Способ сборки рабочего колеса ковшовой турбины - RU2249719C2
Код документа: RU2249719C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способу сборки рабочего колеса ковшовой турбины, к лопатке такого рабочего колеса и к колесу, оснащенному такими лопатками.
Ковшовые турбины (турбина Пелтона) обычно используют для преобразования кинетической энергии текучей среды, например воды водопада, в механическую энергию. Такое преобразование осуществляют посредством вращения рабочего колеса турбины под действием тангенциальной силы, оказывающей воздействие на лопатки, расположенные по периферии обода, посредством струи воды, выходящей из одного или более инжекторов, распределенных вокруг колеса.
В международной заявке на патент WO-A-99/49213 раскрыто использование двух кольцевых фланцев, прикрепленных к ободу для удерживания лопаток рабочего колеса ковшовой турбины, что обеспечивает возможность оптимального распределения сил, которые воздействуют на лопатки, так что в этом случае механические напряжения более не будут сконцентрированы в зоне крепления лопаток на ободе. В этом известном устройстве каждая лопатка выпуклой поверхностью примыкает к радиальным плечам фланцев и неподвижна по отношению к каждому фланцу благодаря стопорному винту.
Лопатки такого рабочего колеса турбины подвергаются воздействию большого количества ударов, выполняемых струями текучей среды, служащей для приведения турбины в действие и выходящей из инжекторов. В результате этих ударов происходит поочередная передача воздействия от каждой лопатки на радиальные плечи, к которым она примыкает, что приводит к поочередному напряжению материалов, образующих лопатки и фланцы. Кроме того, наличие поверхностей примыкания лопаток к фланцам приводит к необходимости выполнения точного регулирования наружных размеров каждой лопатки и соответствующих гнезд, создаваемых во фланцах. Такое регулирование не обеспечивает взаимозаменяемости лопаток, что соответственно усложняет изготовление и техническое обслуживание таких рабочих колес.
Более конкретная задача изобретения заключается в устранении этих недостатков посредством предлагаемого способа сборки рабочего колеса, который известен из международной заявки на патент WO-A-99/49213, позволяющего избежать того, что удары, создаваемые струями текучей среды, обеспечивающей приведение турбины в действие, будут приводить к поочередным усталостным нагрузкам и/или напряжениям лопаток по отношению к ободу или к фланцам.
Этот способ включает в себя:
предварительное расположение в гнезде фланца лопатки, удерживаемой частью ее выпуклой наружной поверхности у кромки этого гнезда, с обеспечением при этом промежутка между выпуклой поверхностью наружной радиальной части упомянутой лопатки и упомянутой кромкой;
обеспечение шарнирного соединения лопатки на ободе и/или на фланце с внутренней стороны лопатки;
воздействие на наружную радиальную часть лопатки первой калиброванной силы с тем, чтобы приблизить ее к фланцу;
определение расстояния между наружной радиальной частью и кромкой при воздействии первой калиброванной силы;
ослабление калиброванной силы;
расположение между наружной радиальной частью и кромкой клина, толщина которого по существу равна вышеупомянутому расстоянию;
воздействие на наружную радиальную часть и поддерживание второй силы, чтобы приблизить эту часть к кромке, причем вторая сила по величине равна первой силе или больше нее.
Благодаря изобретению лопатка, установленная на рабочем колесе, подвергается заданному напряжению, создаваемому второй калиброванной силой, которая приводит лопатку в состояние устойчивой неподвижности по отношению к фланцу и посредством клина компенсирует промежуток, имеющийся между наружной радиальной частью лопатки и фланцем. После того как будет установлено заданное напряжение, клин обеспечивает возможность "фильтрации" динамических сил, воздействующих на лопатку, особенно на уровне ее наружной радиальной части. Использование клина, толщина которого определяется как функция точной геометрии лопатки и фланца, а также реакции лопатки на первую калиброванную силу сближения, обеспечивает возможность взаимозаменяемости лопаток, при этом необходимо лишь точно отрегулировать толщину каждого клина в соответствии с геометрией окружающих частей.
Согласно первому предпочтительному аспекту изобретения способ состоит в воздействии калиброванных сил посредством стопорного винта, заходящего в гнездо, выполненное во фланце, и проникающего в часть с нарезанной резьбой, выполненную в наружной радиальной части лопатки. При этом калиброванная сила может быть приложена посредством гаечного ключа с ограничением по крутящему моменту, либо какого-то иного средства для выполнения контролируемого затягивания, причем она имеет значительную величину, особенно в случае колеса большого диаметра.
