CN1294666A - 阀的机电式伺服驱动装置及汽轮机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于阀(2)的,尤其是一汽轮机(8)的阀(2)所用的机电式伺服驱动装置(1)。它具有一用于调节阀(2)启开位置的连杆(10)和一台驱动连杆(10)的电动机(20)。连杆(10)通过一传输机构(30)与电动机(20)连接,该传输机构(30)可根据连杆(10)的轴向移动产生一个不同的扭矩。此外本发明还涉及一种汽轮机(8)。
Description
本发明涉及一种用于阀的,尤其是透平机的阀所用的机电式伺服驱动装置,它具有一根用于调节阀启开位置的连杆和一台驱动连杆用的电动机。此外,本发明还涉及一种具有阀及相关的伺服驱动装置的汽轮机。
一台透平,尤其是一台汽轮机通常具有数量众多的阀,例如有新汽阀、截止阀或旁通阀,以及紧急止流阀。每个这种阀的启开位置均用于调整相关的物料或蒸汽流量,并例如可以通过一根配属于该阀的连杆进行调节。这种连杆是配属于此阀的伺服驱动装置的组成部分。尤其是有关于调节力和调整速度方面,对伺服驱动装置可能提出高的要求。为了阀的高度可靠性,例如可能要求伺服驱动装置有约200KN的调节力以及约100ms的调节时间。
在EP 0040732A1中说明了一种用于汽轮机阀的伺服驱动装置,它具有一分散的液压***。这种伺服驱动装置的液压***组合成一个装在阀壳上的紧凑的驱动部件,所以为了向伺服驱动装置供电只需要一个电缆***。由于采用油作为液压介质,在极端不利的情况下可能导致油着火并因而造成在汽轮机内燃烧。
在DE 4446605A1中说明了一种汽轮机用的阀,它有一阀杆和一个设在阀杆上的阀锥。阀杆通过电动机驱动,电动机通过一电磁操纵的离合器与阀杆连接。为了阀能自动关闭,该阀包括一盘形弹簧***。所述电磁离合器与一螺纹套筒连接,后者与被抗扭地导引的阀杆共同工作并因而使之轴向运动。此螺纹套筒设计为球形螺纹套筒,所以它间隙和摩擦都较小地向阀杆加载。由于抗扭地导引此阀杆,换句话说,在螺纹套筒旋转时阀杆只能沿轴向往复运动,所以不需要移动作用的驱动装置。确切地说,为此有一台沿两个方向旋转的电动机就足够了。当然,此电动机必须有扭矩安全装置,以防止例如在阀闭合时一端连接在阀杆上的阀锥在贴靠在属于它的密封座上时受损伤或损坏密封面。
因此,本发明的目的是提供一种用于阀的,尤其是透平的阀所用的伺服驱动装置,其中,在燃烧危险性特别小的情况下保证阀无故障工作。本发明另一个目的是提供一种汽轮机,它因燃烧引起运行故障的危险性很小。
针对用于阀的,尤其是透平的阀所用的伺服驱动装置提出的目的通过一种机电式伺服驱动装置达到,它具有一用于调节阀启开位置的连杆和一台用于驱动连杆的电动机,连杆和电动机通过传输机构互相连接,根据连杆的轴向移动可通过该传输机构产生一个变化的扭矩。
机电式伺服驱动装置具有这样一种传输机构,即通过它可根据连杆的行程产生不同扭矩,这对于这种阀是特别有利的,即,在这种阀中当阀闭合或启开时作用在连杆上的力随连杆的行程改变。这种情况可能发生在例如汽轮机的阀中,在那里,蒸汽压力作用在阀锥上并在闭合过程支持阀锥或将阀锥保持闭合。在这种阀中,一开始要克服一大的力(蒸汽压力×阀锥有效面积),以便将阀打开一些。一旦达到了一定的启开截面便实施卸压,所以在继续的启开过程中为了移动连杆只需要较小的力。根据尺寸、负荷以及对阀所提出的要求,尤其对启开和闭合过程(闭合速度等)的要求,可相应地设计传输机构。此外,由于采用电动机,所以与具有液压油传动***的伺服驱动装置相比,发生燃烧的危险性显著降低。
