第二章水轮机调节系统工作原理

第二章水轮机调节系统工作原理水轮机转速自动调节系统是从蒸汽机转速自动调节系统发展而来。下面以直观易懂的机械液压型调速器构成的水轮机调节系统为例来说明其工作原理，图2-1为水轮机调节系统原理简图，左侧是调速器部分，右侧是水轮发电机组部分。图1-12水轮机转速自动调节系统框图水力系统水库尾水导水机构水轮发电机组电力系统测量元件放大元件执行元件反馈元件转速给定水能Q、H电能U、I、f--+调节对象调节器（调速器）§2.1水轮机调节系统原理简图辅助接力器电动机永磁机压力油回油回油缓冲器主配压阀主接力器转速调整高压输电开关站发电机水轮机尾水引导阀离心飞摆调速器水轮发电机组导水机构节流阀缓冲活塞缓冲弹簧缓冲杯XYZ进水关开（图2-1）从水轮机调节转速自动调节系统框图可知：调速器由测量元件、比较元件、放大元件、执行元件、反馈元件等组成。见图2-2对应位置，以下分别讲解个元件。电动机压力油回油回油缓冲器辅助接力器主配压阀主接力器转速调整引导阀离心飞摆（图2-2）2.1.1测量元件（1）作用把机组的转速信号转换为机械位移信号。（2）结构菱形钢带结构，上与飞摆电动机转轴相连（输入），下与引导阀转动套相连（输出）。①上支持块输入②钢带③限位架④重块⑤调节螺母⑥弹簧⑦下支持块输出离心飞摆结构（3）动作b.当飞摆转速升高时，折算离心力大于弹簧力向外张开，下支持块向上处于较高位置；c.当飞摆转速下降时，折算离心力小于弹簧力向内收缩，下支持块向下处于较低位置；可见稳态时，下支持块的上下位置就反映了转速的高低。a.初始为某一平衡位置，折算离心力与弹簧力相等；离心摆受力及动作znozminzmaxnminnmaxnnmaxnminzminzmaxzn0z0（4）离心摆的静态特性其输入输出关系见图2-3。maxminmaxmin*MMmaxminmaxminrfrZzzzznZnxZxnnnnnn用公式表示：1MfZxZfx(2-3)(2-1)(2-2)图2-3离心摆静态特性a.离心摆工作参数有不均衡度（δf）f%100minmaxrnnn1*MKZ%c.放大系数（K）100?*MMfZZ%b.位移变化量基准值（ZM*）*MMfZZ*MZ*xZ1?MfZK%(2-4)(2-5)(2-6)(2-7)如T型、YT型δf=50%，但T型K=0.4mm/1%，ZM*=40mm；YT型K=0.3mm/1%，ZM*=30mm；（5）动态特性22122fddTTxdtdtfx（6）信号源飞摆电动机电源要求十分可靠，取自永磁发电机；小型机组可取自机端电压互感器。转速信号的传递过程？*xa.运动方程b.传递函数1**(s)G(s)x(s)(2-9)(2-8)(2-10)离心摆的运动方程(p41)，T1为惯性引起的时间常数，T2为液摩阻力引起的时间常数，δf不均衡度。在讨论调速器及整个调节系统动态特性时，T1、T2较小，不到0.01秒的数量级，可近似为比例环节。结构上如何保证死区、非周期稳定呢？2.1.2放大元件（1）作用将飞摆的输出位移量放大到足以操作笨重的导水机构。（2）结构a．第一级液压放大（引导阀→辅助接力器）引导阀由三层结构组成，外层为引导阀固定套，里层为引导阀针塞，中间层为引导阀转动套。转动套与离心摆下支持块相连，和离心摆一同旋转；引导阀针塞与辅助接力器、主接力器反馈杠杆相连；固定套与阀体相连，阀体上接通三个油管路。辅助接力器与引导阀中间控制油路相连。引导阀结构b．第二级液压放大（主配压阀→主接力器）主配位于辅接下面，由外层的阀套与中间的阀芯组成。阀芯两个阀盘，上大下小。阀套与阀体相连，阀体上有4个油管路。主接由缸体、活塞及活塞杆组成，活塞两侧接通主配两个控制油路，活塞杆与导水机构相连。