（长江三峡能事达电气股份有限公司 湖北武汉 430070）
摘要：水轮发电机组的运行可靠性以及电力系统的电能质量受水轮机调速器调节质量的影响较大，特别对于一些中大型机组，水轮机调速器性能的优劣，将直接关系到机组及电网系统的安全稳定运行。作为水轮机调速器系统的主要组成部分，先导阀部分一般采用高速开关阀等电液伺服阀结构。但是，目前大部分中大型水电站所采用的高速开关阀难以实现大流量和高频率响应，因此，高性能的水轮机调速器高速开关阀研制已成为国内外研究热点问题。
关键词：水轮机；调速器；高速开关阀
1 高速开关阀在水轮机调速器中的作用
根据用户现场应用反馈，水轮机调速器高速开关阀具有以下五种优点：（1）产品采用标准件，元件互换性好，由于密封性能好，管路无泄漏现象；（2）开关迅速可靠，开关阀动作时间约为3ms到5ms之间，高速开关阀调节性能好，这对电力系统的稳定使其对水轮机组的调节是十分有必要的；（3）运行可靠性高且耐用，检维方便，调节精度高；（4）比现有的普通调速器启动时间间隔要高出20倍以上，油泵的动作次数明显减少，静态耗油量显著降低；（5）利用插装阀优化结构，体积小巧，安装简便，取消了以前易出现问题的部件，根除了传统结构调速器发卡的问题。目前，大部分中大型水电站所采用的水轮机调速器高速开关阀都难以实现大流量和高频率响应，因此，国内外对水轮机调速系统中高速开关阀的研制已经成了热点问题。特别是响应时间控制在1ms以下，且空载流量达到10L/min，响应频率大于200Hz的水轮机调速器高速开关阀。作为一种新型的数字式电液转换先导阀水轮机调速器高速开关阀调速装置，因为它具有一些特殊的功能，所以在某些场合是不能够被其他的一些普通液压阀所取代的。
2 MSMA高速开关阀
磁控合金材料最显著的特征是形状记忆功能，它是通过磁场强度的大小和方向变化来控制MSMA材料的形变。但磁控合金材料还有一个很重要的特征是它的马氏体能够重新排列，并且显示出类似于磁致伸缩材料的宏观应变能力，因此，磁控合金不仅拥有作用力大和形变量大的特点，而且还拥有响应频率高的特性。磁控形状记忆合金具有这些优越的性能，近年来受到了国内外许多专家学者的普遍关注，一些国家在新型智能材料领域也开始投入大量的资金进行研究，MSMA材料未来的应用前景将会非常广阔。
图1是一种双向驱动的磁控形状记忆合金高速开关阀，该阀具有控制流量大、高频率响应的特点，满足传统液压系统对开关阀快速反应的要求。两个MSMA驱动器分别组装在阀体的两端，锥形阀芯通过左右两个复归弹簧固定在阀体中间，当右边的励磁线圈通入电源后，阀芯就会向左移动，此时左边的MSMA材料就会受力恢复到初始状态。同理，当左边的励磁线圈通入电源后，阀芯就会向右移动，右边的MSMA材料就会受力恢复到原来的状态。
图1 磁控形状记忆合金高速开关阀
磁控合金是一种智能感应的新型材料，它不仅同时具有感知和驱动功能于一体，而且还具有形状记忆效应、抗疲劳效应、高阻尼特性以及抗腐蚀能力。由于其优越的性能，在航天航空、国防医学等领域应用的非常广泛，目前国内外将此材料应用在水轮机调速器的相关研究非常少，相关文献中也很难查找到磁控形状记忆合金在水轮机调速器中的应用，根据其优越的性能特点，若将磁控形状记忆合金材料应用到水轮机调速器系统中，这将促使水轮机调速器系统的可靠性和调节精度得到很大的提高。
3 MSMA水轮机调速器高速开关阀的结构设计
3.1 高速开关阀的总体结构设计
