ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ И СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОТ РАЗГОНА ДЛЯ ГИДРОТУРБИНЫ
CENTRIFUGAL BREAKER AND SYSTEM FOR PROTECTION AGAINST ACCELERATION FOR HYDRAULIC TURBINE

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
[0001] Заявляемое изобретение относится к гидромашиностроению, а более конкретно - к центробежному выключателю и системе защиты от разгона, и предназначено для преобразования физических сигналов, а именно - частоты вращения вала гидротурбины в гидравлический сигнал, вызывающий перемещения регулирующих органов гидротурбины на закрытие направляющего аппарата (НА) для останова гидроагрегата, и электрический сигнал, запускающий алгоритм «Аварийного останова», что также приводит к перемещению регулирующих органов гидротурбины на закрытие и к останову гидроагрегата. Изобретение может быть использовано в системах управления гидротурбин любого типа.
Уровень техники
[0002] Системы защиты от разгона, именуемые также устройствами аварийной защиты, автоматами безопасности и др., предназначены для останова гидроагрегата (перевода системы регулирования гидроагрегата в состояние останова) при превышении скорости вращения гидротурбины максимального допустимого значения с целью предотвращения ее разрушения или повреждения. Одно из требований к таким системам заключается в том, что они должны функционировать даже в случае аварийного отключения электропитания. Это обуславливает, в частности, то, что в качестве датчика скорости применяются механические центробежные датчики, называемые центробежными выключателями. Центробежный выключатель (ЦВ) обычно представляет собой механическое устройство, закрепляемое на вращающемся элементе (на валу гидротурбины), подвижная часть которого при превышении скорости вращения некоторой максимальной допустимой скорости вращения переходит под действием центробежных сил в положение срабатывания, в котором подвижная часть ЦВ в процессе вращения ЦВ вместе с валом гидротурбины входит в контакт с контактной частью переключающего элемента (механизма выключения системы защиты), который переходит в состояние останова гидротурбины и передает соответствующий сигнал (например, гидравлическое давление масла, электрический сигнал) на органы управления скоростью вращения гидротурбины (например, в систему управления направляющим аппаратом гидроагрегата).
[0003] Настройка ЦВ на срабатывание при превышении заданной максимальной допустимой скорости вращения обычно осуществляется путем регулировки упругого элемента (например, пружины), удерживающего подвижную часть ЦВ в исходном положении (противодействующего центробежным силам). Для надежного подтверждения работы ЦВ при заданной настройке, как правило, после регулировки проводится пробный запуск гидротурбины и ее вывод на заданную максимальную допустимую скорость вращения, при которой ожидается срабатывание ЦВ, что может требовать большое количество времени и является нежелательным, т.к. при этом гидроагрегат работает в критическом режиме и возникает опасность повреждения или разрушения гидроагрегата в случае превышения скорости вращения гидротурбины заданной максимальной допустимой скорости вращения при, например, ошибке в настройке ЦВ. Поэтому существует потребность в надежной проверке срабатывания ЦВ и системы защиты от разгона в целом без вывода гидроагрегата на критические режимы работы при максимально допустимой скорости вращения.
[0004] Из уровня техники известен центробежный выключатель (RU 2126096 C1), содержащий расположенные на кронштейне два поворотных взаимодействующих элемента с основным и вспомогательным инерционными грузами и противодействующими им упругими элементами и исполнительный механизм включения системы защиты. Первый поворотный элемент несет основной инерционный груз. Второй поворотный элемент установлен относительно первого с возможностью взаимодействия с ним и фиксации его положения до достижения скорости вращения ротора заданного значения срабатывания выключателя. Известный центробежный выключатель имеет сложную конструкцию, как следствие - меньшую надежность, а также не обеспечивает возможность проверки срабатывания при скорости вращения меньшей, чем заданная расчетная скорость вращения срабатывания. Кроме того, отсутствует возможность проверки срабатывания центробежного выключателя при остановленном агрегате.
Сущность изобретения
[0005] Проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретения, является потребность в центробежной выключателе, обеспечивающем возможность надежной проверки его срабатывания в составе системы защиты от разгона без вывода гидроагрегата на критические режимы работы при максимально допустимой скорости вращения.
