RU2727113C1 - Oil-distributing devices of hydraulic unit - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: invention relates to power engineering and can be used in oil-distributing devices of hydraulic units. Oil distributing device contains oil receiver 1, servo motor of impeller 2 and rods 3, equipped with supports 4 installed with clearance inside shaft 5 of hydraulic unit. At least one support 4 is made in the form of a rolling bearing consisting of at least three bearings arranged along the circumference of rods 3 and fixed by means of cantilever supports on rods 3.EFFECT: invention is aimed at increasing vibration reliability and increasing service life of hydraulic unit, reducing labor costs for mechanical treatment of friction surfaces of supports of rods and shaft of hydraulic unit.1 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, конкретно, гидротурбостроения, в частности, к гидроагрегатам, включающим поворотно-лопастные гидротурбины и гидрогенераторы, и может быть использовано в маслораспределительных устройствах гидроагрегатов.The proposed technical solution relates to the field of power engineering, in particular, hydroturbine engineering, in particular, to hydroelectric units, including Kaplan hydroturbines and hydrogenerators, and can be used in oil distribution devices of hydroelectric units.

В современных конструкциях гидроагрегатов с поворотно-лопастными гидротурбинами, содержащих маслораспределительное устройство, одной из основных технических проблем является повышенный износ поверхностей трения опор штанг и внутренних поверхностей вала гидроагрегата из-за попадания абразивных частиц в маслораспределительное устройство, приводящий к снижению надежности с точки зрения вибрационного состояния и ресурса работы гидроагрегата. Штанги расположены внутри вала гидроагрегата, состоящего из вала гидротурбины и вала гидрогенератора, и соединяют маслоприемник и сервомотор рабочего колеса. Штанги представляют собой длинные и тонкие трубы, по которым подается масло под давлением к сервомотору рабочего колеса. Количество штанг определяется из условий возможности их изготовления и монтажа. Для предотвращения вибраций в процессе работы штанги имеют опоры скольжения, которые расположены в радиальном направлении. Опоры скольжения могут иметь антифрикционные накладки или могут быть снабжены втулками из антифрикционного материала, которые устанавливаются во внутреннюю полость вала.In modern designs of hydraulic units with Kaplan hydraulic turbines containing an oil distributor device, one of the main technical problems is increased wear of the friction surfaces of the rod supports and the inner surfaces of the hydraulic unit shaft due to the ingress of abrasive particles into the oil distributor device, which leads to a decrease in reliability in terms of vibration state and service life of the hydraulic unit. The rods are located inside the shaft of the hydraulic unit, consisting of the shaft of the hydraulic turbine and the shaft of the hydrogenerator, and connect the oil receiver and the impeller servo motor. The booms are long, thin tubes that carry pressurized oil to the impeller servo. The number of rods is determined from the conditions of the possibility of their manufacture and installation. To prevent vibrations during operation, the rods have slide bearings that are located in the radial direction. Sliding bearings can have anti-friction linings or can be equipped with bushings made of anti-friction material, which are installed in the inner cavity of the shaft.

Для обеспечения скольжения с минимальным износом поверхности трения опор скольжения на штангах и внутренние поверхности вала должны быть обработаны с шероховатостью поверхностей не хуже Ra 0,8 мкм (Д.Н. Решетников, «Детали машин», М., 1974, стр. 389). Также к поверхностям трения опор скольжения штанг и вала предъявляются высокие требования по обеспечению формы их поверхности и обработки в размер с высокой точностью, что требует значительных трудозатрат на механическую обработку указанных поверхностей. Смазка опор скольжения осуществляется турбинным маслом, которым заполняется внутренняя полость вала гидроагрегата.To ensure sliding with minimal wear of the friction surface of the sliding bearings on the rods and the inner surfaces of the shaft must be processed with a surface roughness not worse than Ra 0.8 μm (DN Reshetnikov, "Machine parts", M., 1974, p. 389) ... Also, high requirements are imposed on the friction surfaces of the sliding supports of the rods and the shaft to ensure the shape of their surface and processing to size with high accuracy, which requires significant labor costs for machining these surfaces. The sliding bearings are lubricated with turbine oil, which fills the inner cavity of the hydraulic unit shaft.

