貫流式水輪機槳葉傳動鏈及槳葉接力器導向改造

管懷鳴，劉鐵峰

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

貫流式水輪機槳葉傳動鏈及槳葉接力器導向改造

管懷鳴，劉鐵峰

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：貫流式水輪發電機組單機容量小、開停機靈便、迅速，在電網中主要承擔峰荷。機組頻繁的開停機、調整負荷，致使槳葉開、關執行機構工作任務繁重。槳葉開、關執行機構由槳葉接力器、連桿、傳動鏈、拐臂組成。導葉、槳葉動作轉換工況過程中，流道中水流的流相發生變化，產生水力擾動，會對槳葉傳動機構造成沖擊，尤其是快速關機時的水錘壓力。如果槳葉開、關執行機構故障，可能會導致調速機構協聯破壞、輸出頻率波動，甚至機組解列、發生飛逸，后果不堪設想。槳葉開、關執行機構的安全、可靠對機組的安全穩定運行影響巨大。

關鍵詞：貫流式水輪機；螺絲松脫；導向機構磨損；傳動鏈改造；導軌改造

1　引言

馬跡塘水電廠（以下簡稱馬電）位于湖南省桃江縣內資水干流，1979年始建，引進奧地利“ELIN”公司3臺燈泡貫流式機組及其成套輔助設備。水輪機由奧地利伏依特公司（Voith）設計制造。1983年，3臺機組相繼投產發電。2001年度3號機組擴大性大修中對水輪機槳葉傳動鏈、槳葉接力器導向機構進行再設計與改造。水輪機主要參數見表1。

表1　水輪機主要參數

2　槳葉傳動鏈及槳葉接力器導向缺陷及原因分析、處理

2.1水輪機存在的缺陷及原因分析

2.1.1槳葉傳動鏈存在的缺陷

馬跡塘水電廠在1995～1999年間，對3臺機組水輪機內部機構進行檢查時，均不同程度的發現槳葉傳動鏈騎縫螺釘松動、脫落，輪轂內壁存在刮擦傷痕情況；槳葉傳動鏈騎縫螺釘主要起固定鏈板、銷軸，防止發生轉動和軸向竄動。騎縫螺釘松動、脫落增加了鎖板螺釘負擔，破壞傳動鏈框架穩定性，危害機組安全運行。

2.1.2槳葉接力器導向存在的缺陷

2001年度3號機組檢修，檢查發現槳葉接力器導向滑塊、導軌工作面磨損比3年前更加嚴重，導向配合間隙已達1.7mm（設計配合間隙為0.40mm），且有偏磨現象。磨損面積占工作面積的30%~80%，磨損凹坑深度從0.5~2.4mm不等，局部甚至達3.22mm；磨損區域沿滑塊、導軌相對運動方向呈條狀分布。

圖1　槳葉鏈板裝配正視圖[2]

表2　歷年機組檢修騎縫螺釘檢查統計[3]

2.2缺陷原因分析

2.2.1鏈板騎縫螺釘松動、脫落的原因分析

（1）騎縫螺釘可防止鏈板與軸銷兩個緊配合件裝配在一起后，零件發生轉動移位；但是僅在各種經典的防止轉動和軸向位移的結構都不能用的時候才考慮使用。因為這種結構只適合單件小批的生產綱領，而且操作復雜，難以在拆卸后復原，只能抵抗較輕的靜載荷，不能用于沖擊載荷。所以，此處使用騎縫螺釘固定銷軸和鏈板屬于設計缺陷。

（2）設備老化、磨損嚴重，原有的配合間隙被破壞，機組運行條件惡化是直接原因。設計條件下，槳葉大銅套止推面全部提供槳葉旋轉時的向心力（轉輪轉動槳葉即旋轉具有離心運動趨勢，向心力是阻止槳葉離心運動的合力的統稱；向心力與離心力是平衡的一對相互作用力），傳動鏈與拐臂之間的作用力都在拐臂中心線和鏈板中心線組成的平面內。鏈板騎縫螺釘受力很小。

圖2　正常情況下輪葉開關機構及運動方向簡圖

機組經過多年的運行，槳葉大、小銅套止推面與拐臂磨損量逐漸增大，拐臂兩側平面與槳葉大、小銅套止推面總間隙，即槳葉竄動量變大超過設計值。起初槳葉大銅套止推面和拐臂間隙增大時，在離心力（見圖3）作用下，拐臂與鏈板配合間隙，可以重新分配；但是，當磨損量更大，銅套止推面與拐臂總間隙超過設計值時，拐臂與鏈板間隙重新分配也無法抵消彌補,槳葉拐臂會對傳動鏈板有垂直于正常運動方向的力距（作用在傳動鏈銷軸上見圖3）和對鏈板的推力（見圖3），傳動鏈板受到拐臂的推擠，鏈板緊固螺桿、騎縫螺釘都會受到一定的軸向沖擊。

