RU2069793C1 - Small hydraulic turbine guide automatic control system - Google Patents

Abstract

FIELD: hydraulic turbine with self-closing guides. SUBSTANCE: system has drive device with electric motor 7 which is coupled with guide control driven member 1 through self-braking drive in form of lead screw 5-and-nut pair. Mechanical chain of this coupling has fixing device 19 controlled by electric magnet 22 capable of breaking the mechanical chain. Control system has centrifugal device to control speed of rotation of hydraulic turbine rotor. Mechanical chain includes rocker 3 one end of which is connected with lead screw nut and other end, through tie-rod 13, is connected with rod 14 of hydraulic cylinder 15. Axle is connected through tie-rod 2 with driven member 1. Tie-rod 13 and rod 14 are held motionless by means of fixing device 19 when hydraulic turbine operates under normal conditions. At speeding up of hydraulic turbine rotor or in case of interruption of power supply, tie-rod 13 and rod 14 get released, making it possible for rocker 3 to turn around opposite end, thus providing self-closing of guide at a speed defined by hydraulic cylinder 15 which plays the part of damper. EFFECT: enhanced operation reliability of system. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области производства малых гидротурбин, а более точно к системе автоматического управления направляющим аппаратом таких турбин, преимущественно тех из них, которые предназначены для работы в составе энергосистемы. The invention relates to the field of production of small hydraulic turbines, and more specifically to a system for automatically controlling the guide apparatus of such turbines, mainly those that are designed to operate as part of a power system.

Для управления направляющим аппаратом гидротурбин, в том числе и малых, широко используются гидравлические системы с сервомотором в качестве исполнительного механизма. Однако такие системы имеют высокую стоимость, сопоставимую со стоимостью самой гидротурбины. Это снижает конкурентоспособность малых гидротурбин, для которых стоимость является одним из основных показателей, а возможности регулирования при работе в составе энергосистем не являются определяющим фактором. To control the guiding apparatus of hydraulic turbines, including small ones, hydraulic systems with a servo motor as an actuator are widely used. However, such systems have a high cost comparable to the cost of the turbine itself. This reduces the competitiveness of small hydroturbines, for which cost is one of the main indicators, and regulatory capabilities when working as part of power systems are not a determining factor.

Отдельные малые гидротурбины оснащаются ручным механизмом управления, но это возможно только в очень ограниченных условиях применения и сопряжено с большой вероятностью аварии гидротурбины. Individual small hydraulic turbines are equipped with a manual control mechanism, but this is possible only in very limited application conditions and is associated with a high probability of a hydraulic turbine accident.

Известны единичные электромеханические системы, обеспечивающие автоматическое управление направляющим аппаратом малой гидротурбины. К ним относится система автоматического управления самозакрывающимся подъемным цилиндрическим затвором для направляющего аппарата с неподвижными лопатками [1] Если такое средство регулирования расхода воды считать аналогом направляющего аппарата с управляемыми лопатками, то ее систему автоматического регулирования можно рассматривать как аналог настоящего изобретения. Single electromechanical systems are known that provide automatic control of the guiding apparatus of a small hydraulic turbine. These include an automatic control system for a self-closing lifting cylindrical shutter for a guiding apparatus with fixed blades [1] If such a means of regulating the flow of water is considered an analogue of a guiding apparatus with controlled blades, then its automatic control system can be considered as an analogue of the present invention.

Названная система содержит приводное устройство с механической передачей в виде пары ходового винта с гайкой, соединенной с одним концом рычажного механизма, с которым связан ведомый элемент управления самозакрывающимся направляющим аппаратом, электромагнит для выключения фиксирующего устройства в силовой цепи рычажного механизма, соединенный с выключателем блока защиты гидротурбины, и центробежное устройство для слежения за скоростью вращения гидротурбины. The said system comprises a drive device with a mechanical transmission in the form of a pair of lead screw with a nut connected to one end of the linkage mechanism, to which the driven control element of the self-closing guide device is connected, an electromagnet for turning off the locking device in the linkage power circuit, connected to the switch of the turbine protection unit , and a centrifugal device for monitoring the speed of rotation of the turbine.

