调节系统油动机的最佳尺寸设计

1、调节系统油动机的最佳尺寸设计卅獬?桃,疙交设寸调节系统油动机的最佳尺寸设计黄振鸣电站里蒸汽,水,油和压缩空气管道上所使用的阀门其开启方式有手动,气动,液动和电动,但作为控制汽轮机进汽的调节阀门,在当.夸世界各国滑轮机制造厂家都一律采用液动方式来开启,因为用液压油动机来开启调节阀门其最大优点在于开启和关闭二者换向十分迅速,且在事故情况下能在极短的时间内快速关闭,能做成较小尺寸但具有较大的操纵力,而且它的液压油源绝大多数汽轮机均由主轴带动的主油泵来提供,十分安全可靠,其压力可高迭1040公斤力/厘米左右(约l4MPa).油动机在汽轮机调节系统中是一个极为重要的部套,汽轮机的进汽量是由它控制的调节阀

2、门开度来决定.它的好坏对机蛆调节系统态和动辩特性都产生较大影响,虽然影响油动机工作性能的因素很多,除了设计上考虑周到外,另外它与加工制造精度,装配调试等都有关系,然而从设计角度来讲,在最紧凑的结构下能满足提升力要求,关闭时间短,调整方便和运行稳定,这就可以认为这个油动机设计是成功的.上海汽轮机厂制造汽轮机已有3O多年,在汽轮机调节系统中设计制造过许多种的油动机,但绝大多数是双侧进油的油动机,见图1,这些油动机在电厂实际运行中都能满足运行上的要求.但是经常发现油动机关闭时间的实际测量值比我们理论计算值大一倍左右,其原因何在?油动机结构是否按最佳尺寸设计,这些都是本文所要论述的重点.2',

3、7三一,理论分析在机组主油泵出口油压值一定时,油动机所具有的提升力大小和快关特性是决定油动机结构最佳尺寸的关键.1,油动机油流由图1得知:当错油门向上移动时,则压力油经错油门进油窗口流八油动机活塞上部,与此同时油动机活塞将向下移动,则活塞下部的油将从错油门回油窗口向外排油,因此根据液体连续性流动定理,当错油门向下移动时,经过错油门进油窗口流八油动机活塞下部的油流量为tQ-flJ一簪(P(i)'J而从油动机活塞上部经错油门回油窗口排出的油流量为Qt=a22J萼(Py±一P)(2).J式中l口1at一流量系数,一般取0.62O.72现设口=al=atf,fr一错油门动作时进排油面

4、积现设f=f1=ft厘米'Po一主油泵出口油压,应考虑:管道损失,因机组转速不变可视作P.,=常数.一油动机活塞下部油压公斤力/厘米P,一油动机活塞上部油压公斤力/厘米g一重力加速度厘米/秒一23讳妯R圈1.袖动机Y一油的重度.当油温变化不大时,Y可以视作常数克/厘米'另外在油动机活塞向上运动时,进人活塞下部的油量,可写成Q1=FIV(3)油动机燔塞向上运动时,活塞上部排出的油量,可写成Q2=F.V(4)式中F一油动机活塞下部有效而烈F,=.孚D.厘米F一油动机活塞上部有效面积F2=导(D.一d)厘米4D为油动机活塞直径厘米d为油动机活塞杆直径厘米V一油动机活塞的移动速度遁米/

5、秒2,油动机提升力,活塞运动蠢度和关闭时间油动机提升力(因为油动机活塞向上移动时是开阔门)Ry=FIPyIFiPy2公斤(5)由式(1)=(3)则得FlvfJ誓2g(po,一Py-)(6)式(2)=(4)捋7Pc)由<6)与(7)式又可得Py】,一Py2=乓锷+rc(7)(8)(9)将(8)(9)式代八(5)式得Ry=RycP0,一譬F一c(P.'+Pc)Ft整理后可得油动机油活塞移动速度v一(警)(10)而油动机的行程111可写成m=BL(11)式中B一调节连杆杠杆比L一调节汽门开度厘米同时油动机行程也可写成In=VT(12)式中T一油动机活塞走完工作行程111时所需的

6、时间秒由(i0)(12)式可得PoJFI-震PcF-Ry(I3)为了分析方便起见,在油动机活塞直径D比较大而活塞杆直径d又不太大的情况下.可以假定活塞有效面积F,=F:=F排油压力Pc:0则(1O)式可简化成v_aFfv/g(Po,一睾)(14)(13)式可写成T奉u5)J号(Po,一譬)由(14)式可知:当油动机活塞有效面积F逐渐增大时,V愈来愈小,将趋向零.当P,:时,则活塞移动速度v:o.由此可见,必然存在一个这样的F值,使油动机活塞移动速度为最大值.由(14)式可改写成V7卫一?y(16)设k刊:常数则V:Ky(17)为了求得最理想的活塞有效面积F下,活塞具有最大的运动速度Vmax,使

