Спиральная камера гидротурбины подвергается на ряде режимов работы воздействию переменного внутреннего давления, в связи с этим в ней возникают переменные напряжения, и, следовательно, она должна рассчитываться на усталостную прочность. Однако расчеты показывают, что статические и динамические напряжения, действующие в конструкции спиральной камеры, если не учитывать напряжений, возникающих из-за неточности ее изготовления, таковы, что условия обеспечения необходимой усталостной прочности всегда выполняются.
С другой стороны, если учитывать возмущения напряженного состояния, связанные с отклонением формы оболочки от заданной, то обеспечения необходимого запаса по усталостной прочности связано с регламентированием допусков на изготовление спиральных камер.
Поскольку неточные размеры спиральной камеры, связанные с ее изготовлением и монтажом, носят случайный характер, допуски на изготовление должны определяться в результате рассмотрения соответствующей вероятностной задачи. Кроме того, систему допусков можно определить на основании расчетов, задав заранее размеры камеры с учетом неправильного ее изготовления аналогично тому, как это было сделано в предыдущем параграфе.
Расчеты показали, что уровень максимальных изгибных напряжений, вызванных искажением формы сечения, зависит от соотношения изменения параметров (амплитуды а и угла а, характеризующего область искажения меридионального сечения, т. е. β = a/aR, где aR — дуга, на которой распространено искажение) и почти не зависит от места, где допущено искажение формы сечения, т. е. не зависит от угла θ. Таким образом, выбранный уровень допустимых напряжений однозначно определяет отношение допустимой амплитуды к длине дуги, где находится сечение спирали неправильной формы, тем самым определяется поле допуска.
Рассмотрим методику выбора поля допуска на отклонение формы сечения спиральной камеры от заданной, основанную на требовании обеспечения ее усталостной прочности.
- Для спиральной камеры с заданными теоретическими размерами меридионального сечения и заданным внутренним давлением на ЭВМ выполняется расчет по нелинейной теории при неправильной форме косинусоидального типа для нескольких значений параметров а и а.
- На основании расчетов строится график зависимости
Для ряда значений β и, следовательно, для ряда σmax определяются суммарные статические напряжения
где σρ — максимальные напряжения растяжения в рассматриваемом сечении.
- Для выбранного материала звена спиральной камеры строится диаграмма предельных напряжений, с помощью которой
для σ2 по п. 2 находят предельные динамические напряжеНИЯ σпред. дин.
Рис. 70. Изменение окружного усилия Т, по второму сечению спиральной камеры турбины Красноярской ГЭС
- Вводится коэффициент запаса п и по формуле σдоп = σ пред. дин /n определяют допустимые динамические напряжения.
Из опыта ЛМЗ коэффициент не должен быть меньше п ≥ 1,5.
- Действительные динамические напряжения составляют для спиральных камер не более 10% статических. Это подтверждается замерами напряжений и пульсаций давлений на действующих гидростанциях.
Тогда для выбора параметра β получаем условие
Рис. 71. Зависимость максимальных изгибных напряжений, возникающих из-за неточности изготовления, от параметра β
Рис. 72. Диаграмма предельных напряжений при асимметричном цикле для легированной стали
Из этого условия и берется допуск на изготовление, определяемый параметром β.
Поясним на примере спиральной камеры турбины Красноярской ГЭС, как можно выбрать допуски на изготовление спиральной камеры.
Наиболее нагруженными сечениями спиральной камеры являются входные сечения. Итак, на основании расчетов строится зависимость максимальных изгибных напряжений, возникающих из-за искажения формы меридионального сечения от параметра β (рис. 70).
Максимальные напряжения растяжения в спиральной камере при нормальной работе σ = 1700 кгс/см2.
Ниже даны максимальные суммарные напряжения, возникающие в спиральной камере при различных значениях β.
Для рассматриваемого сечения спиральной камеры принимается сталь с пределом прочности σв = 7200 кгс/см2. Предел усталости может быть приближенно принят σ_r=0,5 σв для малых образцов. С учетом коррозионного действия воды, масштабного фактора и состояния поверхностного слоя предел выносливости стали уменьшают до 1080 кгс/см2.
На основании справочных данных для сталей такого класса может быть построена диаграмма предельных напряжений (рис. 71), затем по диаграмме найдены для заданных значений предельные (рис. 72), а с учетом коэффициента запаса и допускаемые напряжения (см. ниже).
Для выполнения условия 0,1 σΣ ≤ σдоп необходимо, чтобы при β =0,0157 напряжения на превышали σдоп = 280 кгс/см2, а при β = 0,0180 напряжения σдоп = 310 кгс/см2. Таким образом, согласно табл. 6 выбираем допуск, отвечающий параметру β = 0,018.
