汽轮机超速保护系统和汽轮机的制作方法

本发明涉及电站汽轮机安全技术领域，具体地，涉及一种汽轮机超速保护系统和汽轮机。

背景技术：

汽轮机超速运转危害极大，这引起了技术人员的高度重视。目前，汽轮机超速保护装置有两种方法：电子超速保护和传统机械式超速保护。

电子超速保护系统通过电子测速系统，测量汽轮发电机组的实际运行转速，形成模拟量信号发送至控制系统，再通过逻辑模块运算识别上述模拟信号，当转速达到临界转速，例如，3300rpm以上时，控制系统发出自动停机指令，对汽轮机进行停机保护。在这种情况下，如果转速测量环节出现问题，系统极易发生保护拒动和误动事故。

传统机械式超速保护系统，一般在转子的端部安装一定质量的飞锤或飞环。当转子在临界转速，例如，3300rpm以下转速运行时，依靠弹簧将飞锤或飞环束缚。当转子转速达到3300rpm及以上时，飞锤或飞环旋转所增加的离心力克服弹簧的束缚力产生一定位移，击打保护撑钩。保护撑钩与机械超速保护系统内的其他部件配合，泄去控制油系统的压力，完成停机动作。然而，上述系统的可靠性很大程度上取决于弹簧的质量，例如，弹簧的制造精度、劲度系数和稳定性对其都有很大影响。另外，为了验证系统的可靠性，还须定期进行试验，而在线试验过程中，如果部件失灵或操作不当都可能会导致机组发生跳闸。因此，传统机械超速保护的可靠性存在改进空间。

目前，现有技术中尚未提出能够代替弹簧和飞锤/飞环的机械汽轮机超速保护系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种设备，该设备在传统的机械式超速保护系统的基础上进行了改进，以提高超速保护系统的可靠性。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种汽轮机超速保护系统，上述的汽轮机超速保护系统包括：驱动齿轮，该驱动齿轮设置为与汽轮机的转子的转速相匹配；转轴，该转轴平行于驱动齿轮的轴线并能够以临界转速转动；保护齿轮，该保护齿轮设置于转轴上并与转轴形成丝杠螺母机构，且设置成能够在驱动齿轮的转速大于临界转速时与驱动齿轮啮合；以及操作杆，该操作杆能与保护齿轮连接；其中，当驱动齿轮与保护齿轮啮合时，保护齿轮能够沿转轴的轴向移动，从而带动操作杆移动并产生启动防止汽轮机超速的保护装置的动作。

优选地，保护齿轮设置成棘轮结构。

优选地，保护齿轮包括轮状主体，和设置在轮状主体的外缘上的活动齿，活动齿设置为能够绕着上述的保护齿轮的轴线周向摆动，以使保护齿轮保持在空转位置或动作位置。

优选地，在保护齿轮上设置有限位部，活动齿通过位置定位轴，活动连接在保护齿轮上，活动齿包括能够延伸至驱动齿轮的两个相邻的齿之间的第一端，和用于与限位部配合以使活动齿保持在动作位置的第二端。

优选地，限位部为与保护齿轮的轮状主体一体成型且从保护齿轮的表面突出的凸块。

优选地，汽轮机超速保护系统还包括用于驱动转轴的电动机。

优选地，电动机通过齿轮箱向转轴输出动力。

优选地，汽轮机超速保护系统还包括设置成筒状的套管的连接部，上述连接部与保护齿轮一体成型，连接部设有用于在保护齿轮轴向移动时与上述操作杆进行配合的连接孔。

优选地，汽轮机超速保护系统还包括设置于连接部上的用于检测保护齿轮的轴向移动的位置开关。

优选地，汽轮机超速保护系统还包括能够使保护齿轮复位的复位装置。

优选地，临界转速为汽轮机安全工作时转子的最大转速。

优选地，驱动齿轮通过在转子的外周上设置齿而形成。

优选地，汽轮机超速保护系统包括保护装置，该保护装置包括保护撑钩，操作杆产生轴向位移时拉动保护撑钩使其脱扣。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种包括上述的汽轮机超速保护系统的汽轮机。

