机械液压型调速器.ppt

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1、 机械液压型调速器主要内容1、测量元件（离心摆）2、比较元件（引导阀）3、放大元件（液压放大装置）4、反馈元件（缓冲器）5、操作控制机构6、油压装置2021/9/231第二章 机械液压调速器离心摆引导阀缓冲器辅助接力器、主配压阀主接力器2021/9/2322.1测量元件（离心摆）测量元件（离心摆）1.离心摆结构及工作原理主要内容：主要内容：2.离心摆运动方程和动态特性3.离心摆工作参数2021/9/2332.1测量元件（1）作用：把机组的转速信号转换为机械位移信号。（2）结构：菱形钢带结构，上与飞摆电动机转轴相连（输入），下与引导阀转动套相连（输出）。离心飞摆结构上支持块输入钢带限位架重块调节

2、螺母弹簧下支持块2021/9/234（3）动作：a.初始为某一平衡位置，折算离心力与弹簧力相等；b.当飞摆转速升高时，折算离心力大于弹簧力向外张开，下支持块向上处于较高位置；c.当飞摆转速下降时，折算离心力小于弹簧力向内收缩，下支持块向下处于较低位置；可见稳态时，下支持块的上下位置就反映了转速的高低。离心摆受力及动作2021/9/235（4）离心摆特性）离心摆特性 1.运动方程由二阶简化为比例方程 2.离心摆的不均衡度 表征离心摆的测速范围3.离心摆的放大系数 K：转速偏差1%时,下支持块的位移偏差。放大系数 K 的倒数称为单位不均衡度u4.静特性 直线性：实践表明菱形钢带式离心摆的静特性在一

3、定范围内线性度很好。转速死区：静特性曲线离心摆运动方程：方框图：传递函数：2.2放大元件（液压放大装置）放大元件（液压放大装置）1.放大元件动作原理主要内容：主要内容：3.放大元件静态特性4.放大元件动态特性2.放大元件结构5.放大元件方块图2021/9/2382.2.1 放大元件动作原理（1）作用：将飞摆的输出位移量放大到足以操作笨重的导水机构。（2）结构a第一级液压放大（引导阀辅助接力器）引导阀由三层结构组成，外层为引导阀固定套，里层为引导阀针塞，中间层为引导阀转动套。转动套与离心摆下支持块相连，和离心摆一同旋转；引导阀针塞与辅助接力器、主接力器反馈杠杆相连；固定套与阀体相连，阀体上接通三

4、个油管路。辅助接力器与引导阀中间控制油路相连。引导阀结构2021/9/239b第二级液压放大（主配压阀主接力器）主配位于辅接下面，由外层的阀套与中间的阀芯组成。阀芯两个阀盘，上大下小。阀套与阀体相连，阀体上有4个油管路。主接由缸体、活塞及活塞杆组成，活塞两侧接通主配两个控制油路，活塞杆与导水机构相连。2021/9/2310第一级液压放大第二级液压放大2021/9/2311（3）动作平衡位置受力分析辅助接力器向上力：辅助接力器向下力：静止时满足：转速升高时：转速降低时：2021/9/23122.2.2放大元件放大元件结构结构1.配压阀型式配压阀型式 结构形式分类：（按遮程/搭叠量分）hs衬套孔口

5、高 度hv阀盘高度a.通流式：正开口阀b.断流式：负开口阀零开口阀2021/9/2313通流式配压阀通流式配压阀断流式配压阀断流式配压阀2021/9/2314a.四通阀双作用油缸有两个控制油路主配压阀主接力器b.三通阀单作用油缸只有一个控制油路引导阀辅助接力器2.液压放大的型式液压放大的型式2021/9/23152.2.3放大元件放大元件静态特性静态特性液压放大装置原理图液压放大装置原理图2021/9/2316接力器在静止时，有b.配压阀漏油量配压阀漏油量或 压力损失在遮程上。由于间隙很小 （0.01mm0.02mm），流速较低为层流，压力损失与流量的一次方成正比例，设压力油罐油压为p0，回油

