Пропеллерное колесо лопастной гидромашины Советский патент 1993 года по МПК F03B3/12 

Изобретение относится к гидромашиностроению, а именно к гидротурбинам малых ГЭС (к гидромашинам ГАЭС), малых гидро- аккумулирующих электростанций (МГАЭС).

Прототипом предлагаемого технического решения является рабочее колесо лопаточной гидромашины, содержащее корпус с лопастями, снабженными хвостовиками, расположенными между клиновыми вставками и имеющими фланцы, отличающееся тем, что, с целью снижения трудоемкости изготовления, каждый фланец снабжен пазом, закрепленной в нем радиальной шпонкой, соединенной со вставками и имеющей со стороны последних цилиндрические поверхности.

Недостатком этой конструкции является наличие большого количества крепежных

деталей, расположенных на фланцах лопастей и в корпусе. Это существенно усложняет технологию изготовления и монтажа колеса и снижает его прочностную надежность. Кроме того, выполнение такого рабочего колеса для гидротурбин малых ГЭС будет связано с дополнительными трудностями по обеспечению надежности узла соединения, на котором невозможно разместить требуемое количество крепежных деталей без существенного ослабления перемычки корпуса между окнами для фланцев лопастей. Болтовые отверстия на фланце лопасти ослабляют фланец и корневое сечение лопасти, что приводит к необходимости увеличения фланца лопасти. Необходимость увеличения размеров перемычек и фланцев лопастей приведет к увеличению

ю ел

Ј

со

диаметра корпуса, что, в свою очередь, приведен к увеличению втулочного отношения, и, как следствие этого, к ухудшению энергетических и кавитационных качеств турбины.

Цель изобретения - повышение надежности рабочего колеса гидротурбины за счет создания в перемычках корпуса между окнами для фланцев лопастей и в самом корпусе - предварительных напряжений сжатия..

Поставленная цель достигается тем, что фланцы лопастей выполнены с развитыми хвостовиками, на которых выполнены посадочные пояски и конические части, внутри которых выполнены нарезки для стяжных шпилек (болтов), С внутренней стороны корпуса выполнены опорные поверхности для гаек, заворачиваемых на стяжные шпильки. При затяге этих шпилек в корпусе создаются предварительные напряжения сжатия, направленные радиально.

По торцам корпуса выполнены посадочные обнизки, а во фланце вала и в обтекателе - ответные пояски. Фланец вала развит в центральной части хвостовиком, проходящим через корпус. В конце хвостовика выполнены наружная и внутренняя резьбы для стяжной гайки и болта, при затяге которых в перемычках корпуса и во фланцах лопастей создаются осевые напряжения сжатия. Напряжения сжатия, создаваемые таким образом в корпусе предлагаемого рабочего колеса, уменьшают нагрузочные напряжения растяжения в опасных сечениях, повышая тем самым надежность колеса.

Во втором варианте решения, с целью повышения надежности узла крепления лопастей, в отверстия в корпусе для лопастей с внутренней стороны корпуса вставлены болты с припасованными в корпус поясками, стягивающие фланцы лопастей с корпусами, а поясок фланца выполнен в виде многогранника с ответной выточкой в корпусе.

Для повышения надежности хвостовика фланца вала и упрощения конструкции вала в необходимых случаях хвостовик может быть изготовлен объемным, закрепляемым на резьбе во фланце вала. В этом случае хвостовик может изготавливаться из высокопрочной поковки.

На фиг. 1 и 2 представлено диаметральное сечение предлагаемого рабочего колеса осевой гидромашины.

Фланец 1 вала наружным посадочным пояском входит в обнизку на внутреннем торце корпуса 2. С помощью гайки 3 и шпильки 4 (фиг,1) фланец лопасти 5 закреплен в корпусе 2. Выполнение гайки 3 и хвостовика фланца 5 в виде гаек растяжения,

обеспечивающих равномерную работу резьбовой части соединения, позволяет создать значительный натяг в соединении, фиксирующий фланец лопасти в корпусе без

5 дополнительных устройств.

На наружную резьбу хвостовика 6 вала навернута гайка растяжения 7, которая опирается на наружный торец корпуса. Торец обтекателя. 8 заканчивается посадным по- Ю. яском, который входит в обнизку на наружном торце корпуса и опорной поверхностью, которой обтекатель прижимается к торцу корпуса при затяге болта 9. При затяге гайки 1 и болта 9 сжимаются

15 перемычки корпуса и фланцы лопастей, а посадные пояски фланца вала и обтекателя создают напряжения сжатия в корпусе.

При выполнении лопастей со значительными протяженностями в окружном направ0 лении, .когда могут сильно возрасти крутящие моменты вокруг осей шпилек, посадные пояски фланцев лопастей могут быть выполнены в виде многогранников с ответными выточками в корпусе, что обеспе5 цит жесткое ограничение фланцев лопастей от проворота и повысит надёжность крепления лопасти. В отверстие корпуса с внутренней стороны в этом случае вставлен болт 4 (фиг.2) с пояском у головки, припасованным

0 в корпусе, стягивающий фланец лопасти с корпусом рабочего колеса.