7、油动机关闭时间最小,只要将(I7)式V对F求一次导数使之等于零.PF33F0(PF.R,)=舌K二二VF0(18)令=o刚(1B)式经整理后得K(3FRy一2PoF.)=0所以F=i8Ry(19)Vm量8a皤Tmi一詈(2O)垦n峨lJ(21)又由(19)式知Ry=詈P0F,并把它代八(2O)(21)式则得V=警rJTmi(22)(23)由(22)(23)式知I在主油泵出口油压值一定时,油动机活一25塞的展大运功速度是与错池门窗而积f值大小成正比,而与油动机活塞有效面积F值:走小成反比.而曲动饥关闭时间是弓浊动机工作行程m和活塞确效面积F值大小成正比.与错油门商¨面积f篮大t,成反比

8、.因此在设计油动机尺寸时只要选囊者遗衄油动机l缸弪(Ijlj活塞直径)与镥油门直径就能满(22)(23)式的要求,有能使油动机的活塞运动速度最大,而关闭时间最小,见图2.V圈2,陆塞有赦面积F与运动速度V和关闭时间T的*承二,油动机的最佳尺寸确定汕动机的最佳尺寸确定宴际上是选择油动机油缸直径和错油门直径的合理匹配.1,油动机油缸的育效面积确定由图1可知:当错油门向上移动时进油管道中的压力损失PI=P0一PyI(24)排浊管道中的压力损失APt=PyzPc(25)而一般渡体通过截面扩太或缩小或弯道,控制窗口等处所引起的压力损失,可油26示为AP等公斤力/置米'(26)式中嗣部阻尼系数,它

9、与流过的截面形状有关V液体流速厘米/秒营道中总压力损失AP=AP1+P2=PD一Pyl+Pyl-PcAP=P0一(PylPy)一Pc(Z7)而Ry:F(PyIPy3)Pc=0所以(27)式可写成P=P.,一Ry(28)则APF=P一Ry由此可知,APF是使油动机活塞移动时所必须的富裕量.由(19)式知F=1.5p一(29)但为了使油动机活塞有较快的运动速度和考虑到调节阀门提升力计算时偏差,因此油动机的提升力必须有足够的富裕量.根据上海汽轮机厂实际设计经验,油动机的提升力倍数k=1.55,则(19)式可改写成nF=k1V¨max(3O)'o式中B一调节连杆杠杆比Rv.一调节阀门

10、最大提升力活塞直径D的确定,因为油动机活塞向上移动时是开启调节阀门,故油动机活塞直径D(31)2,锗油门直径计算错油门主要用来改变油流方向,以达到表动机活塞上移或下移快速换向的目的,因t,T此进油动机油缸的油和排出的油都要经过错油门,在设计错油门时要考虑由于油流作用所产生的反作用力和压力损失.根据一般汽轮机调节书籍介绍和试验台实际试验,如果错油门在进排油处有好的流道和足够的通流面积,则压力损失P可以控制在1.52公斤力/厘米(即0.150.2MPa)左右.上海汽轮机厂设计的油动机错油门有好几种,实际运行均较为良好,见图3.虢嚣.式申式申ba一平口b一矩移缺口;c一锯曲图3.错油九平口错油门f=

11、d口Y(32)d.错油门直径厘米y错油门位移(一般取l0毫米左右)矩形缺口错油门f=nbh+nd口Y1(33)n整个锴油f1直径圆周上的矩'形缺口数b缺口宽度h姥口高度Y一错油门位移与铙口高度之差值即Y1=Yh锯齿形错油门:d.7(34)式中与齿形数目大小有关的系数,且<1.坦上海汽轮机厂制造的机组,在油动机上用褥最多的是平口错油f1,所以把(32)式代八(1:,)式并经整理后得do=121FayTlJ珥(35)丽通过错油门窗口的油流量Qs=如7(36)为了减少油流的压力损失,应该使通过错油门窗口的流速V控制在v=<(1525)米,秒(37)nV如果V.太大

