Конструкция и технологические особенности спиральных камер радиально-осевых гидротурбин и требования к их изготовлению
Металлическая спиральная камера (рис. 10.1) представляет собой сопряженную со статором торообразную оболочку, размеры которой уменьшаются от входного сечения к замыкающему, и состоит из отдельных звеньев. Большие размеры спиральных камер приводят к необходимости транспортировки их к месту монтажа отдельными звеньями или их частями. На ГЭС соединение звеньев между собой и со статором осуществляется сваркой. Геометрически звено образовано линейчатой поверхностью, ограниченной двумя круговыми сечениями, расположенными под углом друг к другу. Образующие этой поверхности являются прямыми линиями.
Рис. 10.1. Металлическая сварная спиральная камера. Границы: 1 — между сталью СК-2 и 10ХСНД, 2— между сталью 10ХСНД и ВСт3Гпс4.
Расчеты прочности и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что силовая нагрузка на звенья снижается как по мере удаления от места сопряжения со статором, так и по мере уменьшения диаметров звеньев. Поэтому для экономии металла звенья спиральной камеры изготавливают из листов различной толщины и различных марок сталей при обеспечении примерно одинаковых запасов прочности по всему сечению.
Многолетний опыт объединения ЛМЗ по изготовлению и эксплуатации металлических спиральных камер подтвердил принципиальную возможность применения в качестве материала для них низколегированных и легированных сталей, что позволяет значительно уменьшить требуемую толщину звеньев (максимальная толщина используемых листов не превышает 40 мм). Это обстоятельство тем более важно, что объем наплавленного металла для сварки звеньев увеличивается примерно пропорционально квадрату толщины листов. При этом неизбежно увеличиваются деформации и сварочные напряжения, а общая термообработка после сварки — отпуск для снятия напряжений — невозможна из-за больших размеров целой спиральной камеры.
Для большинства звеньев спиральной камеры применяется низколегированная сталь марки 10ХСНД. Для частей входных звеньев, прилегающих к статору и подверженных максимальным нагрузкам, используется высокопрочная сталь марки СК-2. Для малонагруженных звеньев в зоне выходных сечений допускается применение стали марки ВСт3Гпс4. Принципиальная схема распределения материалов по маркам дана на рис. 10.1.
Монтажная и цеховая сварка частей спиральной камеры, выполненных из стали СК-2, а также композитных соединений — СК-2 + 10ХСНД выполняется ручной электродуговой сваркой электродами ЭА-395/9. Монтажная сварка элементов из сталей 10ХСНД и ВСт3Гпс4 выполняется соответственно электродами Э-50А и Э-42А. В заводских условиях для этих сталей применяется полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа.
Сложная форма звеньев при достаточно больших размерах (диаметры входных сечений крупных спиральных камер достигают 10 000 мм) приводят к необходимости контрольной сборки спиральной камеры в заводских условиях для головной турбины. Необходимо также отметить, что хорошая собираемость спиральных камер при монтаже может быть обеспечена лишь при условии сохранения формы нежестких тонкостенных оболочек от момента их изготовления на заводе до начала сборки на ГЭС.
Одной из особенностей конструкции рассматриваемых спиральных камер является большой объем сварочных работ, производимых при монтаже. Для облегчения условий сварки разделки монтажных швов выполняются таким образом, чтобы все швы заваривались в нижнем или вертикальном положении. В потолочном положении производится только подварка корневой части швов. Отмеченные особенности и определяют основные требования, предъявляемые к спиральным камерам:
1) применяемый материал должен обладать высокими прочностными и пластическими свойствами и хорошей свариваемостью, позволяющей осуществлять сварку элементов спиральной камеры без сопутствующего подогрева и последующей термической обработки;
2) высокая ответственность узла обусловливает необходимость контроля всех сварных швов неразрушающими методами в объеме 100%;
3) необходима контрольная сборка головной спиральной камеры в заводских условиях.