В такой известной системе привод ручной и служит только для пуска и остановки гидротурбины, а управление расходом воды через гидротурбину в процессе работы осуществляется с помощью центробежного устройства. Это возможно только для гидротурбины, оснащенной направляющим аппаратом с неподвижными лопатками и подъемным цилиндрическим затвором, уравновешенным противовесом, при управлении которым не требуется преодолевать каких-либо существенных усилий. Для управления направляющим аппаратом с поворотными лопатками, который является наиболее эффективным средством регулирования расхода воды, такая известная система управления неприемлема из-за значительных усилий, действующих на лопатки направляющего аппарата. Кроме того, в описанной известной системе отсутствует возможность регулирования скорости закрытия направляющего аппарата, что может привести к гидравлическому удару и сопутствующим аварийным последствиям. Необходимо также отметить, что описанная известная система вследствие жесткой механической связи между цилиндрическим затвором и центробежным устройством обладает низкой надежностью из-за большой вероятности механических разрушений элементов этой связи при заклинивании цилиндрического затвора в результате попадания посторонних предметов. In such a well-known system, the drive is manual and serves only to start and stop the hydraulic turbine, and the flow rate of water through the hydraulic turbine during operation is controlled by a centrifugal device. This is possible only for a hydraulic turbine equipped with a guide vane with fixed blades and a lifting cylindrical shutter balanced by a counterweight, which does not require any significant efforts to be controlled. To control the guide vanes with rotary blades, which is the most effective means of regulating the flow of water, such a known control system is unacceptable because of the significant forces acting on the vanes of the guide vanes. In addition, in the described known system there is no possibility of regulating the closing speed of the guide apparatus, which can lead to water hammer and the associated emergency consequences. It should also be noted that the described known system due to the rigid mechanical connection between the cylindrical shutter and the centrifugal device has low reliability due to the high probability of mechanical damage to the elements of this connection when the cylindrical shutter is jammed as a result of the ingress of foreign objects.

Целью изобретения является создание такой системы управления, которая при использовании наиболее простых и дешевых, преимущественно электромеханических средств обеспечивала бы высокую надежность при управлении направляющим аппаратом с поворотными лопатками для малой гидротурбины. The aim of the invention is the creation of such a control system that, when using the simplest and cheapest, mainly electromechanical means, would provide high reliability when controlling a guiding apparatus with rotary blades for a small hydraulic turbine.

Цель достигается в системе автоматического управления направляющим аппаратом малой гидротурбины, выполненной в соответствии с описанной общей концепцией ближайшего аналога, в которой, в соответствии с сущностью настоящего изобретения, приводное устройство выполнено в виде подключенного к блоку управления электродвигателя, а рычажный механизм выполнен в виде коромысла, ось качания которого соединена с ведомым элементом управления направляющим аппаратом, один конец которого соединен с гайкой ходового винта, а противоположный со штоком гидравлического демпфера через фиксирующее устройство. При этом центробежное устройство связано с выключателем блока защиты. The goal is achieved in the automatic control system of the guiding apparatus of a small hydraulic turbine, made in accordance with the described general concept of the closest analogue, in which, in accordance with the essence of the present invention, the drive device is made in the form of an electric motor connected to the control unit, and the lever mechanism is made in the form of a rocker arm, the swing axis of which is connected to the driven control element of the guide apparatus, one end of which is connected to the screw nut and the opposite to the rod m hydraulic damper through the fixing device. In this case, the centrifugal device is connected to the circuit breaker of the protection unit.

В системе управления согласно описанной основной сущности технического решения при нормальном рабочем положении фиксирующего устройства шток гидравлического демпфера выполняет функцию опоры коромысла, и при этом электродвигатель через ходовой винт управляет ведомым элементом управления направляющим аппаратом по сигналам от блока управления. Если подача управляющего сигнала на электродвигатель прекратится, ходовой винт, обладая самотормозящимся свойством, удерживает связанный с ним конец коромысла в неподвижном положении. Если в это же время возникнут какие-либо неисправности в работе гидроагрегата, произойдет выключение фиксирующего устройства и соответствующий конец коромысла освободится. При этом противоположный конец, являясь неподвижным, превратится в опору и произойдет самозакрытие направляющего аппарата. Однако, т.к. свободный конец коромысла в этот момент находится под действием гидравлического демпфера, самозакрытие направляющего аппарата будет происходить с заданной скоростью. Таким образом достигается решение поставленной задачи. In the control system, according to the described main essence of the technical solution, at the normal working position of the locking device, the hydraulic damper rod acts as a support for the rocker arm, and the electric motor controls the slave control element of the guide apparatus through the spindle by signals from the control unit. If the supply of the control signal to the electric motor stops, the spindle, having a self-braking property, holds the end of the beam connected to it in a fixed position. If at the same time there are any malfunctions in the operation of the hydraulic unit, the locking device will turn off and the corresponding end of the beam will be released. In this case, the opposite end, being motionless, will turn into a support and the guiding apparatus will self-close. However, since the free end of the rocker at this moment is under the action of a hydraulic damper, self-closing of the guide apparatus will occur at a given speed. Thus, a solution to the problem is achieved.

