李一興，朱軍華，江 攀，戴娜娜

· （中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第704研究所，上海 200031）

船用小型汽輪機(jī)危急保安器特性分析

李一興，朱軍華，江 攀，戴娜娜

· （中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第704研究所，上海 200031）

針對(duì)船用小型汽輪機(jī)常用的超速危急保安器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從偏心式飛錘、壓緊彈簧及整個(gè)保安器三個(gè)方面對(duì)力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析，獲得了脫扣前、脫扣后及復(fù)位過(guò)程的特性，并得出了調(diào)整墊片厚度對(duì)脫扣轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，可為汽輪機(jī)機(jī)組安全運(yùn)行提供保障。

汽輪機(jī)；危急保安器

0 引言

汽輪機(jī)屬于高溫高壓高速旋轉(zhuǎn)的熱力設(shè)備，其轉(zhuǎn)動(dòng)部件(葉片、葉輪等)承受均在較大的離心力下工作，該離心力和轉(zhuǎn)速有著密切的關(guān)系。由力學(xué)原理可知，離心力的增加與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，離心力所造成的應(yīng)力將會(huì)迅速增加。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的1.1倍時(shí)，應(yīng)力將增大21%；而當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1.2倍時(shí)，應(yīng)力增大44%[1-2]。在船用汽輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，為達(dá)到小型化結(jié)構(gòu)尺寸的要求，其轉(zhuǎn)速較常規(guī)汽輪機(jī)更高，通常范圍5000～10000r/min，由于轉(zhuǎn)動(dòng)部件的材料強(qiáng)度裕度有限，因此當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到超出安全閾值時(shí)，將導(dǎo)致汽輪機(jī)的嚴(yán)重破壞而構(gòu)成重大事故，影響機(jī)組安全運(yùn)行。為了防止這種情況的發(fā)生，機(jī)組都必須裝有危急保安器，與危急遮斷油門(mén)配合構(gòu)成汽輪機(jī)組超速保護(hù)裝置。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)脫扣轉(zhuǎn)速后，保安器動(dòng)作帶動(dòng)危急遮斷油門(mén)動(dòng)作，使主汽門(mén)速關(guān)，機(jī)組緊急停車(chē)。因此，危急保安器能否正常動(dòng)作，對(duì)于保證機(jī)組安全有重要作用。

1 危急超速保護(hù)組合裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1是某型船用汽輪機(jī)危急保安器的常用結(jié)構(gòu)，采用飛錘與彈簧結(jié)合的型式。整個(gè)部套安裝于轉(zhuǎn)子軸端內(nèi)，與轉(zhuǎn)子同旋轉(zhuǎn)。飛錘被壓縮彈簧壓緊在底端螺母的上端面，彈簧的預(yù)壓縮量通過(guò)調(diào)整墊片的厚度進(jìn)行調(diào)整。在達(dá)到脫扣轉(zhuǎn)速以前，飛錘離心力小于彈簧的壓力，飛錘被彈簧壓著不能飛出。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)保護(hù)轉(zhuǎn)速時(shí)，飛錘的離心力克服彈簧力而迅速飛出，撞擊危急遮斷器的掛鉤，使危急遮斷油門(mén)動(dòng)作，從而阻斷通往主汽門(mén)的壓力油，引起主汽門(mén)速關(guān)。整個(gè)裝置的行程由轉(zhuǎn)子凸臺(tái)與飛錘底盤(pán)的間距決定。

圖1 飛錘式危急保安器

圖2 危急超速保護(hù)組合裝置

從上述結(jié)構(gòu)及原理描述可看出，危急保安器結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)形式較為簡(jiǎn)單，但飛錘及彈簧的特性是保證其正常工作的關(guān)鍵。

2 危急保安器特性分析

2.1 飛錘運(yùn)動(dòng)特性

飛錘為一帶圓頭的柱體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。由于其頭部與掛鉤部件發(fā)生高速碰撞，因此必須采用滲碳等措施增加其表面硬度。

