Способ управления затвором для напорных трубопроводов гидромашины и устройство для его осуществления

Способ управления затвором для напорных трубопроводов гидромашины и устройство для его осуществления

Реферат

 

Использование: в гидротурбостроении, в частности для дисковых и шаровых затворов крупных гидротурбин. Сущность изобретения: в способе управления затвором для напорных трубопроводов гидромашин с использованием основного и дополнительного сервомоторов путем подачи масла под давлением в основной сервомотор при закрытии и открытии затвора, а в дополнительный сервомотор - только в момент существенного увеличения гидросопротивления в процессе закрытия затвора, определяемый по коррелирующей величине. При этом в качестве контролируемой коррелирующей величины используют положение затвора относительно перекрываемого отверстия напорного трубопровода. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к гидротурбостроению, а его непосредственными объектами являются способ и реализующее его устройство управления затвором для напорных трубопроводов гидромашин, преимущественно дисковых и шаровых затворов крупных гидротурбин.

Широко известен способ управления дисковым затвором для напорных трубопроводов крупных гидротурбин, предусматривающий использование двух сервомоторов у диаметрально противоположных концов дискового затвора, с помощью которых осуществляют его закрытие и открытие путем синхронной подачи рабочей жидкости, в частности масла, через гидрораспределитель к соответствующим полостям обоих сервомоторов [1] При этом маслонапорная установка должна обеспечивать подачу масла под давлением на открытие и закрытие затвора в количестве, составляющем суммарный объем обоих сервомоторов.

Однако известно, что для дискового затвора моменты гидросопротивления, действующие на него при открытии и закрытии имеют различный характер. Момент гидросопротивления при открытии дискового затвора имеет относительно постоянное значение при любой степени открытия, а при закрытии, имея примерно такое же значение до некоторой степени перекрытия напорного трубопровода, момент гидросопротивления затем значительно возрастает. Поэтому подача масла в количестве суммарного объема обоих сервомоторов как для закрытия, так и для открытия затвора на протяжении всего периода выполнения этих операций является нерациональной. Это в одинаковой степени относится не только к дисковым, но и к другим типам затворов для напорных трубопроводов гидромашин.

Известны разработки, направленные на достижение более экономичного расхода масла. К их числу относится способ управления затвором для напорных трубопроводов гидромашин, предусматривающий использование основного и дополнительного сервомоторов и осуществление управления затворов путем подачи масла под давлением в основной сервомотор на протяжении всего периода операций закрытия и открытия затвора, а в дополнительный сервомотор только при определенной степени закрытия, когда существенно увеличивается гидросопротивление [2] Этот способ, являющийся ближайшим аналогом изобретения, позволяет экономить расход масла и использовать менее мощную маслонапорную установку. Однако осуществление указанного известного способа требует решения сложных задач, так как в этом способе увеличение гидросопротивления определяют по уменьшению скорости закрытия сервомотора, что с учетом замедленного характера протекания этого процесса, создает проблему своевременного включения в работу дополнительного сервомотора для обеспечения регламентируемого времени перекрытия напорного трубопровода.

Одним из устройств, реализующих указанный способ, является устройство, содержащее основной и дополнительный сервомотор, напорную и сливную магистрали, двухпозиционный гидрораспределитель для реверсивной подачи масла в полости основного сервомотора, золотник для подачи масла в полость дополнительного сервомотора на закрытие затвора и байпасную магистраль для полостей дополнительного сервомотора [2] Это устройство, являющееся ближайшим аналогом устройства по изобретению, обеспечивает решение проблем, связанных с реализацией описанного выше способа. Однако работа данного известного устройства сопровождается динамическими возмущениями. Это обусловлено тем, что золотник дополнительного сервомотора находится под воздействием пружины и давления в магистрали, соединенной с полостью основного сервомотора, через которую масло сливается при закрытии затвора и скорость вытеснения масла из которой используется в качестве косвенного параметра, свидетельствующего об уменьшении скорости закрытия затвора. Такое выполнение приводит к тому, что процесс переключения золотника дополнительного сервомотора не обладает условиями устойчивости перехода, так как давление в указанной магистрали при переключении золотника будет изменяться по переменному переходному процессу. Это приводит к вибрациям и автоколебаниям золотника дополнительного сервомотора, что снижает надежность всей системы управления затвором, который является последней ступенью защиты турбомашины от разгона, приводящего к аварии весь турбоагрегат.

В основу изобретения поставлена задача создания такого способа управления затвором и устройства для его осуществления, которые использовали бы основной сервомотор в сочетании с дополнительным, работающим только в период увеличения гидросопротивления при закрытии затвора, и включение которого в рабочий режим осуществлялось бы дискретно, т.е. с исключением неустойчивого переходного процесса, и по параметру, позволяющему осуществить наиболее простым и быстрым путем получение сигнала о необходимости включения в работу дополнительного сервомотора.

