Сервомотор блока регулирующих клапанов турбины
Владельцы патента RU 2269008:
Изобретение относится к области турбостроения, конкретно к сервомотору блока регулирующих клапанов паровой турбины, и предназначено для управления паровпуском турбины, преимущественно с высокими параметрами пара.
При разработке сервомоторов блока регулирующих клапанов, управляющих группой клапанов, необходимо решать несколько технических задач: расположение сервомоторов непосредственно на паровпуске цилиндра паровой турбины, обеспечение открытия клапанов в заданной последовательности, обеспечение надежной работы сервомотора и привода клапанов при открытии и закрытии, компактность сервомотора и привода клапанов, простота конструкции и настройки сервомотора, технологичность изготовления.
Однако такая конструкция сервомотора не предназначена для обеспечения открытия сначала верхнего регулирующего клапана, затем нижнего регулирующего клапана. Кроме того, в этом сервомоторе с телескопически расположенными штоками и фактически раздвоенным поршнем сервомотора остается узел возвратной пружины в передаточной системе от штока, связанного с рычажным механизмом, к другому клапану, в результате остается необходимость в тепловом зазоре для гарантированного закрытия этого клапана. При этом настройка этого зазора в необходимом соотношении с расстоянием между контактными поверхностями штоков сложна и требует большой точности, что повышает вероятность ошибки при установке зазора и расстояния.
Такая конструкция, ввиду расположения обоих возвратных пружин в сливной полости одного сервомотора, обеспечивает исключение возвратной пружины в передаточной системе от второго штока сервомотора к штоку верхнего клапана, что упрощает настройку расстояния между контактными поверхностями элементов штока (в прототипе поршня и тарелки) и вместе с тем обеспечивает требуемую компенсацию тепловых расширений. Указанный технический результат положительно влияет на надежность работы привода блока клапанов.
Однако прототип имеет следующие недостатки: недостаточная величина направляющих поверхностей у штока сервомотора, что может привести к перекосу штоков, надиру рабочей части штоков и последующему их заклиниванию и, в конечном итоге, к незакрытию или неоткрытию сервомотора, что снижает надежность работы такой конструкции. При этом прототип не предназначен для обеспечения открытия сначала верхнего клапана, а затем нижнего.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание сервомотора блока регулирующих клапанов, который обеспечивал бы заданную последовательность открытия сначала верхнего клапана, а затем нижнего клапана и при этом обеспечивал повышение надежности работы сервомотора, исключение возвратной пружины в передаточной системе от второго штока сервомотора к верхнему клапану.
Техническим результатом изобретения является предупреждение перекосов заклинивания штоков сервомотора при обеспечении простоты настройки между контактными поверхностями, служащими для взаимодействия штоков и компенсации тепловых расширений в условиях последовательности открытия сначала верхнего клапана, затем нижнего клапана.
Этот технический результат обеспечивается в сервомоторе блока регулирующих клапанов паровой турбины, содержащем два штока, первый из которых проходит через корпус сервомотора в его нижней части и непосредственно соединен со штоком нижнего клапана, второй шток жестко соединен с осью рычажной передачи, связанной со штоком верхнего клапана, в полости слива корпуса концентрично установленные возвратные наружную и внутреннюю пружины, опертые соответственно в поршень сервомотора, и противостоящую ему тарелку отличающийся тем, что второй шток выполнен полым, внутри него проходит первый шток, выходящий вместе со вторым в верхней части корпуса, полый шток соединен с поршнем сервомотора, на первом штоке в сливной полости установлена посредством шпонки тарелка с обеспечением взаимодействия поршня с тарелкой, при этом ось рычажной передачи размещена в сквозном пазу первого штока с зазором относительно паза с обеспечением взаимодействия штоков и гарантированного закрытия клапанов, полый шток имеет противолежащие прорези в месте установки тарелки для обеспечения вертикального перемещения первого штока.
Для упрощения технологии изготовления целесообразно, чтобы поршень сервомотора имел опорную тарелку, которая жестко соединена с ним и имеет контактную поверхность для взаимодействия через шпонку с тарелкой первого штока, при этом возвратная наружная пружина упирается в указанную опорную тарелку.
Наличие опорной тарелки над поршнем, жестко связанной с ним, дает возможность выполнения поршня с меньшей высотой и исключает необходимость усложнения формы поршня в случае разницы заданных диаметра поршня со стороны напорной полости и диаметра сливной полости сервомотора, что упрощает технологию изготовления. Надо отметить, что увеличение направляющих поверхностей указанным в предлагаемой конструкции образом не сказывается на габаритных размерах сервомотора и сложности конструкции.
