УПЛОТНЕНИЕ РАБОЧЕГО КОЛЕСА РАДИАЛЬНО-ОСЕВОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ТУРБИНЫ

Настоящая полезная модель относится к области энергетического машиностроения, конкретно - гидротурбостроения, в частности - к устройству уплотнения рабочего колеса радиально-осевой гидравлической турбины (типа Френсис).
Рабочее колесо является основным рабочим органом радиально-осевой гидравлической турбины. Для снижения протечек (объемных потерь) в обход рабочего колеса на выходе из направляющего аппарата в конструкции предусматривается установка специальных уплотнений, состоящих из колец, закрепленных на рабочем колесе (подвижная часть уплотнения), а также колец, установленных на фундаментной части гидротурбины (неподвижная часть уплотнения). Уплотнения выполняются различных видов: лабиринтные, елочные, гребенчатые. Все они относятся к щелевому типу.
Помимо значительных статических и динамических нагрузок во время работы рабочее колесо гидравлической турбины также подвержено воздействию кавитационной, а в ряде случаев, и гидроабразивной эрозии. В воде присутствует большое количество взвешенных абразивных частиц, которые при прохождении через рабочее колесо способствуют абразивному износу гидравлически активных поверхностей гидротурбины, в т.ч. уплотнений. В результате абразивного воздействия увеличивается зазор в уплотнении и растут объемные потери, что приводит к снижению кпд гидротурбины.
При работе гидротурбины в условиях постоянного абразивного воздействия требуется частая замена уплотнений. Для упрощения процедуры замены подвижная часть уплотнения выполняется сменной в виде поковки из нержавеющей стали, которая крепится по посадочным поверхностям к нижнему ободу рабочего колеса при помощи сварки либо крепежных элементов (например, болтов или винтов).
Выбор конструкции крепления уплотнения основывается в первую очередь на обеспечении надежности конструкции и его ремонтопригодности без уменьшения срока службы рабочих элементов гидравлической турбины. Помимо этого необходимо обеспечить герметизацию зазора между нижним ободом рабочего колеса и закрепленным на нем кольцом уплотнения, а также возможность замены уплотнения без последующего восстановления поверхности нижнего обода рабочего колеса.
Существующие на сегодняшний день решения имеют свои недостатки и не являются в полной мере эффективными. Решение обозначенных проблем позволило бы существенно повысить надежность радиально-осевых гидравлических турбин и снизить затраты на эксплуатацию и ремонт данного оборудования.
Из уровня техники на дату написания настоящей заявки известен целый ряд технических решений, которые направлены на решение рассматриваемых проблем.
Известно изобретение «Щелевое уплотнение рабочего колеса гидротурбины» (см. SU 358570 A1, 03.11.1972). Представлена конструкция щелевого уплотнения рабочего колеса гидротурбины, которое содержит вращающийся и невращающийся элементы кольцевой формы. Невращающееся кольцо уплотнения крепится на статорной части гидротурбины с помощью болтов и прижимных планок. Вращающееся кольцо закреплено неподвижно на ободе рабочего колеса. В описании изобретения не указан способ его крепления. На практике уплотнение такого типа приваривается по торцам и стыкам, или крепится на винты к ободу 2 («Справочник по гидротурбинам» под редакцией Н.Н. Ковалева, Ленинград «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1984 г.). При указанных схемах установки только способ крепления сваркой является оптимальным: сварной шов обеспечивает надежное крепление уплотнения на ободе рабочего колеса, а также герметизирует зазор между ободом рабочего колеса и нижним подвижным уплотнением.
Однако при данном способе крепления, в процессе замены уплотнения потребуется удаление сварного шва, что неизбежно приведет к повреждению поверхности нижнего обода рабочего колеса. Удаление шва осуществляется с использованием газорезательной машины, при этом, помимо удаления сварочного металла, происходит удаление слоя металла посадочной поверхности нижнего обода рабочего колеса. Впоследствии потребуется восстановление поврежденной поверхности.
При болтовом или винтовом соединении требуется выполнение герметизирующего сварного шва, исключающего возможность протечек по посадочной поверхности уплотнения. В противном случае при эксплуатации происходит разрушению крепежных элементов и посадочной поверхности уплотнения вследствие прохождения и воздействия воды, содержащей взвешенные частицы.
Наиболее близкой к заявляемой является конструкция , представленная в изобретении «Способ установки уплотнительных колец на рабочее колесо радиально-осевой гидромашины» (см. RU 2099585 C1, 20.12.1997). Это решение выбрано в качестве прототипа. В соответствии с представленным описанием, уплотнение рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины содержит кольцо, которое устанавливается неподвижно в т.ч. на обод рабочего колеса натягом, при этом крепление осуществляется сваркой только по одному торцу кольца.
