ПОГРУЖНАЯ СИСТЕМА, СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕЕ РАБОТОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД (ВАРИАНТЫ)
SUBMERSIBLE SYSTEM, METHOD FOR OPERATION CONTROL THEREOF AND ELECTRIC DRIVE (EMBODIMENTS)

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании патентной заявки США US 2004101401 А1, 27.05.2004, F03B 3/18, все содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
(a) Область техники
[0002] Раскрываемый объект изобретения относится главным образом к приводу направляющих аппаратов гидротурбины.
(b) Известный уровень техники
[0003] Управление известными турбинами, используемое для регулирования потока воды при производстве гидроэлектроэнергии, осуществляется масляными гидравлическими цилиндрами, также называемыми сервоприводами, для открытия и закрытия направляющих аппаратов турбины. Такие гидравлические системы содержат загрязняющие вещества, например, гидравлическое масло, в трубопроводах высокого давления, насосах, компрессорах и масляных резервуарах высокого давления, необходимое для поддержания работы системы. Такие загрязняющие вещества присутствуют в больших количествах, которые могут достигать 30000 литров на турбину и до 1000000 литров на среднюю станцию.
[0004] Главным недостатком, связанным с данным типом сервоприводов, является утечки загрязняющих веществ, например, гидравлического масла, в воду.
[0005] Избыточная утечка масла происходит при обычной эксплуатации, например, во время технического обслуживания, или при обычной эксплуатации в связи со старением системы (некоторые системы служат более 75 лет). При утечке масло попадает в окружающую среду, загрязняя речные источники.
[0006] Кроме того, отказы системы (вызванные грязью из реки, проходящей через фильтры выше по потоку, непостоянным потоком воды или механическим сбоем в системе) могут привести к погружению основного гидравлического сервомотора на глубину до 3 м, что приведет к затоплению всей турбины и приводной системы затвора турбины и попаданию значительного количества масла из гидравлической системы в реку, причиняя значительный ущерб окружающей среде.
[0007] Были предприняты попытки разобраться с этой проблемой. Например, компания Toshiba International Corp разработала непогружную систему, в которой поток воды направлен по трубе/каналу в конструкцию над водой для вращения турбины, управляемой электрическим сервоприводом. Пример данной системы представлен на фиг. 1а и 1b, где показана непогружная гидравлическая система 120 генерирования электроэнергии, содержащая водовпускной и водовыпускной патрубки 122 и сервопривод 121 для регулирования потока воды в турбине. Как показано на фиг. 1а и 1b, система 120 не погружена в воду, а расположена снаружи за пределами корпуса плотины.
[0008] Однако будучи непогружной, система Toshiba не может быть полезной для замены имеющихся погружных гидравлических систем с сервопривдом для производства электроэнергии, и поэтому ее использование возможно только при строительстве новых плотин или при выполнении существенных изменений конструкции имеющейся плотины. Последнее проблематично и иногда невозможно с точки зрения затрат, перерыва в подаче электроэнергии в связи с перерывом в экплуатации для выполнения изменений, и иногда невозможно из-за конфигурации и конструкции плотины.
[0009] Поэтому остается необходимость в системе производства гидроэлектроэнергии для замены имеющихся систем гидравлических сервоприводов, не наносящей вред окружающей среде и в то же время погружной.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] В настоящих вариантах осуществления изобретения описана такая система.
[0011] В одном аспекте изобретения предлагается погружная система производства гидроэлектроэнергии, содержащая: турбину, содержащую несколько направляющих аппаратов, выполненных с возможностью открытия и закрытия для управления потоком воды через турбину; рабочее кольцо с направляющими аппаратами, функционально соединенное с несколькими направляющими аппаратами для поворота направляющих аппаратов между открытым и закрытым положением; один или более электрических приводов, функционально соединенных с рабочим кольцом с направляющими аппаратами и выполненных с возможностью поворота рабочего кольца с направляющими аппаратами в требуемое положение в ответ на управляющий сигнал. Каждый электрический привод содержит электромотор и тягу двухстороннего действия, функционально соединенную с электромотором для преобразования вращательного движения электромотора в линейное перемещение для поворота рабочего кольца с направляющими аппаратами в требуемое положение.