Сервомотор блока регулирующих клапанов содержит в корпусе 1 полый шток 2 с закрепленным на нем поршнем 3 сервомотора, разделяющим корпус на сливную 4 и напорную 5 камеры. Наружная возвратная пружина 6 упирается в поршень 3. Для упрощения технологии изготовления поршня 3 путем уменьшения его высоты и упрощения формы поршень может иметь опорную тарелку 7, жестко соединенную с ним, размещенную в сливной полости 4. В этом случае возвратная наружная пружина 6 упирается в тарелку 7. Шток 2 выходит в верхней части корпуса 1 через неподвижную направляющую втулку 8. В верхней части штока 2 жестко закреплена ось 9 рычажной передачи 10, через которую шток 2 связан со штоком 11 верхнего клапана 12.
Другой цельный шток 13 сервомотора проходит через неподвижную направляющую втулку 14 в нижней части корпуса 1 и через полый шток 2 выходит вместе со штоком 2 в верхней части корпуса 1. Шток 13 непосредственно связан через шаровое соединение 15 со штоком 16 нижнего регулирующего клапана 17. В зоне сливной полости 4 в паз штока 13 встроена шпонка 18 и пластина 20. Тарелка 19 установлена на шпонке 18 и зафиксирована в радиальном направлении пластиной 20. Полый шток 2 имеет противолежащие сквозные прорези 21 для размещения шпонки 18 и свободного перемещения штока 13 сервомотора.
Поршень 3 штока 2 и тарелка 19 штока 13 взаимодействуют посредством контакта со шпонкой 18 кольцевого элемента 22, фиксирующего поршень 3 на штоке 2, или опорной тарелки 7 (при выполнении поршня с тарелкой), при этом контактные поверхности указанных элементов, обеспечивающие взаимодействие штоков 2, 13 размещены на расстоянии «L», определяемом заданной задержкой в требуемой последовательности открытия верхнего 12, затем нижнего 17 клапанов.
Ось 9 рычажной передачи 10 проходит через сквозной паз 23 в верхней части штока 13 с зазором по периметру паза 23. При этом величина осевого зазора b над осью 9 выполнена больше расстояния «L» для обеспечения гарантированного взаимодействия указанных контактных поверхностей, а величина осевого зазора d под осью 9 определяется величиной гарантированного закрытия верхнего клапана 17. Возвратная внутренняя пружина 24 оперта в тарелку 19 штока 13.
Сервомотор блока регулирующих клапанов работает следующим образом. При открытии клапанов в камеру 5 поступает напорное давление и подъемом полого штока 2 через рычажную передачу 10 открывает верхний клапан 12 до его эффективного значения. При этом шток 2 перемещается в направляющей втулке 8 и через шток 13 получает направление от втулки 14, тем самым имея две направляющие поверхности в отличие от прототипа.
При выборке указанного зазора «L» полый шток 2 с помощью контактной поверхности опорной тарелки 7 через шпонку 18 начинает перемещать размещенный в нем шток 13, который перемещается в направляющей втулке 14. При этом, перемещаясь вместе со штоком 2, шток 13 получает направление от неподвижной втулки 8, тем самым имея две направляющие поверхности в отличие от прототипа.
1. Патент РФ № 2135781, F 01 D 17/10, 1999 г.
2. Патент РФ № 2174607, F 01 D 17/20, 2001 г.
1. Сервомотор блока регулирующих клапанов паровой турбины, содержащий два штока, первый из которых проходит через корпус сервомотора в его нижней части и непосредственно соединен со штоком нижнего клапана, второй шток жестко соединен с осью рычажной передачи, связанной со штоком верхнего клапана, в полости слива корпуса концентрично установленные возвратные наружную и внутреннюю пружины, опертые соответственно в поршень сервомотора и противостоящую ему тарелку, отличающийся тем, что второй шток выполнен полым, внутри него проходит первый шток, выходящий вместе со вторым в верхней части корпуса, полый шток соединен с поршнем сервомотора, на первом штоке в сливной полости установлена посредством шпонки тарелка с обеспечением взаимодействия поршня с тарелкой, при этом ось рычажной передачи размещена в сквозном пазу первого штока с зазором относительно паза с обеспечением взаимодействия штоков и гарантированного закрытия клапанов, полый шток имеет противолежащие прорези в месте установки тарелки для обеспечения вертикального перемещения первого штока.
2. Сервомотор по п.1, отличающийся тем, что поршень сервомотора снабжен опорной тарелкой, которая жестко соединена с ним и имеет контактную поверхность для взаимодействия через шпонку с тарелкой первого штока, при этом возвратная наружная пружина упирается в указанную опорную тарелку.
Сервомотор для привода регулирующего клапана паровой турбины
Владельцы патента RU 2461718:
Известно множество различных видов сервомоторов для перемещения регулирующих клапанов, заслонок, шиберов с целью изменения регулируемого параметра: мощности, скорости, направления движения, качества продукта и т.п.
Известен гидравлический сервомотор блока регулирующих клапанов паровой турбины, состоящий из силового цилиндра с поршнем и штоком, соединенным со штоком клапана. Поршень сервомотора нагружен пакетом пружин, расположенных внутри силового цилиндра. Перемещением поршня управляет золотниковое устройство (RU 2264542, МПК: F01D 17/26, опубл. 20.11.2005).
