水電機組導水機構結構優化綜述
——框式（雙）連臂的設計與應用

杜 永

（國網新源豐滿發電廠，吉林省吉林市 132108）

水電機組導水機構結構優化綜述
——框式（雙）連臂的設計與應用

杜 永

（國網新源豐滿發電廠，吉林省吉林市 132108）

鑒于豐滿發電廠運行近60多年，導水機構磨損嚴重存在諸多問題，維護、檢修不便，運行存在隱患的情況，經過對導水機構卓有成效的改造，機組維護、檢修便利性和運行可靠性顯著提高。本文對這次改造進行了詳細介紹和總結。

框式雙聯臂；導水機構；結構；優化

0 引言

豐滿電廠始建于1937年，1943年3月第一臺機組投入發電，經二期、三期擴建工程后，豐滿發電廠裝機容量已超過100萬kW，是東北電網主力電廠之一，擔負著供電、調峰、調相、事故備用等任務，是聯絡電力系統南、北兩網的中樞。

豐滿電廠1～8號機組機電設備生產于20世紀30年代前，分別由美國西屋公司、瑞士埃塞爾維斯工廠、西德電氣總公司、西德伏依特、日本日立公司、蘇聯斯大林金屬工廠、俄羅斯列寧格勒工廠。9～12號機組由哈爾濱電機廠生產。

豐滿電廠機電設備來自不同的國家，結構類型多樣，特別是導水機構部分。結合近70年的運行、維護及檢修經驗，豐滿電廠陸續對部分機組進行了導水機構優化改造。

1 導水機構簡介

導水機構按導葉軸線布置位置可分為3種型式：圓柱式導水機構、圓錐式導水機構和徑向式導水機構。其中圓柱式導水機構導葉軸線布置在圓柱面內，這種導水機構制造方便，保證水輪機有足夠高的效率，因而得到了廣泛采用。圓錐式導水機構導葉軸線與水輪機軸線成一錐角布置，由于導葉布置在圓錐面上，所以結構和制造都比較麻煩，一般應用在燈泡貫流式或斜流式水輪機上。徑向式導水機構的導葉軸線與機組軸線垂直，一般布置在全貫流式水輪機上。

國內普遍采用的圓柱式導水機構，其操作部件通常采用連桿傳動的結構型式，即連桿式導水機構，這是用于大中型水輪機傳統的結構型式，由調速器控制接力器將操作力通過控制環傳遞給與其鉸接的各連桿組件，再通過連桿組件作用于與其鉸接的導葉臂上，從而控制各導葉的動作，達到調節導葉開度，控制水輪機流量的目的。

2 傳統導水機構問題

傳統水輪機導水機構雙聯臂常用的有幾種形式，如叉頭導水機構、耳柄式導水機構、單（雙）連臂導水機構等，如圖1～圖3所示。

圖1 叉頭式導水機構Fig.1 Fork type water conducting mechanism

圖2 耳柄式導水機構Fig.2 Ear-type water guide mechanism

圖3 單（雙）連臂式導水機構Fig.3 Single（double）with arm type water guide

傳統形式的聯臂在使用中陸續暴露出幾方面問題：一是破斷螺栓（剪斷銷）安置在拐臂上，運行中不便于巡視檢查，當該破斷螺栓銹蝕時，使破斷螺栓失去保護作用;二是水輪機導水機構檢修工藝復雜，導葉間隙不易調整，廢時費力，可調節性差；三是連臂無規律性伸長或縮短不可控，導葉漏水量增大，機組停機時轉速下降較慢，推力瓦和風閘磨損嚴重；四是檢修質量不易保證，導葉漏水量較大，直接降低機組整體可靠度，浪費水能。

3 結構優化分析

本優化的目的是提供一種安裝在水輪機導水機構主要部件控制環與拐臂之間的框式雙聯臂。該雙聯臂設計巧妙、結構簡單、導葉間隙調整方便，同時具有導葉破斷螺栓的功能，運行更穩定、使用更安全的大型水輪機導水機構框式雙聯臂。

本優化是通過以下結構實現的：采用一種大型水輪機導水機構框式雙聯臂（圖4），雙聯臂為臥式結構，雙聯臂3安裝于導水機構控制環7與拐臂8間，用于將控制環7的操作力矩傳遞給拐臂8。在水輪機運行中，當開啟或關閉導葉時，框式雙聯臂將控制環7的操作力矩傳遞給導葉拐臂8，通過導葉拐臂8將該力矩傳遞給導葉，實現導葉開啟或關閉，調整水輪機的流量，即調整水輪機的出力。