水轮机调速器高速开关阀的驱动部分采用的是磁控形状记忆合金材料驱动，由于该材料具有响应速度高，形变量大的特点，因此，非常适合作为高速开关阀的驱动部分材料。为了使整体结构更加简单，这里采用的是单驱动方式驱动，如果采用对称方式驱动则需要两个磁场，这会大大增加驱动器的体积，也会使结构变得更加复杂化。其中MSMA棒材在磁场作用下，与磁场方向成90°垂直方向伸长，MSMA棒材套在夹持装置中，起到固定和导向作用。图中的磁路是由硅钢片层叠之后绕上线圈组成的，磁路通入稳压直流电流之后为MSMA棒材提供一个恒定的磁场，磁路套是磁路与夹持装置、泵腔之间的一个连接桥梁，起到固定整个开关阀装置的作用。泵腔内有一个两位三通阀，下夹持装置连接活塞，阀体端盖与推杆之间装有复归弹簧，在磁场作用下MSMA棒材产生形变压缩复归弹簧，撤掉磁场后，复归弹簧压缩MSMA棒材，使它恢复到初始状态。MSMA棒材形变过程中，磁场的大小和方向对MSMA棒材的形变影响很大，磁场只有在合适的大小和恒定的方向下MSMA棒材的形变才会达到最佳状态，因此，这对磁路搭建就需要较高的要求。
3.2 高速开关阀的阀芯设计
高速开关阀的阀芯有很多种，按阀芯结构的不同可以分为以下四种：分别为锥阀式高速开关阀、喷嘴挡板式高速开关阀、滑阀式高速开关阀及球阀式高速开关阀等。下面将这四种不同结构的高速开关阀阀芯进行比较。
（1）滑阀式高速开关阀
目前滑阀式高速开关阀应用的比较广泛，滑阀式为圆柱形阀芯，工作原理是阀体在阀套内轴向移动来启闭阀口，它虽然有可靠性好，阀芯受力平衡，操纵力较小，控制大流量且耐高压等优点，但是它的密封性能较差，工作行程长导致响应频率低，因此，他的控制精度不够高，这不符合现代高速开关阀的技术要求。
（2）球阀式高速开关阀
球阀式高速开关阀的阀芯在现代生活中也比较常见，应用的场合也比较多，是一种较为常见的阀芯结构。因为其拥有自身的优点，比如，结构紧密可靠，元部件之间密封性能良好，开关迅速灵敏，工作行程较短，运动摩擦力较小，因此其动态性能好。但是球阀式高速开关阀施加在球阀上的液压力不够均衡，不宜在大通径阀上使用，球阀式高速开关阀的动态响应比较慢且不宜在高温环境使用。在一些控制流量大的场合被作为先导阀使用。
（3）喷嘴挡板式高速开关阀
喷嘴和挡板是喷嘴挡板式高速开关阀的主要构成部件，两者通过相互作用实现力的控制。喷嘴挡板式高速开关阀虽然机械摩擦小，制造简单，容易组装等优点，但是它也存在着很多缺点，比如，不能实现大流量控制，抗污染的能力较差，阀体容易被堵塞卡死，且响应频率不高等缺点。
3.3 棒材卡槽和支架的设计
所设计的卡槽是与推杆固定在一起的，为了安装方便，两者之间使用螺纹配合，卡槽的主要作用是固定英国Goodfellow公司所购买的磁控形状记忆合金棒材，样品尺寸为2mm*3mm*15mm，因此，在卡槽的一侧开了一个2mm*3mm*3mm的槽，长宽分别为2mm和3mm，深度为3mm，将磁控形状记忆合金棒材的一端放置在卡槽内，这样棒材就能与阀芯的推杆能够更好地连接，同样，棒材的另一端放在另一个卡槽内。
另一个卡槽其实就是棒材支架的下端凸起部分，棒材支架固定于励磁铁芯的阀套上，棒材支架的下端卡槽正对于励磁铁芯气隙处的中间，经过计算好的距离设计棒材支架下端卡槽的深度，棒材支架下端所开的槽的尺寸大小与棒材卡槽的大小一致。
综上所述，主要是对高速开关阀的整体结构进行了设计。首先，对磁控形状记忆合金水轮机调速器高速开关阀的工作原理以及工作参数的进行了选择；其次，在参数的基础上对高速开关阀的整体结构、磁路、阀芯和阀体进行了设计。
参考文献：
[1] 郭道芬. 面向水轮机调速器的MSMA高速开关阀研究[D]. 南昌工程学院，2015.
[2] 刘明华. 基于PCC的高速开关阀控制的水轮机调速器的研制[D]. 西安理工大学，2005.
论文作者:胡汇紫
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/10
标签：调速器论文; 水轮机论文; 棒材论文; 合金论文; 磁路论文; 形状论文; 磁场论文; 《电力设备》2017年第36期论文;