ГИДРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА
HYDRAULIC POWER UNIT

Настоящее изобретение относится к гидросиловой установке с гидравлической машиной и серводвигателем, причем серводвигатель используется для регулирования гидравлической машины. В зависимости от конструкции гидравлической машины серводвигатель может использоваться при регулировании гидравлической машины для того, чтобы перемещать направляющие лопатки ((радиально-осевой) турбины Френсиса, пропеллерной турбины или (поворотно-лопастной) турбины Каплана), лопатки рабочего колеса (турбины Каплана) или иглы сопла или отклонители струи ((ковшовой) турбины Пелтона). Для гидравлических машин с двойным регулированием могут для этого использоваться по меньшей мере два серводвигателя.
Как правило, для регулирования гидравлических машин гидросиловой установки используются масляно-гидравлические серводвигатели в виде гидравлических цилиндров. В случае повреждения возникает вследствие этого риск загрязнения водного потока гидравлическим маслом. Для решения этой проблемы были предложены в уровне техники приводимые в действие электрически серводвигатели для регулирования гидросиловой установки.
WO 2016/145 541 A1 раскрывает, например, гидросиловая установка с электрическими серводвигателями для перемещения направляющих лопаток. DE 464551 раскрывает гидросиловую установку с электрическим серводвигателем для перемещения лопаток рабочего колеса.
Так как важные для безопасности функциональные возможности регулирования гидравлической машины гидросиловой установки, как, например, возможность аварийного подключения, должны быть обеспечены при любых обстоятельствах, возникает при приводимых в действие электрически серводвигателях проблема обеспечения функциональных возможностей при обесточивании. Как правило, для этого требуются накопители электрической энергии и сопутствующее оборудование для контроля и заряжания.
Изобретатели поставили перед собой задачу по созданию гидросиловой установки с гидравлической машиной и серводвигателем для регулирования, который эксплуатируется без гидравлического масла и обеспечивает важные для безопасности функциональные возможности даже при обесточивании.
Поставленная задача решается с помощью гидросиловой установки с признаками независимого пункта формулы изобретения, согласно которому гидросиловая установка включает в себя гидравлическую машину, верхний резервуар для воды и напорный трубопровод, который соединяет верхний резервуар для воды с гидравлической машиной, причем гидравлическая машина включает в себя по меньшей мере один регулировочный орган для регулирования гидравлической машины и по меньшей мере один серводвигатель для приведения в действие регулировочного органа, причем серводвигатель соединен с регулировочным органом, причем согласно изобретению серводвигатель включает в себя ходовой винт, который соединен с регулировочным органом, передаточный механизм, который соединен с ходовым винтом, и приводную машину с приводным валом, причем приводной вал соединен с передаточным механизмом таким образом, что приводная машина приводит в движение ходовой винт через передаточный механизм, и причем гидросиловая установка включает в себя водопроводную линию, которая соединяет приводную машину с напорным трубопроводом, так что приводная машина приводится в действие забранной при помощи водопроводной линии из напорного трубопровода водой, и причем гидросиловая установка включает в себя клапан, который расположен на водопроводной линии, для регулирования потока воды через водопроводную линию.
Предпочтительные варианты осуществления следуют из зависимых от него пунктов формулы изобретения.
Так, согласно одному варианту осуществления изобретения серводвигатель гидросиловой установки включает в себя механический тормоз, который расположен на приводном валу для ограничения его частоты вращения.
Далее гидросиловая установка включает в себя дополнительную водопроводную линию, которая соединяет приводную машину с напорным трубопроводом, и дополнительный клапан, который расположен на водопроводной линии для регулирования потока воды через водопроводную линию.
Согласно следующему варианту осуществления изобретения серводвигатель включает в себя электродвигатель с приводным валом, причем приводной вал электродвигателя соединен с передаточным механизмом таким образом, что электродвигатель приводит в движение ходовой винт через передаточный механизм.
Дополнительно может быть предусмотрено, что передаточный механизм выполнен в виде суммирующей передачи.
