СИСТЕМА МАСЛОСНАБЖЕНИЯ ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1997 года по МПК F01D17/00 

Изобретение относится к области маслоснабжения паротурбинных установок атомных подводных лодок.

Системы маслоснабжения паротурбинных установок (ПТУ) атомных подводных лодок известны.

Известна, например, система маслоснабжения по авт.св. N 78665, 1949 г. (аналог), содержащая два масляных насоса, дистанционно управляемые клапаны для коммутации масла.

Известна также система маслоснабжения ПТУ по авт.св. N 705190, 1978 г. (прототип). Система содержит маслоблок, главные масляные насосы (ГМН), невозвратные клапаны, маслоохладители, двухпозиционный распределитель масла и устройство для управления распределителем. Распределитель содержит втулку с окнами, подпружиненный золотник, тарелку пружины, крышку. В сборе золотник и втулка образуют межпоясковые и торцевые камеры.

Распределитель подключен к выходу маслоохладителей и по входу к потребителям масла. В зависимости от положения золотника распределителя в снабжение потребителей маслом осуществляется от одного из ГМН.

Потребители масла в ПТУ можно разделить на две группы: первая группа - потребители, требующие стабильных расходов и давления масла (системы регулирования, защиты, автоматики, подшипники и т.п.), вторая группа - механизмы и узлы, потребность которых в масле определяется частотой вращения главной турбины ПТУ (в основном, зацепление главного редуктора и его подшипники). Так, на малошумных режимах (МШР) работы ПТУ, характеризующихся весьма низкой частотой вращения главной турбины, расчетная потребность масла на зацепление редуктора почти в 70 раз меньше, чем при максимальной частоте вращения турбины. Несмотря на это система маслоснабжения (прототип) подает на смазку редуктора на МШР такое же количество масла, как и при максимальной частоте вращения. Соответственно, скорости масла в маслопроводах на МШР такие же большие, как и при максимальной частоте вращения турбины, что ухудшает виброакустические характеристики установки и снижает экономичность системы на этих режимах.

Недостаток системы маслоснабжения прототипа заключается в низкой экономичности и плохих виброакустических характеристиках системы и ПТУ в целом на МШР и на других режимах эксплуатации ПТУ на пониженных частотах вращения турбины. Для управления распределителем используются специальные устройства, что усложняет систему.

Цель изобретения улучшить виброакустические характеристики системы маслоснабжения и повысить ее экономичность на МШР и других режимах эксплуатации ПТУ на пониженных частотах вращения главной турбины, а также упростить систему путем обеспечения автоматического переключения распределителя масла без применения специальных управляющих устройств.

С этой целью система маслоснабжения имеет три ГМН, потребители масла первой группы подключены к выходу маслоохладителя до распределителя, а потребители второй группы к выходу распределителя. Золотник распределителя на обоих концах имеет соосные с ним цилиндрические отростки. Первый отросток содержит два участка, отличающиеся друг от друга диаметрами. Второй отросток имеет упорный буртик, втулка и крышка выполнены с упорами и отверстиями, в которые входят с небольшим зазором отростки золотника. При этом образуются торцевые и кольцевые камеры (две торцевые и две кольцевые). Пружина с тарелкой устанавливается в распределителе со стороны второго отростка, так что он проходит в крышку через тарелку и пружину. Упорный буртик при перемещении золотника упирается в тарелку пружины и, сжимая пружину, перемещает ее до соприкосновения отростка в упор в крышке. Часть входных или выходных окон втулки смещена относительно друг-друга вдоль ее оси, благодаря чему при перемещении золотника они перекрываются поочередно, изменяя соответствующим образом подачу масла потребителям второй группы.

Торцевые и кольцевые камеры распределителя попарно сообщены с напорными маслопроводами насосов до невозвратных клапанов и с коллектором (напорным маслопроводом, объединяющем напоры ТМН за невозвратными клапанами). При этом две кольцевые камеры и торцевая камера, образованные первым отростком, попарно сообщены с напором одного из насосов, а торцевая камера второго отростка с коллектором. Общий ход золотника превышает рабочий ход тарелки пружины, т.е. золотник имеет возможность перемещаться на дополнительную величину без соприкосновения его упорного буртика с тарелкой пружины. Диаметр второго отростка золотника выполнен больше, чем диаметр одного участка первого отростка, но меньше, чем диаметр его второго участка. Диаметры цилиндрических участков первого отростка принимаются такими, чтобы торцевая площадь и площади торцев кольцевых камер были примерно равна между собой. Диаметр второго отростка выполнен таким, чтобы его торцевая площадь примерно в 1,5 раза превышала торцевую площадь первого отростка.