[0006] Упомянутая проблема решается тем, что предложенный центробежный выключатель содержит основание, выполненное с возможностью закрепления на стороне вала гидротурбины; поворотный элемент, закрепленный на основании с возможностью поворота; ограничивающий элемент, выполненный с возможностью ограничения поворота поворотного элемента относительно основания, причем крайние положения поворота поворотного элемента являются положением взведения и положением срабатывания; упругий элемент, одним концом закрепленный на стороне основания и другим концом закрепленный на стороне поворотного элемента таким образом, что упругая сила со стороны упругого элемента удерживает поворотный элемент по меньшей мере в положении взведения; причем поворотный элемент выполнен с возможностью закрепления на нем, разъемным образом, груза проверочного, предназначенного для проверки срабатывания центробежного выключателя при скорости вращения гидротурбины меньшей, чем номинальная скорость вращения срабатывания центробежного выключателя.
[0007] В одном из вариантов осуществления, центробежный выключатель дополнительно содержит регулировочный элемент, выполненный с возможностью регулировать величину упругой силы, удерживающей поворотный элемент в положении взведения.
[0008] В одном из вариантов осуществления, центробежный выключатель дополнительно содержит конструктивный элемент для передачи крутящего момента, закрепленный на поворотном элементе соосно с осью поворота поворотного элемента.
[0009] В одном из вариантов осуществления конструктивный элемент для передачи крутящего момента выполнен в виде шестигранной головки или головки со шлицом.
[0010] Кроме того, предложена система защиты от разгона гидротурбины, содержащая центробежный выключатель и переключающий элемент, причем центробежный выключатель закреплен на стороне вала гидротурбины, переключающий элемент закреплен на стороне основания гидротурбины с возможностью взаимодействия с центробежным выключателем, когда поворотный элемент центробежного выключателя находится в положении срабатывания, причем переключающий элемент выполнен с возможностью перевода гидротурбины в состояние останова в результате упомянутого взаимодействия.
[0011] В одном из вариантов осуществления системы переключающий элемент представляет собой гидравлический блок управления, содержащий курок, оснащенный контактным роликом, причем упомянутым взаимодействием центробежного выключателя, когда поворотный элемент центробежного выключателя находится в положении срабатывания, с переключающим элементом является удар поворотного элемента центробежного выключателя по контактному ролику переключающего элемента при вращении центробежного выключателя вместе с валом гидротурбины.
Краткое описание чертежей
[0012] На фиг. 1 изображен фронтальный разрез центробежного выключателя в положении взведения.
[0013] На фиг. 2 изображен горизонтальный разрез центробежного выключателя в положении взведения.
[0014] На фиг. 3 изображен главный вид центробежного выключателя с установленными крышкой оси рычага и грузом проверочным.
[0015] На фиг 4 изображен вид сверху центробежного выключателя с установленными крышкой оси рычага и грузом проверочным
[0016] На фиг. 5 изображен горизонтальный разрез центробежного выключателя в положении срабатывания.
[0017] На фиг. 6 показано положение гидравлического блока управления относительно центробежного выключателя.
[0018] На фиг. 7 показано относительное положение гидравлического блока управления и центробежного выключателя при установке центробежного выключателя на промежуточном элементе, закрепленном на валу гидротурбины, при виде спереди.
[0019] На фиг. 8 показано относительное положение гидравлического блока управления и центробежного выключателя при установке центробежного выключателя на промежуточном элементе, закрепленном на валу гидротурбины, при виде сверху.
Подробное описание изобретения
[0020] Сущность настоящего изобретения будет более понятна из приведенного ниже подробного описания конкретных вариантов осуществления центробежного выключателя и системы защиты от разгона. Употребляемые в этом описании термины имеют свои обычные смыслы в данной области техники в пределах контекста изобретения и в том конкретном контексте, в каком употребляется каждый термин. На прилагаемых чертежах, эквивалентные части или составные элементы были обозначены с одинаковыми ссылочными позициями.
[0021] Признак «элемент А закреплен на стороне элемента Б» (например - на стороне корпуса/вала/основания), используемый в настоящем описании, означает, что элемент А закреплен на элементе Б непосредственно, либо через один или несколько промежуточных элементов.
[0022] Под признаком «закреплен» подразумевается, в том числе, закрепление за счет действия сил реакции опоры и/или сил трения. Например - конец пружины, удерживаемый неподвижно относительно упора под действием сил реакции опоры в ответ на упругую силу со стороны пружины.
[0023] Ниже со ссылкой на фиг. 1-8 описывается конкретный вариант осуществления предложенного центробежного выключателя. ЦВ содержит основание 1, поворотный элемент в виде рычага 2, груз 3, груз 4 проверочный, упругий элемент, выполненный в виде пружины 5, ограничивающий элемент 6.
