Для обеспечения нормальной и надежной работы гидротурбин применяются вспомогательные механизмы, располагаемые обычно непосредственно в блоке гидроагрегата: оборудование масляной системы, устройства системы водяной смазки, дренажные устройства, клапаны срыва вакуума, холостые выпуски, затворы перед турбинами и различная измерительная аппаратура.
Оборудование масляной системы турбин включает насосы для откачки протечек масла из сервомоторов направляющего аппарата и полостей сервомоторов при опорожнении системы регулирования (лекажные агрегаты), а в турбинах с масляной смазкой подшипников—также насосы для подачи масла в подшипник и для откачки отработанного масла, охладители масла и масляные фильтры при замкнутой системе смазки.
В турбинах с водяной смазкой для очистки воды, подаваемой в подшипники, от взвешенных насосов применяются специальные водяные фильтры, устанавливаемые на подводящих трубопроводах.
Дренажные устройства предназначены для откачки воды, проникающей в крышку турбины через неплотности соединений крышки и деталей направляющего аппарата. Основным механизмом для откачки воды является центробежный насос, автоматически включающийся при достижении предельного уровня воды в крышке и не требующий заливки при пуске. В качестве резерва для откачки часто применяются эжекторы, устанавливаемые в крышке турбины. Спуск воды из спиральной камеры и водовода при ремонтах и осмотрах их производится через спускной клапан, располагаемый в наиболее низком месте водовода.
Клапаны срыва вакуума. При быстром сбросе нагрузки работающим гидроагрегатом и закрытии при этом направляющего аппарата в проточной части турбины за рабочим колесом возникает вакуум, так как вода по инерции уходит в нижний бьеф. Затем вследствие созданного под рабочим колесом вакуума вода обратной волной устремляется из нижнего бьефа к рабочему колесу и вызывает гидравлический удар, сила которого может оказаться весьма значительной, способной подбросить ротор агрегата и привести к серьезным разрушениям турбины и генератора. Основным мероприятием, предупреждающим возникновение гидравлического удара в турбине, является установка на крышке турбины клапанов срыва вакуума.
Одна из конструкций клапана срыва вакуума приведена на рис. 3-24. Корпус клапана 1 закрепляется на крышке турбины. Внутри корпуса размещен цилиндр 2, отжимаемый вверх на закрытие пружиной 3. В нижней части цилиндра закреплен шток 4 с тарелкой клапана 5 на конце его. Внутри цилиндра, заполненного маслом, вставлен поршень 6 со штоком 7, проходящим вверх через крышку клапана 8. На конце штока размещен ролик 9, упирающийся в клин 10 и закрепленный на регулирующем кольце направляющего аппарата. Поршень с роликом поднимается вверх пружиной 11. В дне поршня имеется дросселирующая пробка 12 и обратный клапан 13, прижимаемый к дну пружиной 14. Смазка втулок производится текалемитными масленками 15.
Полость клапана над цилиндром всегда соединена с атмосферой дросселем 16, а полость под цилиндром — отверстием 17. Впуск воздуха в полость рабочего колеса происходит через окна 18.
На рис. 3-24 клапан изображен в закрытом положении. При быстром сбросе нагрузки и закрытии вследствие этого направляющего аппарата клин нажимает на ролик, поршень резко опускается вниз и давлением через масло, находящееся под поршнем, опускает вниз цилиндр, а вместе с ним и тарелку клапана. При этом воздух устремляется в камеру рабочего колеса. Тем временем масло под действием давления под поршнем, образованного силой пружины, медленно перетекает через дроссельное отверстие в область над поршнем, цилиндр поднимается вверх и постепенно закрывает клапан.
Время закрытия клапана зависит от величины дроссельного отверстия и вязкости масла. Диаметр отверстая подбирается во время заводских испытаний клапана опытным путем.
При медленном изменении нагрузки происходит перепуск масла через дроссельное отверстие и клапан при этом не открывается.
Холостой выпуск представляет собой специальный клапан, устанавливаемый у входа в спиральную камеру высоконапорных радиально-осевых гидротурбин и предназначенный для ограничения повышения давления в напорном трубопроводе путем сброса части воды помимо турбины.
При быстрых сбросах нагрузки холостой выпуск открывается, сбрасывая воду из трубопровода, и затем постепенно закрывается, что предотвращает повышение давления в трубопроводе от гидравлического удара.
