Методики розрахунку статорів гідротурбін на міцність

У гідротурбіні статор є замикаючим жорстким елементом, що зв'язує ланки оболонки спіральної камери, має відмінну від них жорсткість і форму. Це призводить до істотної відмінності деформацій у статорі і оболонці камери і дає змогу вести наближений їх розрахунок на міцність незалежно один від одного.

У литих і зварно-литих високонапірних спіральних камерах із короткими, відносно широкими і досить масивними колонами, пояси статорів деформуються мало, а у статорах середньонапірних радіально-осьових турбін деформації поясів у зоні сполучення із оболонкою значно зменшуються в забетонованому стані. Напруги у перехідному перерізі від колони до статора в незабетонованому стані у 2,0÷2,5 рази перевищують ці ж напруги при незабетонованому статорі.

Рис. 4.3. До розрахунку колон статора:

а - у бетонній спіральній камері; б - у металевій спіральній камері;

в - при нормальній роботі; г - при скиданні навантаження

Спрощений розрахунок статора, що використовується при його попередньому проектуванні, базується на ряді припущень. Пояси статора вважають жорсткими і їх деформацію не враховують. У першому наближенні не враховуються деформації у з'єднанні поясів із колонами. По колу статора враховується тільки зміна тих навантажень, які спрямовані по осі 2. Поперечні сили і моменти, що виникають від них, не враховуються, оскільки передбачається, що ці навантаження сприймаються бетоном. При такому методі розрахунку визначають тільки напруги розтягу-стиснення у колонах статора під дією сумарної подовжньої сили (рис. 4.3, а і б), які при рівномірному розміщенні колон по колу виражаються так:

(3.57)

а при нерівномірному розміщенні колон

(3.58)

де z_кол- кількість колон; ψ° - центральний кут, що визначає зону впливу цієї колони.

Сума сил, що діє на статор у вертикальній гідротурбіні залежить від стану турбіни.

Зазвичай розглядають три такі стани.

1. При зупиненій і осушеній гідротурбіні сума сил, що діють на статор, рівна

(3.59)

де G׳_буд. - частина ваги будівлі, що передається на статор, задається проектувальниками ГЕС; G_стац.Г. - вага стаціонарних деталей генератора; G_Р=G_рот._Г+G_в.а.+G_Р.К. - вага ротора агрегата, що складається із ваги ротора генератора, валу агрегата і робочого колеса турбіни; G_стац.Т. - вага нерухомих деталей робочих механізмів турбіни.

2. При працюючій із повним постійним навантаженням N=N_макс гідротурбіні (рис. 3.8, в) - сума сил визначається виразом

(3.60)

Тут

(3.61)

де К_ос - коефіцієнт осьового тиску: у поворотнолопатевих турбінах приблизно приймається К_ос=1, а у радіально-осьових

(3.62)

Р_криш. - сила, що виникає від тиску, що діє у потоці, прикладена до нижньої поверхні кришки і спрямована вгору,

(3.63)

де - тиск до ущільнень робочого колеса; - абсолютна швидкість у потоці перед робочим колесом; - радіальна або меридіальна складова, що визначається витратою турбіни Q; b₀ - висота напрямного апарату; v_u1 - окружна складова швидкості потоку перед робочим колесом, визначається із основного рівняння турбіни в припущенні що, v_u2⁼0.

(3.64)

р₂ - тиск над ступицею робочого колеса, визначається при розрахунку ущільнень; R_криш., R_ущ і r, відповідно, радіуси фланця кришки, ущільнення і валу (рис. 3.8, в). У поворотнолопатевих турбінах ущільнення немає, і вираз (3.63) для них має вигляд

(3.65)

Р_врт - спрямована по осі z сила що розтягує колони, викликана гідравлічним тиском у спіральній камері.

У металевих спіральних камерах із круглими і овальними перерізами вертикальна сила, що діє на одну колону, рівна

(3.66)

де Т_М - сила на одиницю довжини, прикладена до козирка статора, що визначається за формулою (3.6) для круглих і за формулою (3.10) для овальних перерізів; γ - кут нахилу козирка; - умовна довжина закладок у козирку статора в межах кута охвату колони ψ⁰. У камерах із трапецієвидними перерізами і неповним кутом охвату

(3.67)

F_стел.1 - ділянка площі стелі спіральної камери, що враховується при визначенні сили, що діє на одну колону.

3. При повному скиданні навантаження (рис. 3.8, г), сума діючих на статор сил визначається виразом

(3 .68)

(3.69)

Тут Р_{криш.скид} - сила, що виникає на кришці турбіни при повному скиданні навантаження, коли під кришкою утворюється вакуум, і вона навантажується атмосферним тиском на площі, обмеженій діаметром напрямного апарату D₀; р_скид.=р_вак - надлишковий атмосферний тиск на кришку, що рівний розрідженню під кришкою. Зазвичай приймають вакуум повним, тоді -р_вак =р_атм; р_скид. - тиск при скиданні на частину кришки, розташовану за D₀, визначається за формулою (3.37). Напруга розтягу-стиснення в колонах визначається за формулою

(3.70)

де Р_z1 визначається за (3.57) або(3.58) при усіх трьох режимах і відповідних їм ; F_кол. - площа перерізу колони.

Порядок розрахунку визначається викладеною вище методикою. Розпочинають розрахунок з визначення і складових сил.

У радіально-осьових турбінах можна приблизно визначити, не враховуючи впливи закладення поясів статора у бетоні, згинальну напругу у кореневому перерізі колони. При цьому припускають, що згинальний момент, що створюється зовнішніми силами відносно нейтральної осі (рис. 4.3, б) колони, урівноважується згинальним моментом.

Вважаючи позитивними моменти, що діють за годинниковою стрілкою, отримуємо

(3.71)

У цій формулі - дотична сила в перерізі оболонки, що припадає на одну колону; Т_м визначається за формулами (3.6) або (3.10); ΣР_криші ΣР_бет - сили, що відповідно діють на фланці і на верхньому кільці статора, вони залежать від розташування п'яти агрегату: при розташуванні п'яти на генераторі

при розташуванні п'яти на на кришці турбіни

l_Т, l_криш, l - плечі моментів, що визначаються за схемою розподілу сил (див. рис. 3.8, б).

Напруга, що виникає від дії згинального моменту

(3.72)

де J_х.кол. - момент інерції перерізу колони відносно осі, перпендикулярної до радіусу, що проходить через центр тяжіння перерізу. Визначається J_х графоаналітичним методом.

Сумарна напруга в розтягнутих і стиснених волокнах знаходяться за формулами

(3.73)

(3.74)

Знак плюс відповідає випадку, коли напруги від поздовжньої сили співпадають із напругою від згину у крайніх волокнах; знак минус - коли напруги протилежні. При розглянутому методі розрахунку, що не враховує динамічних і поперечних складових сил, викликаних потоком їх нерівномірного розподілу по колу, і впливу бетону, допустима напруга для сталей МСт3, 30Л, 20ГСЛ не повинні перевищувати 90 МПа.