RU2781138C1

RU2781138C1 - Control valve

Info

Publication number: RU2781138C1
Application number: RU2021116005A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Сурский; Виктор Анатольевич Иванов; Федор Георгиевич Кочевин
Original assignee: Александр Иванович Сурский; Виктор Анатольевич Иванов; Федор Георгиевич Кочевин
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2022-10-06

Abstract

FIELD: valve engineering.

SUBSTANCE: present invention relates to the field of control valves, in particular, to fuel control valves with an electromechanical drive, installed in automatic control systems of drive gas turbine sets of gas pumping units. In the proposed valve controlling in an annular laminated stator placed in the body of the electric drive, twelve poles with windings made thereon are made relative to the outer annular surface of the stator with an angle of inclination of 6+0.5 degrees in the circumferential direction; in the annular laminated magnetic core of the hollow rotor installed coaxially to the stator in the bearings placed in the covers of the body of the electric drive, eight inserts made of a magnetic neodymium alloy are made, arranged symmetrically coaxially the annular surface of the magnetic core to the entire length thereof in the form of a roof of the inverted-V shape with the concavity facing the stator, wherein a leading nut is made on the part of the hollow rotor placed in the bearing in the lower cover, whereon inside of said nut, a leading screw connected with the stem of the locking plunger is placed, configured to interact therewith, with slots made on the non-threaded part thereof, configured to interact with the slots made in the slot sleeve made on the lower cover of the body of the electric drive, wherein inside the annular fixed part of the angular position sensor of the rotor, said part being secured on the upper cover of the body of the electric drive, an annular movable part of said sensor is placed, secured on the hollow rotor, and a hollow fixed part of the linear position sensor of the locking plunger is placed inside the hollow rotor, also secured on the upper cover, placed on the inside whereof is the movable part of said sensor, mechanically linked with the leading screw.

EFFECT: increase in the security of operation of gas turbine engines due to the increase in the reliability, accuracy and speed of the control valves applied in the control systems of the control valves thereof.

1 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области регулирующих клапанов, в частности, к топливным регулирующим клапанам с электромеханическим приводом, устанавливаемым в системах автоматического регулирования приводных газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов.The present invention relates to the field of control valves, in particular, to fuel control valves with an electromechanical drive installed in automatic control systems for gas turbine drive units of gas compressor units.

Известны регулирующие клапаны с электроприводом (см., например, кн.: Д.Ф. Гуревич, О.Н. Шпаков «Справочник конструктора трубопроводной арматуры». Л.: Машиностроение, ЛО, 1987 г., стр. 122…139).Control valves with an electric drive are known (see, for example, book: D.F. Gurevich, O.N. Shpakov "Handbook of the pipeline valve designer". L .: Mashinostroenie, LO, 1987, pp. 122 ... 139).

Известен клапан GS6 - регулируемый встроенным электронным контроллером топливный клапан с электроприводом, где клапан принимает задающий сигнал и точно изменяет позицию регулирующего подачу топлива сферического элемента так, чтобы открывалась площадь рабочей поверхности отверстия клапана, пропорциональная потоку газа, и где датчики положения непосредственно сопряжены с регулирующим подачу топлива элементом (см., например, «Система дозирования газа GS6» фирмы WOODWARD, Руководство 26171(редакция К), стр. 1,2, 14,15).The GS6 valve is known - an electrically driven fuel valve regulated by an integrated electronic controller, where the valve receives a setting signal and precisely changes the position of the spherical element regulating the fuel supply so that the working surface area of the valve opening is opened, proportional to the gas flow, and where the position sensors are directly coupled to the regulating supply fuel element (see, for example, WOODWARD's GS6 Gas Dosing System, Manual 26171(Rev. K), pages 1,2, 14,15).