В случае, когда вал гидроагрегата имеет значительную длину, возникает затруднение с обеспечением необходимой шероховатости поверхностей трения внутри вала при их значительном удалении от торцов валов. Установка опор скольжения, снабженных втулками из антифрикционного материала, в таких местах также не представляется возможной.In the case when the shaft of the hydraulic unit has a considerable length, it becomes difficult to provide the necessary roughness of the friction surfaces inside the shaft at a significant distance from the ends of the shafts. Installation of sliding supports equipped with bushings of antifriction material in such places is also not possible.

Также, современная тенденция гидротурбостроения направлена на применение экологически чистых рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин, без заполнения турбинным маслом внутренней полости вала.Also, the current trend in hydraulic turbine construction is aimed at the use of environmentally friendly impellers of Kaplan hydraulic turbines, without filling the inner cavity of the shaft with turbine oil.

Известно изобретение «Маслораспределительное устройство поворотно-лопастной гидромашины» (Патент РФ №2075628; МПК F03B 11/00; дата публикации 20.03.1997 г.).Known invention "Oil-distributing device of a rotary-blade hydraulic machine" (RF Patent No. 2075628; IPC F03B 11/00; publication date 03/20/1997).

Согласно изобретению, соединение маслоприемника и сервомотора рабочего колеса осуществляется штангами, установленными между ними внутри вала гидромашины (гидроагрегата). Штанги выполнены не менее чем из двух коаксиальных жестко соединенных между собой труб. Для опирания на вал штанги снабжены радиальными опорами по наружной поверхности с накладками из бронзы. При этом одна из опор выполнена более массивной для обеспечения требуемого дисбаланса и гарантированного прижатия штанг к валу за счет смещения центра тяжести опоры относительно оси вращения вала.According to the invention, the connection of the oil receiver and the impeller servo is carried out by rods installed between them inside the shaft of the hydraulic machine (hydraulic unit). The rods are made of at least two coaxial rigidly connected pipes. To support the shaft, the rods are equipped with radial supports along the outer surface with bronze lining. In this case, one of the supports is made more massive to ensure the required imbalance and guaranteed pressing of the rods to the shaft due to the displacement of the center of gravity of the support relative to the axis of rotation of the shaft.

Недостатком данного решения является то, что в местах контакта радиальных опор на штангах с внутренней поверхностью вала для обеспечения скольжения с минимальным износом, поверхности трения вала должны быть обработаны с высокой точностью для обеспечения требуемой шероховатости, что приводит к повышенным трудозатратам на механическую обработку поверхностей. Работа данного устройства без заполнения вала турбинным маслом возможна, но приведет к повышенному износу пары трения. Помимо выработки накладок из бронзы изнашивается внутренняя поверхность вала, ремонт которой может быть затруднительным или невозможным в условиях ГЭС. Также попадание продуктов износа в шарнирные соединения рабочего колеса может привести к их повреждению или повышенному износу.The disadvantage of this solution is that at the points of contact of the radial supports on the rods with the inner surface of the shaft to ensure sliding with minimal wear, the friction surfaces of the shaft must be processed with high precision to ensure the required roughness, which leads to increased labor costs for machining surfaces. Operation of this device without filling the shaft with turbine oil is possible, but will lead to increased wear of the friction pair. In addition to the production of bronze linings, the inner surface of the shaft wears out, the repair of which may be difficult or impossible in a hydroelectric power station. Also, the ingress of wear products into the swivel joints of the impeller can lead to their damage or increased wear.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является изобретение «Маслораспределительное устройство поворотно-лопастной гидромашины» (Авторское свидетельство СССР №1038535; МПК F03B 11/00, дата публикации 30.08.1983 г.).The closest technical solution to the proposed technical solution in terms of a set of essential features and selected as a prototype is the invention "Oil-distributing device of a rotary-blade hydraulic machine" (USSR author's certificate No. 1038535; IPC F03B 11/00, publication date 30.08.1983).

