УСТРОЙСТВО АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ГИДРОТУРБИНЫ Российский патент 2001 года по МПК F03B15/18 F15B11/08 

Устройство предназначено для применения в гидротурбостроении при производстве радиально-осевых и поворотно-лопастных турбин.

Известно устройство аварийной защиты, закрывающее направляющий аппарат в случае разгона гидротурбины и невозможности его закрыть с помощью регулятора из-за неисправности последнего. (См. Справочник по гидротурбинам: Справочник /В. Б.Андреев, Г.А. Броновский, И.С. Веременко и др.; Под общ. ред. Н.Н. Ковалева. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. - 496 с., ил., Рис. IX.I. Схема расположения устройств автоматики гидротурбины, с. 316-317).

Устройство образовано управляющим гидрораспределителем, двухпозиционным гидрораспределителем с гидравлическим управлением и гидродросселем.

Двухпозиционный гидрораспределитель при нормальной работе гидротурбины соединяет сервомотор с выходным дросселирующим гидрораспределителем (главным золотником). В аварийном режиме при высокой частоте вращения гидротурбины под действием управляющего гидрораспределителя он отсоединяет от сервомотора дросселирующий гидрораспределитель и подсоединяет сервомотор к линиям напора и слива так, что сервомотор движется на закрытие направляющего аппарата (НА). При этом в сливной линии сервомотора оказывается включенным гидродроссель, с помощью которого настраивается скорость закрытия НА.

Недостаток этого устройства заключается в том, что в одном гидрораспределителе выполнены окна как для соединения сервомотора с дросселирующим гидрораспределителем, так и для прямого подключения сервомотора к источнику гидравлического питания при аварийном закрытии НА. Требования к гидравлическим сопротивлениям этих окон противоречивы.

В позиции соединения выходного дросселирующего гидрораспределителя (главного золотника) с сервомотором двухпозиционный гидрораспределитель должен иметь минимальное гидравлическое сопротивление, чтобы не искажать характеристику дросселирующего гидрораспределителя. Как следствие, диаметр и ход золотника выбираются большими.

Скорость закрытия НА ограничивается не только при управлении дросселирующим гидрораспределителем, но и при аварийном режиме закрытия НА из-за явления гидроудара в водоводах. Поэтому окна, действующие в позиции закрывания НА, должны иметь достаточно большое гидравлическое сопротивление. Но они реализуются с помощью золотника с большими диаметром и ходом и, как следствие, имеют малое гидравлическое сопротивление.

Большая величина хода золотника двухпозиционного гидрораспределителя также обусловлена большим количеством гидролиний, коммутируемых в каждой позиции.

Большие диаметр и ход золотника приводят к большому расходу металла, а малое гидравлическое сопротивление окон в позиции аварийного режима приводит к необходимости установки дополнительного аппарата - гидродросселя для ограничения скорости закрытия НА.

Известно другое устройство аварийной защиты того же назначения. (См. Патент, Япония, МКИ 5 F 03 B 15/18, заявка N 3-36154B, опубл. 30.05.91).

Это устройство свободно от недостатков первого устройства, но имеет, вследствие большого количества независимо перемещающихся элементов (гидроклапанов), сниженную надежность, по своим функциональным возможностям ограничено функцией коммутации гидролиний, из-за неоднородности элементов (гидрораспределители и гидроклапана) ограничено в функциональном развитии простыми средствами.

В качестве прототипа выбрано второе устройство, в котором коммутационные окна и каналы, соответствующие рабочему режиму и режиму аварийного закрытия НА, выполнены в разных гидрораспределительных устройствах: в клапанном устройстве и исполнительном гидрораспределителе.

