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

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

Для удобства пересчета с модели на натурную турбину поль­ зуются коэффициентами Ср и Ст, определяемыми эксперимен­ тально (рис. V.9, а, б).

Ср — коэффициент гидравлического усилия, зависящий от формы лопатки и угла открытия а 0; Ст — коэффициент гидравлического момента, зависящий от формы лопатки, расположения оси пово­

где D x — диаметр рабочего колеса, м; Q\ — приведенный расход, л/с; Н — напор, м.

Для определения реакций в опорах лопатки и потребного усилия сервомотороз лопатка рассматривается как двухопорная балка, на которую действуют гидравлическая распределенная нагрузка Р и часть усилия сервомоторов, приходящаяся на одну лопатку, Рс. Гидравлическая распределенная нагрузка заме­

няется гидравлической си­ лой Рг, приложенной в центре давления пера ло­ патки, с координатой xs

(см. рис. V.7, а, б).

ПО