电动机优选地设计为控制转速的同步电动机。此类同步电动机与伺服放大器相结合,尤其可以在电动机功率达到约30KW时,实现调节精度约为0.1mm的高精度的位置调整。在这里伺服放大器起变频器的作用,并可以一般地或取决于位置地减小电动机电流和电动机转速。在这种情况下通过恰当地匹配运行参数,可以提供所有实际上需要的驱动功率和驱动装置调整速度。
为了将电动机的旋转运动转换为驱动连杆所需的直线运动,传输机构优选地设计为曲柄传动装置、行星齿轮传动装置等。
通过曲柄传动装置可实现取决于进给的扭矩-力传递。此外,在阀快速闭合时(这种情况例如发生在透平内的阀快速断汽时)必要的终端阻尼通过曲柄传动装置已经达到。因此根据要求可以不再设置附加的用于在阀锥(密封件)进入阀座的最后阶段减速的装置。在这里,曲柄传动装置具有一曲柄件,尤其是一曲柄盘,它可绕旋转轴线旋转,所述连杆在一连接部位处作用在此曲柄盘上,连接部位离开曲柄件(曲柄盘)的旋转轴线有一定距离。当曲柄盘旋转运动时,与之连接的连杆沿连杆主轴线在两个最大的终端位置之间执行直线运动。在这些终端位置,可通过曲柄盘产生一个很大的扭矩,因为当曲柄盘旋转时在该终端位置沿推力轴线方向只剩下了一段很小的直线行程。
伺服驱动装置优选地设计为,当到达阀的闭合位置时,在连杆主轴线与连杆作用在曲柄盘上的连接部位和旋转轴线的连线之间,构成一个在5°与20°之间、优选约为10°的角。因此,在阀的闭合位置时,连接部位处于一个最大终端位置的附近,所以当曲柄盘旋转时可在连杆上传输一个大的扭矩并因而大的力。因此通过伺服驱动装置可以特别容易地开启阀门,无需采用功率特别大和/或控制扭矩的电动机。连杆优选地与一摇杆连接,摇杆作用在连接部位上,尤其作用在一个与曲柄盘固定连接的曲柄销上。摇杆在一个连杆主轴线所在的平面内可旋转运动地与连杆和曲柄销连接。
借助于传输机构,尤其借助于曲柄传动装置,即使在这些应用场合,即阀的启开需要例如约200KN大的推进力时,也能方便地实现一种取决于进给的扭矩-力转换。通过改变曲柄半径(连接部位到旋转轴线的距离)或通过移动开始动作点,亦即在阀处于闭合位置时连接部位所处的位置,可以使曲柄传动装置的特征曲线(扭矩特性曲线)适应不同的要求。例如,对于汽轮机的紧急止流阀,考虑到为启开阀要提供一个很大的力以及在快速关闭的情况下储能弹簧板叠的复位力,曲柄盘几何尺寸的选择可按这样的方式进行,即,能在曲柄传动装置上施加一个尽可能大的加速度力。
此外,具有这种传输机构的伺服驱动装置的优点在于,终端阻尼已能由旋转的曲柄盘承担。这一点在快速关闭的情况下有特别重要的意义,因为一方面阀必须以平均速度例如2m/s关闭,另一方面阀锥只允许以速度例如0.07m/s座落在阀座上。也就是说,若没有这种终端阻尼,阀锥基本上无制动地移入阀座,阀锥本身由此可能受损或可能损坏阀座。
采用储能弹簧板叠(复位弹簧***),它在快速关闭的情况下使连杆有一个均匀的闭合速度,在终端位置的区域内存在一个较大的曲柄转角,所以曲柄盘在此区域将进一步加速。因此,在终端位置区内,曲柄盘这种较大的曲柄转角和加速度可利用来作为杰出的终端阻尼。
伺服驱动装置优选地具有一电磁式牙嵌离合器,它保证从电动机到连杆尤其到传输机构的力的传递。优选地,此电磁离合器是一种形封闭式(formschluessige)离合器,其中,两个离合器部分形封闭地(formschluessige)互相啮合,并与此同时在这两个离合器部分无需大力压紧的情况下完成力和扭矩的传递。在力封闭的(kraftschluessige)离合器中则相反,这两个离合器部分要用大的压力互相压紧,借此传递大部分力和扭矩。