Недостатком известного сервомотора является то, что золотниковое устройство вынесено из корпуса сервомотора, между сервомотором и золотниковым устройством выполняются длинные трубопроводы напорного и импульсного масла, вводятся дополнительные фланцевые соединения.
Известен сервомотор для привода регулирующего клапана турбины, состоящий из силового цилиндра с поршнем и пакетом пружин внутри, с золотниковым устройством для управления поршнем. В данном сервомоторе силовой цилиндр и корпус золотникового устройства выполнены в виде единой отливки. Нижний торец золотника нагружен давлением импульсного масла от регулятора скорости вращения вала турбины. Сила, действующая на золотник вверх от импульсного масла, уравновешивается силой золотникового пакета пружин, действующей на золотник вниз. Под действием этих двух сил золотник находится в среднем (или в другом расчетном) положении, управляя положением поршня и клапана (Щегляев А.В. Регулирование паровых турбин. ГЭИ, М.-Л., 1962 г., 256 с, стр.242, рис.12-3).
По совокупности признаков это известное изобретение является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
Недостатком известного изобретения, а также причиной, препятствующей достижению желаемого технического результата при использовании упомянутого известного устройства, является то, что, во-первых, для выполнения наладки требуется изготовить специальные детали, которые после наладки заменяются штатными. Во-вторых, несмотря на то, что нижняя крышка золотникового устройства имеет в центре специальный буртик для защиты от сливающегося масла, индикатор заливается маслом во время испытаний, и надо подставлять поддон для сбора протечек масла, иначе в условиях электростанции масло попадет на расположенный под сервомотором клапан, пропитает изоляцию паропроводов и может быть причиной пожара. В условиях электростанции сервомотор, преимущественно, устанавливается над клапаном на фланец крышки клапана. То есть сервомотор устанавливается в проеме пола машинного зала и поэтому не на что ставить поддон для сбора протечек масла. Это создает определенные препятствия при наладке сервомоторов. И, в-третьих, измерительный инструмент-индикатор заливается маслом, что создает неудобство в работе, так как масло попадает на спецодежду наладчика.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными или эквивалентными предлагаемым.
Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков, позволило выявить в заявленном устройстве совокупность существенных отличительных признаков по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, изложенную в нижеприведенной формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных из уровня техники решений. Результаты поиска показали, что предлагаемое изобретение не вытекает явным для специалиста образом из известного уровня техники и определенного заявителем. В частности, предлагаемым изобретением не предусматривается следующее:
— дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
— замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
— исключение какой-либо части (элемента) устройства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом известного из уровня техники для такого исключения результата, как, например, упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и т.п.;
— увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
— создание устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, а достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемый сервомотор работает следующим образом. Для открытия регулирующего клапана в камеру 13 по маслопроводу 11 подается импульсное масло от управляющего блока системы регулирования турбины, создавая силу для перемещения золотника 9 вниз. Когда эта сила будет превышать силу пружины 10, действующую через рычаг 21 на золотник 9 снизу, золотник 9 пойдет вниз и откроет окна 8. Это откроет подвод напорного масла из маслопровода 15 и полости 16 под поршень 2. Поршень 2 переместится вверх на открытие клапана и рычагом 33 обратной связи передвинет подвижную буксу 7 вниз, закроет окна 8. После чего движение поршня 2 и соединенного с ним клапана прекратится, то есть команда блока управления выполнена. Для перемещения поршня 2 вниз необходимо уменьшить величину давления в камере 13, и процесс регулирования пойдет в обратном порядке. При этом по зазорам между буксами 6 и 7 и между золотником 9 и буксой 7 масло стекает внутрь корпуса 17 бокса, из которого отводится сливным трубопроводом 18.
Вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании предлагаемого устройства следующей совокупности условий:
— устройство, воплощающее предлагаемое изобретение при его осуществлении, используется в теплоэнергетике, в частности в системах регулирования и защиты паровых турбин;
— для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной формуле изобретения, подтверждается возможность его осуществления с помощью приведенных в описании заявки средств и методов;
— устройство, воплощающее заявленное изобретение, при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».
сервомотор привода регулирующих клапанов паровой турбины
Формула изобретения
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к устройствам системы соплового парораспределения паровых турбин, а его объектом является сервомотор привода регулирующих клапанов на паровпуске в цилиндр турбины большой мощности с высокими параметрами пара.
Для таких турбин принято располагать блок регулирующих клапанов вокруг паровпуска, а для привода клапанов обычно используют один сервомотор с механической передаточной системой, включающей реечный механизм и кулачковый вал, обеспечивающий последовательное открытие клапанов через рычаги и подвижные рамки, установленные в колонках на корпусах клапанов и соединенные с их штоками. Для закрытия клапанов используют возвратные пружины, устанавливаемые в монтажных колонках с упором в подвижные рамки со стороны, противоположной штоку клапана (1). Наличие в таких приводах реечного механизма и кулачкового вала, работающих при больших нагрузках, приводит к понижению надежности таких приводов. Этому также не благоприятствует нахождение подвижных рамок и возвратных пружин в высокотемпературных зонах с вероятностью их пропаривания утечками пара из клапанов. Эти рамки и пружины с монтажными колонками приводят также к увеличению вертикального размера пространства, занимаемого блоком клапанов.
