水电机组导水机构结构优化综述——框式（双）连臂的设计与应用

杜 永

（国网新源丰满发电厂，吉林省吉林市 132108）

水电机组导水机构结构优化综述
——框式（双）连臂的设计与应用

杜 永

（国网新源丰满发电厂，吉林省吉林市 132108）

鉴于丰满发电厂运行近60多年，导水机构磨损严重存在诸多问题，维护、检修不便，运行存在隐患的情况，经过对导水机构卓有成效的改造，机组维护、检修便利性和运行可靠性显著提高。本文对这次改造进行了详细介绍和总结。

框式双联臂；导水机构；结构；优化

0 引言

丰满电厂始建于1937年，1943年3月第一台机组投入发电，经二期、三期扩建工程后，丰满发电厂装机容量已超过100万kW，是东北电网主力电厂之一，担负着供电、调峰、调相、事故备用等任务，是联络电力系统南、北两网的中枢。

丰满电厂1～8号机组机电设备生产于20世纪30年代前，分别由美国西屋公司、瑞士埃塞尔维斯工厂、西德电气总公司、西德伏依特、日本日立公司、苏联斯大林金属工厂、俄罗斯列宁格勒工厂。9～12号机组由哈尔滨电机厂生产。

丰满电厂机电设备来自不同的国家，结构类型多样，特别是导水机构部分。结合近70年的运行、维护及检修经验，丰满电厂陆续对部分机组进行了导水机构优化改造。

1 导水机构简介

导水机构按导叶轴线布置位置可分为3种型式：圆柱式导水机构、圆锥式导水机构和径向式导水机构。其中圆柱式导水机构导叶轴线布置在圆柱面内，这种导水机构制造方便，保证水轮机有足够高的效率，因而得到了广泛采用。圆锥式导水机构导叶轴线与水轮机轴线成一锥角布置，由于导叶布置在圆锥面上，所以结构和制造都比较麻烦，一般应用在灯泡贯流式或斜流式水轮机上。径向式导水机构的导叶轴线与机组轴线垂直，一般布置在全贯流式水轮机上。

国内普遍采用的圆柱式导水机构，其操作部件通常采用连杆传动的结构型式，即连杆式导水机构，这是用于大中型水轮机传统的结构型式，由调速器控制接力器将操作力通过控制环传递给与其铰接的各连杆组件，再通过连杆组件作用于与其铰接的导叶臂上，从而控制各导叶的动作，达到调节导叶开度，控制水轮机流量的目的。

2 传统导水机构问题

传统水轮机导水机构双联臂常用的有几种形式，如叉头导水机构、耳柄式导水机构、单（双）连臂导水机构等，如图1～图3所示。

图1 叉头式导水机构Fig.1 Fork type water conducting mechanism

图2 耳柄式导水机构Fig.2 Ear-type water guide mechanism

图3 单（双）连臂式导水机构Fig.3 Single（double）with arm type water guide

传统形式的联臂在使用中陆续暴露出几方面问题：一是破断螺栓（剪断销）安置在拐臂上，运行中不便于巡视检查，当该破断螺栓锈蚀时，使破断螺栓失去保护作用;二是水轮机导水机构检修工艺复杂，导叶间隙不易调整，废时费力，可调节性差；三是连臂无规律性伸长或缩短不可控，导叶漏水量增大，机组停机时转速下降较慢，推力瓦和风闸磨损严重；四是检修质量不易保证，导叶漏水量较大，直接降低机组整体可靠度，浪费水能。

3 结构优化分析

本优化的目的是提供一种安装在水轮机导水机构主要部件控制环与拐臂之间的框式双联臂。该双联臂设计巧妙、结构简单、导叶间隙调整方便，同时具有导叶破断螺栓的功能，运行更稳定、使用更安全的大型水轮机导水机构框式双联臂。

本优化是通过以下结构实现的：采用一种大型水轮机导水机构框式双联臂（图4），双联臂为卧式结构，双联臂3安装于导水机构控制环7与拐臂8间，用于将控制环7的操作力矩传递给拐臂8。在水轮机运行中，当开启或关闭导叶时，框式双联臂将控制环7的操作力矩传递给导叶拐臂8，通过导叶拐臂8将该力矩传递给导叶，实现导叶开启或关闭，调整水轮机的流量，即调整水轮机的出力。