(2-12)式中：p0为供油压强；F1、F2分别为上下阀盘受油面积；PM为作用在主配压阀上面的向上油压合力。（3）动作初始平衡位置受力分析。(2-11)式中：pi为引导阀中间油孔控制油压；Fi为辅助接力器活塞上面的环形面积；PA为作用在辅助接力器活塞上面的向下油压力。AiAFpP120()MPpFF当满足PA=PM时，辅接主配不动，第一级液压放大处于平衡位置，引导阀控制孔口油压为：1200()iiAFFpppF(2-13)T-100型调速器，辅接直径132mm，有效面积FA=42cm2，主配直径上100mm、下94mm，差动面积F1–F2=(102-9.42)*3.1416/4=9.14cm2。设工作油压p0=25kg/cm2，求得：pi=5.44kg/cm2。YT型调速器，辅接活塞直径42mm，活塞杆直径22mm，有效面积FA=10.05cm2；主配直径上35mm、下25mm，差动面积F1–F2=(3.52-2.52)*3.1416/4=4.71cm2。设工作油压p0=25kg/cm2，求得：pi=11.72kg/cm2。例一例二液压放大系统的动作如下（先考虑针塞不动）⑴.转速下降，转动套向下，pipi0，则PAPM，辅助接力器活塞向下，主接力器开大，主动力矩上升，转速向上恢复；⑵.转速上升，转动套向上，pipi0，则PAPM，辅助接力器活塞向上，主接力器关小，主动力矩下降，转速向下恢复。（4）配压阀型式结构形式分类：2svhhl(2-14)hs——衬套孔口高度，hv——阀盘高度a.通流式：b.断流式：0l0l其中l被称为遮程/搭叠量：正开口阀负开口阀0l零开口阀l1l2l3l4hvhs1212hshvl4l3l2l1（a）通流式配压阀（b）断流式配压阀图2-4配压阀型式a.四通阀——双作用油缸有两个控制油路主配压阀―→主接力器b.三通阀——单作用油缸只有一个控制油路引导阀―→辅助接力器图2-5液压放大装置工作原理图（5）接力器静止平衡方程l1l2l3l4开启关闭RSD压油罐回油箱R关闭方向开启方向Oα导叶开度pⅠpⅡY式中：pⅠ、pⅡ分别为接力器关闭腔、开启腔的油压力，F为接力器活塞面积，R为导水机构上的阻力。()ΙppFRIIRppF接力器在静止时，有(2-15)或a.漏油量见图2-5液压放大装置工作原理图。漏油压力损失在遮程上，由于间隙很小（0.01mm~0.02mm），流速较低为层流，压力损失与流量的一次方成正比例，设压力油罐油压为p0，回油箱油压为“0”，则有以下讨论主接力器静止时的几个重要参数即漏油量q与工作油压p0成正比，与遮程l、kt成反比，其中kt取决于配压阀的尺寸和间隙。02tpqkl(2-16)式中q为一侧的漏油量；kt为层流油压损失系数。01234()()2tttpkqllkqllkql(2-17)由式（2-16）可得式（2-17）b.几何中间位置即衬套孔口两侧遮程相等情况下，主配压阀两个控制油口油压相等，油压合力此时为零。即lllll4321c.工作（实际）中间位置由于阻力不为零，故要求活塞两侧的油压力不相等。能够保持接力器静止不动的主配压阀阀芯位置，称之为工作（实际）中间位置，以几何中间位置为基准，设主配压阀阀芯向下位移S1，则有：11()IttpkqlkqlS41()IIttpkqlkqlS(2-18)(2-19)01pFlRS(2-20)将式（2-17）、（2-18）及（2-19）代入式（2-15）得可见，工作中间位置与阻力R大小成正比，由于水力阻力的大小和方向随导叶开度位置变化。因此主配压阀工作中间位置的大小和方向也在变化。d.配压阀死区由于作用在接力器活塞杆上的力除水推力RW之外，还有干摩擦力T。若要向开启方向移动，油压为主动力，阻力R=RW+T，配压阀向下位移S11若要向关闭方向移动，水推力RW为主动力，阻力R=(PI-PII)F+T，配压阀向上位移S12则在S11到S12之间移动时，主接力器保持不动。