1 引言
水轮机调速系统是水轮机发电机组中最重要的核心控制系统之一。它负责控制水轮机发电机组的启动、停机和实时速度调节。主压力阀及其先导控制部件是水轮机调速系统中的关键设备。该设备将接收到的电气控制信号实时转换为液压信号输出，并在功率放大后操作接力器，然后推动水轮机进水口导叶，调整进水流量[1]。从而达到控制水轮机发电机转速的目的。对于水轮机调速系统，仔细分析主压力阀的性能指标，如输入输出之间的线性度、回滞、响应频率等，可以发现主压力阀实际上是一个大型伺服阀本体。因此，在设计和生产过程中，应严格计算和模拟主压力阀的流道结构、阀盘结构、泄漏、死区、配合间隙、元件表面硬度、阀芯自重等。
2 介绍同类进口主配压阀
三峡电站、龙滩电站、小湾电站等30多台单机600台国内已投入发电的大型水轮发电机组MW上述机组均使用DN250进口主配压阀，主要集中在GE和ALSTOM以三峡为例，左岸采用了两个品牌。ALSTOM产品，右岸用GE产品。这两种主要配置的结构形式见图1所示。
图1中可以看到两种结构的区别，ALSTOM采用立式三阀盘结构，GE采用卧式两阀盘结构，均采用主配压阀一端恒压油和另一端控制油的设计方法。此外，两者都选择了嵌入主配压阀套的结构形式。自投入运行以来，实际运行良好。
图 1
3 方案分析
3.1 结构类型选择
通过对进口同类产品的比较，结合多年在国内主压阀设计、生产、调试和现场运行方面的经验，我们认为在确定方案的结构类型时重点关注以下几个方面。
（1）阀套是否用于主压阀体内，阀套的主压阀结构相对复杂，成本较高。同时，由于增加了一层阀套过流孔，阀的过流能力会在主压阀活塞行程相同的情况下降低。
（2）对于嵌入式阀套的方案，阀套与阀体之间的密封方式是间隙密封还是密封。如果采用间隙密封，由于阀套与阀体之间的间隙较小，与无阀套的结构相同，在使用过程中，如果外部油管的加工制造或安装控制不当，会导致主压力阀体的微量变形，容易造成阀芯堵塞。
(3)阀心是采用两阀盘结构还是三阀盘结构，重量轻，惯性小，有利于提高响应速度，但导向性稍弱。相反，三阀盘结构阀心重量大，惯性大，但导向性明显优于两阀盘，尤其是短阀心。
（4）阀芯及其控制端是采用整体结构形式还是分段。如果采用整体结构，加工件的形状公差要求高，组装困难，但阀体的总长度可以缩短。如果采用分段结构，组装和维护相对容易，总长度增加。
（5）主压力阀的整体安装方法为垂直或水平。对于水平结构，在主维护过程中，主压力阀可以很容易地拆卸和清洗，而无需拆卸管道。对于垂直结构，由于阀芯垂直放置，控制性能在一定程度上会受到阀芯自重的影响。但该结构可以依靠阀芯的自重来保持部分关闭，水平占用工厂空间小，布局方便。
(6)阀套的开口类型为圆孔、方孔或全周环形槽。圆孔总过流面积小，孔周围应力相对分散。方孔总过流面积略大于圆孔，拐角处容易出现应力集中。全周环形槽轴向尺寸难以控制，热处理后元件容易变形。
（7）阀体的形式是铸件或锻件。铸件容易做出孔径大、光滑的良好流道，但单位面积承载压力略低，生产过程中报废率高。锻件强度高，流道复杂，过流面积相对较小。
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3.2 受力分析
(1)阀心受力分析
图2显示了偏离中心位置时三阀盘阀心和两阀盘阀心的油压示意图。图中三阀盘阀心的两个外端，即图2中的两个M端和N端部受到接力器排油形成的压力，两侧受力大小基本相同，两个阀盘阀的心脏Y端部受到接力器排油形成的压力，X端部不受力，因此阀心两端的扰动力不一致。
图 2
(2)阀套应力分析
图3显示了两个阀盘结构的主阀套一端受力图，当阀心向左移动时，P腔压油进入A腔，对A腔阀套的外圆形成周向压力。此时，阀套左侧的内部T腔压很小，容易导致阀套左端向内凹陷变形。相比之下，当主压力阀芯采用三阀盘结构时，相应的主阀套在各种工况下内外应力相对平衡。
图 3
3.3 流态分析与模拟
主操作油的流态会直接影响主配压阀芯的稳定性。过于混乱的流态会导致主操作油管本体和连接在管道中的液压设备，如事故配压阀和分段关闭装置，危及发电机组的安全稳定运行。输入主配压阀的压力油首先通过主配压阀P-A阀口，送到接力器，然后主配B-T阀口流回油箱。在整个循环过程中，油流还通过了主阀体的三个腔室和主压阀套的多个孔。由于大多数电厂通过调整确保计算，事故压力阀和分段关闭装置串联在主操作油回路中。压力油流通过管道长、环节多、流态紊乱。在主压力阀结构设计过程中，南瑞模拟了实际结构。图4和图5显示了双阀盘结构的主压力阀和内部流体的流态模拟示意图。其中，图4为流态线路分步图，图5为流态线路整体图。这两张图表示阀心移动10mm此时，压力油从P口流入主配压阀，通过主配压阀A口流到接力器进入油腔，然后从接力器出油腔返回主压阀B口流入阀体，通过主配压阀的T口流回油箱，整个油流瞬时稳定。
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图4
图5 流态迹线整体图
3.4 覆盖，间隙和泄漏
遮挡是指主压力阀处于中位时，阀芯控制边与阀套控制口之间的叠加量，间隙是指主压力阀芯阀盘与阀套内孔之间的径向间隙。如果设计要求主压力阀产品遮挡大、间隙小，产品油流泄漏相对较小，但动作死区增加，动态性能降低，加工难度增加，成本显著增加；相反，如果设计规定主压力阀遮挡小、间隙大，产品油流泄漏相对较大，但动作死区减少，动态性能提高，加工相对容易，成本降低。此外，随着主压力阀芯直径的增加，DN如果250的主配应与小型主配应保持相同的泄漏量和速度，加工难度将成倍增加。因此，选择合理的间隙和配合是设计的重要环节之一。
3.5 热处理工艺
主压阀阀体、阀芯、阀套的热处理工艺与各部件选择的材料和最终精度要求密切相关。由于主压阀阀芯与阀套的配合精度高，尺寸稳定性好，表面硬度高，耐腐蚀，制造过程中需要多次人工及时应力处理，确保主压阀能真正实现大型伺服阀体的功能。
4 结论
通过对大型主配压阀结构设计的分析，以及样机的模拟，DN为了共同促进国内水轮机调速的发展，250主配压阀的国产化既有实现要求，又有实现条件。
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