В современных конструкциях гидротурбин применяются следующие типы направляющих аппаратов:
цилиндрический (радиальный), оси лопаток которого параллельны друг другу и расположены на цилиндрической поверхности;
конический с осями лопаток, расположенными на конической поверхности;
осевой, в котором оси лопаток расположены радиально по отношению к оси агрегата.
Преимущественное распространение получил цилиндрический направляющий аппарат как наиболее простой по конструкции и изготовлению. На рис. 3-7 показан цилиндрический направляющий аппарат крупной поворотнолопастной турбины.
Рис. 3-7. Направляющий аппарат поворотнолопастной турбины.
Направляющие лопатки 1 располагаются по окружности D0 сразу за статором на входе в турбину. Нижняя цапфа лопатки направляется втулкой 2 в нижнем направляющем кольце 3, установленном на внутреннем нижнем фланце статора турбины. Верхняя цапфа направляется подшипником 4, имеющим две втулки 5 и 6. Подшипник установлен в верхнем кольце направляющего аппарата 7, которое наружным фланцем опирается на верхний фланец статора. На внутренний фланец кольца устанавливается крышка турбины 8.
Посредством рычага и регулируемой при монтаже серьги 10 верхний конец цапфы лопатки соединен с регулирующим кольцом 11, установленным на опоре 12 регулирующего кольца. Тягами 13 регулирующее кольцо соединяется с сервомоторами направляющего аппарата. При перемещении поршней сервомоторов регулирующее кольцо поворачивается и с помощью серег и рычагов открывает или закрывает лопатки направляющего аппарата.
Рис. 3-8. Резиновые уплотнения направляющего аппарата.
а — резиновое уплотнение зазора между лопатками; б — уплотнение с прижимной планкой; 1 — лопатка; 2 — уплотнение; 3 — прижимная планка.
Для обеспечения закрытия направляющего аппарата и остановки турбины в случаях попадания посторонних предметов между смежными лопатками в приводе направляющих лопаток предусматривается ломкое соединение, которое при этом нарушается, но направляющий аппарат все же закрывается, за исключением лопаток, между которыми попали посторонние предметы. В большинстве современных конструкций ломкое соединение выполняется в виде срезного цилиндрического штифта 19, устанавливаемого в верхней части рычага 16 и его втулки 9. Рычаг заклинивается на верхней цапфе лопатки с помощью штифта 17. Крышка лопатки 18 устанавливается на рычаг сверху и соединяется болтом с верхней цапфой. На этом болте лопатка подвешивается, опираясь через втулку рычага на торец подшипника, что дает возможность установить лопатку с одинаковыми верхним и нижним торцевыми зазорами.
Для предотвращения протечек воды из турбины по цапфам направляющих лопаток устанавливаются уплотнения 14, состоящие из резиновых или кожаных манжет. Вода, просачивающаяся через манжету верхней цапфы, собирается в кольцевую проточку в корпусе подшипника и отводится по трубе 15 в крышку турбины.
Опорные втулки подшипника и нижней цапфы выполняются из бронзы или лигнофоля. Лигнофоль представляет собой древеснослоистый пластик из березового шпона и обладает высокими механическими и антифрикционными свойствами. При бронзовых втулках в качестве смазки применяется густое масло или солидол. Лигнофолевые втулки смазываются водой или густым маслом.
Лопатки направляющего аппарата отливаются стальными пустотелыми совместно с цапфами. В последнее время начали также широко применяться сварные конструкции, состоящие из литых цапф и сварного пера лопатки.
Для предотвращения протечек воды в закрытом положении направляющего аппарата в крупных гидротурбинах применяются резиновые уплотнения. В теле лопатки у входной кромки в месте соприкосновения лопаток строгается паз в виде ласточкина хвоста, в который закладывается специальный резиновый шнур (рис. 3-8,а). Надежность резинового уплотнения может быть обеспечена применением прижимной планки (рис. 3-8,б). Такие же шнуры закладываются в кольцевые пазы, проточенные в нижнем кольце направляющего аппарата и в облицовке верхнего кольца направляющего аппарата. В закрытом положении выходная кромка каждой лопатки прижимается к резиновому шнуру соседней лопатки, а шнуры в верхнем и нижнем кольцах уплотняют зазоры в торцах. В высоконапорных турбинах направляющие лопатки уплотняются чаще всего путем точной пригонки их друг к другу так, чтобы в закрытом положении лопаток зазора между ними не было.
Суммарный торцевой зазор между лопатками и нижним и верхним кольцами направляющего аппарата для средних турбин может быть в пределах 0,5—0,6 мм, а для крупных—до 1,5 — 2,0 мм. При установлении требуемого торцевого зазора в гидротурбинах с подпятником, расположенным на крышке турбины, необходимо учитывать, что при работе гидроагрегата произойдет некоторая осадка верхнего кольца направляющего аппарата в результате передачи на него осевого гидравлического усилия и веса ротора агрегата, поэтому торцевые зазоры уменьшатся и в случае недостаточного торцевого зазора лопатки могут оказаться зажатыми.
Рис. 3-9. Схема осевого направляющего аппарата.
Направляющий аппарат радиально-осевых турбин конструктивно не отличается от направляющего аппарата поворотнолопастных турбин. Существенное различие заключается лишь в том, что верхнее кольцо направляющего аппарата объединено в одну деталь с крышкой турбины.
Выем направляющих лопаток в радиальноосевых турбинах без подъема крышки турбины не предусматривается.
Конический направляющий аппарат применяется для специальных типов турбин, в том числе для диагональных (см. рис. 2-15) и горизонтальных капсульных гидроагрегатов. Благодаря наклонному положению лопаток он имеет меньшие габариты и требует меньшего пространства для размещения. Однако наклонное положение лопаток вызывает усложнение конструкции и технологические трудности в исполнении из-за необходимости применения пространственных шарниров и переменного по высоте профиля конических лопаток.
Осевой направляющий аппарат (рис. 3-9) применяется в горизонтальных гидротурбинах, имеющих прямоосный неспиральный подвод воды. Направляющие лопатки 1 размещены перед рабочим колесом 5 в напорном патрубке 4, который для сохранения постоянства зазоров у наружного торца лопаток имеет полусферический профиль. Поворот лопатки осуществляется рычагом 2, который с помощью серьги и пространственных шарниров соединен с регулирующим кольцом 3.
Конструкция верхнего кольца направляющего аппарата и крышки турбины зависит от размеров, типа и общей компоновки турбины. В поворотнолопастных турбинах больших размеров верхнее кольцо направляющего аппарата выполняется отдельной деталью. В радиально-осевых турбинах верхнее кольцо и крышка турбины объединены в одну конструкцию.
В последних конструкциях турбин верхнее кольцо и крышка турбины выполняются сварными из элементов коробчатого сечения. По транспортным условиям они изготовляются из нескольких частей с болтовыми соединениями.
Верхнее кольцо направляющего аппарата поворотнолопастных турбин отъемное и бетонируется только в случае, когда статор выполнен в виде отдельных колонн.
Регулирующее кольцо передает усилие от сервомоторов через систему рычагов одновременно ко всем лопаткам направляющего аппарата. В верхней части кольцо имеет одну или две проушины для пальцев цилиндрических шарниров, соединяющих его с сервомоторами. В нижней части кольца расположены проушины для шарниров серег. По условиям транспортирования регулирующее кольцо изготовляется из нескольких частей, соединяемых между собой болтами.
Полость опоры регулирующего кольца для уменьшения усилия сервомоторов при поворотах регулирующего кольца заливается маслом.
