VIII.2. КОНСТРУКЦИИ ДИСКОВЫХ, ШАРОВЫХ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ (КОНУСНЫХ) ЗАТВОРОВ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И РАЗМЕРЫ
В настоящее время для установки на напорных трубопроводах ГЭС наиболее широко используют следующие модификации дисковых, шаровых и цилиндрических (конусных) затворов, которые обеспечивают надежную эксплуатацию гидроагрегатов и напорных трубопроводов в нормальных и аварийных режимах работы: дисковые затворы с плоскоскошенным диском типа ЗДс, с плоским диском типа ЗДп, с бипланным (решетчатым) диском типа ЗДб, шаровые затворы с тарельчатым клапаном типа ЗШт; цилиндрические (конусные) затворы типа ЗЦк.
В табл. VIII.5—VIII.7 приведены параметры дисковых, шаровых и цилиндрических затворов, освоенных производством как до, так и после их классификации и стандартизации по размерам и напорам. Поэтому параметры затворов, указанные в табл. VIII.5—VIII.7, могут отличаться от стандартизованных параметров, приведенных в табл. VIII. 1—VIII.4.
Дисковые затворы
Дисковые затворы с плоскоскошенным диском. Параметры и размеры дисковых затворов, освоенных производством, приведены на рис. VIII.3 и в табл. VIII.5.
Корпус 7 затвора выполняют литым или сварно-литым из сталей 25Л, 20ГСЛ, МСт3. При диаметре 2600 мм и выше корпус затвора выполняют разъемным из двух или более частей; для удобства сборки один из разъемов лежит в плоскости, проходящей через ось поворота диска. Корпус имеет лапы для установки на фундамент, фланцы для соединения с напорным трубопроводом, втулки для установки подшипников и в отдельных случаях патрубки для присоединения байпаса.
Диск 2 затвора — литой или сварно-литой, имеет плоскоскошенную форму, благодаря чему потери напора в открытом положении затвора могут быть сведены к минимуму. Диски затворов диаметром более 4000 мм для удобства транспортирования и по соображениям технологии производства делают разъемными из трех частей: центральной и двух боковых.
Способ соединения цапф с диском зависит от принятой конструкции затв,ора и технологии его изготовления. Цапфы могут быть выполнены в виде сплошного вала, на который насаживается диск, фиксируемый на валу цилиндрическими штифтами; приварными к диску; посаженными в гнезда диска по горячепрессовой посадке с фиксацией штифтами; отлитыми за одно целое с диском.
Периферийную часть (обод) диска изготовляют из коррозионно-стойкой стали (типа Х18Н9Т) во избежание коррозионного, абразивного и кавитационного изнашивания.
Цапфы диска в зоне подшипников облицовывают листами из коррозионно-стойкой стали.
Подшипник скольжения 4 в виде бронзовой втулки или втулки из композиционного материала полиамида-фторопласта, армированного стеклопластиком, запрессовывают в корпус затвора или в корпус подшипника. Втулки длиной более 400 мм делают из двух частей для удобства изготовления или запрессовывания в корпус.
Подшипники с бронзовыми втулками периодически (раз в месяц) смазывают густой масляной смазкой. Подшипники из композиционного материала смазывают только при монтаже.
Уплотняют подшипники резиновыми манжетами или сальниковой набивкой. Для ограничения перемещения диска вдоль оси поворота устанавливают дистанционные бронзовые кольца.
Из положения «Затвор открыт» в положение «Затвор закрыт» диск поворачивается сервомоторами 6 через рычаги 5.
Рис. VIII.3. Дисковый затвор с плоскоскошенным диском (тип ЗДс)
Таблица VIII.5. Параметры и размеры затворов с плоскоскошенным диском
Примечания. 1. Принятые обозначения: D — диаметр дискового затвора в свету (номинальный); Hp и Qp — расчетные напор и расход; i3 — время закрытия затвора; m3 — масса затвора (без комплектующего оборудования); z, z1, z2 — число болтов; остальные размеры см. на рис. VIII.3. 2. Номинальный диаметр D выбирают из условия равенства скоростей в затворе и трубопроводе.
Затворы и сервомоторы крепят к фундаменту при помощи болтов 7. Диск затвора фиксируют в закрытом положении стопорным устройством 8. В положении «Затвор закрыт» зазор между диском и корпусом перекрывается различными по конструкции уплотнениями 3.
Надувное уплотнение (рис. VII 1.4) состоит из пустотелого резинового шланга 2 с привулканизированным ниппелем 1. Шланг устанавливают в корпус 3 затвора и крепят планками 4 и винтами 5. Уплотнение работает за счет воздуха, подаваемого под давлением внутрь шланга. Шланг при этом расширяется и перекрывает зазор между диском и корпусом, уплотняя затвор. Надувные уплотнения применяют при статическом напоре Нст до 100 мм. Давление внутри шланга рш=(1,24-1,3)Hст. Рекомендуемые размеры (рис. VIII.4): t=11,75 мм; t1=0-0,5 мм; t2=1,0 мм; t3=0,5 мм. Внутри шланга имеется пружина, предохраняющая его от сплющивания наружным давлением воды. Шланги изготовляют из резины с твердостью 45-65 HSh.