Эта задача решена в способе управления затвором с использованием основного и дополнительного сервомоторов путем включения последнего в рабочий режим при закрытии затвора во время увеличения гидросопротивления, определяемого по коррелирующей величине, в котором в качестве контролируемой коррелирующей величины используют положение затвора относительно перекрываемого отверстия напорного трубопровода.

Для поворотных затворов, в частности дисковых, их положение относительно перекрываемого отверстия определяется углом поворота затвора вокруг оси. Так как контроль угла поворота затвора не представляет собой каких-либо сложностей и может быть определен с высокой точностью в любой момент времени в текущем масштабе, способ в соответствии с изложенным решением может быть осуществлен с помощью широко известных многочисленных альтернативных средств, в наиболее оптимальном исполнении и без необходимости преодоления каких-либо проблем.

Реализация способа согласно изобретению может быть осуществлена с помощью устройства, содержащего основной и дополнительный сервомоторы, напорную и сливную магистрали, двухпозиционный гидрораспределитель основного сервомотора, золотник дополнительного сервомотора и байпасную магистраль между полостями последнего, в котором золотник дополнительного сервомотора выполнен со средствами управления, связанными с датчиком положения затвора относительно перекрываемого отверстия.

Так как изменение положения затвора происходит необратимо, указанное решение позволяет при закрытии затвора в определенном его положении осуществить дискретное переключение золотника дополнительного сервомотора без проявления динамических возмущений переходного процесса. Это обеспечивает надежное закрытие затвора в регламентированный период времени при благоприятном характере нагрузки.

В качестве датчика положения затвора могут быть использованы любые известные типы датчиков. При этом для обеспечения высокой надежности при простом исполнении одним из предпочтительных видов исполнения датчика может быть копирный элемент, закрепленный на приводном органе затвора, и взаимодействующий с ним щуп с передаточным механизмом.

Возможно использование и различных средств управления золотником дополнительного сервомотора, отвечающих основному решению, в частности механических передач, электромеханических устройств и пр. Вместе с тем, так как основная часть системы управления затвором выполнена гидравлической, предпочтительно, чтобы средства управления золотником дополнительного сервомотора также были бы выполнены гидравлическими, которые кроме унификации обеспечивают и высокую степень надежности. Таким средством управления может быть переключающий золотник с приводом от датчика положения затвора, соединенный выходной линией с управляющей полостью золотника дополнительного сервомотора.

На чертеже показан схема управления дисковым затвором для напорных трубопроводов гидротурбин.

Изображенный на чертеже пример относится к дисковому затвору 1 крупной гидротурбины, приводимому в действие двумя сервомоторами основным 2 и дополнительным 3, через полости которых 4 и 5 соответственно давление масла действует на закрытие затвора, а через полости 6 и 7 на его открытие.

Полости 4 и 6 основного сервомотора 2 сообщены трубопроводами 8 и 9 соответственно с распределительными окнами 10 и 11 двухпозиционного гидрораспределителя 12, окна 13 и 14 которого подключены к напорной 15 и сливной 16 магистралям маслонапорной установки соответственно (не показано). Полости 5 и 7 дополнительного сервомотора 3 сообщены трубопроводами 17 и 18 соответственно с распределительными окнами 19 и 20 золотника 21, окна 22 и 23 которого подключены к распределительным окнам 10 и 11 соответственно гидрораспределителя 12. Золотник 21 выполнен таким, что в одном из его положений (нижнем по чертежу) распределительные окна 19 и 20 через одну из полостей этого золотника сообщаются между собой, осуществляя байпасную связь полостей 5 и 7 дополнительного сервомотора 3.

На одной из цапф затвора 1, в частности связанной с дополнительным сервомотором 3, закреплено кулачковое кольцо 24, являющееся копирным элементом, который служит средством для определения угла поворота затвора 1. С кулачковым кольцом 24 взаимодействуют два щупа 25 и 26, расположенные на двуплечем рычаге 27, поворот которого при закрытии затвора соответствует моменту, когда необходимо включить в рабочий режим дополнительный сервомотор 3. Из многочисленных исследований известно, что угол поворота дискового затвора на закрытие от горизонтального положения, при котором значительно возрастает момент гидросопротивления, составляет 55-60^o. Этот угол может быть задан более точно расчетным путем или отрегулирован поворотом кулачкового кольца 24 перед его закреплением в процессе натурных испытаний.

Описанные элементы являются основными, необходимыми для осуществления способа.

В открытом положении дисковый затвор 1 располагается в плоскости, через которую проходит ось перекрываемого трубопровода, как показано на чертеже. Затвор удерживается в этом положении сервомоторами 2 и 3, полости 6 и 7 которых находятся под давлением масла, а поршни в крайнем (верхнем по чертежу) положении. При этом гидрораспределитель 12 и золотник 21 находятся в положении, показанном на чертеже.

