大型貫流式水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)械系統(tǒng)

大型貫流式水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)械系統(tǒng)摘要本文介紹的大型貫流式水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)，應(yīng)用電液比例技術(shù)、液壓集成、流量控制、槳葉電氣協(xié)聯(lián)控制技術(shù)，在電氣控制信號(hào)或系統(tǒng)電源消失的情況下，該機(jī)械液壓系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，避免事故擴(kuò)大，從而保護(hù)水輪發(fā)電機(jī)組的安全;在大型主配壓閥設(shè)計(jì)上首次采用臥式結(jié)構(gòu)，具有整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件加工工藝性好的特點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化控制級(jí)參數(shù)，從系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)上降低了產(chǎn)品成本.關(guān)鍵詞：貫流式水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)伺服比例閥主配壓閥目錄1引言…………12機(jī)械液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)………………12.1主要元件功能……………12.1.1伺服比例閥工作原理…………………12.1.2主閥傳感器……………32.1.3主配壓閥………………32.1.4緊急停機(jī)電磁閥………42.1.5壓力表…………………42.1.6測(cè)壓接頭………………42.1.7慮油器…………………43液壓系統(tǒng)工作原理…………44關(guān)鍵零部件加工工藝………55結(jié)論…………76參考文獻(xiàn)……………………87致謝…………91引言藝性好、成本低，電廠調(diào)試簡(jiǎn)單、維護(hù)工作量小等特點(diǎn)。隨著水電機(jī)組操作油壓等級(jí)的提高，其調(diào)速系統(tǒng)中的電液隨動(dòng)系統(tǒng)也必須更新?lián)Q代，以適應(yīng)機(jī)組的要求。由于我公司過(guò)去的調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)只有2.5MPa和4.OMPa油壓等級(jí)的產(chǎn)品，為了改善這一狀況，適應(yīng)市場(chǎng)的需要，以桐子壕電廠3x36MW大型貫流式水輪機(jī)調(diào)速器產(chǎn)品設(shè)計(jì)為契機(jī)，研發(fā)了油壓等級(jí)為6.3MPa的新一代HGS-H2431型調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)，該機(jī)械液壓系統(tǒng)是在研究了美國(guó)GE公司FC閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上結(jié)合我們自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)而設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品，在經(jīng)歷了液壓系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)、元件對(duì)比選型、設(shè)計(jì)評(píng)審、全套施工圖紙和產(chǎn)品說(shuō)明書等技術(shù)資料完工、關(guān)鍵零部件圖紙按工藝要求更改、產(chǎn)品廠內(nèi)調(diào)試、試驗(yàn)等過(guò)程后，生產(chǎn)出了高質(zhì)量的63MPa主配壓閥直徑為1SOmm的調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)，該產(chǎn)品不但填補(bǔ)了公司63MPa調(diào)速器產(chǎn)品空白，而且系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)優(yōu)異，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，零部件加工工。