7. РАБОЧИЕ КОЛЕСА РАДИАЛЬНО-ОСЕВЫХ ГИДРОТУРБИН
Конструкция и технология изготовления рабочего колеса радиально-осевой турбины зависит от его габаритов и напора, для которого оно предназначено.
Рис. 3-14. Разъемное рабочее колесо радиально-осевой турбины, D1=5,5 м.
В настоящее время для радиально-осевых турбин применяются рабочие колеса со штампованными лопастями, заливаемыми
в чугунную ступицу и нижний обод, цельнолитые, сварные с профилированными лопастями, сборные сварно-литые. Рабочие колеса со штампованными залитыми лопастями применяются для турбин небольшой мощности, работающих при малых напорах.
Рабочие колеса средне- и высоконапорных турбин изготовляются стальными литыми или сварно-литыми, при этом рабочие колеса мощных турбин по условиям транспортирования могут быть изготовлены разъемными из двух и более частей. Сборка их осуществляется при монтаже на месте установки.
На рис. 3-14 показано рабочее колесо мощной гидротурбины диаметром 5,5 м с радиальным разъемом. Рабочее колесо, состоящее из ступицы 1, лопастей 2 и нижнего обода 3, отлито из трех частей, соединенных между собой по ступице болтами 4, верхним бандажом 5 и бандажом ступицы 6, а по нижнему ободу бандажом 7. Все бандажи надеваются на колесо в нагретом состоянии.
Такое соединение частей рабочего колеса при этих габаритах не решает полностью вопроса его транспортабельности. Части рабочего колеса получаются габаритными и могут быть перевезены по железной дороге, но нижний бандаж остается негабаритным и доставка его на место установки турбины представляет большие затруднения.
Гораздо удачнее выполнено рабочее колесо турбины Братской гидроэлектростанции (рис. 3-15). Оно изготовлено в виде сварно-литой конструкции. Отдельно отлитые из стали лопасти 1, нижний обод 2 и ступица 3 свариваются между собой на заводе электросваркой с последующей термической обработкой. Такая конструкция рабочего колеса упрощает технологический процесс получения отливок и позволяет более точно отлить и обработать лопасти, нижний обод и ступицу. Кроме того, раздельное изготовление отливок дает возможность при сборке установить лопасти более точно, чем при изготовлении цельнолитого колеса, что положительно сказывается на его гидравлических качествах.
Вследствие того что рабочее колесо целиком не может транспортироваться по железной дороге, оно выполнено из двух симметричных частей, соединяемых между собой по ступице припасованными болтами 4, а по нижнему ободу — электросваркой. При таком выполнении рабочего колеса исключается бандаж.
Рис. 3-15. Сварно-литое рабочее колесо радиально-осевой турбины.
Рабочие колеса высоконапорных турбин выполняются чаще всего литыми стальными, однако в последних конструкциях начали иногда применяться и сварные колеса. Поверхности рабочих колес этих турбин подвержены интенсивному износу из-за больших скоростей потока, несущего всегда много взвешенных примесей. Поэтому рабочие колеса на высокие напоры изготовляются из углеродистых сталей повышенной твердости или из нержавеющих сталей. Конструкция таких турбин должна допускать быструю замену изношенных рабочих колес новыми без демонтажа агрегата.
8. РАБОЧИЕ КОЛЕСА ПОВОРОТНОЛОПАСТНЫХ ГИДРОТУРБИН
Втулки, лопасти и обтекатели рабочих колес поворотнолопастных гидротурбин изготовляются литыми из кавитационностойких сталей, а элементы механизмов поворота лопастей — из высокопрочных сталей. Для лопастей чаще всего применяются нержавеющие стали.
Соединение рабочего колеса с валом турбины осуществляется с помощью отдельного промежуточного элемента втулки — крышки рабочего колеса, к которой и крепится фланец вала. В некоторых конструкциях турбин крышка рабочего колеса отсутствует, но в этих случаях вал имеет расширенный нижний фланец и крепится им непосредственно к втулке.
Механизм поворота лопастей состоит из сервомотора, являющегося двигателем, и рычажной системы, соединяющей шток или непосредственно поршень сервомотора с кривошипами, расположенными на цапфах лопастей. Поворот лопастей рабочего колеса производится давлением масла, поступающего из маслонапорной установки регулятора скорости через золотник комбинатора и маслоприемник рабочего колеса в соответствующие полости штанги, проходящей внутри вала. По штанге масло поступает в полость цилиндра сервомотора над поршнем или под ним. При этом поршень сервомотора, передвигаясь под действием масла вверх или вниз, перемещает рычажную систему, с помощью которой и поворачиваются лопасти.
Рис. 3-16. Рабочее колесо поворотнолопастной турбины.
По способу соединения рычажной системы с поршнем сервомотора рабочие колеса можно разделить на крестовинные и бескрестовинные. В рабочем колесе крестовинного типа система рычагов соединяется с поршнем сервомотора через крестовину, насаживаемую на шток. В рабочем колесе бескрестовинного типа система рычагов крепится непосредственно к поршню сервомотора.
