水輪機(jī)導(dǎo)葉連接板摩擦力矩現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

劉元嬌，張傳山

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水輪機(jī)導(dǎo)葉連接板摩擦力矩現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

劉元嬌，張傳山

（天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司，天津 300400）

本文介紹ALSTOM水輪機(jī)導(dǎo)葉連接板在導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)中的作用，闡述了導(dǎo)葉連接板制動(dòng)螺栓預(yù)緊力計(jì)算及工裝接力器油壓的計(jì)算。詳細(xì)描述了導(dǎo)葉連接板摩擦力矩現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)準(zhǔn)備及過(guò)程，給其他機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)摩擦試驗(yàn)提供很好的借鑒與指導(dǎo)作用。

導(dǎo)葉連接板；制動(dòng)螺栓；工裝接力器；螺栓伸長(zhǎng)值；摩擦試驗(yàn)

前言

在三峽電站ALSTOM機(jī)組導(dǎo)葉連接板現(xiàn)場(chǎng)摩擦試驗(yàn)實(shí)踐經(jīng)歷后，總結(jié)了導(dǎo)葉連接板摩擦試驗(yàn)過(guò)程，以供其他有相似結(jié)構(gòu)的機(jī)組安裝時(shí)借鑒。導(dǎo)葉連接板摩擦力矩試驗(yàn)是通過(guò)調(diào)整導(dǎo)葉連接板制動(dòng)螺栓預(yù)緊程度，在連接板與導(dǎo)葉臂之間產(chǎn)生一個(gè)合適的摩擦力矩。導(dǎo)葉連接板是導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)中重要的力矩傳動(dòng)與保護(hù)裝置。導(dǎo)葉連接板與導(dǎo)葉臂間連有剪斷銷(xiāo)或拉斷銷(xiāo)，用于傳遞力矩。導(dǎo)葉連接板與導(dǎo)葉臂之間的摩擦力矩保護(hù)導(dǎo)葉，避免產(chǎn)生損壞。

1 導(dǎo)葉連接板在導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)中的作用

導(dǎo)葉連接板一端連接雙連板，另一端與導(dǎo)葉臂相連（如圖1所示）。

導(dǎo)葉連接板頭部是開(kāi)口環(huán)，內(nèi)嵌自潤(rùn)滑軸套，開(kāi)口處有凸臺(tái)，用制動(dòng)螺柱將開(kāi)口處連接，夾緊導(dǎo)葉臂。導(dǎo)葉連接板中部與導(dǎo)葉臂用剪斷銷(xiāo)或拉斷銷(xiāo)連接，在操作導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)過(guò)程中，連接板把力矩通過(guò)剪斷銷(xiāo)或拉斷銷(xiāo)傳遞給導(dǎo)葉臂，從而控制導(dǎo)葉的開(kāi)關(guān)。在導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中，某兩導(dǎo)葉間卡有異物，傳遞的力矩大于剪斷銷(xiāo)或拉斷銷(xiāo)的破斷力矩時(shí)，剪斷銷(xiāo)或拉斷銷(xiāo)斷裂，卡有異物的導(dǎo)葉從操作機(jī)構(gòu)中解列，其他導(dǎo)葉正常關(guān)閉。此時(shí)連接板與導(dǎo)葉臂間的摩擦力矩就能制動(dòng)導(dǎo)葉，保護(hù)導(dǎo)葉不會(huì)在水力矩的作用下自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 導(dǎo)葉連接板布置

2 校核摩擦力矩試驗(yàn)所用工具

工裝接力器一個(gè)，試驗(yàn)中用來(lái)頂導(dǎo)葉連接板，使其與導(dǎo)葉臂發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；手動(dòng)油泵一個(gè)，給工裝接力器提供壓力油；壓力表一個(gè)，其量程必須包含所算得的接力器油壓范圍且分度盡量小。百分表，用于檢測(cè)導(dǎo)葉連接板的轉(zhuǎn)動(dòng)。測(cè)長(zhǎng)桿，用于測(cè)量制動(dòng)螺栓的伸長(zhǎng)值。