Согласно другому предпочтительному аспекту изобретения вышеупомянутые первая и вторая калиброванные силы, служащие для сближения, по существу имеют одинаковую величину. Поэтому, когда рабочее колесо находится в собранном состоянии, каждая лопатка примыкает к соответствующему клину под действием калиброванной силы, используемой для определения толщины этого клина. Такая сборка позволяет обеспечить постоянную силу стопорных винтов посредством фильтрации чередующихся сил, создаваемых ударами струй текучей среды.
Изобретение также относится к лопатке рабочего колеса турбины, позволяющей осуществить описанный выше способ, а точнее к лопатке, содержащей двояковогнутую поверхность для потока текучей среды, предназначенного для приведения в действие рабочего колеса, и выпуклую поверхность, предназначенную для взаимодействия, по меньшей мере, с одним кольцевым фланцем, прикрепленным к ободу рабочего колеса. Эта лопатка отличается тем, что ее выпуклая поверхность формирует, по меньшей мере, одну зону примыкания, расположенную у фланца, и, по меньшей мере, одну зону, отстоящую от фланца, в наружной радиальной части лопатки, причем зона, отстоящая от фланца, предназначена для сближения с противоположно расположенной частью фланца посредством калиброванной силы.
Согласно предпочтительному, но не обязательному аспекту изобретения эта лопатка обладает одной или более из нижеследующих характеристик:
выпуклая поверхность лопатки также формирует зону, отстоящую от фланца, во внутренней радиальной части лопатки. Таким образом, локальная зона примыкания на лицевой стороне образована только в центральной части этой выпуклой поверхности, которая обеспечивает возможность определенного смещения лопатки в радиальном направлении;
лопатка на уровне наружной радиальной части и/или внутренней радиальной части ее вогнутой поверхности содержит, по меньшей мере, одну направляющую часть, предназначенную для придания потоку вышеупомянутой текучей среды отклоняющей составляющей, которая выделяется по отношению к средней кромке лопатки. Эта направляющая часть позволяет избежать удара потока текучей среды по радиальному плечу фланца, расположенному противоположно вогнутой поверхности лопатки. Упомянутая направляющая часть может быть выполнена таким образом, чтобы она направляла поток вплоть до уровня углубления, выполненного в радиальном плече фланца, расположенном противоположно этой вогнутой поверхности. Эта направляющая часть предпочтительно образована посредством ребра, проходящего от наружной радиальной концевой зоны лопатки в направлении внутренней радиальной части лопатки, причем это ребро граничит с наружной выемкой лопатки.
Наконец, изобретение относится к рабочему колесу ковшовой турбины, которое содержит обод, по меньшей мере, один кольцевой фланец, прикрепленный к ободу и выполненный с гнездами для захождения лопаток, и, по меньшей мере, одну лопатку, которая описана выше.
Для одной или каждой лопатки такое колесо предпочтительно содержит клин, расположенный между вышеупомянутой отстоящей зоной и фланцем, при этом лопатка или каждая из лопаток подвергается воздействию калиброванной силы сближения этой отстоящей зоны и фланца.
Согласно другому предпочтительному аспекту изобретения один или каждый фланец выполнен с углублениями для потока текучей среды, приводящей в действие турбину, от вогнутой поверхности каждой лопатки, при этом углубления сформированы на наружной боковой поверхности фланца.
Изобретение можно будет легче понять, а другие его преимущества будут более очевидны из приведенного ниже описания двух вариантов осуществления конструкции рабочего колеса ковшовой турбины, выполненных согласно принципу изобретения и представленных только в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фигуре 1 представлен частичный вид в перспективе рабочего колеса ковшовой турбины, выполненного согласно изобретению;
на фигуре 2 представлен вид в сечении по линии II-II на фигуре 1;
на фигуре 3 представлен вид в сечении по линии Ill-Ill на фигуре 2 выполнения первой стадии сборки рабочего колеса согласно фигуре 1, при этом на фигуре показано множество лопаток;
на фигуре 4 представлен вид, подобный виду, показанному на фигуре 3, выполнения второй стадии способа сборки;
на фигуре 5 представлен вид, подобный виду, показанному на фигуре 3, выполнения третьей стадии способа сборки;
на фигуре 6 представлен частичный вид в перспективе лопатки рабочего колеса согласно фигурам 1-5;
на фигуре 7 представлен вид, подобный виду, показанному на фигуре 6, лопатки согласно второму варианту осуществления изобретения.
