水轮机接力器杆头结构创新设计

程 猛 吕博儒

（东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳618000）

1 技术背景和技术问题描述

1.1 技术背景

为满足电网上网频率的要求，水轮发电机组运行时，需保证水轮发电机组在不同工况和负载下转速恒定。为实现转速恒定，水轮机是通过调速器根据检测转速偏差值发出调节指令，通过操作油压变化控制接力器动作，带动导水机构，调节导叶开度，从而改变机组流量来实现转速调节，以达到机组转速在规定范围内运行[1]。

接力器杆头就是将接力器的操作力传递给导水操作机构的关键部件。大型混流式水轮机接力器杆头连接结构传递接力器操作力载荷大（三峡机组最大操作力约为3500KN），杆头所受应力交变频率高，应力幅值变化大，杆头结构抗疲劳要求高。

杆头的安全性和可靠性，对整个水轮发电机组尤为重要。如果杆头联接出了问题，将严重影响机组开机和运行。

1.2 技术问题描述

三峡、溪洛渡等机组接力器杆头联接结构为整体杆头结构，整体杆头为铸件（如图1），杆头与活塞杆通过螺纹联接，与推拉杆通过推拉杆销联接。

根据已投运电站安装反馈，传统整体杆头电站安装困难，大螺纹安装时接力器中心和杆头中心对正困难，螺纹安装时易出现轴线不正，造成杆头内外螺纹咬合卡死等问题，造成安装事故，严重时将影响电站机组安装和发电目标[2]。

带外螺纹活塞杆在外螺纹根部存在应力集中，国内已投运的电站曾出现该位置疲劳断裂[3]。

随着水轮机出力的增加，杆头传递的操作力也在增加，针对于原结构杆头为铸件，从材料方面改善是有限的，最终结构设计时只能增大杆头结构尺寸和重量，电站安装时整体杆头越重，装配越困难。有些电站反映在机组检修时，整体杆头难以拆下。

图1 整体杆头联接结构

2 主要技术创新点

本文通过创新设计接力器杆头联接结构，新结构达到设计预期，解决了原整体杆头存在的问题：

2.1 新结构彻底消除由于杆头自身重量大所引起的安装和拆卸困难问题。

2.2 大幅改善安装过程中螺纹容易咬合粘连的问题。

2.3 通过应用TRIZ 创新方法，新结构解决了活塞杆根部应力集中的问题。

3 技术创新

3.1 整体杆头结构

按白鹤滩水轮机参数进行设计，经过计算满足要求的接力器整体杆头如图1，部件重量总重为3411kg，其中整体杆头重量为1763kg。

3.2 创新方案1 设计

通过结构创新设计，新杆头联接结构如图2，经过设计计算，结构设计重量可以减轻，整体结构满足强度要求的，杆头联接结构总重量为1996kg，最终的推拉杆销重量为750kg。

图2 创新方案1

对创新方案1，进行有限元计算和疲劳计算分析，计算结果显示活塞杆根部应力偏高，不满足要求。

通过分析优化设计根部结构，共设计出三种优化后活塞杆根部结构，以期改善和解决根部应力集中的问题，通过有限元分析，应力最大值均出现在拉工况时，方案一最大值为504.5Mpa，方案二最大值为506.0 Mpa，方案三为483.3 Mpa。

从计算结果看，创新方案1 存在根部应力集中问题，根据应力副、循环次数和S-N 曲线计算出，方案二活塞杆寿命最长，仅31.67 年，方案一和方案三寿命仅不足15 年。不满足合同保证至少40 年的要求。如果运行过程中活塞杆根部出现疲劳断裂，发电机组不能运行，且整根活塞杆需要返厂更换。

图3 活塞杆根部圆角优化方案

表1 各工况应力计算结果

3.3 创新方案2 设计

为彻底解决创新方案1 中活塞杆根部应力集中，利用TRIZ创新方法中的分割原理，把形成根部圆角的部件分割开来。通过创新设计原带外螺纹活塞杆，分离为活塞杆和双头螺柱，彻底消除根部应力集中，二者通过螺纹把合联接。

图4 创新方案2

图5 活塞杆改善前后根部应力计算

通过有限元计算，新结构消除了原结构根部应力集中问题。活塞杆最大拉应力从506MPA 降低至161.76MPA，降低约67%，并小于材料的许用应力，结构安全。

4 结论

新杆头结构（如图4）包括活塞杆（内螺纹），双头螺柱，推拉杆销，超级螺母和推拉杆等。新杆头联接结构达到了预期目标，消除了活塞杆根部应力集中问题，杆头联接结构工艺性提高，显著降低生产难度，结构简单并且安装便利。应用TRIZ 创新方法使高成本活塞杆与高应力易疲劳部件分离，方便维护，同时大幅降低了安装时螺纹咬扣风险。

新杆头联接结构已应用于白鹤滩电站左岸8 台水轮机，经过工程实际应用反馈，新杆头结构安装和拆卸方便，且新杆头结构简单，安装精度容易保证。此接力器杆头联接结构已经申请专利。