李維俊

(浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

在燈泡貫流式水輪機(jī)中，廣泛采用彈簧連桿作為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)活動(dòng)導(dǎo)葉的保護(hù)裝置，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)活動(dòng)導(dǎo)葉之間有異物卡阻時(shí)，彈簧將動(dòng)作，保護(hù)連桿機(jī)構(gòu)等不被破壞[1-5]。導(dǎo)葉反復(fù)多次開(kāi)關(guān)排除異物，彈簧可自動(dòng)復(fù)位。

1 外形結(jié)構(gòu)

圖1所示為一種壓縮型彈簧連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。當(dāng)全關(guān)壓緊時(shí)，或者相鄰兩只活動(dòng)導(dǎo)葉之間有異物卡住時(shí)，彈簧連桿的兩端受到壓力，迫使彈簧壓縮，連桿長(zhǎng)度縮短；當(dāng)彈簧連桿兩端壓力消失時(shí)，在彈簧作用下，彈簧連桿恢復(fù)至原來(lái)的長(zhǎng)度。那么，接力器+重錘在最低油壓下能否使彈簧連桿壓縮至一定的長(zhǎng)度，在接力器容量計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行考查。

圖1 彈簧連桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 建立導(dǎo)水機(jī)構(gòu)連桿關(guān)系

圖2所示為某導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的剖面圖，在計(jì)算接力器容量和重錘重量時(shí)，需要建立導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的連桿關(guān)系[6]。

圖2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)剖面圖

有很多方法可以建立該關(guān)系，如：平面解析和空間解析等，兩者相差約1%～1‰左右的誤差。為了更加精確地表達(dá)連桿的空間關(guān)系，在此用空間向量關(guān)系建立連桿的空間關(guān)系(見(jiàn)圖3)。

圖3 空間向量關(guān)系

圖2和圖3中，A點(diǎn)為活動(dòng)導(dǎo)葉軸頭與導(dǎo)葉臂的交點(diǎn)；B點(diǎn)為導(dǎo)葉臂與連桿的交點(diǎn)；C點(diǎn)為連桿與控制環(huán)小耳朵的交點(diǎn)；向量O′D為與向量O′C垂直的輔助向量，即：O′D⊥O′C；向量BA與向量BC的夾為β角；向量CB與向量O′D的夾為α角。

令：Fc—最低許用油壓4.6 MPa時(shí)的接力器操作力，N;

W—重錘重量，kg；

Rs—接力器大耳朵所在圓半徑，m；

Rw—重錘所在圓半徑，m；

Rr—控制環(huán)小耳朵所在圓半徑，m；

Z—活動(dòng)導(dǎo)葉的數(shù)量；

L—導(dǎo)葉臂長(zhǎng)度，m；

Ф—導(dǎo)葉臂的轉(zhuǎn)角，度；

St—彈簧連桿的壓緊行程，m；

k—彈簧剛度，N/m；

F—彈簧連桿彈力，N；

Pc—作用在彈簧連桿上的操作力，N。

3 力矩傳遞關(guān)系

導(dǎo)葉在全關(guān)時(shí)，導(dǎo)葉臂的初始位置是已知的。當(dāng)臂轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)Ф時(shí)，可通過(guò)幾何關(guān)系分別求出A、B、C三點(diǎn)的坐標(biāo)值，便可得到向量BA、BC、O′D，從而可求出α、β的大小。

由接力器通過(guò)導(dǎo)葉操作系統(tǒng)傳至導(dǎo)葉臂上的旋轉(zhuǎn)力矩為

同理，可以求出只有重錘作用下所產(chǎn)生的力矩Mc′和摩擦力矩Mf。

4 重錘重量和接力器容量計(jì)算研討

4.1 計(jì)算流程

重錘重量和接力器容量計(jì)算的一般流程(見(jiàn)圖4)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和參照類(lèi)似機(jī)組初步確定重錘的重量，該重錘的重量能否在正常條件下(導(dǎo)葉之間無(wú)異物卡阻時(shí))，在調(diào)速器系統(tǒng)發(fā)生故障或者工作油壓失壓時(shí)，加上導(dǎo)葉的水力矩自動(dòng)關(guān)閉趨勢(shì)關(guān)閉導(dǎo)葉。

