CN1424500A - 水轮机桨叶的电/机操作机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种水轮机桨叶的电/机操作机构，采用电/机操作机构代替油缸系统来调节水轮机桨叶的开度。伺服电机和减速装置的输出轴与置于机组主轴内的梯形螺杆连接，梯形螺母套上段与梯形螺杆螺纹连接，下端连接操作轴，操作轴直接连接水轮机转轮体内的桨叶操作机构。伺服电机和减速装置通过支架固定在机组主轴的上端，由双向推力轴承与机组主轴连接。采用直流伺服电机和谐波减速装置最佳。在梯形螺母套附近装有反映桨叶转角变化的反馈装置，反馈信号和伺服电机的控制电路连接，并形成闭环控制。伺服电机控制电路及电源通过集电环与伺服电机连接。本发明彻底根除漏油现象，简化水轮机调速器整体结构，减小轮毂比，增大机组流量和出力。

Description

水轮机桨叶的电/机操作机构
技术领域
本发明涉及一种水轮机桨叶的电/机操作机构，用于转桨式水轮机桨叶的开度调节。
背景技术
转桨式水轮机的桨叶调节，通常是将来自调速器操作油管的压力油引至立式转桨式水轮发电机组上端的受油器，经内、外油管沿着机组的空心主轴进入下端水轮机转轮体内的桨叶接力器(操作油缸)，再由操作油缸带动转轮体内的操作机构使所有叶片同时正、反转以调节流量。
桨叶的根部枢轴与其衬套在叶片长期承受巨大水压力而又不断转动的情况下是极易产生磨损的，磨损变形后，其他密封材料都无法阻止转轮体内的压力油大量涌入尾水管中，常常严重地污染下游河道，危害下游人民身体健康。如能从根本上解决此漏油问题，则对我国江河环保具有重要意义。
众多具有转桨式(或贯流式)机组的电站，或多或少均存在桨叶漏油问题。例如湖南省遥田水电站一年漏油达80余吨。于是有的电站风趣地说：“我们是用油来发电。”
另外，这种国内、外的常规装置，不仅结构复杂，特别是受结构限制(内、外油管一方面要随主轴旋转，还要随桨叶接力器上、下动作)，使受油器和内、外油管接口处密封非常困难，常常是漏油、串油严重，导致调速器的油压装置中油泵启动频繁，不仅油泵磨损严重，还不断地耗费厂用电。
发明内容
本发明的目的是设计一种水轮机桨叶的电/机操作机构，彻底根除这种普遍的漏油现象，简化水轮机调速器整体结构，减小轮毂比，增大机组流量和出力。
本发明的技术方案是：操作机构包括伺服系统和传动机构，本发明采用一种电/机操作机构代替油缸系统来调节水轮机桨叶的开度。伺服系统采用伺服电机、减速装置及其控制电路，传动机构采用螺杆螺母套结构，伺服电机和减速装置的输出轴与置于机组主轴内的梯形螺杆连接，梯形螺母套上段与梯形螺杆螺纹连接，下端连接操作轴，操作轴直接连接水轮机转轮体内的桨叶操作机构。
所述的水轮机桨叶的电/机操作机构，伺服电机和减速装置通过支架固定在机组主轴的上端，由双向推力轴承与机组主轴连接。
所述的水轮机桨叶的电/机操作机构，伺服电机采用直流伺服电机，减速装置采用谐波减速装置。
所述的水轮机桨叶的电/机操作机构，在梯形螺母套附近装有直接反映桨叶转角变化的电气反馈装置，电气反馈装置和伺服电机的控制电路连接，并形成闭环控制。
所述的水轮机桨叶的电/机操作机构，其伺服电机控制电路及电源通过集电环与伺服电机连接。
本发明的优点是：
1.从根本上解决了漏油、串油问题，及由于漏油带来的严重环境污染问题。
2.由于取消了转轮体内的接力器，可减小轮毂比，增大机组流量和出力，经济效益显著。