采用电磁式离合器,可以做到在快速关闭的情况下所要加速的质量极小,由此达到最小关闭时间。因此,当离合器脱开时,曲柄传动装置与电动机和配属于电动机的旋转***分离,配属于电动机的旋转***例如包括减速器和曲柄传动装置的驱动轴。
电磁式离合器优选地具有至少三个互相独立的线圈组(激励线圈),在这种情况下即使一个线圈组失效仍能保证牙嵌离合器脱开和保持接合。当一个线圈组失效时保证离合器继续工作的这种有一些互相独立工作的线圈组的***称为n分之n-1安全技术。离合器优选地具有三个互相独立的线圈组并因而设计为3分之2安全技术。为保持离合器接合,在这里两个线圈的力就够了。离合器的脱开甚至在这种情况下仍是可能的,即,一个线圈继续吸合离合器而其余两个线圈被转换用于脱开离合器。离合器优选地具有一定距机构,尤其是一弹簧,它在离合器的脱开状态阻止离合器两部分互相啮合。在离合器接合时线圈组必须工作以克服此定距机构的作用。在这里,离合器优选地设计为,所有三个线圈组(所有n个线圈组)必须正常工作,以便使离合器接合。
牙嵌离合器优选地具有一个可绕离合器轴线旋转的离合器盘,该离合器盘可沿离合器轴线与一根和电动机连接的驱动轴啮合。离合器轴线在这里优选地与传输机构、即曲柄传动装置的旋转轴线重合。此外,离合器具有一离合器盘毂,按一种设计,此离合器盘毂直接形封闭地与离合器盘连接,以及离合器盘毂通过一定距机构,尤其是一个弹簧,隔开间距地与传输机构连接。按另一种设计,离合器盘通过一定距机构,尤其是一个弹簧与离合器盘毂连接,并可沿离合器轴线与离合器盘毂啮合。在这两种情况下,当离合器脱开和接合时,为达到电动机与传输机构分离,总是只移动一个小的质量。
此伺服驱动装置优选地具有一个复位弹簧***,它与连杆连接并沿阀闭合位置的方向在连杆上施加一个力。尤其在快速关闭的情况下,借助于此复位弹簧***通过在连杆上施加一个相应的力实现阀的闭合。
所述牙嵌离合器优选被一个离合器支座这样支承,即,为了使牙嵌离合器脱开,至多只需施加一个小的力。此外在这种情况下此离合器支座优选地包括一万向球接头。在特别优选的设计中,离合器盘被至少一根装在万向球接头内的支杆固定。采用牙嵌离合器的这种设计,用一个小的力便可使它脱开。尤其是在这里不会由于大的静摩擦导致钩住牙嵌离合器,而妨碍牙嵌离合器的脱开。
针对汽轮机提出的目的通过这样一种汽轮机来达到,即为了调节蒸汽流量,该汽轮机具有一伺服阀,此伺服阀可借助于上面已详细说明的伺服驱动装置启开和闭合。
采用本发明获得的优点主要在于,通过为驱动连杆所设的电动机可实现伺服驱动装置无液压油地工作。因此,尤其在使用于汽轮机时燃烧的危险性非常小。此外,此伺服驱动装置可安装在任意位置,并可以在无需大的费用的情况下取代具有分散的液压供应***的伺服驱动装置。电动机可借助于恰当的控制器以特别简单的方式适应不同的要求,所以这种伺服驱动装置有极好的灵活性。传输机构,尤其是曲柄传动装置同样可用简单的方式适应不同的要求。伺服驱动装置的部件,尤其是电动机和电磁式牙嵌离合器可借助简单的装置实施并因而特别便于维护。
下面借助附图详细表示的实施例说明本发明。附图是局部示意性示出且不按比例表示的示图,其中为了看得清楚起见和便于理解,只示出为说明所需的伺服驱动装置和汽轮机的重要组成部分,附图中:
图1和2是分别示意表示的具有一阀的一伺服驱动装置的纵剖面图;
图3是一台具有两个调节阀的高压汽轮机的局部剖视图;以及
图4是一牙嵌离合器的纵剖面图;
图5是图4所示牙嵌离合器的俯视图。
