水輪發(fā)電機(jī)組活動導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張慧珍

【摘 要】為解決水輪機(jī)活動導(dǎo)葉卡澀而導(dǎo)致的剪斷銷破壞、檢修頻繁、經(jīng)濟(jì)性差等問題。在鑒于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的前提下，對導(dǎo)水機(jī)構(gòu)-活動導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方案從理論上來說能夠解決卡澀時(shí)破壞剪斷銷的問題，同時(shí)也能夠不影響其他導(dǎo)葉的正常工作，檢修方便。最后，通過專家評定、專利申請兩個(gè)方面驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新性和合理性，為后續(xù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī);活動導(dǎo)葉;卡澀;優(yōu)化設(shè)計(jì);剪斷銷

中圖分類號： TP391.7;TM312 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）03-0037-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.012

Structural optimization design of movable guide vanes for hydroelectric generating units

ZHANG Hui-zhen

（Sichuan water conservancy vocational and technical college， Sichuan Chengdu 611231， China）

【Abstract】In order to solve the problems of cutting pin damage， frequent maintenance and poor economy caused by the jamming of movable guide vanes of hydraulic turbines. In view of the traditional design scheme， the structure of the guide mechanism - movable guide vane was improved. The design scheme can theoretically solve the problem of damaging the cutting pin when jamming， and at the same time， it can not affect the normal work of other guide vanes and is convenient for maintenance. Finally， the innovation and rationality of the design scheme are verified through expert evaluation and patent application， which provides a reference for the optimization design of the follow-up water diversion mechanism.

【Key words】Hydraulic turbine; Movable guide vane; Jamming; Optimum design; Cutting pin

0 引言

水輪機(jī)是一種實(shí)現(xiàn)內(nèi)部水流能量轉(zhuǎn)換（水流動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能）的發(fā)電設(shè)備。通常而言，機(jī)組幾乎都安裝在水電站中，從而由電站來完成發(fā)電的過程。在水電站的運(yùn)行中，將上游的水流通過經(jīng)引水管道，流向水輪機(jī)，利用水的動能驅(qū)動機(jī)組轉(zhuǎn)輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)做功完畢之后，水流由尾水管道排出。因此，電站的水頭越高、流量越大，其機(jī)組的出力也越高。

對于水輪機(jī)調(diào)節(jié)水流的部件-導(dǎo)水機(jī)構(gòu)而言，其活動導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)動一般由調(diào)速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，由此可以達(dá)到調(diào)節(jié)水流，實(shí)現(xiàn)機(jī)組開啟和關(guān)閉的目的。同時(shí)，通過合理的流態(tài)調(diào)節(jié)，能夠優(yōu)化機(jī)組的水力性能，提升發(fā)電效率。然而，到導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)，若相鄰活動導(dǎo)葉被異物卡住，而調(diào)速機(jī)構(gòu)繼續(xù)工作，被卡住的活動導(dǎo)葉剪斷銷很有可能被損壞，最直接的結(jié)果是該活動導(dǎo)葉無法繼續(xù)轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)流量。此時(shí)，需要立即進(jìn)行停機(jī)檢修，并更換剪斷銷，而頻繁地停機(jī)檢修將降低機(jī)組的發(fā)電效率，并增加生產(chǎn)成本。因此，在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮活動導(dǎo)葉卡澀的問題，并進(jìn)行優(yōu)化改造。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文在對某水輪機(jī)活動導(dǎo)葉設(shè)計(jì)時(shí)，基本的目標(biāo)為：當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，由于水流中的異物進(jìn)入機(jī)組，致使某活動導(dǎo)葉被卡住。到現(xiàn)象不會導(dǎo)致剪斷銷的破壞，且卡澀的導(dǎo)葉能夠及時(shí)停止工作，而其余活動導(dǎo)葉則繼續(xù)正常工作。由此，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，能夠避免剪斷銷頻繁更換，僅需要排除該故障，整個(gè)機(jī)組即可繼續(xù)運(yùn)行，提升效率。

2 設(shè)計(jì)方案

在該活動導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)中，擬將活動導(dǎo)葉分為3個(gè)大的部件（部件1、部件2以及部件3）其主要的結(jié)構(gòu)包括：導(dǎo)葉葉片、兩個(gè)轉(zhuǎn)軸（轉(zhuǎn)軸1和轉(zhuǎn)軸2）、防卡件等。將轉(zhuǎn)軸1和轉(zhuǎn)軸2分別固定在導(dǎo)葉的兩端，并按照同軸設(shè)置。而防卡件包括：套筒、防滑塊、彈簧和旋擰頭等，如圖1所示。