Согласно изобретению, маслораспределительное устройство гидромашины (гидроагрегата) содержит маслоприемник, сервомотор рабочего колеса и штанги, снабженные опорами, установленными с зазором внутри вала гидромашины. Штанги выполнены не менее, чем из двух концентричных жестко соединенных одна с другой труб, имеющих полости, сообщенные с полостями открытия и закрытия сервомотора. Каждая опора представляет собой опору скольжения и снабжена по меньшей мере тремя направляющими втулками, имеющими каналы для смазки, причем забор масла на смазку осуществляется от внутренних полостей штанг, которые находятся под давлением масла подводимого к сервомотору рабочего колеса.According to the invention, the oil distribution device of a hydraulic machine (hydraulic unit) contains an oil receiver, an impeller servo motor and a rod equipped with supports installed with a gap inside the shaft of the hydraulic machine. The rods are made of at least two concentric pipes rigidly connected to one another, having cavities communicated with the opening and closing cavities of the servomotor. Each support is a sliding support and is equipped with at least three guide bushings with channels for lubrication, and the oil intake for lubrication is carried out from the internal cavities of the rods, which are under the pressure of the oil supplied to the impeller servo motor.

Недостатком данного решения является то, что установка опор скольжения возможна только в непосредственной близости к торцам вала, что влияет на вибрационную надежность гидроагрегата. Также, для работы опор требуется турбинное масло, которое используется из системы регулирования, что приводит к дополнительной нагрузке на систему автоматического управления в части поддержания требуемого давления в системе. При попадании посторонних частиц в масло происходит повышенный износ направляющих втулок, что приводит к увеличению зазоров, повышению вибрации, и, следовательно, снижению ресурса работы. Работа данного устройства без заполнения вала турбинным маслом не возможна.The disadvantage of this solution is that the installation of sliding supports is possible only in close proximity to the ends of the shaft, which affects the vibration reliability of the hydraulic unit. Also, for the operation of the supports, turbine oil is required, which is used from the control system, which leads to an additional load on the automatic control system in terms of maintaining the required pressure in the system. When foreign particles enter the oil, increased wear of the guide bushings occurs, which leads to an increase in clearances, increased vibration, and, consequently, a decrease in the service life. Operation of this device without filling the shaft with turbine oil is not possible.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении вибрационной надежности и увеличении ресурса работы гидроагрегата, в снижении трудозатрат на механическую обработку поверхностей трения опор штанг и вала гидроагрегата, а также в применении экологически чистых рабочих колес гидротурбины.The technical result, which the claimed invention is aimed at, is to increase the vibration reliability and increase the service life of the hydraulic unit, to reduce labor costs for machining the friction surfaces of the rod supports and the hydraulic unit shaft, as well as to use environmentally friendly impellers of the hydraulic turbine.

Для достижения указанного выше технического результата маслораспределительное устройство гидроагрегата содержит маслоприемник, сервомотор рабочего колеса и штанги, снабженные опорами, установленными с зазором внутри вала гидроагрегата.To achieve the above technical result, the oil distribution device of the hydraulic unit contains an oil receiver, an impeller servo motor and rods equipped with supports installed with a gap inside the hydraulic unit shaft.

При этом, согласно заявляемому изобретению, по меньшей мере одна опора выполнена в виде опоры качения, состоящей по меньшей мере из трех подшипников, расположенных по окружности штанг и закрепленных посредством консольных опор на штангах.In this case, according to the claimed invention, at least one support is made in the form of a rolling support, consisting of at least three bearings located around the circumference of the rods and fixed by means of cantilever supports on the rods.

Применение по меньшей мере одной опоры качения вместо опоры скольжения позволяет осуществлять опору штанг без обеспечения высоких требований к точности обработки и шероховатости внутренних поверхностей вала, а также обеспечить работу опор без заполнения вала турбинным маслом и без повышенного износа пары трения «опора - внутренняя поверхность вала», что способствует увеличению ресурса работы гидроагрегата.The use of at least one rolling bearing instead of a sliding bearing allows the rods to be supported without ensuring high requirements for machining accuracy and roughness of the inner surfaces of the shaft, as well as to ensure the operation of the bearings without filling the shaft with turbine oil and without increased wear of the "support - shaft inner surface" friction pair , which increases the service life of the hydraulic unit.

