ГИДРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА
HYDRAULIC POWER PLANT

Настоящее изобретение относится к гидросиловой установке по меньшей мере с одной электрической приводной системой, причем гидросиловая установка включает в себя запорный орган, и электрическая приводная система используется для приведения в действие запорного органа. Говоря о запорном органе, речь может идти, например, о направляющем аппарате или о клапане для прерывания потока воды через гидросиловую установку (впускной клапан).
Как правило, для приведения в действие запорного органа гидросиловой установки используются приводные системы с масляно-гидравлическими серводвигателями 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 серводвигатели, приводимые в действие электрически.
WO 2016/145541 A1 раскрывает, например, гидросиловую установку с электрическими серводвигателями для перемещения направляющих лопаток направляющего аппарата. DE 10 2017 116 968 B3 раскрывает гидросиловую установку с электрическим приводом для приведения в действие впускного клапана.
Гидросиловые установки должны соответствовать высоким стандартам безопасности, так как при технической аварии могут возникать высокие материальные потери, и люди могут подвергаться опасности. Так, например, при слишком быстром закрытии запорных органов напорный трубопровод гидросиловой установки может треснуть и таким образом затопить целые местности. Для предотвращения таких повреждений должны в частности соблюдаться предусмотренные в каждом случае времена закрытия и соответственно максимально допустимые скорости закрытия. При этом в зависимости от ситуации могут быть предписаны различные максимальные скорости закрытия. Кроме того, система безопасности гидросиловой установки должна иметь возможность обеспечения того, что правила закрытия могут еще соблюдаться даже при выходе из строя отдельных компонентов (отказоустойчивость).
Изобретатель поставил перед собой задачу по созданию гидросиловой установки с электрической приводной системой для приведения в действие запорного органа, которая может надежно соблюдать комплексные правила закрытия.
Поставленная задача решается с помощью гидросиловой установки с признаками независимого пункта формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления следуют из зависимых от него пунктов формулы изобретения.
Соответствующее изобретению решение разъясняется далее на основе чертежа. На нем подробно показано следующее:
фиг. 1 - соответствующая родовому понятию гидросиловая установка; и
фиг. 2 - электрическая приводная система для приведения в действие запорного органа соответствующей изобретению гидросиловой установки.
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 запорный орган, который обозначен ссылочной позицией 2, и электрический привод или приводную систему, которая обозначена ссылочной позицией 3. Электрический привод соединен с запорным органом 2 таким образом, что он может приводить его в действие. Запорный орган 2 может быть, например, впускным клапаном, который открывается и закрывается электрическим приводом. Или запорный орган 2 является направляющим аппаратом, причем электрический привод 3 приводит в действие направляющий аппарат. В этом случае электрический привод 3 должен приводить направляющий аппарат определенным образом в заданные положения. Важным для безопасности является во всех случаях приближение к закрытому положению запорного органа 2, чтобы гидросиловая установка могла надежно останавливаться.
