水轮机导叶摩擦保护装置的安全可靠性探讨

2018-01-23祝继文

黑龙江水利科技 2017年11期

祝继文

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150000)

1 概述

水轮机导叶摩擦保护装置的作用是当剪断销断裂后防止导叶在水力的作用下发生自由摆动，避免可能发生的活动导叶与固定导叶或转轮叶片之间的碰撞损坏。目前使用摩擦衬和剪断销联合作用的导叶摩擦保护装置已广泛应用于立式混流和轴流式水轮机，但某些电站在使用过程中出现摩擦衬失效、连接板变形、剪断销频繁断裂等问题，给机组的安全运行带来很大危害。如何增强导叶摩擦保护装置的安全可靠性成为机组结构设计和检修维护中必须认真对待的问题。

2 设计原理

水轮机导叶摩擦保护装置的结构如图1所示：

图1导叶摩擦保护装置结构示意图

水轮机导叶摩擦保护装置的主要部件有：摩擦衬、连接板、导叶臂、剪断销、把紧螺栓等。摩擦衬通常为铸铜材质，热套在导叶臂上。摩擦衬表面较光滑，与连接板之间摩擦系数较稳定，通过连接板末端的把合螺栓的预紧力，连接板与摩擦衬和导叶臂之间建立初始静摩擦力。剪断销安装在连接板和导叶臂同钻铰的销孔内，用于传递接力器操作力矩。在正常工作情况下连接板、摩擦衬、导叶臂和剪断销是一个整体拐臂，用作传动机构。当导叶在关闭过程中被异物卡住时，连接板和导叶臂受到的阻力矩急剧上升，而接力器的操作力矩迅速向被卡住导叶分配，当操作力矩达到剪断销和摩擦衬共同作用的总保护力矩时剪断销被剪断，连接板在操作力矩作用下与导叶臂发生相对位移，而其他导叶的正常关闭不受影响。被卡住导叶在连接板和摩擦衬之间的摩擦力矩作用下无法自由摆动，避免与相邻部件发生碰撞损坏。该保护装置的核心是连接板把合螺栓预紧力产生的摩擦保护力矩[1]。一旦连接板把合螺栓出现松动或预紧不到位或摩擦力矩设计值偏小，摩擦保护力矩就可能失效，无法起到保护作用。

3 提高导叶摩擦保护装置的安全可靠性

3.1 合理的理论计算和结构设计

3.1.1 摩擦保护力矩的设定

摩擦衬的摩擦力矩的作用是防止导叶在剪断销剪断的情况下在水力作用下摆动，因此一般设定摩擦装置力矩为1.1-2倍最大水力矩。但有些情况下最大水力矩出现在导叶非同步工况，较难通过试验或仿真计算获得，这就需要考虑计算非同步工况导叶水力矩，并适当提高摩擦力矩的比例系数。而有些情况下导叶最大水力矩较小，从而计算得到的连接板把合螺栓的预紧力较小，与螺栓的规格不相匹配，对螺栓防松不利，这种情况下也需要适当放大比例系数，将摩擦力矩设计为约2-3倍最大水力矩，充分利用把合螺栓的性能，也提高了摩擦衬的安全性[2]。具体见图2。

3.1.2 剪断销剪断力矩的设定

常规剪断销单独传递扭矩时的剪断力矩一般设定为1.5倍接力器额定油压最大操作力矩，但在和摩擦衬的联合作用下，若仍按1.5倍设计则总的保护力矩可能过大，造成其他传动结构结构上的加强，造成不必要的浪费。在和摩擦衬联合作用时，剪断销的剪断力矩应该设计为1.5倍接力器额定油压最大操作力矩减去摩擦衬的摩擦力矩，从而保证总的保护力矩约为1.5倍接力器额定油压最大操作力矩不变，但同时≥1.1倍接力器额定油压最大操作力矩，防止摩擦衬失效时剪断销立马被剪断。