Устройство-прототип содержит управляющий двухпозиционный гидрораспределитель, каждый выход которого соединяется с гидролиниями напора или слива в зависимости от позиции, исполнительный гидрораспределитель 4/2 с гидравлическим управлением, в одной позиции соединяющий полости сервомотора с гидролиниями напора и слива для движения на закрытие НА или на открытие рабочего колеса (РК), а в другой позиции перекрывающий переключаемые им гидролинии, и клапанное устройство с гидравлическим управлением, соединяющее или разъединяющее полости сервомотора с выходными гидролиниями выходного дросселирующего гидрораспределителя регулятора, причем гидролиния управления клапанного устройства и узел управления исполнительного гидрораспределителя, соединены с одним выходом управляющего гидрораспределителя, второй выход которого не задействован. Устройство-прототип включается при соединении первого указанного выхода управляющего гидрораспределителя с линией напора.

Техническим эффектом изобретения является повышение надежности устройства аварийной защиты гидротурбины за счет сокращения подвижных элементов гидрораспределительного устройства для соединения сервомотора с выходным гидрораспределителем регулятора.

Технический эффект обеспечен в устройстве аварийной защиты гидротурбины, содержащем управляющий двухпозиционный гидрораспределитель, соединяющий каждый свой выход с гидролиниями напора или слива в зависимости от позиции, исполнительный гидрораспределитель 4/2 с гидравлическим управлением, в одной позиции соединяющий полости сервомотора с гидролиниями напора и слива для движения на закрытие направляющего аппарата или на открытие рабочего колеса, а в другой позиции перекрывающий переключаемые им гидролинии, и гидрораспределительное устройство с гидравлическим управлением, соединяющее или разъединяющее полости сервомотора с выходными гидролиниями выходного дросселирующего гидрораспределителя регулятора, причем гидролиния управления гидрораспределительного устройства и один узел управления исполнительного гидрораспределителя 4/2 соединены с одним выходом управляющего гидрораспределителя. В предлагаемом устройстве согласно изобретению гидрораспределительное устройство выполнено в виде исполнительного гидрораспределителя 4/2, соединяющего, при давлении в линии управления, полости сервомотора с выходными гидролиниями выходного дросселирующего гидрораспределителя регулятора, а в другой позиции перекрывающего переключаемые им гидролинии, и первый указанный исполнительный гидрораспределитель 4/2 выполнен с возможностью перекрытия переключаемых им гидролиний в позиции, соответствующей давлению в указанном узле управления.

В устройстве для аварийной защиты гидротурбины в качестве исполнительных гидрораспределителей 4/2 могут быть применены гидрораспределители с одним узлом гидравлического управления и пружинным возвратом.

При другом варианте исполнения в устройстве в качестве исполнительного гидрораспределителя 4/2, соединяющего сервомотор с выходным дросселирующим гидрораспределителем регулятора, может быть применен гидрораспределитель с одним узлом гидравлического управления и пружинным возвратом, а в качестве другого исполнительного гидрораспределителя 4/2 применен гидрораспределитель с двумя одинаковыми узлами гидравлического управления и пружинной установкой в позицию, при которой переключаемые гидролинии гидрораспределителя перекрываются, причем узел управления, включающий этот исполнительный гидрораспределитель в позицию, обеспечивающую движение сервомотора, соединен с гидролинией напора.

Такое исполнение и подключение другого исполнительного гидрораспределителя 4/2 позволяет повысить надежность работы устройства за счет увеличения сил на перемещение золотника этого гидрораспределителя при включении в аварийном режиме, так как включение в позицию, соответствующую аварийному режиму, производится под действием давления жидкости.

Кроме того, в предлагаемом устройстве на входе для подвода жидкости под давлением управляющего гидрораспределителя установлен дополнительно один или несколько управляющих гидрораспределителей такой же собственной гидравлической схемы и выход каждого дополнительного гидрораспределителя соединен с входом для подвода жидкости под давлением следующего по потоку гидрораспределителя, а отвод на слив каждого гидрораспределителя соединен со сливной гидролинией.

