Содержание материала

Рабочие колеса выполняют из коррозионно-стойких (нержавеющих) сталей, хорошо сопротивляющихся воздействию кавитации и гидро-абразивной эрозии, и из низколегированных сталей с защитой поверхностей элементов, подверженных разрушающему воздействию. Для возможности восстановления разрушенного материала в процессе эксплуатации он должен обладать удовлетворительными свариваемостью и обрабатываемостью пневматическим инструментом.

Рис. XI. 1. Основные варианты (а—г) сварных рабочих колес:
1, 4 — сварные швы; 2 — обод; 3 — лопасть; 5 — ступица; 6 — защитное покрытие; 7 — пенек ступицы

По способу формообразования рабочие колеса могут быть цельнолитыми или сварными. Сварное исполнение позволяет точнее выдержать шаг расположения лопастей и форму межлопастных каналов, способствует уменьшению статического небаланса рабочих колес, элементы колес могут быть изготовлены из сталей разных марок и наиболее рациональными методами; при этом создаются условия для значительного увеличения размеров и массы рабочих колес. Основные варианты конструкций сварных рабочих колес показаны на рис. XI. 1.
Основные требования к качеству изготовления рабочих колес можно разделить на три группы.

Таблица XI.2. Химический состав отливок из углеродистых, низколегированных и коррозионно-стойких сталей

Таблица ΧΙ.3. Механические свойства отливок из углеродистых, низколегированных и коррозионно-стойких сталей, не менее

Примечание. Принятые обозначения: σ0,2—условный предел текучести; σв — временное сопротивление; δ5 — относительное удлинение; φ — относительное сужение; KCU — ударная вязкость образцов с U-образным надрезом; НВ — твердость по Бринеллю.

Таблица XI.4. Химический состав проката из низколегированных и коррозионно-стойких сталей

Таблица XI.5. Механические свойства проката из- низколегированных и коррозионно-стойких сталей, не менее

Примечания: 1. Здесь σт — предел текучести; остальные принятые обозначения см. в примечании к табл. XI.3.2. Сталь 10Х14АГ12М применяется как опытная, так как обладает высокой стойкостью против воздействия кавитации.

Первая группа включает требования к качеству материала частей колеса и сварных соединений:

  1. химический состав и механические свойства конструкционных сталей, применяемых для изготовления рабочих колес, а также в качестве защитных покрытий, приведены в табл. XI.2—XI.5.
  2. в отливках ступиц не допускаются дефекты, которые могут быть классифицированы как непрерывные (трещины и цепочки дефектов); допускаются изолированные дефекты размером до 5 мм при расстоянии между ними не менее 50 мм и скопления мелких включений общей площадью до 20 см2 при расстоянии между смежными зонами скоплений не менее 100 мм.
  3. в лопастях, изготовленных из листового проката, не допускается наличие трещин, флокенов, крупных неметаллических включений и расслоений размером более 50X50 мм при расстоянии между ними менее 500 мм.
  4. в сварных швах не допускаются дефекты, которые могут быть классифицированы как непрерывные; допускаются изолированные дефекты размером до 3 мм при расстоянии между ними не менее 10 мм и до 5 мм при расстоянии между ними не менее 50 мм при общем количестве не более 5 на 1 м шва; на участках сварных швов длиной 200—250 мм, начиная от торца выходной кромки, никакие дефекты не допускаются.
  5. термообработка рабочих колес должна обеспечивать максимальное снятие сварочных напряжений; остаточные напряжения после окончательной термообработки не должны превышать 100 МПа.

Вторую группу составляют требования к точности размеров и формы, плавности и шероховатости поверхностей элементов проточной части рабочих колес:

  1. в соответствии с ОСТ 108.242.01—76 расстояния в свету а измеряют в четырех— шести сечениях (рис. ΧΙ.2) в зависимости от размеров и формы проточной части рабочего колеса. Стандарт нормирует допускаемые отклонения среднего для колеса значения а от номинального значения, заданного чертежом, и допускаемый разброс измеренных значений а от среднего значения, а также отклонения диаметров проточной часта, показанных на рис. XI.2. Допускаемые отклонения устанавливаются в зависимости от размеров рабочего колеса (от величины D1b0 и номинального расстояния в свету  а);
  2. плавность формы поверхностей лопастей проверяют наложением гибкой линейки. Допускаемый зазор между линейкой длиной 200 мм и обмеряемой поверхностью не должен превышать 3 мм. Остальные требования к точности основных элементов проточной части сварных рабочих колес приведены в табл. XI.6;
  3. шероховатость Ra обтекаемых водой поверхностей ступицы и обода должна быть не менее 5 мкм. Лопасти шлифуют до шероховатости Ra=2,5 мкм, а зона выходной кромки и галтельные переходы к ступице и ободу должны иметь шероховатость не менее Ra=1,25 мкм.

