贯流式水轮机桨叶传动链及桨叶接力器导向改造

管怀鸣，刘铁峰

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

贯流式水轮机桨叶传动链及桨叶接力器导向改造

管怀鸣，刘铁峰

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

摘要：贯流式水轮发电机组单机容量小、开停机灵便、迅速，在电网中主要承担峰荷。机组频繁的开停机、调整负荷，致使桨叶开、关执行机构工作任务繁重。桨叶开、关执行机构由桨叶接力器、连杆、传动链、拐臂组成。导叶、桨叶动作转换工况过程中，流道中水流的流相发生变化，产生水力扰动，会对桨叶传动机构造成冲击，尤其是快速关机时的水锤压力。如果桨叶开、关执行机构故障，可能会导致调速机构协联破坏、输出频率波动，甚至机组解列、发生飞逸，后果不堪设想。桨叶开、关执行机构的安全、可靠对机组的安全稳定运行影响巨大。

关键词：贯流式水轮机；螺丝松脱；导向机构磨损；传动链改造；导轨改造

1　引言

马迹塘水电厂（以下简称马电）位于湖南省桃江县内资水干流，1979年始建，引进奥地利“ELIN”公司3台灯泡贯流式机组及其成套辅助设备。水轮机由奥地利伏依特公司（Voith）设计制造。1983年，3台机组相继投产发电。2001年度3号机组扩大性大修中对水轮机桨叶传动链、桨叶接力器导向机构进行再设计与改造。水轮机主要参数见表1。

表1　水轮机主要参数

2　桨叶传动链及桨叶接力器导向缺陷及原因分析、处理

2.1水轮机存在的缺陷及原因分析

2.1.1桨叶传动链存在的缺陷

马迹塘水电厂在1995～1999年间，对3台机组水轮机内部机构进行检查时，均不同程度的发现桨叶传动链骑缝螺钉松动、脱落，轮毂内壁存在刮擦伤痕情况；桨叶传动链骑缝螺钉主要起固定链板、销轴，防止发生转动和轴向窜动。骑缝螺钉松动、脱落增加了锁板螺钉负担，破坏传动链框架稳定性，危害机组安全运行。

2.1.2桨叶接力器导向存在的缺陷

2001年度3号机组检修，检查发现桨叶接力器导向滑块、导轨工作面磨损比3年前更加严重，导向配合间隙已达1.7mm（设计配合间隙为0.40mm），且有偏磨现象。磨损面积占工作面积的30%~80%，磨损凹坑深度从0.5~2.4mm不等，局部甚至达3.22mm；磨损区域沿滑块、导轨相对运动方向呈条状分布。

图1　桨叶链板装配正视图[2]

表2　历年机组检修骑缝螺钉检查统计[3]

2.2缺陷原因分析

2.2.1链板骑缝螺钉松动、脱落的原因分析

（1）骑缝螺钉可防止链板与轴销两个紧配合件装配在一起后，零件发生转动移位；但是仅在各种经典的防止转动和轴向位移的结构都不能用的时候才考虑使用。因为这种结构只适合单件小批的生产纲领，而且操作复杂，难以在拆卸后复原，只能抵抗较轻的静载荷，不能用于冲击载荷。所以，此处使用骑缝螺钉固定销轴和链板属于设计缺陷。

（2）设备老化、磨损严重，原有的配合间隙被破坏，机组运行条件恶化是直接原因。设计条件下，桨叶大铜套止推面全部提供桨叶旋转时的向心力（转轮转动桨叶即旋转具有离心运动趋势，向心力是阻止桨叶离心运动的合力的统称；向心力与离心力是平衡的一对相互作用力），传动链与拐臂之间的作用力都在拐臂中心线和链板中心线组成的平面内。链板骑缝螺钉受力很小。

图2　正常情况下轮叶开关机构及运动方向简图

机组经过多年的运行，桨叶大、小铜套止推面与拐臂磨损量逐渐增大，拐臂两侧平面与桨叶大、小铜套止推面总间隙，即桨叶窜动量变大超过设计值。起初桨叶大铜套止推面和拐臂间隙增大时，在离心力（见图3）作用下，拐臂与链板配合间隙，可以重新分配；但是，当磨损量更大，铜套止推面与拐臂总间隙超过设计值时，拐臂与链板间隙重新分配也无法抵消弥补,桨叶拐臂会对传动链板有垂直于正常运动方向的力距（作用在传动链销轴上见图3）和对链板的推力（见图3），传动链板受到拐臂的推挤，链板紧固螺杆、骑缝螺钉都会受到一定的轴向冲击。

