Втулка нижней цапфы лопатки направляющего аппарата гидротурбины

Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, конкретно, гидротурбостроения, в частности, к устройству вертикальных гидротурбин, а именно, к направляющему аппарату гидротурбины.
В процессе работы вертикальных гидротурбин происходит износ втулок (подшипников) лопаток направляющего аппарата. Также возможно повреждение антифрикционного покрытия втулок при износе или повреждении уплотнений, установленных перед вкладышем со стороны проточной части и предотвращающих попадание посторонних частиц на рабочую поверхность втулок. В конструкцию направляющего аппарата входят верхние втулки, средние втулки и нижние втулки направляющих лопаток. Верхние и средние втулки устанавливаются в крышку гидротурбины или верхнее кольцо направляющего аппарата по посадочным поверхностям. Нижние втулки устанавливаются по посадочным поверхностям в окна на нижнем кольце направляющего аппарата и крепятся к нижнему кольцу направляющего аппарата.
Проблема износа втулок решается только их заменой. Замена верхней и средней втулок направляющего аппарата осуществляется с их выемом вверх и не вызывает трудностей. При конструктивном исполнении гидроагрегата, позволяющем выполнить разборку гидротурбины вниз, замена нижних втулок направляющего аппарата также не вызывает проблем.
При конструктивном исполнении гидроагрегата, позволяющем осуществлять разборку только с выемом оборудования вверх, для замены нижних втулок лопаток направляющего аппарата необходима разборка генератора и части гидротурбинного оборудования, что является трудоемкой операцией, требующей значительных временных и материальных затрат. Организация е верхнем кольце направляющего аппарата или крышке гидротурбины специальных окон, через которые можно извлекать лопатки и получать доступ для замены нижних втулок цапф направляющего аппарата без разбора оборудования вверх, значительно увеличивает металлоемкость конструкции и требует изготовления ряда приспособлений для частичной разборки кинематики направляющего аппарата.
Путем решения данной технической проблемы является разработка технологичной конструкции направляющего аппарата, с целью упрощения процесса замены нижних втулок и уплотнений и полного отказа от разборки гидротурбины вверх.
Известно изобретение «Направляющий аппарат гидромашины» (Авторское свидетельство СССР №1520950; F03B 3/18; дата публикации 20.10.1986 г.),
Направляющий аппарат содержит верхнее и нижнее кольца с пазами, расположенные между кольцами поворотные лопатки с цапфами, снабженные приливами. Верхние и нижние втулки выполнены цельными и установлены в верхнее и нижнее кольца направляющего аппарата. Для защиты от загрязнения и попадания посторонних предметов перед втулками устанавливаются уплотнительные элементы, выполненные в виде втулок, охватывающих цапфы и контактирующих с торцами приливов, и сегментных пластин, контактирующих с торцами лопаток. Техническое решение направлено на упрощение конструкции и снижение протечек воды через закрытый направляющий аппарат.
Недостатком известного решения является то, что при замене втулок и уплотнительных элементов требуется разборка гидротурбины и демонтаж лопатки направляющего аппарата, что является длительной и дорогостоящей операцией.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является изобретение «Подшипник нижней цапфы лопатки направляющего аппарата гидротурбины» (патент РФ№2061898; МПК F03B 11/06; дата публикации 10.06.1996 г.). Согласно изобретению - вкладыш подшипника (втулки) нижней цапфы направляющего аппарата гидротурбины выполнен разрезным вдоль оси на отдельные сектора (сегменты), угловой размер каждого из которых меньше углового размера части цапфы, выступающей за поперечное сечение пера лопатки. Каждый сектор вкладыша имеет опорную поверхность, наружную поверхность, верхний и нижний торец, вертикальные поверхности стыка и внутренние грани. Подшипник снабжен крышкой (кольцом), которая также выполнена разрезной вдоль оси на сектора, идентичные по площади секторам вкладыша, и установлена на вкладыш. Каждый из секторов вкладыша оснащен отверстием под установку отжимного болта для его извлечения из гнезда и замены секторов без разборки гидротурбины и демонтажа лопатки направляющего аппарата. Для защиты от попадания на рабочую (опорную) поверхность сектора посторонних частиц, подшипник оснащен радиальными уплотнениями.
