РАО «ЕЭС России»

Открытое акционерное общество «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ им. Б.Е. ВЕДЕНЕЕВА»

ПОСОБИЕ ПО РАСЧЕТУ ДИНАМИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЛИЦОВОК КАМЕР РАБОЧИХ КОЛЕС ПОВОРОТНО-ЛОПАСТНЫХ ГИДРОТУРБИН С ОЦЕНКОЙ ИХ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ

П77-2000

внииг

Санкт-Петербург

2000

РАО «ЕЭС России»

Открытое акционерное общество «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ им. Б.Е. ВЕДЕНЕЕВА»

ПОСОБИЕ ПО РАСЧЕТУ ДИНАМИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЛИЦОВОК КАМЕР РАБОЧИХ КОЛЕС ПОВОРОТНО-ЛОПАСТНЫХ ГИДРОТУРБИН С ОЦЕНКОЙ ИХ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ

П 77-2000 ВНИИГ

Санкт-Петербург

2000

где Е - интеграл Бернулли в абсолютном движении.

Отметим, что слагаемое А₃ в формуле (2.6) в случае густых лопастных систем может быть отброшено, так как имеет малый порядок.

Численная схема решения уравнений (2.1)- (2.7) строится следующим образом. Уравнение (2.2) (см. также (2.6)), записанное для функции тока, аппроксимируется конечными разностями. Полученная нелинейная система разностных уравнений с учетом граничных условий решается методом установления. Решение задачи обтекания решеток профилей на осесимметричных поверхностях тока производится на основе программы, разработанной Б.С.Раухманом [4], в которую был добавлен расчет характеристик течения в канале между соседними профилями.

На основе полученного в результате расчета по уравнениям (2.1) -(2.7) поля скоростей из интеграла Бернулли определяется распределение давления в РК

7; (<71 Лг >ф) = £.ых “ &RV.' „-1 + О)RV_U - gZ_t, Р

где £_вых = gP_m, Р_ет - атмосферное давление (м вод.ст.); Z_x~ Н_$ - Z, Н_$ -высота отсасывания; Z - координата, отсчитываемая по оси гидротурбины

от оси поворота лопастей РК в направлении течения; R V_u вых - момент

окружной скорости на выходе из РК; <р - окружная координата в относительном движении.

Из последнего соотношения в координатах относительного движения получаем следующее выражение для давления Р (м вод.ст.) в РК (Р=МРЕ))

(2.9)

В случае возникновения областей с давлением Р < Р_п (что соответствует зоне кавитации, Р_а - давление парообразования) в этих областях полагалось Р-Р .

п

В предположении малости зазора между камерой и лопастью РК можно полагать, что распределение давления в канале между соседними лопастями в периферийном сечении колеса передается на камеру РК. Тогда распределение давления Р₀ на камере РК определится с учетом вращения РК следующим образом

P₀Q,V_vs} = P(.S',%-wQ,

где f- время; s_p - s_p(q,, q₂) - координата, отсчитываемая вдоль периферийного обода; <p₀, q_v q₂ - неподвижная система координат (ф₀= ф + ш ).

Вследствие осевой симметрии (между соседними лопастями РК распределение давления в канале одинаково) гидродинамическая нагрузка со стороны проточной части Р₀ является периодической функцией по / с периодом, равным Т = 2/г/(ЛГсо), где - число лопастей РК.

2.3. Расчет спектральных характеристик гидродинамической нагрузки на элемент облицовки КРК

После расчета параметров потока в проточной части ПЛ-гидротур-бины и гидродинамической нагрузки на КРК определяется средняя по площади нагрузка P_s(t) на облицовку КРК площадью S

P,0)-\iPtoa-Vt>Z)<IS-    (2.11)

Спектральные характеристики гидродинамической нагрузки на облицовку Р (*) находятся на основе разложения P_s(t) в ряд Фурье

„, _ч ¹ V* (    ^2nkt    «.    •    ^

W =    ^cos—    ^+    bk    ^sm—J.    (2.12)

При этом спектральная плотность g_w(Q) динамической нагрузки P_s{t) имеет вид

“    Опк

^(а) = £с²8(П-Я*),    Ь_к=±—,    (2.13)

*=0    ¹

с1=аЦ2,    cl=(a²k+b²k)/2.

