Маслораспределительное устройство гидроагрегата
OIL-DISTRIBUTING DEVICES OF HYDRAULIC UNIT

Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, конкретно, гидротурбостроения, в частности, к гидроагрегатам, включающим поворотно-лопастные гидротурбины и гидрогенераторы, и может быть использовано в маслораспределительных устройствах гидроагрегатов.
В современных конструкциях гидроагрегатов с поворотно-лопастными гидротурбинами, содержащих маслораспределительное устройство, одной из основных технических проблем является повышенный износ поверхностей трения опор штанг и внутренних поверхностей вала гидроагрегата из-за попадания абразивных частиц в маслораспределительное устройство, приводящий к снижению надежности с точки зрения вибрационного состояния и ресурса работы гидроагрегата. Штанги расположены внутри вала гидроагрегата, состоящего из вала гидротурбины и вала гидрогенератора, и соединяют маслоприемник и сервомотор рабочего колеса. Штанги представляют собой длинные и тонкие трубы, по которым подается масло под давлением к сервомотору рабочего колеса. Количество штанг определяется из условий возможности их изготовления и монтажа. Для предотвращения вибраций в процессе работы штанги имеют опоры скольжения, которые расположены в радиальном направлении. Опоры скольжения могут иметь антифрикционные накладки или могут быть снабжены втулками из антифрикционного материала, которые устанавливаются во внутреннюю полость вала.
Для обеспечения скольжения с минимальным износом поверхности трения опор скольжения на штангах и внутренние поверхности вала должны быть обработаны с шероховатостью поверхностей не хуже Ra 0,8 мкм (Д.Н. Решетников, «Детали машин», М., 1974, стр. 389). Также к поверхностям трения опор скольжения штанг и вала предъявляются высокие требования по обеспечению формы их поверхности и обработки в размер с высокой точностью, что требует значительных трудозатрат на механическую обработку указанных поверхностей. Смазка опор скольжения осуществляется турбинным маслом, которым заполняется внутренняя полость вала гидроагрегата.
В случае, когда вал гидроагрегата имеет значительную длину, возникает затруднение с обеспечением необходимой шероховатости поверхностей трения внутри вала при их значительном удалении от торцов валов. Установка опор скольжения, снабженных втулками из антифрикционного материала, в таких местах также не представляется возможной.
Также, современная тенденция гидротурбостроения направлена на применение экологически чистых рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин, без заполнения турбинным маслом внутренней полости вала.
Известно изобретение «Маслораспределительное устройство поворотно-лопастной гидромашины» (Патент РФ №2075628; МПК F03B 11/00; дата публикации 20.03.1997 г.).
Согласно изобретению, соединение маслоприемника и сервомотора рабочего колеса осуществляется штангами, установленными между ними внутри вала гидромашины (гидроагрегата). Штанги выполнены не менее чем из двух коаксиальных жестко соединенных между собой труб. Для опирания на вал штанги снабжены радиальными опорами по наружной поверхности с накладками из бронзы. При этом одна из опор выполнена более массивной для обеспечения требуемого дисбаланса и гарантированного прижатия штанг к валу за счет смещения центра тяжести опоры относительно оси вращения вала.
Недостатком данного решения является то, что в местах контакта радиальных опор на штангах с внутренней поверхностью вала для обеспечения скольжения с минимальным износом, поверхности трения вала должны быть обработаны с высокой точностью для обеспечения требуемой шероховатости, что приводит к повышенным трудозатратам на механическую обработку поверхностей. Работа данного устройства без заполнения вала турбинным маслом возможна, но приведет к повышенному износу пары трения. Помимо выработки накладок из бронзы изнашивается внутренняя поверхность вала, ремонт которой может быть затруднительным или невозможным в условиях ГЭС. Также попадание продуктов износа в шарнирные соединения рабочего колеса может привести к их повреждению или повышенному износу.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является изобретение «Маслораспределительное устройство поворотно-лопастной гидромашины» (Авторское свидетельство СССР №1038535; МПК F03B 11/00, дата публикации 30.08.1983 г.).
Согласно изобретению, маслораспределительное устройство гидромашины (гидроагрегата) содержит маслоприемник, сервомотор рабочего колеса и штанги, снабженные опорами, установленными с зазором внутри вала гидромашины. Штанги выполнены не менее, чем из двух концентричных жестко соединенных одна с другой труб, имеющих полости, сообщенные с полостями открытия и закрытия сервомотора. Каждая опора представляет собой опору скольжения и снабжена по меньшей мере тремя направляющими втулками, имеющими каналы для смазки, причем забор масла на смазку осуществляется от внутренних полостей штанг, которые находятся под давлением масла подводимого к сервомотору рабочего колеса.
Недостатком данного решения является то, что установка опор скольжения возможна только в непосредственной близости к торцам вала, что влияет на вибрационную надежность гидроагрегата. Также, для работы опор требуется турбинное масло, которое используется из системы регулирования, что приводит к дополнительной нагрузке на систему автоматического управления в части поддержания требуемого давления в системе. При попадании посторонних частиц в масло происходит повышенный износ направляющих втулок, что приводит к увеличению зазоров, повышению вибрации, и, следовательно, снижению ресурса работы. Работа данного устройства без заполнения вала турбинным маслом не возможна.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении вибрационной надежности и увеличении ресурса работы гидроагрегата, в снижении трудозатрат на механическую обработку поверхностей трения опор штанг и вала гидроагрегата, а также в применении экологически чистых рабочих колес гидротурбины.
