羅國(guó)虎

（安徽金寨抽水蓄能有限公司,安徽 六安 237333）

1 概述

安徽金寨抽水蓄能電站項(xiàng)目位于安徽省張沖鄉(xiāng)境內(nèi)，電站裝機(jī)4×300 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量20.1億kW·h，年抽水耗電量26.8億kW·h，工程為一等大（1）型工程。電站樞紐工程主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開(kāi)關(guān)站等組成。采用尾部式開(kāi)發(fā)、兩洞四機(jī)布置。以?xún)苫?00 kV線路接入華東電網(wǎng)，具備調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲(chǔ)能、系統(tǒng)備用、黑啟動(dòng)“六大功能”，在保障大電網(wǎng)安全、服務(wù)清潔能源消納、促進(jìn)電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)作用是引導(dǎo)水流按一定方向進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，并通過(guò)改變導(dǎo)葉位置來(lái)改變流量，調(diào)整機(jī)組出力，并可靠的截?cái)嗨?。若該機(jī)構(gòu)無(wú)法可靠、安全的控制水流，則會(huì)引起機(jī)組過(guò)速等，甚至?xí)l(fā)更大的設(shè)備事故，因此設(shè)置安全保護(hù)裝置是十分必要的。

金寨抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)金寨電站）采用的傳動(dòng)保護(hù)裝置有剪斷銷(xiāo)、導(dǎo)葉摩擦裝置和導(dǎo)葉限位裝置。如圖1所示，活動(dòng)導(dǎo)葉軸頭上方設(shè)置導(dǎo)葉臂、端蓋、導(dǎo)葉鍵及摩擦裝置等部件。剪斷銷(xiāo)位于導(dǎo)葉控制環(huán)連板與導(dǎo)葉轉(zhuǎn)臂之間。設(shè)置的摩擦裝置一端通過(guò)加緊螺栓把合，另外一端與雙連板通過(guò)連接銷(xiāo)連接。每個(gè)導(dǎo)葉均設(shè)置可靠的導(dǎo)葉限位塊，導(dǎo)葉限位塊根據(jù)在最不利的工作條件下，可能施加到導(dǎo)葉限位塊上的最大水力矩和沖擊力來(lái)設(shè)計(jì)；限位塊在保護(hù)裝置動(dòng)作的情況下，防止松動(dòng)的導(dǎo)葉反向和轉(zhuǎn)輪及相鄰導(dǎo)葉相碰；限位塊采用減震墊保護(hù)。導(dǎo)葉限位裝置采用與頂蓋一體化的設(shè)計(jì)方式。

圖1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部件結(jié)構(gòu)示意圖

2 保護(hù)裝置主要結(jié)構(gòu)部件

2.1 剪斷銷(xiāo)

金寨電站剪斷銷(xiāo)（見(jiàn)圖2）的材質(zhì)為熱鍛圓鋼35CrMo合金鋼，半精加工后進(jìn)行熱處理，抗拉強(qiáng)度≥980 MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2≥835 MPa；硬度不大于229 HB；并要求外表面進(jìn)行100%UT探傷，按GB/T 4162規(guī)定的A級(jí)驗(yàn)收。剪斷銷(xiāo)安裝在連接板與導(dǎo)葉臂之間，剪斷銷(xiāo)中心部位盲孔里設(shè)置M20內(nèi)螺紋孔，裝有剪斷銷(xiāo)剪斷檢測(cè)元件。剪斷銷(xiāo)的中間部位有個(gè)U型加工溝槽，是整個(gè)銷(xiāo)子受力的最弱點(diǎn)，要求對(duì)溝槽進(jìn)行著色檢查，按NB/T 47013.5規(guī)定的Ⅱ級(jí)執(zhí)行，線性缺陷不大于4.0 mm，圓形缺陷不大于4.0 mm且數(shù)量在評(píng)定框內(nèi)不大于2個(gè)。

