Требования к изготовлению рабочих колес
В зависимости от особенностей работы, конструкции и технологии изготовления сварных рабочих колес требования к их изготовлению можно разделить на три группы.
Первая группа включает требования к качеству материала сварных соединений.
1. В отливках ступиц не допускаются дефекты, которые могут быть классифицированы как непрерывные (трещины и цепочки дефектов); допускаются изолированные дефекты размером до 5 мм при расстоянии между ними не менее 50 мм и скопления мелких включений общей площадью до 20 см2 при расстоянии между смежными зонами скоплений не менее 100 мм.
2. В лопастях, изготовленных из листового проката, допускается наличие расслоев размером не более 50 X 50 мм при расстоянии между ними не менее 500 мм.
3. В сварных швах не допускаются дефекты, которые могут быть классифицированы как непрерывные (трещины и цепочки дефектов); допускаются изолированные дефекты размером до Змм при расстоянии между ними не менее 10 мм и до 5 мм при расстоянии между ними не менее 50 мм, при общем количестве не более пяти на 1 м шва; на участках сварных швов длиной 200—250 мм, начиная от торца выходной кромки, никакие дефекты не допускаются. Выполнение этих требований обеспечивается высокоэффективной системой контроля ультразвуковой дефектоскопией и магнитопорошковой дефектоскопией или травлением перечисленных элементов рабочих колес.
4. Термическая обработка рабочих колес должна обеспечивать максимальное снятие сварочных напряжений. Уровень остаточных напряжений после окончательной термической обработки не должен превышать 10 кгс/мм2. Для повышения усталостной прочности места сопряжения выходных кромок лопастей со ступицей и ободом рабочего колеса должны быть упрочнены методом поверхностно-пластической деформации.
Кроме вышеуказанных в первую группу включены требования, приведенные в гл. 3.
Требования второй группы вытекают из необходимости обеспечения гарантий по мощности, уровню к. п. д. и навигационной характеристике турбины. Все они относятся к точности размеров и формы, плавности и шероховатости поверхностей элементов проточной части рабочих колес.
1. В соответствии с ОСТ 108.242.01—76 расстояния а в свету (рис. 4.4) измеряются в четырех—шести сечениях в зависимости от размеров и формы проточной части рабочего колеса. Стандартом нормируются допускаемые отклонения средних для колеса значений а от номинала, заданного чертежом (табл. 4.3), и допускаемый разброс измеренных значений а от средних (табл. 4.4). Допускаемые отклонения устанавливаются в зависимости от размеров рабочего колеса, характеризуемых величиной √D1b0 и номинальным значением расстояния в свету.
Рис. 4.4. Схема обмера геометрии рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины.
Таблица 4.3 Допускаемые отклонения среднеарифметических значений расстояний в свету
Таблица 4.4 Допускаемые значения отдельных отклонений расстояний в свету от среднеарифметических
2. Отклонения размеров проточной части, показанных на рис. 4.4, не должны превышать следующих значений в миллиметрах:
а) для наименьшего D и выходного диаметра D2 обода рабочего колеса — ± (1 + D/1000);
б) для радиусов расположения входных кромок лопастей на диаметрах D1 и D3 — ± 2(1 + D/1000) для отдельных точек и ± (1 + D/1000) для средних значений;
в) для высоты b0 лопастей на входе — ±(1 + D/1000);
г) для шага L между лопастями по входным кромкам — ±0,0151;
д) для профиля входной и выходной кромки лопасти — ±D/1000.
3. Плавность формы поверхностей лопастей проверяется наложением гибкой линейки. Допускаемый зазор между линейкой длиной 200 мм и обмеряемой поверхностью не должен превышать 3 мм.
Остальные требования к точности основных элементов проточной части сварных рабочих колес в зависимости от их размеров приведены в табл. 4.5.
| Контролируемые геометрические характеристики | Вид заготовки | Допускаемые отклонения в функции от диаметра колеса | |
| Форма лопасти | отливка | 0,003 | |
| штампованная | 0,002 | ||
| Толщина лопасти | отливка | +0,001 —0,0015 |
|
| штампованная | +0,0005 —0,001 |
||
| Форма ступицы | отливка с пеньками | 0,003 | |
| отливка без пеньков | 0,0003 | ||
| Форма обода | — | 0,0003 | |
| Шаг между соседними лопастями | у ступицы | ступица — отливка с пеньками | ±0,004 |
| ступица — отливка без пеньков | ±0,002 | ||
| у обода | ступица — отливка с пеньками | ±0,008 | |
| ступица — отливка без пеньков | ±0,004 | ||
4. Шероховатость проточных поверхностей ступицы и обода должна быть не ниже Rz20. Все дефекты, выявившиеся на лопастях и галтельных переходах к ступице и ободу, после термической обработки и шлифования лопастей должны быть устранены. Лопасти шлифуются до шероховатости не ниже 2,5 мкм, а зона выходной кромки и галтельные переходы к ступице и ободу должны иметь шероховатость не ниже 1,25 мкм. Такие высокие требования (обработка производится ручным шлифовальным инструментом) обусловлены необходимостью полностью устранить технологические концентраторы напряжений в зонах, где наиболее возможно образование усталостных разрушений.
К третьей группе относятся требования, предъявленные к точности механической обработки. Они вытекают из характеристики ответственных сопряжений рабочих колес со смежными деталями.
