ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F03B15/18 

Изобретение относится к области гидротурбин, а его объектом является центробежный выключатель, используемый в системах защиты гидротурбин от разгона.

Для обеспечения надежности срабатывания систем защиты гидротурбин от разгона большинство из них выполнено с центробежным выключателем, инерционный груз которого связан непосредственно с валом гидротурбины без использования промежуточных передач вращения. При этом исполнительный механизм, включаемый инерционным грузом, располагается на статорной части гидротурбины, и груз способен воздействовать на него только в одном из своих угловых положений. Вместе с тем инерционный груз находится под воздействием упругого элемента, задающего усилие срабатывания центробежного выключателя. Все это приводит к тому, что действие инерционного груза имеет аналоговый характер, т.к. его отклонение прямо пропорционально изменению частоты вращения, что обуславливает пониженную четкость срабатывания.

Известны разработки, направленные на такое выполнение центробежного выключателя, при котором действие инерционного груза имело бы дискретный характер. Однако в таких известных разработках не была решена проблема возвращения груза в исходное положение после устранения неисправности в гидротурбине, а это, в связи с неопределенностью углового местонахождения инерционного груза в момент остановки гидротурбины, требовало трудоемкого демонтажного процесса для доступа к грузу. Поэтому известные разработки подобного типа не получили широкого применения.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является центробежный выключатель, содержащий кронштейн, предназначенный для закрепления на роторе, расположенные на нем инерционный груз и противодействующий ему упругий элемент, и управляемый грузом исполнительный механизм включения системы защиты, предназначенный для установки на статорной части (Щеголев Г.С., Гаркава Ю.Е. , Гидротурбины и их регулирование, М-Л., 1957, с. 330, фиг. 86).

В таком центробежном выключателе, как и в описанных выше, четкость срабатывания недостаточно высока. При этом для повышения надежности срабатывания приходится в качестве исполнительного механизма использовать электроконтакты, а это, в свою очередь, также является недостатком, т.к. возможны аварийные ситуации с исчезновением электропитания в системе защиты.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания центробежного выключателя, в котором инерционный груз срабатывал бы дискретно при увеличении скорости выше допустимой, обеспечивая высокую четкость работы выключателя, и, вместе с тем, чтобы этот груз при снижении скорости возвращался бы автоматически в исходное положение, не требуя вмешательства обслуживающего персонала.

Эта задача решена в центробежном выключателе, содержащем кронштейн, предназначенный для закрепления на роторе, расположенные на нем инерционный груз и противодействующим ему упругий элемент и управляемый грузом исполнительный механизм включения системы защиты, предназначенный для установки на статорной части, который, в соответствии с сущностью настоящего изобретения, снабжен первым и вторым поворотными элементами, вспомогательным инерционным грузом и противодействующим ему упругим элементом, основной инерционный груз закреплен на первом поворотном элементе, второй поворотный элемент со вспомогательным инерционным грузом и противодействующим ему упругим элементом также расположен на кронштейне, при этом второй поворотный элемент установлен относительно первого с возможностью взаимодействия с ним и фиксации его положения до достижения скорости вращения ротора заданного значения срабатывания выключателя, и по этому значению выбрано соотношение усилий вспомогательного инерционного груза и противодействующего ему упругого элемента, определяющих угол поворота второго поворотного элемента до расцепления его с первым поворотным элементом.

В результате такого решения действие основного инерционного груза, управляющего исполнительным механизмом, носит дискретный, импульсный характер, т. к. оно возможно только после поворота второго поворотного элемента с вспомогательным инерционным грузом. Это позволяет обеспечить четкость срабатывания центробежного выключателя. Кроме того благодаря указанному характеру действия основного инерционного груза достигнута возможность использования механических и механогидравлических исполнительных механизмов, не зависящих от наличия электропитания в системе защиты.

В выключателе согласно основному решению может быть обеспечено автоматическое возвращение основного инерционного груза в исходное положение без вмешательства операционного персонала. Это, в частности, может быть выполнено за счет определенного подбора масс инерционных грузов, жесткости упругих элементов и т.п. Однако наиболее целесообразно, чтобы оба поворотных элемента были выполнены с ограничителями их максимального угла поворота и с возможностью взаимодействия своими концами, располагающимися в одной плоскости. При этом конец первого поворотного элемента с основным инерционным грузом выполнен с выступом, а конец второго поворотного элемента в исходном положении расположен с упором в упомянутый выступ. Торцевая поверхность первого поворотного элемента с основным инерционным грузом может быть выполнена длиной, перекрывающей, по меньшей мере, часть расположенной напротив торцевой поверхности второго поворотного элемента в момент срабатывания выключателя. При таком исполнении поворотный элемент со вспомогательным инерционным грузом сможет вернуться в исходное положение только после возвращения в это положение поворотного элемента с основным инерционным грузом.