2機(jī)械液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)該機(jī)械液壓系統(tǒng)采用電液伺服比例控制、液壓集成、流量控制、槳葉電氣協(xié)聯(lián)控制等當(dāng)今行業(yè)最前沿技術(shù)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。主配壓閥采用優(yōu)質(zhì)鋼件，全面采用標(biāo)準(zhǔn)液壓元件，系統(tǒng)具備了承受高油壓的能力，濾油器、先導(dǎo)控制閥集成布置在主配壓閥上，主配壓閥組采用臥式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)板式安裝在回油箱上，產(chǎn)品外觀簡(jiǎn)潔新穎(見圖1)。2.1主要元件功能2.1.1伺服比例閥工作原理根據(jù)伺服比例閥的輸人輸出特性口=Al公，即伺服比例閥接受4-20mA的控制信號(hào)，經(jīng)伺服比例閥功放板放大后，輸出相應(yīng)的電流信號(hào)，電流信號(hào)在線圈中產(chǎn)生的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵移動(dòng)相應(yīng)的位移量，從而帶動(dòng)伺服比例閥的閥芯移動(dòng)，輸出相應(yīng)的流量，輸出流量與輸人控制信號(hào)成比例線性關(guān)系。1圖1桐子壕電廠調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)閥芯移動(dòng)的同時(shí)，內(nèi)置差動(dòng)變壓器式位移傳感器檢測(cè)閥芯位置，并將其信號(hào)反饋到比例放大器，與比例電磁鐵形成閉環(huán)位置控制。伺服比例閥外形如圖2所示，伺服比例閥剖面圖如圖3所示。圖2伺服比例間外形圖圖3伺服比例閣剎面圖由于先導(dǎo)控制信號(hào)是電流信號(hào)而不是電壓信號(hào)，抗干擾性能好，還可以實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)斷線保護(hù)檢測(cè)。22.1.2主閥傳感器采用德國(guó)BOSCH公司生產(chǎn)的耐壓型位移傳感器。位移傳感器是根據(jù)差動(dòng)變壓器的原理工作的，套在線圈中的鐵心在耐壓管內(nèi)移動(dòng)，耐壓管可以承受最大到315bar的壓力，能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力介質(zhì)中的某一區(qū)段進(jìn)行位移測(cè)量，測(cè)量過(guò)程是無(wú)接觸和無(wú)磨損的、分辨率也是不受限制的。放大器集成在閥體內(nèi)，并根據(jù)相應(yīng)的行程進(jìn)行調(diào)節(jié)。傳感器由DCt15V電源供電，并產(chǎn)生DC土lOV電壓作為輸出信號(hào)(DC/DC技術(shù))，主閥傳感器在控制回路中用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)反饋。2.1.3主配壓閥圖4主配壓閥3主配壓閥(如圖4所示)活塞與輔助接力器活塞在壓力作用下作為一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)，因此主配壓閥活塞的動(dòng)作將完全跟隨輔助接力器活塞。在工作過(guò)程中，伺服比例閥輸出的流量信號(hào)進(jìn)人輔助接力器控制腔，控制輔助接力器活塞動(dòng)作。主配壓閥從結(jié)構(gòu)原理上講是二只三位四通閥，其作用是接受輔助接力器活塞的位移信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為流量信號(hào)輸出，以控制導(dǎo)葉、槳葉接力器的動(dòng)作。主配壓閥上的開、關(guān)限位調(diào)節(jié)件和不動(dòng)接點(diǎn)位置將根據(jù)調(diào)保計(jì)算在電廠整定。2.1.4緊急停機(jī)電磁閥本閥是一只二位四通單電磁鐵換向閥，其上帶有電感開關(guān)，用于檢測(cè)閥芯的位置，電磁閥操作電壓為DC/.20V。其作用是當(dāng)機(jī)組或系統(tǒng)發(fā)生需要緊急停機(jī)的故障時(shí)，接受來(lái)自機(jī)組或系統(tǒng)的故障信號(hào)緊急關(guān)閉導(dǎo)葉開度，強(qiáng)迫機(jī)組停機(jī)。該閥的工作方式為上電停機(jī)，若電廠DC220V電源消失，將不能通過(guò)此閥實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。2.1.5壓力表用于指示濾油器過(guò)濾后油源的壓力值。2.1.6測(cè)壓接頭用于連接壓力表，該測(cè)壓接頭內(nèi)帶有單向閥，可直接裝拆壓力表而不會(huì)引起壓力油的外泄。