СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОТБОРОМ ПАРА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2002 года по МПК F01D17/20 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах регулирования турбин с отборами пара.

Наиболее эффективные системы управления расходом пара в отбор паровой турбины имеют в своем составе регулирующие диафрагмы, расположенные в проточной части турбины за камерой отбора.

Известна система управления отбором пара паровой турбины, содержащая регулирующую диафрагму с поворотным кольцом, сопловым аппаратом и разгрузочными полукольцами, сервомотор, рычажный механизм и тягу, соединенные таким образом, что один конец тяги соединен с поворотным кольцом, другой ее конец соединен с одним из рычагов рычажного механизма под углом, близким к 90^o во всем диапазоне положений поворотного кольца, а другой рычаг рычажного механизма соединен со штоком сервомотора [Веллер В.Н. Автоматическое регулирование паровых турбин. М.: Энергия, 1977, с. 178, рис. 3-17].

В такой системе мощность сервомогора относительно невелика вследствие разгрузки поворотного кольца.

Приведенное техническое решение имеет следующие недостатки:
1. Значительная сложность конструкции регулирующей диафрагмы вследcтвиe наличия разгрузочных полуколец.

2. Существенная неплотность регулирующей диафрагмы, являющаяся следствием паровой разгрузки поворотного кольца, снижающего экономичность турбины в режиме работы с полностью закрытой регулирующей диафрагмой (с противодавлением).

Наиболее близкой но технической сущности к заявляемому устройству является система управления отбором пapa паровой турбины, содержащая регулирующую диафрагму с поворотным кольцом и сопловым аппаратом, сервомотор, рычажный механизм и тягу, соединенные таким образом, что один конец тяги соединен с поворотным кольцом, другой ее конец соединен с одним из рычагов рычажного механизма под углом, близким к 90^o во всем диапазоне положений поворотного кольца, а другой рычаг рычажного механизма соединен со штоком сервомотора [Бененсон Е. И. , Иоффе Л.С. Теплофикационные паровые турбины. М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 196, 1-й абзац]. Такая регулирующая диафрагма может быть достаточно плотной в закрытом состоянии.

Известная система имеет следующие недостатки.

Для привода поворотного кольца требуется мощный сервомотор, причем усилие, необходимое для перемещения поворотного кольца, имеет максимальную величину в положении полного закрытия регулирующей диафрагмы, когда на поворотное кольцо действует полный перепад давления пара до и после диафрагмы. По мере открытия регулирующей диафрагмы необходимое усилие значительно (в 7... 10 раз) падает вследствие уменьшения перепада давления пара на поворотном кольце. Располагаемое же усилие сервомотора, приложенное к поворотному кольцу, остается неизменным в силу того, что передаточное отношение от сервомотора к поворотному кольцу не изменяется во всем диапазоне положений поворотного кольца. При этом запас усилия сервомотора над требуемым, составляющий, как правило, около 1,8...2,0 в положении полного закрытия регулирующей диафрагмы, увеличивается до 13...16 и более по мере ее открытия. Это приводит к нерациональному использованию мощности сервомотора, завышению его объема, трудностям с его компоновкой на турбине, к снижению экономичности турбоустановки в целом вследствие необходимости применения более мощного насоса системы регулирования.

Цель изобретения - рациональное использование мощности сервомотора в зависимости от степени открытия регулирующей поворотной диафрагмы, уменьшение объема сервомотора, упрощение его компоновки на турбине, повышение экономичности турбоустановки в целом.

Указанная цель достигается тем, что в системе управления отбором пара паровой турбины, содержащей регулирующую диафрагму с поворотным кольцом и сопловым аппаратом, сервомотор, рычажный механизм и тягу, соединенные таким образом, что один конец тяги соединен с поворотным кольцом, другой ее конец соединен с одним из рычагов рычажного механизма под углом, близким к 90^o во всем диапазоне положений поворотного кольца, а другой рычаг рычажного механизма соединен со штоком сервомотора, соединение рычага рычажного механизма с тягой в закрытом положении регулирующей диафрагмы выполняется под углом, определяемым по формуле

где ϕ - угол между рычагом рычажного механизма и тягой, k=P_З/P_O - заданное отношение усилий, приложенных к поворотному кольцу в положении полного закрытия (Р_З) и полного открытия (Р_О) регулирующей диафрагмы, α - угол поворота рычажного механизма, β - угол поворота поворотного кольца.