Известны применяемые в системах топливоподачи газотурбинных двигателей электроприводные дозаторы газа, в которых дозирующий элемент выполнен плоским, из-за чего существуют определенные сложности с обеспечением плотности в закрытом состоянии дозатора (см., например, Ж. «Газотурбинные технологии», ноябрь 2010 г., стр. 34…38) - прототип.Electric driven gas dispensers used in fuel supply systems of gas turbine engines are known, in which the metering element is made flat, due to which there are certain difficulties in ensuring the density in the closed state of the dispenser (see, for example, J. "Gas turbine technologies", November 2010, pp. 34…38) - prototype.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения надежности работы газотурбинных двигателей, в частности, путем повышения надежности, точности и быстродействия применяемых в их системах регулирования регулирующих клапанов.The present invention solves the problem of improving the reliability of gas turbine engines, in particular, by improving the reliability, accuracy and speed of control valves used in their control systems.

Указанный технический результат в клапане регулирующем, содержащем корпус с входным и выходным патрубками и встроенным в нем седлом, запорный плунжер со штоком, пропущенным сквозь установленный на корпусе клапана корпус уплотнения, поверх которого на корпусе клапана укреплен проставок с размещенным на нем электроприводом, включающим сборный корпус с нижней и верхней крышками с подшипниками в них, размещенный в корпусе между крышками статор с полюсами и обмотками на них и с размещенным в нем полым ротором с постоянными магнитами, размещенные на верхней крышке кабельная коробка и датчики углового положения ротора и линейного положения запорного плунжера, согласно предлагаемому изобретению достигается тем, что в размещенном в корпусе электропривода кольцевом шихтованном статоре двенадцать полюсов с обмотками на них выполнены относительно наружной кольцевой поверхности статора с углом наклона в 6+0,5 градусов в окружном направлении, в кольцевом шихтованном магнитопроводе полого ротора, установленного в размещенных в крышках корпуса электропривода подшипниках соосно статору, выполнены симметрично расположенные соосно кольцевой поверхности магнитопровода на всю его длину в форме пологой двухскатной крыши вогнутостью к статору восемь вставок из магнитного неодимового сплава, при этом на части полого ротора, размещенной в подшипнике в нижней крышке, выполнена ходовая гайка, внутри которой размещен с возможностью взаимодействия с ней соединенный со штоком запорного плунжера ходовой винт с выполненными на его безрезьбовой части шлицами с возможностью их взаимодействия со шлицами в выполненной на нижней крышке корпуса электропривода шлицевой втулке, при этом внутри укрепленной на верхней крышке корпуса электропривода кольцевой неподвижной части датчика углового положения ротора размещена укрепленная на полом роторе кольцевая подвижная часть этого датчика, а внутри полого ротора размещена укрепленная также на верхней крышке полая неподвижная часть датчика линейного положения запорного плунжера, внутри которой размещена подвижная часть этого датчика, механически связанная с ходовым винтом.The specified technical result in a control valve, containing a body with inlet and outlet pipes and a seat built into it, a shut-off plunger with a stem passed through a seal body installed on the valve body, on top of which a spacer is mounted on the valve body with an electric drive placed on it, including a prefabricated body with bottom and top covers with bearings in them, placed in the housing between the covers a stator with poles and windings on them and with a hollow rotor with permanent magnets placed in it, a cable box and sensors of the angular position of the rotor and the linear position of the shut-off plunger are located on the top cover, according to the invention is achieved by the fact that in the annular laminated stator located in the electric drive housing, twelve poles with windings on them are made relative to the outer annular surface of the stator with an inclination angle of 6 + 0.5 degrees in the circumferential direction, in the annular laminated magnetic circuit of the hollow rotor, set located in the housing covers of the electric drive bearings coaxially to the stator, symmetrically located coaxially to the annular surface of the magnetic circuit for its entire length in the form of a flat gable roof with a concavity towards the stator eight inserts made of magnetic neodymium alloy, while on the part of the hollow rotor placed in the bearing in the bottom cover , a lead nut is made, inside of which a lead screw connected to the stem of the shut-off plunger is placed with the possibility of interacting with it, with splines made on its threadless part with the possibility of their interaction with the splines in a splined bushing made on the bottom cover of the electric drive housing, while inside fixed on the top cover of the electric drive housing of the annular fixed part of the angular position sensor of the rotor, there is an annular movable part of this sensor mounted on the hollow rotor, and inside the hollow rotor there is also a hollow fixed part of the linear position sensor fixed on the top cover behind a piston plunger, inside which is placed the movable part of this sensor, mechanically connected with the lead screw.

Отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что в размещенном в корпусе электропривода кольцевом шихтованном статоре двенадцать полюсов с обмотками на них выполнены относительно наружной кольцевой поверхности статора с углом наклона в 6+0,5 градусов в окружном направлении, в кольцевом шихтованном магнитопроводе полого ротора, установленного в размещенных в крышках корпуса электропривода подшипниках соосно статору, выполнены симметрично расположенные соосно кольцевой поверхности магнитопровода на всю его длину в форме пологой двухскатной крыши вогнутостью к статору восемь вставок из магнитного неодимового сплава, при этом на части полого ротора, размещенной в подшипнике в нижней крышке, выполнена ходовая гайка, внутри которой размещен с возможностью взаимодействия с ней соединенный со штоком запорного плунжера ходовой винт с выполненными на его безрезьбовой части шлицами с возможностью их взаимодействия со шлицами в выполненной на нижней крышке корпуса электропривода шлицевой втулке, при этом внутри укрепленной на верхней крышке корпуса электропривода кольцевой неподвижной части датчика углового положения ротора размещена укрепленная на полом роторе кольцевая подвижная часть этого датчика, а внутри полого ротора размещена укрепленная также на верхней крышке полая неподвижная часть датчика линейного положения запорного плунжера, внутри которой размещена подвижная часть этого датчика, механически связанная с ходовым винтом.A distinctive feature of the invention is that in the annular laminated stator located in the electric drive housing, twelve poles with windings on them are made relative to the outer annular surface of the stator with an inclination angle of 6 + 0.5 degrees in the circumferential direction, in the annular laminated magnetic circuit of the hollow rotor installed in the bearings located in the covers of the electric drive housing coaxially to the stator, eight inserts made of magnetic neodymium alloy are symmetrically located coaxially to the annular surface of the magnetic circuit for its entire length in the form of a flat gable roof with a concavity towards the stator, while on the part of the hollow rotor placed in the bearing in the bottom cover, a lead nut is made, inside of which a lead screw connected to the stem of the shut-off plunger is placed with the possibility of interacting with it, with splines made on its threadless part with the possibility of their interaction with the splines in the electric drive housing made on the bottom cover splined bushing, while inside the annular fixed part of the rotor angular position sensor mounted on the top cover of the electric drive housing, the annular movable part of this sensor mounted on the hollow rotor is placed, and inside the hollow rotor there is a hollow fixed part of the linear position sensor of the shut-off plunger fixed also on the top cover, inside which houses the movable part of this sensor, which is mechanically connected to the lead screw.

Клапан регулирующий схематично представлен на фиг. 1 (продольный разрез), на фиг. 2 - поперечное сечение электропривода клапана, на фиг. 3 - вид на внутреннюю поверхность (на часть ее) статора электропривода (развертка).The control valve is schematically shown in Fig. 1 (longitudinal section), in Fig. 2 is a cross section of the valve actuator, in FIG. 3 - view of the inner surface (on a part of it) of the stator of the electric drive (scan).