Известны системы соплового парораспределения, в частности для турбин K-300-240 ЛМЗ, в которых все регулирующие клапаны оснащены индивидуальными сервомоторами одностороннего действия с размещенными в их полости слива возвратными пружинами (2). Такие системы обладают высокой надежностью в работе, но вместе с тем и высокой металлоемкостью с увеличенными затратами на изготовление, а кроме того, требуют большего пространства для их размещения.
Известны приводы регулирующих клапанов, относящиеся к вариантам промежуточного типа по сравнению с описанными приводными устройствами, в которых использованы сервомоторы с двумя штоками, позволяющие управлять, по меньшей мере, двумя клапанами, одним из которых непосредственно, а другим через относительно простой и надежный рычажный механизм. Из используемых в таких приводах сервомоторов ближайшим аналогом настоящего изобретения является сервомотор привода регулирующих клапанов, содержащий поршень, два штока, один из которых скреплен с поршнем, проходящих через противоположные концы корпуса и противостоящих в полости слива друг другу взаимодействующими контактными поверхностями концевых элементов на расстоянии, определяемом заданной последовательностью срабатывания клапанов (3).
Такой сервомотор одностороннего действия, как и описанный выше для управления группой клапанов, требует использования в приводной системе возвратных пружин с подвижными рамками, установка которых в неблагоприятной зоне приводит к снижению надежности работы привода. Известен сервомотор, аналогичный описанному, с двумя штоками, в полость слива которого встроена возвратная пружина (4). Однако этот сервомотор с телескопически расположенными штоками и раздвоенным поршнем сложен в изготовлении, а возвратный ход обеспечен только для одного из штоков и связанного с ним клапана. В передаточном механизме от второго штока к управляемому им клапану узел возвратной пружины остается, как и остается необходимость в тепловом зазоре, требуемом для гарантированного закрытия этого клапана в любых тепловых состояниях. Настройка этого зазора в необходимом соотношении с расстоянием между контактными поверхностями штоков сервомотора требует особого внимания и повышает вероятность ошибки при установке величин указанного зазора и расстояния.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания сервомотора привода регулирующих клапанов паровой турбины, обеспечивающего непосредственное управление одним клапаном, а через рычажную передачу, по меньшей мере, еще одним другим клапаном, который позволял бы исключить необходимость введения возвратной пружины в передаточную систему между штоками сервомотора и клапана, позволял бы обеспечивать простоту настройки расстояния между контактными поверхностями штоков сервомотора, обеспечивая вместе с тем компенсацию тепловых расширений с гарантированным закрытием клапанов, и который был бы относительно простым в изготовлении.
Благодаря такому решению в результате оснащения второго штока тарелкой и установки возвратных пружин для ходов обоих штоков в сервомоторе устраняются все указанные выше недостатки известных приводных устройств.
Сущность настоящего изобретения поясняется следующим далее подробным описанием одного из примеров его осуществления, иллюстрируемого прилагаемым чертежом, на котором изображена часть блока регулирующих клапанов с приводом, включающим сервомотор согласно изобретению.
Блок регулирующих клапанов паровпуска цилиндра паровой турбины содержит несколько размещенных в индивидуальных корпусах регулирующих клапанов, из которых каждая пара 1 и 2 управляется одним приводом. Этот привод содержит сервомотор 3 и рычажный передаточный механизм, включающий стяжку 4, рычаги 5 и 6 и соединительное звено 7.
Работа описанного привода происходит следующим образом.
При открытии клапанов в полость управления 11 сервомотора 3 подают напорное давление и подъемом штока 13 открывают клапан 1 до его эффективного значения. Дальнейший ход штока 13 определяется установленным значением расстояния «L», рассчитанного по нужной задержке открытия клапана 2, соответствующей заданной последовательности открытия клапанов 1 и 2. После выборки расстояния «L» шток 13 своей контактной поверхностью через контактную поверхность штока 14 осуществляет его перемещение и через рычажный передаточный механизм открывает клапан 2. При перемещении штоков 13 и 14 осуществляется сжатие возвратных пружин 16 и 17.
При отключении напорного давления под действием возвратных пружин 16 и 17 осуществляется перемещением штоков 13 и 14 в обратном направлении и тем самым закрытие клапанов 1 и 2.
Источники информации
1. А.Д. Трухний, С.М. Лосев. Стационарные паровые турбины. М., 1981 г., с. 149-150, рис. 5.25.
2. Там же, с.220, рис. 7.23.
3. Патент РФ N 2080455, F 01 D 17/10, 1997 г.
