汽轮燃油泵调节系统动态特性研究

马新勇，蔡佐君，刘克成，倪 平

（上海船舶设备研究所，上海200031）

0 引言

某型汽轮燃油泵通过辅汽轮机驱动螺杆泵为锅炉提供燃烧所需的燃油，是重要的辅助设备之一。该型汽轮燃油泵需要随时调整转速以适应锅炉的工况变化，为避免系统工况波动，需要机组的调节系统动态性能良好，避免有扰动输入时发生转速的剧烈波动，出现意外的超速速关和滑油供应量不足等危险。因此需要对汽轮燃油泵调节系统开展仿真研究，掌握其调节特性。该调节系统采用机械液压调节结构，其调节元件组成如图1所示。

主蒸汽通过蒸汽调节阀进入汽轮机驱动汽轮机转子转动，汽轮机转子与减速器转子通过齿轮啮合传递功率。

图1 调节元件组成图

减速器转子一方面驱动螺杆泵增压燃油给锅炉燃烧用，另外通过传递一小部分动力给齿轮油泵产生反馈油压给蒸汽调节阀进行工况调节。当机组稳定在某工况下运行时，若有扰动（例如蒸汽压力升高、螺杆泵阻力减小）使得转速升高，则齿轮油泵反馈油压相应升高，从而促使蒸汽调节阀关小，即减少蒸汽进入量，降低机组转速的升高。反之，当扰动使转速降低时，则反馈油压的降低亦减小机组转速的降低。

本文对汽轮燃油泵调节系统进行了简化建模，获得了各组成元件的调节方程，并对调节系统动态特性进行仿真计算，分析了工况调节、蒸汽压力波动和螺杆泵阻力波动对机组运行参数的影响，并与试验曲线进行了比较。

1 仿真模型建立

1.1 调节系统功能框图

通过对汽轮燃油泵调节系统进行合理简化，获得如图2所示的调节系统功能框图。

图2 调节系统功能框图

油动机控制蒸汽调节阀的开度，从而影响蒸汽室容积的变化，进而影响汽轮机转子、减速器转子及齿轮油泵的转速。齿轮油泵的反馈油压受油泵转速和工况给定器的共同影响，通过错油门控制油动机的运动，从而反馈调节蒸汽调节阀的开度，使机组工况稳定。

1.2 转子方程

1.2.1转动惯量等效

汽轮燃油泵采用一级减速，汽轮机转子通过齿轮啮合传动减速增扭到减速器转子，减速器转子通过联轴器驱动螺杆泵工作。通过扭矩平衡关系及注意到齿轮啮合时作用力与反作用力相等的条件，可以将低速端的减速器转子、螺杆泵转子的转动惯量等效到高速端的汽轮机转子侧，有如下方程

1.3 容积方程

1.4 齿轮油泵信号方程

蒸汽调节阀开度与工况给定器输出的脉冲油压ps有关，脉冲油压越高，调节阀开度越小，反之亦然。工况给定器输出的脉冲油压与齿轮泵输出的油压pg和工况给定器的回油量有关。齿轮油泵进入工况给定器内的流量为：

1.5 错油门方程和油动机方程

1.5.1错油门方程

错油门滑阀位移与脉冲油压有关，当脉冲油压增加时，错油门滑阀会克服拉簧上移，反之则下移。因为滑阀质量很小，且在润滑油环境中摩擦力也很小，可以略去滑阀自身的惯性力和受到

式中：z是错油门滑阀的相对位移变化；φ是转子运动方程的输出，作为错油门方程的反馈输入；β是齿轮泵由于工况给定器调节阀门改变回油量作为错油门方程的扰动输入，稳定运行时为0。以上变量已做无量纲化处理。

1.5.2油动机方程

油动机直接驱动蒸汽调节阀阀杆运动，改变阀门开度。汽轮燃油泵调节系统油动机与错油门是跟随式的，稳定状态时，错油门滑阀凸肩与油动机油口处于动态重叠状态。当错油门滑阀移动xΔ 时，油口开启，油动机也要相应的移动mΔ ，直至稳定时再次达到动态重叠，即x mΔ =Δ 。油口打开时，油动机活塞腔体积变化率应与油的排出或流进量相等，从而有下式成立：

2 仿真计算及分析

图3 蒸汽压力阶跃升高10%仿真曲线

图4 蒸汽压力阶跃降低10%仿真曲线

图5 泵阻力阶跃升高10%仿真曲线

图6 泵阻力阶跃降低10%仿真曲线

图7 工况调节阶跃升高10%仿真曲线

图8 工况调节阶跃降低10%仿真曲线

图9是输入的蒸汽压力曲线，图10给出了同样 算点进行了进行了同比例修正。从转速响应曲线蒸汽压力波动曲线作用时，试验转速响应曲线和 对比可以看出，试验曲线和仿真计算的响应曲线仿真计算曲线的对比，曲线中对所有仿真曲线计 是比较接近的。

图9 蒸汽波动曲线

图10 仿真与试验曲线对比

3 结论

本文对某型汽轮燃油泵机组的调节系统进行了合理简化建模，采用传递函数方法对调节系统模型进行了仿真计算分析，分别讨论了蒸汽压力波动、螺杆泵阻力系数波动和工况调节的影响，另外还与试验曲线进行了对比。研究结果表明：

1）该机组调节系统响应很快，调节时没有明显的超调现象；

2）工况给定器调节对转速的影响最大，大约是蒸汽压力波动和螺杆泵阻力波动影响的4倍，影响大小由各扰动项的系数大小决定；

3）仿真曲线与试验曲线比较一致，较好地反映了机组的调节系统特性。