Гидравлический регулятор частоты вращения паровой турбины

Специфической особенностью паротурурбинной установки является необходимость развития большого усилия (а значит, и мощности) при перекладке регулирующего органа – клапана, с помощью которого изменяют подачу пара к турбине.

В этой связи применён регулятор непрямого действия, гидравлический, с двумя каскадами усиления (см. приведённую ниже функциональную схему).

Условные обозначения на схеме:

1 – измерительное устройство; 2 – сервомотор первой ступени усиления; 3 – сервомотор второй ступени усиления; 4 – изодром; 5 – регулирующий орган.

Измерительное устройство 1 центробежного типа преобразует частоту вращения валика, кинематически связанного с валом турбины, в линейное перемещение муфты, которое передаётся рычажной связью на шток следящего сервомотора 2. Он называется следящим, потому, что перемещение входного штока S₁ вызывает точно такое же перемещение выходного штока m₁ , только с увеличенной силой и мощностью за счёт использования потенциальной энергии масла, подаваемого в сервомотор под давлением P₀.

Перемещение m₁ передаётся на шток золотника, управляющего сервомотором одностороннего действия 3, который дополнительно увеличивает силу и мощность перемещения выходного штока, воздействующего на регулирующий орган 5.

В целом нетрудно убедиться, что вся конструкция обеспечивает по отношению к турбине отрицательную обратную связь, поскольку самопроизвольное увеличение частоты вращения её вала будет приводить к уменьшению подачи пара, и наоборот. Т.е. схема реализует принцип регулирования «по отклонению» и является пропорциональным регулятором, характерной особенностью которого является наличие статической ошибки.

Для уменьшения величины этой ошибки в обратную связь сервомотора второй ступени усиления включён изодром4. В начальный период переходного процесса он работает, как жёсткое передаточное звено, поскольку заполняющее его масло не может быстро перетечь из одной полости в другую через перемычку с клапаном узкого сечения. Однако с течением времени в результате перетечки масла давление в его полостях постепенно выравнивается, и он перестаёт выполнять функции жёсткой обратной связи внутри регулятора.

Благодаря действию такой гибкой обратной связи регулятор при изменении нагрузки турбины обеспечивает необходимую перестановку регулируемого органа при значительно меньшем изменении частоты вращения турбины.

2.11.2. Регулятор прямого действия дизеля 6ЧСШ8/22

Вал 13 всережимного регулятора приходит во вращение от привода через коническую шестерню. На поперечине 14 регулятора шарнирно закреплены два груза 9 в виде угловых ры­чагов. При вращении вала 13 регулятора грузы воздействуют на муфту и стакан 1. Между муфтой и стаканом установлен упорный подшипник, поэтому при работе регулятора стакан не вращается. Центробежные силы грузов, приложенные к муфте, уравновеши­ваются силой натяжения главной пружины 2. Частота вращения вала регулируется изменением натяжения этой пружины.

. Верхней опорой главной пружины является стакан 6, перемещаемый вверх или вниз эксцентриком 4, связанным с постом управления в рулевой рубке с помощью системы ДАУ.

Перед пуском дизеля с помощью маховика 3 и регулировочного вин­та 5 стакан 6 сдвигается вниз до появления зазо­ра между ним и эксцен­триком 4.

Главная пру­жина в этом случае сжимается настолько, что регулятор при поло­жении рукоятки управ­ления в рулевой рубке на «Стоп» может обес­печить минимально ус­тойчивую скорость ко­ленчатого вала дизеля.

Исполнительным эле­ментом регулятора яв­ляется рычаг 8, соеди­ненный через вал 10 и рычаг 11 с рейкой 12 ТНВД.

Рычаг 8 прижи­мается к стакану 1 пружиной неравномерности 7.

Когда дизель не работает, грузы регулятора сведены, муфта и рычаг 8 под действием пружины сдвинуты до положения, при ко­тором рейка 12 устанавливает подачу топлива, необходимую для облегчения пуска.

С включением дизеля в работу скорость колен­чатого вала начинает увеличиваться, грузы регулятора расходятся и передвигают муфту вверх. Рычаги 8,11 и вал 10 исполнительно­го механизма, воздействуя на рейку 12, приводят цикловую пода­чу топлива в соответствие с заданной скоростью вала дизеля.