В результате при включении в работу любого из ГМН золотник под действием избыточной силы давления масла на торцевую площадь второго отростка оторвется от упора в тарелку пружины и переместится на величину дополнительного хода в одно из крайних своих положений. Поршеньки золотника при этом перекроют два ряда окон во втулке распределителя, что соответствует минимальной подаче масла потребителем второй группы.

При включении второго (любого) насоса сумма сил, развиваемого давлением масла, подведенного к двум торцевым площадям первого отростка (например, торцевой и одной из кольцевых камер, или двух кольцевых камер) превысит силу давления масла на торцевую камеру второго отростка и перемесит золотник в среднее положение (до соприкосновения его упорного буртика с тарелкой пружины). Первоначальное натяжение пружины установлено таким, чтобы сумма усилий пружины и масла на торцевую площадь второго отростка превысила силу давления масла на две из трехторцевых площадей первого отростка. В результате при включении двух ГМН золотник распределителя зафиксируется около тарелки пружины, прижатой к упору во втулке.

Поршеньки золотника при этом откроют один ряд окон во втулке и соответственно увеличат подачу масла потребителям второй группы.

Натяжение пружины должно быть ограничено сверху так, чтобы при включении одновременно трех ГМН сила давления масла на торцевые поверхности всех трех камер первого отростка превысила суммарную силу натяжения пружины и давления масла на торцевую поверхность второго отростка и, сжимая пружину, переместила золотник во второе крайнее положение (до соприкосновения второго отростка с упором в крышке).

Для четкой фиксации золотника в этом положении жесткость пружины должна быть выбрана такой, чтобы сила, действующая на золотник со стороны первого отростка, превысила противоположно направленную силу со стороны второго отростка (включая силу натяжения пружины).

Поршеньки золотника в этом положении открывают второй ряд окон во втулке, в результате чего к потребителям второй группы подается максимальное количество масла.

При отключении одного, а затем второго насоса, золотник переместится в начале в среднее, а затем в другое крайнее положение, соответственно изменяя подачу масла к потребителям второй труппы.

Таким образом, предлагаемая система маслоснабжения обеспечивает поставленную цель: повысить виброакустические характеристики и экономичность системы за счет уменьшения количества масла и сокращения количества работающих насосов при работе ПТУ на МШР и др. режимах с пониженной частотой вращения главной турбины. Автоматизация переключения распределителя при этом осуществляется без применения специальных управляющих золотников, что упрощает систему.

Для улучшения условий работы тарелка пружины выполняется с направляющей втулкой, одеваемой на второй отросток, используемый как направляющая перемещения тарелки вдоль оси распределителя. Первый отросток может быть выполнен отдельно от золотника и сопрягаться с ним механически, например, при помощи грибкового соединения или шарнирной тяги.

Существенные признаки изобретения:
1. Система снабжена тремя ГМН: количество включаемых в работу насосов зависит от частоты вращения главной турбины ПТУ.

2. Потребители, требующие стабильное давление масла, подключены к выходу маслоохладителей (до распределения масла), остальные потребители масла к выходу распределителя.

3. Золотник с двух сторон имеет соосные с ним цилиндрические отростки, первый из которых состоит из двух участков разных диаметров.

4. Второй отросток имеет упорный буртик.

5. Во втулке и крышке выполнены упоры и отверстия, в которые помещаются отростки, образуя торцевые и кольцевые камеры.

6. Пружина с тарелкой установлены со стороны второго отростка.

7. Входные или выходные окна во втулке смещены относительно друг-друга вдоль оси втулки.

8. Торцевые и кольцевые камеры распределителя попарно сообщены с напорными маслопроводами насосов (до невозвратных клапанов) и с коллектором.

9. Тарелка пружины имеет направляющую втулку, сопрягаемую со вторым отростком, благодаря чему перемещение тарелки ориентировано вдоль оси распределителя.

10. Первый отросток выполнен отдельно от золотника и сопрягается с ним механически, например, при помощи грибкового соединения или шарнирной тяги.

Перечисленные признаки (главные из них 1,2,3,5,7,8 признаки) обеспечивают соответствующее уменьшение подачи масла потребителям второй группы на МШР и др. режимах работы ПТУ с пониженной частотой вращения главной турбины. Осуществляется это путем отключения одного или двух ГМН и автоматического переключения золотника распределителя в положение, при котором часть его выходных или входных окон перекрывается, уменьшая подачу масла потребителям второй группы. Перед распределителем давление масла при этом поддерживается примерно постоянным, что обеспечивает нормальную работу потребителей масла первой группы.

В результате на указанных режимах работы ПТУ повышается экономичность системы и улучшаются ее виброакустические характеристики, поскольку уменьшается число работающих насосов и их суммарная мощность, а также снижается скорость масла в маслопроводах и механизмах.

