馬新勇，蔡佐君，劉克成，倪 平

（上海船舶設(shè)備研究所，上海200031）

0 引言

某型汽輪燃油泵通過輔汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿泵為鍋爐提供燃燒所需的燃油，是重要的輔助設(shè)備之一。該型汽輪燃油泵需要隨時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)速以適應(yīng)鍋爐的工況變化，為避免系統(tǒng)工況波動(dòng)，需要機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好，避免有擾動(dòng)輸入時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)速的劇烈波動(dòng)，出現(xiàn)意外的超速速關(guān)和滑油供應(yīng)量不足等危險(xiǎn)。因此需要對汽輪燃油泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)開展仿真研究，掌握其調(diào)節(jié)特性。該調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用機(jī)械液壓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其調(diào)節(jié)元件組成如圖1所示。

主蒸汽通過蒸汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)入汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與減速器轉(zhuǎn)子通過齒輪嚙合傳遞功率。

圖1 調(diào)節(jié)元件組成圖

減速器轉(zhuǎn)子一方面驅(qū)動(dòng)螺桿泵增壓燃油給鍋爐燃燒用，另外通過傳遞一小部分動(dòng)力給齒輪油泵產(chǎn)生反饋油壓給蒸汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行工況調(diào)節(jié)。當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定在某工況下運(yùn)行時(shí)，若有擾動(dòng)（例如蒸汽壓力升高、螺桿泵阻力減?。┦沟棉D(zhuǎn)速升高，則齒輪油泵反饋油壓相應(yīng)升高，從而促使蒸汽調(diào)節(jié)閥關(guān)小，即減少蒸汽進(jìn)入量，降低機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高。反之，當(dāng)擾動(dòng)使轉(zhuǎn)速降低時(shí)，則反饋油壓的降低亦減小機(jī)組轉(zhuǎn)速的降低。

本文對汽輪燃油泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了簡化建模，獲得了各組成元件的調(diào)節(jié)方程，并對調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了工況調(diào)節(jié)、蒸汽壓力波動(dòng)和螺桿泵阻力波動(dòng)對機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的影響，并與試驗(yàn)曲線進(jìn)行了比較。

1 仿真模型建立

1.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能框圖

通過對汽輪燃油泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行合理簡化，獲得如圖2所示的調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能框圖。

圖2 調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能框圖

油動(dòng)機(jī)控制蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度，從而影響蒸汽室容積的變化，進(jìn)而影響汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、減速器轉(zhuǎn)子及齒輪油泵的轉(zhuǎn)速。齒輪油泵的反饋油壓受油泵轉(zhuǎn)速和工況給定器的共同影響，通過錯(cuò)油門控制油動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而反饋調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度，使機(jī)組工況穩(wěn)定。

1.2 轉(zhuǎn)子方程

1.2.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效

汽輪燃油泵采用一級減速，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子通過齒輪嚙合傳動(dòng)減速增扭到減速器轉(zhuǎn)子，減速器轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)螺桿泵工作。通過扭矩平衡關(guān)系及注意到齒輪嚙合時(shí)作用力與反作用力相等的條件，可以將低速端的減速器轉(zhuǎn)子、螺桿泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效到高速端的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)，有如下方程

1.3 容積方程

1.4 齒輪油泵信號方程

蒸汽調(diào)節(jié)閥開度與工況給定器輸出的脈沖油壓ps有關(guān)，脈沖油壓越高，調(diào)節(jié)閥開度越小，反之亦然。工況給定器輸出的脈沖油壓與齒輪泵輸出的油壓pg和工況給定器的回油量有關(guān)。齒輪油泵進(jìn)入工況給定器內(nèi)的流量為：

1.5 錯(cuò)油門方程和油動(dòng)機(jī)方程

1.5.1錯(cuò)油門方程

錯(cuò)油門滑閥位移與脈沖油壓有關(guān)，當(dāng)脈沖油壓增加時(shí)，錯(cuò)油門滑閥會(huì)克服拉簧上移，反之則下移。因?yàn)榛y質(zhì)量很小，且在潤滑油環(huán)境中摩擦力也很小，可以略去滑閥自身的慣性力和受到

式中：z是錯(cuò)油門滑閥的相對位移變化；φ是轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程的輸出，作為錯(cuò)油門方程的反饋輸入；β是齒輪泵由于工況給定器調(diào)節(jié)閥門改變回油量作為錯(cuò)油門方程的擾動(dòng)輸入，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)為0。以上變量已做無量綱化處理。

1.5.2油動(dòng)機(jī)方程

油動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)蒸汽調(diào)節(jié)閥閥桿運(yùn)動(dòng)，改變閥門開度。汽輪燃油泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)油動(dòng)機(jī)與錯(cuò)油門是跟隨式的，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，錯(cuò)油門滑閥凸肩與油動(dòng)機(jī)油口處于動(dòng)態(tài)重疊狀態(tài)。當(dāng)錯(cuò)油門滑閥移動(dòng)xΔ 時(shí)，油口開啟，油動(dòng)機(jī)也要相應(yīng)的移動(dòng)mΔ ，直至穩(wěn)定時(shí)再次達(dá)到動(dòng)態(tài)重疊，即x mΔ =Δ 。油口打開時(shí)，油動(dòng)機(jī)活塞腔體積變化率應(yīng)與油的排出或流進(jìn)量相等，從而有下式成立：

2 仿真計(jì)算及分析

圖3 蒸汽壓力階躍升高10%仿真曲線

圖4 蒸汽壓力階躍降低10%仿真曲線

圖5 泵阻力階躍升高10%仿真曲線

圖6 泵阻力階躍降低10%仿真曲線

圖7 工況調(diào)節(jié)階躍升高10%仿真曲線

圖8 工況調(diào)節(jié)階躍降低10%仿真曲線

圖9是輸入的蒸汽壓力曲線，圖10給出了同樣 算點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)行了同比例修正。從轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線蒸汽壓力波動(dòng)曲線作用時(shí)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線和 對比可以看出，試驗(yàn)曲線和仿真計(jì)算的響應(yīng)曲線仿真計(jì)算曲線的對比，曲線中對所有仿真曲線計(jì) 是比較接近的。

圖9 蒸汽波動(dòng)曲線

圖10 仿真與試驗(yàn)曲線對比

3 結(jié)論

本文對某型汽輪燃油泵機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了合理簡化建模，采用傳遞函數(shù)方法對調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，分別討論了蒸汽壓力波動(dòng)、螺桿泵阻力系數(shù)波動(dòng)和工況調(diào)節(jié)的影響，另外還與試驗(yàn)曲線進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明：

1）該機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)很快，調(diào)節(jié)時(shí)沒有明顯的超調(diào)現(xiàn)象；

2）工況給定器調(diào)節(jié)對轉(zhuǎn)速的影響最大，大約是蒸汽壓力波動(dòng)和螺桿泵阻力波動(dòng)影響的4倍，影響大小由各擾動(dòng)項(xiàng)的系數(shù)大小決定；

3）仿真曲線與試驗(yàn)曲線比較一致，較好地反映了機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性。