Для более простой реализации указанного режима закрытия направляющего аппарата предпочтительно, чтобы гидравлический демпфер был выполнен в виде гидроцилиндра с межполостным байпасным трубопроводом, в котором установлен регулируемый дроссель. For a simpler implementation of the specified closing mode of the guide vane, it is preferable that the hydraulic damper be made in the form of a hydraulic cylinder with an inter-cavity bypass pipe in which an adjustable throttle is installed.

Для повышения степени надежности защиты гидротурбины от аварийных ситуаций целесообразно, чтобы электромагнит был выполнен с подпружиненным штоком, приводимым в действие при потере питания электромагнита. Это позволяет автоматически перевести направляющий аппарат в режим закрытия при обесточивании электрической системы. To increase the degree of reliability of protection of a hydraulic turbine from emergency situations, it is advisable that the electromagnet be made with a spring-loaded rod, actuated when the electromagnet is lost. This allows you to automatically put the guide apparatus into closing mode when the electrical system is de-energized.

На чертеже изображена схема системы автоматического управления направляющим аппаратом с поворотными лопатками для малой гидротурбины, предназначенной для работы в составе энергосистемы. При этом направляющий аппарат выполнен самозакрывающимся, что достигается широко известными средствами соответствующей компоновкой кинематической цепи от цапф поворотных лопаток к регулирующему кольцу или использованием противовеса. В изображенном на чертеже направляющем аппарате использован второй вариант. The drawing shows a diagram of a system for automatic control of a guiding apparatus with rotary blades for a small hydraulic turbine designed to operate as part of a power system. In this case, the guide apparatus is self-closing, which is achieved by well-known means by the corresponding kinematic chain arrangement from the pins of the rotary blades to the control ring or by using a counterweight. In the guide apparatus shown in the drawing, the second option is used.

Регулирующее кольцо 1 направляющего аппарата с помощью тяги 2 соединено с осью качания коромысла 3. Один конец 4 коромысла 3 соединен с гайкой ходового винта 5, которые вместе выполняют функцию самотормозящейся механической передачи 6 от приводного устройства в виде мотора-редуктора с асинхронным электродвигателем 7. Управление этим электродвигателем осуществляется от блока управления 8, который вместе с блоком защиты 9 выполнены в виде одного функционального модуля. К гайке ходового винта 5 прикреплен ползун 10, который может перемещаться в пределах расстояния между концевыми контактными выключателями 11, которые связаны с блоком управления 8. The adjusting ring 1 of the guide vane is connected via a rod 2 to the swing axis of the rocker arm 3. One end 4 of the rocker arm 3 is connected to the screw nut 5, which together act as a self-braking mechanical transmission 6 from the drive unit in the form of a gear motor with an asynchronous electric motor 7. Control this electric motor is carried out from the control unit 8, which together with the protection unit 9 are made in the form of one functional module. A slider 10 is attached to the screw nut 5, which can move within the distance between the limit contact switches 11, which are connected to the control unit 8.

Противоположный конец 12 коромысла 3 через тягу 13 соединен со штоком 14 гидравлического демпфера, выполненного в виде гидроцилиндра 15. Гидроцилиндр 15 оснащен межполостным трубопроводом 16, в котором установлен регулируемый дроссель 17, обеспечивающий настройку скорости перемещения штока 14. The opposite end 12 of the rocker 3 through the rod 13 is connected to the rod 14 of the hydraulic damper, made in the form of a hydraulic cylinder 15. The hydraulic cylinder 15 is equipped with an inter-cavity pipe 16, in which an adjustable throttle 17 is installed, providing the adjustment of the speed of movement of the rod 14.

