汽輪給水泵速關(guān)閥關(guān)閉特性研究

孫長(zhǎng)江，蔡佐君

（1.海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，大連 116005；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

汽輪給水泵速關(guān)閥關(guān)閉特性研究

孫長(zhǎng)江1，蔡佐君2

（1.海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，大連 116005；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

對(duì)汽輪給水泵速關(guān)閥的關(guān)閉特性進(jìn)行理論建模和仿真計(jì)算研究，獲得了工作水背壓、阻尼系數(shù)及非線性因素對(duì)速關(guān)時(shí)間的影響。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)避免工作水背壓的提高。

汽輪給水泵；速關(guān)閥；關(guān)閉特性；仿真

0 引言

速關(guān)閥也叫主汽門(mén)，是汽輪機(jī)設(shè)備中的關(guān)鍵部套，是保護(hù)系統(tǒng)的執(zhí)行元件[1]。當(dāng)機(jī)組發(fā)生異常時(shí)，汽輪機(jī)的保護(hù)裝置動(dòng)作后，主汽門(mén)迅速關(guān)閉，切斷汽輪機(jī)的進(jìn)汽使機(jī)組停機(jī)[2]。速關(guān)閥要求有足夠大的關(guān)閉力和快速性[3]，速關(guān)時(shí)間是速關(guān)閥性能的重要考核指標(biāo)。某型汽輪給水泵采用的速關(guān)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由閥頭、濾網(wǎng)、閥桿、預(yù)緊彈簧和動(dòng)力活塞組成，圖2是動(dòng)力活塞的示意圖。速關(guān)閥的液體工作介質(zhì)是過(guò)濾精度較高的水，應(yīng)用于汽輪給水泵中具有抗燃、簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)[4]。

汽輪機(jī)開(kāi)啟時(shí)，動(dòng)力活塞左側(cè)腔室A充入高壓工作水，克服預(yù)緊彈簧力將速關(guān)閥打開(kāi)。當(dāng)汽輪機(jī)需要關(guān)閉時(shí)，動(dòng)力活塞左側(cè)腔室高壓工作水接通一定的背壓泄放，閥桿在預(yù)緊彈簧力的作用下快速關(guān)閉速關(guān)閥。

在實(shí)船使用中，曾經(jīng)發(fā)生工作水背壓過(guò)高時(shí)，速關(guān)閥關(guān)閉異常緩慢的故障。為了解和掌握影響速關(guān)閥關(guān)閉速度的影響因素，本文對(duì)該型汽輪給水泵速關(guān)閥關(guān)閉特性進(jìn)行理論建模，并用MATLAB軟件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算，獲得了速關(guān)閥關(guān)閉特性的不同影響因素。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)速關(guān)閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，速關(guān)閥關(guān)閉是通過(guò)開(kāi)啟動(dòng)力活塞左側(cè)A腔室與工作水背壓的通路，使得A腔室泄壓，從而在預(yù)緊彈簧的作用下快速關(guān)閉閥門(mén)。根據(jù)速關(guān)閥的受力特點(diǎn)，可以建立下面的力學(xué)方程：

圖1 速關(guān)閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 動(dòng)力活塞示意圖

這是一個(gè)二階常微分方程。其中，K是預(yù)緊彈簧的剛度；x0是速關(guān)閥處于全開(kāi)狀態(tài)時(shí)的預(yù)緊彈簧壓縮量；x是閥桿位移；C是摩擦阻力系數(shù)；p是動(dòng)力活塞左腔室的瞬時(shí)工作水壓力；M是速關(guān)閥運(yùn)動(dòng)件的總等效質(zhì)量；A是動(dòng)力活塞作用面積。由上式可見(jiàn)，工作水壓力p的函數(shù)關(guān)系未知時(shí)，無(wú)法對(duì)式（1）的微分方程進(jìn)行求解。為了從方程中消去工作水壓力p，需要利用動(dòng)力活塞移動(dòng)時(shí)左腔室容積改變所滿(mǎn)足的連續(xù)方程，即活塞單位時(shí)間移動(dòng)過(guò)的容積量等于工作水從腔室中流出的流量，從而有下面的方程成立：

式中，μ是流量系數(shù)，S是泄壓管路通流面積，pb是工作水背壓，ρ是工作水的密度。式（2）代入（1）式，經(jīng)過(guò)整理后有：

該方程是非線性常微分方程，難以獲得解析解，但可以對(duì)其做一些定性的理解。上式右側(cè)的即為促使速關(guān)閥關(guān)閉的驅(qū)動(dòng)力，該值越大，關(guān)閉時(shí)間必定越快。為了進(jìn)一步考察影響速關(guān)閥關(guān)閉的因素，對(duì)方程（3）做無(wú)量綱化處理，位移參考值采用速關(guān)閥的行程L，時(shí)間量綱參考值采用系統(tǒng)的固有頻率倒數(shù)，即有下式成立：

式（4）代入（3）式后，整理可得：

2 仿真及分析

2.1 工作水背壓的影響

式（5）是非線性常微分方程，難以獲得解析解，本文通過(guò)MATLAB計(jì)算軟件進(jìn)行仿真求解。工作水背壓取為0.05MPa，由速關(guān)閥實(shí)際的結(jié)構(gòu)尺寸和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以獲得a、b、d相應(yīng)的值為126.5、81和1.814，其中b值為81，表明為大阻尼運(yùn)動(dòng)，因此不會(huì)發(fā)生振蕩現(xiàn)象，這是設(shè)計(jì)上必須保證的。以速關(guān)閥開(kāi)始關(guān)閉計(jì)算，初始條件為：

