剖析金寨抽水蓄能电站导叶传动保护装置

罗国虎

（安徽金寨抽水蓄能有限公司,安徽 六安 237333）

1 概述

安徽金寨抽水蓄能电站项目位于安徽省张冲乡境内，电站装机4×300 MW，设计年发电量20.1亿kW·h，年抽水耗电量26.8亿kW·h，工程为一等大（1）型工程。电站枢纽工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等组成。采用尾部式开发、两洞四机布置。以两回500 kV线路接入华东电网，具备调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动“六大功能”，在保障大电网安全、服务清洁能源消纳、促进电力系统优化运行中发挥着重要作用。抽水蓄能机组导水机构作用是引导水流按一定方向进入转轮，并通过改变导叶位置来改变流量，调整机组出力，并可靠的截断水流。若该机构无法可靠、安全的控制水流，则会引起机组过速等，甚至会引发更大的设备事故，因此设置安全保护装置是十分必要的。

金寨抽水蓄能电站（以下简称金寨电站）采用的传动保护装置有剪断销、导叶摩擦装置和导叶限位装置。如图1所示，活动导叶轴头上方设置导叶臂、端盖、导叶键及摩擦装置等部件。剪断销位于导叶控制环连板与导叶转臂之间。设置的摩擦装置一端通过加紧螺栓把合，另外一端与双连板通过连接销连接。每个导叶均设置可靠的导叶限位块，导叶限位块根据在最不利的工作条件下，可能施加到导叶限位块上的最大水力矩和冲击力来设计；限位块在保护装置动作的情况下，防止松动的导叶反向和转轮及相邻导叶相碰；限位块采用减震垫保护。导叶限位装置采用与顶盖一体化的设计方式。

图1 导水机构传动部件结构示意图

2 保护装置主要结构部件

2.1 剪断销

金寨电站剪断销（见图2）的材质为热锻圆钢35CrMo合金钢，半精加工后进行热处理，抗拉强度≥980 MPa，屈服强度σ0.2≥835 MPa；硬度不大于229 HB；并要求外表面进行100%UT探伤，按GB/T 4162规定的A级验收。剪断销安装在连接板与导叶臂之间，剪断销中心部位盲孔里设置M20内螺纹孔，装有剪断销剪断检测元件。剪断销的中间部位有个U型加工沟槽，是整个销子受力的最弱点，要求对沟槽进行着色检查，按NB/T 47013.5规定的Ⅱ级执行，线性缺陷不大于4.0 mm，圆形缺陷不大于4.0 mm且数量在评定框内不大于2个。

图2 剪断销结构示意图

剪断销设计试验理论剪断力为F=（1±10%）569 280 N，GE 公司另行制造剪断销试 样（d1=Φ35±0.05 mm、d1=Φ35.2±0.05 mm、d1=Φ35.4±0.05 mm），并委托北京普汇恒达材料测试有限公司进行剪断试验。依据GB/T 13683-1992《销剪切试验方法》对金寨电站剪断销式样进行了测试，测试结果见表1。

表1 剪断销式样受力测试结果

根据以上试验测试数据结果可以看出，剪断销试样的受力不满足设计要求，需增加受力截面直径才有可能满足设计要求。根据理论计算重新选择了剪断销试件，最终确定直径d=Φ37.03±0.05 mm。剪断销的剪切强度τ按一般取0.6～0.8屈服强度σ0.2的经验公式，τ=501～668 MPa。根据τ=F/S，S=π(d-d2)/4。将最终确定的剪断销直径代入公式中可以从理论上验证剪断销直径d=Φ37.03±0.05 mm的剪切力满足35CrMo合金钢材质剪断强度要求。