圖3　拐臂與傳動鏈之間的受力示意圖

2.2.2槳葉接力器導向機構存在的缺陷及造成的后果

根據能量回饋裝置中PWM整流器的工作狀態,采用雙閉環結構設計整流器的具體結構[5-6]。雙閉環結構的外環是電壓環,內環是電流環[7],具體結構如圖2所示。能量回饋器電流控制技術方面則選擇直接電流控制。因此,電流控制方法上這里采用固定開關頻率其特點是:載波頻率不變,調制波的信號取自電流偏差[8]。

（1）接力器導向機構存在設計缺陷

原設計滑塊、導軌端面到工作面沒有加工倒角，當槳葉處于全關或者全開開度時，都會出現滑塊端面楞鏟刮導軌工作面或導軌端面楞鏟刮滑塊工作面。

滑塊和導軌選擇材質及處理工藝相同，工作面硬度相當，容易造成相互破壞。導軌長度短，槳葉在全關、全開極限位置時，導向機構的安全余度小，容易出現脫軌現象。

（2）機組經長時間運行，配合間隙破壞后產生的缺陷

1）槳葉的開、關是由槳葉接力器帶動傳動鏈一端的直線運動，傳動鏈另一端拉動拐臂轉動，拐臂帶動槳葉一起旋轉來實現。對接力器受力分析，接力器受到傳動鏈中心線的阻力（2見圖4），阻力2可分解為豎直的2（見圖4）和水平方向2（見圖4）,因為槳葉接力器只能提供直線方向的力，該力與2平衡，2則是通過接力器導向滑塊作用在導軌上與2（'見圖4）平衡。滑塊和導軌端面沒有倒角，此時會出現相互鏟刮現象。當開啟槳葉時，滑塊與導軌之間的相互作用及各鉸鏈的轉動方向如圖4所示。開啟導葉時，運動方向相反，滑塊與導軌磨損另一面。

圖4　滑塊和導軌一受運動方向及受力簡圖

2）由圖3知，傳動鏈受到拐臂垂直于鏈板運動方向相垂直的力矩，該力矩沿著鏈板傳遞到接力器滑塊與導軌的接觸面上，滑塊和導軌接觸面會產生一對力偶（3見圖5），又因為力矩的方向與滑塊和導軌接觸面相垂直，使滑塊有轉動的趨勢，從而使滑塊與導軌接觸面一側受力較大。如果此時關、開槳葉，接觸面一側會承受很大的摩擦力。相同材質的滑塊、導軌存在較大的接觸力，且相互滑動，容易產生相互磨損破壞。不同負荷（不同槳葉開度）下，多次動作即會對滑塊、導軌表面造成多條直線狀損傷。受力分析圖見圖5。

圖5　力矩與機構力偶3作用效果簡圖

2.3槳葉傳動鏈改造

2.3.1槳葉傳動鏈再設計的必要性

馬跡塘水電廠機組出現傳動鏈騎縫螺釘松動、脫落缺陷時，機組已安全運行了十幾年，時間長于機組擴大性大修周期（8~10年）。雖然可以在機組每次擴大性大修時對傳動鏈解體，更換傳動鏈騎縫螺釘，預防松動、脫落；但是傳動鏈解體會出現以下幾個不可避免的現象：①解體時騎縫螺釘可能因被擠緊、螺紋膠太多或螺紋損壞等原因拆不出；②裝復時銷軸與鏈板螺孔拼合有偏差，騎縫螺釘裝不進；③拆卸過程中，敲打工件損壞配合面，螺孔、螺紋損壞；④傳動鏈鏈板和軸銷的配合屬于過渡配合，隨著拆裝次數的增加，銷軸與鏈板配合間隙增大超過允許值。騎縫螺釘松動問題處理，由于以上不利情況，最后可能導致更換銷軸、鏈板或全部更換，增加大修成本和檢修工程量；所以，對槳葉傳動鏈進行再設計很有必要。

2.3.2槳葉傳動鏈再設計

槳葉傳動鏈的再設計是在默認槳葉竄動量（槳葉大、小銅套止推面與拐臂總間隙）在設計范圍內的前提下，改進銷軸與鏈板緊固方式，保證牢固、可靠且裝拆方便；結構上增強傳動鏈框架的剛度，提高對各個方向干擾力、力矩的抵抗能力。

鏈板、銷軸、鎖板螺釘必須經100%滲透探傷和超聲波探傷檢查合格，材質化驗、機構性能實驗及硬度檢測合格。裝配前經無損檢測鏈板使用2個M36，強度8.8級螺釘緊固，預緊力339.5 kN，螺紋使用螺紋鎖固膠樂泰277防松。

圖6　傳動鏈最終設計方案三視圖[4]

2.3.3本設計的優點

（1）軸、孔采用過盈配合，銷軸與銷孔配合面的靜摩擦力阻止傳動鏈與銷軸不產生相對運動；不鉆孔、攻絲，不外加止動措施，不破壞銷軸或鏈板結構完整性，降低設備非運行損耗，降低檢修成本；克服經典的軸孔配合緊固方式不適用，外加約束壓力大，可靠性差的缺陷。