В корпусе 1 клапана с входным 2 и выходным 3 патрубками встроено седло 4 и размещены корпус уплотнения 5 и шток 6 с запорным плунжером 7 на нем. На корпусе 1 с установленным на нем корпусом уплотнения 5 установлен проставок 8, с размещенным на нем электроприводом 9. В сборном корпусе 10 электропривода 9 размещены кольцевой шихтованный статор 11 и соосный с ним полый ротор 12 с кольцевым шихтованным магнитопроводом 13 (см. фиг. 2) на нем. Ротор 12 установлен своими выступающими за пределы его магнитопровода 13 частями в подшипниках 14, встроенных в нижней 15 и верхней 16 крышках сборного корпуса 10. На части полого ротора 12, размещенной в подшипнике 14 в нижней крышке 15, выполнена ходовая гайка 17, в которой размещен с возможностью взаимодействия с ней ходовой винт 18, соединенный в своей нижней части муфтой 19 со штоком 6. Ниже резьбовой части винта 18 на нем выполнены шлицы 20 с возможностью их взаимодействия со шлицами в укрепленной на нижней крышке 15 корпуса 10 шлицевой втулке 21. На верхней крышке 16 корпуса 10 размещена кольцевая неподвижная часть 22 датчика 23 углового положения полого ротора 12, а на самом роторе 12 внутри неподвижной части 22 датчика 23 укреплена кольцевая подвижная часть 24 этого датчика 23. При этом внутри полого ротора 12 размещена укрепленная (с помощью кронштейна, поз. не обозначена) также на верхней крышке 16 полая неподвижная часть 25 датчика 26 линейного положения запорного плунжера 7, внутри которой размещена подвижная часть 27 этого датчика 26, механически связанная с ходовым винтом 18. На внутренней поверхности статора 11 выполнены (см. фиг. 2, 3) с углом наклона в 6 +0,5 градусов в окружном направлении относительно наружной кольцевой поверхности статора 11 (и его оси, соответственно) двенадцать полюсов, выполненных в форме зубцов 28. На каждом из зубцов (полюсов) 28 размещено по обмотке 29. В кольцевом шихтованном магнитопроводе 13 полого ротора 12 выполнены симметрично расположенные соосно кольцевой поверхности этого магнитопровода 13 на всю его длину в форме пологой двухскатной крыши вогнутостью к статору 11 восемь магнитных неодимовых вставок 30, представляющих собой каждая два постоянных магнита. На крышке 16 корпуса 9 установлена кабельная коробка 31 с вводами.In the body 1 of the valve with the inlet 2 and outlet 3 nozzles, a seat 4 is built in and a seal body 5 and a stem 6 with a shut-off plunger 7 are placed on it. On the housing 1 with the seal housing 5 installed on it, a spacer 8 is installed, with an electric drive 9 placed on it. ) On him. The rotor 12 is installed with its parts protruding beyond its magnetic circuit 13 in bearings 14 built into the lower 15 and upper 16 covers of the prefabricated housing 10. with the possibility of interacting with it, the lead screw 18, connected in its lower part by a coupling 19 with a rod 6. Below the threaded part of the screw 18, slots 20 are made on it with the possibility of their interaction with the slots in the slotted sleeve 21 fixed on the bottom cover 15 of the housing 10. On the top the cover 16 of the housing 10 has an annular fixed part 22 of the sensor 23 of the angular position of the hollow rotor 12, and on the rotor 12 itself, inside the fixed part 22 of the sensor 23, the annular movable part 24 of this sensor 23 is fixed. pos. not indicated) also on the top cover 16 is a hollow fixed part 25 of the sensor 26 of the linear position of the locking plunger 7, inside which is placed the movable part 27 of this sensor 26, mechanically connected with the lead screw 18. On the inner surface of the stator 11 are made (see Fig. fig. 2, 3) with an angle of inclination of 6 +0.5 degrees in the circumferential direction relative to the outer annular surface of the stator 11 (and its axis, respectively) twelve poles made in the form of teeth 28. On each of the teeth (poles) 28 is placed on the winding 29. In the annular laminated magnetic circuit 13 of the hollow rotor 12, eight magnetic neodymium inserts 30 are symmetrically located coaxially with the annular surface of this magnetic circuit 13 over its entire length in the form of a flat gable roof with a concavity towards the stator 11, each representing two permanent magnets. On the cover 16 of the housing 9 there is a cable box 31 with inputs.

