焦鋼毅

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

水輪機導水機構(gòu)是機組的操作機構(gòu)，它的安全性與可靠性對機組安全穩(wěn)定運行關(guān)系重大。因此，水輪機的導水機構(gòu)必須設(shè)置一種安全裝置，當異物夾在導葉間時，可以保證傳動機構(gòu)不會因承受過大載荷而損壞。對于軸流式機組，目前采用最多的安全裝置仍是傳統(tǒng)的剪斷銷方式。導葉臂與連接板間設(shè)置一剪斷銷，當導葉被異物卡住時，整個傳動機構(gòu)的力矩都通過剪斷銷作用在這個被卡住的導葉上，由剪斷銷將其剪斷，從而避免了其它傳動零件遭受破壞。但其只能利用一次，如果更換需要專用工具和停機，浪費太多的人力、財力和時間。在蘇丹Rummla 項目中，采用彈簧承載式安全連桿機構(gòu)作為安全裝置，有效地解決了傳統(tǒng)的剪斷銷式連桿保護機構(gòu)所帶來的問題，為軸流式水輪機導水機構(gòu)保護系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種新方法。

1 彈簧安全連桿結(jié)構(gòu)及工作原理

彈簧安全連桿主要包括兩個彈簧支座、兩個L 型連桿、彈簧、連桿銷、偏心銷、聯(lián)接銷軸、偏心量調(diào)整螺釘?shù)炔考?。彈簧的兩端通過連接軸與彈簧支座的頂端固定連接，兩個彈簧支座分別連兩個L 型連板，兩個L 型連板通過聯(lián)接銷軸聯(lián)接，并分別通過連桿銷和偏心銷與控制環(huán)小耳和連接板相連，聯(lián)接銷的中心與連桿銷與偏心銷的中心有一定的偏心量，該偏心量可影響安全連桿受力大小，可由偏心量調(diào)整螺釘調(diào)節(jié)。在兩個L 型連板間還設(shè)有動作檢測開關(guān)，檢測安全連桿機構(gòu)動作狀態(tài)。

正常工作情況下，經(jīng)過計算，彈簧上具有一定的預(yù)拉力，保證導葉正常動作時，彈簧不產(chǎn)生任何變形，發(fā)生誤動作。當兩只活動導葉中間有異物卡入后，隨著控制環(huán)繼續(xù)向?qū)~關(guān)閉方向轉(zhuǎn)動，安全連桿兩側(cè)的L 型連桿將以聯(lián)接銷為中心轉(zhuǎn)動，彈簧安全連桿上的受力將逐漸增大，彈簧因受到的反向拉力逐漸增大而被伸長。彈簧安全連桿彎折后，動作檢測開關(guān)發(fā)出信號驅(qū)動開啟活動導葉，將被卡住的異物排到下游?？ㄗ〉漠愇锱懦螅琇 型連桿在彈簧拉力的作用下自動復(fù)位，檢測開關(guān)再次發(fā)出信號控制導葉繼續(xù)關(guān)閉，直至實現(xiàn)完全關(guān)機。在上述動作過程中，完全實現(xiàn)了導葉關(guān)閉過程中異物卡住后的全自動處理，整個過程沒有任何零部件受到損壞，省去了采用剪斷銷結(jié)構(gòu)時所必需的更換剪斷銷及重新調(diào)整導水機構(gòu)等大量工作(見圖1)。

圖1 彈簧安全連桿的結(jié)構(gòu)形式

2 軸流式導水機構(gòu)中采用彈簧安全連桿的設(shè)計

軸流式機組導水機構(gòu)為圓柱型導水機構(gòu)，連桿機構(gòu)只在一個平面運動，與貫流機組的空間運動相比，結(jié)構(gòu)空間更小，設(shè)計難度更大。安全連桿的設(shè)計要從空間布置及受力計算兩方面考慮。

2.1 彈簧安全連桿的空間布置

空間布置上，在初選彈簧安全連桿各結(jié)構(gòu)尺寸后，采用二維及三維設(shè)計軟件，校核導葉在正常運動過程中和有異物卡住彎折狀態(tài)下彈簧連桿之間、彈簧連桿與周圍其它組件不發(fā)生干涉。導葉正常全關(guān)狀態(tài)彈簧安全連桿示意圖見圖2，導葉正常全開狀態(tài)彈簧安全連桿示意圖見圖3，異物卡住彈簧安全連桿彎折狀態(tài)示意圖見圖4。

圖2 導葉正常全關(guān)狀態(tài)彈簧安全連桿示意圖

圖3 導葉正常全開狀態(tài)彈簧安全連桿示意圖

圖4 異物卡住彈簧安全連桿彎折狀態(tài)示意圖

2.2 彈簧安全連桿的受力計算

通過彈簧安全連桿的受力計算既要保證導葉在有異物卡住后彈簧自動快速復(fù)位，彈簧受力彎折后滿足剛強度要求，又要保證導葉正常運動時彈簧不會隨意彎折，發(fā)生誤動作。彈簧安全連桿的受力簡圖如圖5 所示。

圖5 彈簧安全連桿受力簡圖

以蘇丹Rummla 水輪機為例，根據(jù)導水機構(gòu)操作計算，導葉在運動過程中導水機構(gòu)對連桿作用力如表1 所示，導葉在關(guān)閉方向的全關(guān)位置該作用力最大，Pcmax=58.2kN。

表1 導葉運動過程中導水機構(gòu)對連桿作用力

由計算程序得到的彈簧安全連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)及彎折過程中彈簧拉伸力和連桿受力如表2、表3 所示。從表3 數(shù)據(jù)可以看出，導葉正常運動狀態(tài)時，即安全連桿彎折角θ=0°時，連桿受力Fs0=88.29kN ＞1.5Pcmax滿足設(shè)計要求，當安全連桿處于最大彎折狀態(tài)，θ=45°時，彈簧拉力最大，F(xiàn)kmax=11.89kN，此時彈簧切應(yīng)力τ=712.3MPa＜［τ］，滿足強度要求。

表2 彈簧安全連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)

表3 彈簧安全連桿各狀態(tài)受力分析

3 結(jié)語

本文通過介紹軸流式水輪機導水機構(gòu)采用彈簧安全連桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點及設(shè)計過程，給出了一種軸流式水輪機導水機構(gòu)安全裝置新的解決方案，有效地解決了傳統(tǒng)的剪斷銷式連桿保護機構(gòu)所帶來的問題，節(jié)約了機組的維護成本，提高了機組安全運行的穩(wěn)定性。

［1］ 徐灝.機械設(shè)計手冊4［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2006.6.

［2］ 哈爾濱大電機研究所. 水輪機設(shè)計手冊［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，1976.

［3］ 程良駿. 水輪機［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，1981.

［4］ 天津電氣傳動研究所.水輪機設(shè)計與計算［M］. 北京:科學出版社，1971.

［5］ 徐化芳.水力機械強度計算［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，1990.