圖3 偏心飛錘結(jié)構(gòu)

飛錘為一偏心結(jié)構(gòu)，危急保安器裝入轉(zhuǎn)子后，飛錘重心位置必須高于轉(zhuǎn)子中心，從而保證飛錘能夠向外飛出。飛錘離心力可表示為：

式中：mc為飛錘質(zhì)量；rc為飛錘重心與轉(zhuǎn)子中心的偏心距；ω為角速度

從式(1)可看出，飛錘離心力與其質(zhì)量、偏心距、轉(zhuǎn)速有關(guān)。

2.2 彈簧運(yùn)動(dòng)特性

彈簧結(jié)構(gòu)如圖4所示，彈簧的自由長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，最大壓縮長(zhǎng)度為L(zhǎng)max(彈性變形)，其壓緊力與壓縮量成正比[3-4]，如式(2)所示：

圖4 彈簧結(jié)構(gòu)及壓緊力示意圖

彈簧裝入危急保安器后，有一定預(yù)壓縮量，產(chǎn)生的壓力將飛錘壓緊。通過(guò)調(diào)整墊片的高度和數(shù)量可改變彈簧的預(yù)緊力。

彈簧本身也會(huì)產(chǎn)生離心力，其大小也由式(1)決定，公式內(nèi)的值相應(yīng)替換為彈簧質(zhì)量、彈簧偏心距、彈簧角速度。在整個(gè)保安器特性分析時(shí)，這部分離心力也需考慮。在模型簡(jiǎn)化的情況下，可將彈簧與飛錘作為一個(gè)整體計(jì)算偏心距與離心力。

2.3 保安器特性

圖5是根據(jù)飛錘及彈簧的特性組合后生成的保安器靜力特性圖。橫坐標(biāo)X為位移坐標(biāo)，縱坐標(biāo)F為力(離心力和彈簧力)坐標(biāo)。A點(diǎn)是彈簧預(yù)緊力與(飛錘+彈簧)在脫扣轉(zhuǎn)速(對(duì)應(yīng)角速度ω1)下對(duì)應(yīng)離心力的平衡點(diǎn)，B’點(diǎn)為飛錘飛出后的最大行程對(duì)應(yīng)點(diǎn)，B點(diǎn)為彈簧的最大行程(壓縮量)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，C點(diǎn)為彈簧對(duì)應(yīng)的自由長(zhǎng)度點(diǎn)，D點(diǎn)是額定轉(zhuǎn)速(對(duì)應(yīng)角速度ω0)下對(duì)應(yīng)的離心力，ω2為飛錘對(duì)應(yīng)的復(fù)位角速度。x0為彈簧預(yù)壓縮量，s為飛錘(彈簧)的行程。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低時(shí)，飛錘的離心力小于彈簧預(yù)緊力，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，兩者的差距為AD段數(shù)值。隨著轉(zhuǎn)速的增加，當(dāng)達(dá)到脫扣角速度ω1時(shí)，飛錘離心力與彈簧預(yù)緊力達(dá)到平衡，飛錘處于飛出的臨界狀態(tài)。此后，隨行程的增加，飛錘離心力的增加值大于彈簧壓緊力的增加值(兩者差值為AB’與AB段之間的數(shù)值)，從而使飛錘處于加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到達(dá)到最大行程為止。該過(guò)程可推導(dǎo)如下：

圖5 保安器靜力特性圖

在行程為x時(shí)，飛錘的偏心距增大，其離心力與彈簧壓緊力差值為：

在船用小型汽輪機(jī)中，飛錘的整個(gè)行程一般設(shè)置為4～6mm，在這較短的距離內(nèi)，可認(rèn)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化不大，ωx≌ω1。