3 制動(dòng)螺栓的預(yù)緊力和殘余拉伸值及工裝接力器油壓計(jì)算

制動(dòng)螺柱的預(yù)緊程度決定了導(dǎo)葉連接板夾緊導(dǎo)葉臂產(chǎn)生的摩擦力矩大小。摩擦力矩的大小須稍大于最大水頭下最大水力矩，一般可取1.1倍的最大水力矩。制動(dòng)螺栓的夾緊力F（如圖2所示）計(jì)算可按下式：

Cf——摩擦力矩（1.1倍的最大水力矩）；

——摩擦系數(shù)（連接板與導(dǎo)葉臂間）；

——導(dǎo)葉臂的軸頭半徑；

F——制動(dòng)螺栓的夾緊力。

夾緊力F是制動(dòng)螺栓殘余拉伸力，對(duì)應(yīng)的螺栓拉伸長(zhǎng)度即是螺栓的殘余拉伸長(zhǎng)度。實(shí)際上在螺栓拉伸過(guò)程中，須用一個(gè)大于殘余拉伸力的預(yù)緊力去拉伸螺栓，才可得到需要的殘余拉伸長(zhǎng)度。即用夾緊力F乘以一個(gè)系數(shù)得到螺栓預(yù)緊力（即=×），再用此預(yù)緊力來(lái)拉伸螺栓。系數(shù)值與制動(dòng)螺栓的剛度有關(guān)，制動(dòng)螺栓的剛度越大，值也相應(yīng)加大。值通常取1~2之間。螺栓的剛度隨螺栓的有效長(zhǎng)度與名義直徑的比值（/）的增大而減小。因此比值/越大，螺栓的剛度越小，所以系數(shù)值也越小。三峽項(xiàng)目中，制動(dòng)螺栓的有效長(zhǎng)度與名義直徑的比值（/）為9.8，系數(shù)值取1.2。的長(zhǎng)度一般為螺栓兩端螺紋連接處中點(diǎn)間的長(zhǎng)度；為螺栓的名義直徑。

圖2 導(dǎo)葉連接板

制動(dòng)螺栓的殘余拉伸值可按虎克定律計(jì)算?？捎孟率接?jì)算制動(dòng)螺栓的殘余拉伸值Δ：

——制動(dòng)螺栓預(yù)緊力；

——螺栓材料彈性模量；

工裝接力器是摩擦試驗(yàn)中一個(gè)主要的工具。試驗(yàn)時(shí)工裝接力器一端連著導(dǎo)葉連接板，另一端連著控制環(huán)小耳朵（如圖3所示）。

圖3 工裝接力器布置

工裝接力器中部有一個(gè)液壓缸，當(dāng)往液壓缸內(nèi)打壓力油時(shí)，工裝接力器頂導(dǎo)葉連接板向外轉(zhuǎn)動(dòng)。工裝接力器施加給導(dǎo)葉連接板的力相對(duì)導(dǎo)葉軸頭形成一個(gè)力矩，當(dāng)此力矩稍大于導(dǎo)葉連接板與導(dǎo)葉臂間的摩擦力矩時(shí)，導(dǎo)葉連接板相對(duì)于導(dǎo)葉臂會(huì)有轉(zhuǎn)動(dòng)（此導(dǎo)葉/導(dǎo)葉臂已預(yù)先進(jìn)行固定）。試驗(yàn)中當(dāng)工裝接力器內(nèi)的壓力油壓達(dá)到了計(jì)算值范圍內(nèi)時(shí)，觀察導(dǎo)葉連接板是否有轉(zhuǎn)動(dòng)。如果有轉(zhuǎn)動(dòng)說(shuō)明夾緊螺栓的預(yù)緊程度合適。如果導(dǎo)葉連接板提前有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)或者到達(dá)計(jì)算油壓值范圍內(nèi)還沒(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)螺栓都需要重新預(yù)緊。

