УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОРЕГУЛИРОВАНИЯ МОМЕНТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РОТАТИВНОЙ МАШИНЫ Российский патент 1995 года по МПК G05D13/42 F01D21/02 

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности для регулирования моментных характеристик роторов ротативных машин, преимущественно крутящего момента на валу ротора.

Известны конструктивные решения, например, турбин (авт.св. N 55622, кл. F 01 D 5/14; авт. св. N 846771, кл. F 01 D 21/02), в которых при резком уменьшении нагрузки на валу ротора, предельная частота вращения ограничивается использованием специальных конструктивных элементов в проточной части двигателя, т.е. получением компенсирующего момента, создающего эффект торможения и имитирующий внешнюю нагрузку двигателя. Компенсирующий момент на валу ротора в этом случае получается за счет энергии самой рабочей среды двигателя и представляет собой фактически дополнительный крутящий момент, противоположно направленный основному крутящему моменту, развиваемому двигателем на валу ротора. Такие технические решения позволяют частично уменьшить предельную частоту вращения ротора и создать дополнительный нагрузочный момент для двигателя.

В отдельных ротативных машинах моментные характеристики роторов изменяются за счет регулирования мощности двигателей независимо от потребителя энергии. Такое регулирование возможно при непосредственном изменении располагаемой энергии или расхода рабочей среды, используемой в двигателе, и требует, в основном, сложной аппаратуры для автоматического регулирования и контроля, так как обычно двигатели при резком сбросе моментной нагрузки со стороны потребителя энергии, склонны к резкому увеличению оборотов, называемых угонными, при которых значительно увеличиваются динамические напряжения во вращающихся деталях, которые становятся источниками аварийных ситуаций.

Известно устройство для автоматической защиты турбины при уменьшении нагрузочного момента и резком увеличении оборотов ротора, содержащее датчик, выполненный в виде охватывающего вал двигателя и подпружиненного груза с центром тяжести, смещенным относительно оси вращения вала, и сервомотор стопорного клапана, импульсная линия которого подключена к датчику. С целью повышения надежности груз выполнен в виде рамки с двумя боковыми плоскими стенками, снабженными окнами, на валу снаружи выполнены плоские скосы, прилегающие к стенкам рамки, а внутри вала - каналы, подключенные к импульсной линии и взаимодействующие с окнами.

Недостатки приведенного устройства:
- значительное усложнение конструкции;
- повышенная стоимость изготовления;
- недостаточная надежность при переменных режимах.

Цель заявляемого изобретения - упрощение конструкции и повышение эффективности гидрорегулирования моментных характеристик ротативной машины за счет увеличения на валу дополнительного крутящего момента при расчетной и нерасчетной частоте вращения ротора.

Сущность предлагаемого устройства состоит в обеспечении возможности регулирования моментных характеристик ротативной машины в более широком диапазоне изменения режима ее работы с одновременным регулированием развиваемого крутящего момента на валу, за счет увеличения дополнительного крутящего момента на валу ротора при конструктивном упрощении узла его формирования. При этом увеличение дополнительного крутящего момента на валу ротора осуществляется как при совпадении его направления с направлением вращения вала, обусловленным основным крутящим моментом, развиваемым двигателем при частоте вращения ротора, не превышающей расчетных оборотов, так и при противоположном его направлении относительно направления вращения вала при режиме работы ротативной машины, при котором частота вращения ротора превышает расчетное значение.

Отличительными признаками в заявляемом решении являются:
- использование узла формирования дополнительного крутящего момента, выполненного в виде как минимум одного блока сопел, содержащего по меньшей мере одну пару диаметрально разнесенных сопел, которые снабжены соосными отверстиями для подвода жидкости и отсекателями потока, а выходные отверстия всех сопел сообщены с полостью корпуса;
- образование узла формирования дополнительного крутящего момента противоположно ориентированными блоками сопел, т.е. блоками сопел разгона и/или блоками сопел торможения;
- выполнение узла формирования дополнительного крутящего момента в виде совокупности функционально тождественных одиночных блоков, разнесенных в полости вала вращения вдоль его оси, причем оси сопел этих блоков расположены в плоскости поперечного сечения полого вала вращения.