Отметим, что спектральная плотность g_№(£2) имеет вид (2.13) при ее вычислении с помощью соотношений Хинчина-Винера [5]

11

g_№ (Q) = - / R_pp (x) cosQxrfr,

(2.14)

⁷¹ 0

-e

и учете разложения P (/) в виде (2.12).

Характеристики спектральной плотности гидродинамической нагрузки (коэффициенты с_к² и £2^), рассчитанные с помощью зависимостей (2.12), (2.13), автоматизированно передаются в блок расчета динамического напряженного состояния облицовки (см. раздел 3).

2.4 Определение режимных параметров ПЛ-гидротурбины, необходимых для расчета гидродинамической нагрузки

Определение режимных параметров для расчета гидродинамики проточной части и гидродинамической нагрузки на КРК должно осуществляться на основе эксплуатационной и универсальной характеристик ПЛ-гидротурбины. При этом, для заданного режима, т.е. при известных напоре Я, мощности Я и оборотах РК л, необходимо установить открытие НА а₀, угол установки лопастей РК <р_л, расход через турбину Q. Кроме того, для расчета распределения давления на КРК необходимо определить высоту отсасывания Я.

5

Режимные параметры а₀, <р_л, QnH_g при заданных Я, Я и л находятся следующим образом. По эксплуатационной характеристике гидроагрегата по заданным Яи Явычисляются коэффициент полезного действия (кпд) г| и высота отсасывания H_s. С помощью соотношения

Я= pgQHr\/l000    (кВт)    (2.15)

определяется расход жидкости Q (м³/с) через турбину.

Далее рассчитываются приведенный расход Q[ и приведенные обороты п[:

в!=Qlipx-Ш),    п[ = пdJ4h ,    (2.16)

где D_x - диаметр РК.

С помощью универсальной характеристики по найденным значениям Q[ и п[ и с учетом поправки на масштаб модели находятся открытие НА 12

модельной турбины a'_Q и угол установки лопастей РК ф_я. Окончательное открытие НА для условий натурной гидротурбины а₀ пересчитывается следующим образом

a_Q=a'_QDjD_u,    (2.17)

где D_m - диаметр модели турбины.

Для выполнения гидродинамического расчета необходимо также задать энергию потока Е₀ на входе в проточную часть и закрутку потока

RVи,вх, формируемую спиральной камерой. Эти значения находятся из соотношений:

E₀=gH;    RV_UM = Q/(2nb₀ tg 6 J.    (2.18)

где b_Q - высота HA; 8_cn - угол спирали.

Угол спирали 5_сп выбирается на основе данных [6,7] в зависимости от угла охвата спиральной камеры, который известен для каждой гидротурбины.

2.5. Подготовка исходных данных для гидродинамического расчета проточной части ПЛ-гидротурбины

На основе полученных значений режимных параметров a_Q и <р_я (см.п.2.3) для натурных условий необходимо решить две вспомогательные геометрические задачи по определению требуемых для гидродинамического расчета геометрических характеристик лопастных систем: коэффициента стеснения %(R, 2) и угловой координаты средней линии лопасти (лопатки) Ф(Я, Z) (см.п.2.2).

Для указанных геометрических задач требуется иметь теоретический чертеж лопасти РК и чертеж лопатки НА.

Для расчета функций Ф и т в НА по известному открытию задаются: число лопаток НА - N_Q ;

координата R_QN (м) цилиндрического радиуса оси поворота лопаток НА (R^DJD-,

высота НА - Ь₀ (м);

координата Z (м) нижнего кольца НА (Z = 0 на оси поворота лопастей

РК);

массив координат {х, у.} (м) верхней и нижней стороны профиля (рис.2.2);

координаты х₀, у₀ (м) оси поворота лопатки НА;

13

координаты л:_в, у_в (м) центра вписанной окружности и ее радиус г_в на входной кромке НА ;

координаты х_Е, у_Е (м) центра вписанной окружности и ее радиус г_£ (м) на выходной кромке НА (условно принимается, что радиус г_Е равен половине толщины выходной кромки НА); открытие НА ~ a_Q ( мм).

