轴流式水轮机导水机构弹簧安全连杆设计

焦钢毅

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

水轮机导水机构是机组的操作机构，它的安全性与可靠性对机组安全稳定运行关系重大。因此，水轮机的导水机构必须设置一种安全装置，当异物夹在导叶间时，可以保证传动机构不会因承受过大载荷而损坏。对于轴流式机组，目前采用最多的安全装置仍是传统的剪断销方式。导叶臂与连接板间设置一剪断销，当导叶被异物卡住时，整个传动机构的力矩都通过剪断销作用在这个被卡住的导叶上，由剪断销将其剪断，从而避免了其它传动零件遭受破坏。但其只能利用一次，如果更换需要专用工具和停机，浪费太多的人力、财力和时间。在苏丹Rummla 项目中，采用弹簧承载式安全连杆机构作为安全装置，有效地解决了传统的剪断销式连杆保护机构所带来的问题，为轴流式水轮机导水机构保护系统的设计提供了一种新方法。

1 弹簧安全连杆结构及工作原理

弹簧安全连杆主要包括两个弹簧支座、两个L 型连杆、弹簧、连杆销、偏心销、联接销轴、偏心量调整螺钉等部件。弹簧的两端通过连接轴与弹簧支座的顶端固定连接，两个弹簧支座分别连两个L 型连板，两个L 型连板通过联接销轴联接，并分别通过连杆销和偏心销与控制环小耳和连接板相连，联接销的中心与连杆销与偏心销的中心有一定的偏心量，该偏心量可影响安全连杆受力大小，可由偏心量调整螺钉调节。在两个L 型连板间还设有动作检测开关，检测安全连杆机构动作状态。

正常工作情况下，经过计算，弹簧上具有一定的预拉力，保证导叶正常动作时，弹簧不产生任何变形，发生误动作。当两只活动导叶中间有异物卡入后，随着控制环继续向导叶关闭方向转动，安全连杆两侧的L 型连杆将以联接销为中心转动，弹簧安全连杆上的受力将逐渐增大，弹簧因受到的反向拉力逐渐增大而被伸长。弹簧安全连杆弯折后，动作检测开关发出信号驱动开启活动导叶，将被卡住的异物排到下游。卡住的异物排除之后，L 型连杆在弹簧拉力的作用下自动复位，检测开关再次发出信号控制导叶继续关闭，直至实现完全关机。在上述动作过程中，完全实现了导叶关闭过程中异物卡住后的全自动处理，整个过程没有任何零部件受到损坏，省去了采用剪断销结构时所必需的更换剪断销及重新调整导水机构等大量工作(见图1)。

图1 弹簧安全连杆的结构形式

2 轴流式导水机构中采用弹簧安全连杆的设计

轴流式机组导水机构为圆柱型导水机构，连杆机构只在一个平面运动，与贯流机组的空间运动相比，结构空间更小，设计难度更大。安全连杆的设计要从空间布置及受力计算两方面考虑。

2.1 弹簧安全连杆的空间布置

空间布置上，在初选弹簧安全连杆各结构尺寸后，采用二维及三维设计软件，校核导叶在正常运动过程中和有异物卡住弯折状态下弹簧连杆之间、弹簧连杆与周围其它组件不发生干涉。导叶正常全关状态弹簧安全连杆示意图见图2，导叶正常全开状态弹簧安全连杆示意图见图3，异物卡住弹簧安全连杆弯折状态示意图见图4。

图2 导叶正常全关状态弹簧安全连杆示意图

图3 导叶正常全开状态弹簧安全连杆示意图

图4 异物卡住弹簧安全连杆弯折状态示意图

2.2 弹簧安全连杆的受力计算

通过弹簧安全连杆的受力计算既要保证导叶在有异物卡住后弹簧自动快速复位，弹簧受力弯折后满足刚强度要求，又要保证导叶正常运动时弹簧不会随意弯折，发生误动作。弹簧安全连杆的受力简图如图5 所示。

图5 弹簧安全连杆受力简图

以苏丹Rummla 水轮机为例，根据导水机构操作计算，导叶在运动过程中导水机构对连杆作用力如表1 所示，导叶在关闭方向的全关位置该作用力最大，Pcmax=58.2kN。

表1 导叶运动过程中导水机构对连杆作用力

由计算程序得到的弹簧安全连杆结构设计数据及弯折过程中弹簧拉伸力和连杆受力如表2、表3 所示。从表3 数据可以看出，导叶正常运动状态时，即安全连杆弯折角θ=0°时，连杆受力Fs0=88.29kN ＞1.5Pcmax满足设计要求，当安全连杆处于最大弯折状态，θ=45°时，弹簧拉力最大，Fkmax=11.89kN，此时弹簧切应力τ=712.3MPa＜［τ］，满足强度要求。

表2 弹簧安全连杆结构设计数据

表3 弹簧安全连杆各状态受力分析

3 结语

本文通过介绍轴流式水轮机导水机构采用弹簧安全连杆结构的设计要点及设计过程，给出了一种轴流式水轮机导水机构安全装置新的解决方案，有效地解决了传统的剪断销式连杆保护机构所带来的问题，节约了机组的维护成本，提高了机组安全运行的稳定性。

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