УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЛОПАСТЯМИ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ГИДРОТУРБИНЫ Российский патент 1998 года по МПК F03B15/08 F15B9/03 

Изобретение относится к гидротурбостроению и может быть использовано в устройстве управления лопастями рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины.

В большинстве устройств управление регулирующими органами гидротурбины, в частности лопастями рабочего колеса, как в автоматическом, так и в ручном режимах осуществляется через главный золотник, подключенный к исполнительному органу, с использованием прямых и обратных связей в виде кинематических передач - рычажных и тросовых. В таких устройствах предусмотрен и режим аварийных остановок турбины при подаче соответствующего сигнала или потере напряжения оперативного тока, что обеспечивается с помощью реле блока защиты гидроагрегата [1].

Однако указанные кинематические передачи в этих известных устройствах управления снижают их надежность, усложняют их компоновку, а также увеличивают металлоемкость и, что особенно существенно, трудоемкость монтажа и обслуживания. Кроме того, обеспечивая предотвращение аварийного подброса ротора гидротурбины, такие управления не позволяют регулировать скорость разворота лопастей рабочего колеса, что под воздействием значительного увеличения гидравлического момента на открытие лопастей рабочего колеса может привести к скачку давления в полости закрытия исполнительного сервомотора, а, следовательно, и к аварийным последствиям, в частности к разрывам в соединительных узлах как самого сервомотора, так и присоединительных трубопроводов.

Ближайшим аналогом изобретения является устройство управления электрогидравлического типа без использования механических кинематических связей, которое содержит напорную и сливную магистрали, электрогидравлический преобразователь, соединенный с ним главный золотник, исполнительный сервомотор, электрически связанный обратной связью с электрогидравлическим преобразователем, отсечной золотник, установленный в гидравлическом тракте между главным золотником и сервомотором, обеспечивая по меньшей мере в одном из положений отсечение этой связи, золотник переключения режимов, связанный с управляющей полостью отсечного золотника, золотник ручного управления, подключенный своими управляющими линиями к гидравлическому тракту между отсечным золотником и сервомотором, и индикаторный прибор для указания положения последнего [2].

Указанное устройство благодаря отсутствию механических кинематических связей обладает очевидными преимуществами по сравнению с существующими гидромеханическими устройствами управления. Однако в описанном устройстве не предусмотрено функционирование в аварийном режиме, в частности сервомотора, управляющего разворотом лопастей рабочего колеса, что может привести к последствиям, связанным со скачком давления в полости исполнительного сервомотора.

В основу изобретения поставлена задача создания устройства управления лопастями рабочего колеса гидротурбины на основе элементов электрогидравлических систем регулирования, в котором было бы обеспечено регулирование скорости разворачивания лопастей в аварийном режиме с предотвращением скачка давления в исполнительном сервомоторе.

Эта задача решена в устройстве управления лопастями рабочего колеса, содержащем, как и ближайший аналог, электрогидравлический преобразователь, главный золотник, исполнительный сервомотор, отсечной золотник в гидравлическом тракте между последними, золотник переключения режимов, золотник ручного управления, индикаторный прибор указания положения сервомотора, а также напорную и сливную магистрали, подключенные к устройству, и в котором в соответствии с сущностью изобретения отсечной золотник выполнен трехпозиционным с двумя концевыми управляющими полостями и дополнительными окнами, по меньшей мере одно из которых сообщено со сливной магистралью, обеспечивая сообщение с ней в одном из положений этого золотника, соответствующем аварийному режиму, полостей сервомотора, при этом золотник переключения режимов также выполнен трехпозиционным и соединен одной из своих управляющих линий, соответствующей аварийному режиму, с одной из управляющих полостей отсечного золотника, обеспечивающей его перевод в аварийным режим функционирования устройства.

При таком исполнении благодаря сообщению полостей исполнительного сервомотора через отсечной золотник со сливной магистралью в этих полостях предотвращается резкое повышение давления от действия гидравлического момента на разворот лопастей рабочего колеса.

Для более лучшего выравнивания давления в полостях исполнительного сервомотора при аварийном режиме предпочтительно, чтобы его полости были связаны байпасным трубопроводом через отсечной золотник.

Для регулирования скорости разворачивания лопастей на линии сообщения отсечного золотника со сливной магистралью может быть установлена дроссельная шайба. Она может быть также установлена на упомянутом байпасном трубопроводе. Это позволит не только предотвратить скачок в сервомоторе, но и предупредить разгон рабочего колеса при сборе нагрузки.