2.1.7濾油器采用高精度雙聯(lián)濾油器，互為備用，手動(dòng)切換。當(dāng)濾油器壓差增大到規(guī)定值時(shí)，壓差開關(guān)動(dòng)作，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。3液壓系統(tǒng)工作原理導(dǎo)葉、槳葉伺服比例閥接受電氣柜輸出的相應(yīng)電流信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成流量信號(hào)后輸出，輸出的流量信號(hào)分別進(jìn)人導(dǎo)葉、槳葉輔助接力器控制腔，控制導(dǎo)葉、槳葉輔助接力器活塞動(dòng)作。因?qū)~、槳葉輔助接力器活塞在壓力油的作用下分別與兩個(gè)主配壓閥活塞連成一體，也就推動(dòng)了主配壓閥活塞動(dòng)作，分別輸出的流量操作導(dǎo)葉、槳葉接力器，從而控制導(dǎo)葉、槳葉開度，達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行的目的。同時(shí)，兩個(gè)主配壓閥活塞的位移通過(guò)兩只傳感器分別反饋到導(dǎo)葉、槳葉伺服比例閥，形成兩路小閉環(huán);另外，導(dǎo)葉、槳葉接力器位移經(jīng)反饋信號(hào)裝置(導(dǎo)葉、槳葉位移傳感器)反饋到電氣柜的綜合放大回路，形成兩路大閉環(huán)，分別使導(dǎo)葉、槳葉伺服比例閥、主配壓閥活塞回到平衡位置，完成一次循環(huán)調(diào)節(jié)。機(jī)械液壓系統(tǒng)如圖5所示。4圖5機(jī)械液壓系統(tǒng)在電氣控制信號(hào)或系統(tǒng)電源消失的情況下，伺服比例閥能進(jìn)人安全的第四工位，該機(jī)械液壓系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，避免事故擴(kuò)大，從而保護(hù)水輪發(fā)電機(jī)組的安全。自動(dòng)停機(jī)將在關(guān)機(jī)令發(fā)出后，以正常的順序?qū)崿F(xiàn)機(jī)組停機(jī)。如果機(jī)組出現(xiàn)故障，自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出緊急停機(jī)指令，使緊急停機(jī)電磁閥動(dòng)作到停機(jī)位置時(shí)，控制油將通過(guò)緊急停機(jī)電磁閥排出導(dǎo)葉輔助接力器的控制腔，使主閥活塞向關(guān)方向動(dòng)作，強(qiáng)迫機(jī)組停機(jī)，避免事故擴(kuò)大。導(dǎo)葉自動(dòng)控制方框圖見圖6。圖6導(dǎo)葉自動(dòng)控制方框圖手動(dòng)停機(jī)是在電手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，通過(guò)手動(dòng)操作控制按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通常調(diào)速器內(nèi)反饋采用位移傳感器采集主配壓閥活塞位移量，然后通過(guò)電氣調(diào)節(jié)器的刀D轉(zhuǎn)換模塊將此模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后進(jìn)行數(shù)字綜合運(yùn)算，再控制伺服比例閥實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)穩(wěn)定。而本項(xiàng)目調(diào)速器內(nèi)反饋采用模擬量信號(hào)直接傳送到伺服比例閥的方式，而不需送到電氣柜進(jìn)行數(shù)字綜合，系統(tǒng)速動(dòng)性更好。4關(guān)鍵零部件加工工藝主閥殼體是機(jī)械液壓系統(tǒng)中尺寸和重量最大的零件，以前采用的材料多為球墨鑄鐵件，在加工過(guò)程中難免出現(xiàn)鑄造缺陷，為更好地保證主閥殼體的承壓能力及加工質(zhì)5量，現(xiàn)在已逐步改為"35鍛鋼件或鑄鋼件，本項(xiàng)目主配壓閥殼體采用鑄鋼材料，既保證了設(shè)計(jì)強(qiáng)度，又降低了主配壓閥殼體整體制造加工難度。其主要的加工工藝是鋼件經(jīng)正火加回火處理，然后粗加工再經(jīng)超聲波探傷及機(jī)械性能試驗(yàn)合格后，再精加工。機(jī)械性能試驗(yàn)的試塊是在主閥殼體本體上取料，保證了其檢驗(yàn)的性能真實(shí)反映主閥殼體的性能，從而保證了質(zhì)量的真實(shí)可靠。