В результате надежность устройства аварийной защиты повышается за счет обеспечения многоуровневой (по частоте вращения турбины) защиты, так как при отказе одного управляющего гидрораспределителя приведение в действие устройства аварийной защиты осуществляется следующим управляющим гидрораспределителем.

В устройстве возможно также в качестве исполнительных гидрораспределителей 4/2 применить гидрораспределители с двумя узлами гидравлического управления и пружинной установкой в позицию, в которой переключаемые гидролинии перекрываются, при этом вторые узлы гидравлического управления соединены гидролиниями друг с другом и со вторым выходом управляющего гидрораспределителя.

Такое выполнение устройства обеспечивает увеличение сил перемещения золотников обоих исполнительных гидрораспределителей, так как их перемещение в обе позиции производится под действием давления жидкости. В результате повышается надежность устройства.

В случае последнего указанного исполнения устройства на входе для подвода жидкости под давлением управляющего гидрораспределителя установлен дополнительно один или несколько управляющих гидрораспределителей такой же собственной гидравлической схемы, причем один выход каждого дополнительного управляющего гидрораспределителя соединен с выходом для подвода жидкости под давлением следующего по потоку управляющего гидрораспределителя, а второй выход управляющих гидрораспределителей (управляющего гидрораспределителя) с отводом на слив предыдущего по потоку управляющего гидрораспределителя, и вторая пара узлов управления исполнительных гидрораспределителей 4/2 соединена со вторым выходом первого по потоку жидкости дополнительного управляющего гидрораспределителя. В результате дополнительно повышается надежность за счет обеспечения многоуровневой защиты, так как при отказе одного управляющего гидрораспределителя устройство приводится в действие другим управляющим гидрораспределителем.

При всех указанных исполнениях устройства, по крайней мере, один из исполнительных гидрораспределителей может быть выполнен в виде гидрораспределителя с регулируемым упором, ограничивающим открытие его проходных окон. Это позволяет ограничить скорость закрытия НА как при аварийном закрытии, так и при работе от регулятора без применения для этой цели дополнительных дроссельных устройств.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены принципиальные гидравлические схемы устройства в различных случаях его выполнения:
на фиг. 1 изображена схема устройства, выполненного по п. 1 и п. 2 формулы;
на фиг. 2 - схема устройства, выполненного согласно п. 3 формулы;
на фиг. 3 - схема устройства с дополнительными управляющими гидрораспределителями согласно п. 3 и п. 4 формулы;
на фиг. 4 - устройство, выполненное по п. 5 формулы;
на фиг. 5 - устройство, выполненное с дополнительными управляющими гидрораспределителями.

Устройство (фиг. 1) содержит управляющий двухпозиционный гидрораспределитель 1, выход "A" которого соединен с гидролинией 2 напора в позиции "o" гидрораспределителя 1 или соединен с гидролинией 3 слива в позиции "a". В состав устройства также входит исполнительный гидрораспределитель 4, в позиции "b", соединяющий с помощью гидролиний 5, 6 полости сервомотора (не показан) с гидролинией 2 напора и гидролинией 3 слива либо для движения на закрытие направляющего аппарата при использовании устройства аварийной защиты в канале управления НА, либо для движения на открытие РК при использовании устройства аварийной защиты в канале управления РК, а в позиции "a" перекрывающий гидролинии 5, 6 и 2, 3. Устройство, кроме того, содержит второй исполнительный гидрораспределитель 7, соединяющий в позиции "b' полости сервомотора с выходными гидролиниями 8 выходного дросселирующего гидрораспределителя регулятора (не показан). Гидрораспределители 4 и 7 имеют узлы гидравлического управления 9 и 10 соответственно, которые связаны гидролиниями 11 и 12 с выходом "A" гидрораспределителя 1. При этом гидрораспределитель 7 выполнен занимающим при давлении в гидролинии 12 позицию "b'. Гидрораспределитель 4 выполнен занимающим при давлении в гидролинии 11 позицию "a". Гидрораспределитель 4, 7 имеют регулируемые упоры 13, 14, ограничивающие открытие их проходных окон.