12、,可划错油门直径d.进行适当的侧整,使之尽可能满足(37)式的要求.但是为了减小错油门的尺寸使油动机结构紧凑,油流通过错油门窗口流速可以适当取得大一些.三,实例剖析根据上述理论推导分析,我们可以对过去所采用的调节系统油动机进行剖析,看其是否按最佳尺寸设计,错油门直径与油动机油缸直径匹配是否合理.现以l2.5万千瓦汽轮机调节系统的高压i出动机为例进行分析,以验证其是否按最佳尺寸设计.1,已知参数(I)机组主油泵出口高压浊P.:12公斤力/厘米(约1.1768MPa),但在考虑管道阻力损失后取P.,.10公斤力/厘米t(0.98067MPa)(2)调节阔门开启时的最大提升力为Rvm&amp

13、;=6396.3公斤(62726.3N)一27而调节连扦的杠杆比日=4,故折算到动机活塞秆上的力为Ry=.警99.o75q?(15681.575N)(8)错油门最大位移Y=lOiC米(4)汕动机行程131=130毫米2,油动机尺寸计算(1)油动机汕缸有效m1视由(29)式知F_1-5_1.5101599o075=239.86瓯必剐得油缸直径DJ=/一x丽=39_86=17,476堕米取油动机油缸直径D=175毫米昕以F=三D!×17.j:240.529厘米(2)错油门直径m(35)式得知错油门直径d.与油动机关¨叫间T有关,因为(1:F.qyTJ(P/一下Ry10×

14、;240.529(38)式计算司得下表数据现职T=0.2秒,错油门直径取d.=3.7厘米(8)油流量及流速05mF一13×240.529l0.2=15634.385厘米./9:O.938米./分一28一v:qs.d0Y156343.14I6×0.037×0.O1=53.8_米/秒(4)油动机活塞运动最大速度和最小关闭时间Vmax=/PlJ,o.7x.6x.xj.?.'×:65.4厦米/秒=0.64米/秒toRy嘶./.,3一I3!.!一_3.6_;.7小1.x10=0.1325秒实际上,上海汽轮机厂设计的双倒进油油动机油缸直径与错油门直径均匹配巳

15、基本上系列化,标准化和通用化,见下表.】直径直径f所采用机组的与(毫米)(毫米)I1501802O025030035B10135l245060A151,151,A152,15270A151,177,A152,15280ii0,115,126为了使12.5万千瓦汽轮机调节系统的高压油动机有足够的提升力倍数k以确保机组安全运行和通用化考虑,所以选用了油动机油缸直径D=250毫米和错油门直径d.:50毫米.由此可以求得油动机油缸有效面积F=寻Dz=善25z44:490.875厘米.由(3O)式可求得相应的提升力倍数k个一f3FPoRv.=6396=3.06g7.3一111FJ号c一)0.73.14l

16、6518-8.9811."1014599.9.807755)=0.2117秒T0.2I1730143.48厦米/秒=1.8087米/分:d0y3.1416×0.05×0.01=76.76米/移Vma一J:了_IJ,:×0.7×3.1416×5×l×1:07i'J1i9i8一1×10V388O×lO=88.4厘米/秒=0.88米/秒V=.I/一0.7×3.1416×5×1490.875'J981_(i0_k509.07_5)=61.4厘米/秒=0.61

17、米/秒旦×2O.73.111mRyJ6¨0x10四,结论从理论推导与实例剖析_口J以看出:1,按理论计算所设计的油动机,其关闭时间与电厂实际试验所测得的数值相差薮大,这主要是由于管道布置关系的影响,因此只有采取辅助措施,加快油动机动作,才能满足电力法规的要求:大功率机组主汽门及再热主汽门关闭时间在0.5秒以内,而调节汽门及再热节汽门电力法规虽没有具体规定,但却要求机纽在J全负荷后危急遮断器不动,乍,可是要满足这个动态甩负荷特性要求,根据我们在电厂实际试验列所杼的经验,只有带动这些阀门的汕动机的关闭剥间小于0.4O.59时才有_JJ能满足机组动态甩负荷性能;2,从宴能12.5万千瓦机纽的【1动机计算分析得知,按Vm1.x和Tmin设计所褂的油动机最佳尺寸为:油缸直径D=175毫米,错油门直径d.:37毫米,此时油动机关时问为0.2秒,错油门窗口流速高达53.8米/秒,因此可以适当增加错油门直径d.,提升力倍数k和关闭时间T以降低流速使其满足(37)式的要求.8,实际上12.5万千瓦机组采用的油动机,考虑到系列化,通用化,标准化要术,取其油缸直径D:250毫米.错油门直径d.:50毫米,提升力倍数k=3.0697,此时油动机关闭时间约为0.5秒左右.国产30万千瓦机组的油动机关闭时间也是如此.4,为了满足电力法规的要求,仅仅依靠增加