汽輪燃油泵工況調節器試驗

黃莉榕

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

某型汽輪燃油泵機組為鍋爐提供燃燒所用的燃油，在該系統中，要求汽輪燃油泵工況調節器在鍋爐噴油嘴脈沖信號燃油壓力為0.30～0.35 MPa時實現機組的工況切換，即從低工況切換到高工況，以滿足鍋爐負荷增加的需要。針對系統提出的指標要求，前期針對調節系統工況調節器進行了結構原理和特性分析計算研究[1]。為了進一步考核工況調節器的裝機使用效果，需要進行機組動態運行時，工況調節器的試驗研究，以掌握工況調節器的使用性能。圖1為工況調節器的結構組成圖，P為左頂桿與螺旋體距離，N為螺旋體與螺紋套筒距離，M為右頂桿與螺紋套筒端的距離，右側為信號燃油從鍋爐噴油嘴流出，通過信號燃油壓力來推動滑閥向左移動。滑閥向左移動可以增大機組調節油的通流面積，從而降低機組的調節油壓，進而改變機組的運行工況。為了避免燃油與機組調節油串流，工況調節器采用了波紋管進行密封[2]。

圖1 工況調節器結構組成圖

1 試驗臺信號油壓模擬

為模擬系統鍋爐的脈沖信號燃油壓力作用，試驗臺搭建了信號油發生裝置。圖2為汽輪燃油泵工況調節器的信號油供給原理圖。信號油泵提供脈沖信號油壓（試驗中可以采用潤滑油替代），通過信號油泵閥門可以旁通一部分油回到油箱；通過改變信號油泵閥門開度，可以改變信號油壓力，使之在0～1MPa范圍內變化，旁通閥調低時，信號油壓升高，從而使機組工況升高；當關閉信號泵時，信號油可以迅速通過旁通閥回到油箱從而泄壓到0，使機組回到低工況狀態。

圖2 工況調節器結構組成圖

圖3為工況調節器配機安裝時接信號油管路的實物安裝圖。圖3中，壓力表用于機旁觀察信號油壓力。通過工況調節器的配機運行試驗，需要確定：在信號油壓給定為0.30～0.35MPa時，機組應該從第Ⅲ工況自動切換到第Ⅱ工況；而機組從第Ⅱ工況切換到第Ⅰ工況是通過調節螺桿泵出口閥門開度來實現的。

圖3 工況調節器信號油壓接管實物圖

2 工況調節器的整定

2.1 上、下限工況下工況調節器的整定

實際使用過程中，工況調節器并不能很好地與規定的脈沖信號油壓匹配，可能會出現信號油壓增加到規定值時，機組還未增加到額定工況；或者，信號油壓增加到規定值時，機組工況過高，甚至可能發生超速危險。因此，為了使工況調節器按規定的信號油壓實現自動切換功能，需要在機組穩定運行時，對工況調節器進行整定，使得機組的上限工況和下限工況與脈沖信號油壓匹配。此處將機組的第Ⅱ工況稱為上限工況，第Ⅲ工況稱為下限工況。在進行工況調節器自動工況切換試驗整定之前，需要先將工況調節器手動上下限工況調整到位。工況調節器手動調整上下限的方法如下：

1）機組穩定運行時，可通過旋轉工況調節器手輪，移動工況調節器滑閥位置，從而調整通過蒸汽調節閥的脈沖油壓，調整機組轉速和工況。改變右頂桿的M值，將機組的工況整定至下限工況，如圖1所示。如前所述，滑閥左移時工況增加，反之則工況降低。因此，M值減小會使滑閥右移，機組工況升高；反之，工況降低。

2）旋轉工況調節器手輪，可以推動滑閥左移，增大機組轉速及工況，通過調整左側頂桿的P值可以限制機組的上限工況。機組工況尚未整定至上限工況時，可進一步通過改變左頂桿的P值來調整機組工況。如圖1所示，P值增大，機組的工況升高；反之，則機組的上限工況更低。

3）通過對M值和P值的恰當調整，將機組的上、下限工況整定到符合機組設計的上下限工況參數范圍內。

2.2 工況調節器自動切換功能的整定

為了對工況調節器自動切換功能進行驗證，需要對工況調節器進行自動切換功能的整定。機組穩定運行在下限工況，同時開啟信號油泵，通過調節信號油泵的旁通閥，緩慢升高信號油壓。第一次試驗表明：當信號油壓達到0.6MPa時，機組可以達到上限工況。系統要求信號油壓范圍為0.30～0.35MPa，因此必須對工況調節器進行整定，使之符合使用要求。

前期理論分析[1]表明：可以通過改變螺旋體的N值和波紋管頂桿的伸出長度來對特性線進行調整（見圖1）。特性線如圖4所示：ΔXs表示下限工況時滑閥相對上限工況所移動的位移量；Ps為符合要求的信號油壓值。當工況調節器的彈簧和波紋管一定時，特性線的斜率保持不變，通過調整只能改變特性線的截距。

