СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ НАПРАВЛЯЮЩИМ АППАРАТОМ МАЛОЙ ГИДРОТУРБИНЫ Российский патент 1996 года по МПК F03B15/06 

Изобретение относится к области производства малых гидротурбин, а более точно к системе автоматического управления направляющим аппаратом таких турбин, преимущественно тех из них, которые предназначены для работы в составе энергосистемы.

Для управления направляющим аппаратом гидротурбин, в том числе и малых, широко используются гидравлические системы с сервомотором в качестве исполнительного механизма. Однако такие системы имеют высокую стоимость, сопоставимую со стоимостью самой гидротурбины. Это снижает конкурентоспособность малых гидротурбин, для которых стоимость является одним из основных показателей, а возможности регулирования при работе в составе энергосистем не являются определяющим фактором.

Отдельные малые гидротурбины оснащаются ручным механизмом управления, но это возможно только в очень ограниченных условиях применения и сопряжено с большой вероятностью аварии гидротурбины.

Известны единичные электромеханические системы, обеспечивающие автоматическое управление направляющим аппаратом малой гидротурбины. К ним относится система автоматического управления самозакрывающимся подъемным цилиндрическим затвором для направляющего аппарата с неподвижными лопатками [1] Если такое средство регулирования расхода воды считать аналогом направляющего аппарата с управляемыми лопатками, то ее систему автоматического регулирования можно рассматривать как аналог настоящего изобретения.

Названная система содержит приводное устройство с механической передачей в виде пары ходового винта с гайкой, соединенной с одним концом рычажного механизма, с которым связан ведомый элемент управления самозакрывающимся направляющим аппаратом, электромагнит для выключения фиксирующего устройства в силовой цепи рычажного механизма, соединенный с выключателем блока защиты гидротурбины, и центробежное устройство для слежения за скоростью вращения гидротурбины.

В такой известной системе привод ручной и служит только для пуска и остановки гидротурбины, а управление расходом воды через гидротурбину в процессе работы осуществляется с помощью центробежного устройства. Это возможно только для гидротурбины, оснащенной направляющим аппаратом с неподвижными лопатками и подъемным цилиндрическим затвором, уравновешенным противовесом, при управлении которым не требуется преодолевать каких-либо существенных усилий. Для управления направляющим аппаратом с поворотными лопатками, который является наиболее эффективным средством регулирования расхода воды, такая известная система управления неприемлема из-за значительных усилий, действующих на лопатки направляющего аппарата. Кроме того, в описанной известной системе отсутствует возможность регулирования скорости закрытия направляющего аппарата, что может привести к гидравлическому удару и сопутствующим аварийным последствиям. Необходимо также отметить, что описанная известная система вследствие жесткой механической связи между цилиндрическим затвором и центробежным устройством обладает низкой надежностью из-за большой вероятности механических разрушений элементов этой связи при заклинивании цилиндрического затвора в результате попадания посторонних предметов.

Целью изобретения является создание такой системы управления, которая при использовании наиболее простых и дешевых, преимущественно электромеханических средств обеспечивала бы высокую надежность при управлении направляющим аппаратом с поворотными лопатками для малой гидротурбины.

Цель достигается в системе автоматического управления направляющим аппаратом малой гидротурбины, выполненной в соответствии с описанной общей концепцией ближайшего аналога, в которой, в соответствии с сущностью настоящего изобретения, приводное устройство выполнено в виде подключенного к блоку управления электродвигателя, а рычажный механизм выполнен в виде коромысла, ось качания которого соединена с ведомым элементом управления направляющим аппаратом, один конец которого соединен с гайкой ходового винта, а противоположный со штоком гидравлического демпфера через фиксирующее устройство. При этом центробежное устройство связано с выключателем блока защиты.