图1表示一处于闭合位置的蒸汽阀2,它包括一蒸汽进口4、一蒸汽出口5和在这两者之间的一个阀座7。在阀座7内贴靠着密封件6,即阀锥6,它将阀2闭合。阀锥6具有一阀连接件3,伺服驱动装置1连接在此阀连接件上。伺服驱动装置1具有一根沿主轴线13延伸的连杆10,它与复位弹簧***12连接。连杆10一端与阀连接件3以及另一端形封闭地与十字头15连接。十字头15与直线导引装置14啮合,所以连杆10只能沿其主轴线13实施直线运动。在十字头15上装一摇杆11;它可在一个连杆10主轴线13所在的平面内转动。摇杆11同样可在此平面内可转动地与传输机构30的一个曲柄销34连接。传输机构30具有一曲柄传动装置31即一根曲轴。曲轴31具有一曲柄盘33,它可绕一在连杆10平面内的旋转轴线32旋转。曲柄销34离旋转轴线32有一距离并形封闭地与曲柄盘33连接。因此在曲柄盘33与连杆10之间形成一连接部位34。曲柄盘33与一沿旋转轴线32延伸的离合器盘毂45固定地和形封闭地连接。沿旋转轴32的方向在传输机构30上连接一牙嵌离合器40。该牙嵌离合器40具有一个可绕离合器轴线42(旋转轴线32)旋转的离合器盘43。离合器盘43通过一定距机构44,尤其是一盘形弹簧与离合器盘毂45连接。离合器盘毂45在面朝离合器盘43的那一端有沿周向的反作用齿轮36。此反作用齿轮36被一个设计为空心轴的驱动轴21围绕。驱动轴21具有处于反作用齿轮36相对位置的作用齿轮47。沿旋转轴32的方向在反作用齿轮36和作用齿轮47的相对位置处,离合器盘43具有一离合器盘嵌接齿46。此离合器盘嵌接齿46设计为既用于与作用齿轮47啮合又与反作用齿轮36啮合。驱动轴21具有三个线圈组41(激励线圈),它们分别由两个彼此相距180°角的激励线圈组成。沿旋转轴线32的方向在线圈组41的对面,离合器盘43具有一磁导轭铁48,在线圈组41加上电流时,通过该磁导轭铁48,离合器盘43克服定距机构44复位力沿轴向移动,使离合器嵌接齿46与作用齿轮47和反作用齿轮36啮合。在驱动轴21上连接一多级减速器22,后者与一电动机20相连。可旋转的零件,尤其是驱动轴21和离合器盘毂45的支承优选地借助滑动轴承实现。
在连杆10上装一测量变换器25,它用于确定连杆10或阀杆的位置和速度。测量变换器25的测量值可输入一开度调节器24。此外还可向开度调节器24输入调节信号26。开度调节器24与伺服放大器23连接。伺服放大器23用于控制电动机20和线圈组41。伺服放大器23优选地设计为变频器。它通过蓄电池缓冲的电源29供电。通过入口28可向它输入用于触发快速关闭的信号以及在减负荷时也可输入信号。通过出口27可从伺服放大器23提取不同的调节器干扰信号。
图2同样表示一类似于图1所示伺服驱动装置1的伺服驱动装置1。它们的差别仅在于此处所示实施例中离合器40以及离合器40与曲柄传动装置31连接的设计。有关阀、连杆、电动机以及伺服驱动装置其他元件的说明可参见针对图1所作的说明。按图2,离合器盘毂45形封闭地与离合器盘43固定连接。离合器盘毂45通过一定距机构44,尤其是一盘形弹簧与曲柄盘33连接。盘形弹簧44设计为它保持离合器40脱开,也就是说它保持离合器盘43沿轴向离开驱动轴21一定距离,使离合器40停留在脱开状态。在离合器盘毂45上设一与曲柄传动装置31连接的轴向细牙花键35。由此实现将离合器盘43的旋转运动转换为曲柄盘33的旋转运动。在驱动轴21内仍在沿轴向离开离合器盘43一定距离处设一作用齿轮47。离合器盘43上沿轴向与此作用齿轮47相对位置处有一反作用齿轮36,它设计用于形封闭地啮合在作用齿轮47内。
