汽輪機(jī)閥門操縱座彈簧設(shè)計(jì)與校核

陳軻陽(yáng)，徐世勇，張運(yùn)德

(東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

汽輪機(jī)閥門操縱座彈簧設(shè)計(jì)與校核

陳軻陽(yáng)，徐世勇，張運(yùn)德

(東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

文章主要闡述汽輪機(jī)閥門操縱座彈簧參數(shù)計(jì)算與校核流程，基于閥門蒸汽力、油動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，提供了計(jì)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(duì)彈簧預(yù)壓縮力計(jì)算、組合彈簧參數(shù)計(jì)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(jì)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(dòng)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)。可見彈簧設(shè)計(jì)是汽輪機(jī)閥門操縱座設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)具有足夠的閥門開啟力安全裕量，對(duì)于整個(gè)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?；诖?，筆者提出汽輪機(jī)閥門操縱座彈簧設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核方法，作為汽輪機(jī)閥門操縱座彈簧設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化流程。

1 彈簧設(shè)計(jì)流程

彈簧設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是根據(jù)設(shè)計(jì)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(shí)，為了使操縱座結(jié)構(gòu)緊湊，通常設(shè)計(jì)為組合彈簧，內(nèi)外彈簧旋向相反，因此需要對(duì)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(jì)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(jì)流程重新計(jì)算參數(shù)并校核。本文將著重對(duì)彈簧預(yù)壓縮力和最大工作載荷計(jì)算、組合彈簧參數(shù)計(jì)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(jì)主要流程。

圖1 彈簧設(shè)計(jì)主要流程

2 彈簧設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

（續(xù)表）

當(dāng)蒸汽力方向與關(guān)閥方向一致時(shí)為正值，與開閥方向一致時(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)活塞直徑、活塞桿直徑和閥門將開時(shí)的油動(dòng)機(jī)始動(dòng)油壓，油動(dòng)機(jī)始動(dòng)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(dòng)機(jī)排油背壓。

根據(jù)油動(dòng)機(jī)活塞有效工作面積和始動(dòng)油壓計(jì)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(dòng)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(duì)閥門活動(dòng)試驗(yàn)最大蒸汽浮力的關(guān)閉力安全系數(shù)，計(jì)算彈簧預(yù)壓縮力Fd2。

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

取計(jì)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(shí)滿足上述要求，否則，應(yīng)調(diào)整油缸直徑等參數(shù)，重新計(jì)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(shí)，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(duì)蒸汽浮力的關(guān)閉力安全系數(shù)，計(jì)算彈簧力最大工作壓縮力Fg1。

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

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

取計(jì)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(shí)滿足上述要求，否則，應(yīng)調(diào)整油缸直徑等參數(shù)，重新計(jì)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(jì)算

組合彈簧參數(shù)計(jì)算流程圖如圖2所示。

圖2 組合彈簧參數(shù)計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(duì)其進(jìn)行圓整。

由

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

由

得到ne和ni；通過文獻(xiàn)[1]表7.1-2對(duì)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(gè)彈簧的最大工作載荷下變形量不得大于另外一個(gè)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(jì)算。

4.2 內(nèi)、外彈簧的強(qiáng)度接近相等

計(jì)算外彈簧和內(nèi)彈簧最大工作載荷。

計(jì)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(zhēng)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(jì)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(jì)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(gè)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(jì)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(zhǎng)度。

得

計(jì)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(jì)結(jié)構(gòu)限制，不能改變參數(shù)時(shí)，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(jì)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(jì)算油動(dòng)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(shí)油動(dòng)機(jī)開啟力安全系數(shù)設(shè)為a1；

大閥將開時(shí)油動(dòng)機(jī)開啟力安全系數(shù)設(shè)為a2；

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

大閥全開時(shí)油動(dòng)機(jī)開啟力安全系數(shù)設(shè)為a3；

閥門活動(dòng)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(jì)算無蒸汽力時(shí)閥門全關(guān)和全開時(shí)彈簧力在油動(dòng)機(jī)工作腔產(chǎn)生的油壓力，閥門全關(guān)時(shí)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(shí)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(dòng)試驗(yàn)過程中，當(dāng)閥門全關(guān)時(shí)，在彈簧預(yù)壓縮力和閥門活動(dòng)試驗(yàn)蒸汽關(guān)閉力的合力作用下，在油動(dòng)機(jī)工作腔產(chǎn)生的油壓力應(yīng)大于閥門快關(guān)時(shí)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(jì)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(yǔ)

汽輪機(jī)蒸汽閥門操縱座彈簧設(shè)計(jì)，從蒸汽力和油動(dòng)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(jì)參數(shù)并進(jìn)行校核，設(shè)計(jì)完后對(duì)蒸汽閥門開啟力和關(guān)閉力安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。整個(gè)計(jì)算是一個(gè)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(gè)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(jì)流程。

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

[2]張會(huì)英,劉輝航,王德成.彈簧手冊(cè):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(yáng) （1990-），男，本科，畢業(yè)于上海大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事液壓設(shè)計(jì)工作。