Спиральная камера гидротурбины осуществляет равномерный подвод воды по окружности направляющего аппарата.
Металлическая спиральная камера, применяемая для средне- и высоконапорных турбин, может быть схематически представлена как постепенно сужающийся кольцевой конусообразный трубопровод, огибающий кольцевой статор. Внутренняя часть оболочки спиральной камеры вырезана, и края ее сопрягаются с нижним и верхним поясами статора. Меридиональные сечения спиральной камеры представляют собой окружности или овалы.
До последнего времени считалось, что нагрузка, передающаяся на оболочку, не меняется во времени, и расчет сводился к определению статических напряжений в различных сечениях спиральной камеры [3, 33, 46].
Однако экспериментальные исследования распределения напряжений в спиральных камерах, проведенные на Братской и Красноярской ГЭС, показали, что на ряде режимов работы турбины на спиральную камеру наряду со статической передается и динамическая составляющая нагрузки. При этом хотя циклическая нагрузка равна примерно 5—7% статической, из-за высокой чувствительности к асимметрии цикла, которую имеют материалы, применяемые для изготовления спиральных камер (с учетом коррозии коэффициент чувствительности составляет 0,3—0,4), необходимо определять их усталостную прочность.
При расчете напряжений в сечениях спиральной камеры под статической нагрузкой камера схематизируется в виде тороидальной оболочки, образованной вращением соответствующего сечения вокруг оси турбины.
В настоящее время имеются достаточно хорошо разработанные методы, позволяющие определять напряженное состояние тороидальных оболочек, меридиональными сечениями которых являются окружности или овалы [101], [1021.
Оболочки с произвольными сечениями можно рассчитывать на ЭВМ [28, 83].
Известно, что усталостная прочность деталей определяется местными напряжениями, поэтому при расчете статических напряжений необходимо учитывать возмущения напряженного состояния, обусловленные отклонениями формы оболочки от идеальной. В настоящее время имеется несколько работ, в которых рассматривается влияние неправильностей и технологических отклонений в форме оболочек на их напряженное состояние [29, 106, 114, 117, 122].
Моментное напряженное состояние тороидальной оболочки с учетом геометрической нелинейности
Рассмотрим моментное напряженное состояние тороидальной оболочки с учетом геометрической нелинейности. В этом случае решение можно получить, лишь используя ЭВМ.
Расчеты проводились по программе, разработанной ЛГУ им. А. А. Жданова на ЭВМ М-20.
Расчетами было установлено, что учет геометрической нелинейности по-разному влияет на внутренние усилия и моменты, возникающие в оболочке. Так, меридиональное растягивающее усилие Т1 почти не изменяется по сравнению с рассчитанным при недеформированном состоянии, существенно же. снижаются меридиональный изгибающий момент M1, окружное усилие Т2, перемещения оболочки и углы поворота сечений.
Рис. 69. Кривые изменения меридионального момента М, во втором сечений спиральной камеры турбины Красноярской ГЭС
Кривые изменения изгибающего момента M1 и усилия Т2 для одного из сечений оболочки, схематизирующей спиральную камеру турбины Красноярской ГЭС, приведены на рис. 67 и 69 (пунктиром даны результаты расчета этого сечения по линейной теории).
В приведенном примере косинусоидальное искажение поверхности было при угле θ= 30° с амплитудой а = 3,5 см; область возмущения была и при угле а = 30°.
Из рис. 67 и 69 видно, что максимальный изгибающий момент уменьшился примерно на 70%. Расчеты показали, что если искажение формы наблюдается в других местах оболочки, изгибающий момент также снижается до 70% и более.
Следует отметить, что расчетные изгибные напряжения, полученные с учетом геометрической нелинейности, имеют тот же порядок, что и найденные экспериментально на спиралях, подвергаемых искажениям. Так, в рассмотренном примере максимальные напряжения, связанные с искажением формы сечения, составили около 1000 кгс/см2, эти же напряжения, замеренные в спиральной камере турбины Красноярской ГЭС, достигали 750-800 кгс/см2. Расчетные максимальные напряжения без учета геометрической нелинейности при той же форме искажения σ≈1700 кгс/см2.
Таким образом, расчеты показали, что если спиральные камеры имеют неправильную форму, их напряженное состояние должно исследоваться только с учетом изменяемости формы оболочки при нагружении.
5. Влияние искажения формы спиральной камеры на ее напряженное состояние
Для того чтобы выяснить, как влияет характер искажения спиральной камеры на ее напряженное состояние, была проведена серия расчетов при различном расположении, амплитуде и ширине зон искажения (табл. 5). Расчеты показывают, что искажение формы поперечных сечений оказывает достаточно сильное влияние, даже если напряжения определялись с учетом геометрической нелинейности. Действительно, отступления от правильной круговой формы сечения спиральной камеры могут вызвать напряжения, достигающие предела текучести материала.
Отсюда можно сделать заключение о том, что, во-первых, напряженное состояние спиральной камеры должно оцениваться с учетом действительной ее формы и, во-вторых, при разработке новых спиральных камер должна быть создана система допусков на .изготовление, которая обеспечит приемлемый уровень напряжений в рассматриваемой конструкции, связанный с неточностью ее изготовления.
Наконец, при рассмотрении запасов усталостной прочности спиральной камеры также необходимо учитывать напряжения, возникающие из-за неточности ее изготовления.
