插裝閥式調速器壓力沖擊問題探討

劉同安，張建明

（中國水利水電科學研究院中水科技公司，北京 100038）

1 概況

傳統水輪機調速器液壓控制技術的基本組合是“四通滑閥”（也稱“主配壓閥”）加雙向可控執行器（也稱接力器）。主配壓閥系具有多臺肩圓柱滑閥閥芯和多沉割槽鑄造或鍛造閥體的配磨對稱結構，為非標準大通徑閥（特殊形式的大流量－機液操縱比例/伺服閥）。由于采用間隙密封且軸向結構尺寸大，其抗油污能力差、易卡死，換向可靠性受到局限；此外，換向時間、泄漏量、換向沖擊、動態響應等方面也有諸多不足。從液壓阻尼控制工程的觀點看，它是一種剛性牽連的“四臂液阻”構成一“液壓全橋”，簡單通用、應用歷史悠久。它無法進行“單臂控制”、“可控性”受到局限，難以實現多形式、廣范圍和靈活多變的集成化。顯然難以滿足現代水輪機調速器對液壓技術日益增高的要求，為此，我們將現代邏輯插裝技術引入到水輪機調速器技術中，開發了插裝閥式調速器。

2 插裝技術的特征及組合機理

插裝閥的結構特點是其功率級采用插裝式結構，并因此得名。所謂插裝式結構是指由閥芯、閥套及附屬的彈簧、密封件等構成組件，安裝時只需插入集成塊的標準孔內，并靠蓋板與集成塊之間的螺釘聯接而固定。相關尺寸已按DIN24342標準化，現在的ISO7368、GB/T2877與其等效。插裝技術的基本特征可歸納為：先導控制、閥座主級、插裝式聯接。同傳統“四通滑閥”相比，它采用微型結構的先導控制，可以不受限制地接受各種形式的開關、模擬和數字信號控制，并進行包括機械、液壓參量的反饋和比較，在同一主級上復合壓力、流量及方向諸多功能，并和比例閥、開關閥兼容，若先導信號是連續或按比例調節，閥座主級就可實現伺服閥/比例閥的控制功能，具有極佳的“可控性”與靈活性。閥座結構上也克服了傳統滑閥工藝性差及徑向間隙泄漏的缺點，其閥座主級系“線密封”和“零遮蓋”，加之軸向結構尺寸短、閥芯質量小，這為提高動態品質、實現多形式、大范圍、靈活多變的集成化提供了可能，這些優點對工業液壓控制的技術進步具有十分重要的意義。

圖1 采用插裝閥控制一個“受控腔”

圖1是采用插裝閥控制一個執行機構“受控腔”的結構示意圖，它由控制進油液阻的CV1和控制回油液阻的CV2兩個控制液阻組成一個“液壓半橋”，這種組合的優點之一是能用不同規格的主級來適應不同的進、回油流量控制，同時只要改變微型先導級的組合便能實現壓力和流量的多種復合控制功能，大部分的液壓控制系統及回路都可含有若干個這種組合，這一概念使液壓控制系統的組合機理發生了根本變化，對傳統液壓控制技術的變革起了很大推動作用；這種控制優點對中大功率的水輪機調速器液壓系統的系統集成與使用十分有利。

3 插裝閥的性能特點

插裝閥從原理上講，可看作是一種“可控液阻”。該液阻通過先導控制可以實現各種不同的控制功能；同時由于先導控制具有容易復合的特點，因此一個主級單元可以具有多種功能。另外，從控制方式看，插裝閥單元有利于采用邏輯控制、比例控制、數字控制等各種復雜的控制形式，這也稱之為“軟控制”。可見，“多功能”、“軟控制”是插裝閥的一個突出特點。插裝閥所具有的一系列技術和經濟優勢，概括如下：

適于高壓、大流量；

適用于各種工作介質，包括高水基甚至純水液壓系統；

適于集成化、組合化。插裝閥系統不僅具有一般液壓集成系統的優點，而且還具有集成塊結構緊湊、內部流道短、彎曲少、阻力損失小、靈活多變、三化程度高，以及安裝維護方便等特點；

可實現無泄漏控制；

具有大流量、低液阻特性，因而其系統效率高、節省能量，這也是滑閥系統所無法比擬的；

既具有快速的開啟與關閉特性，又可容易地對開、關特性進行控制，包括緩沖與減速；

流量控制特性好，在緩沖尾部開有適當的控制窗口的插入元件，可以用作具有良好線性和工作頻寬的流量控制元件及流量傳感器；

抗油污能力強、性能可靠、工作壽命長。

4 插裝閥調速器應用中的壓力干擾和壓力沖擊問題

由插裝閥組成水輪機調速器液壓系統與采用主配壓閥等傳統液壓元件組成的水輪機調速器液壓系統的基本原則盡管是一致的，但由于插裝閥本身的多機能和組合靈活的特點，使設計過程較傳統系統要復雜一些。插裝閥無論從結構原理上還是從控制機能上來看，與傳統液壓閥相比有很大差別，因此插裝閥液壓系統與現在常用的滑閥系統相比，在結構形式上顯然是不同的，其設計方法也不一樣，它有以下3個主要特征：