Сборка предлагаемого устройства производится в следующей последовательности:

5 шпильки 4 вворачиваются в центральные отверстия фланцев. 5 лопастей и последние вставляются в окна корпуса 2. Таким образом чтобы были бы обеспечены требуемые углы установки лопастей;

0 гайки растяжения 3 слегка затягиваются,после чего производится статическая балансировка рабочего колеса, меняя центр тяжести колеса за счет изменения глубины ввинчивания шпилек А и подкладки шайб

5 под гайки 3;

производится закрепление лопастей и создание радиальных напряжений сжатия в корпусе путем создания требуемой затяжки гаек 3, после чего производится их стопоре- .

0 ние (при выполнении конструкции по второму варианту фланцы лопастей стягиваются с корпусом болтами);

фланец вала 1 соединяется с корпусом 2 рабочего колеса таким образом, чтобы его

5 поясок вошел в обнизку корпуса 1, а гайкой растяжения 7 создают необходимые осевые напряжения в корпусе и контактные напряжения по стыку между корпусом и фланцем, после чего стопорят гайку 7. При необходимости затяг гайки 7 производят путем нагрева хвостовика фланца 6 через его центральное отверстие или путем предварительной вытяжки хвостовика с последующей затяжкой гайки 7.

Предлагаемое устройство работает еле- дующим образом.

При работе турбины с номинальной частотой вращения на лопасти действуют поверхности силы давления воды и центробежные силы, которые передаются через: фланец лопасти - хвостовик фланца- шпилькэггайка - на корпус рабочего колеса в виде изгибающего момента, радиальной и осевой силы. Затяг гайки 3 (болта) подобран трким образом, что в результате совместно- то действия изгибающего момента и центробежной силы сохраняется необходимый запас на нераскрытия стыкового соединения фланец лопасти - корпус. В результате этого стык остается спаянным, вследствие чего на шпильку (болт) передается лишь часть внешней нагрузки, соответствующей коэффициенту основной нагрузки (10...30%). Поперечная сила от лопасти к корпусу передается посадочным пояском фланца лопасти. Перемычки корпуса предварительно сжаты при затяге гайки 7 и болта 9, затяг их подобран таким образом, что в перемычке корпуса не возникает напряжений растяжения от осевой силы лопасти, вследствие чего повышается прочностная надежность наиболее ослабленного сечения корпуса - перемычки между окнами для лопастей, а. следовательно, и всего пояса.

Силы предварительного сжатия корпуса, созданные при затяге гайки 7 и болта 9, создают дополнительные напряжения сжатия по посадочному пояску фланца лопасти, увеличивающие запас сцепления фланца лопасти к корпусу.

Выполнение всех силовых гаек как гаек растяжения, обеспечивающих равномерную нагрузку резьбы, повышает надежность резьбовых соединений (лопасть-корпус, вал-корпус), в которых создаются значительные усилия начального затяга, обеспечивающие нераскрытие стыков. Следствием последнего является минимизация переменных напряжений и повышение усталост- ной долговечности в опасных сечениях рабочего колеса.

Использование: при сооружении малых ГЭС. Сущность изобретения: корпус установлен на валу. Обтекатель и лопасти закреплены на корпусе. Лопасти снабжены хвостовиками с фланцами. В корпусе и фланце выполнены соосные резьбовые отверстия для размещения стяжного элемента Хвостовики выполнены коническими. отверстия в них - по оси лопасти, их фланцы - с посадочным пояском. На торцах вала и обтекателя выполнены фланцы с поясками, на торцах корпуса - проточки для размещения поясков вала и обтекателя. Вал снабжен хвостовиком, гайкой растяжения и стяжным болотом. В хвостовике вала выполнено осевое резьбовое отверстие, в обтекателе - со- осное ему ступенчатое отверстие для размещения в них болта. На внешней поверхности хвостовика выполнена резьба для установки гайки для крепления корпуса к валу. Стяжной элемент, выполнен в виде шпильки. Лопасть снабжена гайкой растяжения, установленной в отверстии корпуса на свободном конце шпильки. Посадочный поясок фланца лопасти и отверстие корпуса выполнены в виде многогранника. Стяжной элемент выполнен в виде болта с посадочным пояском у головки, размещенным в корпусе. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. ел С

Формула изобретения 1. Рабочее колесо лопастной гидромашины, содержащее корпус, установленный на валу, обтекатель и лопасти, закрепленные на корпусе, при этом лопасти снабжены хвостовиками с фланцами, а в корпусе и фланце выполнены соосные резьбовые отверстия для размещения стяжного элемента, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции, хвостовики лопастей выполнены коническими, отверстия в них выполнены по оси лопасти, а их фланцы - с посадочным пояском, на торцах вала и обтекателя выполнены фланцы с поясками, а на торцах корпуса - проточки для размещения поясков вала и обтекателя, вал снабжен хвостовиком, гайкой растяжения и стяжным болтом, в хвостовике вала выполнено осевое резьбовое отверстие, а в обтекателе со- осное ему ступенчатое отверстие для размещения в них болта, при этом на внешней поверхности хвостовика выполнена резьба для установки гайки растяжения для крепления корпуса к валу.

3. Рабочее колесо по п.1, отличаю- щеесятем, что посадочный поясок фланца лопасти и отверстие корпуса выполнены в виде многогранника, а стяжной элемент выполнен в виде болта с посадочным пояском у его головки, размещенным в корпусе.