Радиально-осевое рабочее колесо гидроагрегата
Полезная модель относится к области энергомашиностроения, конкретно, гидротурбиностроения, и может быть использовано в конструкциях радиально-осевых рабочих колес гидротурбин для увеличения их максимальной мощности и расширения диапазона применения. Зона сопряжения выходной кромки 3 лопасти 1 со ступицей является зоной возникновения максимальных напряжений в силу особенностей геометрии рабочего колеса. Возникающие напряжения являются определяющим фактором для эксплутационной надежности рабочего колеса на максимальных нагрузках. При выполнении в месте возникновения максимальных напряжений зоны 6 поверхностно-пластического деформирования, в поверхностном слое металла создается зона сжимающих напряжений, способствующих повышению усталостной прочности металла примерно на 15-20%. Создание зоны б поверхностно-пластического деформирования является эффективным средством повышения прочности конструкций в зонах галтельного перехода. Например, во временном рабочем колесе агрегата N3 Бурейской ГЭС при мощности N=340 МВт напряжения в зоне сопряжения выходной кромки 3 лопасти 1 со ступицей рабочего колеса равны 1450 кгс/см2, в штатном рабочем колесе - 1220 кгс/см2. При использовании заявленного технического решения на сменном рабочем колесе повышается усталостная прочность материала лопасти, что позволяет увеличить максимальную мощность гидротурбины на 40 МВт и эксплуатировать гидротурбину с временным рабочим колесом при максимальной мощности 340 МВт, как и на гидротурбине со штатным рабочим колесом.
Полезная модель относится к области энергомашиностроения, конкретно, гидротурбиностроения, и может быть использована в конструкциях радиально-осевых рабочих колес гидротурбин для увеличения их максимальной мощности и расширения диапазона применения.
Для оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых наличием признаков, сходных с существенными признаками полезной модели.
Из опубликованных и ставших общедоступными сведений следует отметить следующие аналоги полезной модели.
Известно, что на ряде многоагрегатных гидроэлектростанций в период их строительства применяются временные (сменные) радиально-осевые рабочие колеса, предназначенные для работы на пониженных напорах. Временные радиально-осевые рабочие колеса гидротурбин включают лопасти, ступицу и обод и имеют габаритные размеры основных элементов, в том числе высоту колеса, диаметр входа, число лопастей, длину профиля лопастей, значительно меньшие, нежели у штатных рабочих колес, предназначенных для работы на максимальных напорах, см. «Справочник по гидротурбинам» под редакцией Ковалева Н.Н., Машиностроение, Ленинградское отделение, 1984 г., с.138-140.
Существенным недостатком временного радиально-осевого рабочего колеса является то, что, как правило, диапазон его применения ограничен и меньше, чем на штатном рабочем колесе. Такие временные рабочие колеса работают на ГЭС ограниченный период (обычно 2-3 года, пока ведется строительство плотины). При достижении проектных напоров временные рабочие колеса не могут эксплуатироваться по условиям прочности, также как и штатные рабочие колеса не могут работать при низких напорах. Вторым существенным недостатком временного радиально-осевого рабочего колеса является то, что оно не может обеспечить получение высокой выработки электроэнергии из-за ограничений по максимальной мощности, а иногда по разгонной частоте
вращения, по высотам отсасывания и из-за более низких энергетических показателей (КПД).
Задачей полезной модели является преодоление основных ограничений, по которым гидротурбина с временным рабочим колесом не может эксплуатироваться с максимальной нагрузкой, как со штатным рабочим колесом.
Сущность полезной модели как технического решения выражается следующей совокупностью существенных признаков, достаточной для достижения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Радиально-осевое рабочее колесо гидроагрегата, включающее лопасти, ступицу и обод, характеризуется тем, что поверхность лопасти в зоне сопряжения ее выходной кромки со ступицей выполнена методом поверхностно-пластического деформирования с созданием в поверхностном слое металла лопасти зоны сжимающих напряжений.
Данная совокупность существенных признаков полезной модели обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях аналогичного назначения, совокупности существенных признаков которых совпадают с совокупностью существенных признаков полезной модели, что позволяет сделать вывод о ее соответствии условию патентоспособности "новизна".
За счет реализации существенных признаков полезной модели достигается объективно проявляющийся технический результат, заключающийся в обеспечении повышения усталостной прочности металла лопасти рабочего колеса.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображен общий вид лопасти рабочего колеса с выделением зоны поверхностно-пластического деформирования и обозначением зон примыкания к ступице и ободу рабочего колеса.
Радиально-осевое рабочее колесо гидроагрегата включает лопасть 1, которая имеет входную кромку 2, выходную кромку 3, зону 4 примыкания лопасти к ступице ( на чертеже не показана) и зону 5 примыкания лопасти к ободу (на чертеже не показан). Лопасть 1 в зоне сопряжения ее выходной кромки 3 со ступицей имеет зону 6 поверхностно-пластического деформирования.
Устройство работает следующим образом.
Зона сопряжения выходной кромки 3 лопасти 1 со ступицей является зоной возникновения максимальных напряжений в силу особенностей геометрии рабочего колеса. Для снижения концентрации напряжений переходы от ступицы к лопасти 1 выполняются в виде галтели, однако при этом максимальные напряжения по величине снижаются незначительно. Возникающие напряжения являются определяющим фактором для эксплутационной надежности рабочего колеса на максимальных нагрузках. Результаты натурных испытаний и практика эксплуатации рабочих колес подтверждают, что при превышении допустимого уровня статических и динамических напряжений именно в указанной зоне возникают усталостные повреждения.
При выполнении в месте возникновения максимальных напряжений зоны 6 поверхностно-пластического деформирования, в поверхностном слое металла создается зона сжимающих напряжений, способствующих повышению усталостной прочности металла примерно на 15-20%. Создание зоны 6 поверхностно-пластического деформирования является эффективным средством повышения прочности конструкций в зонах галтельного перехода.
Например, во временном рабочем колесе агрегата N3 Бурейской ГЭС при мощности N=340 МВт напряжения в зоне сопряжения выходной кромки 3 лопасти 1 со ступицей рабочего колеса равны 1450 кгс/см2, в штатном рабочем колесе - 1220 кгс/см2. При использовании заявленного технического решения на сменном рабочем колесе повышается усталостная прочность материала лопасти, что позволяет увеличить максимальную мощность гидротурбины на 40 МВт и эксплуатировать гидротурбину с временным рабочим колесом при максимальной мощности 340 МВт, как и на гидротурбине со штатным рабочим колесом. В дальнейшем, при соответствующих оценках ресурса выполненного таким образом сменного рабочего колеса, его разгонной частоты вращения и высоты отсасывания может быть рассмотрен вопрос о переводе его в штатное рабочее колесо.
Известные и вышеописанные средства и методы, с помощью которых возможно осуществление полезной модели в том виде, как она охарактеризована в формуле, подтверждают возможность получения указанного выше технического результата. Предложенное устройство в обоих заявленных вариантах может быть изготовлено промышленным способом из известных материалов
с использованием известных технологий и технических средств, что обусловливает, по мнению заявителя, соответствие полезной модели условию патентоспособности «промышленная применимость».
Заявленное устройство может быть использовано в конструкциях радиально-осевых рабочих колес гидротурбин для увеличения их максимальной мощности и расширения диапазона применения.
Радиально-осевое рабочее колесо гидроагрегата, включающее лопасти, ступицу и обод, отличающееся тем, что в поверхность лопасти в зоне сопряжения ее выходной кромки со ступицей выполнена методом поверхностно-пластического деформирования с созданием в поверхностном слое металла лопасти зоны сжимающих напряжений.
