一種雙螺旋擺動(dòng)結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)上應(yīng)用的可行性分析

周靖力，杜芝鵬

（東方電機(jī)股份有限公司，四川 德陽 618000）

轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)是指葉片角度可調(diào)，以適應(yīng)水頭及流量變化而保持較高工作效率的水輪機(jī)。常見的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)中的槳葉操作機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)原理是利用“曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”的演化形式進(jìn)行葉片角度的調(diào)整。近年來，新出現(xiàn)一種雙螺旋擺動(dòng)液壓缸，采用大螺旋升角的螺旋副將液壓缸活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在結(jié)構(gòu)上具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠，易于設(shè)計(jì)、輸出扭矩和擺動(dòng)角較大等優(yōu)點(diǎn)。

1 雙螺旋擺動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)

1.1 雙螺旋擺動(dòng)液壓缸工作原理

雙螺旋擺動(dòng)液壓缸結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要工作部件包括輸出軸、空心螺桿、帶固定螺紋的缸體、止推軸承等。其中液壓缸體的內(nèi)螺紋與空心螺桿的外螺紋構(gòu)成第一級(jí)螺旋副，而空心螺桿的內(nèi)螺紋與輸出軸的外螺紋構(gòu)成第二級(jí)螺旋副。通過兩級(jí)螺旋副的傳動(dòng)可以將缸體兩腔的液壓力轉(zhuǎn)化為輸出轉(zhuǎn)軸的扭矩，調(diào)整液壓缸兩腔油壓的大小可以控制輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

在圖1 的結(jié)構(gòu)中，空心螺桿與缸體間由密封元件將缸體分為左右兩腔。當(dāng)P1 為高壓腔時(shí)，空心螺桿在液壓力的作用下向右移動(dòng)。由于第一級(jí)螺旋副的傳動(dòng)作用，空心螺桿在移動(dòng)的同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)空心螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在第二級(jí)螺旋副的傳動(dòng)下會(huì)導(dǎo)致輸出軸也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。通過控制缸體兩腔液壓力大小和兩級(jí)螺旋副螺旋方向，就可以實(shí)現(xiàn)輸出軸的正反向旋轉(zhuǎn)，而且因?yàn)閮杉?jí)螺旋副的放大作用，空心螺桿只需要較小的工作行程便能使輸出軸產(chǎn)生較大的輸出轉(zhuǎn)角。

圖1 雙螺旋擺動(dòng)液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 雙螺旋副的力學(xué)性能

1.2.1 輸出扭矩

螺旋副的運(yùn)動(dòng)可簡(jiǎn)化為沿斜面的滑動(dòng)，斜面的傾斜角等于螺紋的升角。從圖2 中可知，施加在螺母上的液壓力Q 必須克服正壓力N 的垂直分力和摩擦力f 的垂直分力，才能推動(dòng)輸出軸沿螺旋方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 單級(jí)螺旋副受力簡(jiǎn)圖

分析可得單級(jí)螺旋副液壓力

式中：F-液壓力對(duì)空心螺桿的推力（N）；P-液壓缸中油的壓力（MPa）；A-空心螺桿有效受壓面積（mm2）；d-兩級(jí)螺旋副中螺紋中徑（mm）；α-兩級(jí)螺旋副螺旋升角（deg）；β-兩級(jí)螺旋副摩擦角（deg）；M-輸出螺桿的輸出扭矩（N·mm）。

1.2.2 輸出轉(zhuǎn)角

螺紋傳動(dòng)中，螺紋旋轉(zhuǎn)一圈正好移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，所以有

式中：γ-輸出螺桿合成轉(zhuǎn)角（rad）；L-空心螺桿行程（mm）；S-兩級(jí)螺旋副導(dǎo)程（mm）。

1.3 雙螺旋擺動(dòng)結(jié)構(gòu)水輪機(jī)模型

常見轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由接力器缸施加給連桿的力一方面使得葉片旋轉(zhuǎn)，另一方面也會(huì)使接力器缸自身旋轉(zhuǎn)。若接力器缸轉(zhuǎn)角較大會(huì)導(dǎo)致連桿與接力器缸發(fā)生實(shí)體干涉，使得葉片不能正常旋轉(zhuǎn)。通常在接力器缸上增加一滑塊，通過滑塊使得接力器缸只能在豎直方向移動(dòng)而不能發(fā)生自身旋轉(zhuǎn)。由于連桿的反作用力依然存在，會(huì)使滑塊與滑塊槽出現(xiàn)摩擦磨損，使得二者間隙逐步增大。同時(shí)，該力會(huì)使滑塊把合螺栓承受交變剪力，使得螺栓壽命大幅度降低。

