АВТОМАТ БЕЗОПАСНОСТИ Российский патент 1994 года по МПК F01D21/02 

Изобретение относится к средствам автоматизации турбин, более конкретно, к средствам автоматической защиты ротативных машин, в частности турбин, при разгоне ротора сверх номинальной частоты.

Известен автомат безопасности, в состав которого входят предельный регулятор частоты вращения, так называемый регулятор безопасности, и быстрозапорное устройство в виде стопорного клапана, прекращающего доступ рабочего тела или топлива в турбину. Регулятор безопасности выполняется чаще всего как пружинный регулятор стержневого или кольцевого типа, встроенный в вал турбины. Регулятор стержневого типа содержит цилиндрический стержень, который посредством пружины контактирует одним концом с валом турбины, а другим под действием центробежной силы соприкасается с рычагом передаточного механизма и вызывает быстрое закрытие стопорного клапана. Регулятор кольцевого типа выполняется в виде кольцевого бойка, наружная поверхность которого выполнена концентричной относительно поверхности вала, а внутренняя поверхность входит в контакт с валом и бойком. При достижении предельной частоты вращения центробежная сила бойка преодолевает усилие упругого элемента, а боек смещается в радиальном направлении, воздействуя на рычаги системы защиты, и посредством передаточного механизма вызывает быстрое закрытие стопорного клапана. Стопорный клапан располагается вне проточной части турбины, т. е. в подводящем рабочее тело патрубке. Такая конструктивная схема автомата безопасности не исключает дальнейшего повышения частоты вращения при полностью закрытом стопорном клапане, так как внутри проточной части (например, турбины) имеются аккумуляторы рабочего тела. Кроме этого, наличие стопорного клапана в подводящем патрубке увеличивает сопротивление и потери энергии.

Цель изобретения - повышение эффективности защиты турбины или ротативной машины от разгона за счет ликвидации аккумуляторов потенциально активного рабочего тела с проточной части рабочих органов.

Сущность предлагаемого автомата безопасности состоит в реализации быстродействующей автоматической защиты, способной предотвратить аварию при увеличении частоты вращения ротора (например, турбины) выше номинальной в момент резкого сброса нагрузки или отсутствия ее вообще. В этом случае быстрозапорное устройство отсекает подачу рабочего тела непосредственно в проточной части турбины, перекрывая своими рабочими элементами проходное сечение непосредственно перед сопловыми или за рабочими лопатками, тем самым ликвидируя аккумуляторы потенциально активного рабочего тела в проточной части рабочих органов, способствуя остановке ротора в момент срабатывания автомата безопасности. Быстрозапорное устройство выполнено в виде кольцевой плоской наборной диафрагмы, состоящей из отдельных запорных сегментов с возможностью их радиального и окружного перемещения. Расположение кольцевой наборной диафрагмы фиксируется прижимным подвижным кольцом, снабженным стопорным пазом и неподвижным прижимным кольцом. Радиальное и окружное перемещение запорных органов достигается за счет фиксации противоположных в окружном направлении концов запорных сегментов с одной стороны на поверхности прижимного подвижного кольца, а с другой стороны - на поверхности неподвижного прижимного кольца. Радиальное перемещение запорных сегментов ограничено по радиусу кольцевой проточкой в корпусе турбины и стопорным пазом быстрозапорного устройства. Быстрозапорное устройство снабжено также механизмом взвода, содержащим плоскую пружину, жестко соединенную с фиксатором и рукояткой или маховиком и кинематически связанную с прижимным подвижным кольцом.

Отличительными признаками в заявляемом решении являются: расположение быстрозапорного устройства в проточной части турбины непосредственно перед сопловыми или за рабочими лопатками; быстрозапорное устройство представляет собой кольцевую наборную диафрагму, запорные сегменты которой обладают возможностью радиального и окружного перемещения; кольцевая наборная диафрагма выполнена в виде разъемных запорных сегментов, объединенных неподвижным с одной стороны и подвижным с другой прижимными кольцами; механизм взвода быстрозапорного устройства содержит плоскую пружину, жестко соединенную с фиксатором и рукояткой или маховиком. Механизм взвода кинематически связан с прижимным подвижным кольцом наборной диафрагмы быстрозапорного устройства.