TRRFSqktFppWIII112)(FplTRSW011)(TFppRIIIW)(112()IIIWtppFkqSFRTFplTRSW012)(011122TlSSpF()IIIWppFRT(2-21)（6）小波动情况下接力器的运动方程一旦配压阀偏离了工作中间位置，设在此基础上主配压阀偏离一个量△S，接力器就开始运动。接力器活塞的运动方程为式中：m接力器活塞及一起移动的零部件质量（包括与接力器活塞一起运动的所有零部件，如推拉杆、控制环、连杆、拐臂和导叶等）；D为液体阻尼系数；△Y为接力器活塞相对原平衡位置的偏移量。FppRdtYdDdtYdmIII)()()(22(2-22)当调节系统波动较小时，△S亦较小，接力器移动速度较慢，运动质量力、液体摩擦阻力相对于水阻力、油压力小的多，运动方程可近似认为或与静止式（2-15）相同，但内涵不同。FppR)(FRppppp0ppppppppp00FRpp0上式说明，为液压放大元件提供压力油的油压，一部分用于克服接力器上静止阻力所需油压R/F，另一部分用于克服接力器运动所引起的油流动在过油部件产生的油压损失，这一损失油压称为储备油压△p。(2-23)在小波动条件下，接力器速度较慢，管道中的油流速较慢，所有沿程损失可忽略不计，油压损失△p主要集中在配压阀口，通过阀口的流速v可认为基本保持不变。FRpp22iipVg22pvg2constgvp式中：v通过配压阀窗口油的流速，b为配压阀窗口宽度，△S为配压阀的偏移量。dYFvbSdtSFvbdtYdb△S设配压阀窗口形状为矩形，根据不可压缩流体的连续性方程，流过该窗口的油流量等于通过接力器的油流量。(2-24)或写成式（2-25）称为接力器运动方程，Ty称为接力器反应时间常数，单位为秒（s）。由式（2-25）可求得液压放大装置的传递函数为(2-26)可见，液压放大装置是一个积分环节。通常以接力器活塞最大位移Ymax（YM）及配压阀阀芯最大位移Smax为基准，将（2-24）写成相对值形式（注：以下运动方程、传递函数中的物理量均以偏差相对值表示），有(2-25)其中yTdtdy1maxYYymaxSSmaxmaxSYvbFTysTssysGyy1)()()(1()()yyttdtT在单位阶跃输入信号作用下，其时域相应输出为(2-27)s11)(t0)0(ytTdtTtyyty111)(0σyttoo1010.5Ty图2-7接力器单位阶跃响应曲线可见，当配压阀有一开口时，接力器一直直线运动。或者说，要想让接力器停止运动，配压阀开口必须为“0”，这说明液压放大装置无自平衡能力。接力器反应时间常数TyTy是表征接力器运动的一个重要参数，不同的配压阀结构，油路布置不同，则Ty不同，由式（2-25）得(2-28)dtdyTy)(dtdyTyodydtσ图2-6接力器速度特性曲线)(1dtdyTy但其输入/输出关系为非线性，一般常根据实验数据求得，画出接力器的速度特性曲线。水轮机调速器技术条件规定，Ty是指接力器带一定负载，其相对运动速度与配压阀相对位移关系曲线斜率的倒数。（7）液压随动系统工作原理液压放大装置是一个积分环节，无自平衡能力。为了保证其输入、输出在稳态情况下保持确定的关系，将接力器的位移输出以负反馈形式反馈到配压阀的输入端，从而构成液压随动系统。下以第一级液压放大为例说明液压随动系统的工作原理。①第一级液压放大装置的传递函数，参照式（2-26）得：(2-29)sTssyyBBB1)()(BBBmaxYyYBBBmaxSSBBmaxByBBBmaxYFTvbS，为辅助接力器行程；为引导阀开口，为辅助接力器反应时间常数。式中：1()