УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЦИЛИНДРА, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ КОЛЬЦЕВОГО ЗАТВОРА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ МАШИНА
CONTROL DEVICE FOR CONTROLLING HYDRAULIC CYLINDER MOVEMENT, CONTROL SYSTEM FOR RING SEAL MOVEMENT OF HYDRAULIC MACHINE AND HYDRAULIC MACHINE

Настоящее изобретение относится к управляющему устройству, которое управляет перемещением гидравлического цилиндра, относящегося к типу, содержащему корпус, образующий первую камеру и вторую камеру, которые предназначены для приема рабочей среды, при этом указанные камеры отделены друг от друга поршнем, выполненным с возможностью перемещения в корпусе в первом направлении, в котором объем первой камеры увеличивается, а объем второй камеры уменьшается, и во втором направлении, в котором объем второй камеры увеличивается, а объем первой камеры уменьшается, при этом управляющее устройство содержит клапан, содержащий корпус, соединенный с первой камерой цилиндра первым гидравлическим соединением, и со второй камерой цилиндра вторым гидравлическим соединением.
Изобретение также относится к управляющей системе, которая управляет перемещением кольцевого затвора гидравлической машины, содержащей такое управляющее устройство и к гидравлической машине, содержащей такую управляющую систему.
Гидравлическая машина, например турбина, насос или турбина-насос, по существу содержит рабочее колесо и кольцевой затвор, который позволяет управлять подачей воды на рабочее колесо. Для этого кольцевой затвор выполнен с возможностью перемещения между открытым положением, в котором он позволяет воде проходить по каналу, подающему воду на рабочее колесо, и закрытым положением, в котором он перекрывает канал. Перемещением такого кольцевого затвора управляют известным способом с помощью множества гидравлических цилиндров, штоки которых соединены с кольцевым затвором и перемещениями которых управляют с помощью клапана. Перемещение штоков цилиндров, таким образом, приводит к перемещению кольцевого затвора в канале, который питает рабочее колесо. Когда поршни цилиндров и, следовательно, штоки движутся в первом направлении, поршни поднимают кольцевой затвор к его открытому положению, а когда они движутся во втором направлении, противоположном первому направлению, кольцевой затвор опускается к его закрытому положению.
Следует понимать, что в больших гидравлических машинах, где кольцевой затвор имеет очень большой вес и размер, из-за веса кольцевого затвора перемещение в закрытое положение требует существенно меньшей силы, чем перемещение к открытому положению, во время которого кольцевой затвор поднимается.
Таким образом, когда поршни перемещаются в первом направлении, рабочую среду в цилиндры нужно подавать под более высоким давлением, чем когда поршни перемежаются во втором направлении.
Известные управляющие устройства, в которых предлагается решать эту проблему путем переключения подачи рабочей среды в цилиндры между первым давлением и вторым давлением, являются сложными и помимо управляющего клапана требуют использования множества дополнительных компонентов. Эти компоненты требуют сложной настройки и трудоемкого технического обслуживания.
Одной из задач настоящего изобретения является устранение этих недостатков с помощью управляющего устройства, которое просто и надежно позволяет переключать давление рабочей среды, подаваемой в цилиндр, между первым давлением и вторым давлением, и которое не требует установки дополнительных компонентов.
Управляющее устройство согласно ограничительной части независимого п. 1 формулы изобретения раскрыто в следующих документах: ЕР 1167778, WO 2005/121564 и US 3596560.
Согласно настоящему изобретению предлагается управляющее устройство согласно независимому п. 1 формулы изобретения.
Переключение с первого давления нагнетания на второе давление нагнетания, подаваемое в цилиндр, выполняется простым переводом распределительного устройства из первого положение во второе положение, что позволяет соединить первую камеру цилиндра с первым источником рабочей среды и позволяет соединить вторую камеру цилиндра со вторым источником рабочей среды, соответственно, и настройкой этих источников на подачу рабочей среды под разным давлением. Таким образом, управляющее устройство является простым и не требует установки дополнительных компонентов за пределами клапана. Настоящее изобретение позволяет подавать на цилиндр два разных давления, просто изменив конструкцию клапана, который управляет перемещением этого цилиндра.