В качестве исполнительных гидрораспределителей 4 и 7 в устройстве (фиг. 1) могут быть использованы гидрораспределители 4/2, каждый с одним узлом гидравлического управления соответственно 9 и 10 и пружинным возвратом, выполненным с помощью пружины соответственно 15, 16. В сочетании с исполнительным гидрораспределителем 7 с одним узлом управления 10 и пружинным возвратом, другой исполнительный гидрораспределитель может быть выполнен в виде гидрораспределителя 17 с двумя узлами 18 и 19 гидравлического управления (фиг. 2) и установкой посредством пружины 20 в позицию "o", выполненную в этом гидрораспределителе для перекрытия гидролиний 5, 6, 2, 3. Узел управления 10 гидрораспределителя 7 и узел 19 управления гидрораспределителя 17 соединены гидролиниями 12 и 11 с выходом "A" гидрораспределителя 1.

Второй узел 18 управления гидрораспределителя 17 соединен с гидролинией напора 2 и выполнен включающим позицию "b", в которой гидролинии 5, 6 соединяются с гидролиниями 2, 3 соответственно напора и слива для обеспечения движения сервомотора.

Для обеспечения многоуровневой защиты по частоте вращения гидротурбины в устройстве (фиг. 3), например, при последнем указанном варианте его исполнения на входе для подвода жидкости под давлением в управляющий гидрораспределитель 1 могут быть установлены, например, два дополнительных управляющих гидрораспределителя 21, 22, таких же по их гидравлической схеме, как и гидрораспределитель 1.

Выход "A" каждого дополнительного гидрораспределителя 21, 22 соединен с входом "P" для подвода жидкости следующего по потоку управляющего гидрораспределителя 1 и 21 соответственно. Отвод "T" на слив каждого гидрораспределителя 1, 21, 22 соединен со сливной гидролинией 3.

В случае исполнения устройства, как показано на фиг. 2, при рабочем режиме турбины управляющий гидрораспределитель 1 находится в позиции "o", жидкость под давлением поступает в узлы 10, 19 гидравлического управления исполнительных гидрораспределителей 7 и 17. Гидрораспределитель 7 удерживается в позиции "b". Гидрораспределитель 17, у которого в обоих узлах 19, 18 управления давления одинаковые, пружиной 20 удерживается в позиции "o". При этом полости сервомотора регулирующего органа гидротурбины (НА и РК) соединены с выходным дросселирующим гидрораспределителем регулятора.

В аварийном режиме управляющий гидрораспределитель 1 переключается, как описано ранее, в позицию "a", при этом гидрораспределители 7 и 17 занимают позиции "o" и "b" соответственно и сервомотор движется на закрытие НА (открытие РК). В случае исполнения устройства, показанного на фиг. 3, при рабочем режиме турбины управляющие гидрораспределители 1, 21, 22 находятся в позиции "o", при этом на их выходах "A" жидкость находится под давлением. Вследствие чего их исполнительные гидрораспределители 7 и 17 находятся в позиции "b" и позиции "o" соответственно, а полости сервомотора соединены с выходным дросселирующим гидрораспределителем регулятора (не показан).

В аварийном режиме при достижении первого уровня повышения частоты вращения посылается сигнал на переключение управляющего гидрораспределителя 22. При его переключении из позиции "o" в позицию "a" выход "A" управляющего гидрораспределителя 1 соединяется с линией 3 слива. Вследствие чего исполнительные гидрораспределители 7, 17 переключаются в позиции "o" и "b" соответственно и сервомотор движется на закрытие НА (открытие РК). В случае потери сигнала управления или отказа гидрораспределителя 22 разгон гидротурбины продолжается и при обеспечении второго уровня повышения частоты вращения подается сигнал на переключение гидрораспределителя 21 в позицию "a", при этом выход "A" с гидрораспределителя 1 соединится с линией 3 слива независимо от того, в каком положении находится золотник (не показан) гидрораспределителя 22.

