СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЫЧАГА МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА ЛОПАСТЕЙ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ГИДРОТУРБИНЫ Российский патент 1998 года по МПК F03B3/14 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в производстве поворотнолопастных гидротурбин типа турбин Каплана для изготовления рычагов механизма поворота лопастей рабочего колеса.

Рычаг механизма поворота лопастей представляет собой деталь, состоящую из плоской ступицы с центральным отверстием и отходящего от нее пальца с коническим галтельным основанием. При работе турбины рычаг подвержен большим нагрузкам, а поэтому к его прочности предъявляются высокие требования. Для обеспечения необходимой прочности рычаг изготавливают из высокопрочных сталей путем ковки с последующей нормализацией или закалкой с отпуском. В настоящее время способ изготовления рычага путем ковки с использованием подкладных штампов является единственным, применяющимся на производстве. Этот способ включает три стадии обработки слитка, перед каждой из которых осуществляют нагрев заготовки примерно до 1200^oC, что приводит к значительным затратам энергии, учитывая, что масса заготовок рычагов для крупных гидротурбин составляет десятки тонн. Кроме того, при изготовлении рычагов указанным способом велики отходы металла, коэффициент использования которого составляет 0,5 - 0,65. При этом изготовление сложных штампов под крупные заготовки также требует значительного расхода высокосортной стали, что также является существенным недостатком известного способа, учитывая низкую степень унификации рабочих колес гидротурбин. Изготовление рычагов свободной ковкой без использования подкладных штампов еще более затратно, т.к. в этом случае коэффициент использования металла не превышает 0,3.

В связи с указанными существенными недостатками описанного способа изготовления рычагов механизма поворота лопастей проводились опытно-технологические разработки по изготовлению рычагов способами точного литья или сварки предварительно сформированных ковкой ступицы и пальца. Однако эти способы не позволяли получить необходимую прочность рычагов для крупных гидротурбин.

В основу изобретения поставлена задача создания такого способа изготовления рычагов механизма поворота лопастей рабочего колеса, который требовал бы меньших затрат энергии и металла чем известные способы, но вместе с тем обеспечивал бы необходимую прочность рычага.

Эта задача решена в способе изготовления рычага механизма поворота лопастей рабочего колеса с осуществлением ковки исходного слитка и термической обработки, в котором в соответствии с сущностью изобретения поковку выполняют в виде полого цилиндра с наружным диаметром, соответствующим максимальному размеру рычага в поперечной относительно оси плоскости, и длиной, соответствующей осевому размеру по меньшей мере пары рычагов, сложенных друг с другом пальцами навстречу и с разворотом их относительно друг друга этими пальцами на 180^o, а каждый отдельный рычаг получают из такой поковки путем ее разрезания на части, соответствующие габаритам рычагов, с последующим формированием из них контура рычага резанием.

В данном определении сущности изобретения для достижения большей ясности исключены очевидные припуски и допуски на размеры, которые необходимо предусмотреть для операций разрезки и чистовой механической обработки и которые зависят от выбранной технологии выполнения этих операций. Из изложенных признаков понятно, что ковка заготовки рычага может быть осуществлена за одну стадию и что способ согласно изобретению не требует использования подкладных штампов. При этом сохранение операций ковки и термической обработки позволяет получить рычаг с необходимой механической прочностью.

На фиг. 1 изображена поковка, выполненная для изготовления четырех рычагов; на фиг. 2 - часть поковки после ее разрезки и перед формированием контура рычага; на фиг. 3 - вид по стрелке А на фиг. 2; на фиг. 4 - назначение размеров поковки для изготовления рычагов с пальцем, выступающим за пределы наружного диаметра ступицы.

Фиг. 1 - 3 поясняет способ изготовления рычага механизма поворота лопастей гидротурбин, который осуществляют с помощью изобретения. Контур изготовленного рычага - до заключительных стадий механической обработки - виден на фиг. 2, 3. В нем можно выделить плоскую кольцевую ступицу 1, имеющую диаметр D с центральным отверстием d, и палец 2 с конической галтельной частью 3. Изготовление такого рычага осуществляют следующим образом.

Необходимый для изготовления рычагов слиток рассчитывают таким образом, чтобы по выбранному технологическому регламенту получать поковку следующих размеров (фиг. 1). Наружный диаметр D₁ поковки и внутренний диаметр d₁ должны соответствовать диаметрам D и d рычага с учетом припусков на механическую обработку резанием как промежуточную, если она назначена регламентом, так и заключительную. Длина поковки L, предназначенной в описываемом примере для изготовления четырех рычагов, должна соответствовать осевому размеру двух пар рычагов, примыкающих друг к другу пальцами навстречу, и с разводом этими пальцами на 180^o, как это показано на фиг. 1 пунктирными линиями. При этом должны быть учтены припуски δ на разрезание поковки по длине и на механическую обработку плоских поверхностей ступицы 1 и торца пальца 2.

