§ 24. Холостые спуски, их назначение и действие
При внезапном сбросе нагрузки, во избежание чрезмерного разгона агрегата, направляющий аппарат турбины автоматически закрывается регулятором скорости в течение нескольких секунд (3—6 сек.). На гидротурбинах, имеющих напорный трубопровод, такое быстрое закрытие направляющего аппарата вызывает повышение давления, т. е. гидравлический удар, который тем больше, чем больше напор и длина трубопровода. Чтобы воспринять этот удар, стенки водоподводящих устройств (трубопровод, спиральная камера и др.) должны обладать повышенной прочностью. Однако при определенном напоре и длине трубопровода становится экономически выгоднее бороться с гидравлическим ударом не упрочнением конструкций, а путем выпуска воды вхолостую из трубопровода в нижний бьеф, помимо турбины. Для этой цели служит холостой спуск (регулятор давления), который одновременно с закрытием направляющего аппарата автоматически открывается, сбрасывает воду, а затем медленно закрывается со скоростью, при которой уже не может возникнуть гидравлический удар. Таким образом, холостой спуск должен автоматически открываться лишь при внезапном полном или частичном сбросе нагрузки, а во всех остальных случаях он должен быть постоянно закрыт.
Холостые спуски обычно применяются на высоконапорных гидротурбинных установках, имеющих длинный напорный трубопровод.
Холостой спуск, является весьма ответственным элементом в системе регулирования агрегата, и ненадежность его действия может привести к аварии водоподводящих устройств. Поэтому при неисправности холостого спуска, работа гидроагрегата на автоматическом регулировании запрещается. Турбины Френсиса имеют обычно холостые спуски с гидравлическим или механическим приводами.
Рис. 57. Холостой спуск с гидравлическим приводом
Холостой спуск с гидравлическим приводом.
Холостой спуск, изображенный на рис. 57, работает под напором 174 м и состоит из следующих основных узлов:
- колено с клапаном и отводными патрубками;
- сервомотор;
- золотник;
- распределительная коробка, установленная на цилиндре сервомотора.
Клапан 1 и его седло имеют сменные кольца из нержавеющей стали 2. В колене 3 установлен чугунный подшипник 4 для направления штока 5. Уплотнение штока достигается пеньковым сальником 6.
Протечки воды через сальник отводятся трубкой 7 в нижний бьеф. Нижний конец штока направляется в чугунном подшипнике, установленном в крестовине патрубка 8. В местах направления на стальной шток насажены бронзовые рубашки. Смазка нижнего конца штока осуществляется масленкой 9. Для возможности осмотра клапана предусмотрен лаз 10.
Сервомотор установлен на верхнем фланце колена. Внутри его перемещается поршень 11, под который подводится масло под давлением лишь снизу в полость А. Для предохранения от протечек масла в верхнюю полость Б на поршне имеется уплотнение — кожаная манжета. Уплотнение штока в местах прохода его через цилиндр и крышку достигается сальниками.
Золотник (двойной дифференциальный) крепится непосредственно к цилиндру. Для уменьшения усилия перемещения золотника внутри его имеется игла 12, гидравлически связанная с золотником, который синхронно следует за движением иглы. Масло к золотнику подводится от маслонапорной установки под давлением 18—20 кг/см2.
Распределительная коробка состоит из следующих основных механизмов:
а) кинематическая передача 13 от сервомотора направляющего аппарата к катаракту;
б) собственно катаракт, который представляет собой заполненный маслом стакан 14, опирающийся на пружину 15; внутри стакана двигается поршень 16, в который вмонтирован обратный клапан 17 для перепуска масла под поршень, и дроссельная игла 18 для перепуска масла на поршень; над катарактом имеется ручное управление, состоящее из маховичка 19, который перемещается по резьбе в крышке катаракта;
в) выключающее устройство 20, посредством которого цилиндр катаракта связан с иглой золотника.