Для расчета функций Ф и т в РК по известному углу установки лопастей ф_л задаются:

число лопастей РК N_{ ;

число цилиндрических сечений R = const, в которых задаются сечения лопасти РК;

массив цилиндрических радиусов R (м) этих сечений ; расстояния до верхней Ь_х (м) и нижней баз Ь₂ (м) от оси поворота лопасти в развертке цилиндрического сечения на плоскость (рис.2.3); угол разворота лопастей ф_л (град);

массивы координат {х^в, у.} (м) точек верхней стороны профилей (от верхней базы) в сечениях R = const;

массивы координат {х ^н, у.} (м) точек нижней стороны профилей (от нижней базы) в сечениях R = const;

массив координат х_с, у_с (м) центров вписанных окружностей на входных кромках профилей и их радиус г_с (м) в сечениях R = const (х_с отсчитывается от верхней базы);

массив координат х_с1, у_с1 (м) центров вписанных окружностей на выходных кромках профилей и их радиус г_сХ (м) в сечениях R = const (х_с1 отсчитывается от верхней базы, условно принимается, что г _х равен половине толщины выходной кромки лопасти);

массив координату₀ (м) положения оси вращения лопасти в сечениях R — const.

Рис. 2.2. Профиль лопатки НА в сечении Z = const

Рис. 2.3. Развертка сечения лопасти РК цилиндрической поверхностью R = const

Для расчета гидродинамики проточной части требуется также задание геометрии нижнего (CD) и верхнего (.АВ) ободов проточной части (см. рис.2 Л). При этом координаты R, Z линий АВ и CD должны выбираться в одинаковом числе точек и точки рекомендуется располагать приблизительно равномерно вдоль линий АВ и CD. Линии DA и ВС задаются соответственно как R - const и Z = const. Линия DA выбирается между статором и НА, линия ВС - за РК в конусе отсасывающей трубы.

Местоположение и размеры облицовки КРК (длина облицовки D_s по оси турбины, ширина облицовки D_L в окружном направлении, координата Z положения нижнего края облицовки Z_HO) находят с помощью чертежа КРК.

Помимо геометрических данных проточной части ПЛ-гидро-турбины, в соотвествии с п. 2.4, находят также обороты РК п (об/мин), расход Q (м³/сек), энергию потока £₀ и закрутку потока RV_Uвх на входе в проточную часть, атмосферное давление Р_т (м), высоту отсасывания # (м).

15

3. РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНОЙ ОБЛИЦОВКИ

3.1. Выбор расчетной схемы

В качестве расчетных схем для облицовок камер рабочих колес типичными, наиболее распространенными, принимаются две основные схемы (рис.3.1):

облицовка полностью омоноличена с основным бетоном сооружения: не имеет отверстий, подплитных полостей и отслоения металла от омоноличивающего раствора (рис.3 Л,а);

облицовка в пределах рассчитываемой панели, ограниченной ребрами жесткости, не омоноличена и имеет подплитную полость глубиной а (рис.3.1Д в - а > 0; рис.3.1, г - а = 0, что соответствует термину “отслоение”). При этом выделяются два частных случая: облицовка не имеет отверстий в панели, соединяющих воду в подплитной полости с транзитным потоком (рис.3.1,6); облицовка имеет Отверстие в панели, соединяющее воду в подплитной полости с транзитным потоком (рис.3Л, в,г).

3.2. Нагрузка на элемент облицовки

Полная нагрузка Р_т на облицовку КРК определяется соотношением

Р_н=Р(г) + /у    (3.1)

где P_s(t) - давление в камере со стороны проточной части, состоящее из осредненной Р и пульсационной Р_г составляющих; Р_ф - фильтрационное давление.

