灯泡贯流式机组导水机构拉伸式弹簧连杆改造

李崇仕，沈琴峰，何剑锋，刘 贤

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙410004）

0 引言

东坪水电厂地处湖南省安化县境内，距离上游柘溪水电厂10 km，为柘溪电厂的反调节电厂。电厂装设4台18 MW的灯泡式贯流机组，总装机容量72 MW。东坪电厂现有导水机构安全装置为半破坏式的弯曲连杆。弯曲连杆在导叶受到异物卡涩时作用在连杆上的力超过设计值，连杆变弯变形，进而达到被卡导叶与导水机构解列，而其他导叶仍可关闭。此种连杆必须停机更换新的弯曲连杆，整个更换过程耗费时间、人力、物力。甚至发生过当一片导叶异物卡涩时引起相临的两片导叶弯曲连杆塑性变形的情况。

1 弹簧连杆工作原理

弹簧连杆分为拉伸式和压缩式弹簧连杆。弹簧连杆的工作原理是给弹簧预先施加一个拉伸力或者压缩力。当导叶正常工作状态下此拉伸力或压缩力能传递导水机构的操作力，保持导叶的开启与关闭。此时弹簧连杆的力矩平衡而不被破坏。当异物卡涩导叶时，控制环操作力大于设定的拉伸力，力矩平衡被破坏，导致弹簧连杆弯曲动作，再次操作导叶开启时，导水机构重新恢复到原始状态。整个过程弹簧连杆可自行复位，不需要更换元件，避免因连杆弯曲造成的故障性检修。

东坪电厂此次采用的是拉伸式的弹簧，拉伸式的弹簧最大的特点是预加拉伸力调整方便，弹簧选择、制造较容易[1]。

2 弹簧连杆理论分析

弹簧连杆采用两只“L”形拐臂一端与控制环和导叶外轴承拐臂连接，另一端通过弹簧连接。两只“L”形拐臂通过连接销连接。预加拉伸力的给定就是通过图1中2偏心量调整螺栓调整得到的。偏心量是关键，如图所示：当两只“L”形拐臂的球轴承中心连接线与连接销不在一条直线表示存在一定的偏心量。

图1 拉伸式弹簧连杆结构简图

在正常运行条件下，作用于弹簧连杆机构上的操作力、弹簧的作用力、机构的摩擦力、调整螺钉处作用力在联接销处达到力矩平衡[2]。在该操作力作用下，弹簧连杆正常运行弹簧不动作。

力矩平衡：

式中：x为弹簧连杆正常运行的拉伸量；FS表示作用于弹簧连杆上的操作力；N表示偏心量调整螺栓作用力；P表示弹簧作用力；sh表示偏心量；x0联接销到调整螺栓的距离；H联接销中心到弹簧的垂直高度；r1、r2表示联接销、“L”形拐臂连杆销半径；μ自润滑轴承的摩擦系数。

当导叶受到异物卡涩时，作用于弹簧连杆操作力FS逐渐增大使得弹簧受到拉伸产生变形，“L”形支臂的夹角由180°逐渐变小。此时调整螺栓作用力N为0。

此时机构处于动态平衡过程：

式中：χmax表示弹簧最大拉伸量；p1表示弹簧作用力；y1表示联接销中心到弹簧的垂直高度；y2表示偏心量。

3 弹簧连杆改造思路

（1）东坪电厂采用弹簧连杆与弯曲连杆间隔布置的方式，弯曲连杆强度远大于弹簧连杆操作力，当异物卡涩导叶立面时弹簧连杆总能动作，因此其相邻导叶能正常关闭。而导叶端面异物卡涩根据电厂实际情况几乎没有发生过。

（2）拉伸式弹簧连杆替代现有的弯曲连杆，连杆长度与现有弯曲连杆相同，导叶及导叶接力器位置、开度、行程保持不变。连杆轴承和连杆销与原有机组相同。

（3）弹簧连杆动作力的设定是关键亦即弹簧预拉伸力是关键，当设定的动作力大于导水机构摩擦力和水流阻力合力时弹簧连杆不动作。弹簧连杆动作力受选定的自润滑轴承的摩擦系数（μ）影响较大,决定了弹簧连杆动作力要控制在一定的偏差范围。