4. Патент РФ N 2135781, F 01 D 17/10, 1999 г.
Регулирование турбин
Регулирование чисто конденсационной турбины имеет своей целью непрерывно поддерживать равенство между нагрузкой генератора и развиваемой турбиной мощностью при минимальном колебании числа оборотов.
Регулирующий механизм такой турбины состоит из:
У теплофикационных турбин регулирующий механизм осложняется устройствами для регулирования давления отбираемого пара или противодавления.
Прежде чем приступить к изучению способов регулирования турбин, познакомимся с некоторыми деталями регулирующего механизма и их назначением, что облегчит понимание схем, с которыми мы будем иметь дело ниже.
Центробежный регулятор
Центробежный регулятор (регулятор скорости) есть аппарат, расположение некоторых частей которого меняется под действием центробежных сил при изменении числа оборотов двигателя, чем вызывается необходимая перестановка парораспределительных устройств.
Схема устройства центробежного регулятора показана на (рис. 81). Вращающийся вал 1 паровой турбины посредством шестерен или червячной передачи приводит во вращение вертикальный валик 2 регулятора. Грузы 3, шарнирно соединены с валиком посредством рычагов и стянутые пружиной, вращаются вместе с валиком, описывая окружность, диаметр которой зависит от числа оборотов. При увеличении скорости вращения (числа оборотов) диаметр этой окружности возрастает, так как под действием центробежной силы грузы стремятся удалиться от центра вращения. Для каждого определенного числа оборотов существует определенного положение грузов, при котором действие центробежной силы уравновешивается натяжением пружины и влиянием веса грузов.
Грузы 3 шарнирно связаны с муфтой 4 посредством рычагов и, расходясь, поднимают муфту, а сходясь, опускают ее. Перемещение муфты вызывает соответствующее перемещение клапана 5, регулирующего поступление пара в турбину. При перемещении муфты вверх клапан прикрывается и пропуск пара в турбину уменьшается, при перемещении муфты вниз клапан открывается и пропуск пара увеличивается.
Каждой нагрузке турбины соответствует определенный пропуск пара, то есть определенное положение паровпускного клапана и муфты регулятора, а следовательно,- определенное число оборотов, при котором только и возможно это положение. Наименьшее число оборотов и наибольшее открытие клапана будут иметь место при максимальной нагрузке турбины, а наибольшее число оборотов- при холостом ходе турбины. Отсюда следует, что центробежный регулятор не может держать строго неизменным число оборотов турбины при изменяющейся нагрузке, а только ограничивает колебания числа оборотов в определенных пределах.
Если обозначить через n1 число оборотов турбины на холостом ходу и через n2— число оборотов при максимальной нагрузке, то среднее число оборотов равно:
Разность между наибольшим и наименьшим числами оборотов, выраженная в процентах от среднего числа оборотов, называется степенью неравномерности регулирования и обозначается греческой буквой ð (дельта):
Величина степени неравномерности зависит то конструкции и качества выполнения регулирующего механизма; в современных турбинах она составляет обычно 3-5%. Таким образом, при ð=5% и нормальном числе оборотов nср=3000 об/мин регулирующий механизм будет иметь колебания числа оборотов в пределах от n1=3075 об/мин до n2=2925 об/мин.
Согласно правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей, степень неравномерности регулирования должна быть 4+/-1%
Одна из конструкций регулятора показана на (рис. 82). Регуляторный валик 5 приводится во вращение шестерней 1, сцепленной с червяком, сидящим на конце главного вала. При увеличении числа оборотов вала колодки (грузы) 2 регулятора стремятся разойтись преодолевая натяжение пружин 3, и тем меняют положение муфты 4 на валике 5. При уменьшении числа оборотов турбины явление протекает в обратном порядке. Муфта 4 связана с парораспределительными органами передаточным механизмом, на (рис. 82) не показанным и каждое ее положение соответствует определенному состоянию последних. Валик описанного регулятора расположен горизонтально (см. рис. 96); в паровых турбинах иногда применяют также регуляторы с вертикальным расположение валика (см. например, рис. 86).
Очевидно, что при изменении нагрузки турбины регулятор ее начинает изменять свое положение не сразу а тогда, когда изменение числа оборотов окажется достаточным, чтобы преодолеть трение в механизме регулятора. Только после того, как это трение преодолено, фактически начинается регулирование числа оборотов турбины.
будет определять степень нечувствительности регулятора которая не должна превышать 0,5%. Чем лучше конструкция, изготовление и состояние регулятора, тем ближе значение £ к нулю. Однако степень нечувствительности самого лучшего по конструкции регулятора может резко ухудшиться из-за плохой эксплуатации (ржавление трущихся деталей регулятора, недостаток или отсутствие смазки в шарнирных соединениях, разработка их и т. п.).
