張 靜，湯繼星，劉峰濤

隨著機(jī)組功率和蒸汽參數(shù)的不斷提升，大型汽輪機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)普遍采用高壓抗燃油系統(tǒng)。但與此同時(shí)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)低廉，低壓透平油調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然是很多中、低參數(shù)汽輪機(jī)或者工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的最佳選擇。在傳統(tǒng)的低壓透平油調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用雙側(cè)進(jìn)油的油動(dòng)機(jī)。這種油動(dòng)機(jī)活塞兩側(cè)都作用著壓力油，在閥門快速動(dòng)作時(shí)，短時(shí)間內(nèi)需要很大的壓力油流量，這些壓力油由安置在汽輪機(jī)前軸承箱內(nèi)的軸頭泵供給。軸頭泵為離心式自吸泵，由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子直接驅(qū)動(dòng)，流量大，壓力穩(wěn)定，一般能夠完全滿足雙側(cè)油缸快速動(dòng)作時(shí)的用油量。但是，隨著機(jī)組本體尺寸小型化，有些機(jī)組(比如工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī))取消了軸頭泵，采用外置電動(dòng)油泵為系統(tǒng)提供壓力油。相比軸頭泵，電動(dòng)油泵流量小很多，此時(shí)若采用雙側(cè)油動(dòng)機(jī)，在閥門快速動(dòng)作時(shí)，電動(dòng)油泵很難滿足系統(tǒng)需要的用油量，容易引起系統(tǒng)油壓波動(dòng)，影響系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

單側(cè)油動(dòng)機(jī)活塞的一側(cè)為壓力油，另一側(cè)為高剛度彈簧［1］，活塞在壓力油與彈簧的共同作用下產(chǎn)生位移?；钊陉P(guān)閉時(shí)，壓力油腔與回油接通，彈簧力把活塞另一側(cè)的油快速壓出，從而使閥門快速關(guān)閉，并且這一過(guò)程不需要額外的壓力油，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)油壓的穩(wěn)定造成任何影響。

1 單側(cè)伺服油動(dòng)機(jī)原理

該單側(cè)伺服油動(dòng)機(jī)自帶電液轉(zhuǎn)換單元，采用某型比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換器，并借助錯(cuò)油門滑閥的二次放大作用，將接收到的模擬量指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的活塞桿行程。其伺服系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 單側(cè)伺服油動(dòng)機(jī)原理圖

錯(cuò)油門滑閥頂部作用面積約為底部面積的一半，頂部腔室內(nèi)為壓力油。壓力油通過(guò)錯(cuò)油門套筒的動(dòng)態(tài)油口進(jìn)入底部腔室，并通過(guò)一可調(diào)節(jié)流孔排油，形成基本流量平衡。在底部腔室建立控制油，其壓力約為頂部腔室內(nèi)壓力油的一半，此時(shí)錯(cuò)油門滑閥平衡于中間位置。DEH控制器發(fā)出的閥位指令信號(hào)，經(jīng)伺服放大器后送到比例伺服閥，比例伺服閥將接收到的指令信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)流量輸出，改變控制油壓，使錯(cuò)油門滑閥產(chǎn)生向上或向下位移，進(jìn)而控制壓力油進(jìn)入或排出油缸，使活塞桿輸出相應(yīng)的行程。在活塞桿移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)LVDT位移傳感器產(chǎn)生電信號(hào)，作為負(fù)反饋與閥位指令信號(hào)相加。當(dāng)兩個(gè)電信號(hào)相平衡時(shí)，伺服放大器的輸出就為0，這時(shí)比例伺服閥不再有流量輸出，錯(cuò)油門滑閥回到原平衡位置，活塞就穩(wěn)定在一個(gè)新的工作位置。在實(shí)際應(yīng)用中，可利用可調(diào)節(jié)流孔給錯(cuò)油門一個(gè)朝油動(dòng)機(jī)關(guān)閉方向的偏置，當(dāng)比例伺服閥失電時(shí)，能夠使油動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，以確保機(jī)組安全。液動(dòng)滑閥是一個(gè)保安裝置，當(dāng)保安壓力油(來(lái)自危急遮斷保護(hù)裝置)失去時(shí)，液動(dòng)滑閥可以泄去控制油，使油動(dòng)機(jī)快速關(guān)閉。單獨(dú)關(guān)閉電磁閥可使油動(dòng)機(jī)快速關(guān)閉，因此可以用來(lái)對(duì)機(jī)組做調(diào)門嚴(yán)密性試驗(yàn)等，也是對(duì)機(jī)組安全的進(jìn)一步保障。