Недостатком данного решения является то, что предлагаемая конструкция не позволяет жестко фиксировать сектора вкладыша между собой, что может приводить к их смещению в радиальном направлении и возникновению уступов между секторами. Возникновение уступов приведет к повышению нагрузок на кромки секторов с антифрикционным слоем и его повышенному износу в этих местах. Данное обстоятельство может привести к заполнению зазора между опорной поверхностью подшипника и нижней цапфой лопатки направляющего аппарата в период приработки продуктами износа, что может привести к заклиниванию лопатки в подшипнике и преждевременному износу подшипника и уплотнения. Кроме того, изготовление подшипников такой конструкции является не технологичным.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в улучшении технологичности конструкции направляющего аппарата, исключении заклинивания и повышении ресурса втулок, что снижает трудоемкость замены втулок и уплотнений и исключает при этом полную разборку направляющего аппарата гидротурбины, сокращает время и стоимость работ по замене втулок нижних цапф лопаток направляющего аппарата.
Для достижения указанного выше технического результата втулка нижней цапфы лопатки направляющего аппарата гидротурбины содержит вкладыш и кольцо, выполненные разрезными вдоль оси на отдельные сегменты. Каждый сегмент вкладыша имеет опорную поверхность, наружную поверхность, верхний и нижний торец, вертикальные поверхности стыка, внутренние грани.
При этом, согласно заявляемой полезной модели, на наружных поверхностях сегментов вкладыша в зоне верхнего и нижнего торцев выполнены соответственно верхняя и нижняя проточки. В верхней проточке установлено кольцо. В нижней проточке установлено опорное кольцо, соединяющее сегменты вкладыша между собой.
На каждой вертикальной поверхности стыка в зоне нижнего торца выполнены скосы под углом 15-45° к вертикальной поверхности стыка, причем высота скоса больше высоты нижней проточки.
Внутренние грани выполнены с притуплением, образующим при стыковке с внутренними гранями соседнего сегмента вертикальные канавки по всей высоте сегментов.
Установка опорного кольца, соединяющего сегменты вкладыша между собой, позволяет произвести окончательную обработку по опорной поверхности вкладыша в сборе, что позволяет исключить уступы между сегментами и заклинивание лопатки во втулке и улучшить технологичность конструкции направляющего аппарата.
Выполнение скосов на каждой вертикальной поверхности стыка в зоне нижнего торца под углом 15-45° к вертикальной поверхности стыка позволяет улучшить собираемость втулки, что улучшает технологичность конструкции направляющего аппарата.
Выполнение притупления на внутренних гранях каждого сегмента вкладыша с образованием при стыковке с внутренними гранями соседнего сегмента вертикальных канавок по всей высоте сегментов обеспечивает отвод из активной зоны рабочей (опорной) поверхности втулки продуктов износа в процессе приработки и отвода попавших на опорную поверхность сегментов втулки посторонних частиц, содержащихся в воде, что снижает износ втулок и увеличивает их ресурс.
Притупление внутренних граней каждого сегмента вкладыша может быть выполнено в виде скруглений, или в виде фаски, выполненной под углом 30-60° к вертикальной поверхности стыка.
Предлагаемая конструкция втулки нижней цапфы лопатки направляющего аппарата гидротурбины в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет улучшить технологичность конструкции направляющего аппарата, исключить заклинивание лопатки во втулке, повысить ресурс втулок, тем самым снизить трудоемкость замены втулок и уплотнений, исключить при этом полную разборку направляющего аппарата гидротурбины, сократить время и стоимость работ по замене втулок нижних цапф лопаток направляющего аппарата.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами. На фиг. 1 представлена втулка нижней цапфы лопатки направляющего аппарата гидротурбины, установленная в направляющий аппарат; на фиг. 2 - втулка в сборе; на фиг. 3 - сегмент вкладыша со скруглением внутренних граней; на фиг. 4 - сегмент вкладыша с фаской на внутренних гранях; на фиг. 5 и фиг. 6 - последовательность разборки втулки нижней цапфы лопатки направляющего аппарата.
Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения втулки нижней цапфы лопатки направляющего аппарата гидротурбины.
Втулка 1 нижней цапфы 2 лопатки 3 направляющего аппарата 4 содержит вкладыш 5, выполненный разрезным вдоль оси на отдельные сегменты 6 и кольцо 7, также выполненное разрезным вдоль оси на отдельные сегменты 8. Каждый сегмент 6 вкладыша 5 имеет опорную поверхность 9, наружную поверхность 10, верхний торец 11, нижний торец 12, вертикальные поверхности стыка 13, внутренние грани 14. Внутренние грани 14 образованы опорной поверхностью 9 и вертикальными поверхностями стыка 13.