6、箱油压为“0”，则有kT与阀盘和阀套之间间隙相关的液体摩阻系数。漏油量q与工作油压p0成正比，与遮程l、kt成反比。a.接力器静止平衡方程接力器静止平衡方程2021/9/2317c.几何中间位置几何中间位置 即衬套孔口两侧遮程相等情况下，主配压阀两个控制油口油压相等，油压合力此时为零。即d.工作（实际）中间位置工作（实际）中间位置 阻力不为零，故活塞两侧的油压力不相等。能够保持接力器静止不动的主配压阀阀芯位置，称之为工作（实际）中间位置，以几何中间位置为基准，设主配压阀阀芯向下位移S1，则有：可见，工作中间位置与阻力R大小成正比，由于水力阻力的大小和方向随导叶开度位置变化。因此主配压阀工作中间

7、位置的大小和方向也在变化。2021/9/2318d.配压阀死区配压阀死区 由于作用在接力器活塞杆上的力除水推力RW之外，还有干摩擦力T。2021/9/2319 若要向开启方向移动，油压为主动力，阻力R=RW+T，配压阀向下位移S11若要向关闭方向移动，水推力RW为主动力，阻力R=(PI-PII)F+T，配压阀向上位移S12则在S11到S12之间移动时，主接力器保持不动。称为配压阀死区2021/9/23202.2.4放大元件放大元件动态特性动态特性 一旦配压阀偏离了工作中间位置，设在此基础上主配压阀偏离一个量S，接力器就开始运动。接力器活塞的运动方程为式中：m接力器活塞及一起移动的零部件质量（包

8、括与接力器活塞一起运动的所有零部件，如推拉杆、控制环、连杆、拐臂和导叶等）；D为液体阻尼系数；Y为接力器位移量。当调节系统波动较小时，S亦较小，接力器移动速度较慢，运动质量力、液体摩擦阻力相对于水阻力、油压力小的多，运动方程可近似认为或与静止式相同，但内涵不同2021/9/2321 上式说明，为液压放大元件提供压力油的油压，一部分用于克服接力器上静止阻力所需油压R/F，另一部分用于克服接力器运动所引起的油流动在过油部件产生的油压损失，这一损失油压称为储备油压p。在小波动条件下，接力器速度较慢，管道中的油流速较慢，所有沿程损失可忽略不计，油压损失p主要集中在配压阀口。2021/9/2322 设配

9、压阀窗口形状为矩形，根据不可压缩流体的连续性方程，流过该窗口的油流量等于通过接力器的油流量。式中：v通过配压阀窗口油的流速，b为配压阀窗口宽度，S为配压阀的偏移量。2021/9/2323 通常以接力器活塞最大位移Ymax（YM）及配压阀阀芯最大位移Smax为基准，写成相对值形式（注：以下运动方程、传递函数中的物理量均以偏差相对值表示），有 上式称为接力器运动方程，Ty称为接力器反应时间常数，单位为秒（s）。液压放大装置的传递函数为可见，液压放大装置是一个积分环节。其中2021/9/2324 可见，当配压阀有一开口时，接力器以一直线运动。或者说，要想让接力器停止运动，配压阀开口必须为“0”，这说

10、明液压放大装置无自平衡能力。在单位阶跃输入信号作用下，其时域相应输出为接力器单位阶跃响应曲线2021/9/2325接力器反应时间常数Ty Ty是表征接力器运动的一个重要参数，不同的配压阀结构，油路布置不同，则Ty不同，但其输入/输出关系为非线性，一般常根据实验数据求得，画出接力器的速度特性曲线。水轮机调速器技术条件规定，Ty是指接力器带一定负载，其相对运动速度与配压阀相对位移关系曲线斜率的倒数。接力器速度特性曲线2021/9/23262.2.5放大元件方框图放大元件方框图 液压放大装置是一个积分环节，无自平衡能力。为了保证其输入、输出在稳态情况下保持确定的关系，将接力器的位移输出以负反馈形式反