Согласно другим признакам управляющего устройства по настоящему изобретению:
- устройство содержит первый источник рабочей среды, соединенный с первым гидравлическим каналом клапана и предназначенный для нагнетания рабочей среды в корпус клапана с первым давлением, и второй источник рабочей среды, соединенный со вторым гидравлическим каналом и предназначенный для нагнетания рабочей среды в корпус клапана со вторым давлением, при этом первое давление выше второго давления;
- первое давление по существу составляет от 60 бар до 250 бар, а второе давление по существу составляет от 10 бар до 70 бар;
- устройство дополнительно содержит по меньшей мере один резервуар рабочей среды, соединенный с корпусом клапана, при этом распределительное устройство создает сообщение по текучей среде между вторым гидравлическим соединением и указанным резервуаром, когда оно находится в первом положении так, чтобы выпускать рабочую среду из второй камеры цилиндра, когда поршень движется в первом направлении, и создает сообщение по текучей среде между первым гидравлическим соединением и указанным резервуаром, когда оно находится во втором положении так, чтобы выпускать рабочую среду из первой камеры цилиндра, когда поршень движется во втором направлении;
- клапан содержит первый отсек, соединяющий первое гидравлическое соединение с первым гидравлическим каналом и второй отсек, соединяющий второе гидравлическое соединение со вторым гидравлическим каналом, при этом распределительное устройство расположено для открывания первого отсека и закрывания второго отсека, когда оно находится в его первом положении и для открывания второго отсека и закрывания первого отсека, когда оно находится в его втором положении;
- клапан содержит средство управления перемещением распределительного устройства между его первым и вторым положениями, при этом указанное средство содержит нажимное средство, толкающее распределительное устройство из первого положения ко второму положению, и удерживающее средство, которое удерживает распределительное устройство, стремящееся вернуться в первое положение.
Настоящее изобретение также относится к системе управления перемещением кольцевого затвора гидравлической машины, относящейся к типу содержащему рабочее колесо, кольцевой затвор, образующий замкнутый контур и выполненный с возможностью перемещения между положением открывания и положением закрывания по меньшей мере одного трубопровода, подающего воду на рабочее колесо, при этом система содержит по меньшей мере один гидравлический цилиндр, содержащий корпус, образующий первую камеру и вторую камеру, которые предназначены для приема рабочей среды, причем указанные камеры отделены друг от друга поршнем, выполненным с возможностью перемещения в корпусе в первом направлении, в котором объем первой камеры увеличивается, а объем второй камеры уменьшается, и во втором направлении, в котором объем второй камеры увеличивается, а объем первой камеры уменьшается, при этом шток соединен с указанным поршнем и с кольцевым затвором так, что перемещение поршня в первом направлении приводит к перемещению кольцевого затвора в его открытое положение, а перемещение поршня во втором направлении приводит к перемещению кольцевого затвора в его закрытое положение, при этом система содержит управляющее устройство, описанное выше, и первое гидравлическое соединение указанного устройства соединено с первой камерой указанного цилиндра, а второе гидравлическое соединение указанного устройства соединено со второй камерой указанного цилиндра для управления перемещением поршня в первом направлении и во втором направлении через перемещение распределительного устройства между его первым и вторым положениями.
Согласно другому варианту управляющая система по настоящему изобретению содержит множество гидравлических цилиндров, штоки которых соединены с кольцевым затвором и которые распределены по периметру указанного кольцевого затвора, при этом перемещением каждого гидравлического цилиндра управляет управляющее устройство, описанное выше.
Изобретение также относится к гидравлической машине, относящейся к типу турбины, насоса или турбины-насоса, содержащей рабочее колесо и кольцевой затвор, выполненный с возможностью перемещения между положением открывания и положением закрывания по меньшей мере одного трубопровода, подающего воду на рабочее колесо, при этом гидравлическая машина содержит управляющую систему описанную выше.
Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения будут понятны из нижеследующего подробного описания, приводимого в качестве примера, со ссылками на приложенные чертежи, где:
фиг. 1 - схематическое изображение в поперечном сечении гидравлической машины по настоящему изобретению,
фиг. 2 - схематическое изображение системы управления по настоящему изобретению, иллюстрирующее управляющее устройство с распределительным устройством в первом положении,
фиг. 3 - схематическое изображение управляющего устройства по фиг. 2 с распределительным устройством во втором положении, и
фиг. 4 - схематическое изображение в поперечном сечении клапана управляющего устройства.
Хотя в описании даются ссылки на систему управления, позволяющую управлять перемещением кольцевого затвора гидравлической машины, следует понимать, что систему управления по настоящему изобретению можно адаптировать для управляющих систем другого типа, в которых в цилиндр нужно поочередно подавать два разных давления в соответствии с направлением, в котором движется поршень этого цилиндра.
В описании прилагательное «гидравлический» может относиться к рабочей среде цилиндра, такой как масло, или к воде, текущей через гидравлическую машину.
Со ссылками на фиг. 1 ниже приведено описание гидравлической машины 1, содержащей рабочее колесо 2, кольцевой затвор 4 и по меньшей мере один гидравлический цилиндр 6, относящийся к системе, управляющей перемещением кольцевого затвора 4. Кольцевой затвор движется в основном направлении Y, например в вертикальном направлении, между положением открывания и положением закрывания линии 8, подающей воду на рабочее колесо 2. На фиг. 1 кольцевой затвор 4 показан в закрытом положении и перекрывает линию 8. В открытом положении (не показано) кольцевой затвор 4 поднят в направлении Y, чтобы открыть проход между линией 8 и рабочим колесом 2. В случае гидравлической машины 1, которая может быть турбиной, насосом или турбиной-насосом, линия 8 сформирована корпусом, который называется «кожухом». Кольцевой затвор 4 установлен между фиксированными лопатками входного направляющего аппарата 10 и подвижными лопатками плоского поворотного затвора 12, которые направляют поток воды на рабочее колесо 2. Известным образом кольцевой затвор 4 имеет замкнутый, например, кольцевой контур и проходит вокруг оси, по существу параллельно направлению Y. Его перемещением можно управлять с помощью множества гидравлических цилиндров 6, распределенных по периферии кольцевого затвора 4.
Каждый цилиндр 6 содержит шток 14, соединенный с кольцевым затвором 4 и проходящий в направлении Y перемещения кольцевого затвора 4 так, что перемещение штока 14 приводит в перемещение кольцевой затвор 4.
Такая гидравлическая машина 1 и такой кольцевой затвор 4 известны и более подробно описываться не будут. Специалисты могут обратиться к документу WO-2011/089361, в котором приведены дополнительные подробности о структуре такого кольцевого затвора и управления его перемещением между открытым положением и закрытым положением с помощью цилиндров 6 и о том, как перемещение этих цилиндров синхронизируется друг с другом.
Остальная часть описания будет посвящена устройству 16 для управления перемещения одним из цилиндров 6, которые применяются для перемещения кольцевого затвора 4.
Цилиндр 6 и управляющее устройство 16, управляющее его перемещением, схематически показаны на фиг. 2 и 3.
Гидравлический цилиндр 6 является гидравлически цилиндром двойного действия, по существу содержащим корпус 18, имеющий объем, в котором поршень 20 расположен так, чтобы делить внутренний объем между первой камерой 22 и второй камерой 24. Поршень 20 прикреплен к штоку 14, который проходит в первую камеру 22, тогда как вторая камера 24 находится с другой стороны поршня 20 относительно штока 14. Поршень 20 и, следовательно, шток 14 выполнены с возможностью поступательного перемещения в корпусе 18 в первом направлении, параллельном основному направлению Y, и показанному на фиг. 2 стрелкой А, и при перемещении в этом направлении объем первой камеры 22 увеличивается, а объем второй камеры 24 уменьшается, а также во втором направлении, противоположном первому направлению А, и показанном стрелкой В на фиг. 3, и при перемещении в этом направлении объем второй камеры 24 увеличивается, а объем первой камеры 24 уменьшается. Когда поршень 20 движется в первом направлении А, шток 14 тянет кольцевой затвор 4, чтобы его поднять и переместить к открытому положению, а когда поршень 20 движется во втором направлении В, шток толкает кольцевой затвор 4 так, чтобы опустить его и переместить в закрытое положение.
