МЕХАНИЗМ ПОВОРОТА ЛОПАСТЕЙ РАБОЧЕГО КОЛЕСА

Предлагаемое техническое решение относится к области гидротурбостроения и может быть использовано при разработке рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин, а именно - при разработке конструкции механизма поворота лопастей рабочего колеса.
Механизм поворота лопастей рабочего колеса обеспечивает передачу усилия от поршня сервомотора к лопастям рабочего колеса, воспринимающих крутящий момент от гидравлических усилий.
В наиболее часто применяемых в гидротурбостроении конструкциях механизма поворота лопастей поршень сервомотора, расположенного внутри втулки рабочего колеса, жестко соединен с концом штока. На другом конце штока жестко закреплена крестовина, которая через рычажные передачи, включающие, например, проушины, серьги и рычаги, связана с цапфами лопастей рабочего колеса. Жесткая фиксация поршня и крестовины на штоке обычно обеспечивается такими элементами крепления как гайка или закладное кольцо. При использовании гайки на штоке выполняют резьбу и осуществляют затяжку крепежного элемента. При использовании закладного кольца последнее выполняют из двух частей, которые устанавливают в паз штока и стягивают между собой, при этом требуется обеспечить максимально точную беззазорную установку кольца в паз штока, для чего приходится выполнять точную пригонку кольца во время его установки, являющуюся очень сложной технологической операцией.
Известен механизм поворота лопастей [С.А. Грановский, В.М. Орго, Л.Г. Смоляров. Конструкции гидротурбин и расчет их деталей. Л.: Машгиз, 1953 г., с.231-233, фиг. 160], размещенный внутри корпуса втулки рабочего колеса и содержащий сервомотор, шток с жестко закрепленными на нем поршнем сервомотора и крестовиной, которая соединена с цапфой каждой лопасти посредством рычажной передачи. На цапфу установлен рычаг, один из концов которого соединен с серьгой, которая в свою очередь шарнирно связана через проушину с крестовиной.
Крестовина выполнена с центральным сквозным отверстием и установлена на противоположном от поршня конце штока. На нижнем конце штока выполнен упор - ограничительный выступ под опорную поверхность центральной части крестовины. Неподвижное крепление крестовины на штоке обеспечивается гайкой, навернутой на свободный нижний конец штока и прижимающей крестовину к упору. Крепление крестовины на штоке аналогично креплению поршня. Цилиндрический поршень сервомотора имеет центральное сквозное отверстие, посредством которого он установлен на верхнем конце штока, снабженного упором в виде ступеньки диаметра штока. Положение поршня на штоке фиксируется гайкой, навернутой на свободный конец штока и прижимающей поршень к торцевой ограничительной поверхности упора. Таким образом, исключается возможность смещения поршня по штоку вдоль оси рабочего колеса.
Несмотря на то, что осуществление крепления посредством гаек не требует точной пригонки и делает соединение взаимозаменяемым, выполнение самой резьбы (в случае больших габаритов крепежного элемента) вызывает большие затруднения и в производстве, так как требует изготовления очень дорогих калибров, и при выполнении монтажных работ при затяжке такого крупногабаритного элемента. Кроме того, в результате воздействия знакопеременных нагрузок и смятия резьбы возможно появление зазоров между контактирующими поверхностями.
В качестве технического решения, наиболее близкого к заявляемой полезной модели по совокупности существенных признаков, предлагается выбрать механизм поворота лопастей рабочего колеса [Н.Н. Ковалев. Гидротурбины. Конструкции и вопросы проектирования. Издание 2-е. Л.: Машиностроение, 1971 г., с.385-387, рис. VIII.7], содержащий поршень сервомотора и крестовину, жестко закрепленные на штоке. Поршень закреплен на верхнем конце штока и имеет возможность перемещения вдоль оси рабочего колеса внутри цилиндра сервомотора, установленного на корпусе рабочего колеса. Поршень выполнен с центральным сквозным отверстием, посредством которого он установлен на штоке. При этом опорная поверхность центральной части поршня соприкасается с торцевой опорной поверхностью кольцевого буртика штока. Положение поршня на штоке фиксируется закладным кольцом, выполненным из двух половин, установленных в паз штока и стянутых стыковыми болтами. Крестовина кинематически связана с лопастями рабочего колеса и установлена на нижнем конце штока, при этом ее опорная поверхность, обращенная в сторону поршня, упирается в торцевую поверхность упора, выполненного в виде кольцевого буртика штока. Прижим осуществлен с помощью закладного кольца, выполненного их двух половин, установленных в паз штока и стянутых стыковыми болтами.
