小型背压式汽轮机液压调节系统的建模与动态特性仿真研究.pdf
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1、 机床与液压2 0 0 6 N o 6 l 6 3 小型背压式汽轮机液压调节系统的建模与动态特性仿真研究 朱守寨,迟毅林 ( 昆明理工大学机电工程学院,昆明6 5 0 0 9 3 ) 摘要:对小型背压式汽轮机液压调节系统进行动态特性数学建模 ,并利用 MA T L A B仿真软件对系统进行仿真,研究了 结构参数对系统动态特性的影响。结果表明:增大错油门和压力变换器弹簧刚度系数能改善系统的动态性能。此结论对现 场调试和设计工作有一定指导意义。 关键词:小型背压式汽轮机 ;建模 ;仿真 中图分类号:T HI 3 7 文献标识码:A 文章编号 :1 0 0 1 3 8 8 1( 2 0 0 6 l
2、61 6 3 4 M o d e l i n g a nd Dy na mi c a l Pe r f o r ma nc e S i mu l a t i v e Re s e a r c h o f L i t t l e t u r b i n e Hy d r a u l i c a d j u s t i n g S y s t e m ZHu S h o u z h a i CHI Yi l i n ( Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g C o l l e g e,K u n m i
3、 n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , K u n mi n g 6 5 0 0 9 3C h i n a ) A b s t r a c t :T h e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f h y d r a u l i c a d j u s t i n g s y s t e m o f l i t t l e t u r b i n e w a s e s t a b l i s h e d a n d t h e e f f e c t o
4、f s t r u c t u r a l p a r a me t e t o d y n a mi c al p e r f o r ma n c e s o f t h e s y s t e m W as r e s e a r c h e d b y MAT L AB, r e s u l t s s h o w t h a t i n c r e asi n g t h e s p r i n g p a r a me t e r s o f h y d r a u l i c - v alv e a n d c o n v e r t e r c a n i mp r o v e
5、 d y n a mi c a l pe rf o rm a n c e s o f t h e s y s t e m t h e r e s u l t s i s v e r y s i g n i fi c a n t t o d e b u g g i n g a n d d e s i gn o f h y d r a ul i c s y s t e m Ke y wo r d s:L i t t l et u r b i n e : Mod e l i n g ; S i mu l a t i n g 小型汽轮机作为原动机或工厂自备热电厂的发电 机组而被广泛使用 ,尤其在化工厂
6、使用更是不可缺少 的主要设备。不论汽轮机是作为原动机还是电厂的发 电机组使用,其工作转速都很高( 3 0 0 0 r m i n以上) , 而且它作为一种连续运行机组,故障停机损失大 ,因 此其运行安全非常重要。汽轮机的正常运转是由其调 节系统控制,因此调节系统调节特性的好坏直接影响 汽轮机的运行质量 ,有时甚 至关 系到机组 的安全 。因 此深入了解汽轮机调节系统的动态特性及其影响因素 对于工程技术人员和设备维修人员很有意义。本文以 青岛汽轮机厂生产的 B 33 5 5小型背压式汽轮机为 对象,对其调节系统进行数学建模 ,并利用 MA T L A B 这一强大的工具对其单机运行时进行动态特性
7、仿真, 研究各种参数对其动态特性的影响,从而指导实际工 作,同时为设计人员提供一条优化设计参数的途径。 1 B 33 5 5背压 式汽 轮 机液 压调 节 系统 原 理 ( 图 1 ) 图 1 汽轮机调节系统原理图 2 液压调节系统数学建模 阀 ( 1 )径 向油泵特性 方程 p 10 + ( p 2o - p l。 ) 增量方程 : p z 2 ( p 加一 p - 。 ) ( )= A r t ( 2 )压力变换器特性方程 力平衡方程 : A。 p 一A。 p。 。:肘 , d Z X l d Xl +c I+k l ( 。 。 +X 1 ) A- p z A- p - 。:肘 +( -
8、。 ) 增量方程的拉氏变换式:A t p =( 肘 s + C I s + k ) 式 中 :A 为压 力变换 器 阀芯 面积 ( m ) ;M 为折 算 到滑芯上的惯性质量 ( k g ) ;c 为粘性阻尼系数 ( N s m) ;k 为压力变换器弹簧刚度 系数 ( k s m) ; 。 。 为弹簧的预压缩量 ( m) ; 。 为滑芯位移 ( m) 。 压力变换器控制的脉动油流量方程 : Q 。 = c 。6 。 ( + 。 2 (p - P lo )一 线性化 的增量方程 :Q 。 =一 B 。 , + B P 式 中 :C 。 为油 13流量系数 ,无 因次 ;b , 为油 13宽 度