Известным способом поршень 20 перемещается в первом или втором направлении за счет нагнетания управляющей среды, например масла, в первую камеру 22 или во вторую камеру 24.
Такое нагнетание регулируется управляющим устройством 16, описание которого приведено ниже.
Управляющее устройство 16 содержит клапан 26, содержащий корпус 28, образующий внутренний объем 30.
Клапан 26 содержит первое гидравлическое соединение 32 с первой камерой 22 цилиндра 6 и второе гидравлическое соединение 34 со второй камерой 24 цилиндра 6. Термин «гидравлическое соединение» означает канал и т.п., создающий сообщение по текучей среде между внутренним объемом 30 клапана 26 с первой камерой 22 или со второй камерой 24 цилиндра. Эти гидравлические соединения на чертежах подробно не показаны и могут иметь любую форму, подходящую для соединения цилиндра 6 с клапаном 26 с учетом среды, создаваемой гидравлической машиной 1.
Первое гидравлическое соединение 32 открывается в первый отсек 36, определенный в корпусе 30 клапана 26, а второе гидравлическое соединение 34 открывается во второй отсек 38, определенный в корпусе 20 клапана 26.
Первый отсек 36 также сообщается по текучей среде с первым источником 40 рабочей среды через первый гидравлический канал 42, а второй отсек 38 сообщается по текучей среде со вторым источником 44 рабочей среды через второй гидравлический канал 46.
Первый источник 40 рабочей среды расположен для нагнетания рабочей среды в первый отсек 36 под первым давлением. Это первое давление, например, по существу составляет от 60 бар до 250 бар.
Второй источник 44 рабочей среды расположен для нагнетания рабочей среды во второй отсек 38 под вторым давлением. Это второе давление, например, по существу составляет от 10 бар до 70 бар.
Таким образом, первое давление намного выше второго давления, что позволяет адаптировать перемещение поршня 20 к усилиям, необходимым для перемещения кольцевого затвора 4, как будет описано ниже. Первый и второй источники 40 и 44 нагнетают по существу идентичную рабочую среду, например, масло.
Управляющее устройство 16 дополнительно содержит резервуар 48 рабочей среды, сообщающийся через гидравлические каналы 50 с третьим отсеком 52 и с четвертым отсеком 54, которые определены в корпусе 30 клапана 26 и, соответственно, сообщаются по текучей среде с первым гидравлическим соединением 32 и со вторым гидравлическим соединением 34 так, чтобы создавать сообщение между первой камерой 22 и второй камерой 24 цилиндра 6 с резервуаром 48 рабочей среды. Согласно одному варианту управляющее устройство 16 содержит два резервуара 48, один для приема рабочей среды из первой камеры 22, а другой для приема рабочей среды из второй камеры 24.
Управляющее устройство 16 дополнительно содержит распределительное устройство 56 для открывания и закрывания различных каналов сообщения по текучей среде между цилиндром 6, первым источником 40 рабочей среды, вторым источником 44 рабочей среды и резервуаром 48 рабочей среды.
Для этого распределительное устройство 56 содержит корпус 58, выполненный с возможностью перемещения в корпусе 30 клапана 26 и имеющий секции 60 большого диаметра, при этом этот диаметр более или менее равен диаметру корпуса 30 клапана 26 так, чтобы заполнять внутренний объем клапана 26 в положении этих секций 60, и секции 62 меньшего диаметра, диаметр которых существенно меньше диаметра корпуса 30 клапана 26 так, чтобы оставить часть внутреннего объема клапана 26 открытым в положении этих секций, как показано на фиг. 4. Такое распределительное устройство 56 сформировано, например, как золотник золотникового гидрораспределителя.
