水輪機(jī)導(dǎo)葉開角控制裝置的幾個問題

馬淑霞 楊春林 商宏杰

摘要：在大額功率及重量的水輪機(jī)發(fā)電電站中，水流流量的控制利用機(jī)械裝置來實(shí)現(xiàn)，有很好的優(yōu)越性。本文提出了，在利用調(diào)整導(dǎo)葉開角以控制流量的應(yīng)用中，此部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所遇到的幾個關(guān)鍵問題，具體包括：導(dǎo)葉開角的調(diào)整、推拉桿的力學(xué)計(jì)算、分度角度、推拉桿的長度調(diào)節(jié)等。文中分析了導(dǎo)葉開角控制的工作原理，核算了推拉桿的強(qiáng)度及穩(wěn)定性、確定了導(dǎo)葉的導(dǎo)葉全開/閉點(diǎn)、設(shè)計(jì)了正反向螺旋調(diào)整機(jī)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械調(diào)速 導(dǎo)葉開角 全開/閉點(diǎn) 正反向螺旋

Abstract：In the large power and weight power stations of hydro turbine， It has great advantages what The control of water flow is realized by means of mechanical devices. This paper proposed， In applications of control flow where the opening Angle for guide vanes was adjusted， Several key problems were encountered in the design of this part of mechanical structure， Specific include： Adjusting the opening angle of guide blade、The stress calculation for push-pull rod、The graduation angle、The length adjustment of push-pull rod and so on， All of this was be proposed in this paper. In the paper， The working principle of open Angle control for guide blade was analyzed， The strength and stability of the push-pull rod were calculated， The full-open/full-closed points of guide vane were determined， The forward and backward screw adjusting mechanism was designed.

Keyword：Mechanismic speed governing? Opening Angle for guide vanes? The full-open/full-closed points? Positive and negative spiral

0前言

在水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組中，水輪機(jī)導(dǎo)葉開角控制裝置用來控制導(dǎo)葉開度[1]，以調(diào)節(jié)機(jī)組的負(fù)荷和開關(guān)機(jī)，進(jìn)而保證整個機(jī)組轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。雖然電動控制能實(shí)現(xiàn)較好水輪機(jī)導(dǎo)葉開角的控制，但相對功率及重量極大的水輪機(jī)發(fā)電電站，通過針對性設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置能達(dá)到更好的控制效果。相比較電動控制，用機(jī)械裝置來控制調(diào)速器有如下優(yōu)勢：1）液壓缸周期性給力，會避免外界意外斷電對整個機(jī)組系統(tǒng)造成傷害;2）機(jī)械裝置能獲得較大的轉(zhuǎn)動力矩; 3）在功率穩(wěn)定的情況下，提高導(dǎo)葉控制精度，可以在任意點(diǎn)停留[2]。

1導(dǎo)葉開角機(jī)械控制裝置的原理分析

水輪機(jī)活動導(dǎo)葉開角的控制，是通過一個帶有兩個推拉桿的傳動機(jī)構(gòu)完成的。整個調(diào)速器運(yùn)動機(jī)構(gòu)的工作路線是：周期性往復(fù)的直線運(yùn)動（柱塞）→擺動（連桿）→轉(zhuǎn)動（調(diào)速軸）→擺動（搖臂） →轉(zhuǎn)動（導(dǎo)葉控制環(huán)）。

如圖1所示，在調(diào)速機(jī)構(gòu)工作過程中，外部液壓缸施加一個周期性往復(fù)直線運(yùn)動的力至調(diào)速桿擺臂1，控制調(diào)速擺臂在±45°的范圍內(nèi)做周期性的擺動，從而帶動調(diào)速軸2的轉(zhuǎn)動。當(dāng)調(diào)速軸在小范圍內(nèi)正反轉(zhuǎn)時，帶動通過鍵連接其上的搖臂3擺動，進(jìn)而兩個推拉桿4不同方向的移動，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉控制盤5小角度內(nèi)的旋轉(zhuǎn)?？刂票P順時針轉(zhuǎn)動，活動導(dǎo)葉6關(guān)閉，反之則張開。

2推拉桿強(qiáng)度與穩(wěn)定性計(jì)算

推拉桿是整個控制部分的關(guān)鍵部件，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性能否達(dá)到要求，關(guān)系到導(dǎo)葉開角能否達(dá)到合理的控制效果。為此，我們做了相關(guān)問題的核算。

2.4穩(wěn)定性計(jì)算

3開口角度的控制計(jì)算

弧長開口角度的大小控制是導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)中應(yīng)主要考慮的問題。

