在水輪機調(diào)速器開發(fā)中應(yīng)重視標(biāo)準(zhǔn)液壓件的應(yīng)用

1、十、在水輪機調(diào)速器開發(fā)中應(yīng)重視標(biāo)準(zhǔn)液壓件的應(yīng)用張治宇 張建明（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）摘 要 近十幾年來，我國水輪機調(diào)速器的液壓控制部分的開發(fā)研制取得了較大進(jìn)展，各種產(chǎn)品形式層出不窮，產(chǎn)品質(zhì)量有了很大提高。但通用液壓行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)液壓件尚未在該行業(yè)得到全面普及，制約著液壓技術(shù)的最新成果在該領(lǐng)域的順利應(yīng)用，十分不利于調(diào)速器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與提高。本文從幾個側(cè)面概要地分析了在調(diào)速器中大量采用標(biāo)準(zhǔn)液壓件的可行性，使調(diào)速器液壓技術(shù)及時與現(xiàn)代液壓技術(shù)接軌，從而推動和促進(jìn)我國調(diào)速器技術(shù)迅速躋身世界先進(jìn)行列。關(guān)鍵詞 水輪機調(diào)速器 標(biāo)準(zhǔn)液壓件 直接數(shù)字控制概況 水力發(fā)電行業(yè)液壓控制技術(shù)應(yīng)用很廣

2、，如控制機組進(jìn)水的球閥/蝶閥控制系統(tǒng)、啟閉機液壓控制系統(tǒng)、升船機液壓控制系統(tǒng)、水車保護(hù)回路液壓順序控制、水輪機調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)（包括導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)槳機構(gòu)的液壓伺服控制）其中最為關(guān)鍵、復(fù)雜的是水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的液壓伺服控制。水輪調(diào)速器液壓系統(tǒng)與調(diào)節(jié)器相配合，用于實現(xiàn)水輪機組的開/停機、頻率跟蹤/調(diào)節(jié)、有功功率增減、調(diào)相、甩負(fù)荷、緊急關(guān)機、分段關(guān)閉、位置隨動控制等自動/手動及遠(yuǎn)方操作功能，現(xiàn)在已有相當(dāng)數(shù)量的調(diào)速器在先導(dǎo)控制油路中采用了標(biāo)準(zhǔn)液壓閥/閥組，如電磁換向閥等，實際使用情況令人滿意；但由于水電行業(yè)對控制系統(tǒng)可靠性有苛刻要求的特殊性，使一般液壓專業(yè)廠家難以進(jìn)入水輪調(diào)節(jié)這一相對獨立的專業(yè)領(lǐng)域，因此

3、有必要將水電行業(yè)液壓技術(shù)發(fā)展和當(dāng)前液壓發(fā)展的新技術(shù)有機結(jié)合起來，提高水電行業(yè)液壓設(shè)備裝備水平。下面淺淡一下水輪機調(diào)速器液壓伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)元件普及使用問題。水輪機調(diào)速器與通用液壓技術(shù)融合的必要性與可能性 水輪機調(diào)速器主要有機械液壓型和電氣（包括模擬電路、數(shù)字電路或微機）液壓型兩大類，簡要工作原理大體如下面框圖所示：圖1. 機械液壓型調(diào)速器框圖圖2. 電氣液壓型調(diào)速器框圖由上圖可知液壓元件/組件主要有以下幾種：·引導(dǎo)閥相當(dāng)于機動伺服閥，輔助接力器相當(dāng)于差動活塞，主配壓閥相當(dāng)于四通機液伺服閥，主接力器就是單作用或雙作用不等面積的油缸，緩沖器相當(dāng)于液壓可變阻尼彈簧。·油源

4、裝置是由油箱、雙組螺桿泵-電機組，具有蓄能器作用的儲油罐，安全閥組，壓力繼電器等組成。由上可知，所采用的液壓元件都是單件小批量加工制作和設(shè)計的，因此存在著加工難度大、性能一致差、成本高且互換性不好、標(biāo)準(zhǔn)化程度低等問題。隨著液壓工業(yè)技術(shù)水平不斷提高，符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的液壓元件及時進(jìn)入調(diào)速器這一相對獨立的行業(yè)中, 已是一件亟待解決的問題。普及中/高壓力等級是提高調(diào)速器液壓元件標(biāo)準(zhǔn)化水平的有效途徑。 目前調(diào)速器液壓參數(shù)普遍采用的壓力等級為2.5Mpa、4Mpa,個別為6.3Mpa,流量為300L/min9000L/min之間不等，為滿足主接力器巨大操作力（大多數(shù)在數(shù)十噸至上百噸以上）與運動速度（全行程