Не известны технические решения устройства для гидрорегулирования моментных характеристик ротативной машины за счет получения дополнительного крутящего момента на валу с указанной совокупностью признаков, что позволяет предполагать соответствие предлагаемого изобретения критерию "существенные отличия".

Цель достигается тем, что в полом валу ротора ротативной машины, заполненном жидкостью, расположен узел формирования дополнительного крутящего момента, выполненного как минимум из одного блока сопел, содержащего по меньшей мере одну пару диаметрально разнесенных сопел, которые снабжены соосными отверстиями для подвода жидкости и отсекателями потока, а входные отверстия всех сопел сообщены с полостью корпуса. При вращении ротора жидкость, находящаяся в полом вале, под действием центробежных сил аккумулирует энергию, реакция истечения которой из полости сопла за пределы наружной поверхности вала используется в качестве гидрорегулирования моментных характеристик ротативной машины.

При увеличении оборотов и выходе двигателя ротативной машины на расчетный режим работы отсекатели потока каждого сопла, которое образует с диаметрально разнесенным соплом блок сопел разгона или блок сопел торможения, находятся в неподвижном состоянии, оставляя открытыми для течения жидкости проходные каналы сопел разгона и закрытыми проходные каналы сопел торможения. Неподвижное состояние отсекателей обуславливается тем, что при вращении ротора с частотой, не превышающей расчетного значения, центробежная сила массы отсекателя меньше силы, действующей на отсекатель со стороны упругой связи. Поток жидкости под действием центробежных сил устремляется из полости вала в канал сопла. Реакция вытекающей из сопла жидкости в этом случае создает дополнительный крутящий момент на валу ротора, совпадающий по направлению с основным крутящим моментом двигателя. Происходит разгон ротора. Величина дополнительного крутящего момента пропорциональна количеству функционально тождественных сопел, формирующих блок разгона, а также количеству функционально тождественных блоков сопел, которые могут быть установлены в полом валу и разнесены по его оси.

При увеличении частоты вращения ротора выше расчетного значения, отсекатели потока каждого сопла под действием центробежных сил, преодолевая сопротивление другой связи, занимают новое крайнее положение. Каналы сопел блока торможения или ряда функционально-тождественных блоков становятся открытыми для истечения жидкости, а входные части каналов сопел блока разгона оказываются закрытыми и течение жидкости в них прекращается. Дополнительный крутящий момент, создаваемый в этом случае реакцией истечения жидкости из каналов сопел блока торможения или совокупности блоков торможения, по направлению будет противоположным основному крутящему моменту, развиваемому ротативной машиной. В результате, суммарный крутящий момент на валу ротора уменьшается, а частота вращения ротора стабилизируется.

При уменьшении частоты вращения ротора ниже расчетного значения отсекатели потока под действием силы упругой связи занимают исходное положение. Обороты ротора стабилизируются и приходят в соответствие с расчетным режимом.

Использование данного устройства становится еще предпочтительнее, когда конструкция ротативной машины выполнена с применением вертикального вала. В этом случае полость корпуса, в которой размещен вал, частично заполняется жидкостью, что снижает гидравлические потери и повышает экономичность ротативной машины при гидрорегулировании ее моментных характеристик.

На фиг. 1 изображен схематично продольный разрез предлагаемого устройства; на фиг. 2 - вид по сечению Б-Б фиг. 1; на фиг. 3, 5, 7 - вид по сечению А-А фиг.1; на фиг. 4, 6, 8 - вид по сечению В-В фиг.1.

Вращение ротора отсутствует.

Устройство для гидрорегулирования моментных характеристик ротативной машины состоит из полого вала 1, заполненного жидкостью 2, и содержит узел 3 формирования дополнительного крутящего момента, выполненного в виде блока с соплами разгона 5 или с соплами торможения 6, отсекателями потока 7, упругими связями 8 с обечайками 9 и отверстиями 10. Полый вал 1 установлен в полости 11 корпуса 12, содержащем лабиринтно-винтовой насос 13, наружное уплотнение 14, сборник 15 высоконапорной жидкости и опускные трубы 16.

