張慧珍

【摘 要】為解決水輪機活動導葉卡澀而導致的剪斷銷破壞、檢修頻繁、經(jīng)濟性差等問題。在鑒于傳統(tǒng)設計方案的前提下，對導水機構(gòu)-活動導葉的結(jié)構(gòu)進行了改進設計。該設計方案從理論上來說能夠解決卡澀時破壞剪斷銷的問題，同時也能夠不影響其他導葉的正常工作，檢修方便。最后，通過專家評定、專利申請兩個方面驗證了該設計方案的創(chuàng)新性和合理性，為后續(xù)導水機構(gòu)的優(yōu)化設計提供了參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】水輪機;活動導葉;卡澀;優(yōu)化設計;剪斷銷

中圖分類號： TP391.7;TM312 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）03-0037-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.012

Structural optimization design of movable guide vanes for hydroelectric generating units

ZHANG Hui-zhen

（Sichuan water conservancy vocational and technical college， Sichuan Chengdu 611231， China）

【Abstract】In order to solve the problems of cutting pin damage， frequent maintenance and poor economy caused by the jamming of movable guide vanes of hydraulic turbines. In view of the traditional design scheme， the structure of the guide mechanism - movable guide vane was improved. The design scheme can theoretically solve the problem of damaging the cutting pin when jamming， and at the same time， it can not affect the normal work of other guide vanes and is convenient for maintenance. Finally， the innovation and rationality of the design scheme are verified through expert evaluation and patent application， which provides a reference for the optimization design of the follow-up water diversion mechanism.

【Key words】Hydraulic turbine; Movable guide vane; Jamming; Optimum design; Cutting pin

0 引言

水輪機是一種實現(xiàn)內(nèi)部水流能量轉(zhuǎn)換（水流動能轉(zhuǎn)換為機械能）的發(fā)電設備。通常而言，機組幾乎都安裝在水電站中，從而由電站來完成發(fā)電的過程。在水電站的運行中，將上游的水流通過經(jīng)引水管道，流向水輪機，利用水的動能驅(qū)動機組轉(zhuǎn)輪進行旋轉(zhuǎn)，當做功完畢之后，水流由尾水管道排出。因此，電站的水頭越高、流量越大，其機組的出力也越高。

對于水輪機調(diào)節(jié)水流的部件-導水機構(gòu)而言，其活動導葉的轉(zhuǎn)動一般由調(diào)速機構(gòu)來實現(xiàn)，由此可以達到調(diào)節(jié)水流，實現(xiàn)機組開啟和關(guān)閉的目的。同時，通過合理的流態(tài)調(diào)節(jié)，能夠優(yōu)化機組的水力性能，提升發(fā)電效率。然而，到導水機構(gòu)在運行時，若相鄰活動導葉被異物卡住，而調(diào)速機構(gòu)繼續(xù)工作，被卡住的活動導葉剪斷銷很有可能被損壞，最直接的結(jié)果是該活動導葉無法繼續(xù)轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)流量。此時，需要立即進行停機檢修，并更換剪斷銷，而頻繁地停機檢修將降低機組的發(fā)電效率，并增加生產(chǎn)成本。因此，在導水機構(gòu)設計時，需要充分考慮活動導葉卡澀的問題，并進行優(yōu)化改造。

1 設計目標

本文在對某水輪機活動導葉設計時，基本的目標為：當機組運行時，由于水流中的異物進入機組，致使某活動導葉被卡住。到現(xiàn)象不會導致剪斷銷的破壞，且卡澀的導葉能夠及時停止工作，而其余活動導葉則繼續(xù)正常工作。由此，在降低生產(chǎn)成本的同時，能夠避免剪斷銷頻繁更換，僅需要排除該故障，整個機組即可繼續(xù)運行，提升效率。

2 設計方案

在該活動導葉的設計中，擬將活動導葉分為3個大的部件（部件1、部件2以及部件3）其主要的結(jié)構(gòu)包括：導葉葉片、兩個轉(zhuǎn)軸（轉(zhuǎn)軸1和轉(zhuǎn)軸2）、防卡件等。將轉(zhuǎn)軸1和轉(zhuǎn)軸2分別固定在導葉的兩端，并按照同軸設置。而防卡件包括：套筒、防滑塊、彈簧和旋擰頭等，如圖1所示。

