В настоящее время получен обширный экспериментальный материал, характеризующий напряженное состояние рабочих колес радиально-осевых гидротурбин. Эксперименты проводились как в натурных условиях, так и на моделях. Напряжения измерялись тензометрированием.
Исследованиями установлено, что наиболее нагруженным является сечение у галтельного перехода в месте сопряжения лопасти с верхним ободом, причем наибольшие напряжения в этом сечении возникают на выходной кромке. Следует отметить, что это относится как к статическим напряжениям, так и к динамическим. По мере удаления от верхнего обода напряжения резко падают. У нижнего обода наблюдается также небольшой рост напряжений, однако во всех случаях уровень их существенно ниже, чем у верхнего обода [13].
Кроме того, с ростом мощности статические напряжения в лопастях также растут, причем характер их изменения близок к линейному.
Из рис. 5 видно, что при мощности порядка 200 мВт существенно возрастают динамические напряжения, далее этот рост наблюдается на режиме максимальной мощности.
Рис. 5. Зависимость изменения динамических напряжений от мощности в корневом сечении лопасти рабочего колеса турбины Красноярской ГЭС
Необходимо отметить, что измерения пульсаций давлений в межлопастном пространстве рабочего колеса турбины Красноярской ГЭС показали точно такие же изменения пульсаций давления в зависимости от мощности.
Анализ частоты пульсаций давлений и динамических напряжений показывает, что для динамических напряжений (и давлений), возникающих при частичных нагрузках (соответствующих первому максимуму), характерно преобладание низкочастотных составляющих — частот вращения отрыва и частоты вращения. По-видимому, это вызвано тем, что на этих режимах рабочее колесо работает в условиях, достаточно далеких от оптимальных.
Для второго максимума динамических напряжений характерно наличие высокочастотных составляющих, обусловленных возмущениями, вызванными лопатками направляющего аппарата и колоннами статора. Это можно объяснить тем, что с ростом нагрузки взаимодействие направляющего аппарата и рабочего колеса проявляется сильнее; кроме того, режим максимальной мощности соответствует полному открытию лопаток направляющего аппарата, при котором расстояние между лопатками и лопастями рабочего колеса минимально, т. е. наиболее сильно влияют вихревые следы, сходящие с лопаток.
Измерения динамических напряжений в рабочем колесе турбины Красноярской ГЭС показывают, что при работе на режимах, близких к максимальной мощности, σ=120-:-130 кгс/см2. При работе на частичных нагрузках (при N = 180-:-260 мВт) динамические напряжения могут достигать σ = 180 кгс/см2.
Исследования показали также, что существует весьма большой разброс статических и динамических напряжений в одних и тех же точках. Для рабочих колес турбин напряжения в сходственных точках могут отличаться в 2 раза. Действительно, если напряжения, возникающие у выходной кромки лопасти в сечении перехода лопастей в верхний обод, осредненные по пяти лопастям, составляют σ = 900 кгс/см2, то максимальные напряжения, замеренные на лопасти, могут достигать σ = 1800 кгс/см2.
Как показывает анализ, существенный разброс напряжений , по-видимому, связан с неточностью изготовления лопастной системы рабочего колеса. В настоящее время оказывается возможным проанализировать перераспределение усилий, которое связано с погрешностью установки лопастей по углу и по шагу. Выяснено,
что лопастная система рабочего колеса весьма чувствительна к точности установки отдельных лопастей в решетке. Действительно, погрешность угла установки лопастей на 0,5° в некоторых случаях изменяет усилия, действующие на лопасть, на 30%. Неточное выполнение формы сечения лопасти также весьма существенно сказывается на распределении нагрузок по сечению лопасти.
Итак, для обеспечения прочности рабочее колесо должно изготовляться с весьма большой точностью, причем особое внимание следует уделять точности угловой установки отдельных лопастей в рабочем колесе.