Выполнение опоры качения по меньшей мере с тремя подшипниками позволяет повысить надежность работы опоры за счет сохранения расчетного зазора между опорой и внутренней поверхностью вала гидроагрегата на всем сроке эксплуатации и увеличить ресурс его работы за счет значительного снижения износа контактных поверхностей. Расположение опор в любом месте на всем протяжении длины вала позволяет повысить вибрационную надежность гидроагрегата.The implementation of the rolling support with at least three bearings allows to increase the reliability of the support by maintaining the design clearance between the support and the inner surface of the hydraulic unit shaft throughout the entire service life and to increase its service life by significantly reducing the wear of the contact surfaces. The location of the supports anywhere along the entire length of the shaft improves the vibration reliability of the hydraulic unit.

Расположение подшипников по окружности штанг позволяет исключить повреждения внутренней поверхности вала при установке штанг во время монтажа и исключить повреждения внутренней поверхности вала гидроагрегата во время работы при возникновении нештатной ситуации в случае контакта внутренней поверхности вала с опорами качения, не имеющими острых кромок.The arrangement of the bearings around the circumference of the rods allows to exclude damage to the inner surface of the shaft when installing the rods during installation and to exclude damage to the inner surface of the hydraulic unit shaft during operation in the event of an emergency situation in the event of contact of the inner surface of the shaft with rolling bearings that do not have sharp edges.

Предлагаемая конструкция маслораспределительного устройства гидроагрегата в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет повысить вибрационную надежность, увеличить ресурс работы гидроагрегата, снизить трудозатраты на механическую обработку опор штанг и вала гидроагрегата за счет применения опор качения. Отказ от заполнения вала турбинным маслом позволяет применять экологически чистые рабочие колеса гидротурбины.The proposed design of the hydraulic unit oil distributor in the set of essential features disclosed above makes it possible to increase vibration reliability, increase the operating life of the hydraulic unit, and reduce labor costs for machining the rod supports and the hydraulic unit shaft due to the use of rolling bearings. The refusal to fill the shaft with turbine oil allows the use of environmentally friendly hydraulic turbine impellers.

Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения маслораспределительного устройства гидроагрегата.The presented graphic materials contain an example of a specific implementation of the oil distributor of a hydraulic unit.

На фиг. 1 представлен продольный разрез маслораспределительного устройства гидроагрегата; на фиг. 2 - поперечное сечение А-А в зоне расположения опоры; на фиг. 3 - сечение Б-Б по оси опоры с подшипником.In FIG. 1 shows a longitudinal section of the hydraulic unit oil distributor; in fig. 2 - cross-section A-A in the area of the support; in fig. 3 - section B-B along the axis of the support with the bearing.

Маслораспределительное устройство гидроагрегата содержит маслоприемник 1, сервомотор рабочего колеса 2 и штанги 3, снабженные опорами 4, установленными с расчетным зазором внутри вала 5 гидроагрегата. Расчетный зазор между опорами 4 и внутренней поверхностью вала 5 устанавливается регулировочными прокладками 6. Опоры 4 с регулировочными прокладками 6 закреплены посредством крепежных элементов на опорных пластинах 7. Опорные пластины 7 жестко закреплены на наружной поверхности штанг 3, например, сваркой.The oil distribution device of the hydraulic unit contains an oil receiver 1, a servo motor of the impeller 2 and a rod 3, equipped with supports 4 installed with a design clearance inside the shaft 5 of the hydraulic unit. The design clearance between the supports 4 and the inner surface of the shaft 5 is set by shims 6. The supports 4 with shims 6 are fixed by means of fasteners on the base plates 7. The base plates 7 are rigidly fixed on the outer surface of the rods 3, for example, by welding.

В средней части штанг 3, между опорами 4 устанавливается груз 8, вызывающий дисбаланс штанг 3 при вращении. Величина массы груза 8 должна обеспечивать гарантированное касание штанг 3 опорами 4 к внутренней поверхности вала 5 гидроагрегата при вращении с номинальной частотой вращения. При этом, после опирания штанг 3 на внутреннюю поверхность вала 5 гидроагрегата, происходит снижение амплитуды колебания штанг 3 и повышение их вибрационной надежности.In the middle part of the rods 3, between the supports 4, a weight 8 is installed, causing an imbalance of the rods 3 during rotation. The value of the mass of the load 8 must ensure that the rods 3 with the supports 4 touch the inner surface of the shaft 5 of the hydraulic unit when rotating at the rated speed. In this case, after the support of the rods 3 on the inner surface of the shaft 5 of the hydraulic unit, there is a decrease in the vibration amplitude of the rods 3 and an increase in their vibration reliability.

