第2章机械液压型调速器5-6

由于调节系统稳定后从动活塞及引导阀针塞均回到中间位置，因而仅有暂态反馈机构作用时，调节前、后机组转速相同，具有无差调节的静特性。
三、缓冲器特性试验
1．试验的目的和要求
缓冲器试验目的在于测定其回复特性曲线，并根据曲线检查它的工作质量，是制造厂和水电站都要进行的试验之一。对缓冲装置的基本要求是：
Td越小，从动活塞回复越快，调速器的速动性越高；反之，Td越大，调速器的速动性越差，但稳定性越好。YT型调速器，缓冲时间常数Td＝2～20s，实际应用时由整机调试确定。
缓冲时间常数Td的大小可通过手钮或节流针塞吊架上的两个调节螺钉来调整：
（1）用手钮来调。旋转手钮可使托板内外移动，从而改变a值的大小，a值的可调范围为35～65mm。当调整手钮使托板向内移时，a值减小，在相同的Z值条件下，L值加大，即节流槽孔初始开度增加，Td值减小；反之，当使托板外移时，a值加大，Td加大。
这种方法除能调整上、下回复曲线的缓冲时间常数Td外，还能调整上、下曲线的对称性。
二、软反馈系数和暂
软反馈机构传递给引导阀针塞的反馈位移是随时间变化的，为了研究软反馈作用的强弱可设想堵死缓冲装置的节流孔，此时软反馈机构就与硬反馈一样，传递至引导阀针塞的位移不再随时间减小。由图2-26可知，反馈位移Δh可由传动机构的尺寸比例计算
f1、f2——主、从动活塞面积；
dZ1、dZ2——dt时间内主、从动活塞的位移。
单位时间内油通过节流槽孔的体积Q应等于主、从动活塞移动时容积变化之差，即
Q＝Q1－Q2
从而
（2-25）
当忽略惯性力及采用内弹簧预压缩力来克服摩擦，并设弹簧的刚性系数为K，根据力平衡条仵：
或
则缓冲装置的运动方程式为：
化简并令
（2-30）
（2-31）
式中
Ym——接力器最大行程（mm）；
ΔLm——引导阀最大行程（x＝1对应的行程）（mm）。
bt称为暂态转差系数，它是缓冲装置不起缓冲作用时，由软反馈机构造成的有差静特性斜率的负值，与永态转差系数bp一样，可以写成
（2-32）
bt值的大小对调节的影响较大，bt大则反馈大，有利于调节系统稳定，并能减少调节过程的转速最大偏差值和振荡次数，但bt大到一定程度后，对改善系统稳定性无明显效果。不过，实际运行的缓冲器是要发挥作用的，因而上述bt只反应从动活塞上升（或下降）到最高位置时的情况，是瞬间存在的。随着缓冲器的回复，bt将不断减小，以至最终在稳定情况下为0。
如图2-23所示，圆柱销12代表从动活塞的位置，T形吊架则代表节流针塞的位置。从动活塞处在中间位置（图2-23-a）时托板成水平状态，针塞与从动活塞没有相对位移，节流针塞油槽被封闭。当从动活塞向上移动Z2，则T形吊架在左边螺钉的作用下上移（Z2＋L），相对从动活塞而言，针塞移动了L，此时节流针塞的油槽打开一个开度L，L的大小由托板臂长a和两螺钉间距b决定，即L＝Z2（b／2a）（图2-23-b）；反之，当从动活塞下移Z2时，针塞则会少下移L＝Z2（b／2a）（图2-23-c），即节流针塞相对从动活塞向上移动了L，此时节流针塞的油槽也会打开一个开度L。总之，每当从动活塞离开中间位置时，节流针塞的槽口就打开，使油可以通过节流针塞的槽口在从动活塞上、下部之间流通。
图2-22 YT型调速器缓冲器结构图（单位：mm）
1—从动活塞；2—节流针塞；3—下弹簧座；4—弹簧盒；5—定距套；6—外弹簧；7—内弹簧；8—上弹簧座；9—小弹簧；10—活塞吊架；11—螺套；
12—圆柱销；13—调节螺钉；14—针塞吊架；15—拖板；16—小轴；17—手钮；18—主动活塞；19—弹簧；20——壳体
Δh＝αtΔY（2ຫໍສະໝຸດ Baidu28）
式中
αt——暂态反馈机构反馈系数（缓冲器节流槽口封闭的情况下），由图2-26可计算如下
（2-29）
稳定状态下引导阀油口封闭，转动套位移ΔL与针塞位移大小相同，ΔL－Δh＝0，由于ΔL＝100Kx，式（2-28）可写为相对量形式
图2-26 YT型调速器软反馈机构示意图（单位：mm）
3．缓冲时间常数Td
