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        0 前言
        隨著汽輪機(jī)初參數(shù)的不斷提高，調(diào)節(jié)閥的工作環(huán)境越來(lái)越惡劣，機(jī)組容量和成本的大幅度增加使調(diào)節(jié)閥的經(jīng)濟(jì)性和安全性更凸顯重要。然而，目前的調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)仍停留在靜態(tài)，因而，在電廠實(shí)際應(yīng)用中常發(fā)生汽流誘發(fā)閥桿振動(dòng)的問(wèn)題。與單純機(jī)械振動(dòng)不同，要揭示汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿振動(dòng)的根源，并搞清激勵(lì)與閥桿系統(tǒng)振動(dòng)之間的定量關(guān)系必須涉及流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)兩門(mén)學(xué)科的知識(shí)，加上不穩(wěn)定流體隨機(jī)性影響使得問(wèn)題解決難度增加，因而至今還不能準(zhǔn)確判定其機(jī)制。然而，隨著試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的迅速發(fā)展，通過(guò)試驗(yàn)使開(kāi)展汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿失穩(wěn)準(zhǔn)則成為可能，確定調(diào)節(jié)閥閥桿軸向振動(dòng)源是解決該問(wèn)題的前提。
        在?；{(diào)節(jié)閥試驗(yàn)臺(tái)上，利用現(xiàn)代測(cè)試及動(dòng)態(tài)信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)某種調(diào)節(jié)閥整體工作性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，找到了該調(diào)節(jié)閥閥桿軸向振動(dòng)的主要發(fā)生工況，確定了調(diào)節(jié)閥閥桿軸向振動(dòng)源。試驗(yàn)結(jié)果證明，閥桿振動(dòng)是受限繞流和高速?zèng)_擊射流組合的隨機(jī)不穩(wěn)定流動(dòng)所致，屬于強(qiáng)迫振動(dòng)，其表現(xiàn)出極強(qiáng)的間歇性，其激勵(lì)源是閥蝶下面壓力脈動(dòng)。
        1 試驗(yàn)過(guò)程
        汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的主要功能是通過(guò)控制其開(kāi)度，改變進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量，使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、抽汽壓力等保持在一定的范圍之內(nèi)，以適應(yīng)外界負(fù)荷或蒸汽狀態(tài)的變化。但隨著汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)的不斷提高和機(jī)組功率的不斷增大，盡管汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，然而與其配套的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主汽閥、調(diào)節(jié)閥單元及其組成的配汽系統(tǒng)并沒(méi)有顯著的變化，調(diào)節(jié)閥在某些工況下會(huì)發(fā)生如下問(wèn)題：調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥座松動(dòng)拔起[1]、調(diào)節(jié)閥桿振動(dòng)等。大量的研究說(shuō)明，調(diào)節(jié)閥閥桿振動(dòng)的真正原因是閥腔內(nèi)不穩(wěn)定汽流的激勵(lì)[2，3]。
        由于在電廠實(shí)際運(yùn)行條件下進(jìn)行試驗(yàn)不僅需要要花費(fèi)巨資，而且受電廠嚴(yán)格限制也不可能隨意解列進(jìn)行全面閥門(mén)性能實(shí)測(cè)試驗(yàn)。本試驗(yàn)的研究對(duì)象是根據(jù)相似理論原理把實(shí)際調(diào)節(jié)閥模型化設(shè)計(jì)的?；推啓C(jī)調(diào)節(jié)閥[4]。在此模型閥上得到的試驗(yàn)結(jié)論根據(jù)相似準(zhǔn)則可以推廣到原型中去，對(duì)實(shí)際調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)和改造有一定的指導(dǎo)作用。
        根據(jù)調(diào)節(jié)閥內(nèi)汽流流動(dòng)特征，選用馬赫數(shù)決定性相似準(zhǔn)則對(duì)原閥進(jìn)行模化，保證兩流動(dòng)的對(duì)應(yīng)截面上的馬赫數(shù)相等[5]。模化試驗(yàn)以空氣為工質(zhì)，在調(diào)節(jié)閥工作參數(shù)內(nèi)，用空氣來(lái)代替蒸汽，誤差在1.5％以?xún)?nèi)。圖1為?；推啓C(jī)調(diào)節(jié)閥示意圖，圖2為閥碟、閥座處結(jié)構(gòu)及氣體流動(dòng)示意圖。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際條件，*終?；推啓C(jī)調(diào)節(jié)閥喉部直徑為61.4mm，配合直徑78.5mm，進(jìn)出口直徑60mm，閥碟直徑84.7mm。
        為準(zhǔn)確測(cè)得閥內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力，動(dòng)態(tài)壓力測(cè)點(diǎn)分布于進(jìn)口、卸載室、閥腔、閥座喉部截面四個(gè)方向、閥碟下方和閥座出口。喉部四個(gè)測(cè)點(diǎn)俯視按順序從進(jìn)口均布一次為測(cè)點(diǎn)1至4，閥碟下方為測(cè)點(diǎn)5。動(dòng)態(tài)壓力傳感器采用高靈敏小型傳感器，滿足非定常流動(dòng)的快速變化[6]。
        在不同升程，不同壓比（調(diào)節(jié)閥出口靜壓與進(jìn)口全壓之比）下進(jìn)行了大量試驗(yàn)。為了準(zhǔn)確確定調(diào)節(jié)閥振動(dòng)工況，在不同升程下，在汽輪機(jī)常運(yùn)行工況范圍內(nèi)壓比設(shè)計(jì)很細(xì)致，在運(yùn)行少的工況，只作一條曲線。壓比間隔為：0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.75，0.8，0.82，0.84，0.86，0.88，0.90，0.92，0.94，0.96，0.98，共17種壓比，有利于實(shí)際應(yīng)用。

