DN250主配压阀国产化的研究

    1 引言

    水轮机调速系统是水轮发电机组中最重要的核心控制系统之一，它担负着控制水轮发电机组的开机、停机和实时转速调节等许多重任。主配压阀及其先导控制部件则是水轮机调速系统中的一个关键设备，该设备将接收到的电气控制信号实时地转换为液压信号输出，并经过功率放大后操作接力器，进而推动水轮机进水口导叶，实施对进水流量的调节[1]。从而达到控制水轮发电机转速的目的。对水轮机调速系统来讲，仔细分析主配压阀的各项性能指标，比如输入与输出之间的线性度、回滞、响应频率等，可以发现，主配压阀实际就是一个超大号的伺服阀本体。因此，在设计和生产过程中，对于主配压阀的流道结构，阀盘结构、泄漏量，死区，配合间隙，元件表面硬度，阀心自重等都要进行严格的计算和仿真，每一个拐角都要再三推敲。

    2 同类进口主配压阀介绍

    在国内已投入发电的特大型水轮发电机组，如三峡电站、龙滩电站和小湾电站30多台单机600MW以上的机组，全部使用的是DN250进口主配压阀，这些主配压阀，主要集中在GE和ALSTOM两个品牌。以三峡为例，左岸采用了ALSTOM产品，右岸用的是GE产品。这两种主配的结构形式见图1所示。

    图1中可以看出两种结构的不同之处，ALSTOM采用的是立式三阀盘结构，GE采用的是卧式两阀盘结构，它们都采用在主配压阀的一端通恒压力油，另一端通控制油的设计方式，而且，两家都选用了在主阀体内部嵌有主配压阀套的结构形式，自投入运行以来，实际运行情况良好。

图 1

    3 方案的分析

    3.1 结构型式选择

    通过对进口同类产品的比较，结合国内多年来设计、生产、调试及现场运行主配压阀的经验，我们认为在确定方案的结构型式时，应重点关注下述几个方面。

    （1）主配压阀体内是否采用阀套，有阀套的主配压阀结构相对复杂，成本较高，同时由于增加了一层阀套过流孔，在主配压阀活塞行程相同的条件下，阀的过流能力会减小。

    （2）对于采用内嵌阀套的方案，阀套与阀体之间的密封方式是采用间隙密封，还是采用密封件密封，如采用间隙密封，由于阀套与阀体之间的间隙较小，同无阀套的结构一样，在使用过程中，若加工制造或安装外接油管过程控制不当，会造成主配压阀本体的微量变形，易引起阀心卡阻。

    （3）阀心是采用两阀盘结构，还是采用三阀盘结构，两阀盘结构阀心的重量较轻，惯性小，对提高响应速度有好处，但是其导向性稍弱。反之，三阀盘结构阀心的重量较大，惯性也较大，但是其导向性明显优于两阀盘，尤其对于短阀心的情况效果明显。

    （4）阀心及其控制端是采用整体结构形式还是分几段。若采用整体结构，则对加工件的形位公差要求高，装配困难，但阀体总长度可缩短。若采用分段结构，则装配、检修相对容易，总长度增加。

    （5）主配压阀的总体安装方式采用立式还是卧式。对卧式结构，在主配检修时，可以在不拆卸管路的情况下，轻易的对主配压阀进行解体、清洗。对立式结构，因阀心垂直放置，所以控制性能在一定程度上会受到阀心自重影响。但是该结构可以在失压的情况下靠阀心自重保持偏关，同时横向占用厂房空间小，布置方便。

    （6）阀套的开口型式是采用圆孔，方孔或是全周环形槽。圆孔总过流面积偏小，孔周边应力相对分散。方孔的总过流面积比圆孔略大，拐角处易出现应力集中现象。全周环形槽轴向尺寸控制困难，经热处理过程后元件容易变形。

    （7）阀体的形式是采用铸件还是锻件，铸件易做出好的流道，孔径大且流畅，但单位面积承载压力稍低，生产过程中的报废率高。锻件强度高，流道复杂，过流面积相对较小。

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    3.2 受力分析

    （1）阀心受力分析

    图2所示为三阀盘阀心和两阀盘阀心在偏离中心位置的情况下，所受的油压力示意图。图中三阀盘阀心的两个外端部，即图2中的M端和N端受到的都是接力器排出油形成的压力，两边受力大小基本一致，而两阀盘阀心中的Y端受到的是接力器排出油形成的压力，而X端不受力，因此阀心两端所受到的扰动力不一致。

图 2

    （2）阀套受力分析

    图3所示乃主阀心为两阀盘结构的主阀套一端受力示意图，当阀心向左侧运动一定位移，P腔压力油进入A腔，对A腔阀套的外圆形成周向压力，此时，阀套左侧内室T腔压力很小，易引起阀套左端向内凹陷变形。相比而言，主配压阀心采用三阀盘结构时，对应的主阀套在各种工况下，内、外受力相对均衡。

图 3

    3.3 流态分析与仿真

    主操作油的流态会直接影响到主配压阀心的稳定，过于紊乱的流态会导致主操作油管路本体，以及串接在管路中的液压设备，如事故配压阀、分段关闭装置等产生震动，危及发电机组的安全稳定运行。输入主配压阀的压力油首先经过主配压阀的P-A阀口，送往接力器，然后再经过主配B-T阀口流回油箱，在这整个循环过程中，油流还经过了主配阀体的三个腔室和主配压阀套的多个孔口，由于大多数电厂，通过调节保证计算后，在主操作油回路中串接了事故配压阀，分段关闭装置等，压力油流经过的管路长，环节多，流态紊乱。南瑞在进行主配压阀结构设计的过程中，针对实际结构进行了仿真。图4及图5所示，为双阀盘结构的主配压阀，内部流体的流态仿真示意图。其中，图4为流态迹线分步图，图5为流态迹线整体图，这两幅图表示了当主配阀心移动10mm时，此时压力油从P口流入主配压阀，通过主配压阀的A口流出到接力器进油腔，再从接力器出油腔返回至主配压阀的B口流入阀体，通过主配压阀的T口流回油箱，整个油流的瞬间流态和稳定流态。

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图4 流态迹线分步图

图5 流态迹线整体图

    3.4 遮程、间隙与泄漏

    遮程指当主配压阀处于中位状态时，阀心控制边与阀套控制口之间的搭叠量，间隙则是指主配压阀心的阀盘与阀套内孔之间的径向缝隙。若设计时要求主配压阀产品的遮程大、间隙小，则产品的油流泄漏量会相对较少，但动作死区会增大，动态性能降低，同时，加工难度提高，成本显著增加；反之，若设计时规定了主配压阀的遮程小、间隙大，则产品的油流泄漏量会相对较大，但动作死区会减小，动态性能会提高，加工相对容易，成本降低。而且，随着主配压阀心直径的增加，DN250的主配若要与小规格的主配保持相同的泄漏量及速动性，加工的难度会成倍增加。因此，针对不同规格的主配压阀，选取一个合理的间隙与配合是设计的重要环节之一。

    3.5 热处理工艺

    主配压阀阀体、阀心、阀套的热处理工艺与各部件所选用的材料，以及最终的精度要求密切相关，由于主配压阀阀心与阀套之间的配合精度高，要求尺寸稳定性好，表面硬度高，耐腐蚀，因此，在制造过程中需要进行多次人工时效去应力处理，以保证主配压阀能真正实现一个大型伺服阀体的功能。

    4 结论

    通过对特大型主配压阀结构设计的分析，以及样机的仿真，可以发现，DN250主配压阀国产化既有实现的要求，又有实现的条件，以共同推动国内水轮机调速事业的发展。