Кроме этого, приводной вал электродвигателя соединен с приводным валом приводной машины таким образом, что они образуют единственный общий приводной вал.
Также может быть предусмотрено, что приводная машина выполнена с возможностью отсоединения от приводного тракта.
В следующем варианте осуществления изобретения серводвигатель гидросиловой установки включает в себя механический тормоз, который включает в себя муфту, и причем механический тормоз расположен таким образом, что он при помощи муфты соединен с приводным валом.
В следующем варианте осуществления изобретения приводная машина включает в себя гидравлическую лопастную машину.
Согласно следующему варианту осуществления изобретения приводная машина выполнена в виде гидравлической вытеснительной машины.
Также может быть предусмотрено, что приводная машина (10) включает в себя нерегулируемую турбину Френсиса.
Соответствующее изобретению решение разъясняется далее на основе чертежа. На нем подробно показано следующее:
фиг. 1 - соответствующая родовому понятию гидросиловая установка;
фиг. 2 - серводвигатель для регулирования гидравлической машины соответствующей изобретению гидросиловой установки в первом варианте осуществления;
фиг. 3 - серводвигатель для регулирования гидравлической машины соответствующей изобретению гидросиловой установки в другом варианте осуществления; и
фиг. 4 - серводвигатель для регулирования гидравлической машины соответствующей изобретению гидросиловой установки в другом варианте осуществления.
Фиг. 1 показывает на очень схематичном изображении соответствующую родовому понятию гидросиловую установку согласно уровню техники. При этом гидросиловая установка обозначена ссылочной позицией 1. Гидросиловая установка 1 включает в себя гидравлическую машину, которая обозначена ссылочной позицией 2, верхний резервуар для воды, который обозначен ссылочной позицией 3, и напорный трубопровод, который обозначен ссылочной позицией 4 и который соединяет верхний резервуар 3 для воды с гидравлической машиной 2. Говоря о верхнем резервуаре 3 для воды, речь может также идти о природном водоеме, например об озере или речном потоке. В случае подпорной гидросиловой установки, то есть русловой гидросиловой установки, напорный трубопровод 4 является входом гидросиловой установки. Гидравлическая машина 2 включает в себя по меньшей мере один регулировочный орган для регулирования гидравлической машины. При этом схематически изображенный регулировочный орган обозначен ссылочной позицией 5. Кроме того, гидравлическая машина 2 включает в себя по меньшей мере один серводвигатель для приведения в действие регулировочного органа 5, который обозначен ссылочной позицией 6 и соединен с регулировочным органом 5. Посредством приведения в действие регулировочного органа 5 серводвигатель 6 регулирует гидравлическую машину 2.
В качестве регулировочного органа рассматриваются в случае известных конструктивных типов гидравлических машин, например, направляющие лопатки ((радиально-осевой) турбины Френсиса, пропеллерной турбины или (поворотно-лопастной) турбины Каплана), лопатки рабочего колеса (турбины Каплана) или иглы сопла или отклонители струи ((ковшовой) турбины Пелтона). При этом все направляющие лопатки могут приводиться в движение совместно при помощи регулирующего кольца или же отдельные направляющие лопатки могут приводиться в движение отдельно, в каждом случае по меньшей мере одним серводвигателем.
Фиг. 2 показывает серводвигатель для регулирования гидравлической машины соответствующей изобретению гидросиловой установки в первом варианте осуществления. Серводвигатель обозначен ссылочной позицией 6. Серводвигатель 6 включает в себя ходовой винт, который обозначен ссылочной позицией 7. Для приведения в движение регулировочного органа ходовой винт 7 соединен с регулировочным органом. Фиг. 2 не показывает ни регулировочный орган, ни соединение ходового винта 7 с ним. Однако на фиг. 2 обозначены двумя малыми окружностями точки приложения серводвигателя 6. Одной из точек приложения серводвигатель опирается, например, на корпус или фундамент, а другой точкой приложения серводвигатель 6 воздействует на регулировочный орган. Серводвигатель 6 включает в себя далее передаточный механизм, который соединен с ходовым винтом 7 и обозначен ссылочной позицией 8. Серводвигатель 6 включает в себя далее приводную машину с приводным валом, которая обозначена ссылочной позицией 10. При этом приводной вал приводной машины 10 соединен с передаточным механизмом 8 таким образом, что приводная машина 10 может приводить в движение ходовой винт 7 через передаточный механизм 8.