К третьей группе относятся требования, предъявляемые к точности механической обработки:

  1. сопряжение буртика вала с выточкой во фланце рабочего колеса (см. рис. VI.45) выполняют с посадкой H6/h6;
  2. диаметр вращающихся уплотнительных колец выдерживают в пределах h7—h6; относительное биение нижнего кольца по отношению к верхнему составляет 0,05—0,2 мм в зависимости от размеров и жесткости конструкции колеса;
  3. выпуклость плоскости фланца, сопрягаемого с валом турбины, не допускается. Допускается вогнутость не более 0,02 : 1000. Торцовое биение плоскости фланца не должно быть более 0,03 мм.

Изготовление заготовок цельнолитых рабочих колес

Заготовки цельнолитых рабочих колес изготовляют в специальных кессонах, надежно защищаемых от действия почвенных вод дренажной системой. Литейную форму выполняют из стержней, армированных металлическими каркасами. Для обеспечения собираемости системы стержней, имеющих криволинейную форму, кессон должен быть оборудован специальной раздвижной оснасткой. При изготовлении отливок из коррозионно-стойких сталей, во избежание образования пленок окислов, перед заливкой форму следует заполнять инертным газом. Продолжительность выдержки при остывании отливки в форме и режим термообработки устанавливают в зависимости от марки стали и массивности детали [2].
Изготовление сварных рабочих колес
Технологический процесс изготовления сварного рабочего колеса состоит из трех этапов: изготовления заготовок элементов, обработки их до сварки, сварки и термообработки деталей.

Изготовление заготовок частей сварного колеса.  

Таблица XI.6. Отклонения формы и размеров элементов проточной части рабочих колес радиально-осевых гидротурбин

Заготовки ступицы выполняются литыми в зависимости от размеров и конструкции сварного рабочего колеса: целыми или из двух частей. Формовка заготовки производится по модели, что особенно важно для ступиц с пеньками, так как литье по модели позволяет получить более точную конфигурацию и обеспечивает меньшую трудоемкость при обработке ступицы под сварку.
Наиболее технологичны заготовки обода, имеющего коническую или цилиндрическую форму, при изготовлении их гнутыми из листового проката. Гибка листовых заготовок секторов обода, имеющего торовую форму, производится в штампе. При этом одновременно штампуются заготовки двух секторов, зеркально соединенных в одно целое. Заготовки разрезают на отдельные секторы ацетиленокислородным или газовым способом после термообработки и контрольной разметки. На внутренней и наружной поверхностях секторов обода предусматривают припуск по 15—20 мм на сторону. После разметки секторы обода обрабатывают по торцовым плоскостям, на которых выполняется разделка под сварку. Сваренный в кольцо обод подвергают термообработке — отпуску для снятия напряжений. Все сварные швы контролируют ультразвуковой (УЗК), магнитопорошковой (МПД) или цветной дефектоскопией.
Заготовки обода высоконапорных сварных рабочих колес из аустенитно-ферритной стали марки 10Х18НЗГЗД2Л выполняют литыми.
Изготовление заготовок лопастей, имеющих сложную криволинейную поверхность при значительных габаритных размерах (до 10 м2) и переменной толщине (от 10 до 220 мм), — наиболее сложная технологическая задача.
Наиболее экономичным по расходу металла способом является отливка лопастей в земляную форму по металлической модели.
Наибольшее распространение в настоящее время получил метод изготовления лопастей гибкой под прессом в штампе предварительно обработанных заготовок, обеспечивающий высокую и стабильную точность лопастей по толщине и форме, а также требуемую плавность поверхности.
Заготовка лопасти может быть выполнена из листового проката или в виде отливки с припуском на механическую обработку по контуру, профильной и плоской поверхностям. На рис. XI.3 приведены схемы двух процессов изготовления гнутых в штампе лопастей.
На рис. XI.3, а—г показан процесс изготовления заготовки лопасти из листовой коррозионно-стойкой стали методом одинарной штамповки. 