（2）軸、孔有1°33'44''的錐度，增加接觸面積，結構上增加一個鏈板鎖板螺釘，提高鏈板框架剛度，對各個方向干擾力、沖擊力的抗干擾能力。并且常溫裝配，方便檢修。

（3）鏈板采用35CrMo鍛壓調質鋼，銷軸采用40Cr新材質，在不改變鏈板尺寸的前提下增加了零部件強度。

（4）傳動鏈外側鏈板邊楞進行倒角處理，防止擦傷輪轂內壁。

2.4槳葉導向機構改造

2.4.1槳葉導向塊導軌改造的必要性

原設計槳葉導向塊、導軌因為采用相同材質及表面處理工藝，工作面硬度相當。當導向導軌受力較大時，很容易出現滑塊、導軌相互磨損破壞。對于破壞后的工作面只能通過補焊、打磨來恢復；但是施焊過程中，如果技術措施不當，可能造成局部變形、應力集中，為機組安全埋下隱患。

另外，滑塊、導軌補焊厚度較薄，在運行中很有可能造成整個補焊層脫落，造成更大缺陷，如接力器損壞，槳葉失控等，后果不堪設想，再者已補焊的部位不能再次進行施焊，否則將出現開裂。根據以上分析，綜合考慮機組檢修后安全運行周期及下次檢修成本，接力器導向滑塊、導軌必須進行改造。

2.4.2槳葉接力器導向機構的改造思想

槳葉接力器滑塊、導軌的改造，主要針對原設計缺陷逐項進行優化消除。改變導軌工作面材質，使用黃銅或青銅等相對滑塊硬度較軟的材料。仔細觀察、測量當槳葉全開、全關狀態下，滑塊、導軌相對運動的極限位置及周圍其他零部件的距離，酌情合理增加導軌長度。對滑塊、導軌加工大倒角，增加工作表面潤滑，保證相對運動時，不出現鏟刮、干磨等現象。

2.4.3導向機構改造方案

使用大型機床，采用特殊的機械加工工藝，將磨損表面的劃痕和凹坑處理干凈，實測滑塊和導軌的配合尺寸，在原導軌上加銅瓦軸承。根據現場實測，將導軌銅瓦加長100mm。青銅瓦背加工燕尾槽固定在瓦托（經過處理的原導軌）上，青銅瓦使用沉頭螺釘固定，銅瓦與原導軌側縫使用釬焊加固，并在工作面兩端頭加工大倒角。裝配后滑塊和導軌經過預裝檢查泄水錐和輪轂能順利裝入、退出。

圖7　改造后導軌裝配圖[4]

2.4.4本設計優點

（1）選擇錫青銅做為導軌表面耐磨瓦制造材料，青銅瓦材質為ZCuSn10Pb1，耐磨性極好，不易產生咬死現象，具有較好的鑄造性和切削加工性能，且硬度低于滑塊，不會傷害滑塊工作面。

（3）平面軸承瓦加長了100mm，增加了導軌在全開、全關極限位置時的接觸面積，減輕接觸面的壓力（壓強）。

表2　改造后滑塊與導軌配合間隙[4]（單位：mm）

3　結束語

2001年度3號機組擴大性大修之后，電廠組織湖南省電力試驗研究所水機室、興馬機電有限公司、水輪機改造承包單位（東屋機電有限責任公司）對3號機組進行了穩定性試驗、振動檢測比較、機組效率試驗、槳葉接力器低油壓動作試驗，試驗結果表明，本次檢修圓滿成功[5]；隨后對1號機組、2號機組進行了同樣改造。2014年，3號機組運行12年之后，進行機組大修，拆除泄水錐，檢查傳動鏈鎖板螺釘無松動，傳動鏈結構牢固可靠；接力器導向機構配合間隙變化不大，導軌工作面幾乎沒有磨損。事實證明傳動鏈、導向機構改造方案科學合理。又因為改造后傳動鏈結構簡單、牢固可靠、拆裝方便、不傷害部件、可重復多次使用，降低檢修成本和勞動強度，適合向具有傳動鏈的機組推廣。

參考文獻：

[1]馮衍祥.燈泡貫流式水輪發電機組[Z],1999：2-3.

[2]GRAU.轉輪輪轂裝配（四個葉片）[Z],1979.

[3]肖少吾.關于馬跡塘水電廠輪葉接力器連桿兩端騎縫螺釘接連松動脫落、滑塊（滑槽）嚴重磨損問題的情況通報[Z]，1999.

[4]金捷生.輪葉傳動鏈再設計與改造[R]，2006：3-35.

[5]王友,曹平.3號機擴大性大修總結[R]，2001.

中圖分類號：TK733+.8

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）08-0004-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.002

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：管懷鳴（1988-），男，助理工程師，從事水電廠機械設備檢修工作。