(1)作為系統基本工作單元的插裝閥具有兩個重要特征：一是組合化，二是多機能化。它是由主級和先導級兩部分組成，作為直接控制工作液流的主級，它的結構相對簡單，其工作狀態是受先導級控制的，只需配置不同的先導元件和改變聯接形式，即可實現不同的方向、壓力、流量控制功能，應用十分靈活方便。所以，系統主級的結構設計比較簡單，變化也不大，而先導級的結構設計卻是比較復雜的，變化也大，是插裝技術的關鍵所在。

(2)作為系統的基本控制單元是以執行元件（接力器）的基本工作單元——單個工作腔作為控制對象的。一個完整的液壓系統可以有多個執行元件、許多復雜的動作和功能要求，但如果從每個工作腔的工作情況來分析的話，無非是要求控制它的液流方向、壓力和流量這三大參數。所以，在插裝系統中就以單個工作腔的復合控制作為設計的出發點與基本回路的基礎，它具有很強的通用性。一個完整的插裝系統主要就是由與執行元件單個工作腔數目相當的基本控制單元組合而成。

(3)插裝閥液壓系統總是以插裝式聯接，以集成化的形式出現，且不受壓力與通徑的限制。

4.1 插裝閥主閥單元的工作特性

插裝閥的原理符號至今還沒有標準化，圖2是方向流量插裝閥插件畫法之一，它形象地表明了插裝元件的結構與工作原理。

一般來說，插裝元件的工作狀態由作用在閥芯上的合力大小和方向決定的。其受力狀態的定性分析可參見有關資料，這里不再引述。

圖2 方向流量插裝閥插件的基本原理符號(帶緩沖尾部)

4.2 主級回路設計

根據調速系統的初步設計、接力器的形式與容量規格，以及主機對調節保證、過渡過程的要求，確定主控回路主級插件的數量、構成以及各插裝閥單元的規格、結構形式、面積比等參數。

特別需要指出的是，在調速器中接力器的位置隨動控制需要運動平穩、位移誤差小。由于水輪機調速器的接力器容積一般較龐大，故主級插件的許用流量與通徑也較大，若采用普通的方向插件，是很難由先導控制油路的調整來徹底解決運動平穩性與控制精度的。這是因為普通方向插件沒有緩沖尾部，其啟閉過程的重要特點就是，只要閥芯從閥座上稍一抬起便立刻接通了油路，并且閥口流道的過油面積增加很快，這盡管帶有啟閉過程快、能實現快速換向的優點；但由于這種啟閉方式無法對流量進行平滑精密的調節，其缺點是換向易過沖、接力器定位不平穩、隨動精度低。

鑒于此，在設計插裝式調速器液壓隨動系統時，應盡量采用帶有緩沖尾部的方向流量插件，參見圖2其特征是閥芯尾部帶有開三角槽的圓柱形節流塞，帶節流塞后，閥芯啟閉分為兩個階段，在節流塞未進入閥口前為一個階段，此時與普通閥芯沒多少差別；在節流塞進入閥口后為另一階段，此時閥口流道截面的變化變得比較平緩，所以有利于消除啟閉過程的壓力沖擊，也可以實現小流量范圍內比較精細的流量調節。

4.3 先導回路的設計

前面已提到，系統主級的結構設計比較簡單，而先導級的結構設計卻是比較復雜的，變化也大，是插裝技術的關鍵所在。

4.3.1 先導級調節元件

根據插裝閥單元的規格不同，對先導回路及先導閥的最大通流能力的要求也不盡相同。起調節作用的先導閥的選用可以由比例閥、高速開關閥或其它類型的閥供選擇；不起調節作用的輔助性先導閥，如緊急停機閥，則可直接采用普通用途的標準電磁閥。

參見圖2所示的插件結構原理圖，通過改變K腔的控制壓力，就可以控制主閥的開度；例如，當調節用的先導閥采用比例溢流閥時，主閥芯的位移量就與比例溢流閥的驅動電流成正比，某知名液壓元件廠商的插裝式方向流量比例閥產品就是直接采用該方法組合而成。而中國水科院CVT系列調速器是將高速開關閥作為先導閥，通過控制高速開關閥改變控制腔K的壓力，從而實現對主閥開度的連續控制。

