1.昆明电机厂有限责任公司 云南昆明 650100;2.武汉三联电工有限公司 湖北武汉 430000
摘要 无论机械液压式水轮机调速器还是电气型水轮机电液调速器，其主配压阀的特性会影响水轮机导水机构接力器的速动性，直接影响到调速器的调节品质，从运行角度看它是水轮机安全运行的关键器件；它的特性在一定条件下对整个水轮机控制系统的静态、动态特性都起着重大影响。在水轮机调速系统中，主配压阀和接力器组成的液压放大环节是水轮机调速系统的基础核心。
关键字 主配压阀；调速系统；调节品质
1.主配压阀活塞行程
主配压阀的设计行程开方向Sg0和关方向Sf0是完全对称的，实际整定的行程往往非常小，也就是说我国水电厂主配压阀选型的最大问题之一是选型尺寸偏大，不少水电厂主配压阀实际整定的行程与设计行程之比Sf / Sf0 或Sg / Sg0基本上在0.2～0.5之间；该值越小，主配压阀活塞运动的线性范围就越窄，其特性就越近于继电器式的开、关特性，这对水轮机调节系统的静、动态特性非常不利。
应该来说，主配压阀实际整定的行程与设计行程之比Sf / Sf0 或Sg / Sg0在0.4～0.8之间最好，调节范围宽。
图2表明，主配压阀行程从零位开始而有不同位移时，接力器活塞移动的速度变化会很大，主配压阀在其遮程区域内逐渐增加偏移值时，接力器的速度是从零开始而逐渐增大的，这是因为在遮程区域内阀盘与衬套间间隙的漏油量基本平衡，形成的压差不足以让接力器活塞形成位移，当主配压阀活塞移动超过遮程区域后，接力器活塞的速度便逐渐增大。当配压阀的实际行程接近或到达设计的最大行程时，接力器速度则趋于饱和状态。
因此，主配压阀速度特性由遮程区、低速区、线性区、饱和区组成。
所以，在遮程区域内这种速度特性对调节性能是不利的，是产生接力器不动时间和调速器转速死区的主要因素。有些调速器厂家调速器的设计取配压阀小正遮程、甚至取负遮程，这就导致配压阀漏油量过大，油泵启动频繁，对水轮机控制设备寿命带来不利的影响；
IEC 61362标准推荐：导叶接力器Ty=0.1～0.25s；桨叶接力器Ty=0.2～0.8s；冲击式折向器Ty=0.1～0.15s。在我国一般推荐：导叶接力器Ty=0.1～0.2s；桨叶接力器的Ty取为导叶接力器Ty的2～3倍。
5.水轮机调速器主配压阀
1）规格
水轮机调速器系列型谱中规定：
主配压阀活塞直径 80mm /100mm /150mm /200mm/250mm；
工作油压为 2.5Mpa / 4.0Mpa /6.3Mpa。
2）结构
通常调速器的主配压阀结构一般采用立式滑阀型式；主配压阀体较重，需要足够的动力推动，主配压阀活塞体均有用来操控主配压阀活塞的辅助接力器；
主配压阀主要由活塞(阀芯)、衬套（阀套）、阀体组成，还包括与主配压阀活塞构成的辅助接力器部分的引导阀阀芯和引导阀衬套。
⑴主配压阀活塞形式
主配压阀的活塞有两阀盘和三阀盘两种型式，由于三阀盘活塞导向较二阀盘活塞为好，还有定中能力强，允许回油压力较高的优点。但二阀盘主活塞加工简单，重量轻，在主配压阀回油流道通畅的情况下采用二阀盘 也能制造出性能优秀的主配压阀，目前很多大型主配压阀都采用两阀盘结构的活塞。
⑵有衬套结构
衬套装在阀壳内，相邻油腔之间通过间隙密封或采用外面的o形密封圈隔离，保证各腔室之间不窜油。由于衬套外圆与阀体内孔之间有一定间隙，当阀体与油管连接受外力作用时，衬套不易变形，这样确保了活塞在衬套中移动不发卡。采用衬套结构，可节约贵重合金全材料，同时，其内孔加工方便，更易保证尺寸精度的要求；
活塞和衬套的材料更适用于6.3MPa的油压等级。
⑶无衬套阀体结构
无衬套阀体结构就是将衬套与阀体融为一体，一般采用锻件整体结构，通常为外方内圆。它的特点是结构简单，相对体积较小，流道通油面积较大，但材质一般，热处理及加工较为困难。这种无衬套的主配压阀型式特别适合油压等级低的场所，一般为4.0MPa及以下，6.3MPa的油压等级的场所运行，随着运行时间的增长，活塞与阀体的磨损加大，活塞发盘的锐角呈现出R状，油耗会越来越大，无衬套结构的主配压阀搭叠量已加大到1mm以上了。