На рис. 3-16 показана конструкция рабочего колеса крестовинного типа крупной поворотнолопастной гидротурбины с восемью лопастями 1. Наружная поверхность корпуса 2 обработана по шару, что уменьшает торцевые зазоры между пером лопасти и корпусом при разных углах поворота лопастей.
Цапфы лопастей 3 опираются на бронзовые втулки 4, 5. На цапфы с внутренней стороны насажены рычаги 6, а к наружной стороне присоединены лопасти. Фланец лопасти, фланец цапфы и рычаг стягиваются между собой болтами 7 и фиксируются друг относительно друга цилиндрическими шпонками.
Центробежные силы в лопастях, возникающие при вращении колеса, воспринимаются бронзовыми кольцами 8. Эксцентрично расположенные пальцы рычагов при помощи серег 9 и проушин 10 соединяются с крестовиной 11, закрепленной на штоке 12. Шток направляется в бронзовых втулках 13, 14, 15, расположенных соответственно во фланце вала и внутреннем приливе корпуса. К верхнему концу штока присоединяется штанга 16 с двумя полостями для подачи масла в сервомотор рабочего колеса. Цилиндр сервомотора образован непосредственно в верхней части корпуса. Крышкой цилиндра является фланец вала 17 турбины. Внутри цилиндра перемещается поршень 18, закрепленный на штоке разъемным закладным кольцом 19. Для предохранения крестовины от поворота при наклонном положении серег в корпусе колеса предусмотрены две скользящие шпонки 20, входящие в соответствующие пазы крестовины.
Через штангу, состоящую из двух труб, расположенных одна внутри другой, к сервомотору подается масло под давлением. При подаче масла в пространство над поршнем он будет двигаться вниз и с помощью штока, крестовины и серег поворачивать лопасти на открытие. Подача масла под поршень будет перемещать его вверх, и лопасти закроются. Излишек масла вытесняется из цилиндра через центральную трубку 21. Нижняя часть корпуса колеса всегда заполнена маслом, поступающим в виде протечек по штоку из нижней полости сервомотора. Снизу корпус закрыт днищем 22, предотвращающим протечки масла из корпуса. Для предотвращения протечек масла через лопасти, а также попадания внутрь корпуса воды между корпусом и фланцами лопастей устанавливаются специальные уплотнения 23.
К днищу корпуса прикрепляется обтекатель 24, служащий для направления потока за рабочим колесом.
Периферийные кромки лопастей обрабатываются с таким расчетом, чтобы зазор между ними и камерой составлял не более 0,001 от диаметра рабочего колеса (D1).
В последнее время отечественными заводами созданы новые конструкции рабочих колес с более простыми схемами привода лопастей без штока и крестовины. Одна из конструкций рабочего колеса без штока и крестовины с совмещенными полостями сервомотора и механизма поворота лопастей приведена на рис. 3-17. Такое исполнение рабочего колеса менее трудоемко и вес его меньше. Кроме того, центр тяжести рабочего колеса повышается и приближается к направляющему подшипнику турбины, что благоприятно сказывается на работе подшипника.
Рис. 3-17. Рабочее колесо поворотнолопастной турбины без штока и крестовины.
1 — втулка; 2 —рабочая лопасть; 3 — цапфа; 4 — рычаг; 5 — серьга; 6 — поршень сервомотора; 7 — вал турбины.
Уплотнения рабочих лопастей в современных конструкциях гидротурбин выполняются чаще всего съемными для удобства ремонта их без выема лопастей колеса. Одна из конструкций уплотнения представлена на рис. 3-18. Это уплотнение состоит из кольца 1. крепящегося болтами к фланцу лопасти 2. В цилиндрические выточки кольца установлены пружины 3, упирающиеся в прижимное кольцо 4, которое крепится к кольцу винтами 5 и имеет возможность перемещаться вертикально.
Рис. 3-18. Уплотнение лопасти рабочего колеса.
Для предотвращения протечек масла через зазоры между кольцом лопасти и прижимным кольцом предусмотрена цельная резиновая мембрана 6, которая крепится двумя разъемными кольцами 7 и 8 соответственно к кольцу лопасти и прижимному кольцу. Все эти детали при повороте лопасти перемещаются вместе с ней. К торцевой полости окна в корпусе 9 рабочего колеса с помощью упорного кольца 10 прикреплено резиновое уплотнительное кольцо 11. К его выступающей части давлением масла, находящегося в корпусе колеса, и усилием пружин, движущихся вместе с лопастью, прижимается кольцо 4. Уплотнение закрывается облицовкой 12, наружная поверхность которой обтекается водой. Все детали уплотнения выполняются разъемными, за исключением кольца лопасти, прижимного кольца, резиновых мембран и уплотнительного кольца.
