水輪機(jī)導(dǎo)葉保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)原理與計(jì)算方法

胡奇 李金桃

摘 要：本文主要介紹了水輪機(jī)導(dǎo)葉保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)組成、設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)方法，對保護(hù)裝置中摩擦裝置、剪斷銷、限位塊的結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)葉保護(hù)裝置；摩擦裝置；剪斷銷；限位塊

中圖分類號：TK73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

水輪機(jī)導(dǎo)葉保護(hù)裝置是當(dāng)兩個或多個導(dǎo)葉之間卡住異物時，能夠防止導(dǎo)葉在水流作用下自由擺動，防止導(dǎo)葉之間產(chǎn)生碰撞，并且防止導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生碰撞，對水輪機(jī)組的安全運(yùn)行起重要的保護(hù)作用。在水輪機(jī)設(shè)計(jì)中，必須對導(dǎo)葉保護(hù)裝置進(jìn)行計(jì)算，確保裝置安全有效。

導(dǎo)葉保護(hù)裝置一般由摩擦裝置、剪斷銷、限位塊組成，其功能獨(dú)立，但結(jié)構(gòu)為一個整體。在保護(hù)裝置生效時，摩擦裝置、剪斷銷、限位塊依次起保護(hù)作用。

1 保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

導(dǎo)葉保護(hù)裝置一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)葉臂套在導(dǎo)葉樞軸上，二者之間通過分瓣鍵連接，摩擦軸襯熱套在導(dǎo)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(dāng)接力器傳遞到連接板上的力推動連接板旋轉(zhuǎn)時，連接板與摩擦軸襯之間有相對滑動的趨勢，二者之間產(chǎn)生摩擦力矩，摩擦力矩驅(qū)動導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)。剪斷銷安裝在連接板與導(dǎo)葉臂之間，外部加工出豁口，內(nèi)部安裝剪斷銷信號器。當(dāng)剪斷銷剪斷時，斷裂位置位于強(qiáng)度最弱的豁口處，同時內(nèi)部的剪斷銷信號器被破壞，發(fā)出電信號給監(jiān)控系統(tǒng)。限位塊焊接在頂蓋上，當(dāng)摩擦裝置、剪斷銷均失效后，限位塊限制導(dǎo)葉只能在正常范圍內(nèi)擺動，避免導(dǎo)葉與導(dǎo)葉相撞，或?qū)~與轉(zhuǎn)輪相撞，保障機(jī)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(dǎo)葉臂組成。摩擦軸襯熱套在導(dǎo)葉臂上，可與導(dǎo)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(dāng)把緊螺栓夾緊連接板尾部后，連接板產(chǎn)生變形，縫隙變小，并緊緊箍在摩擦軸襯上。當(dāng)接力器推動連接板旋轉(zhuǎn)時，連接板與摩擦軸襯之間產(chǎn)生相對運(yùn)動趨勢，二者之間產(chǎn)生摩擦力矩，摩擦力矩驅(qū)動導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)。連接板與把緊螺栓一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2連接板一般結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)時，根據(jù)導(dǎo)葉在正常旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)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(jù)連接板結(jié)構(gòu)尺寸，可初步計(jì)算連接板尾部的夾緊力，也就是把緊螺栓的預(yù)緊力。在把緊螺栓預(yù)緊力確定后，必須對連接板進(jìn)行復(fù)核。因連接板結(jié)構(gòu)不規(guī)則，一般采用有限元計(jì)算方式進(jìn)行剛強(qiáng)度復(fù)核，確保連接板與摩擦軸襯之間應(yīng)在圓周大部分范圍內(nèi)全部壓緊，且壓應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。一般來說，分析得到的壓應(yīng)力低于設(shè)計(jì)壓應(yīng)力，此時需要增大把緊螺栓的預(yù)緊力，直至壓應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求為止。同時，連接板的變形、平均應(yīng)力、局部應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。連接板有限元計(jì)算分析結(jié)果如圖3所示。

圖3連接板有限元分析結(jié)果（應(yīng)力分析）

1.2 剪斷銷

剪斷銷安裝在連接板與導(dǎo)葉臂之間，其內(nèi)部為通孔，通孔內(nèi)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(dāng)剪斷銷剪斷時，其內(nèi)部的剪斷銷信號器（塑料材料）同時也被剪斷，剪斷銷發(fā)出電信號給電站監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)收到信號后，會發(fā)出緊急停機(jī)指令，確保機(jī)組迅速關(guān)閉，避免危險(xiǎn)擴(kuò)大。

正常情況下，驅(qū)動導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)的力矩通過摩擦裝置傳遞給導(dǎo)葉，剪斷銷不受力。當(dāng)導(dǎo)葉卡住異物或其他情況而無法旋轉(zhuǎn)時，所有導(dǎo)葉的操作力矩將全部轉(zhuǎn)移到無法旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)葉上，對應(yīng)剪斷銷的受力會急劇增大。為防止過大的操作力矩造成導(dǎo)水零件或?qū)~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(shè)計(jì)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(dǎo)葉對應(yīng)兩個限位塊，每個限位塊分別限制導(dǎo)葉的全關(guān)、全開位置，保證導(dǎo)葉在摩擦裝置、剪斷銷同時失效后，旋轉(zhuǎn)位置不會超過正常旋轉(zhuǎn)范圍。

為了降低導(dǎo)葉臂對限位塊的沖擊，一般在導(dǎo)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(dǎo)葉在正常旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)不與限位塊干涉。為增強(qiáng)限位塊強(qiáng)度，限位塊與頂蓋之間的焊縫采用坡口焊接與角焊相結(jié)合的方式，并且在焊接完畢后進(jìn)行PT探傷檢查，確保焊縫無裂紋。

限位塊是導(dǎo)葉保護(hù)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(dǎo)葉互相碰撞，甚至導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪相碰撞，對機(jī)組造成巨大的損壞。

為便于計(jì)算，在設(shè)計(jì)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(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)中心距離之商來考慮。

2 保護(hù)裝置的簡要計(jì)算方法

保護(hù)裝置的計(jì)算需要以下輸入數(shù)據(jù)：

導(dǎo)葉開關(guān)范圍最大阻力矩MZ

導(dǎo)葉開關(guān)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(shù)μ

剪斷銷與導(dǎo)葉樞軸距離Ls

限位塊至導(dǎo)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(shù)據(jù)可計(jì)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(yù)緊力

剪斷銷剪斷力矩

限位塊焊縫許用剪應(yīng)力

限位塊焊縫剪應(yīng)力

結(jié)論

導(dǎo)葉保護(hù)裝置是水輪機(jī)安全運(yùn)行的重要保障，本文所介紹的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)理念相比以往的設(shè)計(jì)理念有了提高，不但保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)方式、保護(hù)力度更合理，同時對摩擦裝置把緊力矩的計(jì)算更準(zhǔn)確合理，將“安全”理念更深地植入設(shè)計(jì)過程，極大地提高了水輪機(jī)組運(yùn)行的安全性能。本理論已應(yīng)用在多個水電站中得到了應(yīng)用，取得了很好的效果。

參考文獻(xiàn)

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