推拉桿要帶動控制環(huán)實(shí)現(xiàn)定角度的擺動。如果角度控制不好，推拉桿擺動時易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象[5]。怎樣確保各個零件之間的連接強(qiáng)度問題，以及整個機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。針對以上的問題，根據(jù)分析得到以下結(jié)論：1）搖臂安裝銷的軸線與調(diào)速軸之間角度，通過計(jì)算得出是9°2′22″;2）推拉桿采用可調(diào)長度的結(jié)構(gòu)，以便于安裝調(diào)整。

3.1導(dǎo)葉最大開角的計(jì)算

3.2導(dǎo)葉全開＼全閉點(diǎn)的確定

如圖所示，導(dǎo)葉中心線和導(dǎo)葉臂中心線夾角可用作圖法確定，這樣我們可以根據(jù)同一導(dǎo)葉的最大開角和0開角兩個極限位置，確定出導(dǎo)葉臂及連桿的中心線位置，然后找出在小耳環(huán)中心圓上的全開點(diǎn)a1和全閉點(diǎn)a2[7]位置，接著作這兩點(diǎn)和轉(zhuǎn)輪中心0的連線a10和a20，延長這兩條線段分別和控制盤大耳環(huán)中心圓相交于b1和b2，弦長b1b2的距離成為控制環(huán)行程。

3.3導(dǎo)葉中間點(diǎn)的確定

在大耳環(huán)中心圓上，根據(jù)上一步確定出的全開點(diǎn)b1和全閉點(diǎn)b2， ，找到弧長b1b2的中點(diǎn)b0，此點(diǎn)就是控制環(huán)與推拉桿的連接孔圓心。圖中的相位角ψ是兩個相鄰葉片的安裝軸心相對于0點(diǎn)的夾角，此次角度為15°。

3.4搖臂連接孔圓心的確定

根據(jù)在控制盤上大耳環(huán)連接孔中心位置確定出的全開、全閉及中點(diǎn)，我們確定出和推拉桿另一側(cè)連接的搖臂中心孔的位置b0，以及此點(diǎn)對應(yīng)的控制全開位置點(diǎn)b1和全閉位置點(diǎn)b2。

4可調(diào)長度式推拉桿

圖3中的兩個推拉桿均采用正反向螺旋連接設(shè)計(jì)，左接頭通過傳動銷和導(dǎo)葉控制環(huán)連接， 右接頭通過傳動銷和調(diào)速軸上的搖臂連接，連接兩接頭的套筒為正反向螺旋結(jié)構(gòu)，左端采用右旋絲扣，右端采用左旋絲扣，中間一段為光桿。連接時，先將左右兩接頭稍稍旋入正反向螺旋套筒，再用扳手?jǐn)Q正。這種正反螺旋結(jié)構(gòu)有如下好處：1）這樣可以將推拉桿擰緊，而又不改變兩個接頭的方向;2）這樣可以通過扳手旋轉(zhuǎn)套筒來調(diào)節(jié)推拉桿的長度，順時針旋轉(zhuǎn)推拉桿伸長，反之縮短。

這種正反向螺旋套筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也可以用在被連接的兩根鋼筋上，其中有一端是固定不能動時，或只旋轉(zhuǎn)套筒達(dá)到連接目的的連接體;類似的還有柱頂端及剪力墻頂端的鋼筋連接也是此結(jié)構(gòu)的很好應(yīng)用[8]。

5總結(jié)

此水輪機(jī)導(dǎo)葉開角控制裝置主要解決問題歸納如下： 1）整個操作機(jī)構(gòu)便于檢查、調(diào)整和維修。2）液壓調(diào)速器在停機(jī)時不依賴于外界電源等，可在電廠系統(tǒng)失電時可靠操作使水輪發(fā)電機(jī)組正常停機(jī)。3）機(jī)構(gòu)可使導(dǎo)葉在任一開口時保持穩(wěn)定以確保水輪發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的使用穩(wěn)定。

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作者資料：馬淑霞，蘭州工業(yè)學(xué)院，蘭州， 730050，女，甘肅省蘭州市七里河區(qū)龔家坪東路1號，馬淑霞收，

作者簡介： 馬淑霞， （1980-），女，甘肅省慶陽市，蘭州工業(yè)學(xué)院講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造、機(jī)械機(jī)構(gòu)，現(xiàn)發(fā)表中文核心3篇、實(shí)用新型專利兩項(xiàng)、獲省部級科技獎項(xiàng)兩項(xiàng)。