缓冲时间常数是指从动活塞回复特性曲线上任一点的位移Z2与其速率dZ2/dt的比值，回复特性曲线按指数规律衰减，各点的Td值均相等。Td是描述缓冲器工作性能的参数，是Z2值衰减快慢的表征。
当回复时间t＝Td时，从动活塞偏离中间位置的距离Z2＝0.368Z20，即缓冲时间常数Td也等于从动活塞由任一位置Z20以指数规律衰减到0.368Z20所经历的时间。工程上规定，从动活塞从最后1mm回复到0.368（实际上往往取0.37）mm所经历的时间就是实测的缓冲时间常数，如图2-25所示。
这种方法只适用于上、下回复曲线Td都偏大或偏小的情况，不宜用来调上下曲线的对称性。
（2）用调节螺钉来调。当节流针塞吊架上的两螺钉顺时针转动时，针塞上提，节流槽孔初始开度增加，Td减小，反之，Td加大。远离滑块的调节螺钉决定下回复曲线（图2-25上面一条曲线）的Td值，靠近滑块的调节螺钉决定上回复曲线（图2-25下面一条曲线）的Td值。
§
软反馈只在瞬态中起作用，稳态时消失，因此把软反馈称为暂态反馈，反馈量的大小只与输入信号的变化率成正比。为了使调节系统稳定和改善动态品质，设置了暂态反馈环节。
一、
如图2-3所示，暂态反馈环节位于主接力器58和引导阀5之间。它由反馈锥体51、方架34、连杆48、35、杠杆8、23和24、和缓冲器等组成。缓冲器是暂态反馈环节中起软反馈作用的校正环节，它的性能直接影响着调速器工作过程的稳定性和动态品质。
下面我们来分析当永态反馈等于零，具有暂态反馈和局部反馈环节时调速系统的工作情况。
如图2-3所示，当机组处于稳定工况时，水轮机出力等于发电机所带的负荷，机组转速稳定在额定值，离心摆转动套、引导阀针塞、主配压阀均处于中间位置，油孔均被封闭，主接力器处于与负荷相适应的位置。
如果负荷减少，转速上升，转动套上移，此时引导阀针塞尚未动作，因而打开了转动套的排油孔，辅助接力器上腔通排油，辅助接力器活塞上移，局部反馈使引导阀针塞也向上移动，封闭引导阀的油控。在辅助接力器活塞上移的同时，主配压阀也随同向上移动，打开了主配压阀上工作油孔，压力油进入主接力器左腔，推动主接力器活塞向关闭方向移动，关小导叶开度。与此同时，反馈锥体顶起了连杆48，使方架34逆时针旋转，连杆35随着向上动作，通过杠杆24使缓冲器主动活塞向下移动，由于油流不够畅通，在主动活塞向下运动的瞬间，迫使从动活塞向上移动，通过杠杆23和8的传递，使引导阀针塞也向上移动，缓冲器从动活塞的内弹簧被压缩，由于局部反馈已封闭引导阀的油孔，暂态反馈的作用使引导阀针塞又向上移动了一距离，于是打开了转动套的压力油孔，压力油与中油孔相通，转动套排油孔被封闭。压力油经中油孔进入辅助接力器上腔，辅助接力器活塞向下移动，主配压阀活塞随之下移，回到中间位置，主接力器活塞停止移动而稳定下来。当缓冲器从动活塞上的内弹簧被压缩后，开始回复，从动活塞向下移动，它下方的油通过节流槽口流向活塞上方，通过杠杆的传递，使引导阀针塞下移。随着接力器向关闭方向移动，机组出力减少，转速下降，转动套向下移动的同时，针塞受缓冲器内弹簧的作用逐渐回复到额定值，转动套、主配压阀活塞也回到了中间位置，主接力器活塞停止移动。
暂态反馈的结果，削弱了第二级放大环节的输入信号，故实现了负反馈。
从以上的叙述可知，加入暂态反馈后，使主配压阀回复到中间位置，从而使调节系统稳定，这是有利的一面；但由于反馈作用，使主配压阀油孔开度较无反馈时小，因此，主接力器的移动速度要减慢，机组的最大转速升高值会加大，这是不利的一面。不同的反馈量，调节系统可能出现不同的过渡过程，如图2-24所示。它是在负载突变后产生的接力器运动过 程。