Автору неизвестно техническое решение автомата безопасности турбины или ротативной машины с указанной совокупностью признаков, что позволяет предполагать соответствие предлагаемого изобретения критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 изображена схематично конструкция автомата безопасности, встроенного в корпусе турбины; на фиг. 2 представлено сечение А-А на фиг. 1 при открытом проходном сечении проточной части; на фиг. 3 - то же, при закрытом проходном сечении; на фиг. 4 представлена конструкция подвижного прижимного кольца; на фиг. 5 - сечение Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 показан запорный сегмент; на фиг. 7 - сечение В-В на фиг. 6.

Автомат безопасности состоит из предельного регулятора частоты вращения стержневого типа и быстрозапорного устройства. Предельный регулятор 1 частоты вращения установлен на валу 2 турбины и содержит боек 3, пружину 4, стопорный регулирующий винт 5. Быстрозапорное устройство состоит из стопорного механизма 6 и кольцевой плоской наборной диафрагмы 7. Стопорный механизм 6 закреплен на неподвижной поверхности диска 8 соплового аппарата 9, установлен в корпусе 10 турбины и снабжен бойком 11, пружиной 12, упорным винтом 13, стопорным роликом 14, связанным жестко с бойком 11 посредством винта 15. Для синхронного перемещения бойка 11 и стопорного ролика 14 в корпусе стопорного механизма 6 предусмотрено щелевое отверстие 16, которое со стороны стопорного ролика 14 перекрывается шайбой 17. Кольцевая плоская наборная диафрагма 7 содержит прижимное подвижное кольцо 18, имеющее на внешней своей стороне стопорный паз 19, а внутренней поверхностью контактирующая с запорными сегментами 20 и 21. Запорные сегменты 20 и 21, расположенные между прижимным подвижным кольцом 18 и неподвижным прижимным кольцом 23, закрепленным жестко в крышке 22 корпуса 10 турбины, снабжены фиксирующими шипами 24 и 25. Каждый запорный сегмент 20 или 21 имеет два фиксирующих щипа 24, 25, расположенных по краям сегмента и связывающих один край запорного сегмента 20 или 21 с прижимным подвижным кольцом 18, а другой противоположный край сегмента - с неподвижным кольцом 23. Прижимное подвижное кольцо 18 посредством вала и стопорной гайки рукоятки или головки маховика 26 связано с механизмом взвода автомата безопасности, который снабжен плоской пружиной 27 с фиксатором 28. Плоская пружина 27 одним концом жестко соединена с фиксатором 28, установленным в неподвижном прижимном кольце 23 или крышке корпуса 22 турбины, а другим концом - с рукояткой или головкой маховика 26. Для уменьшения трения между подвижными и неподвижными поверхностями автомата безопасности предусмотрены технологические зазоры.

Автомат безопасности работает следующим образом.

