Тема 9. Вали гідротурбін
9.1. Конструкції валів
Вал гідроагрегату передає обертовий момент від робочого колеса турбіни ротору генератора і осьову силу - на п'яту агрегату. Основні розмірні характеристики валу: діаметр валу dв, діаметр фланців dфл, діаметр отвору валу dот, довжина валу lв - визначають умови і можливість його виробництва. Вибір способу виготовлення заготовок валу має велике економічне значення, оскільки вартість валу істотно впливає на вартість агрегату. Конструкція валу залежить від системи турбіни, її установки, конструкції робочого колеса і підшипника. Довжина валу агрегату визначається висотою установки генератора над турбіною, а його діаметр - потужністю агрегату і відношенням діаметру отвору до діаметру валу Кот= dот/dв.
Вали агрегатів великої довжини, що складаються із трьох частин: валів турбіни, проміжного і валу генератора (до турбіни відносяться перші два), виготовляють рідко. Виконують їх кованими, довжина кожної частини складає 4÷6 м.
Широке застосування знайшли вали агрегатів, що складаються з валу турбіни і валу генератора, причому у деяких установках довжина окремих частин досягає 10 м.
Єдиний вал агрегату, характерний для установок зниженої висоти, знаходить все більше застосування у вітчизняному гідротурбобудуванні. У такому валу відсутні фланці для з'єднання окремих частин, що виключає злам осі, можливої при складеному валі, і зменшує масу валів.
Довжина єдиного валу, так само як довжина окремих частин складених валів, за умовами монтажу обмежується висотою підкранових шляхів над агрегатами, необхідною для його перенесення. Зазвичай довжина єдиного валу не перевищує 8 м, що приблизно відповідає і довжині, допустимій за умовами виробництва. Найбільш эфективным є застосування єдиного валу із поєднанням із опорою п'яти, встановленої на кришці турбіни у агрегатах малої висоти.
Центральний отвір валу використовується у поворотнолопатевих турбінах для підведення масла до серводвигуна робочого колеса, а у радіально-осьових - для підведення повітря у нестаціонарних режимах, для внутрішнього контролю поверхні у процесі виробництва.
Розрізняють вали тонкостінні, у яких dот=(0,7÷0,8)·dв, і товстостінні, у яких зазвичай dот=(0,3÷0,5)·dв. У тонкостінних валах, як це буде показано нижче, напруги розподіляються більше рівномірно, його жорсткість більша, а маса металу використовується краще. Але занадто зменшувати товщину стінок не слід, оскільки це вимагає збільшення діаметрів валу і фланців, а також розмірів підшипника. В потужних гідротурбінах широко застосовують тонкостінні вали.
Заготовки валів розрізняють за способом виготовлення: цільноковані (рис. 9.1, а) із сталей 40, 40ГС або 40Н (цей спосіб є найбільш поширеним); зварно-ковані (рис. 9.1, б), такі, що складаються з тіла 1, валу, викованого у вигляді труби із сталі 25ГС, і приварених до нього электрошлаковим зварюванням фланців 2 із сталі 25ГС (рис. 9.1, г); зварно-штамповані (рис. 9.1, в), виконані із двох обичайок 3, зігнутих з прокатних товстих плит із сталі 25К (рис. 9.1, д) і сполучених поздовжнім швом електрошлаковим зварюванням і фланців 2 із сталі 25ГС (рис. 9.1, г), приварених до торців утвореним зварюванням труби.
Рис. 9.1. Вали гідротурбін
Конструкції валів, характерні для великих турбін, показані на рис. 9.2.
Рис. 9.2. Вертикальні вали гідротурбін:
а – з плоскими фланцями; б – з конічним фланцем-кришкою робочого колеса
поворотнолопатевої турбіни
Вали 2 турбін, що направляються підшипниками на масляному змащенні, виконують гладкими (рис. 9.2, а) або із зовнішнім коміром 8 (рис. 9.2, б), якщо у вертикальних турбінах передбачений самозмазуючийся підшипник. У заготовки комір 8 може бути або у вигляді потовщення на тілі валу, або у вигляді окремої поковки, що приварюється до валу. Фланець валу виконується або звичайним (1 на рис. 9.2, а), або при сполученні із поворотно-лопатевим робочим колесом розвиненим, що замінює кришку робочого колеса (9 на рис. 9.2, б).
Сполучають вали болтами 3, установленими у фланцях і затягнутими гайками 6. При цьому вали центрують один з одним і з робочим колесом 10 за допомогою буртика, що сполучається із виточкою посадкою А/С (див. вузол І). Болти виконуються кованими із сталі 45 або із спеціальних сталей і термічно обробляють. Прилаштований поясочок болта розташовується в отворах на стику фланців. Завдяки цьому болт разом з розтягуючою силою сприймає зрізаючую. Болти затягують гайками до напруги σзат=150÷250 МПа.
Для ущільнення фланців між ними у спеціальну виточку(вузол І) укладають шнур 11 із маслостійкої гуми. Це запобігає витіканню масла з порожнини валу. Для безпеки голівки болтів встановлюють у потайних отворах, а на гайки надівають роз'ємний кожух 7, що складається з двох половин, що центрується по пояску фланця (вузол II) і кріпиться до болтів гвинтами 5.
Вали горизонтальних гідроагрегатів можуть виконуватися або єдиними, або складатися із валу генератора і валу турбіни. Виконуються вони гладкими, обертаються у підшипниках з масляним змащенням і з'єднуються з валом або ротором генератора і робочим колесом фланцями так само, як вали вертикальних турбін.
При механічній обробці вал перевіряють на биття по зовнішній поверхні, торцям фланців, поверхням виточки і буртика. При цьому значення биття не повинне перевищувати 0,03 мм на 1 м діаметру валу. З'єднання валів для досягнення більшої жорсткості виконують з контактуючими поверхнями фланців, ширину яких приймають близько 2·d. Опуклості на контактних поверхнях не допускаються, а увігнутість допускається не більше 0,03 мм на 1 м.