1 引言

水輪機調(diào)速系統(tǒng)是水輪機發(fā)電機組中最重要的核心控制系統(tǒng)之一。它負(fù)責(zé)控制水輪機發(fā)電機組的啟動、停機和實時速度調(diào)節(jié)。主壓力閥及其先導(dǎo)控制部件是水輪機調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備將接收到的電氣控制信號實時轉(zhuǎn)換為液壓信號輸出，并在功率放大后操作接力器，然后推動水輪機進水口導(dǎo)葉，調(diào)整進水流量[1]。從而達到控制水輪機發(fā)電機轉(zhuǎn)速的目的。對于水輪機調(diào)速系統(tǒng)，仔細分析主壓力閥的性能指標(biāo)，如輸入輸出之間的線性度、回滯、響應(yīng)頻率等，可以發(fā)現(xiàn)主壓力閥實際上是一個大型伺服閥本體。因此，在設(shè)計和生產(chǎn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格計算和模擬主壓力閥的流道結(jié)構(gòu)、閥盤結(jié)構(gòu)、泄漏、死區(qū)、配合間隙、元件表面硬度、閥芯自重等。

2 介紹同類進口主配壓閥

三峽電站、龍灘電站、小灣電站等30多臺單機600臺國內(nèi)已投入發(fā)電的大型水輪發(fā)電機組MW上述機組均使用DN250進口主配壓閥，主要集中在GE和ALSTOM以三峽為例，左岸采用了兩個品牌。ALSTOM產(chǎn)品，右岸用GE產(chǎn)品。這兩種主要配置的結(jié)構(gòu)形式見圖1所示。

圖1中可以看到兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別，ALSTOM采用立式三閥盤結(jié)構(gòu)，GE采用臥式兩閥盤結(jié)構(gòu)，均采用主配壓閥一端恒壓油和另一端控制油的設(shè)計方法。此外，兩者都選擇了嵌入主配壓閥套的結(jié)構(gòu)形式。自投入運行以來，實際運行良好。

圖 1

3 方案分析

3.1 結(jié)構(gòu)類型選擇

通過對進口同類產(chǎn)品的比較，結(jié)合多年在國內(nèi)主壓閥設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試和現(xiàn)場運行方面的經(jīng)驗，我們認(rèn)為在確定方案的結(jié)構(gòu)類型時重點關(guān)注以下幾個方面。

（1）閥套是否用于主壓閥體內(nèi)，閥套的主壓閥結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本較高。同時，由于增加了一層閥套過流孔，閥的過流能力會在主壓閥活塞行程相同的情況下降低。

（2）對于嵌入式閥套的方案，閥套與閥體之間的密封方式是間隙密封還是密封。如果采用間隙密封，由于閥套與閥體之間的間隙較小，與無閥套的結(jié)構(gòu)相同，在使用過程中，如果外部油管的加工制造或安裝控制不當(dāng)，會導(dǎo)致主壓力閥體的微量變形，容易造成閥芯堵塞。

(3)閥心是采用兩閥盤結(jié)構(gòu)還是三閥盤結(jié)構(gòu)，重量輕，慣性小，有利于提高響應(yīng)速度，但導(dǎo)向性稍弱。相反，三閥盤結(jié)構(gòu)閥心重量大，慣性大，但導(dǎo)向性明顯優(yōu)于兩閥盤，尤其是短閥心。

（4）閥芯及其控制端是采用整體結(jié)構(gòu)形式還是分段。如果采用整體結(jié)構(gòu)，加工件的形狀公差要求高，組裝困難，但閥體的總長度可以縮短。如果采用分段結(jié)構(gòu)，組裝和維護相對容易，總長度增加。

（5）主壓力閥的整體安裝方法為垂直或水平。對于水平結(jié)構(gòu)，在主維護過程中，主壓力閥可以很容易地拆卸和清洗，而無需拆卸管道。對于垂直結(jié)構(gòu)，由于閥芯垂直放置，控制性能在一定程度上會受到閥芯自重的影響。但該結(jié)構(gòu)可以依靠閥芯的自重來保持部分關(guān)閉，水平占用工廠空間小，布局方便。

(6)閥套的開口類型為圓孔、方孔或全周環(huán)形槽。圓孔總過流面積小，孔周圍應(yīng)力相對分散。方孔總過流面積略大于圓孔，拐角處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。全周環(huán)形槽軸向尺寸難以控制，熱處理后元件容易變形。