Работает предлагаемый клапан регулирующий (далее - клапан) следующим образом (см. фиг. 1, 2, 3).Works the proposed control valve (hereinafter referred to as the valve) as follows (see Fig. 1, 2, 3).

Регулирование клапаном расхода газа (рабочей среды), поступающего через входной патрубок 2 в корпус 1 и далее через проходное сечение в седле 4 (при его открытии) и выходной патрубок 3 к потребителю, осуществляет электропривод 9, который в соответствии с заданием поступательно перемещает регулирующий подачу газа запорный профильный плунжер 7 относительно неподвижного профильного седла 4, изменяя, таким образом, площадь рабочего проходного сечения клапана пропорционально заданному расходу газа. В электроприводе 9 выполненные в корпусе 10 с крышками 15, 16 статор 11 с установленным в подшипниках 14 ротором 12 представляют собой синхронный электродвигатель, в котором в результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого выполненными в магнитопроводе 13 ротора 12 восемью магнитными неодимовыми вставками 30 (представляющих собой каждая два постоянных магнита), и тока (при подаче его), протекающего в двенадцати обмотках 29 на зубцах (полюсах) 28 статора 11, размещенного в корпусе 10, возникает крутящий момент, вращающий ротор 12.The valve regulates the flow of gas (working medium) flowing through the inlet pipe 2 into the body 1 and further through the flow area in the seat 4 (when it is opened) and the outlet pipe 3 to the consumer, the electric drive 9 performs, which, in accordance with the task, progressively moves the regulating flow gas shut-off profile plunger 7 relative to the fixed profile seat 4, thus changing the area of the working passage section of the valve in proportion to the given gas flow rate. In the electric drive 9 made in the housing 10 with covers 15, 16 the stator 11 with the rotor 12 installed in the bearings 14 is a synchronous electric motor in which, as a result of the interaction of the magnetic field created by the rotor 12 made in the magnetic circuit 13, eight magnetic neodymium inserts 30 (representing each two permanent magnets), and the current (when it is applied) flowing in twelve windings 29 on the teeth (poles) 28 of the stator 11, located in the housing 10, a torque occurs that rotates the rotor 12.

Управление электроприводом 9 клапана осуществляется от внешнего электронного блока управления клапаном (БУК, на фиг. 1 не показан) в режиме вентильного двигателя с коммутацией размещенных на зубцах (полюсах) 28 статора 11 обмоток 29 в зависимости от угла поворота ротора 12. Контроль угла поворота ротора 12 и регулирование скорости его вращения производится по сигналам состоящего из подвижной 24 и неподвижной 22 частей датчика 23 (представляющего собой резольвер на базе бесконтактного синусно-косинусного вращающегося трансформатора) углового положения ротора 12. Линейное позиционирование электропривода 9 клапана выполняется в замкнутом контуре регулирования с помощью состоящего из механически связанной с ходовым винтом 18 подвижной 27 и неподвижной 25 частей датчика 26 (представляющего собой линейный регулируемый дифференциальный трансформатор) линейного положения запорного плунжера 7. При вращении ротора 12 крутящий момент от него через выполненную в его нижней части ходовую гайку 17 передается на ходовой винт 18, который при этом совершает поступательные перемещения благодаря выполненным на нем шлицам 20 и шлицевой втулке 21, укрепленной на нижней крышке 15. Вместе с ходовым винтом 18 совершает поступательные перемещения и связанный с ним через шток 6 и соединительную муфту 19 запорный плунжер 7. Корпус уплотнения 5 осуществляет как общее уплотнение (неподвижное соединение) полости клапана, так и уплотнение подвижного штока 6 с дренажом возможных протечек газа из промежуточной камеры уплотнения «на свечу» (на фиг. 1 не показано). Проставок 8, на котором установлен электропривод 9, выполнен с «окнами» (на фиг. 1 не показаны), через которые муфтой 19 соединяют шток 6 плунжера 7 с ходовым винтом 18. Через коробку 31 подводятся кабели для подачи электропитания и команд управления от блока управления клапаном.The electric drive 9 of the valve is controlled from an external electronic valve control unit (BUK, not shown in Fig. 1) in the mode of a valve motor with switching of the windings 29 placed on the teeth (poles) 28 of the stator 11, depending on the angle of rotation of the rotor 12. Control of the angle of rotation of the rotor 12 and the regulation of its rotation speed is carried out according to the signals of the angular position of the rotor 12, consisting of a movable 24 and a fixed 22 parts of the sensor 23 (which is a resolver based on a non-contact sine-cosine rotating transformer). from mechanically connected with the lead screw 18 movable 27 and fixed 25 parts of the sensor 26 (which is a linear adjustable differential transformer) of the linear position of the shut-off plunger 7. When the rotor 12 rotates, the torque from it through the running nut 17 p made in its lower part is transmitted to the lead screw 18, which at the same time performs translational movements due to the slots 20 made on it and the splined sleeve 21, mounted on the bottom cover 15. Together with the lead screw 18, it performs translational movements and the shut-off plunger connected to it through the rod 6 and the coupling 19 7. The seal body 5 performs both a general seal (fixed connection) of the valve cavity and a seal of the movable stem 6 with drainage of possible gas leaks from the intermediate seal chamber “to the candle” (in Fig. 1 not shown). The spacer 8, on which the electric drive 9 is installed, is made with “windows” (not shown in Fig. 1), through which the sleeve 19 connects the stem 6 of the plunger 7 with the lead screw 18. Cables are fed through the box 31 to supply power and control commands from the unit valve control.

