一种双螺旋摆动结构在转桨式水轮机上应用的可行性分析

2022-01-16周靖力杜芝鹏

科技创新与应用 2022年1期

周靖力，杜芝鹏

（东方电机股份有限公司，四川德阳 618000）

转桨式水轮机是指叶片角度可调，以适应水头及流量变化而保持较高工作效率的水轮机。常见的转桨式水轮机中的桨叶操作机构的驱动原理是利用“曲柄滑块机构”的演化形式进行叶片角度的调整。近年来，新出现一种双螺旋摆动液压缸，采用大螺旋升角的螺旋副将液压缸活塞的直线运动转化为输出轴的旋转运动。在结构上具有结构紧凑、安全可靠，易于设计、输出扭矩和摆动角较大等优点。

1 双螺旋摆动结构转桨式水轮机

1.1 双螺旋摆动液压缸工作原理

双螺旋摆动液压缸结构如图1 所示，主要工作部件包括输出轴、空心螺杆、带固定螺纹的缸体、止推轴承等。其中液压缸体的内螺纹与空心螺杆的外螺纹构成第一级螺旋副，而空心螺杆的内螺纹与输出轴的外螺纹构成第二级螺旋副。通过两级螺旋副的传动可以将缸体两腔的液压力转化为输出转轴的扭矩，调整液压缸两腔油压的大小可以控制输出轴的转动方向。

在图1 的结构中，空心螺杆与缸体间由密封元件将缸体分为左右两腔。当P1 为高压腔时，空心螺杆在液压力的作用下向右移动。由于第一级螺旋副的传动作用，空心螺杆在移动的同时发生转动。当空心螺杆转动时在第二级螺旋副的传动下会导致输出轴也发生转动。通过控制缸体两腔液压力大小和两级螺旋副螺旋方向，就可以实现输出轴的正反向旋转，而且因为两级螺旋副的放大作用，空心螺杆只需要较小的工作行程便能使输出轴产生较大的输出转角。

图1 双螺旋摆动液压缸结构简图

1.2 双螺旋副的力学性能

1.2.1 输出扭矩

螺旋副的运动可简化为沿斜面的滑动，斜面的倾斜角等于螺纹的升角。从图2 中可知，施加在螺母上的液压力Q 必须克服正压力N 的垂直分力和摩擦力f 的垂直分力，才能推动输出轴沿螺旋方向转动。

图2 单级螺旋副受力简图

分析可得单级螺旋副液压力

式中：F-液压力对空心螺杆的推力（N）；P-液压缸中油的压力（MPa）；A-空心螺杆有效受压面积（mm2）；d-两级螺旋副中螺纹中径（mm）；α-两级螺旋副螺旋升角（deg）；β-两级螺旋副摩擦角（deg）；M-输出螺杆的输出扭矩（N·mm）。

1.2.2 输出转角

螺纹传动中，螺纹旋转一圈正好移动一个导程，所以有

式中：γ-输出螺杆合成转角（rad）；L-空心螺杆行程（mm）；S-两级螺旋副导程（mm）。

1.3 双螺旋摆动结构水轮机模型

常见转桨式水轮机转轮由接力器缸施加给连杆的力一方面使得叶片旋转，另一方面也会使接力器缸自身旋转。若接力器缸转角较大会导致连杆与接力器缸发生实体干涉，使得叶片不能正常旋转。通常在接力器缸上增加一滑块，通过滑块使得接力器缸只能在竖直方向移动而不能发生自身旋转。由于连杆的反作用力依然存在，会使滑块与滑块槽出现摩擦磨损，使得二者间隙逐步增大。同时，该力会使滑块把合螺栓承受交变剪力，使得螺栓寿命大幅度降低。

图3 为双螺旋摆动结构转桨式水轮机转轮装配模型。其中项1 至项5 依次为叶片、转轴、叶片轴、活塞和油管。通过油管供油使得活塞两腔油压产生压力差，液压力驱使活塞移动的同时沿第一级螺旋副发生转动。活塞转动的同时由第二级螺旋副使得转轴转动，转轴转动使得叶片随之一起转动。

图3 双螺旋摆动结构水轮机转轮装配

2 双螺旋摆动结构水轮机实例分析

通过前文的分析，以某轴流式水电站实际工况（见表1）对双螺旋结构转轮进行参数设计。

表1 某轴流式水电站主要技术参数

2.1 两级螺旋副主要参数计算

为了确保良好的传动性能，两级螺旋副均选用梯形螺纹，牙型角30°。考虑到螺旋牙不仅要受到较大的拉压应力和剪力，还要有足够的减磨性和耐磨性，因此转动轴选用38CrMoAlA，屈服强度σs850（MPa）。活塞选用耐磨性较好的ZCuSn10Pb1，屈服强度σs170（MPa）。转轮体选用ZG20SiMn 屈服强度σs255（MPa）。对转动轴，采用扭转强度公式估算螺纹公称直径，则有：

式中：Tj为计算扭矩（N·m），Tj=K·T，T 为负载最大扭矩，即最大水头水力矩。K 为修正系数，取K=1.2。[τ]为许用剪切应力（MPa），许用剪切应力可近似取屈服强度值的0.6×0.25 倍。由（9）式取整后确定转动轴螺纹公称直径d=120mm。同理可计算确定活塞与转轮体之间螺纹公称直径，两级螺纹具体参数如表2 所示。