При изменении нагрузки наступает несоответствие между по­дачей топлива и скоростью вала. Если, например, произошло уменьшение нагрузки, то в первый момент увеличенная подача топлива приведет к повышению скорости вала. Грузы регулятора расходятся от центра вращения, рычаг 8 Через валик 10 смещает рейку 12 влево так, что подача топлива уменьшается.

Степень неравномерности регулятора можно изменять пере­мещением точки подвеса пружины 7. Изменение плеча, на котором действует пружина, приводит к изменению момента, оказы­вающего воздействие на вал 10 регулятора.

Сила натяжения пру­жины 7, приложенная к стакану 1, уменьшается при перемеще­нии ее правой опоры вниз и увеличивается при ее смещении вверх. В первом случае статистическая неравномерность регулятора уменьшается, во втором увеличивается.

2.11.2. Регулятор непрямого действия дизеля 6ЧСП27.5/36 (6С275Л)

В структурные схемы регуляторов дизелей 6ЧСП27.5/36; 12ЧСН18/20; 6ЧРН36/45 и др. включены элементы, усиливающие сигналы, идущие от измеритель­ных элементов к исполнительным.

В судовых условиях усиление сигналов, получаемых от измерительного элемента регуляторов скорости непрямого действия, происходит, как правило, за счет использования энергии масла в смазочной системе.

Измерительные элементы регуляторов непрямого действия практически не отличаются от аналогичных устройств прямого действия. Однако муфта 11 измерительного элемента регулятора непрямого действия с изменением нагрузки на дизель воздействует не только на пружину 9, но и на золотник 1. Последний при этом перемещается во втулке 2, соединенной со штоком силового поршня 3.

 

 

Золотник и втулка образуют усилительный, а силовой поршень 3 и гидроцилиндр 5 - исполнительный элемен­ты регулятора. Измерительный, усилительный и исполнительный элементы регулятора конструктивно обособлены один от другого. При установившемся режиме работы дизеля центробежные силы вращающихся грузов 10 уравновешиваются силой натяже­ния пружины 9, и золотник 1 перекрывает отверстия по втулке 2, по которым масло из трубопровода 6 может поступать в верхнюю или нижнюю полость гидроцилиндра. Трубопровод 6 подключен к смазочной системе дизеля, и с помощью редукционного клапа­на в нем поддерживается давление 0,5—0,7 МПа. С изменением нагрузки на дизель, например с ее уменьшени­ем, грузы центробежного измерительного преобразователя ско­рости расходятся, и муфта 11, поднимаясь, перемещает золотник вверх.

Масло через трубопровод 6 поступает в нижнюю полость гидроцилиндра, а из верхней полости сливается в корпус 8 изме­рительного элемента регулятора и далее в картер дизеля.

При воз­растании давления в нижней полости гидроцилиндра силовой поршень 3 перемещается вверх и через рычаг 4, связанный с рей­кой ТНВД, уменьшает подачу топлива в цилиндры дизеля. В этом случае вверх движется и втулка 2, жестко связанная с силовым поршнем. Подъем их прекращается, как только окна во втулке 2 перекрываются поясками золотника 1. Масляный трубопровод 6 разобщается с гидроцилиндром, и дизель переключается на но­вый установившийся режим работы с новой скоростью вала.

Когда нагрузка на дизель возрастает, золотник, наоборот, сме­щается вниз. Масло поступает в верхнюю полость гидроцилинд­ра, и рычаг 4 перемещает рейку ТНВД так, что подача топлива увеличивается.

Настройку регулятора на требуемый скоростной режим осуще­ствляют поворотом шестерни 7, находящейся в зацеплении с зуб­чатой рейкой подвижного стакана, являющегося верхней опорой для пружины 9.

Очевидно, что существенную роль в работе регулятора играет жесткая обратная связь силового поршня исполнительного эле­мента с втулкой 2 усилителя. Она ограничивает движение сило­вого поршня и не допускает значительного динамического забро­са (перерегулирования).