Корпус 58 распределительного устройства выполнен с возможностью перемещения между первым положением (фиг. 2) и вторым положением (фиг. 3), позволяя, соответственно, нагнетать рабочую среду в первую камеру 22 и во вторую камеру 24 цилиндра 6.
1
В первом положении секция 62 уменьшенного диаметра корпуса 58 распределительного устройства 56 находится в первом отсеке 36 и на пути между первым гидравлическим каналом 42, соединяющим первый гидравлический источник 40 с корпусом 30 клапана, и первым гидравлическим соединением 32, соединяющим первую камеру 22 цилиндра 6 с корпусом 30 клапана. Таким образом, рабочая среда течет от первого источника 40 в первую камеру 22 цилиндра 6 под первым давлением, как показано позицией T на фиг. 2. Нагнетание рабочей среды в первую камеру 22 цилиндра 6 приводит к толканию поршня 20 и, следовательно, штока 14 в первом направлении А, позволяющем поднять кольцевой затвор 4.
1
Аналогично в первом положении секция 60 большого диаметра корпуса 58 распределительного устройства 56 находится на пути между вторым гидравлическим каналом 46, соединяющим второй источник 44 рабочей среды с корпусом 30 клапана 26, и вторым гидравлическим соединением 34, соединяющим вторую камеру 24 цилиндра 6 с корпусом 30 клапана 26. Поэтому во вторую камеру 24 рабочая среда не нагнетается. Наоборот, в первом положении секция 62 уменьшенного диаметра находится на пути между гидравлическим каналом 50, соединяющим резервуар 48 рабочей среды с четвертым отсеком 54, и вторым гидравлическим соединением 34 так, что рабочая среда выходит из второй камеры 24 под действием давления поршня 20 в первом направлении А, и сливается в резервуар 48, как показано позицией E на фиг. 2.
В первом положении секция 60 большого диаметра корпуса 58 распределительного устройства находится на пути между гидравлическим каналом 50, соединяющим резервуар 48 с третьим отсеком 52, и первым гидравлическим соединением 32, чтобы предотвратить вытеканию рабочей среды из первой камеры 22 цилиндра 6 в резервуар 48.
2
Во втором положении секция 62 уменьшенного диаметра корпуса 58 распределительного устройства 56 находится во втором отсеке 38 и на пути между вторым гидравлическим каналом 46, соединяющим второй источник 44 рабочей среды с корпусом 30 клапана, и вторым гидравлическим соединением 34, соединяющим вторую камеру 24 цилиндра 6 с корпусом 30 клапана. Поэтому рабочая среда течет от второго источника 44 во вторую камеру 24 цилиндра 6 под вторым давлением, как показано позицией Т на фиг. 3. Нагнетание рабочей среды во вторую камеру 24 цилиндра 6 толкает поршень 20 и, следовательно, шток 14 во втором направлении В, позволяя опустить кольцевой затвор 4.
2
Аналогично во втором положении секция 60 большого диаметра корпуса 58 распределительного устройства 56 находится на пути между первым гидравлическим каналом 42, соединяющим первый источник 40 рабочей среды с корпусом 30 клапана, и первым гидравлическим соединением 32, соединяющим первую камеру 22 цилиндра 6 с корпусом 30 клапана 26. Поэтому в первую камеру 22 рабочая среда не нагнетается. Наоборот, во втором положении секция 62 уменьшенного диаметра находится на пути между гидравлическим каналом 50, соединяющим резервуар 48 рабочей среды с третьим отсеком 52 и первым гидравлическим соединением 32, поэтому рабочая среда вытекает из первой камеры 22 цилиндра под действием давления поршня 20, движущегося во втором направлении В, и заполняет резервуар 48, как показано позицией Е на фиг. 3.
Во втором положении секция 60 большого диаметра корпуса 58 распределительного устройства находится на пути между гидравлическим каналом 50, соединяющим резервуар 48 с четвертым отсеком 54, и вторым гидравлическим соединением 34, чтобы предотвратить вытекание рабочей среды из второй камеры 22 цилиндра 6 в резервуар 48.