Тяга 13 содержит ролик 18, с которым взаимодействует фиксирующее устройство, выполненное в виде поворотной скобы 19, удерживаемой в нормальном рабочем положении рычагом 20, который находится под действием пружины растяжения 21 и якоря электромагнита 22, обмотка питания которого связана с блоком защиты 9. Блок защиты 9, кроме других назначенных проектировщиков элементов, содержит контактный выключатель 23, якорь которого подпружинен и взаимодействует с защелкой 24 рычажного механизма 25, который в свою очередь взаимодействует с центробежным устройством 26 для слежения за скоростью вращения гидротурбины. Rod 13 contains a roller 18, with which a locking device interacts, made in the form of a rotary bracket 19, held in a normal working position by a lever 20, which is under the action of a tension spring 21 and the armature of an electromagnet 22, the power winding of which is connected to the protection unit 9. Protection block 9, in addition to other designated designers of the elements, contains a contact switch 23, the anchor of which is spring-loaded and interacts with the latch 24 of the lever mechanism 25, which in turn interacts with a centrifugal device 26 to monitor the speed of rotation of the turbine.

К регулирующему кольцу 1 со стороны противоположной тяги 2 присоединен противовес 27, который, как об этом было указано выше, обеспечивает самозакрытие направляющего аппарата. A counterweight 27 is attached to the control ring 1 from the side of the opposite rod 2, which, as mentioned above, ensures self-closing of the guide apparatus.

Описанный пример является одним из возможных в пределах сущности настоящего изобретения. В частности, блоки управления и защиты могут быть не выделены в отдельный функциональный модуль, а представлены элементарными устройствами. Так, например, функцию блока управления 8 могут выполнять концевые контактные выключатели 11, непосредственно управляя электродвигателем 7. Функцию блока защиты 9 может выполнять выключатель 23, управляя непосредственно электромагнитом 22. Возможны и другие упрощения и видоизменения по сравнению с описанным примером. The described example is one of the possible within the essence of the present invention. In particular, control and protection units may not be allocated into a separate functional module, but represented by elementary devices. For example, the function of the control unit 8 can be performed by limit contact switches 11, directly controlling the electric motor 7. The function of the protection unit 9 can be performed by the switch 23, directly controlling the electromagnet 22. Other simplifications and modifications are possible compared with the described example.

Система управления работает следующим образом. The control system operates as follows.

Пуск гидротурбины осуществляется как обычно путем открытия направляющего аппарата. Перед пуском ползун 10 находится в одном из крайних положений, например в верхнем по чертежу. Поворотная скоба 19, поджатая рычагом 20, держит ролик 18, а следовательно конец 12 коромысла 3 является неподвижным. После включения электродвигателя 7 осуществляется вращение ходового винта 5. При этом гайка этой пары механической передачи перемещает конец 4 коромысла 3 вниз. Так как в этот период конец 12 коромысла 3 является неподвижным относительно него, как опоры, происходит поворот всего коромысла 3, которое через тягу 2 осуществляет поворот регулирующего кольца 1 направляющего аппарата (по чертежу против часовой стрелки), осуществляя его открытие. Закрытие направляющего аппарата в нормальных условиях происходит в обратном направлении перемещения указанных элементов. Starting the turbine is carried out as usual by opening the guide vane. Before starting, the slider 10 is in one of the extreme positions, for example, in the upper one according to the drawing. The swivel bracket 19, pressed by the lever 20, holds the roller 18, and therefore the end 12 of the rocker arm 3 is stationary. After turning on the electric motor 7, the lead screw 5 is rotated. In this case, the nut of this pair of mechanical transmission moves the end 4 of the rocker arm 3 downward. Since during this period the end 12 of the rocker arm 3 is stationary relative to it, as supports, the entire beam 3 is rotated, which through the rod 2 rotates the control ring 1 of the guide apparatus (counterclockwise according to the drawing), opening it. Closing the guide vane under normal conditions occurs in the opposite direction of movement of these elements.