Данные о нагрузках со стороны проточной части получают из решения гидродинамической задачи (см. п. 2). Значения фильтрационного давления принимаются либо по проектным данным, либо путем введения некоторого коэффициента kpf, показывающего, какая доля от гидростатического (в месте расположения данного элемента облицовки) принимается за величину фильтрационного давления.

d

Отверстие

Рис. 3.1

а - облицовка полностью омоноличена с основным бетоном сооружения; б - под облицовкой имеется подплитная полость, связи с транзитным потоком нет; в - под облицовкой имееется подплитная полость, облицовка имеет отверстие, соединяющее воду в подплитной полости с транзитным потоком; г - отслоение облицовки от штрабного бетона, имеется отверстие в панели облицовки

17

З.З.Основные предпосылки расчета на прочность элемента облицовки

Расчет на прочность элемента облицовки состоит из статического и динамического расчетов.

Статический расчет проводится согласно существующим нормам и правилам проектирования механического оборудования гидротехнических сооружений. В качестве расчетной принимается нагрузка, имеющая наибольшее из значений: фильтрационное давление Р_ф или давление цементного раствора (строительный случай) Р_т плюс вакуум при возможном внезапном опорожнении водовода Р.

Фильтрационное давление Р ₉ которое может действовать на фрагмент облицовки со стороны подплитной полости, а также принимать различные значения в зависимости от реальных условий. Примем его в виде зависимости

P^W*{H-H+Z_P)    (3.2)

где Н- напор; // - высота отсасывания; Z_p - координата центра облицовки, отсчитываемая от оси поворота лопасти РК; kpf - коэффициент, меняющийся от 0 до 1 (значение 1 соответствует наихудшему случаю, когда давление в подплитной полости равно напору).

Анализ влияния фильтрационного давления и остаточных температурных напряжений на упругую устойчивость и вынужденные колебания облицовок, проведенный на основе решения задачи гидроупругости в нелинейной постановке, показал, что достижение границ статической и динамической устойчивости для применяемого в КРК диапазона толщин облицовок (точнее диапазона их жесткости) возможно и при реальных скоростях транзитного потока в том случае, если уровень напряжений в срединной поверхности облицовки N_x,N_y~( 1 - 3)10⁷ Н/м².

При проведении расчетов динамического напряженного состояния и усталостной прочности фрагментов облицовки КРК и сопрягающего пояса следует придерживаться геометрической схематизации: расчетным элементом облицовки является фрагмент, ограниченный вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости КРК, размеры которого отсчитываются по образующей цилиндрической конструкции КРК (b) и по окружности сечения КРК перпендикулярно ее оси (L = 2 /). Фрагмент облицовки представляется как плоская, упругая панель постоянной толщины, радиусы кривизны R реальных фрагментов облицовки принимаются равными оо.

Следует иметь в виду, что это предположение может вносить существенные погрешности в расчет спектра собственных частот панелей

18

при расчете КРК гидротурбин с малыми (<Ъы) радиусами РК. В этом случае наличие цилиндричности панели приводит к уплотнению спектра собственных частот, подавлению одних и возбуждению других форм колебаний.

Учитывается наличие подплитной полости глубиной а и возможность хотя бы одного незаваренного инъекционного отверстия.

Транзитный поток, на жесткой границе которого находится упругая вставка, считается напорным, за глубину потока Я принимается расстояние между стенкой камеры и втулкой рабочего колеса.

При динамическом расчете фрагмента облицовки необходим учет гидроупругих эффектов. С ростом скорости транзитного потока собственная частота панели облицовки падает. Значение скорости U_d, при которой она становится равной нулю, соответствует потере пластинкой статической устойчивости (началу дивергенции - выпучиванию). В первом приближении оценку минимального значения этой скорости можно проводить по графику (рис.3.2)

0.7 0,6 з3 ОД ^0,4	\ \ \ о< )ЛЭ 1 CTI 1 I р™ 1че ж й *ус 701/ 1ЧИ1 ЭОС ти —
0    1    2    3    4    5    6    7    8    9    10    И    12    13    14 И-

Рис. 3.2. Зависимость безразмерной скорости дивергенции U_d от безразмерного Ро 2/

комплекса |Ы =- (р    -    плотность    воды;    р    -    плотность металла; h - толщина;

р _mh    ^т

21 - длина элемента облицовки).

--£/,/2/со₀₁;--- UJ2    I    со₀₁ = 30/(0,5 со₀₁)

Такие оценки показывают, что при реальных скоростях транзитного потока потери динамической устойчивости не происходит.