Для обеспечения надежного удержания отсечного золотника в среднем положении целесообразно, чтобы в его торцевых крышках были установлены поршневые ограничители, которые концами своих стержневых выступов примыкают к торцам плунжерного тела золотника, а надпоршневые полости которых сообщены с напорной магистралью и которые имели бы возможность под действием давления от этой магистрали прижиматься к опорным кольцам, установленным под поршнями.

Золотник переключения режимов может быть выполнен как с электрогидравлическим, так и электромеханическим управлением. В последнем варианте золотник содержит подпружиненное с обоих торцов плунжерное тело и два выступающих управляющих штока, с одним из которых связан соленоид, в электрическую цепь которого включен контакт реле блока защиты гидроагрегата. Такое исполнение золотника переключения режимов является наиболее простым.

На чертеже показана электрогидравлическая схема предлагаемого устройства.

Устройство управления лопастями рабочего колеса относится к гидротурбине, предназначенной как для работы с подключением к энергосистеме, так и для работы на изолированного потребителя. При этом описываемое устройство является одной из составных частей электрогидравлической системы регулирования, в которой комбинаторная связь между управляющими воздействиями на направляющий аппарат и лопасти рабочего колеса осуществляется электрическими средствами.

Устройство управления лопастями выполнено следующим образом.

С входным электрогидравлическим преобразователем 1 соединен главный золотник 2 через гидравлическую линию 3, сообщающую выход управляющего воздействия преобразователя 1 с управляющей полостью золотника 2. Главный золотник 2 связан с исполнительным сервомотором 4, при этом эта связь обеспечена гидравлическим трактом 5, образованном линями 5₁-5₄. С штоком 6 сервомотора 4 связан датчик 7, подключенный к командному входу преобразователя 1, формируя обратную связь по управляющему воздействию. Датчик 7 подключен также к электрическому индикаторному прибору 8 на пульте для возможности дистанционного контроля и положения лопастей рабочего колеса. Шток 6 связан также с механическим индикатором 9, что обеспечивает возможность контроля при обесточивании электрических цепей системы регулирования гидротурбины.

В тракте 5 между главным золотником 2 и сервомотором 4 установлен отсечной золотник 10. Золотник выполнен трехпозиционным с плунжерным телом 11, выполненным с тремя поясками, между крайними из которых и торцевыми крышками 12 и 13 образованы две управляющие полости 14 и 15 соответственно. Эти управляющие полости подключены гидролиниями 16 и 17 соответственно к выходам управляющих воздействий золотника 18 переключения режимов "автомат - ручкой - аварийный".

В крышках 12 и 13 отсечного золотника 10 установлены поршневые ограничители 19, надпоршневые полости 20 которых сообщены с напорной магистралью 21 для посадки на закладные опорные кольца 22, установленные под поршнями. Стержневые выступы указанных ограничителей 19 примыкают своими концами к торцам крайних поясков плунжерного тела 11 золотника 10 с образованием минимальных зазоров для обеспечения только одной базовой посадочной поверхности по кольцам 22. Такое исполнение с использованием поршневых ограничителей 19 обеспечивает четкую фиксацию плунжерного тела 11 отсечного золотника 10 в среднем положении.

Упомянутый выше золотник переключения режимов 18 так же, как и отсечной золотник 10 выполнен трехпозиционным, а его плунжерное тело 23 - с тремя поясками, крайние из которых подпружинены к среднему положению. С плунжерным телом 23 соединены или выполнены за одно целое два выступающих управляющих штока 24 и 25. С штоком 24 связан соленоид 26, в электрическую цепь которого включен контакт реле блока защиты гидроагрегата (не показаны). С штоком 25 связан соленоид 27, подключенный к тумблеру на пульте управления (не показаны) для дистанционного перевода золотника 18 в режим ручного управления. Кроме того, шток 25 механически связан с подпружиненным фиксатором 28, удерживающим тело 23 золотника в установочных крайних положениях и препятствующим возможным продольным колебаниям тела 23 в среднем положении.

К гидравлическому тракту между отсечным золотником 10 и сервомотором 4, состоящему из линий 5₁-5₂, присоединен управляющими гидролиниями 29 и 30 соответственно золотник 31 ручного управления. Плунжерное тело 32 этого золотника подпружинено с двух сторон к среднему положению и соединено с рукояткой 33, которая имеет фиксированное нейтральное положение и возможности поворота от него на закрытие и открытие лопастей рабочего колеса.

