水輪機調節系統液壓沖擊研究

次仁桑珠

（西藏日喀則地區江孜縣滿拉水電廠，西藏 日喀則　857400）

水輪機調節系統是由水輪機控制設備（系統）和被控制系統組成的閉環系統。水輪機、引水和泄水系統、裝有電壓調節器的發電機及其所并入的電網稱為水輪機調節系統中的被控制系統；用來檢測被控參量（轉速、功率、水位、流量等）與給定量的偏差，并將其按一定特性轉換成主接力器行程偏差的一些裝置組合，稱為水輪機控制設備（系統）［1］。

在液壓系統中，由于某種原因引起液體壓力急劇交替升降的阻尼波動過程，稱為液壓沖擊。沖擊壓力可高達正常工作壓力的3至4倍［2］，常使液壓元件、各類儀表及傳感器、密封裝置損壞失效；壓力繼電器也可能誤發錯誤信號，影響液壓系統和調速流程的正常工作，造成液壓系統的工作穩定性和可靠性的降低；液壓沖擊同時引起管路震動，管夾、法蘭和焊接處松動，造成漏油。

為減少液壓沖擊對系統的危害，需對液壓沖擊形成的原因進行分析，提出減少液壓沖擊的措施。文章的研究成果為水輪機調節液壓系統及同類產品的設計提供參考。

1　產生液壓沖擊的主要原因

在由壓力罐、主配壓閥、接力器等構成的水輪機調節液壓系統中，壓力罐提供系統壓力能。接力器控制水輪機導水機構，主配壓閥控制接力器的開啟、關閉及保持中位。三種設備間用無縫鋼管焊接進行連接。

水輪機調節系統運行時，主配壓閥實時控制接力器動作。當液體在管路中流動時，如果主配壓閥突然回復至中位時，管路中液體流速將隨之驟然降低到零。在這一瞬間液壓油的動能轉化為壓力能，使液壓系統壓力突然升高，形成壓力沖擊波。反之，如主配壓閥突然打開時，壓力罐與主配壓閥間管路將會壓力降低。

接力器及導水機構的慣性力也會引起系統中的液壓沖擊。接力器及導水機構在制動和換向時，因主配壓閥突然關閉，導水由于慣性還在繼續轉動，將會引起壓力急劇升高的液壓沖擊。

液壓沖擊常使液壓元件、各類儀表及傳感器、密封裝置損壞失效，是造成管道劇烈振動的主要原因。因此正確分析、計算并采取有效措施防止或減少液壓沖擊，對于水輪機調節液壓系統尤為重要。

2　液壓沖擊的計算

由上可知，水輪機調節液壓系統中的液壓沖擊主要分為：主配壓閥迅速啟閉引起的液壓沖擊及急劇改變接力器運動速度引起的液壓沖擊。現就兩種液壓沖擊分別給出計算依據：

2.1　主配壓閥迅速啟閉引起的液壓沖擊

式中：ρ-油液密度，kg/m3；Δν-主配壓閥開啟或關閉前、后管道內液壓油速度變化值，m/s；t-主配壓閥關閉或開啟的時間，s；

t-管道內沖擊波往返所需時間，t=2l/a，s；l-管道長度，m；a-沖擊波在管道內的傳播速度，m/s；

式中：E0-液壓油液的體積彈性模量，Pa；δ-管道的壁厚，m；d-管道的內徑，m；E-管道材料彈性模量，Pa。

2.2　急劇改變接力器運動速度引起的液壓沖擊

急劇改變接力器及其驅動的負載的運動速度時，由于液體及運動部件的慣性作用引起的壓力增大值為

式中：li-第i管道的長度，m；ρ-液壓油液密度，kg/m3；Ai-第 i管道的截面積，m2；A-接力器活塞面積，m2；m-活塞及其聯動部件的質量，kg；Δν-活塞運動速度變化量，m/s；t-活塞速度變化Δν所需時間，s。

3　減少液壓沖擊的措施

對于主配壓閥迅速啟閉引起的液壓沖擊，可采取下述方法排除或減少：①在前提條件允許的情況下，減慢主配壓閥的開啟或關閉速度，即延長換向時間t。主配壓閥的開啟或關閉速度受限于先導元件的運動速度。可在電磁閥的油口設置阻尼器或可調節流閥，以減緩主配壓閥的換向速度。此外，還在滑閥完全關閉前減緩管道內液體的流速。如采用伺服閥或比例閥作為先導元件，其在閥芯上設有錐形槽或V形槽，可減少主配壓閥在中位附近的運動速度，大幅減少液壓沖擊；②增大管徑，減小流速，從而可減小流速的變化值，以減小緩沖壓力［3］；合理布管，縮短管長，避免不必要的變徑、彎曲等；③在主配壓閥完全復中前減緩液體的流速。這就需要在主配壓閥油口的開口方式提出了新的要求，一般主配壓閥的油口形式為矩形口或圓形口。對于矩形口，其壓力流量特性曲線呈線性，在主配壓閥完全復中前無緩沖。而對于圓形口，其壓力流量特性曲線在中位附近有較大緩沖。故主配壓閥油口形式采用圓形口，液壓沖擊可大為減小。

對于接力器突然被制動、減速或停止產生的液壓沖擊，可采用的減少液壓沖擊的措施有：在接力器端部設置節流緩沖裝置，控制接力器端部的排油速度，特別是接力器臨近停止時的關閉速度，平穩無沖擊［4］；在易產生液壓沖擊的管路上，設置蓄能裝置，以吸收沖擊壓力；優化設計，減少接力器及其聯動部件的質量。

4　結論

文章介紹了水輪機調節液壓系統中液壓沖擊的原因及危害，從主配壓閥迅速啟閉引起的液壓沖擊、急劇改變接力器運動速度引起的液壓沖擊兩方面對液壓沖擊進行了計算。最后，結合理論分析和實踐，提出了減少液壓沖擊的措施。文章的研究結果對水輪機調節系統和同類系統的液壓沖擊分析具有一定的指導意義。

［1］魏守平.現代水輪機調節技術［M］.武漢：華中科技大學出版社，2002.

［2］張利平.液壓傳動系統及設計［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［3］陳國華.液壓沖擊問題分析及控制［J］.冶金設備管理與維修，2015（1）:35-36．

［4］裴學智.液壓沖擊消除措施的探討與應用［J］.液壓氣動與密封，2010（2）：9-11．