При решении задачи гидроупругости надо учитывать, что фрагмент облицовки, колеблющийся под воздействием давления транзитного потока, индуцирует в нем дополнительное поле скоростей и сам испытывает реакцию

19

УДК 621.224

В Пособии содержатся основные материалы, необходимые для определения изменяющихся во времени гидродинамических нагрузок, динамического напряженного состояния и прогноза усталостной прочности облицовок камер рабочего колеса пропеллерных и поворотно-лопастных гидротурбин при различных схемах их работы.

Применение разработанных методик и программного обеспечения позволяет обосновать выбор плановых размеров и толщин облицовок камер рабочих колес (КРК) с помощью современных подходов к расчету нагрузок и динамического напряженного состояния облицовок КРК при обеспечении заданного уровня их надежности.

В приложениях к Пособию даны краткая инструкция для работы с пакетом программ по расчету гидродинамических нагрузок, динамическому напряженному состоянию облицовок КРК и прогнозу их усталостной прочности, а также пример расчета этих величин для конкретных ГЭС.

Отдельные разделы представленной методики могут быть трансформированы для соответствующих расчетов облицовок водосбросных сооружений и других элементов различных конструкций, испытывающих динамические нагрузки.

Пособие предназначено для работников проектных, конструкторских и научно-исследовательских организаций.

© ОАО “ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева”, 2000

жидкости р как со стороны подплитной полостир_п, так и со стороны потока р_н, связанную непосредственно с колебаниями самой конструкции

Р=Р_н+Р_п•    (¹-¹)

Задача определения гидроупругой составляющей р в спектре пуль_: саций давления на колеблющейся поверхности достаточно сложно решается как расчетными методами, так и экспериментально.

Результаты экспериментальных исследований подтверждают априорные предположения о том, что податливость границы потока должна приводить к перестройке спектра пульсаций давления на ее поверхности за счет добавления индуцированных пульсаций р_н. Это проявляется в появлении в спектре потока дополнительных, ярко выраженных пиков на частотах, близких к первым собственным частотам ш_0] колебаний панелей в жидкости, причем стандарты пульсаций на этих частотах (для натурных облицовок) становятся сравнимы со стандартами на ведущих частотах основного потока. Кроме этого значительно увеличивается стандарт пульсаций давления в широкой полосе частот. Происходит существенное возрастание коэффициентов взаимной пространственной корреляции между пульсациями давления на всей упругой поверхности, что подтверждает справедливость используемого при динамическом расчете допущения возможности осреднения пупьсационной нагрузки Р_г (/) по площади фрагмента.

Элемент облицовки испытывает динамические нагрузки со стороны проточной части и пульсаций давления, проникающих в подплитную полость (при наличии непроваренного отверстия). Приближенно определить частоты последних можно, например, по формуле Росситера, которая предназначена для оценки резонансной частоты малой полости, соответствующей отверстию в элементе облицовки:    /    =- ,    где

d₀(M₀ + k~ )

т - номер моды колебаний пластинки; d₀ - длина отверстия вдоль потока;

С

к =    ~    0,5 - безразмерное значение скорости распространения возмуще

ний; M_Q - число Маха в заторможенном потоке.

Оценка частоты пульсаций давления, проникающих в подплитную полость, по приведенной зависимости показала, что проникают только высокочастотные составляющие турбулентных пульсаций транзитного потока, т.е. те, которые усредняются по площади плиты.

Методика динамического расчета стальных облицовок КРК исходит из предположения отсутствия напряжений в срединной поверхности (удов-

20

ПРЕДИСЛОВИЕ

“Пособие по расчету динамического напряженного состояния металлических облицовок камер рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин с оценкой их усталостной прочности” содержит материалы, обоснованные современным опытом строительства, проектирования и исследований вопросов, связанных с различными аспектами условий работы металлических облицовок (динамическое воздействие потока, адгезия к бетону и другие разрушающие факторы), и помогает в практике проектирования и реконструкции пропеллерных и поворотно-лопастных гидротурбин (ПЛ-гидротурбин) при оценке надежности облицовок камер рабочих колес (КРК). Пособие включает современное программное обеспечение для определения изменяющихся во времени гидродинамических нагрузок, динамического напряженного состояния и прогноза усталостной прочности-облицовок КРК при различных схемах их работы.

