水轮机导叶连接板摩擦力矩现场试验

刘元娇，张传山



水轮机导叶连接板摩擦力矩现场试验

刘元娇，张传山

（天津阿尔斯通水电设备有限公司，天津 300400）

本文介绍ALSTOM水轮机导叶连接板在导叶操作机构中的作用，阐述了导叶连接板制动螺栓预紧力计算及工装接力器油压的计算。详细描述了导叶连接板摩擦力矩现场试验准备及过程，给其他机组现场摩擦试验提供很好的借鉴与指导作用。

导叶连接板；制动螺栓；工装接力器；螺栓伸长值；摩擦试验

前言

在三峡电站ALSTOM机组导叶连接板现场摩擦试验实践经历后，总结了导叶连接板摩擦试验过程，以供其他有相似结构的机组安装时借鉴。导叶连接板摩擦力矩试验是通过调整导叶连接板制动螺栓预紧程度，在连接板与导叶臂之间产生一个合适的摩擦力矩。导叶连接板是导叶操作机构中重要的力矩传动与保护装置。导叶连接板与导叶臂间连有剪断销或拉断销，用于传递力矩。导叶连接板与导叶臂之间的摩擦力矩保护导叶，避免产生损坏。

1 导叶连接板在导叶操作机构中的作用

导叶连接板一端连接双连板，另一端与导叶臂相连（如图1所示）。

导叶连接板头部是开口环，内嵌自润滑轴套，开口处有凸台，用制动螺柱将开口处连接，夹紧导叶臂。导叶连接板中部与导叶臂用剪断销或拉断销连接，在操作导叶开关过程中，连接板把力矩通过剪断销或拉断销传递给导叶臂，从而控制导叶的开关。在导叶关闭过程中，某两导叶间卡有异物，传递的力矩大于剪断销或拉断销的破断力矩时，剪断销或拉断销断裂，卡有异物的导叶从操作机构中解列，其他导叶正常关闭。此时连接板与导叶臂间的摩擦力矩就能制动导叶，保护导叶不会在水力矩的作用下自由转动。

图1 导叶连接板布置

2 校核摩擦力矩试验所用工具

工装接力器一个，试验中用来顶导叶连接板，使其与导叶臂发生相对转动；手动油泵一个，给工装接力器提供压力油；压力表一个，其量程必须包含所算得的接力器油压范围且分度尽量小。百分表，用于检测导叶连接板的转动。测长杆，用于测量制动螺栓的伸长值。

3 制动螺栓的预紧力和残余拉伸值及工装接力器油压计算

制动螺柱的预紧程度决定了导叶连接板夹紧导叶臂产生的摩擦力矩大小。摩擦力矩的大小须稍大于最大水头下最大水力矩，一般可取1.1倍的最大水力矩。制动螺栓的夹紧力F（如图2所示）计算可按下式：

Cf——摩擦力矩（1.1倍的最大水力矩）；

——摩擦系数（连接板与导叶臂间）；

——导叶臂的轴头半径；

F——制动螺栓的夹紧力。

夹紧力F是制动螺栓残余拉伸力，对应的螺栓拉伸长度即是螺栓的残余拉伸长度。实际上在螺栓拉伸过程中，须用一个大于残余拉伸力的预紧力去拉伸螺栓，才可得到需要的残余拉伸长度。即用夹紧力F乘以一个系数得到螺栓预紧力（即=×），再用此预紧力来拉伸螺栓。系数值与制动螺栓的刚度有关，制动螺栓的刚度越大，值也相应加大。值通常取1~2之间。螺栓的刚度随螺栓的有效长度与名义直径的比值（/）的增大而减小。因此比值/越大，螺栓的刚度越小，所以系数值也越小。三峡项目中，制动螺栓的有效长度与名义直径的比值（/）为9.8，系数值取1.2。的长度一般为螺栓两端螺纹连接处中点间的长度；为螺栓的名义直径。

图2 导叶连接板

制动螺栓的残余拉伸值可按虎克定律计算。可用下式计算制动螺栓的残余拉伸值Δ：

——制动螺栓预紧力；

——螺栓材料弹性模量；

工装接力器是摩擦试验中一个主要的工具。试验时工装接力器一端连着导叶连接板，另一端连着控制环小耳朵（如图3所示）。

图3 工装接力器布置

工装接力器中部有一个液压缸，当往液压缸内打压力油时，工装接力器顶导叶连接板向外转动。工装接力器施加给导叶连接板的力相对导叶轴头形成一个力矩，当此力矩稍大于导叶连接板与导叶臂间的摩擦力矩时，导叶连接板相对于导叶臂会有转动（此导叶/导叶臂已预先进行固定）。试验中当工装接力器内的压力油压达到了计算值范围内时，观察导叶连接板是否有转动。如果有转动说明夹紧螺栓的预紧程度合适。如果导叶连接板提前有相对转动或者到达计算油压值范围内还没有发生转动，制动螺栓都需要重新预紧。