Представленный на (рис. 82) регулятор, как и другие регуляторы подобного типа, является тихоходным и обладает большим числом трущихся частей, что сильно снижает его чувствительность. Московским энергетическим институтом и ЛМЗ созданы оригинальные конструкции высокооборотных высокочувствительных центробежных регуляторов для паровых турбин. Регулятор МЭИ представлен на (рис. 83); он состоит в основном из закрепленного на конце вала 1 кольца 2, выполненного из десяти витков плоской пружины и несущего два груза 5. При вращении вала грузы 5 расходятся, растягивая пружинное кольцо 2; при этом деталь3 (так называемый «отбойный диск»), закрепленная на кольце 2, перемещается вдоль геометрической оси вала подобно муфте обычного регулятора. Перемещение детали 3 вызывает изменение ширины сливной щели а (см. деталь А), что приводит к изменению давления масла в системе регулирования и через посредство усилителей- к перестановке клапанов, управляющих впуском пара в турбину.
Регулятор турбины, соединенной с электрическим генератором, должен обладать особой чувствительностью, так как изменение числа оборотов генератора вызывает колебания напряжения и частоты электрического тока в присоединенной сети.
Регулятор будет тем чувствительнее, чем меньше его перестановочная сила, складывающаяся из силы собственного трения регулятора и силы сопротивления движению приводимых им деталей; поэтому регуляторы турбин почти никогда не соединены непосредственно с парораспределительными органами, а воздействуют на них косвенным образом через вспомогательный механизм, называемый сервомотором. Для уменьшения потерь на трение все движущиеся части регулятора пригоняют с большой точностью и помещают его в закрытый кожух, где он работает с обильной смазкой.
Регулятор всегда снабжают приспособлением, дающим возможность от руки несколько изменить по желанию в ту или иную сторону число оборотов турбогенератора, что бывает необходимо при включении последнего на параллельную работу и при распределении нагрузки между несколькими турбогенераторами. Устройство таких приспособлений, называемых синхронизаторами, рассмотрено ниже.
Масляный сервомотор
Для совершения работы перемещения парораспределительных органов пользуются энергией масла циркулирующего под давлением от 1,5 до 12 кг в системе турбогенератора, используя эту энергию посредством вспомогательного двигателя- сервомотора. Схема простейшего соединения регулятора с сервомотором показана на (рис. 84). Муфта 1 регулятора при изменении числа оборотов турбины поднимается или опускается по валику 2 и посредством рычага 3 и штока 4 перемещает не сам клапан, как на (рис. 81), а цилиндрический золотник 5.
Допустим, что число оборотов турбины начинает увеличиваться из за уменьшения нагрузки; муфта 1 поднимется и опустит вниз золотник 5 который откроет каналы 10 и 11; поступающее под давлением из канала 6 масло пойдет по нижнему каналу 11 под поршень 7 сервомотора, а по верхнему каналу 10 масло будет уходить из верхней полости сервомотора на слив. Поршень 7 будет подниматься, и вместе с этим будет закрываться клапан 8, управляющий впуском пара в турбину.
Из этой схемы, очевидно, что, увеличивая площадь поршня 7, мы можем получить от сервомотора любую необходимую нам мощность, не нагружая регулятор, роль которого сводится к незначительной работе передвижения золотника 5, причем давление масла на золотник вполне уравновешенно, так как оно одновременно действует на оба поршенька золотника в разные стороны.
Описанная схема простейшего соединения, однако практически непригодна. Причины этого следующие: продолжая начатое рассуждение мы увидим, что в какой-то момент времени клапан закроется как раз настолько, что мощность турбины станет равна нагрузке генератора, но золотник при этом не будет находится в среднем положении и масло будет продолжать поднимать поршень сервомотора и закрывать клапан. Мощность турбины окажется уже недостаточной, и число оборотов станет падать; тогда муфта регулятора под действием сходящихся грузов опустится вниз, что вызовет перемещение золотника вверх, подачу масла под давлением в верхнюю полость сервомотора и открытие клапана. При этом произойдет увеличение пропуска пара, но больше, чем нужно, число оборотов станет вновь возрастать и процесс изменения пропуска пара и колебания числа оборотов будет повторяться, причем с увеличением амплитуды колебаний.
Чтобы устранить эти колебания, нужно выполнить рычажную систему по (рис. 85). В ней точка В качания рычага 3 сделана подвижной и соединена тягой А (так называемой «обратной связью») с контрштоком сервомотора. При перемещении муфты регулятора кверху рычаг 3 поворачивается вокруг точки В, опускает золотник вниз, и это приводит к подъему поршня сервомотора вверх, как и в схеме (рис. 84). Однако здесь одновременно с подъемом поршня сервомотора будет подниматься кверху тяга обратной связи А; она воздействует на рычаг 3 и заставляет его повернуться вокруг точки С, что приводит к возвращению золотника в среднее положение и прекращению подачи масла в сервомотор. Если равновесие между нагрузкой и движущей силой еще не установилось, муфта регулятора будет продолжать подниматься и процесс будет повторяться до тех пор, пока муфта не остановиться, что произойдет при равенстве мощности и нагрузки.
