水輪機導葉保護裝置結構原理與計算方法

胡奇 李金桃

摘 要：本文主要介紹了水輪機導葉保護裝置的結構組成、設計原理與設計方法，對保護裝置中摩擦裝置、剪斷銷、限位塊的結構原理與設計要求進行介紹。

關鍵詞：導葉保護裝置；摩擦裝置；剪斷銷；限位塊

中圖分類號：TK73 文獻標志碼：A

0 引言

水輪機導葉保護裝置是當兩個或多個導葉之間卡住異物時，能夠防止導葉在水流作用下自由擺動，防止導葉之間產生碰撞，并且防止導葉與轉輪產生碰撞，對水輪機組的安全運行起重要的保護作用。在水輪機設計中，必須對導葉保護裝置進行計算，確保裝置安全有效。

導葉保護裝置一般由摩擦裝置、剪斷銷、限位塊組成，其功能獨立，但結構為一個整體。在保護裝置生效時，摩擦裝置、剪斷銷、限位塊依次起保護作用。

1 保護裝置的結構及工作原理

導葉保護裝置一般結構如圖1所示。導葉臂套在導葉樞軸上，二者之間通過分瓣鍵連接，摩擦軸襯熱套在導葉臂上，三者可視為一個整體。連接板通過把緊螺栓，夾緊在摩擦軸襯上，當接力器傳遞到連接板上的力推動連接板旋轉時，連接板與摩擦軸襯之間有相對滑動的趨勢，二者之間產生摩擦力矩，摩擦力矩驅動導葉旋轉。剪斷銷安裝在連接板與導葉臂之間，外部加工出豁口，內部安裝剪斷銷信號器。當剪斷銷剪斷時，斷裂位置位于強度最弱的豁口處，同時內部的剪斷銷信號器被破壞，發出電信號給監控系統。限位塊焊接在頂蓋上，當摩擦裝置、剪斷銷均失效后，限位塊限制導葉只能在正常范圍內擺動，避免導葉與導葉相撞，或導葉與轉輪相撞，保障機組的安全。

1.1 摩擦裝置

摩擦裝置由連接板、把緊螺栓、摩擦軸襯、導葉臂組成。摩擦軸襯熱套在導葉臂上，可與導葉臂視為一體。連接板尾部加工有約6mm縫隙，將尾部分割成對稱的兩部分。當把緊螺栓夾緊連接板尾部后，連接板產生變形，縫隙變小，并緊緊箍在摩擦軸襯上。當接力器推動連接板旋轉時，連接板與摩擦軸襯之間產生相對運動趨勢，二者之間產生摩擦力矩，摩擦力矩驅動導葉旋轉。連接板與把緊螺栓一般結構如圖2所示。

圖2連接板一般結構

設計時，根據導葉在正常旋轉范圍內承受的最大阻力矩（水力矩與軸頸摩擦阻力矩之和）來確定摩擦裝置的摩擦力矩，一般摩擦力矩取最大阻力矩的1.1倍。

確定摩擦力矩大小后，根據連接板結構尺寸，可初步計算連接板尾部的夾緊力，也就是把緊螺栓的預緊力。在把緊螺栓預緊力確定后，必須對連接板進行復核。因連接板結構不規則，一般采用有限元計算方式進行剛強度復核，確保連接板與摩擦軸襯之間應在圓周大部分范圍內全部壓緊，且壓應力符合設計要求。一般來說，分析得到的壓應力低于設計壓應力，此時需要增大把緊螺栓的預緊力，直至壓應力符合設計要求為止。同時，連接板的變形、平均應力、局部應力符合設計要求。連接板有限元計算分析結果如圖3所示。

圖3連接板有限元分析結果（應力分析）

1.2 剪斷銷

剪斷銷安裝在連接板與導葉臂之間，其內部為通孔，通孔內安裝剪斷銷信號器，剪斷銷在中間位置加工一個豁口，豁口一般為V形或U形。當剪斷銷剪斷時，其內部的剪斷銷信號器（塑料材料）同時也被剪斷，剪斷銷發出電信號給電站監控系統。監控系統收到信號后，會發出緊急停機指令，確保機組迅速關閉，避免危險擴大。

正常情況下，驅動導葉旋轉的力矩通過摩擦裝置傳遞給導葉，剪斷銷不受力。當導葉卡住異物或其他情況而無法旋轉時，所有導葉的操作力矩將全部轉移到無法旋轉的導葉上，對應剪斷銷的受力會急劇增大。為防止過大的操作力矩造成導水零件或導葉被破壞，必須保證剪斷銷在受力增大到一定程度時剪斷。

在設計時，剪斷工況操作力矩一般取最大阻力矩的2.7倍（或額定操作力矩的1.5倍），剪斷工況操作力矩與摩擦裝置力矩之差，就是剪斷銷的剪斷力矩。

1.3 限位塊

限位塊一般焊接在頂蓋上，每個導葉對應兩個限位塊，每個限位塊分別限制導葉的全關、全開位置，保證導葉在摩擦裝置、剪斷銷同時失效后，旋轉位置不會超過正常旋轉范圍。

為了降低導葉臂對限位塊的沖擊，一般在導葉臂與限位塊撞擊位置粘貼橡膠板，以起到緩沖作用。橡膠板與限位塊之間保留5mm間隙，保證導葉在正常旋轉范圍內不與限位塊干涉。為增強限位塊強度，限位塊與頂蓋之間的焊縫采用坡口焊接與角焊相結合的方式，并且在焊接完畢后進行PT探傷檢查，確保焊縫無裂紋。

限位塊是導葉保護裝置中最后一道保障，一旦限位塊無法起到作用，極有可能造成導葉互相碰撞，甚至導葉與轉輪相碰撞，對機組造成巨大的損壞。

為便于計算，在設計時，限位塊所受沖擊力按照1.5倍最大水力矩與限位塊至導葉旋轉中心距離之商來考慮。

2 保護裝置的簡要計算方法

保護裝置的計算需要以下輸入數據：

導葉開關范圍最大阻力矩MZ

導葉開關范圍最大水力矩Mw

摩擦軸襯外徑Db

摩擦軸襯與連接板間摩擦系數μ

剪斷銷與導葉樞軸距離Ls

限位塊至導葉樞軸距離La

限位塊受力中心至頂蓋距離Lb

限位塊長度L1

限位塊寬度L2

限位塊焊縫材料屈服極限σ

限位塊焊角高度H

通過以上輸入數據可計算得到：

剪斷工況操作力矩Mt=2.7|MZ

摩擦裝置摩擦力矩MCFR=1.1|MZ

初算把緊螺栓預緊力

剪斷銷剪斷力矩

限位塊焊縫許用剪應力

限位塊焊縫剪應力

結論

導葉保護裝置是水輪機安全運行的重要保障，本文所介紹的結構與設計理念相比以往的設計理念有了提高，不但保護功能的實現方式、保護力度更合理，同時對摩擦裝置把緊力矩的計算更準確合理，將“安全”理念更深地植入設計過程，極大地提高了水輪機組運行的安全性能。本理論已應用在多個水電站中得到了應用，取得了很好的效果。

參考文獻

[1]馮濱，戴然.水輪機導水機構保護裝置的探討[J].黑龍江電力，2000（5）：10.

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