Рис. XI.3. Схемы изготовления гнутых в штампе лопастей: а—г — метод одинарной штамповки лопастей (а — вырезанная по контуру листовая заготовка; б — обработка заготовки под штамповку; в — установка заготовки в штампе; г — штамповка лопасти); д — з — метод двойной штамповки биметаллических лопастей (д — облицовка взрывом листовой заготовки; е — первичная штамповка листовой заготовки; ж — обработка заготовки после первичной штамповки; з — штамповка лопасти);
1 — пуансон; 2 — обработанная заготовка; 3 — матрица; 4— взрывчатая смесь; 5 — облицовка; 6—листовая заготовка; 7—основание

Последовательность операций технологического процесса: 1) разметка листовой заготовки; 2) вырезка заготовок по контуру с припуском 25—40 мм на сторону; 3) механическая обработка плоской поверхности; 4) предварительная механическая обработка профильной поверхности с припуском; 5) чистовая механическая обработка профильной поверхности по копиру; 6) проверка толщины заготовки; 7) механическая обработка заготовок по контуру, в том числе направляющих планок, фиксирующих положение заготовок в штампе; 8) нагрев заготовки до температуры 1000—1100 °C в зависимости от марки стали; 9) выем заготовки из печи и установка в штампе; 10) гибка лопасти
в штампе; 11) выдержка лопасти в штампе; 12) выем лопасти из штампа и охлаждение до температуры окружающей среды; 13) термообработка лопасти (отпуск для снятия напряжений); 14) проверка формы лопасти с помощью пространственного шаблона; 15) отрезание пробных планок и испытание механических свойств; 16) дробеструйная очистка лопасти от окалины. После закрытия штампа для сохранения формы лопастей следует дать выдержку в таком положении в течение 25—40 мин. Охлаждение лопастей после выема из штампа следует осуществлять на спокойном воздухе во избежание их деформаций. При термообработке положение лопастей в печи также должно исключить возможность дополнительных деформаций.
Разработанная ЛМЗ и Ижорским заводом им. А. А. Жданова технология изготовления лопастей методом двойной штамповки исключает необходимость механической обработки профильной поверхности. Вырезанную по контуру листовую заготовку подвергают гибке в штампе, имеющем форму профильной поверхности заготовки лопасти. Затем изогнутый лист обрабатывают (со стороны вогнутой поверхности) на плоскость, получая заготовку под окончательную гибку в штампе лопасти. На рис. XI.3, д—з показана схема изготовления методом двойной штамповки биметаллических (облицованных взрывом коррозионно-стойкой сталью) лопастей из углеродистой или низколегированной стали.
Для плакирования заготовок с помощью взрыва используют листы толщиной 3—4 мм из сталей 12Х18Н9Т или 10Х14АГ12М, имеющих высокую стойкость, против воздействия кавитации. Процесс обеспечивает практически 100 %-ную сплошность соединения при прочности на уровне основного металла лопасти. Точность первичной штамповки, достигнутая на листах толщиной 125 мм с размерами 3000X2000 мм,

Рис. XI.2. Схема обмера геометрии рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины

составляет 3 мм на 90 % площади поверхности заготовок, и лишь на 10 % площади отклонения достигают 4—5 мм.
Двойная штамповка позволила упростить и сократить цикл механической обработки заготовок лопастей, на 15 % уменьшить расход металла и на 20 % снизить трудоемкость слесарных и механических работ. В связи с высокой стоимостью оснастки применение двойной штамповки экономически оправдано при изготовлении лопастей для трех и более рабочих колес.

Обработка заготовок сварного рабочего колеса. 