        圖3是?；啓C(jī)調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)時(shí)動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)采集閥腔多點(diǎn)脈動(dòng)壓力和閥桿軸向振動(dòng)實(shí)時(shí)信號(hào)波形，直觀觀察波形與閥桿振動(dòng)波形可以發(fā)現(xiàn)：依據(jù)壓力脈動(dòng)與閥桿軸向振動(dòng)波形的相似性，尤其是波動(dòng)幅度較大的低頻波形，其相似性更加直觀，從而可確認(rèn)閥桿振動(dòng)確是流體壓力脈動(dòng)所致。
        2 信號(hào)處理
        調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)獲得了閥桿振動(dòng)和流體壓力脈動(dòng)的動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，全部是隨機(jī)信號(hào)[7]。對(duì)隨機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)的處理是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，經(jīng)過(guò)大量的嘗試和比較，*終確定采用圖4的處理流程對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

        在實(shí)際處理與分析的過(guò)程中，從重新采樣→數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的選取→樣本數(shù)選擇→窗函數(shù)選擇→功率譜估計(jì)方法的選擇→用優(yōu)化組合的信號(hào)處理方案獲得*終的結(jié)果，在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理中，上述過(guò)程經(jīng)過(guò)反復(fù)多次進(jìn)行處理、對(duì)比，*終得到比較滿意的結(jié)果。圖5為*終得到的相對(duì)升程19.82%，壓比0.4工況時(shí)壓力測(cè)點(diǎn)5壓力脈動(dòng)結(jié)果。圖6為*終得到的同一工況閥桿振動(dòng)的功率譜估計(jì)結(jié)果。從圖5可清晰看出，壓力脈動(dòng)能量主要集中在0.977Hz～4.88Hz范圍內(nèi)；從圖6可清晰看出，當(dāng)調(diào)節(jié)閥閥桿振動(dòng)劇烈時(shí)，能量也主要集中在和壓力脈動(dòng)相同的頻率段內(nèi)，說(shuō)明激勵(lì)與響應(yīng)間的關(guān)聯(lián)性。