[0024] Основание 1 содержит отверстия 7, предназначенные для закрепления основания непосредственно на валу гидротурбины или на вращающемся элементе, закрепленном на валу гидротурбины. На основании, в соответствующем отверстии, закреплена ось 8 с подшипниками 9, на которых закреплен с возможностью поворота рычаг 2. Ось 8 задает геометрическую ось 10 вращения (поворота) рычага.
[0025] Рычаг 2 содержит корпус 11 рычага, на котором закреплены упор 12 пружины, груз 3, крышка 13 оси рычага.
[0026] Корпус 11 рычага представляет собой, в целом, прямоугольный параллелепипед, имеющий полость 14, открытую с нижней стороны и предназначенную для вмещения ограничивающего элемента 6 и пружины 5. В верхней части корпуса 11 рычага выполнено отверстие 15.
[0027] Ограничивающий элемент 6 закреплен на основании 1 (элементы крепления не отображены) и расположен так, что занимает часть пространства внутри полости 14 корпуса 11 рычага. При повороте рычага 2 относительно основания 1, при достижении крайних положений поворота (положение взведения и положение срабатывания), поверхности 16, 17 боковых стенок полости 14 корпуса 11 рычага упираются в соответствующие поверхности 18, 19 ограничивающего элемента 6, за счет чего обеспечивается ограничение поворота рычага 2 относительно основания 1. В ограничивающем элементе выполнено отверстие с резьбой, в котором расположен регулировочный элемент, выполненный в виде регулировочного винта 20 с шестигранной головкой и конусообразным концом. Отверстие 15 в корпусе 11 рычага обеспечивает доступ к головке регулировочного винта. Ограничивающий элемент 6 также может быть выполнен за одно целое с основанием.
[0028] Пружина 5 размещена в полости 14 корпуса рычага 2 между упором 12 пружины и ограничивающим элементом 6. Одним концом пружина 5 упирается через проставку 21 и упор 12 в рычаг 2, а другим концом - через проставку 22 в регулировочный винт 20. Точки упора пружины (концы конических частей регулировочного винта 20 и упора 12) расположены таким образом, что упругая сила пружины удерживает рычаг 2 в каждом из крайних положений поворота рычага 2.
[0029] Груз 3 присутствует в рассматриваемом варианте осуществления, но не является обязательным элементом конструкции центробежного выключателя. Груз 3 закреплен на стороне корпуса 11 рычага и предназначен для корректировки расположения центра масс и массы рычага 2 относительно оси 10 вращения рычага. Однако, такая корректировка может быть обеспечена иным образом, за счет, например, выбора геометрии корпуса 11 рычага.
[0030] Груз 4 проверочный закреплен разъемным образом на корпусе 11 рычага и предназначен для проверки срабатывания ЦВ при скорости вращения гидроагрегата меньшей, чем заданная скорость вращения срабатывания ЦВ (именуемая также как номинальная скорость вращения срабатывания). Это обеспечивается тем, что груз 4 проверочный закреплен так, что центр масс груза 4 проверочного находится с той же стороны, относительно плоскости, проходящей через ось вращения гидротурбины и ось 10 вращения рычага 2, что и центр масс рычага 2, за счет чего наличие груза 4 проверочного увеличивает момент сил инерции, стремящийся перевести рычаг 2 в положение срабатывания при вращении гидротурбины. Иными словами, груз 4 проверочный закреплен так, что момент силы инерции, действующий на груз 4 проверочный при вращении гидротурбины относительно оси 10 вращения рычага 2, стремится повернуть рычаг 2 в ту же сторону (в сторону положения срабатывания), что и момент силы инерции, действующей на рычаг 2 без груза 4 дополнительного. В конкретном рассматриваемом варианте осуществления груз 4 проверочный закреплен на корпусе 11 рычага разъемным образом с помощью винтов (см. фиг. 4), однако возможны другие способы закрепления.
[0031] Как упомянуто выше, груз 4 проверочный используется при проверке срабатывания ЦВ, то есть он не используется при штатной работе ЦВ.
[0032] Крышка 13 закрывает отверстие в корпусе 11 рычага 2, в котором расположена ось 8 рычага 2. На крышке 13 выполнен конструктивный элемент, обеспечивающий возможность передачи крутящего момента рычагу, а именно - шестигранная головка 23, расположенная соосно с осью вращения рычага 2, наличие которой обеспечивает простой способ проверки срабатывания центробежного выключателя и измерения момента, удерживающего рычаг 2 в положении взведения, при остановленном гидроагрегате с использованием измерительного инструмента, например, измерительного динамометрического ключа. Использование шестигранной головки является частным случаем. На крышке 13 может быть выполнена головка иного вида, например, со шлицом.
