插装阀式调速器压力冲击问题探讨

刘同安，张建明

（中国水利水电科学研究院中水科技公司，北京 100038）

1 概况

传统水轮机调速器液压控制技术的基本组合是“四通滑阀”（也称“主配压阀”）加双向可控执行器（也称接力器）。主配压阀系具有多台肩圆柱滑阀阀芯和多沉割槽铸造或锻造阀体的配磨对称结构，为非标准大通径阀（特殊形式的大流量－机液操纵比例/伺服阀）。由于采用间隙密封且轴向结构尺寸大，其抗油污能力差、易卡死，换向可靠性受到局限；此外，换向时间、泄漏量、换向冲击、动态响应等方面也有诸多不足。从液压阻尼控制工程的观点看，它是一种刚性牵连的“四臂液阻”构成一“液压全桥”，简单通用、应用历史悠久。它无法进行“单臂控制”、“可控性”受到局限，难以实现多形式、广范围和灵活多变的集成化。显然难以满足现代水轮机调速器对液压技术日益增高的要求，为此，我们将现代逻辑插装技术引入到水轮机调速器技术中，开发了插装阀式调速器。

2 插装技术的特征及组合机理

插装阀的结构特点是其功率级采用插装式结构，并因此得名。所谓插装式结构是指由阀芯、阀套及附属的弹簧、密封件等构成组件，安装时只需插入集成块的标准孔内，并靠盖板与集成块之间的螺钉联接而固定。相关尺寸已按DIN24342标准化，现在的ISO7368、GB/T2877与其等效。插装技术的基本特征可归纳为：先导控制、阀座主级、插装式联接。同传统“四通滑阀”相比，它采用微型结构的先导控制，可以不受限制地接受各种形式的开关、模拟和数字信号控制，并进行包括机械、液压参量的反馈和比较，在同一主级上复合压力、流量及方向诸多功能，并和比例阀、开关阀兼容，若先导信号是连续或按比例调节，阀座主级就可实现伺服阀/比例阀的控制功能，具有极佳的“可控性”与灵活性。阀座结构上也克服了传统滑阀工艺性差及径向间隙泄漏的缺点，其阀座主级系“线密封”和“零遮盖”，加之轴向结构尺寸短、阀芯质量小，这为提高动态品质、实现多形式、大范围、灵活多变的集成化提供了可能，这些优点对工业液压控制的技术进步具有十分重要的意义。

图1 采用插装阀控制一个“受控腔”

图1是采用插装阀控制一个执行机构“受控腔”的结构示意图，它由控制进油液阻的CV1和控制回油液阻的CV2两个控制液阻组成一个“液压半桥”，这种组合的优点之一是能用不同规格的主级来适应不同的进、回油流量控制，同时只要改变微型先导级的组合便能实现压力和流量的多种复合控制功能，大部分的液压控制系统及回路都可含有若干个这种组合，这一概念使液压控制系统的组合机理发生了根本变化，对传统液压控制技术的变革起了很大推动作用；这种控制优点对中大功率的水轮机调速器液压系统的系统集成与使用十分有利。

3 插装阀的性能特点

插装阀从原理上讲，可看作是一种“可控液阻”。该液阻通过先导控制可以实现各种不同的控制功能；同时由于先导控制具有容易复合的特点，因此一个主级单元可以具有多种功能。另外，从控制方式看，插装阀单元有利于采用逻辑控制、比例控制、数字控制等各种复杂的控制形式，这也称之为“软控制”。可见，“多功能”、“软控制”是插装阀的一个突出特点。插装阀所具有的一系列技术和经济优势，概括如下：

适于高压、大流量；

适用于各种工作介质，包括高水基甚至纯水液压系统；

适于集成化、组合化。插装阀系统不仅具有一般液压集成系统的优点，而且还具有集成块结构紧凑、内部流道短、弯曲少、阻力损失小、灵活多变、三化程度高，以及安装维护方便等特点；

可实现无泄漏控制；

具有大流量、低液阻特性，因而其系统效率高、节省能量，这也是滑阀系统所无法比拟的；

既具有快速的开启与关闭特性，又可容易地对开、关特性进行控制，包括缓冲与减速；

流量控制特性好，在缓冲尾部开有适当的控制窗口的插入元件，可以用作具有良好线性和工作频宽的流量控制元件及流量传感器；

抗油污能力强、性能可靠、工作寿命长。

4 插装阀调速器应用中的压力干扰和压力冲击问题

由插装阀组成水轮机调速器液压系统与采用主配压阀等传统液压元件组成的水轮机调速器液压系统的基本原则尽管是一致的，但由于插装阀本身的多机能和组合灵活的特点，使设计过程较传统系统要复杂一些。插装阀无论从结构原理上还是从控制机能上来看，与传统液压阀相比有很大差别，因此插装阀液压系统与现在常用的滑阀系统相比，在结构形式上显然是不同的，其设计方法也不一样，它有以下3个主要特征：