因焊接安装外接油管不当容易引起的主配压阀壳体的微量变形后，引起活塞卡阻。
⑷接力器开关机时间调节机构
接力器开关机时间调节的方式有两种，一种是限制主配压阀位移行程的方法调整接力器开、关机时间；另一种是在流道上加设节流孔的方法。
采用在流道上加设节流孔的方法调节开关杌时间的主配压阀流量特性线牲范围宽。检修主配压阀 时不用拆装开关机时间调节机构。
3）主配压阀所选用的材料及热处理方法
⑴ 主配压阀阀体的材料
阀体材料的选用分为两种形式：一种是铸铁或铸钢，适用于壳体形状复杂的阀体。另一种是采用低碳或中碳厚壁无缝钢管进行加工成形后，再与法兰座、管件进行焊接，其焊接后需要进行去焊接应力退火处理。
⑵ 衬套和活塞的材料（包括引导阀活塞和衬套）
一般采用以下三种配对材料及其热处理方法。
①衬套（或无衬套阀件）用40Cr，调质后内孔用高频淬火处理，硬度为HRC45－50；活塞用45钢，调质处理后，外圆高频淬火处理，硬度为HRC40－45。
②衬套和活塞均用38 CrMoA1材料，调质后，氮化处理，氮化层为0.45mm，表面硬度HRC58－62。
③衬套和活塞均为20CrMo材料，调质后，氮化处理，氮化层为0.45mm，硬度HV750以上；或表面渗碳淬火处理，渗碳层1.2－1.8mm，渗碳层硬度HRC60－64，心部硬度达HRC35－40。
⑶ 机械加工工艺方案
主配压阀的关键零件衬套和活塞，粗加工后调质处理，精加工并留有一定的加工余量进行精磨，淬火或氮化后，对配合表面再进行精磨加工。
活塞需要精磨外圆后，再精配外圆保证径向间隙以及精加工小波动窗口和搭叠量，一般来说，活塞和衬套是一对一，不可能互换的。
⑷ 衬套与活塞径向间隙和轴向搭叠量的控制
主配压阀除了具备足够大的控制输油量，动作灵活，工作可靠，还应在稳定平衡状态下内泄漏油量要小，减小系统能耗。所以要求活塞与衬套二者配合的径向间隙和搭叠量合理匹配。调速器主配压阀的径向间隙和搭叠量的经验数据：
6.结语
水轮机调速系统主配压阀是水轮机控制设备中体积较大，加工精度较高的部套，我国最近机械加工工艺，金属材料工艺均取得较大进步，只要提出合理的工艺条件，制造过程中强化质量管理工作，提供完美的主配压阀应无特殊困难。在结构上宜选用有衬套的主配压阀型式。目前特大型水轮机组调速器主配压阀机构几乎全部为有衬套式两阀盘结构，采用的是差压单腔控制。主要优点如下：
1）适用的油压等级范围广，在6.3MPa的压力下可以长期运行，不会引起静态油耗随着运行时间增大。
2）活塞和衬套选用的是优质合金钢，体积小易于精密加工，耐磨性强，可靠性高，利于加工工艺品质的提高，便于维护检修；
3）主配压阀阀体要求的加工制造精度较低，易于加工，壳体与衬套间有o型密封圈，它们之间的间隙较大，因加工制造或安装外接油管不当引起的主配压阀壳体的微量变形后，不易引起活塞卡阻。
参考文献：
[1] 魏守平．现代水轮机调节技术【M】．武汉：华中科技大学出版社，2002
[2] 程远楚.水轮机自动调节【M】．北京：中国水利水电出版社，2010.
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[4] GB/T 9652.2-1997.水轮机调速器与油压装置试验验收规程【S】．北京：中国标准出版社，1997
作者简介：刘纯虎（1982—），男，湖北荆州人，工程师，从事水电工程项目管理工作。
论文作者:刘纯虎1,王珍明2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/16
标签：衬套论文; 活塞论文; 调速器论文; 水轮机论文; 阀体论文; 油压论文; 加工论文; 《电力设备》2019年第9期论文;