Фиг. 2 показывает электрическую приводную систему для приведения в действие запорного органа соответствующей изобретению гидросиловой установки, причем запорный орган снова обозначен ссылочной позицией 2. Электрическая приводная система снова обозначена ссылочной позицией 3. Электрическая приводная система 3 включает в себя ходовой винт, который обозначен ссылочной позицией 4. Для приведения в действие запорного органа 2 ходовой винт 4 соединен с запорным органом 2. На фиг. 2 обозначены двумя малыми окружностями точки приложения ходового винта 4. Одной из точек приложения ходовой винт 4 опирается, например, на корпус или фундамент, а другой точкой приложения ходовой винт 4 воздействует на запорный орган 2. Электрическая приводная система 3 включает в себя далее передаточный механизм, который соединен с ходовым винтом 4 и обозначен ссылочной позицией 5. Электрическая приводная система 3 включает в себя далее электродвигатель, который обозначен ссылочной позицией 6. При этом приводной вал двигателя 6 соединен с передаточным механизмом 5 таким образом, что двигатель 6 может приводить ходовой винт 4 в движение через передаточный механизм 5. При этом ходовой винт 4, передаточный механизм 5 и двигатель 6 определяют приводной тракт. Двигатель 6 соединен с вентильным преобразователем, который питает двигатель 6 и обозначен ссылочной позицией 7. Вентильный преобразователь 7 позволяет эксплуатировать двигатель 6 с переменной частотой вращения. Приводная система 3 включает в себя далее блок управления для управления приводной системой 3, который обозначен ссылочной позицией 8. При этом блок 8 управления управляет в основном вентильным преобразователем 7, причем скорость вращения двигателя 6 определяется частотой вентильного преобразователя 7. Это регулирующее отношение обозначено пунктирной стрелкой между блоком 8 управления и вентильным преобразователем 7. В нормальном режиме эксплуатации блок 8 управления устанавливает таким образом скорость исполнительного движения приводной системы 3. Это относится в частности также к скорости закрытия запорного органа, которая, как правило, ни в коем случае не должна превышать определенных заданных значений. Чтобы это могло обеспечиваться также при неисправности блока 8 управления или вентильного преобразователя 7, приводная система 3 включает в себя первый тормоз, который расположен таким образом, что он может оказывать действие на приводной тракт приводной системы 3, ограничивая частоту вращения. На фиг. 2 первый тормоз обозначен ссылочной позицией 9. Предпочтительно первый тормоз 9 оказывает действие на приводной тракт на стороне передаточного механизма 5 со стороны двигателя, так как там крутящие моменты ниже, чем между передаточным механизмом 5 и ходовым винтом 4. Первый тормоз 9 является предпочтительно механическим тормозом и выполнен наиболее предпочтительно в виде центробежного тормоза. Центробежный тормоз имеет то преимущество, что ниже частоты вращения срабатывания тормозной момент не создается. На фиг. 2 первый тормоз 9 установлен на приводном валу двигателя 6, который проходит сквозь передаточный механизм 5, то есть тормоз 9 расположен, если смотреть от двигателя 6, на другой стороне передаточного механизма 5. Однако тормоз 9 мог бы равным образом хорошо располагаться на этой стороне двигателя на приводном валу двигателя 6.
Обычно закрытие запорного органа в гидросиловой установке осуществляется согласно пошаговому правилу закрытия. То есть, начиная с открытого положения, закрытие осуществляется на первой фазе с первой максимальной скоростью закрытия, а при достижении определенной степени закрытия, то есть при достижении заданного положения запорного органа, на второй фазе со второй максимальной скоростью закрытия, причем, как правило, первая максимальная скорость закрытия больше, чем вторая максимальная скорость закрытия. То есть, как правило, заключительная фаза закрытия должна осуществляться, можно сказать, более осторожно, чем начальная фаза закрытия, причем также в редких случаях бывает прямо наоборот.
Для обеспечения второй максимальной скорости закрытия приводная система 3 включает в себя второй тормоз, который обозначен ссылочной позицией 11, и устройство активации, которое обозначено ссылочной позицией 10. При этом второй тормоз 11 может активироваться и деактивироваться при помощи устройства 10 активации. При этом в деактивированном состоянии тормоз 11 не может ни в коем случае оказывать действие на приводной тракт, ограничивая частоту вращения, в то время как в активированном состоянии он может это делать. Однако может быть, что также в активированном состоянии тормоз 11 не в любом случае оказывает тормозящее действие на приводной тракт, а может быть для этого необходимо то, что должны быть выполнены дополнительные условия. Это имеет место, например, в том случае, если тормоз 11 выполнен в виде центробежного тормоза, так как такой тормоз оказывает тормозящее действие только в том случае, если превышается заданная частота вращения. Если тормоз 11 выполнен в виде механического тормоза, к которому относятся также центробежные тормозы, то устройство 10 активации может быть выполнено в виде механической муфты. Однако также возможны другие варианты осуществления. Так, например, тормоз 11 может включать в себя также тормозной диск и тормозные колодки, а устройство 10 активации является в этом случае механизмом для прижатия тормозных колодок к тормозному диску. Тормозы 9 и 11 могут быть также выполнены с объединением. Например, если оба тормоза делят между собой один единственный тормозной диск и включают в себя при этом лишь отдельные тормозные колодки. В принципе оба тормоза могли бы делить между собой даже тормозные колодки, а устройство 10 активации обеспечивает в этом случае лишь то, что в активированном состоянии тормозные колодки сильнее прижимаются к тормозному диску. Тормоз 11 может быть выполнен, например, в виде вихретокового тормоза, причем устройство активации было бы выполнено в этом случае в виде электрической схемы. Однако такой электрический тормоз имеет тот недостаток, что работоспособность была бы больше не обеспечена при обесточивании. Однако этот недостаток может обходиться вследствие того, что примененный вихретоковый тормоз достигает тормозящего действия при помощи постоянных магнитов. Из всех указанных вариантов осуществления комбинация центробежных тормозов с механической муфтой является самой предпочтительной, так как для ее реализации могут использоваться проверенные стандартные компоненты.