(1)作为系统基本工作单元的插装阀具有两个重要特征：一是组合化，二是多机能化。它是由主级和先导级两部分组成，作为直接控制工作液流的主级，它的结构相对简单，其工作状态是受先导级控制的，只需配置不同的先导元件和改变联接形式，即可实现不同的方向、压力、流量控制功能，应用十分灵活方便。所以，系统主级的结构设计比较简单，变化也不大，而先导级的结构设计却是比较复杂的，变化也大，是插装技术的关键所在。

(2)作为系统的基本控制单元是以执行元件（接力器）的基本工作单元——单个工作腔作为控制对象的。一个完整的液压系统可以有多个执行元件、许多复杂的动作和功能要求，但如果从每个工作腔的工作情况来分析的话，无非是要求控制它的液流方向、压力和流量这三大参数。所以，在插装系统中就以单个工作腔的复合控制作为设计的出发点与基本回路的基础，它具有很强的通用性。一个完整的插装系统主要就是由与执行元件单个工作腔数目相当的基本控制单元组合而成。

(3)插装阀液压系统总是以插装式联接，以集成化的形式出现，且不受压力与通径的限制。

4.1 插装阀主阀单元的工作特性

插装阀的原理符号至今还没有标准化，图2是方向流量插装阀插件画法之一，它形象地表明了插装元件的结构与工作原理。

一般来说，插装元件的工作状态由作用在阀芯上的合力大小和方向决定的。其受力状态的定性分析可参见有关资料，这里不再引述。

图2 方向流量插装阀插件的基本原理符号(带缓冲尾部)

4.2 主级回路设计

根据调速系统的初步设计、接力器的形式与容量规格，以及主机对调节保证、过渡过程的要求，确定主控回路主级插件的数量、构成以及各插装阀单元的规格、结构形式、面积比等参数。

特别需要指出的是，在调速器中接力器的位置随动控制需要运动平稳、位移误差小。由于水轮机调速器的接力器容积一般较庞大，故主级插件的许用流量与通径也较大，若采用普通的方向插件，是很难由先导控制油路的调整来彻底解决运动平稳性与控制精度的。这是因为普通方向插件没有缓冲尾部，其启闭过程的重要特点就是，只要阀芯从阀座上稍一抬起便立刻接通了油路，并且阀口流道的过油面积增加很快，这尽管带有启闭过程快、能实现快速换向的优点；但由于这种启闭方式无法对流量进行平滑精密的调节，其缺点是换向易过冲、接力器定位不平稳、随动精度低。

鉴于此，在设计插装式调速器液压随动系统时，应尽量采用带有缓冲尾部的方向流量插件，参见图2其特征是阀芯尾部带有开三角槽的圆柱形节流塞，带节流塞后，阀芯启闭分为两个阶段，在节流塞未进入阀口前为一个阶段，此时与普通阀芯没多少差别；在节流塞进入阀口后为另一阶段，此时阀口流道截面的变化变得比较平缓，所以有利于消除启闭过程的压力冲击，也可以实现小流量范围内比较精细的流量调节。

4.3 先导回路的设计

前面已提到，系统主级的结构设计比较简单，而先导级的结构设计却是比较复杂的，变化也大，是插装技术的关键所在。

4.3.1 先导级调节元件

根据插装阀单元的规格不同，对先导回路及先导阀的最大通流能力的要求也不尽相同。起调节作用的先导阀的选用可以由比例阀、高速开关阀或其它类型的阀供选择；不起调节作用的辅助性先导阀，如紧急停机阀，则可直接采用普通用途的标准电磁阀。

参见图2所示的插件结构原理图，通过改变K腔的控制压力，就可以控制主阀的开度；例如，当调节用的先导阀采用比例溢流阀时，主阀芯的位移量就与比例溢流阀的驱动电流成正比，某知名液压元件厂商的插装式方向流量比例阀产品就是直接采用该方法组合而成。而中国水科院CVT系列调速器是将高速开关阀作为先导阀，通过控制高速开关阀改变控制腔K的压力，从而实现对主阀开度的连续控制。