Рис. VIII.4. Надувное уплотнение дискового затвора типа ЗДс
Рис. VIII.5. Натяжное резиновое уплотнение
Натяжное уплотнение (рис. VIII.5) представляет собой резиновый шнур 4 прямоугольного или трапецеидального сечения. Шнур располагается на периферийной кромке диска 3 и крепится к нему планками 1 и болтами 2. Натяжные уплотнения применяют до напора Hст=180 м. При использовании этих уплотнений привод затвора рассчитывают с учетом момента трения в уплотнении. Рекомендуемые размеры (рис. VIII.5): t=1-1,5 мм; т = 20 мм; n= 30 мм; a=7-10°.
Дисковые затворы с плоским диском. Параметры и размеры дисковых затворов с плоским диском, освоенных производством, приведены на рис. VIII.6 и в табл. VIII.6.
Корпус 2 затвора (рис. VIII.6), подшипники 1, рычаги 6, сервомоторы 7, болты фундаментного крепления 9 подобны одноименным элементам затвора с плоскоскошенным диском.
Диск 3 затвора в диаметральном сечении имеет форму прямоугольника. Для уменьшения сопротивления потоку перед диском и за ним устанавливают неподвижные обтекатели.
В отличие от затворов с плоскоскошенным диском, затвор с плоским диском имеет двойной ряд уплотнений, расположенных в плоскостях торцовых стенок диска: ремонтное (резервное) 4 на входе в затвор и рабочее (оперативное) 5 на выходе из него. Это позволяет заменять рабочее уплотнение без опорожнения напорного трубопровода (под защитой резервного уплотнения). При нормальной работе гидроагрегата включается и работает только рабочее уплотнение затвора; резервное включается в работу только в случае замены рабочего уплотнения и при производстве ремонтных работ в проточной части турбины в целях обеспечения большей герметичности и безопасности работ, проводимых под защитой затвора. В этом случае открывается дренаж 8 в полости между двумя рядами уплотнений.
Рис. VIII.6. Дисковый затвор с плоским диском (тип ЗДп)
Таблица VIII.6. Параметры и размеры затворов с плоским диском
Примечания: 1. Принятые обозначения см. в прим. 1 к табл. VIII.5; t0— время открытия затвора, размеры — на рис. VIII.6. 2. Диаметр затвора в свету D (номинальный) выбирают из условия равенства скоростей в затворе и трубопроводе.
Конструкция затвора с двойным рядом уплотнений и дренажом между ними для отвода протечек через первый (по потоку) ряд уменьшает в три—пять раз протечки через затвор по сравнению с затворами других конструкций.
Резервное уплотнение рекомендуется выполнять нажимным металлическим или другого типа, выключающегося из работы при нормальной эксплуатации. · В качестве рабочих, как правило, применяют натяжные уплотнения.
Дисковые затворы с плоским диском, работающие при напоре 120 м и выше, имеют меньший коэффициент гидравлического сопротивления по сравнению с затворами с плоскоскошенным или чечевицеобразным диском, так как из условия равнопрочности толщина плоского диска может быть принята меньшей. Это делает рациональным применение затворов с плоским диском при более высоких напорах.
Бипланные дисковые затворы. В настоящее время в практике гидротехнического строительства широко применяют так называемые бипланные дисковые затворы. Название их произошло от формы диска, представляющего собой пространственную решетку в виде двух пластин, соединенных ребрами.
Конструктивные схемы и параметры бипланных дисковых затворов типов ЗДб и ЗДбс приведены в табл. VIII.2.
Бипланные дисковые затворы обладают рядом преимуществ по сравнению с дисковыми затворами других форм. К таким преимуществам относятся: меньшие гидравлические потери напора в затворе, составляющие 70—80 % от потерь напора в дисковых затворах обычной конструкции; эффект спрямления потока, заключающийся в меньшем воздействии затвора на стационарный поток за ним (в спиральной камере гидроагрегата), что благоприятно сказывается на энергетических качествах турбины; возможность уплотнения затвора по всей периферии диска; меньшая трудоемкость изготовления диска как в литом, так и в сварном исполнениях.
Результаты исследований показали: 1) равноскоростные затворы (удовлетворяющие условию постоянства скорости в напорном трубопроводе и затворе) и обычные затворы (диаметр которых равен диаметру напорного трубопровода) имеют одинаковые коэффициенты гидравлического сопротивления; 2) коэффициенты гидравлического сопротивления в режиме обратного потока (ГАЭС, насосные станции) на 5—10 % больше, чем при прямом потоке; 3) коэффициент гидравлического сопротивления бипланного затвора с обтекателями в области цапф на 10 % меньше, чем затвора без обтекателей.
Бипланные затворы могут применяться на напоры до 230 м. Минимальный размер бипланных затворов ограничивается возможностью такой приварки диагональных (вертикальных) ребер к двум параллельным пластинам, чтобы поверхности в углах были удобообтекаемыми. Максимальный размер затворов ограничивается производственным оборудованием, габаритами транспортных средств, возникающими при этом проблемами секционирования диска и обеспечения надлежащей жесткости деталей.
