16 MPa高油压转轮叶片角度调节装置参数确定及设备选型计算

杨祖超，郑吉斯

(1.广东鸿源众力发电设备有限公司，广东韶关 512031；2.深圳市恩莱吉能源科技有限公司，广东 深圳 518133)

1 概述

由于环保的要求，对水轮机在河流中渗油的要求越来越严格[1]。因此目前很多电站采用了16 MPa高油压转轮叶片角度调节装置，极大地减少了漏油对河流的污染。由于采用了16 MPa高油压，较传统的6.3 MPa油压提高2.5倍以上，从而使水轮机桨叶接力体积极大压缩，可置于发电机轴端，而水轮机轮毂体内无任何压力油，从而杜绝了桨叶密封渗油对河流的污染[2]。由于桨叶接力器外置可减小水轮机轮毂比，增大水轮机的过流能力和提高水轮机效率，且使水轮机制造工艺简化，减少了制造成本。同时，对水电站而言，桨叶操作油压采用16 MPa，取消了压力油罐和中压气机系统，只采用囊式蓄能器，胶囊内氮气与液压油不直接接触，油质不劣化，不需要补气，节省辅助设备和运行费用[3]。安装快捷，不需要盘车；且内渗油显著减少，油泵起动次数显著减少，从而所用电耗费显著减少；由于压力油罐和高压气机系统等辅机大量减少，可节省安装间空间，从而使水工结构简化。

由于该技术具有在环保、节能、经济方面的先进性，在其诞生的6 a时间内已经得到了市场的广泛认可。但是由于其操作油压进行了大幅度的提升，并且许多机械结构进行了不同程度改变，其设计上跟传统技术有一些差异[4]。因此，本文将其结构和组件的主要设计方法进行总结归纳，为设计人员提供参考。

2 装置介绍

16 MPa高油压转轮叶片角度调节装置如图1所示，主要包含受油器、接力器、操作杆、角度-位移传感器、机械电气保护装置以及一些辅助设备如液压装置、电控系统、操作架等[5]。接力器通过固定支架固定在主轴或转子支架上；活塞固定在操作杆上，并与机组主轴同时旋转；活塞经过液压油操作带动转轮叶片转动；油路集成块固定在外壳上，不随主轴旋转；受油器的油管路采用弹性高压软管将压力油送至旋转的接力器中，在运行过程中避免振动位移。受油器上装有非接触的桨叶位移传感器，实现桨叶角度位置的闭环调节。电磁阀组设有操作阀、液压阀、节流阀；电控装置可单独设计，也可置于高油压调速器控制柜中。

叶片角度调节原理：水轮机及主轴由水力矩推动旋转，与主轴连接的桨叶接力器、活塞、操作杆及操作架随主轴一起旋转。调速器发出叶片调节指令时，调节器打开比例阀，使操作油由固定弹性高压软管经受油器进入接力器，在操作油的高压作用下，活塞杆产生巨大的作用力从而发生线位移，通过机械传递，操作杆、操作架、桨叶传动机构使桨叶叶片发生角度变化。激光位移传感器(或磁致伸缩位移传感器)实时反馈位移量电信号，组成闭环控制系统。经过PID闭环调节，叶片的角位移与指令相吻合(如图1所示)。

图1 16 MPa高油压转轮叶片角度调节装置示意

3 参数计算

3.1 接力器行程

一般在水轮机设计过程中，设计者应根据转轮型号，以及转轮的负载首先确定拐臂的长度R。由于该技术将接力器外置，轮毂空间富裕量增大，因此R的可选择范围也随之变大。在设计时，根据所选定转轮的特性给定叶片的转角范围α0。一般情况下，拐臂中心线处于水平位置时，叶片安放角在其转角范围的中点位置。根据这两个给定条件，可得出接力器行程：

Lsj=2Rsin(α0/2)

(1)