4.3.2 关于压力干扰问题

对插装系统的压力干扰问题必须高度重视。由于插装阀本质上是一种压力控制型元件，所以在用于调速器液压控制回路时必须经过严格计算，清楚了解接力器位置随动控制过程中每个局部油路的压力变化情况，以及每个插装元件A、B、K口的压力变化情况、插装阀的启闭速度等因素；尤其注意分析接力器换向过程及小波动过渡过程中压力变化的影响。应充分重视先导油路中单向阀、梭阀的作用及其功能的巧妙应用。如果只是简单照抄某些应用场合不太完整的系统图，且未作周密细致的考虑与分析计算，则在使用中有可能影响到接力器的运动状态，导致局部误动或动作失调。

4.3.3 关于主级油路压力冲击问题

压力冲击的直接成因是短时间内流道内液流速度或方向的改变，它只与流量变化率或流速变化率（即流量变化的大小与方向、变化时间）、流道长度与走向、流道材料、油液密度等直接相关，与其它任何因素均无直接关系。

对于水轮机调速器而言，主油路压力冲击由主控阀（主配压阀或插装阀）迅速启闭与主接力器惯性制动引起，其实后者也是受到主控阀启闭特性影响。也就是说，在管道长度、走向一定的情况下，调速器管道压力冲击直接由主控阀（主配压阀或插装阀）开度（或节流开口）变化的大小与开度变化速度（启闭规律）决定。

从流体动力控制的角度而言，无论是主配压阀还是插装阀，都是利用阀口开度的改变，实现对接力器的运动控制，这一点无任何本质区别。只要阀口开度发生改变，都会引起压力冲击，无论使用主配压阀还是插装阀都不例外，凡是流体传动都存在压力冲击，世上不存在无任何压力冲击的流体传动！但必须对压力冲击作出适当控制，把它限制在管道、密封件、液压件所能承受的允许范围内，即工程实际所允许的范围内。

图3 主配压阀、插装阀开度控制示意图

从阀芯操纵方式的角度来看，主配压阀是利用压力差控制主阀芯的轴向运动，进而引起阀口开度的改变，插装阀也是如此；因而不能简单地认为利用插装阀控制的主油路就一定比主配压阀的压力冲击大。根据前面的分析可知，如果阀芯的启闭速度能得到适当控制，压力冲击也就能控制在适当范围了！阀芯启闭速度取决于主阀（主配压阀或插装阀）的加速度或操纵力（即压差×有效作用面积）与导阀（如电液转换器、伺服阀、比例阀、高速开关阀、微电机带动的引导阀等等）的先导控制流量。所以，如果插装阀采用带有缓冲尾部的方向流量插件，且合理设计与控制先导油路的控制流量与压力，以使启闭速度得到适当控制，其压力冲击完全可以保证在工程实际所允许的范围内，且可以做到比主配压阀的压力冲击还要小。

以湖南柘溪水电站为例，自2001年中国水科院的插装阀调速器在柘溪水电站2号机上投运，到2007年为止，湖南柘溪水电站6台机组调速器全部更换为中国水科院的插装阀调速器，实际运行结果是，油击引起的管道冲击震动远比原传统调速器要小得多。

我们投运的湖南蟒塘溪水电站也是如此，该电站同期投运中国水科院的2台插装阀调速器和1台其它公司的插装阀调速器，我们的2台插装阀调速器一次投运成功，无任何管道压力冲击，至今运行状况良好，而其另一台则不然。

四川雅安川王宫水电站以前采用的是四川某一家公司生产的插装阀调速器，运行后压力冲击严重，调速器不能稳定运行，2010年5月更换为中国水科院的插装阀调速器，一次投运成功，无任何管道压力冲击，运行状况良好。

通过上述几个实例再次证明了如果插装阀采用带有缓冲尾部的方向流量插件，且合理设计与控制先导油路的控制流量与压力，以使启闭速度得到适当控制，其压力冲击完全可以保证在工程实际所允许的范围内，且可以做到比主配压阀的压力冲击还要小。

5 结语

迄今为止，中国水科院的CVT系列插装阀式调速器在国内外100多个电站200多台机组上得到成功应用，产品系列已涵盖了混流、轴流、冲击、贯流等机型，插装阀调速器“压力冲击”这样的在某些单位调速器产品开发中没有有效解决的问题，对我们来说已是“不是问题的问题”。

[1]张建明，等.插装式液压技术在水轮机调速器开发中的应用[C].2009年中国水电站控制设备学术交流会议论文.