在操纵阀的启开时,电动机20没有详细表示的轴的旋转运动通过多级减速器22的扭矩变换传输给空心的驱动轴21。后者通过电磁离合器40与曲柄盘33连接。在曲柄盘33上与旋转轴线32错开(曲柄半径)地装有曲柄销34。曲柄盘33的旋转运动,通过与连杆10形封闭地连接的十字头15并经由摇杆11,使连杆10作直线运动。在这里,连杆10在阀2的闭合位置已受复位弹簧***12的复位力加载,复位弹簧***设计为阀盘储能弹簧板叠。在伺服驱动装置1启开运动时,复位弹簧***12被进一步压紧,并在阀2的启开位置达到其最大复位力。
为了将阀2快速关闭,无电流地接通线圈组41(闭路电流原理)。快速关闭例如在透平紧急停机时、出于自身需要卸负荷时、在配属的透平机的额定转速下卸负荷时以及在电力供应有故障时进行。通过断开线圈组41,在线圈组41与离合器盘43之间的磁性吸力消失,电磁离合器40由此在定距机构44的复位力作用下脱开。于是驱动轴21和与之相连的多级减速器22连同电动机20一起与曲柄传动装置31分离。电动机20的扭矩因而不再能克服复位弹簧***12的复位力。因此,阀2用例如100ms的快速调整时间进入其闭合位置。
在图1所示的实施例中,仅仅沿轴向运动质量很小的离合器盘。按图2具有简单的离合器嵌接齿的实施形式,作用齿轮47处于直接与反作用齿轮36相对的位置,所以附加地还要沿轴向使离合器盘毂45运动。在两种实施例中,在离合器盘的齿46或36与驱动轴的齿(作用齿轮47)之间的距离应设计为,不会妨碍彼此的相对转动。同理,在离合器盘毂45与围绕着它的驱动轴21之间的径向距离也按此确定。离合器40的接合通过向线圈组41供电实现,由此,电磁吸力由线圈组41施加在离合器盘43的磁导轭铁48上,并因而使离合器40与驱动轴21啮合。当离合器盘43啮合在驱动轴21内时,相应的齿轮36、46和47根据所选择的实施形式形封闭地互相连接。由此在相应的齿轮36、46和47之间实现了形封闭的扭矩传输。在这里,齿面优选地经表面硬化处理和抛光。在相关齿轮互相形封闭地啮合时,尤其在阀2最大启开时,在齿面上产生表面压力会形成静摩擦,尤其在离合器40用油进行润滑时,这种静摩擦会防止离合器40脱开。若存在加有润滑油的静摩擦以及在齿面之间有约μ=0.1的摩擦系数,则齿面倾斜一个约11.5°的角,就能轻易地克服摩擦阻力。
优选地设三个由两部分组成的线圈组41,其中,每个线圈组41有两个错开180°装在驱动轴21上的激励线圈。线圈组41按三分之二安全技术设计,由此保证,两个线圈的电磁力足以使离合器克服定距机构44(盘形弹簧)的复位力保持接合。为了接合离合器,必须所有的三个线圈组41都正常工作。而为了脱开离合器40,有两个线圈组41正常工作就够了,因此一个线圈组41可仍完全处于通电状态,而尽管如此离合器40仍能被脱开。这样当一个激励线圈41出现断流故障,甚至在快速关闭情形下仍接通电流时,离合器40也仍可被脱开。从而提高了离合器40的可用性以及脱开可靠性。
图3示出高压汽轮机8的局部水平剖面。汽轮机8具有两个彼此相对布置的伺服阀2。在每一个伺服阀2上连接一个如图1或2所示的伺服驱动装置1。伺服阀2具有一个用于伺服驱动装置1的阀连接件3、蒸汽进口4、蒸汽出口5、阀锥6和所属的阀座7。汽轮机8具有一根透平轴9和围绕着它的外壳18。在外壳18和在透平轴9上设有透平叶片组16。当汽轮机8运行时,蒸汽17经伺服阀2进入汽轮机8,并通过叶片组16推动透平轴9。在这里伺服阀2可设计为调节阀和/或组合式的调节和紧急止流阀。
