汽輪燃油泵工況調(diào)節(jié)器試驗(yàn)

黃莉榕

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

某型汽輪燃油泵機(jī)組為鍋爐提供燃燒所用的燃油，在該系統(tǒng)中，要求汽輪燃油泵工況調(diào)節(jié)器在鍋爐噴油嘴脈沖信號(hào)燃油壓力為0.30～0.35 MPa時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的工況切換，即從低工況切換到高工況，以滿(mǎn)足鍋爐負(fù)荷增加的需要。針對(duì)系統(tǒng)提出的指標(biāo)要求，前期針對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工況調(diào)節(jié)器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)原理和特性分析計(jì)算研究[1]。為了進(jìn)一步考核工況調(diào)節(jié)器的裝機(jī)使用效果，需要進(jìn)行機(jī)組動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，工況調(diào)節(jié)器的試驗(yàn)研究，以掌握工況調(diào)節(jié)器的使用性能。圖1為工況調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)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(cè)為信號(hào)燃油從鍋爐噴油嘴流出，通過(guò)信號(hào)燃油壓力來(lái)推動(dòng)滑閥向左移動(dòng)?；y向左移動(dòng)可以增大機(jī)組調(diào)節(jié)油的通流面積，從而降低機(jī)組的調(diào)節(jié)油壓，進(jìn)而改變機(jī)組的運(yùn)行工況。為了避免燃油與機(jī)組調(diào)節(jié)油串流，工況調(diào)節(jié)器采用了波紋管進(jìn)行密封[2]。

圖1 工況調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)組成圖

1 試驗(yàn)臺(tái)信號(hào)油壓模擬

為模擬系統(tǒng)鍋爐的脈沖信號(hào)燃油壓力作用，試驗(yàn)臺(tái)搭建了信號(hào)油發(fā)生裝置。圖2為汽輪燃油泵工況調(diào)節(jié)器的信號(hào)油供給原理圖。信號(hào)油泵提供脈沖信號(hào)油壓（試驗(yàn)中可以采用潤(rùn)滑油替代），通過(guò)信號(hào)油泵閥門(mén)可以旁通一部分油回到油箱；通過(guò)改變信號(hào)油泵閥門(mén)開(kāi)度，可以改變信號(hào)油壓力，使之在0～1MPa范圍內(nèi)變化，旁通閥調(diào)低時(shí)，信號(hào)油壓升高，從而使機(jī)組工況升高；當(dāng)關(guān)閉信號(hào)泵時(shí)，信號(hào)油可以迅速通過(guò)旁通閥回到油箱從而泄壓到0，使機(jī)組回到低工況狀態(tài)。

圖2 工況調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)組成圖

圖3為工況調(diào)節(jié)器配機(jī)安裝時(shí)接信號(hào)油管路的實(shí)物安裝圖。圖3中，壓力表用于機(jī)旁觀察信號(hào)油壓力。通過(guò)工況調(diào)節(jié)器的配機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)，需要確定：在信號(hào)油壓給定為0.30～0.35MPa時(shí)，機(jī)組應(yīng)該從第Ⅲ工況自動(dòng)切換到第Ⅱ工況；而機(jī)組從第Ⅱ工況切換到第Ⅰ工況是通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿泵出口閥門(mén)開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖3 工況調(diào)節(jié)器信號(hào)油壓接管實(shí)物圖

2 工況調(diào)節(jié)器的整定

2.1 上、下限工況下工況調(diào)節(jié)器的整定

實(shí)際使用過(guò)程中，工況調(diào)節(jié)器并不能很好地與規(guī)定的脈沖信號(hào)油壓匹配，可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)油壓增加到規(guī)定值時(shí)，機(jī)組還未增加到額定工況；或者，信號(hào)油壓增加到規(guī)定值時(shí)，機(jī)組工況過(guò)高，甚至可能發(fā)生超速危險(xiǎn)。因此，為了使工況調(diào)節(jié)器按規(guī)定的信號(hào)油壓實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換功能，需要在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，對(duì)工況調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，使得機(jī)組的上限工況和下限工況與脈沖信號(hào)油壓匹配。此處將機(jī)組的第Ⅱ工況稱(chēng)為上限工況，第Ⅲ工況稱(chēng)為下限工況。在進(jìn)行工況調(diào)節(jié)器自動(dòng)工況切換試驗(yàn)整定之前，需要先將工況調(diào)節(jié)器手動(dòng)上下限工況調(diào)整到位。工況調(diào)節(jié)器手動(dòng)調(diào)整上下限的方法如下：