        對(duì)于閥門(mén)穩(wěn)定性的研究，閥桿振動(dòng)信號(hào)和關(guān)鍵點(diǎn)流體壓力脈動(dòng)信號(hào)的頻譜特性是一個(gè)重要的信息，通過(guò)對(duì)閥桿振動(dòng)以及流動(dòng)壓力脈動(dòng)的頻譜分析，可以使研究人員準(zhǔn)確掌握兩種信號(hào)間的頻率關(guān)系，從而就可推測(cè)出引起閥門(mén)振動(dòng)的原因。
        經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和分析，結(jié)果表明，在大部分工況下，調(diào)節(jié)閥都能穩(wěn)定工作。振動(dòng)主要發(fā)生在中等升程和中等壓比的工況范圍，此時(shí)閥碟下方環(huán)形通道內(nèi)的高速?zèng)_擊射流處于跨音速區(qū)，流動(dòng)很不穩(wěn)定?？偨Y(jié)認(rèn)為，在這些工況條件下，閥內(nèi)流體不穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生的脈動(dòng)力克服了閥桿系統(tǒng)的阻尼力使閥桿系統(tǒng)失穩(wěn)。
        3 閥桿軸向振動(dòng)的特征證明
        為證明引起閥桿系統(tǒng)振動(dòng)的激勵(lì)源確實(shí)是閥碟下面的壓力脈動(dòng)，需對(duì)閥碟下面的脈動(dòng)壓力進(jìn)行分析。調(diào)節(jié)閥喉部氣體流動(dòng)示意圖可見(jiàn)圖2。還以相對(duì)升程19.82%，壓比0.4工況為例，圖7是閥碟下面脈動(dòng)壓力信號(hào)的自相關(guān)圖，圖8是閥桿振動(dòng)信號(hào)的自相關(guān)圖。從自相關(guān)圖上可以看到自相關(guān)信號(hào)沒(méi)有隨時(shí)間衰減，并且有一定的低頻周期特點(diǎn)，從而可以說(shuō)明原壓力脈動(dòng)信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)均含有低頻周期分量。圖9是這兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)圖，互相關(guān)的周期性和自相關(guān)的周期性非常一致，表示兩者在時(shí)間上的相關(guān)性很高。從而，可以有力地證明壓力脈動(dòng)信號(hào)和閥桿振動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系，就是脈動(dòng)壓力激勵(lì)誘發(fā)閥桿振動(dòng)，閥桿振動(dòng)是低頻的強(qiáng)迫振動(dòng)。

        在本試驗(yàn)條件下，閥桿系統(tǒng)整體上維持了低頻、周期性的振動(dòng)特性，振動(dòng)頻率在0.488Hz至10Hz之間。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的閥桿-閥碟系統(tǒng)各階頻率見(jiàn)表1。

        可見(jiàn)閥桿系統(tǒng)的各階固有頻率均在21Hz以上，說(shuō)明在所有調(diào)節(jié)閥振動(dòng)工況均沒(méi)有發(fā)生共振現(xiàn)象；此外，當(dāng)閥桿振動(dòng)的均方根幅值較大時(shí)對(duì)應(yīng)閥碟下方壓力脈動(dòng)的均方根幅值也較大，且閥桿振動(dòng)均方根幅值較大的頻段比閥碟下方壓力脈動(dòng)的頻段略窄，說(shuō)明閥桿振動(dòng)是由閥碟下方的壓力脈動(dòng)引起的強(qiáng)迫振動(dòng)。
        4 總結(jié)
        通過(guò)試驗(yàn)，在大量實(shí)踐過(guò)程中探索出適合于汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥隨機(jī)過(guò)程的 頻譜分析與信號(hào)處理方法，利用此方法，直觀地證明壓力脈動(dòng)信號(hào)和閥桿振動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系，就是閥蝶下面脈動(dòng)壓力激勵(lì)誘發(fā)引起閥桿振動(dòng)，閥桿振動(dòng)是低頻的強(qiáng)迫振動(dòng)，不存在共振現(xiàn)象。文中的試驗(yàn)方法及動(dòng)態(tài)信號(hào)的處理方法，對(duì)工程研究具有指導(dǎo)意義，為后續(xù)的調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)或定量研究調(diào)節(jié)閥閥桿振動(dòng)問(wèn)題提供參考，提高汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行可靠性。
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