提板式配汽機構穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設計

尹剛 王星釗 樊小平 李亮東

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

提板式配汽機構穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設計

尹剛 王星釗 樊小平 李亮東

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章通過對低參數(shù)機組提板式配汽結構進行力學分析，研究了提板式配汽機構的穩(wěn)定性，針對目前高參數(shù)的提板式配汽機組，提出了一種提板式配汽機構優(yōu)化方案，保證了提板式配汽機構的穩(wěn)定性。

提板式；配汽機構；穩(wěn)定性；優(yōu)化設計

1 前言

提板式配汽機構由于結構小巧、緊湊，適宜在整體基架的快裝式汽輪機中使用，因此被廣泛地使用在低參數(shù)、小功率的工業(yè)汽輪機上。由于機組經(jīng)濟性的要求，工業(yè)汽輪機呈現(xiàn)高參數(shù)化的發(fā)展趨勢。隨著參數(shù)的提高，機組對提板式配汽機構運行過程中穩(wěn)定性的要求越來越嚴格。

本文通過對低參數(shù)機組的提板式配汽機構從力學原理上進行分析，探討在變工況過程中提板式配汽機構的穩(wěn)定性及其相關問題，并針對高參數(shù)的提板式配汽機組，提出了一種新的提板式配汽機構，以有效地保證配汽機構的穩(wěn)定性。

2 提板式配汽機構穩(wěn)定性分析

典型的提板式配汽機構主要由提板式調(diào)節(jié)閥、配汽杠桿、油動機三部分組成，通過油動機的提升力帶動杠桿旋轉(zhuǎn)來改變調(diào)節(jié)閥的開度，從而達到汽輪機負荷變化和啟停的要求。圖1為低參數(shù)提板式配汽機構原理簡圖。

圖1 低參數(shù)提板式配汽機構簡圖

由圖1可知，提板式配汽機構從原理上看為一杠桿結構，由理論力學杠桿平衡理論可知，如要保證提板式配汽機構穩(wěn)定的話，應存在如下一個等式[1]：

其中：

FY—油動機的提升力；

LY—油動機力臂；

FT—調(diào)節(jié)閥所受合力；

LT—調(diào)節(jié)閥力臂。

圖2 典型提板式調(diào)節(jié)閥結構圖

為了了解提板式配汽機構的受力狀況，就必需了解調(diào)節(jié)閥的結構。圖2為典型提板式調(diào)節(jié)閥結構圖。從圖上來看，調(diào)節(jié)閥的受力主要包括以下三個部分：閥蝶、橫梁、提升桿等部件的重力F1，作用在閥蝶上的蒸汽力F2，以及蒸汽作用在提升桿上的上浮力F3。這三部分力的合力即為式（1）中的FT。

在這三個力中，F(xiàn)1的方向為垂直向下，F(xiàn)2的方向為垂直向下，F(xiàn)3是由于提升桿的兩個端面受到的壓力差產(chǎn)生的，分別為下端面受到的工作壓力與上端面受到的大氣壓力。由于工作壓力遠大于大氣壓力，故上浮力F3的方向始終向上，且隨著工作參數(shù)的提高而增大。

當F3＞F1+F2時，F(xiàn)T的方向為垂直向上，如果這種情況發(fā)生在負荷變化的過程中，杠桿左側的油動機提升力FY方向向下，這時整個杠桿將處于失穩(wěn)狀態(tài)，杠桿會以固定點為圓心發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而導致汽輪機進汽流量突變而引起汽輪機的負荷發(fā)生較大的波動。

由于早期采用提板式配汽機構的機組進汽參數(shù)低，提升桿的直徑較小，一般情況下F3＜F1+F2，故一般不會出現(xiàn)配汽機構失穩(wěn)導致機組負荷波動的情況。根據(jù)上文的分析，隨著參數(shù)的提高，閥門提升力增大，受材料強度的限制，提升桿的直徑加大，最終會導致出現(xiàn)F3＞F1+F2的情況，出現(xiàn)配汽機構失穩(wěn)。

為此采用圖1、圖2的結構，對某高溫高壓機組變工況過程中的提板式配汽機構閥門側受力情況進行計算。提板式配汽結構閥門側受力曲線詳見圖3。

圖3 高溫高壓提板式配汽機構閥門側受力曲線（受力垂直向下為正）

從這條曲線來看，隨著提升桿行程的增大（即汽輪機負荷的增大），閥門側所受的合力出現(xiàn)震蕩變化，部分負荷閥門側受力方向向上，部分負荷閥門側受力方向向下，在最大功率附近的時候，閥門側受力將一直向上，且這種情況交替出現(xiàn)。因此在汽輪機變工況的時候，提板式配汽機構會存在失穩(wěn)的狀態(tài)，故采用低參數(shù)機組提板式配汽機構的高參數(shù)機組在負荷變化過程中存在負荷波動的問題。