工装接力器的油压值是通过摩擦力矩计算出来的，通常把摩擦力矩控制在1~1.1倍最大水力矩之间。当导叶被异物卡住而导致剪断销或拉断销断裂时，导叶在水力矩的作用下将会自由转动，此时导叶臂与连接板间的摩擦力矩成了唯一能限制导叶自由转动的因素。而只有当摩擦力矩大于最大水力矩时，摩擦力矩才可能与水力矩抗衡，制动导叶。计算出的工装接力器油压值应是一个范围，最小值是用最小摩擦力矩（即1倍最大水力矩）计算出的油压值，最大值是用最大摩擦力矩（即1.1倍最大水力矩）计算出的值。

工装接力器的油压值可用下面公式计算：

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）；

——工装接力器与导叶连接板间的连接销至导叶轴头中心的距离；

——工装接力器活塞直径。

试验中当导叶连接板发生转动，只要此时接力器的油压值落入最大最小油压值范围，就表示制动螺栓的预紧程度合适。

4 试验准备

（1）导叶全关，控制环处于全关位置，将控制环锁定于顶盖上；做摩擦试验时，控制环不能有转动。

（2）用双连板将导叶连接板与控制环相连接，随机抽4个不连，用于做摩擦试验，其余20个连接上；

图4 连接工装接力器及手动油泵

（3）拉断销螺栓松开，试验中导叶连接板要与导叶臂发生相对运动，所以一定要确保拉断销螺栓是松开的，如果是剪断销则要确认剪断销应未装上。导叶连接板的制动螺栓未拉紧；

（4）用千斤顶顶住要做试验的导叶，防止试验时带动导叶转动或影响试验结果；

（5）装上工装接力器，连接控制环与导叶连接板。工装接力器连上手动油泵的油管。手动油泵连上一块合适量程的压力表（如图4所示）。

5 试验过程

按预先算好的制动螺栓预紧应力及残余拉伸量，用液压拉伸器预紧制动螺栓。预紧螺栓前将测长杆插入螺栓内孔，并固定好位置；百分表抵住螺栓头，使读数为零。

（1）按制动螺栓80%预紧油压拉紧螺栓后，撤油压，观察百分表读数，记下伸长值。在导叶连接板上预先放置一个百分表，在导叶端盖上放置一参照物，百分表指针顶住参照物并归零。此百分表监测导叶连接板对导叶臂的相对运动。

（2）用手动油泵给工装接力器打压力油，一边打压一边观测百分表，监测百分表是否转动。当看到百分表以匀速走动时，同时看油泵压力表读数是否在min~max之间（油泵压力表的读数即是工装接力器内油压值），如果是则连接板制动螺栓拉伸值合适，也即是导叶连接板与导叶臂间摩擦力矩合适。记录下此次制动螺栓的拉伸伸长值与拉伸油压值。

（3）如果手动油泵压力表读数大于最大油压值max，则需重新做。用拉伸器松开制动螺栓，重新取一个小于前次油压再次预紧制动螺栓。然后按步骤（2）重新校核。如果手动油泵压力表读数小于最小油压min，按同样的方法，用拉伸器松开制动螺栓，取一个大于前次拉伸制动螺栓的油压值，重新预紧制动螺栓。然后按步骤（2）重新校核。此步聚可能要进行多次，才能得到一个合适的螺栓伸长值或拉伸油压值。

（4）按步聚（1）、（2）、（3）预紧其他3个导叶连接板的制动螺栓，并用工装接力器进行检测，得到一个合适的伸长值或拉伸油压值。按记录的数据，取这4个制动螺栓的平均伸长值，作为所有导叶连接板的制动螺栓拉伸伸长值。如果得到的伸长值差别较大，却能得到合适的摩擦力矩，那么看看4个拉伸油压值是否很接近，如果拉伸油压值很接近，可以取4个拉伸油压值的平均值，作为导叶连接板的制动螺栓拉伸油压。因为制动螺栓所把合的两个面之间有间隙，并不是紧贴着的，有可能导致导叶连接板的夹紧程度相当，而螺栓的伸长值有较大波动。所以可以取一个合适的拉伸油压值来拉伸其他制动螺栓。

（5）做过试验的制动螺栓松开，要先将所有与导叶连接板相连的部件连接上，才可预紧制动螺栓。工装接力器拆除，连上双连板，装上剪断销或拉断销，预紧拉断销螺栓。再按选定的导叶连接板制动螺栓伸长值或其拉伸油压，预紧制动螺栓。其余导叶连接板制动螺栓均用此选定的值进行预紧。

6 结束语

通过导叶连接板与导叶臂之间的摩擦力矩来制动导叶，进而保护导叶及其他部件。这种结构目前在很多大型机组中经常采用，如三峡，向家坝等。所以导叶连接板的摩擦力矩的现场调整试验是必不可少的。为其他电站机组导叶连接板现场摩擦试验提供很好的借鉴与指导作用。

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

刘元娇（1976-），女，2000年毕业于长春工程学院，现任天津阿尔斯通水电设备有限公司水轮机结构设计师。E-Mail:yuanjiao.liu@power.alstom.com

审稿人：陶红