При патентном поиске источники информации, содержащие перечисленные выше признаки отличительной части формулы предполагаемого изобретения не обнаружены, что свидетельствует о соответствии предложенного технического решения критерию "существенные отличия".

Предлагаемая система маслоснабжения изображена на чертеже, где первый ГМН 1, второй 2 и третий ГМН 3 подключены по всосу к маслобаку 4 и по напору по маслопроводам 5,6,7 через невозвратные клапаны 8 к коллектору 9 маслоохладителей 10.

Общий выход 11 маслоохладителей сообщен с потребителями масла первой группы 12 (т. е. с потребителями, требующими стабильное давление и расход масла на всех режимах работы ПТУ) и с втулкой 13 распределителя масла. К потребителям второй группы 14 (потребители, потребность которых в масле определяется частотой вращения главной турбины, из которых главным является редуктор) масло подводится из межпоясковой камеры 15 распределителя через смещенные относительно друг-друга вдоль его оси окна 16,17 и 18. Сливы масла в маслобак осуществляются по маслопроводам 19. Золотник 20 с первым отростком, содержащим, как это изображено на чертеже, два соосных с ним цилиндрических участок с диаметрами 21 и 22, и вторым отростком с диаметром 23 располагается во втулке и крышке 24, в которых выполнены отверстия под отростки золотника. Золотник в сборе с крышкой и втулкой образует торцевые 25 и 26 и кольцевые 27 и 28 камеры. Пружина 29 с тарелкой 30 пружины установлены в распределителе со стороны второго отростка. Для организации перемещения втулки вдоль оси распределителя тарелка выполнено с направляющей втулкой, при помощи которой тарелка свободно надета на второй отросток (как на направляющий стержень).

Расстояние 31 (дополнительный ход) между тарелкой пружины, при ее упоре во втулку, и упорным буртиком на втором отростке при соприкосновении торца первого отростка с упором во втулке (как это показано на чертеже) примерно в два раза меньше чем расстояние 32 (полный ход золотника) между торцем второго отростка и упором в крышке. Камеры 25, 27 и 28 сообщены попарно с напорными маслопроводами 5, 6 и 7 главных масляных насосов (до невозвратных клапанов), а камера 26 с коллектором 9.

Диаметр золотника 33 и расстояние 32, определяющее полный ход золотника, назначаются исходя из количества масла, которое необходимо подать через распределитель при работе одного, двух и трех ГМН. Камера 34 сообщена с маслопроводом 19. Диаметры 21 и 22 принимаются такими, чтобы торцевые площади камер 25, 27 и 28 были примерно одинаковыми, а диаметр 23 таким, чтобы торцевая площадь второго отростка (камера 26) была примерно в 1,5 раза, чем торцевая площадь любой из камер 25, 27 и 28.

ГМН должны быть одинаковыми по производительности и напору.

Система маслоснабжения работает следующим образом.

Пусть включен в работу один из трех ГМН (например, ГМН3). Масло из маслобака 4 под напором подается в маслопровод 7 и из него подводится в камеру 25 распределителя и через невозвратный клапан 8 в коллектор 9. Из коллектора масло подается в маслоохладители 10, а также в камеру 26 распределителя масла. Общий выход 11 маслоохладителей подведен к потребителям масла первой группы 12 и к входным окнам во втулке 13. Поскольку давление масла в коллекторе лишь на величину сопротивления невозвратного клапана 8 меньше давления масла в маслопроводе 7, в то время как торцевая площадь камеры 26 в 1,5 раза больше, чем торцевая площадь камеры 25, то золотник под действием избыточной осевой силы займет свое крайнее левое (по чертежу) положение. При этом потребители масла 14 сообщаются через камеру 15 и окна 16 с выходом 11 маслоохладителей 10. Площадь окон 16 такова, что при включении одного насоса подача масла потребителю 14 будет минимальной, соответствующей режиму МШР ПТУ. Сливы масла от потребителей 12 и 14 и протечки 6 камер 34 направляются в маслобак 4. Протечки масла в камеры 27 и 28 сбрасываются в маслобак через неработающие насосы 1 и 2.

При включении любого другого одного насоса процесс маслоснабжения протекает аналогичным образом.

При включении в работу второго насоса (любого) силовое масло из его напорного маслопровода (до невозвратного клапана) поступает еще в одну из трех камер, образованных первым отростком золотника во втулке распределителя.

Пусть, например, в дополнение к работающему насосу 3 включен ГМН 2. Масло из маслопровода 6 поступает в камеру 27.