Для обеспечения более плавной работы механизмов, установленных на кронштейне и выполненных в соответствии с предыдущим решением, предпочтительно, чтобы взаиморасположение обоих поворотных элементов с учетом их длин было бы выбрано таким, что взаимодействие этих элементов при срабатывании осуществлялось контактированием торцевыми поверхностями их концов.

При этом для уменьшения трения целесообразно, чтобы конец второго поворотного элемента со вспомогательным инерционным грузом был бы выполнен в виде подшипника.

Сущность настоящего изобретения будет более понятна из подробного описания следующего далее примера его реализации, изображенного на прилагаемом чертеже, показывающем центробежный выключатель системы защиты гидротурбины от разгона.

Одна из частей центробежного выключателя, изображенного на чертеже, смонтирована на кронштейне 1, закрепленном на роторе 2 гидротурбины. Эта часть включает первый поворотный элемент 3 с основным инерционным грузом 4, управляющим исполнительным механизмом включения системы защиты (описан ниже), и второй поворотный элемент 5 со вспомогательным инерционным грузом 6.

Поворотный элемент 3 связан пружиной растяжения 7 с кронштейном 1, и в нем выполнено окно 8, в которое входит стержень 9, закрепленный на кронштейне 1 и служащий для ограничения угла поворота элемента 3. Поворотный элемент 5 также связан пружиной растяжения 10 с кронштейном 1, и на нем имеются опорные площадки для упора в них винтовых стержней 11 и 12, ограничивающих углы поворота элемента 5. При этом соотношение усилий вспомогательного инерционного груза 6 и противодействующей ему пружины 10 выбрано таким, чтобы обеспечить поворот элемента 5 на угол, при котором он освобождает центробежное усилие элемента 3.

Поворотные элементы 3 и 5 взаимодействуют друг с другом своими концами, которые расположены в одной плоскости. При этом конец элемента 3 выполнен с выступом 13, а на конце элемента 5 установлен подшипник 14. Длина торцевой скругленной поверхности 15 элемента 3 выполнена такой, чтобы при срабатывании центробежного выключателя подшипник 14 не выходил из контакта с торцевой поверхностью 15 элемента 3, как это видно из чертежа по конечному положению описанных механизмов, показанному пунктирными линиями.

На стационарной части гидротурбины расположен упомянутый выше механизм включения системы защиты, включающий управляющий золотник 16 и взаимодействующий с ним подпружиненный двуплечий рычаг 17, конец 18 которого направлен в сторону ротора 2 гидротурбины.

Работа описанного центробежного выключателя происходит следующим образом.

При рабочей частоте вращения ротора 2 гидротурбины положение механизмов центробежного выключателя соответствует тому, как это изображено на чертеже сплошными линиями. Поворотные элементы 3 и 5 находятся в исходном положении, и при этом конец элемента 5 подшипника 14 упирается в опорную площадку выступа 13 элемента 3, препятствуя его повороту. Даже при повышенной частоте вращения ротора 2, когда усилие инерционного груза 6 преодолевает противодействующее ему усилие пружины 10, поворачивая элемент 5 на некоторый угол, угловое положение элемента 3 остается неизменным. В этот период нормальной эксплуатации двуплечий рычаг 17 удерживает золотник 16 в положении, при котором он перекрывает гидравлическую связь между системой защиты и маслонапорной установкой.

Если частота вращения ротора превысит допустимое заданное значение, поворотный элемент 5 повернется на такой угол, при котором подшипник 14 конца этого элемента сойдет с опорной площадки выступа 13 поворотного элемента 3, и последний под действием центробежной силы инерционного груза 4 мгновенно развернется на угол, задаваемый ограничительным стержнем 9. Следует отметить, что угол поворота элемента 5 также будет ограничен стержнем 11, не позволяя нарушить контакт между подшипником 14 и торцевой поверхностью 15 выступа 13 поворотного элемента 3.