1）機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)工況調(diào)節(jié)器手輪，移動(dòng)工況調(diào)節(jié)器滑閥位置，從而調(diào)整通過(guò)蒸汽調(diào)節(jié)閥的脈沖油壓，調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速和工況。改變右頂桿的M值，將機(jī)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(shí)工況增加，反之則工況降低。因此，M值減小會(huì)使滑閥右移，機(jī)組工況升高；反之，工況降低。

2）旋轉(zhuǎn)工況調(diào)節(jié)器手輪，可以推動(dòng)滑閥左移，增大機(jī)組轉(zhuǎn)速及工況，通過(guò)調(diào)整左側(cè)頂桿的P值可以限制機(jī)組的上限工況。機(jī)組工況尚未整定至上限工況時(shí)，可進(jìn)一步通過(guò)改變左頂桿的P值來(lái)調(diào)整機(jī)組工況。如圖1所示，P值增大，機(jī)組的工況升高；反之，則機(jī)組的上限工況更低。

3）通過(guò)對(duì)M值和P值的恰當(dāng)調(diào)整，將機(jī)組的上、下限工況整定到符合機(jī)組設(shè)計(jì)的上下限工況參數(shù)范圍內(nèi)。

2.2 工況調(diào)節(jié)器自動(dòng)切換功能的整定

為了對(duì)工況調(diào)節(jié)器自動(dòng)切換功能進(jìn)行驗(yàn)證，需要對(duì)工況調(diào)節(jié)器進(jìn)行自動(dòng)切換功能的整定。機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行在下限工況，同時(shí)開(kāi)啟信號(hào)油泵，通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)油泵的旁通閥，緩慢升高信號(hào)油壓。第一次試驗(yàn)表明：當(dāng)信號(hào)油壓達(dá)到0.6MPa時(shí)，機(jī)組可以達(dá)到上限工況。系統(tǒng)要求信號(hào)油壓范圍為0.30～0.35MPa，因此必須對(duì)工況調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，使之符合使用要求。

前期理論分析[1]表明：可以通過(guò)改變螺旋體的N值和波紋管頂桿的伸出長(zhǎng)度來(lái)對(duì)特性線(xiàn)進(jìn)行調(diào)整（見(jiàn)圖1）。特性線(xiàn)如圖4所示：ΔXs表示下限工況時(shí)滑閥相對(duì)上限工況所移動(dòng)的位移量；Ps為符合要求的信號(hào)油壓值。當(dāng)工況調(diào)節(jié)器的彈簧和波紋管一定時(shí)，特性線(xiàn)的斜率保持不變，通過(guò)調(diào)整只能改變特性線(xiàn)的截距。

圖4 工況調(diào)節(jié)器特性線(xiàn)示意圖

前期的理論分析[1]表明，特性線(xiàn)方程為

式中：P0為下限工況時(shí)的信號(hào)油壓。

從前期工廠部套裝配后工況調(diào)節(jié)器新研波紋管的靜態(tài)試驗(yàn)研究中可知，工況調(diào)節(jié)器特性線(xiàn)的擬合方程為

實(shí)際使用時(shí)，由于出廠試驗(yàn)調(diào)整等因素的影響，特性線(xiàn)方程的截距可能會(huì)發(fā)生變化，但特性線(xiàn)的斜率基本不變。由彈簧調(diào)整值和波紋管調(diào)整值可知：彈簧調(diào)整值為波紋管調(diào)整值的4倍，因此通過(guò)調(diào)整工況調(diào)節(jié)器左端的螺旋體位移更有效，且因?yàn)椴y管頂桿在工況調(diào)節(jié)器殼體內(nèi)部，調(diào)整時(shí)需要對(duì)工況調(diào)節(jié)器進(jìn)行拆卸，較為不方便，而螺旋體的調(diào)整只需要旋開(kāi)左端罩蓋即可進(jìn)行調(diào)整，較為便利。

機(jī)組運(yùn)行試驗(yàn)表明：初次投入信號(hào)油壓時(shí)，需要0.60 MPa才能使得機(jī)組從下限工況切換到上限工況；下限工況開(kāi)始發(fā)生變化時(shí)的信號(hào)油壓為0.31 MPa。由圖4特性線(xiàn)可知，下限工況信號(hào)油壓至多可調(diào)整到0，不可能為負(fù)值，且上、下限工況信號(hào)壓力變動(dòng)呈線(xiàn)性關(guān)系。由試驗(yàn)值可知，當(dāng)下限工況信號(hào)油壓調(diào)整到0時(shí)，上限工況信號(hào)油壓最低可以調(diào)整到：