11、馈到配压阀的输入端，从而构成液压随动系统。第一级液压放大装置的传递函数：式中：为辅助接力器行程；为引导阀开口相对位移，为辅助接力器反应时间常数。2021/9/2327局部反馈：取相对值：传递函数：为局部反馈系数。式中：为局部反馈引起的引导阀针塞相对位移量；2021/9/2328综合比较元件引导阀引导阀开口：设计时取：离心飞摆方框图第一级液压放大随动系统传函为液压随动系统方框图传函简化为2021/9/2329辅助接力器主配压阀取相对值设计时：传递函数：放大元件总体方块图2021/9/2330作业题1：YT型调速器主配压阀单边遮程为0.2mm，正常工作油压下限22kg/cm2，接力器活塞直径170

12、mm，活塞杆直径50mm，导水机构的干摩擦力为1000kg，辅助接力器至引导阀的局部反馈杠杆尺寸如图所示，试求主配压阀所造成的转速死区为多少（以转速变化的相对值表示。）？已知飞摆的放大系数K=0.3mm/%，即ZM*=30mm。2021/9/23312.4反馈元件（缓冲器）反馈元件（缓冲器）1.缓冲器作用主要内容：主要内容：3.缓冲器运动方程4.缓冲器的特性2.缓冲器组成5.暂态反馈机构6.调节系统特性及动作过程分析2021/9/23322.4.1反馈元件反馈元件作用作用 设置反馈元件的目的是对放大元件进行校正，改变调速器的控制规律，以保证水轮机调节系统动态的稳定性。专有名词称暂态转差机构。2

13、.4.2缓冲器的缓冲器的组成组成a.缓冲杯（主动活塞）；b.缓冲活塞（从动活塞）；c.缓冲弹簧；d.节流阀。缓冲器2021/9/23331.主动活塞；2.从动活塞；4.缓冲弹簧；3.节流阀。2021/9/23342.4.3缓冲器的缓冲器的运动方程运动方程 作用在缓冲活塞上的力有：油压力和弹簧力，其他力较小忽略不计。通过节流阀孔口的流量由于油流速较小，可按层流公式计算。也可表示为活塞下腔油的体积变化。整理后得2021/9/2335设：2.4.4缓冲器的回中特性缓冲器的回中特性 设N为一阶跃输入，观察K的变化规律。在t=0时，K0=N0当t0时，求解微分方程缓冲器回中特性曲线2021/9/2336

14、当t=Td时 缓冲常数Td被定义为：缓冲活塞从阶跃输入撤出到恢复至36.8%初始偏移量为止所经历的时间。2.4.5暂态反馈机构暂态反馈机构 设主接力器到缓冲杯的杠杆传递系数为1，缓冲活塞到引导阀针塞的杠杆传递系数为2，引导阀针塞位移Zd，主接力器位移变化量Y，则有：代入缓冲器运动方程2021/9/2337用相对值可化为：式中：暂态转差机构运动方程传递函数：暂态转差系数（缓冲强度）bt可理解为，相当于缓冲器截流孔全关（认为Td=）情况下，接力器走完全行程YM所引起的反馈量，相当于转速变化的百分数。2021/9/23382.4.6调节系统特性及动作过程分析调节系统特性及动作过程分析分三种情况来讨论

15、调节系统的静态与动态特性。（一）、无反馈作用时 Td=0（二）、硬反馈作用时 Td=（三）、软反馈作用时 Td=有限值2021/9/2339（1）调节系统静态特性 以机组出力P为横坐标，机组转速n为纵坐标，可画出调节系统静特性曲线无反馈（Td=0）要使调节系统稳定的3个必要条件：a.主动力矩等于阻力矩（Mt=Mg）；b.配压阀开口为零（S=0，SB=0）；c.反馈量不在变化（K=常数）。无差静态特性，调节结束输出没有误差无反馈调节系统静态特性2021/9/2340.硬反馈（Td=）硬反馈调节系统静态特性.软反馈（Td=有限值）软反馈调节系统静态特性2021/9/2341（2）调节系统动态特性a