Корпус 58 распределительного устройства дополнительно содержит центральную секцию 63 большого диаметра, проходящую между первым отсеком 36 и вторым отсеком 38 и расположенную для предотвращения любого сообщения по текучей среде между этими отсеками, в каком бы положении ни находилось распределительное устройство 56. Таким образом, предотвращается любое сообщение по текучей среде между первым гидравлическим соединением 32 и вторым гидравлическим каналом 46 и между вторым гидравлическим соединением 34 и первым гидравлическим каналом 42. Это гарантирует невозможность нагнетания в одну из камер цилиндра 6 рабочей среды от неправильного источника, в каком бы положении ни находилось распределительное устройство 56. Центральная секция 63 большого диаметра расположена между двумя секциями 62 уменьшенного диаметра, соответственно, позволяющими рабочей среде проходить между первым гидравлическим каналом 42 и первым гидравлическим соединением 32, когда корпус находится в первом положении, и между вторым гидравлическим каналом 46 и вторым гидравлическим соединением 34, когда корпус 58 находится во втором положении.
Поступательное перемещение корпуса 58 распределительного устройства 56 в корпусе 30 клапана 26 между первым положением и вторым положением осуществляется с помощью управляющего средства, содержащего нажимное средство 64 для толкания распределительного устройства 56 из его первого положения в его второе положение, и удерживающее средство 66, удерживающее распределительное устройство, способствуя его возвращению в первое положение. Нажимное средство 64, например, образовано камерой, входящей в корпус 30 клапана 26 и закрытой одним концом корпуса 58 распределительного устройства. Камера выполнена с возможностью заполнения рабочей средой, толкающей корпус 58 распределительного устройства, по мере заполнения камеры. Удерживающее средство 66 образовано, например, пружиной, прижимающейся к другому концу корпуса 58 клапана 36 и толкающей корпус 58 к первому положению, когда нажимное средство 64 больше не воздействует на корпус 58. Управляющее средство дополнительно содержит средство, расположенное для переключения заполнения и дренажа камеры, которая образует нажимное средство 64. Управляющее средство дополнительно может содержать, например, датчик положения, определяющий положение корпуса 58 в корпусе 30 клапана 26. Управляющее средство может принимать формы, отличные от описанных выше, например, форму приводного цилиндра и т.п.
Управляющее устройство, описанное выше, позволяет нагнетать в первую камеру 22 цилиндра 6 рабочую среду под высоким давлением, что позволяет преодолеть силы, необходимые для подъема кольцевого затвора в его открытое положение, и нагнетать во вторую камеру 24 цилиндра 6 рабочую среду под низким давлением достаточным для опускания кольцевого затвора в закрытое положение под действием собственного веса. Такое управляющее устройство является простым в эксплуатации и позволяет осуществлять переключение давления нагнетания с высокого на низкое очень быстро и без необходимости в сложных управляющих системах.
Это управляющее устройство не содержит дополнительных компонентов за пределами клапана 26, по сравнению с известными управляющими устройствами для цилиндра, который работает только на одном давлении. При сравнении с известными управляющими устройствами модифицируется только клапан путем установки описанного выше распределительного устройства.
Описанное распределительное устройство позволяет управлять созданием сообщения по текучей среде между камерами цилиндра и первым и вторым источниками рабочей среды и между камерами и резервуаром или резервуарами рабочей среды, используя лишь одну движущуюся деталь внутри клапана. Таким образом, можно гарантировать, что создание сообщения по текучей среде между камерами цилиндра и источниками рабочей среды всегда будет взаимосвязанным, и такое создание сообщения зависит исключительно от положения распределительного устройства. Это, в свою очередь, гарантирует правильность работы управляющего устройства, поскольку невозможно открыть сообщение камеры с неправильным источником рабочей среды. Кроме того, благодаря небольшому количеству компонентов появляется возможность очень легко идентифицировать источник любой потенциальной поломки.