В любом случае ограничение частоты вращения определяется при деактивированном втором тормозе 11 исключительно первым тормозом 9, в то время как при активированном втором тормозе 11 оно определяется комбинацией действий обоих тормозов.
В отношении места, на котором расположен второй тормоз 11 на приводном тракте, справедливо то, что было сказано о первом тормозе 9.
Устройство 10 активации выполнено таким образом, что второй тормоз деактивирован, когда электрический управляющий сигнал прилегает к устройству 10 активации, и активирован, когда электрический управляющий сигнал не прилегает к устройству 10 активации. Для снабжения устройства 10 активации электрическим управляющим сигналом предусмотрена электрическая линия, которая соединена с устройством 10 активации. На фиг. 2 изображена система для того случая, когда устройство 10 активации выполнено в виде механической муфты, так что в активированном состоянии второй тормоз 11 включен в приводной тракт, а в деактивированном состоянии отключен от приводного тракта. В этом случае активированное состояние, то есть когда электрический управляющий сигнал не прилегает, может вызываться пружиной, которая подключает муфту 10, в то время как электрический управляющий сигнал запускает механизм, который отключает муфту 10, например, намагничивая электромагнит.
Следует еще отметить, что, если оба тормоза выполняются в виде центробежных тормозов, то оба тормоза действуют в комбинации, то есть при активированном втором тормозе следующим образом. Строго говоря, действует лишь тот тормоз, который ограничивает частоту вращения до более низкого значения. Следовательно, тормозы должны рассчитываться таким образом, чтобы им был второй тормоз 11, так что при деактивированном втором тормозе 11 ограничение частоты вращения осуществляется до более высокого значения (действует только первый тормоз 9), а при активированном втором тормозе 11 ограничение частоты вращения осуществляется до более низкого значения (действует только второй тормоз 11).
Кроме того, на фиг. 2 проходит электрическая линия между блоком 8 управления и устройством 10 активации, то есть управляющий сигнал предоставляется непосредственно блоком 8 управления. Однако это могло бы также реализовываться по-другому, например, при помощи отдельного источника тока, который управляется блоком 8 управления. Для реализации или обеспечения двухступенчатого правила закрытия может быть расположен блок 12 прерывания на электрической линии, который предоставляет электрический управляющий сигнал для устройства 10 активации. В простейшем случае блок 12 прерывания является переключателем, который на первой фазе закрытия замкнут, а на второй фазе размыкается. То есть блок 12 прерывания активируется или деактивируется в зависимости от положения запорного органа 2. Это отношение обозначено на фиг. 2 пунктирной стрелкой между запорным органом 2 и блоком 12 прерывания. Описанная активация или деактивация блока 12 прерывания в зависимости от положения запорного органа 2 может осуществляться, например, механически при помощи так называемой кулисы, которая закреплена на запорном органе 2. Однако также возможны другие реализации описанных функциональных возможностей. Так блок управления мог бы измерять положение запорного органа и в соответствии с этими измеренными значениями предоставлять управляющий сигнал или нет. Равным образом хорошо мог бы быть для этого предусмотрен второй отдельный блок управления. В любом случае приводная система 3 включает в себя средства для предоставления электрического управляющего сигнала для устройства 10 активации в зависимости от положения запорного органа 2.
