水輪機接力器桿頭結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計

程 猛 呂博儒

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽618000）

1 技術(shù)背景和技術(shù)問題描述

1.1 技術(shù)背景

為滿足電網(wǎng)上網(wǎng)頻率的要求，水輪發(fā)電機組運行時，需保證水輪發(fā)電機組在不同工況和負載下轉(zhuǎn)速恒定。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速恒定，水輪機是通過調(diào)速器根據(jù)檢測轉(zhuǎn)速偏差值發(fā)出調(diào)節(jié)指令，通過操作油壓變化控制接力器動作，帶動導水機構(gòu)，調(diào)節(jié)導葉開度，從而改變機組流量來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以達到機組轉(zhuǎn)速在規(guī)定范圍內(nèi)運行[1]。

接力器桿頭就是將接力器的操作力傳遞給導水操作機構(gòu)的關(guān)鍵部件。大型混流式水輪機接力器桿頭連接結(jié)構(gòu)傳遞接力器操作力載荷大（三峽機組最大操作力約為3500KN），桿頭所受應力交變頻率高，應力幅值變化大，桿頭結(jié)構(gòu)抗疲勞要求高。

桿頭的安全性和可靠性，對整個水輪發(fā)電機組尤為重要。如果桿頭聯(lián)接出了問題，將嚴重影響機組開機和運行。

1.2 技術(shù)問題描述

三峽、溪洛渡等機組接力器桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)為整體桿頭結(jié)構(gòu)，整體桿頭為鑄件（如圖1），桿頭與活塞桿通過螺紋聯(lián)接，與推拉桿通過推拉桿銷聯(lián)接。

根據(jù)已投運電站安裝反饋，傳統(tǒng)整體桿頭電站安裝困難，大螺紋安裝時接力器中心和桿頭中心對正困難，螺紋安裝時易出現(xiàn)軸線不正，造成桿頭內(nèi)外螺紋咬合卡死等問題，造成安裝事故，嚴重時將影響電站機組安裝和發(fā)電目標[2]。

帶外螺紋活塞桿在外螺紋根部存在應力集中，國內(nèi)已投運的電站曾出現(xiàn)該位置疲勞斷裂[3]。

隨著水輪機出力的增加，桿頭傳遞的操作力也在增加，針對于原結(jié)構(gòu)桿頭為鑄件，從材料方面改善是有限的，最終結(jié)構(gòu)設計時只能增大桿頭結(jié)構(gòu)尺寸和重量，電站安裝時整體桿頭越重，裝配越困難。有些電站反映在機組檢修時，整體桿頭難以拆下。

圖1 整體桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)

2 主要技術(shù)創(chuàng)新點

本文通過創(chuàng)新設計接力器桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)達到設計預期，解決了原整體桿頭存在的問題：

2.1 新結(jié)構(gòu)徹底消除由于桿頭自身重量大所引起的安裝和拆卸困難問題。

2.2 大幅改善安裝過程中螺紋容易咬合粘連的問題。

2.3 通過應用TRIZ 創(chuàng)新方法，新結(jié)構(gòu)解決了活塞桿根部應力集中的問題。

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 整體桿頭結(jié)構(gòu)

按白鶴灘水輪機參數(shù)進行設計，經(jīng)過計算滿足要求的接力器整體桿頭如圖1，部件重量總重為3411kg，其中整體桿頭重量為1763kg。

3.2 創(chuàng)新方案1 設計

通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計，新桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)如圖2，經(jīng)過設計計算，結(jié)構(gòu)設計重量可以減輕，整體結(jié)構(gòu)滿足強度要求的，桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)總重量為1996kg，最終的推拉桿銷重量為750kg。

圖2 創(chuàng)新方案1

對創(chuàng)新方案1，進行有限元計算和疲勞計算分析，計算結(jié)果顯示活塞桿根部應力偏高，不滿足要求。

通過分析優(yōu)化設計根部結(jié)構(gòu)，共設計出三種優(yōu)化后活塞桿根部結(jié)構(gòu)，以期改善和解決根部應力集中的問題，通過有限元分析，應力最大值均出現(xiàn)在拉工況時，方案一最大值為504.5Mpa，方案二最大值為506.0 Mpa，方案三為483.3 Mpa。

從計算結(jié)果看，創(chuàng)新方案1 存在根部應力集中問題，根據(jù)應力副、循環(huán)次數(shù)和S-N 曲線計算出，方案二活塞桿壽命最長，僅31.67 年，方案一和方案三壽命僅不足15 年。不滿足合同保證至少40 年的要求。如果運行過程中活塞桿根部出現(xiàn)疲勞斷裂，發(fā)電機組不能運行，且整根活塞桿需要返廠更換。

圖3 活塞桿根部圓角優(yōu)化方案

表1 各工況應力計算結(jié)果

3.3 創(chuàng)新方案2 設計

為徹底解決創(chuàng)新方案1 中活塞桿根部應力集中，利用TRIZ創(chuàng)新方法中的分割原理，把形成根部圓角的部件分割開來。通過創(chuàng)新設計原帶外螺紋活塞桿，分離為活塞桿和雙頭螺柱，徹底消除根部應力集中，二者通過螺紋把合聯(lián)接。

圖4 創(chuàng)新方案2

圖5 活塞桿改善前后根部應力計算

通過有限元計算，新結(jié)構(gòu)消除了原結(jié)構(gòu)根部應力集中問題?；钊麠U最大拉應力從506MPA 降低至161.76MPA，降低約67%，并小于材料的許用應力，結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

新桿頭結(jié)構(gòu)（如圖4）包括活塞桿（內(nèi)螺紋），雙頭螺柱，推拉桿銷，超級螺母和推拉桿等。新桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)達到了預期目標，消除了活塞桿根部應力集中問題，桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)工藝性提高，顯著降低生產(chǎn)難度，結(jié)構(gòu)簡單并且安裝便利。應用TRIZ 創(chuàng)新方法使高成本活塞桿與高應力易疲勞部件分離，方便維護，同時大幅降低了安裝時螺紋咬扣風險。

新桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)已應用于白鶴灘電站左岸8 臺水輪機，經(jīng)過工程實際應用反饋，新桿頭結(jié)構(gòu)安裝和拆卸方便，且新桿頭結(jié)構(gòu)簡單，安裝精度容易保證。此接力器桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請專利。