ГЛАВА IV
ТУРБИНЫ ПЕЛЬТОНА
§ 14. Разновидности турбин Пельтона
Турбины Пельтона, как указывалось, применяются при малых расходах и высоких напорах, т. е. наиболее часто в горных условиях. Турбина Пельтона сравнительно проста по своей конструкции и имеет высокий к. п. д. Кроме того, при сравнительно небольших размерах она может развивать значительную мощность.
На рис. 28 изображена простейшая турбина Пельтона с ручным регулированием. Она представляет собой насаженный на вал диск, на ободе которого закреплен ряд лопаток, имеющих форму двухдольных ковшей, разделенных посредине острым ребром (ножом). В острие ковша ударяет струя воды, направляемая под напором из особого насадка или сопла. В ковше струя воды разрезается ножом на две части и отклоняется вогнутыми поверхностями ковша в обе стороны под углом около 180°. На. рис. 29 показан в трех проекциях ковш турбины Пельтона.
Внутри сопла при выходе струи помещена игла грушевидной формы; перемещая иглу вдоль оси, можно изменять расход воды, регулируя тем самым мощность и число оборотов турбины.
Рис. 28. Турбина Пельтона с ручным регулированием
В малых турбинных установках перемещение иглы производится вручную с помощью маховичка, насаженного на штоке иглы, как это показано на рис. 28. В крупных установках это перемещение производится сервомотором, управляемым от регулятора скорости турбины.
На рис. 28 представлена турбина Пельтона с одним соплом, но встречаются турбины с двумя, тремя и даже четырьмя соплами, действующими на одно рабочее колесо. В последнем случае вода
Рис. 29. Ковш турбины Пельтона
подводится к соплам по кольцевой трубе, а рабочее колесо насаживается на вертикальный вал. Кроме того, встречаются турбины с двумя и тремя рабочими колесами, (насаженными на один общий горизонтальный вал.
§ 15. Регулирующие механизмы турбины
Как уже упоминалось выше, регулирование скорости турбины Пельтона производится с помощью иглы, перемещающейся вдоль своей оси внутри сопла. При перемещении иглы меняется поперечное выходное сечение сопла и расход воды, поступающей на ковши рабочего колеса. Иглой можно полностью закрыть выходное отверстие сопла и тем остановить турбину. В средних и крупных гидротурбинных установках перемещение иглы сопла производится масляным сервомотором, управляемым распределительным устройством регулятора скорости.
Однако при автоматическом регулировании скорости высоконапорных турбин, какими обычно являются турбины Пельтона, возникают гидравлические удары в подводящих воду трубопроводах, которые могут привести к повреждению или даже к разрушению последних. При сбросе нагрузки игла сопла быстро перемещается на закрытие и уменьшает расход воды на турбину.
Рис. 30. Действие отклонителя струи турбин Пельтона
С уменьшением расхода резко уменьшается скорость воды в трубопроводе и, вследствие инерции большой массы воды, происходит мгновенное увеличение давления в трубопроводе. Это явление называется гидравлическим ударом.
Предотвращение гидравлического удара в момент резкого изменения нагрузки IB турбинах Пельтона производится с помощью: I) особого клапана (называемого холостым спуском), устанавливаемого на трубопроводе перед турбиной, или 2) отклонителей (отсекателей) струи.
Действие и конструкция холостых спусков описаны ниже (гл. VI, § 24).
В турбинах Пельтона для предотвращения гидравлического удара чаще применяют отклонители струи. Задача отклонителя состоит в том, что в момент сброса нагрузки отклонитель быстро врезается в струю и отклоняет часть ее в сторону от ковшей рабочего колеса и тем предохраняет турбину от разгона. Одновременно с этим игла сопла начинает, медленно перемещаться на закрытие, уменьшая расход воды; гидравлический удар в трубопроводе не возникает или становится незначительным.
Для наглядности на рис. 30 показаны три момента процесса изменения режима работы турбины Пельтона. Изображено положение а отклонителя и иглы сопла перед изменением нагрузки на турбину. В положении б, в результате уменьшения нагрузки, отклонитель врезался в струю и часть ее отклоняет от рабочего колеса, при этом сопло еще не прикрылось иглой; расход воды и общая толщина струи остаются прежними. В положении в игла сопла уже переместилась на закрытие и уменьшила в соответствии с нагрузкой расход воды; толщина струи уменьшилась, однако отклонитель оказался вновь у самой струи. Перемещение отклонителя обычно производится масляным сервомотором, при этом взаимное перемещение поршня сервомотора отклонителя и поршня сервомотора сопла согласуется при помощи комбинатора, введенного в кинематическую передачу распределительного устройства регулятора.
Рис. 31. Схема двойного регулирования турбины Пельтона с отклонителями
На рис. 31 показана эскизная схема автоматического регулирования турбины Пельтона с отклонителями. Здесь имеется два масляных сервомотора; поршень одного из них кинематически связан с отклонителем, поршень другого — с иглой сопла. При перемещении поршня сервомотора отклонителя 1 перемещается и клин комбинатора 2, который, воздействуя на иглу распределительного золотника сервомотора сопел, заставляет перемещаться и поршень сервомотора сопла 3. Профиль клина комбинатора подобран таким образом, что каждому открытию сопла или положению его иглы соответствует и определенное положение отсекающей кромки отклонителя. При этом отсекающая кромка отклонителя всегда находится, при установившемся режиме работы турбины, на весьма небольшом расстоянии от струи (2—3 мм).
При сбросе нагрузки маятник воздействует на распределительный золотник сервомотора отклонителя, при этом поршень сервомотора быстро перемещается на закрытие. Связанный с ним отклонитель врезается в струю и отклоняет ее от ковшей рабочего колеса, благодаря чему обороты турбины начинают падать. Клин комбинатора, кинематически связанный со штоком поршня сервомотора отклонителей через рычажную передачу, перемещает золотник сервомотора сопел, поршень которого начнет перемещаться на закрытие, прикрывая отверстие сопла и уменьшая расход воды через него. Перемещение иглы сопла 5, как уже говорилось выше, происходит медленно, что достигается установкой дросселя 4 или дроссельной шайбы в маслопроводе, подающем масло под давлением от распределительного золотника к сервомотору сопел в полость «на закрытие».
Рассмотренная схема является лишь одной из весьма многочисленных и разнообразных принципиальных схем и кинематических связей регулирования турбин Пельтона с отклонителями, существующих в современной технике. Однако она является наиболее характерной и, пожалуй, наиболее распространенной.