从动活塞部分：由活塞本体、弹簧盒、节流针塞及其传动机构等组成。从动活塞外径φ40mm，内孔φ15mm。从动活塞上端经活塞吊架10与引导阀针塞相连，吊架以下装有定距套5及内、外弹簧7、6，活塞轴肩以上开有直径φ8mm的四个通孔与上部油腔相连。不论从动活塞向上还是向下移动内弹簧均受压缩，内弹簧的作用是产生回复力推动从动活塞回到中间位置。外弹簧仅在活塞向下移动时受压缩，用以平衡从动活塞移动部分的自重，保证上、下回复特性一致。节流针塞2安装在从动活塞内孔里，上端与T形吊架14相连，经过调节螺钉13压在托板15上。托板一端被小轴16定位在可移动的螺母上，同时又紧压在圆柱销12上，将随从动活塞的移动而偏转，并带动节流针塞上或下移。针塞的下端开有两个三角油槽，当从动活塞处在中间位置时三角油槽的槽口正好被从动活塞封闭，上、下油腔相互隔离。如果节流针塞相对于从动活塞有向上的位移时，三角油槽将被打开，通过三角油槽，上、下油腔的油相通。
另外，bt及αt的大小仍由杠杆长度比决定，图2-26中h的尺寸（反馈框架上较反馈螺母的偏心量）可由0调整到30mm，这对应暂态转差系数bt＝0～100%。在大波动时暂态反馈环节的实际输出被限制在20%范围内。因为在Td较大的情况下，大波动时接力器快速动作，会产生过大的暂态反馈，有可能超出引导阀结构的允许范围，造成接力器动作过于迟缓、停滞甚至反向动作。因此用限制缓冲器行程Z2来适当限制暂态反馈量。YT型调速器缓冲器行程限制在±8mm，保证甩全负荷时，接力器能较快地关闭导叶开度。在小波动时，缓冲器行程限制对调节系统不起作用。
当接力器快速向关机方向移动时，接力器的反馈杆件会给缓冲器主动活塞一个快速的向下运动量，由于主动活塞移动速度快，从动活塞在移动前处于中间位置，节流针塞上的槽口被封闭，缓冲器下腔将产生较大的油压，从而迫使从动活塞向上移动，偏离中间位置，通过杠杆的传递给离心摆针塞一个暂态反馈量。随着从动活塞偏移中间位置，从动活塞中的内弹簧被压缩，节流针塞的槽口逐渐打开，从动活塞在内弹簧的作用下，将逐渐回复到中间位置，这时给与离心摆针塞的暂态反馈作用也逐渐消失。暂态反馈作用是在接力器快速移动的调节过程中产生的，调节过程结束，反馈作用也就消失了。接力器移动速度越快，从动活塞偏离中间位置也越大，暂态反馈量越大。当活塞上下部分油压差小于弹簧的压缩力时，活塞就开始向中间位置回复，而且随着弹簧回复力的作用和节流槽口逐渐关小，活塞移动速度渐渐变慢，最后减至零。
2．缓冲装置的运动方程式及回复特性
设主动活塞移动时，从节流槽孔流到另一腔去的油的流量为Q，它的大小可用公式表示为：
（2-24）
式中
λ——流量系数；
ω——节流槽孔过油面面积；
Δp1——缓冲器向、下油腔油压之差；
γ——油的比重。
主动活塞下移Z1时，油的流量Q1为：
从动活塞位移Z2时，油的流量Q2为：
式中
1．缓冲器的结构与原理
图2-22为YT型调速器缓冲器的结构图，它主要由壳体、主动活塞、从动活塞组件等部分组成。主动活塞与接力器相连，从动活塞与离心摆针塞杆相连。壳体内填充着透平油，且被主、从动活塞分隔成上、下两个腔，下腔始终充满透平油，上腔储存一定数量的透平油。
主动活塞部分：由主动活塞18、弹簧19及弹簧盖等组成。主动活塞外径φ50mm，经过杆件与反馈框架相连，随主接力器的移动而上移或下移。弹簧19有较大的预压力，使各传动件拉紧，消除杠杆、支点等处的间隙。当主动活塞上或下移时，壳体下腔的透平油就会产生真空或油压，从而迫使从动活塞下移或上移。从动活塞的上、下移动会使离心摆针塞受到类似硬反馈的瞬间作用。
则变为
当主动活塞停止移动后，dZ1＝0，则上式变为：
（2-26）
其通解即为从动活塞的回复规律
（2-27）
式中
Z20——主动活塞停止瞬间从动活塞的位移；
t——由主动活塞停止瞬间开始的时间。
式（2-27）表明缓冲器从动活塞按指数衰减规律回复，在一定时间内由初位移Z20回到中间位置Z2＝0。相应地，传至引导阀针塞的反馈量位移也按这一相同的规律变化。缓冲器的回复特性曲线如图2-25所示。
从图2-24可以看出，稳定与速动两个要求在反馈量问题上的矛盾，其中稳定是主要方面，在保证稳定的基础上提高调速系统的速动性。例如，当机组并入大电力系统中运行，即使没有反馈也能稳定，故为了提高速动性，可以将缓冲器切除，使反馈等于零，这样可提高机组承担瞬变负荷的能力。而机组单独运行时，如机组在与系统并列运行前或机组与系统解列后，是不允许切除缓冲器的，如果切除，调节系统将不稳定，即可观察到调节系统的振荡。