Основанное на этом принципе регулирующее устройство турбины, отличающееся от схемы (рис. 85) только расположением деталей, показано в разрезе на (рис. 86); эта конструкция типична для многих турбин средней мощности. Изображенный на (рис. 86) механизм имеет приспособление (синхронизатор), дающее возможность менять от руки число оборотов на 5%; устроено это приспособление следующим образом.
Муфта 19 соединена с зубчатым колесом и сидит на винтовой резьбе, нарезанной на штоке 15 клапана 5; вращение второго зубчатого колеса 16 посредством маховичка 18 или электромотора 17 (если управление происходит дистанционно) муфту 19 можно передвинуть вверх или вниз, что вызовет вращение рычага 7 вокруг оси 9, изменит положение золотника 11 и, следовательно, приведет к некоторому перемещению дроссельного клапана.
Различными заводами применяются и другие схемы устройства приспособлений для изменения числа оборотов. В схеме, показанной на (рис. 87), вращением ручного маховичка 1 можно изменять натяжение пружины 2, и этим влиять на положение муфты 4, а следовательно, и на пропуск пара в турбину.
В схеме (рис. 88) золотник сервомотора имеет подвижную вставную втулку 1 с отверстиями, расположенными против масляных каналов; поднимая или опуская эту втулку при помощи маховичка 2, можно влиять на поступление масла в цилиндр сервомотора. Передвинув, например, втулку в положение, показанное пунктиром, мы откроем доступ масла под поршень сервомотора и слив его из верхней полости, вследствие чего прикроется дроссельный клапан; одновременно золотник станет в новое среднее положение.
Способы регулирования и парораспределительные приспособления
Задача регулирования, как мы уже говорили, состоит в том, чтобы развиваемая турбиной мощность и нагрузка всегда уравновешивали друг друга, для чего при изменении величины нагрузки должна соответственно изменяться и развиваемая мощность.
Регулировать мощность можно:
Количественное регулирование заключается в том, что количество протекающего в единицу времени пара меняется в соответствии с нагрузкой, но давление его перед соплами остается неизменным. Достигнуть этого можно только плавным изменением пропускного сечения сопел первой ступени. Количественное регулирование в чистом виде не применяют, так как механизм его получился бы очень сложным.
При чисто качественном регулировании пропуск пара через турбину должен оставаться неизменным, а мощность должна меняться за счет изменения начальных параметров (давления) пара. Такой способ регулирования в чистом виде стационарных установках не применяется, так как в условиях относительно небольших изменений нагрузки он не экономичен и вызвал бы большие трудности при осуществлении на электростанции.
В практике находит применение только смешанное регулирование, при котором изменение мощности достигается за счет одновременного изменения как пропуска пара так и располагаемого теплопадения всего подводимого к турбине пара (дроссельное парораспределение) или какой-то его части (сопловое парораспределение).
Дроссельное парораспределение заключается в том, что при уменьшении нагрузки паровпускной (дроссельный) клапан под действием регулятора прикрывается и дросселирует свежий пар, давление которого за клапаном понижается. Изображенный на (рис. 86) механизм является устройством именно такого рода.
Одновременно с дросселированием пара дроссельный клапан изменяет и количество пара, поступающего в турбину.
Дросселированием или торможением пара называется такое снижение его давления, в результате которого теплосодержание пара не меняется. Теплосодержание дросселированного пара после расширения в соплах будет выше, чем теплосодержание недросселированного пара, расширившегося в тех же соплах до того же конечного давления; за счет этого и уменьшается теплопадение, то есть работоспособность дроселированного пара.
При полном открытии дроссельного клапана турбина развивает свою номинальную мощность. На случай снижения начальных параметров пара или ухудшения вакуума иногда устанавливают один или несколько добавочных клапанов для впуска пара в дополнительные группы сопел первой ступени.
Перед дроссельным клапаном и за ним устанавливают манометры, по показаниям которых можно судить о положении клапана; при полном его открытии показания манометров почти совпадают, так как дросселирование пара очень незначительно. При неполной нагрузке дроссельный клапан частично прикрыт, и показание манометра, включенного за клапаном, будет значительно меньше, чем включенного перед ним, из-за большой потери давления в клапане. По показаниям этих манометров можно довольно точно определить расход пара и нагрузку турбины.
Достоинством дроссельного парораспределения является простота конструкции, недостатком- плохая экономичность при неполных нагрузках турбины, так как дросселируется весь пар, поступающий в турбину, а дросселирование пара неизбежно связано со снижением его работоспособности.
Кроме того, мы знаем, что наибольший к.п.д. турбины получается, если между скоростью лопаток и скоростью истечения пара из сопел имеется определенное соотношения; скорость лопаток при работе турбины остается практически неизменной, но скорость истечения пара при изменении расхода его изменяется (это относится главным образом к последним ступеням турбины). Следовательно, турбина будет иметь наименьший расход пара на единицу мощности (удельный расход)только при одной определенной величине нагрузки (при полной нагрузке), а при уменьшении ее удельный расход пара будет повышаться.