Действие холостого спуска. Постоянно действующее давление воды на клапан 1 стремится его открыть, но масло под поршнем А этому препятствует. Холостой спуск откроется под воздействием давления воды на клапан лишь в том случае, если золотник 12 откроет слив масла из полости А цилиндра сервомотора и, наоборот, холостой спуск закроется, если в полость А через золотник поступит масло под давлением.
На рис. 57 холостой спуск показан в закрытом положении при закрытом направляющем аппарате турбины. Золотник холостого спуска — в среднем положении. При пуске турбины поршень сервомотора направляющего аппарата идет на открытие и тянет шарнирно связанную с ним тягу 21 вправо. Кинематическая передача 13 перемещает вверх поршень катаракта 16, вследствие чего под поршнем катаракта образуется вакуум, под воздействием которого открывается обратный клапан 17 и масло через него перетекает из полости С под поршень. Золотник 12 при этом остается в среднем положении, а следовательно, холостой спуск остается в закрытом положении. При внезапном уменьшении нагрузки поршень сервомотора направляющего аппарата быстро идет на закрытие, следовательно, тяга 21 перемещается влево и поршень катаракта 16 опускается вниз. Вследствие быстрого перемещения, масло из-под поршня не успевает перейти через отверстие дроссельной иглы 18 в полость С. В связи с этим стакан 14, сжимая пружину 15, следует за поршнем и перемещает рычаг вместе с золотником 12 вниз, на слив масла из полости А. Под воздействием давления воды клапан холостого спуска открывается. Закрытие холостого спуска происходит от воздействия пружины катаракта 15, под усилием которой стакан медленно перемещается вверх, вытесняя масло через дроссельное отверстие из-под поршня в полость С. Одновременно золотник, перемещаясь вверх, сообщает полость А цилиндра холостого спуска с давлением масла и холостой спуск медленно закрывается. При частичном сбросе холостой спуск открывается также частично за счет того, что в процессе открытия шток 5, воздействуя на выключающее устройство 20, возвращает золотник в среднее положение.
При достаточно медленном уменьшении нагрузки масло из- под поршня катаракта успевает перетечь через дроссельное отверстие в полость С и, следовательно, холостой спуск не открывается.
Для компенсации утечек масла из-под поршня сервомотора, при неподвижном направляющем аппарате (золотник в среднем положении) кромка золотника холостого спуска со стороны давления имеет отрицательное перекрытие, т. е. небольшую щель, через которую область давления А связана с давлением маслонапорной установки.
При проходе воды через клапан в патрубке 22 образуется вакуум, который способствует кавитационным разрушениям клапана и патрубка. Для уменьшения действия кавитации патрубок постоянно связан с атмосферой круговым каналом 23 с подведенной к нему воздушной трубой 24, через которую во время открытия клапана засасывается воздух.
Работа холостого спуска регулируется при испытаниях дроссельной иглой так, чтобы при сбросах нагрузки повышение давления в трубопроводе не превышало заданной величины.
Ручным управлением пользуются лишь при наладке холостого- спуска и при периодических опробованиях его действия. Ручное управление действует следующим образом. При повороте по часовой стрелке маховичка 19, последний, ввертываясь по резьбе, перемещает стакан катаракта вниз вместе с золотником, вследствие чего холостой спуск открывается. При обратном повороте маховичка пружина 15 возвращает вверх стакан катаракта вместе с золотником, и холостой спуск закрывается. При автоматическом управлении маховичок 19 должен быть в верхнем крайнем положении. Положение холостого спуска контролируется шкалой с указателем, прикрепленным к верхнему концу штока.
В конструкции холостого спуска с механическим приводом (рис. 58) отсутствуют элементы гидравлического (масляного) усиления. Принцип действия его тот же, что и у холостого спуска с гидравлическим приводом, и понятен из рисунка.
Рис. 58. Холостой спуск с механическим приводом