Рабочее колесо турбины, показанное на фигурах 1-6, содержит обод 1 и лопатки 2, причем в показанном примере в количестве восемнадцати штук, распределенные по периферии обода 1. Каждая лопатка содержит два ковша или две чашки 3, отделенные средней кромкой 4 и располагаемые противоположно одному или более водяным или паровым инжекторам (не показаны). Обод 1 предназначен для установки на вал, служащий для передачи движения (также не показан).
Для ясности изображения на фигуре 1 показана только одна лопатка.
Два кольцевых фланца 5 и 6 установлены на ободе 1 и способствуют удерживанию лопаток 2 по отношению к ободу. Фланцы 5 и 6 выполнены с гнездами соответственно 1 и 8, в которые могут быть вставлены чашки 3 лопаток 2. Две непрерывные полосы 9 и 10 соответствующим образом сформированы в наружных периферийных зонах фланцев 5 и 6. Эти полосы 9 и 10 соединяют радиальные плечи 11 и 12, образуемые фланцами 5 и 6 соответственно между смежными гнездами 7 и 8.
Каждая лопатка 2 смонтирована на ободе 1 и фланцах посредством пальца 15, установленного в виде так называемого "соединительного узла" и более отчетливо показанного на фигуре 2. Это палец содержит слегка коническое основное тело 15А, вставленное в разрезную втулку 15В, которая сама по себе введена в соответствующие отверстия во фланцах 5 и 6 и в ободе 1. Стопорный винт 15С взаимодействует с шайбой 15D для затягивания пальца 15 в соответствующем положении.
Каждая лопатка 2 образует две вогнутые поверхности 21 и 22, между которыми проходит кромка 4, формирующая по радиальной оси Х-Х' ось симметрии лопатки 2. Лопатка 2 также образует две выпуклые поверхности 23 и 24, совместно формирующие наружную поверхность каждой чашки 3. Каждая лопатка 2 содержит внутреннюю радиальную часть 2А, на уровне которой она соединена с ободом 1 и с фланцами 5 и 6 посредством пальца 15. Каждая лопатка 2 также содержит наружную радиальную часть 2В, расположенную вблизи от полос 9 и 10, когда рабочее колесо находится в собранном виде, в которой образована наружная выемка 25, обеспечивающая возможность впрыска струи воды в лопатку 2.
Позициями 23А и 23В соответственно обозначены внутренняя и наружная радиальные части поверхности 23.
На фигурах 3-5 наиболее отчетливо показано, что пятка или выступающая часть 23С выдается за поверхность 23 по отношению к частям 23А и 23В, при этом пятка 23С образована в промежуточной зоне лопатки 2.
Геометрия поверхности 24 подобна геометрии поверхности 23 и также содержит выступающую часть или пятку.
Каждое гнездо 7 образовано вогнутой кромкой 71 и по существу прямолинейной кромкой 72, между которыми вставлена чашка 3 лопатки 2, при этом поверхность 23 этой чашки проходит по кромке 71. Подобным же образом в каждое гнездо 8 заходит чашка 3 лопатки 2, расположенная слева от оси Х-Х' на фигуре 2.
На фигуре 3 более подробно показано, что геометрия кромки 71 и поверхности 23 такова, что поверхность 23 примыкает к кромке 71 только на уровне ее центральной зоны или пятки 23С, при этом два промежутка Е и Е' соответствующим образом сформированы между частью 23А и кромкой 71 с одной стороны и между частью 23В и кромкой 71 с другой стороны.
В течение стадии сборки рабочего колеса, показанной на фигуре 3, каждую лопатку 2 располагают в соответствующих гнездах 7 и 8, а палец 15 вставляют в соответствующие отверстия для лопаток в ободе и фланцах, причем без затягивания этого пальца, так что на ободе и фланцах образуется шарнирное соединение каждой лопатки.
Затем в гнездо 51, образованное в полосе 9 фланца 5, вставляют винт 52, хвостовик которого пересекает гнездо 51 и может быть вставлен в резьбовую часть 23D, выполненную в части 23В поверхности 23. После этого затягивают винт 52 с помощью гаечного ключа с ограничением по крутящему моменту или других контролируемых затягивающих средств, таких как затягивающее устройство с предварительно заданным напряжением или нагревательная труба, с тем, чтобы обеспечить получение калиброванной силы для сближения части 2В лопатки 2 и кромки 71 гнезда 7. Подобным же образом можно продолжить процесс в отношении второй чашки лопатки 2.
