李一興，朱軍華，江 攀，戴娜娜

· （中國船舶重工集團公司 第704研究所，上海 200031）

船用小型汽輪機危急保安器特性分析

李一興，朱軍華，江 攀，戴娜娜

· （中國船舶重工集團公司 第704研究所，上海 200031）

針對船用小型汽輪機常用的超速危急保安器結構特點，從偏心式飛錘、壓緊彈簧及整個保安器三個方面對力學特性和運動特性進行了分析，獲得了脫扣前、脫扣后及復位過程的特性，并得出了調整墊片厚度對脫扣轉速的變化規(guī)律，可為汽輪機機組安全運行提供保障。

汽輪機；危急保安器

0 引言

汽輪機屬于高溫高壓高速旋轉的熱力設備，其轉動部件(葉片、葉輪等)承受均在較大的離心力下工作，該離心力和轉速有著密切的關系。由力學原理可知，離心力的增加與轉速的平方成正比，當轉速增加時，離心力所造成的應力將會迅速增加。當轉速達到額定轉速的1.1倍時，應力將增大21%；而當轉速達到1.2倍時，應力增大44%[1-2]。在船用汽輪機設計時，為達到小型化結構尺寸的要求，其轉速較常規(guī)汽輪機更高，通常范圍5000～10000r/min，由于轉動部件的材料強度裕度有限，因此當轉速升高到超出安全閾值時，將導致汽輪機的嚴重破壞而構成重大事故，影響機組安全運行。為了防止這種情況的發(fā)生，機組都必須裝有危急保安器，與危急遮斷油門配合構成汽輪機組超速保護裝置。當轉子轉速超過脫扣轉速后，保安器動作帶動危急遮斷油門動作，使主汽門速關，機組緊急停車。因此，危急保安器能否正常動作，對于保證機組安全有重要作用。

1 危急超速保護組合裝置結構及工作原理

圖1是某型船用汽輪機危急保安器的常用結構，采用飛錘與彈簧結合的型式。整個部套安裝于轉子軸端內，與轉子同旋轉。飛錘被壓縮彈簧壓緊在底端螺母的上端面，彈簧的預壓縮量通過調整墊片的厚度進行調整。在達到脫扣轉速以前，飛錘離心力小于彈簧的壓力，飛錘被彈簧壓著不能飛出。當轉速超過保護轉速時，飛錘的離心力克服彈簧力而迅速飛出，撞擊危急遮斷器的掛鉤，使危急遮斷油門動作，從而阻斷通往主汽門的壓力油，引起主汽門速關。整個裝置的行程由轉子凸臺與飛錘底盤的間距決定。

圖1 飛錘式危急保安器

圖2 危急超速保護組合裝置

從上述結構及原理描述可看出，危急保安器結構及運動形式較為簡單，但飛錘及彈簧的特性是保證其正常工作的關鍵。

2 危急保安器特性分析

2.1 飛錘運動特性

飛錘為一帶圓頭的柱體結構，如圖3所示。由于其頭部與掛鉤部件發(fā)生高速碰撞，因此必須采用滲碳等措施增加其表面硬度。

圖3 偏心飛錘結構

飛錘為一偏心結構，危急保安器裝入轉子后，飛錘重心位置必須高于轉子中心，從而保證飛錘能夠向外飛出。飛錘離心力可表示為：

式中：mc為飛錘質量；rc為飛錘重心與轉子中心的偏心距；ω為角速度

從式(1)可看出，飛錘離心力與其質量、偏心距、轉速有關。

2.2 彈簧運動特性

彈簧結構如圖4所示，彈簧的自由長度為L0，最大壓縮長度為Lmax(彈性變形)，其壓緊力與壓縮量成正比[3-4]，如式(2)所示：

圖4 彈簧結構及壓緊力示意圖

彈簧裝入危急保安器后，有一定預壓縮量，產生的壓力將飛錘壓緊。通過調整墊片的高度和數(shù)量可改變彈簧的預緊力。

彈簧本身也會產生離心力，其大小也由式(1)決定，公式內的值相應替換為彈簧質量、彈簧偏心距、彈簧角速度。在整個保安器特性分析時，這部分離心力也需考慮。在模型簡化的情況下，可將彈簧與飛錘作為一個整體計算偏心距與離心力。

2.3 保安器特性

圖5是根據(jù)飛錘及彈簧的特性組合后生成的保安器靜力特性圖。橫坐標X為位移坐標，縱坐標F為力(離心力和彈簧力)坐標。A點是彈簧預緊力與(飛錘+彈簧)在脫扣轉速(對應角速度ω1)下對應離心力的平衡點，B’點為飛錘飛出后的最大行程對應點，B點為彈簧的最大行程(壓縮量)對應點，C點為彈簧對應的自由長度點，D點是額定轉速(對應角速度ω0)下對應的離心力，ω2為飛錘對應的復位角速度。x0為彈簧預壓縮量，s為飛錘(彈簧)的行程。