В системе управления согласно описанной основной сущности технического решения при нормальном рабочем положении фиксирующего устройства шток гидравлического демпфера выполняет функцию опоры коромысла, и при этом электродвигатель через ходовой винт управляет ведомым элементом управления направляющим аппаратом по сигналам от блока управления. Если подача управляющего сигнала на электродвигатель прекратится, ходовой винт, обладая самотормозящимся свойством, удерживает связанный с ним конец коромысла в неподвижном положении. Если в это же время возникнут какие-либо неисправности в работе гидроагрегата, произойдет выключение фиксирующего устройства и соответствующий конец коромысла освободится. При этом противоположный конец, являясь неподвижным, превратится в опору и произойдет самозакрытие направляющего аппарата. Однако, т.к. свободный конец коромысла в этот момент находится под действием гидравлического демпфера, самозакрытие направляющего аппарата будет происходить с заданной скоростью. Таким образом достигается решение поставленной задачи.

Для более простой реализации указанного режима закрытия направляющего аппарата предпочтительно, чтобы гидравлический демпфер был выполнен в виде гидроцилиндра с межполостным байпасным трубопроводом, в котором установлен регулируемый дроссель.

Для повышения степени надежности защиты гидротурбины от аварийных ситуаций целесообразно, чтобы электромагнит был выполнен с подпружиненным штоком, приводимым в действие при потере питания электромагнита. Это позволяет автоматически перевести направляющий аппарат в режим закрытия при обесточивании электрической системы.

На чертеже изображена схема системы автоматического управления направляющим аппаратом с поворотными лопатками для малой гидротурбины, предназначенной для работы в составе энергосистемы. При этом направляющий аппарат выполнен самозакрывающимся, что достигается широко известными средствами соответствующей компоновкой кинематической цепи от цапф поворотных лопаток к регулирующему кольцу или использованием противовеса. В изображенном на чертеже направляющем аппарате использован второй вариант.

Регулирующее кольцо 1 направляющего аппарата с помощью тяги 2 соединено с осью качания коромысла 3. Один конец 4 коромысла 3 соединен с гайкой ходового винта 5, которые вместе выполняют функцию самотормозящейся механической передачи 6 от приводного устройства в виде мотора-редуктора с асинхронным электродвигателем 7. Управление этим электродвигателем осуществляется от блока управления 8, который вместе с блоком защиты 9 выполнены в виде одного функционального модуля. К гайке ходового винта 5 прикреплен ползун 10, который может перемещаться в пределах расстояния между концевыми контактными выключателями 11, которые связаны с блоком управления 8.

Противоположный конец 12 коромысла 3 через тягу 13 соединен со штоком 14 гидравлического демпфера, выполненного в виде гидроцилиндра 15. Гидроцилиндр 15 оснащен межполостным трубопроводом 16, в котором установлен регулируемый дроссель 17, обеспечивающий настройку скорости перемещения штока 14.

Тяга 13 содержит ролик 18, с которым взаимодействует фиксирующее устройство, выполненное в виде поворотной скобы 19, удерживаемой в нормальном рабочем положении рычагом 20, который находится под действием пружины растяжения 21 и якоря электромагнита 22, обмотка питания которого связана с блоком защиты 9. Блок защиты 9, кроме других назначенных проектировщиков элементов, содержит контактный выключатель 23, якорь которого подпружинен и взаимодействует с защелкой 24 рычажного механизма 25, который в свою очередь взаимодействует с центробежным устройством 26 для слежения за скоростью вращения гидротурбины.

К регулирующему кольцу 1 со стороны противоположной тяги 2 присоединен противовес 27, который, как об этом было указано выше, обеспечивает самозакрытие направляющего аппарата.

Описанный пример является одним из возможных в пределах сущности настоящего изобретения. В частности, блоки управления и защиты могут быть не выделены в отдельный функциональный модуль, а представлены элементарными устройствами. Так, например, функцию блока управления 8 могут выполнять концевые контактные выключатели 11, непосредственно управляя электродвигателем 7. Функцию блока защиты 9 может выполнять выключатель 23, управляя непосредственно электромагнитом 22. Возможны и другие упрощения и видоизменения по сравнению с описанным примером.

Система управления работает следующим образом.

Пуск гидротурбины осуществляется как обычно путем открытия направляющего аппарата. Перед пуском ползун 10 находится в одном из крайних положений, например в верхнем по чертежу. Поворотная скоба 19, поджатая рычагом 20, держит ролик 18, а следовательно конец 12 коромысла 3 является неподвижным. После включения электродвигателя 7 осуществляется вращение ходового винта 5. При этом гайка этой пары механической передачи перемещает конец 4 коромысла 3 вниз. Так как в этот период конец 12 коромысла 3 является неподвижным относительно него, как опоры, происходит поворот всего коромысла 3, которое через тягу 2 осуществляет поворот регулирующего кольца 1 направляющего аппарата (по чертежу против часовой стрелки), осуществляя его открытие. Закрытие направляющего аппарата в нормальных условиях происходит в обратном направлении перемещения указанных элементов.