Хотя каждому установившемуся режиму работы дизеля и соответствует определенная скорость вала (т.е. регулятор работает с определенной статической ошибкой), такой регулятор обеспечивает в переходном режиме меньшие колеба­ния

скорости и более высокую точность, чем регулятор прямого действия.

2.11.3. Всережимный регулятор «ВУДВАРД» UG40 TL

 

Всережимный гидравлический регулятор не­прямого действия. Дополнительно в него встроены механизмы ограничения нагрузки по заданной частоте вращения и давлению наддувочного воздуха, минимальной уставке задания, а также устройство дистанцион­ной остановки двигателя.

Одной из особенностей регулятора является задание частоты враще­ния разворотом входного вала 29. От него через кривошип 22, промежу­точный кулак (на схеме не показан) и палец 21 движение передается зубчатому сектору 19, свободно сидящему на валу 29. От зубчатого сектора движение передается зубчатой втулке 23, в верхней головке которой закреплена ось О. На оси свободно сидит ры­чаг 18, жестко связанный болтовым соединением с кулачковым рыча­гом 17, опирающимся на плунжер 24. В результате движения всех ука­занных звеньев через плунжер изменяется натяжение конической пружины датчика частоты вращения. В то же время через кулак может происходить движение плунжера 24 относительно втулки 23 в резуль­тате разворота рычага 18 при перемещении его свободного конца с серьгой 20, вызванном разворотом кривошипа 16 выходного вала 30,

Профиль кулака рычага 17 цилиндрический (см. узел I) с радиу­сом r. Ось О₁ цилиндрической части кулака может совмещаться с осью О при смещении рычага 17 вдоль овального паза, если ослабить болто­вое соединение с рычагом 18. Тогда разворот рычага 15 на оси О, вы­званный разворотом выходного вала, приводит к развороту кулака по радиусу т и его скольжению по поверхности плунжера 24 относитель­но втулки 23 и изменяется натяжение конической пружины, т. е. воз­растает действие отрицательной силовой ЖОС (жёсткой обратной связи) и значение статической неравномерности регулятора. Смещением кула­ка можно изменять степень неравномерности регулятора в пределах 0÷12 %.

Рассмотрим действие ЖОС при работе регулятора.

На установив­шемся режиме центробежные силы, действующие на грузы датчика частоты вращения, уравновешиваются силой действия конической пружины, удерживая муфту датчика и золотник 26 в среднем положе­нии. Нижняя полость исполнительного механизма заперта, и пор­шень 25 через кривошипный механизм удерживает выходной вал 30 в неподвижном состоянии.

С ростом нагрузки ГД частота вращения вала снижается, нарушает­ся равновесие сил в датчике, золотник 26 смещается вниз, и обе полости ИМ сообщаются с напорной масляной магистралью. Так как поршень 25 дифференциальный, то он под действием разности сил движется вверх, разворачивая выходной вал 30. и освобождает тягу ТНВД, ко­торая движется в сторону увеличения подачи топлива. Одновременно с разворотом кривошипа 16 через серьгу 20 разворачиваются относи­тельно оси О рычаг 18 и кулак рычага 17. Плунжер 24, прижатый к ку­лаку конической пружиной, движется относительно втулки 23 вверх, натяжение пружины уменьшается и снижается сила ее действия на грузы, а вследствие увеличения топливоподачи повышается частота вращения вала ГД и возрастает центробежная сила грузов.

В результате этого восстанавливается равновесие сил датчика, грузы возвраща­ются в первоначальное положение, а золотник 26 — в среднее, что при­водит к ограничению движения поршня 25 и росту топливоподачи. Од­нако установившийся режим наступает при меньшей частоте вращения вследствие меньшего натяжения конической пружины датчика, т. е. регулятор работает со статической неравномерностью.

Если же действие ЖОС равно нулю, то при установившихся режи­мах натяжение пружины остается неизменным. Равновесие наступает при различных значениях нагрузки и неизменной частоте вращения, определяемой только уставкой задания регулятора. Однако с ростом нагрузки возможно снижение частоты вращения, если регулятор не мо­жет обеспечить необходимое увеличение подачи топлива. Это может быть следствием ограничения топливоподачи с поста управления глав­ным двигателем или по сигналу механизма ограничения самого ре­гулятора.