К недостаткам рассмотренной конструкции механизма поворота лопастей, где в качестве крепежного элемента применено закладное кольцо, следует отнести сложность обеспечения точной беззазорной установки кольца в паз штока, так как имеющийся конструктивный зазор, предусмотренный в целях обеспечения технологической возможности сборки узла, ограничен очень жесткими допусками. Поэтому для правильной установки кольца в паз штока необходимо, чтобы высота кольца была несколько меньше размера паза. Для этого проводят точные замеры паза штока, а также серию замеров при изготовлении самого кольца, т.к. необходимо выполнить точную пригонку закладного кольца при его установке. При проведении работ по сборке рабочего колеса установка закладного кольца является технологически сложной операцией. Кроме того, как показал опыт эксплуатации поворотно-лопастных гидротурбин, после определенного времени работы вследствие воздействия знакопеременных нагрузок происходит «обминание» деталей по контактирующим поверхностям, в результате чего между этими поверхностями образуется зазор, который дополнительно увеличивает уже имеющийся конструктивный зазор. Таким образом происходит фактическое увеличение зазора между штоком и крестовиной, а также между штоком и поршнем, что негативно влияет на работу гидротурбины в целом.
Следует отметить, что узел крепления крестовины экологически чистых рабочих колес работает в более сложных условиях - в водной среде, что обуславливают возможность появления еще одного негативного фактора - фреттинг-коррозии контактирующих поверхностей. В связи с этим актуальной проблемой является обеспечение жесткой фиксации крестовины на штоке и повышение точности установки крепежного элемента крестовины.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении технологичности конструкции при одновременном обеспечении жесткой фиксации положения крестовины на штоке, что, в свою очередь, позволяет повысить надежность работы механизма поворота лопастей и гидротурбины в целом.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается механизм поворота лопастей рабочего колеса, содержащий сервомотор, шток, установленные и зафиксированные на штоке поршень сервомотора и крестовину, кинематически связанную с лопастями рабочего колеса. При этом, согласно заявляемой полезной модели, крестовина зафиксирована на штоке с помощью установленного в соответствующей кольцевой проточке штока закладного кольца с отжимными болтами, которые своими торцевыми поверхностями установлены в упор к обращенной в сторону закладного кольца опорной поверхности крестовины.
При выполнении механизма поворота лопастей рабочего колеса в совокупности вышеуказанных существенных признаков, обеспечивается возможность жесткой фиксации положения крестовины на штоке при помощи регулировки отжимных болтов. При этом отжимные болты выставляют в такое положение, при котором обеспечивается жесткое беззазорное соединение крестовины и штока, что положительно влияет на надежность работы механизма поворота лопастей рабочего колеса. Кроме того, предлагаемая конструкция существенно упрощает выполнение монтажных работ при сборке рабочего колеса, тем самым обеспечивая повышение технологичности.
С целью дальнейшего повышения надежности работы механизма поворота лопастей рабочего колеса фиксация поршня сервомотора на штоке может быть выполнена так же, как фиксация крестовины, а именно: поршень сервомотора зафиксирован на штоке с помощью установленного в соответствующей кольцевой проточке штока закладного кольца с отжимными болтами, которые своими торцевыми поверхностями установлены в упор к обращенной в сторону закладного кольца опорной поверхности поршня.
Данное решение также направлено на повышение технологичности конструкции в целом, обеспечивает упрощение монтажных работ при сборке рабочего колеса и позволяет исключить зазоры в узле крепления поршня, обеспечив тем самым жесткое соединение поршня и штока.
На фиг. 1 представлено крепление крестовины к нижней части штока с помощью закладного кольца с установленными в нем отжимными болтами, на фиг. 2 - вид на закладное кольцо по стрелке А.
Механизм поворота лопастей рабочего колеса содержит сервомотор (на графических материалах не показан), шток 1, на котором установлены и зафиксированы крестовина 2, кинематически (через систему рычажных передач) связанная с лопастями рабочего колеса, и поршень сервомотора (на графических материалах не показан). По наружной поверхности штока 1 выполнена кольцевая проточка 3 под установку закладного кольца 4. Закладное кольцо выполнено разъемным, состоящим из двух половин, соединенных между собой резьбовым элементом - шпилькой 5. В закладном кольце выполнены резьбовые отверстия 6, в которых установлены отжимные болты 7. Отжимные болты своими торцевыми поверхностями установлены в упор к опорной поверхности крестовины 2.