图3　拐臂与传动链之间的受力示意图

2.2.2桨叶接力器导向机构存在的缺陷及造成的后果

根据能量回馈装置中PWM整流器的工作状态,采用双闭环结构设计整流器的具体结构[5-6]。双闭环结构的外环是电压环,内环是电流环[7],具体结构如图2所示。能量回馈器电流控制技术方面则选择直接电流控制。因此,电流控制方法上这里采用固定开关频率其特点是:载波频率不变,调制波的信号取自电流偏差[8]。

（1）接力器导向机构存在设计缺陷

原设计滑块、导轨端面到工作面没有加工倒角，当桨叶处于全关或者全开开度时，都会出现滑块端面楞铲刮导轨工作面或导轨端面楞铲刮滑块工作面。

滑块和导轨选择材质及处理工艺相同，工作面硬度相当，容易造成相互破坏。导轨长度短，桨叶在全关、全开极限位置时，导向机构的安全余度小，容易出现脱轨现象。

（2）机组经长时间运行，配合间隙破坏后产生的缺陷

1）桨叶的开、关是由桨叶接力器带动传动链一端的直线运动，传动链另一端拉动拐臂转动，拐臂带动桨叶一起旋转来实现。对接力器受力分析，接力器受到传动链中心线的阻力（2见图4），阻力2可分解为竖直的2（见图4）和水平方向2（见图4）,因为桨叶接力器只能提供直线方向的力，该力与2平衡，2则是通过接力器导向滑块作用在导轨上与2（'见图4）平衡。滑块和导轨端面没有倒角，此时会出现相互铲刮现象。当开启桨叶时，滑块与导轨之间的相互作用及各铰链的转动方向如图4所示。开启导叶时，运动方向相反，滑块与导轨磨损另一面。

图4　滑块和导轨一受运动方向及受力简图

2）由图3知，传动链受到拐臂垂直于链板运动方向相垂直的力矩，该力矩沿着链板传递到接力器滑块与导轨的接触面上，滑块和导轨接触面会产生一对力偶（3见图5），又因为力矩的方向与滑块和导轨接触面相垂直，使滑块有转动的趋势，从而使滑块与导轨接触面一侧受力较大。如果此时关、开桨叶，接触面一侧会承受很大的摩擦力。相同材质的滑块、导轨存在较大的接触力，且相互滑动，容易产生相互磨损破坏。不同负荷（不同桨叶开度）下，多次动作即会对滑块、导轨表面造成多条直线状损伤。受力分析图见图5。

图5　力矩与机构力偶3作用效果简图

2.3桨叶传动链改造

2.3.1桨叶传动链再设计的必要性

马迹塘水电厂机组出现传动链骑缝螺钉松动、脱落缺陷时，机组已安全运行了十几年，时间长于机组扩大性大修周期（8~10年）。虽然可以在机组每次扩大性大修时对传动链解体，更换传动链骑缝螺钉，预防松动、脱落；但是传动链解体会出现以下几个不可避免的现象：①解体时骑缝螺钉可能因被挤紧、螺纹胶太多或螺纹损坏等原因拆不出；②装复时销轴与链板螺孔拼合有偏差，骑缝螺钉装不进；③拆卸过程中，敲打工件损坏配合面，螺孔、螺纹损坏；④传动链链板和轴销的配合属于过渡配合，随着拆装次数的增加，销轴与链板配合间隙增大超过允许值。骑缝螺钉松动问题处理，由于以上不利情况，最后可能导致更换销轴、链板或全部更换，增加大修成本和检修工程量；所以，对桨叶传动链进行再设计很有必要。

2.3.2桨叶传动链再设计

桨叶传动链的再设计是在默认桨叶窜动量（桨叶大、小铜套止推面与拐臂总间隙）在设计范围内的前提下，改进销轴与链板紧固方式，保证牢固、可靠且装拆方便；结构上增强传动链框架的刚度，提高对各个方向干扰力、力矩的抵抗能力。

链板、销轴、锁板螺钉必须经100%渗透探伤和超声波探伤检查合格，材质化验、机构性能实验及硬度检测合格。装配前经无损检测链板使用2个M36，强度8.8级螺钉紧固，预紧力339.5 kN，螺纹使用螺纹锁固胶乐泰277防松。

图6　传动链最终设计方案三视图[4]

2.3.3本设计的优点

（1）轴、孔采用过盈配合，销轴与销孔配合面的静摩擦力阻止传动链与销轴不产生相对运动；不钻孔、攻丝，不外加止动措施，不破坏销轴或链板结构完整性，降低设备非运行损耗，降低检修成本；克服经典的轴孔配合紧固方式不适用，外加约束压力大，可靠性差的缺陷。