2.2 摩擦装置

金寨电站摩擦装置由连接板、把紧螺栓、摩擦轴衬、导叶臂组成。设计时，根据导叶在正常旋转范围内承受的最大阻力矩（水力矩与轴颈摩擦阻力矩之和）来确定摩擦装置的摩擦力矩，摩擦力矩取最大阻力矩的1.1 倍。确定摩擦力矩大小后，根据连接板结构尺寸，可初步计算连接板尾部的夹紧力。由于摩擦力大小与螺栓紧力有关，需使用专用的扭力扳手调整把和螺栓使其与导叶轴径形成摩擦连接。同时运行过程中需要对该螺栓的进行检测，防止螺栓松动造成摩擦力矩发生改变摩擦臂。摩擦环采用纯铜结构制造（见图3），采用ZG275-485H合金结构钢制造而成，摩擦臂一侧沿纵向开槽，采用双头螺栓抱紧在导叶轴颈上的摩擦环，另一侧靠连接销与双连板链接，中间靠剪断销与导叶臂链接（见图4）。

图3 摩擦环结构示意图

图4 摩擦装置结构示意图

2.3 导叶限位装置

金寨电站导叶臂为“Y”型叉头结构，限位块焊接在顶盖上，在导叶全开或全关位置可以顶到顶盖外缘，起到导叶限位的作用，保证导叶在摩擦装置、剪断销同时失效后，旋转位置不会超过正常旋转范围。设置非金属材料垫块起到震垫保护作用，非金属材料板与限位块之间保留5 mm 间隙，保证导叶在正常旋转范围内不与限位块干扰。

3 工作原理

来自接力器的操作力通过推拉杆、控制环、偏心销、连杆、连接销、摩擦臂、剪断销、导叶臂、导叶键、导叶轴达到控制活动导叶开度的增大或减小的目的，同时摩擦臂又通过摩擦环导叶臂、导叶键达到控制导叶防止快速大幅度摆动的目的。导叶臂为“Y”型叉头加上缓冲减震垫的结构，当导叶在全关或者全开的位置时顶在顶盖的外缘处，可以有效的防止导叶的过关或者过开，起到限制导叶开度的作用。当相邻导叶中间卡有异物或个别导叶摩阻过大时，剪断销剪断，摩擦臂和导叶臂之间产生相对位移，摩擦环和导叶臂之间也产生滑动位移，致使活动导叶错位。但此时摩擦环的摩擦力作用能有效控制导叶，发生错位的活动导叶不会随意快速摆动而碰撞相邻导叶，避免导叶完全失控扩大故障。其余活动导叶则跟随控制环继续关闭，导水机构其他部件受到保护不至于被破坏。

4 导叶摩擦装置试验

随机抽取3套导叶摩擦保护装置在试验台上进行重复试验，已得到准确一致性高的起始动作力矩，导叶摩擦装置是以导叶保护装置设计的起始滑动力矩来确定摩擦臂把合螺母的拧紧力矩，作为导水机构预装和正式安装时的摩擦臂把合螺栓的拧紧力矩，根据合同要求金寨电站导叶摩擦装置需要进行摩擦力矩验证。

4.1 试验装置

试验装置如图5所示。

图5 试验装置及试验现场图

4.2 实验过程

将底座摆放在平台上，根据底座上的孔进行摆放支座和挡块。插入剪断销，把合导叶臂和连接板。按设计要求预紧把合螺栓同时测量螺栓的拉伸值，需注意的是每一个螺栓只能用于把合一个导叶臂，不能重复使用。将准备好的千斤顶顶在导叶臂小耳孔处的试验工装上。用百分表顶在导叶臂和连板上。用压力泵给千斤顶加压，泵的液压缸通过叉头对连接板施加力，逐渐提高压力，当连接板与导叶臂发生相对转动时记录压力值。重复上述试验步骤3次分别记录压力值。测出导叶臂内孔与连接板销孔距离，计算出摩擦力矩M。

5 结束语

金寨电站设备厂家对导叶剪断销、摩擦装置和限位装置进行专门的试验，验证了电站设计的剪断销、摩擦装置的破断力、摩擦力矩，符合合同及设计要求。剪断销、摩擦装置及导叶限位装置的多重保护的设置更好地保护了机组导水机构运行的安全与稳定。鉴于剪断销、摩擦装置的重要性，建议在设备制造过程及出厂验收过程中增加相关零部件的质量验收环节。