圖4 工況調節器特性線示意圖

前期的理論分析[1]表明，特性線方程為

式中：P0為下限工況時的信號油壓。

從前期工廠部套裝配后工況調節器新研波紋管的靜態試驗研究中可知，工況調節器特性線的擬合方程為

實際使用時，由于出廠試驗調整等因素的影響，特性線方程的截距可能會發生變化，但特性線的斜率基本不變。由彈簧調整值和波紋管調整值可知：彈簧調整值為波紋管調整值的4倍，因此通過調整工況調節器左端的螺旋體位移更有效，且因為波紋管頂桿在工況調節器殼體內部，調整時需要對工況調節器進行拆卸，較為不方便，而螺旋體的調整只需要旋開左端罩蓋即可進行調整，較為便利。

機組運行試驗表明：初次投入信號油壓時，需要0.60 MPa才能使得機組從下限工況切換到上限工況；下限工況開始發生變化時的信號油壓為0.31 MPa。由圖4特性線可知，下限工況信號油壓至多可調整到0，不可能為負值，且上、下限工況信號壓力變動呈線性關系。由試驗值可知，當下限工況信號油壓調整到0時，上限工況信號油壓最低可以調整到：

由此可見，信號油壓可以調整到系統的使用要求，P2＝0.29 MPa。由左端螺旋體的調整量計算公式可知，將上限工況信號油壓降低到0.33 MPa時（保證下限工況具有一定的預緊力，約為0.04 MPa，可以避免工況調節器滑閥隨調節油渦流的波動，從而降低機組調節油壓的波動[3]），需要旋出螺旋體的位移值為：

實際調整時，將左端螺旋體旋出位移值為4.2 mm；為了保持工況調節器上限工況不變，需要對左端頂桿再作調整。經試驗表明：調整后，從下限工況切換到上限工況所需的信號油壓大約為0.34 MPa。

3 試驗結果分析

工況調節器改進設計后，開展了信號油壓的自動切換驗證試驗，驗證機組從第Ⅲ工況到第Ⅱ工況，第Ⅱ工況到第Ⅰ工況，第Ⅰ工況再回到第Ⅰ工況進行切換，試驗共進行40個循環。

表1是從工況調節器自動切換功能試驗的40個循環中截取的一個循環的試驗結果。由表1可見：信號油壓力在規定的0.30～0.35 MPa，機組的相應工況也符合工況參數表中的規定。改進設計的工況調節器可以滿足動力系統的使用要求，達到了預期的設計目標。

表1 工況調節器自動切換試驗（1 個循環）

圖5為接通信號油壓后，機組從第Ⅲ工況切換到第Ⅱ工況時的汽輪機轉速和泵出口壓力的變化曲線圖。上側連續線表示轉速變化，下側點線表示泵出口壓力變化，左側縱坐標表示轉速（r/min），右側縱坐標表示泵的出口壓力（MPa）。

由圖5可知：當信號壓力接通時，轉速和泵出口壓力迅速升高，機組沒有發生明顯的波動和超調現象，機組運行十分穩定。圖5中，壓力曲線最后的下降段是由試驗人員對燃油泵出口閥門的開度進行調節所致；通過調節，使螺桿泵的出口壓力調整到2.2 MPa，模擬實船機組從第Ⅱ工況變化到第Ⅰ工況時的情形。

圖6為信號油壓切斷時，機組從第Ⅱ工況切換回第Ⅲ工況時轉速和壓力的變化曲線。

圖6中壓力變化曲線后段部分的上升是由試驗人員對燃油泵出口閥門的開度進行調整所致，使得泵出口壓力升高到1.5MPa左右，則使得機組恢復到第Ⅲ工況時的燃油泵出口閥門開度。

圖5 第Ⅲ工況切換到第Ⅱ工況時轉速壓力變化曲線圖

圖6 第Ⅱ工況切換到第Ⅲ工況時轉速壓力變化曲線圖

在工況調節器的自動切換試驗中，通過信號油壓的接通和切斷來調節機組工況時，機組運行表現穩定，沒有超調振蕩現象。試驗表明：工況調節器的研發設計滿足使用要求。

4 結論

本文在前期工況調節器理論分析和計算的基礎上，進行了工況調節器現場整定研究以及配機工況自動切換試驗，研究結果表明：

1）當信號油壓無法滿足使用條件時，可以通過調整工況調節器左端螺旋體的旋出量或波紋管頂桿的伸出量進行調整整定，且現場整定采用調整螺旋體旋出量的方法更為方便。

2）為滿足系統使用要求，新研發設計的工況調節器可以滿足信號油壓在0.30～0.35MPa時，能夠實現機組工況的自動切換。動態試驗記錄顯示：轉換過程十分平穩，機組運行可靠。