5、310S）要求，而不得不加大元件尺寸與流量參數(shù)。適當(dāng)提高壓力等級，可以在減小油缸（接力器）尺寸的前題下同時兼顧主油缸大噸位操作力與速動性的要求，進(jìn)而減小系統(tǒng)工作流量。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和性能對比，將壓力選定在8Mpa21Mpa，流量可大幅度減小，給液壓元件選型帶來以下變化：儲油罐可以采用液壓標(biāo)準(zhǔn)的皮囊式蓄能器，這樣可以省去為油罐補充干燥壓縮空氣的專用的供氣系統(tǒng)及相應(yīng)設(shè)備，同時能解決調(diào)速器液壓系統(tǒng)中存在的油/水混合、氣/液混合帶來的元件銹死、腐蝕、振動和氣蝕等方面問題。液壓泵采用齒輪泵代替價格昂貴的螺桿泵，齒輪泵技術(shù)現(xiàn)在已相當(dāng)成熟，如G5系列齒輪泵，工作壓力可達(dá)25Mpa，最大流量100 L/min，其

6、噪聲和壓力脈動均很小。其它，20Mpa大流量齒輪泵隨處可見，價格性能比很低。主接力器采用標(biāo)準(zhǔn)液壓缸，如工程用的液壓缸，缸徑和桿徑最大為320/220mm,可以解決油缸泄漏、磨擦力大等問題，提高系統(tǒng)工作效率。主配壓閥中小型調(diào)速器可以采用25、32通徑通用電液比例閥， 個別也可采用直動式比例閥一級控制方案；如力士樂系列、油研系列比例閥等。 大型調(diào)速器可采用符合ISO7368、GB2877和DIN24342標(biāo)準(zhǔn)的二通插裝閥或比例插裝閥，它工作壓力最大可至42Mpa，流量至20000L/min，具有可靠性高、密封性能好、通流能力強、壓力損失小等優(yōu)點，應(yīng)用于調(diào)速器上，具有進(jìn)一步發(fā)揮其功能的潛力。主配壓閥

7、選用標(biāo)準(zhǔn)閥后另一個突擊優(yōu)點是靜態(tài)耗油減少了，減少了主泵向油罐補油量，電機啟動次數(shù)是原來的1/20，節(jié)能降耗。當(dāng)然，由插裝閥直接替代主配壓閥的部分功能，若考慮不周，則在許多情況下會引起壓力沖擊、運動平穩(wěn)性差，定位控制精度低、手動位置漂移等問題，但在現(xiàn)有的技術(shù)條件下, 進(jìn)行一些深入細(xì)致的工作，這些問題是有可能得到妥善解決的。至于電液轉(zhuǎn)換器，可采用：1）比例閥，如力士樂系列WRE型直動型比例換向閥；2）比例伺服閥，如BOSCH的0811404036等比例伺服閥；3）快速開關(guān)閥，如NACHI的快速開關(guān)閥等。3突破傳統(tǒng)原理模式的新型調(diào)速器開發(fā)研制根據(jù)當(dāng)今電子、液壓行業(yè)成熟的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的特點，調(diào)速成器

8、只有善于移植、吸吶這些先進(jìn)技術(shù)和和成熟定型產(chǎn)品，才能有力地推動自身的發(fā)展。例如，目前已有象CVT系列這樣的新型調(diào)速器推向市場，并在現(xiàn)場成功投運，性能十分優(yōu)異。CVT系列直接數(shù)字控制調(diào)速器系中國水科院自動化所開發(fā)，它徹底揚棄了經(jīng)典調(diào)速器結(jié)構(gòu)模式的條條框框，現(xiàn)已獲國家專利。其大致的原理方框圖如下：圖3. 直接數(shù)字控制調(diào)速器框圖該系列調(diào)速器所采用的響應(yīng)時間為3-5ms的高速開關(guān)閥即數(shù)字閥，是液壓行業(yè)的一個最新技術(shù)成果；同時它大量采用了標(biāo)準(zhǔn)元件/組件，標(biāo)準(zhǔn)化程度極高，這樣的系統(tǒng)可以高度集成化，同時考慮水電行業(yè)的特點，采用了多重冗余分布容錯結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)工作的可靠性與自動成功率。又如，脈寬-脈幅調(diào)制式電

