РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ПОВОРОТНО-ЛОПАСТНОЙ ГИДРОТУРБИНЫ Российский патент 2008 года по МПК F03B3/14 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в гидротурбинах с поворотно-лопастными рабочими колесами.

Известна конструкция поворотно-лопастного рабочего колеса, в котором лопасти, состоящие из пера и цапфы, фиксируются в корпусе от перемещения вдоль осей цапф специальными упорными подшипниками, передающими центробежную силу от лопастей на внутреннюю часть корпуса рабочего колеса (FR 2481361, СН 408819). Применение упорных подшипников приводит к усложнению конструкции лопасти из-за необходимости создания опорной поверхности внутри лопасти.

Задача фиксации лопастей, включающих перо и цапфы, в конструкции поворотно-лопастного рабочего колеса (SU 1320493), решается путем введения крепежных элементов в виде стяжек. Стяжки, проходя через центральную часть корпуса, соединяют диаметрально расположенные лопасти, создавая тем самым уравновешенную систему при восприятии центробежных сил от лопастей. В силу того, что реальные лопасти отличаются друг от друга по весу, данная конструкция не позволяет создать уравновешенной системы лопастей, что приводит к усложнению конструкции внутренней части корпуса из-за необходимости создания дополнительного крепления лопастей.

Известно поворотно-лопастное рабочее колесо, выбранное в качестве прототипа, содержащее корпус с выполненными в нем окнами, в которых посредством подшипников скольжения установлены лопасти. Окна являются внешней опорой лопасти, а внутренней опорой является внутренняя часть корпуса, в которой выполнены цилиндрические проточки с установленными в них подшипниками скольжения. Лопасти состоят из пера и цапфы, и приводятся в действие механизмом поворота лопастей, включающим рычаги, установленные на цапфах, которые обеспечивают одновременно поворот лопастей относительно осей цапф и фиксацию лопастей в корпусе по опорным поверхностям окон корпуса от перемещения в направлении вдоль осей цапф (Бронштейн Л.Я. и др. Справочник конструктора гидротурбин, Л.: Машиностроение, 1971 г., стр.167-171).

Рычаг механизма поворота лопастей представляет собой кольцевую деталь, у которой внешний диаметр принимается больше диаметра окна, выполненного в корпусе. Заодно с кольцевой деталью выполнен палец рычага или проушина рычага.

За счет того что внешний диаметр кольцевой детали принимается больше диаметра окна, выполненного в корпусе, обеспечивается фиксация лопасти от перемещения в направлении вдоль оси цапфы за счет опоры кольцевой детали рычага по опорной поверхности окна корпуса.

Кольцевая деталь должна иметь толщину, соответствующую выполнению условий обеспечения прочности при совместном действии на нее центробежных сил лопасти и усилия, возникающего на пальце или проушине при повороте лопасти относительно оси цапфы.

Недостатком такого колеса является сложная в изготовлении конструкция рычага механизма поворота лопасти, характеризующаяся высокой материалоемкостью, что обусловлено необходимостью обеспечить рычагом как фиксацию лопастей в корпусе от перемещения в направлении вдоль оси цапф, так и поворот лопастей относительно осей цапф.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение технологичности изготовления и снижение материалоемкости рычага за счет упрощения и облегчения его конструкции путем обеспечения осевой фиксации лопастей в корпусе не рычагом, а дополнительным опорным кольцом.

Указанный технический результат достигается тем, что рабочее колесо поворотно-лопастной турбины содержит корпус с выполненными в нем окнами. В окнах корпуса с помощью подшипников скольжения установлены лопасти, состоящие из пера и цапфы. Также рабочее колесо содержит механизм поворота лопастей с рычагами, установленными на цапфах лопастей. Каждый рычаг механизма поворота лопасти представляет собой кольцевую деталь с отходящей от нее проушиной. При этом, согласно изобретению, с внутренней стороны корпуса на цапфах в зоне перехода цапфы в перо лопасти дополнительно закреплены опорные кольца, внешний диаметр которых больше, чем диаметр окон, выполненных в корпусе, а внешний диаметр кольцевой детали рычага меньше диаметра окна, выполненного в корпусе.

Толщина кольцевой детали рычага определяется в зависимости от условия обеспечения прочности при воздействии на рычаг усилия, возникающего на проушине при повороте лопасти относительно оси цапфы.

Опорное кольцо представляет собой отдельную плоскую кольцевую деталь, у которой внешний диаметр больше диаметра окна, выполненного в корпусе, а ее толщина определяется в зависимости от условия обеспечения прочности при воздействии на нее центробежных сил лопасти.

Опорное кольцо устанавливается на цапфе в зоне перехода цапфы в перо лопасти внутри корпуса и фиксируется относительно цапфы. Положение опорного кольца с внутренней стороны корпуса обеспечивает контакт опорного кольца с поверхностью корпуса в зоне окна при восприятии центробежного усилия со стороны лопасти, что обеспечивает фиксацию лопасти от перемещения в направлении вдоль оси цапфы.