При таком соединении по мере поворота поворотного кольца из положения полного закрытия до положения полного открытия увеличивается в k раз плечо рычажного механизма, определяемое минимальным расстоянием между линией тяги и центром вращения рычажного механизма. Вследствие этого передаточное отношение от сервомотора к поворотному кольцу также увеличивается в k раз, а передаваемое усилие уменьшается в обратной пропорции, что соответствует характеру изменения требуемого усилия для перемещения поворотного кольца в зависимости от степени открытия регулирующей диафрагмы.

Суть изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена общая схема предлагаемой системы управления отбором пара паровой турбины, на фиг.2 - типичная зависимость усилия для перемещения поворотного кольца регулирующей диафрагмы от угла поворота поворотного кольца из положения закрытой регулирующей диафрагмы и соответствующая зависимость плеча рычажного механизма предлагаемой системы, определяемого минимальным расстоянием между линией тяги и центром вращения рычажного механизма, на фиг.3 - расчетная схема предлагаемой системы управления отбором пара паровой турбины.

Система управления отбором пара паровой турбины состоит из регулирующей диафрагмы 1, включающей поворотное кольцо 2 с выполненными в нем окнами 3 и соплового аппарата 4 с окнами 5 (фиг.1а), сервомотора 6, рычажного механизма 7 с рычагами 8 и 9, тяги 10 (фиг.1б).

Система работает следующим образом. В положении полного закрытия регулирующей диафрагмы 1, при котором окна 3 поворотного кольца 2 не совмещены с окнами 5 в сопловом аппарате 4 (закрыты), элементы системы находятся в положении, изображенном на фиг. 1б сплошными линиями, при этом максимальному требуемому усилию Р_З для перемещения поворотного кольца 2 (фиг.2) соответствуют минимальное плечо R1 рычага 8 рычажного механизма 7 (фиг.1, 2, 3) и, соответственно, максимальное передаваемое усилие от сервомотора 6. Плечо рычага 9, на который воздействует сервомотор 6, остается неизменным во всем диапазоне положений рычажного механизма 7. По мере открытия регулирующей диафрагмы 1 путем перемещения поворотного кольца 2 относительно соплового аппарата 4, при котором окна 3 и 5 сначала частично, а затем полностью совмещаются (открываются), потребное усилие снижается вследствие уменьшения перепада давления пара на поворотном кольце 2, при этом в обратной зависимости увеличивается плечо R (фиг.2) рычага 8 рычажного механизма 7 и, соответственно, снижается усилие, передаваемое сервомотором 6 поворотному кольцу 2. В положении полного открытия регулирующей диафрагмы 1 (фиг.1, 3 - штриховые линии), в котором окна 3 и 5 полностью совмещены (открыты), ycилию Р_о соответствует плечо R2 (фиг.2), т.е. справедливо выражение

Значение утла ϕ, под которым выполнено соединение рычага 8 рычажного механизма 7 с тягой 10 (фиг.1), необходимое для выполнения соотношения (1), может быть получено из расчетной схемы на фиг.3, где сплошными линиями изображено положение элементов системы при закрытой регулирующей диафрагме 1 и штриховыми - при открытой. В прямоугольных треугольниках BDC и B^*D^*C: DC= R1, D^*С=R2, BC=B^*C. Следовательно,

где дополнительно обозначены углы: ε - рычага ВС (рычага 7) к горизонту (∠BCC^*), γ - плеча DC=R1 к горизонту (∠DCC^*, а по построению также ∠AOO^* = γ, поскольку в положении полного закрытия регулирующей диафрагмы 1 ∠OAB = 90^° для наиболее выгодной передачи усилия к поворотному кольцу 2 от сервомотора 6), δ - поворота плеча R из положения полного закрытия в положение полного открытия регулирующей диафрагмы 1 (от значения R1 до значения R2).

