0 前言
   隨著汽輪機(jī)初始參數(shù)的不斷提高，調(diào)節(jié)閥的工作環(huán)境越來(lái)越差，機(jī)組容量和成本的顯著增加使調(diào)節(jié)閥的經(jīng)濟(jì)性和安全性更加重要。然而，目前的調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)仍處于靜態(tài)狀態(tài)，因此在電廠的實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)汽流誘導(dǎo)閥桿振動(dòng)的問(wèn)題。與簡(jiǎn)單的機(jī)械振動(dòng)不同，為了揭示汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥桿振動(dòng)的根源，找出激勵(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)知識(shí)，加上不穩(wěn)定流體隨機(jī)性的影響使問(wèn)題難以解決，因此無(wú)法準(zhǔn)確確定其機(jī)制。然而，隨著試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)測(cè)試實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥桿的不穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，確定調(diào)節(jié)閥桿的軸向振動(dòng)源是解決問(wèn)題的前提。
   在模擬調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)臺(tái)上，采用現(xiàn)代測(cè)試和動(dòng)態(tài)信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)調(diào)節(jié)閥的整體工作性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)閥桿軸向振動(dòng)的主要工作條件，確定了調(diào)節(jié)閥桿的軸向振動(dòng)源。試驗(yàn)結(jié)果表明，閥桿振動(dòng)是由有限繞流和高速?zèng)_擊射流組合的隨機(jī)不穩(wěn)定流動(dòng)引起的，屬于強(qiáng)制振動(dòng)，間歇性強(qiáng)，激勵(lì)源為閥蝶下的壓力脈動(dòng)。
   1 試驗(yàn)過(guò)程
   汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的主要功能是控制其開(kāi)度，改變進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量，保持汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和抽氣壓力在一定范圍內(nèi)，以適應(yīng)外部負(fù)荷或蒸汽狀態(tài)的變化。但隨著汽輪機(jī)進(jìn)氣參數(shù)的不斷提高和機(jī)組功率的增加，雖然汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，但主汽閥、調(diào)節(jié)閥單元及其組成的配氣系統(tǒng)與配套執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒(méi)有顯著變化，但在某些情況下會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：調(diào)節(jié)閥桿斷裂、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥座松動(dòng)拔出[1]、調(diào)節(jié)閥桿振動(dòng)等。大量研究表明，調(diào)節(jié)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)的蒸汽流動(dòng)特性，選擇馬赫數(shù)決定性相似標(biāo)準(zhǔn)模化原閥，確保兩個(gè)流動(dòng)對(duì)應(yīng)截面上的馬赫數(shù)相等[5]。模擬試驗(yàn)以空氣為工作質(zhì)量。在調(diào)節(jié)閥的工作參數(shù)中，用空氣代替蒸汽，誤差為1.5%以?xún)?nèi)。圖1為?；啓C(jī)調(diào)節(jié)閥示意圖，圖2為閥盤(pán)、閥座結(jié)構(gòu)、氣流示意圖。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)條件，最終模化汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥喉徑為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)量閥內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力，動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量點(diǎn)分布在進(jìn)口、卸載室、閥腔、閥座喉部截面、閥盤(pán)下方和閥座出口四個(gè)方向。喉部四個(gè)測(cè)量點(diǎn)按順序從進(jìn)口排列1至4，閥盤(pán)下方為測(cè)量點(diǎn)5。動(dòng)態(tài)壓力傳感器采用高靈敏度的小傳感器，以滿(mǎn)足非常流動(dòng)的快速變化[6]。
   在不同的升程、不同的壓力比（調(diào)節(jié)閥出口靜壓與進(jìn)口全壓之比）下進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。為了準(zhǔn)確確定調(diào)節(jié)閥的振動(dòng)條件，在不同的升程下，壓力比設(shè)計(jì)非常詳細(xì)，只有一條曲線(xiàn)。壓力比間隔為：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，根據(jù)壓力脈動(dòng)與閥桿軸向振動(dòng)波形的相似性，特別是波動(dòng)范圍較大的低頻波形，可以確認(rèn)閥桿振動(dòng)是由流體壓力脈動(dòng)引起的。