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

實(shí)際調(diào)整時(shí)，將左端螺旋體旋出位移值為4.2 mm；為了保持工況調(diào)節(jié)器上限工況不變，需要對(duì)左端頂桿再作調(diào)整。經(jīng)試驗(yàn)表明：調(diào)整后，從下限工況切換到上限工況所需的信號(hào)油壓大約為0.34 MPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

工況調(diào)節(jié)器改進(jìn)設(shè)計(jì)后，開(kāi)展了信號(hào)油壓的自動(dòng)切換驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)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(jìn)行切換，試驗(yàn)共進(jìn)行40個(gè)循環(huán)。

表1是從工況調(diào)節(jié)器自動(dòng)切換功能試驗(yàn)的40個(gè)循環(huán)中截取的一個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果。由表1可見(jiàn)：信號(hào)油壓力在規(guī)定的0.30～0.35 MPa，機(jī)組的相應(yīng)工況也符合工況參數(shù)表中的規(guī)定。改進(jìn)設(shè)計(jì)的工況調(diào)節(jié)器可以滿(mǎn)足動(dòng)力系統(tǒng)的使用要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 工況調(diào)節(jié)器自動(dòng)切換試驗(yàn)（1 個(gè)循環(huán)）

圖5為接通信號(hào)油壓后，機(jī)組從第Ⅲ工況切換到第Ⅱ工況時(shí)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和泵出口壓力的變化曲線(xiàn)圖。上側(cè)連續(xù)線(xiàn)表示轉(zhuǎn)速變化，下側(cè)點(diǎn)線(xiàn)表示泵出口壓力變化，左側(cè)縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)速（r/min），右側(cè)縱坐標(biāo)表示泵的出口壓力（MPa）。

由圖5可知：當(dāng)信號(hào)壓力接通時(shí)，轉(zhuǎn)速和泵出口壓力迅速升高，機(jī)組沒(méi)有發(fā)生明顯的波動(dòng)和超調(diào)現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)行十分穩(wěn)定。圖5中，壓力曲線(xiàn)最后的下降段是由試驗(yàn)人員對(duì)燃油泵出口閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)所致；通過(guò)調(diào)節(jié)，使螺桿泵的出口壓力調(diào)整到2.2 MPa，模擬實(shí)船機(jī)組從第Ⅱ工況變化到第Ⅰ工況時(shí)的情形。

圖6為信號(hào)油壓切斷時(shí)，機(jī)組從第Ⅱ工況切換回第Ⅲ工況時(shí)轉(zhuǎn)速和壓力的變化曲線(xiàn)。

圖6中壓力變化曲線(xiàn)后段部分的上升是由試驗(yàn)人員對(duì)燃油泵出口閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)整所致，使得泵出口壓力升高到1.5MPa左右，則使得機(jī)組恢復(fù)到第Ⅲ工況時(shí)的燃油泵出口閥門(mén)開(kāi)度。

圖5 第Ⅲ工況切換到第Ⅱ工況時(shí)轉(zhuǎn)速壓力變化曲線(xiàn)圖

圖6 第Ⅱ工況切換到第Ⅲ工況時(shí)轉(zhuǎn)速壓力變化曲線(xiàn)圖

在工況調(diào)節(jié)器的自動(dòng)切換試驗(yàn)中，通過(guò)信號(hào)油壓的接通和切斷來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)組工況時(shí)，機(jī)組運(yùn)行表現(xiàn)穩(wěn)定，沒(méi)有超調(diào)振蕩現(xiàn)象。試驗(yàn)表明：工況調(diào)節(jié)器的研發(fā)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足使用要求。

4 結(jié)論

本文在前期工況調(diào)節(jié)器理論分析和計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了工況調(diào)節(jié)器現(xiàn)場(chǎng)整定研究以及配機(jī)工況自動(dòng)切換試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：

1）當(dāng)信號(hào)油壓無(wú)法滿(mǎn)足使用條件時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整工況調(diào)節(jié)器左端螺旋體的旋出量或波紋管頂桿的伸出量進(jìn)行調(diào)整整定，且現(xiàn)場(chǎng)整定采用調(diào)整螺旋體旋出量的方法更為方便。

2）為滿(mǎn)足系統(tǒng)使用要求，新研發(fā)設(shè)計(jì)的工況調(diào)節(jié)器可以滿(mǎn)足信號(hào)油壓在0.30～0.35MPa時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組工況的自動(dòng)切換。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)記錄顯示：轉(zhuǎn)換過(guò)程十分平穩(wěn)，機(jī)組運(yùn)行可靠。