3.还可大大简化常规的双重调节水轮机调速器。例如可以取消双重调节水轮机调速器中桨叶调整的主配压阀及其相应联结管道及到受油器的管道等。实现单调节水轮机调速器和双重调节水轮机调速器外形和联结尺寸基本一致。后者仅增加桨叶电-机的电气控制功能和导叶、浆叶的电气协联功能和有关表计等。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图中各序号分别代表：1-操作轴、2-联轴器(可调)、3-机组主轴、4-梯形螺母套、5-梯形螺杆、6-反馈集电环、7-双向推力轴承、8-支架、9-谐波减速装置、10-直流伺服电机、11-集电环、12-磁性电气反馈、13-导向键、14-狭长孔、15-调整用孔、16-伺服电机驱动电源、17-控制电路、18-指令信号、19-反馈信号。
具体实施方式
如附图1：本发明采用一种电/机操作机构代替油缸系统来调节水轮机桨叶的开度(转角)。装置全部安装在机组主轴3上，并随主轴一起转动。其伺服系统采用直流伺服电机10和谐波减速装置9及其驱动电源16和控制电路17，伺服电机控制电路17及电源16则通过集电环11与伺服电机连接。传动机构采用螺杆螺母套结构，置于机组主轴内，直流伺服电机和谐波减速装置输出轴带动梯形螺杆5正、反转，梯形螺母套4上段与梯形螺杆螺纹连接，下端通过联轴器2连接操作轴1，操作轴直接连接水轮机转轮体内的桨叶操作机构。
直流伺服电机和谐波减速装置通过支架8固定在机组主轴的上端，由双向推力轴承7与机组主轴3连接。
在梯形螺母套上装有直接反映桨叶转角变化的电气反馈装置12、集电环6，反馈信号19和直流伺服电机的控制电路17连接，反馈信号19与指令信号18相比较控制驱动电源16的输出，形成闭环控制。狭长孔14是方便反馈装置的安装，15是梯形螺母套4下端通过联轴器2与操作轴1连接时的调整用孔。
工作原理和过程：高速直流伺服电机10通过大传动比的谐波传动减速器9增大输出转矩后，带动梯形螺杆5正、反转，梯形螺母套4制约于导向键13上下运动，连同操作轴1以大于50-100吨的力上、下动作，操作水轮机体内的操作机构，使所有桨叶同时正、反转动，调节流量。操作轴1布置在水轮发电机组空心主轴的中心部位，以取代原内、外油管。桨叶的全开、全关时间可以通过直流伺服电机的驱动电源进行调整。
本水轮机桨叶的电/机操作机构可以实现转浆式水轮机的无油桨叶调节。在水轮机转轮直径D＝3.3M及以下的转浆式机组上进行试验，双向推力轴承选用GB/T301-1995；52000型；d＝120mm；基本额定载荷Ca＝670KN＝67T。谐波减速装置采用XB250型，减速比125；输入转速1500转/分；输出转矩3500N.m。直流伺服电机选用6～7KW小惯量宽调速永磁式直流伺服电机，额定转速1500转/分，如217SZKW-C-02。
本装置在水轮机转轮直径D＝4.5M转浆式机组上进行试验，操作机构最大操作力227T，选用单向推力调心滚子轴承，如GB/T5859-1994；29000型；D＝240mm；基本额定载荷Ca＝2740KN＝274T；选两个组合成双向使用。谐波减速装置采用XB300型，减速比215；输入转速1000转/分；输出转矩10000N.m。直流伺服电机选用6～7KW小惯量宽调速永磁式直流伺服电机，转速1000转/分，如217SZKW-C-02。
电气反馈装置12可以有多种方式，如用位移检测器，再将位移量转换成电压量作为返馈信号。本装置除电气反馈装置12固定安装外，其余均安装在机组主轴上，并随机组一起旋转。也可以将电气反馈的传感器装在狭长孔14中，将导线引到围绕在主轴上的集电环6上。对于将机械量转换成电量及伺服电机的控制电路均是成熟技术，因此不再详述。