Рис. XI.4. Схема проверки установки лопасти в ступице:
S1, N, Q — базовые точки; S1'— проекция точки S1 на плаз; S1— S4 — точки измерения расстояний в свету; Δ — зазор между выходной кромкой и шаблоном приспособления для проверки установки лопастей

Ступицу и обод рабочего колеса перед сваркой подвергают механической обработке до чистовых размеров всех поверхностей, кроме торцовых поверхностей обода и мест сопряжения с валом турбины, кольцами лабиринтных уплотнений и конусом. При разметке на ступице наносят базовые точки N и Q (рис. XI.4) для контроля установки лопастей при сборке под сварку.
Последовательность операций обработки лопасти, гнутой в штампе: 1) проверка формы заготовок пространственным шаблоном и разметка обработки выходной кромки; 2) фрезерование торцовой плоскости выходной кромки на горизонтальнорасточном станке; 3) разметка кромки лопасти по линии сопряжения со ступицей с помощью поворотного плоского шаблона, повторяющего контур меридионального сечения ступицы; 4) фрезерование кромки сопряжения со ступицей, включая разделку фасок под сварные швы (применяемое при этом приспособление обеспечивает переустановку и закрепление лопасти в нужном положении); 5) шлифование поверхностей лопасти; 6) контрольная проверка обработанной лопасти и нанесение базовых точек (рис. XI.4) для сборки со ступицей. Входные кромки гнутых в штампе лопастей большей частью обрабатывают в плоских заготовках.
Обработка литых заготовок лопастей включает дополнительно операции: 1) проверку толщин; 2) исправление конфигурации удалением излишнего металла и наплавкой недостающего; 3) предварительное шлифование и керосиновую пробу или МПД обеих поверхностей; 4) лечение литейных дефектов и при необходимости термообработку лопасти; 5) фрезерование профиля входной кромки на прямолинейном участке.
Если материал литых заготовок не является кавитационно-стойким, то предусматривают дополнительные работы, связанные с нанесением защитного покрытия, которое может быть выполнено: а) тонколистовой коррозионно-стойкой сталью с применением сварки взрывом; б) автоматической наплавкой ленточным электродом; в) ручной дуговой наплавкой. В последнем случае операция производится уже после сварки рабочего колеса.

Сборка, сварка и термообработка рабочих колес. Лопасти со ступицей рабочего колеса собирают в соответствии со схемой, показанной на рис. XI.4. Лопасть устанавливают по трем базовым точкам: N, Q, S1. Точки N и Q на лопасти совмещают с одноименными точками на ступице, устанавливая лопасть на расстоянии δ=3-5 мм. Положение точки лопасти проверяют по зазору от шаблона, который может поворачиваться вокруг оси рабочего колеса, и по высоте Н. С помощью отвеса проверяют радиальное (ΔR) и тангенциальное (ΔК) отклонения проекции точки S1 на плаз разметки. Допускаемые отклонения ΔR и ΔК составляют +3—5 мм, а ΔН — ±0,002Н. При сборке измеряют также расстояния в свету между смежными лопастями. После установки лопасти скрепляют со ступицей и друг с другом приваркой жестких связей.
Кольцевой индуктор, служащий для электроподогрева ступицы при сварке колеса токами промышленной частоты (ТПЧ), устанавливают на ступице до начала процесса сборки. После окончания сборки монтируют индукторы для электронагрева ТПЧ лопастей и приваривают термопары на ступице и лопастях для контроля температур в процессе сварки колеса.
Ручная дуговая сварка рабочих колес из стали марки 10Х12НД осуществляется электродами ЦЛ-41 с подогревом до 200—220 °C. Сталь марки 0СХ12Н3Д сваривается при 120—150 °C электродами ЦЛ-51. Колеса из хорошо сваривающейся стали марки 10Х18НЗГЗД2Л сваривают электродами ЦЛ-33 без подогрева.
Необходимость подогрева до 100 °C при сварке рабочих колес из низколегированных сталей (20ГСЛ, 22К, 20ГСФ и т. п.) диктуется жесткостью конструкции. Сварка осуществляется электродами марки УОНИ-13/45. Механические свойства электродов для сварки рабочих колес приведены в табл. XI.7. Сварка выполняется одновременно на всех лопастях, попеременно с одной и другой стороны К-образной разделки. После окончания сварки лопастей со ступицей производится термообработка — отпуск для снятия напряжений.

Таблица XI.7. Механические свойства наплавленного металла электродов, применяемых -при изготовлении сварных конструкций, не менее

Примечание. Принятые обозначения см. в примечаниях к табл. XI.3 и XI.5.