Если в процессе работы гидротурбины ее скорость вращения пойдет на разгон, центробежное устройство 26 через рычажный механизм 25 освободит якорь контактного выключателя 23 от удерживающего действия защелки 24 и выключатель 23 сработает. В этом случае блок управления 8 выключит электродвигатель 7, а блок защиты 9 отключит питание электромагнита 22 и рычаг 20 повернется вверх, освобождая ролик 18 от удерживающего действия поворотной скобы 19. В результате воздействия противовеса 27 на регулирующее кольцо 1 лопатки направляющего аппарата будут поворачиваться на закрытие. В этот момент коромысло 3 превратится в рычаг с опорой на гайке ходового винта 5 и начнет поворачиваться. Однако поворот коромысла 3 и регулировочного кольца 1 будет происходить не свободно, а с определенной скоростью, определяемой перетеканием среды между полостями гидроцилиндра 15 через регулируемый дроссель 17. Это обеспечивает регулируемое самозакрытие направляющего аппарата.

Питание электромагнита может быть отключено не только от сигнала выключателя 23, но и вследствие обесточивания электрических цепей, например потери питания оперативного тока, отключения выключателя генератора. Процесс закрытия направляющего аппарата будет осуществляться аналогично описанному выше.

Система управления, выполненная согласно изобретению, является достаточно простой, и вместе с тем надежность ее работы не вызывает сомнений.

Использование: для регулирования направляющим аппаратом малых гидротурбин, оборудованных самозакрывающимся направляющим аппаратом. Сущность изобретения: в систему автоматического управления входит приводное устройство с электродвигателем 7, которое через самотормозящую передачу в виде пары ходового винта 5 с гайкой связано с ведомым элементом 1 управления направляющим аппаратом. В механической цепи этой связи содержится управляемое электромагнитом 22 фиксирующее устройство 19, способное разорвать механическую цепь. Система управления содержит также центробежное устройство для контроля скорости вращения ротора гидротурбины. В состав механической цепи входит коромысло 3, один конец которого соединен с гайкой ходового винта 5, другой конец через тягу 13 соединен со штоком 14 гидроцилиндра 15, а ось через тягу 2 соединена с ведомым элементом 1. Тяга 13 и шток 14 удерживаются неподвижными при нормальной работе гидротурбины с помощью фиксирующего устройства 19, при разгоне ротора гидротурбины или обесточивания электрических цепей тяга 13 и шток 14 освобождаются, и коромысло 3 имеет возможность поворота вокруг противоположного конца, обеспечивая самозакрытие направляющего аппарата со скоростью, определяемой гидроцилиндром 15, выполняющим функцию демпфера. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система автоматического управления направляющим аппаратом малой гидротурбины, содержащая приводное устройство с механической передачей в виде пары ходового винта с гайкой, соединенной с одним концом рычажного механизма, с которым связан ведомый элемент управления самозакрывающимся направляющим аппаратом, электромагнит для включения фиксирующего устройства в силовой цепи рычажного механизма, соединенный с выключателем блока защиты гидротурбины, и центробежное устройство для слежения за скоростью вращения гидротурбины, отличающаяся тем, что приводное устройство выполнено в виде подключенного к блоку управления электродвигателя, а рычажный механизм выполнен в виде коромысла, ось качания которого соединена с ведомым элементом управления направляющим аппаратом, один конец которого соединен с гайкой ходового винта, а противоположный со штоком гидравлического демпфера через фиксирующее устройство, при этом центробежное устройство связано с выключателем блока защиты. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что гидравлический демпфер выполнен в виде гидроцилиндра с межполостным байпасным трубопроводом, в котором установлен регулируемый дроссель. 3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что якорь электромагнита связан с фиксирующим устройством через подпружиненный рычаг, приводимый в действие при потере питания электромагнита.