Холостой выпуск снабжается масляным катарактом, который обеспечивает открытие клапана выпуска только при быстрых сбросах нагрузки, когда возможно существенное повышение давления. При медленном изменении нагрузки агрегата катаракт неподвижен и холостой выпуск не открывается.
На рис. 3-25 показана одна из конструкций холостого выпуска с гидравлическим приводом. Колено холостого выпуска 1 фланцем входного патрубка крепится к спиральной камере. В верхней части колеса имеется цилиндр, в котором расположен поршень 2 вспомогательного водяного сервомотора, закрепленный на штоке 3. Выше на штоке расположен поршень 4 масляного сервомотора. Снизу на том же штоке закреплен конический клапан 5. Шток направляется втулками 6. Снизу к колену присоединен корпус клапана 7 и выходной патрубок 8. Рядом с масляным сервомотором расположен его золотник 9, игла которого передачей 10 связана с катарактом 11.
В случае сброса нагрузки и быстрого закрытия направляющего аппарата сработает катаракт холостого выпуска и переместит иглу его золотника вниз. При этом нижняя полость цилиндра масляного сервомотора соединится со сливным резервуаром и давление в этой полости упадет. Вследствие отсутствия давления под поршнем масляного сервомотора и того, что диаметр поршня вспомогательного водяного сервомотора меньше диаметра клапана, холостой выпуск откроется. В дальнейшем под действием катаракта и обратной связи от поршня масляного сервомотора золотник переместится вверх и соединит нижнюю полость цилиндра сервомотора с напорным трубопроводом от котла маслонапорной установки. Давлением на поршень масляного сервомотора создастся усилие вверх, и клапан будет закрываться.
Следовательно, положение клапана холостого выпуска зависит от действующих на него сил. В закрытом положении сумма усилий поршня масляного сервомотора и поршня вспомогательного водяного сервомотора больше давления на клапан. При открытом клапане, когда усилие поршня масляного сервомотора отсутствует, давление на клапан больше усилия, создаваемого поршнем вспомогательного сервомотора.
Рис. 3-25. Холостой выпуск.
Особенностью привода конструкции холостого выпуска является наличие кулачка 12, профиль которого обеспечивает программное перемещение клапана, дающее наивыгоднейшее соотношение между повышением давления в спиральной камере турбины и скоростью вращения агрегата.
Затворы на напорных трубопроводах устанавливаются перед турбинами. Для крупных гидротурбин наибольшее распространение получили дисковые и шаровые затворы. При очень высоких напорах, иногда применяются игольчатые затворы.
Наиболее простым по конструкции является дисковый затвор (рис. 3-26,а), состоящий из корпуса 1, внутри которого на валу поворачивается диск затвора 2 чечевицеобразного сечения. Поворот диска осуществляется гидравлическим приводом (сервомотором). Перед началом открытия затвора спиральная камера турбины заполняется водой через обводной трубопровод небольшого диаметра (байпас) 3. Дисковые затворы применяются для напоров до 200—250 м и выполняются диаметром до 7—8 м.
Шаровой затвор (рис. 3-26,б) состоит из корпуса 1 и шарового ротора 2, внутренний диаметр которого равен диаметру трубопровода. Поворот ротора на 90° осуществляется с помощью сервомотора. Конструкция шарового затвора сложнее дискового. Изготовляются эти затворы диаметром до 3 м и применяются для высоких напоров.
Рис. 3-26. Схемы турбинных затворов.
а — дисковый затвор; б — шаровой затвор; в — игольчатый зат вор
Дисковые и шаровые затворы работают нормально только при полных открытиях. В промежуточных положениях они плохо обтекаемы и вызывают большие возмущения потока.
Игольчатый затвор (рис. 3-26,в) состоит из корпуса 1, внутри которого расположен обтекатель 2, соединенный с корпусом ребрами. В обтекателе помещен подвижной плунжер 3, который, перемещаясь, открывает или закрывает отверстие трубопровода. Перемещение плунжера осуществляется давлением воды в камере А или Б. Игольчатый затвор обладает хорошими гидравлическими качествами, надежно уплотняемая, легко управляется и может работать при частичных открытиях. Недостатком его являются конструктивная сложность, большие габариты и вес, а также высокая стоимость.
