2.3. Діагональні гідротурбіни

Діагональні робочі колеса із жорстко закріпленими лопатями були розроблені чеським інженером Ловачеком на початку XX ст., проте їх робоча характеристика була такою ж крутою і вузькою, як у пропелерних осьових турбін, тому широкого застосування вони не отримали. У 1950 р. професором В. С. Квятковским була запропонована діагональна гідротурбіна із поворотними лопатями. У 1952 р. на діагональну поворотнолопатеву турбіну із пріоритетом теж від 1950 р. у низці країн за кордоном був узятий патент П. Дериацем. Діагональні турбіни цієї системи мають ту ж пологу робочу характеристику, що й осьові поворотнолопатеві турбіни, але перевершують їх за кавітаційними якостями і тому застосовуються при більш високих напорах, де мають переваги і по к.к.д.

У порівнянні із радіально-осьовими турбінами вони є більш швидкохідними, перевершують їх по середньозваженому к.к.д., але поступаються за максимальними значеннями к.к.д. і кавітаційними якостями. Це системи, що дозволяють використати переваги поворотнолопатевих турбін при підвищених напорах. Крім того, маючи хороші властивості у оборотному режимі, вони використовуються як насос-турбин для ГАЕС. Ці їх властивості пояснюються деякими конструктивними особливостями і умовами перетворення енергії потоку.

У діагональних турбінах може бути застосований як конічний, так і звичайний радіальний напрямний апарат із вертикальним розташуванням осей лопатей. Енергетичні якості при конічному і радіальному апаратах залишаються практично однаковими. Тільки при малій потужності незначне підвищення к.к.д. дає конічний напрямний апарат. У виготовленні радіальний апарат простіший, трудовитрати на одиницю маси у ньому менші.

Швидкохідність діагональних турбін і сфера їх застосування при різних напорах значною мірою залежить від конструкції і форми проточної частини турбіни. При цьому при заданому діаметрі D₁ вирішальну роль відіграють висота напрямного апарату b₀, довжина лопаті l_л, ширина лопаті b_л; кут нахилу лопатей ; число лопатей z; їх товщина δ; густина решітки l_л / l_ш, яка збільшується від периферії до ступиці; діаметр горловини відсмоктувальної труби D_гор; діаметр ступиці d_ст. Вплив цих елементів аналогічний їх впливу в осьових і радіально-осьових турбінах. Збільшення b₀, l_л, ; D_гор, зменшення l_л / l_ш і d_ст веде до збільшення пропускної спроможності , швидкохідності n_s і коефіцієнта кавітації σ і навпаки. Проте, у діагональних турбінах є великі можливості варіювати ці параметри, якщо змінювати кут . Застосовуються три значення кута : 30, 45 і 60°, причому  = 30° відповідає тихохідним, а  = 60° - швидкохідним турбінам. Найбільше застосування при середніх і підвищених напорах знайшли робочі колеса з  = 45°.

Поворот потоку у діагональній турбіні відбувається як перед робочим колесом (частково), так і на виході із нього, а прохідні перерізи у межах колеса (у турбінному режимі) поступово зменшуються.

Велике значення в діагональних турбінах має зазор δ між зовнішніми кромками лопатей і поверхнею камери робочогоа колеса. Збільшення цього зазора у діагональних турбінах призводить до пониження к.к.д., потужності і збільшенню коефіцієнта кавітації σ більшою мірою, ніж в осьових турбінах.

На рис. 2.4 показана конструкція потужної сучасної діагональної турбіни потужністю 220 МВт, спроектованої і виготовленої ЛМЗ для Зейської ГЕС.

Рис. 2.4. Діагональна турдіна Д 45 Зейської ГЕС

Зварні спіральна металева камера 19 із круглими перерізами і статор 3, виконані так само, як і у токтогульских гідротурбінах, з м'якими прокладками на верхній поверхні спіральної камери. Як у більшості діагональних турбін, застосований радіальний напрямний апарат із звичайними лопатками 21. Нижня опора лопатей розташована у нижньому кільці 22 напрямного апарату, дві верхні - у корпусах 5 підшипників, встановлених у кришці 4 турбіни. Передбачено проміжне кільце 6. Це дозволяє досягти мінімальних торцевих зазорів. Опора 16 п'ят установлена на кришці турбіни, тому осьова сила через кришку турбіни передається на статор. Така конструкція у діагональних турбінах застосована уперше. Кришка турбіни, нижнє кільце напрямного апарату, опора п'яти, регулююче кільце виконані зварними із прокату МСт3 і складаються з окремих секторів, скріплених болтами і штифтами.

Привід лопатей складається з важелів 18 із зрізними пальцями, серг 9 із стягуваннями і регулюючого кільця 17 коробчатого перерізу. Здвоєні серводвигуни 10 встановлені на опорі підп'ятника і пов'язані із пальцями регулюючого кільця за допомогою куліси і каменя 11. Усі вузли тертя напрямного апарату забезпечені вкладишами із наповненого фторопласту, що не вимагають мастила.

Єдиний тонкостінний зварно-кований вал 13 агрегата з’єднаний із робочим колесом 20 і ротором генератора фланцями. Звичайний підшипник 14 турбіни на водяній змазці з обгумованими сегментами установлений на основі опори підп'ятника, що дозволило підняти корпус підшипника вище рівня кришки турбіни і поєднати із нею корпус робочого колеса. Центрується підшипник віджимними болтами.

Робоче колесо містить десять розташованих під кутом 45° до осі турбіни лопатей 23, відлитих із нержавіючої сталі 0Х12НДЛ. Механізм повороту 8 лопатей виконаний із здвоєним диференціальним серводвигуном, що створює великі зусилля при ході поршнів вгору - на відкриття лопатей - і менші при ході вниз - на закриття. Його застосування доцільне тому, що гідравлічний момент, що діє на закриття лопаті більший, ніж гідравлічний момент на відкриття.

Камера 7 робочого колеса зварна, сферична, омивається водою, поверхня її виконана із нержавіючої сталі. Діаметр горловини прийнятий близьким до діаметру робочого колеса D_гор=0,996·D₁, а перехід до відсмоктувальної труби 1 виконаний у вигляді циліндричного пояса із розташованою за ним кільцевою камерою, для підведення повітря у компенсаторному режимі. Камера сполучена із компресорною установкою трубопроводом 2. Масло до робочого колеса подається через маслоприймач по штангах 12, які центруються усередині валу дисковою опорою 15, привареною до них посередині прольоту.