陳軻陽，徐世勇，張運(yùn)德

(東方電氣自動控制工程有限公司，四川 德陽，618000)

汽輪機(jī)閥門操縱座彈簧設(shè)計與校核

陳軻陽，徐世勇，張運(yùn)德

(東方電氣自動控制工程有限公司，四川 德陽，618000)

文章主要闡述汽輪機(jī)閥門操縱座彈簧參數(shù)計算與校核流程，基于閥門蒸汽力、油動機(jī)設(shè)計，提供了計算滿足閥門關(guān)閉力要求的彈簧參數(shù)的一般方法。文章著重對彈簧預(yù)壓縮力計算、組合彈簧參數(shù)計算與校核方法進(jìn)行論述。

汽輪機(jī)，蒸汽閥門，預(yù)壓縮力，組合彈簧

Abstract：Calculation and check process for spring parameters of steam turbine admission valve actuator are presented,which provides a way of calculating spring parameters to meet valve closing force requirements based on the valve's steam force and oil servo-motor design.Calculation and check of spring pre-compression force and combined springs parameter are mainly discussed.

Key words：turbine,steam turbine admission valve,pre-compression force,combined springs

0 引言

汽輪機(jī)蒸汽閥門作為汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)保護(hù)系統(tǒng)中的重要部件，在機(jī)組安全運(yùn)行中起著十分重要的作用。在現(xiàn)有成熟的設(shè)計中，閥門的開啟一般是通過單作用油缸壓力腔的高壓油推動活塞克服彈簧力和蒸汽力來實(shí)現(xiàn)，閥門的關(guān)閉則是通過釋放操縱座的彈簧壓縮力實(shí)現(xiàn)?？梢姀椈稍O(shè)計是汽輪機(jī)閥門操縱座設(shè)計的核心，既要確保閥門快速、可靠、嚴(yán)密地關(guān)閉，又要確保油動機(jī)具有足夠的閥門開啟力安全裕量，對于整個汽輪機(jī)調(diào)節(jié)和安全保護(hù)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。基于此，筆者提出汽輪機(jī)閥門操縱座彈簧設(shè)計、計算及校核方法，作為汽輪機(jī)閥門操縱座彈簧設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化流程。

1 彈簧設(shè)計流程

彈簧設(shè)計的關(guān)鍵點(diǎn)是根據(jù)設(shè)計輸入及閥門開啟力、關(guān)閉力安全系數(shù)，確定彈簧預(yù)壓縮力和最大工作載荷，再根據(jù)閥門有效行程確定彈簧剛度。當(dāng)彈簧承受載荷較大時，為了使操縱座結(jié)構(gòu)緊湊，通常設(shè)計為組合彈簧，內(nèi)外彈簧旋向相反，因此需要對組合彈簧進(jìn)行載荷分配，內(nèi)、外彈簧最大工作載荷之比一般初選為5∶2，以此進(jìn)行載荷、剛度等其他參數(shù)計算，然后通過校核，來驗(yàn)證載荷分配是否合理，如果不合理需要重新分配載荷，并按照設(shè)計流程重新計算參數(shù)并校核。本文將著重對彈簧預(yù)壓縮力和最大工作載荷計算、組合彈簧參數(shù)計算、組合彈簧參數(shù)校核方法進(jìn)行論述。

圖1為彈簧設(shè)計主要流程。

圖1 彈簧設(shè)計主要流程

2 彈簧設(shè)計

設(shè)計輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 設(shè)計輸入?yún)?shù)

（續(xù)表）

當(dāng)蒸汽力方向與關(guān)閥方向一致時為正值，與開閥方向一致時為負(fù)值 （即浮力）。根據(jù)閥門布置方式?jīng)Q定是否考慮運(yùn)動部件重力作用。摩擦力等次要因素通過增加安全系數(shù)涵蓋。

2.1 初設(shè)彈簧預(yù)壓縮力為Fd

（1）根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取油動機(jī)活塞直徑、活塞桿直徑和閥門將開時的油動機(jī)始動油壓，油動機(jī)始動油壓應(yīng)滿足卸載閥開啟壓力與額定流量所需壓差的要求，并考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)遲滯油壓；未考慮油動機(jī)排油背壓。