同時由于采用低參數(shù)提板式配汽機構，閥門側的上浮力始終存在，如果提板式配汽機構提升桿的總截面面積大于1#閥碟配合直徑的面積，一旦閥殼內(nèi)有蒸汽流入，必然導致提升桿的上浮力大于閥碟所受蒸汽力及自身重力，即FT的方向豎直向上，導致閥門關閉不嚴。為了保證提板式配汽機構關閉的嚴密性，就必須使油動機有一個過關量（即保證油動機施加一個向上力去克服調(diào)節(jié)閥的上浮力）。故油動機一般不設置限位裝置，而將閥門關閉限位設置在調(diào)節(jié)閥上。由于油動機的出力由閥門開啟的最大提升力決定，因此油動機的出力很大。關閉過程中油動機出力與開啟時相同，這導致油動機處于過關狀態(tài)時對配汽機構施加了一個很大的持續(xù)載荷。而在設計配汽杠桿時，為了減小油動機體積，油動機側力臂遠大于閥門側，因此在閥門關閉時，由于杠桿的放大作用，作用在配汽杠桿及閥門側的力被成倍放大，一旦施加的力大于閥桿等部件屈服強度，就會出現(xiàn)閥桿的變形或斷裂。

3 新型提板式配汽機構

根據(jù)上文分析，對于高參數(shù)的機組，為了保證提板式配汽機構的穩(wěn)定性，就必需克服提升桿的上浮力，保證在機組整個運行過程中閥門側的受力一直向下。通過施加一個外力來克服提升桿的上浮力，使閥門側所受的合力FT方向一直向下，保證配汽杠桿在整個運行過程中一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時在保證閥門關閉嚴密性的基礎上取消油動機的過關量，使閥門減少關閉時的受力并使閥門、提升桿在整個過程中是鉛垂方向運動。為此在低參數(shù)提板式調(diào)節(jié)閥的基礎上設計了一個彈簧機構，如圖4所示。

圖4 新型提板式配汽機構閥門側結構圖

該機構主要由彈簧、彈簧拉桿、彈簧壓板、彈簧頂板及螺母構成。拉桿的一頭通過螺紋與調(diào)節(jié)閥蓋固定，依次將彈簧壓板、彈簧、彈簧頂板串在拉桿中，并將彈簧壓板與提升桿上部固定。在冷態(tài)安裝時通過調(diào)節(jié)拉桿上部的螺母，調(diào)整彈簧的預壓縮量。在運行的過程中，根據(jù)負荷的要求，提升桿向上運動，隨著提升桿的上升壓縮彈簧，產(chǎn)生一個向下的附加力，從而有效地克服提升桿的上浮力，保證整個過程中杠桿處在穩(wěn)定狀態(tài)，同時取消油動機的過關量，閥門的關閉及開度減小由彈簧裝置實現(xiàn)，油動機僅提供閥門開啟的提升力和閥門開度減小過程中的限位作用。彈簧產(chǎn)生的力為鉛垂向下，能有效地防止閥桿彎曲卡塞。

整套機構的重點在于彈簧的設計，彈簧剛度設計過大會導致配汽機構的提升力過大，彈簧剛度設計過小則無法克服提升桿的上浮力。經(jīng)過分析認為設計應充分考慮如下幾個工況：

（1）主汽閥全開，調(diào)節(jié)閥關閉工況；

（2）閥門蒸汽力最大工況；

（3）閥門全開工況。

經(jīng)分析在主汽閥全開，而調(diào)節(jié)閥關閉的情況下，由于受強度、剛度等因素的影響，2個提升桿的面積大于1個閥碟的配合直徑面積，F(xiàn)T的方向豎直向上，如要保證閥門關閉的嚴密性，必須使彈簧產(chǎn)生一個向下的力克服提板式配汽機構的上浮力。故彈簧的預加負荷應大于等于這個值。當蒸汽作用在閥碟上的力F2最大時，如果彈簧力過大就會導致油動機的出力過大，導致油動機做得更大。在閥門開度最大工況，蒸汽作用在閥碟上的力F2最小，此時彈簧提供的力必須能克服提升桿的上浮力。同時由于閥門的關閉靠彈簧來完成，因此應保證在整個運行過程中彈簧有足夠的力來使閥門迅速地關閉，并且彈簧的變形量應適當，避免出現(xiàn)彈簧尺寸過長。在設計彈簧的時候，應綜合考慮以上因素，合理進行設計。