Гидрораспределители 7, 17 переключаются в позицию "o" и "b" соответственно и сервомотор движется на закрытие НА (открытие РК). Аналогично при потере сигнала управления или отказе гидрораспределителя 21 движение сервомотора на закрытие НА (открытие РК) осуществляется при переключении гидрораспределителя 1 в позицию "a" по сигналу, соответствующему третьему уровню повышения частоты вращения гидротурбины.

В случае исполнения устройства, показанного на фиг. 4, в рабочем режиме турбины управляющий гидрораспределитель 1 находится в позиции "o", обеспечивая поступление жидкости под давлением на выход "A", при этом выход "B" соединен с линией 3 слива. Исполнительные гидрораспределители 23 и 17 находятся в позициях "b" и "o" соответственно. Полости сервомотора соединены с выходным дросселирующим гидрораспределителем регулятора.

В аварийном режиме гидрораспределитель 1 переключается в позицию "a". Его выход "A" соединяется с линией 3 слива, а выход "B" с линией 2 напора. В результате гидрораспределители 23 и 17 переключаются в позицию "o" и "b" соответственно и сервомотор движется на закрытие НА (открытие РК).

В случае исполнения устройства, показанного на фиг. 5, при рабочем режиме гидротурбины управляющие гидрораспределители 1, 30, 31 находятся в позиции "o", на их выходах "A" жидкость находится под давлением, а выходы "B" сообщены с гидролинией 3 слива. Исполнительные гидрораспределители 23 и 17 находятся в позициях "b" и "o" соответственно. Полости сервомотора сообщены с выходным дросселирующим гидрораспределителем регулятора.

В аварийном режиме при достижении первого уровня частоты вращения подается сигнал на переключение управляющего гидрораспределителя 1 в позицию "a". Выход "A" гидрораспределителя 1 соединяется с гидролинией 3 слива, а выход "B" гидрораспределителя 31 сообщается с линией 2 напора. При этом исполнительные гидрораспределители 23 и 17 переключаются в позицию "o" и "b" соответственно и сервомотор движется на закрытие НА (открытие РК).

В случае потери сигнала управления или отказа гидрораспределителя 1 разгон гидротурбины продолжается, при достижении второго уровня повышения частоты вращения подается сигнал на переключение гидрораспределителя 30 в позицию "a", при этом выход "A" гидрораспределителя 1 сообщается с гидролинией 3 слива, а выход "B" гидрораспределителя 31 сообщается с гидролинией 2 напора. Далее устройство работает так же, как после переключения его гидрораспределителя 1.

Аналогично при потере сигнала управления или отказе гидрораспределителя 30 движение сервомотора на закрытие НА (открытие РК) осуществляется при переключении гидрораспределителя 31 в позицию "a" по сигналу, соответствующему третьему уровню повышения частоты вращения турбины.

