祝繼文

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150000)

1 概 述

水輪機(jī)導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置的作用是當(dāng)剪斷銷斷裂后防止導(dǎo)葉在水力的作用下發(fā)生自由擺動(dòng)，避免可能發(fā)生的活動(dòng)導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉或轉(zhuǎn)輪葉片之間的碰撞損壞。目前使用摩擦襯和剪斷銷聯(lián)合作用的導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置已廣泛應(yīng)用于立式混流和軸流式水輪機(jī)，但某些電站在使用過(guò)程中出現(xiàn)摩擦襯失效、連接板變形、剪斷銷頻繁斷裂等問(wèn)題，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來(lái)很大危害。如何增強(qiáng)導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置的安全可靠性成為機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和檢修維護(hù)中必須認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)原理

水輪機(jī)導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

水輪機(jī)導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置的主要部件有：摩擦襯、連接板、導(dǎo)葉臂、剪斷銷、把緊螺栓等。摩擦襯通常為鑄銅材質(zhì)，熱套在導(dǎo)葉臂上。摩擦襯表面較光滑，與連接板之間摩擦系數(shù)較穩(wěn)定，通過(guò)連接板末端的把合螺栓的預(yù)緊力，連接板與摩擦襯和導(dǎo)葉臂之間建立初始靜摩擦力。剪斷銷安裝在連接板和導(dǎo)葉臂同鉆鉸的銷孔內(nèi)，用于傳遞接力器操作力矩。在正常工作情況下連接板、摩擦襯、導(dǎo)葉臂和剪斷銷是一個(gè)整體拐臂，用作傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)導(dǎo)葉在關(guān)閉過(guò)程中被異物卡住時(shí)，連接板和導(dǎo)葉臂受到的阻力矩急劇上升，而接力器的操作力矩迅速向被卡住導(dǎo)葉分配，當(dāng)操作力矩達(dá)到剪斷銷和摩擦襯共同作用的總保護(hù)力矩時(shí)剪斷銷被剪斷，連接板在操作力矩作用下與導(dǎo)葉臂發(fā)生相對(duì)位移，而其他導(dǎo)葉的正常關(guān)閉不受影響。被卡住導(dǎo)葉在連接板和摩擦襯之間的摩擦力矩作用下無(wú)法自由擺動(dòng)，避免與相鄰部件發(fā)生碰撞損壞。該保護(hù)裝置的核心是連接板把合螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦保護(hù)力矩[1]。一旦連接板把合螺栓出現(xiàn)松動(dòng)或預(yù)緊不到位或摩擦力矩設(shè)計(jì)值偏小，摩擦保護(hù)力矩就可能失效，無(wú)法起到保護(hù)作用。

3 提高導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置的安全可靠性

3.1 合理的理論計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 摩擦保護(hù)力矩的設(shè)定

摩擦襯的摩擦力矩的作用是防止導(dǎo)葉在剪斷銷剪斷的情況下在水力作用下擺動(dòng)，因此一般設(shè)定摩擦裝置力矩為1.1-2倍最大水力矩。但有些情況下最大水力矩出現(xiàn)在導(dǎo)葉非同步工況，較難通過(guò)試驗(yàn)或仿真計(jì)算獲得，這就需要考慮計(jì)算非同步工況導(dǎo)葉水力矩，并適當(dāng)提高摩擦力矩的比例系數(shù)。而有些情況下導(dǎo)葉最大水力矩較小，從而計(jì)算得到的連接板把合螺栓的預(yù)緊力較小，與螺栓的規(guī)格不相匹配，對(duì)螺栓防松不利，這種情況下也需要適當(dāng)放大比例系數(shù)，將摩擦力矩設(shè)計(jì)為約2-3倍最大水力矩，充分利用把合螺栓的性能，也提高了摩擦襯的安全性[2]。具體見圖2。

3.1.2 剪斷銷剪斷力矩的設(shè)定

常規(guī)剪斷銷單獨(dú)傳遞扭矩時(shí)的剪斷力矩一般設(shè)定為1.5倍接力器額定油壓最大操作力矩，但在和摩擦襯的聯(lián)合作用下，若仍按1.5倍設(shè)計(jì)則總的保護(hù)力矩可能過(guò)大，造成其他傳動(dòng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上的加強(qiáng)，造成不必要的浪費(fèi)。在和摩擦襯聯(lián)合作用時(shí)，剪斷銷的剪斷力矩應(yīng)該設(shè)計(jì)為1.5倍接力器額定油壓最大操作力矩減去摩擦襯的摩擦力矩，從而保證總的保護(hù)力矩約為1.5倍接力器額定油壓最大操作力矩不變，但同時(shí)≥1.1倍接力器額定油壓最大操作力矩，防止摩擦襯失效時(shí)剪斷銷立馬被剪斷。

圖2 某水泵水輪非同步工況導(dǎo)葉水力矩

3.1.3 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在正常運(yùn)行情況下，連接板和剪斷銷共同承擔(dān)接力器的操作力矩，為了提高剪斷銷的使用壽命，往往希望剪斷銷少傳遞操作力矩，而讓連接板摩擦襯多傳遞操作力矩，操作力矩的分配核心問(wèn)題是連接板的剛度與扭矩的關(guān)系問(wèn)題。要想讓連接板多分擔(dān)操作力矩就需要連接板有足夠的剛度抵抗傳遞扭矩時(shí)的變形，因此提高連接板的剛度對(duì)于提高剪斷銷的壽命以及摩擦保護(hù)裝置的安全可靠性是很有必要的。增加連接板的剛度可以通過(guò)增加厚度或改變平面形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)。連接板變形有限元計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 連接板變形有限元計(jì)算結(jié)果