При закрытии затвора гидрораспределитель 12 переключают в положение (верхнее по чертежу), при котором окно 13 сообщается через одну из соединительных полостей с окном 10, а окно 14 через другую соединительную полость с окном 11. Тем самым по трубопроводу 8 осуществляют подачу масла в полость 4 основного сервомотора 2 и обеспечивают его слив из полости 6 по трубопроводу 9. В то же время золотник 21 должен находиться в положении (нижнем на чертеже), при котором его окна 19 и 20 сообщаются между собой через одну из соединительных полостей этого золотника, так что масло может свободно перетекать из полости 7 дополнительного сервомотора 3 в полость 5 через образовавшуюся байпасную линию. При этом затвор 1 начинает поворачиваться на закрытие (по часовой стрелке по чертежу), а расход масла от маслонапорной установки осуществляется только для работы основного сервомотора 2.

На второй стадии закрытия при достижении определенного угла поворота, на который настроено кулачковое кольцо 24, его управляющий выступ, нажимая на щуп 26, поворачивает рычаг 27, сигнализируя о необходимости включения в рабочий режим дополнительного сервомотора 3. Для этого золотник 21 переключают в положение, при котором через одну из его соединительных полостей окно 19 сообщается с окном 22, а через другую полость окно 20 сообщается с окном 23 (в положение по чертежу), осуществляя тем самым подачу масла в полость 5 дополнительного сервомотора 3 и его слив из полости 7.

При открытии затвора гидрораспределитель 21 переключают в положение, при котором окно 13 сообщается через одну из соединительных полостей с окном 11, а окно 14 через другую соединительную полость с окном 10 (в положение по чертежу). Тем самым по трубопроводу 9 осуществляют подачу масла в полость 6 основного сервомотора 2 и обеспечивают его слив из полости 6 по трубопроводу 8. В то же время золотник 19 переключают в положение, при котором обеспечивается сообщение полостей 5 и 7 дополнительного сервомотора 3 через байпасную линию, как это было описано выше для первой стадии закрытия затвора. После осуществления полного открытия затвора рычаг 27 переводят в начальное положение.

Для обеспечения автоматизированного управления дисковым затвором 1, кроме описанных основных элементов устройство управления оборудуется дополнительными органами.

Один из них относится к средствам управления золотником 21 и представляет собой переключающий золотник 28, управляющее окно 29 которого соединено с одной из управляющих полостей (верхней по чертежу) золотника 21, противоположная управляющая полость которого подключена к напорной магистрали. Два других окна 30 и 31 переключающего золотника 28 подключены к трубопроводам 8 и 9 соответственно. Золотник 28 выполнен со штоком 32, выходящим через один из торцев этого золотника и шарнирно соединенным с концом двуплечего рычага 27. При этом шток 32 выполнен с двумя кольцевыми канавками, с которыми взаимодействует подпружиненная штифтовая защелка 33.

Описанный переключающий золотник работает следующим образом.

При полностью открытом затворе управляющий выступ кулачкового кольца 24, нажимая на щуп 25, устанавливает такое положение двуплечего рычага 27, при котором шток 32 золотника 28 выдвинут в крайнее положение (изображено сплошными линиями по чертежу). При этом окно 29 через одну из соединительных полостей сообщается с окном 30 и трубопроводом 8, а окно 31 с трубопроводом 9, которые в расматриваемый момент подключены через гидрораспределитель 12 соответственно к сливной 16 и напорной 15 магистралям. В этом случае управляющая полость золотника 21, соединенная с окном 29 переключающего золотника 28, будет подключена к сливу, а золотник 21 при этом будет находиться в крайнем верхнем (по чертежу) положении. При закрытии затвора 1 на первой стадии рычаг 28 со штоком 32 будут удерживаться в прежнем положении защелкой 33 и окно 29 переключающего золотника 28 будет по-прежнему сообщено с окном 30. Так как в это время трубопровод 8 будет подключен к напорной магистрали 15, управляющая полость золотника 21, соединенная с окном 29 переключающего золотника 28, будет подключена к напору и золотник 21 будет находиться в положении (нижнее по чертежу), при котором его окна 19 и 20 сообщены между собой. На второй стадии закрытия затвора 1 кулачковое кольцо 24 своим управляющим выступом нажимает на щуп 26 и поворачивает рычаг 27 в положение, при котором шток 32 будет утоплен и удерживаться в этом положении защелкой 33 (на чертеже пунктиpными линиями). В этом случае переключающий золотник 28 будет находиться в положении, при котором его управляющее окно 29 сообщено с окном 31 и трубопроводом 9, а окно 30 с трубопроводом 8, идущими от гидрораспределителя 12. Так как в этот момент трубопровод 9 связан со сливом, в управляющей полости золотника 21, связанной с окном 29 переключающего золотника 28, будет отсутствовать давление и золотник 21 перейдет в положение (верхнее по чертежу), при котором его окно 19 будет сообщаться с окном 22, а окно 20 с окном 23, что соответствует положению включения дополнительного сервомотора 2 в рабочий режим.