Профилирование пары «плунжер-седло» обеспечивает возможность регулирования потока рабочей среды через клапан в широком диапазоне расходов в зависимости от характеристик и назначения конкретной газотурбинной установки (ГТУ).The profiling of the “plunger-seat” pair provides the ability to control the flow of the working medium through the valve in a wide range of flow rates, depending on the characteristics and purpose of a particular gas turbine unit (GTP).

Предлагаемый Клапан регулирующий был изготовлен и находится в опытно-промышленной эксплуатации (больше года) на одной из компрессорных станций магистрального газопровода ПАО «Газпром».The proposed control valve was manufactured and is in pilot operation (more than a year) at one of the compressor stations of the main gas pipeline of Gazprom PJSC.

Claims

A control valve comprising a body with inlet and outlet pipes and a seat built into it, a shut-off plunger with a stem passed through a seal body mounted on the valve body, on top of which a spacer is mounted on the valve body with an electric drive placed on it, including a prefabricated body with a lower and upper covers with bearings in them, placed in the housing between the covers a stator with poles and windings on them and with a hollow rotor with permanent magnets placed in it, a cable box and sensors of the angular position of the rotor and the linear position of the shut-off plunger are located on the top cover, characterized in that in the annular laminated stator located in the electric drive housing, twelve poles with windings on them are made relative to the outer annular surface of the stator with an inclination angle of 6 + 0.5 degrees in the circumferential direction, in the annular laminated magnetic core of the hollow rotor installed in the bearings placed in the covers of the electric drive housing x coaxially to the stator, eight inserts made of magnetic neodymium alloy are symmetrically located coaxially to the annular surface of the magnetic circuit over its entire length in the form of a flat gable roof with a concavity towards the stator, while on the part of the hollow rotor located in the bearing in the bottom cover, a running nut is made, inside which placed with the possibility of interacting with it connected to the rod of the locking plunger lead screw with slots made on its threadless part with the possibility of their interaction with the slots in the slotted sleeve made on the bottom cover of the electric drive housing, while inside the annular fixed part of the angle sensor fixed on the top cover of the electric drive housing position of the rotor, there is an annular movable part of this sensor fixed on the hollow rotor, and inside the hollow rotor there is a hollow fixed part of the linear position sensor of the shut-off plunger, also fixed on the top cover, inside which the movable part of this sensor is located. yoke mechanically connected to the lead screw.