灯泡贯流机组重锤重量与接力器容量的计算

李维俊

(浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231)

在灯泡贯流式水轮机中，广泛采用弹簧连杆作为导水机构活动导叶的保护装置，其优点是当活动导叶之间有异物卡阻时，弹簧将动作，保护连杆机构等不被破坏[1-5]。导叶反复多次开关排除异物，弹簧可自动复位。

1 外形结构

图1所示为一种压缩型弹簧连杆结构简图。当全关压紧时，或者相邻两只活动导叶之间有异物卡住时，弹簧连杆的两端受到压力，迫使弹簧压缩，连杆长度缩短；当弹簧连杆两端压力消失时，在弹簧作用下，弹簧连杆恢复至原来的长度。那么，接力器+重锤在最低油压下能否使弹簧连杆压缩至一定的长度，在接力器容量计算时，应对其进行考查。

图1 弹簧连杆结构简图

2 建立导水机构连杆关系

图2所示为某导水机构的剖面图，在计算接力器容量和重锤重量时，需要建立导水机构的连杆关系[6]。

图2 导水机构剖面图

有很多方法可以建立该关系，如：平面解析和空间解析等，两者相差约1%～1‰左右的误差。为了更加精确地表达连杆的空间关系，在此用空间向量关系建立连杆的空间关系(见图3)。

图3 空间向量关系

图2和图3中，A点为活动导叶轴头与导叶臂的交点；B点为导叶臂与连杆的交点；C点为连杆与控制环小耳朵的交点；向量O′D为与向量O′C垂直的辅助向量，即：O′D⊥O′C；向量BA与向量BC的夹为β角；向量CB与向量O′D的夹为α角。

令：Fc—最低许用油压4.6 MPa时的接力器操作力，N;

W—重锤重量，kg；

Rs—接力器大耳朵所在圆半径，m；

Rw—重锤所在圆半径，m；

Rr—控制环小耳朵所在圆半径，m；

Z—活动导叶的数量；

L—导叶臂长度，m；

Ф—导叶臂的转角，度；

St—弹簧连杆的压紧行程，m；

k—弹簧刚度，N/m；

F—弹簧连杆弹力，N；

Pc—作用在弹簧连杆上的操作力，N。

3 力矩传递关系

导叶在全关时，导叶臂的初始位置是已知的。当臂转过一个Ф时，可通过几何关系分别求出A、B、C三点的坐标值，便可得到向量BA、BC、O′D，从而可求出α、β的大小。

由接力器通过导叶操作系统传至导叶臂上的旋转力矩为

同理，可以求出只有重锤作用下所产生的力矩Mc′和摩擦力矩Mf。

4 重锤重量和接力器容量计算研讨

4.1 计算流程

重锤重量和接力器容量计算的一般流程(见图4)。根据经验公式和参照类似机组初步确定重锤的重量，该重锤的重量能否在正常条件下(导叶之间无异物卡阻时)，在调速器系统发生故障或者工作油压失压时，加上导叶的水力矩自动关闭趋势关闭导叶。

图4 计算流程图

根据经验公式和参照类似机组初步确定接力器的直径。当正常条件下开机，导叶接力器投入工作，接力器能否满足导叶开启要求，应复核一下接力器的容量。当异常条件下机组关机，导叶之间有异物卡阻时，导叶接力器投入工作，弹簧连杆动作，此时应考查一下接力器+重锤能否使其余导叶关到底。如果关不到底则必须进行反复调整；若相差不大可调整重锤的重量，之后需再次复核一下接力器容量；若相差很大，只能调整接力器。

4.2 算例

4.2.1 正常条件下计算复核

在计算土谷塘电站重锤重量和接力器容量时，根据经验公式和参照类似机组初步确定了重锤的重量19 t和接力器的直径。由活动导叶水力矩TG和摩擦力矩Mf可得出导叶关闭力矩和开启力矩，由接力器+重锤的关闭力矩Mc和开启力矩Mo形成一个(见图5)的曲线，图中只截取了导叶开度从25°～50°一部分数据。

图5 导叶开度与力矩关系曲线

经过复核，重锤重量和接力器容量均满足机组在正常条件下关机和开启的要求，并且有一定的余量。但是，当某相邻导叶之间卡住异物，该导叶的弹簧连杆两端受压，弹簧压缩，此时应考查一下接力器+重锤的力能否使其余活动导叶关到底。

4.2.2 异常条件下计算复核

弹簧连杆结构如图1所示，初始位置时，弹簧预压缩100 mm， 土谷塘电站是按最大能卡住直径为145 mm的异物进行设计(见图6)。

图6 导叶与异物示意图

当导叶被直径为145 mm异物卡住时，导叶臂转角Ф=7.344 1°时，弹簧连杆还没有被压缩，即：St=0，

F=k×100=64.56 kN

此时，经计算得：α=28.137 8，作用在连杆上的操作力Pc:

由于Pc>F，弹簧连杆被压缩，此时接力器+重锤继续推动其余导叶。当其余导叶关至全关状态时，通过计算得到：St=88.4 mm，α=34.095°。

此时，弹簧连杆的弹力F′：

F′=k×(100+88.4)=121.61 kN

作用在连杆上的操作力Pc′：

由于弹簧连杆上的操作力小于弹簧的弹力，由此导致的结果是弹簧连杆压紧至一定行程时，接力器+重锤已没有能力继续推动其余导叶至全关状态。通过计算，接力器+重锤仅能使弹簧压缩至87.76 mm的行程，此时，其余导叶之间仍有1.04 mm的间隙。

要想使活动导叶能够处于全关状态，就得调整接力器的直径或者重锤的重量。由于此时导叶的间隙只有1 mm，调整的幅度不大，所以将重锤的重量由19 t增加至20 t，作用在弹簧连杆上的操作力Pc′=121.81 kN>F′=121.61 kN。同时经过复核，接力器满足导叶开启要求。在不计摩擦力的条件下，接力器+重锤在理论上可使其余导叶处于全关状态。

5 结 语

为了提高电站的运行安全性，在最低油压下，当活动导叶之间卡住异物时，在弹簧连杆全行程范围内，理论上应使作用在弹簧连杆上的操作力大于弹簧的弹力，才能确保其余活动导叶处于全关状态。