一种以水压作动力水为工作介质的水轮机转速调控器的制作方法

本发明属于中小型水轮机转速控制技术领域，尤其涉及以水压作动力水为工作介质的水轮机转速调控器。

背景技术：

在中小型水轮机的运转中，为了控制水轮机的转速，使用一种称为水轮机调速器的设备系统对水轮机的输出轴转速进行调整控制。例如当水轮机拖动发电机运转时必须要保证发电机的输出频率为一定值，中国为50hz。当发电负荷变大，水轮机的转速就会下降，此时水轮机调速器将按控制系统发出的指令将水轮机控水导叶或喷针喷水口开度加大增加作功水的流量，使水轮机带动发电机的转速（频率）增加并维持在所要求的转速和频率值上。反之，当发电机负荷变小，水轮机的转速就会上升，此时水轮机调速器就会按控制系统发出的指令将水轮机控水导叶或喷针喷水口开度减小以减小作功水的流量，使水轮机带动的发电机的转速（频率）降低并维持在所要求的转速和频率值上。这就是水轮机调速器的工作过程。

水轮机调速器已发明一百多年了，到今天已实现微电脑（plcpid）数字化调控。而其调控的调速器随动系统目前最好的方式就是高油压（系统压力16mpa）液压随动系统。

图1为目前普遍大量使用的典型液压随动系统液压原理图。由图中我们可以观察到水轮机调速器的液压随动系统由液压动力系统、蓄能系统、液压控制回路系统组成。

液压动力系统是调速器随动系统动作的能量提供系统，它主要由电动机、电动机带动的高压油泵、滤清器、以及安全溢流阀构成，工作介质为液压油。

蓄能系统，水轮机调速器的液压系统工作特点决定了必须在系统中使用囊式储能罐这一设备，而且在调速器液压随动系统工作时系统的高压油源基本是由储能器所蓄能量提供的。而前面提及的液压动力系统只起到维持囊式储能器的压力稳定的作用，一般是保持在12-16mpa之间。图1中所示压力表就是为了将储能器电压力信号输出给控制系统。

液压控制回路系统是该随动系统的指令接受与输出部分。当接到电控系统发来的增大或减小导叶或喷咀的开度指令后，即控制主电磁换向阀动作切换系统中的高压油流向，从而使油缸作出增加或减小导叶或喷咀开度的动作。其主要器件是由电磁换向阀、导叶开闭作动器油缸、液压锁，以及单向调速阀组成。

该水轮机调速器液压随动系统存在着系统器件使用较多，采用高油压系统极易产生泄漏，系统的安全性存在隐患，比如当发生蓄能罐内置压力胶囊损坏、压力阀门失效、特别是蓄能器内预压氮气发生泄漏，调速器就无法实现自动紧急关闭水轮机。这类调速器全部使用精密度较高的阀类泵类，对环境条件要求较高。同时，由于中小型水轮机绝大多数都安装在山区水位落差较大地区，交通运输很不方便，一旦出现故障维修人员很难及时抵达现场维修或更换器件。

对这类小型水轮机的调速器虽然可通过微电脑数字控制实现了全自动并网运行，但是其造价也是很高的。由于这类调速器以液压油作为工作介质而且用量较大，为保证水轮发电机的正常运转，需要定期（一般不能超过两年）更换液压油，而这笔费用也是一笔不小负担。

技术实现要素：

为了解决传统液压随动系统在控制水轮机转速过程中存在的易发生事故、维修困难、成本较高的缺陷，本发明提供以水压作动力水为工作介质的水轮机转速调控器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种以水压作动力水为工作介质的水轮机转速调控器，包括水能滚膜缸、电磁水控换向阀、以及控制电磁水控换向阀管路换向和通断的控制器，所述水能滚膜缸通过电磁水控换向阀在连接水轮机上下游之间的输水管线的低端取水，利用水力发电站上游与下游之间形成的水压差及水流量为动力源对水轮机的导叶开度或喷咀开度进行调控从而改变水轮机组的转速，所述电磁水控换向阀控制水能滚膜缸活塞杆的运动方向，所述水能滚膜缸的活塞杆上设有齿条，齿条啮合有齿轮，齿轮的轴与摇臂转动轴连接，摇臂另一端与喷针或导叶开度控制机构连接。

进一步，所述水能滚膜缸内设有滚膜a和滚膜b，滚膜a与滚膜缸左端形成腔体a，滚膜b与滚膜缸左端形成腔体b，腔体a和腔体b分别通过设置在滚膜缸上的进排水口与电磁水控换向阀的a、b通道相连通，滚膜a和滚膜b之间设有活塞杆。

进一步，所述水能滚膜缸与电磁水控换向阀之间连接有单向节流调速阀，以对活塞杆运动速度进行调节。

本发明是利用水轮机的同一工作介质——水作为调速器的工作介质，并且利用水轮机的同一上游水源天然存在的水压力及水流量作为本发明调速器随动系统的能量提供源。

本发明涉及的水压动力调速器随动系统的工作原理是利用水轮机上游与下游水轮机安装位置的高度差所形成的水的压强与流量中的极小一部分水流量所形成的势能能量来驱动调速器水能滚膜缸来对喷咀／导叶对开度大小进行调整，从而对水轮机的转速进行控制。