根據(jù)油動機(jī)活塞有效工作面積和始動油壓計算彈簧預(yù)壓縮力Fd1。

（2）彈簧預(yù)壓縮力還應(yīng)能克服閥門活動試驗(yàn)過程中的最大蒸汽浮力，并具有安全裕量，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取彈簧預(yù)壓縮力相對閥門活動試驗(yàn)最大蒸汽浮力的關(guān)閉力安全系數(shù)，計算彈簧預(yù)壓縮力Fd2。

（3）當(dāng)預(yù)啟閥將開時，所需開啟力最大，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取油動機(jī)最大開啟力安全系數(shù)，根據(jù)供油壓力下油動機(jī)活塞最大開啟力、開啟力安全系數(shù)、預(yù)啟閥將開時蒸汽力計算彈簧預(yù)壓縮力Fd3。

取計算結(jié)果的最大值作為初設(shè)彈簧預(yù)壓縮力；該值應(yīng)同時滿足上述要求，否則，應(yīng)調(diào)整油缸直徑等參數(shù)，重新計算、校核，以得到滿足要求的初設(shè)彈簧預(yù)壓縮力Fd。

2.2 初設(shè)彈簧最大工作壓縮力Fg

（1）閥門全開時，當(dāng)蒸汽力為負(fù)值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取彈簧最大工作壓縮力相對蒸汽浮力的關(guān)閉力安全系數(shù)，計算彈簧力最大工作壓縮力Fg1。

（2）閥門全開時，當(dāng)蒸汽力為正值，蒸汽力助關(guān)閥門時，或當(dāng)蒸汽力為負(fù)值，但蒸汽浮力很小時，按2倍預(yù)壓縮力計算彈簧最大工作壓縮力Fg2。

（3）當(dāng)閥門全開時，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取油動機(jī)開啟力安全系數(shù)，根據(jù)供油壓力下油動機(jī)活塞最大開啟力、開啟力安全系數(shù)、閥門全開時蒸汽力計算彈簧最大工作壓縮力Fg3。

取計算結(jié)果的最大值作為初設(shè)彈簧最大工作壓縮力；該值應(yīng)同時滿足上述要求，否則，應(yīng)調(diào)整油缸直徑等參數(shù)，重新計算、校核，以得到滿足要求的初設(shè)彈簧最大工作壓縮力Fg。

2.3 初設(shè)彈簧剛度

已知閥門行程為X，設(shè)彈簧剛度為k，即：

設(shè)彈簧預(yù)壓縮量Xc，即：

3 組合彈簧參數(shù)計算

組合彈簧參數(shù)計算流程圖如圖2所示。

圖2 組合彈簧參數(shù)計算流程圖

初設(shè)組合彈簧的Fe（外彈簧最大工作載荷）和Fi（內(nèi)彈簧最大工作載荷）之比為 5∶2， 即：

將所需計算的外彈簧參數(shù)和內(nèi)彈簧參數(shù)如表2所示。

表2 外彈簧參數(shù)和內(nèi)彈簧設(shè)計參數(shù)

設(shè)外彈簧預(yù)壓縮量Xe和內(nèi)彈簧的預(yù)壓縮量Xi相等，等于Xc，得：

根據(jù)彈簧工作溫度和工作載荷類型，選擇彈簧材料為 50CrVA/GB1222； 查文獻(xiàn)[1]表 7．1-4得彈簧切變模量G；若系統(tǒng)溫度T>60℃，設(shè)溫度修正系數(shù)為Kt，即：

汽輪機(jī)蒸汽閥門實(shí)際工況下，彈簧受循環(huán)載荷作用次數(shù)在1×103～1×106次，且在閥門快關(guān)時受沖擊載荷，確定汽輪機(jī)蒸汽閥門操縱座彈簧載荷為Ⅱ類彈簧，查文獻(xiàn)[1]表7．1-8得彈簧許用切應(yīng)力τp。