Описанная система влечет за собой то, что при обесточивании устройство 10 активации активирует второй тормоз 11, так как в этом случае электрический управляющий сигнал не предоставляется, так что закрытие происходит в этом случае полностью с более низкой максимальной скоростью закрытия. Само собой разумеется, с оговоркой, что запорный орган 2 может закрываться без тока. Для этого необходимы два условия: ходовой винт 4 не должен обладать самоторможением, и энергия закрытия запорного органа 2 должна иметь возможность предоставляться также при обесточивании. Второе условие может быть выполнено несколькими способами. Так многие запорные органы в гидросиловых установках имеют тенденцию гидравлического закрытия. Впускные клапаны имеют в большинстве случаев вес закрытия, так что энергия закрытия может предоставляться потенциальной энергией веса.
Опционально приводная система 3 может включать в себя еще систему батарей. На фиг. 2 она обозначена ссылочной позицией 13 и соединена с вентильным преобразователем 7, так что система 13 батарей может снабжать вентильный преобразователь 7 при обесточивании электрической энергией. Многие гидросиловые установки и без того включают в себя систему батарей для аварийного энергоснабжения, которая может для этого использоваться. Однако для указанной цели может быть также предусмотрена отдельная система батарей. Если система батарей присутствует, то она может также использоваться для того, чтобы предоставлять при обесточивании электрический управляющий сигнал для устройства активации, так что также при обесточивании может соблюдаться поэтапное правило закрытия. Тот же положительный эффект может также достигаться вследствие того, что приведение в действие устройства активации осуществляется не электрически при помощи управляющего сигнала, а чисто механически. Для этого мог бы использоваться, например, рычажный механизм, который при помощи соответствующих установочных движений приводит в действие устройство активации. Были бы также пригодны проволочные тяги или гидравлическая система управления. Так как такое механическое приведение в действие устройства активации не может реализовываться без большей сложности, такое исполнение целесообразно только в случае критических станций, которые в любом случае требуют поэтапного правила закрытия (например, при впускных клапанах, которые выполнены в виде шаровых затворов).
В любом случае соответствующая изобретению приводная система выполнена таким образом, что второй тормоз может при помощи устройства активации активироваться и деактивироваться в зависимости от положения запорного органа. При этом, как было уже указано выше, под словосочетанием “положение запорного органа” следует понимать его степень закрытия или открытия.
При способе эксплуатации соответствующей изобретению гидросиловой установки второй тормоз активировался бы в соответствии со способом, когда при закрытии запорного органа он превышает предварительно заданное положение. Это относится к большинству случаев, при которых, как было упомянуто выше, заключительная фаза процесса закрытия должна осуществляться более осторожно. В обратном случае второй тормоз деактивировался бы, когда при закрытии запорного органа он превышает предварительно заданное положение. Ясно, что второй тормоз принимает при этом в начале процесса закрытия в каждом случае противоположное состояние, то есть он, естественно, сначала деактивирован, если он активируется позже.
Так как электродвигатель 6 может создавать при частоте вращения ниже номинальной частоты вращения моменты, которые находятся выше номинального момента, предпочтительно, если на приводном тракте расположен перегрузочный предохранитель, для того чтобы защищать механические элементы приводной системы 3 от разрушения. Такой опциональный перегрузочный предохранитель расположен на фиг. 2 на приводном валу двигателя 6 и обозначен ссылочной позицией 14, то есть перегрузочный предохранитель 14 расположен между двигателем 6 и передаточным механизмом 5. Перегрузочный предохранитель 14 выполнен предпочтительно в виде элемента трения, так что в упомянутом состоянии момент передается по-прежнему, и ходовой винт не может свободно перемещаться.
Наконец, следует отметить, что правила закрытия с более чем одной ступенью могут реализовываться посредством каскадирования комбинации устройства активации и дальнейшего тормоза. Так, например, может реализовываться двухступенчатое правило закрытия при помощи третьего тормоза и второго устройства активации для третьего тормоза. При этом для применения центробежных тормозов вышесказанное справедливо, естественно, аналогичным образом.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 гидросиловая установка
2 запорный орган
3 электрический привод
4 ходовой винт
5 передаточный механизм
6 электродвигатель
7 вентильный преобразователь
8 блок управления
9 первый тормоз
10 устройство активации или муфта
11 второй тормоз
12 блок прерывания
13 система батарей
14 перегрузочный предохранитель.