При открытии сервомотора переключающий золотник 21 до последних моментов будет оставаться в прежнем положении, но, так как гидрораспределитель 12 будет переведен в другое положение, когда трубопровод 8 будет соединен со сливом, а трубопровод 9 с напорной магистралью 15, давление масла через окно 19 переключающего золотника 28 будет передаваться к соединенной с ним управляющей полости золотника 21. При этом золотник перейдет в положение, при котором его окна 19 и 20 будут сообщаться между собой, байпасируя полости 5 и 7 дополнительного золотника. В конце поворота на открытие затвора 1 кулачковое кольцо 24 своим управляющим выступом нажмет на щуп 25 и переведет рычаг 27 в исходное положение, когда затвор 1 полностью открыт.

Для полноты представления устройства управления затвором 1 на чертеже кроме описанных выше элементов показан также основной командный золотник 34, управляющий положением гидрораспределителя 12. Этот золотник выполнен обычным образом в виде переключающего золотника с управляющим окном 35, соединенным с одной из управляющих полостей гидрораспределителя 12, противоположная управляющая полость которого соединена с напорной магистралью 15. Два других окна 36 и 37 золотника 34 соединены с напорной 15 и сливной 16 магистралями соответственно. Золотник 34 имеет выступающий шток 38, нагруженный возвратной пружиной 39 и охваченный соленоидом электромагнита 40. Шток 38 выполнен с кольцевым пазом для штифтовой защелки 41, управляемой электромагнитом 42.

В исходном состоянии, при отсутствии питания на электромагните 40, золотник 34 находится в положении, при котором его управляющее окно 35 сообщается с окном 36, подключенным к напорной магистрали 15 (в нижнем положении по чертежу). При этом гидрораспределитель 12 находится в одном из описанных выше положений, соответствующих полному открытию затвора 1. При подаче питания на электромагнит 40 золотник 34 перейдет в положение, при котором его управляющее окно 35 будет сообщено со сливной магистралью 16. При этом пружина 39 будет сжата, а штифтовая защелка 41 войдет в кольцевой паз штока 38, фиксируя его в этом положении. В этом положении в управляющей полости гидрораспределителя 12, соединенной с окном 35 золотника 34, давление будет отсутствовать и гидрораспределитель 12 перейдет в положение (нижнее по чертежу), соответствующее работе на закрытие.

изобретение позволяет обеспечить сокращение потребления масла на открытие и закрытие затвора, а следовательно, и использовать менее мощную маслонапорную установку. При этом по сравнению с ближайшим аналогичным решением изобретение позволяет осуществить более стабильное дискретное подключение дополнительного сервомотора при осуществлении закрытия затвора на второй стадии, когда существенно возрастает гидросопротивление. Это обеспечивает повышение надежности и увеличение ресурса работы устройства управления затвором, а кроме того позволяет более точно, без запаса на неопределенность, подобрать типоразмер необходимой маслонапорной установки.

Формула изобретения

1. Способ управления затвором для напорных трубопроводов гидромашин с использованием основного и дополнительного сервомоторов путем подачи масла под давлением в основной сервомотор на протяжении всего периода операций закрытия и открытия затвора, а в дополнительный сервомотор только в момент существенного увеличения гидросопротивления в процессе закрытия затвора, определяемый по коррелирующей величине, отличающийся тем, что в качестве контролируемой коррелирующей величины используют положение затвора относительно перекрываемого отверстия напорного трубопровода.

2. Устройство управления затвором для напорных трубопроводов турбомашин, содержащее основной и дополнительный сервомоторы, напорную и сливную магистрали, двухпозиционный гидрораспределитель для реверсивной подачи масла в полости основного сервомотора, золотник для подачи масла в полость дополнительного сервомотора при закрытии затвора и байпасную магистраль для полостей дополнительного сервомотора, отличающееся тем, что устройство оснащено датчиком положения затвора относительно перекрываемого отверстия, с которым связаны средства управления золотником дополнительного сервомотора.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что датчик положения затвора выполнен в виде копирного элемента, закрепленного на приводном органе затвора, и взаимодействующего с ним щупа с передаточным механизмом.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что средства управления золотником дополнительного сервомотора выполнены с переключающим золотником, привод которого связан с датчиком положения затвора, а управляющее окно с управляющей полостью золотника дополнительного сервомотора.

РИСУНКИ

Рисунок 1