4.3.2 關于壓力干擾問題

對插裝系統的壓力干擾問題必須高度重視。由于插裝閥本質上是一種壓力控制型元件，所以在用于調速器液壓控制回路時必須經過嚴格計算，清楚了解接力器位置隨動控制過程中每個局部油路的壓力變化情況，以及每個插裝元件A、B、K口的壓力變化情況、插裝閥的啟閉速度等因素；尤其注意分析接力器換向過程及小波動過渡過程中壓力變化的影響。應充分重視先導油路中單向閥、梭閥的作用及其功能的巧妙應用。如果只是簡單照抄某些應用場合不太完整的系統圖，且未作周密細致的考慮與分析計算，則在使用中有可能影響到接力器的運動狀態，導致局部誤動或動作失調。

4.3.3 關于主級油路壓力沖擊問題

壓力沖擊的直接成因是短時間內流道內液流速度或方向的改變，它只與流量變化率或流速變化率（即流量變化的大小與方向、變化時間）、流道長度與走向、流道材料、油液密度等直接相關，與其它任何因素均無直接關系。

對于水輪機調速器而言，主油路壓力沖擊由主控閥（主配壓閥或插裝閥）迅速啟閉與主接力器慣性制動引起，其實后者也是受到主控閥啟閉特性影響。也就是說，在管道長度、走向一定的情況下，調速器管道壓力沖擊直接由主控閥（主配壓閥或插裝閥）開度（或節流開口）變化的大小與開度變化速度（啟閉規律）決定。

從流體動力控制的角度而言，無論是主配壓閥還是插裝閥，都是利用閥口開度的改變，實現對接力器的運動控制，這一點無任何本質區別。只要閥口開度發生改變，都會引起壓力沖擊，無論使用主配壓閥還是插裝閥都不例外，凡是流體傳動都存在壓力沖擊，世上不存在無任何壓力沖擊的流體傳動！但必須對壓力沖擊作出適當控制，把它限制在管道、密封件、液壓件所能承受的允許范圍內，即工程實際所允許的范圍內。

圖3 主配壓閥、插裝閥開度控制示意圖

從閥芯操縱方式的角度來看，主配壓閥是利用壓力差控制主閥芯的軸向運動，進而引起閥口開度的改變，插裝閥也是如此；因而不能簡單地認為利用插裝閥控制的主油路就一定比主配壓閥的壓力沖擊大。根據前面的分析可知，如果閥芯的啟閉速度能得到適當控制，壓力沖擊也就能控制在適當范圍了！閥芯啟閉速度取決于主閥（主配壓閥或插裝閥）的加速度或操縱力（即壓差×有效作用面積）與導閥（如電液轉換器、伺服閥、比例閥、高速開關閥、微電機帶動的引導閥等等）的先導控制流量。所以，如果插裝閥采用帶有緩沖尾部的方向流量插件，且合理設計與控制先導油路的控制流量與壓力，以使啟閉速度得到適當控制，其壓力沖擊完全可以保證在工程實際所允許的范圍內，且可以做到比主配壓閥的壓力沖擊還要小。

以湖南柘溪水電站為例，自2001年中國水科院的插裝閥調速器在柘溪水電站2號機上投運，到2007年為止，湖南柘溪水電站6臺機組調速器全部更換為中國水科院的插裝閥調速器，實際運行結果是，油擊引起的管道沖擊震動遠比原傳統調速器要小得多。

我們投運的湖南蟒塘溪水電站也是如此，該電站同期投運中國水科院的2臺插裝閥調速器和1臺其它公司的插裝閥調速器，我們的2臺插裝閥調速器一次投運成功，無任何管道壓力沖擊，至今運行狀況良好，而其另一臺則不然。

四川雅安川王宮水電站以前采用的是四川某一家公司生產的插裝閥調速器，運行后壓力沖擊嚴重，調速器不能穩定運行，2010年5月更換為中國水科院的插裝閥調速器，一次投運成功，無任何管道壓力沖擊，運行狀況良好。

通過上述幾個實例再次證明了如果插裝閥采用帶有緩沖尾部的方向流量插件，且合理設計與控制先導油路的控制流量與壓力，以使啟閉速度得到適當控制，其壓力沖擊完全可以保證在工程實際所允許的范圍內，且可以做到比主配壓閥的壓力沖擊還要小。

5 結語

迄今為止，中國水科院的CVT系列插裝閥式調速器在國內外100多個電站200多臺機組上得到成功應用，產品系列已涵蓋了混流、軸流、沖擊、貫流等機型，插裝閥調速器“壓力沖擊”這樣的在某些單位調速器產品開發中沒有有效解決的問題，對我們來說已是“不是問題的問題”。

[1]張建明，等.插裝式液壓技術在水輪機調速器開發中的應用[C].2009年中國水電站控制設備學術交流會議論文.