Конструкції системи напрямних апаратів

Конструкція напрямного апарату з поворотними лопатками розроблена уперше проф. Фінком в 80-х роках XIX ст. і відтоді знайшла широке застосування у реактивних гідротурбінах. Головними перевагами цього апарату є плавне регулювання витрати і потужності від нуля до максимуму; осесиметричне підведення потоку до робочого колеса із мінімальними втратами енергії; створення необхідної циркуляції потоку перед робочим колесом і замикання потоку у закритому положенні, що дозволяє відмовитися від спеціальних затворів перед турбіною.

За напрямом потоку і розташуванням лопатей напрямні апарати позділяють на радіальні, конічні і осьові.

У радіальних апаратах потік спрямований по радіусу до центру турбіни; у конічних - похило до осі турбіни; у осьових - паралельно осі турбіни. Осі лопатей радіальних апаратів розташовані паралельно осі турбіни по твірних циліндра; осі лопатей конічних апаратів розташовані твірних конуса; осьових апаратів - перпендикулярно до осі турбіни, по радіусах.

Конструкція сучасного радіального напрямного апарату показана на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Напрямний апарат турбіни ГЕС Джердап:

а – розріз; б – план

Основними визначальними розмірами і параметрами напрямного апарату є: D₀ - діаметр окружності розташування осей напрямних лопатей, b₀ - висота напрямного апарату; а₀ - відкриття напрямного апарату, що вимірюється як діаметр найменшого кола, вписаного у просвіт між лопатками (відстань у світлі); z₀ - кількість напрямних лопатей. Залежність між відкриттям а₀ і витратою через турбіну Q=f(а₀) визначається за універсальною характеристикою.

Поворот лопатей на один і той же кут α виконується механізмом приводу. При цьому досягаються однакові відкриття а₀ між усіма лопатками, що забезпечує осесиметричне підведення потоку до робочого колеса турбіни і спокійну роботу колеса.

За розташуванням механізмів приводу напрямні апарати можуть бути виконані з винесеним у шахту турбіни приводом (рис. 5.1) і з внутрішнім приводом, що знаходиться у проточному тракті турбіни.

Основні деталі напрямного апарату із зовнішнім приводом можна розділити на наступні підгрупи: 1) апарат лопаті, що складається із лопатей 3, їх опорних підшипників, виконаних у вигляді втулок 1, 5 і 7, і корпусу 6; 2) стаціонарні елементи - нижнє 2 і верхнє 8 кільця напрямного апарату, кришка 4 турбіни з приставкою 22, опора опора п'яти 20; 3) механізм приводу, що складається із важелів 9 і накладок 13, сполучених зрізними пальцями 14, шпонок 12 і пальців 15; серг 16, оснащених стяжками 17, що дозволяють добитися одночасного закриття усіх лопатей, регулюючого кільця 18, установленого в опорі 21, і серводвигунів 19. Підвішуються лопаті на важелях за допомогою болтів 11 і шайб 10.

Запобіжний пристрій у системі приводу служить для того, щоб при застряганні твердих предметів між лопатками зруйнувалися тільки відповідні зрізні пальці 14, а застопорені лопаті залишилися у відкритому стані, і не впливали на положення інших. При цьому накладки вільно обертаються відносно важелів, залишаючись пов'язаними із сергами і регулюючим кільцем. Для обмеження повороту лопатей, що звільнилися, установлюють упори 28 на важелі і накладки 27 і на нижньому кільці 2 (рис. 5.1, б). Для щільного закриття лопатей після їх стикання, серводвигуну на затягування апарату дається додатковий хід, який можливий внаслідок ущільнення окремих зазорів і пружної деформації ланок механізму. Зазвичай цей хід приймають рівним S_зтг=0,001·D₁.

Для того, щоб у зупиненій на тривалій термін турбіні зняти тиск масла у серводвигунах, утримати лопаті у щільно затягнутому стані, застосовується стопор (рис. 5.1), що є накидним болтом 24, на який нагвинчує гайка 25. При повороті болта на пальці 23 гайка входить за захвати 26 затягнутого серводвигуном регулюючого кільця і щільно загвинчується вручну.

