3.2.2 Системи регулювання частоти обертання

Схема найпростішої системи регулювання частоти обертання показана на рисунку 3.2.2. Це система прямого регулювання – в ній вся енергія для переміщення регулюючого клапану 4 надходить від регулятора 1, муфта 2 якого пов’язана з клапаном через важіль 3. Переміщення муфти відбувається за рахунок руху вантажів, що виникають при зміні відцентрової сили, що пов’язана зі зміною частоти обертання ротора.

Рисунок 3.2.2 – Схема прямого регулювання частоти обертання

При відцентрова сила, що розвивається вантажами, урівноважується зусиллям в пружині розтягнення. При зміні навантаження зміниться частота обертання. Частота обертання збільшується при зменшенні навантаження, і вантажі регулятора через муфту та важіль переміщають клапан на закриття для зменшення витрат пари.

Процес, зворотній описаному, протікає при збільшенні навантаження. Регулятор 1 в цій схемі називається регулятором частоти обертання. Зусилля цього регулятора невелике, тому без підведення до системи регулювання енергії зовні та використання пристроїв, що посилюють за рахунок цієї енергії імпульс, що йде від регулятора до клапана 4 випуску пари в турбіну, система автоматичного регулювання працювати не може.

Система регулювання з підведенням допоміжної енергії та підсилювальними пристроями називається системою непрямого регулювання (рисунок 3.2.3). Це схема однократного зусилля з двостороннім гідравлічним сервомотором 4 та відсічним золотником 3. Допоміжна енергія підводиться від масло насосу 7 з тиском . Штоки сервомотору та золотника шарнірно пов’язані через важіль 2 з муфтою регулятора 1. В середньому положенні золотник відсікає підведення масла до сервомотору, а при відхиленні золотника від положення відсікання масло може надходити у верхню або нижню порожнини сервомотора, переміщаючи регулюючий клапан 5, змінюючи витрату пари на турбіну 6.

Рисунок 3.2.3 – Схема непрямого регулювання частоти обертання

Принцип роботи схеми непрямого регулювання частоти обертання при зниженні навантаження генератора:

В турбіні виникає надлишковий паровий момент, внаслідок чого частота обертання ротора збільшується, вантажі відцентрового регулятора розсуваються та піднімають муфту 8 разом з кінцем зв’язаного з нею важеля 2. Важіль буде повертатись відносно нерухомої в перший момент точки Б під'єднання до нього сервомотору. Золотник 3 зміститься від середнього положення вгору, що викликає подачу масла до верхньої порожнини сервомотору та одночасне зливання масла з нижньої порожнини. За рахунок перепаду тиску масла поршень піде вниз, переміщаючи клапан, який прикриє подачу пари в турбіну, що приведе до зменшення її надлишкового парового моменту. Важіль зв’язку 2 передає прямий імпульс від регулятора до сервомотору. Сервомотор та зв'язаний з ним клапан припинять свій рух вниз тільки в тому випадку, коли золотник знову займе положення відсічки. Встановлює його в це положення той самий важіль зв’язку, який повертається відносно точки А свого закріплення в муфті регулятора при переміщенні сервомотору вниз. Таким чином, важіль зв’язку здійснює зворотній зв'язок (зворотній імпульс) від сервомотора до золотника. Поршень сервомотору та клапан зупиняться в новому положенні, яке відповідає новому встановленому режиму роботи турбіни та генератора.

Системи регулювання сучасних турбін містять декілька послідовно працюючих східців посилення з гідравлічними зв’язками. Гідравлічний зв'язок працює за принципом перетворення механічного переміщення в зміні тиску рідини або зворотного перетворення ( тиску рідини в механічне переміщення).

В схемах регулювання в якості регулятора частоти обертання застосовується пристрій з відцентрованими вантажами. Вимірювачем (чутливим елементом) частоти обертання ротора в цьому регуляторі є вантаж, що обертається, відцентрова сила якого залежить від частоти обертання ротора. Окрім відцентрових застосовують гідродинамічні регулятори швидкості. Вимірювачем частоти в такому регуляторі служить насос (імпеллер) або гідравлічний опір, що обертається, значення якого залежить від частоти обертання ротора. Першою ланкою посилення імпульсу від насосів в системах з гідродинамічними регуляторами швидкості служать мембранно-стрічкові поршневі та сильфоно-поршневі пристрої.