В положении полного открытия регулирующей диафрагмы 1 ∠OA^*B^*<90^° и из сравнения треугольников А*ОО* и D*СС* следует, что ∠A^*OO^*>∠D^*CC^* (∠OO^*A^* = ∠CC^*D^*; ∠OA^*O^*<∠C^*D^*C = 90^°), т.е.

γ-β>γ-δ (3)
Добавив в каждую часть неравенства (3) слагаемое ε-α, получим
ε+γ-α-β>ε+γ-α-δ (4)
Учитывая, что и левая, и правая части неравенства (4) не превышают 90^o, имеем
cos(ε+γ-α-δ)>cos(ε+γ-α-β) (5)
и, учитывая формулу (2), из (5) получаем неравенство:

Но

или

Таким образом, с учетом (7) неравенство (6) приобретает вид:
k>cos(α+β)+tg(ε+γ)sin(α+β),
из чего следует, что

Поскольку ε+γ<90^° (см. треугольник BDC, фиг.3), то из (8) следует

Но угол ϕ = 180^°-∠CBD = 180^°-(180^°-90^°-ε-γ), т.е.

ϕ = ε+γ+90^° (10)
и, следовательно, после подстановки (10) в (9) получается неравенство:

С другой стороны, в формуле (2)
cos(ε+γ-α-δ)≤1 (12)
Это означает, что плечо рычага 8 рычажного механизма 7 не может быть больше самого рычага 8 рычажного механизма 7 и, следовательно, из (2) и (12) вытекает, что

или

Следовательно,

С учетом (10) из (15) получается второе неравенство:

Объединяя неравенства (11) и (16), получаем, что угол, под которым должны соединяться тяга 10 и рычаг 8 рычажного механизма 7 в положении полного закрытия регулирующей диафрагмы 1 для обеспечения требуемого соотношения усилий k, приложенных к поворотному кольцу 2 в положениях полного закрытия и полного открытия регулирующей диафрагмы 1, определяется соотношением

Таким образом, в предлагаемой системе управления отбором пара паровой турбины обеспечивается соответствие между требуемым по перепаду давления пара на поворотном кольце и передаваемым от сервомотора усилиями в зависимости от степени открытия регулирующей диафрагмы, что позволяет рационально использовать мощность сервомотора во всем диапазоне работы регулирующей диафрагмы, уменьшить его объем, упростить его компоновку на турбине, повысить экономичность турбоустановки в целом вследствие возможности применения в системе регулирования турбины насоса с уменьшенной производительностью.

Система предназначена для управления отбором пара паровой турбины. Система управления отбором пара паровой турбины содержит регулирующую диафрагму с поворотным кольцом и сопловым аппаратом, сервомотор, рычажный механизм и тягу, соединенные таким образом, что один рычаг рычажного механизма соединен с сервомотором, другой рычаг рычажного механизма соединен с одним концом тяги, а другой ее конец соединен с поворотным кольцом регулирующей диафрагмы. Соединение рычага рычажного механизма с тягой в положении полного закрытия регулирующей диафрагмы выполняется под углом, определяемым по формуле

где ϕ - угол между рычагом рычажного механизма и тягой, k = P₃/P₀ - заданное отношение усилий, приложенных к поворотному кольцу в положении полного закрытия (Р₃) и полного открытия (Р₀) регулирующей диафрагмы, α - угол поворота рычажного механизма, β - угол поворота поворотного кольца. 3 ил.

Система управления отбором пара паровой турбины, содержащая регулирующую диафрагму с поворотным кольцом и сопловым аппаратом, сервомотор, рычажный механизм и тягу, соединенные таким образом, что один рычаг рычажного механизма соединен с сервомотором, другой рычаг рычажного механизма соединен с одним концом тяги, а другой ее конец соединен с поворотным кольцом регулирующей диафрагмы, отличающаяся тем, что соединение рычага рычажного механизма с тягой в положении полного закрытия регулирующей диафрагмы выполняется под углом, определяемым по формуле:

где ϕ - угол между рычагом рычажного механизма и тягой,
k= P₃/P₀ - заданное отношение усилий, приложенных к поворотному кольцу в положении полного закрытия (Р₃) и полного открытия (Р₀) регулирующей диафрагмы,
α - угол поворота рычажного механизма,
β - угол поворота поворотного кольца.