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摘要：在大额功率及重量的水轮机发电电站中，水流流量的控制利用机械装置来实现，有很好的优越性。本文提出了，在利用调整导叶开角以控制流量的应用中，此部分机械结构设计中所遇到的几个关键问题，具体包括：导叶开角的调整、推拉杆的力学计算、分度角度、推拉杆的长度调节等。文中分析了导叶开角控制的工作原理，核算了推拉杆的强度及稳定性、确定了导叶的导叶全开/闭点、设计了正反向螺旋调整机构。
关键词：机械调速 导叶开角 全开/闭点 正反向螺旋
Abstract：In the large power and weight power stations of hydro turbine， It has great advantages what The control of water flow is realized by means of mechanical devices. This paper proposed， In applications of control flow where the opening Angle for guide vanes was adjusted， Several key problems were encountered in the design of this part of mechanical structure， Specific include： Adjusting the opening angle of guide blade、The stress calculation for push-pull rod、The graduation angle、The length adjustment of push-pull rod and so on， All of this was be proposed in this paper. In the paper， The working principle of open Angle control for guide blade was analyzed， The strength and stability of the push-pull rod were calculated， The full-open/full-closed points of guide vane were determined， The forward and backward screw adjusting mechanism was designed.
Keyword：Mechanismic speed governing Opening Angle for guide vanes The full-open/full-closed points Positive and negative spiral
0前言
在水轮机发电机组中，水轮机导叶开角控制装置用来控制导叶开度[1]，以调节机组的负荷和开关机，进而保证整个机组转速的稳定。虽然电动控制能实现较好水轮机导叶开角的控制，但相对功率及重量极大的水轮机发电电站，通过针对性设计的机械装置能达到更好的控制效果。相比较电动控制，用机械装置来控制调速器有如下优势：1）液压缸周期性给力，会避免外界意外断电对整个机组系统造成伤害;2）机械装置能获得较大的转动力矩; 3）在功率稳定的情况下，提高导叶控制精度，可以在任意点停留[2]。
1导叶开角机械控制装置的原理分析
水轮机活动导叶开角的控制，是通过一个带有两个推拉杆的传动机构完成的。整个调速器运动机构的工作路线是：周期性往复的直线运动（柱塞）→摆动（连杆）→转动（调速轴）→摆动（摇臂） →转动（导叶控制环）。
如图1所示，在调速机构工作过程中，外部液压缸施加一个周期性往复直线运动的力至调速杆摆臂1，控制调速摆臂在±45°的范围内做周期性的摆动，从而带动调速轴2的转动。当调速轴在小范围内正反转时，带动通过键连接其上的摇臂3摆动，进而两个推拉杆4不同方向的移动，实现导叶控制盘5小角度内的旋转。控制盘顺时针转动，活动导叶6关闭，反之则张开。
2推拉杆强度与稳定性计算
推拉杆是整个控制部分的关键部件，其强度和稳定性能否达到要求，关系到导叶开角能否达到合理的控制效果。为此，我们做了相关问题的核算。
2.4稳定性计算
3开口角度的控制计算
弧长开口角度的大小控制是导叶旋转设计中应主要考虑的问题。
推拉杆要带动控制环实现定角度的摆动。如果角度控制不好，推拉杆摆动时易出现卡死现象[5]。怎样确保各个零件之间的连接强度问题，以及整个机构的稳定性。针对以上的问题，根據分析得到以下结论：1）摇臂安装销的轴线与调速轴之间角度，通过计算得出是9°2′22″;2）推拉杆采用可调长度的结构，以便于安装调整。
3.1导叶最大开角的计算
3.2导叶全开＼全闭点的确定
如图所示，导叶中心线和导叶臂中心线夹角可用作图法确定，这样我们可以根据同一导叶的最大开角和0开角两个极限位置，确定出导叶臂及连杆的中心线位置，然后找出在小耳环中心圆上的全开点a1和全闭点a2[7]位置，接着作这两点和转轮中心0的连线a10和a20，延长这两条线段分别和控制盘大耳环中心圆相交于b1和b2，弦长b1b2的距离成为控制环行程。
3.3导叶中间点的确定
在大耳环中心圆上，根据上一步确定出的全开点b1和全闭点b2， ，找到弧长b1b2的中点b0，此点就是控制环与推拉杆的连接孔圆心。图中的相位角ψ是两个相邻叶片的安装轴心相对于0点的夹角，此次角度为15°。
3.4摇臂连接孔圆心的确定 根据在控制盘上大耳环连接孔中心位置确定出的全开、全闭及中点，我们确定出和推拉杆另一侧连接的摇臂中心孔的位置b0，以及此点对应的控制全开位置点b1和全闭位置点b2。
4可调长度式推拉杆
图3中的两个推拉杆均采用正反向螺旋连接设计，左接头通过传动销和导叶控制环连接， 右接头通过传动销和调速轴上的摇臂连接，连接两接头的套筒为正反向螺旋结构，左端采用右旋丝扣，右端采用左旋丝扣，中间一段为光杆。连接时，先将左右两接头稍稍旋入正反向螺旋套筒，再用扳手擰正。这种正反螺旋结构有如下好处：1）这样可以将推拉杆拧紧，而又不改变两个接头的方向;2）这样可以通过扳手旋转套筒来调节推拉杆的长度，顺时针旋转推拉杆伸长，反之缩短。
这种正反向螺旋套筒结构的设计也可以用在被连接的两根钢筋上，其中有一端是固定不能动时，或只旋转套筒达到连接目的的连接体;类似的还有柱顶端及剪力墙顶端的钢筋连接也是此结构的很好应用[8]。
5总结
此水轮机导叶开角控制装置主要解决问题归纳如下： 1）整个操作机构便于检查、调整和维修。2）液压调速器在停机时不依赖于外界电源等，可在电厂系统失电时可靠操作使水轮发电机组正常停机。3）机构可使导叶在任一开口时保持稳定以确保水轮发电机组系统的使用稳定。
参考文献
[1] 王刚，杨波.水轮机活动导叶的质量控制[J].北京：水力发电.2014.02： 71-74.