2 油動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 油動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

油動(dòng)機(jī)主要由兩部分構(gòu)成:控制塊組件和油缸組件?？刂茐K組件主要由控制塊殼體、錯(cuò)油門套筒、錯(cuò)油門滑閥、可調(diào)節(jié)流閥、比例伺服閥、電磁換向閥以及進(jìn)、回油法蘭等組成;油缸組件主要由油缸體、油缸蓋、活塞、活塞桿以及彈簧組成。其外形如圖2所示。

圖2 油動(dòng)機(jī)外形圖

2.2 油動(dòng)機(jī)各主要設(shè)計(jì)參數(shù)

油缸內(nèi)徑:φ254mm

活塞桿直徑:φ54mm

最大輸出行程:210mm

最大輸出驅(qū)動(dòng)力:64 914N(油壓按1.5MPa計(jì)算)

最大關(guān)閉力:23 706N

閥位精度:±1%滿量程

油動(dòng)機(jī)快速關(guān)閉時(shí)間:＜1s

比例伺服閥供電電壓:24V DC

比例伺服閥輸入信號(hào):±10mA

關(guān)閉電磁閥供電參數(shù):220V AC，50/60Hz，90W

3 油動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn)

對(duì)于一個(gè)新型油動(dòng)機(jī)，其設(shè)計(jì)參數(shù)的真實(shí)性和性能的可靠性必須通過(guò)試驗(yàn)予以驗(yàn)證。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正和改進(jìn)，使設(shè)計(jì)更加科學(xué)和完善。對(duì)該油動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)是在某型330MW汽輪機(jī)的給水泵汽輪機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的，試驗(yàn)油質(zhì)為#46透平油，油壓為1.3MPa。試驗(yàn)分為靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

3.1 油動(dòng)機(jī)的靜態(tài)試驗(yàn)

3.1.1 油動(dòng)機(jī)靜態(tài)伺服特性試驗(yàn)［2］

利用直流信號(hào)發(fā)生器給伺服卡4～20mA指令信號(hào)，伺服卡將指令信號(hào)與閥位信號(hào)比較后，輸出±10mA信號(hào)給比例伺服閥，從而使油動(dòng)機(jī)輸出與4～20mA信號(hào)相對(duì)應(yīng)的位移。其邏輯框圖如圖3所示。

圖3 油動(dòng)機(jī)試驗(yàn)邏輯框圖

試驗(yàn)時(shí)，分別記錄油動(dòng)機(jī)從全關(guān)到全開(kāi)過(guò)程中指令與開(kāi)度的對(duì)應(yīng)曲線和從全關(guān)到全開(kāi)過(guò)程中指令與開(kāi)度的對(duì)應(yīng)曲線，如圖4所示。比較兩條曲線，可以得出油動(dòng)機(jī)的遲緩率。試驗(yàn)油動(dòng)機(jī)的遲緩率最大值為0.1%。

圖4 油動(dòng)機(jī)伺服特性曲線

3.1.2 油動(dòng)機(jī)快關(guān)試驗(yàn)

