Наиболее характерным узлом поворотно-лопастной турбины является ее рабочее колесо. Оно состоит из корпуса обтекаемой формы, соединенного болтами с валом, и лопастей, закрепленных в корпусе таким образом, что они могут все одновременно поворачиваться на некоторый угол вокруг своих осей, чем достигается их согласованное с открытием направляющего аппарата положение.
Геометрические размеры. На рисунке 2.3 приведены основные размеры проточной части поворотно-лопастной гидротурбины. Размер турбины указывается номинальным диаметром ее рабочего колеса D1, выраженным в сантиметрах. За номинальный диаметр D1 у осевых и диагональных поворотно-лопастных и пропеллерных турбин принимается диаметр окружности точек пересечения поверхности камеры рабочего колеса и осей лопастей.
Рисунок 2.3. Размеры проточной части поворотно-лопастных гидротурбин.
Механизм поворота лопастей. Для поворота лопастей необходимо преодолевать значительные моменты, связанные с обтеканием лопастей. Как правило, в рабочем колесе размещают сервомотор, поршень которого перемещается под давлением масла. Масло в сервомотор поступает от золотника через трубопроводы, маслоприемник и штанги, расположенные в центральном отверста вала. Обычные сервомоторы направляющего аппарата и рабочего колеса питает одна и та же маслонапорная установка.
Поступательное перемещение поршня через передаточный механизм вызывает поворот лопастей. В практике отечественного гидротурбостроения применяется в основном кривошипно-рычажный механизм. Механизм поворота лопастей должен обеспечить минимальные размеры втулки рабочего колеса. Уменьшение относительного размера корпуса повышает среднеэксплуатационный КПД, быстроходность и кавитационные качества колеса. Уменьшение втулочного отношения снижает массу рабочего колеса. Применяемый в отечественной практике кривошипно-рычажный механизм поворота обеспечивает минимальные втулочные отношения поворотно-лопастных рабочих колес, рисунок 2.4.
Раньше других появилась конструкция рабочего колеса, в которой поршень сервомотора штоком связан с крестовиной, передающей кривошипно-рычажными механизмами усилия для поворота лопастей. В дальнейшем было разработано несколько типов бескрестовинных рабочих колес, в которых поршень непосредственно через серьгу связан с рычагом лопасти. Бескрестовинные рабочие колеса упростили механизм поворота и снизили массу и трудоемкость их изготовления.
В рабочих колесах с шестью и более лопастями применяют наклонные серьги, что позволяет удлинить рычаг лопасти и, следовательно, увеличить крутящий момент на оси поворота лопасти. Удлинение рычага снижает нагрузки, действующие на все детали рабочего колеса, позволяя уменьшить их сечения и обеспечить размещение внутри корпуса, а также снижает усилия и моменты трения, поэтому длина рычага принимается максимально возможной для заданных втулочного отношения и углов разворота лопастей.
На рисунке 2.4 представлен кривошипно-шатунный механизм поворота лопастей с крестовиной. Механизм встраивается в корпус и состоит из привода и сервомотора, действующего под давлением масла.
Рисунок 2.4 Механизм поворота лопастей рабочего колеса
Действует механизм автоматически. При подаче масла под давлением в ту или другую полость сервомотора, поршень 2 перемещается внутри цилиндра 3, представляющего одно целое с корпусом, и перемещает жестко связанные с ним шток 1 и крестовину 8. Серьги 7, шарнирно связанные с крестовиной и рычагами 6, перемещают последние и поворачивают лопасти 5. Рычаги закреплены на цапфах лопасти шпонками и гайками 4. Цапфы лопастей установлены во втулках 9, выполненных из бронзы и запрессованных в корпусе 3. Лопасти от действия центробежной силы, которая стремится их выбросить из корпуса, удерживаются также рычагами, фланцы которых опираются на буртик наружной бронзовой втулки. Внутренняя полость корпуса заливается маслом, что предохраняет механизм от коррозии. Чтобы не вытекло масло и не попала бы в корпус вода, на фланцах лопастей устанавливают уплотнения 10. Снизу корпус закрывается днищем 11, а обтекаемая форма всей втулке придается обтекателем 12. Цилиндр сервомотора закрывается сверху крышкой, которая часто является также и фланцем вала.
Поворотом лопастей можно регулировать расход и мощность даже в том случае, если открытия направляющего аппарата не будут изменяться, как это выполнено в турбинах Томана—Каплана. Однако двойное регулирование одновременно и направляющим аппаратом, и рабочим колесом имеет ряд преимуществ, позволяя сохранить высокие к.п.д. в широком диапазоне мощностей и напоров.
Поворот лопастей связан с открытием лопаток направляющего аппарата, так называемой комбинаторной зависимостью. В общем виде эта зависимость может быть представлена как φ = f (а0, Н), где f есть некоторая функция. Однако выразить эту функцию аналитически не удается. Практически эта зависимость определяется опытным путем.
Поворот лопасти в соответствии с этой зависимостью задается автоматически специальным управляющим устройством, называемым комбинатором, который обычно устанавливается в колонке регулятора скорости, управляющего направляющим аппаратом. Функциональная связь параметров φ, а0, Н осуществляется специальным пространственным кулачком.