[0012] Электрический привод может быть расположен в водонепроницаемом корпусе. Водонепроницаемый корпус может содержать водонепроницаемый кожух, содержащий гибкую мембрану, кожух для электромотора; и телескопическую трубку, выступающую из гибкой мембраны, телескопическая трубка выполнена с возможностью размещения в ней тяги двухстороннего действия, а также выдвижения и втягивания при линейном перемещении тяги двухстороннего действия.
[0013] Система может также содержать водонепроницаемый силовой блок для подачи сигнала управления, полученного снаружи корпуса, электромотору.
[0014] В варианте осуществления изобретения кожух, мембрана, силовой блок и телескопическая трубка соответствуют стандарту водонепроницаемости IP68.
[0015] Система может также содержать первый электрический привод и второй электрический привод, присоединенные к противоположным сторонам рабочего кольца с направляющими аппаратами. Первый привод и второй привод могут выполнять линейные перемещения, идентичные по скорости и противоположные по направлению, для поворота рабочего кольца направляющими аппаратами.
[0016] Тяга управления может содержать первичный вал для соединения с вращающимся валом электромотора; и цилиндр, содержащий множество вторичных валов вокруг первичного вала, вторичные валы соединены с цилиндром и выполнены с возможностью инициирования линейного перемещения цилиндра при вращении первичного вала.
[0017] Электромотор может быть сервоприводом.
[0018] В другом аспекте изобретения предлагается электрический привод для управления открытием и закрытием рабочего кольца с направляющим аппаратами в погружной системе выработки гидроэлектроэнергии; электрический привод содержит: электромотор с вращающимся валом; тягу двухстороннего действия для соединения с рабочим кольцом с направляющими аппаратами, тяга двухстороннего действия функционально соединена с вращающимся валом и выполнена с возможностью преобразования вращательного движения вращающегося вала в линейное перемещение для поворота рабочего кольца с направляющими аппаратами в требуемое положение.
[0019] Электрический привод может быть погружным и может содержать водонепроницаемый корпус с классом защиты IP68.
[0020] Водонепроницаемый корпус может содержать водонепроницаемый кожух, содержащий гибкую мембрану, кожух для электромотора; и телескопическую трубку, выступающую из гибкой мембраны, телескопическая трубка выполнена с возможностью размещения в ней тяги двухстороннего действия, а также выдвижения и втягивания при линейном перемещении тяги двухстороннего действия.
[0021] Тяга двухстороннего действия может содержать первичный вал для соединения с вращающимся валом электромотора; и цилиндр, содержащий множество вторичных валов вокруг первичного вала, вторичные валы соединены с цилиндром и выполнены с возможностью инициирования линейного перемещения цилиндра при вращении первичного вала.
[0022] В еще одном аспекте изобретения предлагается способ управления работой погружной системы выработки гидроэлектроэнергии, содержащей множество направляющих аппаратов, соединенных с рабочим кольцом с направляющими аппаратами, способ содержит: предоставление тяги двухстороннего действия, выполненной с возможностью преобразования вращательного движения, полученного на первом ее конце, в линейное перемещение на ее телескопическом конце, телескопический конец является противоположным первому концу; присоединение первого конца тяги двухстороннего действия к электромотору для линейного перемещения телескопического конца при вращении первого конца, линейное перемещение телескопического конца для поворота рабочего кольца с направляющими аппаратами; и предоставление водонепроницаемой конструкции корпуса электромотора и тяги двухстороннего действия в нем.
[0023] В варианте осуществления изобретения предоставление водонепроницаемой конструкции содержит: предоставление электромотора в водонепроницаемом корпусе с гибкой мембраной; и предоставление тяги двухстороннего действия в водонепроницаемой телескопической трубке, выступающей из гибкой мембраны.
[0024] Способ может также содержать присоединение телескопической трубки к рабочему кольцу с направляющими аппаратами.
[0025] В другом варианте осуществления способ может содержать: предоставление двух различных электромоторов и присоединение телескопических трубок, соединенных с двумя разными электромоторами, к противоположным сторонам рабочего кольца с направляющими аппаратами; и два электромотора, выполненных с возможностью вращения в противоположных направлениях для поворота рабочего кольца с направляющими аппаратами.