16、.第一级液压放大为比例环节；b.第二级液压放大为积分环节;（主接力器速度与主配压阀开口成正比例，忽略非线性）c.主动力矩与主接力器开度成正比例。（忽略转速、水击压力等对主动力矩的影响）d.机组运动方程，忽略转速对阻力矩Mg影响2021/9/2342无反馈（Td=0）初始处于稳态，当t=t0时，n=n0，S=0，Y=Y0Mt=Mt0=Mg0=Mg=M0当tt0时，Mg=Mg1=M1M0=Mt0进入到动态。无反馈作用时调节系统动态过程2021/9/2343.硬反馈（Td=）曲线Sn代表机组转速对主配压阀影响，假设Z点不动；曲线Sy代表主接力器反馈对主配压阀影响，假设X点不动；红线代表二者对主配压阀

17、影响之和，即主配压阀的实际位置变化曲线。是一个衰减振荡过程，分析见后。硬反馈作用时调节系统动态过程2021/9/2344无反馈作用时硬反馈作用时2021/9/2345表示动态过程中杠杆位置变化的关系。初始平衡状态，Y0、Z0、S0杠杆处于水平位置。S0点主配压阀开口的大小。Y0点反馈量的大小，Z0点转速的高低，有反馈时可以使主配压阀提前回中，不必等到转速变化后。无反馈时杠杆的动作位置有反馈时杠杆的动作位置2021/9/2346软反馈（Td=有限值）当采用软反馈时，在调节系统动态过程中，反馈量是存在的，可保证动态过程能够稳定，其动态过程曲线见图。软反馈相当于速度反馈，动态有、静态无；硬反馈为位置

18、反馈，动态有、静态也有。软反馈作用时调节系统动态过程2021/9/2347无反馈作用时软反馈作用时2021/9/2348作业题2、YT-600型调速器的软反馈机构信号传递系统尺寸如下图所示，试求可调支点在b=15mm时的暂态转差系数bt。已知飞摆的放大系数K=0.3mm/%，即ZM*=30mm。2021/9/23492.5操作控制机构操作控制机构1.转速调整机构（略）主要内容：主要内容：3.手动、自动切换阀4.紧急停机电磁阀2.开度限制机构2021/9/23502.5.2、开度限制机构、开度限制机构1.开度限制作用正常运行时开限针塞的中间阀盘高于阀套的中部油孔，引导阀与辅助接力器之间的油路保持

19、畅通。引导阀输出的油压控制信号可到达辅助接力器。接力器开至一定开度时，针塞的中阀盘使通向辅助接力器的油孔封闭，此时无论引导阀窗口开多大，压力油也无法流向辅助接力器，接力器的开度也就受到限制不能再增大。换句话说开限阀起了限制开度的作用。2021/9/23512.开停机作用（1）开机。起动前接力器全关，转动套在最低位，引导阀输出压力油，但开限阀切断了通往使辅助接力器上腔的油路。人为动作电动机或手轮使开限螺母上升，则开限针塞上升，压力油流入辅助接力器上腔，接力器从全关逐步开大，机组起动。起动过程中辅助接力器的下降、主接力器的开大都经过杠杆使开限针塞降低，即传回与人为动作方向相反的反馈位移。由于杠杆的

20、比例特性，使接力器的行程与开限螺母上升的距离成正比。转速达到额定值时，系统进入自动调节状态。2021/9/2352 （2）停机。机组运行当中如果人为使开限螺母下降（即减小限制开度），在开限针塞中阀盘堵住中间油孔（此时开度表上两针重合）以后继续使它下降，则会使辅助接力器经开限阀的排油孔排油，造成接力器关小以至最后完全关闭。2021/9/23532.5.3手手动、自动切换阀动、自动切换阀2021/9/23542.工作原理液压手动系统 2021/9/23552.5.4紧急停机电磁紧急停机电磁阀阀 工作原理：当发生本机事故时,电气信号送至电磁阀线圈中,紧急停机电磁阀上移,使辅助接力器上腔接通排油,主配

