ГЛАВА VI
ЗАТВОРЫ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ГИДРОТУРБИН
§ 23. Затворы перед турбинами; их назначение и действие
Обычно на гидроустановках при средних и высоких напорах устанавливаются два затвора: один — на верхнем конце трубопровода и другой — у нижнего конца перед самой турбиной. Первый затвор служит для закрытия трубопровода с целью его ремонта, обследования или в случае его аварии. Второй затвор дает возможность обследовать турбину без осушки трубопровода, уменьшает протечки через неплотности направляющего аппарата в закрытом положении и тем самым предохраняет направляющий аппарат от износа насосами в воде. В случае аварии агрегата этот затвор дает возможность быстрее, чем верхний, закрыть подвод воды к турбине.
Если гидроустановка состоит из двух и более турбин, то затворы устанавливаются перед каждой турбиной в отдельности, что дает возможность отключить каждый агрегат без остановки всей станции. На небольших гидроустановках, имеющих относительно короткие напорные трубопроводы, иногда устанавливаются только верхние затворы. Наиболее распространенными типами затворов, устанавливаемых перед турбинами, являются дроссельные затворы, шаровые затворы и шиберные задвижки.
В новых конструкциях нашли наибольшее применение шиберные задвижки и дроссельные затворы, причем для более высоких напоров, при сравнительно небольших диаметрах трубопроводов, устанавливаются шиберные задвижки, во всех остальных случаях — дроссельные затворы.
В качестве сбросных затворов на некоторых гидростанциях установлены так называемые игольчатые затворы.
Затворы перед турбиной, предназначенные для быстрого автоматического закрытия в случае аварии, снабжены гидравлическими или электрическими приводами.
Верхние затворы (перед входом в трубопровод) снабжаются также и ручным приводом, что дает возможность в случае аварии отключить трубопровод и турбину при отсутствии электроэнергии. Некоторые верхние затворы с целью локализации аварий при разрыве напорного трубопровода снабжаются автоматическими устройствами, действующими на закрытие затвора при превышении скорости протекающей воды на 20—30% против нормальной.
Дроссельный затвор с гидравлическим приводом
Этот тип затвора является наиболее надежным, благодаря компактности, несложности управления и тенденции к самооткрыванию, что облегчает условия автоматического закрытия его аварийных случаях. Дроссельный затвор, представленный на 1C. 52 и 53, работает под напором 170 м.
Рис. 52. Дроссельный затвор
Дроссельный затвор состоит из стального корпуса 1, внутри которого находится диск дросселя 2, жестко соединенный с осью 3 посредством штифтов 4. Ось вращается в бронзовых втулках, запрессованных в чугунные подшипники 5. Смазка подшипников производится масленками высокого давления 6. Для уплотнения верхнего подшипника от протечки воды служит кожаная манжета 7, нижний подшипник уплотнен глухой крышкой 8. На верхний конец оси насажен рычаг 9, жестко соединенный с ней посредством двух шпонок. Рычаг шарнирно соединен с тягой сервомотора дроссельного затвора.
Форма диска дросселя имеет наилучшую обтекаемость лишь в положении полного открытия, а при частичных открытиях возникают большие потери напора; поэтому на работающем агрегате диск дросселя должен быть всегда полностью открыт.
Весьма важное значение имеет плотность закрытия диска дросселя, так как неплотности ведут к непроизводительным протечкам воды и щелевой кавитации, разрушающей уплотняющие поверхности диска и корпуса дросселя.
Рис. 53. Схема управления дроссельным затвором
Для лучшего уплотнения и возможности замены на окружности диска установлены два бронзовых полукольца 10.