Затем имеет место положение согласно фигуре 4, в котором калиброванная сила F1 воздействует на часть 2В посредством винта 52 и аналогичного винта, установленного во втором фланце 6. При этом измеряют расстояние е между частью 23В поверхности 23 и кромкой 71 гнезда 7. Это расстояние е может изменяться от одной лопатки к другой лопатке, что обусловлено допусками на изготовление обода, фланцев и лопаток. Измеряют аналогичное расстояние между наружной частью поверхности 24 и вогнутой кромкой гнезда 8.
На практике все лопатки 2 размещают в гнездах 7 и 8, и все винты 52 и их эквиваленты последовательно затягивают в логическом порядке, с тем, чтобы подвергнуть все лопатки силе F1 предварительного напряжения для приближения соответствующих наружных радиальных частей 2В по отношению к фланцам 5 и 6 и обеспечения общей симметрии. Затем измеряют расстояния е, поскольку эти расстояния, в частности, зависят от распределения сил во фланцах 5 и 6.
Когда определены расстояния е, придают форму клиньям 53, каждый из которых имеет толщину, равную расстоянию е между лопаткой и фланцем, что указано выше. Затем, после ослабления винтов 52, то есть сброса силы F1, каждый из клиньев 53 располагают между лопаткой 2 и кромкой 71 или ее эквивалентом в гнезде 7 или 8, в которое его вставляют и для которого клину 53 придают форму. Другими словами, каждый клин 53 предназначен для соединения, образованного лопаткой 2 и гнездом 7 или 8.
Когда клин 53 находится в соответствующем месте, винты 52 и их эквиваленты вновь затягивают посредством приложения калиброванной силы F2, величина которой больше или равна величине силы F1, которая была использована ранее. Таким образом, наружная радиальная часть 2В каждой лопатки 2 подвергается воздействию силы F2 для приближения этой части по отношению к кромке 71 или эквивалентному гнезду.
Поскольку сила F2 по величине, по меньшей мере, такая же, что и сила F1, это гарантирует, что часть 23В поверхности 23 жестко упирается в клин 53, который сам по себе жестко упирается в кромку 71 гнезда 7 или в эквивалент. Таким образом, каждая лопатка подвергается предварительному напряжению F2, которое эффективно подводит ее к фланцу с поворотом вокруг пальца 15. Поэтому каждая лопатка 2 жестко удерживается в соответствующем положении и не возникает опасность ее колебаний под действием ударов текучей среды, выходящей из инжекторов.
Затем пальцы 15 затягивают, так что шарнирное соединение, созданное на их уровне, застопоривается.
В конце сборки лопатку 2 можно смоделировать как балку, шарнирную по отношению к пальцу и находящуюся в состоянии примыкания в центральных зонах 23С и их эквиваленте, когда она подвергается воздействию силы подведения ее к кромке 71.
Как более подробно можно видеть на фигуре 5, каждая лопатка 2 подвергается воздействию силы реакции R фланца 5 или 6 и силы F2, при этом величина силы F2 равна сечению винта 52, умноженному на силу затягивания.
В случае винта типа M16, затягиваемого до 200 МПа, величина силы F2 будет определена следующим образом:
F2=144мм2× 200 МПа=28800N.
Тангенциальный компонент F'2 силы F2 определяют так:
F'2=F2× cos (α ),
где α представляет собой угол силы F2 по отношению к реакции R. При допущении, что α равен 30° , получим:
F'2 =24940N
При равновесии предварительное напряжение, оказываемое силой реакции R на лопатку 2, которую получают из компонента F'2, может быть выражено как функция расстояний d1 и d2, определяемых соответственно между пальцем 15 и точкой приложения реакции R и между пальцем 15 и точкой приложения силы F2 , так что:
R=F'2× d2/d1
Кроме того, сила удара, оказываемого струей на каждую лопатку 2, может быть определена расчетным путем, при этом она достаточна для выбора силы затягивания винтов 52 и эквивалентного им, при этом отношение d2/d1 для силы R постоянно должно быть выше силы или равно силе, которой подвергается лопатка под действием упомянутого выше удара. Может быть использован коэффициент надежности, составляющий, например, порядка 1,5.
Таким образом, каждая лопатка жестко удерживается в соответствующем положении по отношению к тому, что ее окружает, при этом материал, из которого она состоит, не подвергается усталостным напряжениям, когда лопатка подвергается ударам.