9、, m; 。 为油 13的初始开度 ,m; P为脉动油压值,P a 。 。 = 式中: P 。 为稳定工作时脉动油压值( P a ) ;P为透平 油 密度 ( k sm ) 。 ( 3 )错 油门特性方程 力平衡方程 :A 2 p A 2 P -。 : 肘z + c z d z + +, 维普资讯 http:/ 1 6 4 机床与液压2 0 0 6 N o 6 线性化增量方程 的拉 氏变换 式 : A 2 P: 2 s + c 2 s +|i 2 + f l z 式 中:A 为错油 门滑 芯面 积 ( I l l ) ;M 为折 算 到滑 芯上 的惯性 质 量 ( k g ) ;c 为 粘 性
10、 阻尼 系 数 ( N s I l 1 ) ;|i 为错油 门弹簧 刚度系 数 ( k g I l 1 ) 。 液动力:F= 0 4 3 o J ( p 一 J D )+ 0 4 3 o J ( p : - p 。 。 ) z ( N) 式 中 :( c , 为错 油 门滑 阀面 积 梯 度 ( I l 1 ) ,=I r d ;P 为动力油压力 值 ( P a ) ;P 、JD : 分别 为 油 动机 上 、下 油腔压力值 ( P a ) ;z 为错 油 门滑 芯位 移 ( n 1 ) ;d为 错油 门滑芯直径 ( I l 1 ) ;取 F: 0 4 3 o ( p 一 P 。 。 ) 。
11、( 4 )错油 门、油动机特性方程 错油 门与油 动机可看 作 四通 阀阀控液 压缸 系统 , 其传递 函数 : j A4 j , V ,、 A 3一 百 J p V : I _ 一 ( + + 1 ) ( t J 式 中:Ji 为错油 门滑阀流量增益 ( I l l s ) ,|i = C p , 。 为滑 阀面积梯度 ( I l 1 ) ,c 为滑 阀流 量系 数 ,无 因次 ;Y为 油动 机 活塞位 移( I l 1 ) ;Ji 为总 的 流量 一 压力系数 ,无 因次 ,|i : IT O ) 1 F c +C , r c为错油 门滑芯 、阀套 间隙 ,取 r c =4 X 1 0 I
12、 ” I l l , , 为透 平 油 粘度 ,取 , : 3 8 5 X 1 0 P a s ,c 为错 油 门 总 的泄 漏系数 ;卢 为透 平油体 积弹 性模 数,取 =2 x 1 0 P a ; 为错 油门 油室 、油动 机 油 室及 其 之 间 的管 道总容积 ( m ) ; 为 液 压缸 的液 压 系统 固有 频 率 ( r a d s ) ,=2 A ( V M3 ) ,M 为折 算 的油 动 机 滑 阀惯 性 质 量( k g ) ;A 为 油 动 机 活 塞 有 效 面 积 ( m 为 相 对 阻 尼 系 数 小 筹 + 杀 厂 , C 3 为 油 动 机 阻 尼 系 数 。
13、 油动 机控 制的脉动油流量方程 n T, 、| z pP l o ) Q 2 = C 2 6 2 ( Y l0 + y ) 线性 化的增 量方程 :Q = B Y +B P 式中 :c 为油动 机反 馈油 1:3 流 量 系数 ;6 为油 动机 反馈 油 口宽 度 ( m) ;Y 。 。 为 稳 定 时 反 馈 油 口 开 度 ( m :c 2 6 2 : ( 5 )节流孔 流量方程 2 ( P 一 J D )C oA o C 2 6 2 yl 。 线性化 的增量方程 :Q 。 : B P 一B P 式中 :c 0 为节 流孔流 量系 数 ;A 。 为节 流孔 通流 面积 ( m ) ; B
14、 5 = C 0 A 0 , 2 p ( p - p 0 ) 。 ( 6 )脉 动油连续流量方程 Q 0=Ql +Q 2 故有 :B 5 P 2 +B l l B 3 Y :( 2 + 4 +B 5 ) P ( 7 )汽轮机的传递函数 汽轮机的传递函数推导比较复杂 , 查相关资料得 其 标么方程 : = = 式中 :P 为汽轮机输 出功率 相对值 ,P = P P , P 为汽 轮 机额 定 功率 ( 取 3 0 0 0 k W) ;S 为调节 汽 阀开度相对 值 ,S =5 S ,S 为调节 汽 阀开度最 大值 ( 取 0 1 2 m) ;T 为 汽 轮 机 汽 容 时 间 常 数 ,取 0
15、 22 s 。 取调节 汽 阀杠 杆 比例为 1 : 1 ;则 S = Y ,可得用 增量表示 的传递 函数 :P r : 2 5 _ 0 0 0 。 1 十 ( 8 )发电机与负荷的传递函数 查资料得其标么方程 : A n APr 一P s+1 取额定转 速为 3 0 0 0 r ra i n ,则可 得用 增 量表 示 的 传递 函数 : n K 一=一 PrP s+1 式 中:K 为 放 大 系 数 ( 取 K =1 ) ; 为 时 间 常 数 ( 取 =2 s ) 。 ( 9 )系统 的数学模型 由于液压缸 液压 系统 的 固有 频 率 c c, 远 大 于液 压 系统实际工作频率 ,
16、故将含有 的响应环节忽略 , 图 2 系统 的方块 图 由上述各拉氏变换式得系统的方块图如图 2 。 3 调节系统动态特性仿真分析 维普资讯 http:/ 机床与液压2 0 0 6 N o 6 1 6 5 由于在整个调节系统中脉动油压值 P的稳定至关 重要 ( 稳定状态时P为定值) ,因此P能否快速稳定、 减少振荡对系统的动态性能影响很大。本文研究在同 步器阶跃输入( 取 。 =0 0 1 )时系统 各结构参 数 ( 错油门、压力变换器弹簧刚度系数,及其阀芯运动 阻尼)对脉动油压P 、转速输出 n的影响。因为机组 的实际调节过程都是在几秒钟内完成的,所以仿真时 间取 1 0 s 。 图 3 系
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- 小型 背压式 汽轮机 液压 调节 系统 建模 动态 特性 仿真 研究
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