Опорное кольцо не воспринимает нагрузок, связанных с поворотом лопасти относительно оси цапфы, а рычаг не воспринимает нагрузок, связанных с восприятием опорным кольцом центробежных сил лопасти.

Введение в конструкцию механизма поворота лопасти опорного кольца, обеспечивающего фиксацию лопасти в корпусе от перемещения в направлении вдоль оси цапфы, позволяет снять выполнение этой функции с рычага механизма поворота лопасти, что приводит к упрощению конфигурации рычага за счет возможности уменьшить:

- внешний диаметр кольцевой детали рычага до значения меньше, чем диаметр окна, выполненного в корпусе, что приводит к повышению технологичности изготовления рычага,

- толщину кольцевой детали рычага до значения, при котором обеспечивается его прочность лишь при воздействии на нее усилия, возникающего на проушине при повороте лопасти относительно оси цапфы, что позволяет снизить массу рычага.

Введение опорного кольца, имеющего толщину, при которой обеспечивается его прочность при воздействии на него только центробежных сил лопасти, увеличивает суммарную массу механизма поворота лопасти, однако суммарный расход материала на изготовление рычагов и опорных колец по изобретению ниже, чем расход материала на изготовление рычага по прототипу.

В целом предлагаемое изобретение позволяет улучшить массогабаритные показатели рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин, что одновременно позволяет упростить технологию их изготовления.

Новым в заявляемом изобретении является обеспечение фиксации лопасти в корпусе рабочего колеса от перемещения в направлении вдоль оси цапфы за счет введения опорного кольца, которое устанавливается на цапфе в зоне перехода цапфы в перо лопасти с внутренней стороны корпуса. Данная конструкция позволяет обеспечить контакт опорного кольца с поверхностью корпуса в зоне окна, выполненного в корпусе, при действии центробежных сил, возникающих при вращении рабочего колеса, за счет того, что внешний диаметр опорного кольца больше диаметра окна, выполненного в корпусе.

Указанная совокупность признаков не выявлена в уровне техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой показан поперечный разрез рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины, и фиг.2, на которой изображен разрез А-А рычага с проушиной, закрепленного на цапфе.

Рабочее колесо содержит корпус 1 с окнами, установленные в окнах лопасти, состоящие из пера лопасти 2 и цапфы 3, механизм поворота лопастей, включающий рычаги 4 с проушиной 5 и шпонки 6, и опорные кольца 7, закрепленные на цапфах 3 посредством крепежных элементов, размещаемых в отверстии 8.

Рычаги 4 с проушиной 5, установленные на цапфах 3, обеспечивают поворот лопасти относительно оси цапфы 3 заходящими в тело цапфы 3 и тело рычага 4 шпонками 6. Лопасти зафиксированы в корпусе от перемещения в направлении вдоль оси цапфы 3 опорными кольцами 7, закрепленными на цапфах 3 посредством крепежных элементов, размещаемых в отверстии 8.

Предлагаемое изобретение работает следующим образом.

При необходимости поворота лопасти рабочего колеса в процессе работы турбины на проушине 5 рычага 4 возникает усилие, которое через шпонки 6 передается на цапфу 3 лопасти. Под действием этого усилия цапфа вращается совместно с пером 2 лопасти.

Центробежная сила, воздействующая на лопасть при вращении рабочего колеса, через опорное кольцо 7 передает усилие на корпус 1 рабочего колеса, что обеспечивает фиксацию лопасти в направлении вдоль оси цапфы 3 относительно корпуса 1.

Изобретение относится к энергомашиностроению. Рабочее колесо поворотно-лопастной гидротурбины содержит корпус с выполненными в нем окнами и механизм поворота лопастей. В окнах установлены посредством подшипников скольжения лопасти, состоящие из пера и цапфы. Рычаги механизма установлены на цапфах и выполнены в виде кольцевых деталей с отходящими от них проушинами. На цапфах в зоне перехода цапфы в перо лопасти с внутренней стороны корпуса дополнительно закреплены опорные кольца. Опорные кольца имеют внешний диаметр больше, чем диаметр окон, выполненных в корпусе. Внешний диаметр кольцевых деталей рычагов выполнен меньшим диаметра окон. Изобретение направлено на повышение технологичности изготовления и снижения материалоемкости за счет упрощения и облегчения конструкции рычага путем обеспечения осевой фиксации лопастей в корпусе не рычагом, а дополнительным опорным кольцом. 2 ил.

Рабочее колесо поворотно-лопастной турбины, содержащее корпус с выполненными в нем окнами, в которых посредством подшипников скольжения установлены лопасти, состоящие из пера лопасти и цапфы, и механизм поворота лопастей, рычаги которого установлены на цапфах и выполнены в виде кольцевых деталей с отходящими от них проушинами, отличающееся тем, что на цапфах в зоне перехода цапфы в перо лопасти с внутренней стороны корпуса дополнительно закреплены опорные кольца, имеющие внешний диаметр больше, чем диаметр окон, выполненных в корпусе, а внешний диаметр кольцевых деталей рычагов выполнен меньшим диаметра окон.