинным единым валом турбины и генератора. Эти съемные две части статора монтируются после установки ротора агрегата (Киевская ГЭС).

Статор крепится болтами к металлической сварной конструк­ ции, заложенной в бетон. Другой способ крепления статора заключается в установке его за гребенчатой бетонной частью фун­ дамента (рис. IV.2).

Шпильки, крепящие статор, расположены между гребнями и упираются перекладинами в два соседних гребня. Статор бетони­ руется полностью.

Статор, показанный на рис. IV.3, крепится к сварному за­ кладному кольцу из швеллеров, причем болты устанавливаются между швеллерами и притягивают к кольцу статор, который бе­ тонируется полностью.

Для крупных капсульных гидротурбин Саратовской ГЭС (диа­ метр рабочего колеса 7,5 м) статор перед бетонированием обвари­ вается по наружному поясу сеткой мощных арматурных стержней диаметром 40—60 мм. Кроме того, чтобы разгрузить статор, головная часть капсулы устанавливается на специальный обтекае­ мый бычок (рис. IV.4); окончанием бычка со стороны нижнего бьефа является нижняя колонна статора, выполненная в виде зуба. На внутренней обечайке этого статора, поскольку меха­ низмы управления лопатками направляющего аппарата распо­ ложены внутри турбинной части капсулы, предусмотрены две плиты с резьбовыми отверстиями для крепления двух сдвоенных прямоосных сервомоторов.

При всех указанных выше способах крепления статор уста­ навливается специальными лапами на бетонной тумбе с фунда­ ментными болтами и клиньями для центровки и выравнивания, а также растягивается талрепами и трубчатыми домкратами с целью достижения правильной геометрической формы перед бетониро­ ванием.

Выходной статор. В некоторых конструкциях, особенно это относится к крупным гидротурбинам с большим весом рабочего колеса, последнее устанавливается не консольно, а располагается на двух опорных подшипниках: переднем и заднем. Передний подшипник устанавливается в конусе-обтекателе, который пере­ дает нагрузку через внутреннее кольцо направляющего аппарата на входной статор. Для закрепления заднего подшипника за ра­ бочим колесом в первичном бетоне устанавливается так называе­ мый выходной статор. Кроме нагрузки от заднего подшипника настатор воздействует поток, сходящий с лопастей рабочего колеса.

Исследования в лаборатории ЛМЗ показали, что выходной статор в значительной мере нарушает поток, создает прослуши­ ваемые очаги кавитации, требующей защиты поверхностей ста­ тора, и снижает к. п. д. турбины.

74

Рис. IV.2. Крепление статора турбины Череповецкой ГЭС:

1 — статор; 2 — шпилька; 3 — гребень первичного бетона; 4 — перекладина

между двумя соседними гребнями

Рис. IV.3. Крепление статора турбины Перепадпых ГЭС

ксварному закладному кольцу:

/— сварное кольцо из швеллеров; 2 — статор; 3 — болты со спе­

циальными головками

Рис. IV.4. Профиль бетонного бычка с металлической ниж­ ней колонной статора

75

Исследованиями установлено, что для частичного устранения этих явлений выходной статор должен располагаться не ближе (0,54-0,6) D ! от оси поворота лопастей рабочего колеса, а

IV.6).

Нижняя вертикальная колонна отлита неполным профилем. Вместо входной кромки колонны в последней установлены трубы для отвода масла из подшипника, дренажа (масла и воды) и труба на случай опорожнения рабочего колеса и маслоприемника.

Рис. IV.6 . Профили колонн выходного статора (боковая колонна)

Эти трубы защищены облицовкой, плавно облегающей трубы

идополняющей недостающую часть профиля колонны. Статор перед бетонированием растягивается талрепами (рас­

тяжками) и отжимается трубчатыми домкратами, после чего тал­ репы и домкраты привариваются к арматуре первичного бетона и к статору.

76

Расчет статора

При расчете статора на прочность рассматриваются следующие режимы работы турбины1.

1. Максимальная мощность. В этом случае на статор действуют: осевое усилие воды на лопасти рабочего колеса и на лопатки

направляющего аппарата при максимальной мощности; крутящий момент на валу турбины; вес ротора агрегата.

2 . Аварийное закрытие направляющего аппарата:

осевое усилие на направляющем аппарате с учетом повышения давления;

вес ротора агрегата.

ПI

Рис. IV.7. Схема установки агрегата (к расчету статора)

3. Двухфазное короткое замыкание во время аварии в генера­ торе. В этом случае на статор действуют:

крутящий момент при коротком замыкании (выдается заводомизготовителем генератора);

осевое усилие воды на лопасти рабочего колеса и на лопатки направляющего аппарата при режиме максимальной мощности;

вес ротора агрегата.

При расчете статора делаем следующие допущения.

1. Колонны (сечение / —/, рис. IV.7) представляют собой балки, расположенные в вертикальной плоскости, с одной сто­ роны жестко закрепленные в наружном поясе статора, упругостью

этом принимается, что колонны могут только изгибаться и пере­ мещаться, но не поворачиваться в местах заделки;

На рис. IV.7 начало координат системы осей 1, £, г] совпа­ дает с центром тяжести капсулы, причем ось £ направлена вдоль оси турбины. Ось | — вертикально вниз; ось г) направлена перпен-

1 Расчет дан по материалам Бюро прочностных расчетов гидротурбин ЛМЗ.

77

дикулярно плоскости £ —■£; система координат £, £, т] — правая. Система координат х, у , г связана с колоннами статора; ось х направлена по оси колонны к капсуле; ось у совпадает по направле­ нию с осью £; ось z — перпендикулярна плоскости х — у\

2.Колонна капсулы (сечение II—II) также жестко соединена

скапсулой, но вверху закреплена в фундаментной раме шарнирно. Колонны имеют соответствующую нумерацию (рис. IV.7).

Расчет на осевое усилие потока

Осевое усилие, воспринимаемое статором, равно

Рос = а - J - ( D \ —^вт) у Н макс + Z qR b I , (IV.1)

где Рос — осевое усилие потока, действующее на рабочее колесо и направляющий аппарат при максимальной мощности; D x — диаметр рабочего колеса, м; dBT— диаметр корпуса рабочего колеса по шару, м; у — удельный вес воды, т/м3; z0 — число лопаток направляющего аппарата; RB?— проекция реакции внутренней цапфы RB на ось £ (см. рис. V.7), т; # макс — макси­ мальный напор агрегата с учетом повышения давления при быстром

Поскольку колонны являются относительно короткими бал­ ками, то при их расчете на изгиб в направлении максимальной жесткости следует учесть влияние перерезывающей силы.

Уравнение прогиба колонн с учетом влияния перерезываю­ щей силы записывается следующим образом:

А

У'" EIZ

78

Граничные условия для определения произвольных постоян­ ных следующие:

х = 0; у = 0; у' = 0;

(IV.4)

* = 1/' = 0; — Ely"' = У,

где К — перерезывающая сила, действующая в месте сопряжения

79