汽輪機(jī)機(jī)械式危急遮斷器設(shè)計(jì)簡介

王振林，劉祥平

(1.南通天生港發(fā)電有限公司，南通 226003；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240)

眾所周知,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速如果超過其設(shè)計(jì)限制運(yùn)行，會(huì)具有非常巨大的破壞性[1]。超速保護(hù)裝置能夠有效防止汽輪機(jī)受損，目前廣泛使用的有機(jī)械式和電子式2種。已有的機(jī)械式超速保護(hù)裝置用于額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min或者轉(zhuǎn)速范圍為2 800～6 000 r/min左右變轉(zhuǎn)速運(yùn)行的汽輪機(jī)。近年來，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)高速發(fā)展，其應(yīng)用環(huán)境和工作轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化，出現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)，需要重新設(shè)計(jì)此類汽輪機(jī)的機(jī)械超速保護(hù)裝置。機(jī)械超速系統(tǒng)由危急遮斷器、危急遮斷油門以及復(fù)位與試驗(yàn)裝置等組成，其中與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的部件是危急遮斷器。

本文僅對(duì)機(jī)械超速危急遮斷器做設(shè)計(jì)解析，旨在促進(jìn)汽輪機(jī)機(jī)械超速設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用。

1 危急遮斷器工作原理

危急遮斷器安裝于汽輪機(jī)主軸前端的短軸上，短軸與汽輪機(jī)主軸用螺柱剛性連接。其工作原理是設(shè)計(jì)一個(gè)重物，其重心與旋轉(zhuǎn)軸中心有一個(gè)偏心距離，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使其產(chǎn)生離心慣性力。另設(shè)計(jì)一根壓縮彈簧，其作用力方向與離心慣性力相反。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高，離心力增大，超過彈簧作用力，重物就會(huì)向一邊出擊，產(chǎn)生超速位移信號(hào)。

2 危急遮斷器設(shè)計(jì)計(jì)算方法

危急遮斷器力的分析見圖1。圖1中實(shí)線表示在某一轉(zhuǎn)速下重物離心力隨偏心變化而變化的規(guī)律，虛線表示彈簧力隨重物位移變化而變化的規(guī)律。ω0是汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速，ωnp是遮斷器出擊轉(zhuǎn)速，E是重物偏心距，a是重物最大行程。

圖1 危急遮斷器力

根據(jù)動(dòng)力學(xué)基本公式[2]，勻速圓周運(yùn)動(dòng)的角速度和離心慣性力計(jì)算公式如下：

ω=πn/30

(1)

Fgn=-mω2r

(2)

式中：ω為角速度，rad/s；n為每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，r/min；m為質(zhì)量，kg；r為質(zhì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，即偏心距，mm。

根據(jù)普通圓柱形螺旋彈簧設(shè)計(jì)與計(jì)算公式[2]，彈簧剛度和載荷計(jì)算如下：

(3)

P=P＇*(H0-H)

(4)

式中：G為切變模量，其數(shù)值一般均取79 000 N/mm2；d為彈簧鋼絲直徑，mm；D2為彈簧中徑，mm；i為彈簧有效圈數(shù)；H0為彈簧自由長度，mm；H為彈簧工作長度，mm。

在正常位置下(即圖1中橫坐標(biāo)0處)，遮斷器的偏心距r為E，彈簧工作長度為H；在極限位置(即圖1中橫坐標(biāo)最大行程a處)，遮斷器的偏心距為E+a，彈簧工作長度為H-a。

汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速下，出擊轉(zhuǎn)速和復(fù)位轉(zhuǎn)速均為設(shè)計(jì)的已知條件。當(dāng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速小于出擊轉(zhuǎn)速，遮斷器未出擊時(shí)，離心力小于彈簧力；當(dāng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速達(dá)到出擊轉(zhuǎn)速，遮斷器出擊，遮斷器位移達(dá)到極限行程后將被保持。在此位置，轉(zhuǎn)速降低至復(fù)位轉(zhuǎn)速，離心力小于或等于彈簧力，依靠彈簧力將遮斷器壓回到原來位置。設(shè)計(jì)中有2個(gè)臨界關(guān)系：在正常位置，出擊轉(zhuǎn)速離心力等于彈簧力；在極限位置，復(fù)位轉(zhuǎn)速離心力等于彈簧力。根據(jù)設(shè)計(jì)原理，需要分別對(duì)遮斷器重物的離心慣性力和彈簧的彈簧力進(jìn)行計(jì)算。

危急遮斷器重物設(shè)計(jì)需參考已有結(jié)構(gòu)，先設(shè)計(jì)一個(gè)新的重物塊，得出質(zhì)量m和偏心距離r。相關(guān)公式如下：

m=∑mi

(5)

r=E=∑mi*ei/∑mi

(6)