根據(jù)上述原理，對圖3參數(shù)的提板式配汽機構的閥門設計一彈簧裝置。設計在閥門全關時，提升桿的上浮力為彈簧預加負荷，根據(jù)彈簧材料強度，考慮整個裝置設計彈簧剛度為635N/mm，預壓縮量為35mm，最后整個負荷變化范圍內(nèi)，整個配汽機構的提升力曲線見圖5。

圖5 高溫高壓新式提板式配汽機構閥門的受力曲線（受力垂直向下為正）

從圖5上看，在整個負荷變化過程中，整個提板式配汽機構閥門側的受力FT的方向一直垂直向下。這樣就能保證配汽機構在運行過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，解決了變工況過程中負荷波動的問題。同時由于彈簧的剛度較大，保證了在整個關閉過程中，較小的形變量有足夠的力，故閥碟關閉的初始加速度大，關閉就越迅速。此外彈簧豎直向下的力，一定程度上保證了閥碟豎直向下運動。

根據(jù)閥門的改進，對提板式配汽機構油動機進行優(yōu)化設計。油動機的功能定義為在閥門開啟過程中提供拉力，而在閥門關閉的過程中只起限位作用。將油動機與配汽杠桿連接的鉸鏈結構中與杠桿軸配對的圓孔改為腰形孔，即在開啟過程中鉸鏈的連接軸與腰形孔上端面接觸，帶動杠桿向下運動，在閥門逐漸關閉的過程中，根據(jù)負荷變化的需要，油動機逐漸向上運動從而依靠杠桿在彈簧作用下快速關小閥門，從而改變機組的負荷。當閥門最終關閉時，油動機首先上移至閥門全關位置，依靠杠桿在彈簧的作用下實現(xiàn)關閉。由于油動機存在限位，故不會產(chǎn)生附加力作用。

為了保證調(diào)節(jié)閥關閉的嚴密性，必須在調(diào)節(jié)閥閥蝶及提升橫梁上設計調(diào)整機構保證在任何工況下閥門的關閉過程中閥蝶與閥座的對中。故新型提板式配汽機構在原調(diào)節(jié)閥結構的基礎上，在提板橫梁的下端面與閥蝶的上端面增加了一定的間隙（見圖6），在閥門關閉過程中，通過油動機的限位作用保證油動機動作到全關位置時，提板橫梁下端面的間隙還在。通過這個間隙以及閥蝶桿部與橫梁間隙來調(diào)節(jié)閥蝶與閥門的對中，通過作用在閥蝶上越來越大的蒸汽力及閥蝶自身重力去實現(xiàn)閥門關閉的嚴密性。

圖6 調(diào)節(jié)閥閥碟與橫梁間隙示意圖

4 結論

本文通過對低參數(shù)工業(yè)汽輪機提板式配汽機構從力學原理上進行分析，研究了提板式配汽機構在運行過程中的穩(wěn)定性及其相關問題。研究發(fā)現(xiàn)隨著機組參數(shù)的提高，提板式配汽機構會隨著提升桿上浮力的提高而出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，導致機組的負荷波動。

基于上述理論分析，本文針對高參數(shù)的提板式配汽機組，提出了一種新式的提板式配汽機構，消除了配汽機構閥門側的上浮力，保證了配汽機構運行過程中的穩(wěn)定性。

[1]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研組.理論力學[M].北京:高等教育出版社,1997

Optimization Design and Stability Analysis of Lifting Plate Type Steam Distribution Mechanism

Yin Gang，Wang Xingzhao，F(xiàn)an Xiaoping，Li Liangdong

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

Thispaper researches the stability of lifting plate type steam distributionmechanism through themechanicsanalysisof the low-parameter unitssteam distributionmechanism,and puts forward amodification scheme according to the high-parameter lifting plate type steam distribution mechanism units,w hich can guarantee the stability of lifting plate type steam distribution mechanism.

lifting p late type,steam distribution mechanism,stability,optim ization design

尹剛（1982-），男，工學碩士，現(xiàn)工作于工業(yè)透平事業(yè)部，主要從事工業(yè)汽輪機概念設計工作。