Компании в категории: Насосы (29)

Ответственным звеном любых насосов, компрессоров является устройство нагнетания жидкости, которые также используются в электрогенераторах - водяных турбинах, рассмотрим их более подробно, поскольку при их создании применяются похожие технологии.

Основы устройства водяных турбин

Основные конструктивные типы гидротурбин: осевые, радиально-осевые и ковшевые. Выбор конструктивного типа турбины зависит от условий ее работы, напора и мощности.

Основными узлами гидротурбин являются: рабочее колесо, турбинная камера, статор, направляющий аппарат, отсасывающая труба, вал турбины.

Рабочее колесо осевой турбины состоит из втулки и крепящихся к ней лопастей, радиально-осевой - из внутреннего или верхнего обода (ступицы), наружного или нижнего обода с расположенными между ними лопастями.

Рабочее колесо ковшевой турбины состоит из диска со ступицей и расположенных по окружности 14-25 ковшей.

В сварном исполнении изготовляют наиболее крупные лопасти поворотно-лопастных турбин (например, для турбины Саратовской ГЭС), лопасти двухперовых турбин, рабочие колеса радиально-осевых и ковшевых турбин.

Турбинная камера представляет собой тонкостенную сварную конструкцию большого диаметра. Радиально-осевые турбины большой мощности обычно устанавливают в спиральной камере, обеспечивающей наименьшие габариты здания ГЭС. Камеры поворотно-лопастных турбин обычно составляют из листов, снаружи приваривают вертикальные и горизонтальные ребра. Поскольку внутренняя поверхность камеры подвержена кавитационным разрушениям, ее, как правило, выполняют из нержавеющей кавитационностойкой стали или из биметалла. Так как камеры наиболее крупных турбин не могут быть изготовлены с механической обработкой, необходимо принимать специальные меры для обеспечения высокой точности получения сварной конструкции.

Статор служит для передачи на фундамент нагрузок от веса агрегата, осевого гидравлического давления воды на рабочее колесо и массы бетонного перекрытия. Статор современных мощных гидротурбин состоит из нескольких секторов,

Эти секторы представляют собой сварную конструкцию, состоящую из верхнего и нижнего обода и колонн. Ободья имеют приливы, сечение которых такое же, как у колонн. Колонны с ободьями

обычно соединяют электрошлаковой сваркой методом плавящегося мундштука.

Направляющий аппарат направляет водяной поток на лопасти рабочего колеса и обеспечивает регулировку мощности турбины посредством изменения расхода воды. Направляющий аппарат состоит из крышки турбины и нижнего кольца; направляющих лопаток, посаженных на неподвижные оси, и механизма их поворота, Крышку турбины обычно изготовляют сварной из проката. Разработано несколько вариантов сварного исполнения лопаток направляющего аппарата. Так, на рис. 8 показана лопатка, выполненная сваркой. При этом цапфы изготовлены из круглого проката, а тело лопасти отштамповано из листа.

Отсасывающая труба турбины имеет форму расходящегося книзу конуса, что позволяет создавать за рабочим колесом статическое разряжение и использовать значительную часть кинетической энергии потока, уходящего от рабочего колеса.

Облицовка конуса отсасывающей трубы современных мощных турбин представляет собой сложную сварную конструкцию. Так, облицовка конуса отсасывающей трубы Красноярской ГЭС имеет высоту 6,2 м и диаметр 10,7 м. Облицовка состоит из двух поясов - верхнего и нижнего. Каждый пояс состоит из шести сегментов, соединяемых при монтаже. Каждый сегмент собирали в специальном приспособлении из 255 деталей, полученных газовой резкой с последующей гибкой. Сварные швы выполняли полуавтоматической сваркой в С0₂. После сварки проверяли геометрические размеры сегментов для обеспечения точной сборки облицовки на монтаже.

Вал турбины изготовляют сварным. Он представляет собой обечайку с приваренными по концам литыми фланцами. Обечайку обычно изготовляют цельнокованой или составной из двух полуобечаек, полученных гибкой из листового проката. Продольные швы полуобечаек и кольцевые швы, соединяющие обечайку и фланцы, выполняют электрошлаковым способом.

Изготовление основных узлов и деталей гидротурбин с применением сварки позволило резко сократить предельные массы поковок или отливок, обеспечить их более высокое качество, уменьшить объем механической обработки, выполняемой на уникальных станках или вручную, обеспечить рациональное использование высоколегированных кавитационностойких материалов путем изготовления биметаллических деталей или деталей комбинированной конструкции, сваренных из сталей различного класса.

Выбор материалов и методы сварки

Сталь для изготовления основных узлов турбин должна обладать требуемым уровнем механических свойств и их стабильностью по сечению детали, достаточной кавитационной и гидроабразивной стойкостью, хорошей свариваемостью.

В связи со строительством мощных гидроэлектростанций, работающих при повышенных напорах, требования к механической прочности турбинных деталей значительно возросло. Это привело к широкому использованию низколегированных и легированных сталей повышенной прочности взамен применявшихся ранее углеродистых сталей. Наряду со статической прочностью материалы должны обладать высокой прочностью при переменных в том числе при бигармонических и асимметрических нагрузках.