本发明与高油压液压随动系统相比较：

1、本发明取消了电机、泵及安全卸荷阀，使系统结构更加简单，降低了成本。本发明的调速器工作能量是由水库上游高水位所形成的水的势能提供的。

2、本发明是将上游水库作为调速器随动系统中的蓄能器，从而又取消了蓄能器系统，使系统结构更加简单，降低了成本。

3、本发明仅保留了原调速器高油压液压随动系统中的导叶（或喷咀）开闭控制机构等基本设计。

4、本发明中所使用的电磁水控换向阀为专门为水动控制设备制造的带有滚动胶膜的电磁换向阀。

5、本发明中所使用的导叶（或喷咀）启闭控制水动缸为专门为水动设备制造的带有滚动胶膜的水能滚膜缸。

6、本发明的系统压力在4mpa左右，相对于系统压力16mpa为液压随动系统更安全。

7、本发明的工作介质是水，从而避免了使用液压油所可能带来的对水源的油污染。

附图说明

图1为典型液压随动系统液压原理图。

图2为本发明的系统原理图。

图3a、图3b为本发明中涉及的水能滚膜缸的结构示意图。

图中：20、电磁水控换向阀，21、单向节流调速阀，22、上游与下游之间的输水管线，23、取压点，24、压力仪表，25、手动水，26、水轮机，27、喷咀，28、喷针，29、摇臂，30、水能滚膜缸，31、齿轮，32、齿轮轴，33齿条，34、大坝，100、三相电机，101、高压油泵，102、纸芯高压滤油器，103、70自过滤铜网滤器，104、主路单向阀，105、溢流阀，106、压力表开关，107、卸荷手动球阀，108、压力表，109、蓄能罐，110、手动截通球阀，111、三位四通电磁阀，112液控液压锁，113双板式单向节流阀，114手动电磁两位四通阀，115单向阀，116单向阀，300、滚膜a，301、滚膜b，302、腔体a，303、腔体b，304、活塞杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明针对水轮机调速器液压随动系统的工作方式提出一项利用水压原理和动力的新的随动系统，如图2所示的实施例中，包括水能滚膜缸30、电磁水控换向阀20、以及控制电磁水控换向阀20管路换向和通断的控制器。所述水能滚膜缸30通过电磁水控换向阀20在连接水轮机26上下游之间的输水管线22上取水，例如在水管的低端取水。其中控制器可为plc控制器，电连接电磁水控换向阀20，控制电磁水控换向阀20的p、a、b、t口通路的换向和通断，实现水能滚膜缸30活塞的运动。所述电磁水控换向阀20控制水能滚膜缸30活塞杆的运动方向，水能滚膜缸30的活塞杆上设有齿条33，齿条33啮合有齿轮31，齿轮31的轴32与摇臂29转动轴连接（可通过键连接），摇臂29另一端与喷针或导叶开度控制机构连接。

可以在上下游之间的输水管线22任意位置设置取压点23，只要水量所形成的势能能量能驱动调速器水能滚膜缸30即可。例如取压点23可以设置在压力仪表24所在位置。电磁水控换向阀20与取压点2之间的输水管线上设有手动水阀25。

如图3a，图3b所示水能滚膜缸30内设有滚膜a300和滚膜b301，滚膜a300与滚膜缸一端（图中为左端）形成腔体a302，滚膜b301与滚膜缸另一端（图中为右端）形成腔体b303，腔体a302和腔体b303分别通过设置在滚膜缸上的进排水口与电磁水控换向阀的a、b通道相连通，滚膜a300和滚膜b301之间设有活塞杆304。图3a中，水从滚膜缸右侧进入，左侧排出，推动活塞杆304向左运动，活塞杆304带动齿条33向左运动，齿轮31顺时针转动，摇臂29顺时针摆动，推动图2中的喷针28向右移动，减小喷咀27的开度，使水流量减小，从而降低水轮机26的转速。同理，在图3b中水从滚膜缸左侧进入，右侧排出，推动活塞杆304向右运动，活塞杆304带动齿条33向右运动，齿轮31逆时针转动，摇臂29逆时针摆动，推动图2中的喷针28向左移动，增大喷咀27的开度，使水流量增加，从而提高水轮机26的转速。本实施例的摇臂29也可连接到导叶开度控制机构，控制导叶的方式同控制喷咀开度方式一样。

水能滚膜缸30的动作控制是由电磁水控换向阀20来实现，电磁阀的动作由plc控制器控制。水能滚膜缸活塞杆304的运动速度调节是由水能滚膜缸30与电磁水控阀20之间的单向节流调速阀21人工调定的。

在水轮机的使用中上游水源相较于水轮机所在位置必须有一定的落差，水轮机才能利用这水的落差所具有的势能转化为水轮机的旋转能从而带动水轮机发电。而中小型水轮机的水头一般都很高，从30米到300米都有，但也有一类水轮机即贯（经）流式水轮机的水头较小，本发明不太适用。其他如混流式、冲击式中小水轮机都可根据其所具有的一定水头高度利用本发明设计相应的水轮机调速系统水动力随动系统。