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    水輪機導葉保護裝置結構原理與計算方法

    2018-03-26 09:30:42胡奇李金桃
    中國新技術新產(chǎn)品 2018年5期

    胡奇 李金桃

    摘 要:本文主要介紹了水輪機導葉保護裝置的結構組成、設計原理與設計方法,對保護裝置中摩擦裝置、剪斷銷、限位塊的結構原理與設計要求進行介紹。

    關鍵詞:導葉保護裝置;摩擦裝置;剪斷銷;限位塊

    中圖分類號:TK73 文獻標志碼:A

    0 引言

    水輪機導葉保護裝置是當兩個或多個導葉之間卡住異物時,能夠防止導葉在水流作用下自由擺動,防止導葉之間產(chǎn)生碰撞,并且防止導葉與轉輪產(chǎn)生碰撞,對水輪機組的安全運行起重要的保護作用。在水輪機設計中,必須對導葉保護裝置進行計算,確保裝置安全有效。

    導葉保護裝置一般由摩擦裝置、剪斷銷、限位塊組成,其功能獨立,但結構為一個整體。在保護裝置生效時,摩擦裝置、剪斷銷、限位塊依次起保護作用。

    1 保護裝置的結構及工作原理

    導葉保護裝置一般結構如圖1所示。導葉臂套在導葉樞軸上,二者之間通過分瓣鍵連接,摩擦軸襯熱套在導葉臂上,三者可視為一個整體。連接板通過把緊螺栓,夾緊在摩擦軸襯上,當接力器傳遞到連接板上的力推動連接板旋轉時,連接板與摩擦軸襯之間有相對滑動的趨勢,二者之間產(chǎn)生摩擦力矩,摩擦力矩驅動導葉旋轉。剪斷銷安裝在連接板與導葉臂之間,外部加工出豁口,內(nèi)部安裝剪斷銷信號器。當剪斷銷剪斷時,斷裂位置位于強度最弱的豁口處,同時內(nèi)部的剪斷銷信號器被破壞,發(fā)出電信號給監(jiān)控系統(tǒng)。限位塊焊接在頂蓋上,當摩擦裝置、剪斷銷均失效后,限位塊限制導葉只能在正常范圍內(nèi)擺動,避免導葉與導葉相撞,或導葉與轉輪相撞,保障機組的安全。

    1.1 摩擦裝置

    摩擦裝置由連接板、把緊螺栓、摩擦軸襯、導葉臂組成。摩擦軸襯熱套在導葉臂上,可與導葉臂視為一體。連接板尾部加工有約6mm縫隙,將尾部分割成對稱的兩部分。當把緊螺栓夾緊連接板尾部后,連接板產(chǎn)生變形,縫隙變小,并緊緊箍在摩擦軸襯上。當接力器推動連接板旋轉時,連接板與摩擦軸襯之間產(chǎn)生相對運動趨勢,二者之間產(chǎn)生摩擦力矩,摩擦力矩驅動導葉旋轉。連接板與把緊螺栓一般結構如圖2所示。

    圖2連接板一般結構

    設計時,根據(jù)導葉在正常旋轉范圍內(nèi)承受的最大阻力矩(水力矩與軸頸摩擦阻力矩之和)來確定摩擦裝置的摩擦力矩,一般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)連接板結構尺寸,可初步計算連接板尾部的夾緊力,也就是把緊螺栓的預緊力。在把緊螺栓預緊力確定后,必須對連接板進行復核。因連接板結構不規(guī)則,一般采用有限元計算方式進行剛強度復核,確保連接板與摩擦軸襯之間應在圓周大部分范圍內(nèi)全部壓緊,且壓應力符合設計要求。一般來說,分析得到的壓應力低于設計壓應力,此時需要增大把緊螺栓的預緊力,直至壓應力符合設計要求為止。同時,連接板的變形、平均應力、局部應力符合設計要求。連接板有限元計算分析結果如圖3所示。

    圖3連接板有限元分析結果(應力分析)