9、液調(diào)速斷續(xù)控制系統(tǒng)，參見液壓與氣動2001年第4期新型（數(shù)字式電液調(diào)速系統(tǒng)）一文。該方案也是標(biāo)準(zhǔn)液壓件構(gòu)成調(diào)速器的一種有意義的探索。此外，KMW公司曾嘗試采用比例閥/電磁閥/插裝閥構(gòu)成調(diào)速器轉(zhuǎn)槳機構(gòu)的伺服控制系統(tǒng)，也取得了不少有益的經(jīng)驗和啟示。4.液壓行業(yè)自身也面臨突破傳統(tǒng)思路條條框框的問題盡管液壓行業(yè)憑借其規(guī)模、人才與資金優(yōu)勢在元件技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、實驗技術(shù)、制造工藝、設(shè)計與計算手段、故障診斷等方面取得了巨大進(jìn)展和可喜成果，但因種種原因，至今液壓行業(yè)自身還存在元件品種規(guī)格不全、個別元件質(zhì)量/性能不穩(wěn)定、產(chǎn)品更新?lián)Q代緩慢等問題。從這些年的產(chǎn)品展示會可以看出，一些國際知名公司，如REXROTH、B

10、OSCH、VICKERS、PARKER、油研、NACHI、ATOS等，并未在先前基礎(chǔ)上推出更具特色的元件新品種，照現(xiàn)在的趨勢延續(xù)下去，今后在元件上出現(xiàn)驚人的技術(shù)突破的可能性也很小。將液壓系統(tǒng)人為割離為泵-閥-缸（馬達(dá)），再加以分別研究，這一傳統(tǒng)思路的條條框框是否合理？是值得認(rèn)真考慮、反思和質(zhì)疑的。今后如能在元件/系統(tǒng)的開發(fā)上將泵-閥-缸作為有機的整體加以考慮，還液壓以本來的面目，也許能取得“柳暗花明”之效；同時水輪機調(diào)速器行業(yè)也有可能從中受益，產(chǎn)品技術(shù)水平得到質(zhì)的飛躍。5.結(jié)語水輪機調(diào)速器自誕生至今已由近一個多世紀(jì)的歷史，同時也是率先采用液壓控制系統(tǒng)的領(lǐng)域之一，以后隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，其它

11、許多采用液壓技術(shù)的工業(yè)領(lǐng)域早已實現(xiàn)了高壓化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、小型化、集成化等工作，如今21Mpa以上的液壓系統(tǒng)隨處可見，可惜調(diào)速器的壓力等級一直停留在2.5Mpa、4Mpa,個別為6.3Mpa的階段，這種現(xiàn)狀十分不利于實現(xiàn)小型化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化等要求，也不能很好地體現(xiàn)出液壓系統(tǒng)能容比大這一獨特優(yōu)點，使得調(diào)速器行業(yè)的液壓技術(shù)長期游離于現(xiàn)代液壓技術(shù)之外、無法與之接軌，制約著液壓新技術(shù)在調(diào)速器中的順利應(yīng)用。在通用液壓技術(shù)取得許多進(jìn)展的今天，只有提高調(diào)速器液壓件的標(biāo)準(zhǔn)化程度，并結(jié)合調(diào)速系統(tǒng)的自身特點和特殊要求，對由標(biāo)準(zhǔn)件組成的系統(tǒng)進(jìn)行扎實細(xì)致的開發(fā)研究工作，才能推動和促進(jìn)調(diào)速器自身的技術(shù)進(jìn)步，

12、最終使我國的調(diào)速器技術(shù)水平擠身世界先進(jìn)行列。Emphasis on Application of Standard Hydraulic Components in Hydraulic Turbine GovernorAbstract The hydraulic servo control unit of water turbine governor has been rapidly developed recently in our country. Various governor production is emerging in endlessly, and its quality is

13、 distinctly improved. The standard hydraulic components of universal hydraulic industry have not been applied popularly yet, that recent production of hydraulic technology is restricted in water turbine governor domain, and the progress of governor is terribly blocked. This paper summarily analyse the feasibility of application of standard hyraulic component in governor. The measure can improve the governor technology rapidly and enter