（7）閥體的形式是鑄件或鍛件。鑄件容易做出孔徑大、光滑的良好流道，但單位面積承載壓力略低，生產(chǎn)過程中報廢率高。鍛件強度高，流道復(fù)雜，過流面積相對較小。

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3.2 受力分析

(1)閥心受力分析

圖2顯示了偏離中心位置時三閥盤閥心和兩閥盤閥心的油壓示意圖。圖中三閥盤閥心的兩個外端，即圖2中的兩個M端和N端部受到接力器排油形成的壓力，兩側(cè)受力大小基本相同，兩個閥盤閥的心臟Y端部受到接力器排油形成的壓力，X端部不受力，因此閥心兩端的擾動力不一致。

圖 2

(2)閥套應(yīng)力分析

圖3顯示了兩個閥盤結(jié)構(gòu)的主閥套一端受力圖，當(dāng)閥心向左移動時，P腔壓油進入A腔，對A腔閥套的外圓形成周向壓力。此時，閥套左側(cè)的內(nèi)部T腔壓很小，容易導(dǎo)致閥套左端向內(nèi)凹陷變形。相比之下，當(dāng)主壓力閥芯采用三閥盤結(jié)構(gòu)時，相應(yīng)的主閥套在各種工況下內(nèi)外應(yīng)力相對平衡。

圖 3

3.3 流態(tài)分析與模擬

主操作油的流態(tài)會直接影響主配壓閥芯的穩(wěn)定性。過于混亂的流態(tài)會導(dǎo)致主操作油管本體和連接在管道中的液壓設(shè)備，如事故配壓閥和分段關(guān)閉裝置，危及發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。輸入主配壓閥的壓力油首先通過主配壓閥P-A閥口，送到接力器，然后主配B-T閥口流回油箱。在整個循環(huán)過程中，油流還通過了主閥體的三個腔室和主壓閥套的多個孔。由于大多數(shù)電廠通過調(diào)整確保計算，事故壓力閥和分段關(guān)閉裝置串聯(lián)在主操作油回路中。壓力油流通過管道長、環(huán)節(jié)多、流態(tài)紊亂。在主壓力閥結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，南瑞模擬了實際結(jié)構(gòu)。圖4和圖5顯示了雙閥盤結(jié)構(gòu)的主壓力閥和內(nèi)部流體的流態(tài)模擬示意圖。其中，圖4為流態(tài)線路分步圖，圖5為流態(tài)線路整體圖。這兩張圖表示閥心移動10mm此時，壓力油從P口流入主配壓閥，通過主配壓閥A口流到接力器進入油腔，然后從接力器出油腔返回主壓閥B口流入閥體，通過主配壓閥的T口流回油箱，整個油流瞬時穩(wěn)定。

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圖4

圖5 流態(tài)跡線整體圖

3.4 覆蓋，間隙和泄漏

遮擋是指主壓力閥處于中位時，閥芯控制邊與閥套控制口之間的疊加量，間隙是指主壓力閥芯閥盤與閥套內(nèi)孔之間的徑向間隙。如果設(shè)計要求主壓力閥產(chǎn)品遮擋大、間隙小，產(chǎn)品油流泄漏相對較小，但動作死區(qū)增加，動態(tài)性能降低，加工難度增加，成本顯著增加；相反，如果設(shè)計規(guī)定主壓力閥遮擋小、間隙大，產(chǎn)品油流泄漏相對較大，但動作死區(qū)減少，動態(tài)性能提高，加工相對容易，成本降低。此外，隨著主壓力閥芯直徑的增加，DN如果250的主配應(yīng)與小型主配應(yīng)保持相同的泄漏量和速度，加工難度將成倍增加。因此，選擇合理的間隙和配合是設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一。

3.5 熱處理工藝

主壓閥閥體、閥芯、閥套的熱處理工藝與各部件選擇的材料和最終精度要求密切相關(guān)。由于主壓閥閥芯與閥套的配合精度高，尺寸穩(wěn)定性好，表面硬度高，耐腐蝕，制造過程中需要多次人工及時應(yīng)力處理，確保主壓閥能真正實現(xiàn)大型伺服閥體的功能。

4 結(jié)論

通過對大型主配壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析，以及樣機的模擬，DN為了共同促進國內(nèi)水輪機調(diào)速的發(fā)展，250主配壓閥的國產(chǎn)化既有實現(xiàn)要求，又有實現(xiàn)條件。