Возвращаясь к гидравлическому тракту 5 и отсечному золотнику 10, необходимо указать еще одну особенность описываемого устройства управления, относящуюся к существу изобретения. Этот золотник 10 выполнен с окнами, одним из которых он через гидролинию 34 сообщен со сливной магистралью 35, а другим с помощью байпасного трубопровода 36 - с гидролинией 5₂ между золотником 10 и одной из полостей сервомотора 4. На гидролинии 34 и байпасном трубопроводе 36 установлены дроссельные шайбы 37 и 39, соответственно, которые определяет заданное значение скорости потока масла через них.

Следует также отметить, что в описанном устройстве, кроме указанных связей отсечного золотника 10 с напорной 21 и сливной 35 магистралями, с последними связаны известным образом для обеспечения функционирования и другие функциональные элементы: электрогидравлический преобразователь 1, главный золотник 2, золотник переключения режимов 18 и золотник ручного управления 31.

Работа описанного устройства происходит следующим образом.

В автоматическом режиме положение описанных выше элементов соответствует тому, как это изображено на чертеже, а именно так. Электрогидравлический преобразователь 1 соединен с напорной 21 и сливной 35 магистралями, его электрический командный вход подключен к электрической системе регулирования гидротурбины и соединен с датчиком 7 обратной связи, а через гидролинию 3 сообщен с полостью управления главного золотника 2. Плунжерное тело 23 золотника переключения режимов 18 и плунжерное тело 32 золотника ручного управления 31 находятся в среднем положении. При этом золотник 18 сообщает со сливной магистралью 35 через линии 16 и 17 управляющие полости 14 и 15 отсечного золотника 10, а плунжерное тело 32 золотника 31 отсекает сообщение напорной 21 и сливной 35 магистралей от гидравлического тракта 5. Плунжерное тело 11 отсечного золотника зафиксировано поршневыми ограничителями 19 в среднем положении, обеспечивая сообщение главного золотника 2 через гидравлический тракт 5 с исполнительным сервомотором 4. В данном положении функциональных элементов управление сервомотором 4 осуществляется через электрогидравлический преобразователь 1 и главный золотник 2 обычным путем, как и в других известных устройствах подобного типа.

При переходе управления на ручной режим функциональные элементы переводятся в следующее положение. Плунжерное тело 23 золотника переключения режимов 18 кнопкой на штоке 25 или дистанционно соленоидом 27 устанавливается в крайнее левое (здесь и далее по чертежу) положение. При этом правый крайний поясок тела 23 перекрывает сообщение гидролинии 16 со сливной магистралью 35, а средний поясок открывает сообщение той гидролинии с напорной магистралью 21. Вместе с тем гидролиния 17 остается по-прежнему в сообщении со сливной магистралью 35. В результате этого под действием давления масла в управляющей полости 14 отсечного золотника 10 плунжерное тело 11 этого золотника, преодолевая сопротивление нижнего ограничителя 19 за счет большей площади, переходит в крайнее нижнее положение, и золотник 10 перекрывает гидравлический тракт 5, отсекая сервомотор 4 от главного золотника 2. Далее, управляя рукояткой 33 золотника ручного управления 31, посредством перемещения его плунжерного тела 32 осуществляют сообщение напорной 21 и сливной 35 магистралей с гидролиниями 30 и 29, а через них с полостями сервомотора 4. При этом в зависимости от направления перемещения рукоятки 33 от нейтрального положения с напорной магистралью 21 сообщается одна из гидролиний 30 или 29, в то время как другая сообщается со сливной магистралью 35. В зависимости от этого давление масла подается в ту или иную полость сервомотора 4.