Если в процессе работы гидротурбины ее скорость вращения пойдет на разгон, центробежное устройство 26 через рычажный механизм 25 освободит якорь контактного выключателя 23 от удерживающего действия защелки 24 и выключатель 23 сработает. В этом случае блок управления 8 выключит электродвигатель 7, а блок защиты 9 отключит питание электромагнита 22 и рычаг 20 повернется вверх, освобождая ролик 18 от удерживающего действия поворотной скобы 19. В результате воздействия противовеса 27 на регулирующее кольцо 1 лопатки направляющего аппарата будут поворачиваться на закрытие. В этот момент коромысло 3 превратится в рычаг с опорой на гайке ходового винта 5 и начнет поворачиваться. Однако поворот коромысла 3 и регулировочного кольца 1 будет происходить не свободно, а с определенной скоростью, определяемой перетеканием среды между полостями гидроцилиндра 15 через регулируемый дроссель 17. Это обеспечивает регулируемое самозакрытие направляющего аппарата. If during the operation of the turbine its speed of rotation will accelerate, the centrifugal device 26 through the lever mechanism 25 will release the armature of the contact switch 23 from the holding action of the latch 24 and the switch 23 will operate. In this case, the control unit 8 will turn off the electric motor 7, and the protection unit 9 will turn off the power of the electromagnet 22 and the lever 20 will turn upward, freeing the roller 18 from the holding action of the rotary bracket 19. As a result of the influence of the counterweight 27 on the control ring 1, the vanes of the guide apparatus will rotate to close . At this moment, the beam 3 will turn into a lever with support on the nut of the spindle 5 and begin to turn. However, the rotation of the rocker arm 3 and the adjusting ring 1 will not occur freely, but with a certain speed, determined by the flow of medium between the cavities of the hydraulic cylinder 15 through an adjustable throttle 17. This provides an adjustable self-closing of the guide apparatus.

Питание электромагнита может быть отключено не только от сигнала выключателя 23, но и вследствие обесточивания электрических цепей, например потери питания оперативного тока, отключения выключателя генератора. Процесс закрытия направляющего аппарата будет осуществляться аналогично описанному выше. The power of the electromagnet can be disconnected not only from the signal of the switch 23, but also due to de-energization of the electrical circuits, for example, loss of power to the operating current, tripping of the generator switch. The closing process of the guide vane will be carried out as described above.

Система управления, выполненная согласно изобретению, является достаточно простой, и вместе с тем надежность ее работы не вызывает сомнений. The control system made according to the invention is quite simple, and at the same time, the reliability of its operation is not in doubt.

Claims (3)

1. Система автоматического управления направляющим аппаратом малой гидротурбины, содержащая приводное устройство с механической передачей в виде пары ходового винта с гайкой, соединенной с одним концом рычажного механизма, с которым связан ведомый элемент управления самозакрывающимся направляющим аппаратом, электромагнит для включения фиксирующего устройства в силовой цепи рычажного механизма, соединенный с выключателем блока защиты гидротурбины, и центробежное устройство для слежения за скоростью вращения гидротурбины, отличающаяся тем, что приводное устройство выполнено в виде подключенного к блоку управления электродвигателя, а рычажный механизм выполнен в виде коромысла, ось качания которого соединена с ведомым элементом управления направляющим аппаратом, один конец которого соединен с гайкой ходового винта, а противоположный со штоком гидравлического демпфера через фиксирующее устройство, при этом центробежное устройство связано с выключателем блока защиты. 1. The automatic control system of the guiding apparatus of a small hydraulic turbine, comprising a drive device with a mechanical transmission in the form of a pair of spindle with a nut connected to one end of the linkage mechanism, to which the driven control element of the self-closing guide vane is connected, an electromagnet for activating the locking device in the linkage power circuit a mechanism connected to a switch of the turbine protection block, and a centrifugal device for monitoring the rotation speed of the turbine, characterized The drive device is made in the form of an electric motor connected to the control unit, and the linkage mechanism is made in the form of a rocker arm, the swing axis of which is connected to the driven control element of the guide apparatus, one end of which is connected to the screw nut and the opposite end to the hydraulic damper rod a fixing device, while the centrifugal device is connected to the switch of the protection unit. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что гидравлический демпфер выполнен в виде гидроцилиндра с межполостным байпасным трубопроводом, в котором установлен регулируемый дроссель. 2. The system according to claim 1, characterized in that the hydraulic damper is made in the form of a hydraulic cylinder with an inter-cavity bypass pipe in which an adjustable throttle is installed. 3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что якорь электромагнита связан с фиксирующим устройством через подпружиненный рычаг, приводимый в действие при потере питания электромагнита. 3. The system according to p. 1 or 2, characterized in that the anchor of the electromagnet is connected to the locking device via a spring-loaded lever, actuated when the electromagnet is lost.