楊祖超，鄭吉斯

(1.廣東鴻源眾力發(fā)電設(shè)備有限公司，廣東韶關(guān) 512031；2.深圳市恩萊吉能源科技有限公司，廣東 深圳 518133)

1 概述

由于環(huán)保的要求，對水輪機在河流中滲油的要求越來越嚴格[1]。因此目前很多電站采用了16 MPa高油壓轉(zhuǎn)輪葉片角度調(diào)節(jié)裝置，極大地減少了漏油對河流的污染。由于采用了16 MPa高油壓，較傳統(tǒng)的6.3 MPa油壓提高2.5倍以上，從而使水輪機槳葉接力體積極大壓縮，可置于發(fā)電機軸端，而水輪機輪轂體內(nèi)無任何壓力油，從而杜絕了槳葉密封滲油對河流的污染[2]。由于槳葉接力器外置可減小水輪機輪轂比，增大水輪機的過流能力和提高水輪機效率，且使水輪機制造工藝簡化，減少了制造成本。同時，對水電站而言，槳葉操作油壓采用16 MPa，取消了壓力油罐和中壓氣機系統(tǒng)，只采用囊式蓄能器，膠囊內(nèi)氮氣與液壓油不直接接觸，油質(zhì)不劣化，不需要補氣，節(jié)省輔助設(shè)備和運行費用[3]。安裝快捷，不需要盤車；且內(nèi)滲油顯著減少，油泵起動次數(shù)顯著減少，從而所用電耗費顯著減少；由于壓力油罐和高壓氣機系統(tǒng)等輔機大量減少，可節(jié)省安裝間空間，從而使水工結(jié)構(gòu)簡化。

由于該技術(shù)具有在環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟方面的先進性，在其誕生的6 a時間內(nèi)已經(jīng)得到了市場的廣泛認可。但是由于其操作油壓進行了大幅度的提升，并且許多機械結(jié)構(gòu)進行了不同程度改變，其設(shè)計上跟傳統(tǒng)技術(shù)有一些差異[4]。因此，本文將其結(jié)構(gòu)和組件的主要設(shè)計方法進行總結(jié)歸納，為設(shè)計人員提供參考。

2 裝置介紹

16 MPa高油壓轉(zhuǎn)輪葉片角度調(diào)節(jié)裝置如圖1所示，主要包含受油器、接力器、操作桿、角度-位移傳感器、機械電氣保護裝置以及一些輔助設(shè)備如液壓裝置、電控系統(tǒng)、操作架等[5]。接力器通過固定支架固定在主軸或轉(zhuǎn)子支架上；活塞固定在操作桿上，并與機組主軸同時旋轉(zhuǎn)；活塞經(jīng)過液壓油操作帶動轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)動；油路集成塊固定在外殼上，不隨主軸旋轉(zhuǎn)；受油器的油管路采用彈性高壓軟管將壓力油送至旋轉(zhuǎn)的接力器中，在運行過程中避免振動位移。受油器上裝有非接觸的槳葉位移傳感器，實現(xiàn)槳葉角度位置的閉環(huán)調(diào)節(jié)。電磁閥組設(shè)有操作閥、液壓閥、節(jié)流閥；電控裝置可單獨設(shè)計，也可置于高油壓調(diào)速器控制柜中。

葉片角度調(diào)節(jié)原理：水輪機及主軸由水力矩推動旋轉(zhuǎn)，與主軸連接的槳葉接力器、活塞、操作桿及操作架隨主軸一起旋轉(zhuǎn)。調(diào)速器發(fā)出葉片調(diào)節(jié)指令時，調(diào)節(jié)器打開比例閥，使操作油由固定彈性高壓軟管經(jīng)受油器進入接力器，在操作油的高壓作用下，活塞桿產(chǎn)生巨大的作用力從而發(fā)生線位移，通過機械傳遞，操作桿、操作架、槳葉傳動機構(gòu)使槳葉葉片發(fā)生角度變化。激光位移傳感器(或磁致伸縮位移傳感器)實時反饋位移量電信號，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)過PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，葉片的角位移與指令相吻合(如圖1所示)。