[0026] В еще одном аспекте изобретения предлагается электрический привод для управления работой рабочего кольца с направляющими аппаратами, соединенного с множеством направляющих аппаратов в погружной системе выработки гидроэлектроэнергии; электрический привод содержит: электромотор с вращающимся валом; тягу двухстороннего действия для соединения с рабочим кольцом с направляющими аппаратами, тяга двухстороннего действия функционально соединена с вращающимся валом и выполнена с возможностью преобразования вращательного движения вращающегося вала в линейное перемещение для поворота рабочего кольца с направляющими аппаратами в требуемое положение. Электрический привод является погружным и содержит водонепроницаемый корпус, содержащий водонепроницаемый кожух с гибкой мембраной и телескопической трубкой, выступающей из гибкой мембраны; водонепроницаемый кожух адаптирован, чтобы вмещать электромотор, а телескопическая трубка адаптирована для того, чтобы вмещать тягу двухстороннего действия и для соединения с ней, а также, чтобы выдвигаться и втягиваться при линейном перемещении тяги двухстороннего действия.
[0027] Согласно варианту осуществления изобретения предлагается погружная система выработки гидроэлектроэнергии, содержащая: как минимум один привод, содержащий электрический сервомотор и тягу двухстороннего действия, функционально соединенную с электрическим сервомотором для преобразования вращения электрического сервомотора в линейное перемещение; турбину, содержащую множество лопаток, выполненных с возможностью открытия и закрытия для управления потоком воды, проходящим через гидротурбину; и рабочее кольцо с направляющими аппаратами, функционально соединенное с этими лопатками турбины с одной стороны и с приводом с другой стороны для управления работой лопаток в соответствии с осевым перемещением привода.
[0028] В варианте осуществления изобретения система содержит один или любое количество приводов, присоединенных к противоположным сторонам рабочего кольца с направляющим аппаратом и выполненных с возможностью работы в одной общей системе управления направляющим аппаратом.
[0029] В другом варианте осуществления изобретения привод подходит для постоянного погружения в воду и соответствует стандарту IP68.
[0030] Особенности и преимущества объекта изобретения явно следуют из последующего детального описания выбранных вариантов осуществления изобретения и сопутствующих фигур. Как будет показано, раскрываемый и заявляемый объект изобретения может быть изменен в различных отношениях без отступления от объема притязаний. Соответственно, чертежи и описание следует рассматривать как имеющие справочный характер и не имеющие ограничительного характера, при этом объект изобретения в полном объеме раскрыт в формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0031] Прочие функции и преимущества настоящего изобретения явно следуют из приведенного ниже описания и сопутствующих чертежей, где:
[0032] На фиг. 1а и 1b показана стандартная непогружная система производства гидроэлектроэнергии.
[0033] На фиг. 2а и 2b представлены 3D-иллюстрации, отражающие рабочую среду погружной системы производства гидроэлектроэнергии, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
[0034] На фиг. 3а представлен вид в масштабе погружной системы производства гидроэлектроэнергии, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
[0035] На фиг. 3b представлен пример того, как линейное движение электрических приводов приводит к повороту рабочего кольца с направляющими аппаратами, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
[0036] На фиг. 4 показан типовая конфигурация тяги управления для преобразования вращательного движения мотора в осевое перемещение.
[0037] На фиг. 5а и 5b показаны приводы электрического сервомотора в убранном положении и в выдвинутом положении, соответственно.
[0038] На фиг. 6а-6с показан вариант осуществления изобретения системы уплотнения, предусмотренной для обеспечения водонепроницаемости приводов и соответствующих валов; и
[0039] На фиг. 7 представлена блок-схема процесса управления работой погружной системы производства гидроэлектроэнергии, содержащей множество направляющих аппаратов, соединенных с рабочим кольцом с направляющими аппаратами
[0040] Следует отметить, что на приложенных чертежах одинаковые признаки отмечены одинаковыми номерами.
[0041] Варианты осуществления изобретения раскрывают систему и способ для электрического управления погружной системой производства гидроэлектроэнергии для предотвращения утечки масла и загрязняющих веществ, используемых в имеющихся гидравлических системах. Система содержит один или любое количество погружных электрических приводов, функционально соединенных с рабочим кольцом с направляющими аппаратами, которое в свою очередь соединено с множеством направляющих аппаратов турбины. Каждый погружной электрический привод содержит электромотор, соединенный с тягой управления, выполненной с возможностью преобразования вращательного движения, полученного на ее первом конце, в линейное перемещение на телескопическом конце, противоположном первому концу, для поворота рабочего кольца с направляющими аппаратами в требуемое положение. Электрический привод содержит водонепроницаемую конструкцию, вмещающую электромотор и тягу управления и в то же время позволяющую телескопическое перемещение тяги управления для поворота рабочего кольца с направляющими аппаратами.