Серед відцентрових датчиків-регуляторів розрізняють: шарнірні (тихохідні вантажні) та безшарнірні (все режимні пружні). Перші не застосовуються.

Принцип роботи безшарнірних датчиків:

Такі датчики виконуються з діапазоном роботи від 300-400 до 3400 об/хв. Датчик закріплюється на валику 5, який зв’язаний з ротором турбіни. Вантажі 9,10 закріплені на гнучкій сталевій стрічці 3, що прикріплена до корпусу 4 пластинками 8 та болтами 7. Пружина 6, що закріплена середньою частиною в кронштейні регулятора, стягує вантажі 9, 10. На випуклій частині гнучкої стрічки по осі валика закріплена відбійна пластина 2(муфта), яка регулює зливання робочої рідини з сопла 1 слідкуючого золотника. При підвищенні частоти обертання відцентрові сили вантажів збільшуються, розтягують пружину та деформують гнучку стрічку. Пластина 2 відходить від сопла 1, викликаючи переміщення виконаного заодно з соплом слідкуючого золотника. Золотник своїми регулюючими кромками перекриває відповідні вікна, змінюючи зливи через них, і тим самим передає команду на наступні ланки системи регулювання (рисунок 3.2.4).

Принцип роботи мембранно-стрічкових пристроїв:

В цих пристроях застосовують в якості приймальних пристроїв імпульсів від насосів в гідродинамічних регуляторах швидкості ( рисунок 3.2.5). використовується явище повздовжньо-поперечного згинання стрічки. Прогинання мембрани 1 в центрі при зміні тиску масла від датчика швидкості – насоса змінює стискання стрічки 2, що жорстко закріплена в мембрані 1 та в стакані 4. При цьому досягається 10-12 кратне зусилля прогину мембрани. До середньої частини стрічки підведене сопло 3, в яке з лінії від силового насосу подається силова рідина, зливання якої через сопло змінюється в залежності від прогинання стрічки. Зміна витрат рідини передається золотнику проміжного посилення системи регулювання.

Рисунок 3.2.4 – Безшарнірний регулятор частоти обертання

Принципова схема гідродинамічного регулювання показана на рисунку 2.3.6.

Принцип роботи системи гідродинамічного регулювання:

Колесо імпульсного насосу-імпеллера 1 розташоване на валу ротора турбіни. При збільшенні частоти обертання ротора зростаючий тиск рідини після цього насосу передається під поршень 3 приймального пристрою імпульсу регулятора швидкості. Збільшення тиску під поршнем заставляє його переміщатись вгору до моменту, коли натягування пружини 2 не урівноважить зусилля від приросту тиску під поршнем. Від переміщення поршня важіль 4 піднімається, повертаючись відносно місця з'єднання його зі штоком поршня сервомотору 6. Золотник 5 при переміщенні вгору відкриє підведення силової рідини від насосу 8 в камеру над поршнем сервомотору та злив його з під поршня, за рахунок чого поршень переміститься вниз, прикриваючи клапан 7, що приведе до зменшення парового моменту турбіни та зниженню частоти обертання ротора.

Якість процесу регулювання характеризується статичними і динамічними показниками.

До статичних характеристик відносяться нерівномірність та нечутливість.

До динамічних характеристик – миттєве збільшення величини (закодування величини), що регулюється при скиданні навантаження, швидкодія, час регулювання, число коливань величини, що регулюється за час перехідного процесу.

Нерівномірність регулювання частоти обертання кількісно характеризується ступенем нерівномірності ( статизмом), тобто відношенням зміни частоти обертання до зміни потужності турбіни в будь-якому діапазоні статичної характеристики частота обертання – потужність, яка отримується при незмінному положенні механізму управління турбіною.

Нечутливість системи регулювання – відхилення частоти обертання вала турбіни, що не викликає зміну витрати пари. Нечутливість системи регулювання залежить від сил тертя в рухомих вузлах системи, жорсткості важелів, кріплення пружних елементів. Під час експлуатації турбіни нечутливість збільшується через забруднення рухомих з'єднань та зношування деталей.

Закидування величини, що регулюється – це її максимальне відхилення від початкового значення при неочікуваному зниженні потужності турбіни від максимальної до нуля.

Часом регулювання - називають час, який пройшов з моменту скидання навантаження до початку надходження значення частоти обертання в діапазоні, що дорівнює 5% значення її нерівномірності.