0 前言
   隨著汽輪機初始參數(shù)的不斷提高，調(diào)節(jié)閥的工作環(huán)境越來越差，機組容量和成本的顯著增加使調(diào)節(jié)閥的經(jīng)濟性和安全性更加重要。然而，目前的調(diào)節(jié)閥設(shè)計仍處于靜態(tài)狀態(tài)，因此在電廠的實際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)汽流誘導(dǎo)閥桿振動的問題。與簡單的機械振動不同，為了揭示汽輪機調(diào)節(jié)閥桿振動的根源，找出激勵與閥桿系統(tǒng)振動之間的定量關(guān)系必須涉及流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識，加上不穩(wěn)定流體隨機性的影響使問題難以解決，因此無法準(zhǔn)確確定其機制。然而，隨著試驗和測試技術(shù)的快速發(fā)展，通過測試實現(xiàn)汽輪機調(diào)節(jié)閥桿的不穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，確定調(diào)節(jié)閥桿的軸向振動源是解決問題的前提。
   在模擬調(diào)節(jié)閥試驗臺上，采用現(xiàn)代測試和動態(tài)信號處理技術(shù)，對調(diào)節(jié)閥的整體工作性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究和理論分析，發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)閥桿軸向振動的主要工作條件，確定了調(diào)節(jié)閥桿的軸向振動源。試驗結(jié)果表明，閥桿振動是由有限繞流和高速沖擊射流組合的隨機不穩(wěn)定流動引起的，屬于強制振動，間歇性強，激勵源為閥蝶下的壓力脈動。
   1 試驗過程
   汽輪機調(diào)節(jié)閥的主要功能是控制其開度，改變進(jìn)入汽輪機的蒸汽流量，保持汽輪機轉(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。但隨著汽輪機進(jìn)氣參數(shù)的不斷提高和機組功率的增加，雖然汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自動化程度越來越高，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)行機構(gòu)沒有顯著變化，但在某些情況下會出現(xiàn)以下問題：調(diào)節(jié)閥桿斷裂、汽輪機調(diào)節(jié)閥座松動拔出[1]、調(diào)節(jié)閥桿振動等。大量研究表明，調(diào)節(jié)閥桿振動的真正原因是閥腔內(nèi)不穩(wěn)定汽流的激勵[2、3]。
   由于在電廠實際運行條件下進(jìn)行試驗不僅需要要花費巨資，而且受電廠嚴(yán)格限制也不可能隨意解列進(jìn)行全面閥門性能實測試驗。本試驗的研究對象是根據(jù)相似理論原理把實際調(diào)節(jié)閥模型化設(shè)計的?；推啓C調(diào)節(jié)閥[4]。在此模型閥上得到的試驗結(jié)論根據(jù)相似準(zhǔn)則可以推廣到原型中去，對實際調(diào)節(jié)閥的設(shè)計和改造有一定的指導(dǎo)作用。
   根據(jù)調(diào)節(jié)閥內(nèi)的蒸汽流動特性，選擇馬赫數(shù)決定性相似標(biāo)準(zhǔn)?；y，確保兩個流動對應(yīng)截面上的馬赫數(shù)相等[5]。模擬試驗以空氣為工作質(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%以內(nèi)。圖1為?；啓C調(diào)節(jié)閥示意圖，圖2為閥盤、閥座結(jié)構(gòu)、氣流示意圖。根據(jù)實際試驗條件，最終?；啓C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)確測量閥內(nèi)關(guān)鍵點的動態(tài)壓力，動態(tài)壓力測量點分布在進(jìn)口、卸載室、閥腔、閥座喉部截面、閥盤下方和閥座出口四個方向。喉部四個測量點按順序從進(jìn)口排列1至4，閥盤下方為測量點5。動態(tài)壓力傳感器采用高靈敏度的小傳感器，以滿足非常流動的快速變化[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。為了準(zhǔn)確確定調(diào)節(jié)閥的振動條件，在不同的升程下，壓力比設(shè)計非常詳細(xì)，只有一條曲線。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，有利于實際應(yīng)用。

   圖3是動態(tài)采集系統(tǒng)采集閥腔多點脈動壓力和閥桿軸向振動實時信號波形，根據(jù)壓力脈動與閥桿軸向振動波形的相似性，特別是波動范圍較大的低頻波形，可以確認(rèn)閥桿振動是由流體壓力脈動引起的。
   2 信號處理
   調(diào)節(jié)閥測試獲得了閥桿振動和流體壓力脈動的動態(tài)測量數(shù)據(jù)，均為隨機信號[7]。隨機信號數(shù)據(jù)的處理是一個非常復(fù)雜的過程。為了確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，經(jīng)過大量的嘗試和比較，最終確定了圖4的處理過程。