由公式(5)和(6)計(jì)算得出質(zhì)量m和偏心距離r，再由公式(1)和(2)計(jì)算出運(yùn)行轉(zhuǎn)速和出擊轉(zhuǎn)速下在正常位置和出擊位置時(shí)的離心慣性力。根據(jù)前面所述的離心力與彈簧力關(guān)系，由公式(3)和(4)計(jì)算出彈簧力及彈簧剛度，從而設(shè)計(jì)出彈簧的各個(gè)參數(shù)，包括彈簧的鋼絲直徑d，中徑D2，有效圈數(shù)i，自由長度H0和工作長度H。工程應(yīng)用中彈簧的鋼絲直徑d和中徑D2需要取標(biāo)準(zhǔn)值，其數(shù)值與計(jì)算值有微小偏差。將選定好的彈簧參數(shù)再次帶入公式(3)、(4)和(2)中，得出mr。該數(shù)值與先前計(jì)算值有偏差，可以通過微調(diào)遮斷器機(jī)械形狀來消除。

改變彈簧的預(yù)壓縮量可以改變彈簧力，進(jìn)而調(diào)整遮斷器的出擊轉(zhuǎn)速。

從圖1可以看出，出擊轉(zhuǎn)速離心力變化斜率大于彈簧力變化的斜率。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于出擊轉(zhuǎn)速時(shí)，彈簧力大于離心力，遮斷器靜止在裝配位置上。轉(zhuǎn)速升高后，一旦達(dá)到出擊轉(zhuǎn)速，平衡將被打破，離心力會(huì)比彈簧力變化更大，遮斷器向外飛出，直至達(dá)到遮斷器結(jié)構(gòu)上允許的最大位移為止。最大的離心力與最大的彈簧力之差為遮斷器出擊力，即圖1所示的“Z”值范圍。“Z”值的設(shè)定有如下要求：其需足以推動(dòng)遮斷油門，但又不能過大，防止遮斷器和油門掛鉤撞擊面發(fā)生機(jī)械損壞。

3 不同類型危急遮斷器的對(duì)比

危急遮斷器現(xiàn)有結(jié)構(gòu)有飛環(huán)式和飛錘式2種。

結(jié)構(gòu)上飛錘式危急遮斷器相對(duì)簡單，出擊行程設(shè)計(jì)靈活，固定彈簧定位圈的卡槽數(shù)受螺紋結(jié)構(gòu)限制，不能太多，所以出擊轉(zhuǎn)速的調(diào)整值較大。飛環(huán)式危急遮斷器相對(duì)而言結(jié)構(gòu)復(fù)雜，出擊行程受限，但其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量大，彈簧剛度大，穩(wěn)定性好，出擊轉(zhuǎn)速的調(diào)整值可以很小。

圖2為飛環(huán)式危急遮斷器結(jié)構(gòu)示意，圖3為飛錘式危急遮斷器結(jié)構(gòu)示意，圖中?D是飛錘內(nèi)圓柱直徑。

圖2 飛環(huán)式危急遮斷器結(jié)構(gòu)示意

圖3 飛錘式危急遮斷器結(jié)構(gòu)示意

4 危急遮斷器在線試驗(yàn)

危急遮斷器在線試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證其活動(dòng)部件靈活無卡澀，確保其處于正常備用狀態(tài)。在線試驗(yàn)的方式是將油噴入危急遮斷器內(nèi)部，在不超速的情況下，產(chǎn)生附加力使遮斷器出擊。要實(shí)現(xiàn)該功能，需要滿足以下2方面要求：一是使遮斷器在噴油的狀態(tài)下?lián)舫?，二是遮斷器在停止噴油時(shí)能夠復(fù)位。

關(guān)于遮斷器的復(fù)位，需要關(guān)注試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、復(fù)位轉(zhuǎn)速和最大行程a這3個(gè)參數(shù)。

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)并在大電網(wǎng)上，工作轉(zhuǎn)速被嚴(yán)格控制在額定轉(zhuǎn)速附近，復(fù)位轉(zhuǎn)速必須大于額度轉(zhuǎn)速。按照這個(gè)條件設(shè)計(jì)出來的彈簧能夠保證將擊出后的遮斷器拉回到正常位置。設(shè)計(jì)時(shí)將復(fù)位轉(zhuǎn)速設(shè)定為額度轉(zhuǎn)速的101%，將出擊轉(zhuǎn)速設(shè)定為額度轉(zhuǎn)速的110%。

對(duì)于變轉(zhuǎn)速的工業(yè)機(jī)組，其最低連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速與最高連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速差別很大，允許運(yùn)行的轉(zhuǎn)速不僅與汽輪機(jī)強(qiáng)度有關(guān)，還與驅(qū)動(dòng)的設(shè)備強(qiáng)度有關(guān)。汽輪機(jī)制造廠會(huì)根據(jù)用戶提供的數(shù)據(jù)對(duì)出擊轉(zhuǎn)速和復(fù)位轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定。以1臺(tái)給水泵汽輪機(jī)為例，正常運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制數(shù)據(jù)