[0042] На фиг. 2а и 2b представлены 3D-иллюстрации, отражающие рабочую среду погружной системы производства гидроэлектроэнергии, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
[0043] Как показано на фиг. 2а и 2b, рабочая среда содержит погружные и непогружные модули. Непогружные модули содержат трансформатор напряжения, автоматический модуль подачи питания, панель управления, автономный источник питания (не показан), систему охлаждения для управления панелью управления и систему управления непогружными направляющими аппаратами.
[0044] Погружные модули содержат погружную турбину 129, содержащую множество направляющих аппаратов 130, соединенных с кольцом 136 с направляющими аппаратами (также называемого рабочим кольцом с направляющими аппаратами), показанным на фиг. 3а, и систему привода направляющих аппаратов, содержащую один или предпочтительно два электрических привода 137, присоединенных к противоположным сторонам кольца 136 с направляющими аппаратами. Погружные узлы могут быть размещены в конструктивной системе корпуса аппаратной (ниже непогружных компонентов и модулей), как показано на фиг. 2а, для управления генерированием мощности из поступающего потока воды, проходящего через направляющие аппараты 130, в соответствии с потреблением электроэнергии, уровнем воды и прочими параметрами.
[0045] На фиг. 3а представлен вид в масштабе погружной системы производства гидроэлектроэнергии в соответствии с вариантом осуществления изобретения, и на фиг. 3а представлен пример того, как линейное перемещение электрических приводов приводит к повороту рабочего кольца с направляющими аппаратами, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
[0046] В варианте осуществления изобретения управление потоком воды через турбину 129, а как следствие частотой вращения турбины и производством гидроэлектроэнергии, происходит при помощи двух электрических приводов 137, присоединенных к противоположным сторонам кольца 136 с направляющими аппаратами, для открытия и закрытия направляющих аппаратов 130 в ответ на сигнал управления, полученный с контрольной панели. В варианте осуществления изобретения каждый привод 137 содержит электрический сервомотор 138.
[0047] В примере осуществления, не имеющем ограничительного характера, каждый привод 137 может иметь диаметр 1 м и среднюю длину 3,5 м. Совместно два привода 137 могут иметь номинальную нагрузку 640,6 кН, номинальную мощность системы 94 кВт и массу 6,1 т.
[0048] Как показано в примере на фиг. 3, турбина 129 содержит множество направляющих аппаратов 130 и рабочее кольцо 136 с направляющими аппаратами, соединенное с направляющими аппаратами 130. Как описано выше, приводная система направляющих аппаратов содержит два или больше приводов 137а и 137b. Приводы 137 выполнены с возможностью иметь точное осевое перемещение с одинаковой частотой вращения, но в противоположных направлениях, для поворота кольца 136 с направляющими аппаратами в требуемое положение, как это требуется панелью управления. Каждый привод 137 содержит электрические сервоприводы 138, например, сервоприводы, соединенные с линейной тягой 140 двойного действия (также называемой толкающей штангой). Сервоприводы 138 выполнены с возможностью толкать/тянуть тяги 140 по оси, как показано на фиг. 3b, где изображен привод 137а в толкающем положении и привод 137b в тянущем положении. Тяги 140 присоединены к противоположным сторонам рабочего кольца 136 с направляющими аппаратами для открытия и закрытия направляющих аппаратов 134 турбины 130 после сигналов, полученных с панели управления, после команды регулирующей гидроэлектрической системы, управляющей генерированием гидроэлектрической энергии.
[0049] Соответственно, когда заданный привод 137а толкает кольцо 136 с направляющими аппаратами, другой привод 137b одновременно тянет с другой стороны кольцо 136 с направляющими аппаратами с той же скоростью/усилием/перемещением, но в противоположном направлении, что приводит к повороту кольца 136 в заданном направлении, как это требуется панелью управления.