3.2接力器缸径

接力器缸径必须满足在最低操作压力下，其操作力矩大于水轮机推拉力矩的负载(包括水力距，叶片自重力矩以及枢轴的摩擦力矩)[6]。

1)水力矩

2)摩擦力矩及自重力矩

首先根据类比法预设一个接力器缸径D与活塞杆直径d(一般来说应参考GB/T 2348进行选型)。

单个桨叶开启操作力(推)：Pp=-P1×π×D2/(4×a)。

单个桨叶关闭操作力(拉)：Pp′=P1×π×(D2-d2)/(4×a)。

其中P1为最低操作压力，一般为10 MPa，PS′为水推力系数，一般由转轮特性给定，a为叶片个数。

桨叶内、外轴套支反力计算(见图2)。

图2 摩擦力矩部分参数示意

内、外轴套距离：L=R2-R1。

接力器力作用半径与外轴套距离：L1=R2-RP。

水压力矩与外轴套距离：L2=RS-R2。

桨叶重力矩与外轴套距离：L3=RG-R2。

定义系数：a1=L1/L，a2=L2/L，a3=L3/L。

所以，内、外轴套支反力F1、F2分别为：

①正向水压力下开启时

F1=-a1×Pp-a2×Pz-a3×G

F2=-(1-a1)×Pp+(1+a2)×Pz+(1+a3)×G

②正向水压力下关闭时

F1=-a1×Pp′-a2×Pz-a3×G

F2=-(1-a1)×Pp′+(1+a2)×Pz+(1+a3)×G

③反向水压力下关闭时

F1=-a1×Pp′+a2×Pz-a3×G

F2=-(1-a1)×Pp′-(1+a2)×Pz+(1+a3)×G

④反向水压力下开启时

F1=-a1×Pp+a2×Pz-a3×G

F2=-(1-a1)×Pp-(1+a2)×Pz+(1+a3)×G

其中G为单个叶片质量(桨叶操作力及内、外轴套支反力均有方向性，力向上时为正，力向下时为负)。

单个桨叶系统离心力Fc=G×RG×(π×n/30)2/981，其中n为水轮机的额定转速。

3)总摩擦力矩计算

桨叶开启时摩擦力矩朝关闭方向，为正；桨叶关闭时摩擦力矩朝开启方向，为负。

桨叶开启时Mf=0.5×f×(|F1|×d1+|F2|×d2+Fc×d3)/100。

桨叶关闭时Mf=-0.5×f×(|F1|×d1+|F2|×d2+Fc×d3)/100。

其中f为内、外轴套的摩擦系数，按以上公式可计算出最大水头、额定水头、最小水头下不同工况下的摩擦力矩：

4)总力矩

将正向和反向水压开启时Mf的较大值与对应水头下的最大水力矩Ms相加，得到对应水头下桨叶开启时的最大阻力矩；将正向和反向水压关闭时Mf的较小值(绝对值较大)与对应水头下的最小水力矩Ms相加，得到对应水头下桨叶关闭时的最大阻力矩MR。

单个桨叶开启的操作力矩MP1=Pp×R。

单个桨叶关闭的操作力矩MP2=Pp′×R。

桨叶开启时操作力矩MP1的绝对值必须大于3个水头下开启时的最大阻力矩的绝对值；考虑到桨叶连杆机构的摩擦阻力及转臂与连杆之间的夹角不是90°(但接近90°)，所以桨叶操作力矩应有一定的裕量(操作力矩一般应为最大阻力矩的1.2～1.3倍左右)。如果桨叶操作力矩小于阻力矩或裕量不足，则应增大接力器缸直径并重新计算；如果桨叶操作力矩裕量太大，则应减小接力器缸直径并重新计算；直到合适为止。

3.3蓄能器选型

由于不同该技术与16 MPa调速器的额定油压相同，因此可以共用蓄能器。根据《IEC61362》规定，调速器应满足系统在最低正常操作压力(Pomin)以上时，在不起泵的情况下能操作1.5～2个桨叶接力器行程，同时还可操作3个导叶接力器行程[8]。因此，蓄能器的容量需由以下过程进行计算。

首先计算出桨叶接力器容积Vsj：

Vsj=(πD2Lsj)/4

(2)

则接力器在最低正常操作压力下可用油的体积Vu为：

Vu=4Vsd+2Vsj

(3)

式中Vsd为导叶接力器容积。则可算得满足标准要求的情况下，蓄能器在最低正常操作压力下，其氮气体积最小值为：

(4)

式中P1为最低操作压力；k为气体的绝热指数，一般在这里取氮气的保守值1.4。根据该氮气体积，可算出最低操作油压下氮气体积的最小值为：

Vair′=Vair+Vu

(5)

由于蓄能器预充气压力一般为0.9倍的最低操作压力，因此蓄能器的体积最小值应为最低操作压力下氮气体积的1/0.9倍。

V0=Vair′/0.9

(6)

值得注意的是该系统正常工作条件下油泵启动间隔较长，所以有充足的时间进行热交换，因此除了从最低正常操作压力降到最低操作压力采用绝热过程以外，其他都是按照等温过程进行计算。在算出V0后，根据市场上蓄能器规格，选择成本最低且总容积大于该值的组合方式进行选型。

4 结语

本文展示了16 MPa高油压转轮叶片角度调节装置的主要参数，包括接力器行程，接力器直径，蓄能器容积的计算，从而为该装置的设计和应用提供了参考。整体上来说，该设计过程与传统油压的计算原理上相似但是细节上有所区别。例如传统装置必须考虑轮毂空间能否容纳接力器或其他部件。而由于该技术将接力器外置于轮毂，因此简化了设计过程，放宽了限制条件，使设计更加灵活。又例如，因为采用囊式蓄能器而非压力油罐，所以油气体积比不再为限制条件。其他如活塞杆径，接力器固定螺栓应力以及管路通径的计算因无太大改变，在此不讨论。而该技术新增的结构，操作杆的设计和计算非常重要，但由于篇幅所限，以后将进一步讨论。