表1中未給出具體的復(fù)位轉(zhuǎn)速。變轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)在線試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和復(fù)位轉(zhuǎn)速必須在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，且后者高于前者。復(fù)位轉(zhuǎn)速越高，彈簧力曲線越陡，對(duì)彈簧剛度的要求越高。如果試驗(yàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定得較低，則由于設(shè)計(jì)時(shí)復(fù)位轉(zhuǎn)速需高于試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，遮斷器將提早復(fù)位，因此彈簧力的選擇范圍將會(huì)較大。

如果遮斷器最大行程a減小，則出擊位置離心力減小，這將有利于遮斷器復(fù)位。a與危急遮斷油門的受力存在聯(lián)系，即需要保證遮斷器在撞擊遮斷油門掛鉤時(shí)，該掛鉤能將安全油全部泄放。

在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速中，飛環(huán)式與飛錘式危急遮斷器的工作原理不同。

圖2所示偏心環(huán)上有2個(gè)對(duì)稱的月牙形油囊，在遮斷器進(jìn)行注油試驗(yàn)時(shí)用以存油，以增加飛環(huán)的偏心和質(zhì)量，使飛環(huán)能夠提前出擊。當(dāng)停止向遮斷器噴油后，油囊中的油就借助離心力從油囊頂部小孔逸出，飛環(huán)也隨之復(fù)位。改變油囊頂部的小孔直徑，可以調(diào)整注油時(shí)油囊內(nèi)存油的質(zhì)量，從而調(diào)整注油試驗(yàn)時(shí)的出擊轉(zhuǎn)速。此結(jié)構(gòu)下，注油試驗(yàn)成功與否跟注油壓力大小無關(guān)，例如將相同參數(shù)的飛環(huán)式危急遮斷器應(yīng)用于注油壓力為1.2 MPa和0.5 MPa的機(jī)組上時(shí)，注油試驗(yàn)均能夠成功進(jìn)行。

如圖3所示，噴油進(jìn)入危急遮斷器，在?D作用面上施加壓力，此壓力計(jì)算公式為p*π/(4D2),這個(gè)壓力值需補(bǔ)償遮斷轉(zhuǎn)速離心力與試驗(yàn)轉(zhuǎn)速離心力的差值。噴油壓強(qiáng)p取決于系統(tǒng)供油壓力以及飛錘結(jié)構(gòu)間隙泄壓情況；D根據(jù)飛錘的機(jī)械結(jié)構(gòu)確定。如果二者受限，作用面壓力達(dá)不到補(bǔ)償值，噴油試驗(yàn)就不能成功進(jìn)行。

5 危急遮斷器的設(shè)計(jì)加工要點(diǎn)

本文所述機(jī)械式危急遮斷器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是遮斷器的質(zhì)量m和偏心距離r計(jì)算。以前采用手工計(jì)算，對(duì)倒角、倒圓等做近似計(jì)算?，F(xiàn)在可以通過UG建模輔助計(jì)算。

遮斷器的加工采用數(shù)控機(jī)床，加工結(jié)束后需要對(duì)質(zhì)量m和偏心距離r做檢驗(yàn)。

為防止運(yùn)動(dòng)部件變形，采用低碳鋼滲碳工藝來提高其表面硬度。

危急遮斷器裝配后，需做廠內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證動(dòng)作轉(zhuǎn)速。連續(xù)3次試驗(yàn)所呈現(xiàn)的動(dòng)作轉(zhuǎn)速偏差應(yīng)在額定轉(zhuǎn)速的±0.5%以內(nèi)(上汽廠要求)。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定：每只危急保安器一般進(jìn)行2次試驗(yàn)，2次動(dòng)作轉(zhuǎn)速差不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的0.6%；若機(jī)組為初次投運(yùn)，應(yīng)進(jìn)行3次試驗(yàn)，第3次動(dòng)作轉(zhuǎn)速與前2次動(dòng)作轉(zhuǎn)速平均值之差不超過額定轉(zhuǎn)速的1%。

6 結(jié) 論

本文介紹了危急遮斷器工作原理和計(jì)算方法，以及2種危急遮斷器的常用結(jié)構(gòu)和在線試驗(yàn)過程，重點(diǎn)分析了危急遮斷器離心力和彈簧力的計(jì)算，得到以下結(jié)論：

1)危急遮斷器離心力與彈簧力方向相反。在正常位置，出擊轉(zhuǎn)速離心力等于彈簧力；在極限位置，復(fù)位轉(zhuǎn)速離心力等于彈簧力。應(yīng)照此原理計(jì)算確定遮斷器質(zhì)量、偏心距和彈簧參數(shù)。

2)飛環(huán)式和飛錘式結(jié)構(gòu)的危急遮斷器均能實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)超速保護(hù)功能。

3)在線試驗(yàn)是檢驗(yàn)危急遮斷器功能是否正常的一種有效手段，應(yīng)當(dāng)依據(jù)機(jī)組運(yùn)行條件確定是否進(jìn)行在線試驗(yàn)。