按照上述設(shè)計(jì)方案，在螺母和套筒之間、套筒與部件1之間，分別設(shè)置推力球軸承。而防滑塊的材料確定為橡膠塊，防滑塊的在靠近部件而的一側(cè)，其形狀設(shè)計(jì)為柱狀。在活動導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)中的旋擰頭在遠(yuǎn)離彈簧的一側(cè)，設(shè)計(jì)了內(nèi)六角沉孔。同時(shí)，將壓力傳感器設(shè)置于防滑塊和彈簧之間，作用在于檢測彈簧對防滑塊施加的壓力值大小。

從各部件的配合情況來看，由圖1可知，轉(zhuǎn)軸1從導(dǎo)葉的頂部至底部貫穿了整個(gè)底蓋，而轉(zhuǎn)軸2、套筒則貫穿了頂蓋。對于活動導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)而言，基本結(jié)構(gòu)包括：驅(qū)動臂1、驅(qū)動臂2、驅(qū)動環(huán)以及驅(qū)動缸，如圖2所示。其中，將驅(qū)動臂1的一側(cè)與套筒搭接，而驅(qū)動臂1的另外一側(cè)與驅(qū)動臂2鉸接，同時(shí)驅(qū)動臂2與驅(qū)動環(huán)也進(jìn)行鉸接。

按照上述設(shè)計(jì)方案，根據(jù)水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)原理，將該機(jī)組的活動導(dǎo)葉數(shù)量選擇為20個(gè)。按照該設(shè)計(jì)的基本原理為：（1）由于活動導(dǎo)葉的位置在頂蓋和底蓋之間，故轉(zhuǎn)軸1的轉(zhuǎn)動可以由底蓋支撐，轉(zhuǎn)軸2的轉(zhuǎn)動可由頂蓋支撐;（2）套筒套設(shè)置在轉(zhuǎn)軸2上面，而防卡件的旋擰頭、彈簧也將防滑塊壓緊在轉(zhuǎn)軸2上，從而使轉(zhuǎn)軸2和套筒拼接為一個(gè)整體;（3）由驅(qū)動缸控制驅(qū)動環(huán)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，同時(shí)通過驅(qū)動臂1、驅(qū)動臂2達(dá)到讓活動導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動的目的;（4）若異物卡在相鄰的兩個(gè)導(dǎo)葉之間時(shí)，對應(yīng)的活動導(dǎo)葉套筒會與轉(zhuǎn)軸2發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，如此一來產(chǎn)生的結(jié)果是套筒旋轉(zhuǎn)但導(dǎo)葉不動，這樣便不會影響其他的活動導(dǎo)葉的正常運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)了防卡的效果。當(dāng)卡澀物被清除后，僅需要通過手動或機(jī)械轉(zhuǎn)動導(dǎo)葉的方式，便能夠使轉(zhuǎn)軸2與套筒的初始位置恢復(fù)至原先狀態(tài)，從而重新正常工作。

該設(shè)計(jì)方案中，達(dá)到的預(yù)期效果是：當(dāng)水輪機(jī)的活動葉片在工作時(shí)被異物卡澀，不會發(fā)生剪斷銷斷裂破壞的情況，即水輪機(jī)的各結(jié)構(gòu)不會遭到破壞，同時(shí)可以讓對應(yīng)的活動葉片立在不影響其他葉片工作的前提下立即停止旋轉(zhuǎn)，如此一來，將有效降低生產(chǎn)成本，提高檢修效率，當(dāng)故障被排除后，只需要將對應(yīng)的活動葉片回復(fù)至原始狀態(tài)即可繼續(xù)進(jìn)行工作，有效提高工作效率。

3 專家評定

該活動導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)方案是否合理，需要進(jìn)行評定。因此，本文采取了專家評判法進(jìn)行評定。具體操作為：（1）將該方案的設(shè)計(jì)合理性定義為：非常合理、合理、一般、不合理四個(gè)檔次;（2）請業(yè)內(nèi)30名專家對該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評定;（3）統(tǒng)計(jì)專家打分結(jié)果;（4）將該設(shè)計(jì)方案申報(bào)專利。專家打分情況如表1所示。

從表1所示的情況來看，認(rèn)為該設(shè)計(jì)比較合理的專家人數(shù)為23人，占比為76.7%;認(rèn)為不合理的人數(shù)僅為2人，占比6.6%。因此可以認(rèn)為，絕大部分專家對該方案解決卡澀問題的效果表示滿意，達(dá)到了預(yù)期目的。

同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案已于2019年2月獲專利授權(quán)（專利號：ZL2018208171219）

4 結(jié)論

針對活動導(dǎo)葉卡澀破壞水輪機(jī)零部件以及檢修過于頻繁的問題。本文設(shè)計(jì)了一種新型的活動導(dǎo)葉，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)葉卡澀時(shí)，不會出現(xiàn)破壞剪斷銷的情況，提高了檢修的效率，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

【參考文獻(xiàn)】

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