本装置采用直流伺服电机，经过谐波传动减速和增大转矩，带动梯形螺杆正、反转，梯形螺母(套)则连同操作轴上、下动作(取代内、外油管)直接操作水轮机转轮体内的操作机构，使所有桨叶同时正、反转，调节流量。本机构还设置有双向推力轴承7，安装在机组主轴上，使巨大的上、下操作力(几十～几百T)在机组主轴内部即相互抵消。原则上适用于大、中、小各种转桨式或贯流式机组。主轴用于连结水轮机和发电机，它可承受桨叶的巨大水推力和发电机推力轴承的巨大推力负荷，具有足够的强度和刚度。其应用范围取决于配套设备的规格，只要各配套设备能满足要求，本发明的实施例范围不受限制。
本装置随同机组主轴一起旋转，电气讯号则通过集电环引出。在梯形螺套附近装有电气装置12，集电环6围绕在主轴上，可直接反映桨叶转角的变化。此位移传感器和直流伺服电机的控制部分构成位置伺服系统并形成闭环控制，它可按微机的指令信号调整桨叶转角，实现数字协联，保证机组运行于高效区，因此控制精度高，而这些控制功能均可附在调速器中实现。故采用本装置后，就可取消常规的受油器、内外油管及桨叶接力器等常规部件。
本发明采用直流伺服电机集电环比较简单，采用交流伺服电机同样可以实现，只是集电环比较复杂，其它部件选用原则相同，不再列举。
本发明的核心是用电/机操作机构代替油缸系统来调节水轮机桨叶的开度以及操作机构全部安装在机组主轴3上，并随主轴一起转动，使巨大的上、下操作力(几十～几百T)在机组主轴内部相互抵消。因此，凡是用电/机操作机构代替油缸系统，操作机构全部安装在机组主轴上来调节水轮机桨叶的开度的，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种水轮机桨叶的电/机操作机构，包括伺服系统和传动机构，其特征在于：伺服系统采用伺服电机、减速装置及其控制电路，传动机构采用螺杆螺母套结构，伺服电机和减速装置的输出轴与置于机组主轴内的梯形螺杆连接，梯形螺母套上段与梯形螺杆螺纹连接，下端连接操作轴，操作轴直接连接水轮机转轮体内的桨叶操作机构。
2.根据权利要求1所述的水轮机桨叶的电/机操作机构，其特征在于：伺服电机和减速装置通过支架固定在机组主轴的上端，由双向推力轴承与机组主轴连接。
3.根据权利要求1或2所述的水轮机桨叶的电/机操作机构，其特征在于：伺服电机采用直流伺服电机，减速装置采用谐波减速装置。
4.根据权利要求1或2所述的水轮机桨叶的电/机操作机构，其特征在于：在梯形螺母套上装有直接反映桨叶转角变化的电气反馈装置，电气反馈装置和伺服电机的控制电路连接，并形成闭环控制。
5.根据权利要求3所述的水轮机桨叶的电/机操作机构，其特征在于：在梯形螺母套上装有直接反映桨叶转角变化的电气反馈装置，电气反馈装置和直流伺服电机的控制电路连接，并形成闭环控制。
6.根据权利要求1或2所述的水轮机桨叶的电/机操作机构，其特征在于：伺服电机控制电路及电源通过集电环与伺服电机连接。
7.根据权利要求3所述的水轮机桨叶的电/机操作机构，其特征在于：伺服电机控制电路及电源通过集电环与直流伺服电机连接。
8.根据权利要求4所述的水轮机桨叶的电/机操作机构，其特征在于：伺服电机控制电路及电源通过集电环与伺服电机连接。
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