При этом на первый отросток золотника станет действовать сила в два раза больше, чем при одном работающем насосе. Избыточная осевая сила при этом переместит золотник вправо на расстояние 31, т.е. до соприкосновения упорного буртика на втором отростке и тарелки 30. Установочное натяжение пружины при упоре тарелки во втулку принимается таким, чтобы суммарная сила натяжения пружины и сила давления масла на торец второго отростка были больше, гидравлической силы, действующей на торцы золотника в камерах 25 и 27. Поэтому при включении двух ГМН тарелка пружиной действует как "жесткий" упор для золотника. При перемещении золотника вправо (по чертежу) на дополнительный ход 31 поршенек золотника откроет окна 17 во втулке и соответственно увеличит подачу масла потребителям 14. Суммарная площадь окон 16 и 17 выполнена такой, что при указанном положении золотника и при новом давлении масла перед потребителями 14 подача масла к нему увеличится примерно в два раза (по числу работающих насосов). Давление масла в 11 при этом изменится незначительно (в меру увеличения сопротивления маслоохладителей).

При включении в работу любых других двух насосов золотник 20 займет то же положение. При включении трех ГМН напорное масло из маслопроводов 1,6 и 7 поступит во все три камеры 25,27 и 28 и, под действием силы давления масла на торцы золотника в этих камерах, золотник 20, сжимая пружину 29 через тарелку 30 переместится вправо на оставшуюся часть полного хода 22 (до соприкосновения торца второго отростка с упором в крышке 24). При этом поршеньки золотника откроют также окна 18 и к потребителям 14 поступит максимальное количество масла, необходимое для обеспечения надежной работы ПТУ при максимальной частоте вращения главной турбины (в три раза больше, чем при работе на МШР и в 1,5 раза больше, чем при работе двух ГМН).

Для обеспечения надежного прижатия золотника к упорам крышки начальное натяжение и жесткость пружины выполнены такими чтобы гидравлическая осевая сила, действующая на золотник со стороны первого отростка, превышала встречную суммарную силу, действующую на золотник от второго отростка и пружины.

При отклонении одного из насосов золотник под действием избыточной силы со стороны второго отростка переместится влево до упора тарелки во втулку, а при отключении еще одного насоса до упора торца первого отростка в упор втулки.

Изобретение повышает экономичность системы маслоснабжения и улучшает ее виброакустические характеристики за счет выключения из работы одного или двух ГМН с соответствующим уменьшением расходов и скоростей масла в маслопроводах и механизмах установки при работе ПТУ на пониженных частотах вращения главной турбины, а также за счет обеспечения работы каждого из ГМН на всех режимах работы ПТУ в оптимальном по производительности и по давлению масла режиме.

Использование: в области маслоснабжения паротурбинных установок. Сущность изобретения: система маслоснабжения содержит маслоблок, три главных масляных насоса для подачи масла потребителям, невозвратные клапаны, коллектор, объединяющий напорные маслопроводы насосов за невозвратными клапанами, маслоохладители и распределитель масла, имеющий золотник, втулку с окнами, пружину, тарелку и крышки. Часть потребителей масла подключена к выходу маслоохладителей до распределителя. Золотник на обоих концах имеет соосные цапфы, одна из которых выполнена ступенчатой, а вторая имеет упорный буртик. Втулка и крышка имеют ступенчатые отверстия, в которых размещены цапфы золотника. На второй цапфе золотника установлена подпружиненная тарелка. Часть окон втулки выполнены со смещением вдоль ее оси. Торцевые и кольцевые камеры сообщены попарно с напорными маслопроводами насосов до невозвратных клапанов и с коллектором. Тарелка может быть снабжена направляющей втулкой для размещения на цапфе золотника, а первая цапфа может быть установлена на золотнике подвижно в радиальном направлении и соединена с последним механической связью. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Система маслоснабжения пaрoтуpбиннoй установки, содержащая маслобак, два главных масляных насоса для подачи масла потребителям, невозвратные клапаны, коллектор, объединяющий напорные маслопроводы насосов за невозвратными клапанами, маслоохладители и распределитель масла, имеющий золотник, втулку с окнами, пружину, тарелку и крышки, отличающаяся тем, что система снабжена дополнительным третьим главным масляным насосом, часть потребителей масла подключена к выходу маслоохладителей до распределителя, золотник на обоих концах имеет соосные цапфы, одна из которых выполнена ступенчатой, а вторая имеет упорный буртик, причем втулка и крышка имеют ступенчатые отверстия, в которых с образованием торцевых и кольцевых камер размещены цапфы золотника, при этом на второй цапфе золотника установлена подпружиненная тарелка, часть окон втулки выполнена со смещением вдоль ее оси, а торцевые и кольцевые камеры сообщены попарно с напорными маслопроводами насосов до невозвратных клапанов и с коллектором. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что тарелка снабжена направляющей втулкой для размещения на цапфе золотника. 3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что первая цапфа установлена на золотнике подвижно в радиальном направлении и соединена с последним механической связью.