Конструкция бипланных дисковых затворов аналогична конструкциям дисковых затворов с плоскоскошенным и плоским дисками во всем, кроме устройства ротора (диска).
В зависимости от конструкции диска бипланные затворы подразделяются на два типа: ЗДб и ЗДбс (см. табл. VIII.2).
Первый тип (ЗДб) имеет один ряд уплотнений натяжного типа и применяется на напор до 170 м.
Второй тип (ЗДбс) имеет два ряда уплотнений и применяется на напор до 230 м. На пластине, первой по потоку, расположено резервное (ремонтное) уплотнение, представляющее собой металлическое кольцо, передвигаемое вручную винтовым механизмом; на второй пластине размещено оперативное уплотнение натяжного типа (см. рис. VIII.5). Резервное уплотнение включается в работу только при ремонте оперативного уплотнения или одновременно с ним, если ведутся ремонтные работы в напорном трубопроводе и проточной части гидротурбины под защитой дискового затвора. При этом для уменьшения протечек через затвор открывается дренаж между уплотнениями.
Шаровые затворы с тарельчатым клапаном
Параметры и размеры шаровых затворов типа ЗШт приведены на рис. VIII.7 и в табл. VIII.7.
Корпус 4 затвора выполняется, как правило, литым и имеет технологический вертикальный или горизонтальный разъем. Затворы диаметром более 3,0 м имеют корпуса с разъемами в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, что продиктовано условиями сборки и транспортировки. Четыре лапы в нижней части корпуса служат для установки затвора на фундамент. В корпусе выполняют расточки: под подшипники по оси поворота ротора, под подвижное кольцо ремонтного уплотнения — с входной стороны, для установки седла (кольца) рабочего уплотнения — с выходной стороны. На корпусе предусмотрены три прилива с отверстиями: один с входной стороны вверху (для присоединения обвода разгрузки ремонтного уплотнения), два с выходной стороны (вверху — для присоединения байпаса, внизу — для слива воды из корпуса при закрытом ремонтном уплотнении).
Ротор 3 затвора состоит из корпуса ротора и цапф. Корпус ротора может быть литым или сварным. Цапфы (кованые) соединены с корпусом ротора болтами (на затворах диаметром более 2 м) или при помощи сварки (на затворах диаметром менее 2 м). Две расточки на корпусе ротора предназначены: вверху — для установки клапана 2 рабочего уплотнения, внизу — для крепления уплотнительного кольца ремонтного уплотнения.
Ротор затвора диаметром свыше 3 м по условиям транспортировки выполняют разъемным. Части ротора соединяют между собой крепежом.
Рис. VIII.7. Шаровой затвор с тарельчатым клапаном (тип ЗШт)
Таблица VIII.7. Параметры и размеры шаровых затворов с тарельчатым клапаном
Примечание. Принятые обозначения см. в примеч. 1 к табл. VIII.5, размеры — на рис. VIII.7.
Цапфы ротора на участке сопряжения с подшипниками облицовывают листами из коррозионно-стойкой стали. На наружные концы цапф насажены рычаги 6, закрепленные цилиндрическими клиновыми шпонками. Ротор поворачивается сервомоторами 8, которые соединены с рычагами пальцами.
Рабочее уплотнение затвора состоит из сферического клапана 2 и уплотнительного кольца (седла). Клапан имеет сменное кольцо из коррозионно-стойкой стали.
Ремонтное уплотнение 10 состоит из подвижного и неподвижного колец и винтового механизма передвижения подвижного кольца. Иногда для передвижения последнего используют давление воды из напорного трубопровода. Подвижное кольцо перемещается в расточке входного фланца корпуса затвора в осевом направлении при вращении гаек винтового механизма до упора в кольцо на роторе и тем самым создает необходимое уплотнение. Зазор в месте сопряжения подвижного кольца с корпусом затвора уплотняют резиновым шнуром. При закрытом ремонтном уплотнении к подвижному кольцу приложено усилие давления воды, препятствующее его отжатию. Поэтому для перемещения кольца в направлении открытия уплотнения предусмотрен обвод 1 для гидравлической разгрузки ремонтного уплотнения. Шаровые затворы с ремонтным уплотнением устанавливают, как правило, перед гидроагрегатами, вода к которым подводится по одному общему водоводу. Благодаря этому возможна остановка одного агрегата при работе остальных.
В закрытом положении затвора клапан рабочего уплотнения прижимается к его седлу давлением воды, подаваемой через щелевой зазор в полость между ротором и клапаном. При открытии затвора вода из этой полости сливается через канал в роторе и по специальной сливной магистрали, управляемой гидроклапаном 9.
Для выравнивания давления воды перед и за ротором перед открытием затвора служит байпас 5.
Конструкция подшипников 7 в шаровых затворах такая же, как в дисковых. Втулки подшипников выполняют из бронзы. Смазка — густая. Уплотнение подшипников — резиновыми манжетами. Зазоры между разъемами корпуса затвора, между корпусом подшипника и корпусом затвора уплотняют резиновыми шнурами.