Количество отжимных болтов определяется в соответствии с известными расчетными методиками исходя из допустимых удельных нагрузок на смятие, которые рассчитываются с учетом усилия, действующего вдоль штока.
В механизме поворота лопастей поршень сервомотора может быть зафиксирован на штоке аналогично фиксации крестовины - с помощью закладного кольца, установленного в кольцевой проточке штока. При этом в резьбовых отверстиях закладного кольца установлены отжимные болты, которые своими торцевыми поверхностями упираются в опорную поверхность поршня.
Закрепление крестовины 2 на штоке 1 механизма поворота лопастей рабочего колеса осуществляют следующим образом. Крестовину 2 насаживают на шток 1. Обе части закладного кольца 4 заводят в кольцевую проточку 3, выполненную по наружной поверхности штока и предназначенную для установки закладного кольца, после чего обе части закладного кольца 4 жестко соединяют между собой, например, шпильками 5. Затем путем регулировки затяжки отжимных болтов 7, которые установлены в резьбовых отверстиях 6, выполненных в закладном кольце 4, выполняют точную установку кольца 4, полностью выбрав при этом конструктивный зазор.
Установка поршня на шток производится так же, как установка крестовины.
Технологически данные операции являются достаточно простыми и не требуют выполнения сложной пригонки закладного кольца при его установке. При этом также обеспечивается жесткая фиксация положения крестовины и поршня на штоке и исключается перемещение деталей вдоль оси штока, что повышает надежность работы механизма поворота лопастей рабочего колеса и гидротурбины в целом.
Механизм поворота лопастей, обеспечивающий передачу усилия от поршня сервомотора на лопасти рабочего колеса, работает следующим образом.
При подаче масла в сервомотор происходит перемещение поршня, жестко соединенного со штоком. На другом конце штока жестко закреплена крестовина, кинематически связанная с лопастями рабочего колеса. При перемещении поршня шток с закрепленной на нем крестовиной совершает поступательное движение, в результате которого крестовина через передаточный механизм, соединяющий ее с лопастями, передает усилие на лопасти рабочего колеса и вызывает их поворот.
Как было показано ранее, в процессе сборки механизма поворота лопастей фиксация положения крестовины 2 на штоке 1 осуществляется путем регулировки затяжки отжимных болтов 7, установленных в резьбовых отверстиях 6 закладного кольца 4. При затяжке отжимных болтов осуществляется прижим крестовины к штоку в осевом направлении, в результате которого происходит выборка конструктивного зазора, необходимого для установки закладного кольца в паз (кольцевую проточку) штока. Таким образом, в предлагаемом техническом решении при сборке обеспечивается жесткая беззазорная фиксация крестовины на штоке, исключающая появление в процессе работы механизма осевого люфта, обусловленного наличием конструктивного зазора в узле крепления крестовины. В свою очередь, исключение возможности осевой подвижки крестовины при работе механизма поворота лопастей под действием знакопеременных ударных нагрузок исключает появление дополнительных деформирующих напряжений в деталях механизма поворота лопастей и тем самым обеспечивает повышение надежности его работы.
Крепление поршня на штоке, аналогичное креплению крестовины, обеспечивает дальнейшее повышение надежности работы механизма поворота лопастей, так как также позволяет исключить осевой зазор при установке поршня на штоке, а, следовательно, и ударные нагрузки, возникающие при подвижках поршня (в случае наличия зазора) в процессе работы механизма поворота лопастей.
Однако, как уже отмечалось, действующие при работе механизма поворота лопастей знакопеременные нагрузки могут стать причиной «обминания» деталей по контактирующим поверхностям. Также в процессе работы может иметь место фреттинг-коррозия контактирующих поверхностей в узле крепления крестовины, работающей в водной среде. Данные факторы приводят к появлению в процессе работы механизма поворота лопастей рабочего колеса дополнительных зазоров в узлах крепления. В этих случаях при останове гидротурбины для проведения плановых профилактических или ремонтных работ предлагаемое техническое решение позволяет технологически просто осуществить регулировку положения как крестовины, так и поршня на штоке путем затяжки отжимных болтов до полного исключения зазоров в осевом направлении.