 Процесс изготовления сварного рабочего колеса заканчивается следующими основными операциями: 1) зачисткой и контролем качества швов (травлением, МПД или УЗД); 2) обработкой лопастей сварного узла на токарно-карусельном станке по поверхности сопряжения с ободом (выполняется до размера, увеличенного на 4— 7 мм по сравнению с диаметром обода для компенсации усадки при сварке); 3) слесарной обработкой разделанных кромок лопастей под сварку с ободом; 4) сборкой рабочего колеса для сварки лопастей с ободом; 5) сваркой лопастей с ободом в двух положениях (с кантовкой детали на 180° при сопутствующем подогреве); 6) термообработкой рабочего колеса; 7) зачисткой сварных швов на ободе с обработкой галтельных переходов и контролем их качества; 8) измерением расстояний в свету (точки S1—S4 на рис. XI.4) и шагов между смежными лопастями.
Типовая последовательность операций технологического процесса обработки неразъемного рабочего колеса следующая.

Рис. XI.5. Схема разметки рабочего колеса

  1. Разметка заготовки под механическую обработку. Базовыми для разметки являются внутренние поверхности ступицы и обода и боковые поверхности входных кромок лопастей. После установки детали (по размерам h1, h2, h3, R2, R3) в соответствии со схемой разметки (рис. XI.5) наносят точки а и с, которые лежат на оси входных кромок. Правильность положения рабочего колеса проверяют по отрезкам bс. Проекции точек а на разметочную плиту позволяют определить проекцию оси рабочего колеса. Из найденного центра 0 на плите проводят контрольную окружность радиусом.  Отклонения угла наклона и радиуса расположения входных кромок лопастей должны быть минимальными и симметричными по расположению. Наименьшей также должна быть неконцентричнсть обода.  
  2. Обработка на токарно-карусельном станке в рабочем и перевернутом положениях. Плоскость ступицы, сопрягаемую с фланцем вала, после обработки резцом шлифуют чашеобразным камнем с помощью приспособления, закрепляемого в резцедержателе суппорта. Вогнутость плоскости проверяют щупом от контрольной линейки, а волнистость — индикатором. Наружные посадочные размеры ступицы и обода измеряют от переходных баз или находят длины их окружностей с помощью рулетки.
  3. Кантовка рабочего колеса на 90° и обработка отверстий под припасованные болты с припуском 3—5 мм на диаметр на горизонтально-расточном станке.
  4. Установка вала турбины на призмах и соединение его с рабочим колесом четырьмя технологическими болтами.


Рис. XI.6. Стенд для уравновешивания рабочих колес радиально-осевых гидротурбин:
1 — опорная колонна; 2 — мерные тумбы; 3 — каленая плоская пластина; 4 — сферическая опора; 5 — корпус приспособления; 6 — сменные регулировочные диски; 7 — гидравлические домкраты

  1. Обработка отверстий под припасованные болты в рабочем колесе и вале турбины с шероховатостью не ниже Ra=2,5 мкм выполняется резцом с последующим калиброванием шариковой раскаткой.
  2. Установка на стенд и статическое уравновешивание рабочего колеса (рис. XI.6).  Для обеспечения устойчивого равновесия центр масс уравновешиваемой  системы «рабочее колесо — корпус 5 приспособления» должен быть расположен ниже центра сферической опоры 4 на величину г, которая определяется из соотношения:

(ΧΙ.1) где Р — масса уравновешиваемого груза, кг; R радиус его расположения, см; G масса уравновешиваемой системы, кг; а — угол отклонения системы; μ — коэффициент трения качения, принимаемый равным 0,001 см.
Приведенная формула действительна при обеспечении указанного трения качения в паре «сферическая опора — плоская пластина 3». Это достигается применением материала высокой твердости (HRC 50—52, или HRCэ>51,2—53,2) и назначением соответствующего радиуса сферической опоры Rш. Чувствительность процесса определяется минимальным контрольным моментом PR уравновешиваемой системы, вызывающим ее поворот на угол 20". Масса уравновешивающего груза для современных сварных рабочих колес составляет 0,05—0,25 % от их массы. Допускаемый остаточный дисбаланс системы не должен превышать трехкратного значения контрольного минимального момента,