Металлические облицовки относятся к объектам экономической категории, стоимость их составляет значительную часть в общей стоимости гидросооружений. Технические параметры таких объектов, в том числе надежность, подлежат, по возможности, наиболее точной и корректной оценке на уровне современного состояния науки в данной области с учетом практики строительства и эксплуатации КРК ПЛ-гидротурбин.

Настоящее Пособие позволяет обосновать выбор плановых размеров и толщин облицовок КРК с помощью современных подходов к расчету нагрузок и динамического напряженного состояния облицовок КРК при обеспечении заданного уровня их надежности.

Пособие разработано во ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева доктором физ.-мат. наук В.И.Климовичем и канд.техн.наук С.М.Левиной при участии ведущего инженера Н.Н.Короткова. ¹

	Пособие по расчету динамического	П11 -2000
РАО	напряженного состояния металлических облицовок камер рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин	внииг
«ЕЭС России»		Вводится впервые
	с оценкой их усталостной прочности

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Анализ данных обследований разрушений облицовок КРК на действующих ГЭС позволяет выделить в качестве основных причин, приводящих к их непроектной работе, наличие пустот за КРК или отсутствие сцепления облицовок КРК со штрабным бетоном. Нарушение контакта с бетоном может происходить вследствие плохой проработки бетона, его усадки и выноса по фильтрационным ходам и т.п. Учет изменения проектных условий работы облицовок КРК должен быть произведен и в расчетах путем рассмотрения динамического напряженного состояния КРК с учетом эффекта гидроупругости и наличия подплитных областей. Кроме того, для расчета динамического напряженного состояния облицовок КРК необходимо также определить расчетным путем гидродинамические нагрузки, действующие на стенки КРК при различных режимах работы гидроагрегата, которые являются наиболее характерными для данной ГЭС. На основе указанных выше расчетов должен быть произведен прогноз усталостной прочности облицовки КРК и дана оценка его долговечности [1].

Схема монтажа типичной, наиболее распространенной камеры рабочего колеса ПЛ-гидротурбины (в Пособии рассматриваются только такие конструкции) позволяет рассматривать ее в виде конструкции, состоящей из отдельных элементов (облицовок) с заделкой по контуру, образованному

Внесены	Утверждены	Срок
ОАО «ВНИИГ	РАО «ЕЭС России»	введения в
им.Б.Е.Веденеева»	письмо № 02-1-03-4/632	действие
	от 03.07.98	IV кв. 2000 г.

4

вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости. Облицовки взаимодействуют с потоком воды, протекающим в проточной части гидротурбины.

Расчетные исследования производятся для металлических облицовок с учетом их местоположения, размеров и условий работы. Местоположение облицовки зависит от схемы расположения облицовок КРК. Размеры облицовок равны расстояниям между вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости. Условия работы облицовок характеризуются наличием или отсутствием: подплитной полости, сцепления с бетоном, отверстия в облицовке, соединяющего подплитную полость с проточной частью гидротурбины.

Полная нагрузка на облицовку КРК равна сумме нагрузок, действующих как со стороны проточной части, так и со стороны штрабного бетона или подплитной полости. При этом вследствие вращения РК гидродинамическая составляющая нагрузки со стороны проточной части переменна во времени.

Расчеты гидродинамической составляющей нагрузки на облицовку, местоположение и размеры которой заданы, производятся для заданных режимов работы гидроагрегата с помощью современных методов расчета гидродинамики проточной части [2,3]. Зазоры между камерой и лопастью РК полагаются малыми.

При расчете гидродинамических нагрузок на облицовку со стороны камеры принимается гипотеза об идентичности спектра нагрузки на жесткую и упругую конструкции.

Режим работы гидроагрегата характеризуется расходом воды через гидротурбину, числом оборотов вращения РК, напором, высотой отсасывания, открытием направляющего аппарата (НА), углом установки лопастей РК.

Для гидродинамического расчета течений в проточной части гидротурбины требуется исходная информация (чертежи) о геометрии профиля НА, лопасти РК, нижнего и верхнего ободов проточной части.