當轉子轉速較低時，飛錘的離心力小于彈簧預緊力，在額定轉速時，兩者的差距為AD段數(shù)值。隨著轉速的增加，當達到脫扣角速度ω1時，飛錘離心力與彈簧預緊力達到平衡，飛錘處于飛出的臨界狀態(tài)。此后，隨行程的增加，飛錘離心力的增加值大于彈簧壓緊力的增加值(兩者差值為AB’與AB段之間的數(shù)值)，從而使飛錘處于加速運動狀態(tài)，直到達到最大行程為止。該過程可推導如下：

圖5 保安器靜力特性圖

在行程為x時，飛錘的偏心距增大，其離心力與彈簧壓緊力差值為：

在船用小型汽輪機中，飛錘的整個行程一般設置為4～6mm，在這較短的距離內，可認為轉子轉速變化不大，ωx≌ω1。

此外式中x＞0，由此式(2)的結果大于0，這表明飛錘在飛出后的行程內，其離心力的增加將大于彈簧壓緊力的增加，F(xiàn)c＞Fk。

當危急保安器動作后，主汽門速關，機組停機，由此轉子轉速開始下降，飛錘的離心力沿B’B段下降，但此時彈簧力仍保持最大壓緊力不變，飛錘仍處在最大行程位置。當轉速下降到復位角速度ω2時，此時的離心力和彈簧力相當，之后轉速繼續(xù)下降，彈簧力大于離心力，飛錘被加速拉回原位。該過程同飛錘飛出時的分析相一致，返回時飛錘離心力的下降大于彈簧壓緊力的下降，由此Fc＜Fk。

2.4 脫扣轉速調整

根據(jù)目前船用汽輪機的實際使用情況和安全裕量[5]，超速保護轉速一般設置為額定轉速的(1.08～1.12)ω0。由于加工誤差等因素，其脫開轉速與設計值難免有一定差距，需要在試驗中通過調整墊片的厚度進行調整。

當墊片增加1mm時，脫扣轉速的變化為⊿ω，其平衡點方程變化為：

由此可得出，轉速變化率Δw為：

將原轉速ω1、裝置(錘+彈簧)的質量m、偏心距ri(這里忽略墊片厚度變化引起的偏心距變化)、彈簧剛度k代入式(5)中，即可獲得墊片每變化1mm對應的脫扣轉速變化情況。在保安器部套試驗時，通過調整墊片厚度，使飛出轉速滿足范圍要求。為減小偶然因素影響，保證裝置的可靠性與靈敏度，保安器需連續(xù)試驗3次，均正常動作，并使脫扣值在正常脫扣整定值的±1%范圍內。

3 結論

危急保安器是船用小型汽輪機常見的超速保護裝置，其工作靈敏度與可靠性直接影響機組的安全：1）飛錘離心力與彈簧壓緊力是決定裝置運動特性的兩大因素；2）保安器運動過程可分為脫扣前、脫扣時、脫扣后和復位四個主要過程。脫扣前，彈簧壓緊力大于飛錘離心力，裝置靜止在原位置；脫扣轉速為兩者平衡點；脫扣后到最大行程間，彈簧力與飛錘離心力都增大，但前者增加值小于后者，使飛錘加速運動到最大行程處；在最大行程位置到復位轉速之間，彈簧力不變，飛錘離心力逐漸減小，但仍大于彈簧力，使裝置靜止在最大行程處；復位轉速為兩者的另一平衡點；復位到原位置過程間，彈簧壓緊力與飛錘離心力都減小，但前者減小值小于后者，使飛錘加速歸位；3）可根據(jù)墊片變化1mm的轉速變化率，通過調整墊片厚度對裝置的脫扣轉速進行調整，使之滿足范圍和靈敏度的要求。

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Characteristic Analysis of Emergency Trip Device for Marine Compact Steam Turbine

LI Yi-xing,ZHU Jun-hua,JIANG Pan,DAI Nn-ma
(No.704 Research Institute of CSIC,Shanghai 200031,China)

The force and dynamic characteristics of emergency trip device for compact turbine are analyzed in this paper.The characteristics of off-center pole,pressured spring and trip device of three procedure (before and after trip,restore)are obtained.The law of the height of gasket with trip rotate speed is calculated.All the work is the basis for the safety of the turbine.

compact steam turbine; emergency trip device

TK263.2

A

李一興（1976-），山西大同人，博士研究生，高工，主要從事汽輪輔機設計。