水轮发电机组活动导叶结构优化设计

张慧珍

【摘 要】為解决水轮机活动导叶卡涩而导致的剪断销破坏、检修频繁、经济性差等问题。在鉴于传统设计方案的前提下，对导水机构-活动导叶的结构进行了改进设计。该设计方案从理论上来说能够解决卡涩时破坏剪断销的问题，同时也能够不影响其他导叶的正常工作，检修方便。最后，通过专家评定、专利申请两个方面验证了该设计方案的创新性和合理性，为后续导水机构的优化设计提供了参考依据。

【关键词】水轮机;活动导叶;卡涩;优化设计;剪断销

中图分类号： TP391.7;TM312 文献标识码： A 文章编号： 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

水轮机是一种实现内部水流能量转换（水流动能转换为机械能）的发电设备。通常而言，机组几乎都安装在水电站中，从而由电站来完成发电的过程。在水电站的运行中，将上游的水流通过经引水管道，流向水轮机，利用水的动能驱动机组转轮进行旋转，当做功完毕之后，水流由尾水管道排出。因此，电站的水头越高、流量越大，其机组的出力也越高。

对于水轮机调节水流的部件-导水机构而言，其活动导叶的转动一般由调速机构来实现，由此可以达到调节水流，实现机组开启和关闭的目的。同时，通过合理的流态调节，能够优化机组的水力性能，提升发电效率。然而，到导水机构在运行时，若相邻活动导叶被异物卡住，而调速机构继续工作，被卡住的活动导叶剪断销很有可能被损坏，最直接的结果是该活动导叶无法继续转动调节流量。此时，需要立即进行停机检修，并更换剪断销，而频繁地停机检修将降低机组的发电效率，并增加生产成本。因此，在导水机构设计时，需要充分考虑活动导叶卡涩的问题，并进行优化改造。

1 设计目标

本文在对某水轮机活动导叶设计时，基本的目标为：当机组运行时，由于水流中的异物进入机组，致使某活动导叶被卡住。到现象不会导致剪断销的破坏，且卡涩的导叶能够及时停止工作，而其余活动导叶则继续正常工作。由此，在降低生产成本的同时，能够避免剪断销频繁更换，仅需要排除该故障，整个机组即可继续运行，提升效率。

2 设计方案

在该活动导叶的设计中，拟将活动导叶分为3个大的部件（部件1、部件2以及部件3）其主要的结构包括：导叶叶片、两个转轴（转轴1和转轴2）、防卡件等。将转轴1和转轴2分别固定在导叶的两端，并按照同轴设置。而防卡件包括：套筒、防滑块、弹簧和旋拧头等，如图1所示。

按照上述设计方案，在螺母和套筒之间、套筒与部件1之间，分别设置推力球轴承。而防滑块的材料确定为橡胶块，防滑块的在靠近部件而的一侧，其形状设计为柱状。在活动导叶结构中的旋拧头在远离弹簧的一侧，设计了内六角沉孔。同时，将压力传感器设置于防滑块和弹簧之间，作用在于检测弹簧对防滑块施加的压力值大小。

从各部件的配合情况来看，由图1可知，转轴1从导叶的顶部至底部贯穿了整个底盖，而转轴2、套筒则贯穿了顶盖。对于活动导叶的调节结构而言，基本结构包括：驱动臂1、驱动臂2、驱动环以及驱动缸，如图2所示。其中，将驱动臂1的一侧与套筒搭接，而驱动臂1的另外一侧与驱动臂2铰接，同时驱动臂2与驱动环也进行铰接。

按照上述设计方案，根据水轮机水力設计原理，将该机组的活动导叶数量选择为20个。按照该设计的基本原理为：（1）由于活动导叶的位置在顶盖和底盖之间，故转轴1的转动可以由底盖支撑，转轴2的转动可由顶盖支撑;（2）套筒套设置在转轴2上面，而防卡件的旋拧头、弹簧也将防滑块压紧在转轴2上，从而使转轴2和套筒拼接为一个整体;（3）由驱动缸控制驱动环进行转动，同时通过驱动臂1、驱动臂2达到让活动导叶转动的目的;（4）若异物卡在相邻的两个导叶之间时，对应的活动导叶套筒会与转轴2发生相对转动，如此一来产生的结果是套筒旋转但导叶不动，这样便不会影响其他的活动导叶的正常运作，实现了防卡的效果。当卡涩物被清除后，仅需要通过手动或机械转动导叶的方式，便能够使转轴2与套筒的初始位置恢复至原先状态，从而重新正常工作。

该设计方案中，达到的预期效果是：当水轮机的活动叶片在工作时被异物卡涩，不会发生剪断销断裂破坏的情况，即水轮机的各结构不会遭到破坏，同时可以让对应的活动叶片立在不影响其他叶片工作的前提下立即停止旋转，如此一来，将有效降低生产成本，提高检修效率，当故障被排除后，只需要将对应的活动叶片回复至原始状态即可继续进行工作，有效提高工作效率。

3 专家评定

该活动导叶的设计方案是否合理，需要进行评定。因此，本文采取了专家评判法进行评定。具体操作为：（1）将该方案的设计合理性定义为：非常合理、合理、一般、不合理四个档次;（2）请业内30名专家对该设计方案进行评定;（3）统计专家打分结果;（4）将该设计方案申报专利。专家打分情况如表1所示。

从表1所示的情况来看，认为该设计比较合理的专家人数为23人，占比为76.7%;认为不合理的人数仅为2人，占比6.6%。因此可以认为，绝大部分专家对该方案解决卡涩问题的效果表示满意，达到了预期目的。

同时，该设计方案已于2019年2月获专利授权（专利号：ZL2018208171219）

4 结论

针对活动导叶卡涩破坏水轮机零部件以及检修过于频繁的问题。本文设计了一种新型的活动导叶，当两个导叶卡涩时，不会出现破坏剪断销的情况，提高了检修的效率，达到了预期的设计目的。

【参考文献】

[1]程良骏.水轮机[M].北京：机械工业出版社，1981.

[2]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2004.

[3]J Lin， JS Yuan. Analysis and Simulation of Capacitor-Less ReRAM-Based Stochastic Neurons for the in-Memory Spiking Neural Network[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2018：1-14.