ГЛАВА III
ТУРБИНЫ КАПЛАНА И ПРОПЕЛЛЕРНЫЕ
§ 11. Разновидности турбин Каплана и пропеллерных
Турбины Каплана и пропеллерные применяются при больших расходах воды и невысоких напорах.
На рис. 20 изображено рабочее колесо пропеллерной турбины. Колесо имеет шесть рабочих лопастей, неподвижно закрепленных на втулке рабочего колеса.
Турбины Каплана отличаются от пропеллерных тем, что лопасти рабочего колеса в них делаются поворотными, благодаря чему коэффициент полезного действия остается на высоком уровне при нагрузках значительно меньше номинальной и при перегрузках.
Рис. 20. Рабочее колесо пропеллерной турбины
На рис. 21 схематически показана турбина Каплана с четырьмя поворотными лопастями, слева на рисунке лопасти показаны в открытом положении, а справа — в закрытом.
Как видно из рисунка, вода поступает сначала в направляющий аппарат и, пройдя его в радиальном направлении (как и у турбин Френсиса), попадает в свободное пространство над лопастями рабочего колеса, изменяет направление движения из радиального в осевое и затем проходит через рабочее колесо во всасывающую трубу. Таким образом общая схема использования водного потока в этих турбинах существенно не отличается от турбин Френсиса.
Рис. 21. Турбина Каплана
Этим обусловливается и подобие целого ряда узлов турбин Каплана и пропеллерных с турбинами Френсиса (как, например, спирали, направляющий аппарат, подшипники, всасывающая труба и др.).
§ 12. Регулирующие механизмы турбины
Регулирование скорости пропеллерных турбин ничем существенным не отличается от регулирования турбин Френсиса, а поэтому и регулирующие механизмы их совершенно подобны между собой. Однако в турбинах Каплана, кроме регулирования направляющих лопаток, необходимо одновременно регулировать и поворот лопастей рабочего колеса.
Рис. 22. Принципиальная схема регулирования турбин Каплана:
1 — рабочее колесо; 2 — направляющий аппарат; 3— сервомотор направляющего аппарата; 4—центробежный маятник; 5 — сервомотор рабочего колеса; 6 — комбинатор; 7 — золотник рабочего колеса; 8 — золотник направляющего аппарата; 9 — выключатели
Для этого необходимо, чтобы каждой нагрузке или каждому положению лопаток направляющего аппарата соответствовал наивыгоднейший угол поворота лопастей рабочего колеса. Отсюда следует, что должна существовать определенная связь между открытием направляющего аппарата и поворотом лопастей рабочего колеса. Эта связь кинематически осуществляется с помощью так называемого комбинатора.
На рис. 22 показана принципиальная схема регулирования турбины Каплана. Лопасти рабочего колеса поворачиваются масляным сервомотором 5, заключенным в большинстве случаев во втулке рабочего колеса. Иногда этот сервомотор располагается в полости развитого фланца вала турбины, соединяющего последний с валом генератора.
Поршень и шток сервомотора кинематически связаны кривошипным механизмом внутри втулки рабочего колеса с пальцами на фланцах лопастей и, таким образом, при перемещении поршня сервомотора осуществляется поворот лопастей (конструкция втулки рабочего колеса рассмотрена ниже, см. § 13).
Масло под давлением распределяется в полости сервомотора золотником 7, который управляется комбинатором. Комбинатор представляет собой клин 6 обычно с криволинейным профилем, который кинематически связан с поршнем сервомотора 3 направляющего аппарата турбины и перемещается синхронно с его ходом, т. е. с движением лопаток направляющего аппарата 2. На клин опирается рычаг с роликом, связанный с золотником рабочего колеса. При перемещении клина ролик катится по нему и переставляет с помощью рычага распределительный золотник рабочего колеса. В схеме комбинатора применен выключатель 9 (обратная связь), обеспечивающий устойчивость положения открытия лопастей (подробно см. далее, гл. V).
Таким образом с помощью комбинаторной связи в процессе работы агрегата обеспечивается постоянное соответствие между открытием направляющего аппарата и углом поворота лопастей рабочего колеса турбины.
Однако при переменном напоре наивыгоднейшее соотношение открытий направляющего аппарата и рабочего колеса не может быть осуществлено одной комбинаторной зависимостью, вследствие чего необходимо в процессе эксплуатации менять профиль клина комбинатора. Обычно на станции имеют набор клиньев комбинатора из двух-трех штук, рассчитанных для различных характерных на гидростанции напоров; эти клинья меняют по мере необходимости. В последнее время предпочитают ставить так называемый пространственный клин комбинатора с непрерывно изменяющимся профилем, приспособленным для всех напоров, имеющих место на данной гидростанции. Такой клин перемещается не только в продольном направлении — в зависимости от открытия направляющего аппарата турбины, но и в поперечном— в зависимости от имеющегося в данный момент напора. Перемещение клина в поперечном направлении производится либо от руки, либо автоматически, при помощи электродвигателя, электрически связанного со специальными устройствами на поплавках, установленных в верхнем и нижнем бьефах гидростанции.
Конструкция регулирующих органов турбин Каплана зависит от расположения приводов, передач, распределительного золотника рабочего колеса и комбинатора, а также от применения механического (как условно показано на схеме рис. 22) или гидравлического выключателя (обратной связи).
Золотник рабочего колеса иногда располагается во втулке последнего, но в большинстве конструкций помещен на верхнем конце генераторного вала или в колонке комбинатора (конструкции ЛМЗ им. Сталина).
Последние две конструкции имеют значительные преимущества как при монтаже, так и в эксплуатации, так как золотник хорошо доступен и относительно легко разбирается для ремонта и ревизий.
Комбинатор в современных конструкциях обычно располагается на верхнем конце генераторного вала, либо (совместно с золотником) в отдельной, специально спроектированной колонке комбинатора, расположенной на полу машинного зала рядом с колонкой регулятора. В том и другом случаях он связан с регулятором и турбиной при помощи кинематических передач и масляных трубопроводов.