   在實際處理和分析過程中，從重新采樣→選擇數(shù)據(jù)長度→樣本數(shù)選擇→窗函數(shù)選擇→功率譜估計方法的選擇→通過優(yōu)化組合的信號處理方案獲得最終結(jié)果。在動態(tài)數(shù)據(jù)處理中，上述過程經(jīng)過反復(fù)處理和比較，最終得到了令人滿意的結(jié)果。圖5顯示了最終的相對過程19.82%，壓比0.4壓力測量點5壓力脈動結(jié)果。圖6顯示了同一工作條件下閥桿振動的最終功率譜。從圖5可以清楚地看出，壓力脈動能量主要集中在0.977Hz～4.88Hz范圍內(nèi)；從圖6可以清楚地看出，當(dāng)調(diào)節(jié)閥桿振動劇烈時，能量主要集中在與壓力脈動相同的頻率段，表明激勵和響應(yīng)之間的相關(guān)性。

   對于閥門穩(wěn)定性的研究，閥桿振動信號和關(guān)鍵點流體壓力脈動信號的頻譜特性是一個重要的信息通過分析閥桿振動和流壓脈動的頻譜，研究人員可以準(zhǔn)確掌握兩個信號之間的頻率關(guān)系，從而推斷閥門振動的原因。
   經(jīng)過大量的試驗和分析，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。振動主要發(fā)生在中升和中壓比范圍內(nèi)。此時，閥盤下環(huán)通道內(nèi)的高速沖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)定流動產(chǎn)生的脈動力克服了閥桿系統(tǒng)的阻尼力，使閥桿系統(tǒng)不穩(wěn)定。
   3 閥桿軸向振動的特點證明
   為了證明閥桿系統(tǒng)振動的激勵源確實是閥盤下的壓力脈動，需要分析閥盤下的脈動壓力。調(diào)節(jié)閥喉氣體流動示意圖見圖2。相對升級為19.82%，壓比0.4工況為例，圖7是閥碟下面脈動壓力信號的自相關(guān)圖，圖8是閥桿振動信號的自相關(guān)圖。從自相關(guān)圖上可以看到自相關(guān)信號沒有隨時間衰減，并且有一定的低頻周期特點，從而可以說明原壓力脈動信號和振動信號均含有低頻周期分量。圖9是這兩個信號的互相關(guān)圖，互相關(guān)的周期性和自相關(guān)的周期性非常一致，表示兩者在時間上的相關(guān)性很高。從而，可以有力地證明壓力脈動信號和閥桿振動信號之間的關(guān)系，就是脈動壓力激勵誘發(fā)閥桿振動，閥桿振動是低頻的強迫振動。

   在本試驗條件下，閥桿系統(tǒng)保持低頻、周期性振動特性，振動頻率為0.488Hz至10Hz之間。試驗測得的閥桿-閥碟系統(tǒng)各階段頻率見表1。

   閥桿系統(tǒng)的固有頻率為21Hz以上說明所有調(diào)節(jié)閥振動條件無共振；此外，當(dāng)閥桿振動的平均根振幅值較大時，相應(yīng)閥盤下壓力脈動的平均根振幅值較大，閥桿振動平均根振幅值較大的頻段略窄于閥盤下壓力脈動的頻段，表明閥桿振動是由閥盤下壓力脈動引起的強制振動。
   4 總結(jié)
   通過試驗，探索適合汽輪機調(diào)節(jié)閥隨機過程的 頻譜分析和信號處理方法，直觀證明壓力脈動信號與閥桿振動信號的關(guān)系，即閥蝶下脈動壓力激勵引起閥桿振動，閥桿振動為低頻強制振動，無共振現(xiàn)象。本文的試驗方法和動態(tài)信號處理方法對工程研究具有指導(dǎo)意義，為后續(xù)調(diào)節(jié)閥動態(tài)優(yōu)化設(shè)計或定量研究提供參考，提高汽輪機調(diào)節(jié)閥的運行可靠性。
   參考文獻(xiàn)：
   [1]崔淑琪、孫龍海、劉國良等調(diào)節(jié)閥隨機振動試驗測量及數(shù)據(jù)分析[J].1989年汽輪機技術(shù)，31(2):40-44.
   [2]薛沐睿、朱丹書、裴嘉祥，消除汽輪機調(diào)節(jié)閥流體振動的試驗和探討[J].1987(5)動力工程:1-10.
   [3]對毛靖儒、屠珊、孫畢、汽輪調(diào)節(jié)閥流動性不穩(wěn)定的試驗研究[J].工程熱物理學(xué)報，2002，23(6):687-690.
   [4]鄒滋祥，類似理論在葉輪機械觸摸研究中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1984:117-126.
   [5]左東啟，模型試驗的理論和方法[M].1984:135-140，北京：水電出版社.
   [6]動態(tài)壓力測量的原理和方法[M].1986:65-73:中國計量出版社.
   [7]彭啟聰、邵懷宗、李明奇[M].2006子工業(yè)出版社，2006:246-251.