提板式配汽机构稳定性分析及优化设计

尹刚 王星钊 樊小平 李亮东

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

提板式配汽机构稳定性分析及优化设计

尹刚 王星钊 樊小平 李亮东

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

文章通过对低参数机组提板式配汽结构进行力学分析，研究了提板式配汽机构的稳定性，针对目前高参数的提板式配汽机组，提出了一种提板式配汽机构优化方案，保证了提板式配汽机构的稳定性。

提板式；配汽机构；稳定性；优化设计

1 前言

提板式配汽机构由于结构小巧、紧凑，适宜在整体基架的快装式汽轮机中使用，因此被广泛地使用在低参数、小功率的工业汽轮机上。由于机组经济性的要求，工业汽轮机呈现高参数化的发展趋势。随着参数的提高，机组对提板式配汽机构运行过程中稳定性的要求越来越严格。

本文通过对低参数机组的提板式配汽机构从力学原理上进行分析，探讨在变工况过程中提板式配汽机构的稳定性及其相关问题，并针对高参数的提板式配汽机组，提出了一种新的提板式配汽机构，以有效地保证配汽机构的稳定性。

2 提板式配汽机构稳定性分析

典型的提板式配汽机构主要由提板式调节阀、配汽杠杆、油动机三部分组成，通过油动机的提升力带动杠杆旋转来改变调节阀的开度，从而达到汽轮机负荷变化和启停的要求。图1为低参数提板式配汽机构原理简图。

图1 低参数提板式配汽机构简图

由图1可知，提板式配汽机构从原理上看为一杠杆结构，由理论力学杠杆平衡理论可知，如要保证提板式配汽机构稳定的话，应存在如下一个等式[1]：

其中：

FY—油动机的提升力；

LY—油动机力臂；

FT—调节阀所受合力；

LT—调节阀力臂。

图2 典型提板式调节阀结构图

为了了解提板式配汽机构的受力状况，就必需了解调节阀的结构。图2为典型提板式调节阀结构图。从图上来看，调节阀的受力主要包括以下三个部分：阀蝶、横梁、提升杆等部件的重力F1，作用在阀蝶上的蒸汽力F2，以及蒸汽作用在提升杆上的上浮力F3。这三部分力的合力即为式（1）中的FT。

在这三个力中，F1的方向为垂直向下，F2的方向为垂直向下，F3是由于提升杆的两个端面受到的压力差产生的，分别为下端面受到的工作压力与上端面受到的大气压力。由于工作压力远大于大气压力，故上浮力F3的方向始终向上，且随着工作参数的提高而增大。

当F3＞F1+F2时，FT的方向为垂直向上，如果这种情况发生在负荷变化的过程中，杠杆左侧的油动机提升力FY方向向下，这时整个杠杆将处于失稳状态，杠杆会以固定点为圆心发生转动，从而导致汽轮机进汽流量突变而引起汽轮机的负荷发生较大的波动。

由于早期采用提板式配汽机构的机组进汽参数低，提升杆的直径较小，一般情况下F3＜F1+F2，故一般不会出现配汽机构失稳导致机组负荷波动的情况。根据上文的分析，随着参数的提高，阀门提升力增大，受材料强度的限制，提升杆的直径加大，最终会导致出现F3＞F1+F2的情况，出现配汽机构失稳。

为此采用图1、图2的结构，对某高温高压机组变工况过程中的提板式配汽机构阀门侧受力情况进行计算。提板式配汽结构阀门侧受力曲线详见图3。

图3 高温高压提板式配汽机构阀门侧受力曲线（受力垂直向下为正）

从这条曲线来看，随着提升杆行程的增大（即汽轮机负荷的增大），阀门侧所受的合力出现震荡变化，部分负荷阀门侧受力方向向上，部分负荷阀门侧受力方向向下，在最大功率附近的时候，阀门侧受力将一直向上，且这种情况交替出现。因此在汽轮机变工况的时候，提板式配汽机构会存在失稳的状态，故采用低参数机组提板式配汽机构的高参数机组在负荷变化过程中存在负荷波动的问题。

同时由于采用低参数提板式配汽机构，阀门侧的上浮力始终存在，如果提板式配汽机构提升杆的总截面面积大于1#阀碟配合直径的面积，一旦阀壳内有蒸汽流入，必然导致提升杆的上浮力大于阀碟所受蒸汽力及自身重力，即FT的方向竖直向上，导致阀门关闭不严。为了保证提板式配汽机构关闭的严密性，就必须使油动机有一个过关量（即保证油动机施加一个向上力去克服调节阀的上浮力）。故油动机一般不设置限位装置，而将阀门关闭限位设置在调节阀上。由于油动机的出力由阀门开启的最大提升力决定，因此油动机的出力很大。关闭过程中油动机出力与开启时相同，这导致油动机处于过关状态时对配汽机构施加了一个很大的持续载荷。而在设计配汽杠杆时，为了减小油动机体积，油动机侧力臂远大于阀门侧，因此在阀门关闭时，由于杠杆的放大作用，作用在配汽杠杆及阀门侧的力被成倍放大，一旦施加的力大于阀杆等部件屈服强度，就会出现阀杆的变形或断裂。

3 新型提板式配汽机构

根据上文分析，对于高参数的机组，为了保证提板式配汽机构的稳定性，就必需克服提升杆的上浮力，保证在机组整个运行过程中阀门侧的受力一直向下。通过施加一个外力来克服提升杆的上浮力，使阀门侧所受的合力FT方向一直向下，保证配汽杠杆在整个运行过程中一直处于稳定状态，同时在保证阀门关闭严密性的基础上取消油动机的过关量，使阀门减少关闭时的受力并使阀门、提升杆在整个过程中是铅垂方向运动。为此在低参数提板式调节阀的基础上设计了一个弹簧机构，如图4所示。

