水轮机导叶保护装置结构原理与计算方法

胡奇 李金桃

摘 要：本文主要介绍了水轮机导叶保护装置的结构组成、设计原理与设计方法，对保护装置中摩擦装置、剪断销、限位块的结构原理与设计要求进行介绍。

关键词：导叶保护装置；摩擦装置；剪断销；限位块

中图分类号：TK73 文献标志码：A

0 引言

水轮机导叶保护装置是当两个或多个导叶之间卡住异物时，能够防止导叶在水流作用下自由摆动，防止导叶之间产生碰撞，并且防止导叶与转轮产生碰撞，对水轮机组的安全运行起重要的保护作用。在水轮机设计中，必须对导叶保护装置进行计算，确保装置安全有效。

导叶保护装置一般由摩擦装置、剪断销、限位块组成，其功能独立，但结构为一个整体。在保护装置生效时，摩擦装置、剪断销、限位块依次起保护作用。

1 保护装置的结构及工作原理

导叶保护装置一般结构如图1所示。导叶臂套在导叶枢轴上，二者之间通过分瓣键连接，摩擦轴衬热套在导叶臂上，三者可视为一个整体。连接板通过把紧螺栓，夹紧在摩擦轴衬上，当接力器传递到连接板上的力推动连接板旋转时，连接板与摩擦轴衬之间有相对滑动的趋势，二者之间产生摩擦力矩，摩擦力矩驱动导叶旋转。剪断销安装在连接板与导叶臂之间，外部加工出豁口，内部安装剪断销信号器。当剪断销剪断时，断裂位置位于强度最弱的豁口处，同时内部的剪断销信号器被破坏，发出电信号给监控系统。限位块焊接在顶盖上，当摩擦装置、剪断销均失效后，限位块限制导叶只能在正常范围内摆动，避免导叶与导叶相撞，或导叶与转轮相撞，保障机组的安全。

1.1 摩擦装置

摩擦装置由连接板、把紧螺栓、摩擦轴衬、导叶臂组成。摩擦轴衬热套在导叶臂上，可与导叶臂视为一体。连接板尾部加工有约6mm缝隙，将尾部分割成对称的两部分。当把紧螺栓夹紧连接板尾部后，连接板产生变形，缝隙变小，并紧紧箍在摩擦轴衬上。当接力器推动连接板旋转时，连接板与摩擦轴衬之间产生相对运动趋势，二者之间产生摩擦力矩，摩擦力矩驱动导叶旋转。连接板与把紧螺栓一般结构如图2所示。

图2连接板一般结构

设计时，根据导叶在正常旋转范围内承受的最大阻力矩（水力矩与轴颈摩擦阻力矩之和）来确定摩擦装置的摩擦力矩，一般摩擦力矩取最大阻力矩的1.1倍。

确定摩擦力矩大小后，根据连接板结构尺寸，可初步计算连接板尾部的夹紧力，也就是把紧螺栓的预紧力。在把紧螺栓预紧力确定后，必须对连接板进行复核。因连接板结构不规则，一般采用有限元计算方式进行刚强度复核，确保连接板与摩擦轴衬之间应在圆周大部分范围内全部压紧，且压应力符合设计要求。一般来说，分析得到的压应力低于设计压应力，此时需要增大把紧螺栓的预紧力，直至压应力符合设计要求为止。同时，连接板的变形、平均应力、局部应力符合设计要求。连接板有限元计算分析结果如图3所示。

图3连接板有限元分析结果（应力分析）

1.2 剪断销

剪断销安装在连接板与导叶臂之间，其内部为通孔，通孔内安装剪断销信号器，剪断销在中间位置加工一个豁口，豁口一般为V形或U形。当剪断销剪断时，其内部的剪断销信号器（塑料材料）同时也被剪断，剪断销发出电信号给电站监控系统。监控系统收到信号后，会发出紧急停机指令，确保机组迅速关闭，避免危险扩大。

正常情况下，驱动导叶旋转的力矩通过摩擦装置传递给导叶，剪断销不受力。当导叶卡住异物或其他情况而无法旋转时，所有导叶的操作力矩将全部转移到无法旋转的导叶上，对应剪断销的受力会急剧增大。为防止过大的操作力矩造成导水零件或导叶被破坏，必须保证剪断销在受力增大到一定程度时剪断。

在设计时，剪断工况操作力矩一般取最大阻力矩的2.7倍（或额定操作力矩的1.5倍），剪断工况操作力矩与摩擦装置力矩之差，就是剪断销的剪断力矩。

1.3 限位块

限位块一般焊接在顶盖上，每个导叶对应两个限位块，每个限位块分别限制导叶的全关、全开位置，保证导叶在摩擦装置、剪断销同时失效后，旋转位置不会超过正常旋转范围。

为了降低导叶臂对限位块的冲击，一般在导叶臂与限位块撞击位置粘贴橡胶板，以起到缓冲作用。橡胶板与限位块之间保留5mm间隙，保证导叶在正常旋转范围内不与限位块干涉。为增强限位块强度，限位块与顶盖之间的焊缝采用坡口焊接与角焊相结合的方式，并且在焊接完毕后进行PT探伤检查，确保焊缝无裂纹。

限位块是导叶保护装置中最后一道保障，一旦限位块无法起到作用，极有可能造成导叶互相碰撞，甚至导叶与转轮相碰撞，对机组造成巨大的损坏。

为便于计算，在设计时，限位块所受冲击力按照1.5倍最大水力矩与限位块至导叶旋转中心距离之商来考虑。

2 保护装置的简要计算方法

保护装置的计算需要以下输入数据：

导叶开关范围最大阻力矩MZ

导叶开关范围最大水力矩Mw

摩擦轴衬外径Db

摩擦轴衬与连接板间摩擦系數μ

剪断销与导叶枢轴距离Ls

限位块至导叶枢轴距离La

限位块受力中心至顶盖距离Lb

限位块长度L1

限位块宽度L2

限位块焊缝材料屈服极限σ

限位块焊角高度H

通过以上输入数据可计算得到：

剪断工况操作力矩Mt=2.7|MZ

摩擦装置摩擦力矩MCFR=1.1|MZ

初算把紧螺栓预紧力

剪断销剪断力矩

限位块焊缝许用剪应力

限位块焊缝剪应力

结论

导叶保护装置是水轮机安全运行的重要保障，本文所介绍的结构与设计理念相比以往的设计理念有了提高，不但保护功能的实现方式、保护力度更合理，同时对摩擦装置把紧力矩的计算更准确合理，将“安全”理念更深地植入设计过程，极大地提高了水轮机组运行的安全性能。本理论已应用在多个水电站中得到了应用，取得了很好的效果。

参考文献

[1]冯滨，戴然.水轮机导水机构保护装置的探讨[J].黑龙江电力，2000（5）：10.

[2]刘瑛，沈剑初.新型圆周摩擦活动导叶保护装置的研究[J].工程设计学报，2005（6）：10.