旋繞比一般從4～10中選擇；由于組合彈簧要求內(nèi)外強(qiáng)度要接近，即：

可初設(shè)大彈簧和小彈簧的旋繞比相等Ce=Ci=C，根據(jù)驗(yàn)證其他參數(shù)是否滿足要求進(jìn)行修正。

由

得到Ke=Ki=K。

試驗(yàn)載荷為彈簧允許承受的最大載荷，取試驗(yàn)載荷為最大工作載荷的1．25倍，鑒于蒸汽閥門彈簧的重要性，設(shè)彈簧試驗(yàn)載荷切應(yīng)力τs≤τp。

由

得到de和di；通過文獻(xiàn)[1]表7.1-2對其進(jìn)行圓整。

由

得到De和Di；通過文獻(xiàn)[1]表7.1-2對其進(jìn)行圓整。

由

得到ne和ni；通過文獻(xiàn)[1]表7.1-2對其進(jìn)行圓整。

由

4 組合彈簧參數(shù)校核

組合彈簧校核內(nèi)容如圖3所示。

圖3 組合彈簧參數(shù)校核

4.1 內(nèi)外彈簧的變形量應(yīng)接近相等

設(shè)最大工作載荷下，外彈簧的變形量為fe，內(nèi)彈簧的變形量為fi。

由

可得fe和fi；要求其中一個彈簧的最大工作載荷下變形量不得大于另外一個彈簧的試驗(yàn)載荷下變形量。

若不滿足以上要求可調(diào)整組合彈簧的工作載荷分配重新進(jìn)行計算。

4.2 內(nèi)、外彈簧的強(qiáng)度接近相等

計算外彈簧和內(nèi)彈簧最大工作載荷。

計算外彈簧和內(nèi)彈簧的實(shí)際預(yù)壓縮量。

即

4)由于核磁共振儀器成本和維護(hù)費(fèi)用較高，一定程度上限制了該技術(shù)在植物科學(xué)上的應(yīng)用。今后我們需要提高核磁共振儀器性能，加強(qiáng)技術(shù)人員的培訓(xùn)，以降低儀器成本，并且爭取實(shí)現(xiàn)儀器共享，必將促進(jìn)核磁共振技術(shù)在植物研究方面的進(jìn)一步提高。

計算內(nèi)、外彈簧參數(shù)比值，滿足式（21）關(guān)系。

4.3 組合彈簧的徑向間隙校核

組合彈簧的徑向間隙應(yīng)滿足式（22）關(guān)系。

若Cr不符合要求，可調(diào)整彈簧旋繞比等參數(shù)，重新計算彈簧參數(shù)，直到徑向間隙滿足要求為止。

4.4 彈簧試驗(yàn)切應(yīng)力校核

彈簧試驗(yàn)載荷為最大工作載荷的1.25倍。

若其中一個試驗(yàn)切應(yīng)力過大，可以通過調(diào)整工作載荷分配和旋繞比等進(jìn)行修正。

4.5 彈簧疲勞壽命

設(shè)外彈簧變載荷循環(huán)特征為re，內(nèi)彈簧變載荷循環(huán)特征為ri。

由

查文獻(xiàn)[2]表2-4得彈簧抗拉強(qiáng)度σb。

4.6 組合彈簧穩(wěn)定性校核

汽輪機(jī)蒸汽閥門操縱座彈簧兩端固定運(yùn)行，為保證使用穩(wěn)定，運(yùn)行過程中不產(chǎn)生側(cè)向彎曲，彈簧高徑比應(yīng)滿足式（29）要求：

式中：

T—彈簧節(jié)距；

F—彈簧試驗(yàn)載荷變形量；

δ—彈簧試驗(yàn)載荷間隙， δ≥0．1 T。

選取a≥0．1，計算彈簧節(jié)距：

得

使彈簧節(jié)距為（0．28～0．5）D，彈簧兩端圈磨平，由

式中：

H—彈簧自由長度。

得

計算內(nèi)、外彈簧高徑比：

若b大于5．3，需按照式（40）進(jìn)行驗(yàn)算：

Fm—彈簧的臨界載荷，N；

Fn—最大工作載荷，N；

CB—不穩(wěn)定系數(shù)，從文獻(xiàn)[1]圖7．16中查取。

若不滿足上式，改變b值，提高Fm值，以保證彈簧的穩(wěn)定性。若受設(shè)計結(jié)構(gòu)限制，不能改變參數(shù)時，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)桿或?qū)?。?dǎo)桿（導(dǎo)套）與彈簧的間隙按文獻(xiàn)[1]表7．1-12選取。

