軸流式水輪機導水機構彈簧安全連桿設計

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

水輪機導水機構是機組的操作機構，它的安全性與可靠性對機組安全穩定運行關系重大。因此，水輪機的導水機構必須設置一種安全裝置，當異物夾在導葉間時，可以保證傳動機構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的剪斷銷方式。導葉臂與連接板間設置一剪斷銷，當導葉被異物卡住時，整個傳動機構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作為安全裝置，有效地解決了傳統的剪斷銷式連桿保護機構所帶來的問題，為軸流式水輪機導水機構保護系統的設計提供了一種新方法。

1 彈簧安全連桿結構及工作原理

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、聯接銷軸、偏心量調整螺釘等部件。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 型連板通過聯接銷軸聯接，并分別通過連桿銷和偏心銷與控制環小耳和連接板相連，聯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，可由偏心量調整螺釘調節。在兩個L 型連板間還設有動作檢測開關，檢測安全連桿機構動作狀態。

正常工作情況下，經過計算，彈簧上具有一定的預拉力，保證導葉正常動作時，彈簧不產生任何變形，發生誤動作。當兩只活動導葉中間有異物卡入后，隨著控制環繼續向導葉關閉方向轉動，安全連桿兩側的L 型連桿將以聯接銷為中心轉動，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，動作檢測開關發出信號驅動開啟活動導葉，將被卡住的異物排到下游。卡住的異物排除之后，L 型連桿在彈簧拉力的作用下自動復位，檢測開關再次發出信號控制導葉繼續關閉，直至實現完全關機。在上述動作過程中，完全實現了導葉關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構時所必需的更換剪斷銷及重新調整導水機構等大量工作(見圖1)。

圖1 彈簧安全連桿的結構形式

2 軸流式導水機構中采用彈簧安全連桿的設計

軸流式機組導水機構為圓柱型導水機構，連桿機構只在一個平面運動，與貫流機組的空間運動相比，結構空間更小，設計難度更大。安全連桿的設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構尺寸后，采用二維及三維設計軟件，校核導葉在正常運動過程中和有異物卡住彎折狀態下彈簧連桿之間、彈簧連桿與周圍其它組件不發生干涉。導葉正常全關狀態彈簧安全連桿示意圖見圖2，導葉正常全開狀態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示意圖見圖4。

圖2 導葉正常全關狀態彈簧安全連桿示意圖

圖3 導葉正常全開狀態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，根據導水機構操作計算，導葉在運動過程中導水機構對連桿作用力如表1 所示，導葉在關閉方向的全關位置該作用力最大，Pcmax=58.2kN。

表1 導葉運動過程中導水機構對連桿作用力

由計算程序得到的彈簧安全連桿結構設計數據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 數據可以看出，導葉正常運動狀態時，即安全連桿彎折角θ=0°時，連桿受力Fs0=88.29kN ＞1.5Pcmax滿足設計要求，當安全連桿處于最大彎折狀態，θ=45°時，彈簧拉力最大，Fkmax=11.89kN，此時彈簧切應力τ=712.3MPa＜［τ］，滿足強度要求。

表2 彈簧安全連桿結構設計數據

表3 彈簧安全連桿各狀態受力分析

3 結語

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

［1］ 徐灝.機械設計手冊4［M］. 北京:機械工業出版社，2006.6.

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