油動(dòng)機(jī)行程變化時(shí)，LVDT會(huì)輸出相應(yīng)的電壓，將此電壓信號(hào)接入錄波器，錄波器會(huì)記錄并顯示其變化過(guò)程，這樣可以精確得到油動(dòng)機(jī)某一次行程變化所經(jīng)歷的時(shí)間。

油動(dòng)機(jī)緊急關(guān)閉有2種方式:一種是關(guān)閉電磁閥得電動(dòng)作，降低控制油壓使油動(dòng)機(jī)關(guān)閉;另一種是危急遮斷保護(hù)裝置動(dòng)作泄掉保安壓力油，利用液動(dòng)滑閥動(dòng)作泄掉控制油使油動(dòng)機(jī)關(guān)閉。用信號(hào)發(fā)生器給伺服卡20mA信號(hào)，使油動(dòng)機(jī)全開(kāi)，按以上兩種方式分別使油動(dòng)機(jī)快速關(guān)閉，然后通過(guò)錄波器得到其快速關(guān)閉時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 油動(dòng)機(jī)快速關(guān)閉時(shí)間

3.1.3 油動(dòng)機(jī)的靜態(tài)耗油量

油動(dòng)機(jī)的靜態(tài)耗油量指的是油動(dòng)機(jī)活塞桿持續(xù)穩(wěn)定在某一位置時(shí)整個(gè)油動(dòng)機(jī)的回油流量。該油動(dòng)機(jī)的靜態(tài)耗油量主要由兩部分構(gòu)成，一部分為控制油通過(guò)可調(diào)節(jié)流孔泄掉的流量;另一部分為各有壓腔室通過(guò)零部件間隙向各無(wú)壓腔室的泄漏流量?？梢詫?duì)油動(dòng)機(jī)一定時(shí)間段內(nèi)的總回油量進(jìn)行測(cè)量，并由此計(jì)算出油動(dòng)機(jī)的靜態(tài)耗油量。經(jīng)過(guò)測(cè)量，試驗(yàn)油動(dòng)機(jī)的靜態(tài)耗油量約為10L/min。

3.2 油動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

油動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是指油動(dòng)機(jī)在汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中的試驗(yàn)，一般用油動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥控制汽輪機(jī)空載啟動(dòng)、升速和停機(jī)。在這種試驗(yàn)情況下，油動(dòng)機(jī)承受著變化的負(fù)載(閥門提升力)，同時(shí)要滿足調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)啟力和關(guān)閉力的要求。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制效果非常好，轉(zhuǎn)速控制精度可以達(dá)到±1r/min，對(duì)給定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速階躍，轉(zhuǎn)速也能很好地跟蹤，且穩(wěn)定性好，快速關(guān)閉時(shí)間也可達(dá)到油動(dòng)機(jī)靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)的水平。通過(guò)一系列試驗(yàn)驗(yàn)證，該油動(dòng)機(jī)能滿足汽輪機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)要求，而且超過(guò)進(jìn)口油動(dòng)機(jī)的控制指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

該油動(dòng)機(jī)集成了比例伺服閥、二次放大單元、油缸輸出單元以及位移反饋單元，可直接通過(guò)伺服卡將接收到的指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的活塞桿的位移。其試制品的性能試驗(yàn)結(jié)果，證明了它在控制線性度、快速關(guān)閉時(shí)間、靜態(tài)耗油量、動(dòng)態(tài)特性等方面均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可以作為工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)等無(wú)軸頭主油泵、系統(tǒng)流量較小的低壓透平油系統(tǒng)中調(diào)節(jié)汽門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的理想解決方案。同時(shí)，對(duì)于汽機(jī)制造廠和用戶來(lái)說(shuō)，相較于國(guó)外廠商類似產(chǎn)品，該油動(dòng)機(jī)在性能基本相同的情況下，生產(chǎn)、檢修成本的經(jīng)濟(jì)性具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

［1］ 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).第4卷［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［2］ 中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè).第3卷.自動(dòng)控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.