Сервомотор дроссельного затвора (рис. 53) состоит из рабочего цилиндра 11 с поршнем 12 и направляющего цилиндра 13 с ползуном 14, жестко соединенного с поршнем посредством штока 15. Ползун связан с рычагом через тягу 16 посредством шарнира 17. Во время движения шарнир дает возможность тяге отклоняться от оси сервомотора. Смазка к шарниру подается по трубке от масленки, установленной на тяге. Кожаное уплотнение 18 служит для предотвращения утечек масла из рабочего цилиндра. Для заполнения спирали водой, с целью уравнивания давлений по обе стороны дроссельного затвора перед его открыванием, служит обводной трубопровод (байпасс) с гидравлической шиберной задвижкой. Задвижка имеет клинообразный диск 19, который жестко соединен с поршнем 20; последний двигается в цилиндре сервомотора 21 под давлением масла, поступающего через ручной золотник 22 из напорной установки в цилиндр сервомотора под давлением 18—20 кг/см2. Шток Поршня сервомотора задвижки выведен наружу и на его верхнем конце крепится стрелка указателя 23 положения задвижки. На цилиндре сервомотора дросселя установлен двойной дифференциальный золотник 24 и соленоид 25 с защелкой, которая снабжена вспомогательным электромагнитом. Два окна золотника соединены трубами 26 и 27 с цилиндром сервомотора, а два другие — трубами 28 и 29 с напорной установкой и со сливным баком. Игла золотника 30 и сердечник соленоида соединены рычагом 31. На конце рычага насажен ролик, который опирается на клин выключателя 32. Передвижение клина осуществляется помощью тяги 33 и двух концевых рычагов 34 и 35, перемещаемых ползуном в крайних положениях. Груз 36 постоянно прижимает ролик к клину. Для ручного открытия и закрытия дросселя предусмотрено ручное управление, которое при повороте рукоятки 37 поворачивает эксцентричную шайбу 33, а последняя перемещает рычаг. При этом стрелка указателя 39 показывает положение дросселя — «открыто» или «закрыто».
а) Открытие дроссельного затвора со щита управления. Ручное управление дросселя 37 должно быть в положении «открыто». Клапаны на напорном и сливном масляных трубопроводах должны быть открыты. Поворотом маховичка 40 золотника байпасса в сторону открытия подается масло под давлением из напорной установки под поршень в цилиндр сервомотора задвижки 21. Шибер поднимается, и вода заполняет спираль. После полного заполнения спирали, что контролируется манометром на щите, нужно кратковременно нажать на щитовую электрокнопку «открытие». В этом случае сердечник соленоида 25 переместится вверх, игла золотника 30 и, одновременно, гидравлически связанный с ней главный золотник 24 посредством рычага 31 также переместятся вверх. Тогда масло под давлением из напорной установки по трубе 26 поступит в правую часть цилиндра сервомотора дросселя на открытие. В конце хода ползун поворачивает рычаг 34 выключателя и, перемещая клин 32 вправо, возвращает золотник в среднее положение; при этом подача масла на открытие прекращается. Во время движения поршня 12 на открытие масло из левой части цилиндра выталкивается через трубу 27 и золотник в сливной бак. После полного открытия дросселя вращением маховичка 40 в обратную сторону закрывают задвижку байпасса. На схеме затвор показан в открытом положении.
б) Закрытие дроссельного затвора со щита управления. При кратковременном нажатии щитовой кнопки «закрытие» размыкаются контакты соленоида и сердечник опускается вниз. Игла золотника вместе с главным золотником также переместится вниз и дроссельный затвор закроется. Имеющаяся защелка соленоида предусмотрена на случай обесточивания основного магнита, что могло бы повлечь самооткрывание дросселя.
в) Открытие и закрытие дроссельного затвора от руки. В этом случае пользуются рукояткой 37 ручного управления, поворотом которой перемещают эксцентричную шайбу 38, а последняя поднимает либо опускает иглу золотника. При этом защелка соленоида должна быть отведена. В остальном процесс открытия и закрытия протекает так же, как и при автоматическом управлении со щита.
Автоматическое закрытие дроссельного затвора от центробежного выключателя при разгоне турбины или в случае разрыва передачи к маятнику происходит путем электрического воздействия защитных устройств указанных механизмов на кнопку «закрытие». В подобных случаях процесс автоматического закрытия дроссельного затвора происходит, как указано выше.
Шаровой затвор с гидравлическим приводом
Шаровой затвор, показанный на рис. 54 и 55 (нумерация деталей согласована), работает под максимальным напором 200 м.
Стальной корпус затвора 1 состоит из двух соединенных между собой частей. Внутри корпуса находится стальной шаровой клапан 2, жестко соединенный двумя цапфами 3, вращающимися в бронзовых втулках, запрессованных в чугунные подшипники 4. Смазка цапф осуществляется текалемитными масленками высокого давления 5. Уплотнение подшипников здесь такое же, как и в дроссельном затворе.
Клапан представляет собой шар с центральным отверстием, равным диаметру трубопровода. При открытом положении клапана ось его отверстия совпадает с осью трубопровода. Закрытие клапана достигается поворотом его на 90°.