圖3 為雙螺旋擺動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裝配模型。其中項(xiàng)1 至項(xiàng)5 依次為葉片、轉(zhuǎn)軸、葉片軸、活塞和油管。通過油管供油使得活塞兩腔油壓產(chǎn)生壓力差，液壓力驅(qū)使活塞移動(dòng)的同時(shí)沿第一級(jí)螺旋副發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。活塞轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)由第二級(jí)螺旋副使得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)使得葉片隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 雙螺旋擺動(dòng)結(jié)構(gòu)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裝配

2 雙螺旋擺動(dòng)結(jié)構(gòu)水輪機(jī)實(shí)例分析

通過前文的分析，以某軸流式水電站實(shí)際工況（見表1）對(duì)雙螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

表1 某軸流式水電站主要技術(shù)參數(shù)

2.1 兩級(jí)螺旋副主要參數(shù)計(jì)算

為了確保良好的傳動(dòng)性能，兩級(jí)螺旋副均選用梯形螺紋，牙型角30°。考慮到螺旋牙不僅要受到較大的拉壓應(yīng)力和剪力，還要有足夠的減磨性和耐磨性，因此轉(zhuǎn)動(dòng)軸選用38CrMoAlA，屈服強(qiáng)度σs850（MPa）?；钊x用耐磨性較好的ZCuSn10Pb1，屈服強(qiáng)度σs170（MPa）。轉(zhuǎn)輪體選用ZG20SiMn 屈服強(qiáng)度σs255（MPa）。對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，采用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度公式估算螺紋公稱直徑，則有：

式中：Tj為計(jì)算扭矩（N·m），Tj=K·T，T 為負(fù)載最大扭矩，即最大水頭水力矩。K 為修正系數(shù)，取K=1.2。[τ]為許用剪切應(yīng)力（MPa），許用剪切應(yīng)力可近似取屈服強(qiáng)度值的0.6×0.25 倍。由（9）式取整后確定轉(zhuǎn)動(dòng)軸螺紋公稱直徑d=120mm。同理可計(jì)算確定活塞與轉(zhuǎn)輪體之間螺紋公稱直徑，兩級(jí)螺紋具體參數(shù)如表2 所示。

表2 兩級(jí)螺旋副主要螺紋參數(shù)

2.2 轉(zhuǎn)輪操作油壓及葉片轉(zhuǎn)角計(jì)算

兩級(jí)螺旋副材料及尺寸確定后，可根據(jù)螺紋參數(shù)計(jì)算出滿足輸出扭矩的最小油壓值P。由于螺桿與螺母的材料分別是淬火鋼、鑄鋼和青銅，取摩擦系數(shù)f=0.07，則

分析可知，假定活塞與轉(zhuǎn)輪體螺旋副為右旋螺紋，活塞全行程下轉(zhuǎn)角為77°；則活塞與轉(zhuǎn)動(dòng)軸螺旋副便為左旋螺紋，轉(zhuǎn)動(dòng)軸相對(duì)活塞的轉(zhuǎn)角為97°。那么，轉(zhuǎn)動(dòng)軸相對(duì)轉(zhuǎn)輪體的轉(zhuǎn)角為20°。滿足表1 對(duì)葉片轉(zhuǎn)角（-16°～+4°）的要求。

3 結(jié)論

本文分析對(duì)比了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)和雙螺旋擺動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)兩種結(jié)構(gòu)。通過前文的闡述可以得到相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

（1）力學(xué)性能更好。傳統(tǒng)槳葉操作機(jī)構(gòu)的“曲柄滑塊結(jié)構(gòu)”由于連桿反作用力使得接力器缸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致滑塊偏磨甚至把合螺栓疲勞剪斷，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。雙螺旋結(jié)構(gòu)靠傳動(dòng)螺紋將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，沒有多余附加的分力，對(duì)機(jī)組運(yùn)行不會(huì)造成安全隱患。

（2）結(jié)構(gòu)性能更好。傳統(tǒng)槳葉整個(gè)操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分散、重量較大。而雙螺旋操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、重量較小，并且不需要滑動(dòng)的操作油管，結(jié)構(gòu)性好，成本更低。

（3）互換性能更好。傳統(tǒng)槳葉操作機(jī)構(gòu)中由于多個(gè)連桿裝在同一個(gè)接力器缸上，因此對(duì)各個(gè)連接部件的尺寸精度、形位公差要求高，且裝配難度較大。而雙螺旋操作機(jī)構(gòu)每個(gè)葉片操作機(jī)構(gòu)互相獨(dú)立，葉片之間互不影響，因此制造難度降低、互換性能提高，且易于裝配。