У конічному напрямному апараті осі лопатей розташовані по твірних конуса з вершиною на осі z. Біля вершини кут конуса приймається q=45÷60°. Перо лопаті також має конусоподібну форму. Профіль перерізу пера від основи поступово зменшується до вершини. Прилеглі кромки лопатей розташовуються по твірних конусів, що мають загальну вершину із твірними лопатей. Цим досягається можливість зімкнення кромок і щільного замикання лопатей у закритому положенні. Осьовий напрямний апарат є частковим випадкою конічного (при q=90°), і застосовується у прямоточних і напівпрямоточних турбінах. Конструктивно він аналогічний конічному апарату і має такі ж основні розміри. Лопаті цих апаратів мають перо, побудоване так само, як у конічному апараті. Застосовується цей апарат тільки із зовнішнім приводом напрямних лопатей.

Величина зазорів по торцях лопатей і прилеглих кромках у закритому положенні в усіх системах напрямних апаратів має велике значення. Від цієї величини залежать протікання через турбіну у зупиненому стані, які при регулюванні стоку, коли воду запасають для покриття піків навантаження в енергосистемі, рівносильні втратам запасів енергії. За технологічними можливостями при звичайній доброякісній механічній обробці і складанні у радіальних і конічних апаратах зазор по торцях лопатей складає δ=(0,0002÷0,00003)·D₁. Зазори по прилеглих кромках лопатей коливаються в межах від 0,1 до 0,2 мм. Щоб забезпечити такі зазори, часто доводиться припилювати або шліфувати кромки лопатей при складанні.

Для зменшення протікань через закритий напрямний апарат у радіальних апаратах до напорів Н=100 м зазвичай застосовують еластичні ущільнення напрямних лопатей (рис. 5.2). Їх встановлюють у верхньому кільці (кришці турбіни) і нижньому кільці по колу проти торців лопатей і на лопатях 1, по лінії зімкнення кромок. Для ущільнень найчастіше застосовують гумові шнури 5 спеціального профілю, рідше - мідь, дерево у касетах; перспективне застосування пластмас. Шнур заздалегідь здавлюють, щоб закласти його у глухий паз 6 (рис 5.2, а). У паз 2 шнур укладають недеформованим і затискають планкою 3, прикріпленою гвинтами (рис. 5.2, б). Деформовані шнури при багатократних стисканнях лопатками і від ударів твердими тілами, що пливуть в потоці, іноді випадають із пазів. Нестійкість шнурів збільшується при підвищених напорах. Притиснуті планками і гвинтами шнури працюють надійно, проте конструкція ущільнення при цьому ускладнюється. При напорах понад 150 м еластичні ущільнення малонадійні, і їх зазвичай не застосовують.

Рис. 5.2. Ущільнення лопатей напрямного апарата

Послідовність монтажу і демонтажу напрямного апарату визначається конструкцією його стаціонарних деталей. У звичайній конструкції за наявності кришки турбіни або верхнього кільця, укріплених на статорі, лопаті збирають на нижньому кільці, після чого на них опускають кришку або верхнє кільце і встановлюють підшипники на верхніх цапфах. Розбирання ведеться у зворотному порядку, і при цьому для знімання кришки і виймання лопатей потрібно демонтувати генератор агрегату, а отже, його зупинка на тривалий термін. Це вимагає великих трудових витрат. Проте у радіальноосьових турбінах і поворотнолопатевих до D₁=4,5 м виймати лопаті потрібно дуже рідко, тому у них застосовують тільки цю просту і надійну конструкцію напрямного апарату.

У великих поворотнолопатевих турбінах із незйомним верхнім кільцем напрямного апарату або цим же кільцем, об'єднаним із статором, необхідно робити установку і виїмку лопатей окремо через це кільце. Така конструкція була запропонована Н. Н. Ковальовим і застосована на Рибінській ГЕС. У ній верхнє кільце виконане із фігурними отворами, закритими знизу накладками, а згори ромбічними фланцями підшипників лопатей. При цьому кільце виходить масивним і розвиненим по ширині, а кріплення накладок здійснюється гвинтами або гужонами, голівки яких висвердлюють при зніманні накладок. Крім того, для виїмки лопатей потрібна достатня висота шахти h_ш.

У багатьох великих поворотнолопатевих турбінах застосовується так звана нижня виїмка лопатей через спіральну камеру, що застосовується як при зйомному, так і незйомному верхньому кільці. Така конструкція дозволяє демонтувати лопаті при встановленому кільці і знятих підшипнику лопаті, важелі і деталях приводу.