Кавитационная или гидроабразивная стойкость в ряде случаев является решающим фактором при выборе материала.

Обычно областями возникновения кавитационных и гидроабразивных разрушений являются поверхности выходных кромок лопастей рабочего колеса, внутренняя поверхность обода рабочего колеса радиально-осевой турбины и камеры рабочих колес осевых турбин в зонах, близких к выходным кромкам. Для уменьшения кавитационных разрушений детали турбины изготовляют из кавитационностойкой стали или покрывают их защитным слоем этой стали.

Хорошей кавитационной и гидроабразивной стойкостью обладают хромистые и хромоникелевые нержавеющие стали мартенситного класса, обеспечивающие сочетание коррозионной стойкости, однородности структуры, высокой прочности и твердости. Высокой кавитационной стойкостью обладают хромомарганцовистые стали переходного класса и дисперсионно-упрочняемые хромоникелевые нержавеющие стали (например, сталь 08Х14АГ12, 03Х12Н9МЮТ и др.). Эти стали, а также нержавеющие стали марок 12X13 и 08Х18Н9Т применяют в качестве облицовочного материала.

Хорошая свариваемость - одно из основных требований к стали. Сварные швы должны быть равнопрочны с основным металлом и обладать высокой стойкостью против образования холодных трещин. Сварка должна выполняться без подогрева или с минимальным предварительным и сопутствующим подогревом.

Значительные трудности возникают при изготовлении деталей из кавитационностойких нержавеющих сталей мартенситного класса, так как сварка таких сталей, как правило, требует подогрева.

Поэтому в связи с переводом основных узлов турбины на сварное исполнение были разработаны и освоены новые нержавеющие высокопрочные хромоникельмедистые стали, обладающие повышенной технологичностью при сварке. В этих сталях содержание углерода снижено до 0,1-0,05%. Это позволило повысить пластичность мартенсита, образующегося при сварке. В состав сталей введены аустенитообразующие элементы (никель и медь), обеспечивающие сохранение высокой прочности, кавитационной стойкости и низкого содержания б-феррита. Повышение содержания б-феррита в сталях такого типа способствует росту зерна и образованию холодных трещин.

Наиболее ответственные соединения (лопастей со ступицей, фланцев с обечайкой вала и т. д.) должны обеспечивать равнопрочность, хорошую пластичность, высокую усталостную и коррозионно-усталостную прочность; в том числе при бигармонических и знакопеременных нагрузках. Этого достигают выполнением сварки электродами, близкими по составу основному металлу, с последующей термообработкой металла, что позволяет получать сварные соединения, однородные по структуре и свойствам.

При расположении сварных соединений вне зоны действия максимальных нагрузок, требования к их прочности могут быть понижены. В этом случае допускается сварка не по всему сечению (например, соединение лопастей рабочего колеса с нижним ободом) или выполнение сварки электродами аустенитного класса без подогрева и последующей термообработки; по прочностным характеристикам такие сварные соединения уступают основному металлу. Чаще всего электроды аустенитного класса применяют на деталях из высокопрочных нержавеющих сталей при выполнении ремонтных работ в условиях ГЭС.

Выбор методов сварки для изготовления основных деталей турбин определяется следующими особенностями их производства: индивидуальный или мелкосерийный выпуск деталей; разнообразие конструктивных форм, конфигурации сварных швов и марок сталей;

значительные габаритные размеры и масса деталей. Наиболее широко при производстве деталей гидротурбин применяют следующие методы сварки.

Электродуговая сварка качественными электродами - наиболее маневренный способ изготовления деталей турбин благодаря возможности выполнять конструкции сложной формы с различной конфигурацией швов, изготовляемых из углеродистых и легированных сталей, производить наплавку поверхностей, имеющих сложную форму кавитационностойкими материалами, и выполнять ремонт деталей турбин в условиях ГЭС.

Электрошлаковую сварку используют при изготовлении крупногабаритных рабочих колес, валов, статоров и других деталей турбин, имеющих продольные, кольцевые и криволинейные швы большой толщины. Основные способы электрошлаковой сварки, применяемые в гидротурбостроении:

сварка проволочным электродом - для выполнения кольцевых и продольных швов валов турбин;

сварка плавящимся мундштуком - для выполнения криволинейных швов большой толщины в рабочих колесах, лопастях и статорах турбин.

Полуавтоматическая сварка в среде С_О2 - прогрессивный метод сварки в гидротурбостроении, так как, сохраняя маневренность ручной сварки, позволяет повысить производительность сварочных операций. Применяют при изготовлении деталей из углеродистых и низколегированных сталей, не требующих подогрева.

Автоматическая наплавка ленточным электродом предназначена для защиты поверхности лопасти радиально-осевой турбины, изготовленной из низколегированной стали, кавитационностойкими материалами.

Облицовку деталей методом сварки взрывом применяют при изготовлении биметаллических лопастей радиально-осевых турбин.