（2）轴、孔有1°33'44''的锥度，增加接触面积，结构上增加一个链板锁板螺钉，提高链板框架刚度，对各个方向干扰力、冲击力的抗干扰能力。并且常温装配，方便检修。

（3）链板采用35CrMo锻压调质钢，销轴采用40Cr新材质，在不改变链板尺寸的前提下增加了零部件强度。

（4）传动链外侧链板边楞进行倒角处理，防止擦伤轮毂内壁。

2.4桨叶导向机构改造

2.4.1桨叶导向块导轨改造的必要性

原设计桨叶导向块、导轨因为采用相同材质及表面处理工艺，工作面硬度相当。当导向导轨受力较大时，很容易出现滑块、导轨相互磨损破坏。对于破坏后的工作面只能通过补焊、打磨来恢复；但是施焊过程中，如果技术措施不当，可能造成局部变形、应力集中，为机组安全埋下隐患。

另外，滑块、导轨补焊厚度较薄，在运行中很有可能造成整个补焊层脱落，造成更大缺陷，如接力器损坏，桨叶失控等，后果不堪设想，再者已补焊的部位不能再次进行施焊，否则将出现开裂。根据以上分析，综合考虑机组检修后安全运行周期及下次检修成本，接力器导向滑块、导轨必须进行改造。

2.4.2桨叶接力器导向机构的改造思想

桨叶接力器滑块、导轨的改造，主要针对原设计缺陷逐项进行优化消除。改变导轨工作面材质，使用黄铜或青铜等相对滑块硬度较软的材料。仔细观察、测量当桨叶全开、全关状态下，滑块、导轨相对运动的极限位置及周围其他零部件的距离，酌情合理增加导轨长度。对滑块、导轨加工大倒角，增加工作表面润滑，保证相对运动时，不出现铲刮、干磨等现象。

2.4.3导向机构改造方案

使用大型机床，采用特殊的机械加工工艺，将磨损表面的划痕和凹坑处理干净，实测滑块和导轨的配合尺寸，在原导轨上加铜瓦轴承。根据现场实测，将导轨铜瓦加长100mm。青铜瓦背加工燕尾槽固定在瓦托（经过处理的原导轨）上，青铜瓦使用沉头螺钉固定，铜瓦与原导轨侧缝使用钎焊加固，并在工作面两端头加工大倒角。装配后滑块和导轨经过预装检查泄水锥和轮毂能顺利装入、退出。

图7　改造后导轨装配图[4]

2.4.4本设计优点

（1）选择锡青铜做为导轨表面耐磨瓦制造材料，青铜瓦材质为ZCuSn10Pb1，耐磨性极好，不易产生咬死现象，具有较好的铸造性和切削加工性能，且硬度低于滑块，不会伤害滑块工作面。

（3）平面轴承瓦加长了100mm，增加了导轨在全开、全关极限位置时的接触面积，减轻接触面的压力（压强）。

表2　改造后滑块与导轨配合间隙[4]（单位：mm）

3　结束语

2001年度3号机组扩大性大修之后，电厂组织湖南省电力试验研究所水机室、兴马机电有限公司、水轮机改造承包单位（东屋机电有限责任公司）对3号机组进行了稳定性试验、振动检测比较、机组效率试验、桨叶接力器低油压动作试验，试验结果表明，本次检修圆满成功[5]；随后对1号机组、2号机组进行了同样改造。2014年，3号机组运行12年之后，进行机组大修，拆除泄水锥，检查传动链锁板螺钉无松动，传动链结构牢固可靠；接力器导向机构配合间隙变化不大，导轨工作面几乎没有磨损。事实证明传动链、导向机构改造方案科学合理。又因为改造后传动链结构简单、牢固可靠、拆装方便、不伤害部件、可重复多次使用，降低检修成本和劳动强度，适合向具有传动链的机组推广。

参考文献：

[1]冯衍祥.灯泡贯流式水轮发电机组[Z],1999：2-3.

[2]GRAU.转轮轮毂装配（四个叶片）[Z],1979.

[3]肖少吾.关于马迹塘水电厂轮叶接力器连杆两端骑缝螺钉接连松动脱落、滑块（滑槽）严重磨损问题的情况通报[Z]，1999.

[4]金捷生.轮叶传动链再设计与改造[R]，2006：3-35.

[5]王友,曹平.3号机扩大性大修总结[R]，2001.

中图分类号：TK733+.8

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）08-0004-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.002

收稿日期：2015-05-04

作者简介：管怀鸣（1988-），男，助理工程师，从事水电厂机械设备检修工作。