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      水輪機接力器桿頭結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計

      2020-12-10 04:09:40呂博儒
      科學技術(shù)創(chuàng)新 2020年35期
      關(guān)鍵詞:桿頭活塞桿水輪機

      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。

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