4 優化實施

本優化涉及一種大型水輪機用導水機構框式雙聯臂與水輪機導水機構控制環及拐臂固定連接，雙聯臂與控制環、拐臂間分別通過圓柱銷釘固定連接。

它的原理為兩個連桿銷6之間的作用力通過破斷螺釘1來傳遞，兩個連桿銷之間的距離可通過破斷螺釘的旋合長度來調整，從而對加工安裝誤差進行補償，當導葉向關閉方向運動時，如果兩個連桿銷6之間傳遞的力超出設計值，破斷螺釘將被拉斷，保護其他構件不被破壞。

本優化運行更穩定、使用更安全，不僅結構簡單，而且檢修維護方便。框式雙聯臂裝置由：破斷螺釘、螺母、框體、滑塊、連桿銷、緩沖片5等組成，如圖4所示。

（1）一種大型水輪機導水機構框式雙聯臂，其特征是：框式雙聯臂3與水輪機導水機構控制環7及導葉拐臂8固定連接，框式雙聯臂3位于水輪機頂蓋上方。

（2）所述的一種大型水輪機導水機構框式雙聯臂為框式結構，其特征是：破斷螺釘1的一端與框體3通過螺紋連接，并在框體兩側用螺母2固定，破斷螺栓1的另一端通過螺紋與滑塊4固定。滑塊4通過連桿銷6與拐臂8連接固定；連桿銷6上平面安裝一鎖定片，通過螺釘緊固；在框體3側上平面與滑塊4連接處安裝一壓板，通過螺栓緊固，以防止滑塊上竄。框體3的另一端軸孔內鑲嵌有自潤滑軸套，通過連桿銷6與控制環7連接，連桿銷6上平面安裝一鎖定片，通過螺釘緊固，在框體3該端上平面與緩沖片5，通過螺栓緊固。

（3）當水輪機運行中，開啟或關閉導葉時，框式雙聯臂將控制環7力矩傳遞給導葉拐臂8，通過導葉拐臂將該力矩傳遞給導葉，從而實現導葉的同步轉動，通過導葉開口變化實現流量變化，完成機組的調節。實現導葉開啟或關閉，使機組安全穩定運行。

5 優化效果

（1）優化導水機構設計：從結構型式上通過調整框式雙聯臂上的滑塊4在框體3內的水平位置，即連桿銷6的中心距離，調整拐臂8的水平轉角，實現水輪機導葉間隙的調整。不僅使導葉間隙易于調整，而且能夠縮短導水機構的檢修時間、保證導葉檢修調整的檢修質量。

（2）具有安全保護作用。破斷螺釘1置于框體3與滑塊間，一方面，機組運行中，易于運行人員的檢查；另一方面，當破斷螺釘損壞時，易于更換，縮短設備故障消除的時間。

（3）框式雙聯臂具有調節長度的功能，以補償加工誤差，保證導葉的同步性。當水輪機相鄰導葉間卡住物體時，該導葉無法正常關閉，導致破斷螺釘拉斷1，滑塊4在框體內移動，此時，緩沖片5起到緩沖作用，防止水輪機故障的擴大，利于保證水輪機其他相鄰導葉及時可靠關閉。

（4）結構新穎、簡單，檢修維護方便。

6 結束語

本優化取消了傳統的叉頭式、耳柄式、單（雙）連板式連臂傳動機構，相應地也取消了與其相關聯的剪斷銷，采用了滑塊機構，使結構變得簡單、新穎，安裝、維護方便，實用性強，導葉間隙調整方便，同時具有導葉破斷螺栓的功能，運行更穩定、使用更安全，提高了生產企業和電站的經濟社會效益，這必將為公司立足水電市場發揮作用。目前，該結構成功應用于豐滿發電廠4、5、8號等多臺100MW機組上，機構運行狀況良好。

[1] 孫之安.水輪機導水機構的結構改進設計[J].小水電，2014，（1）（總第175期）.SUN Zhian.Structural Improvement Design of Hydraulic Turbine Water Conveying Mechanism[J].Small Hydropower Year 1，2014（Total 175th issue）.

[2] 哈爾濱大電機研究所.水輪機設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1976.Harbin Institute of Electrical Engineering[M].Beijing ： Machinery Industry Press，1976.

2017-02-15

2017-05-20

杜 永（1982—），工程師，主要研究方向：水輪發電機組安裝、調試、維護及檢修，水輪發電機組新技術、新材料、新工藝的應用。

Hydroelectric Generating Water Guide Structure Optimization Design and Application—Design and Application of Box （double）Connector Plate

DU Yong
（State Grid Xinyuan Fengman Power Plant，Jilin 132108，China）

In view of running for nearly 60 years of fengman power plant，water guide wear serious，more problems，is not conducive to the maintenance and repair，there are risks.After water guide mechanism for effective design，crew maintenance and repair convenience and operational reliability improved significantly.In this paper，described in detail and summary.

water guide；box （double） connector plate；structure；optimization

TV3

A學科代碼：570.2520

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.017