На рис. 4.1 приведена конструкция узла рабочего колеса крупной радиально-осевой гидротурбины. Рабочее колесо с валом гидротурбины соединяется на болтах. Взаимное расположение деталей определяется сопряжением буртика вала с выточкой во фланце рабочего колеса. Зазор в этом сопряжении отражается на радиальном биении рабочего колеса и должен быть сведен к технологически достижимому минимуму. Это достигается обработкой выточки по 1-му классу точности, а буртика вала — по 2-му классу посадки С. Такое сопряжение (A1/С) обеспечивает наименьшую несоосность деталей, не усложняя собираемости узла. Вращающиеся уплотнительные кольца 5 я 9 обтягивают ступицу и обод рабочего колеса. Необходимый натяг для колец, состоящих из отдельных частей, обеспечивается при соединении секторов между собой с помощью сварки. Между вращающимися и неподвижными кольцами [6 и 10 должен быть гарантированный зазор, исключающий задевание колец при работе турбины. В то же время непроизводительные протечки через уплотнения рабочего колеса определяются максимальным значением этих зазоров. Уменьшение их до технологически возможных значений связано с точностью обработки сопрягаемых поверхностей и радиальным смещением элементов узла, входящих в размерную цепь.
Для определения возможных максимальных зазоров рассмотрим размерную цепь рабочего колеса со сменными кольцами уплотнений. Влиянием перекосов как величинами на порядок меньшими пренебрегаем. Введем следующие обозначения:
Sн, Sм, Sг — номинальный, максимальный расчетный и гарантированный зазоры между сопрягаемыми уплотнительными кольцами;
δк — допуск на наружный диаметр колеса в месте
установки уплотнительного кольца;
δт — допуск на толщину стенки вращающегося уплотнительного кольца;
δн — допуск на внутренний диаметр неподвижного уплотнительного кольца;
εн — точность расцентровки неподвижных уплотнительных колец;
Sв — максимальный зазор в сопряжении выточки рабочего колеса с буртиком вала турбины;
Sп — максимальный зазор в направляющем подшипнике;
εо — эксцентриситет обода относительно выточки рабочего колеса;
Δу — неправильность формы неподвижного уплотнительного кольца. Величины, имеющие разное значение применительно к верхнему и нижнему узлу уплотнения, дополнительно обозначаются индексом «с» или «о».
При рассмотрении учитывается следующее: а) конструкция соединения вращающихся колец с рабочим колесом обеспечивает сопряжение без зазора; б) одно из неподвижных уплотнительных колец обрабатывается окончательно после установки и закрепления сваркой в соответствующей детали направляющего аппарата, а второе выполняется плавающим для расцентровки по рабочему колесу; в) погрешности 2-го порядка малости, имеющие значения меньше 0,05 (несоосность шейки и буртика вала, биение опорных поверхностей фланцевого соединения и др.), входят в Sн при округлении размера. Для исключения возможности задевания необходимо, чтобы номинальные L зазоры между уплотнительными кольцами составляли:
Наибольший расчетный диаметральный зазор:
Подставляя выражения для номинальных зазоров, получаем:
Величина Sr в зависимости от размера и конструкции рабочего колеса (целое или разъемное) выбирается на основании опыта в пределах поля допуски посадки Ш 4-го класса точности, величина Sв — по допускам посадки А Х1С. Зазор в направляющем подшипнике Sп принимается по нормали в зависимости от его конструкции (целый кольцевой или сегментный регулируемый) и размера, значение εн — в зависимости от размеров рабочего колеса и удобства измерения (0,05—0,1мм). Неправильность формы неподвижных уплотнительных колец Δу зависит от их размеров и жесткости, а также деталей, к которым они крепятся, условий доставки, хранения и монтажа, и изменяется от 0,05 до 0,3 мм. Допуск δк задается по посадке С2а для рабочих колес диаметром до 3000 мм и по посадке С3 для рабочих колес больших размеров.
Эксцентриситет εо обода, у крупногабаритных рабочих колес массой до 250 т достигает 0,5 мм. Для рабочих колес, работающих при высоком напоре воды, или средненапорных, но имеющих более жесткую торовую форму обода, εо не превышает 0,1 мм.
Разностенность δт вращающихся уплотнительных колец, состоящих из частей, зависит от соотношения их толщины, высоты и диаметра и колеблется в пределах от 0,1 до 0,4; δн выбирается в зависимости от размеров детали в пределах допуска на отверстие от 2а до 3-го класса точности. Для уменьшения максимальных зазоров вращающиеся уплотнительные кольца обрабатывают по наружному диаметру после установки на рабочем колесе, что позволяет исключить влияние разностенности колец.
К обработке рабочих колес предъявляют также и такие требования: выпуклость плоскости фланца, сопрягаемого с валом турбины, не допускается; допускается вогнутость не более 0,02 : 1000 при проверке с помощью контрольной линейки длиной не менее 1500 мм (обусловлено необходимостью исключить возможность наклона оси вала при затяжке болтов фланцевого соединения); торцевое биение плоскости фланца должно быть не более 0,03, шероховатость обработки не ниже 2,5 мкм; разноосность отверстий под припасованные болты во фланцевом соединении рабочего колеса и вала турбины не допускается; отверстия должны быть обработаны по 2-му классу точности с шероховатостью поверхности не ниже 2,5 мкм.