В одном из положений углов вращения ротора 2 поворотный элемент 3 надавливает на конец 18 рычага 17 и последний, поворачиваясь, освобождает золотник 15 от его воздействия. При этом золотник 16 переходит в положение, при котором система защиты подключается к маслонапорной установке.

При устранении неисправности и восстановлении нормальной частоты вращения ротора 2, поворотный элемент 3 под действием пружины 7, преодолевающей центробежную систему инерционного груза 4, возвращается в свое нормальное положение, а за этим происходит и поворот элемента 5 до упора его подшипником 14 в опорную площадку выступа 13 поворотного элемента 3. Восстановление исходного положения золотника 16 и фиксация этого его положения с помощью двуплечего рычага 17 осуществляется обслуживающим персоналом.

Как следует из изложенного, центробежный выключатель срабатывает при дискретном, импульсном действии основного инерционного груза, что позволяет обеспечить четкость функционирования выключателя. Вместе с тем восстановление нормального положения этого груза происходит автоматически, что очень важно, т.к. указанный груз и связанные с ним механизмы расположены на роторе и при остановке гидротурбины могут оказаться в любом из угловых положений, что обуславливает большую трудоемкость демонтажных операция для доступа к грузу.

Описанный пример реализации изобретения не является единственным возможным вариантом его использования. Вместо пружин могут быть использованы упругие пластины, возможно иное исполнение ограничителей поворота поворотных элементов и конструктивного выполнения узла их взаимодействия, а также и применение другого исполнительного механизма и пр., что с очевидностью входит в объем заявленных патентных притязаний.

Центробежный выключатель, преимущественно для защиты гидротурбины от разгона, содержит расположенные на кронштейне два поворотных взаимодействующих элемента с основным и вспомогательным инерционными грузами и противодействующими им упругими элементами и исполнительный механизм включения системы защиты. Первый поворотный элемент несет основной инерционный груз. Второй поворотный элемент установлен относительно первого с возможностью взаимодействия с ним и фиксации его положения до достижения скорости вращения ротора заданного значения срабатывания выключателя. По этому значению выбрано соотношение усилий вспомогательного инерционного груза и противодействующего ему упругого элемента. Данное соотношение определяет угол поворота второго поворотного элемента до расцепления его с первым поворотным элементом. Использование изобретения обеспечивает высокую четкость работы выключателя. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Центробежный выключатель, содержащий кронштейн, предназначенный для закрепления на роторе, расположенные на нем инерционный груз и противодействующий ему упругий элемент, и управляемый грузом исполнительный механизм включения системы защиты, предназначенный для установки на статорной части, отличающийся тем, что он снабжен первым и вторым поворотными элементами, вспомогательным инерционным грузом и противодействующим ему упругим элементом, основной инерционный груз закреплен на первом поворотном элементе, второй поворотный элемент со вспомогательным инерционным грузом и противодействующим ему упругим элементом также расположен на кронштейне, при этом второй поворотный элемент установлен относительно первого с возможностью взаимодействия с ним и фиксации его положения до достижения скорости вращения ротора заданного значения срабатывания выключателя, и по этому значению выбрано соотношение усилий вспомогательного инерционного груза и противодействующего ему упругого элемента, определяющих угол поворота второго поворотного элемента до расцепления его с первым поворотным элементом. 2. Выключатель по п. 1, отличающийся тем, что оба поворотных элемента выполнены с ограничителями их максимального угла поворота и с возможностью взаимодействия своими концами, располагающимися в одной плоскости, при этом конец первого поворотного элемента с основным инерционным грузом выполнен с выступом, а конец второго поворотного элемента в исходном пложении расположен с упором в упомянутый выступ. 3. Выключатель по п.2, отличающийся тем, что торцевая поверхность первого поворотного элемента с основным инерционным грузом выполнена длиной, перекрывающей по меньшей мере часть расположенной напротив торцевой поверхности второго поворотного элемента в момент срабатывания выключателя. 4. Выключатель по п.3, отличающийся тем, что взаиморасположение обоих поворотных элементов с учетом их длин выбрано таким, что взаимодействие этих элементов при срабатывании осуществлялось контактированием торцевыми поверхностями их концов. 5. Выключатель по п.4, отличающийся тем, что конец второго поворотного элемента со вспомогательным инерционным грузом выполнен в виде подшипника.