Сопловое парораспределение, получившее в современных турбинах наибольшее распространение, выполняется так: сопла перовой ступени разбивают на несколько групп, к каждой из которых доступ пара открывается отдельным клапаном, связанным с регулятором. Клапаны открываются последовательно друг за другом; следующий клапан начинает открывается лишь после почти полного открытия предыдущего. Таким образом, при любой нагрузке турбины дросселирование пара может происходить лишь в одном клапане, другие же будут полностью закрыты или открыты, то есть дросселировать пар не будут.
Допустим, что турбина мощностью 5000 квт имеет четыре группы сопел; тогда регулирование в пределах нагрузки от 0 до примерно 1000 квт будет производится дросселированием пара в первую группу сопел. когда нагрузка достигнет 1000 квт, клапан этот будет открыт полностью; при дальнейшем увеличении нагрузки постепенно начнет открываться клапан, управляющий второй группой сопел; при нагрузке примерно 2500 квт клапан второй группы будет открыт полностью, и начнет вступать в действие третья группа сопел и так далее.
Пример конструктивного выполнения соплового парораспределения показан на (рис. 90). Регулятор скорости турбины связан с сервомотором 1, который соединен штоком 2, рычагом 3 и двумя штоками 4 с траверсой 5. Перемещение поршня сервомотора 1 вверх или вниз вызывает соответствующие перемещения траверсы 5 в вертикальной плоскости.
В траверсе 5 имеется четыре отверстия, через которые свободно с небольшим зазором входят хвостовики четырех парораспределительных клапанов, имеющие разную длину. В данном конкретном случае хвостовик клапана 6 имеет свободный конец 24,6 мм между траверсой и гайкой, сидящей на его конце, клапан 7— только 1 мм, клапан 8— 11,3 мм и клапан 9, самый длинный,- 39,5 мм. Находясь в крайнем нижнем положении траверса 5 прижимает головки всех четырех клапанов к их седлам, закрывая доступ свежего пара в проточную часть турбины. При перемещении траверсы 5 вверх под действием импульсов, полученных от регулятора скорости, траверса последовательно тянет за собой клапаны, начиная с клапана 7, имеющего самый короткий хвостовик, и устанавливает доступ пара в турбину, соответствующий ее нагрузке.
Число парораспределительных клапанов может достигать 10. Штоки 4, перемещающие траверсу 5, проходят через лабиринтовые уплотнения 10 в крышке клапанной коробки.
Таким образом, в этой конструкции парораспределительного механизма нет пружин и зубчатых передач, что делает ее вполне надежной в работе.
В другой распространенной конструкции сопловое парораспределительного механизма управление клапанами осуществляется посредством валика с кулачками различного профиля, открывающими клапаны в нужной последовательности. Примеры таких конструкций приведены на (рис. 4-2)
Обводное парораспределение. У современных крупных турбин регулирование в некоторых случаях бывает рассчитано так, что на экономической нагрузке (нагрузка, при которой к.п.д. турбины достигает наибольшего значения) полностью открыты все групповые клапаны или дроссельный клапан, а каких-либо перегрузочных сопел в первой ступени нет. В таких случаях для целей перегрузки применяют обводное парораспределение, заключающееся в добавочном впуске свежего пара непосредственно в одну из промежуточных ступеней части высокого давления через специальный обводной (байпасный) канал.
Для управления впуском пара служит обводной клапан, при открытии которого давление в перегрузочной и последующих ступенях и их пропускная способность увеличиваются; следовательно, турбина развивает повышенную мощность. Чем дальше от первой ступени находится перегрузочная ступень, тем больше ее пропускная способность, то есть тем больше можно перегрузить турбину. Поэтому иногда устраивают две или три перегрузочные ступени и соответственно два или три обводных клапана, открывающихся в зависимости от требуемой перегрузки турбины (рис. 91).
Рассмотренную схему парораспределения принято называть схемой с внешним обводом пара.
В некоторых случаях применяют внутренний обвод пара (рис. 92), при котором пар, прошедший через ступени высокого давления, может через открытый байпасный клапан попасть в ступени низкого давления, минуя ступени среднего давления. Такое парораспределение часто применяется для судовых турбин, работающих с резким изменением нагрузки и числа оборотов.
Передача от регулятора к парораспределительными устройствам. Во всех рассмотренных нами схемах передача импульсов от регулятора к сервомотору и взаимная связь между различными органами регулирующего механизма осуществлялись посредством рычагов и тяг.
Рычажная передача является самой простой и до сего времени наиболее распространенной системой, но она не свободна от некоторых недостатков. В частности шарниры передачи с течением времени разрабатываются, иногда заедают, инерция рычагов уменьшает чувствительность регулирования и так далее. Поэтому некоторыми турбостроительными заводами применяется гидравлическая передача, в которой взаимная связь между органами регулирования осуществляется маслом под давлением, циркулирующим в системе регулирования.