По меньшей мере одна опора 4 представляет собой опору качения. Количество опор качения определяется длиной вала 5 гидроагрегата. В конкретном примере выполнения установлено две опоры качения. Опора 4 состоит по меньшей мере из трех подшипников 9, расположенных по окружности штанг 3. Подшипник 9 закреплен в консольной опоре 10 по посадке с натягом посредством крепежного элемента, например, пальца 11. Консольная опора 10 может представлять собой кронштейн, держатель, подвес и др. Палец 11 закреплен в консольной опоре 10 крепежным элементом, например, гайкой 12. Для предотвращения касания подшипника 9 с консольной опорой 10 устанавливаются шайбы 13. Количество подшипников 9, их размер и расположение по окружности штанг 3 определяется конструктивными размерами вала 5 гидроагрегата. В конкретном примере выполнения установлено три подшипника 9 с равным шагом по окружности штанг 3, но в различных случаях выполнения конструкции может быть использован неравномерный шаг.At least one bearing 4 is a rolling bearing. The number of rolling bearings is determined by the length of the shaft 5 of the hydraulic unit. In a specific embodiment, two rolling bearings are installed. The support 4 consists of at least three bearings 9 located around the circumference of the rods 3. The bearing 9 is fixed in the cantilever support 10 for an interference fit by means of a fastening element, for example, a pin 11. The cantilever support 10 can be a bracket, holder, suspension, etc. The pin 11 is fixed in the cantilever support 10 with a fastening element, for example, a nut 12. To prevent the bearing 9 from touching the cantilever support 10, washers 13 are installed. The number of bearings 9, their size and location around the circumference of the rods 3 is determined by the structural dimensions of the hydraulic unit shaft 5. In a specific example of execution, three bearings 9 are installed with an equal pitch around the circumference of the rods 3, but in various cases of the design, an uneven pitch can be used.

Предлагаемая конструкция работает следующим образом.The proposed design works as follows.

При вращении гидроагрегата с номинальной частотой вращения происходит упругая деформация штанг 3 и прижатие их к валу 5 гидроагрегата за счет воздействия дисбаланса от груза 8 в зоне установки опор 4.When the hydraulic unit rotates at the nominal speed, the rods 3 are elasticly deformed and pressed against the hydraulic unit shaft 5 due to the imbalance from the load 8 in the area of the support 4.

При выполнении штангами 3 вертикального перемещения внутри вала 5 гидроагрегата, вызванного перемещением сервомотора рабочего колеса 2, подшипники 9 опор 4 катятся по внутренней поверхности вала 5, не создавая продуктов износа. Смазка, заложенная в подшипники 9, позволяет им работать без заполнения турбинным маслом внутренней полости вала 5 в пределах всего срока службы гидроагрегата.When the rods 3 perform vertical movement inside the shaft 5 of the hydraulic unit, caused by the movement of the servo motor of the impeller 2, the bearings 9 of the supports 4 roll along the inner surface of the shaft 5 without creating wear products. The lubrication embedded in the bearings 9 allows them to operate without filling the inner cavity of the shaft 5 with turbine oil throughout the entire service life of the hydraulic unit.

Claims (1)

Маслораспределительное устройство гидроагрегата, содержащее маслоприемник, сервомотор рабочего колеса и штанги, снабженные опорами, установленными с зазором внутри вала гидроагрегата, отличающееся тем, что по меньшей мере одна опора выполнена в виде опоры качения, состоящей по меньшей мере из трех подшипников, расположенных по окружности штанг и закрепленных посредством консольных опор на штангах.Oil distributing device of a hydraulic unit containing an oil receiver, an impeller servo motor and a rod, equipped with supports installed with a gap inside the shaft of the hydraulic unit, characterized in that at least one support is made in the form of a rolling support consisting of at least three bearings located around the circumference of the rods and fixed by means of cantilever supports on the rods.

Images