Для достижения указанного выше технического результата маслораспределительное устройство гидроагрегата содержит маслоприемник, сервомотор рабочего колеса и штанги, снабженные опорами, установленными с зазором внутри вала гидроагрегата.
При этом, согласно заявляемому изобретению, по меньшей мере одна опора выполнена в виде опоры качения, состоящей по меньшей мере из трех подшипников, расположенных по окружности штанг и закрепленных посредством консольных опор на штангах.
Применение по меньшей мере одной опоры качения вместо опоры скольжения позволяет осуществлять опору штанг без обеспечения высоких требований к точности обработки и шероховатости внутренних поверхностей вала, а также обеспечить работу опор без заполнения вала турбинным маслом и без повышенного износа пары трения «опора - внутренняя поверхность вала», что способствует увеличению ресурса работы гидроагрегата.
Выполнение опоры качения по меньшей мере с тремя подшипниками позволяет повысить надежность работы опоры за счет сохранения расчетного зазора между опорой и внутренней поверхностью вала гидроагрегата на всем сроке эксплуатации и увеличить ресурс его работы за счет значительного снижения износа контактных поверхностей. Расположение опор в любом месте на всем протяжении длины вала позволяет повысить вибрационную надежность гидроагрегата.
Расположение подшипников по окружности штанг позволяет исключить повреждения внутренней поверхности вала при установке штанг во время монтажа и исключить повреждения внутренней поверхности вала гидроагрегата во время работы при возникновении нештатной ситуации в случае контакта внутренней поверхности вала с опорами качения, не имеющими острых кромок.
Предлагаемая конструкция маслораспределительного устройства гидроагрегата в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет повысить вибрационную надежность, увеличить ресурс работы гидроагрегата, снизить трудозатраты на механическую обработку опор штанг и вала гидроагрегата за счет применения опор качения. Отказ от заполнения вала турбинным маслом позволяет применять экологически чистые рабочие колеса гидротурбины.
Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения маслораспределительного устройства гидроагрегата.
На фиг. 1 представлен продольный разрез маслораспределительного устройства гидроагрегата; на фиг. 2 - поперечное сечение А-А в зоне расположения опоры; на фиг. 3 - сечение Б-Б по оси опоры с подшипником.
Маслораспределительное устройство гидроагрегата содержит маслоприемник 1, сервомотор рабочего колеса 2 и штанги 3, снабженные опорами 4, установленными с расчетным зазором внутри вала 5 гидроагрегата. Расчетный зазор между опорами 4 и внутренней поверхностью вала 5 устанавливается регулировочными прокладками 6. Опоры 4 с регулировочными прокладками 6 закреплены посредством крепежных элементов на опорных пластинах 7. Опорные пластины 7 жестко закреплены на наружной поверхности штанг 3, например, сваркой.
В средней части штанг 3, между опорами 4 устанавливается груз 8, вызывающий дисбаланс штанг 3 при вращении. Величина массы груза 8 должна обеспечивать гарантированное касание штанг 3 опорами 4 к внутренней поверхности вала 5 гидроагрегата при вращении с номинальной частотой вращения. При этом, после опирания штанг 3 на внутреннюю поверхность вала 5 гидроагрегата, происходит снижение амплитуды колебания штанг 3 и повышение их вибрационной надежности.
По меньшей мере одна опора 4 представляет собой опору качения. Количество опор качения определяется длиной вала 5 гидроагрегата. В конкретном примере выполнения установлено две опоры качения. Опора 4 состоит по меньшей мере из трех подшипников 9, расположенных по окружности штанг 3. Подшипник 9 закреплен в консольной опоре 10 по посадке с натягом посредством крепежного элемента, например, пальца 11. Консольная опора 10 может представлять собой кронштейн, держатель, подвес и др. Палец 11 закреплен в консольной опоре 10 крепежным элементом, например, гайкой 12. Для предотвращения касания подшипника 9 с консольной опорой 10 устанавливаются шайбы 13. Количество подшипников 9, их размер и расположение по окружности штанг 3 определяется конструктивными размерами вала 5 гидроагрегата. В конкретном примере выполнения установлено три подшипника 9 с равным шагом по окружности штанг 3, но в различных случаях выполнения конструкции может быть использован неравномерный шаг.
Предлагаемая конструкция работает следующим образом.
При вращении гидроагрегата с номинальной частотой вращения происходит упругая деформация штанг 3 и прижатие их к валу 5 гидроагрегата за счет воздействия дисбаланса от груза 8 в зоне установки опор 4.
При выполнении штангами 3 вертикального перемещения внутри вала 5 гидроагрегата, вызванного перемещением сервомотора рабочего колеса 2, подшипники 9 опор 4 катятся по внутренней поверхности вала 5, не создавая продуктов износа. Смазка, заложенная в подшипники 9, позволяет им работать без заполнения турбинным маслом внутренней полости вала 5 в пределах всего срока службы гидроагрегата.