Расчетно-экспериментальное обоснование конструкции экологичных поворотно-лопастных гидротурбин

• Автор: Демьянов, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 05.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 151 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Состояние проблемы и решаемые задачи
1.1 Объем установленных поворотно-лопастных гидротурбин и перспективы установки новых и реконструированных поворотно-лопастных гидротурбин в мире и России
1.2 Потери масла в поворотно-лопастной гидротурбине (опыт эксплуатации)
1.3 Направления решения проблемы протечек масла в поворотно-лопастных гидротурбинах..
1.4 Реализация технических решений и опыт эксплуатации экологичных рабочих колес
2. Новые технические решения и материалы для подшипниковых узлов экологичных рабочих колес
2.1. Структура и исследование металлокомпозитных материалов
2.2 Структура и исследование синтетических композитных материалов
2.3 Стенд для испытания антифрикционных втулок
3. Концепция конструкции и механизма поворота лопастей экологичных рабочих колес с втулками из бронзофторопласта и углестеклоэпоксидной композиции
3.1 Конструкция экологичного рабочего колеса с втулками из бронзофторопласта для ГЭС Утанен (Финляндия)
3.2 Конструкция рабочих колёс с втулками из бронзофторопласта для реконструкции
гидротурбин Волжской и Майнской ГЭС
3.3 Конструкция экологичного рабочего колеса с втулками из углестеклоэпоксидной композиции для гидротурбин Рыбинской ГЭС
3.4 Конструкция втулок подшипниковых узлов
3.4.1. Подшипник с вкладышем из стеклоэпоксидной композиции
3.4.2 Подшипник с вкладышем из бронзофторопласта
3.4.3. Подшипник с вкладышем из углестеклоэпоксидной композиции
4. Опыт эксплуатации и исследования новых конструкций с втулками из бронзофторопласта и углеэпоксидной композиции
4.1 Анализ причин увеличения перестановочных усилий и разрушения втулок из бронзофторопласта
4.2 Анализ напряженно-деформированного состояния механизма поворота лопастей
4.2.1 Расчетная схема механизма поворота лопастей рабочего колеса
4.2.2 Результаты расчета деформаций сборки деталей механизма поворота от затяжки болтов
4.3 Обобщение данных эксплуатации рабочих колес с антифрикционными втулками из углестеклоэпоксидной композиции
5. Методология проектирования экологичных поворотно-лопастных гидротурбин
5.1 Параметрическое проектирование механизма поворота
5.1.1 Основные положения параметрического проектирования
5.1.2 Параметризация элементов механизма поворота лопастей
5.1.3 Расчет потребных давлений в сервомоторе рабочего колеса
5.2 Нормы на проектирование и расчета на прочность (надежность) подшипниковых узлов и деталей механизма поворота лопастей
5.2.1 Общие положения
5.2.2 Нормы допускаемых напряжений
5.2.3 Коррозионно-усталостная прочность деталей механизма поворота
5.2.4 Нормы на надежность подшипниковых узлов
6. Заключение
7. Список литературы
Введение
Актуальность темы: Современная электроэнергетика характеризуется устойчивыми темпами роста 2-3% в год. Гидроэнергетика составляет 16.3% общей установленной мощности, благодаря своей маневренности, является основным фактором, обеспечивающим устойчивость электросети и эффективность энергоустановок.
В настоящее время гидроэнергетика имеет в своем составе гидроэлектростанции (ГЭС) и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) установленной мощностью 915585МВт.
Механизмы гидротурбин имеют контакт с протекающей рабочей средой (водой рек или водоемов) и могут загрязнять ее продуктами смазки подшипниковых узлов.
Особенно большой вред экологии реки могут нанести поворотно-лопастные гидротурбины (ПЛ ГТ), в случае нарушений в работе уплотнений лопастей. Турбины этого типа могут содержать во втулке рабочего колеса (РК) несколько тонн масла. Количество поворотнолопастных гидротурбин составляет только в России 300 штук, а в общем объеме установленного гидротурбинного оборудования - не менее 15%. Поэтому создание конструкции рабочего колеса ПЛ ГТ, полностью исключающей попадание масла в реку является актуальной темой, затребованной Заказчиком гидротурбинного оборудования, службами экологического надзора и общественностью.
Цель и задачи работы. Целью работы является защита экологической среды ГЭС от попадания масла, используемого для привода механизмов или смазки подшипниковых узлов поворотно-лопастной гидротурбины, в реку.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
- анализ существующих конструкций ПЛ ГТ, материалов подшипниковых узлов и уплотнений, направленных на улучшение экологических качеств рабочих колес;
- анализ отечественного и мирового опыта эксплуатации рабочих колес ПЛ ГТ с улучшенными экологическими свойствами;
- разработка и исследование новых композитных материалов для подшипниковых узлов механизма поворота лопастей рабочего колеса ПЛ ГТ;
- разработка методологии параметрического проектирования ПЛ ГТ на базе ЗБ твердотельного моделирования;
- разработка новых конструкций РК экологичных ПЛ ГТ с использованием рекомендованных материалов на базе углестеклоэпоксидной композиции (УСЭК) и бронзофторопласта (БФ);
- анализ опыта эксплуатации и исследование новых конструкций ПЛ ГТ с антифрикционными втулками из материала УСЭК и БФ;

Рисунок 2.9 Рабочая поверхность втулки из металлофторопласта после испытаний
Интересно, что после разборки и некоторой выдержки комплекта втулок на воздухе при окружающей температуре пленка частично мелкими участками вспучивается. По-видимому, это происходит по причине деформации фторопласта, содержание которого в пленке довольно значительное. Как известно, фторопласт - 4 при воздействии больших удельных давлений может деформироваться до очень тонких пленок. В данном случае в износной пленке фторопласт находится в виде тончайших волокон, сильно деформированных при трении и смешанных с МоБ2. Известно также, что частица фторопласта обладает способностью “запоминания” своей первоначальной формы. При снятии давления и других изменениях окружающей среды фторопласт сжимается, стремясь к своему первоначальному виду. Следует заметить также, что свойство смазываемости пленки при этих изменениях не исчезает.
Результаты испытаний в водяной ванне. Коэффициент трения при всех трёх ступенях удельного давления 400, 700, 1000 кг/см2 оставался низким в пределах 0,02 - 0,06 (Рисунок 2.10).

s 0,05 а

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Т, час
Рисунок 2.10 Зависимость изменения коэффициента трения от времени испытания в воде