圖1 16 MPa高油壓轉(zhuǎn)輪葉片角度調(diào)節(jié)裝置示意

3 參數(shù)計算

3.1 接力器行程

一般在水輪機設(shè)計過程中，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)輪型號，以及轉(zhuǎn)輪的負載首先確定拐臂的長度R。由于該技術(shù)將接力器外置，輪轂空間富裕量增大，因此R的可選擇范圍也隨之變大。在設(shè)計時，根據(jù)所選定轉(zhuǎn)輪的特性給定葉片的轉(zhuǎn)角范圍α0。一般情況下，拐臂中心線處于水平位置時，葉片安放角在其轉(zhuǎn)角范圍的中點位置。根據(jù)這兩個給定條件，可得出接力器行程：

Lsj=2Rsin(α0/2)

(1)

3.2接力器缸徑

接力器缸徑必須滿足在最低操作壓力下，其操作力矩大于水輪機推拉力矩的負載(包括水力距，葉片自重力矩以及樞軸的摩擦力矩)[6]。

1)水力矩

2)摩擦力矩及自重力矩

首先根據(jù)類比法預(yù)設(shè)一個接力器缸徑D與活塞桿直徑d(一般來說應(yīng)參考GB/T 2348進行選型)。

單個槳葉開啟操作力(推)：Pp=-P1×π×D2/(4×a)。

單個槳葉關(guān)閉操作力(拉)：Pp′=P1×π×(D2-d2)/(4×a)。

其中P1為最低操作壓力，一般為10 MPa，PS′為水推力系數(shù)，一般由轉(zhuǎn)輪特性給定，a為葉片個數(shù)。

槳葉內(nèi)、外軸套支反力計算(見圖2)。

圖2 摩擦力矩部分參數(shù)示意

內(nèi)、外軸套距離：L=R2-R1。

接力器力作用半徑與外軸套距離：L1=R2-RP。

水壓力矩與外軸套距離：L2=RS-R2。

槳葉重力矩與外軸套距離：L3=RG-R2。

定義系數(shù)：a1=L1/L，a2=L2/L，a3=L3/L。

所以，內(nèi)、外軸套支反力F1、F2分別為：

①正向水壓力下開啟時

F1=-a1×Pp-a2×Pz-a3×G

F2=-(1-a1)×Pp+(1+a2)×Pz+(1+a3)×G

②正向水壓力下關(guān)閉時

F1=-a1×Pp′-a2×Pz-a3×G

F2=-(1-a1)×Pp′+(1+a2)×Pz+(1+a3)×G

③反向水壓力下關(guān)閉時

F1=-a1×Pp′+a2×Pz-a3×G

F2=-(1-a1)×Pp′-(1+a2)×Pz+(1+a3)×G

④反向水壓力下開啟時

F1=-a1×Pp+a2×Pz-a3×G

F2=-(1-a1)×Pp-(1+a2)×Pz+(1+a3)×G

其中G為單個葉片質(zhì)量(槳葉操作力及內(nèi)、外軸套支反力均有方向性，力向上時為正，力向下時為負)。

單個槳葉系統(tǒng)離心力Fc=G×RG×(π×n/30)2/981，其中n為水輪機的額定轉(zhuǎn)速。

3)總摩擦力矩計算

槳葉開啟時摩擦力矩朝關(guān)閉方向，為正；槳葉關(guān)閉時摩擦力矩朝開啟方向，為負。

槳葉開啟時Mf=0.5×f×(|F1|×d1+|F2|×d2+Fc×d3)/100。

槳葉關(guān)閉時Mf=-0.5×f×(|F1|×d1+|F2|×d2+Fc×d3)/100。

其中f為內(nèi)、外軸套的摩擦系數(shù)，按以上公式可計算出最大水頭、額定水頭、最小水頭下不同工況下的摩擦力矩：

4)總力矩

將正向和反向水壓開啟時Mf的較大值與對應(yīng)水頭下的最大水力矩Ms相加，得到對應(yīng)水頭下槳葉開啟時的最大阻力矩；將正向和反向水壓關(guān)閉時Mf的較小值(絕對值較大)與對應(yīng)水頭下的最小水力矩Ms相加，得到對應(yīng)水頭下槳葉關(guān)閉時的最大阻力矩MR。