圖2 剪斷銷(xiāo)結(jié)構(gòu)示意圖

剪斷銷(xiāo)設(shè)計(jì)試驗(yàn)理論剪斷力為F=（1±10%）569 280 N，GE 公司另行制造剪斷銷(xiāo)試 樣（d1=Φ35±0.05 mm、d1=Φ35.2±0.05 mm、d1=Φ35.4±0.05 mm），并委托北京普匯恒達(dá)材料測(cè)試有限公司進(jìn)行剪斷試驗(yàn)。依據(jù)GB/T 13683-1992《銷(xiāo)剪切試驗(yàn)方法》對(duì)金寨電站剪斷銷(xiāo)式樣進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 剪斷銷(xiāo)式樣受力測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，剪斷銷(xiāo)試樣的受力不滿足設(shè)計(jì)要求，需增加受力截面直徑才有可能滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)理論計(jì)算重新選擇了剪斷銷(xiāo)試件，最終確定直徑d=Φ37.03±0.05 mm。剪斷銷(xiāo)的剪切強(qiáng)度τ按一般取0.6～0.8屈服強(qiáng)度σ0.2的經(jīng)驗(yàn)公式，τ=501～668 MPa。根據(jù)τ=F/S，S=π(d-d2)/4。將最終確定的剪斷銷(xiāo)直徑代入公式中可以從理論上驗(yàn)證剪斷銷(xiāo)直徑d=Φ37.03±0.05 mm的剪切力滿足35CrMo合金鋼材質(zhì)剪斷強(qiáng)度要求。

2.2 摩擦裝置

金寨電站摩擦裝置由連接板、把緊螺栓、摩擦軸襯、導(dǎo)葉臂組成。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)導(dǎo)葉在正常旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)承受的最大阻力矩（水力矩與軸頸摩擦阻力矩之和）來(lái)確定摩擦裝置的摩擦力矩，摩擦力矩取最大阻力矩的1.1 倍。確定摩擦力矩大小后，根據(jù)連接板結(jié)構(gòu)尺寸，可初步計(jì)算連接板尾部的夾緊力。由于摩擦力大小與螺栓緊力有關(guān)，需使用專(zhuān)用的扭力扳手調(diào)整把和螺栓使其與導(dǎo)葉軸徑形成摩擦連接。同時(shí)運(yùn)行過(guò)程中需要對(duì)該螺栓的進(jìn)行檢測(cè)，防止螺栓松動(dòng)造成摩擦力矩發(fā)生改變摩擦臂。摩擦環(huán)采用純銅結(jié)構(gòu)制造（見(jiàn)圖3），采用ZG275-485H合金結(jié)構(gòu)鋼制造而成，摩擦臂一側(cè)沿縱向開(kāi)槽，采用雙頭螺栓抱緊在導(dǎo)葉軸頸上的摩擦環(huán)，另一側(cè)靠連接銷(xiāo)與雙連板鏈接，中間靠剪斷銷(xiāo)與導(dǎo)葉臂鏈接（見(jiàn)圖4）。

圖3 摩擦環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 摩擦裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 導(dǎo)葉限位裝置

金寨電站導(dǎo)葉臂為“Y”型叉頭結(jié)構(gòu)，限位塊焊接在頂蓋上，在導(dǎo)葉全開(kāi)或全關(guān)位置可以頂?shù)巾斏w外緣，起到導(dǎo)葉限位的作用，保證導(dǎo)葉在摩擦裝置、剪斷銷(xiāo)同時(shí)失效后，旋轉(zhuǎn)位置不會(huì)超過(guò)正常旋轉(zhuǎn)范圍。設(shè)置非金屬材料墊塊起到震墊保護(hù)作用，非金屬材料板與限位塊之間保留5 mm 間隙，保證導(dǎo)葉在正常旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)不與限位塊干擾。