主閥殼體的內(nèi)孔尺寸精度和表面粗糙度直接影響主閥的漏油量及接力器的穩(wěn)定性，因此，主閥殼體內(nèi)孔加工在數(shù)控鑊床上進(jìn)行，并采用先進(jìn)的浮動(dòng)幢孔技術(shù)，能使內(nèi)孔尺寸及表面粗糙度達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，為保證內(nèi)孔同軸度，在內(nèi)孔精撞時(shí)均要求一次裝夾連續(xù)加工完成。主閥襯套是機(jī)械液壓系統(tǒng)中的重要液壓元件，內(nèi)孔及窗口的尺寸精度要求較高，表面粗糙度要求光潔度高，且內(nèi)孔表面要求較高的硬度和較好的耐磨性。因此，為保證襯套的質(zhì)量，采用熱處理氮化性能最好的38CrMoAlA材料，經(jīng)鍛造正火一粗加工一調(diào)質(zhì)一半精加工一穩(wěn)定回火一半精加工一氮化一精加工一光整加工等工藝方法，使襯套機(jī)體內(nèi)部具有足夠強(qiáng)度的同時(shí)表面具有很高的硬度，檢查硬度的試塊是在襯套本體毛坯上取料，并與襯套同爐熱處理后加工而成，保證了檢驗(yàn)的真實(shí)可靠。其中襯套內(nèi)孔的加工采取多次反復(fù)磨削后再經(jīng)過(guò)專用聽磨機(jī)進(jìn)行聽磨，由于聽磨是用油石進(jìn)行光整加工，因此能夠獲得較高的精度。襯套的圓周上有上中下3排各四個(gè)窗口，上下2排窗口之間的距離尺寸有較高的精度要求，以及同排四個(gè)窗口在同一平面內(nèi)的誤差要求小于0.04mm,因此，窗口用數(shù)控線切割機(jī)進(jìn)行加工，此乃是目前行業(yè)中最為先進(jìn)的方法，從而有效地保證了控制窗口的加工精度，為保證主閥襯套與主閥活塞搭疊量的精確性提供了保障。并且，在精加工前先對(duì)窗口進(jìn)行一次線切割加工，主要目的是釋放應(yīng)力，再加上穩(wěn)定回火處理，完全能夠保證主閥襯套在加工及裝配過(guò)程中及以后的使用過(guò)程中基本不變形，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定可靠。主閥活塞的材料采用.45鋼經(jīng)鍛造正火一加工一調(diào)質(zhì)一加工一表面高頻淬火一加工而成，使主閥活塞內(nèi)部具有足夠強(qiáng)度，表面具有較高的硬度(但低于襯套內(nèi)孔的硬度)。主閥活塞外圓及閥盤側(cè)面均經(jīng)磨削加工而成，能很好地控制主閥活塞閥盤與主閥襯套窗口的搭疊量，從而保證了主閥的整體質(zhì)量。6結(jié)論對(duì)于主配壓閥直徑為150mm級(jí)別的機(jī)械液壓系統(tǒng)，通常采用的先導(dǎo)控制元件流量通徑都比較大，相應(yīng)地，其連接閥塊和其他元件結(jié)構(gòu)尺寸也比較大。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)優(yōu)化控制級(jí)參數(shù)，減小了控制級(jí)結(jié)構(gòu)尺寸，這樣可以選用公稱通徑更小的先導(dǎo)控制元件，從系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)上降低了產(chǎn)品成本。3臺(tái)調(diào)速器分別于2003年4月15日、2003年7月4日、2003年9月24日在桐子壕電廠投人商業(yè)運(yùn)行，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)速器靜特性測(cè)試、機(jī)組開機(jī)、空載頻率擾動(dòng)和甩負(fù)荷等動(dòng)態(tài)試驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行表明該微機(jī)調(diào)速器性能良好，滿足了貫流式機(jī)組對(duì)調(diào)速器的速動(dòng)性與穩(wěn)定性的要求，得到了安裝公司及用戶的好評(píng)。到目前為止，3臺(tái)調(diào)速器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，桐子壕電廠也成為了我公司向用戶宣傳介紹調(diào)速器產(chǎn)品的基地。7參考文獻(xiàn)［1］王顯正，范崇q控制理論基礎(chǔ).國(guó)防工業(yè)出版社，1984.6［2］水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件.GB/T9652.1一1997.4.108致謝本論文是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)于律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無(wú)華、平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。不僅使我樹立了