燈泡貫流式機組導水機構拉伸式彈簧連桿改造

李崇仕，沈琴峰，何劍鋒，劉 賢

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

0 引言

東坪水電廠地處湖南省安化縣境內，距離上游柘溪水電廠10 km，為柘溪電廠的反調節電廠。電廠裝設4臺18 MW的燈泡式貫流機組，總裝機容量72 MW。東坪電廠現有導水機構安全裝置為半破壞式的彎曲連桿。彎曲連桿在導葉受到異物卡澀時作用在連桿上的力超過設計值，連桿變彎變形，進而達到被卡導葉與導水機構解列，而其他導葉仍可關閉。此種連桿必須停機更換新的彎曲連桿，整個更換過程耗費時間、人力、物力。甚至發生過當一片導葉異物卡澀時引起相臨的兩片導葉彎曲連桿塑性變形的情況。

1 彈簧連桿工作原理

彈簧連桿分為拉伸式和壓縮式彈簧連桿。彈簧連桿的工作原理是給彈簧預先施加一個拉伸力或者壓縮力。當導葉正常工作狀態下此拉伸力或壓縮力能傳遞導水機構的操作力，保持導葉的開啟與關閉。此時彈簧連桿的力矩平衡而不被破壞。當異物卡澀導葉時，控制環操作力大于設定的拉伸力，力矩平衡被破壞，導致彈簧連桿彎曲動作，再次操作導葉開啟時，導水機構重新恢復到原始狀態。整個過程彈簧連桿可自行復位，不需要更換元件，避免因連桿彎曲造成的故障性檢修。

東坪電廠此次采用的是拉伸式的彈簧，拉伸式的彈簧最大的特點是預加拉伸力調整方便，彈簧選擇、制造較容易[1]。

2 彈簧連桿理論分析

彈簧連桿采用兩只“L”形拐臂一端與控制環和導葉外軸承拐臂連接，另一端通過彈簧連接。兩只“L”形拐臂通過連接銷連接。預加拉伸力的給定就是通過圖1中2偏心量調整螺栓調整得到的。偏心量是關鍵，如圖所示：當兩只“L”形拐臂的球軸承中心連接線與連接銷不在一條直線表示存在一定的偏心量。

圖1 拉伸式彈簧連桿結構簡圖

在正常運行條件下，作用于彈簧連桿機構上的操作力、彈簧的作用力、機構的摩擦力、調整螺釘處作用力在聯接銷處達到力矩平衡[2]。在該操作力作用下，彈簧連桿正常運行彈簧不動作。

力矩平衡：

式中：x為彈簧連桿正常運行的拉伸量；FS表示作用于彈簧連桿上的操作力；N表示偏心量調整螺栓作用力；P表示彈簧作用力；sh表示偏心量；x0聯接銷到調整螺栓的距離；H聯接銷中心到彈簧的垂直高度；r1、r2表示聯接銷、“L”形拐臂連桿銷半徑；μ自潤滑軸承的摩擦系數。

當導葉受到異物卡澀時，作用于彈簧連桿操作力FS逐漸增大使得彈簧受到拉伸產生變形，“L”形支臂的夾角由180°逐漸變小。此時調整螺栓作用力N為0。

此時機構處于動態平衡過程：

式中：χmax表示彈簧最大拉伸量；p1表示彈簧作用力；y1表示聯接銷中心到彈簧的垂直高度；y2表示偏心量。

3 彈簧連桿改造思路

（1）東坪電廠采用彈簧連桿與彎曲連桿間隔布置的方式，彎曲連桿強度遠大于彈簧連桿操作力，當異物卡澀導葉立面時彈簧連桿總能動作，因此其相鄰導葉能正常關閉。而導葉端面異物卡澀根據電廠實際情況幾乎沒有發生過。

（2）拉伸式彈簧連桿替代現有的彎曲連桿，連桿長度與現有彎曲連桿相同，導葉及導葉接力器位置、開度、行程保持不變。連桿軸承和連桿銷與原有機組相同。

（3）彈簧連桿動作力的設定是關鍵亦即彈簧預拉伸力是關鍵，當設定的動作力大于導水機構摩擦力和水流阻力合力時彈簧連桿不動作。彈簧連桿動作力受選定的自潤滑軸承的摩擦系數（μ）影響較大,決定了彈簧連桿動作力要控制在一定的偏差范圍。