圖4 計(jì)算流程圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和參照類(lèi)似機(jī)組初步確定接力器的直徑。當(dāng)正常條件下開(kāi)機(jī)，導(dǎo)葉接力器投入工作，接力器能否滿足導(dǎo)葉開(kāi)啟要求，應(yīng)復(fù)核一下接力器的容量。當(dāng)異常條件下機(jī)組關(guān)機(jī)，導(dǎo)葉之間有異物卡阻時(shí)，導(dǎo)葉接力器投入工作，彈簧連桿動(dòng)作，此時(shí)應(yīng)考查一下接力器+重錘能否使其余導(dǎo)葉關(guān)到底。如果關(guān)不到底則必須進(jìn)行反復(fù)調(diào)整；若相差不大可調(diào)整重錘的重量，之后需再次復(fù)核一下接力器容量；若相差很大，只能調(diào)整接力器。

4.2 算例

4.2.1 正常條件下計(jì)算復(fù)核

在計(jì)算土谷塘電站重錘重量和接力器容量時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和參照類(lèi)似機(jī)組初步確定了重錘的重量19 t和接力器的直徑。由活動(dòng)導(dǎo)葉水力矩TG和摩擦力矩Mf可得出導(dǎo)葉關(guān)閉力矩和開(kāi)啟力矩，由接力器+重錘的關(guān)閉力矩Mc和開(kāi)啟力矩Mo形成一個(gè)(見(jiàn)圖5)的曲線，圖中只截取了導(dǎo)葉開(kāi)度從25°～50°一部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖5 導(dǎo)葉開(kāi)度與力矩關(guān)系曲線

經(jīng)過(guò)復(fù)核，重錘重量和接力器容量均滿足機(jī)組在正常條件下關(guān)機(jī)和開(kāi)啟的要求，并且有一定的余量。但是，當(dāng)某相鄰導(dǎo)葉之間卡住異物，該導(dǎo)葉的彈簧連桿兩端受壓，彈簧壓縮，此時(shí)應(yīng)考查一下接力器+重錘的力能否使其余活動(dòng)導(dǎo)葉關(guān)到底。

4.2.2 異常條件下計(jì)算復(fù)核

彈簧連桿結(jié)構(gòu)如圖1所示，初始位置時(shí)，彈簧預(yù)壓縮100 mm， 土谷塘電站是按最大能卡住直徑為145 mm的異物進(jìn)行設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖6)。

圖6 導(dǎo)葉與異物示意圖

當(dāng)導(dǎo)葉被直徑為145 mm異物卡住時(shí)，導(dǎo)葉臂轉(zhuǎn)角Ф=7.344 1°時(shí)，彈簧連桿還沒(méi)有被壓縮，即：St=0，

F=k×100=64.56 kN

此時(shí)，經(jīng)計(jì)算得：α=28.137 8，作用在連桿上的操作力Pc:

由于Pc>F，彈簧連桿被壓縮，此時(shí)接力器+重錘繼續(xù)推動(dòng)其余導(dǎo)葉。當(dāng)其余導(dǎo)葉關(guān)至全關(guān)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)計(jì)算得到：St=88.4 mm，α=34.095°。

此時(shí)，彈簧連桿的彈力F′：

F′=k×(100+88.4)=121.61 kN

作用在連桿上的操作力Pc′：

由于彈簧連桿上的操作力小于彈簧的彈力，由此導(dǎo)致的結(jié)果是彈簧連桿壓緊至一定行程時(shí)，接力器+重錘已沒(méi)有能力繼續(xù)推動(dòng)其余導(dǎo)葉至全關(guān)狀態(tài)。通過(guò)計(jì)算，接力器+重錘僅能使彈簧壓縮至87.76 mm的行程，此時(shí)，其余導(dǎo)葉之間仍有1.04 mm的間隙。

要想使活動(dòng)導(dǎo)葉能夠處于全關(guān)狀態(tài)，就得調(diào)整接力器的直徑或者重錘的重量。由于此時(shí)導(dǎo)葉的間隙只有1 mm，調(diào)整的幅度不大，所以將重錘的重量由19 t增加至20 t，作用在彈簧連桿上的操作力Pc′=121.81 kN>F′=121.61 kN。同時(shí)經(jīng)過(guò)復(fù)核，接力器滿足導(dǎo)葉開(kāi)啟要求。在不計(jì)摩擦力的條件下，接力器+重錘在理論上可使其余導(dǎo)葉處于全關(guān)狀態(tài)。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了提高電站的運(yùn)行安全性，在最低油壓下，當(dāng)活動(dòng)導(dǎo)葉之間卡住異物時(shí)，在彈簧連桿全行程范圍內(nèi)，理論上應(yīng)使作用在彈簧連桿上的操作力大于彈簧的彈力，才能確保其余活動(dòng)導(dǎo)葉處于全關(guān)狀態(tài)。