汽轮给水泵速关阀关闭特性研究

孙长江，蔡佐君

（1.海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，大连 116005；2.中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031）

汽轮给水泵速关阀关闭特性研究

孙长江1，蔡佐君2

（1.海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室，大连 116005；2.中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031）

对汽轮给水泵速关阀的关闭特性进行理论建模和仿真计算研究，获得了工作水背压、阻尼系数及非线性因素对速关时间的影响。实际应用中，应避免工作水背压的提高。

汽轮给水泵；速关阀；关闭特性；仿真

0 引言

速关阀也叫主汽门，是汽轮机设备中的关键部套，是保护系统的执行元件[1]。当机组发生异常时，汽轮机的保护装置动作后，主汽门迅速关闭，切断汽轮机的进汽使机组停机[2]。速关阀要求有足够大的关闭力和快速性[3]，速关时间是速关阀性能的重要考核指标。某型汽轮给水泵采用的速关阀结构如图1所示，主要由阀头、滤网、阀杆、预紧弹簧和动力活塞组成，图2是动力活塞的示意图。速关阀的液体工作介质是过滤精度较高的水，应用于汽轮给水泵中具有抗燃、简化调节系统的优点[4]。

汽轮机开启时，动力活塞左侧腔室A充入高压工作水，克服预紧弹簧力将速关阀打开。当汽轮机需要关闭时，动力活塞左侧腔室高压工作水接通一定的背压泄放，阀杆在预紧弹簧力的作用下快速关闭速关阀。

在实船使用中，曾经发生工作水背压过高时，速关阀关闭异常缓慢的故障。为了解和掌握影响速关阀关闭速度的影响因素，本文对该型汽轮给水泵速关阀关闭特性进行理论建模，并用MATLAB软件进行了动态仿真计算，获得了速关阀关闭特性的不同影响因素。

1 数学模型的建立

根据速关阀的结构特点可知，速关阀关闭是通过开启动力活塞左侧A腔室与工作水背压的通路，使得A腔室泄压，从而在预紧弹簧的作用下快速关闭阀门。根据速关阀的受力特点，可以建立下面的力学方程：

图1 速关阀结构示意图

图2 动力活塞示意图

这是一个二阶常微分方程。其中，K是预紧弹簧的刚度；x0是速关阀处于全开状态时的预紧弹簧压缩量；x是阀杆位移；C是摩擦阻力系数；p是动力活塞左腔室的瞬时工作水压力；M是速关阀运动件的总等效质量；A是动力活塞作用面积。由上式可见，工作水压力p的函数关系未知时，无法对式（1）的微分方程进行求解。为了从方程中消去工作水压力p，需要利用动力活塞移动时左腔室容积改变所满足的连续方程，即活塞单位时间移动过的容积量等于工作水从腔室中流出的流量，从而有下面的方程成立：

式中，μ是流量系数，S是泄压管路通流面积，pb是工作水背压，ρ是工作水的密度。式（2）代入（1）式，经过整理后有：

该方程是非线性常微分方程，难以获得解析解，但可以对其做一些定性的理解。上式右侧的即为促使速关阀关闭的驱动力，该值越大，关闭时间必定越快。为了进一步考察影响速关阀关闭的因素，对方程（3）做无量纲化处理，位移参考值采用速关阀的行程L，时间量纲参考值采用系统的固有频率倒数，即有下式成立：

式（4）代入（3）式后，整理可得：

2 仿真及分析

2.1 工作水背压的影响

式（5）是非线性常微分方程，难以获得解析解，本文通过MATLAB计算软件进行仿真求解。工作水背压取为0.05MPa，由速关阀实际的结构尺寸和经验数据可以获得a、b、d相应的值为126.5、81和1.814，其中b值为81，表明为大阻尼运动，因此不会发生振荡现象，这是设计上必须保证的。以速关阀开始关闭计算，初始条件为：