3.2 摩擦保護(hù)裝置的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

由于表面加工情況的差異，同一批摩擦襯的摩擦系數(shù)也不是固定值，有一定差異，因此需要在工廠或電站現(xiàn)場(chǎng)做摩擦力矩試驗(yàn)，以驗(yàn)證和修正計(jì)算時(shí)使用的摩擦系數(shù)以及連接板把合螺栓的預(yù)緊力。

3.2.1 試驗(yàn)方案

將試驗(yàn)所需支墩安裝在試驗(yàn)基礎(chǔ)板上，導(dǎo)葉臂、連接板裝配后與工具軸進(jìn)行裝配，一端固定導(dǎo)葉臂，將連接板把合螺栓預(yù)緊至設(shè)計(jì)值。試驗(yàn)裝置示意圖見圖4。用液壓千斤頂通過(guò)壓力傳感器施力于連接板支撐點(diǎn)上，對(duì)摩擦軸襯和連接板之間的摩擦力矩進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。連接板從靜止到發(fā)生有效轉(zhuǎn)動(dòng)后，將壓力傳感器的最大讀數(shù)進(jìn)行記錄，通過(guò)該最大壓力和作用點(diǎn)力臂計(jì)算出摩擦襯實(shí)際的摩擦力矩。見下式：

M=F×L

(1)

式中：F為作用點(diǎn)克服靜摩擦力的壓力傳感器最大讀數(shù)；L為作用點(diǎn)相對(duì)導(dǎo)葉臂回轉(zhuǎn)中心的距離。

圖4 摩擦力矩試驗(yàn)裝置示意圖

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)流程

1)將工具軸、導(dǎo)葉臂、連接板、剪斷銷、把合螺栓及螺母進(jìn)行裝配。

2)將試驗(yàn)所需支墩安裝到試驗(yàn)基礎(chǔ)板上，裝配好千斤頂、壓力傳感器、壓力表，檢查壓力傳感器、壓力表工作正常。

3)將把合螺栓及螺母按設(shè)計(jì)的預(yù)緊力矩把合。為了更加準(zhǔn)確的反映螺栓的預(yù)緊力，測(cè)量螺栓的伸長(zhǎng)量是最有效的方法。

4)用手動(dòng)液壓千斤頂通過(guò)壓力傳感器施力于連接板支撐點(diǎn)上，直到連接板發(fā)生有效轉(zhuǎn)動(dòng)為止，記錄壓力傳感器的最大壓力值。

5)每個(gè)摩擦襯重復(fù)第4步3次，分別記錄壓力傳感器的最大壓力值。

6)將記錄的壓力傳感器最大壓力值的平均值與理論計(jì)算值比較，判斷摩擦力矩是否達(dá)到設(shè)計(jì)值。

3.3 連接板把合螺栓的維護(hù)

連接板把合螺栓的預(yù)緊力是摩擦保護(hù)力矩的源泉，因此必須保證連接板把合螺栓預(yù)緊力的有效性。某電站出現(xiàn)的剪斷銷反復(fù)斷裂故障經(jīng)原因分析就是連接板把合螺栓出現(xiàn)了松動(dòng)，導(dǎo)致摩擦襯失效，使剪斷銷承受了比設(shè)計(jì)值大得多的操作力矩，最終疲勞斷裂。尤其對(duì)于管理比較松懈的電站，機(jī)組檢修后重要螺栓預(yù)緊不到位經(jīng)常發(fā)生。

連接板把合螺栓通常采用液壓力矩扳手或液壓拉伸器預(yù)緊，螺栓預(yù)緊前一定要將螺紋表面的銹斑等雜物清理干凈并涂上潤(rùn)滑油。不論采用液壓力矩扳手還是液壓拉伸器，都應(yīng)該測(cè)量螺栓的伸長(zhǎng)量作為螺栓預(yù)緊到位的依據(jù)。同時(shí)螺栓預(yù)緊后應(yīng)在螺母處安裝防松鎖片有效制動(dòng)。

3.4 限位塊在導(dǎo)葉保護(hù)裝置上的應(yīng)用

限位塊是導(dǎo)葉的終極保護(hù)裝置，是在剪斷銷剪斷、摩擦襯失效情況下的最后防護(hù)措施。根據(jù)摩擦裝置理論設(shè)計(jì)，限位塊通常是不會(huì)與導(dǎo)葉臂接觸而起到限位保護(hù)作用的，但由于連接板把合螺栓可能出現(xiàn)松動(dòng)或預(yù)緊不到位，摩擦襯是可能失效的，這時(shí)一旦剪斷銷被剪斷，限位塊可以限制導(dǎo)葉臂的轉(zhuǎn)角范圍。通常限位塊焊接在頂蓋上表面，限位塊的安裝位置根據(jù)導(dǎo)葉全開和全關(guān)時(shí)導(dǎo)葉臂的位置而定，與導(dǎo)葉臂擋塊之間間隙一般為5-10mm,導(dǎo)葉臂擋塊通常設(shè)置橡膠墊以減少限位碰撞時(shí)的沖擊影響。限位塊與頂蓋之間的焊縫強(qiáng)度需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算并保證焊接質(zhì)量。

4 結(jié) 語(yǔ)

導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置是水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的重要保護(hù)裝置，其安全可靠性直接關(guān)系到機(jī)組發(fā)生剪斷銷剪斷故障時(shí)的安全保護(hù)，因此在理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和檢修維護(hù)中都必須給予足夠重視。

[1]馮濱，戴然.水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)保護(hù)裝置的探討[J].黑龍江電力，2000(10)：22-24.

[2]康會(huì)西，李宏斌，王文波.導(dǎo)葉摩擦裝置在水輪機(jī)組上的應(yīng)用[J].河西學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(10)：45-48.