工裝接力器的油壓值是通過(guò)摩擦力矩計(jì)算出來(lái)的，通常把摩擦力矩控制在1~1.1倍最大水力矩之間。當(dāng)導(dǎo)葉被異物卡住而導(dǎo)致剪斷銷(xiāo)或拉斷銷(xiāo)斷裂時(shí)，導(dǎo)葉在水力矩的作用下將會(huì)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)導(dǎo)葉臂與連接板間的摩擦力矩成了唯一能限制導(dǎo)葉自由轉(zhuǎn)動(dòng)的因素。而只有當(dāng)摩擦力矩大于最大水力矩時(shí)，摩擦力矩才可能與水力矩抗衡，制動(dòng)導(dǎo)葉。計(jì)算出的工裝接力器油壓值應(yīng)是一個(gè)范圍，最小值是用最小摩擦力矩（即1倍最大水力矩）計(jì)算出的油壓值，最大值是用最大摩擦力矩（即1.1倍最大水力矩）計(jì)算出的值。

工裝接力器的油壓值可用下面公式計(jì)算：

rmin——最小摩擦力矩（即1倍最大水力矩值）；rmax——最大摩擦力矩（即1.1倍最大水力矩值）；

——工裝接力器與導(dǎo)葉連接板間的連接銷(xiāo)至導(dǎo)葉軸頭中心的距離；

——工裝接力器活塞直徑。

試驗(yàn)中當(dāng)導(dǎo)葉連接板發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，只要此時(shí)接力器的油壓值落入最大最小油壓值范圍，就表示制動(dòng)螺栓的預(yù)緊程度合適。

4 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）導(dǎo)葉全關(guān)，控制環(huán)處于全關(guān)位置，將控制環(huán)鎖定于頂蓋上；做摩擦試驗(yàn)時(shí)，控制環(huán)不能有轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）用雙連板將導(dǎo)葉連接板與控制環(huán)相連接，隨機(jī)抽4個(gè)不連，用于做摩擦試驗(yàn)，其余20個(gè)連接上；

圖4 連接工裝接力器及手動(dòng)油泵

（3）拉斷銷(xiāo)螺栓松開(kāi)，試驗(yàn)中導(dǎo)葉連接板要與導(dǎo)葉臂發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以一定要確保拉斷銷(xiāo)螺栓是松開(kāi)的，如果是剪斷銷(xiāo)則要確認(rèn)剪斷銷(xiāo)應(yīng)未裝上。導(dǎo)葉連接板的制動(dòng)螺栓未拉緊；

（4）用千斤頂頂住要做試驗(yàn)的導(dǎo)葉，防止試驗(yàn)時(shí)帶動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)或影響試驗(yàn)結(jié)果；

（5）裝上工裝接力器，連接控制環(huán)與導(dǎo)葉連接板。工裝接力器連上手動(dòng)油泵的油管。手動(dòng)油泵連上一塊合適量程的壓力表（如圖4所示）。

5 試驗(yàn)過(guò)程

按預(yù)先算好的制動(dòng)螺栓預(yù)緊應(yīng)力及殘余拉伸量，用液壓拉伸器預(yù)緊制動(dòng)螺栓。預(yù)緊螺栓前將測(cè)長(zhǎng)桿插入螺栓內(nèi)孔，并固定好位置；百分表抵住螺栓頭，使讀數(shù)為零。

（1）按制動(dòng)螺栓80%預(yù)緊油壓拉緊螺栓后，撤油壓，觀察百分表讀數(shù)，記下伸長(zhǎng)值。在導(dǎo)葉連接板上預(yù)先放置一個(gè)百分表，在導(dǎo)葉端蓋上放置一參照物，百分表指針頂住參照物并歸零。此百分表監(jiān)測(cè)導(dǎo)葉連接板對(duì)導(dǎo)葉臂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

（2）用手動(dòng)油泵給工裝接力器打壓力油，一邊打壓一邊觀測(cè)百分表，監(jiān)測(cè)百分表是否轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)看到百分表以勻速走動(dòng)時(shí)，同時(shí)看油泵壓力表讀數(shù)是否在min~max之間（油泵壓力表的讀數(shù)即是工裝接力器內(nèi)油壓值），如果是則連接板制動(dòng)螺栓拉伸值合適，也即是導(dǎo)葉連接板與導(dǎo)葉臂間摩擦力矩合適。記錄下此次制動(dòng)螺栓的拉伸伸長(zhǎng)值與拉伸油壓值。