图3所示是速关阀在0.05MPa工作水背压下的关闭特性曲线，图中横坐标为无量纲时间τ=tω，纵坐标为无量纲位移u=x0/L。当无量纲位移达到 1.0时表示速关阀走完全行程，处于关闭状态。由图中曲线可知，此时无量纲时间大约为66，折算成时间为0.7s。

图4所示是不同工作水背压下的速关阀关闭曲线比较，工作水背压分别取为0.05MPa、0.1MPa、0.2MPa。由图可见，随着工作水背压的提高，速关阀的关闭驱动力降低，速关阀关闭时间相应延长。工作水背压为0.1MPa和0.2MPa时，无量纲时间分别为76、110，速关阀关闭时间分别是0.05MPa工作水背压的1.15和1.67倍。速关阀关闭时间延长，是不利于机组安全性的，实船使用中曾因为工作水背压调整不合理导致机组速关时间延长，因此必须严格控制工作水背压，避免工作水背压的明显提高。

图3 pb=0.05MPa速关阀关闭曲线

图4 不同pb工作水背压下关闭曲线对比

2.2 阻尼系数的影响

由式（5）可见，b值即为该方程的阻尼系数，该值的增加，必然会影响速关阀的关闭时间，图5所示是不同阻尼系数b下的速关曲线对比，在b=81的基础上分别增大和减小20%b值后获得另外两条曲线。速关时间的变化与理解是一致的，b值的增加使得运动减慢，因此速关时间相应延长。

图5 不同阻力系数速关曲线对比

2.3 非线性项的影响

由方程（5）的结构可见，非线性项的增加也是阻碍速关阀关闭的，因此可以预料到，a值的增加必然会导致速关时间延长。图6所示是非线性项系数a值在126.5的基础上分别增大20%、减小20%后的关系曲线对比，同时图中还给出了完全略去非线性项时的速关曲线，即a=0和a取为450较大值时的速关曲线。由图可见，a值在相当大的范围内变化时对速关曲线影响很小，a值达到450时速关曲线才会有明显的改变。实际处理中完全可以将式（5）简化为线性方程处理，即在方程中略去非线性项。

图6 非线性项的影响

3 结论

本文对某型汽轮给水泵速关阀关闭特性进行了数学建模，并通过MATLAB软件进行了仿真计算，对比了不同因素对速关阀速关特性的影响。主要结论如下：1）工作水背压对速关阀速关时间影响较大，实际使用中需要保证背压值不能明显提高，以免影响机组的速关时间；2）阻尼系数对速关时间也有较大影响，随着阻尼系数的增加，速关时间延长；3）非线性项对速关时间影响较小，在一般的实际使用中，可以将动态方程简化处理成线性方程，只有在a值较大时，才会对速关时间产生明显的影响。

[1]黄保海,白玉,牛卫东.汽轮机原理与构造[M].北京:中国电力出版社,2002.

[2]王国清,等.汽轮机设备运行技术问答[M].北京:中国电力出版社,2004.

[3]哈尔滨汽轮机厂.汽轮机调节系统的设计[M].北京:水利电力出版社,1980.

[4]B.H.维列尔.汽轮机自动调节[M].北京:电力工业出版社,1980.

Research on Shut-down Characteristics of Quick Closing Valve of Feed Pump Turbine

SUN Chang-jiang1，CAI Zuo-jun2
(1.Naval Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.,Dalian 116005,China; 2.No.704 Research Institute,CSIC,Shanghai 200031,China)

The shut-down characteristics of quick closing valve of feed pump turbine are studied by the theoretical model and simulation.The influences of working water back pressure,damping coefficients and nonlinear factor on quick closing time are obtained.The back pressure of working water should not be increased in actual application.

feed pump turbine; quick closing valve; shut-down characteristics; simulation

TK264.9

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.009

孙长江（1976-），男，硕士研究生，工程师，从事轮机专业相关工作。