Поковку полого цилиндра выполняют по известной технологии свободной ковки. В частности, осуществляют осадку слитка в осевом направлении, прошивку центрального отверстия и обжим полученного полого цилиндра на универсальной оправке. После этого осуществляют, если это предусмотрено технологическим регламентом, промежуточную механическую обработку резанием по длине, наружному и внутреннему диаметрам.

Далее поковку подвергают термической обработке - нормализации или закалки с отпуском. В результате выполнения операций ковки и термической обработки получают поковку с уплотненной мелкозернистой структурой, что позволяет обеспечить высокую прочность рычага.

Для испытаний металла полученной поковки вырезают пробы. Такие пробы целесообразно отбирать из средних частей, как это показано штрих-пунктирными линиями 4 на фиг. 1, для того, чтобы не увеличивать пропуск на длину поковки для получения этих проб.

После этого заготовку разрезают на части, соответствующие габаритным размерам отдельных рычагов, в частности поперек оси поковки с двух сторон от средней части и продольной прорезкой с последующей разрезкой средней части напополам, как это показано на фиг. 1 двойными пунктирными линиями. При этом получают заготовки рычага, соответствующие по форме пунктирным линиям на фиг. 2 и 3. Технология резки может быть различной в зависимости от марки стали, размеров поковки и технологических возможностей. Каждую полученную заготовку подвергают механической отработке резанием, формируя контур рычага.

Изготовленную деталь подвергают заключительной механической обработке, предусмотренной технологическим регламентом, получая готовое изделие.

Рычаг механизма поворота лопастей гидротурбины может быть по конструктивным соображениям выполнен в форме, которая показана на фиг. 4, т.е. с выступанием пальца 2 за диаметр D ступицы 1. В этом случае также предпочтительно, чтобы наружный диаметр D₁ поковки (пунктирные линии на фиг. 4) был равен максимальному размеру H рычага в поперечном направлении относительно оси с воображаемым расположением рычага в паре эксцентрично по отношению друг к другу осями внутренних отверстий. Это позволит уменьшить металлоемкость поковки по сравнению с вариантом назначения ее размеров с условным соосным расположением рычагов в паре, когда наружный диаметр поковки должен быть увеличен на два размера, характеризующих выступ пальца за диаметр ступицы. В изображенном на фиг. 4 примере назначения размеров поковки предполагаются дополнительные отходы по сравнению с описанным выше способом изготовления рычагов, связанные с выборкой по внутреннему диаметру, но они будут существенно меньше, чем при выборке по наружному диаметру. При этом с использованием специальной оправки упомянутые отходы по внутреннему диаметру поковки можно свести к минимуму.

Как это следует из изложенного, описанный способ изготовления рычага механизма поворота лопастей не требует индивидуальной штамповой оснастки, сокращает количество переходов и стадий нагрева в процессе ковки. При этом коэффициент использования металла при изготовлении рычага составит, по расчетным данным, 0,6 - 0,65 и более. В то же время, благодаря осуществлению операций ковки и термической обработки обеспечивается достижение высокой прочности рычага.

Использование: в производстве поворотнолопастных гидротурбин типа турбин Каплана. Сущность изобретения: поковку изготавливают в виде полого цилиндра, наружный диаметр которого соответствует максимальному размеру рычага в полости, поперечной относительно его оси, а длина которого соответствует по меньшей мере пары рычагов, если бы они были сложены друг с другом пальцами навстречу и с разворотом друг относительно друга на 180^o. Из этой поковки каждый отдельный рычаг получают разрезанием ее на части, соответствующие габаритам рычага, с последующим формообразованием на них резанием контура рычага. 4 ил.

Способ изготовления рычага механизма поворота лопастей рабочего колеса гидротурбины с осуществлением ковки исходного слитка и термической обработки поковки, отличающийся тем, что поковку выполняют в виде полого цилиндра с наружным диаметром, соответствующим максимальному размеру рычага в поперечной относительно оси плоскости, и длиной, соответствующей осевому размеру по меньшей мере пары рычагов, сложенных друг с другом пальцами навстречу и с разворотом их относительно друг друга этими пальцами на 180^o, а каждый отдельный рычаг получают из указанной поковки путем ее разрезания на части, соответствующие габаритам рычагов, с последующим формообразованием на них резанием контура рычага.