[0033] В рассматриваемом варианте осуществления изобретения в качестве переключающего элемента используется гидравлический блок управления (ГБУ) 24 (фиг. 6).
[0034] ГБУ содержит основание 25, на котором закреплены с возможностью поворота вал 26 основного рычага, курок 27. Кроме того, на основании 25 закреплены один или несколько гидравлических распределителей (в рассматриваемом примере - два гидравлических распределителя 28 и 29) и по меньшей мере один концевой выключатель (в рассматриваемом примере - два концевых выключателя 30 и 31). На валу 26 закреплены основной рычаг 32 и один или несколько кулачков 33, воздействующих на концевые выключатели. Кроме того, на валу 26 закреплен с возможностью поворота относительно вала 26 рычаг 34 взвода.
[0035] Под действием своих пружин рычаг 34 взвода, основной рычаг 32 и курок 27 стремятся занять свои крайние положения.
[0036] При взводе ГБУ, через рукоятку взвода воздействие передается на рычаг 34 взвода и он перемещается из своего крайнего положения в сторону взвода ГБУ. При перемещении, рычаг взвода через свой упор (на фигурах не показан) воздействует на основной рычаг 32, перемещая его из одного крайнего положения в другое. Перемещаясь, основной рычаг 32 тыльной частью упирается в курок 27, отводит его от крайнего положения и встает на защелку курка. При перемещении основной рычаг 32 при постановке на защелку курка нажимает на шток одного из гидравлических распределителей. При взводе основного рычага 32 одновременно с валом поворачиваются закрепленные на нем один или несколько кулачков 33 и в зависимости от настройки воздействуют на штоки одного или нескольких соответствующих концевых выключателей. Таким образом, ГБУ переходит в состояние взведения.
[0037] В состоянии взведения, при получении сигнала от центробежного выключателя, а именно - при ударе центробежного выключателя, перешедшего в положение срабатывания, по контактному ролику 35 курка, курок переходит в положение срабатывания, освобождая основной рычаг. Под действием своей пружины основной рычаг перемещается и воздействует на гидравлические распределители 28, 29. Контуры курка с контактным роликом и рычага в положении срабатывания изображены на фиг. 6 пунктирными линиями. Кулачки 33, закрепленные на валу основного рычага 32, при повороте вала воздействуют на концевые выключатели 30, 31. Срабатывание гидравлических распределителей и концевых выключателей обеспечивает переключение направления потоков масла, формирующее гидравлический сигнал на перемещение главного золотника направляющего аппарата на закрытие, и подачу электрического сигнала на запуск алгоритма «Аварийный останов» в систему автоматического управления (САУ) гидроагрегата (ГА).
[0038] После срабатывании ГБУ, его основной рычаг 32, под действием своей пружины, а также курок 27, принимают фиксированное положение срабатывания, что исключает повторные удары корпуса ЦВ по ролику при вращении гидротурбины по инерции в момент аварийного останова. Возврат ответной части ГБУ в рабочее положение производится вручную с помощью рычага взвода.
[0039] Центробежный выключатель гидротурбины закрепляется на валу гидротурбины или промежуточном вращающемся элементе, закрепленном на валу гидротурбины, на некотором заданном расстоянии от оси вращения гидротурбины так, как это показано на фиг. 6, 7, 8. Центробежный выключатель закрепляется таким образом, что ось вращения рычага параллельна оси вращения гидротурбины, а инерционные силы, действующие на рычаг центробежного выключателя при вращении гидротурбины, стремятся перевести его в положение срабатывания. Перед запуском гидроагрегата центробежный выключатель настраивается и переводится путем поворота рычага 2 в соответствующем направлении в положение взведения.
[0040] При вращении гидротурбины, центробежные силы (силы инерции), действующие на рычаг 2 и пружину 5, создают момент M1 относительно оси 10 вращения рычага, стремящийся перевести его в положение срабатывания. Моменту M1 сил инерции противодействует момент M2 со стороны пружины 5, удерживающий рычаг в положении взведения. Пока момент M1 не превышает момент М2, рычаг 2 остается в положении взведения. В положении взведения, при вращении центробежного выключателя вместе с валом гидротурбины, центробежный выключатель не входит в контакт с контактной частью переключающего элемента.
[0041] При повышении скорости вращения гидроагрегата момент M1 увеличивается, и, при достижении скорости вращения срабатывания, когда M1 становится больше чем M2, рычаг поворачивается и переходит в положение срабатывания. В положении срабатывания, при вращении центробежного выключателя вместе с валом гидротурбины, центробежный выключатель входит в контакт с контактной частью (контактным роликом 35) переключающего элемента (ГБУ 24), тем самым передавая ему сигнал срабатывания.