Устройство для гидрорегулирования моментных характеристик ротативной машины работает следующим образом.

При частоте вращения вала 1, не превышающей расчетную, отсекатель потока 7 под действием упругой связи 8 занимает исходное положение, перекрывая входную часть сопла торможения 6 и оставляя открытым канал сопла разгона 5 (фиг. 3,4). Жидкость 2 под действием центробежных сил аккумулирует энергию, которая расходуется на образование дополнительного крутящего момента на валу ротора в результате истечения жидкости 2 из блока 3 сопел разгона (фиг. 3). Отработанная жидкость выбрасывается в полость 11 корпуса 12. Дополнительный крутящий момент в этом случае суммируется с основным крутящим моментом, развиваемым ротативной машиной, так как оба крутящих момента на валу совпадают по направлению. Скапливающаяся жидкость 2 в полости 11 корпуса 12 лабиринтно-винтовым насосом 13 перекачивается в сборник 15, выполненный в виде кольцевого коллектора, и по опускным трубам 16 нагнетается в полость вала 1. Для предотвращения утечек жидкости корпус 12 снабжен наружным уплотнением 14.

При частоте вращения вала 1, превышающей расчетную, отсекатель потока 7 под действием центробежных сил преодолевает сопротивление упругой связи 8 и занимает новое крайнее положение, перекрывая при этом входную часть канала сопла разгона 5 (фиг.5). Жидкость 2 под действием центробежных сил устремляется в канал сопла торможения 6 (фиг.6), входная часть которого при перемещении отсекателя потока 7 становится свободной для течения жидкости. Реакция струи жидкости 2, покидающей сопло 6, создает дополнительный крутящий момент на валу 1, который противоположно направлен по отношению к основному крутящему моменту, создаваемому ротативной машиной, что приводит к торможению ротора, и частота вращения вала 1 стабилизируется. Отработанная жидкость из полости 11 корпуса 12 возвращается в полость вала 1 лабиринтно-винтовым насосом 13, т.е. аналогично предыдущему режиму - режиму разгона.

Увеличение дополнительного крутящего момента как в режиме разгона, так и в режиме торможения при использовании в одиночном блоке нескольких пар сопел (фиг. 7 или фиг. 8), а также за счет применения нескольких блоков сопел 4 (фиг.1), разнесенных по оси вала и образующих группу блоков сопел разгона и группу блоков сопел торможения. Принцип действия совокупности сопел остается идентичным.

Гидрорегулирование моментных характеристик ротативной машины, используемой в данном техническом решении, предназначено для защиты конструкции ротора от угонных оборотов и для стабилизации частоты вращения вала на расчетных и нерасчетных режимах его работы.

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для регулирования моментных характеристик роторов ротативных машин. С целью упрощения конструкции и повышения эффективности гидрорегулирования моментных характеристик ротора реактивной машины за счет увеличения на валу дополнительного крутящего момента при расчетной и нерасчетной частоте вращения ротора узел формирования дополнительного крутящего момента выполнен в виде по меньшей мере одного блока сопел торможения и/или одного блока сопел разгона, а каждый блок сопел состоит по меньшей мере из одной пары диаметрально разнесенных сопел, которые снабжены соосными отверстиями для подвода жидкости и отсекателями потока. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОРЕГУЛИРОВАНИЯ МОМЕНТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РОТАТИВНОЙ МАШИНЫ, содержащее корпус с полостью, в которой установлен полый вал вращения, заполненный жидкостью и снабженный узлом формирования дополнительного крутящего момента, отличающееся тем, что узел формирования дополнительного крутящего момента выполнен в виде расположенных в полом валу вращения по меньшей мере одного блока сопл разгона и/или одного блока сопл торможения, причем каждый из этих блоков содержит по меньшей мере одну пару диаметрально разнесенных сопл, которые снабжены соосными отверстиями для подвода жидкости и отсекателями потока, а выходные отверстия всех сопл сообщены с полостью корпуса. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блоки сопл разгона и блоки сопл торможения выполнены каждый в виде соответствующих тождественных блоков и разнесены вдоль оси полого вала вращения, причем оси сопл этих блоков расположены в плоскости поперечного сечения полого вала вращения.