通过设置驱动齿轮和保护齿轮，且将保护齿轮设置成能够在驱动齿轮的转速大于临界转速时与驱动齿轮啮合，能够依靠驱动齿轮的周向旋转使保护齿轮产生沿转轴向左侧的轴向位移，进而带动操作杆触发保护动作。本申请的技术方案通过保护齿轮的轴向移动触发保护动作，这与传统的依靠离心力变化的超速保护系统存在本质差别，且具备更高的可靠性。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一种实施方式的汽轮机超速保护系统的结构示意图；

图2是本发明实施方式的汽轮机超速保护系统的保护齿轮相对于驱动齿轮保持空转状态的示意图；

图3是图2的保护齿轮与驱动齿轮啮合实现动作状态的示意图。

附图标记说明：

10 汽轮机转子 100 驱动齿轮

200 保护齿轮 201 转轴

202 操作杆 203 连接部

204 限位部 205 电动机

206 齿轮箱 207 位置开关

210 正常齿 220 活动齿

220a 第一端 220b 第二端

230 位置定位轴 300 保护装置

301 保护撑钩 2031 连接孔

I 空转位置 II 动作位置

a 转轴第一位置； b 转轴第二位置

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明的汽轮机超速保护系统包括：驱动齿轮100、保护齿轮200、转轴201以及操作杆202。驱动齿轮100设置为与汽轮机的转子10的转速相匹配。转轴201平行于驱动齿轮100的轴线并能够以临界转速转动。保护齿轮200设置于转轴201上并与转轴201形成丝杠螺母机构，保护齿轮200还设置成能够在驱动齿轮100的转速大于临界转速时与驱动齿轮100啮合。操作杆202能与保护齿轮200连接。其中，当驱动齿轮100与保护齿轮200啮合时，保护齿轮200能够沿转轴201的轴向移动，从而带动操作杆202移动并产生启动防止汽轮机超速的保护装置300的动作。

为了准确地启动保护装置300，保护齿轮200设置成棘轮结构。当驱动齿轮100的转速小于临界转速时，保护齿轮200相对于驱动齿轮100做旋转运动，保护齿轮200上的齿与驱动齿轮100轻轻接触，处于空转状态。当驱动齿轮100的转速大于临界转速时，驱动齿轮100与保护齿轮200啮合，保护齿轮200承受驱动齿轮100的旋转扭矩后沿着转轴201的轴向向左移动，进而拉动操作杆202，使汽轮机保护装置300脱扣。

进一步地，保护齿轮200与转轴201之间设置成类似螺丝和螺帽的关系。具体地，如图1所示，在转轴201上转轴第一位置a与转轴第二位置b之间设有第一螺纹结构，在保护齿轮200与转轴201的配合面上设有能与第一螺纹结构相匹配的第二螺纹结构。由此，当保护齿轮200承受驱动齿轮100传递的扭矩时，保护齿轮200可以沿着转轴201，从转轴第二位置b朝向转轴第一位置a方向移动。

为了使保护齿轮200动作时与驱动齿轮100能够精确地啮合，如图2和图3所示，保护齿轮200设置成包括轮状主体，和设置在轮状主体的外缘上的多个活动齿220。活动齿220设置为能沿保护齿轮200的周向做一定幅度的单向摆动，以使保护齿轮200保持在空转位置I或动作位置II。具体地，保护齿轮200的活动齿220与驱动齿轮100之间，设置成可以随着两个齿轮之间的相对转速的大小而与驱动齿轮100轻轻接触或啮合。

在汽轮机工作过程中，保护齿轮200一直维持在临界转速旋转。当驱动齿轮100的转速小于临界转速时，保护齿轮200相对于驱动齿轮100做旋转运动，活动齿220与驱动齿轮100之间轻轻接触，保护齿轮200处于空转位置I。当驱动齿轮100的转速，即汽轮机的转速大于临界转速时，驱动齿轮100相对于保护齿轮200转动，活动齿220与驱动齿轮100之间啮合，驱动齿轮100向保护齿轮200传递扭矩，保护齿轮200处于动作位置II。