图4在纵剖面内示出牙嵌离合器40的另一种设计。离合器盘毂45被一盘状凸缘111封闭。此盘状凸缘111通过支杆109与离合器盘43连接。支杆109在第一万向球接头105B内与盘状凸缘111连接。支杆109在其另一端通过第二万向球接头105A与离合器盘43连接。采用这种设计可以取消图2所示的轴向细牙花键35。而扭矩传递给传输机构30则通过支杆109实现。由于支承在万向球接头内,所以在沿离合器轴线42轴向运动时几乎不产生静摩擦。因此用小的力便可以脱开牙嵌离合器40。从而防止了因较大的静摩擦力阻碍牙嵌离合器40的脱开。由此进一步提高了工作可靠性。
图5为图4所示牙嵌离合器40的俯视图。从中可以看出盘状凸缘111呈锯齿片状的结构。由此保证支杆109在旋转时能保持***。
Claims (15)
1.一种用于阀(2)的,尤其是透平机的阀所用的机电式伺服驱动装置(1),它包括一根用于调节阀(2)启开位置的连杆(10)和一台驱动连杆(10)的电动机(20),连杆(10)与电动机(20)通过传输机构(30)连接,通过该传输机构(30)并根据连杆(10)的轴向移动可产生一个不同的扭矩。
2.按照权利要求1所述的伺服驱动装置(1),其中,传输机构(30)具有一个行星齿轮传动装置。
3.按照权利要求1所述的伺服驱动装置(1),其中,传输机构(30)具有一个曲柄传动装置(31)。
4.按照权利要求3所述的伺服驱动装置(1),其中,曲柄传动装置(31)具有一个可绕旋转轴线(32)转动的曲柄盘(33),连杆(10)例如通过一根摇杆(11)在一个离开旋转轴线(32)一定距离的连接部位(34)作用在曲柄盘(33)上。
5.按照权利要求4所述的伺服驱动装置(1),其中,当到达阀(2)的闭合位置时,从旋转轴线(32)出发,在连接部位(34)与主轴线(13)之间构成一个范围在5°与20°之间,优选约为10°的角。
6.按照上述任一项权利要求所述的伺服驱动装置(1),其中,在传输机构(30)与电动机(20)之间设一电磁式牙嵌离合器(40)。
7.按照权利要求6所述的伺服驱动装置(1),其中,电磁式牙嵌离合器(40)具有至少三个互相独立的线圈组(41),在这种情况下即使一个线圈组(41)失效仍能保证牙嵌离合器(40)脱开和保持接合。
8.按照权利要求6或7所述的伺服驱动装置(1),其中,牙嵌离合器(40)具有一个可绕离合器轴线(42)转动的离合器盘(43),该离合器盘(43)可沿离合器轴线(42)与一根和电动机(20)连接的驱动轴(21)啮合。
9.按照权利要求8所述的伺服驱动装置(1),其中,离合器盘(43)通过一定距机构(44),尤其是一个弹簧与一离合器盘毂(45)连接,并可沿离合器轴线(42)与离合器盘毂(45)啮合。
10.按照权利要求8所述的伺服驱动装置(1),其中,离合器盘(43)与离合器盘毂(45)形封闭地连接,该离合器盘毂(45)通过一定距机构(44),尤其是一个弹簧与传输机构(30)连接。
11.按照上述任一项权利要求所述的伺服驱动装置(1),其中,在连杆(10)上装一复位弹簧***(12)。
12.按照权利要求6至11之一所述的伺服驱动装置(1),其中,所述牙嵌离合器(40)通过一离合器支座(102)按这样的方式支承,即,当牙嵌离合器(40)脱开时至多只需施加一个小的力。
13.按照权利要求12所述的伺服驱动装置(1),其中,离合器支座(102)包括一万向球接头(105)。
14.按照权利要求8和14所述的伺服驱动装置(1),其中,离合器盘(43)被至少一根装在万向球接头(105)内的支杆(109)固定。
15.一种汽轮机,其具有一个用于调节蒸汽流量的伺服阀(2),为伺服阀(2)设置一个如上述任一项权利要求所述的伺服驱动装置(1)。
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