4 彈簧連桿改造過程

（1）彎曲連桿長度為700 mm，拐臂球軸承中心到外軸承座邊沿長度510 mm，改造彈簧兩“L”型支臂長度350 mm，寬度315 mm，彈簧采用材質為60Si2MnA，外徑180 mm。彈簧自由長度514 mm，彈簧正常運行長度600 mm，彈簧最大拉伸量854 mm，其最大拉伸量334 mm。改造過程中切除拐臂上與彈簧連桿干涉的筋板。

（2）彈簧連桿動作性能試驗。東坪電廠導水機構摩擦力和水流阻力合力最大在9.6 t左右，設計μ取值0.085，偏心量sh設計為11 mm。對彈簧連桿進行動作實驗時，驗證得到彈簧剛好動作時得操作力在12～14 t之間。表明μ、sh的設計取值合理。FS取12～14 t的用意是保證彈簧連桿動作精度，不發生誤動作。

（3）改造過程中出現問題

2015年度1號機A修導水機構改造之后，出現彈簧連桿運動過程中與外軸承座輕微摩擦；彈簧連桿端部與導葉外軸承拐臂有摩擦。由于設計過程中“L”型支臂高度（寬度）設計過長，再者未考慮彈簧連桿機構自身重心并不在連桿上，而在彈簧上，導致彈簧與外軸承座之間距離進一步縮短由此產生兩個問題：彈簧連桿端部與導葉外軸承拐臂摩擦、連桿軸承處導葉臂、控制環耳柄摩擦，見圖2、圖3。

圖2 1號機彈簧本體與外軸承座輕微摩擦

（4）改造優化方案

2016年對3號機進行改造過程中，著重對上述問題進行優化設計。根據廠家設計的操作力FS本身是按導葉操作載荷最大值1.5倍進行設計的保持不變。經計算縮短“L”型支臂高度由315 mm調整為305 mm，彈簧最大拉伸量調整為840 mm，最大拉伸量為326 mm，偏心量設計仍為11 mm是可行的。連桿軸承與導葉臂、控制環耳柄摩擦處加墊抗磨板。因縮短“L”型支臂高度彈簧連桿機構重心前移，支臂與導葉拐臂垂直距離增加1.74 mm，未再出現彈簧連桿端部與導葉外軸承拐臂有摩擦現象發生。

圖3 1號機彈簧連桿端部與導葉外軸承拐臂摩擦

圖4 調整過后彈簧連桿示意圖

5 結束語

（1）通過對1、3號機導水機構的改造，沒有發生因導葉異物卡澀導致彎曲連桿變形的故障，節省原來因彎曲連桿變形導致故障性檢修的時間，提高了機組可利用小時數。

（2）從1號機第一臺彈簧連桿改造到3號機改造，改造過程出現的問題逐步得到解決，導水機構運動的穩定性能在平時運行狀態中得到驗證。

（3）根據該廠實際情況，當機組正常啟動關機流程中導葉往關的方向調整，當導葉遇異物卡澀，連桿上的信號檢測開關發出報警信號時，此時系統會啟動事故停機流程，緊急事故繼電器動作，操作重錘直接關導葉，機組轉速到30%額定轉速時投入機械制動。實際上是否可以判斷連桿信號檢測開關發出的信號是來自彈簧連桿還是彎曲連桿，當檢測出信號來自彈簧連桿時，系統不啟動事故停機流程，調速器系統停止關閉動作，并進一步發出信號促使導葉向開的方向動作。當異物被水流沖走后，導水機構重新恢復到原始狀態。下一步對信號發出后，導水機構動作的系統流程進行修改是很有必要的。

參考文獻：

[1]蘇占, 張賢斌.貫流式機組兩種彈簧連桿結構分析比較[J].電網與清潔能源，2010（2）:90-91.

[2]馬銳, 黃凱.燈泡貫流式水輪機導水機構彈簧承載式安全連桿機構設計 [J].大機電技術，2002（3）：47-48.