4.7 彈簧螺旋升角核算

彈簧螺旋升角應(yīng)在 5°～9°。

4.8 組合彈簧工作載荷范圍核算

彈簧工作應(yīng)力應(yīng)滿足

即

5 蒸汽閥門開啟力、關(guān)閉力安全系數(shù)校核

外彈簧和內(nèi)彈簧參數(shù)計算完成后，可以得到組合彈簧的參數(shù)，如表3所示，根據(jù)閥門各典型工況蒸汽力數(shù)據(jù)分別計算油動機(jī)開啟力和彈簧關(guān)閉力安全系數(shù)，應(yīng)大于第2節(jié)所選安全系數(shù)。

表3 組合彈簧參數(shù)

預(yù)啟閥將開時油動機(jī)開啟力安全系數(shù)設(shè)為a1；

大閥將開時油動機(jī)開啟力安全系數(shù)設(shè)為a2；

若大閥全開時，閥門蒸汽力為浮力，設(shè)大閥將關(guān)時彈簧關(guān)閉力安全系數(shù)為a4；

大閥全開時油動機(jī)開啟力安全系數(shù)設(shè)為a3；

閥門活動試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)閥門蒸汽力為浮力，設(shè)彈簧關(guān)閉力安全系數(shù)為a5：

計算無蒸汽力時閥門全關(guān)和全開時彈簧力在油動機(jī)工作腔產(chǎn)生的油壓力，閥門全關(guān)時油壓應(yīng)滿足第2節(jié)中卸載閥開啟壓力和壓差要求；閥門全開時油壓應(yīng)確保供油系統(tǒng)壓力具有足夠的安全裕量。

閥門活動試驗(yàn)過程中，當(dāng)閥門全關(guān)時，在彈簧預(yù)壓縮力和閥門活動試驗(yàn)蒸汽關(guān)閉力的合力作用下，在油動機(jī)工作腔產(chǎn)生的油壓力應(yīng)大于閥門快關(guān)時卸載閥開啟壓力及滿足快關(guān)流量所需壓差要求。

通過核算以上安全系數(shù)校核可以確定設(shè)計出的組合彈簧能否滿足汽輪機(jī)各典型工況蒸汽閥門開啟和關(guān)閉要求。

6 結(jié)語

汽輪機(jī)蒸汽閥門操縱座彈簧設(shè)計，從蒸汽力和油動機(jī)接口輸入進(jìn)行力學(xué)分析得到彈簧預(yù)壓縮力和彈簧最大工作預(yù)壓縮力，進(jìn)而算出彈簧設(shè)計參數(shù)并進(jìn)行校核，設(shè)計完后對蒸汽閥門開啟力和關(guān)閉力安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證計算。整個計算是一個循環(huán)往復(fù)的過程，通過調(diào)整載荷分配和彈簧旋繞比等幾個主要參數(shù)，得到彈簧參數(shù)的最優(yōu)解，規(guī)范了汽輪機(jī)閥門操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計流程。

[1]機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊:單行本 彈簧摩擦輪及螺旋傳動[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]張會英,劉輝航,王德成.彈簧手冊:第2版 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

Design and Check of Spring for Steam Turbine Admission Valve Actuator

Chen Keyang，Xu Shiyong， Zhang Yunde
（Dongfang Electric Auto-control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

TH122

B

1674-9987（2017）03-0010-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.03.003

陳軻陽 （1990-），男，本科，畢業(yè)于上海大學(xué)機(jī)械制造及自動化專業(yè)，現(xiàn)從事液壓設(shè)計工作。