3 工作原理

來(lái)自接力器的操作力通過(guò)推拉桿、控制環(huán)、偏心銷(xiāo)、連桿、連接銷(xiāo)、摩擦臂、剪斷銷(xiāo)、導(dǎo)葉臂、導(dǎo)葉鍵、導(dǎo)葉軸達(dá)到控制活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度的增大或減小的目的，同時(shí)摩擦臂又通過(guò)摩擦環(huán)導(dǎo)葉臂、導(dǎo)葉鍵達(dá)到控制導(dǎo)葉防止快速大幅度擺動(dòng)的目的。導(dǎo)葉臂為“Y”型叉頭加上緩沖減震墊的結(jié)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)葉在全關(guān)或者全開(kāi)的位置時(shí)頂在頂蓋的外緣處，可以有效的防止導(dǎo)葉的過(guò)關(guān)或者過(guò)開(kāi)，起到限制導(dǎo)葉開(kāi)度的作用。當(dāng)相鄰導(dǎo)葉中間卡有異物或個(gè)別導(dǎo)葉摩阻過(guò)大時(shí)，剪斷銷(xiāo)剪斷，摩擦臂和導(dǎo)葉臂之間產(chǎn)生相對(duì)位移，摩擦環(huán)和導(dǎo)葉臂之間也產(chǎn)生滑動(dòng)位移，致使活動(dòng)導(dǎo)葉錯(cuò)位。但此時(shí)摩擦環(huán)的摩擦力作用能有效控制導(dǎo)葉，發(fā)生錯(cuò)位的活動(dòng)導(dǎo)葉不會(huì)隨意快速擺動(dòng)而碰撞相鄰導(dǎo)葉，避免導(dǎo)葉完全失控?cái)U(kuò)大故障。其余活動(dòng)導(dǎo)葉則跟隨控制環(huán)繼續(xù)關(guān)閉，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)其他部件受到保護(hù)不至于被破壞。

4 導(dǎo)葉摩擦裝置試驗(yàn)

隨機(jī)抽取3套導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，已得到準(zhǔn)確一致性高的起始動(dòng)作力矩，導(dǎo)葉摩擦裝置是以導(dǎo)葉保護(hù)裝置設(shè)計(jì)的起始滑動(dòng)力矩來(lái)確定摩擦臂把合螺母的擰緊力矩，作為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝和正式安裝時(shí)的摩擦臂把合螺栓的擰緊力矩，根據(jù)合同要求金寨電站導(dǎo)葉摩擦裝置需要進(jìn)行摩擦力矩驗(yàn)證。

4.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將底座擺放在平臺(tái)上，根據(jù)底座上的孔進(jìn)行擺放支座和擋塊。插入剪斷銷(xiāo)，把合導(dǎo)葉臂和連接板。按設(shè)計(jì)要求預(yù)緊把合螺栓同時(shí)測(cè)量螺栓的拉伸值，需注意的是每一個(gè)螺栓只能用于把合一個(gè)導(dǎo)葉臂，不能重復(fù)使用。將準(zhǔn)備好的千斤頂頂在導(dǎo)葉臂小耳孔處的試驗(yàn)工裝上。用百分表頂在導(dǎo)葉臂和連板上。用壓力泵給千斤頂加壓，泵的液壓缸通過(guò)叉頭對(duì)連接板施加力，逐漸提高壓力，當(dāng)連接板與導(dǎo)葉臂發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)記錄壓力值。重復(fù)上述試驗(yàn)步驟3次分別記錄壓力值。測(cè)出導(dǎo)葉臂內(nèi)孔與連接板銷(xiāo)孔距離，計(jì)算出摩擦力矩M。

5 結(jié)束語(yǔ)

金寨電站設(shè)備廠家對(duì)導(dǎo)葉剪斷銷(xiāo)、摩擦裝置和限位裝置進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)，驗(yàn)證了電站設(shè)計(jì)的剪斷銷(xiāo)、摩擦裝置的破斷力、摩擦力矩，符合合同及設(shè)計(jì)要求。剪斷銷(xiāo)、摩擦裝置及導(dǎo)葉限位裝置的多重保護(hù)的設(shè)置更好地保護(hù)了機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。鑒于剪斷銷(xiāo)、摩擦裝置的重要性，建議在設(shè)備制造過(guò)程及出廠驗(yàn)收過(guò)程中增加相關(guān)零部件的質(zhì)量驗(yàn)收環(huán)節(jié)。