图4 新型提板式配汽机构阀门侧结构图

该机构主要由弹簧、弹簧拉杆、弹簧压板、弹簧顶板及螺母构成。拉杆的一头通过螺纹与调节阀盖固定，依次将弹簧压板、弹簧、弹簧顶板串在拉杆中，并将弹簧压板与提升杆上部固定。在冷态安装时通过调节拉杆上部的螺母，调整弹簧的预压缩量。在运行的过程中，根据负荷的要求，提升杆向上运动，随着提升杆的上升压缩弹簧，产生一个向下的附加力，从而有效地克服提升杆的上浮力，保证整个过程中杠杆处在稳定状态，同时取消油动机的过关量，阀门的关闭及开度减小由弹簧装置实现，油动机仅提供阀门开启的提升力和阀门开度减小过程中的限位作用。弹簧产生的力为铅垂向下，能有效地防止阀杆弯曲卡塞。

整套机构的重点在于弹簧的设计，弹簧刚度设计过大会导致配汽机构的提升力过大，弹簧刚度设计过小则无法克服提升杆的上浮力。经过分析认为设计应充分考虑如下几个工况：

（1）主汽阀全开，调节阀关闭工况；

（2）阀门蒸汽力最大工况；

（3）阀门全开工况。

经分析在主汽阀全开，而调节阀关闭的情况下，由于受强度、刚度等因素的影响，2个提升杆的面积大于1个阀碟的配合直径面积，FT的方向竖直向上，如要保证阀门关闭的严密性，必须使弹簧产生一个向下的力克服提板式配汽机构的上浮力。故弹簧的预加负荷应大于等于这个值。当蒸汽作用在阀碟上的力F2最大时，如果弹簧力过大就会导致油动机的出力过大，导致油动机做得更大。在阀门开度最大工况，蒸汽作用在阀碟上的力F2最小，此时弹簧提供的力必须能克服提升杆的上浮力。同时由于阀门的关闭靠弹簧来完成，因此应保证在整个运行过程中弹簧有足够的力来使阀门迅速地关闭，并且弹簧的变形量应适当，避免出现弹簧尺寸过长。在设计弹簧的时候，应综合考虑以上因素，合理进行设计。

根据上述原理，对图3参数的提板式配汽机构的阀门设计一弹簧装置。设计在阀门全关时，提升杆的上浮力为弹簧预加负荷，根据弹簧材料强度，考虑整个装置设计弹簧刚度为635N/mm，预压缩量为35mm，最后整个负荷变化范围内，整个配汽机构的提升力曲线见图5。

图5 高温高压新式提板式配汽机构阀门的受力曲线（受力垂直向下为正）

从图5上看，在整个负荷变化过程中，整个提板式配汽机构阀门侧的受力FT的方向一直垂直向下。这样就能保证配汽机构在运行过程中处于稳定状态，解决了变工况过程中负荷波动的问题。同时由于弹簧的刚度较大，保证了在整个关闭过程中，较小的形变量有足够的力，故阀碟关闭的初始加速度大，关闭就越迅速。此外弹簧竖直向下的力，一定程度上保证了阀碟竖直向下运动。

根据阀门的改进，对提板式配汽机构油动机进行优化设计。油动机的功能定义为在阀门开启过程中提供拉力，而在阀门关闭的过程中只起限位作用。将油动机与配汽杠杆连接的铰链结构中与杠杆轴配对的圆孔改为腰形孔，即在开启过程中铰链的连接轴与腰形孔上端面接触，带动杠杆向下运动，在阀门逐渐关闭的过程中，根据负荷变化的需要，油动机逐渐向上运动从而依靠杠杆在弹簧作用下快速关小阀门，从而改变机组的负荷。当阀门最终关闭时，油动机首先上移至阀门全关位置，依靠杠杆在弹簧的作用下实现关闭。由于油动机存在限位，故不会产生附加力作用。

为了保证调节阀关闭的严密性，必须在调节阀阀蝶及提升横梁上设计调整机构保证在任何工况下阀门的关闭过程中阀蝶与阀座的对中。故新型提板式配汽机构在原调节阀结构的基础上，在提板横梁的下端面与阀蝶的上端面增加了一定的间隙（见图6），在阀门关闭过程中，通过油动机的限位作用保证油动机动作到全关位置时，提板横梁下端面的间隙还在。通过这个间隙以及阀蝶杆部与横梁间隙来调节阀蝶与阀门的对中，通过作用在阀蝶上越来越大的蒸汽力及阀蝶自身重力去实现阀门关闭的严密性。

图6 调节阀阀碟与横梁间隙示意图

4 结论

本文通过对低参数工业汽轮机提板式配汽机构从力学原理上进行分析，研究了提板式配汽机构在运行过程中的稳定性及其相关问题。研究发现随着机组参数的提高，提板式配汽机构会随着提升杆上浮力的提高而出现失稳状态，导致机组的负荷波动。

基于上述理论分析，本文针对高参数的提板式配汽机组，提出了一种新式的提板式配汽机构，消除了配汽机构阀门侧的上浮力，保证了配汽机构运行过程中的稳定性。

[1]哈尔滨工业大学理论力学教研组.理论力学[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，Fan 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.

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尹刚（1982-），男，工学硕士，现工作于工业透平事业部，主要从事工业汽轮机概念设计工作。