船用小型汽轮机危急保安器特性分析

李一兴，朱军华，江 攀，戴娜娜

· （中国船舶重工集团公司 第704研究所，上海 200031）

船用小型汽轮机危急保安器特性分析

李一兴，朱军华，江 攀，戴娜娜

· （中国船舶重工集团公司 第704研究所，上海 200031）

针对船用小型汽轮机常用的超速危急保安器结构特点，从偏心式飞锤、压紧弹簧及整个保安器三个方面对力学特性和运动特性进行了分析，获得了脱扣前、脱扣后及复位过程的特性，并得出了调整垫片厚度对脱扣转速的变化规律，可为汽轮机机组安全运行提供保障。

汽轮机；危急保安器

0 引言

汽轮机属于高温高压高速旋转的热力设备，其转动部件(叶片、叶轮等)承受均在较大的离心力下工作，该离心力和转速有着密切的关系。由力学原理可知，离心力的增加与转速的平方成正比，当转速增加时，离心力所造成的应力将会迅速增加。当转速达到额定转速的1.1倍时，应力将增大21%；而当转速达到1.2倍时，应力增大44%[1-2]。在船用汽轮机设计时，为达到小型化结构尺寸的要求，其转速较常规汽轮机更高，通常范围5000～10000r/min，由于转动部件的材料强度裕度有限，因此当转速升高到超出安全阈值时，将导致汽轮机的严重破坏而构成重大事故，影响机组安全运行。为了防止这种情况的发生，机组都必须装有危急保安器，与危急遮断油门配合构成汽轮机组超速保护装置。当转子转速超过脱扣转速后，保安器动作带动危急遮断油门动作，使主汽门速关，机组紧急停车。因此，危急保安器能否正常动作，对于保证机组安全有重要作用。

1 危急超速保护组合装置结构及工作原理

图1是某型船用汽轮机危急保安器的常用结构，采用飞锤与弹簧结合的型式。整个部套安装于转子轴端内，与转子同旋转。飞锤被压缩弹簧压紧在底端螺母的上端面，弹簧的预压缩量通过调整垫片的厚度进行调整。在达到脱扣转速以前，飞锤离心力小于弹簧的压力，飞锤被弹簧压着不能飞出。当转速超过保护转速时，飞锤的离心力克服弹簧力而迅速飞出，撞击危急遮断器的挂钩，使危急遮断油门动作，从而阻断通往主汽门的压力油，引起主汽门速关。整个装置的行程由转子凸台与飞锤底盘的间距决定。

图1 飞锤式危急保安器

图2 危急超速保护组合装置

从上述结构及原理描述可看出，危急保安器结构及运动形式较为简单，但飞锤及弹簧的特性是保证其正常工作的关键。

2 危急保安器特性分析

2.1 飞锤运动特性

飞锤为一带圆头的柱体结构，如图3所示。由于其头部与挂钩部件发生高速碰撞，因此必须采用渗碳等措施增加其表面硬度。

图3 偏心飞锤结构

飞锤为一偏心结构，危急保安器装入转子后，飞锤重心位置必须高于转子中心，从而保证飞锤能够向外飞出。飞锤离心力可表示为：

式中：mc为飞锤质量；rc为飞锤重心与转子中心的偏心距；ω为角速度

从式(1)可看出，飞锤离心力与其质量、偏心距、转速有关。

2.2 弹簧运动特性

弹簧结构如图4所示，弹簧的自由长度为L0，最大压缩长度为Lmax(弹性变形)，其压紧力与压缩量成正比[3-4]，如式(2)所示：

图4 弹簧结构及压紧力示意图

弹簧装入危急保安器后，有一定预压缩量，产生的压力将飞锤压紧。通过调整垫片的高度和数量可改变弹簧的预紧力。

弹簧本身也会产生离心力，其大小也由式(1)决定，公式内的值相应替换为弹簧质量、弹簧偏心距、弹簧角速度。在整个保安器特性分析时，这部分离心力也需考虑。在模型简化的情况下，可将弹簧与飞锤作为一个整体计算偏心距与离心力。

2.3 保安器特性

图5是根据飞锤及弹簧的特性组合后生成的保安器静力特性图。横坐标X为位移坐标，纵坐标F为力(离心力和弹簧力)坐标。A点是弹簧预紧力与(飞锤+弹簧)在脱扣转速(对应角速度ω1)下对应离心力的平衡点，B’点为飞锤飞出后的最大行程对应点，B点为弹簧的最大行程(压缩量)对应点，C点为弹簧对应的自由长度点，D点是额定转速(对应角速度ω0)下对应的离心力，ω2为飞锤对应的复位角速度。x0为弹簧预压缩量，s为飞锤(弹簧)的行程。