Способ согласно изобретению эффективен, поскольку сила F2по величине больше, чем сила F1, а это позволяет гарантировать, что каждая лопатка 2 будет эффективно подведена к смежному клину 53 или чему-то эквивалентному.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения силы F1 и F2 фактически могут быть равными, причем в этом случае винты 52 или эквивалентное им не подвергаются воздействию значительной силы удлинения и при этом каждая лопатка эффективно удерживается в соответствующем положении.
Тот факт, что между частью 23А поверхности 23 и кромкой 71 обеспечен промежуток Е, гарантирует, что система, образованная лопаткой 2 и фланцем 5 или 6, будет изостатической.
Как более подробно показано на фигурах 2 и 6, каждая из наружных радиальных частей 21В и 22В вогнутых поверхностей 21 и 22 обеспечена ребрами 21С или 22С вблизи от выемки 25. Функция этих ребер заключается в том, чтобы отклонять поток воды, представленный на фигуре 2 стрелкой F3, наружу от промежутка Е", образованного между фланцами 5 и 6.
Для того чтобы избежать удара потоком воды, отклоняемым ребрами 21С и 22С, по прямолинейным кромкам 72 и чему-то эквивалентному в гнездах 7 и 8, эти кромки на наружных сторонах 5А и 6А фланцев 5 и 6 выполнены с углублениями 73 для кромок гнезд 7 и с углублениями 83 для кромок гнезд 8. Благодаря этим углублениям 73 и 83 поток воды F3 может быть отведен без создания силы торможения рабочего колеса, которая может иметь место, если вода, протекающая по поверхностям 21 и 22, ударяет по кромкам 72 и чему-то эквивалентному в гнездах 7 и 8.
Как более подробно показано на фигуре 6, ребро 21С имеет глубину и толщину, которые уменьшаются при его прохождении в сторону от кромки 21D поверхности 21.
Как показано на фигуре 7, функция, выполняемая ребром 21С, также может быть выполнена посредством вогнутой зоны 121С, обеспеченной в наружной радиальной части 121В вогнутой поверхности 121 лопатки согласно второму варианту осуществления конструкции.
В направлении внутренней части 21А или 22А поверхностей 21 и 22 последние снабжены облицовкой 21Е или 22Е, также обеспечивающей возможность отклонения потока F3 наружу от фланцев 5 и 6 без столкновения с прямолинейными кромками гнезд 7 и 8.
Как и ранее, углубления 74 и 84 могут быть выполнены на фланцах 5 и 6 на уровне кромок гнезд 7 и 8, чтобы избежать столкновения между потоком F3 и этими кромками. В одном из вариантов облицовки 21Е и 22Е проходят вплоть до наружной стороны гнезд 7 и 8, в результате чего нет необходимости создавать углубления во внутренних частях плеч 11 и 12.
В изобретении описано рабочее колесо турбины, содержащее обод и два фланца, добавленные к этому ободу. Оно также применимо и в том случае, когда обод образован из двух полуободов, каждый из которых выполнен заодно с кольцевой частью, формирующей фланец, как описано во втором варианте осуществления конструкции согласно международной заявке на патент WO-A-99/49213, а в более общем виде, к любому рабочему колесу турбины, содержащему обод и, по меньшей мере, один фланец.
Реферат
Изобретение предназначено для создания ротора ковшовой гидротурбины, а именно к способу сборки рабочего колеса, к лопатке такого колеса и к колесу, оснащенному такими лопатками. Способ содержит: предварительное расположение в гнезде фланца лопатки, удерживаемой частью ее наружной поверхности у кромки гнезда с обеспечением при этом промежутка между выпуклой поверхностью наружной радиальной части лопатки и упомянутой кромкой; обеспечение шарнирного соединения лопатки на ободе и/или на фланце с внутренней стороны лопатки; воздействие на наружную радиальную часть лопатки первой калиброванной силы для сближения ее с кромкой; определение расстояния между наружной радиальной частью и кромкой под действием упомянутой силы; ослабление этой силы; размещение между наружной радиальной частью и кромкой клина, толщина которого фактически равна расстоянию между наружной радиальной частью и кромкой; воздействие на наружную радиальную часть лопатки второй силы для ее сближения с кромкой и удержание второй силы, величина которой составляет не менее величины первой силы. Изобретение позволяет избежать усталостных нагрузок и/или напряжений лопаток по отношению к ободу или к фланцам. 3 с. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.