Приводная машина 10 соединена водопроводной линией с напорным трубопроводом 4. При этом водопроводная линия обозначена ссылочной позицией 11. При этом приводная машина 10 и водопроводная линия 11 выполнены таким образом, что приводная машина 10 может приводиться в действие забранной при помощи водопроводной линии 11 из напорного трубопровода водой. При этом приводная машина 10 может быть выполнена, например, в виде гидравлической лопастной машины, например, в виде малой нерегулируемой (радиально-осевой) турбины Френсиса или же в виде гидравлической вытеснительной машины. Малые нерегулируемые турбины Френсиса являются достаточно надежными, так что даже при легком загрязнении приводящей в движение воды важные для безопасности функциональные возможности серводвигателя 6 могут обеспечиваться. Для регулирования потока воды от напорного трубопровода 4 к приводной машине 10 расположен на водопроводной линии 11 клапан, который обозначен ссылочной позицией 12. В простейшем случае клапан 12 выполнен в виде управляемого запорного клапана.
Опционально на приводном валу приводной машины 10 может быть расположен механический тормоз. На фиг. 2 он обозначен ссылочной позицией 9. Механический тормоз 9 служит для ограничения частоты вращения и выполнен предпочтительно в виде центробежного тормоза.
Ходовой винт 7 может быть выполнен, например, в виде шарико-винтовой пары или планетарного ходового винта.
Для покрытия всех функциональных возможностей при регулировании гидросиловой установки регулировочный орган или регулировочные органы гидравлической машины должны иметь возможность приводиться в движение в обоих направлениях. В случае турбины Френсиса для этого, например, направляющие лопатки должны иметь возможность закрываться и открываться. Для покрытия же важных для безопасности функциональных возможностей, как правило, достаточно, если обеспечивается только направление закрытия. Следовательно, гидросиловая установка может в принципе включать в себя несколько серводвигателей для приведения в движение регулировочных органов, причем функции распределяются по различным серводвигателям благодаря тому, что, например, одна часть серводвигателей отвечает только за закрытие, а другая часть только за открытие. Другое возможное разделение состоит в том, что один или несколько серводвигателей предусмотрены только для важных для безопасности функциональных возможностей и потому только для закрытия, в то время как другие серводвигатели выполнены для нормального режима эксплуатации и потому могут как открывать, так и закрывать.
Если серводвигатель согласно фиг. 2 предусмотрен только для закрытия, то является достаточным, если приводная машина 10 может обеспечивать только одно направление вращения своего приводного вала. Если же серводвигатель предусмотрен для закрытия и открытия, то приводная машина 10 должна иметь возможность перемещать свой приводной вал в обоих направлениях вращения. В последнем случае приводная машина 10 может включать в себя для этого клапанный блок, который выполнен таким образом, что он может регулировать поток воды внутри в соответствии с необходимым направлением вращения. Это можно легко реализовывать, например, в случае гидравлической вытеснительной машины. А турбина Френсиса подходит, как правило, только для одного направления вращения.
Фиг. 3 показывает серводвигатель для регулирования гидравлической машины соответствующей изобретению гидросиловой установки в другом варианте осуществления. Дополнительно к показанным на фиг. 2 элементам серводвигатель 6 включает в себя на фиг. 3 дополнительную водопроводную линию, которая соединяет приводную машину 10 с напорным трубопроводом 4, и которая обозначена ссылочной позицией 21. Для регулирования потока воды на водопроводной линии 21 на ней расположен клапан, который обозначен ссылочной позицией 22. Таким образом, водопроводная линия 11 может использоваться для того, чтобы приводить в движение приводную машину 10 в одном направлении вращения, а водопроводная линия 21 может использоваться для того, чтобы приводить в движение приводную машину 10 в другом направлении вращения. Если приводная машина 10 выполнена в виде гидравлической вытеснительной машины, то внутренний клапанный блок может быть выполнен таким образом более простым. Однако приводная машина 10 может включать в себя также две гидравлические машины в тандемном расположении с обратным направлением вращения, так что в варианте осуществления согласно фиг. 3 также турбины Френсиса могут целесообразно использоваться для обеспечения обоих направлений регулировки (открытия и закрытия).