Устройство предназначено для радиально-осевых и для поворотно-лопастных турбин. Устройство содержит управляющий двухпозиционный гидрораспределитель 1, подключенный в зависимости от его позиции к гидролиниям 2 напора или 3 слива, первый исполнительный двухпорционный гидрораспределитель 4, соединяющий в одной позиции полости сервомотора с помощью гидролиний 5, 6 с гидролиниями 2, 3 напора и слива, в другой позиции перекрывающий переключаемые им гидролинии 5, 6, 2, 3, гидрораспределительное устройство, соединяющее и разъединяющее полости сервомотора с выходными гидролиниями 8 гидрораспределителя регулятора. Выход "А" управляющего гидрораспределителя 1 соединен с гидролиниями управления 12, 11 соответственно гидрораспределительного устройства и гидрораспределителя 4. При этом гидрораспределительное устройство выполнено в виде второго двухпозиционного исполнительного гидрораспределителя 7, соединяющего при давлении в линии 12 полости сервомотора с выходными гидролиниями 8 гидрораспределителя регулятора, а в другой позиции перекрывающий переключаемые им гидролинии. Первый исполнительный гидрораспределитель 4 выполнен с возможностью перекрытия гидролиний 2, 3 в позиции "а", соответствующей давлению в гидролинии 11. Технический результат - повышение надежности. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство аварийной защиты гидротурбины, содержащее управляющий двухпозиционный гидрораспределитель, соединяющий каждый свой выход с гидролиниями напора или слива в зависимости от позиции, исполнительный гидрораспределитель 4/2 с гидравлическим управлением, в одной позиции соединяющий полости сервомотора с гидролиниями напора и слива для движения на закрытие направляющего аппарата или на открытие рабочего колеса, а в другой позиции перекрывающий переключаемые им гидролинии, и гидрораспределительное устройство с гидравлическим управлением, соединяющее или разъединяющее полости сервомотора с выходными гидролиниями выходного дросселирующего гидрораспределителя регулятора, причем гидролиния управления гидрораспределительного устройства и один узел управления исполнительного гидрораспределителя 4/2 соединены с одним выходом управляющего гидрораспределителя, отличающееся тем, что гидрораспределительное устройство выполнено в виде исполнительного гидрораспределителя 4/2, соединяющего, при давлении в линии управления, полости сервомотора с выходными гидролиниями выходного дросселирующего гидрораспределителя регулятора, а в другой позиции перекрывающего переключаемые им гидролинии, и первый указанный исполнительный гидрораспределитель 4/2 выполнен с возможностью перекрытия переключаемых им гидролиний в позиции, соответствующей давлению в указанном узле управления. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве исполнительных гидрораспределителей 4/2 применены гидрораспределители с одним узлом гидравлического управления и пружинным возвратом. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве исполнительного гидрораспределителя 4/2, соединяющего сервомотор с выходным дросселирующим гидрораспределителем регулятора, применен гидрораспределитель с одним узлом гидравлического управления и пружинным возвратом, а в качестве другого исполнительного гидрораспределителя 4/2 применен гидрораспределитель с двумя одинаковыми узлами гидравлического управления и пружинной установкой в позицию, при которой переключаемые гидролинии гидрораспределителя перекрываются, причем узел управления, включающий этот исполнительный гидрораспределитель в позицию, обеспечивающую движение сервомотора, соединен с гидролинией напора. 4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что на входе для подвода жидкости под давлением управляющего гидрораспределителя установлен дополнительно один или несколько управляющих гидрораспределителей такой же собственной гидравлической схемы и выход каждого дополнительного гидрораспределителя соединен с входом для подвода жидкости под давлением следующего по потоку гидрораспределителя, а отвод на слив каждого гидрораспределителя соединен со сливной гидролинией. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве исполнительных гидрораспределителей 4/2 применены гидрораспределители с двумя узлами гидравлического управления и пружинной установкой в позицию, в которой переключаемые гидролинии перекрываются, причем вторые узлы гидравлического управления соединены гидролиниями друг с другом и со вторым выходом управляющего гидрораспределителя. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что на входе для подвода жидкости под давлением управляющего гидрораспределителя установлен дополнительно один или несколько управляющих гидрораспределителей такой же собственной гидравлической схемы, причем один выход каждого дополнительного управляющего гидрораспределителя соединен с входом для подвода жидкости под давлением следующего по потоку управляющего гидрораспределителя, а второй выход управляющих гидрораспределителей (управляющего гидрораспределителя) с отводом на слив предыдущего по потоку управляющего гидрораспределителя, и вторая пара узлов управления исполнительных гидрораспределителей 4/2 соединена со вторым выходом первого по потоку жидкости дополнительного управляющего гидрораспределителя. 7. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что, по крайней мере, один из исполнительных гидрораспределителей выполнен в виде гидрораспределителя с регулируемым упором, ограничивающим открытие его проходных окон.