（3）如果手動(dòng)油泵壓力表讀數(shù)大于最大油壓值max，則需重新做。用拉伸器松開(kāi)制動(dòng)螺栓，重新取一個(gè)小于前次油壓再次預(yù)緊制動(dòng)螺栓。然后按步驟（2）重新校核。如果手動(dòng)油泵壓力表讀數(shù)小于最小油壓min，按同樣的方法，用拉伸器松開(kāi)制動(dòng)螺栓，取一個(gè)大于前次拉伸制動(dòng)螺栓的油壓值，重新預(yù)緊制動(dòng)螺栓。然后按步驟（2）重新校核。此步聚可能要進(jìn)行多次，才能得到一個(gè)合適的螺栓伸長(zhǎng)值或拉伸油壓值。

（4）按步聚（1）、（2）、（3）預(yù)緊其他3個(gè)導(dǎo)葉連接板的制動(dòng)螺栓，并用工裝接力器進(jìn)行檢測(cè)，得到一個(gè)合適的伸長(zhǎng)值或拉伸油壓值。按記錄的數(shù)據(jù)，取這4個(gè)制動(dòng)螺栓的平均伸長(zhǎng)值，作為所有導(dǎo)葉連接板的制動(dòng)螺栓拉伸伸長(zhǎng)值。如果得到的伸長(zhǎng)值差別較大，卻能得到合適的摩擦力矩，那么看看4個(gè)拉伸油壓值是否很接近，如果拉伸油壓值很接近，可以取4個(gè)拉伸油壓值的平均值，作為導(dǎo)葉連接板的制動(dòng)螺栓拉伸油壓。因?yàn)橹苿?dòng)螺栓所把合的兩個(gè)面之間有間隙，并不是緊貼著的，有可能導(dǎo)致導(dǎo)葉連接板的夾緊程度相當(dāng)，而螺栓的伸長(zhǎng)值有較大波動(dòng)。所以可以取一個(gè)合適的拉伸油壓值來(lái)拉伸其他制動(dòng)螺栓。

（5）做過(guò)試驗(yàn)的制動(dòng)螺栓松開(kāi)，要先將所有與導(dǎo)葉連接板相連的部件連接上，才可預(yù)緊制動(dòng)螺栓。工裝接力器拆除，連上雙連板，裝上剪斷銷(xiāo)或拉斷銷(xiāo)，預(yù)緊拉斷銷(xiāo)螺栓。再按選定的導(dǎo)葉連接板制動(dòng)螺栓伸長(zhǎng)值或其拉伸油壓，預(yù)緊制動(dòng)螺栓。其余導(dǎo)葉連接板制動(dòng)螺栓均用此選定的值進(jìn)行預(yù)緊。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)導(dǎo)葉連接板與導(dǎo)葉臂之間的摩擦力矩來(lái)制動(dòng)導(dǎo)葉，進(jìn)而保護(hù)導(dǎo)葉及其他部件。這種結(jié)構(gòu)目前在很多大型機(jī)組中經(jīng)常采用，如三峽，向家壩等。所以導(dǎo)葉連接板的摩擦力矩的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整試驗(yàn)是必不可少的。為其他電站機(jī)組導(dǎo)葉連接板現(xiàn)場(chǎng)摩擦試驗(yàn)提供很好的借鑒與指導(dǎo)作用。

Site Test of Turbine Wicket Gate Handle Friction Torque

LIU Yuanjiao, ZHANG Chuanshan

(Tianjin ALSTOM Hydro Power Co. Ltd, Tianjin 300400, China)

This paper introduces wicket gate handle’s function in turbine distributor of ALSTOM units, and describes the calculation of its braking screws pre-stressing and the tool servomotor pre-stressing oil value, and describes in detail the wicket gate handle friction torque site test procedure, which can be a good guideline for other units’ wicket gate friction torque site test.

wicket gate handle; braking screw; tool servomotor; screw elongation value; friction torque test

TK730

A

1000-3983(2014)01-0062-03

2013-03-05

劉元嬌（1976-），女，2000年畢業(yè)于長(zhǎng)春工程學(xué)院，現(xiàn)任天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師。E-Mail:yuanjiao.liu@power.alstom.com

審稿人：陶紅