图2 某水泵水轮非同步工况导叶水力矩

3.1.3 合理的结构设计

在正常运行情况下，连接板和剪断销共同承担接力器的操作力矩，为了提高剪断销的使用寿命，往往希望剪断销少传递操作力矩，而让连接板摩擦衬多传递操作力矩，操作力矩的分配核心问题是连接板的刚度与扭矩的关系问题。要想让连接板多分担操作力矩就需要连接板有足够的刚度抵抗传递扭矩时的变形，因此提高连接板的刚度对于提高剪断销的寿命以及摩擦保护装置的安全可靠性是很有必要的。增加连接板的刚度可以通过增加厚度或改变平面形状来实现。连接板变形有限元计算结果见图3。

图3 连接板变形有限元计算结果

3.2 摩擦保护装置的现场试验

由于表面加工情况的差异，同一批摩擦衬的摩擦系数也不是固定值，有一定差异，因此需要在工厂或电站现场做摩擦力矩试验，以验证和修正计算时使用的摩擦系数以及连接板把合螺栓的预紧力。

3.2.1 试验方案

将试验所需支墩安装在试验基础板上，导叶臂、连接板装配后与工具轴进行装配，一端固定导叶臂，将连接板把合螺栓预紧至设计值。试验装置示意图见图4。用液压千斤顶通过压力传感器施力于连接板支撑点上，对摩擦轴衬和连接板之间的摩擦力矩进行测量计算。连接板从静止到发生有效转动后，将压力传感器的最大读数进行记录，通过该最大压力和作用点力臂计算出摩擦衬实际的摩擦力矩。见下式：

M=F×L

(1)

式中：F为作用点克服静摩擦力的压力传感器最大读数；L为作用点相对导叶臂回转中心的距离。

图4 摩擦力矩试验装置示意图

3.2.2 现场试验流程

1)将工具轴、导叶臂、连接板、剪断销、把合螺栓及螺母进行装配。

2)将试验所需支墩安装到试验基础板上，装配好千斤顶、压力传感器、压力表，检查压力传感器、压力表工作正常。

3)将把合螺栓及螺母按设计的预紧力矩把合。为了更加准确的反映螺栓的预紧力，测量螺栓的伸长量是最有效的方法。

4)用手动液压千斤顶通过压力传感器施力于连接板支撑点上，直到连接板发生有效转动为止，记录压力传感器的最大压力值。

5)每个摩擦衬重复第4步3次，分别记录压力传感器的最大压力值。

6)将记录的压力传感器最大压力值的平均值与理论计算值比较，判断摩擦力矩是否达到设计值。

3.3 连接板把合螺栓的维护

连接板把合螺栓的预紧力是摩擦保护力矩的源泉，因此必须保证连接板把合螺栓预紧力的有效性。某电站出现的剪断销反复断裂故障经原因分析就是连接板把合螺栓出现了松动，导致摩擦衬失效，使剪断销承受了比设计值大得多的操作力矩，最终疲劳断裂。尤其对于管理比较松懈的电站，机组检修后重要螺栓预紧不到位经常发生。

连接板把合螺栓通常采用液压力矩扳手或液压拉伸器预紧，螺栓预紧前一定要将螺纹表面的锈斑等杂物清理干净并涂上润滑油。不论采用液压力矩扳手还是液压拉伸器，都应该测量螺栓的伸长量作为螺栓预紧到位的依据。同时螺栓预紧后应在螺母处安装防松锁片有效制动。

3.4 限位块在导叶保护装置上的应用

限位块是导叶的终极保护装置，是在剪断销剪断、摩擦衬失效情况下的最后防护措施。根据摩擦装置理论设计，限位块通常是不会与导叶臂接触而起到限位保护作用的，但由于连接板把合螺栓可能出现松动或预紧不到位，摩擦衬是可能失效的，这时一旦剪断销被剪断，限位块可以限制导叶臂的转角范围。通常限位块焊接在顶盖上表面，限位块的安装位置根据导叶全开和全关时导叶臂的位置而定，与导叶臂挡块之间间隙一般为5-10mm,导叶臂挡块通常设置橡胶垫以减少限位碰撞时的冲击影响。限位块与顶盖之间的焊缝强度需要经过严格的计算并保证焊接质量。