4 优化实施

本优化涉及一种大型水轮机用导水机构框式双联臂与水轮机导水机构控制环及拐臂固定连接，双联臂与控制环、拐臂间分别通过圆柱销钉固定连接。

它的原理为两个连杆销6之间的作用力通过破断螺钉1来传递，两个连杆销之间的距离可通过破断螺钉的旋合长度来调整，从而对加工安装误差进行补偿，当导叶向关闭方向运动时，如果两个连杆销6之间传递的力超出设计值，破断螺钉将被拉断，保护其他构件不被破坏。

本优化运行更稳定、使用更安全，不仅结构简单，而且检修维护方便。框式双联臂装置由：破断螺钉、螺母、框体、滑块、连杆销、缓冲片5等组成，如图4所示。

（1）一种大型水轮机导水机构框式双联臂，其特征是：框式双联臂3与水轮机导水机构控制环7及导叶拐臂8固定连接，框式双联臂3位于水轮机顶盖上方。

（2）所述的一种大型水轮机导水机构框式双联臂为框式结构，其特征是：破断螺钉1的一端与框体3通过螺纹连接，并在框体两侧用螺母2固定，破断螺栓1的另一端通过螺纹与滑块4固定。滑块4通过连杆销6与拐臂8连接固定；连杆销6上平面安装一锁定片，通过螺钉紧固；在框体3侧上平面与滑块4连接处安装一压板，通过螺栓紧固，以防止滑块上窜。框体3的另一端轴孔内镶嵌有自润滑轴套，通过连杆销6与控制环7连接，连杆销6上平面安装一锁定片，通过螺钉紧固，在框体3该端上平面与缓冲片5，通过螺栓紧固。

（3）当水轮机运行中，开启或关闭导叶时，框式双联臂将控制环7力矩传递给导叶拐臂8，通过导叶拐臂将该力矩传递给导叶，从而实现导叶的同步转动，通过导叶开口变化实现流量变化，完成机组的调节。实现导叶开启或关闭，使机组安全稳定运行。

5 优化效果

（1）优化导水机构设计：从结构型式上通过调整框式双联臂上的滑块4在框体3内的水平位置，即连杆销6的中心距离，调整拐臂8的水平转角，实现水轮机导叶间隙的调整。不仅使导叶间隙易于调整，而且能够缩短导水机构的检修时间、保证导叶检修调整的检修质量。

（2）具有安全保护作用。破断螺钉1置于框体3与滑块间，一方面，机组运行中，易于运行人员的检查；另一方面，当破断螺钉损坏时，易于更换，缩短设备故障消除的时间。

（3）框式双联臂具有调节长度的功能，以补偿加工误差，保证导叶的同步性。当水轮机相邻导叶间卡住物体时，该导叶无法正常关闭，导致破断螺钉拉断1，滑块4在框体内移动，此时，缓冲片5起到缓冲作用，防止水轮机故障的扩大，利于保证水轮机其他相邻导叶及时可靠关闭。

（4）结构新颖、简单，检修维护方便。

6 结束语

本优化取消了传统的叉头式、耳柄式、单（双）连板式连臂传动机构，相应地也取消了与其相关联的剪断销，采用了滑块机构，使结构变得简单、新颖，安装、维护方便，实用性强，导叶间隙调整方便，同时具有导叶破断螺栓的功能，运行更稳定、使用更安全，提高了生产企业和电站的经济社会效益，这必将为公司立足水电市场发挥作用。目前，该结构成功应用于丰满发电厂4、5、8号等多台100MW机组上，机构运行状况良好。

[1] 孙之安.水轮机导水机构的结构改进设计[J].小水电，2014，（1）（总第175期）.SUN Zhian.Structural Improvement Design of Hydraulic Turbine Water Conveying Mechanism[J].Small Hydropower Year 1，2014（Total 175th issue）.

[2] 哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[M].北京：机械工业出版社，1976.Harbin Institute of Electrical Engineering[M].Beijing ： Machinery Industry Press，1976.

2017-02-15

2017-05-20

杜 永（1982—），工程师，主要研究方向：水轮发电机组安装、调试、维护及检修，水轮发电机组新技术、新材料、新工艺的应用。

Hydroelectric Generating Water Guide Structure Optimization Design and Application—Design and Application of Box （double）Connector Plate

DU Yong
（State Grid Xinyuan Fengman Power Plant，Jilin 132108，China）

In view of running for nearly 60 years of fengman power plant，water guide wear serious，more problems，is not conducive to the maintenance and repair，there are risks.After water guide mechanism for effective design，crew maintenance and repair convenience and operational reliability improved significantly.In this paper，described in detail and summary.

water guide；box （double） connector plate；structure；optimization

TV3

A学科代码：570.2520

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.017