水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)液壓沖擊研究

次仁桑珠

（西藏日喀則地區(qū)江孜縣滿拉水電廠，西藏 日喀則　857400）

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由水輪機(jī)控制設(shè)備（系統(tǒng)）和被控制系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)。水輪機(jī)、引水和泄水系統(tǒng)、裝有電壓調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)及其所并入的電網(wǎng)稱為水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的被控制系統(tǒng)；用來檢測被控參量（轉(zhuǎn)速、功率、水位、流量等）與給定量的偏差，并將其按一定特性轉(zhuǎn)換成主接力器行程偏差的一些裝置組合，稱為水輪機(jī)控制設(shè)備（系統(tǒng)）［1］。

在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因引起液體壓力急劇交替升降的阻尼波動過程，稱為液壓沖擊。沖擊壓力可高達(dá)正常工作壓力的3至4倍［2］，常使液壓元件、各類儀表及傳感器、密封裝置損壞失效；壓力繼電器也可能誤發(fā)錯誤信號，影響液壓系統(tǒng)和調(diào)速流程的正常工作，造成液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性的降低；液壓沖擊同時(shí)引起管路震動，管夾、法蘭和焊接處松動，造成漏油。

為減少液壓沖擊對系統(tǒng)的危害，需對液壓沖擊形成的原因進(jìn)行分析，提出減少液壓沖擊的措施。文章的研究成果為水輪機(jī)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)及同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供參考。

1　產(chǎn)生液壓沖擊的主要原因

在由壓力罐、主配壓閥、接力器等構(gòu)成的水輪機(jī)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中，壓力罐提供系統(tǒng)壓力能。接力器控制水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，主配壓閥控制接力器的開啟、關(guān)閉及保持中位。三種設(shè)備間用無縫鋼管焊接進(jìn)行連接。

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主配壓閥實(shí)時(shí)控制接力器動作。當(dāng)液體在管路中流動時(shí)，如果主配壓閥突然回復(fù)至中位時(shí)，管路中液體流速將隨之驟然降低到零。在這一瞬間液壓油的動能轉(zhuǎn)化為壓力能，使液壓系統(tǒng)壓力突然升高，形成壓力沖擊波。反之，如主配壓閥突然打開時(shí)，壓力罐與主配壓閥間管路將會壓力降低。

接力器及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的慣性力也會引起系統(tǒng)中的液壓沖擊。接力器及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在制動和換向時(shí)，因主配壓閥突然關(guān)閉，導(dǎo)水由于慣性還在繼續(xù)轉(zhuǎn)動，將會引起壓力急劇升高的液壓沖擊。

液壓沖擊常使液壓元件、各類儀表及傳感器、密封裝置損壞失效，是造成管道劇烈振動的主要原因。因此正確分析、計(jì)算并采取有效措施防止或減少液壓沖擊，對于水輪機(jī)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)尤為重要。

2　液壓沖擊的計(jì)算

由上可知，水輪機(jī)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中的液壓沖擊主要分為：主配壓閥迅速啟閉引起的液壓沖擊及急劇改變接力器運(yùn)動速度引起的液壓沖擊?，F(xiàn)就兩種液壓沖擊分別給出計(jì)算依據(jù)：

2.1　主配壓閥迅速啟閉引起的液壓沖擊

式中：ρ-油液密度，kg/m3；Δν-主配壓閥開啟或關(guān)閉前、后管道內(nèi)液壓油速度變化值，m/s；t-主配壓閥關(guān)閉或開啟的時(shí)間，s；

t-管道內(nèi)沖擊波往返所需時(shí)間，t=2l/a，s；l-管道長度，m；a-沖擊波在管道內(nèi)的傳播速度，m/s；

式中：E0-液壓油液的體積彈性模量，Pa；δ-管道的壁厚，m；d-管道的內(nèi)徑，m；E-管道材料彈性模量，Pa。

2.2　急劇改變接力器運(yùn)動速度引起的液壓沖擊

急劇改變接力器及其驅(qū)動的負(fù)載的運(yùn)動速度時(shí)，由于液體及運(yùn)動部件的慣性作用引起的壓力增大值為

式中：li-第i管道的長度，m；ρ-液壓油液密度，kg/m3；Ai-第 i管道的截面積，m2；A-接力器活塞面積，m2；m-活塞及其聯(lián)動部件的質(zhì)量，kg；Δν-活塞運(yùn)動速度變化量，m/s；t-活塞速度變化Δν所需時(shí)間，s。

3　減少液壓沖擊的措施

對于主配壓閥迅速啟閉引起的液壓沖擊，可采取下述方法排除或減少：①在前提條件允許的情況下，減慢主配壓閥的開啟或關(guān)閉速度，即延長換向時(shí)間t。主配壓閥的開啟或關(guān)閉速度受限于先導(dǎo)元件的運(yùn)動速度。可在電磁閥的油口設(shè)置阻尼器或可調(diào)節(jié)流閥，以減緩主配壓閥的換向速度。此外，還在滑閥完全關(guān)閉前減緩管道內(nèi)液體的流速。如采用伺服閥或比例閥作為先導(dǎo)元件，其在閥芯上設(shè)有錐形槽或V形槽，可減少主配壓閥在中位附近的運(yùn)動速度，大幅減少液壓沖擊；②增大管徑，減小流速，從而可減小流速的變化值，以減小緩沖壓力［3］；合理布管，縮短管長，避免不必要的變徑、彎曲等；③在主配壓閥完全復(fù)中前減緩液體的流速。這就需要在主配壓閥油口的開口方式提出了新的要求，一般主配壓閥的油口形式為矩形口或圓形口。對于矩形口，其壓力流量特性曲線呈線性，在主配壓閥完全復(fù)中前無緩沖。而對于圓形口，其壓力流量特性曲線在中位附近有較大緩沖。故主配壓閥油口形式采用圓形口，液壓沖擊可大為減小。

對于接力器突然被制動、減速或停止產(chǎn)生的液壓沖擊，可采用的減少液壓沖擊的措施有：在接力器端部設(shè)置節(jié)流緩沖裝置，控制接力器端部的排油速度，特別是接力器臨近停止時(shí)的關(guān)閉速度，平穩(wěn)無沖擊［4］；在易產(chǎn)生液壓沖擊的管路上，設(shè)置蓄能裝置，以吸收沖擊壓力；優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少接力器及其聯(lián)動部件的質(zhì)量。

4　結(jié)論

文章介紹了水輪機(jī)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中液壓沖擊的原因及危害，從主配壓閥迅速啟閉引起的液壓沖擊、急劇改變接力器運(yùn)動速度引起的液壓沖擊兩方面對液壓沖擊進(jìn)行了計(jì)算。最后，結(jié)合理論分析和實(shí)踐，提出了減少液壓沖擊的措施。文章的研究結(jié)果對水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和同類系統(tǒng)的液壓沖擊分析具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］魏守平.現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

［2］張利平.液壓傳動系統(tǒng)及設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］陳國華.液壓沖擊問題分析及控制［J］.冶金設(shè)備管理與維修，2015（1）:35-36．

［4］裴學(xué)智.液壓沖擊消除措施的探討與應(yīng)用［J］.液壓氣動與密封，2010（2）：9-11．