Фиг. 4 показывает серводвигатель для регулирования гидравлической машины соответствующей изобретению гидросиловой установки в другом варианте осуществления. Дополнительно к показанным на фиг. 2 элементам серводвигатель 6 включает в себя на фиг. 4 электродвигатель с приводным валом, обозначенный ссылочной позицией 13. При этом приводной вал электродвигателя 13 соединен с передаточным механизмом 8 таким образом, что электродвигатель 13 может приводить в движение ходовой винт 7 через передаточный механизм 8. Это означает, что ходовой винт 7 может приводиться в движение как приводной машиной 10, так и электродвигателем 13. Для этого передаточный механизм 8 может быть выполнен, например, в виде суммирующей передачи. Равным образом хорошо оба приводных вала приводной машины 10 и электродвигателя 13 могут образовывать один общий приводной вал благодаря тому, что оба вала соединены друг с другом в осевом направлении. Вариант осуществления согласно фиг. 4 может предпочтительно использоваться благодаря тому, что электродвигатель 13 приводит в движение ходовой винт 7 в нормальном режиме эксплуатации в обоих направлениях, в то время как приводная машина 10 используется только для функции закрытия в аварийной ситуации.
Может быть необходимым, чтобы в нормальном режиме эксплуатации предусматривалось другое максимальное время закрытия, чем в аварийном режиме. Для этого серводвигатель 6 может опционально включать в себя по меньшей мере один дополнительный механический тормоз, который включает в себя муфту, при помощи которой дополнительный механический тормоз может при необходимости соединяться с приводным трактом. На фиг. 4 такой дополнительный механический тормоз изображен и обозначен ссылочной позицией 14. Тормоз 14 расположен при этом на приводном валу приводной машины 10. Он мог бы быть также расположен на приводном валу электродвигателя 13. То же самое относится, между прочим, также к механическому тормозу 9. Механический тормоз 9 действует таким образом постоянно, ограничивая частоту вращения, в то время как дополнительный механический тормоз 14 дополнительно понижает максимальную частоту вращения только при необходимости, например, на заключительной фазе процесса аварийного подключения. Также дополнительный тормоз 14 выполнен предпочтительно в виде центробежного тормоза. Дополнительно подключаемый тормоз 14 может также комбинироваться с другими вариантами осуществления согласно фиг. 2 и 3. Могут также использоваться несколько подключаемых дополнительных тормозов 14, для того чтобы была возможность устанавливать еще большее количество различных максимальных частот вращения. В принципе могут также все тормозы серводвигателя 6 быть выполнены с возможностью подключения. Для обеспечения эксплуатационной безопасности муфты должны работать надежно, то есть безопасное положение (как правило, соединенное муфтой) должно быть обеспечено усилием пружины.
В вариантах осуществления, которые включают в себя электродвигатель 13, может быть преимуществом, если приводная машина 10 может отсоединяться от приводного тракта. Так как серводвигатель 6 в нормальном режиме эксплуатации приводится в движение электродвигателем 13, то в этом режиме работы приводная машина 10 может отсоединяться от приводного тракта, чтобы электродвигатель 13 не должен был бы продолжать перемещать ее одновременно.
В вариантах осуществления, которые включают в себя электродвигатель 13, эксплуатационная надежность может, само собой разумеется, дополнительно повышаться вследствие того, что предусматривается накопитель энергии, так что эксплуатация даже при обесточивании не должна прерываться. Кроме того, все необходимые для электрического режима работы технические средства могут быть выполнены с избыточностью (например, частотные преобразователи, батареи или сам электродвигатель).