При подводе рабочего тела из входного патрубка 29 в проточную часть рабочий аппарат 30 совместно с диском 31 и предельным регулятором 1 частоты вращения, насаженным на вал 2 и связанным шпонкой 32 и гайкой 33, приходят во вращательное движение. Частота вращения вала 2 и ротора турбины в целом достигает номинальной или расчетной в зависимости от заложенной программы работы турбины как двигателя при конкретной номинальной или расчетной нагрузке. При частоте вращения вала 2 турбины меньше или равной номинальной быстрозапорное устройство автомата безопасности не работает. В случае разгона турбины с превышением номинальной частоты вращения (например, при резком сбросе нагрузки или холостых оборотах) под действием центробежных сил, которые в этом случае превышают силу жесткости пружины 4, боек 3 предельного регулятора 1 частоты вращения перемещается в свое крайнее положение, выдвигаясь своим рабочим органом за пределы корпуса регулятора 1, и, таким образом, передает ударный силовой импульс через боек 11 стопорному механизму 6. Боек 11 в результате силового воздействия преодолевает сопротивление пружины 12 и перемещается вместе со стопорным роликом 14 в радиальном направлении в пределах длины щелевого отверстия 16. Таким образом, стопорный ролик 14 выводится из своего фиксированного положения, находясь в стопорном пазу 19 прижимного подвижного кольца 18. Находясь в напряженном состоянии под воздействием энергии сжатой плоской пружины 27 механизма взвода автомата безопасности, подвижное кольцо 18, освободившись от воздействия стопорного ролика 14, мгновенно перемещается в окружном направлении, приводя в движение запорные сегменты 20 и 21. Рабочие поверхности запорных сегментов 20 и 21, выдвигаясь под действием крутящего момента, возникающего в каждом запорном сегменте 20 или 21 в результате их закрепления фиксирующими шипами 24 и 25 на подвижном 18 и неподвижном 23 прижимных кольцах, перемещаются в радиальном и окружном направлениях, перекрывая проходное сечение турбины и фиксируясь в корпусе турбины прижатием своей внешней части к поверхности кольцевой проточки 34. Проходное сечение перекрывается запорными сегментами 20 и 21 и подача рабочего тела в проточную часть турбины прекращается. Турбина останавливается: вращение вала отсутствует.

Для запуска турбины после срабатывания быстрозапорного устройства необходимо кольцевую наборную диафрагму 7 привести в первоначальное состояние, т. е. установить запорные сегменты 20 и 21 так, чтобы они освободили проточную часть (фиг. 2) турбины. Для этого необходимо небольшим вращением рукоятки или маховика 26 привести в рабочее состояние механизм взвода. Плоская пружина 27 приводится в рабочее деформированное состояние, т. е. сжимается. Одновременно приходит в движение прижимное подвижное кольцо 18, которое передает крутящий момент на запорные сегменты 20 и 21. Проточная часть турбины открывается полностью для прохода рабочего тела. С другой стороны, окружное перемещение прижимного кольца 18 способствует качению стопорного ролика 14 по окружному выступу прижимного кольца 18 до фиксации ролика 14 в стопорном пазу 19 под воздействием пружины 12 стопорного механизма. Дальнейшее перемещение всех подвижных деталей автомата безопасности прекращается. Турбина готова к работе на номинальных режимах или расчетных оборотах.

Использование: автоматическая защита турбин при разгоне ротора сверх номинальной частоты. Сущность изобретения: быстрозапорное устройство выполнено в виде плоской наборной диафрагмы. Диафрагма имеет прижимное подвижное кольцо со стопорным пазом, прижимное неподвижное кольцо и отдельные запорные сегменты. Концы сегментов закреплены на поверхностях прижимных подвижного и неподвижного колец. Стопорный механизм стопорным роликом, жестко связанным со стопорным бойком и стопорным пазом. Механизм взвода содержит плоскую пружину с фиксатором. 2 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. АВТОМАТ БЕЗОПАСНОСТИ, содержащий предельный регулятор частоты вращения, расположенный на валу турбины, быстрозапорное устройство с механизмом взвода, имеющим маховик и стопорный механизм, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности защиты турбины, быстрозапорное устройство выполнено в виде кольцевой плоской наборной диафрагмы, имеющей подвижное и неподвижное прижимные кольца и отдельные запорные сегменты, противоположные в окружном направлении концы которых закреплены с одной стороны на поверхности прижимного подвижного кольца, а с другой стороны - на поверхности неподвижного прижимного кольца для обеспечения возможности радиального и окружного перемещений сегментов. 2. Автомат по п. 1, отличающийся тем, что стопорный механизм выполнен в виде стопорного ролика, жестко связанного с ним стопорного бойка и стопорного паза, выполненного на прижимном подвижном кольце наборной диафрагмы быстрозапорного устройства. 3. Автомат по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что механизм взвода содержит плоскую пружину с фиксатором, связанную с маховиком и прижимным подвижным кольцом наборной диафрагмы.