4 弹簧连杆改造过程

（1）弯曲连杆长度为700 mm，拐臂球轴承中心到外轴承座边沿长度510 mm，改造弹簧两“L”型支臂长度350 mm，宽度315 mm，弹簧采用材质为60Si2MnA，外径180 mm。弹簧自由长度514 mm，弹簧正常运行长度600 mm，弹簧最大拉伸量854 mm，其最大拉伸量334 mm。改造过程中切除拐臂上与弹簧连杆干涉的筋板。

（2）弹簧连杆动作性能试验。东坪电厂导水机构摩擦力和水流阻力合力最大在9.6 t左右，设计μ取值0.085，偏心量sh设计为11 mm。对弹簧连杆进行动作实验时，验证得到弹簧刚好动作时得操作力在12～14 t之间。表明μ、sh的设计取值合理。FS取12～14 t的用意是保证弹簧连杆动作精度，不发生误动作。

（3）改造过程中出现问题

2015年度1号机A修导水机构改造之后，出现弹簧连杆运动过程中与外轴承座轻微摩擦；弹簧连杆端部与导叶外轴承拐臂有摩擦。由于设计过程中“L”型支臂高度（宽度）设计过长，再者未考虑弹簧连杆机构自身重心并不在连杆上，而在弹簧上，导致弹簧与外轴承座之间距离进一步缩短由此产生两个问题：弹簧连杆端部与导叶外轴承拐臂摩擦、连杆轴承处导叶臂、控制环耳柄摩擦，见图2、图3。

图2 1号机弹簧本体与外轴承座轻微摩擦

（4）改造优化方案

2016年对3号机进行改造过程中，着重对上述问题进行优化设计。根据厂家设计的操作力FS本身是按导叶操作载荷最大值1.5倍进行设计的保持不变。经计算缩短“L”型支臂高度由315 mm调整为305 mm，弹簧最大拉伸量调整为840 mm，最大拉伸量为326 mm，偏心量设计仍为11 mm是可行的。连杆轴承与导叶臂、控制环耳柄摩擦处加垫抗磨板。因缩短“L”型支臂高度弹簧连杆机构重心前移，支臂与导叶拐臂垂直距离增加1.74 mm，未再出现弹簧连杆端部与导叶外轴承拐臂有摩擦现象发生。

图3 1号机弹簧连杆端部与导叶外轴承拐臂摩擦

图4 调整过后弹簧连杆示意图

5 结束语

（1）通过对1、3号机导水机构的改造，没有发生因导叶异物卡涩导致弯曲连杆变形的故障，节省原来因弯曲连杆变形导致故障性检修的时间，提高了机组可利用小时数。

（2）从1号机第一台弹簧连杆改造到3号机改造，改造过程出现的问题逐步得到解决，导水机构运动的稳定性能在平时运行状态中得到验证。

（3）根据该厂实际情况，当机组正常启动关机流程中导叶往关的方向调整，当导叶遇异物卡涩，连杆上的信号检测开关发出报警信号时，此时系统会启动事故停机流程，紧急事故继电器动作，操作重锤直接关导叶，机组转速到30%额定转速时投入机械制动。实际上是否可以判断连杆信号检测开关发出的信号是来自弹簧连杆还是弯曲连杆，当检测出信号来自弹簧连杆时，系统不启动事故停机流程，调速器系统停止关闭动作，并进一步发出信号促使导叶向开的方向动作。当异物被水流冲走后，导水机构重新恢复到原始状态。下一步对信号发出后，导水机构动作的系统流程进行修改是很有必要的。

参考文献：

[1]苏占, 张贤斌.贯流式机组两种弹簧连杆结构分析比较[J].电网与清洁能源，2010（2）:90-91.

[2]马锐, 黄凯.灯泡贯流式水轮机导水机构弹簧承载式安全连杆机构设计 [J].大机电技术，2002（3）：47-48.