水輪機導葉開角控制裝置的幾個問題

馬淑霞 楊春林 商宏杰

摘要：在大額功率及重量的水輪機發電電站中，水流流量的控制利用機械裝置來實現，有很好的優越性。本文提出了，在利用調整導葉開角以控制流量的應用中，此部分機械結構設計中所遇到的幾個關鍵問題，具體包括：導葉開角的調整、推拉桿的力學計算、分度角度、推拉桿的長度調節等。文中分析了導葉開角控制的工作原理，核算了推拉桿的強度及穩定性、確定了導葉的導葉全開/閉點、設計了正反向螺旋調整機構。

關鍵詞：機械調速 導葉開角 全開/閉點 正反向螺旋

Abstract：In the large power and weight power stations of hydro turbine， It has great advantages what The control of water flow is realized by means of mechanical devices. This paper proposed， In applications of control flow where the opening Angle for guide vanes was adjusted， Several key problems were encountered in the design of this part of mechanical structure， Specific include： Adjusting the opening angle of guide blade、The stress calculation for push-pull rod、The graduation angle、The length adjustment of push-pull rod and so on， All of this was be proposed in this paper. In the paper， The working principle of open Angle control for guide blade was analyzed， The strength and stability of the push-pull rod were calculated， The full-open/full-closed points of guide vane were determined， The forward and backward screw adjusting mechanism was designed.

Keyword：Mechanismic speed governing? Opening Angle for guide vanes? The full-open/full-closed points? Positive and negative spiral

0前言

在水輪機發電機組中，水輪機導葉開角控制裝置用來控制導葉開度[1]，以調節機組的負荷和開關機，進而保證整個機組轉速的穩定。雖然電動控制能實現較好水輪機導葉開角的控制，但相對功率及重量極大的水輪機發電電站，通過針對性設計的機械裝置能達到更好的控制效果。相比較電動控制，用機械裝置來控制調速器有如下優勢：1）液壓缸周期性給力，會避免外界意外斷電對整個機組系統造成傷害;2）機械裝置能獲得較大的轉動力矩; 3）在功率穩定的情況下，提高導葉控制精度，可以在任意點停留[2]。

1導葉開角機械控制裝置的原理分析

水輪機活動導葉開角的控制，是通過一個帶有兩個推拉桿的傳動機構完成的。整個調速器運動機構的工作路線是：周期性往復的直線運動（柱塞）→擺動（連桿）→轉動（調速軸）→擺動（搖臂） →轉動（導葉控制環）。

如圖1所示，在調速機構工作過程中，外部液壓缸施加一個周期性往復直線運動的力至調速桿擺臂1，控制調速擺臂在±45°的范圍內做周期性的擺動，從而帶動調速軸2的轉動。當調速軸在小范圍內正反轉時，帶動通過鍵連接其上的搖臂3擺動，進而兩個推拉桿4不同方向的移動，實現導葉控制盤5小角度內的旋轉。控制盤順時針轉動，活動導葉6關閉，反之則張開。

2推拉桿強度與穩定性計算

推拉桿是整個控制部分的關鍵部件，其強度和穩定性能否達到要求，關系到導葉開角能否達到合理的控制效果。為此，我們做了相關問題的核算。

2.4穩定性計算

3開口角度的控制計算

弧長開口角度的大小控制是導葉旋轉設計中應主要考慮的問題。

推拉桿要帶動控制環實現定角度的擺動。如果角度控制不好，推拉桿擺動時易出現卡死現象[5]。怎樣確保各個零件之間的連接強度問題，以及整個機構的穩定性。針對以上的問題，根據分析得到以下結論：1）搖臂安裝銷的軸線與調速軸之間角度，通過計算得出是9°2′22″;2）推拉桿采用可調長度的結構，以便于安裝調整。

3.1導葉最大開角的計算

3.2導葉全開＼全閉點的確定

如圖所示，導葉中心線和導葉臂中心線夾角可用作圖法確定，這樣我們可以根據同一導葉的最大開角和0開角兩個極限位置，確定出導葉臂及連桿的中心線位置，然后找出在小耳環中心圓上的全開點a1和全閉點a2[7]位置，接著作這兩點和轉輪中心0的連線a10和a20，延長這兩條線段分別和控制盤大耳環中心圓相交于b1和b2，弦長b1b2的距離成為控制環行程。

3.3導葉中間點的確定

在大耳環中心圓上，根據上一步確定出的全開點b1和全閉點b2， ，找到弧長b1b2的中點b0，此點就是控制環與推拉桿的連接孔圓心。圖中的相位角ψ是兩個相鄰葉片的安裝軸心相對于0點的夾角，此次角度為15°。

3.4搖臂連接孔圓心的確定

根據在控制盤上大耳環連接孔中心位置確定出的全開、全閉及中點，我們確定出和推拉桿另一側連接的搖臂中心孔的位置b0，以及此點對應的控制全開位置點b1和全閉位置點b2。

4可調長度式推拉桿

圖3中的兩個推拉桿均采用正反向螺旋連接設計，左接頭通過傳動銷和導葉控制環連接， 右接頭通過傳動銷和調速軸上的搖臂連接，連接兩接頭的套筒為正反向螺旋結構，左端采用右旋絲扣，右端采用左旋絲扣，中間一段為光桿。連接時，先將左右兩接頭稍稍旋入正反向螺旋套筒，再用扳手擰正。這種正反螺旋結構有如下好處：1）這樣可以將推拉桿擰緊，而又不改變兩個接頭的方向;2）這樣可以通過扳手旋轉套筒來調節推拉桿的長度，順時針旋轉推拉桿伸長，反之縮短。

這種正反向螺旋套筒結構的設計也可以用在被連接的兩根鋼筋上，其中有一端是固定不能動時，或只旋轉套筒達到連接目的的連接體;類似的還有柱頂端及剪力墻頂端的鋼筋連接也是此結構的很好應用[8]。

5總結

此水輪機導葉開角控制裝置主要解決問題歸納如下： 1）整個操作機構便于檢查、調整和維修。2）液壓調速器在停機時不依賴于外界電源等，可在電廠系統失電時可靠操作使水輪發電機組正常停機。3）機構可使導葉在任一開口時保持穩定以確保水輪發電機組系統的使用穩定。

參考文獻

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[8] 李健，羅永鋒，郭小農.雙鋼板組合剪力墻恢復力模型研究[J].上海：結構工程師.2016，32（6）：133-139.

作者資料：馬淑霞，蘭州工業學院，蘭州， 730050，女，甘肅省蘭州市七里河區龔家坪東路1號，馬淑霞收，

作者簡介： 馬淑霞， （1980-），女，甘肅省慶陽市，蘭州工業學院講師，研究方向為機械設計與制造、機械機構，現發表中文核心3篇、實用新型專利兩項、獲省部級科技獎項兩項。