   2 信號(hào)處理
   調(diào)節(jié)閥測(cè)試獲得了閥桿振動(dòng)和流體壓力脈動(dòng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，均為隨機(jī)信號(hào)[7]。隨機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)的處理是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。為了確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，經(jīng)過(guò)大量的嘗試和比較，最終確定了圖4的處理過(guò)程。

   在實(shí)際處理和分析過(guò)程中，從重新采樣→選擇數(shù)據(jù)長(zhǎng)度→樣本數(shù)選擇→窗函數(shù)選擇→功率譜估計(jì)方法的選擇→通過(guò)優(yōu)化組合的信號(hào)處理方案獲得最終結(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)處理和比較，最終得到了令人滿(mǎn)意的結(jié)果。圖5顯示了最終的相對(duì)過(guò)程19.82%，壓比0.4壓力測(cè)量點(diǎn)5壓力脈動(dòng)結(jié)果。圖6顯示了同一工作條件下閥桿振動(dòng)的最終功率譜。從圖5可以清楚地看出，壓力脈動(dòng)能量主要集中在0.977Hz～4.88Hz范圍內(nèi)；從圖6可以清楚地看出，當(dāng)調(diào)節(jié)閥桿振動(dòng)劇烈時(shí)，能量主要集中在與壓力脈動(dòng)相同的頻率段，表明激勵(lì)和響應(yīng)之間的相關(guān)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)分析閥桿振動(dòng)和流壓脈動(dòng)的頻譜，研究人員可以準(zhǔn)確掌握兩個(gè)信號(hào)之間的頻率關(guān)系，從而推斷閥門(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，在大多數(shù)情況下，調(diào)節(jié)閥可以穩(wěn)定工作。振動(dòng)主要發(fā)生在中升和中壓比范圍內(nèi)。此時(shí)，閥盤(pán)下環(huán)通道內(nèi)的高速?zèng)_擊射流處于跨音速區(qū)域，流量非常不穩(wěn)定。綜上所述，在這些條件下，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)不穩(wěn)定。
   3 閥桿軸向振動(dòng)的特點(diǎn)證明
   為了證明閥桿系統(tǒng)振動(dòng)的激勵(lì)源確實(shí)是閥盤(pán)下的壓力脈動(dòng)，需要分析閥盤(pán)下的脈動(dòng)壓力。調(diào)節(jié)閥喉氣體流動(dòng)示意圖見(jiàn)圖2。相對(duì)升級(jí)為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)保持低頻、周期性振動(dòng)特性，振動(dòng)頻率為0.488Hz至10Hz之間。試驗(yàn)測(cè)得的閥桿-閥碟系統(tǒng)各階段頻率見(jiàn)表1。

   閥桿系統(tǒng)的固有頻率為21Hz以上說(shuō)明所有調(diào)節(jié)閥振動(dòng)條件無(wú)共振；此外，當(dāng)閥桿振動(dòng)的平均根振幅值較大時(shí)，相應(yīng)閥盤(pán)下壓力脈動(dòng)的平均根振幅值較大，閥桿振動(dòng)平均根振幅值較大的頻段略窄于閥盤(pán)下壓力脈動(dòng)的頻段，表明閥桿振動(dòng)是由閥盤(pán)下壓力脈動(dòng)引起的強(qiáng)制振動(dòng)。
   4 總結(jié)
   通過(guò)試驗(yàn)，探索適合汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥隨機(jī)過(guò)程的 頻譜分析和信號(hào)處理方法，直觀證明壓力脈動(dòng)信號(hào)與閥桿振動(dòng)信號(hào)的關(guān)系，即閥蝶下脈動(dòng)壓力激勵(lì)引起閥桿振動(dòng)，閥桿振動(dòng)為低頻強(qiáng)制振動(dòng)，無(wú)共振現(xiàn)象。本文的試驗(yàn)方法和動(dòng)態(tài)信號(hào)處理方法對(duì)工程研究具有指導(dǎo)意義，為后續(xù)調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)或定量研究提供參考，提高汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行可靠性。
   參考文獻(xiàn)：
   [1]崔淑琪、孫龍海、劉國(guó)良等調(diào)節(jié)閥隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)分析[J].1989年汽輪機(jī)技術(shù)，31(2):40-44.
   [2]薛沐睿、朱丹書(shū)、裴嘉祥，消除汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥流體振動(dòng)的試驗(yàn)和探討[J].1987(5)動(dòng)力工程:1-10.
   [3]對(duì)毛靖儒、屠珊、孫畢、汽輪調(diào)節(jié)閥流動(dòng)性不穩(wěn)定的試驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2002，23(6):687-690.
   [4]鄒滋祥，類(lèi)似理論在葉輪機(jī)械觸摸研究中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1984:117-126.
   [5]左東啟，模型試驗(yàn)的理論和方法[M].1984:135-140，北京：水電出版社.
   [6]動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的原理和方法[M].1986:65-73:中國(guó)計(jì)量出版社.
   [7]彭啟聰、邵懷宗、李明奇[M].2006子工業(yè)出版社，2006:246-251.