При необходимости частой замены лабиринтных уплотнений в условиях гидроэлектростанции удаление сварного шва и его последующее восстановление является длительной и дорогостоящей операцией. Как и в предыдущем техническом решении, при каждой замене уплотнения повреждается обод рабочего колеса, возникают дополнительные напряжения и деформации посадочной поверхности обода при выполнении сварного шва, что приводит к сокращению срока службы рабочего колеса. Уменьшение объема сварочных работ, несомненно, улучшает ремонтопригодность уплотнения. Однако, при осуществлении ремонтных работ в условиях гидроэлектростанции не представляется возможным произвести нагрев конструкции уплотнения, посадку и приварку без последующей деформации конструкции уплотнения при сохранении необходимого уровня качества выполняемых работ.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в повышении ремонтопригодности конструкции уплотнения в условиях гидроэлектростанции, а также в обеспечении эксплуатационной надежности без сокращения срока службы рабочего колеса гидравлической турбины.
Указанный технический результат достигается за счет применения в конструкции радиально-осевой гидравлической турбины уплотнения, которое состоит из стационарной и вращающейся частей кольцевой формы. Стационарная часть, уплотнения неподвижно закреплена на статоре гидравлической турбины. Вращающаяся часть уплотнения установлена неподвижно на нижнем ободе рабочего колеса гидравлической турбины, причем крепление осуществляется на посадочной поверхности обода с помощью винтов и штифтов - в нижней части кольца уплотнения, а верхняя часть входит в паз, выполненный проточкой в ободе. Полость, образованная кольцом уплотнения и ободом рабочего колеса служит для установки балансировочных грузов и уплотняется в проточке с помощью шнура (например, резинового). Применение штифтов позволяет скомпенсировать влияние радиальной силы на винты крепления и повысить надежность конструкции рабочего колеса. Также в целях повышения надежности конструкции, в нижней части обода рабочего колеса предусмотрены дренирующие отверстия для отвода воды из рассматриваемой полости в случае износа уплотнительного шнура и проникновения воды в полость под высоким давлением. Винты и штифты закрыты защитными крышками, прикрепленными с помощью сварных швов к поверхности уплотнения, что позволяет оградить элементы крепления от эрозионного износа и обеспечить легкий доступ при проведении ремонтных работ.
На фиг. 1 показан фрагмент радиально-осевой гидравлической турбины с крепежным винтом.
На фиг. 2 показан фрагмент радиально-осевой гидравлической турбины с штифтом.
На фиг. 3 показан фрагмент радиально-осевой гидравлической турбины со сквозным отверстием.
Радиально-осевая гидравлическая турбина включает статорную и роторную части. Статорная часть представлена направляющим аппаратом 7 гидравлической турбины. Роторная часть представлена ободом 2 рабочего колеса.
Для снижения протечек из направляющего аппарата в обход рабочего колеса применяется уплотнение щелевого типа, конструкция которого состоит из стационарной и вращающейся частей кольцевой формы.
изб
Вращающийся элемент уплотнения 1 крепится в нижней своей части к ободу 2 с помощью винтов 3 с дополнительной фиксацией штифтами 5 цилиндрической формы. Для фиксации верхней части вращающегося элемента уплотнения в ободе 2 выполняется проточка. В проточке выполняется фаска, обеспечивающая совместно с элементом уплотнения место под установку уплотнительного шнура 4. Применение шнура в конструкции уплотнения препятствует проникновению воды под высоким давлением (Р) из направляющего аппарата в полость А, образованную ободом рабочего колеса и вращающимся элементом уплотнения. Полость А служит для установки балансировочных грузов рабочего колеса гидротурбины.
Крепежные винты 3 и штифты 5 закрыты защитными крышками 6 для защиты от коррозионного и эрозионного воздействия в процессе эксплуатации. После установки штифтов и винтов защитные крышки фиксируются сваркой на поверхности уплотнения.
В нижней части вращающегося элемента уплотнения 1 и в ободе рабочего колеса 2 выполняются сквозные отверстия 8. В случае повреждения уплотнительного шнура 4 и попадания воды под высоким давлением в полость А данные отверстия позволят избежать возникновения избыточного давления в зоне опорного фланца крепления уплотнения.
На фиг. 4 показано взаимное расположение крепежных винтов 3, штифтов 5 и разгрузочных отверстий 8 в ободе 2 рабочего колеса гидротурбины.