Поворот клапана производится плунжерным сервомотором, поршни 6 которого жестко соединены с зубчатой рейкой 7; последняя передает усилие на зубчатый сектор 3, скрепленный шпонками с верхней цапфой клапана. Зазоры между поршнями и цилиндрами уплотняются кожаными манжетами 9 на поршнях. Со стороны входа воды имеется уплотнительное кольцо 10 (гидравлическое уплотнение), которое надвигается на круговой поясок клапана, когда последний закрыт, и тем самым препятствует протечкам воды в спираль. Для промывки каналов уплотнения от взвешенных наносов установлены две трубы 11 с задвижками, отводящими воду в сливной коллектор 12. Для очистки нижней части корпуса клапана и осушки его установлена задвижка 13 с трубой, также присоединенной к коллектору.
Для давления спирали водой перед открытием затвора имеется обвод- трубопровод (байпасе) с ручной задвижкой 14. Масло под давлением 18—20 кг/см подается в цилиндр сервомотора через масляный золотник 15, перемещающийся с помощью вспомогательного золотника 16, приводимого в движение17 через рычаг 18.
Рис. 54. Шаровой затвор
Уплотнительное кольцо 10 перемещается давлением воды, подводимой от напорного трубопровода через фильтр 19 и главный водяной золотник 20, который приводится в движение также вспомогательным золотником 21 с соленоидом 22. Во избежание ржавления, водяные золотники изготовлены из бронзы. Малые золотники снабжены выключающими клиньями 23 и 24, приводимыми в движение от клина 25, закрепленного на зубчатой рейке через штангу 26. Выключающие клинья служат для возвращения золотников в среднее положение после достижения клапаном затвора крайних положений. Грузы 27 постоянно прижимают ролики рычагов 18 к клиньям.
Рис. 55. Схема управления шаровым затвором
На случай расстройства автоматического управления затвором предусмотрено ручное управление, состоящее из зубчатого насоса 28 с рукояткой 29.
Путем вращения насоса вручную в соответствующую сторону, масло перекачивается через трубки 30 и 31 из одной полости цилиндра в другую, перемещая тем самым
поршни с рейкой. Ручной насос включается после поворота трехходовых кранов 32 и 33, отключающих масляный трубопровод 34 и 35 от главного золотника. Положение клапанов фиксируется на шкале стрелкой 36.
Управление шаровым затвором аналогично ранее описанному управлению дроссельным затвором.
Игольчатый затвор
Игольчатые затворы, наряду с положительными свойствами хорошее уплотнение, плавность хода, возможность работы на открытиях), имеют и существенные недостатки (большие габариты, превосходящие в несколько раз дроссельные затворы, этажность и сравнительно большая стоимость).
Рис. 56. Игольчатый затвор с механическим приводом
На рис. 56 представлен в открытом положении разрез игольчатого затвора диаметром 2400 мм, с механическим приводом.
Затвор состоит из корпуса 1 яйцевидной формы, внутри которого помещен цилиндр 2 с днищем 5, связанные с корпусом радиальными ребрами. Внутри цилиндра двигается плунжер 4, скрепленный с клапаном 5 иглообразной формы. При открытом клапане внешние очертания днища, цилиндра и клапана имеют обтекаемую форму, что уменьшает потери напора при протекании воды. В передней части клапана 5 имеется отверстие, прикрывающееся спускным клапаном 6, скрепленным с цевочной рейкой 7, приводящейся в движение шестерней 8 от механического привода, находящегося вне корпуса затвора.
Принцип действия затвора. Прежде чем открыть затвор, нужно вентили дренажных труб 9 закрыть, а вентили 10 и 11 открыть — для заполнения внутренних полостей А и Б водой под давлением из напорного трубопровода.
При заполнении водой воздух из указанных полостей удаляется через воздушные краники 12. После этого открытие клапана производится следующим образом: при вращении шестерни 8 вручную через редуктор (или электромотором) цевочная рейка 7 перемещается влево и, открывает спускной клапан 6, благодаря чему давление в полости А снижается и плунжер под давлением воды в полости Б и благодаря реакции струи воды на клапан 5 перемещается влево на открытие по мере перемещения спускного клапана 6 до полного открытия. Чтобы закрыть затвор, нужно переместить цевочную рейку вправо, тогда спускной клапан закроется и давление в полости А установится равным давлению в полости Б, но за счет разности площадей внутренней и наружной части плунжера усилие будет направлено на закрытие. Усилие на рукоятке редуктора для перемещения цевочной рейки регулируется вентилями 10 и 11.
Игольчатые затворы, устанавливаемые на водосбросах с отводом воды в атмосферу, часто, вследствие кавитации, издают сильный шум, а также вибрируют. Для устранения этих явлений в диффузор 13 подается воздух через коллектор 14.