    1.2 剪斷銷

    剪斷銷安裝在連接板與導葉臂之間,其內(nèi)部為通孔,通孔內(nèi)安裝剪斷銷信號器,剪斷銷在中間位置加工一個豁口,豁口一般為V形或U形。當剪斷銷剪斷時,其內(nèi)部的剪斷銷信號器(塑料材料)同時也被剪斷,剪斷銷發(fā)出電信號給電站監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)收到信號后,會發(fā)出緊急停機指令,確保機組迅速關閉,避免危險擴大。

    正常情況下,驅動導葉旋轉的力矩通過摩擦裝置傳遞給導葉,剪斷銷不受力。當導葉卡住異物或其他情況而無法旋轉時,所有導葉的操作力矩將全部轉移到無法旋轉的導葉上,對應剪斷銷的受力會急劇增大。為防止過大的操作力矩造成導水零件或導葉被破壞,必須保證剪斷銷在受力增大到一定程度時剪斷。

    在設計時,剪斷工況操作力矩一般取最大阻力矩的2.7倍(或額定操作力矩的1.5倍),剪斷工況操作力矩與摩擦裝置力矩之差,就是剪斷銷的剪斷力矩。

    1.3 限位塊

    限位塊一般焊接在頂蓋上,每個導葉對應兩個限位塊,每個限位塊分別限制導葉的全關、全開位置,保證導葉在摩擦裝置、剪斷銷同時失效后,旋轉位置不會超過正常旋轉范圍。

    為了降低導葉臂對限位塊的沖擊,一般在導葉臂與限位塊撞擊位置粘貼橡膠板,以起到緩沖作用。橡膠板與限位塊之間保留5mm間隙,保證導葉在正常旋轉范圍內(nèi)不與限位塊干涉。為增強限位塊強度,限位塊與頂蓋之間的焊縫采用坡口焊接與角焊相結合的方式,并且在焊接完畢后進行PT探傷檢查,確保焊縫無裂紋。

    限位塊是導葉保護裝置中最后一道保障,一旦限位塊無法起到作用,極有可能造成導葉互相碰撞,甚至導葉與轉輪相碰撞,對機組造成巨大的損壞。

    為便于計算,在設計時,限位塊所受沖擊力按照1.5倍最大水力矩與限位塊至導葉旋轉中心距離之商來考慮。

    2 保護裝置的簡要計算方法

    保護裝置的計算需要以下輸入數(shù)據(jù):

    導葉開關范圍最大阻力矩MZ

    導葉開關范圍最大水力矩Mw

    摩擦軸襯外徑Db

    摩擦軸襯與連接板間摩擦系數(shù)μ

    剪斷銷與導葉樞軸距離Ls

    限位塊至導葉樞軸距離La

    限位塊受力中心至頂蓋距離Lb

    限位塊長度L1

    限位塊寬度L2

    限位塊焊縫材料屈服極限σ

    限位塊焊角高度H

    通過以上輸入數(shù)據(jù)可計算得到:

    剪斷工況操作力矩Mt=2.7|MZ

    摩擦裝置摩擦力矩MCFR=1.1|MZ

    初算把緊螺栓預緊力

    剪斷銷剪斷力矩

    限位塊焊縫許用剪應力

    限位塊焊縫剪應力

    結論

    導葉保護裝置是水輪機安全運行的重要保障,本文所介紹的結構與設計理念相比以往的設計理念有了提高,不但保護功能的實現(xiàn)方式、保護力度更合理,同時對摩擦裝置把緊力矩的計算更準確合理,將“安全”理念更深地植入設計過程,極大地提高了水輪機組運行的安全性能。本理論已應用在多個水電站中得到了應用,取得了很好的效果。

    參考文獻

    [1]馮濱,戴然.水輪機導水機構保護裝置的探討[J].黑龍江電力,2000(5):10.

    [2]劉瑛,沈劍初.新型圓周摩擦活動導葉保護裝置的研究[J].工程設計學報,2005(6):10.

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