圖3所示是速關(guān)閥在0.05MPa工作水背壓下的關(guān)閉特性曲線，圖中橫坐標(biāo)為無(wú)量綱時(shí)間τ=tω，縱坐標(biāo)為無(wú)量綱位移u=x0/L。當(dāng)無(wú)量綱位移達(dá)到 1.0時(shí)表示速關(guān)閥走完全行程，處于關(guān)閉狀態(tài)。由圖中曲線可知，此時(shí)無(wú)量綱時(shí)間大約為66，折算成時(shí)間為0.7s。

圖4所示是不同工作水背壓下的速關(guān)閥關(guān)閉曲線比較，工作水背壓分別取為0.05MPa、0.1MPa、0.2MPa。由圖可見(jiàn)，隨著工作水背壓的提高，速關(guān)閥的關(guān)閉驅(qū)動(dòng)力降低，速關(guān)閥關(guān)閉時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)。工作水背壓為0.1MPa和0.2MPa時(shí)，無(wú)量綱時(shí)間分別為76、110，速關(guān)閥關(guān)閉時(shí)間分別是0.05MPa工作水背壓的1.15和1.67倍。速關(guān)閥關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)，是不利于機(jī)組安全性的，實(shí)船使用中曾因?yàn)楣ぷ魉硥赫{(diào)整不合理導(dǎo)致機(jī)組速關(guān)時(shí)間延長(zhǎng)，因此必須嚴(yán)格控制工作水背壓，避免工作水背壓的明顯提高。

圖3 pb=0.05MPa速關(guān)閥關(guān)閉曲線

圖4 不同pb工作水背壓下關(guān)閉曲線對(duì)比

2.2 阻尼系數(shù)的影響

由式（5）可見(jiàn)，b值即為該方程的阻尼系數(shù)，該值的增加，必然會(huì)影響速關(guān)閥的關(guān)閉時(shí)間，圖5所示是不同阻尼系數(shù)b下的速關(guān)曲線對(duì)比，在b=81的基礎(chǔ)上分別增大和減小20%b值后獲得另外兩條曲線。速關(guān)時(shí)間的變化與理解是一致的，b值的增加使得運(yùn)動(dòng)減慢，因此速關(guān)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)。

圖5 不同阻力系數(shù)速關(guān)曲線對(duì)比

2.3 非線性項(xiàng)的影響

由方程（5）的結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，非線性項(xiàng)的增加也是阻礙速關(guān)閥關(guān)閉的，因此可以預(yù)料到，a值的增加必然會(huì)導(dǎo)致速關(guān)時(shí)間延長(zhǎng)。圖6所示是非線性項(xiàng)系數(shù)a值在126.5的基礎(chǔ)上分別增大20%、減小20%后的關(guān)系曲線對(duì)比，同時(shí)圖中還給出了完全略去非線性項(xiàng)時(shí)的速關(guān)曲線，即a=0和a取為450較大值時(shí)的速關(guān)曲線。由圖可見(jiàn)，a值在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)速關(guān)曲線影響很小，a值達(dá)到450時(shí)速關(guān)曲線才會(huì)有明顯的改變。實(shí)際處理中完全可以將式（5）簡(jiǎn)化為線性方程處理，即在方程中略去非線性項(xiàng)。

圖6 非線性項(xiàng)的影響

3 結(jié)論

本文對(duì)某型汽輪給水泵速關(guān)閥關(guān)閉特性進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算，對(duì)比了不同因素對(duì)速關(guān)閥速關(guān)特性的影響。主要結(jié)論如下：1）工作水背壓對(duì)速關(guān)閥速關(guān)時(shí)間影響較大，實(shí)際使用中需要保證背壓值不能明顯提高，以免影響機(jī)組的速關(guān)時(shí)間；2）阻尼系數(shù)對(duì)速關(guān)時(shí)間也有較大影響，隨著阻尼系數(shù)的增加，速關(guān)時(shí)間延長(zhǎng)；3）非線性項(xiàng)對(duì)速關(guān)時(shí)間影響較小，在一般的實(shí)際使用中，可以將動(dòng)態(tài)方程簡(jiǎn)化處理成線性方程，只有在a值較大時(shí)，才會(huì)對(duì)速關(guān)時(shí)間產(chǎn)生明顯的影響。

[1]黃保海,白玉,牛衛(wèi)東.汽輪機(jī)原理與構(gòu)造[M].北京:中國(guó)電力出版社,2002.

[2]王國(guó)清,等.汽輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行技術(shù)問(wèn)答[M].北京:中國(guó)電力出版社,2004.

[3]哈爾濱汽輪機(jī)廠.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[M].北京:水利電力出版社,1980.

[4]B.H.維列爾.汽輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)[M].北京:電力工業(yè)出版社,1980.

Research on Shut-down Characteristics of Quick Closing Valve of Feed Pump Turbine

SUN Chang-jiang1，CAI Zuo-jun2
(1.Naval Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.,Dalian 116005,China; 2.No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China)

The shut-down characteristics of quick closing valve of feed pump turbine are studied by the theoretical model and simulation.The influences of working water back pressure,damping coefficients and nonlinear factor on quick closing time are obtained.The back pressure of working water should not be increased in actual application.

feed pump turbine; quick closing valve; shut-down characteristics; simulation

TK264.9

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.009

孫長(zhǎng)江（1976-），男，碩士研究生，工程師，從事輪機(jī)專(zhuān)業(yè)相關(guān)工作。