[0042] Величина момента M1 зависит, в частности, от скорости вращения гидроагрегата, расстояния, на котором расположен центробежный выключатель относительно оси вращения гидротурбины, массы рычага 2 центробежного выключателя и расположения его центра масс относительно оси 10 вращения рычага 2.
[0043] Скорость вращения срабатывания центробежного выключателя настраивается путем регулировки положения регулировочного винта 20 (осуществляется при остановленном гидроагрегате, при нахождении ЦВ в положении взведения). При такой регулировке изменяется положение точки упора пружины 5, за счет чего изменяется (см. фиг. 2) как длина пружины (в положении взведения) и, соответственно, величина упругой силы, действующей на рычаг 2, так и плечо упругой силы, действующей на рычаг 2 относительно оси 10 вращения рычага. В результате изменяется величина момента M2, удерживающего рычаг 2 в положении взведения. Крышка 13 с шестигранной головкой обеспечивает простой способ проверки величины момента М2 путем использования измерительного инструмента такого как, например, измерительный динамометрический ключ.
[0044] Настройка центробежного выключателя осуществляется следующим образом. Выбирают заданную скорость вращения w1 срабатывания центробежного выключателя; при известных массе и расположении центра масс рычага 2 относительно оси 10 вращения рычага 2, расположении центробежного выключателя относительно оси вращения гидротурбины, с использованием зависимостей, известных из уровня техники, вычисляют расчетную величину момента M1 сил инерции, стремящегося перевести рычаг 2 ЦВ в положение срабатывания при заданной скорости вращения w1 срабатывания центробежного выключателя; путем регулировки положения регулировочного винта 20 с использованием измерительного инструмента обеспечивают величину момента M2, удерживающего рычаг 2 ЦВ в положении взведения, равную расчетной величине момента M1.
[0045] При вычислении расчетной величины момента M1 могут также учитываться сила инерции, действующая на пружину 5, и иные факторы.
[0046] Для проверки срабатывания ЦВ без использования груза 4 проверочного переводят рычаг 2 в положение взведения, осуществляют запуск гидроагрегата и его вывод на заданную скорость вращения срабатывания центробежного выключателя или скорость вращения, превышающую заданную скорость вращения срабатывания центробежного выключателя, при этом контролируют скорость вращения гидротурбины с тем, чтобы зафиксировать ее величину в момент срабатывания ЦВ. При отсутствии ошибки в настройке ЦВ, он срабатывает (переходит в положение срабатывания) при достижении скорости вращения гидротурбины заданной скорости вращения w1 срабатывания.
[0047] Однако, процесс разгона гидротурбины до заданной скорости вращения w1 срабатывания может занять значительное количество времени. Кроме того, заданная скорость вращения срабатывания обычно равна или близка к предельно допустимой скорости вращения гидротурбины и работа гидротурбины при такой скорости вращения является нежелательной. Эти проблемы решаются путем проверки срабатывания ЦВ с использованием груза 4 проверочного.
[0048] Для проверки срабатывания ЦВ с использованием груза 4 проверочного, предварительно вычисляют при известности массы и расположения центра масс установленного груза 4 проверочного с использованием зависимостей, известных из уровня техники, расчетную проверочную скорость вращения w2 срабатывания, равную скорости вращения, при которой момент M1' сил инерции, действующих на рычаг 2 с установленным грузом 4 проверочным, равен (по величине) упомянутому моменту M2. Далее осуществляют запуск гидроагрегата и его вывод на расчетную проверочную скорость вращения w2 срабатывания или немного большую скорость вращения, при этом контролируют скорость вращения гидротурбины с тем, чтобы зафиксировать ее величину в момент срабатывания ЦВ. При отсутствии ошибки в настройке ЦВ, он срабатывает (переходит в положение срабатывания) при достижении скорости вращения гидротурбины расчетной проверочной скорости вращения w2 срабатывания.
[0049] Так как при наличии груза 4 проверочного момент M1' сил инерции при той же скорости вращения будет больше, чем момент M1 сил инерции без груза 4 проверочного, расчетная проверочная скорость вращения w2 срабатывания будет меньше заданной скорости вращения w1 срабатывания. Иными словами, при проверке ЦВ сработает, при правильной настройке, при известной меньшей скорости вращения w2 гидротурбины. За счет этого обеспечивается уменьшение времени проверки срабатывания центробежного выключателя и избегается нежелательная работа гидротурбины при скорости вращения близкой к предельно допустимой.