当转子转速较低时，飞锤的离心力小于弹簧预紧力，在额定转速时，两者的差距为AD段数值。随着转速的增加，当达到脱扣角速度ω1时，飞锤离心力与弹簧预紧力达到平衡，飞锤处于飞出的临界状态。此后，随行程的增加，飞锤离心力的增加值大于弹簧压紧力的增加值(两者差值为AB’与AB段之间的数值)，从而使飞锤处于加速运动状态，直到达到最大行程为止。该过程可推导如下：

图5 保安器静力特性图

在行程为x时，飞锤的偏心距增大，其离心力与弹簧压紧力差值为：

在船用小型汽轮机中，飞锤的整个行程一般设置为4～6mm，在这较短的距离内，可认为转子转速变化不大，ωx≌ω1。

此外式中x＞0，由此式(2)的结果大于0，这表明飞锤在飞出后的行程内，其离心力的增加将大于弹簧压紧力的增加，Fc＞Fk。

当危急保安器动作后，主汽门速关，机组停机，由此转子转速开始下降，飞锤的离心力沿B’B段下降，但此时弹簧力仍保持最大压紧力不变，飞锤仍处在最大行程位置。当转速下降到复位角速度ω2时，此时的离心力和弹簧力相当，之后转速继续下降，弹簧力大于离心力，飞锤被加速拉回原位。该过程同飞锤飞出时的分析相一致，返回时飞锤离心力的下降大于弹簧压紧力的下降，由此Fc＜Fk。

2.4 脱扣转速调整

根据目前船用汽轮机的实际使用情况和安全裕量[5]，超速保护转速一般设置为额定转速的(1.08～1.12)ω0。由于加工误差等因素，其脱开转速与设计值难免有一定差距，需要在试验中通过调整垫片的厚度进行调整。

当垫片增加1mm时，脱扣转速的变化为⊿ω，其平衡点方程变化为：

由此可得出，转速变化率Δw为：

将原转速ω1、装置(锤+弹簧)的质量m、偏心距ri(这里忽略垫片厚度变化引起的偏心距变化)、弹簧刚度k代入式(5)中，即可获得垫片每变化1mm对应的脱扣转速变化情况。在保安器部套试验时，通过调整垫片厚度，使飞出转速满足范围要求。为减小偶然因素影响，保证装置的可靠性与灵敏度，保安器需连续试验3次，均正常动作，并使脱扣值在正常脱扣整定值的±1%范围内。

3 结论

危急保安器是船用小型汽轮机常见的超速保护装置，其工作灵敏度与可靠性直接影响机组的安全：1）飞锤离心力与弹簧压紧力是决定装置运动特性的两大因素；2）保安器运动过程可分为脱扣前、脱扣时、脱扣后和复位四个主要过程。脱扣前，弹簧压紧力大于飞锤离心力，装置静止在原位置；脱扣转速为两者平衡点；脱扣后到最大行程间，弹簧力与飞锤离心力都增大，但前者增加值小于后者，使飞锤加速运动到最大行程处；在最大行程位置到复位转速之间，弹簧力不变，飞锤离心力逐渐减小，但仍大于弹簧力，使装置静止在最大行程处；复位转速为两者的另一平衡点；复位到原位置过程间，弹簧压紧力与飞锤离心力都减小，但前者减小值小于后者，使飞锤加速归位；3）可根据垫片变化1mm的转速变化率，通过调整垫片厚度对装置的脱扣转速进行调整，使之满足范围和灵敏度的要求。

[1]高永芳,芦 林.工业汽轮机危急保安器结构及设计[J].大氮肥,1999,22(4):269-271.

[2]张晓玲,王玉文.汽轮机危急遮断器的计算调整与安装浅析[J].冶金动力,1999(2):9-13.

[3]屈凡春,李亚平,陈晓华.汽轮机机械超速不合格原因分析及改进[J].甘肃科技,2011,27(17):72-73..

[4]马源良,黄中华,方 侃,等.汽轮机危急遮断装置误动原因分析及处理[J].青海电力,2009,28(4):48-50.

[5]郭曙祥.驱动汽动给水泵小汽轮机保安系统的改进[J].电力建设,2005,26(2):17-18.

Characteristic Analysis of Emergency Trip Device for Marine Compact Steam Turbine

LI Yi-xing,ZHU Jun-hua,JIANG Pan,DAI Nn-ma
(No.704 Research Institute of CSIC,Shanghai 200031,China)

The force and dynamic characteristics of emergency trip device for compact turbine are analyzed in this paper.The characteristics of off-center pole,pressured spring and trip device of three procedure (before and after trip,restore)are obtained.The law of the height of gasket with trip rotate speed is calculated.All the work is the basis for the safety of the turbine.

compact steam turbine; emergency trip device

TK263.2

A

李一兴（1976-），山西大同人，博士研究生，高工，主要从事汽轮辅机设计。