水轮机调节系统液压冲击研究

次仁桑珠

（西藏日喀则地区江孜县满拉水电厂，西藏 日喀则　857400）

水轮机调节系统是由水轮机控制设备（系统）和被控制系统组成的闭环系统。水轮机、引水和泄水系统、装有电压调节器的发电机及其所并入的电网称为水轮机调节系统中的被控制系统；用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定量的偏差，并将其按一定特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合，称为水轮机控制设备（系统）［1］。

在液压系统中，由于某种原因引起液体压力急剧交替升降的阻尼波动过程，称为液压冲击。冲击压力可高达正常工作压力的3至4倍［2］，常使液压元件、各类仪表及传感器、密封装置损坏失效；压力继电器也可能误发错误信号，影响液压系统和调速流程的正常工作，造成液压系统的工作稳定性和可靠性的降低；液压冲击同时引起管路震动，管夹、法兰和焊接处松动，造成漏油。

为减少液压冲击对系统的危害，需对液压冲击形成的原因进行分析，提出减少液压冲击的措施。文章的研究成果为水轮机调节液压系统及同类产品的设计提供参考。

1　产生液压冲击的主要原因

在由压力罐、主配压阀、接力器等构成的水轮机调节液压系统中，压力罐提供系统压力能。接力器控制水轮机导水机构，主配压阀控制接力器的开启、关闭及保持中位。三种设备间用无缝钢管焊接进行连接。

水轮机调节系统运行时，主配压阀实时控制接力器动作。当液体在管路中流动时，如果主配压阀突然回复至中位时，管路中液体流速将随之骤然降低到零。在这一瞬间液压油的动能转化为压力能，使液压系统压力突然升高，形成压力冲击波。反之，如主配压阀突然打开时，压力罐与主配压阀间管路将会压力降低。

接力器及导水机构的惯性力也会引起系统中的液压冲击。接力器及导水机构在制动和换向时，因主配压阀突然关闭，导水由于惯性还在继续转动，将会引起压力急剧升高的液压冲击。

液压冲击常使液压元件、各类仪表及传感器、密封装置损坏失效，是造成管道剧烈振动的主要原因。因此正确分析、计算并采取有效措施防止或减少液压冲击，对于水轮机调节液压系统尤为重要。

2　液压冲击的计算

由上可知，水轮机调节液压系统中的液压冲击主要分为：主配压阀迅速启闭引起的液压冲击及急剧改变接力器运动速度引起的液压冲击。现就两种液压冲击分别给出计算依据：

2.1　主配压阀迅速启闭引起的液压冲击

式中：ρ-油液密度，kg/m3；Δν-主配压阀开启或关闭前、后管道内液压油速度变化值，m/s；t-主配压阀关闭或开启的时间，s；

t-管道内冲击波往返所需时间，t=2l/a，s；l-管道长度，m；a-冲击波在管道内的传播速度，m/s；

式中：E0-液压油液的体积弹性模量，Pa；δ-管道的壁厚，m；d-管道的内径，m；E-管道材料弹性模量，Pa。

2.2　急剧改变接力器运动速度引起的液压冲击

急剧改变接力器及其驱动的负载的运动速度时，由于液体及运动部件的惯性作用引起的压力增大值为

式中：li-第i管道的长度，m；ρ-液压油液密度，kg/m3；Ai-第 i管道的截面积，m2；A-接力器活塞面积，m2；m-活塞及其联动部件的质量，kg；Δν-活塞运动速度变化量，m/s；t-活塞速度变化Δν所需时间，s。

3　减少液压冲击的措施

对于主配压阀迅速启闭引起的液压冲击，可采取下述方法排除或减少：①在前提条件允许的情况下，减慢主配压阀的开启或关闭速度，即延长换向时间t。主配压阀的开启或关闭速度受限于先导元件的运动速度。可在电磁阀的油口设置阻尼器或可调节流阀，以减缓主配压阀的换向速度。此外，还在滑阀完全关闭前减缓管道内液体的流速。如采用伺服阀或比例阀作为先导元件，其在阀芯上设有锥形槽或V形槽，可减少主配压阀在中位附近的运动速度，大幅减少液压冲击；②增大管径，减小流速，从而可减小流速的变化值，以减小缓冲压力［3］；合理布管，缩短管长，避免不必要的变径、弯曲等；③在主配压阀完全复中前减缓液体的流速。这就需要在主配压阀油口的开口方式提出了新的要求，一般主配压阀的油口形式为矩形口或圆形口。对于矩形口，其压力流量特性曲线呈线性，在主配压阀完全复中前无缓冲。而对于圆形口，其压力流量特性曲线在中位附近有较大缓冲。故主配压阀油口形式采用圆形口，液压冲击可大为减小。

对于接力器突然被制动、减速或停止产生的液压冲击，可采用的减少液压冲击的措施有：在接力器端部设置节流缓冲装置，控制接力器端部的排油速度，特别是接力器临近停止时的关闭速度，平稳无冲击［4］；在易产生液压冲击的管路上，设置蓄能装置，以吸收冲击压力；优化设计，减少接力器及其联动部件的质量。

4　结论

文章介绍了水轮机调节液压系统中液压冲击的原因及危害，从主配压阀迅速启闭引起的液压冲击、急剧改变接力器运动速度引起的液压冲击两方面对液压冲击进行了计算。最后，结合理论分析和实践，提出了减少液压冲击的措施。文章的研究结果对水轮机调节系统和同类系统的液压冲击分析具有一定的指导意义。

［1］魏守平.现代水轮机调节技术［M］.武汉：华中科技大学出版社，2002.

［2］张利平.液压传动系统及设计［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［3］陈国华.液压冲击问题分析及控制［J］.冶金设备管理与维修，2015（1）:35-36．

［4］裴学智.液压冲击消除措施的探讨与应用［J］.液压气动与密封，2010（2）：9-11．