此外式中x＞0，由此式(2)的結(jié)果大于0，這表明飛錘在飛出后的行程內(nèi)，其離心力的增加將大于彈簧壓緊力的增加，F(xiàn)c＞Fk。

當(dāng)危急保安器動(dòng)作后，主汽門(mén)速關(guān)，機(jī)組停機(jī)，由此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速開(kāi)始下降，飛錘的離心力沿B’B段下降，但此時(shí)彈簧力仍保持最大壓緊力不變，飛錘仍處在最大行程位置。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到復(fù)位角速度ω2時(shí)，此時(shí)的離心力和彈簧力相當(dāng)，之后轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，彈簧力大于離心力，飛錘被加速拉回原位。該過(guò)程同飛錘飛出時(shí)的分析相一致，返回時(shí)飛錘離心力的下降大于彈簧壓緊力的下降，由此Fc＜Fk。

2.4 脫扣轉(zhuǎn)速調(diào)整

根據(jù)目前船用汽輪機(jī)的實(shí)際使用情況和安全裕量[5]，超速保護(hù)轉(zhuǎn)速一般設(shè)置為額定轉(zhuǎn)速的(1.08～1.12)ω0。由于加工誤差等因素，其脫開(kāi)轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)值難免有一定差距，需要在試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整墊片的厚度進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)墊片增加1mm時(shí)，脫扣轉(zhuǎn)速的變化為⊿ω，其平衡點(diǎn)方程變化為：

由此可得出，轉(zhuǎn)速變化率Δw為：

將原轉(zhuǎn)速ω1、裝置(錘+彈簧)的質(zhì)量m、偏心距ri(這里忽略墊片厚度變化引起的偏心距變化)、彈簧剛度k代入式(5)中，即可獲得墊片每變化1mm對(duì)應(yīng)的脫扣轉(zhuǎn)速變化情況。在保安器部套試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)整墊片厚度，使飛出轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足范圍要求。為減小偶然因素影響，保證裝置的可靠性與靈敏度，保安器需連續(xù)試驗(yàn)3次，均正常動(dòng)作，并使脫扣值在正常脫扣整定值的±1%范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

危急保安器是船用小型汽輪機(jī)常見(jiàn)的超速保護(hù)裝置，其工作靈敏度與可靠性直接影響機(jī)組的安全：1）飛錘離心力與彈簧壓緊力是決定裝置運(yùn)動(dòng)特性的兩大因素；2）保安器運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為脫扣前、脫扣時(shí)、脫扣后和復(fù)位四個(gè)主要過(guò)程。脫扣前，彈簧壓緊力大于飛錘離心力，裝置靜止在原位置；脫扣轉(zhuǎn)速為兩者平衡點(diǎn)；脫扣后到最大行程間，彈簧力與飛錘離心力都增大，但前者增加值小于后者，使飛錘加速運(yùn)動(dòng)到最大行程處；在最大行程位置到復(fù)位轉(zhuǎn)速之間，彈簧力不變，飛錘離心力逐漸減小，但仍大于彈簧力，使裝置靜止在最大行程處；復(fù)位轉(zhuǎn)速為兩者的另一平衡點(diǎn)；復(fù)位到原位置過(guò)程間，彈簧壓緊力與飛錘離心力都減小，但前者減小值小于后者，使飛錘加速歸位；3）可根據(jù)墊片變化1mm的轉(zhuǎn)速變化率，通過(guò)調(diào)整墊片厚度對(duì)裝置的脫扣轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使之滿(mǎn)足范圍和靈敏度的要求。

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Characteristic Analysis of Emergency Trip Device for Marine Compact Steam Turbine

LI Yi-xing,ZHU Jun-hua,JIANG Pan,DAI Nn-ma
(No.704 Research Institute of CSIC,Shanghai 200031,China)

The force and dynamic characteristics of emergency trip device for compact turbine are analyzed in this paper.The characteristics of off-center pole,pressured spring and trip device of three procedure (before and after trip,restore)are obtained.The law of the height of gasket with trip rotate speed is calculated.All the work is the basis for the safety of the turbine.

compact steam turbine; emergency trip device

TK263.2

A

李一興（1976-），山西大同人，博士研究生，高工，主要從事汽輪輔機(jī)設(shè)計(jì)。