为了确保保护齿轮200在动作位置II时的稳定性，以更好地承受扭矩沿转轴201移动，在保护齿轮200上设置有限位部204，活动齿220通过位置定位轴230活动连接在保护齿轮200上。活动齿220包括能够延伸至驱动齿轮100的两个相邻的齿之间的第一端220a和用于与限位部204配合以使活动齿220保持在动作位置II的第二端220b。优选地，限位部204为与保护齿轮200的轮状主体一体成型且从轮状主体的表面突出的凸块。由此，在活动齿220第二端部220b与限位部204作用时，活动齿220恢复到正常齿210状态，使驱动齿轮100与保护齿轮200啮合。进一步地，当第二端220b承受驱动齿轮100的扭矩时，由于活动齿220的第一端220a受到限位部204的限制作用，活动齿220将不会以位置定位轴230为原点转动。当活动齿220不相对于位置定位轴230转动，而保持在固定位置时，活动齿220相当于一个加长了的固定齿。活动齿220承受驱动齿轮100的扭矩，传递给保护齿轮200使保护齿轮200工作。

需要说明的是，在汽轮机工作过程中，保护齿轮200一直维持在临界转速旋转。汽轮机的转速即为汽轮机转子10的转速，汽轮机转子10的转速与驱动齿轮100的转速相同。驱动齿轮100通过在所述汽轮机转子10的外周上设置齿而形成，或驱动齿轮100为单独设置的与汽轮机转子10同轴的齿轮。

为了使保护齿轮200在汽轮机工作过程中，一直维持在临界转速旋转，保护系统还包括驱动转轴201的电动机205。进一步地，电动机205通过齿轮箱206向所述转轴201输出动力，以提供转轴201的临界转速。

此外，汽轮机超速保护系统还包括设置成筒状的套管的连接部203。连接部203与保护齿轮200一体成型，连接部203设有用于在保护齿轮200轴向移动时与操作杆202进行配合的连接孔2031。在这种情况下，如图1所示，当保护齿轮200处于空转状态时，操作杆202与连接部203之间未进行连接，操作杆202处于静止状态。当上述的保护齿轮200处于动作状态时，由于保护齿轮200沿转轴201向左移动，操作杆202的端部与连接孔2031之间配合，操作杆202被带动。

为了提示运行人员汽轮机停止转动的原因为超速，而不是其他的故障，在本发明的一个具体的实施方式中，汽轮机超速保护系统还包括设置于连接部203上的用于检测保护齿轮200的轴向移动的位置开关207。当保护齿轮200沿转轴201轴向移动时，保护齿轮200将带动连接部203一起移动，此时，位置开关207接点变化，位置开关207与汽轮机的控制系统配合，提示运行人员汽轮机是因为该套机械超速保护动作而停运。

为了确保保护齿轮200在重新开机后再次正常工作，汽轮机超速保护系统还包括能够使保护齿轮200复位的复位装置。

在本发明中，临界转速为汽轮机安全工作时转子的最大转速。优选地，临界转速为3300rpm。

如图1所示，汽轮机超速保护系统包括保护装置300，保护装置300包括保护撑钩301，操作杆202与保护撑钩301能够在操作杆202产生动作时连接或脱开连接。由于保护装置300的结构为现有的机械结构，在这里将不再对保护装置300的具体结构展开说明。

本发明还提供了一种包括上述的汽轮机超速保护系统的汽轮机。

综上所述，在本发明的一个实施方式中，通过在汽轮机转子10的端部，加工出一定形状的齿轮作为驱动齿轮100。在驱动齿轮100周围与汽轮机转子10的轴向平行位置，布置一个保护齿轮200。保护齿轮200设置成能够维持以临界转速，例如，3300rpm的转速旋转，且保护齿轮200设置成与棘轮存在一样的功能。当汽轮机的转速大于临界转速时，驱动齿轮100与保护齿轮200精确啮合。保护齿轮200与自身驱动轴(转轴201)之间通过螺纹配合，通过保护齿轮200承受的扭矩可以使保护齿轮200沿着驱动轴自由轴向旋转，类似螺丝和螺帽的关系。当保护齿轮200位移到一定程度后，可以拉动连杆(操作杆202)，使汽轮机保护装置300的撑钩301脱扣，机械滑阀从关闭位置变为打开位置，控制油系统压力失去，汽轮机停运。

本发明的超速保护系统，无需设置弹簧部件及在线试验，提高了该保护系统运行的可靠性。另外，本发明还可以通过以下方式实现，即，将保护齿轮200制造成套筒形状与驱动齿轮100进行套装，在保护齿轮200内侧设置活动齿220，同样可实现保护功能。在这种情况下，活动齿220绕驱动齿轮100空转所产生的微小激振力更为均匀地分布在汽轮机轴系上。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。