Для расчета гидродинамической нагрузки на облицовку КРК необходимы чертежи КРК ПЛ-гидротурбин.

Режимные параметры гидротурбины определяют с помощью главной универсальной характеристики, при необходимости используют также эксплуатационную характеристику и соотношения по пересчету натурных и модельных параметров.

В качестве нагрузок, действующих с внутренней стороны подплитной полости, принимаются (задаваемые в каждом случае генпроектировщи-ком) наибольшие из них: инъекционное давление или фильтрационное давление с учетом вакуума внутри камеры рабочего колеса.

Облицовка рассчитывается как упругая пластина (схематизация облицовки КРК в виде плоских пластин для стандартных размеров элемента справедлива при диаметрах рабочего колеса больше Зм), закрепленная на прямоугольном жестком контуре, граничащая с одной стороны с потоком в проточной части, а с другой - с подплитной полостью, наполненной водой.

При динамическом расчете учитывается гидроупругое взаимодействие пластины с окружающей ее водной средой.

Для расчетов необходимы данные о прочностных характеристиках материала облицовки, кривой усталости и нагрузочных режимах.

Оценка надежности облицовки КРК, отказы которой носят преимущественно усталостный характер, основывается на понятиях безотказности и долговечности.

При расчете вероятности отказа элемента стальной облицовки КРК принимается во внимание два критерия отказа:

превышение уровнем статических напряжений в элементе предела прочности > R^H (где S _т - расчетные напряжения от статических нагрузок; R^H ~ предел прочности);

нарушение условия усталостной прочности с учетом коррозии 5_уст > R j*, где S_yct - расчетные усталостные напряжения с учетом коррозии; Л * - условный предел коррозионно-усталостной прочности.

Расчет по первому критерию проводится при воздействии на облицовку статической нагрузки, по второму критерию - на основе динамического прочностного расчета.

Динамический прочностной расчет состоит из двух этапов: расчет спектра гидродинамических нагрузок и спектра напряжений, соответствующих этим нагрузкам.

Расчет долговечности стальной облицовки для данной совокупности режимов предлагается проводить по двум теориям: детерминистической и вероятностной.

При работе агрегата на разных режимах для определения ресурса стальной облицовки КРК используется линейная модель суммирования повреждений.

Расчеты гидродинамических нагрузок, напряженного состояния, а также оценка вероятности безотказной работы и долговечности металлической облицовки выполняются с помощью программного блока, снабженного программной оболочкой, обеспечивающей внутренний и внешний интерфейс.

Предлагаемая методика позволяет проводить сравнение проектируемых или реконструируемых вариантов конструкций металлических облицовок КРК по надежности, а также осуществлять их экономическую оптимизацию.

Область применения

Настоящее Пособие распространяется на расчеты металлических облицовок (обечаек) камер рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин, проводимые как на стадиях проектирования и реконструкции КРК, так и на стадии ремонтно-восстановительных работ.

Пособие предназначено для работников проектных, конструкторских и научно-исследовательских организаций.

Нормативные ссылки

В настоящем Пособии приведены ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 19185-73 “Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения”;

ГОСТ 27.002-89 “Надежность в технике. Основные понятия и определения”;

РТМ 108.243.101-83 “Турбины гидравлические поворотно-лопастные. Расчеты на усталостную прочность”.

Терминология

Термины и определения, использованные в настоящем Пособии, приняты в трактовке ГОСТ 19185-73 , ГОСТ 27.002-89 и РТМ 108.243.101-83.

2. РАСЧЕТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА ОБЛИЦОВКУ КРК СО СТОРОНЫ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ГИДРОТУРБИНЫ

2.1.0бщие положения

Для расчета гидродинамической нагрузки на облицовку КРК со стороны проточной части гидротурбины необходимо для заданных режимов работы гидроагрегата рассчитать течение во всей проточной части, включая области НА, РК и свободных вихревых течений до НА, между НА и РК, за РК. Расчетно-теоретическое изучение течения жидкости затрудняется вследствие сложной геометрической формы проточной части, пространственного характера течения, необходимости учета влияния вязкости,

7

1