21、压阀上移,导叶关闭。2021/9/23562021/9/23571离心摆电动机；2离心摆；3重块；4调节螺母；5离心摆弹簧；6引导阀；7引导阀转动套；8引导阀针塞；9、10拉紧弹簧；11、13、14、17、29、31、68杠杆；12、40、64、65、69连杆；15调节螺钉；16销子；18手钮；19内弹簧；20外弹簧；21针塞；22从动活塞；23缓冲器主动活塞；24主配压阀衬套；25主配压阀阀体；26辅助接力器活塞；27限位螺母；28调整螺钉；30支持架；32锁母；33开度限制阀；34开度限制阀衬套；35切换阀；36紧急停机电磁阀；37电磁阀弹簧；38电磁阀活塞；39、76弹簧；41滚轮；42

22、锥体活塞；43接力器活塞杆；44接力器活塞；45活塞环；46旋塞；47手柄；48锁母；49手轮；50推力轴承；51滑环；52法兰；53套筒；54转轴；55框架；56指针；57调整螺杆；58、6l缓冲螺母；59调整螺杆；60连杆；62滑轮；63滤油器；66转速调整螺母；67转速调整螺杆；70开度限制螺杆；71开度限制螺母；72、74主动齿轮；73、75从动齿轮；77转速调整机构手轮；78开度限制机构手轮；79、80限位开关档块；81、82限位开关；83开度限制机构减速器；84开度限制机构电动机；85转速调整机构减速器；86转速调整机构电动机；87压力表；88节门；89开度限制指针(红针)；90转

23、速调整机构指针；91导水机构开度指针(黑针)；92滑轮装置；93压力信号器，94压力表；95压力油箱；96止回阀；97中间油箱；98补气阀；99补气阀活塞；100安全阀；101油泵电动机；102螺杆泵；103回油箱油位指示器；104滤油网；105吸气管；106压力油箱油位指示器；107放油阀；108球阀；109滑块；110十字头；111臂柄；112调速轴2021/9/23582.6油压装置油压装置1.油压装置的作用和分类主要内容：主要内容：2.油压装置的组成和工作原理2021/9/2359一、油压装置的一、油压装置的作用和分类作用和分类u 油压装置是供给调速器操作所需压力油的设备，也可为蝴蝶阀

24、、球阀等液压操作系统提供压力油。u 作为能源设备，油压装置必须储备足够的能量，确保在任何情况下调速器的工作容量大于水轮机需要的调速功。所提供的压力油不仅数量、压力应满足工作需要，而且油质也应符合技术要求。u 油压装置按布置方式不同分为组合式和分离式两大类。前者压力油罐安装在回油箱上，结构紧凑但维修较难，适用于中、小型水电站。后者压力油罐与回油箱彼此独立，可分别布置在不同地方，多用于大、中型水电站。2021/9/2360 我国的油压装置已经标准化，油压装置的型号由三部分代号组成：第一部分第一部分为类型代号，用汉语拼音的字首表达，YZ为分离式，HYZ为组合式；第二部分第二部分以分数形式表达压力油罐

25、的容积和个数，分子的数字为压力油罐总容积（m3 字母为产品改进标记，无字母为基本型。分母的数字为压力油罐个数，无分母则表示只有一个压力油罐；第三部分第三部分用数字表达额定油压(MPa)，无数字则额定油压为2.5MPa 2021/9/2361二、二、调速器油压装置的组成与原理调速器油压装置的组成与原理组成：组成：回油箱、油泵、补气阀、安全阀、中间油罐、压力油罐等。常用30号透平油（汽轮机油）作工作介质。2021/9/2362基本工作原理：基本工作原理：正常正常情况下，压力油罐中存有情况下，压力油罐中存有三分之一的油，并保持额三分之一的油，并保持额定压力。油压下降一定值定压力。油压下降一定值后油泵将回油箱中的油加后油泵将回油箱中的油加压经补气阀组、中间油罐压经补气阀组、中间油罐输送至压力油罐。达到压输送至压力油罐。达到压力上限后，油泵停止工作。力上限后，油泵停止工作。若油泵故障不能停止，若油泵故障不能停止，压力继续上升，安全阀动压力继续上升，安全阀动作油泵输出的油直接送至作油泵输出的油直接送至回油箱回油箱。2021/9/2363补气阀补气阀2021/9/23642021/9/23652021/9/2366