單個槳葉開啟的操作力矩MP1=Pp×R。

單個槳葉關(guān)閉的操作力矩MP2=Pp′×R。

槳葉開啟時操作力矩MP1的絕對值必須大于3個水頭下開啟時的最大阻力矩的絕對值；考慮到槳葉連桿機構(gòu)的摩擦阻力及轉(zhuǎn)臂與連桿之間的夾角不是90°(但接近90°)，所以槳葉操作力矩應(yīng)有一定的裕量(操作力矩一般應(yīng)為最大阻力矩的1.2～1.3倍左右)。如果槳葉操作力矩小于阻力矩或裕量不足，則應(yīng)增大接力器缸直徑并重新計算；如果槳葉操作力矩裕量太大，則應(yīng)減小接力器缸直徑并重新計算；直到合適為止。

3.3蓄能器選型

由于不同該技術(shù)與16 MPa調(diào)速器的額定油壓相同，因此可以共用蓄能器。根據(jù)《IEC61362》規(guī)定，調(diào)速器應(yīng)滿足系統(tǒng)在最低正常操作壓力(Pomin)以上時，在不起泵的情況下能操作1.5～2個槳葉接力器行程，同時還可操作3個導(dǎo)葉接力器行程[8]。因此，蓄能器的容量需由以下過程進行計算。

首先計算出槳葉接力器容積Vsj：

Vsj=(πD2Lsj)/4

(2)

則接力器在最低正常操作壓力下可用油的體積Vu為：

Vu=4Vsd+2Vsj

(3)

式中Vsd為導(dǎo)葉接力器容積。則可算得滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，蓄能器在最低正常操作壓力下，其氮氣體積最小值為：

(4)

式中P1為最低操作壓力；k為氣體的絕熱指數(shù)，一般在這里取氮氣的保守值1.4。根據(jù)該氮氣體積，可算出最低操作油壓下氮氣體積的最小值為：

Vair′=Vair+Vu

(5)

由于蓄能器預(yù)充氣壓力一般為0.9倍的最低操作壓力，因此蓄能器的體積最小值應(yīng)為最低操作壓力下氮氣體積的1/0.9倍。

V0=Vair′/0.9

(6)

值得注意的是該系統(tǒng)正常工作條件下油泵啟動間隔較長，所以有充足的時間進行熱交換，因此除了從最低正常操作壓力降到最低操作壓力采用絕熱過程以外，其他都是按照等溫過程進行計算。在算出V0后，根據(jù)市場上蓄能器規(guī)格，選擇成本最低且總?cè)莘e大于該值的組合方式進行選型。

4 結(jié)語

本文展示了16 MPa高油壓轉(zhuǎn)輪葉片角度調(diào)節(jié)裝置的主要參數(shù)，包括接力器行程，接力器直徑，蓄能器容積的計算，從而為該裝置的設(shè)計和應(yīng)用提供了參考。整體上來說，該設(shè)計過程與傳統(tǒng)油壓的計算原理上相似但是細節(jié)上有所區(qū)別。例如傳統(tǒng)裝置必須考慮輪轂空間能否容納接力器或其他部件。而由于該技術(shù)將接力器外置于輪轂，因此簡化了設(shè)計過程，放寬了限制條件，使設(shè)計更加靈活。又例如，因為采用囊式蓄能器而非壓力油罐，所以油氣體積比不再為限制條件。其他如活塞桿徑，接力器固定螺栓應(yīng)力以及管路通徑的計算因無太大改變，在此不討論。而該技術(shù)新增的結(jié)構(gòu)，操作桿的設(shè)計和計算非常重要，但由于篇幅所限，以后將進一步討論。