На наружных поверхностях 10 сегментов 6 вкладыша 5 в зонах верхнего торца 11 и нижнего торца 12 выполнены соответственно верхняя проточка 15 и нижняя проточка 16. В верхней проточке 15 установлено кольцо 7. В нижней проточке 16 установлено опорное кольцо 17, соединяющее сегменты 6 вкладыша 5 между собой в замкнутое кольцо. Высота h нижней проточки 15 составляет 0,05-0,1 высоты Н сегмента 6.
Сегменты 8 крепятся к сегментам 6 винтами 18 и устанавливаются со смещением по стыку. Количество сегментов 6 может составлять 6-8 штук и определяется, исходя из технологической возможности обработки сегментов 6. В конкретном примере выполнения вкладыш 5 состоит из шести сегментов 6, собранных в замкнутое кольцо. Кольцо 7 по внутренней поверхности имеет опорную посадочную поверхность 19, которая фиксирует от смещения сегменты 8 в радиальном направлении.
1
На каждой вертикальной поверхности стыка 13 в зоне нижнего торца 12 выполнены скосы 20 под углом α=15-45° к вертикальной поверхности стыка 13. Высота h скоса 20 больше высоты h нижней проточки 16. Высота hi определяется, исходя из диаметра и высоты Н сегментов 6. Угол α определяется, исходя из удобства сборки при монтаже. Если угол а меньше 15°, то при установке сегмент 6 может упереться нижним торцем 12 в соседние сегменты 6. Если угол α больше 45°, то последний сегмент 6 невозможно будет состыковать с другими сегментами 6, чтобы соединить все сегменты 6 в замкнутое кольцо и получить вкладыш 5 в сборе.
На верхних торцах 11 сегментов 6 предусмотрены резьбовые отверстия 21 для демонтажа сегментов 6. Между вкладышем 5 и кольцом 7 устанавливается уплотнительное разрезное кольцо 22, например, из полиуретана или аналогичного по свойствам материала, выполняющее защитную функцию от попадания посторонних частиц, присутствующих в воде, в зазор между поверхностью цапфы 2 и опорными поверхностями 9 сегментов 6. Стык уплотнительного разрезного кольца 22 выполняется внахлест под углом 30° и склеивается на монтаже.
Внутренние грани 14 каждого сегмента 6 вкладыша 5 выполнены с притуплением, образующим при стыковке с внутренними гранями 14 соседнего сегмента 6 вертикальные канавки 23 по всей высоте Н сегментов 6. Притупление внутренних граней 14 может быть выполнено в виде скруглений с радиусом R (фиг. 3). Величина радиуса R определяется конструктивно, исходя из размеров сегментов 6. Также притупление внутренних граней 14 может быть выполнено в виде фаски 24, выполненной под углом β=30-60° к вертикальной поверхности стыка 13 (фиг. 4). Вертикальные канавки 23 служат для отвода из активной зоны рабочей поверхности (опорной поверхности 9) втулки 1 продуктов износа в процессе приработки, и отвода попавших на опорную поверхность 9 посторонних частиц, содержащихся в воде, при повреждении уплотнительного разрезного кольца 22.
Предлагаемая конструкция работает следующим образом.
При первом монтаже направляющего аппарата 4 втулку 1 в собранном виде устанавливают в нижнее кольцо 25 направляющего аппарата 4 по посадочным поверхностям 26, затем устанавливают лопатку 3 направляющего аппарата 4. Втулка 1 от проворота в нижнем кольце 25 фиксируется винтами 27, установленными в отверстия 28 (фиг. 5). После запуска гидротурбины и выхода ее на установившийся режим работы направляющий аппарат 4 работает обычным образом.
Замена втулки 1 осуществляется в следующей последовательности:
Разворачивая лопатку 3 направляющего аппарата 4, вокруг своей оси, выворачивают и удаляют винты 18, затем сегменты 8 кольца 7. Удаляют уплотнительное разрезное кольцо 22. Поочередно, проворачивая лопатку 3, удаляют сегменты 6 вкладыша 5. Опорное кольцо 17 не удаляют (фиг. 6). Полная разборка направляющего аппарата 4 и рабочих механизмов гидротурбины не требуется.
Сборку втулки 1 производят в обратной последовательности. Втулка 1 от проворота фиксируется винтами 27 со смещением их положения по углу от ранее выполненных отверстий 28.