[2] 吴子娟，梁武科，董玮.活动导叶分布圆直径对混流式水轮机水力性能的影响[J]. 北京：农业机械学报.2019，50（5）：140-147.
[3] 良骏.水轮机[M].北京：机械工业出版社.1981.10： 335-338.
[4] 胡文绩.理论力学[M]. 武汉：华中科技大学出版社. 2010.9：210-216.
[5] 唐昱恒，刘涤尘，陈刚.考虑导叶分段关闭特性的水轮机调速系统改进模型[J].湖北：水电能源科学.2014.32（6）：127-130.
[6] 史振生.水轮机[M].北京：水利电力出版社. 1992.6：134-139，278-280.
[7] 李小芹，常近时，李长胜.改善水轮机过渡过程品质的导叶异步关闭方式[J].北京：水力发电学报.2014，33（1）：202-206.
[8] 李健，罗永锋，郭小农.双钢板组合剪力墙恢复力模型研究[J].上海：结构工程师.2016，32（6）：133-139.
作者资料：马淑霞，兰州工业学院，兰州， 730050，女，甘肃省兰州市七里河区龚家坪东路1号，马淑霞收，
作者简介： 马淑霞， （1980-），女，甘肃省庆阳市，兰州工业学院讲师，研究方向为机械设计与制造、机械机构，现发表中文核心3篇、实用新型专利两项、获省部级科技奖项两项。
关键词：机械调速 导叶开角 全开/闭点 正反向螺旋
Abstract：In the large power and weight power stations of hydro turbine， It has great advantages what The control of water flow is realized by means of mechanical devices. This paper proposed， In applications of control flow where the opening Angle for guide vanes was adjusted， Several key problems were encountered in the design of this part of mechanical structure， Specific include： Adjusting the opening angle of guide blade、The stress calculation for push-pull rod、The graduation angle、The length adjustment of push-pull rod and so on， All of this was be proposed in this paper. In the paper， The working principle of open Angle control for guide blade was analyzed， The strength and stability of the push-pull rod were calculated， The full-open/full-closed points of guide vane were determined， The forward and backward screw adjusting mechanism was designed.