按照上述設計方案，在螺母和套筒之間、套筒與部件1之間，分別設置推力球軸承。而防滑塊的材料確定為橡膠塊，防滑塊的在靠近部件而的一側(cè)，其形狀設計為柱狀。在活動導葉結(jié)構(gòu)中的旋擰頭在遠離彈簧的一側(cè)，設計了內(nèi)六角沉孔。同時，將壓力傳感器設置于防滑塊和彈簧之間，作用在于檢測彈簧對防滑塊施加的壓力值大小。

從各部件的配合情況來看，由圖1可知，轉(zhuǎn)軸1從導葉的頂部至底部貫穿了整個底蓋，而轉(zhuǎn)軸2、套筒則貫穿了頂蓋。對于活動導葉的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)而言，基本結(jié)構(gòu)包括：驅(qū)動臂1、驅(qū)動臂2、驅(qū)動環(huán)以及驅(qū)動缸，如圖2所示。其中，將驅(qū)動臂1的一側(cè)與套筒搭接，而驅(qū)動臂1的另外一側(cè)與驅(qū)動臂2鉸接，同時驅(qū)動臂2與驅(qū)動環(huán)也進行鉸接。

按照上述設計方案，根據(jù)水輪機水力設計原理，將該機組的活動導葉數(shù)量選擇為20個。按照該設計的基本原理為：（1）由于活動導葉的位置在頂蓋和底蓋之間，故轉(zhuǎn)軸1的轉(zhuǎn)動可以由底蓋支撐，轉(zhuǎn)軸2的轉(zhuǎn)動可由頂蓋支撐;（2）套筒套設置在轉(zhuǎn)軸2上面，而防卡件的旋擰頭、彈簧也將防滑塊壓緊在轉(zhuǎn)軸2上，從而使轉(zhuǎn)軸2和套筒拼接為一個整體;（3）由驅(qū)動缸控制驅(qū)動環(huán)進行轉(zhuǎn)動，同時通過驅(qū)動臂1、驅(qū)動臂2達到讓活動導葉轉(zhuǎn)動的目的;（4）若異物卡在相鄰的兩個導葉之間時，對應的活動導葉套筒會與轉(zhuǎn)軸2發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，如此一來產(chǎn)生的結(jié)果是套筒旋轉(zhuǎn)但導葉不動，這樣便不會影響其他的活動導葉的正常運作，實現(xiàn)了防卡的效果。當卡澀物被清除后，僅需要通過手動或機械轉(zhuǎn)動導葉的方式，便能夠使轉(zhuǎn)軸2與套筒的初始位置恢復至原先狀態(tài)，從而重新正常工作。

該設計方案中，達到的預期效果是：當水輪機的活動葉片在工作時被異物卡澀，不會發(fā)生剪斷銷斷裂破壞的情況，即水輪機的各結(jié)構(gòu)不會遭到破壞，同時可以讓對應的活動葉片立在不影響其他葉片工作的前提下立即停止旋轉(zhuǎn)，如此一來，將有效降低生產(chǎn)成本，提高檢修效率，當故障被排除后，只需要將對應的活動葉片回復至原始狀態(tài)即可繼續(xù)進行工作，有效提高工作效率。

3 專家評定

該活動導葉的設計方案是否合理，需要進行評定。因此，本文采取了專家評判法進行評定。具體操作為：（1）將該方案的設計合理性定義為：非常合理、合理、一般、不合理四個檔次;（2）請業(yè)內(nèi)30名專家對該設計方案進行評定;（3）統(tǒng)計專家打分結(jié)果;（4）將該設計方案申報專利。專家打分情況如表1所示。

從表1所示的情況來看，認為該設計比較合理的專家人數(shù)為23人，占比為76.7%;認為不合理的人數(shù)僅為2人，占比6.6%。因此可以認為，絕大部分專家對該方案解決卡澀問題的效果表示滿意，達到了預期目的。

同時，該設計方案已于2019年2月獲專利授權(quán)（專利號：ZL2018208171219）

4 結(jié)論

針對活動導葉卡澀破壞水輪機零部件以及檢修過于頻繁的問題。本文設計了一種新型的活動導葉，當兩個導葉卡澀時，不會出現(xiàn)破壞剪斷銷的情況，提高了檢修的效率，達到了預期的設計目的。

【參考文獻】

[1]程良駿.水輪機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981.

[2]賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社，2004.

[3]J Lin， JS Yuan. Analysis and Simulation of Capacitor-Less ReRAM-Based Stochastic Neurons for the in-Memory Spiking Neural Network[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2018：1-14.