[0050] Как описано выше, вращающийся вал каждого сервомотора 138 может быть соединен с тягой 140 управления для преобразования вращательного движения в линейное перемещение, как показано на фиг. 4.
[0051] На фиг. 4 показан пример конфигурации тяги управления для преобразования вращательного движения электрического сервомотора в линейное (толкающее/тянущее) перемещение.
[0052] Как показано на фиг. 4, тяга 140 управления содержит резьбовой вал 142, цилиндр/шасси 143 и множество резьбовых элементов 144, присоединенных к цилиндру 143, и имеющих резьбу, соответствующую резьбовому валу 142. Во время работы вращающийся вал 142 присоединен к вращающемуся валу сервомотора 138. Так как резьбовой вал 142 совершает вращение в заданном направлении, а цилиндр 143 присоединен к кольцу 136 с направляющими аппаратами не может вращаться с валом 142, вращательное движение вала 142 приводит к движению цилиндра 143 вперед или назад по оси в пределах корпуса 146 тяги двойного действия (как показано на фиг. 5а и 5b), таким образом преобразуя вращательное движение сервомоторов 138 в осевое движение для управления открытием направляющих аппаратов 134 посредством рабочего кольца 136 с направляющими аппаратами. Цилиндр 143 может быть помещен в корпус 146 тяги управления. На фиг. 5а показан привод в убранном положении, а на фиг. 5b - в выдвинутом положении.
[0053] Так как приводы непосредственно подвержены воздействию воды, важно обеспечить водонепроницаемость приводов и всего узла с валами, связанными с каждым приводом, для предотвращения образования ржавчины и обеспечения длительной работы. В варианте осуществления изобретения водонепроницаемая конструкция, раскрытая в данной заявке, соответствует стандарту водонепроницаемости IP68.
[0054] На фиг. с 6а по 6с показан вариант осуществления изобретения системы уплотнения, предусмотренной для обеспечения водонепроницаемости приводов и соответствующих валов. На фиг. 6а показан привод в полностью убранном положении. На фиг. 6b показан привод в наполовину выдвинутом положении, а на фиг. 6с - в полностью выдвинутом положении.
[0055] Как показано на фиг. с 6а по 6с каждый сервомотор 138 расположен в водонепроницаемом корпусе 150. В варианте осуществления изобретения корпус 150 может содержать водонепроницаемый блок 152 управления мощностью/электропитанием с классом защиты IP68 для защищенной подачи сигнала управления/мощности на сервомотор через корпус 150 и гибкую водонепроницаемую мембрану 154, из которой выступает телескопическая водонепроницаемая трубка 156 привода с классом защиты IP68. Мембрана спроектирована гибкой для компенсации вибраций, колебаний и различных движений во время работы турбины, например, неожиданного открытия, закрытия и т.д. Телескопическая водонепроницаемая трубка 156 привода охватывает и содержит корпус 146 тяги управления и толкающую штангу 140 сервомотора 138 таким образом, что толкающая штанга может выдвигаться и втягиваться в трубку 156 без доступа воды, как показано на фиг. 6а-6с, при этом привод 137 может работать в водной среде без снижения срока службы сервомотора и соответствующих элементов передачи энергии.
[0056] На фиг. 7 представлена блоксхема способа 200 для управления работой погружной системы производства гидроэлектроэнергии, содержащей множество направляющих аппаратов, соединенных с рабочим кольцом с направляющими аппаратами. На шаге 202 способ содержит предоставление тяги двухстороннего действия, выполненной с возможностью преобразования вращательного движения, полученного на ее первом конце, в линейное перемещение на ее телескопическом конце, противоположном первому концу. Шаг 204 содержит присоединение первого конца тяги двухстороннего действия к электромотору для линейного перемещения телескопического конца в результате вращения первого конца, линейное перемещение телескопического конца предназначено для поворота рабочего кольца с направляющими аппаратами. Шаг 206 е содержит водонепроницаемую конструкцию для размещения электромотора и его тяги управления.
[0057] Хотя предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты выше и проиллюстрированы на сопутствующих чертежах, специалистам в данной области техники понятно, что возможны модификации без отклонения от данного изобретения. Такие модификации рассматриваются как возможные варианты, содержащиеся в объеме притязаний по настоящему изобретению.