При аварийной ситуации во время сброса нагрузки и неисправности системы управления срабатывает реле блока защиты гидроагрегата и замыкает контакт, включенный в электрическую цепь соленоида 26, который переставляет плунжерное тело 23 золотника переключения режимов 18 в крайнее правое положение. При этом крайний левый пояс тела 23 перекрывает сообщение гидролинии 17 со сливной магистралью 35, а центральный поясок открывает сообщение с этой гидролинией напорный магистрали 21. Вместе с тем через полость между средним и крайним правым поясками тела 23 осуществляется сообщение гидролинии 16 со сливной магистралью 35. В результате этого под давлением масла в управляющей полости 15 отсечного золотника 10 его плунжерное тело 11, преодолевая сопротивление верхнего ограничителя 19 за счет большей площади, перемещается в крайнее верхнее положение. При таком положении золотник 10 перекрывает гидравлический тракт 5, отсекая главный золотник 2 от сервомотора, но вместе с тем открывает сообщение между гидролиниями 5₂ и 34, а также между гидролинией 5₁ и байпасным трубопроводом 36, соединяя через этот трубопровод гидролинии 5₁ и 5₂ между собой и через гидролинию 34 со сливной магистралью 35. В результате этого в аварийном режиме полости сервомотора 4 также соединяются между собой и со сливной магистралью 35. Это позволяет предотвратить резкое повышение давления в полости закрытия сервомотора 4 и тем самым предотвратить возможные аварийные последствия.

Источники информации.

1. Гидроэнергетическое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций. Т. 1, М.: 1988, с. 120-121, рис. 9-10, с. 107.

2. Заявка на патент РФ N 95122098, 1995.

Устройство предназначено для работы в составе электрогидравлического регулятора поворотно-лопастной гидротурбины и выполнено без использования механических кинематических передач. Устройство содержит электрогидравлический преобразователь, главный золотник, исполнительный сервомотор, электрически связанный обратной связью с преобразователем, отсечной золотник, установленный в гидравлическом тракте между главным золотником и сервомотором, золотник переключения режимов, золотник ручного управления, подключенный своими управляющими линиями к гидравлическому тракту между отсечным золотником и сервомотором, и индикаторный прибор для указания положения последнего. Отсечной золотник выполнен трехпозиционным с двумя концевыми управляющими полостями и дополнительными окнами. По меньшей мере одним из своих окон отсечной золотник в одном из положений, соответствующем аварийному режиму, связан со сливной магистралью для сообщения с ней полостей сервомотора. Золотник переключения режимов также выполнен трехпозиционным и соединен одной из своих управляющих линий, соответствующих аварийному режиму, с одной из концевых управляющих полостей отсечного золотника. Устройство обладает компактностью, высокой надежностью и позволяет предотвратить разрывы в узлах соединений сервомотора и присоединительных трубопроводов при аварийной ситуации, сопровождающейся скачком давления в полости закрытия сервомотора. 4 з.п. ф-лы, 1 л.

1. Устройство управления лопастями гидротурбины, содержащее напорную и сливную магистрали, электрогидравлический преобразователь, соединенный с ним главный золотник, исполнительный сервомотор, электрически связанный обратной связью с электрогидравлическим преобразователем, отсечной золотник, установленный в гидравлическом тракте между главным золотником и сервомотором, обеспечивая по меньшей мере в одном из положений отсечение этой связи, золотник переключения режимов, связанный с управляющей полостью отсечного золотника, золотник ручного управления, подключенный своими управляющими линиями к гидравлическому тракту между отсечным золотником и сервомотором, и индикаторный прибор для указания положения последнего, отличающееся тем, что отсечной золотник выполнен трехпозиционным с двумя концевыми управляющими полостями и дополнительными окнами, по меньшей мере одно из которых сообщено со сливной магистралью, обеспечивая сообщение с ней в одном из положений этого золотника, соответствующем аварийному режиму, полостей сервомотора, при этом золотник переключения режимов также выполнен трехпозиционным и соединен одной из своих управляющих линий, соответствующих аварийному режиму, с одной из концевых управляющих полостей отсечного золотника. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полости сервомотора связаны байпасным трубопроводом через отсечной золотник. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что на линии сообщения отсечного золотника со сливной магистралью установлена дроссельная шайба. 4. Устройство по п.1, 2 или 3, отличающееся тем, что в торцевых крышках отсечного золотника установлены поршневые ограничители для плунжерного тела золотника, которые концами своих выступов примыкают к торцам этого тела, а их надпоршневые полости сообщены с напорной магистралью, и при этом золотник содержит закладные опорные кольца для упора в них поршневых ограничителей под действием давления от напорной магистрали. 5. Устройство по п. 1, 2, 3 или 4, отличающееся тем, что золотник переключения режимов содержит подпружиненное с обоих торцов плунжеров тело и два выступающих управляющих штока, с одним из которых связан соленоид, в электрическую цепь которого включен контакт реле блока защиты гидроагрегата.