Keyword：Mechanismic speed governing Opening Angle for guide vanes The full-open/full-closed points Positive and negative spiral
0前言
在水轮机发电机组中，水轮机导叶开角控制装置用来控制导叶开度[1]，以调节机组的负荷和开关机，进而保证整个机组转速的稳定。虽然电动控制能实现较好水轮机导叶开角的控制，但相对功率及重量极大的水轮机发电电站，通过针对性设计的机械装置能达到更好的控制效果。相比较电动控制，用机械装置来控制调速器有如下优势：1）液压缸周期性给力，会避免外界意外断电对整个机组系统造成伤害;2）机械装置能获得较大的转动力矩; 3）在功率稳定的情况下，提高导叶控制精度，可以在任意点停留[2]。
1导叶开角机械控制装置的原理分析
水轮机活动导叶开角的控制，是通过一个带有两个推拉杆的传动机构完成的。整个调速器运动机构的工作路线是：周期性往复的直线运动（柱塞）→摆动（连杆）→转动（调速轴）→摆动（摇臂） →转动（导叶控制环）。
如图1所示，在调速机构工作过程中，外部液压缸施加一个周期性往复直线运动的力至调速杆摆臂1，控制调速摆臂在±45°的范围内做周期性的摆动，从而带动调速轴2的转动。当调速轴在小范围内正反转时，带动通过键连接其上的摇臂3摆动，进而两个推拉杆4不同方向的移动，实现导叶控制盘5小角度内的旋转。控制盘顺时针转动，活动导叶6关闭，反之则张开。
2推拉杆强度与稳定性计算
推拉杆是整个控制部分的关键部件，其强度和稳定性能否达到要求，关系到导叶开角能否达到合理的控制效果。为此，我们做了相关问题的核算。
2.4稳定性计算
3开口角度的控制计算
弧长开口角度的大小控制是导叶旋转设计中应主要考虑的问题。
推拉杆要带动控制环实现定角度的摆动。如果角度控制不好，推拉杆摆动时易出现卡死现象[5]。怎样确保各个零件之间的连接强度问题，以及整个机构的稳定性。针对以上的问题，根據分析得到以下结论：1）摇臂安装销的轴线与调速轴之间角度，通过计算得出是9°2′22″;2）推拉杆采用可调长度的结构，以便于安装调整。
3.1导叶最大开角的计算
3.2导叶全开＼全闭点的确定
如图所示，导叶中心线和导叶臂中心线夹角可用作图法确定，这样我们可以根据同一导叶的最大开角和0开角两个极限位置，确定出导叶臂及连杆的中心线位置，然后找出在小耳环中心圆上的全开点a1和全闭点a2[7]位置，接着作这两点和转轮中心0的连线a10和a20，延长这两条线段分别和控制盘大耳环中心圆相交于b1和b2，弦长b1b2的距离成为控制环行程。
3.3导叶中间点的确定
在大耳环中心圆上，根据上一步确定出的全开点b1和全闭点b2， ，找到弧长b1b2的中点b0，此点就是控制环与推拉杆的连接孔圆心。图中的相位角ψ是两个相邻叶片的安装轴心相对于0点的夹角，此次角度为15°。
3.4摇臂连接孔圆心的确定 根据在控制盘上大耳环连接孔中心位置确定出的全开、全闭及中点，我们确定出和推拉杆另一侧连接的摇臂中心孔的位置b0，以及此点对应的控制全开位置点b1和全闭位置点b2。
4可调长度式推拉杆
图3中的两个推拉杆均采用正反向螺旋连接设计，左接头通过传动销和导叶控制环连接， 右接头通过传动销和调速轴上的摇臂连接，连接两接头的套筒为正反向螺旋结构，左端采用右旋丝扣，右端采用左旋丝扣，中间一段为光杆。连接时，先将左右两接头稍稍旋入正反向螺旋套筒，再用扳手擰正。这种正反螺旋结构有如下好处：1）这样可以将推拉杆拧紧，而又不改变两个接头的方向;2）这样可以通过扳手旋转套筒来调节推拉杆的长度，顺时针旋转推拉杆伸长，反之缩短。
这种正反向螺旋套筒结构的设计也可以用在被连接的两根钢筋上，其中有一端是固定不能动时，或只旋转套筒达到连接目的的连接体;类似的还有柱顶端及剪力墙顶端的钢筋连接也是此结构的很好应用[8]。
5总结
此水轮机导叶开角控制装置主要解决问题归纳如下： 1）整个操作机构便于检查、调整和维修。2）液压调速器在停机时不依赖于外界电源等，可在电厂系统失电时可靠操作使水轮发电机组正常停机。3）机构可使导叶在任一开口时保持稳定以确保水轮发电机组系统的使用稳定。
参考文献
[1] 王刚，杨波.水轮机活动导叶的质量控制[J].北京：水力发电.2014.02： 71-74.
[2] 吴子娟，梁武科，董玮.活动导叶分布圆直径对混流式水轮机水力性能的影响[J]. 北京：农业机械学报.2019，50（5）：140-147.
[3] 良骏.水轮机[M].北京：机械工业出版社.1981.10： 335-338.
[4] 胡文绩.理论力学[M]. 武汉：华中科技大学出版社. 2010.9：210-216.
[5] 唐昱恒，刘涤尘，陈刚.考虑导叶分段关闭特性的水轮机调速系统改进模型[J].湖北：水电能源科学.2014.32（6）：127-130.
[6] 史振生.水轮机[M].北京：水利电力出版社. 1992.6：134-139，278-280.
[7] 李小芹，常近时，李长胜.改善水轮机过渡过程品质的导叶异步关闭方式[J].北京：水力发电学报.2014，33（1）：202-206.
[8] 李健，罗永锋，郭小农.双钢板组合剪力墙恢复力模型研究[J].上海：结构工程师.2016，32（6）：133-139.
作者资料：马淑霞，兰州工业学院，兰州， 730050，女，甘肃省兰州市七里河区龚家坪东路1号，马淑霞收，
作者简介： 马淑霞， （1980-），女，甘肃省庆阳市，兰州工业学院讲师，研究方向为机械设计与制造、机械机构，现发表中文核心3篇、实用新型专利两项、获省部级科技奖项两项。